[논문]화재하중에 따른 구획화재 실험 연구

권오상; 김흥열

doi:10.7731/kifse.2017.31.6.016

초록
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국내에서는 복잡해지고 다양해지고 있는 건축물에서의 화재위험에 대응하기 위해 성능기반 화재안전 설계가 논의되고 있지만, 건축물에서의 다양한 인자들에 의한 화재특성의 에측의 어려움으로 인하여 성능기반 화재안전 설계의 도입이 제한되고 있다. 본 연구에서는 뉴질랜드에서 제시하고 있는 화재위험도별 화재하중 값의 실대형 화재실험을 통해 성능기반 설계 도입을 위한 기준 방향 설정 및 기초 자료로 사용하고자 하였다. 실대형 화재실험은 10 MW급의 실대형 칼로리미터에서 $0.8(L){\times}2.0(H)m$의 단일 개구부를 포함하고 있는 $2.4(L){\times}3.6(W){\times}2.4(H)m$ 크기의 시험체 틀의 내부에 목재 크립을 화재하중에 따라 배치시켜, 목재 크립이 전소할 때 까지 진행하였다. 화재실험에서 열방출률의 변화는 목재 크립에 화염이 착화 된 후 외부로 출화되는 약 90초 이후부터 급격히 증가하였으며, 위험도 레벨 1에서는 최대 4743.4 kW의 열발출률이 실험시작 후 244 초에 측정되었고 위험도 레벨 2에서는 5050.9 kW의 최대 열방출률이 497 초에 측정되었다. 또한 위험도 레벨 3에서는 최대 열방출률이 4446.9 kW로 실험시작 677 초에 측정되었다.

Abstract ▼ AI-Helper

In Korea, performance-based fire safety designs are being discussed to deal with the various risks of fire in complex and diverse types of structure. However, performance-based fire safety designs are not actively employed because it is difficult to estimate the fire characteristics related to the v...

In Korea, performance-based fire safety designs are being discussed to deal with the various risks of fire in complex and diverse types of structure. However, performance-based fire safety designs are not actively employed because it is difficult to estimate the fire characteristics related to the various factors in buildings. In this study, real scale fire tests were conducted based on fire severity levels and fire loads provided in He New Zealand Building Code, in order to use the results as guidelines and fundamental data for performance-based designs. In the real scale fire tests conducted in a 10MW full-scale calorimeter, wood cribs were placed in a $2.4(L){\times}3.6(W){\times}2.4(H)m$ mock-up of a compartment which had one $0.8(L){\times}2.0(H)$ opening for different fire loads and heating was continued until all of the wood cribs were burned down. The heat release rate started to increase rapidly 90 seconds after the wood cribs caught fire. In the test with a fire load level 1, the maximum heat release rate of 4743.4 kW was reached at 244 second. In the test with fire load level 2, a maximum heat release rate of 5050.9 kW was reached at 497 second. In the test with fire load level 3, a maximum heat release rate of 4446.9 kW was reached at 677 second.

Keyword

표/그림 (11)

표 Table 1. Fire Growth Rates
표 Table 2. Design FLEDs for use in Modeling Fires
그림 Figure 1. Photo of wood crib by FLED.
표 Table 3. Scenario of Feal Scale Fire Experiment
표 Table 4. Wood Crib by Fire Load
그림 Figure 2. Photo of real Scale fire experiment.
그림 Figure 4. Results of CO, CO₂ measurement.
그림 Figure 3. Results of HRR measurement.
그림 Figure 5. Modified HRR measurement.
표 Table 5. Max. HRR & Time
표 Table 6. Fire Severity by Fire Load

AI 본문요약
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문제 정의

구획 공간 내에서의 화재특성을 예측하기 위해서는 다양한 인자들을 예측 및 판단해야하기 때문에 성능기반 화재안전 설계의 어려움으로 나타나고 있으며, 이러한 문제점을 해결하기 위해서는 국외에서는 건축물의 화재위험도별 화재성장률과 화재하중 값 등의 제시를 통해서 구획 공간 내의 화재크기를 예측하는 방법에 사용하고 있다. 따라서 본 연구에서는 이러한 방법을 국내에 적용해보기 위해서 뉴질랜드에서 제시하고 있는 건축물의 화재위험도별 화재하중 값을 적용하여 실규모의 화재실험을 실시하였으며, 화재실험을 통해서 열방출률의 변화를 측정하였다.

