CHAPTER12. 가스계 소화설비의 안전성
12.1 가스소화약제의 위험성
- 심한 독성(Acute Toxicity)
- 심장 민감성(Cardiac Sensitiz)
- 분해 생성물(Decomposition Products)
- 산소 감소(Oxygen Depletion)
12.2 소화약제의 안전성 평가항목
12.2.1 독성(Acute Toxicity)
- 근사치사농도 ALC(Approximate Lethal Concentration)
치명적인 결과가 발생하기 시작할 수 있는 수준의 측정값
- LC₅₀(Lethal Concentration)
시험용 동물의 (시험에서 규정된 시간동안) 50%가 치사하는 농도
- 가스계 소화약제가 ALC보다 높은 농도로 사용된다면 시스템의 작동으로 인해 사람이 부상당하거나 사망할 위험성은 상당히 증가된다
- 사람이 사망할 수 있는 농도의 간접적인 평가기준이 되므로 독성은
(Toxicity) 우리가 고려할 첫 번째 위험 요소가 된다
12.2.2 심장 민감성(Cardiac Sensitiz)
- 할로겐화 소화약제가 관련되는 위험성 문제이다
일부 화학물질이 혈액 안으로 유입되면, 심장은 아드레날린에 민감한
반응을 보이게 되고, 아드레날린은 심장박동을 증가시킨다
- 공포나 심한 작업으로 인하여 아드레날린이 더욱더 증가되면, 심장은 더 심한 자극을 받게 되어 이 같은 과도한 자극은 심장마비를 유발시킬 수 있다
- 대다수 사람들은 평상시에는 심장 민감인자에 의한 영향을 받지 않을 수 있지만, 긴급한 상화에서는 영향을 받을 수도 있다
- 할로겐화 가스의 심장 민감도 영향은 NOAEL( No Observed Adverse
Effect Level), LOAEL(Lowest Observed Adverse Effect Level)로
표시된다
- LC₅₀과는 NOAEL이나 LOAEL과 사람의 위험성과는 직접적인 관계가
없으며, LOAEL 값을 초과하는 가스농도에 의한 노출이 바로 사망이나 부상자가 발생된다는 것을 의미하지만 않지만, 최악의 환경조건하에서는 틀림없이 좋지 않은 결과가 발생할 가능성이 있다
가스종류
LC₅₀[%]
시험동물
시간[분}
이산화탄소
8~9
쥐
5
Halon-1301
80
쥐
4시간
Halon-1211
24
쥐
15
Halon-2402
5.5
쥐
15
FM-200
80
쥐
4시간
FE-13
65
쥐
4시간
Triodide
27.4
쥐
15
NAFS-Ⅲ
64
쥐
4시간
12.2.3 분해 생성물(Decomposition Products)
- 분해 생성물도 할로겐화 가스 의 위험요소이다
분해 생성물의 종류 와 발생량은 소화가스를 형성하는 화학물질에 따라 좌우된다
- 화재를 화학적인 반응에서 소화하는 할로겐화 물질은 물리적인 방법
(냉각)에 의해 소화하는 다른 물질보다는 낮은 수치의 분해 생성물을
발생시킨다
- Halon-1301, 1301과 Triodide는 모두 기본적으로 연소과정의 화학반응 을 억제하고 화재를 소화하며 그 결과 효과적으로 화재를 소화하고
낮은 분해 생성물이 발생하게 된다. 분해 생성물으 농도는 단지, 다른 화학물질에 의해 발생된 수치의 상대적인 지표라는 것을 유의할 필요가 있으며, 실제적인 농도는 실의 체적에 따른 화재크기에 따라 달라질 수 있다
즉 작은 실내에서 커다란 화재가 발생했을 때 분해생성물의 발생량은
더욱 더 증가될 것 이다
- 분해 생성물은 매우 높은 독성을 가질 수 있으므로 분해 생성물의
위험성에 대한 세심한 주의가 필요하다
가스종류
LC₅₀[%]
시험동물
시간
Phosgene
0.034
쥐
30분
Hydrogen Chloride
0.3
쥐
1시간
Carbon Dioxide
9~12
사람
5분
12.2.4 산소 감소(Oxygen Depletion)
- 산소농도의 감소가 불활성가스의 대표적인 위험요소이다
- 공기 중의 보통 산소농도는 20% 이며, 산소농도가 9% 이하로 감소되면
일정시간 동안 사람이 생존할 수 있는 산소량이 부족한 상태이다
- 불활성가스 시스템은 일반적으로 약 10.5%의 산소농도를 유지하도록
설계되나, 경우에 따라서는 더 낮은 산소농도로 설계되는 경우도 있다
- 산소 감소의 효과는 천천히 발생되며, 8% 이하의 산소농도에서도 사람이 의식을 잃게 되는 시간은 수분이 걸릴 수 있다
12.3 위험성 평가
12.3.1 이산화탄소 소화설비
- 이산화탄소 소화설비는 모든 시스템에서 LC₅₀나 치사농도 (Lethal Concentration)을 초과하여 사용하므로, 장시간 계속되는 경우에는
우발적인 노출이 치명적이 될 수 있고, 최저 표준설계농도인 30%에서 5분 이상 노출은 대부분 치명적인 결과를 초래할 수 있다
아주 짧은 노출시간은 치명적인 사고가 되지 않으나 뇌에 산소공급을 감소시키는 결과로 뇌 손상을 유발할 수 있다
- 현재 소방관련 법규에서는 사람이 상주하는 장소에서는 이산화탄소 소화
설비 설치를 규제하고 있으며, 이산화탄소 소화설비 기동용 감지회로가 동작 시 30초 이내에 방호구획에서 피난하여야 한다
12.3.2 할로겐화합물 소화설비
- Halon-104 연소생성물 :
- Halon-1211의 심장 민감특성(The Cardiac Sensitizing nature)
12.4 결론
- 소화가스의 설계농도가 LC₅₀를 초과하거나 화재 진화 후 LC₅₀을 초과
하게 되면 독성 생성물 때문에 소화용 가스의사용은 사람에게 큰 위험 을 가져올 수 있다
- 이산화탄소가 모든 소화약제 중 가장 나쁜 안전기록을 가지고 있으므로, 특히 선박에 적용하는 경우 이산화탄소의 사용을 제한할 수 있는 규제 가 필요하다
이산화탄소 소화설비 시스템 설계시 피난방법과 피난시간에 대한 검토가 필요하고, 희생자를 줄이기 위해서 유지보수 중에 우발적인 시스템 방출 이 발생하지 않도록 세심한 주의가 필요하다
- 새로운 소화가스(HCFC계, HFC계 등)가 HF계와 그 외의 재합성물은 Halon-1211에서 발생한 분해가스량 보다 6~10배를 발생시킬수도 있다
제한된 공간 내에서 소화기를 사용하거나 큰 화재가 발생할 수 있는
공간 내 전역방출방식의 적용은 HCFC계와 HFC계 약제로 인하여 높은 위험지역이 될수 있다
12.5 가스계 소화약제의 안전성 평가 용어정의
12.5.1 NOAEL
- 농도를 증가시킬 때 아무런 악영향도 감지할 수 없는 최대농도(심장에 독성을 미치지 않는 최대농도)
- 인간의 심장에 영향을 주지 않는 최대농도로서 관찰이 불가는한 부작용 수준을 의미하며 총과 소방시스템의 경우 소화약제의 소화농도가 NOAEL 보다 낮은 것이 바람직하다
- 할로겐가스의 심장 민감도 영향은 NOAEL 과 LOAEL로 평가한다
