실험적 연구 번역(한국어 원본)한국은 최근 부산광역시 해운대구 초고층주상복합 건축물화재[1] 등 대규모 화재사고의 빈발로 인하여, 건축공간에서의 화재안전이 범국가적인 관심으로 고조되고 있다. 또한 토지이용의 제한 등으로 인해 건축물이 초고층화·복합화·대형화되어 감에 따라 대형복합 건축구조물이 출현하고 있다. 이러한 경향으로부터 한국은 건축공간 화재시 인명안전대책은 점점 더 어려운 상황에 직면하고, 화재로 인한 인명피해는 지속적으로 증가할 것으로 전망된다.[2].
이에 따라 한국은 건축구조물의 화재 및 피난안전을 목적으로 「PBD(Performance Based of Design)」,「화재영향평가제도」(2009년 시행)과 더불어,「초고층 및 지하연계 복합건축물의 재난관리에 관한 특별법」등 다수의 제도가 2012년 시행되고 있다. 이러한 측면에서 한국의 화재안전성능을 확보하는 방안은 건축구조물내의 화재성상을 보다 과학적으로 증명하고, 이를 이론화시킴으로서, 화재안전설계에 적용할 수 있는 방안이 필요하다.
건축물에 있어서 화재성상 예측은 가연물의 양·재질이나 노출표면적 등의 가연물특성에 크게 의존한다. 또한 화재실내의 가연물양은 공간의 용도나 사용목적에 의존하고, 가연물 노출표면적은 가연물의 종류나 수납형태에 의존하게 된다.
특히, 피난안전성설계 및 평가에 중요한 인자로서, 초기화재성상에 필요한 가연물특성으로서는 화재성장율(화재확대속도), 단일가연물의 최대발열속도, 가연물간의 이격거리(가연물의 분포상황), 천정·바닥 등 고정가연물의 연소확대 등이 필요하다. 이 중 화재성장율은 [kW/s2]을 사용하여, 으로 표현되는 것이 일반적이다. 화재성장율는 가연물의 양·재질, 배치상황 등과 밀접한 관계가 있다.
한편, 한국의 기존연구는 건축구조물의 성능적 내화설계법의 도입을 위해 화재하중[kg/m2]을 용도별로 조사하는 연구가 주를 이루었다[3][4]. 하지만 전술한 PBD는 건축물의 종합적인 화재안전설계를 실시하는 것으로서, 기존연구만으로는 초기화재성상을 파악하기 힘들다. 실제로 피난안전설계에 필요한 초기화재성상을 파악하기 위해서는 화재성장율에 따른 발열속도예측이 중요하다. 이 경우 용도별로 화재성장율, 노출표면적, 가연물배치상황 등을 조사하기 위해서는 기준이 될 수 있는 모델이 필요하며, 실태조사는 시간적으로 한계가 있어 이에 대한 간략화된 조사방법이 필요할 것으로 판단된다.
국외의 경우 화재성장율에 기인하는 노출표면적에 대해 Harmathy[5]는 가연물의 중량과 표면적에 관계에 대해 식을 제안하였으며, 이 후 ABURANO[6]는 가연물량과 표면적의 실태조사를 통하여, 회귀식을 제안하였다. 특히 MATSUYAMA[7]는 가연물특성의 실태조사를 통해 기존 가연물조사의 회귀식을 검토하였으며, 조사의 간략화 방법의 제안 및 검증, 이를 통한 성능적 화재안전설계에 이용가능한 화재성상 모델을 구축하는 연구가 진행되었다.
반면 가연물특성은 국가마다 배치유형 및 화재성장율 등의 차이가 있어, 국내의 실정에 적합한 가연물 실태조사의 분석 및 화재성장율 예측 등에 관한 연구가 필요하다. 따라서 본 연구는 국내에서 가장 많은 화재건수를 보유한 주거시설을 대상으로 가연물조사를 실태조사를 실시하여 단위세의 배치모델을 도출하였으며, 이를 토대로 실규모실험(ISO-9705)를 통해 초기화재성상의 변화를 살펴보았다. 또한 MATSUYAMA[7]의 화재성장율 예측방법에 대해 비교하여 고찰하고, 한국의 실정에 적합한 화재안전설계의 기초자료를 제시하고자 한다.
