A Study on the Application Scheme of Fire Identification Considering the Heat Release Rate Characteristics of Inflammable Material

ISSN: 1738-7167

DOI: http://dx.doi.org/10.7731/KIFSE.2014.28.6.052

가연물의 발열량 특성을 고려한 화재감식 적용방안에 관한 연구

강정기 · 오진희 · 유우준* · 유홍선** · 최돈묵***

^†

대검찰청, *한국소방산업기술원, **중앙대학교, ***가천대학교

A Study on the Application Scheme of Fire Identification Considering the Heat Release Rate Characteristics of Inflammable Material

Jung-Ki Kang · Jin-Hee Oh · Woo-Jun You* · Hong-Sun Ryou** · Don-Mook Choi***

^†

Supreme Prosecutors’ Office

*Korea Fire Institute of Industrial & Technology

**Dept. of Mechanical Engineering, Chung-Ang University

***Dept. of Fire & Disaster Protection Engineering Graduate School, Gachon Univ.

(Received November 20, 2014; Revised December 5, 2014; Accepted December 7, 2014)

요 약

본 연구는 건축 구조물의 방화 등으로 인해서 발생한 가연물의 연소현상을 분석하여 화재발생 시점을 예측하기 위한 기초 방안을 제시하였다. 이를 위해서 계단실 화재사고 사례로부터 가연물을 인터폰 개별현관기(이하 ‘인터폰’으로 표시) 로 선정하고 룸코너시험기(room corner test equipment)에서 화재실험을 실시하여 시간 변화에 따른 발열량을 산출하였 으며, 화재시뮬레이션 프로그램인 fire dynamics simulator (FDS)를 사용하여 화재성상 변화에 따라서 발화지점 하층부 로 연기가 유입되는 시간을 비교하였다. 그 결과 가연물이 ABS 재질로 구성된 인터폰은 계단실 총 체적 공간 291.3 m

, 바닥면적 23.3 m

, 층간 높이 2.5 m인 경우 발화원의 열 유속 및 환경 조건에 따라서 최대 4.93배 정도 연기 유입 시간이 차이가 나는 것을 확인하였다. 본 연구는 가연물의 열화학적 특성 변화를 고려한 실험 자료를 해석모델에 적용하 여 화재감식을 분석적으로 판단하는데 유용한 자료가 될 것으로 사료된다.

ABSTRACT

The present study suggests the fundamental method for the prediction time of the fire origin by analyzing the combus- tion phenomenon of inflammable material in the building structure. The heat release rate (HRR) with time variant is eval- uated for the interphone as a inflammable material, which is opted from the fire incidents in the stairwell. the fire dynamics simulator (FDS ver. 6.1) is applied in order to analyze the difference of the smoke inflow time to the downstair from the fire event area with various fire pattern. The results show that the maximum inflow time difference for the case of the interphone made from ABS materials is about 4.93 times with the input conditions of heat flux values and the envi- ronment in the FDS for the fixed stairwell which composed of total volume 291.3 m

, floorage 23.3 m

and the height of each floor 2.5 m. This research can be practical information for the application method of simulation scheme with experi- mental data to the fire Identification.

Keywords : Fire identification, Heat release rate, Smoke inflow time, Inflammable material of ABS, Fire dynamics simulator

1. 서 론

방화로 인해서 발생한 화재는 정황만으로 최초의 발화 지점을 예측하기 어려울 뿐만 아니라 주변의 환경 조건에 따라서 화재성상이 달라질 수 있기 때문에 화재감식을 위 해서는 과학적이고 신뢰성 있는 분석 방법이 요구된다^(1-3). 이러한 접근 방법을 위해서는 화재로 인한 물리적 현상에

대해서 재현 실험을 수행하거나 정량화된 기존 연구 사례 를 분석하여 화재감식에 활용하기 위한 방안이 필요하다.

