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문제 정의
- 따라서 본 연구의 목적은 날로 늘어가는 자동 창고와 관련된 선행연구 분석을 통하여 자동창고의 특징을 이해하고 방화공학적 분석을 통하여 화재위험성을 고찰하며, 이에 대한 개선방안을 제시함으로써 랙크식 자동창고의 화재위험성에 대한 안전성 확보에 기여하고자 한다.
- 본 연구에서 이러한 문제점들에 대한 개선방안으로 화재하중의 산정을 의무화하여 화재위험성에 따른 성능위주설계의 적용, 방화구획을 대체할 대응시설의 적용, 효과적인 연기배출을 위한 배연 설비의 적용 등을 제시하였으며, 그동안 초고층빌딩이나 인명피난 중심으로 연구되면서 주목받지 못했던 랙크식 창고의 화재위험성을 방화공학적 측면으로 분석하여 위험성을 알리고자 하였다. 랙크식 창고는 실증 실험이나 시뮬레이션을 이용한 화재모델링을 진행하기에는 대규모 건축물의 특성상 여러 가지 한계가 있으므로 추후 다양한 형태의 실험과 시뮬레이션 등을 통한 지속적인 연구가 필요하다고 판단된다.
- 본 연구에서는 수직적으로 물품을 적재하여 높은 화재하중을 가지는 자동창고의 위험성과 화재 특성에 대해 선행연구를 통하여 연구동향을 분석하고 방화공학적 분석을 통한 화재위험성을 고찰 하고 개선방안을 제시하고자 하였다.
제안 방법
- 는 수직적으로 물품을 적재하여 높은 화재하중을 가지는 자동창고의 화재안전을 위하여 적용되는 소방시설과 이에 대한 문제점을 살펴보고 개선방안을 제시하였다. 그 내용으로는 매우 높은 화재하중을 가지는 점과 층수와 연면적을 기준으로 소방시설이 적용됨에 따라 소규모 자동창고에는 스프링클러가 적용되지 못하는 점의 대안으로 성능위주설계를 실시할 것을 제안하였고, 방화구획의 미비로 인해 수막설비나 방화스크린 등의 설치를 제시하였다. 그리고 4m, 6m의 높이로 규정한 스프링클러 헤드의 설치 위치를 랙 단마다 설치할 것을 주장하였다.
- 14) 은 창고의 구조는 층고가 높고 가연물이 수직형태로 저장되므로 화재 시수직 연소 확대가 무척 빠른 특성이 있으며, 랙과 랙 사이의 충분한 환기공간과 저장물과 랙 사이의 공간이 화재 시 유입공기의 공급을 원활하게 하여 연소 확대를 빠르게 하는 요인으로 작용하여 화재 시에는 거의 진압이 불가능하게 되므로 랙크식 창고에 표준형 헤드를 랙과 천장에 각각 설치하기도 하였으나, 빠르게 확대되는 수직화염을 진압하기에는 역부족이라고 주장했다. 그래서 화재 초기에 화재 확산을 효과적으로 방지할 수 있는 스프링클러헤드 개발을 위한 저장 창고의 특성분석 및 성능시험 방안을 수립하여 헤드 시험방법 및 성능 요건을 연구하여 저장 창고 화재 특성에 적합한 헤드에 대한 주요 사항 및 성능기 준을 제시하고 헤드의 성능을 검증하였다.
- 또한 현장 Case Study를 통하여 대공간 연기제어 설계개념과 상세 설계도서를 분석하여 연기제어 시나리오 적용 수치 해석 수행 및 배연효과를 분석하였다. 그리고 기존의 방화셔터 위주의 설비에서 효율적이고 경제적인 대공간 연결공간의 신개념 방연설비를 제시하였다. 이러한 결과를 활용하면 대공간에서의 적절한 크기의 배연창의 설치를 통해 화재발생시 연기를 효율적으로 방출할 수 있는 근거가 될 것으로 생각된다.
