1. 서 론
건축물에서 발생되는 화재사고는 전기적, 기계적 및 부주의 등과 같이 다양한 원인으로 발생할 수 있지만 대형화재로 확대되는 경우는 초기 착화물의 급격한 화재성장이나 인접된 가연물로의 화염확산으로 등으로 구분될 수 있다.
이러한 가연물의 연소특성과 더불어 화재실 내부에서의 환기 조건의 변화에 의해 화재의 성장이 달라질 수 있다. Kim et al. (2010)은 구획화재에서 환기조건의 변화에 따른 화재특성 영향 분석 연구에 따르면, 구획화재에서 환기조건의 변화는 화재의 전반적 특성인 연소효율, 총괄당량비 뿐만 아니라 고온 상층부의 온도 및 연소생성물의 농도에 큰 영향을 준다고 하였다. 또한, Zhongcheng and Pentti (2000)은 기존의 이론적이나 실험적 연구에서 화재 온도를 결정하는 요인으로는 화재하중, 환기 개구부, 구획공간의 크기 및 형태와 구획 내부의 열특성이라고 나타내었다. Kristian (2012)는 파라메트릭 화재에 대한 연구에서 구획공간에서 화재화중으로 인한 열전달로부터의 열방출률은 환기계수로 간단히 표현될 수 있으며, 이는 실규모의 실험을 통해 정확도를 높일 수 있다고 하였다. Kweon et al. (2012), Seo et al. (2014)과 Yoo et al. (2013)은 건축물에서의 화재 특성을 분석하기 위해 실규모의 화재실험을 진행하였다.
건축물의 구획공간에서 환기 계수는 창문, 출입구 등과 같은 개구부와 수평⋅수직 관통부 등에서 제시될 수 있다. 특히, 창문의 경우에는 유리창이 화염 등의 영향으로 파괴될 경우에 내부공간에서는 급속한 화재성장을 일으키고 이에 따라 외부로 화염이 출화되는 플래시오버 현상이 발생될 수 있다. 외부로 화염이 출화되는 경우에는 건축물의 외부 마감재료의 연소특성에 따라 수직으로 화염이 확산되는 문제가 발생되기도 한다.
건축물의 내부에서 발생되는 화재의 경우에는 내부에 설치되어 있는 스프링클러 등과 같은 소방시스템이 화재사고 초기에 화염이 확산되는 상황을 억제할 수 있지만 개구부들 통해 외부로 화염이 수직 확산 될 경우에는 제한적인 드렌처설비 이외에는 대응 대책이 미비한 실정이다. 이에 Lee et al. (2019)은 외장재의 재료적 측면의 대응 방안으로 가연성 마감재와 단열재를 제거하고 난연성이 확보된 재료로 교체하는 연구를 진행하였다.
Jung et al. (2020)의 외벽 수열온도 분포를 위한 실물모형 실험 연구에서는 햅탄 버너를 사용하여 측정된 분출 화염으로 인한 외벽에서의 최대온도가 382.9 °C로 측정되었다고 하였으며, Min and Lee (2013)의 고층 건축물 외장재 화재 재현에 관한 연구에서는 외부 마감재료로 사용되는 알루미늄 복합 패널의 경우에 내부 단열재인 폴리에틸렌이 화재의 열로 200 °C에서 용융되어 밖으로 흘러내리고 점화온도 240 °C에 의해 연소가 확대된다고 하였다. 기존 연구들에 의하면, 외부로 출화되는 화염의 온도보다 외벽 마감재료의 연소 성능이 떨어지는 경우가 발생될 수 있고 이는 급속한 외부 수직 화염 확산이 발생될 위험이 있음을 나타낼 수 있다.
본 연구에서는 실규모의 화재실험을 통해 구획공간 내부에서 화재성장에 영향을 주는 개구부 크기에 따라 외부로 출화되는 화염에 의해 외벽에서의 온도 및 열유속을 측정하고 이를 통해 수직 화재확산에 대한 위험을 분석해 보고자 하였다.
2. 실규모 화재실험 계획
2.1 개구부 형태에 다른 화재확산 예측
건축물의 구획공간에서 발생된 화재는 가연물과 환기조건에 의해 연료지배형 화재와 환기지배형 화재로 구분될 수 있다. Khan et al. (2021)은 환기 특성(구획면적, 개구부 면적과 높이)이 고려된 최대온도 변화그래프에서 제한된 산소농도와 그을음이 많은 환기지배형 화재영역과 산소농도가 충분하고 그을음이 적은 연료지배형 화재영역을 나타낸 바 있다. Parkinson and Kodur (2007)은 경험적으로 환기지배형 화재는 단일 구획에서의 화재를 분석할 경우에 가장 심각한 화재가 된다고 하였다. 이는 연료지배형 화재의 경우 외부에서 유입되는 공기에 의해 냉각효과가 발생되기 때문이라고 제시하였다.