국내의 경우 화재감식에 관한 분석적인 연구 사례로는 Choi et al.⁽⁴⁾은 연료와 산화제가 화염경계층 내부에서 혼 합되는 확산화염의 현상을 분석하여 에어컨 실내기에서 연소 잔류물에 의한 발화원인을 규명하기 위한 실험적 연 구를 수행하였으며, Jin et al.⁽⁵⁾은 식용유 화재원인을 감식

†

Corresponding Author, E-Mail: [email protected]

†

TEL: +82-31-750-5716, FAX: +82-31-750-8749

하기 위해서 연소 하한계와 상한계의 물리적 성질을 분석 한 후 연소실험을 실시하여 온도제어장치 설치 등에 의한 식용유 화재 감지 방안을 제시한바 있다. Lee et al.⁽⁶⁾은 비 닐 캡 타이어 전선을 모델로 하여 맥스웰 응력법을 적용하 여 과전류로 인한 전기화재 감식에 관한 기초 자료를 제시 한 바 있다. 하지만, 현재까지의 국내 연구 자료에 따르면 가연물이 연소함에 따라서 발생되는 발열량을 산출하여 화재성상을 분석하고 화재해석 조건에 적용하여 해석 결 과에 의해서 화재감식을 수행한 사례는 현저히 부족한 상 태이다. 특히, 해석모델을 사용하여 실제 화재가 발생한 상황을 재현하기 위해서는 주변의 환경과 경계 조건 및 가 연물의 열화학적 특성 등이 정확히 반영되어야 하지만, 예 고 없이 발생된 화재에서 주변 상황에 관한 정확한 수치를 얻는 것은 한계가 있다. 이러한 경우 가연물의 열화학적 특성이 제대로 반영되지 않은 해석결과는 방화에 의해서 발생한 화재를 감식하는데 잘못된 결과를 초래할 수 있으 며, 이는 해석모델의 신뢰성을 낮게 인식할 수 있는 주요 원인이 될 수 있다.

본 연구는 건축 구조물의 계단실 3층에서 방화로 인해 서 화재가 발생한 사례를 분석하였다. 그 이유는 3층에서 화재가 발생한 후 2층에서 최초 목격자가 약 12분 후에 인 지한 실제 사례를 통하여 상층부인 4, 5층에 연기가 가득 찬 이후 하층부인 2층 천장까지 연기가 도달하는데 소요 되는 시간을 예측할 필요가 있기 때문이다. 이를 위해서

Figure 1. Schematic diagram of building structure.

Table 1. Thermo-Chemical Properties of ABS Material⁽⁷⁾

Irrad. (kw/m²) O₂ (%) Q (kW) m″ (g/m²s) Y (CO) Y (CO₂) Y (S) σf m²/g Peak CO ppm φ

30 21.0 6.4 20 0.057 2.4 0.135 1.03 1990 0.29

30 17.0 5.0 16 0.087 2.3 0.112 0.94 2000 0.22

30 14.0 2.4 9 0.122 1.9 0.159 0.96 1530 0.11

20 21.0 5.6 18 0.056 2.4 0.125 0.91 1900 0.25

20 17.0 4.1 14 0.087 2.3 0.123 0.85 1970 0.18

20 15.2 2.8 10 0.104 2.0 0.148 0.90 1440 0.12

가연물이 ABS 재질로 구성된 인터폰의 화재성상과 발열 량의 상관관계를 실험적으로 분석하고 화재해석 프로그램 인 FDS를 사용하여 인터폰의 열화학적 특성 중 발열량 및 환기조건 변화에 따라서 연기하강 시간의 차이를 계산하 였으며, 화재감식에 적용하기 위한 방안을 분석하였다.

2. 본 론

2.1 화재사례

건축구조물에서 화재의 종류는 전기, 유류, 가연성 인화 물 등이 있으며, 본 연구에서는 계단실에 비치되어 있는 인 터폰에서 화재가 발생한 사례를 분석하였다. 점화 방식은 라이터로 인터폰에 열을 가하는 방식으로, 구조물의 형상 은 Figure 1과 같은 바닥면적을 갖고 있으며 5층으로 구성 된 계단실 3층에서 화재가 발생한 경우이다. 사건 당시 신 고자는 2층에 연기가 유입되는 것을 확인한 시점 이후이며, 쟁점사항으로는 인터폰에 점화가 발생한 시점부터 연기가 형성되어 4, 5층 공간에 연기가 상승한 후 하층부인 2층으 로 연기가 유입된 시간으로 정하였다. 인터폰의 재질은 전 자 부속품을 제외하면 약 95% 정도가 ABS로 구성되어 있 으며, 열화학 특성을 Table 1의 표로 나타내었다⁽⁷⁾.

