국내 복합영상관의 단일 가연물을 대상으로 실물 화재실험이 수행되었으며, 측정된 열발생률(HRR)에 대한 디자인 화재곡선 방법(General 및 2-stage methods)에 따른 최대 HRR 및 화재성장률에 대한 정량적 차이가 검토되었다. 가연물의 용도 및 화재하중의 관점에서 대기공간과 영화상영관으로 구분되어, 총 12개의 가연물이 선정되었다. 주요 결과로서, 2-stage method 통해 산출된 최대 HRR 및 화재성장률은 General method의 결과와 정량적으로 큰 차이가 있음을 확인하였다. 초기 화재단계의 보다 정확한 화재성장률을 고려할 수 있는 2-stage method의 활용은 정확한 ASET과 RSET 뿐만 아니라 화재감지기 및 소화설비의 작동시간을 보다 정확히 예측하는데 매우 유용할 것으로 기대된다.
국내 복합영상관의 단일 가연물을 대상으로 실물 화재실험이 수행되었으며, 측정된 열발생률(HRR)에 대한 디자인 화재곡선 방법(General 및 2-stage methods)에 따른 최대 HRR 및 화재성장률에 대한 정량적 차이가 검토되었다. 가연물의 용도 및 화재하중의 관점에서 대기공간과 영화상영관으로 구분되어, 총 12개의 가연물이 선정되었다. 주요 결과로서, 2-stage method 통해 산출된 최대 HRR 및 화재성장률은 General method의 결과와 정량적으로 큰 차이가 있음을 확인하였다. 초기 화재단계의 보다 정확한 화재성장률을 고려할 수 있는 2-stage method의 활용은 정확한 ASET과 RSET 뿐만 아니라 화재감지기 및 소화설비의 작동시간을 보다 정확히 예측하는데 매우 유용할 것으로 기대된다.
An actual fire test was performed on single combustibles placed in a local cinema complex, and quantitative differences in the maximum heat release rate (HRR) and fire growth rate were investigated based on the design fire curve methods (i.e., the general and 2-stage methods). In terms of combustibl...
An actual fire test was performed on single combustibles placed in a local cinema complex, and quantitative differences in the maximum heat release rate (HRR) and fire growth rate were investigated based on the design fire curve methods (i.e., the general and 2-stage methods). In terms of combustible use and fire load, a total of 12 combustibles were selected, classified into cinema lounge and movie theater. It was found that the maximum HRR and fire growth rate determined using the two-stage method were quantitatively different from those of the general method. The application of the two-stage method, which can be used to determine the fire growth rate of the initial fire stage more precisely, could be useful in accurately predicting the activation time of fire detectors and fire-extinguishing facilities, as well as the available safe egress time (ASET) and required safe egress time (RSET).
An actual fire test was performed on single combustibles placed in a local cinema complex, and quantitative differences in the maximum heat release rate (HRR) and fire growth rate were investigated based on the design fire curve methods (i.e., the general and 2-stage methods). In terms of combustible use and fire load, a total of 12 combustibles were selected, classified into cinema lounge and movie theater. It was found that the maximum HRR and fire growth rate determined using the two-stage method were quantitatively different from those of the general method. The application of the two-stage method, which can be used to determine the fire growth rate of the initial fire stage more precisely, could be useful in accurately predicting the activation time of fire detectors and fire-extinguishing facilities, as well as the available safe egress time (ASET) and required safe egress time (RSET).
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문제 정의
이러한 배경 하에, 본 연구에서는 국내 복합영상관의 단일 가연물을 대상으로 실물 화재실험이 수행되었으며, PBD의 화재시뮬레이션에서 요구되는 시간에 따른 HRR이 측정되었다. 이 결과를 활용하여 기존에 적용된 General method(7) 및 최근 제안된 2-stage method(9)의 화재성장이 고려된 디자인 화재곡선이 비교되었으며, 복합영상관 단일 가연물들의 화재성장률에 대한 정량적 차이가 검토되었다.
