[논문]FDS를 이용한 외장재의 수직 확산 화재의 모델링에 관한 연구

민세홍; 윤정은

문제 정의

때문이다. 그러므로 본 연구에서는 외장재에 의한 수직 확산 화재 시 근접 건물로의 화재확대에 미치는 영향에 대해서 복사열유속을 측정하여 분석하였다
따라서, 본 연구에서는 고층건물의 외장재에 의한 수직 화재에 대해 FDS(Fire Dynamic Simulation) 화재모델링 프로그램을 이용, 실제 화재에 대해 CFD의 구현으로 수직화재에 대한 경향을 분석하여 고층건물의 성능설계에 적용하고자 한다.
본 연구에서는 외장재의 외부화재에 대한 경향을 분석하는데 의의를 두었다. 컴퓨터로 구현한다는 것이 실제 화재와 반드시 같다고 할 수 없는 불확실성이 있는 것은 사실이다.

가설 설정

사전에 조건에서 언급했듯이, 본 연구는 외기에 개구부가 없는 것을 가정한 결과이다. 그러므로 예상컨대 개구부가 설치된 경우라면 앞에서 언급했던 피해 상황보다 더 큰 피해가 예상된다.

제안 방법

FDS version 5로 버전업되면서 소재 물성치의 정확도를 기하기 위해 강화된 기능을 본 연구에 적용하였으며, 이에 알루미늄복합패널에 대한 물성치에 대한 입력을 다음과 같이 진행하였다.
10~12에 시간대 별 온도변화에 대해 그래프로 나타내었다. 그래프의 시각적인 표현상 10초 간격으로 1층, 4층, 7층 및 최상층인 10층의 온도변화에 대한 데이터를 그래프화하여 표현하였다. Fig.
3> 같이 나타내었다. 또한 건물의 외부 격자는 FDS version 5 에서 강화된 기능인 다층 다성분 물질을 설정하여 알루미늄 0.5 mm, 폴리에틸렌 4 mm, 알루미늄 0.5 mm 로 다경계층으로 알루미늄 복합판넬을 표현하였다.
또한 실외 화재에 대한 시뮬레이션이므로 외부공간의 확보와 동시에 바닥을 제외한 각각의 공간을 OPEN 하도록 설정하였다
본 시뮬레이션 결과, 풍속과 관련한 3가지의 경우인 무풍의 경우, 정면풍의 경우와 측면풍의 경우에 대해 건물 외벽의 열방출율, 온도분포, 화재의 수직 확산속도 및 복사열유속 등에 대해 분석하였다.
본 연구에서 바람을 고려한 3가지 조건 중 데이터분석 결과 측면풍이 복사열유속의 값이 최대가 됨을 확인하여 복사열유속과 관련하여서는 최악 조건인 측면 풍일 때의 경우를 분석하였다. 이와 관련하여 아래 <Fig.
본 연구에서는 앞에서 설정된 조건 결정 후 외기온도를 20 ℃로 설정하고 풍속에 따라 3가지로 구분, 앞에서 언급한 실제 화재 시를 참고하여 시뮬레이션 시간을 700초로 하였다
본 연구의 화재모델은 건물의 외장재에 의한 화재의 수직 확산으로 실내 화재에 비해 상대적으로 위험도가 높다는 것을 확인하기 위해 모델링프로그램으로 FDS version 5를 사용하였다.
이와 관련하여 모델링한 건물에 대해 시뮬레이션 측정 공간을 확보하기 위해 건물을 기준으로 좌, 우, 후면에는 각각 5 m의 여유 공간을 확보하였으며, 높이는 36 m로 설정하여 6 m의 공간을, 특히 건물의 정면은 근접 건물에 미치는 영향을 알아보기 위한 복사열 유속을 분석하기 위해 현행 법규를 고려하여 10 m의 공간을 각각 확보하였다.
특성 데이터 등을 인용하였다. 이후 명기한 각각의 물성치는 FDS 프로그램에 입력하는 단위를 기준으로 작성하였다. 알루미늄의 물성치 중 모델링에 적용하는 인자인 비열은 0.
첫째는 무풍의 경우, 둘째는 건물 정면 풍향을 고려하였을 경우(정면풍), 셋째로는 건물 우측 풍향을 고려하였을 경우(측면풍) 등 각각의 경우 건물외벽의 열방출율 (HRR), 화재 성상, 복사열유속 등의 경향을 분석한다.
화재 확산에 대한 건물 외벽의 열방출율 및 화재 성상 등을 알아보기 위해 Device를 본 모델링 한 층의 높이 기준인 3 m 당 설정하였으며, 특히 근접건물의 복사열 유속의 영향을 알아보기 위해 건물 정면 앞쪽으로 3 m와 6 m, 2층은 10 m에 Device를 설정하였다. 아래 <Fig.

