[논문]대형서점 적재가연물의 초기 연소발열성상

남동군

[국내논문] 대형서점 적재가연물의 초기 연소발열성상
Heat Release Characteristics of Typical Live Fire Load in Large Bookstore 원문보기

한국화재소방학회 논문지= Fire science and engineering, v.25 no.2, 2011년, pp.88 - 94

초록
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건축물 적재가연물의 연소성상 및 발열특성은 건물 내부의 화재전파속도와 화재규모 등을 크게 좌우하는 중요한 요인이다. 그러나 대형 서점의 적재가연물은 다른 건축용도에 비해 다량 적재되어 있기 때문에 화재시 건물 전체의 화재피해가 대형화할 가능성이 있지만 연소발열성상이 화재실험 등으로 파악되어 있지 않다. 따라서 본 연구는 대형서점의 적재가연물인 목재 서가 등을 재현한 시험체를 대상으로 연소실험을 실행하여 연소발열성상을 파악하였다. 또한 이 결과를 바탕으로 대형서점의 화재시 화재안전성을 검토하고 대형 서점의 화재안전설계에 필요한 적재가연물의 연소표면적당 최대열방출률과 화재성장률 등을 제시하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

Heat release characteristics of live fire load are an important parameter for performance oriented fire safety design of a building. While investigations have been carried out on the fire load and its burning behavior in office, residential and commercial buildings and so on, little effort has been paid for the rational treatment of fire load in bookstore. In this report, burning behavior of typical combustible objects in bookstore are studied by measuring heat release rates of bookshelf with book. Based on the results, it has reviewed fire safety when a fire accident occurs on the large bookstore and suggested peak heat release rate per burning surface, fire growth rate, etc of the live fire load required for fire safety design in bookstore.

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문제 정의

따라서 본 논문에서는 대형 서점의 적재가연물을 대상으로 연소실험을 통해 연소발열성상을 파악하고, 그 결과를 바탕으로 대형 서점의 성능위주설계에 필요한 적재가연물의 연소표면적당 최대열방출률 등을 제시한다.
실험에서는 실화 등에 의한 소규모 출화에서 주변의 화재확대특성을 조사하기 위하여 화원의 열방출률을 가능한 소규모 값으로 제어하였다. 예비실험에서는 시험체의 최하단 부분을 소규모 화원(열방출률 16kW)으로 1분간 가열하였지만 수직 및 수평방향으로 전혀 연소확대하지 않았기 때문에 본 실험에서는 화원규모와 가열시간을 증가시켰다.
본 논문에서는 서점의 적재가연물을 대상으로 초기 연소특성을 파악할 목적으로 적재가연물을 재현한 시험체를 제작하여 소규모 화원으로 연소실험을 실행하여 다음과 같은 결과를 얻었다.