Quintiere (1998)는 구획공간에서의 화재 예측은 외부로 유출되는 연기의 양은 내부로 유입되는 공기의 양과 동일하다고 전제하면 개구부의 크기에 의존한다고 하였다. 이때의 환기계수를A0√H0 (A0: 개구부 면적(m2), H0: 개구부 높이(m))로 나타내었다. Drysdale (1998)는 연소율과 환기계수와의 관계를 다음 식과 같이 나타내었다.
Eq. (1)에서 A0은 개구부 면적(m2)이고 H0: 개구부 높이(m)를 나타낸다.
Carlsson (1999)은 환기계수는 연소 효율과 산소 공급 등에 제한 요인으로 작용할 수 있기 때문에 개구부가 클 경우, 외부로 뜨거운 가스가 배출되기 용이하여 내부의 온도가 낮아질 수 있고 작을 경우에는 높아질 수도 있다고 하였다. 또한, 외부로 출화되는 화염의 높이도 문헌연구를 통해 다음과 같이 제시 하였다.
Eq. (2)에서 z1은 창문으로 출화되는 화염의 높이(m), H는 창문의 높이(m), W는 창문의 폭(m)이고 R은 가연물의 질량감소율(kg/s)이다.
Buchanan (2001)는 개구부에서 출화되는 화염과 외벽과의 거리를 다음과 같이 식으로 나타냈으며, 이러한 거리는 벽면에 복사열의 영향을 계산하는데 유용하게 사용될 수 있다.
Eq. (3)에서 h는 창문의 높이(m), w는 창문의 폭(m)을 나타낸다.
본 연구에서는 앞서 선행 연구들을 토대로 외부로 출화되는 화염의 수직 확산을 분석하기 위해 다음과 같이 개구부 차이에 따른 실규모의 화재실험을 진행하였고 이를 통해 외벽에서의 온도와 열유속을 측정하였다.
2.2 실규모 화재실험 시나리오
실규모 화재실험은 Table 1에서 나타낸 바와 같이 2.4(L) × 3.6(W) × 2.4(H) m 크기의 Mock-up에서 가연물은 목재 크립을 사용하고 최초 착화는 소량의 햅탄을 사용하였다. 화재실험은 두 가지 형태의 전면부 개구부 크기별로 진행하였으며, 개구부 크기는 #1에서 2.2(L) × 2.0(H) m이고 #2에서는 2.2(L) × 1.0(H) m이다. 두 가지 형태 모두 외부의 상부 벽면인 개구부 최상부(0.0 m), 0.5, 1.0 m에서 온도와 열유속의 변화를 측정하였다. Fig. 1에 측정 위치와 개구부의 크기를 나타내고 있다.
Table 1
Real Scale Fire Experiment Scenario
3. 실규모 화재실험 결과
3.1 실규모 화재실험 결과
개구부 크기에 따른 실규모의 화재실험은 30분 동안 진행되었으며, Figs. 2와 3에서 화재실험을 나타내었다. 시험체 Mock-up의 전면부 면적 대비 #1은 개구부 비율은 약 76.4%이고 #2는 그 절반인 약 38.2%에 해당된다.
#1 화재실험은 초기 착화 후 1분에 화염이 목재 전체로 확산되었으며, 3분에 모든 목재 크립에 연소 반응이 진행되었다. 5분 이후부터는 연소반응이 서서히 감소하였으며, 화재실험은 착화 후 30분에 종료하였다.
#2 화재실험은 시험체 Mock-up의 후면부에 설치되어 있는 출입구를 통해 목재 크립에 착화를 시켰으며, 전면의 개구부가 일부 마감이 되어 있어 초기의 착화 상태는 나타나지 않지만, #1 화재실험과 유사하게 착화 1분 후에 화염이 목재 크립 전체로 확산된 모습이 확인되었다. 실험 3분 이후에 연소반응에 의해 화염이 내부 공간의 천장부에 도달하였고 5분 이후에 시험체 Mock-up의 외부 상부로 화염이 확산되었으며, #2 화재실험도 착화 후 30분에 실험을 종료하였다.
3.2 온도 및 열유속 측정 결과
#1의 경우에는 환기 조건이 충분한 상태여서 목재 크립의 연소반응에 따라 열유속과 온도 변화에서 초기에는 증가하고 일정 구간 안정적인 상태를 가진 이후에 감소한 형태를 보였다.
