물류창고의 화재위험성 저감을 위한 수평 및 수직 차단막 설치 방안에 관한 수치해석 연구
Numerical Analysis Study on the Installation of Horizontal and Vertical Barriers to Reduce Fire Risk in Logistics Warehouses
Article information
Abstract
랙크 화재에 대한 수평 및 수직 차단막의 설치 효과를 검토하고, 국내법에 따른 소화설비와의 연계를 고려한 설치 방안 도출을 목적으로 수치해석적 연구가 수행되었다. 랙크 화재에 대한 기존 소화설비들의 유효성을 검토한 결과, 인랙 스프링클러 헤드의 설치 여부, 간격에 따라 화재위험성이 큰 폭으로 변화할 수 있음을 확인하였다. 또한, 수평 차단막의 단독 설치 시 발생하는 화재 확산 경로의 변경이 오히려 화재위험성을 증가시킬 수 있음을 확인하였으며, 이를 보완하기 위한 추가적 방안이 검토되었다. 그 결과 고려된 face sprinkler 및 수직 차단막은 최초 화재가 발생한 적재공간으로부터 수평 또는 수직 방향으로 발생하는 화재 확산을 적절히 차단하였으며, 화재위험성이 30% 이상 감소하였다.
Trans Abstract
A numerical study was conducted to evaluate the effects of installing horizontal and vertical barriers on rack fires and to propose installation measures aligned with domestic fire protection regulations. A review of the effectiveness of existing suppression systems for rack storage confirmed that fire risk varies significantly depending on the presence and spacing of in-rack sprinkler heads. The study further revealed that when horizontal barriers were installed alone, altered fire-spread paths could increase overall fire risk, highlighting the need for complementary measures. To address this, the effectiveness of face sprinklers and vertical barriers was examined. Results showed that these installations effectively blocked horizontal and vertical fire spread from the storage area where the initial ignition occurred, reducing the overall fire risk by more than 30%.
1. 서 론
전자상거래 및 third-party logistics (3PL) 산업의 세계적 성장에 따라 물품의 입고, 저장, 배송 등 기능을 수행하기 위한 물류시설의 수가 빠르게 증가하고 있다. 국가물류통합정보센터에서 제공하는 물류창고업 등록 현황을 살펴보면 현재 국내 등록된 전체 물류시설 5,734개소 중 3,733개소가 최근 10년 내(2016년~2025년) 설립되었으며, 연도별 등록 수 역시 증가하고 있다. 이러한 물류시설의 가장 기본적 기능은 물품의 저장으로, 이를 위해 랙크 방식, 데크식, 바닥 적재 등 다양한 방법이 적용되고 있다. 국내 70개소의 물류시설을 대상으로 한 적재방식 관련 설문 조사 결과 51%의 비율이 sinlge 또는 double row의 랙크 방식 적재를 채택하였다(1). 수용물품(commodity)의 저장을 위한 랙크 방식은 수직 적재에 따른 동일 면적 대비 공간 활용의 극대화, 단순한 모듈러 구조에 따른 증설, 구성 변경의 용이 등 장점을 가지고 있다. 그러나 화재 시 수직 적재된 수용물품은 고밀도의 연료로 작용하게 되며, 수용물품 사이 공간에서 발생하는 굴뚝효과는 화재위험성을 증가시키는 요인으로 작용한다. 그뿐만 아니라 수용물품의 소화수 차폐에 따른 소화의 한계, 그리고 높은 층고에 따른 조기 감지 및 초기 대응의 어려움 등 화재 취약성을 가지고 있다(2,3).
이러한 취약성의 보완을 위해 우리나라에서는 NFPC 103 (스프링클러설비의 화재안전성능기준)을 통해 기존의 천장형 스프링클러에 더해 인랙 스프링클러 헤드를 설치하도록 하였다. 또는 물류시설의 층고가 13.7 m 미만인 경우 화재조기진압용 스프링클러 설비(NFPC 103B)를 설치하고 인랙 스프링클러의 헤드의 설치를 면제하도록 하였다. 이러한 소화설비의 적용에도 불구하고 물류시설에서는 대형 화재사고가 지속적으로 발생하고 있다. 이에 따라 정부에서는 NFPC 609 (창고시설의 화재안전성능기준)를 제정하고 신축 물류시설은 이를 준용하도록 하였다. NFPC 609는 물류시설에 특화된 화재안전 기준으로 기존의 설치 기준 대비 수원 저수량 상향, 스프링클러 헤드의 성능 강화, 설치 간격 감소 등 소화설비의 성능 강화에 중점을 두고 있다.
