[논문]화재확산 저감을 위한 랙크 내 수평차단막 적용에 관한 연구

여인환; 조규환

doi:10.7731/kifse.2017.31.4.071

초록
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적재밀도가 높으며 수직적인 적재형태를 가지는 랙크식 창고는 화재발생 시 그 피해가 매우 심각하다. 이에 미국, 일본에서는 자국의 랙크식 창고 실정에 맞는 In-Rack 스프링클러 및 수평차단막 등을 적용하여 화재확산을 최소화하는데 노력하고 있으나 국내의 경우, 그와 관련한 연구 및 제도가 전무한 실정이다. 이에 본 연구에서는 발화위치 및 수평차단막 설치간격에 따른 화재특성 확인을 위해 국내 랙크식 창고 실정을 반영한 표준랙크를 대상으로 축소모델 화재시험을 수행하였다. 그 결과, 수평차단막의 설치간격을 밀접하게 또는 빈번하게 할수록 약 30%씩의 수직 화재확산 억제성능이 발휘되는 것을 확인하였다. 아울러 수평차단막을 경계로 상하부의 온도를 측정한 결과, 차단막이 설치된 경우가 그렇지 않은 경우에 비해 온도분포가 약 2~4배 이상 높은 것으로 나타나 수평차단막의 설치가 In-Rack 스프링클러의 조기 작동에 도움을 줄 것으로 판단된다.

Abstract ▼ AI-Helper

A rack warehouse with a vertically loading type and high loading density has severe risks and damage during its fire. In this regard, US and Japan strive to minimize the fire spread by applying in-rack sprinkler, horizontal barriers, etc. corresponding to their own rack warehouse but there is no stu...

A rack warehouse with a vertically loading type and high loading density has severe risks and damage during its fire. In this regard, US and Japan strive to minimize the fire spread by applying in-rack sprinkler, horizontal barriers, etc. corresponding to their own rack warehouse but there is no study and policy in Korea. Therefore, a model scale fire test was carried out targeting the standard rack incorporating the national rack warehouse in order to check fire characteristics in ignition points and installation distances of horizontal barriers in this study. As a result of the test, vertical fire spread of about 30% was inhibited by narrowing its installation distance from 2-layer to 1-layer in an ignition condition of the flue space. In addition, as a result of the measurement of the temperature in the upper and lower parts of the horizontal barrier, the temperature distribution showed about 2~4 higher in a condition with an installation of the barrier than that in the condition without the barrier. Consequently, it is likely that the horizontal barrier will help the initial operation of in-rack sprinkler.

주제어

표/그림 (12)

그림 Figure 1. Standard commodity in korea manufactured based on the FM Global's standard commodity.
그림 Figure 2. Composition and size of pallet unit-load commodity.
그림 Figure 3. Rack warehouses in korea by the field survey.
그림 Figure 4. 1/3 Model scale rack and full scale rack.
그림 Figure 5. Installation pattern of horizontal barriers within a model scale rack.
표 Table 1. Classification of Specimens
그림 Figure 6. Fire behavior in each hour of model scale rack.
그림 Figure 7. Fire spread speed of each model scale rack by video analysis.
그림 Figure 8. Average temperature of a model scale rack (measurement point (3-story height)).
그림 Figure 9. Heat release rate in each hour.
그림 Figure 10. Fire behavior of full scale and model scale.
그림 Figure 11. Fire test results of full scale and model scale.

AI 본문요약
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문제 정의

따라서 본 연구에서는 수평차단막 설치조건에 따른 화재확산속도 분석을 통해, 수평차단막의 화재확산 억제성능을 정량적으로 평가하고자 한다. 아울러 실물 표준랙크와 이를 1/3 스케일로 축소한 모델의 화재시험 결과 비교를 통해 실물 화재시험을 대신할 수 있는 축소모델 화재시험의 실효성을 검증하고자 한다.
따라서 본 연구에서는 수평차단막의 설치조건을 기술한 기존의 연구사례와 더불어 현장조사를 통해 얻어진 결과를 바탕으로 두께 2 mm인 철재 수평차단막을 제작하였다.
본 연구는 랙크 화재확산을 억제하는 차단막의 국내 도입 및 적용, 개발을 목적으로 수행된 예비연구로서, 실물의 1/3 축소모델 화재시험을 통해 수평차단막의 설치조건에 따른 화재확산속도를 분석하였다. 결론은 다음과 같다.
따라서 본 연구에서는 수평차단막 설치조건에 따른 화재확산속도 분석을 통해, 수평차단막의 화재확산 억제성능을 정량적으로 평가하고자 한다. 아울러 실물 표준랙크와 이를 1/3 스케일로 축소한 모델의 화재시험 결과 비교를 통해 실물 화재시험을 대신할 수 있는 축소모델 화재시험의 실효성을 검증하고자 한다. 본 연구에서 적용한 화재확산속도 산정법 및 축소모델 화재시험은 랙크 화재확산 저감을 위한 복합적인 소화설계 산정 및 검증에 경제적이면서도 효율적인 화재시험 방법으로서 유용하게 활용될 것으로 기대한다.