2.2 화재감식판단기법

화재감식은 발화부터 연소 확대까지의 과정을 과학적으

로 설명하는 방법 또는 기술로써 객관적으로 입증된 사실 과 재현이 가능한 실험을 내포하고 있다⁽⁸⁾. 본 연구의 경 우 화재감식을 위한 판단기법으로 Figure 2와 같이 현장조 사(field investigation) 후 증거물 수집 및 진술내용 등을 근거로 하여 화재의 원인을 가연물인 인터폰에 의한 발화 로 구분하고, 쟁점사항(issue)인 2층에서의 연기하강 시점 을 판단하는 것으로 접근방법을 인터폰의 화재특성(fire characteristics)과 연기거동(smoke movement)으로 선정하 였다. 인터폰은 ABS 재질로 문헌에 있는 열화학적 물성 값을 사용하였으며, 재현실험을 진행하면서 영상녹화로 연 기의 생성량과 화재패턴을 기록하고 발열량을 측정하였다.

이러한 문헌조사 및 재현실험을 통해서 분석한 자료를 화 재시뮬레이션 프로그램에 적용하여 3층 계단실 발화지점 에서 연기가 발생하였을 때 하층부에 연기가 유입되는 시 점을 계산하여 화재감식을 위한 판단기법으로 적용하였다.

2.3 실험장치구성

Figure 3은 인터폰의 화재성상을 분석하기 위해서 사용 한 RCT 구조로 ISO 9705 규격에 의해서 제작한 구조물 (3.6 m × 2.4 m × 2.4 m), 연소가스 포집 후드, 덕트, 집진설 비, 가스포집장치 등으로 구성되어 있으며, 점화 위치를 왼쪽과 가운데(Test 1, 2)로 하여 화재실험을 수행하였다.

인터폰이 연소하면서 발생되는 열량은 식 (1)과 같은 산소 소모법을 적용하였으며, Table 2에 본 연구에서 사용한 계 측장비 사양을 나타내었다.

(1)

여기서 , ΔHc, , φ, X⁰, α, 그리고 MW은 각각 발

열량, 연소엔탈피, 배기 질량유량, 산소소모지수, 초기상태 의 몰분율, 화학적 팽창계수 그리고 분자량을 의미하며 하 첨자 O2와 air는 산소 그리고 공기를 의미한다^(9-11).

2.4 화재실험

Figure 4은 인터폰의 점화위치가 가운데 지점(Test 1)인 경우 연소시간이 진행됨에 따라서 화재가 성장하는 형태 를 보여주고 있다. 점화시간은 라이터에 의해서 10초 이상

Q· = ΔH_{c O, 2}m·

e

1 + φ α − 1( )

---φ 1 − X( _H^o_2O)X_O^o₂MW_O

2

MW_air ---

Q· m·

e

Figure 2. Flowchart for the fire identification.

Figure 3. Experiment apparatus and the fire origin of test sample (Interphone).

Table 2. Specification of Experiment Apparatus Measurement Specification Duct differential

pressure pressure · Output: 4~20 mA, Range: 0~1245 Pa Duct temperature · K-Type Wire, Range: -200~1,000^oC Gas analyzer · Output: 4~20 mA, Range: O₂ 20.95%,

CO₂ 8%, CO 0.8%

Laser · Output: 0~8.4 mV, Range: 0~100%

Calculation factors

· Duct diameter: 0.4 m, Reynolds cor- rection factor: 1.08, Chemical expan- sion coefficient 1.10

Figure 4. Experiment of interphone fire.

이 되어야 충분한 열원이 인터폰에 가해지는 것을 확인하 였으며, 그림에서 보듯이 인터폰은 점화시점부터 지속적으 로 연기가 발생하였으나 초기 연기 발생량은 매우 미미한 정도였다. 그 이후 인터폰 표면 전체에 화염이 확산되고 부속품 일부가 바닥으로 떨어지는 시점인 약 5분 30초 정 도를 기준으로 하여 연소 표면적이 증가하면서 연기 발생 량이 급격히 증가하였다.