미국 화재예방협회(national fire protection association)에서 발간하는 NFPA 13(4) 및 NFPA 231C(5)는 물류시설 내 소화설비의 종류 및 성능, 그리고 적재된 수용물품의 등급에 따른 차단막(barrier)의 설치 기준을 제시한다. 구체적으로 수용물품이 적재되는 각 단의 하단에 두께 0.78 mm의 금속판 또는 10 mm 두께의 목재 패널을 수평 차단막으로 설치하거나, 랙크 길이 전반에 걸쳐 수평 화재확산을 차단하기 위한 수직 차단막을 설치한다. 이 과정에서 차단막이 소화설비의 성능에 방해가 되지 않도록 그 설치 위치 역시 세부적으로 정하고 있다. 이와 유사하게 일본에서도 소방법 시행규칙을 통해 스프링클러 헤드 종류, 수용물품의 위험성을 반영한 랙크 등급(I~IV)에 따라 수평 차단막의 설치 기준을 정하고 있다. 실제로 차단막의 설치는 물류시설의 화재위험성 저감에 유효할 수 있다. 실험적으로 수직 방향 화재 확산 지연에 대한 수평 차단막의 유효성이 확인되었으며(6-8), NFPA 산하 fire protection research foundation (FPRF)는 소화설비와 연계한 수직 차단막 설치가 랙크 길이 방향으로의 화재 확산 차단에 효과적임을 보고하였다(9).
이러한 유효성에도 불구하고, 국내에서는 물류시설의 화재안전에 특화된 NFPC 609도 차단막의 설치 기준을 다루지 않았다. 국내 화재안전보험협회가 KFS 630 (물류창고 방화기준)(10)을 통해 수평 및 수직 차단막의 설치 기준을 제시하였으나, 수용물품을 특수가연물과 일반가연물로 분류하는 국내 체계와는 달리 I~IV 등급의 분류체계를 적용하였으며, 소화설비의 설치 기준 역시 현행과 차이가 있다. 이러한 문제에 따라 본 연구진은 국내 실정에 맞는 차단막 설치 방안을 도출하기 위한 수치해석 연구를 수행한 바 있다. 구체적으로 국내 물류시설의 현장조사를 통해 대표 랙크 형상을 결정하고(11), 이를 대상으로 소화설비 종류에 따른 수평 차단막의 최적 설치 조건을 검토하였다(12). 당시 해석 대상은 국내 물류시설 랙크에 대한 대표성은 갖추었으나, 길이 방향으로 연장되지 않은 단일 column의 unit 랙크로 설정되었다. 이로 인해 천장형 헤드는 랙크 수직 상단에 1개만이 설치되었으며, 주변에 설치되는 천장형 헤드 및 수직 차단막의 설치 효과가 검토되지 않았다.
이에 따라 본 연구에서는 실제와 유사하도록 길이가 연장된 대표 랙크를 대상으로 수평 및 수직 차단막의 효과를 검토하기 위한 수치해석이 수행되었다. 해석 프로그램으로는 fire dynamics simulator (FDS) v6.9.1(13)이 사용되었다. 동일한 수용물품을 대상으로 열방출률 및 질량감소의 관점에서 현행 법령 기반 소화설비들의 유효성을 비교하였으며, 수평 차단막의 설치 효과 및 그 간격에 따른 화재 확산 경향을 분석하였다. 화재의 확산에 대한 수평 차단막의 한계를 극복하기 위한 추가적 요소로서 수직 차단막 및 face sprinkler (FS)의 효과가 검토되었으며, 각 요소의 조합에 따른 화재확산, 열방출률 관점의 위험성 저감 효과를 분석하였다.
