▲삼성건설 건축기전팀/기술기획파트 권순평 과장(소방기술사/미국소방기술사)

1. 화재시나리오 예
이번 연재는 화재시나리오를 작성하는 참고서적 중의 하나인 nfpa 101(life safety code)과 nfpa 5000(building construction and safety code)에서 제시하는 8개의 시나리오 타입에 대한 소개와 각각의 의미에 대해 설명하는 것으로 시작하기로 한다.
 
상식적으로 생각해보아도 화재는 어떤 전형적인 장소에서 발생하고 또한 일정한 형상을 띠는 것이 아니라 무수히 많은 다양한 원인과 형태 그리고 결과를 갖는 현상이다. 그러므로 경험 많은 전문가에 의한 체계적 고려에 의한 화재시나리오 선정이 아닌 비전문가가 별(?) 생각 없이 아무렇게나 고른 화재시나리오는 대상물의 화재 안전을 심도 있게 다루는 선택이 될 수 없는 것이다.
 
이러한 이유 등으로 해서 nfpa에서는 최소한 시나리오 8개 정도를 선택하는 것을 심도 있는 화재안전평가를 위한 일반적인 가이드로 삼고 있으며, 프로젝트의 규모와 목적에 따라서 전문가의 판단에 의해 iso에서 제안하는 바와 같이 최소한 2개 까지는 화재시나리오 수를 고려하는 것을 추천하고 있다.
 
[iso/tr 13387-2:1999(e)]. 물론 최소한 2개의 화재시나리오로는 예상되는 화재시나리오 중에 가장 피해 정도가 클 것으로 생각되는 최악의 경우(worst case)와 가장 빈번하게 일어나리라고 예상되는 사고(most likely case)에 대한 것을 다루는 것이 타당할 것이다. 그러면 여기서 nfpa 101(life safety code)과 nfpa 5000(building construction and safety code)에서 제시하는 8가지 화재시나리오에 대한 간략한 소개를 해보기로 한다.
 
1)시나리오 1
 
건물 용도, 사용자 중심의 일반적인 화재시나리오로 건물 사용자의 성격, 사용자수와 장소, 고려대상이 되는 실내의 크기, 가구, 실내의 내용물, 연소 가능한 물질들의 특성, 환기조건(ventilation condition), 발화물 위치 등과 같은 일반적인 내용을 다룬다.
 
< 예> “health care 센터(병원, 요양소 등)에서 환자들이 사용하는 방안에 있는 네 개의 침대 중 한 개의 침대에서 화재가 발생, 문은 개방된 상태이고 환자들이 수면상태에 있는 야간에 화재가 일어 났으며 병원 스텝들은 야간 당직 중이었음” 등과 같은 일반적인 내용을 다루는 시나리오 이다.
 
2) 시나리오 2
 
초기 피난을 가정하고 화재발생 시 내부 문들은 개방되어 있으며 아주 빠른 화재성장이 가능한 상황에 초점을 맞추는 시나리오임. 이 시나리오는 화재 시 이용 가능한 피난방법의 수가 점차적으로 줄어드는 현상을 예상해 보는데 의의가 있다.
 
< 예> 시나리오의 예로서 복도 등과 같은 피난동선에 급격히 연소가 확산되는 물질이 쌓여 있거나 리모델링 등을 위한 건축재료와 같이 화재가능 연소위험물이 제공된 상황에서, 가솔린과 같이 급격히 화염이 확산될 수 있는 가연물이 관련되어 아주 빠른 진행을 일으킬 수 있는 화재로 인해 이용 가능한 피난루트의 수가 줄어드는 화재를 예로 들 수 있겠다.
 
3) 시나리오 3
 
사람이 상주하지 않는 실에서 발생하지만 잠재적으로 넓은 공간에 있는 많은 재실자에게 위협이 될 수 있는 화재를 고려한 시나리오임, 즉 이 시나리오는 건물 내 재실자가 없는 곳에서 화재가 발생하여 잠재적으로 많은 재실자를 가지고 있는 공간으로 부지불식간에 전파되는 경우에 초점을 맞춘다.
 
<예> 시나리오의 예로서 빌딩 안에 많은 재실자가 거주하는 공간과 근접하여 위치한 창고에서 화재가 발생한 경우를 들 수 있다. 초기 화재발생 지점은 높은 화재하중을 가지고 있으며 화재 성장속도도 빠른 경우로 가정한다.
 