(NFPA 2001기준은 작업자들이 항상 빠른 시간내에 탈출할 수 없다는 것을 깨닫고 NOAEL을 상주 공간내에 최대 사용농도로 인정한다)
12.5.2 LOAEL
- 농도를 감소시킬 때 악영향을 감지할 수 없는 최소농도 (심장에 독성이 미치는 최저농도)
- 미국환경청(US EPA)은 상주자가 빠른 시간 내에 밖으로 탈출할 수
있다면 상주공간에서는 LOAEL 농도 내에서 사용할 수 있도록 추천한다
12.5.3 LC₅₀ : 시험 동물의 반이 사망하는 농도
12.5.4 LC₁₀₀ : 시험 동물 모두가 사망하는 농도
12.5.5 ALC : 사망에 이르게 할 수 있는 최소농도
12.5.6 ODP : 오존파괴지수 : Ozone Depletion Potential
- 어떤 물질의 오존 파괴능력을 상대적으로 나타내는 자료
- CFC-11의 ODP를 1로 정하고
상대적으로 어떤 물질의 대기권에서의 수명, 물질의 단위 질량당 염소 나 브롬질량의 비, 활성염소 와 브롬의 오존 파괴능력을 고려하여 ODP 결정
ODP =
12.5.7 GWP : 지구온난화지수 : Global Warming Potential
- 할론소화약제는 분자내 C-Cl, C-F, C-Br의 결합이 파장 8~ 13㎛ 부근 의 자외선을 강력히 흡수하며, 대기 중에서 온실효과를 생성한다
CO₂,H₂O, O₂,CH₄,NO₂,CCl₄등 50여종 이상이 온실효과 물질이다
일정 무게의 이산화탄소(CO₂)가 대기 중에 방출되어 지구온난화에 기여 하는 정도를 1로 정하였을 때 같은 무게의 어떤 물질이 기여하는 정도 를 GWP라 한다
GWP =
12.5.8 ALT : 대기권 잔존지수 : Atmospheric Life Time
12.5.9 TLV : Threshold Limit Value
- 근로자가 하루 7~ 8시간 일주일 40시간을 작업장에서 노출되어도
작업장에 존재하는 유해한 가스, 증기, 분진으로부터 피해가 없다고
믿어져 허용할 수 있는 한계수지
- TLV-TWA : 시간가중평균농도
- TLV-STEL : 단시간노출허용농도
- TLV - C : 최고허용한계농도
12.5.10 LD₅₀ : 경구투입치사농도 : Lethal Dose
CHAPTER13. 성능기준화재안전설계
13.1 성능기준설계
13.1.1 정의
- 성능기준설계는 성능표준, 성능의 정도 혹은 성능목적 등으로 설명되는 성능의 명확한 성능수준을 충족하기 위한 공학적 해결의 방법이다
13.1.2 개념
- 근래의 화재분야에 있어서 가장 빈번히 논의되고 있는 것이 성능기준
화재안전설계와 이에 성능기준 소방안전규정(Performance Based Fire Safety Code)이다
- 종래 사양기준규정(Prescriptive Code) :
화재조사결과 및 결함을 통계로 경험과 조사에 기초가 된 규정
발생되었던 재난의 재발방지
- 최신 건축기술의 발전에 의해 설계되는 건축물 :
현행 소방관련법규 적용이 불가
- 성능기준설계( (Performance Based Desine)
화재과학분야의 발전 : 고효율성․ 저비용화 : 화재의 안전을 최대로 확보
- 이러한 배경에서 성능기준화재안전규정은 다음과 같은 목적을 가지고 있다
13.1.2.1 화재예방 또는 화재의 성장과 확산억제
- 가연물의 화재 특성 제어
- 적합한 방화구획 준비
- 화재의 진압준비
13.1.2.2 화재로부터 재실자 보호
- 비상사태에 대한 전달수단 확보
- 탈출 경로 확보 및 보호
- 필요한 피난 장소 제공
13.1.2.3 화재에 의한 영향 최소화
- 각 용도면적 구분 및 구획
- 건물구조 유지
- 공용시설의 연속적인 기능 유지
13.1.2.4 소방대의 진압작전 지원
- 화재위치에 대한 정보 제공
- 피난지역과 신뢰할 수 있는 통신수단 확보
- 소방대의 진입, 통제, 통신 및 수원확보 제공
13.1.2.5 성능기준의 이상적인 체계는 NKB(북유럽건설평의회)가 제안한
5레벨 시스템이며 각 레벨은 다음의 표와 같다
-레벨 1~ 3 : 법적으로 규제
- 레벨 4 : 성능요구에 대한 적합성 검정
- 레벨 5 : 공학적 계산법 과 시험방법으로 확인
LEVEL
모형의 예
1. 목적
- 인명안전, 재산보호
2. 기능요건
- 피난수단 확보, 연기로부터의 안전
3. 성능요구
- 연기층의 높이 제한
4. 검증수단
- 승인된 검증 수단 과 설계법
5. 검증방법
- 최신 연구성과, 기술개발 등이 포함된 공학적 기법
13.1.2.6 성능위주 화재안전설계
- 1단계 : 대상 혹은 설계조건의 규정
장소, 건축물, 시설, 공정, 건물의 특성에 대한 정확한 정보를 수집 특히 거주자 특성이 매우 중요함
- 2단계 : 성능의 기준이 포함된 화재안전의 목적, 목표를 규정
모두가 동의할 수 있는 것이며 일반적으로 원하지 않는 화재로
부터 인명보호, 재산의 보호, 환경의 보호를 생각할 수 있음
- 3단계 : 성능기준의 목포 선택
계산하거나 측정할 수 있는 방식으로 제시된 성능기준에서 화재
안전의 목적에 부합된 것을 선택
- 4단계 : 화재의 설계와 화재 시나리오의 구성 및 결정
상위단계에서 정보를 바탕으로 화재 시나리오를 구성
화재이전의 조건, 점화원, 재실자의 조건, 화재에 중요한 요소,
화재확산 시 위험대상물 선정 및 손실 예방 대상 결정
- 5단계 : 가능한 방화 설계안의 선택
규정에서 서술된 요구조건을 포함한 대처할 수 있는 설계의 대안 의 비교 분석 및 선택
- 6단계 : 선택된 설계안의 평가와 최종 설계방안 선택
설계의 목적과 성능 조건에 따라 설계대안을 평가하고 최종 선택 설계를 결정, 평가방법은 다양한 화재 공학적 기법을 동원
화재/ 피난 시뮬레이션, 예측공식 등을 동원하여 분석하고 평가
하여 설계의 대안을 검증
- 7단계 : 최종설계안 선정 및 문서작성
위에서 검증된 방안에 대하여 분석과 평가가 포함된 시설 및 설비 의 명세서를 작성 ( 관련 공공기관이나 의뢰자가 요구하는 양식에 맞추어 작성)
- 성능기준 안전설계를 완성하기 위하여
1에서 5단계까지는 법규나 규정(Regulation, Code, Standard), 그리고 공학적인 지침이나 실습 매뉴얼 등에 의해서 명확하게 서술되어 있다
6에서 7단계는 명확한 문제의 해결방법을 제시해야 한다
평가를 위해서는 화재에 대한 전문가가 필요하며, 이에 대한 연구는
계속적으로 진행되고 있다
7단계는 최종 선택안을 선정하고 이를 문서로 작성하는 부분이다
13.1.2.6
-시간추정형 :
발화에서 확대를 거쳐 최종적인 진화까지의 현상을 시시각각으로 추적 하는 것을 목표로 하므로 설계방법 보다는 오히려 물리현상과 인간
행동 예측해석법이라 보아야 한다.