목재 크립의 하단에 설치되어 있는 햅탄풀에 화염이 착화된 이후에 약 5분 정도까지 외부 측면의 열유속과 온도가 상승되고 약 10분 정도 증가와 감소가 반복되는 상태를 유지한 이후에 급격히 열유속과 화염이 감소하였다. 또한, 실험체 개구부의 상단 지점(0.0 m)에서 최댓값이 나타났으며 이격된 지점들(0.5, 1.0 m)에서는 유사한 변화와 결과값이 측정되었다.
#2은 실험결과는 #1과 유사하게 개구부 상단 지점(0.0 m)에서 최댓값이 측정되었고 상부에 위치한 지점들(0.5, 1.0 m)에서 유사한 형태로 나타났다. #2 실험은 #1 실험과 환기량의 차이가 있어 열유속의 경우 반복적인 성장과 감소의 형태를 가지고 온도는 성장한 이후에 일정 수준에서 유지하고 감소되는 형태를 보였다.
두 실험을 통해서 측정된 외부의 열유속과 온도의 최댓값은 2~3배 정도의 차이를 보이고 있으며, 화재 초기의 환기량이 충분할 경우보다 작은 환기량에서 큰 결과를 나타내었다.
이러한 결과는 Tables 2와 3에 나타내었다. 두 실험에서 개구부의 상단에서 최댓값이 측정되었으며, 열유속은 #1에서 4분 47초에 15.0 kW/m2이고 #2에서 14분 51초에 42.4 kW/m2로 측정되었다. 이는 도달시간에는 차이가 있지만 #2에서 약 2.8배 이상으로 높게 나타났다. 또한 온도데이터에서도 #1에서는 5분 31초에 291.0 °C이고 #2에서는 8분 18초에 626.4 °C로 측정되었다. 최대온도의 차이는 약 2.1배로 나타난다. 도달시간으로 보면 #1에 비해 #2에서 3~10분 정도 늦게 도달하는 것으로 나타났다.
Table 2
Max. Value & Time of Results_#1
Table 3
Max. Value & Time of Results_#2
실규모 화재실험은 동일한 화재하중에서 환기량 또는 환기계수가 외벽에서의 열유속과 온도의 최댓값과 도달시간에 영향을 주는 것으로 나타났다. 출화되는 화염에 의한 외벽의 영향은 화재초기에 환기량이 충분한 #1 실험에서 #2보다 급속히 성장하였지만 이후 환기조건에 의해 #1보다 오히려 #2에서 더 높은 최댓값을 나타내었다. 이를 통해 개구부에 의한 환기 조건의 차이가 성장속도와 최댓값에 영향을 주는 것으로 판단되어진다. Fig. 6에서는 #1과 #2에서 측정된 동일한 외벽의 측정지점에서의 열유속과 온도의 차이를 나타내고 있으며, Table 4에서는 열유속과 온도의 가장 큰 차이를 나타내는 값과 도달시간을 제시하였다.
Table 4
Max. △Value & Time in Difference
개구부의 크기에 따른 동일지점의 외벽 열유속과 온도의 차이는 개구부의 상부인 0.0 m (HF1, HT1)에서 가장 크게 나타났으며, 이는 실험 시작 후 약 5분 이후부터 발생되었다. 0.0 m 지점에서의 열유속은 14분 51초에 35.0 kW/m2 차이가 발생하였고 온도는 13분 34초에 391.3 °C의 차이를 나타냈다. 또한 0.5 (HF2, HT2)와 1.0 (HF3, HT3) m 지점에서는 유사한 차이의 변화를 보였다.
4. 외부 수직화재 확산 분석
구획공간의 개구부로부터 출화된 화염이 건축물 외부로 확산되는 위험은 다양할 수 있으며, Ondrus (1985)는 해당 위험을 다음과 같이 제시하였다.
앞서 진행된 기존 문헌 연구들에서는 개구부의 크기에 따른 연소율, 출화되는 화염의 높이와 화염과 외벽과의 거리를 식으로 제시하였다. 본 연구에서 사용된 시험체 틀의 개구부 크기들을 적용하게 되면 Table 5와 같이 나타낼 수 있다. Table 5에서의 연소율(m˙)은 Eq. (1), 수직 화염 높이(Z)는 Eq. (2)를 적용하였고 외벽과 화염거리(P)는 Eq. (3)으로 계산되었다. 개구부의 크기에 따라 0.57과 0.20 kg/s의 연소율이 계산되었으며 이에 따라 수직 화염의 높이는 3.2와 1.6 m로 나타난다. 또한 외벽과 화염거리는 0.6과 0.2 m이다.
