3.1 국내⋅외 매자닌 화재안전기준

대형창고 및 저장시설의 화재안전 확보를 위해 국제적으로는 NFPA 230을 비롯한 다양한 기준이 제정되어 있으며 국내에서도 소방법 및 관련 고시를 통해 창고시설의 화재안전 기준을 규정하고 있으나, 최근 대두된 ESS설비나 창고 내 매자닌 구조에 대해서는 상대적으로 기준이 미비한 실정이며 특히 국내에서의 매자닌 구조와 관련된 화재 안전 규정은 사실상 부재하다. 해외기준 중 하나인 NFPA 13에서는 매자닌과 관련된 규정을 일부 제시하고 있다(14). 제 4.5.2.1항에서는 단일 스프링클러 시스템이 설치된 건축물의 경우, 하나의 스프링클러 급수배관이 담당할 수 있는 최대 바닥면적을 산정할 때 매자닌 면적은 제외할 수 있도록 규정하고 있다. 그러나 이러한 조항은 매자닌 공간의 화재위험성을 직접적으로 규제하거나 안전성을 강화하는 방향이 아닌 완화하는 성격이므로, 화재 확산 가능성이나 소방 활동을 고려한 실질적인 안전 기준으로 보기에는 한계가 있다.

3.2 매자닌 구조의 정의 및 위험성

매자닌(mezzanine)구조란 건축물 내부에 별도의 완전한 층으로 인정되지 않지만, 부분적으로 설치된 중이층 구조물을 말한다. 물류창고에서는 적층식 랙이나 부분 중층 플랫폼 형태로 매자닌이 설치되어 보관 면적을 극대화하는데에 활용된다(15). 그러나 화재안전 측면에서 매자닌 구조는 다음과 같은 문제점을 야기시킨다. 첫째, 매자닌은 피난 및 소방관의 접근에 제약이 생긴다. 다단계 매자닌으로 구획된 창고는 내부 통로가 미로처럼 복잡해져 화재 시 피난동선이 길어지고, 소방대가 화점까지 진입하기 어려워진다. 둘째, 화재 시 소방설비의 효율 저하를 초래할 수 있다. 일반적으로 창고 천장에만 스프링클러 헤드를 설치하는 설계가 많은데, 매자닌이 있으면 그 아래로 물분사가 제대로 도달하지 못해 화재를 진압하지 못할 가능성이 있다. 그러나 이러한 위험에도 불구하고, 국내 현행 기준에는 매자닌 자체에 대한 명시적인 화재 안전 조항이 부재한 실정이다. 이를 보완하기 위해서는 관련 기준 정비가 시급하다.

4.1 화재 시 인명안전을 위한 피난시간 분석

본 연구에서는 매자닌 구조물의 면적 변화에 따른 화재특성과, 가장 열악한 조건에서의 인명 대피 가능성을 정량적으로 분석하고자 한다. 일반적으로 매자닌의 면적이 확대될수록 적재량 증가에 따른 화재하중이 커지고, 그 결과 발생하는 유독가스량이 증가하여 화재 위험성이 가중된다. 또한 면적 확대는 피난 거리 증가를 초래하여 대피 소요시간이 길어지며, 특히 환기가 제한된 구조물에서는 연기가 급속도로 축적됨으로써 피난허용시간(available safe egress time, ASET)이 짧아지고 피난소요시간(required safe egress time, RSET)과의 격차가 심화될 수 있다. 이에, 본 연구는 화재 시뮬레이션을 통해 다양한 화재 시나리오를 선정하고, 그 중 인명안전 확보 측면에서 가장 위험한 상황을 도출하였다. 그 후 ASET과 RSET를 각각 산정하여 관계를 비교⋅분석함으로써, 매자닌 구조물의 화재안전성에 대한 체계적인 평가를 수행하는 것을 연구의 주요 목표로 한다. Figure 2에 ASET과 RSET의 관계를 나타냈다.

Figure 2

Comparison of evacuation safety between ASET and RSET.

4.2 피난 허용시간(ASET) 산정기준

피난 허용시간이란, 화재 발생 이후 실내 환경이 재실자에게 치명적인 영향을 미치기 전까지 안전하게 대피할 수 있는 최대 시간을 의미한다. 이는 화재로 인해 축적되는 열, 연기, 유독가스 등의 유해 요인이 특정 기준치를 초과하기까지의 시간을 정량적으로 산정한 지표로, 인명안전성 확보의 판단 근거로 활용된다. 국내에서는 ｢소방시설 등의 성능위주설계 방법 및 기준｣의 [별표 1]을 통해 ASET 산정의 기준 항목을 명시하고 있다(16). 주요 평가지표는 Table 2와 같으며, 아래 조건 중 하나라도 초과될 경우 해당 시점을 피난 허용시간의 종료 시점으로 간주하며, 해당 시점까지 재실자가 안전하게 대피를 완료해야 인명피해를 방지할 수 있다. 따라서 ASET은 화재 시뮬레이션 결과 해석에 있어 인명안전 확보 여부를 판단하는 기준으로 필수적인 요소이다.