드래프트의 내용을 보면, 설계조건의 부여방법이나 허용기준 등이 애매 하여 그것만으로 설계방법이 자립하는 것은 아니다 또한 현재의 지식 으로는 합리적인 근거로 예측할 수 없는 것도 예측할 수 있다
예를 들면 화재감지시간, 피난행동시간, 유리나 칸막이벽 등 비내화등급 부재의 파손시간은 합리적 근거의 계산법이 없어 설계방법으로 어떻게 성립하는 가는 앞으로의 전개 여하에 따른다.
- 기능요건 분해형
화재안전상 고려해야 할 각각의 기능요건에 대해 포준적인 화원(설계
화원)을 설정하여 각종 공학적 계산으로 그 결과가 허용치를 넘지 않는
다는 것을 확인하는 방법이다
기능요건마다 검증하는 시스템으로 영국규격(BS)과 같은 시간 추적형
계산 없이도 안전측면의 근사치를 도입하여 간편한 도구로 검증할 수
있다.
기능요건을 만족시킬 것이 확실한 항목은 검토 생략도 가능하여 시간
추적형 방법과 비교하면 확실히 건축설계의 실무에 가깝다
13.1.3 성능기준 화재안전설계의 필요성
- 성능기준 화재안전규정 체제의 도입이 세계적인 경향이라는 것은 현재
각국의 도입실태와 이에 관한 준비상황 등을 보며 쉽게 이해할 수 있다. 현재 영국, 스웨덴, 미국, 뉴질랜드, 호주, 캐나다, 일본, 등이 이미 도입 하여 실행중이거나 도입을 준비 중이며 중남미, 아시아, 유럽의 많은
국가들이 큰 관심을 나타내고 있다.
이들 국가들은 이 분야에 대하여 1980년대부터 많은 연구를 활발히 진행 하여 오늘에 이르고 있다. 이러한 배경에는 성능기준 화재안전설계가
적용될 수 있는 법규체제를 통하여 화재안전의 극대화, 경제성 확보,
건축물 설계의 자유도 등의 효과적으로 구현할 수 있기 때문이다.
이는 앞서 설명한 것과 같이 화재의 현상과 인명의 피난에 대한 예측
기술이 근래에 들어 급격히 발전하였으며, 화재 진압설비의 설계기술과
작동 및 진압능력 예측기술의 발전을 바탕으로 하고 있다. 즉 화재안전
공학의 발전을 바탕으로 하고 있다는 의미가 된다.
해마다 증가하고 있는 화재에 의한 국가적 손실의 감소 유도, 국내 소방 분야의 기술적 발전, 그리고 점진적인 국내 시장의 개방과 세계화가
되어 가고 있는 산업환경에서 국내 소방산업의 국제적 경쟁력의 향상을 위하여 국내에서도 성능기준 화재안전규정의 도입에 많은 관심을 가져 야 할 필요가 있다.
13.1.4 성능기준 화재안전설계의 장점
13.1.4.1 건축비용 절감
- 화재성상에 대해 정확하게 예측하고 이에 대한 대책을 세우는 것은 소방 시설의 효율화뿐 아니라 과도한 시설을 막아 비용을 절감할 수 있다.
소방시설에 투자되는 비용을 줄이면서도 최적의 소방시설을 구현할 수 있다는 것이다.
13.1.4.2 설계의 유연성
- 기존 법규로는 해결할 수 없는 공간에 대한 객관적인 소방안전성을 평가 할 수 있다.
또한 성능기준설계(PBD)는 방호대상물에서 일어날 수 있는 화재를 분석 하고 이에 대한 구체적 방화설계를 구현한다.
13.1.4.3 화재위험에 대해 구체적으로 대처할 수 있다.
- 화재 안전목표를 분명하게 기술하고 원하는 수준의 안전과 위험에 대해 분명히 정의한다.
13.1.4.4 법 규정에 유연성 부여할 수 있다.
- 일본과 국내에서 시도되었던 아트리움 공간의 방화구획에 대한 문제처럼 종전의 사양중심 법 규정에서 인정하기 힘든 다양한 문제를 공학적인
방법을 통하여 해결할 수 있다는 것이다.
현재 국내에서도 「중앙소방안전기술연구위원회」가 활동하고 있어
이러한 부분을 어느 정도 보완해주고 있긴 하지만, 법 규정에서 좀 더
유연한 태도를 가질 필요가 있다.
13.1.4.5 화재안전의 극대화를 가져온다.
- 성능위주 방화설계의 가장 중요한 점은 화재의 성상을 정확히 예측하고 이에 대한 대비책을 수립할 수 있다는 것이다. 이는 화재에 대한 소방 시설의 조기발견 및 진화를 가능하게 하여 인명과 재산의 보호를 좀 더 효과적으로 할 수 있다는 것이다.
13.1.4.6 고급 소방 전문가의 양성 및 소방분의 발전을 가져온다.
- 성능위주의 방화설계가 시행되기 위해서는 고급 소방전문가들이 필요
하다.
이들은 화재역학(Fire Dynamics)에 대한 기본적인 이해와 지식을
물론 화재 시뮬레이션과 피난 시뮬레이션도 직접 시행할 수 있는 능력 을 갖추어야 하며,
이에 대한 전문가적 판단을 오류 없이 내릴 수 있어야 한다.
이러한 전문가를 양성하기 위해서는 우선 소방이라는 학문에 대한 체제 가 정립되어야 하며 고급전문가를 양성할 수 있는 교육기관과 학문적인 연구를 담당할 수 있는 연구소들의 설립이 필요하다. 이러한 인프라 (infia)가 구축되면 소방분야는 매우 빠르게 성장할 수 있을 것이다.
13.1.4.7 설계뿐 아니라 소방설비 시스템에도 사용이 가능하다
13.1.5 선결과제
- 성능기준 화재안전설계를 성공적으로 수행하기 위해서는 먼저 다음의
선결 조건이 만족되어야 한다.
13.1.5.1 통일된 PBD 설계지침서의 확립
- 정부의 해당 부처는 PBD가 올바로 수행되고 평가되기 위한 표준 PBD 절차서를 작성하여 배포한 후 일정기간동안 각 계의 의견을 수렴하여 이를 작성하여야 한다.
13.1.5.2 교육훈련
- 새로운 설계 개념인 PBD를 정확하게 이해시키고 수행해 내기 위해서는 PBD 설계에 관여되는 인원에 대한 교육 및 훈련이 필요하다.
