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J. Korean Soc. Hazard Mitig. > Volume 22(4); 2022 > Article
초기 화재 사고 시의 계단을 통한 화재 확산에 대한 실험적 연구

Abstract

This study analyzed the spread of heat and smoke through a staircase during an initial fire incident, which is the start of an evacuation. Real-scale fire experiments were conducted in mock-up, consisting of a corridor with dimensions of 2.4(W) × 2.4(H) × 10(L) m, a three-story staircase with a height of 6 m at intervals of 2.1 m, and a fire room with dimensions of 2.4(W) × 2.4(H) × 3.6(Depth) m. The fire experiments involved chairs (#1) and heptane pools (#2) as combustion sources. The maximum temperature reached in the staircase was 47.9 ℃ within 3 min 10 s, while the smoke reached a maximum of 20.1% within 3 min 28 s after the combustion of chairs (#1). The highest temperature reached by combusting heptane pools (#2) was 35.2 ℃ in 3 min 55 s, whereas the smoke reached a maximum of 4.2% in 2 min 45 s.

Key words:

Initial Fire, Staircase, Real Scale Fire Experiment, HRR, Fire Spread

요지

본 연구에서는 재실자의 피난이 이루어지는 시점인 초기 화재 시의 계단을 통한 열 및 연기의 확산을 실규모의 화재실험을 통해서 분석하고자 한다. 실규모의 화재 실험은 2.4(W) × 2.4(H) × 10(L) m 크기의 복도, 높이가 6 m이고 3층 규모의 계단실과 2.4(W) × 2.4(H) × 3.6(Depth) m 크기의 화재실로 구성되어 있는 Mock-up을 제작하여 실시하였다. 화재 실험은 의자(실험 1)와 햅탄풀(실험 2)을 가연물로 사용하였으며, 계단실에서 최대 온도 및 연기 측정 결과, 실험 1에서는 최대온도가 47.9 ℃로 측정되었고 도달 시간은 실험 시작 후 3분 10초로 나타났다. 연기 측정은 3분 28초에 20.1%에 도달하였다. 실험 2에서의 최대 온도는 3분 55초에 35.2 ℃로 측정되었으며, 연기는 2분 45초에 4.2%에 도달하였다.