Table 2

Life Safety Criteria for Fire and Evacuation Scenarios

4.3 피난소요시간(RSET) 산정기준

피난 소요 시간은 화재가 발생한 이후부터 재실자가 안전한 지점에 도달할 때까지 소요되는 총 시간을 의미한다. 본 연구에서는 RSET이 ASET보다 짧아야 피난 안전성이 확보되었다고 판단하며, 만약 RSET이 ASET을 초과할 경우 해당 조건하에서 인명 대피가 보장되지 않는 것으로 해석한다. 일반적으로 RSET은 다음과 같은 구성 요소들로 나뉜다(17).

5.1 모델링 기준 및 법적 근거

본 연구의 시뮬레이션 모델링은 매자닌 구조를 포함한 물류창고를 대상으로 수행하였다. 모델링 시 적용한 주요 기준은 다음과 같다. 먼저, 바닥면적은 ｢건축물의 피난⋅방화구조 등의 기준에 관한 규칙｣(18) 제 14조를 적용하여 스프링클러가 설치되어있는 창고로 가정 후 하나의 방화구획 크기인 3000 m²로 설정하였다. 내화구조 건축물로 가정하고 거실의 각 부분으로부터 직통계단까지의 거리를 50 m 이하가 되도록, 바닥 및 벽의 두께는 ｢건축물의 피난⋅방화구조 등의 기준에 관한 규칙｣(18) 제 3조를 적용하여 최소두께인 10 cm로 설정하였다. 매자닌 천장고는 랙의 높이를 3 m로 산정하고, NFTC 103에서 정한 스프링클러 공간 보유 거리 60 cm를 적용하되(19), 여유공간을 고려하여 1 m로 확대 반영하여 총 4 m로 설정하였다. 라살 자산운용에서 조사한 국내 창고의 평균 기둥 수평간격 11 m × 11 m를 참고하여(20), 시뮬레이션 단순화 및 표준화 목적에서 10 m × 10 m 수평간격을 설정 후 기둥 단면을 H빔 400 mm × 400 mm으로 설정하였다. 계단의 경우 현행법령상 창고시설 전용 계단 치수에 대한 구체적인 규정이 존재하지 않아, ｢주택건설기준 등에 관한 규정｣(21) 제 16조와 ｢건축물의 피난⋅방화구조 등의 기준에 관한 규칙｣(18) 제 15조를 참고하여 유효폭 150 cm, 단높이 15 cm, 단너비 30 cm의 계단을 적용하고, 높이 2 m 마다 유효폭 120 cm의 계단참을 설치하였다. 앞서 설명한 모델링 사항을 Figure 3에 나타내었다.

Figure 3

Modeling of battery storage warehouse.

5.2 시뮬레이션 시나리오 설정

본 연구의 모델링은 앞서 제시한 기준을 유지한 상태에서 매자닌 구조의 면적 비율을 주요 변수로 설정하였다. 매자닌 비율은 0, 1/3, 1/2, 2/3의 네가지 조건으로 구분하여 적용하였으며, 매자닌 면적 비율에 따라 적재가능한 배터리 양이 증가한다고 가정하여, 면적 비율과 비례해 배터리 적재량을 조절 후, 이에 따른 화재 강도와 연기 거동 특성을 비교⋅분석하였다. 시뮬레이션은 모든 화재안전시스템이 작동하지 않고 환기 조건이 확보되지 않은 보수적 상황을 가정하여 수행하였다. 가연물은 FM global에서 측정한 Li-ion 18650 format cylindrical cells의 화재 성장 곡선을 참조하였으며 해당 성장곡선은 Figure 4에 나타냈다(22). 배터리의 양극재는LiCoO₂이며, 공칭전압 3.7 V, 공칭용량 2600 mAh, SOC 40%, 단일 셀 무게는 47.2 g이다. 화재발생 전 실내온도를 20 ℃로 가정하였으며 시나리오 분석은 3층 규모 창고 건물의 2층을 대상으로 진행하였고 수치해석지점은 바닥면, 매자닌 2층, 매자닌 3층, 계단참, 계단실 입구로 정의하였다. 각 지점에서 인체 호흡선 높이(1.6 m)를 기준으로 온도, CO₂, CO, O₂농도 및 가시도를 산출하여 인체 피해 영향 인자를 평가하였다. 화재의 위치는 최악의 상황을 가정하여 2층 바닥 좌측부 계단과 인접한 영역에 위치한 랙 내부 1층에서 발화하는 것으로 설정하였다. 이는 수직 피난통로에 직접적인 위협을 가하고 상부 층으로의 화재 및 연기 확산 가능성이 높은 조건을 고려한 것이다. 이에 따라 화재와 인접한 L1, L2, L3 구간을 대상으로 시뮬레이션을 수행하여 최악의 조건에서의 화재거동과 연기 확산 특성을 분석하였으며, 해당 위치는 Figure 5에 나타냈다. 또한 본 연구에서 수행한 매자닌 비율별 모델링을 Figure 6에 나타냈다. 국내에서는 인명피해 최소화를 목적으로 화재가 약 8 min내에 최성기에 도달한다는 최성기 8 min 도달 이론을 근거로, 인명피해 최소화를 위해 소방차의 화재 현장 도착시간을 7 min으로 설정하고 있다(23). 이에 본 연구에서는 화재가 최성기에 도달하는 시점을 인명 및 구조 활동이 가장 어려운 최악의 조건으로 가정하였으며, 그 이후는 화재 규모가 안정되거나 진압이 개시되는 단계로서 추가 시뮬레이션의 의미가 낮다고 판단하여 전체 시뮬레이션 시간을 8 min (480 s)으로 진행하였다.