Table 5
Theoretical Calculation Results of Exterior Vertical Fire Spread
| Experiment_#1 | Experiment_#2 | |
|---|---|---|
| Burning Rate (ṁ) | 0.57 kg/s | 0.20 kg/s |
| Height above soffit (Z) | 3.2 m | 1.6 m |
| Horizontal Projection (P) | 0.6 m | 0.2 m |
문헌들에서 제시된 식과 실규모 화재실험과의 직접적인 비교는 제한적일 수 있지만 외벽과 화염거리는 실험결과와 유사한 형태를 확인할 수 있다. 계산식에서는 이격거리가 #1과 #2가 3배 정도 차이로 제시되었으며, 실험결과에서도 복사열과 온도가 2~3배 차이가 발생되었다. 특히 복사열의 경우 화염과의 이격된 거리가 큰 영향을 주기 때문에 이격거리가 멀수록 외벽에 주는 영향은 적을 수 있다.
본 연구를 통해서는 개구부 크기에 따른 구획공간의 연소율뿐만 아니라 외벽에 주는 복사열과 온도의 영향도 확인할 수 있었다. 개구부 크기에 따라 출화되는 화염과 외벽과의 이격거리 차이가 발생되고 이에 따라 화염과의 거리에 영향을 받는 복사열과 온도의 차이가 발생하게 된다. 따라서 외부로 출화되는 화염의 수직화염 확산을 방지하기 위해서는 개구부의 차이에 따른 화염과 외벽과의 거리도 고려되어야 한다고 판단된다.
또한, 국내에서는 ｢소방시설 설치 및 관리에 관현 법률 시행규칙｣ 제17조와 ｢건축물의 피난⋅방화구조 등의 기준에 관한 규칙｣ 제24조에서 개구부로 출화되는 화염의 위험을 방지하고자 연소 우려가 있는 구조와 방화유리창 등의 사용 등을 제시하고 있다. 이에 본 연구의 결과와 추후 연구들을 통해 해당 규정들이 좀 더 세분화된다면 화재방호 측면에 효과가 있을 것으로 판단된다.
5. 결 론
건축물의 구획공간에서 화재가 발생되어 외부로 화염이 출화될 경우에는 외벽 마감재료의 연소특성 등에 따라 수직으로 화염이 확산되어 대형화재로 확대될 위험이 있다. 따라서 본 연구에서는 실규모의 화재실험을 통해 개구부 크기에 따라 외부로 출화되는 화염에 의한 외벽의 온도 및 열유속을 측정하고 이를 통해 수직 화재확산에 대한 위험을 분석해 보고자 하여 다음과 같은 결론을 도출할 수 있었다.
두 실험을 통해서 측정된 최대 열유속은 #1에서 4분 47초에 15.0 kW/m2이고 #2에서 14분 51초에 42.4 kW/m2로 측정되었다. 또한 최대 온도는 #1에서는 5분 31초에 291.0 °C이고 #2에서는 8분 18초에 626.4 °C로 측정되었다. #1과 #2에서의 최대 열유속과 최대 온도는 2~3배의 차이가 발생하는 것으로 나타난다.
기존 문헌 연구들에서는 개구부의 크기에 따른 연소율, 출화되는 화염의 높이와 화염과 외벽과의 거리를 식으로 제시되고 있으며, 본 화재실험의 개구부 크기에 따라 #1과 #2에서는 0.57과 0.20 kg/s의 연소율이 계산되었으며 수직 화염의 높이는 3.2와 1.6 m로 나타난다. 또한 외벽과 화염거리는 0.6과 0.2 m이다.
계산식에서는 이격거리가 #1과 #2가 3배 정도 차이로 제시되었으며, 실험결과에서도 #1과 #2에서 유사한 차이가 측정되었다. 특히 복사열의 경우 화염과의 이격된 거리가 중요한 영향을 주기 때문에 이격거리가 멀수록 외벽에 주는 영향은 적을 수 있다.
본 연구를 통해서는 개구부 높이의 크기에 따른 구획공간의 연소율뿐만 아니라 외벽에 주는 복사열과 온도의 영향도 확인할 수 있었다. 개구부 크기에 따라 출화되는 화염과 외벽과의 이격거리 차이가 발생되고 이에 따라 거리에 영향을 받는 복사열과 온도의 차이가 발생하게 된다. 따라서 외부로 출화되는 화염의 수직화염 확산을 방지하기 위해서는 개구부의 차이에 따른 화염과 외벽과의 거리도 고려되어야 한다고 판단된다.
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