Figure 5는 인터폰이 연소하면서 발생한 열량을 시간변 화에 따라서 산출한 결과로 Test 1은 약 6분 40초, Test 2 는 약 10분 20초를 전후로 하여 발열량이 급격히 증가하 는 것을 확인할 수 있다. 특히, Figure 4에서 인터폰이 발 화한 이후 연기 발생량이 증가한 시점과 Figure 5의 왼쪽 그림(Test 1)에서 발열량이 급격히 증가한 시점이 동일한 것을 확인할 수 있으며, Test 1과 Test 2의 반복 실험 결과 대기시간 1분을 제외하면 인터폰 화재 시 최대 발열량은 약 (12 ± 1.0) kW, 총 발화시간 15분 이상으로 본 연구에 서 사용한 인터폰의 경우 최소 약 5분 40초 이상의 시간이

지속되어야 열에 의해서 부속품의 일부가 분리되는 것을 확인할 수 있다. 그림에서 초기 연소가 시작되는 구간의 발열량이 나타나지 않는 이유는 실험장비의 규모대비 측 정범위가 작기 때문이며, 본 연구의 경우 최대 측정값을 기준으로 하여 ± 1.5 kW 정도의 편차가 나타났다.

2.5 화재해석

Figure 6은 구조물의 형상(왼쪽)과 격자구성(오른쪽)을 보여주고 있으며, 격자의 크기는 Grid Test를 수행하여 최 종 x, y 방향 10 cm로 선정하였으며, 주요 관심 방향인 연 기의 상승축인 z는 5 cm로 조밀하게 하여 총 84만 개의 격자를 구성하였다.

Table 3은 Figure 6과 같은 구조물에 대해서 주거 공간 등으로 누설틈새가 없는 경우 가연물의 발열량 및 상층부 환기조건 변화에 따른 해석조건을 보여주고 있다. Case 1 과 Case 2는 각각 Test 1과 Test 2의 실험값을 적용하였으 며, Case 3은 13 kW의 발열량을 일정하게 주었고 Case 4 Figure 5. Experiment results of heat release rate (Left Test 1, Right Test 2).

Figure 6. Configuration of the building structure for fire identification.

와 Case 5는 5층의 창문이 0.32 m² 개방된 상태에서 Test 1과 Test 2의 발열량 측정값을 입력하였다.

Figure 7은 인터폰 화재 시 2층 천장에서 계단실 상부로 연기가 유입되는 가시도 분포를 보여주고 있다. 그림에서 보듯이 인터폰의 발열량 실험값을 적용한 Case1, 2의 경 우 모두 2층 상부에서 연기가 유입되는 시점을 기준으로 하여 가시도 크기가 급격히 줄어드는 것을 확인할 수 있으 며, 사건의 진술내용을 근거로 하여 가시거리 15 m일 때 천장에 연기분포가 형성되어 목격자가 화재를 감지할 수 있는 크기로 정하였다. 그 결과 Test 1과 Test 2의 실험값 을 적용한 Case 1과 Case 2는 각각 10분 40초, 13분 10초

정도가 소요되며, 시간 변화에 따라서 soot density로 Figure 8에 나타내었다. Case 3은 13 kW의 최대 발열량 이 계속하여 발생하기 때문에 2분 20초 이후 2층에 연기 가 유입되는 것을 확인할 수 있다. 이러한 결과는 해석조 건에서 연소현상을 고려한 Case 1, 2와 4.93배 정도 차이 가 나는 것을 확인할 수 있다. Case 4와 Case 5는 5층의 창문이 개방된 상태에서 Test 1과 Test 2의 발열량 측정값 을 해석조건에 적용한 결과로 각각 17분 20초와 21분 50 초에 연기가 유입되었으며, Case 1과 Case 2의 평균 시간 보다 최대 1.61배 정도 시간 차이가 발생하는 것을 확인할 수 있다.

2.6 화재감식

Test 1의 실험결과를 시뮬레이션에 적용한 Case 1 (Test 1)의 경우 10분 40초, Case 2 (Test 2)의 경우 약 13분 10 초가 지나서 4층과 5층으로 연기가 충분히 확산된 후 2층 으로 연기가 하강하는 것을 예측할 수 있다. 특히, 해석조 건은 1층에서부터 5층까지의 계단실 체적 공간 내에서 누 설틈새가 존재하지 않는 것을 가정한 것으로 실제 실험보 다 연기의 하강속도가 더욱 빠른 조건에 해당하며, FDS의 해석결과는 약 15% 정도의 오차를 갖고 있으므로 Test 1 과 Test 2의 실험 자료 및 해석결과로부터 최종 2층으로 연기가 하강된 시점은 오차범위 ±1분 45초 정도에서 약 11분 55초로 판단할 수 있다. 따라서 본 연구의 결과에서 목격자의 신고 시간에서부터 화재가 발생한 시점을 판단 하는데 해석적인 접근이 가능한 것으로 사료된다. Table 4 는 본 연구의 결과를 요약한 것으로 인터폰이 라이터에 의 Table 3. Numerical Conditions with Various Geometry and HRR