Figure 4

Li-ion 18650 format cylindrical cells HRR.

Figure 5

Slice and device locations.

Figure 6

Modeling based on mezzanine area.

5.3 격자민감도 설정

전산유체역학(CFD) 해석에서 격자 크기를 줄이면 이론적으로는 계산의 정확성이 향상되지만, 동시에 격자 수의 증가로 인해 연산량이 늘어나면서 수치적 오차가 발생할 가능성도 커진다(24). 따라서 격자크기를 적절한 수준에서 균형을 맞추는 것이 중요하다. 격자민감도에 관한 명확한 규정은 존재하지 않지만, NIST에서 발간한 FDS user’s guide에서는 NUREG-1824 검증 연구에서 사용된 D^*/Δχ값이 4~16의 범위였음을 제시하고 있으며, 이후 해당 수치가 실무적으로 격자 해상도를 설정하는 지침으로 널리 활용되고 있다(25). Δχ는 한 변의 격자 길이이며, D^*를 구하는 공식은 다음과 같다.

여기서 D^*는 화원의 무차원 특성직경, ρ_∞는 공기의 밀도, c_p는 공기의 정압비열, Q는 열방출률, T_∞는 온도, g는 중력가속도이다. FM글로벌에서 측정한 최대 열방출률 3,900 kW를 기준으로 계산한 D^* 값은 1.65 m로 계산되었으며, 0.2~0.4 범위에서 설정 가능함을 확인하였다. Caliendo 등(26)의 연구에 따르면, 셀 크기를 0.4 m와 0.2 m로 비교한 결과 오차율은 1%미만인 것으로 나타났다. 따라서, 시뮬레이션의 셀 크기를 0.4 m × 0.4 m × 0.4 m로 수행하였다.

6.1 화재 시뮬레이션

FDS 화재 시뮬레이션 결과를 바탕으로, 매자닌 면적 비율에 따른 온도, 가시도, 이산화탄소, 산소, 일산화탄소의 허용한계 도달시간을 Table 3에 제시하였다.

Table 3

Point of Reaching the Permissible Exposure Limit

온도의 경우, 매자닌 비율별 허용한계 평균 도달 시간은 각각 285 s, 282 s, 237 s, 244 s로 매자닌 면적 1/2에서 가장 빠르게 한계에 도달하였다. 또한 1/2 조건에서 t = 480 s에 L1, L2, L3지점의 온도는 각각 2,113 ℃, 2,172 ℃, 1,959 ℃에 도달하였다.

가시도의 경우, 평균 허용한계 도달시간은 각각 310 s, 324 s, 265 s, 276 s로 1/2에서 가장 빠르게 한계에 도달하였다. 1/2 조건에서 t = 480 s에 L1, L2의 가시도는 0.12 m, L3 지점은 0.14 m로 도출되었다.

이산화탄소의 경우 평균 허용한계 도달시간은 각각 455 s, 446 s, 422 s, 420 s로 2/3에서 가장 빠르게 한계에 도달하였다. 2/3 조건에서 t = 480 s에 L1, L2, L3지점의 %는 각각 12%, 12%, 10%로 나타났다.

산소의 경우, 평균 허용한계 도달시간은 각각 446 s, 426 s, 406 s, 394 s로 2/3 조건에서 가장 빠르게 한계에 도달하였다. 2/3에서 t = 480 s에 L1, L2, L3 지점의 %는 각각 0%, 0%, 3%로 도출되었다.