4) 시나리오 4
 
많은 사람들이 거주하고 있는 규모가 큰 공간에 인접해 있는 벽 속이나 천정 안의 덕트 등과 같이 평상 시 눈에 뛰지 않는 공간에서 화재가 발생하는 상황을 다룬다.

이 시나리오는 화재 감지기가 없는 곳이나 화재 진압시스템이 없고 잠재적으로 아주 많은 재실자가 있는 곳으로 전파가 가능한 곳에서 화재가 발생한 경우에 초점을 맞춘다.
 
<예> 아트리움과 같은 대공간과 같이 많은 사람들이 있을 수 있는 곳에 인접한 천장의 덕트 공간과 같은 숨겨진 공간에서 발생하는 화재를 예로 들 수 있다. 이 시나리오에서 화재는 주로 눈에 보이지 않는 인화성 물질, 예를 들어 전선이나 케이블 인슐레이션 등과 같은 곳에서 발생하는 것으로 가정될 것이다.
 
5) 시나리오 5
 
많은 거주자가 있는 곳으로부터 매우 인접한 곳에서 발생한 화재나, 소방 시설의 영향범위에 들어가지 않는 곳에서 발생하는 화재를 고려한다.

즉 상대적으로 소규모로 시작된 화재이지만 매우 위험한 상황을 초래할 수 있는 경우에 대해 초점을 맞춘다.
 
6) 시나리오 6
 
대상빌딩의 일반적인 사용 특성과 관련이 있으며 매우 큰 화재하중(fire load)으로부터 야기되는 아주 심각한 화재, 즉 화재크기 및 심각도(fire severity)가 매우 큰 화재를 고려한다. 이 시나리오는 재실자가 있는 공간에서 아주 빠르고 크게 성장하는 화재에 대해 초점을 맞춘다. 대구지하철 화재와 같은 경우가 실제사례라 할 수 있을 것이다.
 
<예> 화학공장이나 위험물을 다루는 생산현장 또는 매우 큰 화재하중(fire load)을 가진 집회장소 등에서 발생하는 화재임. 화재 발생시 외부로 통하는 문은 닫혀 있다고 가정하여 연기 등 유독가스 피해가 가장 심각한 상황을 가정한다.
 
예를 들어 일반 거실과 같은 비교적 소규모 공간에서 대형소파에서 발생한 화재 또는 대형백화점과 같은 큰 소매점에서 급격히 연소가 될 수 있는 인화성 물체 더미에서 발생한 화재 등이 예가 될 수 있다.
 
7) 시나리오 7
 
이 시나리오는 거주공간에서 떨어진 곳에서 발생하여 위험대상이 되는 구역으로 화재가 성장하여 그 결과 피난로를 막거나 또는 피난불가능 조건을 만들 수 있는 화재에 초점을 맞춘다.
 
8) 시나리오 8
 
일반적인 공간에서 발생하지만 능동적(active), 수동적(passive)인 소방시설이 제대로 작동하지 않는 경우에 발생하는 화재로서 소방시설물의 완벽하지 않은 신뢰성(reliability)에 대해 대비하는데 초점을 맞춘 시나리오임.
 
2. 설계화재(design fire)
 
화재시나리오 선정 다음으로 설계화재의 적절한 고려, 즉 화재크기의 올바른 선정은 화재의 위험을 평가하고 대응방법을 선정하는데 있어서 매우 중요한 요소이다. 만약 설계화재를 선정함에 있어서 너무 적은 위험도의 화재를 평가한다면 이는 잠재적으로 큰 인명 및 재산 손실에 대비하지 못할 우려가 있으며, 만약 반대로 설계화재를 너무 과도하게 선정한다면 이는 필요 없는 비용손실을 발생시킬 수 있다.
 
이런 설계화재의 중요한 물리적인 변수들로는 열방출율(heat release rate), 독성물질 발생속도(toxic-species production rate), 연기발생속도(smoke production rate), 화재크기(fire size), 화재성장속도(플래시 오버와 같은 중요한 사고까지의 도달시간) 등이 있다.
다음 그림1은 화재성장 그래프의 전형적인 예이다.
 
