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문제 정의
- 본 연구에서는 단위 공간별 화재특성 실험 및 DB화를 위하여 실규모 화재평가 장치를 이용하여, 거실, 침실, 주방, 공부방에 대한 연소실험을 실시하였다. 구성된 실물화재모델은 Figure 3, 4와 같이 거실, 침실, 공부방, 주방을 모사하였다.
- 본 연구에서는 주택 가연성 물질에서 발생되는 유독가스인 CO, CO2, HCN, HCl, HBr의 발생량과 가연성공간 내에서 발생되는 온도에 따른 인체에 미치는 영향을 파악하여 주택 가연물의 위험성을 분석하였다.
제안 방법
- (1) 다세대주택 및 연립주택 29개소의 평면 구성, 가연물의 량, 가연물의 배치 등에 대한 조사·분석을 통해 표준 모델의 평면 형태, 가연물량을 설정하였으며, 연소특성 데이터베이스 구축을 위한 단위 가구 10가지 품목, 단위 공간(거실, 주방, 안방, 공부방 등) 4개소를 설정하였다.
- (4) 주택에서의 화재안전성 분석을 위해 가연성 물질과 가연성 물질 공간에서의 연소패턴을 분석하여 주택 가연물의 위험성을 분석하였다. 분석 결과 가연성 물질 중 침대의 HCN은 임계수준에 약 1.
- (12~32평)을 대상으로 평면의 구성, 가연물의 량, 가연물의 배치 등에 대한 조사·분석을 실시하였으며, 조사된 평면의 구성, 가연물의 양 및 가연물의 배치를 바탕으로 표준 모델을 설정하였다. 또한 설정된 표준 모델의 가연물(냉장고, 세탁기, 소파, 침대 등)에 대해서는 ISO 9705의 Room Corner Tester2) 및 FT-IR을 통해 가연물의 단위 발열량, 연기발생량, 유독가스발생량(CO, CO2, HBr, HCN, HCl) 등에 대한 데이터베이스를 구축하였다. 또한, 표준 모델의 가연물을 조합한 단위 공간(거실, 주방, 공부방, 침실)에 대해서는 산소소모율법3)을 이용한 라지스케일칼로리미터(Large Scale Calorimeter)를 이용한 실규모 화재실험4)을 통해 단위공간의 발열
- 본 연구에서는 가연성 물질별 열방출율, 유독가스 성분 및 발생량 파악을 위해 국제 화재시험평가 기준인 ISO-9705 시험법을 적용한 룸코너 시험기를 이용하였으며, Figure 2에 나타었다. 룸코너 시험기의 덕트 내부에 유독가스를 측정하기 위한 샘플링 라인을 설치하여 FT-IR(Fourier transform infrared spectroscopy)을 이용하여 유독가스(HCl, HCN, HBr)의 양을 측정하였다.
- 싱크대와 냉장고의 경우 발생되는 열방출율을 고려하여 라지스케일 칼로리미터를 이용하여 열방출율과 연기생성율, CO, CO2를 측정하였다. 실험결과 싱크대와 냉장고의 최대 열방출율은 약 2,363kW, 3,051kW로 측정되었으며, 냉장고의 경우 단열재로 포함되어 있는 우레탄에 의해 높은 열방출율을 나타내었다.
- 이에 본 연구에서는 다세대주택 및 연립주택의 규모로서 가장 일반적인 형태인 바닥면적 39~106m2(12~32평)을 대상으로 평면의 구성, 가연물의 량, 가연물의 배치 등에 대한 조사·분석을 실시하였으며, 조사된 평면의 구성, 가연물의 양 및 가연물의 배치를 바탕으로 표준 모델을 설정하였다.
- 모델에 사용된 단위품목은 중규모 실험에서 사용된 단위품목과 동일한 제품을 사용하였다. 측정대상은 열방출율, CO, CO2, 연기생성율을 기본으로 하였으며, 화재 시 실내의 온도를 측정하기 위하여 천정(상부)에 4개의 열전대와 모델 중앙에 3개의 열전대, 그리고 벽체의 6개의 열전대를 설치하여 온도변화를 측정하였다. Figure 5, 6, 7에 실험 결과를 도시하였다.