제안 방법

서점의 적재가연물인 서가 등을 제작하여 집연후드의 하부에 설치하고 점화시켰다(Figure 1 참조). 실험에서는 실화 등의 출화 상황을 재현할 목적으로 소규모 화원으로 시험체를 점화하고 산소소모법에 의해 열방출률을 측정하고 연소 형상을 관찰하였다.
서점의 적재가연물인 서가 등을 제작하여 집연후드의 하부에 설치하고 점화시켰다(Figure 1 참조). 실험에서는 실화 등의 출화 상황을 재현할 목적으로 소규모 화원으로 시험체를 점화하고 산소소모법에 의해 열방출률을 측정하고 연소 형상을 관찰하였다.
시험체의 개요를 Table 1에 나타내었다. 일반 서점의 서가의 크기가 실험장치의 수용한계를 초과하기 때문에 실험에서는 서가의 일부분을 재현하여 실행하였다. 실험 1, 2에서는 일반 서점에서 사용되는 서가 부분을 4단 제작하고 서적을 최대한으로 수납한 상태로 실행하였다.
일반 서점의 서가의 크기가 실험장치의 수용한계를 초과하기 때문에 실험에서는 서가의 일부분을 재현하여 실행하였다. 실험 1, 2에서는 일반 서점에서 사용되는 서가 부분을 4단 제작하고 서적을 최대한으로 수납한 상태로 실행하였다. 단 실험 1, 2에서는 서가의 뒤판 유무에 따른 연소성상을 파악하기 위하여 실험 1은 뒤판을 부착하고 실험 2는 뒤판을 부착하지 않았다.
단 실험 1, 2에서는 서가의 뒤판 유무에 따른 연소성상을 파악하기 위하여 실험 1은 뒤판을 부착하고 실험 2는 뒤판을 부착하지 않았다. 또한 실험 3, 4 는 진열대의 서적의 연소확대성상을 조사하기 위하여 진열대를 제작하고 그 상부에 서적을 진열한 상태로 실행하였다. 두 실험에서는 서적의 종류에 따른 연소 성상을 파악하기 위하여 실험 3, 4의 서적 종류를 각각 문고본과 잡지를 설치하였다.
또한 실험 3, 4 는 진열대의 서적의 연소확대성상을 조사하기 위하여 진열대를 제작하고 그 상부에 서적을 진열한 상태로 실행하였다. 두 실험에서는 서적의 종류에 따른 연소 성상을 파악하기 위하여 실험 3, 4의 서적 종류를 각각 문고본과 잡지를 설치하였다.
실험 1, 2에서는 시험체의 연소성상을 비교하기 위하여 동일한 점화조건으로 실험 계획을 수립하였다. 그러나 실험 1에서는 서가와 서적의 일부분만이 연소하고 자연소화하였으므로 동일한 점화조건으로 실험 2를 실행해도 시험체의 대부분이 연소하지 않는다고 판단하고, 실험 2에서는 화원규모와 가열시간을 실험1보다 2배 증가시켰다(열방출율 32kW).
점화하면 서가와 서적의 표면이 서서히 연소하기 시작하였다. 실험에는 뒤판이 미부착된 서가의 사용으로 인해 버너의 화염은 서가 뒷면으로 확대하였고 바로 상부의 단에 있던 서적의 앞뒷면을 가열하였다. 실험 5분 35초 후 화염은 서가의 최상단에 도달하였으나 서가와 서적의 표면은 서서히 연소하고 있었다.
이 화재성장률은 피난안전설계의 평가결과를 크게 좌우하기 때문에 정확하게 파악하여 건축물의 성능위주설계에 이용할 필요성이 크다. 따라서 본 장에서는 서점의 성능위주설계에 활용할 목적으로 3.1에서 기술한 적재가연물의 열방출률에 근거하여 화재성장률을 산정한다. 단, 목재 서가와 진열대는 시간 경과에 따라 연소의 진행이 보이질 않고 점화 중지와 동시에 자연소화하기 때문에 열방출률에서 화재성장률을 산정할 수 없다.
실험 5의 연소표면적당 최대열방출률과 화재성장률을 Table 3에 나타내었다. 연소표면적당 열방출률은 CD 진열대의 최대열방출률을 연소표면적으로 나누어 산정 하였다. CD 진열대의 연소표면적은 CD 진열대가 전소한 점과 CD와 진열대 사이에 틈새가 거의 없었던 점을 고려하여 진열대 전체를 직방형으로 산정하였다(Figure 8 참조).
CD 진열대의 연소표면적은 CD 진열대가 전소한 점과 CD와 진열대 사이에 틈새가 거의 없었던 점을 고려하여 진열대 전체를 직방형으로 산정하였다(Figure 8 참조). 또한 CD 진열대의 화재성장률은 열방 출률이 50kW인 시간에서 정상 연소에 이행한 점을 시간의 제곱으로 지나는 곡선에 의한 방법으로 산정하였다.¹⁾
실험에서는 실화 등에 의한 소규모 출화에서 주변의 화재확대특성을 조사하기 위하여 화원의 열방출률을 가능한 소규모 값으로 제어하였다. 예비실험에서는 시험체의 최하단 부분을 소규모 화원(열방출률 16kW)으로 1분간 가열하였지만 수직 및 수평방향으로 전혀 연소확대하지 않았기 때문에 본 실험에서는 화원규모와 가열시간을 증가시켰다. 각 실험의 화원강도는 실험 1, 5가 16kW, 실험 2~4가 32kW이며, 이와 같이 화원 강도를 변화시킨 이유는 다음과 같다(Table 1 참조).
단, 목재 서가와 진열대는 시간 경과에 따라 연소의 진행이 보이질 않고 점화 중지와 동시에 자연소화하기 때문에 열방출률에서 화재성장률을 산정할 수 없다. 따라서 목재 서가와 진열대에 대해서는 화재성장률을 산정하지 않고, 적재가연물의 노출표면적에서 적재가연물의 연소로 발생 가능한 열방출률의 한계를 예측할 수 있도록 연소표면적당 최대열방출률을 산정하였다.

대상 데이터

실험 1, 2, 5에서는 수직 상태인 시험체의 최하단을 점화하기 위하여 T자형버너를 사용하였고, 실험 3, 4에서는 수평 상태인 시험체의 상면을 점화하기 위하여 CSB133버너를 사용하였다(Figure 2 참조).

