Examination of Spreading-Induced Changes in Fire Properties in Upper Layer of Compartment

승구 강

doi:10.9798/KOSHAM.2021.21.5.139

Abstract

In this study, a large compartment was used and opening shapes were changed to set fire-source conditions and then combustion tests were conducted to quantitatively measure temperature and heat flux near a façade wall. In addition, q was inferred from the relationship between z and q for the top of the opening under different fire-source conditions and for various opening shapes so that q could be used as a reference index.

Keywords: Large Scale, Heat Flux, Temperature, Fully Developed Fire

요지

본 연구에서는 실규모 스케일의 파사드와 화재구획 실험장치를 이용하여 건축물화재를 상정한 각기 다른 화재외력, 개구형상을 고려하여 연소실험을 실시하였다. 그 결과, 파사드 벽면 근방의 온도와 열유속 값을 정량적으로 측정하였다. 또한, z와 q의 관계를 통하여, 각기 다른 화원조건과 개구형상에 대하여 개구상단으로부터 q값을 유추하여 참고지표 값으로 활용이 가능하도록 하였다.

핵심용어: 실규모, 열유속, 온도, 전실화재

1. 서 론

건축물화재에서 초기소화가 불가능한 경우 플래시오버(Flash Over)를 동반한 전실화재로 변모될 가능성이 있다. 전실화재로 화재규모가 커지게 되면, 화재실 개구부에서 발생하는 고온의 분출열기류 및 분출화염(이후, 개구분출열기류)에 의해 개구상부의 스팬드럴과 외벽 및 상부층 연소확대에 대한 위험성이 크다(Shin and Jeong, 2017). 이러한, 상부층 연소확대에 대한 중요인자는 개구분출열기류의 열유속과 온도를 제시할 수 있다. 기존연구에서는 대부분 개구분출열기류의 온도(Yokoi, 1960; Ohmiya et al., 2020)와 개구분출열기류의 열유속(Oleszkiewicz, 1989; Lee et al., 2008)을 단일항목으로 검토하고 있으나, 화재현상을 공학적으로 규명하기 위해서는 검토대상에 대하여 변수의 매개체를 보다 세밀히 검토할 필요가 있다. 또한, 개구분출열기류의 성상에 대해서는 국내외적으로 대부분 모형실험 등에 대한 연구가 진행되고 있으나, 실제의 화재 재현에 가까운 실규모 스케일의 실험적 연구는 미비한 실정으로 실규모 스케일 실험의 중요성이 지적되고 있다(Yoshioka et al., 2013). 한편, 상부층 연소확대를 방지할 목적으로 세계 각국에서는 파사드의 연소확대 시험방법을 제시하고 있으나, 서로 다른 개구형상조건과 화재강도가 다르게 제시되어 상부층 연소확대 요인에 대하여 동일하게 평가할 수 없는 실정이며, 현재까지 각국 시험방법의 통일에 대한 방법을 모색하고 있다. 이러한 관점에서, 본 연구는 실규모 스케일의 파사드와 화재구획 실험장치를 이용하여 건축물화재를 상정한 각기 다른 화재외력, 개구형상을 고려하여 연소실험을 수행하였다. 또한, 파사드 벽면 근방의 온도와 열유속 등을 정량적으로 측정하여 상부층 연소확대에 기인하는 화재성상에 관한 검토를 수행하였다.

2. 각국 파사드의 연소확대 시험방법

상부층 연소확대를 방지할 목적으로 세계 각국에서는 다음 Table 1에 나타낸 바와 같이 파사드의 연소확대 시험방법을 제시하고 있다. 공통항목으로써, 실대규모 시험장치를 이용하고 있으며, 횡장형 개구를 설정하고 있는 것이 특징이다.