- 그러나 화장실과 발코니 부분은 화재 발생 확률이 적어 실험에서 배제하였다. 표준 모델 평면에서 분포된 가연물량을 설정하기 위하여 56m2(17평)대의 주택을 대상으로 전체가연물량을 조사한 결과, 표준 모델 평면에서의 전체 가연물량 중 관련 자료의 습득 여부, 연소특성 DB 구축으로서의 중요성, 가연물의 중복성 등을 고려하여 연소 특성 데이터베이스 구축에 필요한 단위 가구를 선정하였다. 선정된 단위가구는 소파 등 10가지 품목으로 설정하였으며, 설정된 가연물량은 Table 1과 같다.
대상 데이터
- 다세대주택 및 연립주택의 현장조사 및 현재 가장 일반적인 연립주택으로서 56m2(17평)대가 사용되고 있는 점을 고려하여 표준 모델에 사용될 평면을 설정하였다. 설정된 표준모델에는 거실 1(8.
- 설정된 표준 모델의 평면 형태에서 가연물량의 배치는 기존 연구5)의 조사· 통해 Figure 1과 같이 설정하였다. 또한 설정된 표준 모델의 가연물량 배치에서 단위공간의 연소특성 데이터베이스 구축을 위해 대표적인 화재 공간인 거실, 주방, 안방, 공부방 등 총 4개소를 대상으로 하여 실험을 수행하였다. 그러나 화장실과 발코니 부분은 화재 발생 확률이 적어 실험에서 배제하였다.
- 표준 모델 평면에서 분포된 가연물량을 설정하기 위하여 56m2(17평)대의 주택을 대상으로 전체가연물량을 조사한 결과, 표준 모델 평면에서의 전체 가연물량 중 관련 자료의 습득 여부, 연소특성 DB 구축으로서의 중요성, 가연물의 중복성 등을 고려하여 연소 특성 데이터베이스 구축에 필요한 단위 가구를 선정하였다. 선정된 단위가구는 소파 등 10가지 품목으로 설정하였으며, 설정된 가연물량은 Table 1과 같다.
- (17평)대가 사용되고 있는 점을 고려하여 표준 모델에 사용될 평면을 설정하였다. 설정된 표준모델에는 거실 1(8.3m2), 공부방 2(7.4m2), 안방 1(13m2), 주방 1(5m2), 화장실 1(2.8m2)개로 구성되는 것으로 하였으며, 거실과 접해있는 공부방은 확장성을 고려한 발코니가 설치되어 있는 것으로 설정하였다. 설정된 표준 모델의 평면 형태에서 가연물량의 배치는 기존 연구5)의 조사· 통해 Figure 1과 같이 설정하였다.
이론/모형
- 특히, 화재에서 가장 중요한 물리량은 열방출율로서 화재의 전파, 온도 상승 및 연기생성량 등 모든 화재에 의해 유발되는 문제와 밀접한 관계를 가지고 있다. 본 연구에서는 가연성 물질별 열방출율, 유독가스 성분 및 발생량 파악을 위해 국제 화재시험평가 기준인 ISO-9705 시험법을 적용한 룸코너 시험기를 이용하였으며, Figure 2에 나타었다. 룸코너 시험기의 덕트 내부에 유독가스를 측정하기 위한 샘플링 라인을 설치하여 FT-IR(Fourier transform infrared spectroscopy)을 이용하여 유독가스(HCl, HCN, HBr)의 양을 측정하였다.
성능/효과
- (2) 선정된 10개의 단위 가연물의 화재특성 실험을 실시하였으며, 냉장고에서 최대 약 3,051kW의 가장 높은 열방출율을 나타내었다. CO의 최대값은 장롱에서 최대 약 3,894.
- (3) 주택의 단위 공간에서의 실규모 화재실험을 실시한 결과, 침실의 경우 열방출율이 7,433.3kW, CO 578.6ppm, CO2 1.25%, 연기생성율 166.9m2/sec으로 나타났으며, 용도별 가연 공간 중 가장 위험도가 높은 것으로 측정되었다. 장롱, 침구류 등 비교적 화재가 급속히 전이 될 수 있는 가연물량이 다수 배치되었기 때문으로 판단된다.
- (2) 선정된 10개의 단위 가연물의 화재특성 실험을 실시하였으며, 냉장고에서 최대 약 3,051kW의 가장 높은 열방출율을 나타내었다. CO의 최대값은 장롱에서 최대 약 3,894.2ppm으로 나타났고, 가장 유독한 HCN은 침대에서 최대 약 164.6ppm으로 나타났다.