2. 수치해석 조건 및 방법
Figure 1은 확장된 규모의 랙크(이하 랙크)가 배치된 계산 영역과 주요 설정 정보를 개략적으로 나타낸다. Figure 1(a)에는 계산 영역의 형상과 크기에 대한 기본 정보가 제시되어 있다. 랙크는 1.1 m (W) × 3.1 m (L) × 2.5 m (H) 크기의 단일 적재 공간이 2열(row) × 4행(column) × 4단(floor)으로 배치된 형태이다. 열 사이 간격은 0.2 m로 설정되었으며, 전체 랙크는 2.4 m (W) × 12.1 m (L) × 9.7 m (H)의 크기를 갖는다. 수용물품은 polyurethane foam의 물성을 가정하고, KS T ISO 6780(14)의 파렛트 규격과 KS T 0006(15), KS T 2014(16)에서 규정한 최대 높이를 반영하여 1.1 m × 1.1 m × 2.2 m로 설정하였다. 이를 통해 NFPA 13(4)에서 규정한 각 단 사이의 수직 간격(0.3 m)을 확보하였다. 전체 계산 영역은 경계조건의 영향을 최소화하기 위해 랙크 외곽으로부터 약 5 m의 여유 공간을 두었으며, 최종적으로 12.4 m (W) × 22.0 m (L) × 12.2 m (H)의 크기를 갖는다. 메쉬의 분할은 Figure 1(b)에 제시되어 있으며, 랙크 주변과 천장 근처에는 평균 0.1 m, 그 외 영역에는 평균 0.2 m 크기의 격자를 배치하였다. 이에 따라 계산영역 구성에는 총 14개의 격자계(mesh)와 1,259,684개의 격자가 사용되었다. 또한 Figure 1(b)에서는 최초 점화를 위한 점화원(hot particle)의 위치를 기준으로 각 행(column)의 순서(A~D)를 정의하였다. 수평 차단막은 3단 간격(3rd floor), 2단 간격(2nd floor), 1단 간격(All floors)의 세 조건을 고려하였다. 추가로 수평 차단막은 기하학적 두께를 갖지 않는 얇은 판의 형태로 배치하였으며, FDS에 사전 정의된 gypsum plaster의 물성이 적용되었다. FDS에 여기서 수평 차단막은 두께를 갖지 않는 OBST (object) 이와 더불어 국내 현행 법령을 반영하여 물류시설에 실제 적용되는 다섯 가지의 소화설비 조건을 추가로 고려하였다. 물류시설은 ｢소방시설 설치 및 관리에 관한 법률｣에 따라 소화설비를 설치하여야 하며, 구체적 사항은 화재안전성능기준(NFPC) 및 화재안전기술기준(NFTC)에서 규정하고 있다. 물류시설에 적용되는 스프링클러 설비는 일반형(CMDA), 라지드롭형(CMSA) 및 화재조기진압용(ESFR)으로 분류된다. 각 설비는 수용물품의 종류(일반 또는 특수 가연물)에 따라 천장형 헤드의 수평거리(r), 즉 유효살수반경과 헤드 간 간격(L = 2rcos45 °), 그리고 인랙 스프링클러 헤드의 수직 간격(z)을 다르게 규정한다. 구체적으로 일반 가연물이 적재된 랙크를 대상으로 한 CMDA 설계는 L ≤3.54 m, z ≤6 m의 기준에 따라 설치되어야 한다. 반면 특수 가연물이 적재되는 경우, 강화된 L ≤2.4 m, z ≤4 m의 기준을 적용하여야 한다(NFPC 103). 이러한 규정은 NFPC 609 제정에 따라 폐지되었으나, 기존 물류시설에서 여전히 운용되고 있으므로 연구 대상에 포함하였다. NFPC/TC 609는 물류시설에 특화된 화재안전기준으로 CMSA의 설치 기준을 정하며, 신축 물류시설은 이를 준용하여야 한다. CMSA는 일반 가연물 적재 시 L ≤2.97 m, 특수 가연물 적재 시 L ≤2.4 m의 기준을 적용하며, 인랙 헤드는 수용물품 종류와 관계없이 수직 간격 3 m 이하마다 설치되어야 한다. 마지막으로 ESFR은 가연물 종류와 관계없이 창고의 층고에 따른L값을 정하고 있다. 본 연구에서는 층고 9.1 m~13.7 m 범위에 해당하는 L ≤3.1 m의 값을 적용하였다(NFPC 103B). 각 소화설비의 구현을 위한 스프링클러 헤드별 입력인자 및 물성은 본 연구진의 선행연구(12)에서 살펴볼 수 있다.
Configuration of computational domain and fundamental settings for fire simulation in logistics facilities.