1. 서 론

국내에서는 연간 평균 약 4만 건 이상의 화재 사고가 발생되고 있으며, 이에 따라 다수의 인명과 재산의 피해가 나타나고 있다. 건축물에서 발생되는 화재 사고는 점화원 근처에 있는 가연물이나 내⋅외부의 마감재료 등의 연소 특성에 따라 건축물 전체로 화염이 확산될 수 있다. 건축물 내부 공간에서 화염이 확산될 경우에는 재실자의 안전에 심각한 문제가 발생되고 적정 피난 및 대피 활동이 진행되지 못할 경우에 인명피해가 발생하게 된다.
화재사고가 발생하면 건축물 내부 재실자는 화재사고 발생을 인지한 후에 복도, 계단, 승강기, 피난 도구(하향식 피난시설 등)와 대피 공간 등으로 피난 활동을 개시하게 된다. 승강기와 계단의 경우에는 수직으로 개구부가 관통되어 있어 화염 및 연기의 확산에 취약하고, 소방대의 소방 활동에 이용될 수 있어 피난에 어려움이 발생될 수 있다. 하지만 현실적으로 피난 활동이 개시되면 패닉 현상 등으로 인하여 재실자의 인지능력이 약화되어 승강기 및 계단실에서 인명피해가 발생된다.
Jeon et al. (2007)은 다세대 주택에서의 계단실에 대한 수치해석 연구에서 4층 이하의 다세대 주택에서 화재 시 상층부 세대, 단일 계단실로의 화재확대 및 연기확산 가능성이 높아 인명사고에 대한 화재 위험성이 크다고 나타낸 바 있다.
Lee (2018)는 2017년 12월에 발생된 제천 스포츠센터 화재의 원인 분석에서 1층 로비에서 1명, 2층 여탕에서 19명, 3층 남탕에서 1명, 4층과 5층 사이 주 계단에서 1명, 7층에서 1명, 7층과 8층 비상계단에서 1명, 8층에서 4명, 9층에서 1명의 사망자를 수습하였다고 나타내었다. 이처럼 계단에서도 사망자가 발생되고 있으며, 이는 계단이 재실자의 피난 통로로 사용되고 있음을 보여주고 있다.
건축물에서의 화재 대피시설은 Han and Lee (2021)의 공동주택 화재 대피시설 피난성능 분석 연구에서 대피공간, 경량칸막이, 실내 하향식 피난구를 중심으로 옥내에서 구조를 기다리며 체류하거나 제한된 범위의 피난만이 가능한 수동형 피난시스템과 그 단점을 개선하여 옥외 양방향 능동적 피난이 가능한 외부 내림식 사다리, 난간형 피난계단, 승강식 피난기 및 접이식 외부 전개형 제품과 같은 능동형 피난 시스템을 나타내었다.
Seo et al. (2008)은 재실자의 피난계단실 진입시간과 피난경로에 미치는 영향에 대한 연구에서 과거 화재발생사례의 통계분석을 통해 일련의 피난행동패턴을 발견할 수 있는데, 그 중 대표적인 것이 일상적인 동선과 피난동선을 동일시 한다는 것과 짧고 단순하고 외기에 면해 있는 동선을 선택한다는 것이라고 나타내었다.
Kim and Ahn (2020)은 계단실 내부에서 수직 상승하는 플룸의 수지해석적 연구에서 건축물 내부에서 화재가 발생하는 경우에는 가연물에 의해 생성된 유독한 화재연기는 아주 뜨거운 플룸의 형태로 내부밀도와 온도차이로 인한 굴뚝효과에 따라 빠르게 상승한다고 나타내었다.
건축법에서는 계단을 직통계단, 피난계단 및 특별피난계단으로 구분하고 피난계단과 특별피난계단은 부속실의 여부로 구분될 수 있으며, 설치 대상은 건축물의 층수와 바닥면적 등으로 구분된다. 또한 소방청 고시 ‘자동화재탐지설비 및 시각경보장치의 화재안전기준(NFSC 203)’에서는 감지기의 종류 및 부착 높이를 제시하고 있으며, 계단의 경우에는 수직거리 15 m마다 1개 이상을 설치(3종은 10 m 마다) 설치하도록 되어 있다.
건축물에서 화재가 발생될 경우에 계단은 제도적인 피난용도 유⋅무에 관계없이 평상시 재실자가 주로 사용하는 동선이고 복도에 인접해 있어 접근이 용이한 관계로 피난로로 사용될 수 있다. 하지만 계단은 화염 및 연기가 전파되면 굴뚝효과 등으로 인해 급속히 수직 확산이 유도되어 인명의 피해가 발생될 수 있다. 본 연구에서는 앞서 소개된 기존연구에서 나타난 계단실을 통한 화재확산 위험성의 정량적 평가를 위하여 실규모의 화재 실험 실시 및 결과분석을 수행하고자 하였다.