◦ 설계자
◦ 인․ 허가자
◦ 시공자, 안전관리자
◦ 기타연관자
13.1.5.3 화재 Simulation에 관한 연구
- 화재 Simulation에 대한 부분은 성능기준설계(PBD)의 핵심기술이
되므로 기존 프로그램에 대한 평가 연구와 함께 새로운 프로그램의
연구개발에 많은 관심을 기울여야 할 것이다.
13.1.5.4 Data Base의 구축 : 구축되어야 할 Data Base의 종류
- 연소실험 자료
- 화재안전설비 고장률 자료
- 화재발생확률 자료
- 건축자재 열특성 자료
13.2 화재 모델링
13.2.1 화재모델의 분류
13.2.1.1 Zone모델
- 구획 공간 내부에서의 화재 확산의 영향성을 예측하는 컴퓨터 프로그램 이다.
- Zone Model은 단일 공간이나 사무실을 포함하는 건물에 적용할 수
있도록 개발된다.
- 하나의 실을 물리, 화학적으로 동일한 성격을 가진 Zone으로 크게 구분 하고, 이들 Zone간에 보존방정식(질량, 에너지 및 운동)을 적용하여 화재현상을 해석하다. 통상 두 개의 Zone 즉 고온의 상부 연기층(Hot upper smoke layer)과 저온의 하부 공기층(Lower layer of cooler air)으로 구분한다
- 대체로 폐쇄공간(enclosed volume)내에서의 화재성장에 따른 영향을
예측하는데 활용한다.
13.2.1.2 Field 모델
- Field Model은 Zone Model처럼 단일공간 또는 다수실에서의 화재확산 을 예측하며 대상공간을 2개의 Zone이 아닌 다수의 제어체적(Control
Volume, cube)으로 구분하고 각 제어체적 내에서 보존방정식을 적용
하여 CFD(Computational Field Dynamics)기술을 이용, 화재현상을
해석한다.
- Field Model은 Zone Model이 화재현상을 정확하게 묘사하지 못하는
더욱 복잡한 현상에도 적용할 수 있다.
- 상세한 입력정보 필요
- 화재를 Modelling 하는데 더 많은 계산 자원을 필요로 함.
- 원하는 결과를 얻는데 많은 시간이 소요됨.
- Field Model은 옥외 대형 연료탱크 화재와 같은 외부시설물에 대해서도 사용할 수 있다.
13.2.1.3 감지모델 (Detecter Response Model)
- 주로 열감지기, 스프링클러 및 연기감지기의 반응시간을 계산하는 모델
이다.
- 일반적으로 연기와 열의 유동을 계산하기 위하여 Zone Model 방법을
적용하지만 감열부의 반응 결정하는 서브모델(Sub Model)을 포함한다.
- 입력변수로 RTI, 작동온도, 설치위치, 열방출 비율이 요구되나 보다 정교 한 감지 모델에서는 공간특성과 마감재료 등을 입력변수로 요구한다.
13.2.1.4 피난모델 (Egress Model)
- 피난모델은 건물내부의 거주자가 피난에 소요되는 시간을 예측한다.
- 많은 피난모델이 죤모델과 연계되어 화재 시 공간의 체류 불가능한 시간 을 예측하도록 하고 있으나 피난만을 고려하는 것도 있다.
- 피난 모델은 성능기준설계를 통한 법규상의 대안을 제시하거나 피난 시 정체되는 공간을 검토하는데 사용된다.
13.2.1.5 내화모델 (Fire Endurance Model)
- 내화모델은 화재에 노출된 건축부재의 성상을 예측한다.
- Zone Model 또는 Field Model에 연계되는 경우도 있으며 개념적으로 필드모델과 동일한 해석을 수행한다.
- 건축부재는 작은 체적으로 분활되어 고체에서의 열전달과 기계적 거동을 해석하고 최종적인 붕괴시점을 계산한다.
13.2.2 모델 사용시 고려할 사항
13.2.2.1 건축공간특성
13.2.2.2 입면설정
13.2.2.3 마감재
13.2.2.4 개구부
13.2.2.5 화재특성
- 가연물의 종류 : 독성부분이나 연기량에 대한 예측신뢰도가 저하될 수 있다.
- 화원의 위치 : 평면상 위치 / 수직상 위치
- 가연물의 양 : 화재시속시간(Fire duration tome)
- 화원의 면적 : 화염의 크기와 유입공기량을 결정한다.
13.2.2.6 소화/감지
- 스프링클러와 열감지기의 경우는 작동온도와 RTI값에 대하여, 연기
감지기는 작동 기준값에 대하여 적절히 선택해야 한다.
13.2.2.7 HVAC - System
- HVAC-System에 의한 공기 유동은 연기를 건물 전체로 확산시킬 수
있다. 발화시에 모든 system이 정지되는지 또는 스프링클러나 감지기 작동시점에서 정지되는지 또는 계속 작동하는지 등을 Scenario 상에서 결정해야 한다.
13.2.3 Field Modeling방법
13.2.3.1 시나리오 결정
- 화재 Modeling에서 입력자료의 첫 단계는 공간의 용도와 가연물을 결정 하는 것 이다. 어떤 가연물이 연소할 것인가? 가연물의 위치는 어디
인가? 발화 가능성 등을 결정하고 이러한 분석과정이 반영된 화재
시나리오를 설정해야 한다.
- Fire Modeling 목적에 부합하게 다음 사항을 고려하여 시나리오를 구성 하되, 핵심 리스크가 포함되도록 시나리오 범위를 고려하여야 한다.
- 화재 개시장소
- 포함된 물질
- 문 및 창문 등의 개방 또는 폐쇄상태
- 재실자 위치
- 방재실 존재여부
- 건물의 구조 및 재료 등
13.2.3.2 데이터 입력
-일단 화재 시나리오가 결정되면 다음 자료를 입력한다.
- 실의 크기
- 문 및 창문의 위치 및 크기
- 천장, 박닥 및 벽의 재질
- 발화지점
- 열방출량
- 연소 생성물량
- 입력 자료가 부정확하면 결과 또한 부정확하므로 입력 시 세심한 주의를 기울이는 것이 필요하다.
13.2.3.3 프로그램 실행
- 자료 입력이 되었으면, Fire Model를 실행시켜 계산을 수행한다.
13.2.3.4 결과분석
- 모델링 과정에는 많은 불확실성이 포함되어 있으므로 화재모델에서 예측 한 것이 어떤 특별한 정확성을 가지고 있다고 가정해서는 안 되며 기존 유사 모델링 결과, 경험치 또는 실험결과(Hot Smoke Test)등과 비교를 통해 결과의 신뢰성을 확인할 필요가 있다.
- 또한 입력 조건의 변경을 통한 변이를 확인하는 Sensitivity분석을 통해 모델링 결과에 영향을 주는 Key factor를 파악하고 이를 방호 시스템에 반영하여야 한다.
13.2.4 모델링결과의 해석 및 평가기준
- 성능위주 소방설계의 핵심은 시뮬레이션(Simulation)에 의한 화재 위험성 평가 및 예측에 있다 하겠다. 따라서 정확한 화재위험성평가 및 예측을 위해서는 프로젝트에 목적에 맞는 성능기준(Performance Criteria)
설정이 매우 중요하다.