2. 가연물 실태조사 및 배치표준모델
2.1 가연물 조사방법
Fig.1은 본 연구의 가연물조사방법을 나타낸 것으로서 공간특성과 가연물특성, 개구부특성으로 구분하여 조사를 실시하였다. 각 특성별로 산출된 값은 노출표면적 값을 산출하기 위한 주거모델링 작업에 활용되었으며, 공간특성의 값을 산출하기 위해 용도에 따라 사용되는 실을 기준으로 면적과 천장높이를 측정하였다. 각 가연물의 화재하중 및 재료의 연소열[MJ/kg]에 따른 총발열량[MJ] 및 면적당 발열량[MJ/m2]은 AIJ의 재료의 연소열[8]을 이용하였다. 실태조사의 대상물은 66~11.54m2 의 규모(주거시설 규모별 최대도수분포:56.6%)[9]에 해당되는 총 10세대를 선정하였다. |
실험적 연구 번역(영어 번역본)Due to frequent occurrence of large-scale fire in Korea such as the recent fire in high-rise complex in Haeundae-gu, Busan [1], interest in fire safety in buildings has extended nationwide. Also, number of large complexes are increasing as buildings are becoming taller, hybridized, and larger due to limitation of available land. Due to this trend, personnel safety is becoming more problematic in case of fire in buildings, and human loss due to fire is expected to continue to increase [2].
Accordingly, various legal systems for fire and evacuation safety are in enforcement in 2012 in Korea, including 「PBD (Performance Based Design)」, 「Fire Impact Assessment Regulations」(enforced in 2009), and「Special Law for Emergency Management in High-rise and underground-connected complexes」. To secure fire safety performance, fire behavior inside buildings must be scientifically described and systemized as a theory, thereby allowing application to fire safety design of buildings.
Fire behavior prediction in buildings largely depends on properties of combustibles such as the quantity, material, or exposed surface area of the combustible. Quantity of combustibles depends on the purpose of the space, and exposed surface area of combustibles depends on the type of the combustibles and the form of their storage.
Properties of combustibles, which are important factors for design and evaluation of evacuation safety, include fire growth rate (fire spread speed), maximum heating rate of a single combustible, separation distance between combustibles (distribution of combustibles), and expansion of combustion of fixed combustibles such as ceiling and floor. Of these, fire growth rate is generally expressed as using [kW/s2]. This parameter is closely related to the quantity, material, and distribution of combustibles.
At the same time, existing studies in Korea has focused on researching fire load [kg/m2] for various purposes in order to introduce performance based design for fire resistance of buildings [3][4]. However, such PBDs are overall appraisal of fire safety design of buildings and do not provide insight into early fire behavior. In order to identify early fire behavior required for evacuation safety design, prediction of heating rate according to fire growth rate is required. In this case, a reference model is required for the investigation of fire growth rate, exposed surface area, and layout of combustibles for various purposes. Due to time limitation of survey, a simplified investigation method would be required.
Internationally, Harmathy [5] proposed an equation for relationship between the weight of combustible and the exposed surface area, and Aburano [6] proposed a regression equation through survey of the quantity of combustibles and the surface area. Especially, Matsuyama [7] evaluated regression equation of existing combustible studies by surveying combustibles properties. In this study, Matsuyama proposed a method for simplification of survey, verified the method, and established a fire behavior model that can be used for performance based design of fire safety.
Because combustibles properties such as layout characteristics and fire growth rate are different for each country, a study on combustibles survey and prediction of fire growth rate is required for domestic circumstances. Therefore, in this study, a survey of combustibles was performed for residential buildings, which is most frequently affected by fire in Korea, was performed to produce a layout model for residential unit. This model was used to perform a full-scale test (ISO-9705) to examine changes in initial fire behavior. Also, method for predicting fire growth rate by Matsuyama [7] was compared and analyzed, and fundamental data for fire safety design appropriate to circumstances in Korea is provided.
2. Survey of combustibles and layout reference model
2.1 Method for combustibles survey
Fig. 1 shows method for combustibles survey in this study. The survey was divided into spatial characteristics, combustibles properties, and characteristics of openings. Values obtained were used for residential modeling performed to calculate exposed surface area. To calculate values for spatial characteristics, area and ceiling height were measured for rooms for each purpose. Heat of combustion of materials by AIJ [8] was used for fire load of each combustible, total
heat release rate [MJ] for heat of combustion of material [MJ/kg], and heat release rate per unit area [MJ/m2]. 10 residential units were selected for the survey, which corresponds to 66~11.54m2 (maximum frequency distribution for each size of residential building: 56.6%) in size [9]. |