2. 계단실로의 화재 확산 실규모 화재 실험

2.1 실규모 화재 실험 방법

건축물에서 계단실을 통한 화재의 확산을 분석하기 위해서 본 연구에서는 실규모의 화재실험을 진행하였으며, 이를 위해 Fig. 1과 같이 Mock-up 실험체를 제작하였다. 실험체 외형 틀은 각 파이프를 사용하고 마감은 그라스울 샌드위치 패널을 사용하였다.
Fig. 1
Mock-Up
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복도는 ‘T’ 형태로 구성되어 있으며, 돌출부에는 화재실이 위치하고 있다. 복도는 2.4(W) × 2.4(H) × 10(L) m 크기로 제작되었으며, 계단실 쪽 복도 끝은 개구부가 없으며, 반대쪽은 전체 복도 단면이 개방되어 있다. 화재실은 2.4(W) × 2.4(H) × 3.6(Depth) m이고 앞서 언급한 바와 같이 복도의 중앙에 배치되어 있다. 계단실의 총 높이는 6 m이고 층별 2.1 m 간격으로 3층 규모이며, 이에 따라 계단참은 1.05 m로 제시된다.
실규모 화재 실험에서는 계단참(Fig. 2(a))에서 열감지기와 연기감지기를 총 4개를 설치하였으며, 화재실 내부의 중앙지점에는 K-type 열전대선을 6지점(Fig. 2(b))에 설치하여 온도변화를 측정하였다.
Fig. 2
Installation of Sensor
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2.2 실규모 화재 실험 시나리오

화재가 발생되어 성장하는 단계는 다양하게 제시되고 있지만 Buchanan (2001)은 초기(Incipient)→성장(Growth)→연소(Burning)→소멸(Decay)로 제시하였다. 성장 단계에서 연소 단계로 진행될 경우에는 플래시오버가 발생되며, 플래시오버 현상에 대해서 Kweon and Kwon (2019)은 구획 공간에서의 온도가 약 600 ℃, 구획 공간의 바닥면적에서의 복사열이 약 20 kW/m2일 상황에서 노출된 모든 가연성 재료의 표면이 발화되어 빠르게 연소가 확대되는 상황을 나타낸다고 제시하였다. 또한, 플래시오버가 발생하게 되면 구획 공간의 개구부를 통해 화염이 외부로 출화되는 현상이 나타나게 된다.
일반적으로 화재가 발생되는 초기는 화재 감지와 경보에 의한 재실자의 화재 인지 및 피난 개시와 같이 인명 안전에 중요한 단계이기 때문에 본 연구에서는 플래시오버 이전 단계에서의 화재 확산을 실규모 화재 실험을 통해 분석해 보고자 하였다.
실규모 화재 실험에서는 초기 화재를 구현하는 것이 어렵기 때문에 본 실험에서는 착화된 가연물에서만 연소 반응이 일어나 제한적인 화재크기를 구현하는 방법으로 진행하였다. 화재 실험에서 사용된 가연물은 의자 2개(실험 1)와 햅탄풀(실험 2)로 선정하였으며, 실규모 화재 실험 이전에 가연물에 대한 열방출률 측정 실험을 Fig. 3과 같이 진행하였다.
Fig. 3
HRR Measurement of Combustibles
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열방출률 측정 실험은 Kim (2011)의 연구에서 나타낸 ISO 9705에서 규정된 구획공간 기준을 준용하여 진행하였고 산소 소모법을 사용하여 열방출률을 측정하였다. 실험은 의자와 햅탄이 모두 연소될 때가지 진행하였으며, Fig. 4에 실험을 통해 측정된 열방출률의 변화를 나타내었다.
Fig. 4
HRR Measurement of Combustibles
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가연물에 대한 착화 방법은 가연물이 의자일 때, 의자 바닥면에 소량의 햅탄을 묻힌 거즈를 착화원으로 사용하였다. 햅탄 풀의 경우에는 직경 0.4 m인 원형 스테인리스 풀에 햅탄 1 L를 부어 사용하였다.
의자를 가연물 대상으로 수행한 시험결과에서는 바닥면에서 등받이로 화염이 전파되면서 최대 열방출률이 나타났고 이후에 감소하는 형태를 보였다. 총 16분 18초 동안 실험이 진행되었으며, 최대 열방출률은 실험시작 3분 9초에 약 95.7 kW가 측정되었다. 햅탄풀은 총 8분 9초 동안 실험이 진행되었으며, 최대 열방출률은 실험 시작 4분 24초에 약 146.6 kW가 측정되었다.