Table 1

Facade Test Standards in Each Country

Specification number (Country or organization)	Façade specification of test specimen		Floor	Fire source conditions	Opening			Side wall	Heating Strength		HRR of under ventilated

	Width	Height			Width	Height	Aspect ratio		From the top of the opening	Heat flux

	[m]	[m]			[m]	[m]	[-]		[m]	[kW/m²]	[kW]
13785-2 (ISO)	3.0^* 1.2^**	4.0^* 5.7^**	2.0	Propane gas 5,575 kW	2.0	1.2	3.3	With	0.6 1.6	55 ± 5 35 ± 5	2,120 AH^1/2
NFPA 285 (USA)	3.05	2.13⁺ 5.13^****	2.0	Natural gas 1,120 kW (15-20 min)	1.981	0.762	5.2	Without	0.61 0.914 1.219	29 ± 6 32 ± 6 25 ± 5	850 AH^1/2
ULC S134 (Canada)	5.0	7.0^***	3.0	Propane gas 5,575 kW	2.5	1.4	3.6	Without	0.5 1.5	45 ± 3 27 ± 2	1,346 AH^1/2
BS 8414-1:2002 (UK)	2.8^* 1.5^**	6.0^* 8.0^**	3.0	Wood crib 3 MW	2.0	2.0	2.0	With	1.0	70 ± 25 (9-29 min)	1,800 AH^1/2
SP FIRE 105 (Sweden)	4.0	0.71⁺ 3.41⁺⁺ 6.11⁺⁺⁺ 6.710^****	3.0	Heptane 75 MJ/m²	3.0	0.71	8.5	Without	2.81 (2 Floor)	15 (min) 35 (1.5 min)	4,460 AH^1/2

^* Frontal wall,

^** Side wall, Upper Opening,

^*** Upper Opening,

^**** All,

⁺ 1 Floor,

⁺⁺ 2 Floor,

⁺⁺⁺ 3 Floor

우선, 국제표준화기구인 ISO 13785-2 (2002)에서는 대규모 시험으로써 2층 상당 규모의 연소챔버와 파사드를 구성하고 있으며, 한쪽 측벽을 설치하고 있다. 화원조건은 프로판 가스를 이용할 경우 5,575 kW정도의 화재외력을 가함으로써 재료의 손상정도와 공법의 상황으로 위험성을 평가하고 있다. 미국의 NFPA 285 (2006)에서는 2층 상당 규모의 연소챔버와 파사드를 구성하고 있으며, 천연 가스를 이용하여 단계적으로 화재외력을 변경함에 따라 외벽 표면의 화재전파, 심재의 화재전파, 내벽 표면에서의 화재전파, 수평화염전파에 대하여 위험성을 평가하고 있다. 캐나다의 ULC S134 (2013)에서는 3층 상당 규모의 연소챔버와 파사드를 구성하고 있으며, 프로판 가스를 이용하여 5,575 kW정도의 화재외력을 가하여 외벽 표면에서의 연소, 외벽 표면에서의 열류가 증가한 양에 대하여 위험성을 평가하고 있다. 영국의 BS 8414-2 (2005)에서는 3층 상당 규모의 연소챔버와 파사드를 구성하고 있으며, 한쪽 측벽을 설치하고 있다. 화원조건으로써 기체연료인 가스를 권장하고 있으며, 착화로부터 9~29분경에 외벽의 입사열을 70 ± 25의 범위로 설정하고 있으며, 외벽 표면에 대하여 연소, 시험체 내부의 연소 및 붕괴의 위험성에 대하여 평가하고 있다. 스웨덴의 SP FIRE 105 (1985)에서는 3층 상당 규모의 연소챔버와 파사드를 구성하고 있으며, 액체연료의 헵탄75 MJ/m²을 이용하여 2층 개구부하단에 화염이 도달하지 않고, 외벽에서 큰 파편이 떨어지지 않으며, 2층 개구부중심의 열유속이 75 kW/m² 이하의 값으로 위험성을 평가하고 있다. 한편, Table 1에 나타낸 바와 같이 각국 파사드의 연소확대 시험방법은 개구 아스펙트비가 3.3~8.5 범위의 개구조건과 850 AH^1/2~4460 AH^1/2의 화원조건 범위를 권장하고 있으며, 서로 다른 개구조건과 화원조건을 권장하고 있는 실정이다(Kang et al., 2015).