제안 방법

화재실험은 0.8(L)×2.0(H) m의 단일 개구부를 포함하고 있는 2.4(L)×3.6(W)×2.4(H) m 크기의 시험체 틀의 내부에 목재 크립을 화재하중에 따라 배치시켜, 목재 크립이 전소할 때 까지 진행하였다.
화재실험은 0.8(L)×2.0(H) m의 단일 개구부를 포함하고 있는 2.4(L)×3.6(W)×2.4(H) m 크기의 시험체 틀의 내부에 목재 크립을 화재하중에 따라 배치시켜, 목재 크립이 전소할 때까지 진행하였다
본 연구에서는 뉴질랜드에서 제시하고 있는 건축물의 화재위험도별 화재하중 값을 적용하여 실규모의 화재실험을 실시하였으며, 화재실험을 통해서 열방출률의 변화를 측정하였다. 화재실험은 0.
Table 3에는 화재실험에 대한 상세 계획을 나타내고 있다. 화재실험에 적용된 화재하중 기준은 위험도 레벨 1의 400 MJ/m ² , 위험도 레벨 2의 800 MJ/m ² 와 위험도 레벨 3의 1,200 MJ/m ² 이며, 해당 기준에 따라서 시험체 틀 내부의 6지점에 등분포 시켰다. 또한, 화염 착화는 목재 크립 하부에 햅탄 풀(Pool)을배치시켜 착화재로 사용하였다.
또한, 화염 착화는 목재 크립 하부에 햅탄 풀(Pool)을배치시켜 착화재로 사용하였다. 화재실험은 내부의 목재크 립이 전소될 때까지 각 위험도별로 진행하였으며, 실험을 통해서 열방출률의 변화량을 측정하였다.
화재 실험은 목재 크립 하부에 있는 햅탄을 착화시킨 후에 목재 크립으로 화염이 전파되는 방법으로 진행하였으며, 햅탄에 의한 화염은 실험 시작 2분 안에 소멸되었다. 목재 크립으로 전파된 화염은 급격히 외부로 출화되었으며, 실험을 통해서 측정된 열방출률의 변화는 Figure 3에서 나타내고 있다.
4(H) m 크기의 시험체 틀의 내부에 목재 크립을 화재하중에 따라 배치시켜, 목재 크립이 전소할 때 까지 진행하였다. 실규모의 화재실험은 10 MW급의 실대형 칼로리미터에서 진행하였으며, 실험을 통해서 열방 출률의 변화량을 측정하였다. 화재실험에 적용된 화재하중 기준은 위험도 레벨 1의 400 MJ/m ², 위험도 레벨 2의 800 MJ/m² 와 위험도 레벨 3의 1,200 MJ/m ² 이며, 시험체 틀의 바닥 면적과 목재의 발열량 기준을 통해 산정된 위험도에 따른 목재 크립의 무게는 183.

대상 데이터

실규모의 화재실험은 10 MW급의 실대형 칼로리미터에서 진행하였으며, 단일 개구부를 포함하고 있는 시험체 틀내부에 목재 크립을 가연물로 사용하였다. Table 3에는 화재실험에 대한 상세 계획을 나타내고 있다.
목재크립은 0.03(L)×0.03(H)×0.9(W) m 크기의 소나무를 사용하였으며, 시험 시에 측정된 함수율은 평균적으로 10 % 로 나타났다.

이론/모형

본 화재실험에서 사용된 10 MW급의 실대형 칼로리미터는 순 연소 열량은 연소에 필요한 산소의 양에 비례한다는 점을 기초로 하여 산소 1 kg이 소모될 때, 13.1 MJ/kg의 열량이 발생한다는 산소소모율법 ⁽⁷⁾을 통해서 열방출률을 측정하게 된다.

성능/효과

화재 실험을 통해서 측정된 열방출률의 최대값은 위험도별로 약 ±600 kW, 도달시간은 약 ±7분의 차이로 나타났다.
화재실험에 적용된 화재하중 기준은 위험도 레벨 1의 400 MJ/m 2 , 위험도 레벨 2의 800 MJ/m 2 와 위험도 레벨 3의 1,200 MJ/m 2 이며, 시험체 틀의 바닥 면적과 목재의 발열량 기준을 통해 산정된 위험도에 따른 목재 크립의 무게는 183.47, 366.94와 550.41 kg으로 나타났으며, 화재실험에서는 ±0.1 kg 범위 내에서 목재 크립을 배치하였다.
또한, Figure 4에서는 화재실험을 통해 측정된 CO, CO ₂ 의 변화량을 나타내고 있다. 모든 화재실험에서 열방출률의 변화는 목재 크립에 화염이 착화 된 후 외부로 출화되는 약 90초 이후부터 급격히 증가하였다. 열방출률의 최대값과 도달시간은 Table 5에서 제시하였다.
모든 화재실험에서 열방출률의 변화는 목재 크립에 화염이 착화된 후 외부로 출화되는 약 90초 이후부터 급격히 증가하였으며, 위험도 레벨 1에서는 최대 4743.4 kW의 열발출률이 실험시작 후 244초에 측정되었고 위험도 레벨 2 에서는 5050.9 kW의 최대 열방출률이 497초에 측정되었다. 또한 위험도 레벨 3에서는 최대 열방출률이 4446.
9 kW로 실험시작 677초에 측정되었다. 화재하중에 따른 열방출률에 변화를 보면 화재하중은 최대값보다는 화재지속 시간에 영향을 주는 것으로 나타났으며, 이는 화재심각도로 표현될 수 있다. 화재심각도는 위험도 1에서 1310.