13.2.4.1 거주자 인명안전 성능기준
- 거주자 인명안전 성능기준은 세 가지 종류로 나눌 수 있다. 열적 영향
(Thermal Effect), 독성(Toxicity) 그리고 시계(Visibility)이다.
13.2.4.1.1 열적영향
- 화재발생 시 공기온도의 상승은 크게 대류와 복사를 통하여 이루어지게 된다. 이 중 대류에 의한 공기온도의 상승은 거주자가 정상적인 호흡을 하는데 어려움을 주며 더운 가스층과 화원으로부터의 복사열은 직접적 인 피부의 화상이나 화상을 통한 정신적인 쇼크 등을 일으킨다.
표 13-2에서 살펴보면 복사에 의한 기준은 2.0~2.5 KW/㎡의 범위를
가지고 있고 바닥으로부터 반사되는 복사의 기분으로는 10 KW/㎡의
성능기준을 갖추고 있다.
또한 호흡하는 공기온도의 기준으로 65~220℃, 상층부 연기층 온도로 80~220℃의 범위를 가지고 있음을 알 수 있다.
표 13-2 열에 의한 거주자 인명 안전 성능기준
국 가
성능기준
비 고
미 국
복사열 : 25KW/㎡ 미만
거주자가 호흡불능 조건 가정
- 100℃의 습한 공기
- 220℃의 건조한 공기
Perkin실험
Babrauskas 제안
상층부온도 : 80℃ 미만
바닥에 반사되는 복사열 : 10 KW/㎡ 미만
-
캐나다
공기온도 : 65~190℃
복사열 : 2.5 KW/㎡ 미만
상층부 온도 : 183~200℃
NRC(National Research
Council of Canada) 제안
스웨덴
복사열
1) 최대 10KW/㎡에서 나오는 단기 복사열
2) 1KW/㎡의 복사에서 나오는 에너지에 더해지는 최대 60KJ/㎡ 복사에너지
공기온도 : 80℃ 미만
Swedish Building Regulation
호 주
연기층온도
1) 연기층 높이 > 2.1m 일때
- 200℃ 미만
- 복사열 : 2.5KW/㎡ 미만
2) 연기층 높이 < 2.1m 일때
- 100℃ 미만
Australian Fire Engineering Guideline(FCRC, 1996)
일 본
복사열 : 2.0KW/㎡ 미만
연기층 온도 = 140 +주위온도 미만
(Mall과 같은 대공간일 경우)
-
뉴질
랜드
상층부온도 : 200℃ 미만
(Mall과 같은 대공간일 경우)
Fire Engineering Design Guide
13.2.4.1.2 시계
-시계에 대한 영향은 화재발생 시 발생되는 연기와 더불어 시계가 확보
되지 않아 발생하는 심리적인 문제까지 고려해야 한다. 시계에 대한
거주자 인명안전 성능기준은 가시거리와 연기층 높이로 인한 시야확보 의 문제로 나누어 질 수 있다.
가시거리의 경우 일반적인 공간일 경우 2~4m의 범위를 보여주고
있으며, Mall과 같은 대공간일 경우에는 최소 10m 이상의 기준을 보여 주고 있다.
한편 연기층 높이 측면에서는 일반적인 방의 높이를 3m로 가정해 볼 때 최고 1.9m 이상의 높이를 기준으로 삼고 있음을 알 수 있다.
표13-3 시계에 의한 거주자 인명안전 성능기준
국 가
성능기준
비 고
미 국
1) 거주공간의 경우
OD/m = 0.5 (2m 이상)
2) Mall 같은 대공간의 경우
OD/m = 0.08 (12.5m 이상)
여기서, OD : Optical Density
1) Babrauskas 제안
2) Rashbash 제안
가시거리 : 4m 이상
-
캐나다
일반적인 실 : 2~3m
그 외의 실 : 10m 이상
NRC(National Research
Council of Canada) 제안
스웨덴
연기층 높이 : 1.6 +(0.1H)m 이상
여기서, H= 방 높이
Swedish Building Regulation
호 주
연기층 높이 > 2.1m 일때
OD/m < 0.1 (10m 이상)
(Mall과 같은 대공간일 경우)
Australian Fire Engineering Guideline(FCRC, 1996)
일 본
연기층 높이 : 1.6 +(0.1H)m 이상
여기서, H= 방 높이
-
뉴질
랜드
연기층 높이 : 2m 이상
Fire Engineering Design Guide
13.2.4.1.3 독성
- 독성에 의한 성능기준은 미소당량복용량(Fractional Equivalent Dose)을 기준으로 하며 그 양은 사명 혹은 질식을 일으키는 수치를 표현한다.
표 13-4에서 알 수 있듯이 CO의 경우, COHb(Carboxyhemoglobin)의 수치가 30~40%, 즉 CO와 결합한 헤모글로빈의 양이 전체 헤모글로빈 의 30~40% 가량 차지하는 경우를 기준으로 삼고 있다. 이산화탄소
(CO₂)의 경우에는 5~6% 이하, 시안화수소(HCN)의 경우에는 80ppm 이하를 거주자 인명안전 성능기준으로 삼는다. 또한 산소(O₂)의 함유량 은 최소 10~15% 이상을 기준으로 하고 있다.
표 13-4 독성에 의한 거주자 인명안전 성능기준
국 가
성능기준
비고
미 국
의식불명 : 35% COHb
CO 30min < 1400ppm
CO30min < 1400ppm
HCN < 80ppm
O₂ > 12%
CO₂ < 5%
COHb < 30~40%
HCN < 80ppm
O₂ > 12%
CO₂ < 5%
Stwart 식
Kimmerle dose
캐나다
CO < 1400ppm
HCN < 80ppm
O₂ > 10~15%
CO₂ < 5~6%
NRC(National Research
Council of Canada) 제안
- 앞서 거주자 인명안전 성능기준을 상세히 나라별로 알아보았으나, 일반적 으로 많이 사용되고 있는 거주자 인명안전 성능기준의 평균값을 기술
하면 아래와 같다.
- 연기층의 온도(Temperature) : 60℃ (Purser)
- 가시거리(Visibility) : 2m, 연기광학농도 : 0.5m -1
- 연기 하강심도(Depth) : 머리 위 1m
- 복사열(Radiation) : 2.5KW/㎡ 이하 (Upper layer 200℃ 정도)
- 유해성(Toxicity) : Incapacitation 30min을 기준으로 한다. (Purse)
- CO < 1,400ppm - HCN < 80ppm
- O₂ > 12% -CO₂ < 5%
13.2.4.2 소방관 인명안전 성능기준
- 소방관의 인명안전 측면에서 추가적으로 고려되는 것이 건축물 붕괴
발생여부이다. 소방관들이 화재가 성장하여 여 열악한 환경, 즉 거주가 불가능한 상황에서 진화작업을 수행하여야 하므로 위에 언급한 내용
들은 적용되지 않는다. 여기서 고려되는 것이 건축물 구조 붕괴이다.
건축물 구조 붕괴(Structural Failure)에 대한 성능기준은 표에서와 같이 철골구조에서 구조물 온도가 538℃ 이상으로 상승하지 않아야 한다.
이는 내화재료나 단열재의 열용량(Heat Capacity)을 고려하지 않은 기준
이다.