3. 실험개요

실험장치 및 실험조건 및 방법은 Kang and Shin (2021)의 연구를 참고하였다.

3.1 실험장치

Figs. 1(a), 1(b)와 같이, 실험장치는 실규모 스케일의 화재실을 상정한 구획과 파사드를 구성한 장치를 이용하였다. 구획은 폭 2 m × 길이 2 m × 높이 2 m (내부치수)의 정사각형으로 설정하였으며, 주재료는 ALC판(두께 50 mm)을 이용하고, 구획내 주벽면에 Ceramic fiber (두께 25 mm)를 부착하였다. 구획에는 1개소의 개구를 설치하였으며, 개구의 상단이 구획내 천정면에서 0.5 m의 높이에 위치하도록 설정하였다. 파사드는 폭 3 m × 높이 5.5 m의 직방형으로 설정하였다. 또한, 구획의 천정에서 개구를 설치한 벽면의 연직방향에 설치하였으며, 주재료는 규산칼슘판(두께 25 mm)를 기반으로 하여 가열면측 표면에 Ceramic fiber (두께 25 mm)을 부착하였다. 화원은 기체연료로써 도시가스를 사용하였으며, 구획내 바닥면의 중심이 가스버너(폭 0.3 m × 길이 1.8 m)의 장변이 개구에 병렬이 되도록 설치하였으며, 가스분출면을 구획바닥면과 일치시켰다. 또한, 가스유량계를 사용하여 가스 공급량을 조절하였다.

Fig. 1

Schematic Diagram of Experimental Apparatus [Unit : mm]

3.2 측정항목

3.2.1 열방출율

가스유량계로부터 가스공급량을 데이터로거(MX100)로 전송하여 가스가 완전 연소하는 것을 가정하여 열방출율을 산출하였다.

3.2.2 열유속

Figs. 1(a), 1(b)와 같이, 전열 열유속계(Capthermφ25.4 mm) 를 이용하여 개구상단으로부터 0.6 m, 1.6 m, 2 m 위치에 입사되는 열유속을 측정하였다.

3.2.3 온도

Figs. 1(a), 1(b)와 같이, K-type시스열전대(φ 3.2 mm)를 이용하고, 개구부의 온도는 개구상단에서부터 0.2 m 간격으로 설치하였다. 또한, 파사드 벽면온도에 대하여, 개구 상단부터 상부방향으로 0.6 m, 1.5 m, 2.1 m 위치의 온도를 측정하였다.

3.3 실험조건 및 방법

Table 2에 나타낸 바와 같이, 개구조건은 개구형상을 고려하여 장방형의 종장형(Case1), 정방형(Case2), 장방형의 횡장형(Case3~Case6)의 범위로 6조건을 설정하였다. 또한, 화원열방출율 HRR에 대하여HC1~HC6의 6조건으로 Q_vcrit, (Q_vcrit + 1500A√H)/2, 1500A√H, 1800A√H, 2100A√H, 2400A√H로 설정하였다.

Table 2

Experimental Condition

Case	Opening conditions				Surface area	Fire source conditions

	W	H	n	A√H		HC1	HC2	HC3	HC4	HC5	HC6

	Width	Height	Aspect ratio	Opening factor		Q_vcrit	(Q_vcrit + 1,500 AH^1/2)/2	1,500 AH^1/2	1,800 AH^1/2	2,100 AH^1/2	2,400 AH^1/2