대상 데이터

모델링할 건물은 가로 10 m, 세로 10 m로 설정하였으며, 높이는 한 층당 3 m로 10층을 고려하여 건물의 높이를 30 m로 설정하였고 외기에 면하는 개구부는 없는 것으로 하였다.
물성치는 SFPE 방화공학 핸드북에 명시된 열 물리학적 특성 데이터 등을 인용하였다. 이후 명기한 각각의 물성치는 FDS 프로그램에 입력하는 단위를 기준으로 작성하였다.

이론/모형

또한 점화원의 열방출량은 NIST(National Institute of Standards and Technology)에서 실험한 쓰레기 컨테이너의 최대 열방출량인 300 kW* 적용하였다 [9],

성능/효과

인한 돌출된 데이터로 판단된다. 2층과 3층은 0초에서 증가하게 되며, 건물의 우측면인 4층은 400초부터 영향을 받아 700초까지 급격한 상승곡선을 그리게 되었으며, 7층은 650초부터 적은 영향을 받았으며, 최상층 10층은 아주 미미한 영향을 받음을 알 수가 있었다.
19>는 측면풍의 영향으로 건물의 정면뿐만 아니라 우측면까지 영향을 미치는 1층에 3 m, 6 이와 10 m 지점의 복사열유속을 축정한 평면 결과도로 이에 대한 해석은 다음과 같다. 건축 구조재를 손상할 만한 한계 열 플럭스는 25 kWm2로 규정하고 있는데, 3 m 이내 최대 열유속 값이 16 kW/m2이므로 건축 구조재를 손상할 만한 수치에는 도달하지 않았지만, 12.5 kWm2 기준인 플라스틱을 녹이거나 나무를 발화시키는 최소에너지 이상이므로 3 m 이내에 다른 가연성 재료를 구성하는 것을 매우 위험하다는 것을 알 수가 있었다. 6 m와 10 이에 대해서는 건축 구조재를 손상할 만한 수치에는 도달하지 않았지만, 인체에 미치는 영향 기준인 2.
넷째, 수직화재에 있어서 바람은 화재의 확산에 큰 영향을 주므로 무분별한 외장재의 남용을 제한하여야 한다.
다섯째, 열방출율은 85초까지는 3가지 바람의 조건 모두 동일 크기로 진행되다가 85초를 지나면서 측면 풍의 열방출율은 정면풍과 무풍에 비해 현격히 증가함을 알 수가 있었다.
둘째, 외장재에 의한 실외화재는 실내화재에 비해 화재의 확산이 수직으로 급격히 이루어져 화재위험도가 상대적으로 높아 건물 재실자의 피난 안전성 확보가 매우 어렵다는 것을 알 수가 있었다. 이에 외장재의 사용 면 수 제한, 층 수 또는 높이의 제한 등의 적극적인 대책 마련이 시급하다.
무풍과 정면풍과 측면풍의 경우를 각각 비교했을 때, 열방출율이 최대가 되는 시간에 도달하는 시점이 가장 빠른 것은 정면 풍속의 경우라는 것을 알 수 있었다.
무풍과 정면풍에서 4층은 450초를 지나면서 급격히 증가하며, 또한 7층은 500초를 지나면서 영향을 미치게 되는데 화재에 의한 피해는 그 이하 층보다 크지 않음을 알 수가 있었다.
. 무풍일 경우는 완만하게 증가함을 알 수가 있었다
셋째, 최초 화재 발생 위치에 관계없이 외장재에 의한 상층부로의 연소 확대에 미치는 영향이 매우 크다는 것을 알 수가 있었다. 이와 관련하여 한국산업규격의 연소성 시험에 의해서 열방출율이나 질량감소율을 규정하고 있기는 하지만, 그것은 단지 제품 자체에 대한 규정으로 이 제품을 시공했을 때의 화재위험은 고려되지 않고 있다.
일곱째, 외장재 적용 시 반드시 복사열유속에 대한 검토가 이루어져야 한다는 것을 알 수가 있었다.
첫째, 실외화재에 대한 실 화재의 FDS 구현의 가능성을 확인할 수가 있었다.
특히, 측면풍의 경우는 무풍일 경우와 정면풍의 경우와 비교해 값의 현격한 차이가 발생했다 바람의 영향에 있어 측면풍의 경우 외부 수직 확산 화재에 취약함을 알 수가 있었다.
화재 성상의 데이터 분석 결과 무풍일 경우는 상층부로 화재가 확대되면서 분포 면적은 줄어드는 형태의 화재 성상을 보였으며, 또한, 우측면에 대해서는 거의 온도의 변화가 없게 나타났다.

후속연구

있다. 하더라도 이에 대한 구현의 노력과 프로그램의 보완은 계속되어야 하며 앞으로 본 연구와 관련한 더욱 발전된 연구를 기대하는 바이다.

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