가설 설정

- 수평차단막은 불연 또는 준불연 재질로 할 것.
- 수평차단막은 화재 등의 통로가 될 수 있는 틈이 생기지 않도록 랙크 선반의 길이 및 폭에 꼭 차게 설치할 것.

제안 방법

또한 랙크 내 물품의 적재방식으로는 프레임 위에 플라스틱 및 목재 파렛트 1개 위로 여러 개의 판지박스를 비닐포장재로 그룹화하여 적재하는 경우가 대부분인 것으로 나타내고 있다. 따라서 본 연구에서 적용되는 표준랙크는 기존의 연구결과들을 바탕으로 하되 아래와 같은 조건을 추가적으로 적용하여 제작하였다.
수평차단막을 적용하지 않은 시험체에서 간격별로 최대 매 층마다 설치되는 시험체까지 총 3수준이다. 발화위치 조건은 크게 Case I과 II로 나누어 진행하였다. Case I의 경우, 랙크와 랙크 사이(적재물품과 적재물품 사이) Flue space에서 발화되었을 시 수직방향으로 급격히 확산되는 화재특성을 확인하기 위한 것이며, Case II는 복도 측인 Open space에서 발화가 되었을 시의 화염의 성상 및 속도를 확인하기 위한 것이다.
⁽⁹⁾ 첫 번째 방법으로는 랙크를 로드셀 위에 위치시킨 후, 화재시험 전 후의 중량변화 측정을 통해 경과시간별 중량변화를 화재확산속도로서 대체하여 평가하는 것이며, 두 번째 방법으로는 일정한 경과시간에 따른 온도분포 및 화염이 화원에서 번져나간 거리를 평가하는 것이다. 본 연구에서는 두 번째 방법을 이용함과 동시에 각 위치별 시간경과에 따른 온도 및 열방출율 등을 통합적으로 고려하여 화재확산속도를 평가하였다.
1 MJ/kg의 열량을 발생한다는 기본원리에서 시작되며, 산소농도와 배출가스 유량 등을 측정하여 계산하는 방식이다. 아울러 화염의 확산특성을 분석하기 위해 시험체 정면에서 영상 촬영을 실시하였다.
파렛트의 가로, 세로 규격은 KS T 0006:2015(유닛로드 시스템 통칙)에 따라 1,100×1,100 mm으로, 파렛트 높이를 포함하는 전체 높이는 KS T 2014: 2015 파렛트 적재화물의 적재기준(기준에 따르면 파렛트단위 적재물품의 최대높이는 파렛트 높이를 포함하여 2,200mm 이하로 제한하고 있음)에 따라 2,100 mm로 결정하였다.
표준물품의 적재방식은 국내 KS기준에 기술되어 있는 유닛로드 시스템(KS T 0006:2015(수송포장 계열치수)에서 기술하고 있는 것으로서 가로, 세로 1,100×1,100 mm, 1,200×1,000 mm 규격의 파렛트를 기본으로 여러 화물을 단위화하여 일관된 수송체계를 구축, 합리적인 물류를 목적으로 하는 것을 의미함)을 적용하여 “파렛트+박스단위 적재물품(=표준물품)+비닐포장재”(이하, 파렛트단위 적재물품)로 구성하였다(Figure 2 참조).

