1. 서 론
물류시설은 주거용 건축물에 비해 대공간 및 층고가 높게 형성되는 특징을 가지고 있으며, 수용하는 물품들의 적재 활용도를 높이기 위한 목적에서 대부분 랙크(Rack)를 설치/ 사용하고 있다. 이들 랙크는 수직적 구조형태에 따라 수용물품을 수직 집약적 적재를 통해 적재 활용도를 높일 수 있는 큰 장점이 있지만 화재가 수직적으로 확산하는 측면에 있어서는 매우 취약한 단점이 있다. 또한 물류시설은 건축법 및 소방법 등에서 명시한 화재안전 설계기준을 충족해 준공하고 있지만 사용자의 임대/임차업으로 인한 수용물품의 종류 및 적재방식의 변경이 쉽게 이루어지므로, 우리나라와 같이 다소 획일적인 성격을 갖는 사양적 화재안전 설계기준의 경우 그 실효성이 약해지는 결과를 초래한다.
실제로 국토부, 소방청, 산업부 및 행안부 등 관계부처 합동으로 22년도에 발간한 물류창고 화재 원인분석 및 재발 방지대책(Joint report of the Korean government, 2022)에 따르면 국내 물류시설에서는 매년 크고 작은 화재사고가 빈번하게 발생하고 있는 것으로 조사되었으며, 특히 각계의 유관 전문가 들은 물류시설 특성(수용물품 종류 및 적재방식 등의 변경 특성)에 맞지 않는 획일적인 화재안전 설계기준을 문제점으로 지적하고 있다(Kim and Lee, 2014; Lee et al., 2017). 이에 물류시설의 화재 안전성을 강화하기 위해 대형 국가연구개발 사업과 더불어 정책/제도의 개선을 다각도로 시도하려는 노력들이 있다. 과거에 진행된 샌드위치패널(대형물류) 창고⋅공장형 화재확산 분석을 통한 과학적 대응방안 연구(National Fire Agency, 2015)에서는 국내 물류시설 40개소의 현장조사를 실시하였으며 그 결과, 약 51.2%가 랙크 적재방식인 것으로 나타났다. 이를 미뤄 볼 때 물류시설 랙크를 대상으로 하는 화재안전 연구 및 기술 개발이 지속적으로 이루어질 당위성이 있음을 시사한다. 물류시설 랙크의 화재안전과 관련한 국내외 연구사례들을 분석하면 다음과 같다.
국외의 경우, Ingason (1997)는 랙크 송기공간(Flue space)의 화재 성장에 대해 실험과 이론적 고찰을 수행하였고, Yang et al. (2011)은 랙크에서의 화재 성장과 확산 특성을 연구하기 위해 실물 화재실험과 해석을 수행하였으며, 실험과 해석의 상관성을 찾고자 하였다. 또한 Alvares et al. (1994)은 랙크 화재로 인한 천장형 스프링클러의 반응을 검토하고자 위치별 온도를 분석하였다. 국내의 경우, Cho and Yeo (2016), Yeo and Cho (2017)는 실물 화재실험을 통해 랙크 단위 열방출율 및 위치별 온도 분포 등을 분석하였으며, Park et al. (2019)은 랙크에 In-Rack 스프링클러를 설치한 실물 화재실험을 수행하여 방화설계의 실효성을 관찰하였다. 또한 Choi et al. (2019)은 랙크에 설치된 연기감지기의 반응성에 대해 연기거동 해석과 실험을 통해 분석하였으나 본 연구에서 다루는 화염의 확산 거동과는 다소 차이가 있다. 국내에서 수행된 연구들의 공통점은 실물 화재실험을 통해 랙크의 화재확산 특성을 분석한 것이지만 랙크 구성인자의 다양한 조건들에 대한 검토가 이루어지지 못했다는 것이다. 다양한 변수들을 실험적으로 검토하기에는 시간 및 비용적인 측면의 한계가 있었을 것으로 추측되므로 이를 보완하기 위해서라도 화재해석을 보다 적극적으로 활용할 필요가 있다.