제안 방법
을 도시한 것이다. 우선 Figure 6(a)의 Chair LC를 통해 2-stage method를 이용한 디자인 화재곡선 도출방법을 단계적으로 살펴보자. 1) 측정된 HRR의 최대값(#)을 기준으로 70%에 해당되는 #를 구하고, 이 값과 만나는 실험 HRR 값의 최초의 시간을 t0.
복합영상관의 단일 가연물을 대상으로 Table에 제시된 바와 같이 대기공간과 영화상영관에 배치되어 있는 좌석, 카페트, 유아용 시트 및 스크린에 대한 실물화재 실험이 수행되었다. 점화 이후의 화염크기 및 확산 등을 포함한 가시 적인 화재거동을 확인하기 위하여, Figure 3은 대표적인 3개 가연물에 대한 실험사진을 화재성장단계에 따라 제시한 것이다.
2 m의 높이에 설치된 3 m × 3 m의 후드와 배기 덕트, 가스 포집장치, 집진설비 등으로 구성된다. 이때 화재실험에서 발생되는 O2, CO 및 CO2는 덕트 내부의 샘플링 포트를 통해 측정되며, 양방향 유속계 및 열전대를 통한 유속 및 온도가 각각 측정되었다. 또한 불완전 연소생성물의 정보를 고려하기 위하여 Soot 농도가 측정되었다.
Table 1에 제시된 바와 같이 가연물들의 초기 점화를 위하여, 대기공간과 영화상영관 좌석에 다른 점화 방식이 적용되었다. 즉, 대기공간의 좌석들은 하단에서 점화시키기 어려운 구조를 갖고 있기 때문에, 좌석의 상부면을 프로판 연료의 California state bulletin (CSB) 113 가스버너로 점화시켰다. 공급된 기체연료의 유량은 13 L/min이며, 완전연소를 가정했을 때 최대 열발생률은 약 20 kW에 해당된다.
대상 데이터
주요 가연물로서 Figure 2에 제시된 바와 같이 화재성장 및 높은 화재확산의 위험성을 갖는 각 공간에서의 좌석이 주요 가연물로 선정되었다. 대기공간의 가연물 (Figures 2(a)∼(e))로서 대기공간에서 쉽게 볼 수 있는 총 5개의 좌석이 선정되었으며, 등받이 유무에 따른 화재성상의 차이를 확인하기 위하여 동일 재질의 Chair LA와 LB 그리고 Chair LC와 LD가 동시에 고려되었다. 영화상영관 내부에서 쉽게 확인될 수 있는 좌석으로서 Figures 2(f)∼(g), 등받이 및 발받침의 각도를 조절할 수 있는 리클라이너 형태의 좌석(Figure 2(h))이 선정되었으며, 좌석과 카페트를 동시에 배치한 경우(Figure 2(i)), 유아용 시트(Figure 2(j)) 및 스크린(Figure 2(k))이 추가로 고려되었다.
국내 복합영상관의 단일 가연물을 대상으로 실물 화재 실험이 수행되었으며, 측정된 HRR에 대한 디자인 화재곡선 방법(General 및 2-stage methods)에 따른 최대 HRR 및 화재성장률에 대한 정량적 차이가 검토되었다. 복합영상관 주요 가연물의 선정은 가연물의 용도 및 화재하중의 관점에서 대기공간(Cinema lounge)과 영화상영관(Movie theater) 내부로 구분되었으며, 총 12가지의 가연물이 고려되었다. 주요 결과는 다음과 같다.
복합영상관의 주요 가연물 선정을 위하여, 가연물의 용도 및 화재하중의 관점에서 상영관 외부의 대기공간(Cinema lounge)과 영화상영관(Movie theater) 내부로 구분되었다. 주요 가연물로서 Figure 2에 제시된 바와 같이 화재성장 및 높은 화재확산의 위험성을 갖는 각 공간에서의 좌석이 주요 가연물로 선정되었다. 대기공간의 가연물 (Figures 2(a)∼(e))로서 대기공간에서 쉽게 볼 수 있는 총 5개의 좌석이 선정되었으며, 등받이 유무에 따른 화재성상의 차이를 확인하기 위하여 동일 재질의 Chair LA와 LB 그리고 Chair LC와 LD가 동시에 고려되었다.