앞서 언급된 것과 같이 본 연구에서 수용물품은 polyurethane foam으로 설정되었으며, 소화설비 종류와 관계없이 동일하게 적용되었다. 해당 물질은 ｢화재의 예방 및 안전관리에 관한 법률 시행령｣에서 특수 가연물로 분류된다. 이 경우 일반 가연물의 적재를 전제로 한 소화설비 조건들(CMDAN 및 CMSAN)에도 특수 가연물이 적용되어 상대적으로 불리할 수 있다. 그러나 물류시설의 특성상 수용물품은 변동성이 큰 반면, 소화설비는 준공 이후 변경되기 어렵다. 그럼에도 설치된 소화설비에 따라 수용물품의 종류가 제한되지 않으므로, 본 연구에서 고려된 소화설비와 수용물품(특수 가연물)의 조합은 충분한 개연성이 있다고 판단된다. Figure 2에는 이러한 기준들을 반영한 소화설비의 개략도가 제시되었다. 본 연구에서는 각 조건의 구분을 위해 하첨자 N (normal, 일반가연물) 및 S (special, 특수가연물)를 활용하였다. 예를 들어 CMSAN은 일반 가연물 적재 랙크에 대한 라지드롭형 헤드(CMSA) 기반의 설계를 의미한다. Figure 2(a)는 천장형 헤드의 배치와 헤드 중심의 유효살수반경을 나타내며, Figure 2(b)는 A column 방향에서 바라본 인랙 스프링클러 헤드의 위치, 수직 간격(z)을 나타낸다. 그림에는 나타나지 않았으나 인랙 헤드는 모든 행(A~D column)에 배치되었으며, 각 행 송기공간(flue space)의 중심부에 위치한다. Table 1에는 소화설비 별로 사용된 헤드의 K-factor, 수평거리(r) 및 헤드 간격(L), 실제 적용된 배치 간격(La), 그리고 설치된 스프링클러 헤드의 수가 요약되어 있다.
Configurations of fire protection systems considered in the present study.
Summary of Simulation Conditions
3. 수치해석 결과
3.1 소화설비 별 유효성 검토
Figure 3에는 확장된 규모의 랙크의 화재에 대한 각 소화설비의 유효성을 검토 결과가 제시되었다. Figure 3(a)는 소화설비별 열방출률을 나타낸다. 모든 조건에서 100 s 이내에 화재가 소화되어 설비의 기본적 유효성을 나타냈으나 그 위험성에는 다소 차이가 있다. CMDAN의 최대 열방출률은 약 138 MW로 가장 높은 값을 나타냈으나, 천장형 헤드의 간격(L)이 감소하고 인랙 헤드의 수가 증가된 CMDAS는 최대 열방출률은 약 50 MW로 감소되었으며 더 이른 시점에 소화되었다. CMSA (CMSAN 및 CMSAS) 조건들에서는 최초 발화 즉시 인랙 헤드가 작동하여 소화되었다. 그 원인은 작동온도는 93 °C로 동일하나 소화수 유량이 80 L/min (CMDA)에서 160 L/min로 증가하고 반응시간지수(response time index)가 215 m⋅s0.5 (CMDA)에서 80 m ⋅ s0.5로 낮아졌기 때문으로 판단된다. 반면 ESFR은 작동온도는 68 °C, RTI = 50 m⋅s0.5로 가장 빠른 작동 조건, 단일 헤드 기준 최대 유량(200 L/min)을 가짐에도 CMSA 조건들보다 높은 최대 열방출률을 나타낸다. 이러한 결과는 인랙 헤드를 배제하고 천장형 헤드만으로 구성되는 ESFR의 특성상 고온 기체가 천장에 도달해야만 소화설비가 작동되기 때문이다. 결과적으로 열방출률에 기반한 소화설비별 위험성은 CMDAN > CMDAS > ESFR > CMSAN ≈ CMSAS임을 확인하였다. Figures 3(b)~3(d)는 CMDAN, CMDAS 및 ESFR의 화재 확산 범위 및 이에 따른 질량 기반 손상도를 나타낸다. 화재 확산 범위는 수용물품의 초기 질량(50.8 kg) 대비 0.1% 이상 질량이 감소된 범위로 한정하였다. Figure 3(b)에서 CMDAN 조건은 연소에 의해 전체 질량의 7.2% (233.1 kg)가 감소되었다. 동일 기준으로 CMDAS 및 ESFR은 0.5% (17.4 kg), 1.7% (55.5 kg)로 비교적 낮은 손상도를 나타냈다. 비록 화재 규모 및 질량 감소의 측면에서 소화설비 별 성능의 차이가 관찰되었으나, 초기(0~15 s) 화재성장 단계에서 CMDAN, CMDAS 및 ESFR의 열방출률은 동일한 증가 곡선을 나타냈다. 또한 세 조건 모두 천장형 또는 인랙 헤드가 작동되기 이전에 A column의 최상단까지 화재가 확산되었다. 선행연구에서 언급된 것과 같이 인랙 헤드의 작동보다 빠른 화재 확산이 발생하는 경우, stack effect에 의한 상승기류는 헤드가 작동된 이후에도 소화 실패를 야기할 수 있다(17). 따라서 물류시설의 화재위험성을 효과적으로 저감하기 위해서는 초기 화재 확산 지연을 위한 수평 차단막의 설치 방안을 검토할 필요가 있다.