이에 본 연구에서는 랙크를 구성하고 있는 다양한 인자들 중 사용성이 높은 주요 인자를 결정하기 위해 현장조사 및 사양적 기준(제도/지침)들을 바탕으로 우리나라에서 가장 흔히 사용되고 있는 대표적인 랙크 구조를 설정하는 과정을 진행하였다. 이후, 설정된 랙크 구조를 대상으로 화재해석을 수행하여 화재확산 특성 분석을 진행하였다. 대표적인 랙크 구조를 설정하는 과정과 화재해석 결과는 향후, 랙크 화재확산을 제어 또는 지연시키는 연구 및 기술 개발에 주요 참고자료로 활용할 수 있을 뿐만 아니라 임대/임차에 의한 수용물품과 랙크 구조 변경이 이루어지더라도 그에 적절한 화재 예방 및 대책을 수립하는 데 도움을 줄 것으로 기대한다.
2. 랙크 설정
2.1 랙크 구성인자
랙크를 형성하는 구성인자는 크게 랙크 구조, 랙크 내 수용물품으로 구분할 수 있다. 물론, 랙크 내외부에는 국가화재안전기준에 따라 각종 스프링클러가 설치되고 있으나 랙크 자체가 갖는 화재확산 특성을 우선 검토할 필요가 있으므로 스프링클러가 적용된 조건은 차후에 다루고자 한다.
2.1.1 랙크 구조 부문
물류시설은 설비 형태에 따라 바닥 적재식, 랙크 설비식, 자동화 설비식으로 나눠지며, 용도에 의해서도 일반, 냉동 냉장 물류시설 등으로 구분할 수 있다. 국내 물류시설 70개소를 대상으로 현장조사 및 설문조사를 진행한 Cho and Yeo (2016) 에 의하면, Single row 또는 Double row 랙크를 사용하는 물류시설이 전체 중 51.2%이며, 랙크 높이는 3 m 미만이 10%, 3 m 이상 6 m 미만이 22%, 6 m 이상 10.0 m 미만이 58%, 10.0 m 이상이 10%인 것으로 보고하였다. 또한 랙크 내 선반의 경우, NFPA 13 (2013)과 KFS 630 (2020)에서는 밀폐형과 개방형 선반으로 구분하고 있으나, 개방형 선반이 밀폐형 선반에 비해 화재확산 측면은 더욱 취약할 것으로 예상되므로 최악의 경우를 가정한 개방형 선반의 우선적 검토를 진행하였다. 실제로 KS T 2023 (2009)에서는 개방형 선반에 파렛트를 두고 물품을 수용하는 랙크를 파렛트 랙크라고 구분하여 명명하고 있다. 따라서 기존 연구와 더불어 관련 기준들을 종합적으로 분석할 때, 6 m 이상 10 m 미만의 높이를 가지는 Double row 랙크(개방형 선반인 파렛트 랙크)를 우리나라에서 가장 보편적으로 사용하는 구조로 판단하였다.
2.1.2 수용물품 부문(수용 공간 포함)
랙크의 수용물품은 사용자의 사업 목적에 따라 매우 다양하므로 화재해석 시 모든 종류를 검토할 수는 없다. 따라서 FM Global (2014), NFPA 13 (2022)에서 제시하는 표준 수용물품(Standard commodity)의 등급을 참고하여, 노출된 발포 플라스틱(Expanded plastics, EP) 중 물성이 잘 알려진 폴리우레탄 폼(Polyurethane foam)을 선정하였다. NFPA 13 (2013)에서는 수용물품의 다양성을 고려해 ClassⅠ~ClassⅣ 및 플라스틱류로 표준화하여 구분하고 있으며, 본 연구에서 선정한 폴리우레탄 폼은 플라스틱류에 해당하는 것이다. 한편, 수용물품은 대게 파렛트 단위로 구성되며, KS T ISO 6780 (2003)에서는 대륙간 효율적 물류 유통을 위하여 파렛트의 표준 규격들을 제시하고 있다. 이에 따라 본 연구에서는 1,100 mm (W) × 1,100 mm (L) × 150 mm (H) 크기의 플라스틱 파렛트를 선정하였다. 아울러, KS T 0006 (2015)와 KS T 2014 (2020)에서는 파렛트 높이(150 mm (H))를 포함한 수용물품의 최대 높이를 2,200 mm로 제한하고 있으나 창고 임대/임차인의 입장에서 물류창고의 사용률을 최대한 높이기 위한 의도와 그렇지 않은 경우를 가정하여, 각각 2,200 mm (H), 1,200 mm (H) 로 2가지 경우를 설정하였다. 또한 NFPA 13 (2022)에서 수용물품과 상단 층 사이의 간격을 300 mm으로 규정하는 점을 고려하여 앞서 설정한 수용물품의 규격에 맞춰 랙크 한 단의 높이(층고)를 2,500 mm, 1,500 mm로 결정하였다. Table 1은 설정한 랙크의 구성인자들을 정리한 것이다.