공급된 기체연료의 유량은 13 L/min이며, 완전연소를 가정했을 때 최대 열발생률은 약 20 kW에 해당된다. 참고로 CSB 113 버너는 미국 캘리포니아주에서 가구 시험을 위한 점화용 버너로 적용되었다. 영화상영관 가연물들의 점화는 헵탄 50 mL가 적용된 0.
이론/모형
또한 불완전 연소생성물의 정보를 고려하기 위하여 Soot 농도가 측정되었다. 이들 측정치들은 산소소모법 원리(Oxygen consumption rate principle)(21)를 통해 최종 HRR의 산출에 활용되었다. 참고로 복합영상관의 주요가연물들은 룸코너 시험기의 ISO 9705 구획실 내부가 아닌 후드 하부에 설치된 단열보드 바닥면 중앙에 배치되어, 개방된 조건에서 가연물의 HRR이 측정되었다.
성능/효과
(2) 최대 HRR의 관점에서 대기공간 및 영화상영관 가연 물에 상관없이 2-stage method는 General method에 비해 평균적으로 87% 낮은 값을 제시하고 있다. General method에 의한 화재성장률(α)을 기준으로, 2-stage method에 의한 1차 화재성장률(αg, 1st)은 대기공간 및 영화상영관 가연물에 대하여 각각 1.
(3) 디자인 화재곡선 방법에 따른 화재성장률은 큰 차이는 화재감지기 및 소화설비의 작동시간에 직접적인 영향을 줄 수 있으며, ASET과 RSET의 예측 정확도에도 상당한 영향을 미칠 것으로 예상된다. 따라서 본 연구에서 검토된 2-stage method를 활용한 디자인 화재곡선 도출은 국내 PBD의 신뢰성 개선이 크게 기여할 수 있을 것으로 기대된다.
Figure 4는 복합영상관 단일 가연물에 대하여 산소소모법 원리를 통해 측정된 시간에 따른 HRR을 도시한 결과이다. 우선 대기공간의 가연물을 살펴보면(Figure 4(a)), Chair LA와 LC의 HRR이 가장 높으며, 최대 HRR은 약 540 kW와 440 kW로 각각 측정되었다. 반면에 Chair LB와 LD의 최대 HRR은 약 180 kW로 유사함을 볼 수 있다.
General method의 결과를 기준으로 2-stage method의 결과를 살펴보면, 대기공간의 화재성장률은 General method에 의한 α에 비해 상당히 크며, 영화상영관에서는 2단계의 화재성장이 뚜렷하게 표현됨을 볼 수 있다.
기준선(y = x)은 2 종류의 디자인 화재곡선을 통해 도출된 최대 열발생률이 동일함을 의미한다. 그림에서 대기공간 및 영화상영관 단일가연물들의 디자인 화재곡선 방법에 따른 차이를 살펴보면, 가연물의 종류에 상관없이 General method에 비해 2-stage method에 의해 산출된 최대 HRR이 평균적으로 0.87배의 결과를 확인할 수 있다.
동시에 최성기 이전의 화재성장률 역시 매우 큰 차이가 있음을 볼 수 있다. 마지막으로 스크린은 화염이 접촉하는 순간 용융이 발생되지만, 화염확산이 이루어지지 않아 거의 HRR이 거의 0에 가까움을 알 수 있다. 이는 스크린 원단의 주성분인 염화비닐(PVC)에 방염처리를 위한 유리섬유(Glass fiber)가 포함되었기 때문으로 판단된다.