- 16)은 물류창고는 보관물품에 따라 화재 확산율 및 열방출율이 다르고 저장높이, 랙크 배치, 통로폭, 물품의 양 등에 따라서 화재위험성 이 결정되며, 고 천정화에 따른 화재하중의 증가로 인하여 자동식 스프링클러설비가 작동하여도 가연물에 직접적인 침투효과에 한계가 있고, 화재 감지기의 작동시간이 지연됨으로 인해 초기소화에 실패할 확률이 높아지게 됨을 분석하였다. 그리고 이를 위하여 화재사례 및 국내외 관련 규정 비교 그리고 현장조사 등을 수행하여 랙크식 창고의 초기소화 및 제어성능을 확보하기 위한 수용물품의 위험도 분류 및 스프링클러 설치기준 개선방향과 화재피해를 최소화하기 위한 제도적 도입을 제안하였다.
- 또한 물류창고에 대한 소방시설의 설치기준 개선을 위하여 한국화재소방학회는 물류창고의 화재 관련 특성 및 위험성 분석, 자동식 물류창고의 소방 기준 개선안 수립, 저온창고(냉장, 냉동창고) 의 소방시설 설치 기준 개발 등의 보고서를 작성하여 해당 내용의 전반적인 조사 및 분석과 개정 법규 안의 제시, 기술적 부분의 개선안을 제시하며 각종 문제점들을 확인하고 분석하였다.12) Ha et al.
- 또한 이러한 실물 화재 시험으로 Kweon et al.10)은 “창고 모델 실물화재 특성에 대한 실험적 연구”에서 창고 화재 사고의 위험성을 파악하기 위해서 중규모 실물 화재 실험 장비인 룸코너 시험기(Room Corner Tester)를 통해 구축된 단위 구성품의 화재 특성 DB를 바탕으로 화재에 취약할 것으로 판단되는 의류 창고를 실험 모델로 구성하여 실물 화재실험 장비인 Large Scale Calorimeter에서 실물 화재실험을 실시하였다.
- 에서 신개념 평가기준으로 배연효과의 정량적 지표를 제시하였고 대공간 연기제어 시스템의 설계 시나리오를 정립하여 해당 핵심기술을 전문기업을 대상으로 기술이전을 하였다. 또한 현장 Case Study를 통하여 대공간 연기제어 설계개념과 상세 설계도서를 분석하여 연기제어 시나리오 적용 수치 해석 수행 및 배연효과를 분석하였다. 그리고 기존의 방화셔터 위주의 설비에서 효율적이고 경제적인 대공간 연결공간의 신개념 방연설비를 제시하였다.
- 본 연구에서 대규모의 물품을 저장하는 창고시 설의 화재안전에 관한 선행연구는 대공간의 화재 특성, 물류창고의 화재특성, 랙크식 창고의 화재 특성으로 대별하여 분석해 보았다.
- 9)은 물류창고 중에서 화재 하중이 매우 높은 의류 물류 모델을 선정하여 실물화재실험을 실시하여 교량 하부 화재 발생원에 대한 내화방안 및 기준 수립에 기초자료로 제공하고자 하였다. 실물 화재실험은 10 ㎿ 규모의 Large Scale Calorimeter에서 그라스울 샌드위치 패널을 사용하였고 단위 의류 창고 모델을 제작하여 열방출률, 연기발생률, 유독가스 발생량(CO, CO2 )을 측정하였다. 실험결과 열방출률은 최대 약 5,040 ㎾, 연기발생률은 최대 약 103 ㎥/s, CO 발생량은 최대약 495 ppm, CO2 발생량은 최대 약 0.
- 에 의하면 대부분의 자동창고는 랙크식 창고를 의미하며, 이러한 랙크식 창고는 “반자(반자가 없는 경우에는 지붕의 옥내에 면하는 부분)까지의 높이가 10m를 넘는 것으로 선반 또는 이와 유사한 것을 설치하고 승강기 등에 의하여 수납 물을 운반하는 장치를 갖춘 창고를 말한다”고 되어있다. 즉 바닥으로부터 창고의 처마까지의 높이가 10 m 이상이며, 자동운반장치를 갖춘 자동창 고만을 규정하였다. 그러나 2013년 1월 9일 소방 시설 설치․유지 및 안전관리에 관한 법률 시행령의 개정으로 랙크식 창고의 의미가 “물건을 수납할 수 있는 선반이나 이와 비슷한 것을 갖춘 것을 말한다”로 변경됨으로 인해 현재 소방법규상 자동창고는 승강기 등을 갖추고 있지 않더라도 물건을 수납할 수 있는 선반 등을 갖춘 경우라면 랙크식 창고, 즉 자동창고로 분류된다.