Table 1
Setting Conditions of Representative Rack Structures
| Rack A | Rack B | Ref. | ||
|---|---|---|---|---|
| Rack Structure | Type | Double row (Pallet rack) |
Cho and Yeo (2016) KS T 2023 (2009) |
|
| Specification (Floor) | 2,350 × 2,850 × 9,700 (mm) (7F) | 2,350 × 2,850 × 9,700 (mm) (4F) | ||
| Shelf | Open type |
NFPA 13 (2022) KFS 630 (2020) |
||
| Commodity | Type | Polyurethane foam (Expanded plastics, EP) |
SFPE handbook NUREG-1805 FM Global (2014) |
|
| Specification | 1,100 × 1,100 × 1,200 (mm) (Including pallet height) | 1,100 × 1,100 × 2,200 (mm) (Including pallet height) |
KS T ISO 6780 (2003) KS T 0006 (2015) KS T 2014 (2020) |
|
| Space | Spacing between commodities and top floor : 300 mm Spacing between commodities : 200 mm |
NFPA 13 (2022) KFS 630 (2020) |
||
2.2 화재해석 조건
설정된 대표 랙크 구조의 화재해석은 전산유체역학 (Computational Fluid Dynamics)과 Navier-Stokes 방정식(저속 열유동장) 이론을 기본으로 하는 Fire Dynamics Simulator 를 사용하였다. Fig. 1은 설정된 대표 랙크 구조 2종의 모델링을 나타낸 것이다. 격자조건으로는 계산영역을 연소반응이 이루어지는 영역(Near field)과 그 외 영역(Far field)으로 구분하였다. 상대적으로 높은 정확성이 요구되는 Near field에 한 변의 길이가 0.05 m인 격자를 삽입하였다. 수직방향으로의 화재확산이 지배적 영향을 미치는 랙크 화재해석에서는 송기공간의 상승 유동에 대한 해상도 확보가 요구된다. 이에 따라 본 연구에서는 송기공간을 포함한 Near field의 격자 크기를 결정하기 위해 관련 연구들을 참고하였다. 격자 크기에 따른 수치해석의 민감도를 분석한 선행연구에서는 유체 이동 경로의 폭 방향으로 4개의 격자가 삽입될 때 10%의 오차범위 내에서 환기량 예측이 가능하였다(Yun and Hwang, 2019). 또한, Ren et al. (2017)은 FireFOAM의 화재성장 및 소화모델 검증을 위한 랙크 화재해석에서 0.15 m의 송기공간 내에 약 6개의 격자가 삽입되도록 격자 한 변을 1 inch (0.0254 m)로 설정한 바 있다. 이에 따라 본 연구에서는 랙크의 가로(300 mm) 및 길이(200 mm) 방향 송기공간에 4∼6개의 격자가 삽입되도록 Near field의 격자 한 변을 0.05 m로 설정하였다. 이때 Far field에 삽입되는 격자는 한 변의 길이를 0.1 m로 설정하였다. 그 결과 계산영역은 13개의 격자계로 구성되었으며, 총 846,900개의 격자가 사용되었다.
랙크의 수용물품은 파렛트 단위의 폴리우레탄 폼을 사용하였다. 대표 랙크 구조를 설정하는 과정에서 설명하였듯이 수용물품의 종류가 매우 다양한 관계로, 화재 시 화재강도가 매우 위험한 조건(Worst case)이자 NFPA 13 (2013)에서 표준 수용물품으로 제시하는 플라스틱류로 선정한 것이다. Table 2는 해석에 입력된 폴리우레탄 폼의 물성별 수치를 나타낸 것이며, 이 수치들은 기존의 문헌 및 보고서를 통해 보고된 폴리우레탄 폼의 열물성이다.
Table 2
Thermal Properties of Polyurethane Foam
유염 연소가 이루어지는 버너를 발화원으로 사용하는 경우, 그 자체에서 발생하는 상승기류, 수용물품의 표면을 따른 화염의 신장으로 인해 랙크 화재현상 검토에 변수로 작용할 수 있다. 이에 본 연구에서는 수용물품의 자체적인 연소에 따른 화재확산 현상을 검토하기 위하여 최소 발화에너지를 제공할 수 있는 고온 입자(Hot particle)를 발화원으로 사용하였다. 발화가 시작되는 위치는 화재확산에 가장 취약한 랙크 수직방향 송기공간(Flue space)의 바닥 중앙부로 가정하였다.