일산화탄소의 경우, 모든 측정 지점에서 480 s 내에 허용한계농도에 도달하지 않은것으로 나타나, 직접적 위험은 유의미하지 않은 수준으로 판단되었다.

비교 결과, 매자닌이 없는 경우 허용한계 도달 시간이 가장 길어 상대적으로 안전한 것으로 나타났다. 매자닌 면적이 1/3일때부터 위험도의 변화가 관찰되었으며, 특히 온도와 가시도의 경우 매자닌 면적이 1/2일때 가장 불리한 결과가 도출되었다. 반면, 이산화탄소와 산소의 경우에는 매자닌 면적이 2/3일때가 가장 빠르게 허용한계에 도달하는것으로 확인되었다. 1/2와 2/3의 허용한계 도달시간의 편차는 상대적으로 크지 않았으나, 면적이 확대됨에 따라 피난소요시간이 지연되는 경향이 보이므로 매자닌 면적이 2/3 일 때 가장 위험도가 높은 조건으로 해석하였다. 매자닌 면적에 따른 화재거동 및 연기확산을 160 s, 320 s, 480 s의 시점별로 시각화하여 Table 4에 나타냈다.

Table 4

Fire Behavior According to Mezzanine Area Ratio

가시화 결과를 통해 메자닌 면적 변화에 따른 화재 거동 및 연기 확산 특성의 차이를 확인하였다. 비교 결과, 매자닌이 없는 경우에는 연기 확산이 상대적으로 느리게 진행되어, 허용한계 도달 시점까지 시간이 가장 길게 나타나 전반적으로 가장 안정적인 조건으로 평가되었다. 반면, 매자닌 면적이 1/3인 경우부터 매자닌이 없을 때보다 연기 축적과 확산 패턴의 변화가 뚜렷하게 관찰되었으며, 특히 480 s에는 천장부 전역으로 화염 및 연기가 급격히 확산되어 플래시오버(flashover) 발생이 확인되었다.

매자닌 면적이 1/2과 2/3인 조건에서는 이미 플래시오버가 발생한 이후 구간이므로, 가시적으로는 1/3 조건보다 화염 강도가 다소 낮게 보이지만, 실제로는 공간 내 연기 농도가 높고 시계열 데이터에서도 확인되듯 허용한계 도달 시간이 더 빠른 경향을 보였다. 따라서 면적이 확대될수록 연기확산 및 축적이 가속화되어 인명안전 측면에서 불리한 결과로 이어짐을 확인하였다. 종합하면, 메자닌이 없는 경우 가장 안정적이고 1/2 이상일때의 조건에서 연기확산 및 가시성 저하가 가장 심화되는 양상이 나타났으며, 이는 온도 분석 결과와 일관된 경향을 보인다.

6.2 피난 시뮬레이션

가장 위험도가 높다고 해석한, 매자닌이 2/3 일때의 모델링에서 pathfinder를 이용한 피난 시뮬레이션을 진행하였으며, 전체 재실자 밀도는 NFPA 101에서 제시한 저장, 입하, 출하용 건물의 수용인원 기준인 1명/27.9 m²를 참고하였다(27). 이를 바탕으로 바닥면적 3,000 m²를 적용하여 약간 완화된 기준인 1명/30 m²로 산정하였으며, 그 결과 총 재실인원은 100명으로 설정하였다. 또한 재실자의 어깨넓이와 속도는 Pheasant와 Haslegrave(28)가 연구한 9개국 남녀의 어깨 폭 평균값 45.58 cm, SPEC 가이드의 보행속도 데이터인 1.19 m/s로 설정하였으며(29), 재실자는 공간적 편향을 최소화하기 위하여 무작위로 배치하였다. 재실자 전체 피난 소요시간은 169 s로 산출되었으며 약 5 s가 경과한 시점에서 재실자가 최초로 안전지대에 도달하였다. 본 연구에서 선정한 건물의 용도는 창고이므로 가이드라인에서 제시하는 W1 (경보) < 1, W2 (출발지연) = 3을 적용하여 RSET을 349 s로 산정하였다. 확인 결과 온도 및 가시도 는 모두 349 s 이내에 피난 허용 한계를 초과한 것으로 확인되었으며, 반면 산소와 일산화탄소, 이산화탄소 농도는 대피 가능 범위 내로 도출되었다. 따라서 본 대상 건물은 피난 안전성이 충분히 확보되었다고 보기 어려운 것으로 판단된다. 산출된 ASET과 계산된 RSET의 비교를 Table 5에 나타냈으며, 가장 먼저 허용 한계를 초과한 구간을 기준으로 시뮬레이션 결과를 Table 6에 제시하였다.

Table 5

Comparison of ASET and RSET

Table 6

Simulation Results with Two-Thirds Mezzanine Area