3. 실규모 화재 실험 결과

3.1 실규모 화재 확산 실험 결과

실규모 화재 실험은 앞서 소개된 가연물들을 사용하여 화재실에서 점화 후에 계단참에 설치되어 있는 감지기를 통해 열과 연기를 감지하였다.
실험 1에서는 화재실에 의자 2개를 배치하고 의자 바닥면에 착화를 시켰으며, 실험 2에서는 햅탄풀을 사용하였다. Fig. 5에서는 실규모 화재 실험 시에 초기 착화를 보여주고 있다.
Fig. 5
Ignition for Real Scale Fire Experiment
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가연물들은 화재실 내부 중앙에 위치시켰으며, 초기 착화 이후에 발생된 화염 및 연기는 출입구를 통해 출화된 후 계단실을 통해 상부로 확산되었다. Fig. 6에서는 의자와 햅탄이 연소되면서 발생된 화염과 연기가 계단실로 유입되는 Mock-Up의 내부 모습을 보여주고 있다.
Fig. 6
Photo of Real Scale Fire Experiment_Inside of Mock-Up
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Figs. 78에서는 실규모 화재 실험의 외부를 보여주고 있다. 계단실로 유입된 화염 및 연기는 개방되어 있는 계단의 상부를 통해 Mock-Up의 외부로 배출되었다. 두 실험 모두 초기 화재를 고려하였기 때문에 플래시오버 발생 시점과 최성기 화재에서 나타나는 화염의 출화 및 다량의 연기 배출 현상은 나타나지 않았다.
Fig. 7
Photo of Real Scale Fire Experiment_#1_Outside of Mock-Up
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Fig. 8
Photo of Real Scale Fire Experiment_#2_Outside of Mock-Up
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화재실 중앙부에는 총 6지점의 온도측정을 위해 K-Type의 열전대를 설치하였고 설치지점에 따라 측정된 온도의 변화는 Fig. 9에 나타내고 있다. 내부의 온도변화는 열방출률 실험과 유사하게 의자에서는 일반적인 가연물의 연소 특성과 같이 초기 착화와 함께 급격히 성장한 이후에 감소되는 형태를 나타내었으며, 햅탄에서는 풀버너 연소 특성과 같이 초기 착화 이후에 성장된 온도가 유지된 이후에 연료 소진과 함께 급격히 감소되었다.
Fig. 9
Results of Temp. in Fire Room
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화재실 내부의 온도 변화는 높이가 1.8 m인 T4지점을 경계로 하여 최대값의 차이가 발생되었으며, 이는 화재실험에서 초기 화재로 설정하기 위해 화재 크기를 조절하여 나타난 결과로 판단된다. 화재실 내부 공간에서 플래시오버 현상이 발생할 경우에는 측정된 하부의 온도 값이 상부의 온도 값과 유사한 형태를 보이면서 화염이 외부로 출화되는 현상이 나타날 수 있다. 이와 같은 현상은 Table 1에서 명확히 확인할 수 있으며, Table 1에서는 측정된 온도의 최댓값과 도달 시간을 보여주고 있다. 실험 1에의 상부층(T1~4)의 평균 최대 온도는 약 235.8 ℃이며, 도달 시간은 평균 5분 52초이다. 하부층(T5~6)에서는 평균 최대 온도가 약 108.2 ℃이고 평균 시간은 6분 31초이다. 실험 2에서는 상부층의 평균 최대 온도가 약 152.5 ℃이고 평균 도달 시간이 4분 38초이며, 하부층에서는 평균 최대 온도가 61.4 ℃이고 평균 도달 시간이 4분 11초이다. 화재실에서 상부층과 하부층의 최대 온도 도달 시간의 차이는 실험 1에서는 39초이고 실험 2에서는 27초이며, 최대 온도의 차이는 실험 1에서는 약 127.6 ℃이고 실험 2에서는 약 91.1 ℃이다.
Table 1
Max. & Time of Temp. in Fire Room
Type No. Max. Temp. [°C] Time [sec]
Chair (#1) 1 251.7 342
2 248.7 343
3 246.4 341
4 196.2 382
5 120.3 408
6 96.0 374
Heptane (2) 1 164.9 293
2 158.0 264
3 152.9 263
4 134.3 292
5 65.2 213
6 57.6 290