- 5배 이상으로 나타났다. 가연성 공간에서 화재가 발생했을 경우 공기 온도가 143℃일 경우 생존한계시간은 5분 이하이지만, 단위 공간의 연소 패턴을 분석한 결과, 주방을 제외한 모든 공간에서 최대 약 3분 이내에 모든 온도 측정 지점에서 143℃에도달하여 화재가 확산이 진행되면 인체에 빠른 시간 내에 심각한피해를 줄 수 있을 것으로 판단되었다.
- CO2는 화장대, TV, 의류를 제외한 나머지 품목에서 장시간 노출에 위험농도 5,000ppm을 초과하였다. 가장 독성이 강한 HCN의 임계점인 90ppm을 침대에서 최대 약 1.8배 이상으로 나타났으며, 모든 품목에서 장시간 노출에서의 위험농도인 10ppm을 초과하는 것으로 나타났다. HCl은 장시간 노출에서의 위험농도가 너무 낮기 때문에 모든 품목에서 초과하였고, 침대에서 단시간 노출에서의 위험농도인 1,500ppm에 근접한 약 최대 1,072.
- 9m2/ sec를 나타내었다. 단위품목 DB에서 높은 열방출율, 유독가스, 연기생성율을 나타내고 있는 침대와 장롱이 설치되어 있는 침실에서 높은 결과 값을 나타내고 있는 것으로 판단된다. 실내온도를 살펴보면 천장부에서의 온도변화는 열방출율 변화와 동일한 양상의 결과를 나타내었다.
- 의자와 소파(1인용, 3인용)의 경우는 점화원을 각 물질에 하부에 설치하여 실험을 진행하여 초기 점화 시간에서 등받이로 화염이 전이되면서 연소시간이 길게 진행되었고, 의류와 장롱, 책장, 침대의 경우는 초기 점화와 함께 급격한 연소의 진행 상태를 나타내면서 가장 높은 열방출율인 약 1,346kW가 책장에서 나타났다. 또한 측정 결과, 유사한 가구류인 화장대, 책장, 책상, 장롱 중에서 책장의 열방출율이 최대 약 1,346.8kW로 가장 높게 나타나고 있으며, 유독가스는 장롱이 CO의 최대값은 약 3,894.2ppm으로 측정되었으며, 책상과 책장에서의 CO가 약 2.57%, 2.62%로 다른 물질에 비해 높은 값이 측정되었다. 면직류가 포함된 품목에서는 침대가 가장 높은 최대 약 1,061.
- 또한, 2007년 12월말 인명피해 발생순서는 주거(48.2%), 비주거(41.1%), 차량(3.8%), 위험물·가스제조소등(0.8%) 순이었으며, 47,760건의 화재 중 판매시설과 공장·창고·음식점 등 비주거용 건물에서 16,544건의 화재가 발생하여 142명이 사망하였고, 주거용 건물에서는 11,338건의 화재가 발생하여 265명이 사망한 것으로 나타나, 주거용 건물에서 동일건수(1,000건) 대비하여 사망률이 2.7배나 높았음을 알 수 있다.
- Table 3에서는 가연성 물질별 HCN, HCl, HBr의 측정결과를 나타내고 있으며 상대적으로 화장대를 제외한 나머지 물질들에서는 비교적 HCl의 값이 높게 측정되었다. 또한, 측정 결과에서 HBr의 양은 나머지 HCN, HCl 보다 낮게 측정되었다. 또한, 침대에서 다른 가연성 물질에 비해 HCN, HCl, HBr의 최대값이 약 164.
- 또한, 측정 결과에서 HBr의 양은 나머지 HCN, HCl 보다 낮게 측정되었다. 또한, 침대에서 다른 가연성 물질에 비해 HCN, HCl, HBr의 최대값이 약 164.6ppm, 1,072.2ppm, 37.54ppm으로 높게 측정되었다.
- 62%로 다른 물질에 비해 높은 값이 측정되었다. 면직류가 포함된 품목에서는 침대가 가장 높은 최대 약 1,061.9kW의 열방출율과 CO 최대 약 459.2ppm으로 측정되었다.
- (4) 주택에서의 화재안전성 분석을 위해 가연성 물질과 가연성 물질 공간에서의 연소패턴을 분석하여 주택 가연물의 위험성을 분석하였다. 분석 결과 가연성 물질 중 침대의 HCN은 임계수준에 약 1.8배 이상으로 검출되었으며, 장롱에서는 CO의 임계점에 약 4.3배 이상, 책상에서는 약 1.5배 이상으로 나타났다. 가연성 공간에서 화재가 발생했을 경우 공기 온도가 143℃일 경우 생존한계시간은 5분 이하이지만, 단위 공간의 연소 패턴을 분석한 결과, 주방을 제외한 모든 공간에서 최대 약 3분 이내에 모든 온도 측정 지점에서 143℃에도달하여 화재가 확산이 진행되면 인체에 빠른 시간 내에 심각한피해를 줄 수 있을 것으로 판단되었다.