복합영상관 가연물을 대상으로 시간에 따라 다양한 변곡점을 갖는 HRR을 단순화시키는 디자인 화재곡선의 적용 방법에 따른 최대 HRR과 화재성장률의 정량적 차이가 검토되었다. Figure 8은 측정된 최대 HRR(#)을 그대로 적용하고 있는 General method와 0.
Figure 10은 복합영상관의 대기공간 및 영화상영관에 배치된 단일 가연물들에 대한 평균적인 최대 HRR과 화재성장률을 적용하여 도출된 디자인 화재곡선을 도시한 것이다. 본 연구에서 검토된 2가지의 디자인 화재곡선 방법에 따른 차이를 검토하기 위하여, General 및 2-stage method의 결과가 동시에 도시되었다. PBD의 수행 시에 특정 가연물을 대상으로 하기보다는 공간적 특성을 고려한 디자인 화재 곡선이 적용되기 때문에, 복합영상관 공간별 가연물들의 평균값은 실용적 측면에서 유용할 것으로 판단된다.
반면에 Chair LB와 LD의 최대 HRR은 약 180 kW로 유사함을 볼 수 있다. 비록 최대 HRR은 좌석을 구성하는 가죽과 폼의 양, 종류 및 비율 등에 영향을 받지만, 수직 화재확산이 발생될 수 있는 좌석의 등받이 유무도 큰 영향을 주고 있음을 명확하게 확인할 수 있다. 또한 등받이가 존재할 때 화염면과 접촉이 가능한 가연물의 노출 표면적 증가 역시 높은 최대 HRR에 영향을준 것으로 판단된다.
29배)을 보이고 있다. 이 결과로부터 General method에 의한 디자인 화재곡선은 점화 이후 화재 성장단계를 매우 낮게 예측할 수 있으며, 화재감지기 및 소화설비의 작동시간에도 큰 영향을 줄 것으로 예상된다. 2-stage method에 의한 2차 화재성장률(αg, 2nd)을 살펴보면 (Figure 9(b)), 영화상영관 가연물들의 평균 αg, 2nd는 α의 약 1.
이러한 배경 하에, 본 연구에서는 국내 복합영상관의 단일 가연물을 대상으로 실물 화재실험이 수행되었으며, PBD의 화재시뮬레이션에서 요구되는 시간에 따른 HRR이 측정되었다. 이 결과를 활용하여 기존에 적용된 General method(7) 및 최근 제안된 2-stage method(9)의 화재성장이 고려된 디자인 화재곡선이 비교되었으며, 복합영상관 단일 가연물들의 화재성장률에 대한 정량적 차이가 검토되었다. 본 연구결과는 밀폐된 공간에 불특정 다수의 재실자로 인하여 높은 화재위험성을 갖는 복합영상관의 화재 위험성평가를 위한 화재시뮬레이션 예측결과의 신뢰성 개선에 기여할 수 있을 것으로 기대된다.
유아용시트의 경우에는 1개와 수직으로 배치된 10개의 실험결과를 비교해보면, 단일가연물의 최대 HRR은 약 50 kW이고, 복합가연물(10개)은 약 620 kW로서 12배의 차이를 보이고 있다. 이 두 가지 경우에 바닥면적을 제외한 화염과의 접촉이 가능한 노출 표면적의 비는 5.5에 해당되지만, 유아시트 10개의 실험에서 수직 화재확산의 영향으로 최대 HRR은 더욱 크게 증가 됨을 예측할 수 있다. 동시에 최성기 이전의 화재성장률 역시 매우 큰 차이가 있음을 볼 수 있다.
82% 범위 내에서 정확하게 예측함을 볼 수 있다. 이러한 결과는 2-stage method의 7 단계에서 언급되었듯이, tf의 미세변경을 통한 반복계산이 적절히 수행되었음을 의미하며, 본 연구에서 고려된 모든 단일 가연물의 2-stage 디자인 화재곡선이 적절히 도출되었음을 재확인할 수 있다.