표13-5 구조붕괴에 의한 소방관 인명안전 성능기준
국 가
성능기준
비 고
미국 & 캐나다
철골구조 경우 :
Ts < 538℃
Ts : 철의 온도 Tf : 화재 온도
Ki : 열전도율 D : 깊이
C sh : 열용량 W : 넓이
ASTM E-119기준
13.2.4.3 재산보호 성능기준
- 재산보호 성능기준에서는 화재의 전파와 연기의 전파가 고려된다.
13.2.4.3.1 화재전파
- 화재전파는 거주공간 내에서의 화재전파와 거주공간 밖에서 일어난 화재 의 전파 이렇게 두 가지의 경우를 나눠서 고려한다. 표 13-6을 보면
거주공간 내에서의 화재전파는 상층부 온도기준으로 500~600℃의 범위 를, 거주공간 밖에서 일어난 화재로부터의 전파는 325℃를 성능기준
으로 잡고 있다. 또한 바닥으로부터 반사되는 복사열이 10~20KW/㎡
범위에 있다.
표 13-6 화재전파 영향에 의한 재산보호 성능기준
국 가
성능기준
비 고
미 국
1) 거주공간에서의 화재전파 :
상층부온도 < 577℃
2) 거주공간 밖에서 일어난 화재로
부터 전파 : 325℃
1)Thomas Flashover식
2)325℃의 온도는 대부분의 유기고체가 열분해 하는
평균 온도
거주공간에서의 화재 전파 :
상층부 온도 < 500~600℃
바닥에 반사되는 복사열 :
10~20KW/㎡ 미만
Thomas Flashover 식
거주공간에서의 화재 전파 :
상층부 온도 < 600℃
바닥에 반사되는 복사열 :
20KW/㎡ alaks
Thomas Flashover 식
캐나다
거주공간에서의 화재전파 :
상층부 온도 < 600℃
바닥에 반사되는 복사열 : 20KW/㎡
NRC(National Research Council of Canada)제안
13.2.4.3.2 연기전파
- 재산보호 측면에서 연기의 영향은 인명기준과 달리 그 물질의 연기에
민감성과 연기의 종류와 양에 따라 다르게 나타난다. 따라서 연기에
의한 직접적인 영향을 평가하는 것보다 주변공간의 온도 변화에 의한 연기전파의 여부로 판단하게 된다. 연기전파 여부의 기준으로 주변온도 보다 20℃ 이상 올라갈 때를 성능기준으로 삼고 있다.
국 가
성능기준
미 국
한지역의 온도가 주변온도보다 20℃ 이상 올라갈 때
이와 같은 성능기준은 소방선진국들이 사용하고 있는 하나의 참고자료 로서 성능기준에 대한 가이드이며 모든 경우를 만족하는 절대적인
기준이 될 수 없다.
예를 들어 열에 의한 영향의 경우 거주자가 호흡할 수 있는 최대온도
성능기준은 220℃인데 반해 상층부 최대 온도를 200℃로 잡는 것은
문제점이 있어 보인다.
이는 각 프로젝트의 목적이나 설계에 따라 변경 되어 질 수 있음을
보여주는 것이다. 앞서 선진국들의 연구된 것을 바탕으로 우리나라 역시 성능위주의 소방 설계의 시행에 앞서 우리 자체의 성능기준이 제시
되어야 할 것이다.
13.2.5 Field Model 활용분야
- 건물의 화재 안전성을 검증하는데 활용
- 방재시스템 설계 조건을 변경하여 반복 시뮬레이션을 실시함으로써 보다 효율성이 높은 방재시스템을 설계 및 채택할 수 있다.
- 또한 화재 시뮬레이션 결과를 감안하여 유사시 효과적으로 대응할 수
있도록 방재계획을 수립할 수 있고,
- 건축물의 구조, 내장재 및 수용품에 대한 설계, 배치 등에 사용
- 화재사고조사 및 원인 규명에도 활용할 수 있는 등 화재 시뮬레이션의 활용분야는 광범위하다
13.2.6 건물 화재 시뮬레이션 권장 Model
- Zone Model : CFAST
- Field Model : JASMINE, FDS
- Egress Model : Building EXODUS
13.3 성능위주 화재모델의 불확실성 고찰
13.3.1 서론
- 화재로부터 위험성 평가는 화재위험으로 발생되는 인명과 재산손실 등의 결과확률을 계산하는 것으로 구성된다. 화재공학 기술자들은 항상 화재 물리, 화학 그리고 독성에 의해서 성능위주분석 ( PBA ; Performance
-based Analysis )을 정의해 왔다.
성능설계분석에서는 많은 변수들이 포함되고 있다. 즉 화재의 성장기,
감지, 억제공정에서 생성되는 각각의 변수뿐만 아니라, 각각의 변수들 간에서도 상관관계가 있다. 여러 매개변수에 따라 화재특성에 의한 결과 (인명피해나 재산 피해)를 예측할 수 있다.
화재 시나리오(scenario)에 관련되는 대표적 매개변수(parameter)로는 1)화재지연특성, 2)열방출률, 3)연소생성물의 특성, 4)Flashover 등이 있으며,
출화기에 관련된 매개변수로는 1)방화설비의 특성, 2)점화원, 3)연료의
특성 및 조건, 4)환기조건, 5)입주자의 특성 및 위치, 6)구조물 과 기타
장비의 조건 등이 있다.
화재위험요인을 크게 나누면 1)방화관리, 2) 내장재와 가연물, 3)방화구획, 4)스프링클러 등의 소화설비 등이 있다.
이러한 인자들을 통해 공학적인 성능설계분석과 결과에 영향을 미치는
인자는 1)수학적 모델의 입력 매개변수, 2) 수학모델의 정확도, 3)결정
하는 기술자의 능력이라 할 수 있다. 즉 변수들의 부정확한 사용으로
인하여 모델의 불확실성은 더욱 증가하게 되고 이러한 증가로 인해 잘못 된 성능설계는 신뢰도를 떨어뜨려 대형사고로 전이된다. 따라서 사용모델 의 정확한 이해와 사용변수의 정확한 적용이 반드시 필요하다.
13.3.2 위험성의 불확실성
- 위험을 평가하는데 있어 또 하나의 중요한 고려 대상은 위험의 불확실성 에 대한 것이다. 위험의 불확실성은 시나리오의 작성과정에서 사용될 수 있는 작성과정, 위험의 크기를 구할 때 쓰이는 컴퓨터 시뮬레이션
프로그램의 제한사항, 화재발생 시 대처하는 사람들의 행동 등 불확실성 으로부터 위험의 결과 값의 불확실성으로 이어진다. 불확실성에 대한
고려방안은 화재공학 기술자들의 설계과정을 도와줄 수 있고, 성능 위주 설계의 수용 신뢰도를 높일 수 있다.