대상 데이터

)을 참조하였다.⁽⁴⁾ 또한 확실한 화재 안전성을 확보하기 위해서는 극한 화재상황을 가정하는 한계상태 소화설계가 필요하므로 FM Global의 표준물품 등급 중 가장 위험한 4등급에 해당하는 CEP (판지박스 포장 발포플라스틱 : 판지박스 내에 발포 폴리스틸렌 컵이 채워져 있음)를 선택하였다. Figure 1은 FM Global의 대표적인 표준물품인 CEP의 모습과 함께 국내에서 이와 유사하게 제작된 표준물품을 나타낸 것이다.
규격은 KS T 1002:2015(수송포장 계열치수)에 근거하여 300×300×400 mm으로 제작하였다.
⁽²⁾). 또한 기존 연구결과⁽³⁾에 의하면 파렛트 위에 수개의 박스가 적재될 시 그룹화를 위해 비닐로 감는(랩핑) 경우가 대부분인 것으로 나타내고 있으므로, 본 시험체에서도 PE비닐을 포장재로서 선정하였다. PE비닐의 두께는 약 0.
본 연구에서 수행되는 축소모델 화재시험의 실험인자는 수평차단막의 간격과 발화위치이다. Figure 5는 수평차단막의 설치조건을 나타낸 것이다.
여기서, L은 축소비를 의미하며, 아래첨자 F는 Full scale, M은 Model scale을 의미한다. 본 연구에서 제작되는 축소모델 시험체는 실물 표준랙크 크기의 1/3이므로 L_M = 1, L_F = 3으로 나타낼 수 있다.
파렛트의 가로, 세로 규격은 KS T 0006:2015(유닛로드 시스템 통칙)에 따라 1,100×1,100 mm으로, 파렛트 높이를 포함하는 전체 높이는 KS T 2014: 2015 파렛트 적재화물의 적재기준(기준에 따르면 파렛트단위 적재물품의 최대높이는 파렛트 높이를 포함하여 2,200mm 이하로 제한하고 있음)에 따라 2,100 mm로 결정하였다. 파렛트는 화재에 취약한 목재 파렛트를 대상으로 하였다(난연처리가 되어 있지 않는 플라스틱 파렛트는 원칙적으로 사용될 수 없다.⁽²⁾).
화재시험은 한국건설기술연구원 화재안전연구소의 10MW의 Large Scale Calorimeter를 사용하는 Burn Hall에서 진행하였다. Large Scale Calorimeter에서 측정되는 가장 기본적인 물리량은 열방출율이며, 순 연소열량은 연소에 필요한 산소의 양에 비례한다는 점을 기초로 산소 1 kg이 소모될 때 13.

성능/효과

(2) 수평차단막 바로 아래 부분의 온도를 동일한 위치에서의 수평차단막이 없는 시험체의 온도와 비교한 결과, M-D-B(1)의 승온속도는 37.50e-10 ℃/sec5로서 수평차단막을 설치하지 않은 M-D-B(X) 10.78e-10 ℃/sec5에 비해 약 2∼4배 이상 높은 것으로 확인되었다.