- 화재원인 검토결과 용접작업 실화에 의한 화재로 벽체패널인 샌드위치패널과 문틀형강을 접합하던 중 용접작업시 발생하는 불티 또는 고열에 의해 벽체패널 내부의 스티로폼 및 우레탄폼이 착화된 것으로 추정하였다. 화재확대요인은 화재에 취약한 스티로폼 및 우레탄폼 재질의 샌드위치패널 사용과 소방설비의 인위적 기능해제로 판단했다. 이번 사고와 같은 재난을 예방하기 위해서는 급격한 연소확대 특성을 갖는 스티로폼 및 우레탄폼 재질의 샌드위치패널 사용금지, 소방설비의 기능해제에 대한 감시와 처벌강화, 안전관리체계 및 안전 규칙 준수여부에 대한 관리 강화가 필요하다고 주장하였다.
대상 데이터
- 창고 모델의(3 m×3 m×2.4 m) 벽체는 불연등급의 그라스울과 일반 스티로폼 샌드위치 패널로 구성하였다.
성능/효과
- 연기층 두께, 발열량, 플럼의 질량유량, 공급공기의 속도, 배기구 1개당 최대유량 및 배기구간 최소거리 등의 주요 설계인 자를 반영하여 설계를 수행한 결과 대공간의 건물높이가 25 m이고 정상성상의 발열량이 5,275 kW인 경우 전체 배연량은 527,459 CMH로 계산된다. 그리고 기계배연 시스템에서 배연량이 감소하면 연기층 높이가 낮아지고 연기층의 온도가 상승함을 확인할 수 있었다. 결과로 주어진 데이터를 통해 대공간에서의 배연성능의 검증을 위한 자료로 활용이 가능할 것이다.
- 네 번째로 자동창고의 건축구조물 자체는 대공 간의 구조를 가지는 단순한 내부형태를 가지게 되나 내부에 여러 단의 수직 랙과 크레인이 설치됨으로 인해 자동창고 내부에서 소화활동이 어렵게 된다. 이는 초기 소화활동이 실패할 경우 소방대의 진입에 의해 화재 진압이 이루어져야 하는데, 내부구조에 익숙하지 않은 소방대의 활동이 어려워 화재 진압이 쉽지 않음을 의미한다.
- 세 번째로 랙 사이에 연돌효과가 발생되어 상부로의 연소가 급격히 확대된다. 연돌효과는 건축물 샤프트(계단실, 엘리베이터 샤프트, 덤웨이터 샤프트, 기계실 샤프트 등) 내에서 상승기류가 형성되는 현상으로 건축물 내부의 공기가 외부의 공기보다 따뜻하고 밀도가 낮기 때문에 부력을 가지게 되어 발생되는 현상이다.
- 은 “부주의가 부른 물류창고 화재의 진실”에서 2008년 12월 5일 발생한 이천 물류창고 화재사고에 대한 분석을 실시하며 효과 적인 화재진압 방법으로 천공 개방의 효과를 시뮬레이션으로 검증 하였다. 실제 화재 진압과정에서 화재 발생 창고 천정에 9개소를 천공하여 연기의 배출을 유도하여 소화약제를 투입하였는데 이에 대한 효과를 천공 미개방, 화재 초기 천공, 화재 중기 천공, 화재 말기 천공으로 각각 나누어서 시뮬레이션 검증을 실시한 결과 물류창고 화재 진압을 위한 천공 개방은 화재 진압 및 위험요인 감소에 매우 효과적인 것으로 확인이 되었다. 그러므로 건축법 개정을 통하여 대규모 물류창고나 랙크식 창고에서는 화재발생시 진압을 위해 소방 대에 의해 파괴가 쉬운 천공을 설치하는 것을 규정하는 것이 필요하다.
- 실물 화재실험은 10 ㎿ 규모의 Large Scale Calorimeter에서 그라스울 샌드위치 패널을 사용하였고 단위 의류 창고 모델을 제작하여 열방출률, 연기발생률, 유독가스 발생량(CO, CO2 )을 측정하였다. 실험결과 열방출률은 최대 약 5,040 ㎾, 연기발생률은 최대 약 103 ㎥/s, CO 발생량은 최대약 495 ppm, CO2 발생량은 최대 약 0.64 %로 나타남을 확인하였다. 또한 이러한 실물 화재 시험으로 Kweon et al.