Case study Input values Geometry condition

Case 1 Experiment data HRR (Test 1) All closed Case 2 Experiment data HRR (Test 2) All closed Case 3 Fixed value of 13 kW All closed

Case 4 Experiment data HRR (Test 1) 5th Floor window opened, 0.32 m² Case 5 Experiment data HRR (Test 2) 5th Floor window opened, 0.32 m²

Figure 7. Visibility VS. ignition time (Case1~Case5).

Figure 8. Results of soot density (Case 1 and Case 2).

해서 발화하기 위해서는 최소 10초 이상 가열해 주어야 하며, 총 연소시간 15분 이상으로 인터폰의 부속품이 분리 되어 연기가 급격히 발생하는데 최소 5분 이상의 시간이 필요하고 2층의 목격자가 화재를 인지할 수 있는 시간은 10분 10초에서 13분 40초 정도임을 분석하였다.

3. 결 론

본 연구에서는 건축 구조물의 계단실 3층에서 방화로 인해서 화재가 발생한 후 2층의 최초 목격자가 약 12분 후 에 화재를 인지한 사례를 감식하기 위한 해석적 연구를 수 행하였다. 이를 위해서 가연물인 인터폰의 주요 성분인 ABS 재질의 열화학적 특성을 조사하여, 점화위치에 따른 발열량을 측정하였으며, FDS 해석모델을 사용하여 연기 의 하강 시간을 분석하였다. 그 결과 화재감식을 위한 다 음과 같은 연구 자료를 구축하였다.

첫째, 인터폰의 점화 조건에 따른 화재실험 결과 인터폰 이 발화하는 시간은 약 15분 이상이며, 평균 최대 발열량 약 (12 ± 1.0) kW로 나타났다. 특히, 인터폰이 발화한 이 후 약 5분 40초 이상의 시간이 지속되어야 열에 의해서 부 속품의 일부가 분리되었으며, 연소 표면적이 증가하여 연 기 발생량과 발열량이 급격히 증가하는 것을 확인하였다.

둘째, 3층에 설치되어 있는 인터폰이 연소함에 따라서 발생한 연기가 2층으로 하강하는데 소요되는 시간을 구하 기 위해서 발열량 산출 결과(Case 1, 2)를 FDS에 적용하 여 화재해석을 수행하였다. 그 결과 상층부의 연기를 2층 의 목격자가 판단할 수 있는 시점은 오차범위 ± 1분 45초 에서 약 11분 55초 정도 소요가 되는 것으로 판단된다.

셋째, Case 3과 같이 13 kW의 최대 발열량이 연속하여 발 생하는 해석 조건을 가정한 경우 2층의 연기하강 시점은 2 분 30초 정도로 Case 1, 2에 비해서 최대 4.93배 정도의 시 간차이가 발생하였으며, 구조물의 5층 창문이 개방된 Case 4, 5는 연기하강시간이 최대 1.61배 정도 차이가 발생하였다.

해석모델을 사용하여 방화로 인한 화재를 정확하게 재 현하는 것은 사건 발생당시 주변의 환경, 경계조건 및 가 연물의 열화학적 특성 등이 정확하게 반영되어야 하기 때 문에 어려운 문제로 인식될 수 있다. 하지만, 본 사례와 같 이 가연물의 발열특성을 측정하여 해석모델에 적용하고 화재현상을 분석한 결과는 화재감식을 과학적으로 접근하 기 위한 중요한 기초 연구 자료가 될 것으로 사료된다.

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Table 4. Analysis Results for Fire Identification

Issue for fire identification Results of analysis Evidence documents

Ignition time ~10 s Video recording (Not attached), Figure 4

Combustion time ≥ 15 min Figure 4, Figure 5

Increasing time of smoke Minimum 5 min Video recording (Not attached), Figure 5 2nd Floor inflow time 10 min 10 sec~13 min 40 sec Figure 7, Figure 8