후속연구

본 연구를 통해서 구획공간 내에서의 화재하중에 따른 특성은 화재지속 시간에 영향을 주는 것으로 나타났으며, 이는 화재 위험도별로 건축물의 화재 특성을 결정지을 수 있을 것으로 기대된다. 국외에서 제시하고 있는 건축물의 용도 및 위험도별 화재하중 값은 성능기반 화재안전 설계 시 건축물의 화재 특성을 예측하기 위한 방법으로 적용될 수 있지만, 아직 국내에서는 이러한 기준 설정이 미비한 실정이다.
따라서 국내에서도 이러한 건축물의 화재특성을 예측할 수 있는 기준이 제시된다면, 국내의 성능기반 설계 시 적절한 위험 예측 및 이에 대한 화재방호에 효율적일 것으로 판단된다. 본 연구에서는 건축물에서의 화재위험을 예측하기 위한 국외 방법을 실물 화재 실험을 통해서 기초 DB를 확보하였으며, 향후 이러한 방법론적 방법에서 벗어나 제도적으로 제시될 수 있는 방법이 필요할 것으로 판단된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	화재실험시 뉴질랜드에서 제시하고 있는 건축물의 화재위험도별 화재하중 값을 적용한 배경은 무엇인가?	구획 공간 내에서의 화재특성을 예측하기 위해서는 다양한 인자들을 예측 및 판단해야하기 때문에 성능기반 화재안전 설계의 어려움으로 나타나고 있으며, 이러한 문제점을 해결하기 위해서는 국외에서는 건축물의 화재위험도별 화재성장률과 화재하중 값 등의 제시를 통해서 구획 공간 내의 화재크기를 예측하는 방법에 사용하고 있다. 따라서 본 연구에서는 이러한 방법을 국내에 적용해보기 위해서 뉴질랜드에서 제시하고 있는 건축물의 화재위험도별 화재하중 값을 적용하여 실규모의 화재실험을 실시하였으며, 화재실험을 통해서 열방출률의 변화를 측정하였다.
	성능기반 화재안전설계란?	건축물에서의 화재안전은 인명보호, 재산보호와 소방활동 지원 등을 목표로 제도적 기틀위에서 설계되고 이는 액티브 시스템(Active System)과 패시브 시스템(Passive System)으로 구분될 수 있다. 하지만 점차 다양해지고 복잡해지고 있는 화재위험에 대응하기 위해서 국외에서는 기존의 제도에만 의존하지 않고 대상 건축물의 화재위험을 예측하고 이에 따른 화재안전 설계를 진행하는 성능기반 화재안전설계(Performance Based Firs Safety Design)를 대안적 방법으로 적용하고 있다. 또한, 최근 많은 국가에서는 성능규정을 채택하여 안전성에 대해 증명할 수만 있다면 설계자들이 원하는 화재안전전략을 사용하는 것을 허락하고 있다.
	성능기반 화재안전 설계의 도입이 제한되고 있는 이유는?	국내에서는 복잡해지고 다양해지고 있는 건축물에서의 화재위험에 대응하기 위해 성능기반 화재안전 설계가 논의되고 있지만, 건축물에서의 다양한 인자들에 의한 화재특성의 에측의 어려움으로 인하여 성능기반 화재안전 설계의 도입이 제한되고 있다. 본 연구에서는 뉴질랜드에서 제시하고 있는 화재위험도별 화재하중 값의 실대형 화재실험을 통해 성능기반 설계 도입을 위한 기준 방향 설정 및 기초 자료로 사용하고자 하였다.

참고문헌 (9)

P. G. Lee, I. C. Choi and H. S. Kim, "A Study on the Application of the Fire Load of Building Occupancy for Architectural Fire Safety: Focused on the Establishment of the Required Fire Resistance & the Prediction of Temperatures in Post-flashover Compartment Fires", Journal of The Architectural Institute of Korea Planning & Design, Vol. 19, No. 9, pp. 139-146 (2003).
Y. H. Yoo, P. H. Park, K. S. Cho, O. S. Kweon and H. Y. Kim, "A Case Study on Evaluation Criteria for Performance Based Design", Proceedings of 2011 Spring Annual Conference, Korean Institute of Fire Science & Engineering, pp. 384-387 (2011).
J. H. Lee, W. J. Kim and J. C. Lee, "A Literature Review on Compartment Fire Temperatures during Fully Developed Fire", Journal of The Architectural Institute of Korea Structure & Construction, Vol. 30, No. 10, pp. 21-28 (2014).
A. H. Buchanan, "Fire Engineering Design Guide", University of Canterbury (2001).
BS 9999, "Code of Practice for Fire Safety in the Design, Management and use of Buildings" (2008).
Ministry of Business, Innovation & Employment, "C/VM2 Verification Method: Framework for Fire Safety Design", New Zealand (2014).
V. Babrauskas and S. J. Grayson, "Heat Release in Fires", Elsevier (1992).
B. I. Choi, Y. S. Han and M. B. Kim, "Heat Release Rate Measurements of Residential Combustibles Using Oxygen Consumption Method", Fire Science and Engineering, Vol. 22, No. 2, pp. 104-107 (2008).
A. E. Cote, "Fire Protection Handbook Vol. 1", 19th edition, National Fire Protection Association, pp. 137-138 (2003).

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