13.3.2.1 불확실성의 인자
13.3.2.1.1 모델 불확실성
- 모델의 적정성
- 불확실성이 수학적, 계수적으로 표현되는지의 여부
- 모델이 어떤 범위에서 유용하다면 그 밖의 범위에서는 사용되는지 여부
13.3.2.1.2 자료 불확실성
- 자료의 불충분 혹은 한쪽 방면으로 치우친 경우 모든 관계 장비의 실패 가 고려되었는지의 여부
- 유용한 자료가 특별한 경우에 적용되었는지의 여부
- 자료분석의 방법의 적정성
13.3.2.1.3 일반적 질 분석
- 분석이 충분한 수준으로 이루어져 있는지의 여부
- 모든 인간의 실수와 모든 공통된 원인의 실패가 고려되었는지의 여부
- 모든 중요한 처리 과정이 다루어져 있는지의 여부
- 모든 사고결과가 고려되어져 있는지의 여부
13.3.2.2 불확실성평가방법
13.3.2.2.1 Monte Carlo Simulation
- 몬테카를로 방법을 이용한 불확실성 분석은 고려 사항 내에서 특정한
결과 변수들의 다양성과 분포 함수들을 평가하는 것이 바람직하다.
13.3.2.2.2 Response Surface Method
- 반응표면법(RSM)은 주로 실험을 통해서 얻은 데이터 값으로부터 명시적 함수(Explicit Function)를 얻기 위해 사용하는 방법이다. 수치적 실험 값으로부터 실험인자와 반응값 사이의 관계를 명시적인 함수로 표현
하는데 쓰인다.
- 변수와 함수값의 관계를 얻기 위한 방법으로써 근사적인 함수를 가정
하고 이 근사함수의 계수들을 연립방정식을 세워 수치적으로 풀어내는 방법.
- 단순한 행렬 연산에 의한 연립방정식풀이가 아닌 최적화방법을 이용
하여 근사함수를 구할 수 있는 방법
13.3.2.2.3 안전요소
- 주로 적절한 사례 데이터가 있을 경우 각각의 성공적인 시스템의 평가가 가능하다. 최소 과잉용량은 안전요소를 결정하는데 기초가 되며, 요구 되는 과잉용량을 얻기 위해 안전요소를 이용하는 것은 결정론적 분석 에 가장 적절하다.
13.3.2.2.4 전통적 불확실성 분석
- 데이터 처리의 확률적 방법에 기초한 불확실성
- 각 대상의 표준편차 계산
- 각 데이터들의 그래프 변수를 계산하기 위한 최소 자승법 사용
- 시험결과, 경험 등의 사용 가능한 자료를 이용한 과학적 판단
13.3.2.2.5 분석한계
- 한계분석(Bounding)
- 최고의 평가(Best Estimation)
- 적절한 한계(Sufficiently Bounding)
13.3.2.2.6 다른 종류의 평가방법 : 변수, 가정 등의 불확실성을 평가
- 민감성 분석(Sensitivity/Sensitivity Analysis)
- 변수 분석(Parameter Analysis)
- 중요도 분석(Importance Analysis)
- 비교분석 (Comparative Analysis)
- 전문가 의견 분석(Expert Elicitation)
- 전환분석(Switchover)
13.3.2.3 화재위험성평가에 영향을 주는 인자
- 방화공학에서 열화학적 파라미터인 연소열, 열방출량, 질량손실률, 연소 에 필요한 산소량은 다른 특정치에 비해 매우 중요하다. 가연성 물질 가운데 고분자 물질에 관련된 특정치는 다음과 같다.
1)연소열, 2)열방출량, 3)질량손실률, 4) 연소에 필요한 산소량, 5)
연소속도, 6)기화열, 7)분해온도, 8) 비열, 9)최소발화온도, 10)발화
시간, 11)LOI(limiting oxygen index), 12)최소폭발농도, 13) 최소발화 에너지, 14)화재민감도, 15)화재가혹도, 16)화염온도, 17)화염높이,
18)Flashover 시간 및 온도, 19) 고온층 온도, 20)하재하중
13.3.2.3.1 Flashover 와 Flashover시간에 영향을 주는 인자
- 전실화재(Flashover)란 실내화재 시 연소열에 의해 천장류(Ceiling jet)의 온도가 상승하여 600℃ 정도가 되면 천장류에서 방출되는 복사열에
의하여 실내에 있는 모든 가연물질이 분해되어 가연성 증기를 발생
하게 됨으로써 실내전체가 연소하게 되는 상태를 전실화재 또는
전공간화재(FSI : fall space involvement)라고도 한다.
13.3.2.3.1.1 Flashover
- 전실화재 전 단계(Pre-flashover)와 전실화재 후 단계(Post-flashover)
- McCaffery
- Babrauskas
- Thomas
- Hagglund
13.3.2.3.1.2 Flashover에 관련된 인자
- 바닥면적(Floor area)
- 배출구 폭(Vent width)
- 배출구 높이(Vent height)
- 바닥에서의 배출구 높이(Vent height above floor)
- 천장높이(Ceiling height)
- 화재특성(Fire specification)
- 화재위치(Fire location)
- 벽과 천장의 물질(Wall and ceiling materials)
- 화재복사율(Fire radiation fraction)
- 화재최대열방출률(Fire maximum heat release rate)
전실화재 전 단계의 화재 위험분석은 거주 인원의 화재 안전을 예측
하는데 매우 중요한 역할을 하게 된다.
13.3.2.3.1.3 전실화재까지의 시간 및 전실화재 발생 여부
- 방의 크기
- 건축자재
- 창문의 크기
- 연료의 양, 종류 및 배열상태
13.3.2.3.2 Flashover에 영향을 주는 인자
Flashover 시간은 구획에 관여된 화재 위험을 결정하는 중요한 인자
로서, 시간이 길수록 감지, 억제, 인명을 안전하게 피난 기회가 커진다.
- 실의 형태(Shape of compartment)
- 발화원의 위치(Position of ignition source)
- 연료 높이(Fuel height)
- 환기개방(Ventilation opening)
- 연료의 밀도(Bulk density of fuel)
- 연료의 지속성(Fuel continuity)
- 라이닝(Lining)
- 발화원 면적(Ignition source area)
- 열방출률(Heat release rate)
- 발화시간(Time to ignition)
13.3.2.3.3 온도-시간에서 Post-Flashover에 영향을 주는 인자
전실화재 후 단계(Post-Flashover)는 에너지 및 질량 보적의 방정식으로 부터 계산 할 수 있다. 계산 모델에 필요한 변수 등은 다음과 같다.
- 가연성 물질의 분포와 양
- 유효 에너지값
- 연소열
- 환기특성
- 공기의 사용 매개변수
- 가스생성 매개변수
- 열전도 특성치
- 모델의 불확실성
13.3.2.3.4 내장가구의 열방출에 관련된 인자
열방출 속도는 내장가구의 화재 위험성평가에 매우 중요하다. 이들 변수 들은 실험적으로 결정되어야 하나, 정확하지 않은 경우가 많다.
HPP(heat release rate)에 관련된 변수들은 다음과 같다.
- 밀도(Density of fuel)
- 전도도(Conductivity of fuel)
- 비열(Specific heat of fuel)
- 대기 중에서 산소의 질량비율
- 연료 양론비에서 산소
- 증발률
- 연소열
- 외부 열흐름
13.3.2.3.5 고온 가스층 온도
구획에서 천장 근처에 축적된 고온 가스층의 온도는 화재위험성 평가
에서 매우 중요하다. 이는 천장 부근으로 지나가고 있는 Cable 등에
영향으로 화재가 확대, 고온 가스층 온도는 화재의 크기와 방의 구조에 의해 지배를 받으므로 이에 관련된 매개변수(Parameter)가 필요하다.