	[m]	[m]	[m]	[m^5/2]	[m²]	[kW]	[kW]	[kW]	[kW]	[kW]	[kW]
Case1	0.5	1	1	0.50	23.5	349.9	549.9	750.0	900.0	1,050.0	1,200.0
Case2	1	1	2	1.00	23.00	525.8	1,012.9	1,500.0	1,800.0	2,100.0	2,400.0
Case3	1	0.67	3	0.55	23.33	368.7	595.7	822.6	987.2	1,151.7	1,316.2
Case4	1	0.5	4	0.35	23.50	284.2	407.3	530.3	636.4	742.5	848.5
Case5	1	0.4	5	0.25	23.60	232.9	306.2	379.5	455.4	531.3	607.2
Case6	1	0.33	6	0.19	23.67	196.1	240.2	284.4	341.2	398.1	455.0

Surface area : wall, ceiling and floor

(1)

Qvcrit=150AT2/5(AH)3/5

여기서, A_T는 화재실 주벽면적 m², A는 개구면적 m², H는 개구높이 m이다. Ohmiya and Hori (2001)가 제안하고 있는 Eq. (1)은 개구에서 분출화염이 발생하는 한계열방출속도라고 정의되어 있으며, 본 연구에서는 개구로부터 나오는 고온의 분출열기류 및 분출화염이 상부층으로의 연소확대에 기인하는 화재성상에 미치는 영향을 고려하였다.

한편, 실험은 개구상부를 고정하여 개구조건을 변경하고 Fig. 2에 나타낸 화원열방출율(상세 값은 Table 1에 표기)가 되도록 최소 값 HC1에서 최대 값 HC6까지 5분 간격으로 단계적으로 가스공급량을 증가시켰다. 또한, 데이터 정리는 1초 간격으로 측정한 데이터에 대하여 HRR을 증가시키기 전 20초간의 평균값을 이용하였다.

Fig. 2

Variation of HRR as a Function of Time

4. 실험결과

4.1 개구부온도

Fig. 3에 착화로부터 5분 간격으로 30분까지 HRR을 증가시킨 결과에 대하여, 개구부온도를 나타내었다. 여기서, 개구부온도는 개구부높이의 1/2부터 개구상단까지의 온도를 평균한 값을 이용하였다. 그 결과, 전 실험조건에서 시간이 경과함에 따라(화원증가) 개구부의 온도도 상승하는 결과가 나타났다. 또한, 착화로부터 15분까지의 구간(HC1~HC3)에서는 화원이 증가함에 따라 온도가 급격히 증가하였으나, 착화15분 이후부터는 온도상승이 완만하거나 거의 일정한 추이를 나타내는 경향이 나타났다.

Fig. 3

Variation of T_o as a Function of Time

4.2 개구분출열기류의 형상

Fig. 4에 개구분출열기류의 형상에 대하여 정면부와 측면부로 분류하여 나타내었다. 여기서, 사진은 대표적인 예시로 Case1을 선택하여 착화로부터 5분 간격의 사진을 나타내었다. Fig. 4에 나타낸 바와 같이, 화원조건 HC1에서는 분출화염이 확인되지 않았다. 하지만, 화원조건의 증가에 따라 HC2부터는 분출화염이 발생하는 것이 확인되며, HC3부터 HC6에서는 다량의 연기와 함께 분출화염의 길이도 길어지는 것을 알 수 있었다.

Fig. 4

Variation of External Flame as a Function of Time (Sample : Case1)

4.3 입사열유속 및 파사드 벽면온도

Figs. 5와 6에 착화로부터 5분 간격으로 30분까지 HRR을 증가시킨 결과에 대하여, 파사드면의 개구로부터 상부방향으로 0.6 m, 1.6 m, 2 m에 설치한 열유속계에서 측정한 입사열유속 q와 시간변화의 관계를 나타내었으며, 입사열유속과 파사드 벽면온도의 간접비교를 위해 열유속계 설치위치와 근접한 파사드면의 개구로부터 상부방향으로 0.6 m, 1.5 m, 2.1 m에 설치한 K-type 열전대에서 측정한 벽면온도 T_w와 시간변화의 관계를 나타내었다. 여기서, 그래프 내의 빨간선은 실험시 개구로부터 분출화염이 발생한 시간을 육안으로 관찰한 시간대를 나타내었다.