Comparison of fire risks based on heat release rates and mass-loss damage for each sprinkler system.
3.2 수평 화염확산 차단막의 영향
Figure 4는 소화설비 중 가장 높은 위험성을 갖는 것으로 확인된 CMDAN을 대상으로 수평 차단막의 설치 효과를 나타낸다. Figure 4(a)는 수평 차단막 설치 조건별 초기 화재 확산 지연 효과를 비교한 결과이다. Symbol로 제시된 None은 수평 차단막이 설치되지 않은 조건으로 Figure 3(a)의 CMDAN과 동일하다. 차단막 설치에 따른 변화를 살펴보면, 차단막이 조밀하게 설치됨에 따라 5~10 s 구간에서 화재 성장의 지연이 관찰된다. 그러나, 10 s 이후 모든 조건에서 None 보다 높은 최대 열방출률을 나타낸다. Figure 4(b)를 살펴보면 None은 138.2 MW의 최대 열방출률을 나타낸 반면, 차단막이 설치된 조건들은 각각 198.7 MW (3rd floor), 196.9 MW (2nd floor) 및 212.4 MW (All floors)로 차단막이 가장 조밀하게 설치된 조건에서 가장 높은 위험성을 나타냈다. 한편, A column 최상단에 화재가 확산되기까지 소요 시간(tA column)은 차단막이 조밀하게 설치될수록 증가되었다. 결과적으로 수평 차단막의 설치 시 극초기의 화재 확산은 지연되었으나, 성장기 이후 화재위험성은 오히려 크게 증가하였다. 따라서 수평 차단막은 화재위험성 저감을 목표로 단독 사용될 수 없으며, 추가적 조치와 함께 적용되어야 한다. 추가로 발화 위치로부터 가장 먼 D column 최상단까지의 화재 확산 시간(tD column)을 비교한 결과, 2nd floor 조건이 가장 긴 지연효과를 나타냈다. 또한 최대 열방출률의 관점에서도 가장 작은 증가 폭을 나타낸다. 이러한 경향은 인랙 헤드와 차단막의 설치 위치가 일치하여 나타난 것으로 추측된다. 2nd floor의 경우 1~2단에는 인랙 헤드의 소화수, 3~4단에는 천장형 헤드의 소화수가 도달할 수 있다. 반면 3rd floor 및 All floors 조건은 소화수가 도달하지 못하는 영역이 발생하여 화재규모가 증가한다. 따라서 수평 차단막과의 병용을 위한 추가적 조치를 고려함에 있어 2nd floor 조건이 기준으로 적절할 것으로 판단된다.
Initial fire growth and fire spread completion time under different horizontal barrier installation conditions.
수평 차단막 설치 시 화재위험성이 증가하는 원인을 검토하기 위하여, Figure 5는 각 설치 조건별 시간에 따른 화재 확산 경향이 제시되었다. 화재 확산 경로를 명확히 확인하기 위하여, 스프링클러로부터 방출된 소화수 액적들은 시각화되지 않았다. Figure 5(a)는 None 조건의 화재 확산을 나타내며, 최초 발화위치에서 수직 방향으로 확산되어 A column의 최상단에 도달한 뒤, 수평 방향으로의 확산이 이루어진다. 반면 Figures 5(b)~5(d)에서와 같이 수직 방향으로 확산되던 화재는 차단막 충돌 이후 동일 단에 위치한 수용물품의 상단을 따라 수평 방향으로 확산된다. 이 과정에서 앞서 확인된 5~10 s 구간의 화재 확산 지연효과가 나타난다. 그러나 차단막과의 충돌 이후 수평 확산과 함께 이루어지는 수직 확산은 None 조건 대비 화재규모를 크게 증가시킨다. 즉, 차단막이 설치된 조건에서 최대 열방출률이 증가하는 원인은 차단막 충돌 이후 발생하는 화재 확산 경로의 변경으로 볼 수 있다. 충돌 이후 화재 확산 경로는 ① 랙크 길이 방향으로의 수평 확산 ② 랙크 외곽을 따라 상단 수용물품과 접촉하는 두 가지로 분류될 수 있다. 특히 외곽을 통해 발생하는 화재 확산은 각 column 송기공간의 중심부에 위치한 인랙 헤드로 대처가 어렵다는 문제가 있다. 그 예로 20 s 시점 None 조건은 화염이 주로 수용물품 송기공간에 머무르는 반면, All floor 조건은 충돌 이후 외곽의 화재 확산으로 2~4단의 수용물품이 화염으로 덮인 것을 확인할 수 있다. 이러한 경로 변경을 고려할 때, 극초기 화재성장의 지연을 위해 수평 차단막을 활용함과 동시에 충돌 이후 화염의 경로 변경에 따른 화재위험성 증가를 방지하기 위한 추가적 조치가 고려되어야 한다. 또한 이러한 조치의 일환으로 랙크 길이 방향으로의 수평 확산을 차단하기 위한 수직 차단막(vertical barrier), 외곽을 통한 수직 확산을 차단하기 위한 face sprinkler (FS)가 고려될 수 있다.