- 를 측정하였다. 실험결과 싱크대와 냉장고의 최대 열방출율은 약 2,363kW, 3,051kW로 측정되었으며, 냉장고의 경우 단열재로 포함되어 있는 우레탄에 의해 높은 열방출율을 나타내었다. 두 가연물 모두 높은 열방출율을 나타내고 있으며, 이는 싱크대와 냉장고가 위치하고 있는 주방에서의 높은 화재위험성을 보여주고 있다.
- 온도 측정 지점에서 천장부 150cm 지점에서 가장 늦은 온도의 증가를 나타내고 있지만, 주방을 제외한 모든 공간에서 약 3분 이내에 143℃를 넘고 있다. 실험결과에서 초기에 가연성 공간에서 화재가 진화가 이루어지지 않으면 약 3분 내에 인체에 급격한 피해를 주는 온도로 화재가 성장하기 때문에 화재가 확산이 진행되면 인체에 빠른 시간 내에 심각한 피해를 줄 수 있다는 것을 나타내고 있다.
- 두 가연물 모두 높은 열방출율을 나타내고 있으며, 이는 싱크대와 냉장고가 위치하고 있는 주방에서의 높은 화재위험성을 보여주고 있다. 싱크대에서의 CO와 CO2의 발생량은 최대 약 44ppm, 0.29%로 나타났으며, 냉장고의 CO와 CO2 발생량은 최대 약 152ppm, 0.36%로 나타났다.
- 또한 Table 7에서는 단위 공간 내부에서의 최대 온도 도달 시간과 가장 먼저 온도가 상승하는 천장부에서 생존한계시간이 5분인 143℃에 도달하는 시간 및 모든 지점에서 143℃에 도달하는 시간을 나타내고 있다. 연소 초기에 가연성 물질의 배치와 특성에 따라 최대 온도에 도달하는 시간에 차이를 보이고 있지만 최소 주방에서 약 10분 정도 후면 최대 온도에 도달하는 것으로 나타났으며, 이때의 온도는 이미 그래프 상에서 약 1,300℃를 넘고 있다. 온도 측정 지점에서 천장부 150cm 지점에서 가장 늦은 온도의 증가를 나타내고 있지만, 주방을 제외한 모든 공간에서 약 3분 이내에 143℃를 넘고 있다.
- 7배나 높았음을 알 수 있다. 연소 확대된 화재 30,508건의 연소 확대 사유를 분석해보면 가연성물질의 급격한 연소가 88.7%로 연소 확대에 가장 큰 요인으로 분석되었다.1)
- 이중 주택 공간의 표준가연물 화재실험을 위하여 소방방재청에서 발표한 화재통계연보를 분석한 결과, 화재의 장소별 발생 비율은 비주거 34.7%, 주거 23.7%의 순이었으며, 주거지역인 주택·아파트(5,944건)의 경우 음식물 조리 중 부주의(2,641건, 49.5%)에 의한 화재가 가장 많은 것으로 판명되었다.
- Figure 5, 6, 7에 실험 결과를 도시하였다. 측정결과 침실, 공부방의 경우 점화 후 약 5분 후, 거실은 점화 후 약 8분 후에 플래쉬오버 상태에 이르게 되어 급격한 성장을 보였다. 주방의 경우는 찬장에서 냉장고로 연소가 진행되는 속도에 의해 약 20분 후에 플래쉬오버 상태에 이르게 되고 이후 쇠퇴기에 이르게 되며, 싱크대와 냉장고의 연소 확대 지체시간 때문에 성장과 쇠퇴가 반복된다.
후속연구
- 이러한 실물화재실험은 화재사고에서 많은 사상자를 발생시키는 주거지 화재 시 발생할 수 있는 위험요소를 직관적으로 보여줄 수 있을 뿐 아니라, 건축물 구성재료에 따른 열방출율, 실내온도, 유독가스량 등의 정량적인 판단이 가능하다. 따라서 단위 공간의 화재 특성 평가 결과를 기본으로 화재 확대 예측 시뮬레이터을 보정함으로써 각 용도별 공간에서의 화재 확산 예측이 가능하게 될 것이다.
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