3. 화재해석 결과 및 분석
Fig. 2는 설정된 대표 랙크 구조의 시간 경과에 따른 화재확산 모습을 나타낸 것이다. Rack A, Rack B 모두 약 10초를 전후로 랙크 최상부까지 화재확산이 이루어진 것을 확인하였다. 이 급속한 화재확산의 원인은, 발화가 송기공간(Flue space)에서 시작되었을 뿐만 아니라 랙크의 수직적 구조형태 및 수용물품 사이에 형성되는 공간이 일종의 연돌과 같은 역할을 한 것으로 추측된다. 이러한 현상에 대해 Ingason (1997), Overholt et al. (2011), Yang et al. (2011), Cho and Yeo (2016)은 랙크 연돌효과(Stack Effect)로 언급하고 있으며, 수직 화재확산의 주요 통로가 되는 송기공간에 대해 수동적(ex. 수평차단막) 또는 능동적(ex. In-Rack 스프링클러) 방식의 화재 예방/대응을 주장하였다. 한편, Rack A, B 모두 화재가 송기공간을 따라 최상부에 도달한 이후 좌우로 점차 확산되는 과정에서 V형 화재 양상을 보였다. 이를 미뤄볼 때, 수평차단막은 랙크 연돌효과에 의한 수직 방향 화재확산을 지연시키는 역할을 수행할 것이나, 수평 방향의 화재확산에는 수직차단막이 필요할 것으로 사료된다. Ken et al. (2013)이 수행한 랙크 화재실험에서는 수직차단막의 재질, 설치 조건에 따라 수평 방향 화재확산의 지연 효과를 검증하였으며, 실제로 NFPA 13 (2013)에서는 수직차단막 적용을 제시하고 있다. 그러나 우리나라는 KFS 630 (2020)에서 차단막의 내용이 일부 기술되어 있으나 강제성이 없고, 실제 현장조사 결과에서도 차단막은 거의 적용되어 있지 않은 실정이다. 한편, 이와는 별도로 V형 화재 양상을 볼 때, 랙크 상부에서의 화재강도가 하부에 비해 높을 것으로 예상되나 현행 국가화재안전기준에 따르면, In-Rack 스프링 클러의 설치를 특정 높이 기준으로만 구분하여 동일한 헤드를 적용하고 있을 뿐 랙크 화재 특성에 따른 상대성은 고려하고 있지 않아 이에 대한 대책 마련도 시급하다.
Fig. 3은 랙크 내부의 온도를 높이별로 구분하여 나타낸 것이다. Rack A, B 모두 발화 후 약 5초 전후의 화재 잠복 (Incubation)기를 거친 후 급격한 온도 상승이 이루어졌다. 발화 후 약 8초까지는 발화원에서 가까운 위치의 온도가 타 위치에 비해 온도 상승 속도가 높았으나 약 9초부터는 랙크 상부의 온도가 하부에 비해 상대적으로 높은 온도 분포를 보이는 것으로 나타났다. 이는 화재가 랙크 최상부로 수직 확산되는 발전(Take off)단계를 거쳐 잠식(Eating in)단계로 넘어가는 과정에서 하부에서의 수용물품 화재하중이 점차 중첩되어져서 이와 같은 현상이 나타나는 것으로 추정된다. 또한 Rack A와 B의 시간별 온도분포 경향성은 거의 유사하나 Rack B가 A에 비해 온도가 다소 높게 형성되는 것은, 가연물이 되는 수용물품의 화재노출 면적이 높고, 송기공간의 총 체적이 Rack A에 비해 적기 때문인 것으로 추측된다.
Fig. 4는 랙크에 수용된 물품의 질량감소율을 나타낸 것이다. Rack A, B 모두 시간별 온도 분포 경향과 마찬가지로 약 8초까지는 발화원에서 가까운 1층 수용물품의 질량감소율이 타 층의 수용물품에 비해 높았으나 그 이후부터는 상부 층에 수용되는 물품일수록 질량감소율이 높은 것으로 나타났다. 이러한 현상은 앞서 설명한 V형 화재 양상과 관련성이 있는 것으로 추정된다.