3.2 계단을 통한 화재확산 실험 결과

건축물에서 화재가 발생한 이후에 계단을 통해 확산되는 열 및 연기의 특성을 분석하기 위한 실규모 화재실험의 결과를 Figs. 10, 11에 나타내었다. Fig. 10에서는 계단참에서 측정된 온도변화(H1~H4)를, Fig. 11에서는 연기감지(S1~S4) 결과인 감광률을 각각 나타내었다. 실험 결과에서는 계단의 최상부이며, 외기와 접해 있는 H4 및 S4에서 열 및 연기의 영향이 거의 발생하지 않았다. 두 실험 모두 화재실에서 발생되는 온도변화에 유사한 형태를 보였으며, 열방출률 실험에서 높은 열량이 측정된 의자가 햅탄 풀보다 높은 변화를 보여주었다. 이는 화재실에서 발생된 열과 연기가 계단으로 바로 유입되어 이와 유사한 변화를 보인 것으로 판단된다.
Fig. 10
Results of Temp. in a Staircase
kosham-2022-22-4-79gf10.jpg
Fig. 11
Results of Smoke in a Staircase
kosham-2022-22-4-79gf11.jpg
의자를 사용한 실험(#1)에서는 일반적인 가연물 실험에서 측정된 열량 변화와 유사하게 착화 후에 급속한 성장이 발생하고 이후에 서서히 쇠퇴되는 모습을 보여주었다. 햅탄 풀을 사용한 실험(#2)에서는 액체 풀에서의 열량 변화와 같이 착화 후에 일정한 변화를 유지하고 연료가 소진되면 바로 쇠퇴하는 모습을 보여주었다.
화재 실험을 통해서 측정된 최대 온도 및 연기 측정값과 도달 시간을 Tables 23에 나타내었다. 실험 1에서는 H3에서 최대온도가 47.9 ℃로 측정되었고 도달 시간은 실험 시작 후 3분 10초로 나타났다. 또한 연기 측정에 따른 H1과 H3에의 감광률은 20.1%로 도달 시간은 H1과 H3에서 동일하게 3분 28초로 나타났다. 실험 2에서도 최대 온도는 H3에서 35.2 ℃로 측정되었으며, 도달 시간은 3분 55초로 나타났다. 연기는 H2에서의 감광률은 4.2%이고 도달 시간은 2분 45초로 나타났다.
Table 2
Max. Tepm. and Time to Reach in Staircase
Type No. Max. Temp. [°C] Time [sec]
Chair (#1) 1 40.0 223
2 35.2 275
3 47.9 190
4 19.3 746
Heptane (2) 1 31.5 227
2 30.9 276
3 35.2 235
4 19.9 404
Table 3
Max. Smoke and Time to Reach in Staircase
Type No. Max. Smoke [°C] Time [sec]
Chair (#1) 1 20.1 208
2 19.9 225
3 20.1 208
4 1.4 246
Heptane (2) 1 4.1 148
2 4.2 165
3 3.8 231
4 0.6 496
초기 화재 시의 계단을 통한 열 및 연기의 확산을 분석하기 위한 실물 화재 실험 결과에서는 화재실에서 가연물의 연소 성상과 계단에서 발생되는 확산의 성상이 유사하게 나타났다. 또한 열의 경우에는 H3에서 측정값이 높게 측정되었으며, 이는 계단참에서의 열의 축적에 의한 것으로 판단되어 진다. 본 실물 화재 실험 결과에서는 화재실에서의 연소 특성이 계단실에 영향을 주기 때문에 급속한 화재가 발생 될 경우에 계단실에서의 위험이 급격히 증가함을 나타낼 수 있으며, 계단참에서 열 및 연기에 의한 축열 반응이 발생할 가능성이 존재하여 계단에서 화재의 발생을 감지할 경우에 실제 화재가 발생한 층을 정확히 판단하기 어려울 것으로 판단된다.