성능/효과

실험 5분 35초 후 화염은 서가의 최상단에 도달하였으나 서가와 서적의 표면은 서서히 연소하고 있었다. 실험 35 분 후 상부에서 두번째 단의 서가의 목재판이 버너로 직접 가열되어 붕괴하였고 버너 화염은 붕괴한 서적에 접촉하면서 서가 최상단의 서적에 도달하였다. 실험 40 분 후 점화 중지와 더불어 시험체가 자연소화하였다.
점화를 중지해도 CD 케이스가 융해하면서 완만히 연소하고 있었다. 실험 5분 후 서가 앞부분에 융해한 CD 케이스와 진열대 내부의 CD 케이스가 동시에 급격히 염상하였고, 실험 6분 후 진열대 정면 전체가 염상하 면서 현저히 연소하기 시작하였다. 실험 1시간 50분 후 자연소화하였다.
이것은 서적과 서가의 목재판이 착화 후에 탄화층의 형성으로 열분해가 작아지므로, 상부의 서가와 서적에 장시간 접촉하는 화염을 형성하지 않으면 서가의 정면 에서 상부에 화염확대하기 어렵기 때문으로 판단된다. 또한 실험 3과 4에서는 같은 화원규모와 점화지속시간 으로 진열대 상부의 서적의 종류에 따른 연소발열성상을 조사하였는데, 두 실험에서는 시험체 전체에 연소 확대하지 않고 서적 표면에 머물며 최대열방출률이 거의 일치하고 있으므로, 연소발열성상에는 서적의 종류가 크게 영향을 미치지 않는 것을 알 수 있다. Table 2 를 보면, 시험체의 연소표면적당 최대열방출률은 40kW~ 50kW 전후로 진열대를 사용한 실험 3, 4와 목재서가를 사용한 실험 1, 2가 거의 일치하고 있는데, 연소면 방향 즉 화염의 가열 방향에 관계없이 연소영역의 면적당 최대열방출률이 변하지 않는 것을 알 수 있다.
(1) 목재 서가와 진열대(서적 포함)는 화원 규모가 작으면 연소확대하지 않고 연소범위가 화원의 화염에 노출된 부위에 한정되지만, CD 진열대는 일단 염상하기 시작하면 화재성장이 빠르고 장시간에 걸쳐 대규모 화염이 형성되는 것을 알 수 있었다. 서점에서는 CD 진열대가 일반적인 실화에도 인명안정상 위협이 되는 규모로 급속히 화재성장할 우려가 있다.
(2) 목재 서가와 서적 진열대(서적 포함)는 일반 적재가연물과 달리 연소가 시간 경과에 따라 성장하지 않았기 때문에 화재성장률을 산정할 수 없었지만, CD 진열대의 화재성장률은 0.1246kW/s²인 것을 제시하였다.
(3) 목재 서가와 진열대(서적 포함)는 연소표면적당 최대열방출률이 약 40kW/m²이고, 목재 서가는 서가 1단의 폭 1m당 최대열방출률이 약 50kW/m²인 것을 제 시하였다. CD 진열대는 연소표면적당 최대열방출률이 322kW/m²인 것을 제시하였다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	건축물 적재가연물의 연소성상 및 발열특성 주요 요인은?	건축물 적재가연물의 연소성상 및 발열특성은 건물 내부의 화재전파속도와 화재규모 등을 크게 좌우하는 중요한 요인이다. 그러나 대형 서점의 적재가연물은 다른 건축용도에 비해 다량 적재되어 있기 때문에 화재시 건물 전체의 화재피해가 대형화할 가능성이 있지만 연소발열성상이 화재실험 등으로 파악되어 있지 않다.

참고문헌 (6)

南東君, 長谷見雄二, 上川大輔, 山田常圭, 鍵屋浩司, "大規模郵便局の火災加重特性(その２代表的な積載可燃物の燃燒實驗と發熱速度のモデル化", 日本建築學會大會公演槪要集 2003年度大會(東海), pp.5-6(2003).
National Fire Protection Association, "Smoke Management Systems in Malls, Atria and Large Areas", NFPA 92B, pp.54-56(1991).
南東君, 長谷見雄二, 太田充, 嶋田拓, "大規模書店における收納可燃物特性と簡易調査法", 日本建築學會論文集, Vol.613, No.1, pp.15-20(2007).
이성룡, 육근환, "주택가연물의 연소특성에 관한 연구", 한국화재소방학회 논문지, Vol.23, No.4, pp.25-31(2009).
이봉우, 이장원, 사공성호, 김희수, 이병호, 김현중, "건축용 바닥재의 연소성능 시험", 한국화재소방학회논문지, Vol.22, No.2, pp.30-37(2008).
오규형, 최연이, 이성은, "내장벽지의 연소특성에 관한 연구", 한국화재소방학회 논문지, Vol.21, No.1, pp.90-97(2007).

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