- 4 m) 벽체는 불연등급의 그라스울과 일반 스티로폼 샌드위치 패널로 구성하였다. 실험결과 최대 열방출율은 그라스울 샌드 위치 패널 창고모델에서 5 ㎿, 스티로폼 샌드위치 패널 창고모델에서 11 ㎿를 나타내었다. 특정 케이스지만 구체적인 수치가 제시되었기 때문에 유사한 사례에 대해서 적용이 가능할 것으로 판단 된다.
- 2)은 “대공간에서의 연기축적에 관한 연구”에서 대공간에서의 화재발생에 의한 연기거동을 측정하고 이론적인 모델에 의한 계산결과와 비교하였다. 적은 규모의 공간에서는 이론 예측값과 실험치가 비교적 잘 일치하였지만, 공간이 큰경우 화재초기에서 실험치와 예측치가 잘 일치 하지 않았는데, 그 원인은 연기의 유동에 따른 효과를 고려하지 않은 이론적 모델의 특성이 거론될 수 있고, 시간에 따른 화재의 열방출율 변화를 고려하지 않은 계산으로부터 기인됨을 알게 되었다. 랙크식 자동창고는 일반 대공간 구조에 비해 화재 하중이 매우 높아 연기 발생량이 수 십 배까지 발생할 수 있으므로 초기 화재 시에는 본 연구의 결과를 참고할 수 있을 것이다.
후속연구
- 그리고 기계배연 시스템에서 배연량이 감소하면 연기층 높이가 낮아지고 연기층의 온도가 상승함을 확인할 수 있었다. 결과로 주어진 데이터를 통해 대공간에서의 배연성능의 검증을 위한 자료로 활용이 가능할 것이다.
- 은 “실규모의 실험용 대공간에서 연기유 동에 대한 수치해석적 분석”에서 전산유체역학을 바탕으로 하는 수치해석 기법을 적용하여 스페인에서 수행된 실규모 실험과 수치해석의 결과를 비교하여 분석한 결과, 비교적 유사한 추이를 보이고 있음을 확인했다. 그러므로 추후에도 대공간 건축물의 연기유동 해석과 효과적인 연기제어 시스템 개발 시 이러한 수치 해석 방법이 사용될 수 있을 것이다. 또한 연기제어의 인자 중 일부인 배연구 위치와 배연량의 변화도 분석하여 추후 대공간에 축연된 연기의 배연에 관한 연구에 활용할 수 있을 것으로 보인다.
- 그러므로 추후에도 대공간 건축물의 연기유동 해석과 효과적인 연기제어 시스템 개발 시 이러한 수치 해석 방법이 사용될 수 있을 것이다. 또한 연기제어의 인자 중 일부인 배연구 위치와 배연량의 변화도 분석하여 추후 대공간에 축연된 연기의 배연에 관한 연구에 활용할 수 있을 것으로 보인다.
- 자동창고와 같은 대공간 구조물에 랙과 랙 사이에 크레인이 운행되는 공간인 경우라면 수막설비나 방화셧터의 성능이 있는 차단막 등을 설치하여 자동화재탐지설비의 작동 시 랙크 식창고 내부를 설정된 구역에 맞게 방화구획을 형성 하게 되면 연소의 확대 및 연기의 이동을 억제시키는 효과가 발생하여 수동적 방화기능 (Passive fire protection)을 상당 부분 보완할 수 있을 것으로 판단된다. 또한 화재발생 부분을 구획함으로써 화재가 발생되지 않은 부분의 스프링클러 헤드가 열기에 의해 개방되는 것이 방지되어 소화수원이 좀 더 효과적으로 사용될 수 있다.
- 적은 규모의 공간에서는 이론 예측값과 실험치가 비교적 잘 일치하였지만, 공간이 큰경우 화재초기에서 실험치와 예측치가 잘 일치 하지 않았는데, 그 원인은 연기의 유동에 따른 효과를 고려하지 않은 이론적 모델의 특성이 거론될 수 있고, 시간에 따른 화재의 열방출율 변화를 고려하지 않은 계산으로부터 기인됨을 알게 되었다. 랙크식 자동창고는 일반 대공간 구조에 비해 화재 하중이 매우 높아 연기 발생량이 수 십 배까지 발생할 수 있으므로 초기 화재 시에는 본 연구의 결과를 참고할 수 있을 것이다.