Fire spread behavior in CMDAN rack under different horizontal barrier installation conditions.
3.3 수직 차단막 및 face sprinkler
Figure 6은 랙크 길이 방향의 수평 확산, 외곽으로의 확산을 차단하기 위한 수직 차단막과 FS 헤드의 설치조건을 나타낸다. 이때 수평 차단막의 설치조건은 Figure 4에서 인랙 헤드와의 연계 효과를 나타낸 2nd floor이다. Figure 6(a)에는 A column 방향에서 바라본 모습이 제시되었다. 수직 차단막의 폭은 랙크와 동일한 2.4 m, 높이는 수용물품의 최대 높이와 동일한 9.7 m로 설정되었다. 이때 수직 차단막은 양쪽에 위치한 수용물품과 동일한 수평거리를 가질 수 있도록 0.1 m 두께가 설정되었으며, gypsum plaster의 물성이 적용되었다. FS 헤드는 각 column 송기공간 중심부의 인랙 헤드와 동일한 높이에서 랙크 외곽의 양 측면에 배치되었다. FS 헤드는 기존에 배치된 인랙 헤드와 동일한 성능(작동온도: 93 °C, RTI: 50 m⋅s0.5, 소화수 유량: 80 L/min)을 갖는다. 실제 물류시설에서는 이와 같은 설비의 증설이 저수조 수량의 문제를 가져올 수 있다. 그러나 본 연구에서는 각 설비의 설치 효과를 검토하는 것을 일차적 목표로 하였으며, 해당 문제는 고려되지 않았다. Figure 6(b)는 랙크를 대각선 방향에서 바라본 투시도이다.
Arrangement of vertical barriers and face sprinkler heads.
각 column 사이에 배치된 세 개의 수직 차단막과 측면에 배치된 FS 헤드들을 확인할 수 있다. 이와 같이 CMDAN 및 2nd floor 조건을 대상으로 추가된 요소들의 개별적, 복합적 효과를 검토하기 위한 수치해석이 수행되었다.
Figure 7은 새롭게 고려된 요소들의 개별 또는 복합적 효과를 검토하기 위해 수행된 해석 결과이다. 비교 대상은 수평 차단막을 포함하여 어떤 요소도 추가되지 않은 CMDAN-None로 설정되었다. Figure 7(a)는 FS 헤드의 설치 조건에 따른 열방출률의 검토 결과이다. 설치 조건은 FS 헤드가 송기공간 중심부에 설치된 기존의 인랙 스프링클러(IS)를 대체하는 경우(IS- & FS+)와 기존 설비에 더해 추가된 경우(FS+)의 두 가지 조건이 고려되었다. 열방출률의 거동을 살펴보면 최대값, 총 방출열량 모두 FS+ 조건에서는 유의미한 감소가 관찰된다. 그러나 IS- & FS+ 조건은 None보다 오히려 증가된 위험성을 나타내며, 수치해석은 약 90 s 시점에 계산 불안정(low density error)에 의해 중단되었다. 이러한 수치적 오류는 특정 위치에서의 과도한 온도 상승에 따른 기체 밀도의 이상 감소(< 0.195 kg/m3)시 발생한다. 해당 오류의 발생 위치는 특정이 어려우나, 기존 인랙 헤드의 배제에 따른 심부 소화의 한계 및 온도 상승 때문으로 추측된다. 이러한 결과로부터 FS 헤드를 활용한 기존 인랙 헤드의 대체는 어려움을 알 수 있다. Figure 7(b)는 수직 차단막의 설치 효과를 검토한 것으로, CMDAN-2nd floor에 수직 차단막만이 추가된 조건(VB+), 그리고 수직 차단막과 FS 헤드가 동시에 추가된 조건(VB+ & FS+)이 고려되었다. 열방출률의 거동을 살펴보면, 두 조건 모두 None 조건 대비 최대값, 총 방출열량 모두 상당히 감소된 것이 관찰된다. 구체적으로, VB+ 조건은 화재지속시간은 다소 증가되었으나, 소화설비 추가없이 수평 및 수직 차단막의 설치만으로 최대 열방출률이 None 조건 대비 절반 수준으로 감소되었다. VB+ & FS+ 조건은 최대 열방출률은 VB+ 조건과 유사하나, 화재지속시간이 35 s로 None 조건(약 80 s)과 비교할 때 크게 감소되었다.