Fig. 5

Variation of q as a Function of Time

Fig. 6

Variation of T_w as a Function of Time

Figs. 5와 6에 나타난 바와 같이, Case1~Case4의 실험조건에서는 착화 이후 시간이 경과함에 따라 입사열유속과 파사드 벽면온도의 값이 상승하는 결과가 나타났다. 반면, Case5와 Case6의 경우 대략 화원 열방출율 HC4 부터 입사열유속과 파사드 벽면온도의 값이 상승하는 경향이 나타났다.

한편, 전체의 실험조건에서 입사열유속의 경우, 화원 열방출율이 증가함에 따라 개구 상부방향으로부터 0.6 m 위치의 값이 1.6 m와 2 m 보다 현저히 높게 측정되었으나, 1.6 m와 2 m 위치의 값은 거의 비슷하거나 약간의 차이가 나타났다. 이러한 이유는 4.2절 Fig. 4 (HC2~HC6)에 나타난 바와 같이, 화원조건의 증가에 따라 분출화염의 길이가 변화되는 것을 알 수 있으며, 개구상단에 설치한 열유속계 위치에 분출화염이 휩싸이거나 현저히 가까운 경우 대부분 복사열의 영향이 크지만, 분출화염으로 멀어지는 경우는 거의 대류열의 영향이 크기 때문에 이러한 결과가 나타났다고 판단된다. 반면, 파사드 벽면온도의 경우, 전체의 실험조건에서 화원 열방출율이 증가함에 따라 개구 상부방향에 설치한 열전대에서 측정된 값이 입사열유속 값보다 비교적 균등한 차이가 나타났다. 이러한 이유는 개구로부터 분출화염이 발생한 이후 파사드 벽면에 축적되는 열의 영향이 있었다고 판단된다.

5. 고 찰

Fig. 7에 z와 q의 관계를 나타내었다. 여기서, z는 개구상단으로부터의 높이를 나타내었으며, q는 각 화원조건을 변경하기 전 20초의 입사열유속 평균값을 채용하였다.

Fig. 7

Relationship between z and q

Fig. 7에 나타낸 바와 같이, 전체 실험조건의 개구형상에 상관없이 화원 열방출율 HC가 증가할수록 q가 증가하는 경향이 나타났다. 또한, 각 화원조건에 대하여 높이에 따른 q를 분석하면, Case1~Case4의 조건에서는 개구상단에서 0.6 m, 1.6 m, 2 m의 순서대로 q값이 높게 나타났다. 반면, Case5의 경우 HC1~HC4의 화원조건에서는 개구상단에서 0.6 m, 1.6 m, 2 m의 순서대로 q값이 높게 나타났으나, HC5와 HC6의 화원조건에서는 개구상단에서 1.6 m와 2 m의 q값이 비슷하거나 2 m의 q값이 약간 높게 나타나는 경향이 나타났다. 또한, Case6에서도 Case5와 비슷하게 HC1~HC3의 화원조건에서는 개구상단에서 0.6 m, 1.6 m, 2 m의 순서대로 q값이 높게 나타났으나, HC4~HC6의 화원조건에서는 개구상단에서 1.6 m와 2 m의 q값이 비슷하거나 2 m의 q값이 약간 높게 나타나는 경향이 나타났다. 이러한 개구상단으로부터 1.6 m와 2 m의 위치에서 q값이 비슷한 값이 나타난 이유는 4.3절에 설명한 이유를 포함하여, 개구상단으로부터 1.6 m와 2 m의 이격높이가 0.4 m로써 비교적 작았다고 사료되며, 또한 실험시 육안으로 확인된 결과, 개구로부터 나온 분출화염이 개구상단으로부터 1.6 m 이상 도달하지 않았으며, 1.6 m 이상의 높이에는 검은연기와 더불어 개구로부터 나온 열기류 플륨의 영향이 관여하였다고 추측된다.