후속연구
마지막으로 플라스틱 재질로 구성된 Chair LE는 가장 낮은 HRR 및 화재성장률을 가지며, 다른 좌석과는 크게 다른 화재성상을 보여주고 있다. 가연물의 용융을 통해 풀화재 거동을 보이는 열가소성 폴리머(Polymer) 계열의 플라스틱의 경우에는 노출된 고체 표면적보다는 오히려 질량에 의해 화재성상이 결정될 수 있다는 문헌결과(22) 를 고려할 때, 향후 추가적인 실험을 통해 복합영상관 가연물들의 화재성상 차이가 규명되어야 할 것이다. Figure 4(b)에 도시된 영화상영관의 가연물을 살펴보면, 노출 표면적이 가장 큰 리클라이너 형태의 Chair TC가 가장 높은 최대 HRR (약 1,300 kW)을 보이고 있다.
(3) 디자인 화재곡선 방법에 따른 화재성장률은 큰 차이는 화재감지기 및 소화설비의 작동시간에 직접적인 영향을 줄 수 있으며, ASET과 RSET의 예측 정확도에도 상당한 영향을 미칠 것으로 예상된다. 따라서 본 연구에서 검토된 2-stage method를 활용한 디자인 화재곡선 도출은 국내 PBD의 신뢰성 개선이 크게 기여할 수 있을 것으로 기대된다.
그러나 화재로 인한 총 발생열량을 동일하게 하며 최성기의 준 정상상태 조건을 부여함으로서, 화재의 열 및 화학적 특성을 적절히 예측할 수 있다는 선행연구를 통해 충분히 설명될 수 있을 것으로 판단된다. 마지막으로 본 연구에서 검토된 복합 영상관의 단일 가연물에 대한 2-stage 디자인 화재곡선 방법에 따른 분석 결과는 향후 실규모 실물화재실험의 다자인 화재곡선 제안에 유용한 정보로 활용될 것으로 기대된다.
이 결과를 활용하여 기존에 적용된 General method(7) 및 최근 제안된 2-stage method(9)의 화재성장이 고려된 디자인 화재곡선이 비교되었으며, 복합영상관 단일 가연물들의 화재성장률에 대한 정량적 차이가 검토되었다. 본 연구결과는 밀폐된 공간에 불특정 다수의 재실자로 인하여 높은 화재위험성을 갖는 복합영상관의 화재 위험성평가를 위한 화재시뮬레이션 예측결과의 신뢰성 개선에 기여할 수 있을 것으로 기대된다.
이러한 결과는 대기공간 가연물은 비교적 선형적으로 화재가 성장하는 반면에 영화상영관 가연물은 급격하게 성장하던 초기 화재에 비해 비교적 완만한 화재성장을 갖기 때문으로 판단된다. 위 결과로부터 2-stage method를 활용한 화재성장률의 구체화는 화재성장단계를 보다 정확히 구현할 수 있으며, 보다 정확한 ASET과 RSET의 예측 정확도 개선에 크게 유용할 것으로 기대된다.
그러나 최성기 단계에 도달하는 과정에 좌석 바닥면 주위의 카페트를 통해 화염의 수평 확산을 볼 수 있다. 이를 통해 바닥면의 카페트를 통해 영화상영관 좌석의 추가적인 화재확산이 충분히 가능함을 예상할 수 있으며, 추가로 카페트의 화재 시 발생되는 다량의 연기 및 유독가스의 발생이 ASET의 상당한 감소를 가져올 것으로 예상된다.
구체적으로 2016년과 2003년식의 경우 플라스틱의 질량비는 각각 27%와 18%이며, 폼 재질의 질량비는 10%와 7%의 차이를 갖는다. 즉, 이 2가지 가연물의 비교를 통해 생산연도에 따른 영화상영관 좌석의 대략적인 화재위험성 차이가 평가될 것으로 예상된다. 영화상영관의 Chair TC에 도시된 리클라이너(Recliner) 형태의 좌석은 가죽과 폼으로 구성되었다.
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