- 열분해 상수
- 순연소열
- 화재반경(Fire radius)
- 천장높이
- 천장면적
- 출입구 높이(Doorway height)
- 출입구 폭(Doorway width)
- 천장열전도도
13.3.2.3.6 화재전개에 영향을 주는 인자
화재의 잠재적 위험성 평가를 통해 화재 시나리오는 중대 화재로 발전할 수 있는 화재 발생 조건 중의 하나를 대표한다. 따라서 화재 시나리오
에서는 화재발생시 건물의 상태, 건물의 내용물, 건물의 입주자 등에
대한 묘사가 있어야 한다.
- 점화원의 형태
- 초기 점화된 연료의 형태
- 화재 발생 위치
- 화재가 발생한 방의 형태
- 출입문 및 창문의 개패상태 및 이들 개폐가 화재 시나리오상에서 바뀌는 시간
- 환기조건(자연환기 혹은 강제환기)
- 건축 마감재(실내)
- 화재 대응형태(입주자, 화재진압시스템, 소방대)
13.3.2.3.7 피난시간을 결정하는 요인
- 화재발생 시 인간의 심리는 인명 안전에 큰 영향을 준다. 화재 경보가
울린 후의 가능한 반응에 대하여 고려해 볼 필요가 있다. 비상 상황
에서 입주자의 대응능력과 안전 피난능력을 결정하기 위해서는 입주자
의 특성을 파악하여야 한다.
13.3.2.3.7.1 화재시나리오 작성 시 고려 할 사항
- 입주자 수
- 분포
- 경계태세
- 참가도
- 집중력
- 물리적 및 정신적 능력
- 역활
- 친숙도
- 사회적 소속
- 물리적 및 생리적 조건
- 화재특성
13.3.2.3.7.2 물리적 인자
- 피난로의 길이, 개수 및 폭
- 계단의 폭 및 깊이
- 계단실 수
- 피난로의 변형
- 피난로의 교차
13.3.2.3.8 가연물의 발화시간에 영향을 주는 인자
13.3.2.3.8.1 잠재적 위험성이 많은 인자
- 발화성
- 표면 화염전파속도(Rate of surface flame spread)
- 열방출률(Peak, Average, Total)
- 질량손실률
- 연기평가
- 독성가스 평가 등
13.3.2.3.8.2 화재시나리오 위한 파라미터
- Time to ignition
- Peak HRR and time to peak
- Addition peak for HRR and time second peak
- Average HRR at 60s, 180s and 300s
- Total heat release
- Average effective heat of combustion
- Mass loss in percentage
- Average smoke specific extinction area(SEA)
- Average smoke monoxide(CO) and carbon dioxide(CO₂)yield
13.3.2.3.8.3 발화시간에 영향을 주는 인자
- 열전도도(Thermal conductivity)
- 밀도(Density)
- 발화에서 표면온도(Surface temperature at ignition
- 주위온도(Ambient temperature)
- 복사율(Emissivity)
- 방사율(Irradiance)
13.3.2.4 Fire 모델과 모델 불확실성
- 화재모델링의 목적은 구획 화재에서 가능한 정확하게 실제조건을 예측
하는 것이다. 그러나 실제 조건은 상황에 크게 의존한다.
가시거리, 독성의 농도, 열 폭로 등은 인명 안전과 관련된 중요한 조건 이다. 모델결과의 대부분은 이들 조건들을 사용할 수 있다. 화재안전
공학에서 관심 있는 입력 자료는 아래와 같다.
13.3.2.4.1 Fire Model
- 연기층의 온도(Temperature in the smoke layer)
- 연기유동(Smoke movement)
- 연기층의 높이(Smoke layer height)
- 복사(Radiation)
- 스프링클러의 작동시간(Activation time for sprinkler)
13.3.4.2 Zone Model
- Zone 모델은 One-Zone 모델과 Two-Zone 모델로 나눌 수 있다.
- One-Zone 모델은 화재가 발생한 방(Room)에서 Post-flashover 조건을 예측하는데 사용된다. One-Zone 모델은 하나의 밀폐구역에서 모든
지역의 온도 및 압력이 동일하다는 조건을 가정한다. 따라서 화재가
전개되는 단계에서는 실제값과 예측값의 일치성이 떨어진다.
- Two-Zone 모델은 Post-flashover 조건 예측에 더욱 합당한 가정이다. Two-Zone 모델은 하나의 밀폐구역을 상부의 뜨거운 층과 하부의
차가운 두 개의 층으로 나눈다. 각 층 내에서의 조건들은 그 층 전체를 통해 같다고 가정한다. Zone Model들이 있다.
- Zone 모델은 짧은 시간 내에 적절하게 정확한 예측을 제공하기 때문에 CFD보다 더 널리 이용되고 있다. 그 종류로는 ASET, ASET-B, CFAST, FORST, FPETOOL 등이 있다.
13.3.2.4.3 Field Model
- Field 모델이란 전산유체역학모델(Computational Fluid Dynamics Model)로서 화재의 위험성을 평가하기 위한 것으로 화재구역을 대단히 작은 많은 cell 로 나눈다.
- Field Model은 모든 지점에서 화재의 조건을 예측하며, 질량, 에너지,
운동지배 방정식을 적용한다.
- 주어진 공간을 수천 분의 일의 용적으로 분할하고 있기 때문에 결정론적 모델에 대한 가장 정밀한 예측을 제공하고 있으며
- CFD 모델은 높은 비용, 복잡성 및 집중적인 계산의 필요특성으로
인하여 Zone 모델보다 더 세밀한 검토가 이루어져야 한다.
13.3.2.4.4 Computer Model 예측에서의 Error Sources
13.3.2.4.4.1 Theoretical and numerical assumption
- 실제 세계를 단순하게 함으로서 발생될 수 있는 오차로 모델 자체에서 만들어진 것이다. 예로서 Two-Zone모델은 연기가 Homogeneous
upperlayer 형성된다고 가정한 것이다.
13.3.2.4.4.2 Numerical solution technique
컴퓨터 모델의 질(quality)
13.3.2.4.4.3 Software error
Software designer의 능력
13.3.2.4.4.4 Hardware fauit
Microprocessor의 설계 error 혹은 Microprocessor 생산 fauit
13.3.2.4.4.5 Application error
사용자의 실수로 발생
- Misunderstanding of the Model or its numerical solution
procedure
- Misunderstanding of the software design
- A Straightforward mistake in inserting the input or reading the output
13.3.2.4.5 측정에서의 Error Sources
- 주위의 습도 변화(Lake of controlled condition
- 열전대 위치 등(Experimental design)
- 열전대 측정 기록에 관련된 에러(Direct error in measurement)
- Raw date로부터 평균온도를 찾는데 관련된 에러(Raw data processing algorithm)
13.3.3 결론
- 화재공학을 연구하거나 화재공학적인 과제를 수행함에 있어 반듯이 명심 해야 할 것은 불확실성은 피할 수 없는 필연적인 것이다.
이러한 불확실성은 여러 가지 방법을 이용하여 최소한으로 줄일 수
있지만 완전히 제거한다는 것은 불가능하다.
따라서 어떤 과제를 수행하더라도 불확실성이 개입된다는 것을 염두에
두고 이를 고려하여 연구 및 과제를 수행하여 한다고 본다.