한편, 본 연구에서는 Fig. 7의 각기 다른 개구형상과 화원조건에 따라 개구상단으로 부터의 높이에 대한 정량적인 q값을 수집할 수 있었으며, 이를 통해 화재실의 화재외력에 따른 개구상단 높이에 대한 q값을 유추하는 것이 가능하다고 판단된다. 또한, 향후 상부층 연소확대에 대한 화재안전설계에 참고지표 값으로 활용이 가능하다고 판단된다.

6. 결 론

본 연구에서는 실규모 스케일의 파사드와 화재구획 실험장치를 이용하여 건축물화재를 상정한 각기 다른 화재외력, 개구형상을 고려하여 연소실험을 실시한 후, 파사드 벽면 근방의 온도와 열유속을 정량적으로 측정하여 상부층 연소확대에 기인하는 화재성상에 관한 검토를 수행하였으며, 본 실험조건의 범위에서 얻어진 주요 결과는 다음과 같다.

1) 각국 파사드의 연소확대 시험방법

각국 파사드의 연소확대 시험방법은 각기 다른 개구조건과 화원조건을 권장하고 있다.

2) 개구부온도

전체의 실험조건에서 시간이 경과함에 따라 (화원증가) 개구부의 온도도 상승하는 결과가 나타났다. 또한, 착화로부터 15분(HC1~HC3)구간에서는 화원이 증가함에 따라 온도가 급격히 증가하였으나, 착화 15분 이후부터는 온도상승이 완만하거나 거의 일정한 추이를 나타내는 경향이 나타났다.

3) 입사열유속 및 파사드 벽면온도

Case1~Case4의 실험조건에서는 착화 이후 시간이 경과함에 따라 입사열유속과 파사드 벽면온도의 값이 상승하는 결과가 나타났다. 반면, Case5와 Case6의 경우 대략 화원 열방출율 HC4 이후 입사열유속과 파사드 벽면온도의 값이 상승하는 경향이 나타났다. 한편, 전체의 실험조건에서 입사열유속의 경우, 화원 열방출율이 증가함에 따라 개구 상부방향으로부터 0.6 m위치의 값이 1.6 m와 2 m보다 현저히 높게 측정되었으나, 1.6 m와 2 m위치의 값은 거의 비슷하거나 약간의 차이가 나타났다.

4) 개구상단으로부터의 입사열유속

z와 q의 관계를 통하여, 각기 다른 개구형상과 화원조건에 따라 개구상단으로 부터의 높이에 대한 정량적인 q값을 수집할 수 있었으며, 이를 통해 화재실의 화재외력에 따른 개구상단 높이에 대한 q값을 유추하는 것이 가능하다고 판단되며 참고지표 값으로 활용이 가능하도록 하였다.

한편, 본 연구에서는 전체의 실험조건에서 HC3을 초과하는 범위에서는 구획실내에서 연소되지 않은 미연소가스가 개구부를 통하여 외부의 산소와 반응되어 분출화염이 발생하는 것이 확인되었다. 또한, 본 논문의 Fig. 3 (개구부온도)에서는 가스버너의 열방출율을 증가시켜도 HC4~HC6의 범위에서 개구부온도가 거의 증가하지 않는 경향이 나타나고 있으나, Figs. 5, 6의 구획외부(파사드 측벽부근) 측의 열유속 값과 온도 값은 증가하는 경향이 나타남에 따라 구획실내에서 발생한 미연소가스가 외부에서 반응하고 있다는 것을 확인 할 수 있었으며, 향후 이를 고려한 외벽 마감재료에 대한 화재위험성에 대한 검토가 필요하다고 사료된다.