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

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

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

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

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.

3.1 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

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

Figs. 7과 8에서는 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

Fig. 8

Photo of Real Scale Fire Experiment_#2_Outside of Mock-Up

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

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

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

Fig. 11

Results of Smoke in a Staircase

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 2와 3에 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

Table 3

Max. Smoke and Time to Reach in Staircase

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.