Comparison of heat release rate behavior with additional installations of face sprinklers and vertical barriers.
Figure 8은 FS 헤드 및 수직 차단막의 설치에 따른 화재 확산 경향을 나타낸 것이다. 추가적 설비의 유효성을 확인하기 위하여, 스프링클러 액적이 시각화되었다. Figure 8(a)는 기존 인랙 헤드를 배제하고 FS 헤드만이 설치된 조건(IS- & FS+)에 대한 검토 결과이다. 10 s 시점에 2단에 위치한 수평 차단막과 충돌한 화염은 길이 방향 및 외곽을 통해 확산된다. 20 s 시점에는 FS 헤드들의 작동에 따라 소화수가 방출된다. 그러나 기존 인랙 헤드의 배제에 따른 심부 소화의 한계로 화재 규모가 지속적으로 증가하며, 그 결과 수치해석의 오류가 발생한 것으로 판단된다. 반면, 기존 설비와 FS 헤드가 동시에 적용된 FS+ 조건은 1~2단 위치에서 적절한 심부 소화에 따른 화재 규모의 감소를 관찰할 수 있다(20 s~30 s). 이 두 조건의 비교로부터 송기공간 중심부에 대한 소화설비 적용의 중요성을 재확인할 수 있다. Figure 8(c)는 기존의 CMDAN-2nd floor 조건에 수직 차단막이 추가된 VB+의 결과이다. 시간에 따른 경향을 살펴보면, 수직 차단막이 랙크 길이 방향으로의 화재 확산을 효과적으로 차단하며, B~D column으로의 화재 확산이 일어나지 않는다. 그럼에도 여전히 수평 차단막과의 충돌로 외곽에서 발생하는 화재 확산에 대한 대처의 어려움이 있으며 이로 인해 화재지속시간이 증가한 것으로 판단된다. 마지막으로 Figure 8(d)는 수직 차단막과 더불어 FS 헤드가 적용된 조건이다. FS 헤드가 작동하기 이전 10 s 시점의 거동은 VB+ 조건과 동일하다. 그러나 20 s 시점 FS 헤드의 작동에 따라 30 s에 1~2단의 심부 및 외곽은 완전히 소화되며, 줄어든 화재 규모에 따라 3~4단의 화재 역시 천장형 헤드에 의해 원활히 소화된다. 이 조건에서도 화염은 B~D column에 확산되지 않았다. 결과적으로 수평 차단막과의 충돌 이후 발생하는 외곽 화재확산에 대한 취약성에도 불구하고, 수평 및 수직 차단막을 동시에 설치하는 경우 랙크 화재의 위험성은 유의미하게 감소될 수 있다. 또한 외곽 화재 확산의 차단을 위한 FS 헤드가 동시에 적용될 때 랙크의 화재위험성은 크게 저감될 수 있다.
Fire spread behavior under condition of CMDAN - 2nd floor rack with additional installations of face sprinklers and vertical barriers.