- 본 연구에서 이러한 문제점들에 대한 개선방안으로 화재하중의 산정을 의무화하여 화재위험성에 따른 성능위주설계의 적용, 방화구획을 대체할 대응시설의 적용, 효과적인 연기배출을 위한 배연 설비의 적용 등을 제시하였으며, 그동안 초고층빌딩이나 인명피난 중심으로 연구되면서 주목받지 못했던 랙크식 창고의 화재위험성을 방화공학적 측면으로 분석하여 위험성을 알리고자 하였다. 랙크식 창고는 실증 실험이나 시뮬레이션을 이용한 화재모델링을 진행하기에는 대규모 건축물의 특성상 여러 가지 한계가 있으므로 추후 다양한 형태의 실험과 시뮬레이션 등을 통한 지속적인 연구가 필요하다고 판단된다.
- 이러한 배연창은 평상시에는 닫혀 있다가 자동화재탐지설비의 동작에 의해 열리는 구조로 설치되어야 하며, 천정부에 설치되는 위치적 특성상 자동으로도 닫힐 수 있는 장치가 함께 설치되어야 한다. 이는 소방관련 법규사항이 아닌 건축법 관련사항이므로 건축관련법규와 소방관련 법규가 공통된 목적 아래 필요시 지속적인 개정이 필요한 사항이며, 배연창의 크기 및 위치 등에 대한 부분은 추후 지속적인 연구가 필요한 상황이다.
- 은 “대공간 구조물 화재 위험성 평가 적용 사례”를 통해 대공간 건축물에서 화재 시뮬레이션 및 피난 시뮬레이션을 통해 성능 위주설계를 실시하였고, 이로 인해 전층 화재확산및 피난 시뮬레이션 수행, 방화셔터 제외 여부에 따른 안전성 확인(최소한의 방화셔터 적용가능), 보이드(Void)를 통한 연기배출 성능확인(Smoke Spill System)등을 검증하였다. 이러한 결과를 통해 대공간에서 성능위주설계를 통한 실시설계의 검증을 진행할 수 있을 것이다.
- 그리고 기존의 방화셔터 위주의 설비에서 효율적이고 경제적인 대공간 연결공간의 신개념 방연설비를 제시하였다. 이러한 결과를 활용하면 대공간에서의 적절한 크기의 배연창의 설치를 통해 화재발생시 연기를 효율적으로 방출할 수 있는 근거가 될 것으로 생각된다.
- 13) 은 철골 구조나 샌드위치 패널의 사용을 지양하고, 부득이 사용할 경우에는 화재내력을 증가시키는 내화재료의 피복이나 마감, 내화성이 있는 패널의 사용 등 방재측면을 고려한 건축구조로 설치, 대형창고 및 랙크식 창고의 특성에 맞는 감지 및 소방시설의 설치로 신속하게 작동하는 방재시설의 유지, 그리고 시큐리티시스템을 통합한 방재통합관리가 필요하다고 주장하였다. 이러한 연구결과를 통하여 화재안전기준 등의 지속적인 개선에 필요한 근거가 제시될 것으로 보인다.
- 이번 사고와 같은 재난을 예방하기 위해서는 급격한 연소확대 특성을 갖는 스티로폼 및 우레탄폼 재질의 샌드위치패널 사용금지, 소방설비의 기능해제에 대한 감시와 처벌강화, 안전관리체계 및 안전 규칙 준수여부에 대한 관리 강화가 필요하다고 주장하였다. 직접적인 화재원인이 건축 내장재의 불연화가 이루어지지 않아 발생된 것임을 확인할 수 있으므로 건축물의 내장재의 불연화 부분의 좀 더 강한 규제가 필요할 것으로 보인다.
- 대공간에서 발생되는 실시간 분석은 시간-농도 그래프의 적분을 통해 발생된 가스의 적산량을 계산할 수 있으며, 유독한 가스의 대공간 적산량은 %농도를 넘기 때문에 피난시 치명적인 영향을 주며, 이러한 분석은 실화재 규모에서 최초로 시도되었다. 특히 이러한 분석법은 화재생성가스 및 대공간의 미지가스 분석에 폭넓게 활용될 수 있을 것으로 기대되며 향후 대공간 특성을 가진 랙크식 자동창고에서도 적용될 수 있을 것으로 보인다.
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