4. 결 론

건축물에서 발생되는 화재 사고에 대한 피해는 재산 피해와 내⋅외부의 인명 피해로 구분될 수 있다. 내부에서 발생된 화재사고가 내부에서 확산될 경우에는 재실자의 피난 활동에 많은 제약과 위험이 발생하기 때문에 이를 예방 및 대응하기 위해 다양한 화재안전 기준 및 기술 등이 개발되고 있다.
본 연구에서는 건축물 내부 공간에서 화재가 발생될 경우에 재실자가 피난로로 인식하여 다수의 인명피해가 발생될 수 있는 계단에서의 화재확산을 실규모 화재실험을 통해 분석해 보고자 하였다.
실규모의 화재 실험은 2.4(W) × 2.4(H) × 10(L) m 크기의 복도, 높이가 6 m이고 층별 2.1 m 간격으로 3층 규모의 계단실과 2.4(W) × 2.4(H) × 3.6(Depth) m 크기의 화재실로 구성되어 있는 Mock-up을 제작하여 실시하였다. 화재 실험은 의자(# 1)와 햅탄풀(# 2)을 가연물로 사용하였으며, 실규모의 화재 실험 이전에 가연물에 대한 열방출률 측정 실험을 각각 진행하였다. 실험 결과는 의자에서의 최대 열방출률이 95.7 kW이고 햅탄풀에서의 최대 열방출률이 146.6 kW로 나타났다.
실규모의 화재 실험은 화재실 내부에서는 가연물들의 연소에 따른 온도변화를 측정하였고 계단에서는 계단참에 총 4지점에 열 및 연기 감지기를 설치하였다. 화재실 내부에서의 온도 측정 결과는 실험 1 (# 1)에서 상부층의 평균 최대 온도가 약 235.8 ℃이며, 도달 시간은 평균 5분 52초로 나타났다. 실험 2 (# 2)에서는 상부층의 평균 최대 온도가 약 152.5 ℃이고 평균 도달 시간이 4분 38초로 나타났다.
계단실에서 최대 온도 및 연기 측정 결과, 실험 1 (# 1)에서는 H3에서 최대온도가 47.9 ℃로 측정되었고 도달 시간은 실험 시작 후 3분 10초로 나타났다. 연기에 의한 감광률은 H1과 3에서 3분 28초에 20.1%에 도달하였다. 실험 2 (# 2)에서의 최대 온도는 H3에서 3분 55초에 35.2 ℃로 측정되었으며, 연기에 의한 감광률은 H2에서 2분 45초에 4.2%에 도달하였다.
초기 화재 시의 계단에 대한 실규모의 화재 실험 결과에서는 화재실에서의 가연물의 연소 성상과 계단에서 발생되는 확산의 성상이 유사하게 나타났다. 이를 통해 화재실에서의 연소 특성이 계단으로의 확산에 영향을 주는 것으로 판단되고 내부의 급속한 화재 성장 시에 계단에서의 재실자 위험이 증가함을 나타낸다. 또한 열의 경우에 H3에서 측정값이 높게 나타난 것은 계단참에서 열의 축적에 의한 것으로 판단되고 이는 초기 화재 시에 계단참에 설치되어 있는 감지기의 작동이 실제 화재 발생 층을 정확히 판단하기 어려울 수 있음을 보여준다.

감사의 글

본 연구는 국토교통부/국토교통과학기술진흥원의 지원으로 수행되었음(과제번호 22RMPP-C163162-02).

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