하지만 CaseⅡ의 경우, 거의 유사한 온도분포를 보이고 있어 앞선 화염확산속도(Figure 7 참조)와 마찬가지로 차단막의 기능이 거의 발휘되지 않은 것으로 판단된다. 또한 Figure 8(a)와 (b)를 비교할 때, 수평차단막의 설치 유무 및 간격 조건과 상관없이 Flue space에서의 발화가 Open space의 발화에 비해 승온속도(회귀분석을 통해 도출된 계수값(A), 여기서 사용된 회귀분석은 수평차단막의 설치조건별로 화재확산속도의 차이를 확인하는 목적에서만 사용된 것으로서 승온속도의 단위가 ℃/sec⁵인 것은 회귀분석 과정에서 가장 높은 결정계수(R2)를 가지는 차수식을 선택한 결과임)가 전반적으로 높은 것을 확인하였다(Flue space에서 발화한 시험체들의 평균 승온속도는 약 24.14e^-10 ℃/sec⁵, Open space에서 발화한 랙크의 평균 승온속도는 약 2.10e^-10 ℃/sec⁵이다.).
1) 국내 랙크식 창고의 현장조사 결과, Solid 선반 위로 물품을 개별적으로 적재하는 방식보다는 철재 프레임 위에 파렛트를 선반과 같이 활용하여 그 위로 적재하는 Open frame 방식이 대부분이었으며, 화재확산 억제를 목적으로 설치되는 차단막이나 그와 유사한 역할을 가지는 구조는 확인할 수 없었다. 하지만 국외의 다양한 연구사례들을 통해서 차단막의 효과가 지속적으로 입증되고 있으므로 우리나라도 제도적인 측면에서의 수용이 반드시 필요할 것으로 사료된다.
2) 수평차단막의 설치간격과 발화위치(Flue space VS Open space)를 실험인자로 축소모델 화재시험을 수행한 결과, Flue space 발화조건에서는 수평차단막의 설치간격을 밀접하게 또는 빈번하게 좁혀 설치할수록 약 30% 씩의 수직 화재확산 억제성능을 확인하였다. 특히, Flue space에서의 발화가 Open space에서의 발화에 비해 수직 화재확산이 매우 급속도록 일어나므로 Flue space에는 수평차단막의 설치가 반드시 필요할 것으로 사료된다.
3) 수평차단막을 경계로 상하부의 온도를 측정한 결과, 차단막이 설치된 경우가 그렇지 않은 경우에 비해 온도분포가 약 2∼4배 이상 높은 것으로 나타나 수평차단막의 설치가 In-Rack 스프링클러의 조기 작동에 도움을 줄 것으로 판단된다.
4) 랙크의 화재강도는 적재물품의 종류 및 적재밀도 등에 크게 의존하므로, 화재강도에 따른 적절한 소화설계를 산정하기 위해서는 실물 화재시험을 통한 조건별 DB 확보가 필수적이다. 하지만 본 연구에서 적용한 축소모델 화재 확산속도 산정법은 복합적인 소화설비 적용을 통한 화재확산 억제성능 확보 및 검증에 실물시험을 대신하여 활용될 수 있을 것으로 판단되며, 이는 시험에 소요되는 경비나 시간을 크게 절감할 수 있을 것으로 기대한다.
관측된 데이터를 토대로 회귀분석을 실시한 결과, M-D-B(1), M-D-B(2), M-D-B(×)는 각각 12.52e-5, 25.05e-5, 198.04e-5 m/s의 화재확산속도를 가지는 것으로 나타나 수평차단막의 설치간격(≒수량)을 밀접하게 또는 빈번하게 할수록 약 30%씩의 화염확산 저감효과가 발휘되는 것으로 판단된다.
현장답사 및 설문조사를 바탕으로 수행되었었던 기존연구를 분석한 결과,⁽³⁾ 국내에서 가장 많이 활용되고 있는 랙크 구조로는 Single 및 Double-row이며, 높이는 약 6 m이상 10 m 미만이다. 또한 조립식 철재 프레임으로 구성되어 있어, 적재되는 물품의 크기에 맞춰 랙크 내 층간 간격을 임의적으로 조절하여 사용되고 있다.