Fig. 5는 랙크 구성인자를 모두 포함한 랙크 단위의 열방출율을 나타낸 것이다. 수용물품인 폴리우레탄 폼의 화재하중이 기본적으로 높을 뿐만 아니라 랙크의 적재방식 특성상 다량의 물품이 수직 집약적으로 적재되므로, 화재 최성기에는 약 25,000 kW 이상의 높은 열방출율을 갖는 것으로 나타났다. 또, Rack B가 A에 비해 수용물품 질량감소율 및 열방출율이 높은 것은 앞서서 설명한 수용물품의 화재노출 면적과 송기공간의 총 체적이 영향을 미치는 것으로 추측된다.
4. 결론
본 연구에서는 우리나라 물류시설에서 주로 설치/사용하고 있는 랙크를 대상으로, 사용성이 높은 주요 인자들을 반영한 대표 랙크 구조를 설정하였으며 화재해석을 통해 화재확산 특성을 분석하였다. 결론은 아래와 같다.
1) 랙크는 물류시설의 적재 활용도를 높이는 장점이 있지만 물품을 수직 집약적으로 수용하는 방식은 화재확산 측면에서는 큰 단점이 된다. 또한 랙크를 구성하는 인자들의 다양성은 방⋅내화설계를 위한 화재하중을 계산하는데 어려움으로 작용하고 있다. 특히, 사양적 화재안전 설계기준에 따라 물류시설이 준공되고 있으나 실사용 단계에서의 취급 물품 및 랙크 위치의 변경 등으로 인해 실효성에 문제가 생길 수 있다. 따라서 상대적 설계를 위해서도 랙크의 화재 특성을 우선 면밀히 검토할 필요가 있다.
2) 본 연구에서는 기존 연구에서 수행된 랙크식 물류시설 현장조사 결과와 더불어 현행 사양적 기준들을 준용하여 우리나라에서 가장 사용성이 높은 랙크 조건들을 설정하였다. 대표적으로 설정된 랙크 구조는 높이 6 m 이상 10 m 미만의 높이를 가지는 Double row 랙크(파렛트 랙크(개방형 선반))이며, 랙크 내부의 층 간격은 파렛트 단위 수용물품의 한계 규격과 실사용자의 의도를 감안하여 1,500 mm와 2,500 mm 2가지 경우로 구분하였다.
3) 랙크 수용물품의 종류는 매우 다양한 까닭으로 본 논문에서 선정한 폴리우레탄 폼을 대표성을 논하기에는 무리가 있다. 그러나 NFPA 13 (2013)에서는 수용물품의 다양성을 감안하여 등급을 구분하여 표준화를 제시하고 있고, 국내 기준에서도 일반/특수가연물로 구분하고 있다. 즉, 수용물품 종류에 따라 화재강도는 분명 차이가 있을 것으로 예상되므로 추후의 연구에서 수용물품의 종류를 변수로 해석 및 실험 연구가 수행될 필요가 있다.
4) 설정된 대표 랙크 구조의 화재해석 결과, 송기공간을 통한 최상부로의 급속한 수직 화재확산 이후 수평 방향으로 점차 화재가 확산되는 V형 화재 양상으로 인해 랙크 상부가 하부에 비해 상대적으로 높은 화재강도를 갖는 것으로 판단된다. 다만, 랙크 구조 및 수용물품 조건만으로도 높이별 온도, 수용물품 질량감소율, 열방출율이 달라지므로, 랙크를 구성하는 인자들에 대한 다각도의 해석적 검토가 필요하다. 한편, 해석에 의한 랙크 단위의 화재하중은 대공간인 물류시설 방화구획 설계를 합리적으로 유도하는데 기여할 것으로 생각한다.
5) 본 연구에서는 랙크에 반드시 적용해야 하는 사양적 방화설계를 포함하지는 않았으나, 실제 현장과의 유사성을 높이기 위해서는 천장형 또는 In-Rack 스프링클러 조건 등을 필연적으로 다루어야 한다. 아울러 NFPA 13 (2013), KFS 630 (2020)에서 기술하고 있는 차단막의 경우 방화설계와의 상호적 성능 검토가 불가피하므로, 물류시설의 화재 특성을 고려한, 랙크 내 차단막과 스프링클러간의 유기적 보완 방안에 대해 추가 연구가 수행될 필요가 있다.
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