Figure 9는 FS 헤드 및 수직 차단막의 설치 효과를 정량적으로 나타내며, Figure 9(a)는 화재 확산의 관점에서 이를 검토한 결과이다. 설치 조건별 A column 최상단까지의 화재 확산 소요시간은 None이 7.1 s이며, 그 외 조건들은 9.9~10.1 s 범위에서 큰 차이를 보이지 않았다. 즉, FS 헤드와 수직 차단막은 최초 발화 위치로부터 수직 방향으로 이뤄지는 화재 확산의 지연에는 큰 효과가 없다. 이를 통해 수평 차단막의 효과를 관찰할 수 있으나, 보다 긴 지연 시간을 확보할 수 있는 방안이 확보되어야 할 것이다. D column 최상단까지의 화재 확산은 IS- & FS+ (25.9 s)를 제외한 모든 조건에서 발생하지 않았다. 질량 손실의 관점에서 IS- & FS+는 초기 질량 대비 16.9%가 연소되어 7.2%가 연소된 None 조건보다 높은 위험성을 나타냈다. 반면 FS+, VB+ 및 VB+ & FS+의 질량은 각각 2.8%, 4.8% 및 1.4%만이 감소하여 위험성이 낮아진 결과를 나타냈다. Figure 9(b)는 방출열량의 관점에서 FS 헤드 및 수직 차단막의 설치 효과를 검토한 결과이다. 최대 열방출률을 기준으로 None은 138.2 MW의 값을 나타냈으며, IS- & FS+는 194.4 MW로 위험성이 약 40% 증가된 일관적 결과를 나타낸다. 반면 FS 헤드가 기존 인랙 헤드와 함께 사용된 FS+는 102.4 MW로 None 대비 약 26% 감소되었다. 또한 VB+ 및 VB+ & FS+의 최대 열방출률은 각각 75.0 MW, 74.7 MW로, None 대비 45.7%, 46.0% 감소되었다. 마지막으로, 총 방출열량의 관점에서 None은 59.6 GJ의 값을 나타냈으며, 이를 기준으로 IS- & FS+는 118.6% 증가한 130.3 GJ, FS+는 58.4% 감소한 24.8 GJ의 값을 나타냈다. 또한 VB+는 28.2% 감소한 42.8 GJ의 총 방출열량을 나타냈으며, VB+ & FS+ 조건이 12.3 GJ로 가장 큰 감소 폭(-79.4%)을 나타냈다. 종합적으로 볼 때, 화재위험성은 IS- & FS+ 조건에서 가장 높고, VB+ & FS+ 조건에서 가장 낮았다. 위험성의 상대 크기는 IS- & FS+ > None > VB+ > FS+ > VB+ & FS+ 순으로 정리된다. 그러나 기존에 준공 및 운영되는 물류시설에 대한 추가적 소화설비의 증축에는 많은 어려움이 있다. 이를 고려할 때, 기존에 설치된 인랙 헤드의 위치를 고려한 수평 및 수직 차단막의 설치만으로도 화재위험성을 상당히 저감할 수 있을 것으로 기대된다. 또는 기존의 소화설비 배관과 연계한 설치가 가능하며, 인랙 헤드 및 FS 헤드 위치에서의 살수 기능을 갖춘 수평 차단막의 적용이 유효할 것으로 판단된다. 후속 연구에서는 이러한 형태의 차단막이 효과 검토와 더불어 수치해석에 의존하여 수행된 본 연구가 갖는 한계를 보완하기 위한 실규모 화재 실험 및 이를 대상으로 한 예측성능 검증이 이루어질 예정이다.
Comparison of the fire-risk reduction effects due to the additional installation of face sprinklers and vertical barriers.
4. 결 론
물류시설의 화재위험성을 저감하기 위한 차단막의 효과를 검토하고, 기존 소화설비와의 연계를 고려한 설치 조건 도출을 목적으로 수치해석적 연구가 수행되었다. 국내 물류시설의 현장 조사를 통해 결정된 대표 랙크 형상을 대상으로 수평 및 수직 차단막의 설치 조건별 화재 현상 변화가 정성⋅정량적으로 분석되었으며, 주요 결론은 다음과 같다.
(1) 동일한 수용물품이 적재된 랙크를 대상으로 소화설비의 유효성을 비교한 결과, 화재조기진압용 헤드(ESFR)는 특수 가연물의 적재를 상정한 일반형 헤드(CMDA) 기반 소화설비보다 높은 화재위험성을 나타냈으며, 이를 통해 랙크 화재에 대한 인랙 스프링클러 헤드의 중요성을 확인하였다.
(2) 수평 차단막은 수직 방향으로의 화재 확산 지연에는 유효하였으나, 전체적인 화재 규모의 관점에서 화재 확산 경로의 변경으로 인해 차단막이 설치되지 않은 조건보다 더 큰 위험성을 가져오며, 단독 사용에 한계가 있음을 확인하였다.
(3) 수평 차단막의 한계를 보완하기 위한 face sprinkler, 수직 차단막은 수평 차단막으로 인해 발생하는 랙크 길이 방향 및 외곽으로의 화재 확산을 효과적으로 차단하였다. 수직 차단막 적용시 최대 열방출률은 45.7%, 총방출열량은 28.2% 감소되었다. 수직차단막과 FS를 함께 적용하는 경우 최대 열방출률의 저감 효과는 유사하였으나, 총 방출열량은 79.4% 감소하여 큰 유효성을 나타냈다.
후 기
본 연구는 국토교통부/국토교통부과학기술진흥원의 지원으로 수행되었음(RS-2022-00156237, 물류시설 화재 안전성 및 위험도 관리 기술 개발).