후속연구

이를 비춰볼 때, 수평차단막간의 간격을 다소 이격시키는 것이 화염확산을 저감하는데 유리할 수 있으며, 아울러 수평과 수직차단막을 동시에 적용해야할 필요성 또한 제기되어지는 바이다. 따라서 Open space 발화일 경우에 수평차단막의 효과를 확보하기 위해서는 가연물 표면을 타고 번져나가는 화염을 억제하기 위한 방안 즉, 수평차단막이 캔틸레버의 형태처럼 표면에서 바깥으로 돌출되어 있는 구조를 취해야 할 것으로 생각된다.
아울러 실물 표준랙크와 이를 1/3 스케일로 축소한 모델의 화재시험 결과 비교를 통해 실물 화재시험을 대신할 수 있는 축소모델 화재시험의 실효성을 검증하고자 한다. 본 연구에서 적용한 화재확산속도 산정법 및 축소모델 화재시험은 랙크 화재확산 저감을 위한 복합적인 소화설계 산정 및 검증에 경제적이면서도 효율적인 화재시험 방법으로서 유용하게 활용될 것으로 기대한다.
4) 랙크의 화재강도는 적재물품의 종류 및 적재밀도 등에 크게 의존하므로, 화재강도에 따른 적절한 소화설계를 산정하기 위해서는 실물 화재시험을 통한 조건별 DB 확보가 필수적이다. 하지만 본 연구에서 적용한 축소모델 화재 확산속도 산정법은 복합적인 소화설비 적용을 통한 화재확산 억제성능 확보 및 검증에 실물시험을 대신하여 활용될 수 있을 것으로 판단되며, 이는 시험에 소요되는 경비나 시간을 크게 절감할 수 있을 것으로 기대한다.
3) 수평차단막을 경계로 상하부의 온도를 측정한 결과, 차단막이 설치된 경우가 그렇지 않은 경우에 비해 온도분포가 약 2∼4배 이상 높은 것으로 나타나 수평차단막의 설치가 In-Rack 스프링클러의 조기 작동에 도움을 줄 것으로 판단된다. 하지만 차단막은 천장형 스프링클러에서 공급되는 소화수의 공급을 방해하는 부정적 측면도 존재하므로 추후, 소화수가 원활히 공급될 수 있는 구조적인 측면에서의 개선, 개발이 필요할 것으로 판단된다.
축소모델 화재시험에서 도출된 결과를 바탕으로 차원해석 상사인 식 (1)과 (2)를 통해 실물 화재시험의 결과로 변환하는 과정은 축소와 실물 상호 간의 완전한 전소까지의 시험결과를 바탕으로 이루어져야 하지만 본 실험을 수행하는 과정에서 화세의 위험이 매우 높았던 관계로 Free Burn 상태의 화재시험은 수행하지 못했다. 하지만 초기 화재단계에서의 화재성상이나 화재확산 속도, 열방출율 등을 비교해 볼 때, 시험시간 스케일이나 열방출율 스케일을 상사시키는 추가적인 시험을 지속한다면 축소모델 결과를 바탕으로 실물 화재시험의 추정이 가능할 것으로 판단된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	미국, 일본에서는 랙크식 창고의 화재발생에 대비하여 어떠한 노력을 하고있는가?	적재밀도가 높으며 수직적인 적재형태를 가지는 랙크식 창고는 화재발생 시 그 피해가 매우 심각하다. 이에 미국, 일본에서는 자국의 랙크식 창고 실정에 맞는 In-Rack 스프링클러 및 수평차단막 등을 적용하여 화재확산을 최소화하는데 노력하고 있으나 국내의 경우, 그와 관련한 연구 및 제도가 전무한 실정이다. 이에 본 연구에서는 발화위치 및 수평차단막 설치간격에 따른 화재특성 확인을 위해 국내 랙크식 창고 실정을 반영한 표준랙크를 대상으로 축소모델 화재시험을 수행하였다.
	랙크식 창고의 화재형태는 어떻게 구분할 수 있는가?	랙크의 화재형태는 시간별로 초기단계의 잠복(Incubation), 화염이 상부로 급속히 확산되는 발전(Take off), 화염이 수평으로 번져나가는 잠식(Eating in)으로 크게 3단계로 구분할 수 있다.(10) Figure 6은 축소모델 랙크의 화재성상을 시간별로 나타낸 것이다.
	Open frame 방식이란 무엇인가?	1) 국내 랙크식 창고의 현장조사 결과, Solid 선반 위로 물품을 개별적으로 적재하는 방식보다는 철재 프레임 위에 파렛트를 선반과 같이 활용하여 그 위로 적재하는 Open frame 방식이 대부분이었으며, 화재확산 억제를 목적으로 설치되는 차단막이나 그와 유사한 역할을 가지는 구조는 확인할 수 없었다. 하지만 국외의 다양한 연구사례들을 통해서 차단막의 효과가 지속적으로 입증되고 있으므로 우리나라도 제도적인 측면에서의 수용이 반드시 필요할 것으로 사료된다.

참고문헌 (10)

NFPA 13: Standard for the Installation of Sprinkler Systems (2013).
T. Hirano, G. Hashimoto, S. Sugawa, K. Hasegawa, T. Ryohei, S. Ijima and R. Shibayaki, "A Review Report of Fire Sprinkler System for a Rack Warehouse", Fire Research Station-010807 (1997).
G. H. Cho and I. H. Yeo, "Evaluation on Fire Spread Speed of Standard Rack in Korea for Performance based Fire Extinguishing System", Fire Science and Engineering, Vol. 30, No. 6, pp. 84-91 (2016).

원문보기 상세보기
FM Global-Property Loss Prevention Data Sheets 8-1, Commodity Classification (2014).
H. Ingason, "Model Scale Railcar Fire Tests", Fire Safety Journal, Vol. 42, No. 4, pp. 271-282 (2007).

상세보기
Y. Z. Li, B. Lei, and H. Ingason, "Study of Critical Velocity and Back Layering Length in Longitudinally Ventilated Tunnel Fires", Fire Safety Journal, Vol. 45, No. 6, pp. 361-370 (2010).

상세보기
H. Ingason, "In-rack Fire Plumes", Fire Safety Science, Vol. 5, pp. 333-344 (1997).
J. G. Quintiere, "Scaling Applications in Fire Research", Fire Safety Journal, Vol. 15, No. 1, pp. 3-29 (1989).

상세보기
N. J. Alvares, H. K. Hasegawa, K. Hout, A. C. Fernandez-Pello and J. White, "Analysis of a Run-away High Rack Storage Fire", Fire Safety Science, Vol. 4, pp. 1267-1278 (1994).
H. Ingason, "An Experimental Study of Rack Storage Fires", Brandforsk Project 602-971 SP Report 2001:19, SP Swedish National Testing and Research Institute (2001).

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