[그림 1] 화재성장 그래프

3. 화재시뮬레이션(설계화재 및 시험설계 평가목적)
 
화재시나리오 및 설계화재를 평가하기 위해서 주로 이용되는 것이 화재시뮬레이션이다. 현재 널리 이용되고 있는 화재시뮬레이션 프로그램은 크게 zone 모델과 field 모델 두 가지 범주로 나눌 수 있다. zone 모델은 화재영향에 대한 신속한 검토와 건축물과 같이 외부로부터 구획이 되어있는 곳에서 많이 사용되고, field 모델은 zone 모델에서는 구현하지 못하는 위치에 따른 값을 구하거나, 대공간 혹은 야외 공간의 해석에 많이 사용된다.
 
field 모델에 의한 프로그램을 실행시키기 위해서는 프로그램 원리 상 zone 모델보다 훨씬 높은 사양의 컴퓨터가 요구되며 시뮬레이션에 소요되는 시간도 많이 필요하게 된다. 현재 화재시뮬레이션에 사용되고 있는 프로그램은 다양한 종류가 있으나, 대표적으로 널리 사용되고 있는 두 가지의 시뮬레이션 프로그램(zone model: cfast, field model: fds)에 대해 간단히 소개하기로 한다.

모델링 프로그램을 선택할 때, 화재의 모델링 관심 영역이 3개의 실을 초과할 때는 field 모델링 프로그램인 fds를 사용하는 것이 좋다.
 
이는 cfast에서는 3개를 초과하는 실을 연결하는 경우 시뮬레이션 결과 값의 신뢰도가 현저히 떨어지기 때문이다. fds경우에는 환기지배형(ventilation-controlled fire, 산소가 불충분한 상태에서 일어나는 화재) 화재의 시뮬레이션 시에는 결과값의 신뢰도가 떨어진다는 것을 주지하여야 한다. 이는 fds 프로그램 자체가 연료지배형(fuel-controlled fire, 산소가 충분한 상태에서 일어나는 화재) 화재에 주안점을 두어 설계 되어있기 때문이다.

각 화재시뮬레이션 프로그램의 사용절차 및 방법, 제한사항(limitations)등은 nist에서 발간한 user guide와 technical note를 참조하는 것이 좋다.

그러면 먼저 field 모델인 fds에 대해 간략하게 살펴보기로 한다.

화재 시뮬레이션을 위한 도구로써 fds(fire dynamics simulator 이하 fds로 약칭.)는 nist의 kevin b. mcgrattan에 의해 개발되었다. cfd(computational fluid dynamics) 이론에 의해 계산되는 이 소프트웨어는 화염으로부터 방출되는 열과 연기의 유동에 초점을 맞추고 있고 시뮬레이션 결과는 smokeview란 프로그램에 의해 그래픽적으로 시각화 하여 살펴 볼 수 있다.
 
제한사항에 대해 언급해 보면, field model인 fds는 기본적으로 mixture fraction model을 사용한다. 이는 산소 농도가 충분할 때는 시험결과와 잘 일치하지만 그렇지 않은 환기지배형 모델에서는 시험결과와 잘 맞지 않는다.
 
이 경우의 시뮬레이션 시에는 실제실험데이터와의 비교 등을 통해 주의 깊은 접근이 요구된다. 또한 fds 결과값은 화재시뮬레이션 시 고려하는 격자의 간격(cell size)에 많은 영향을 받는데 일반적으로는 격자간격이 조밀할수록 결과가 더 정확하다.
 
물론 격자간격을 조밀하게 배열할수록 시뮬레이션 시 소요되는 시간은 길어진다. 이러한 이유 등으로 컴퓨터의 사양 등을 고려해서 부분적으로 격자간격을 조밀하게 하는 멀티그리드방법(multi-grid method)도 자주 사용되고 있다.

반면에 cfast는 시간에 대한 엔탈피와 질량 유동에 기초해서 상태변수(온도, 압력 등)를 예측하는 방정식들을 풀어서 결과를 얻는 프로그램이다.
 
cfast로서 구할 수 있는 예측 값으로서는 연기온도, 스프링클러/감지기작동시간, 화재 시 부력가스압력, 천정류 온도(ceiling-jet temperature), 연기기둥온도(smoke plume temperature), 개구부를 통한 유체흐름(mass flow trough opening), 연기기둥생성율(smoke plume generation rate), 주변가연물의 복사점화 여부, 플래쉬오버(flash over)관련 thomas 전실화제관계식에 의한 예측, 탈출시간 등을 들 수 있다.

장점으로는 짧은 시간에 많은 다양한 결과를 구할 수 있고, 환기시스템을 고려한 모델링이 가능하며 대표적인 건축자재의 물성데이터베이스가 포함되어 있고 또한 user specify작업이 가능하다.

cfast 모델의 가장 중요한 제한 사항은 화염의 성장 모델이 없다는 것이다. 그러므로 사용자가 연소물에 의해 방출되는 에너지와 시간에 관계된 비율로 표현된 화재(user-defined design fire)를 미리 지정해야 한다.
 
또한 zone 모델은 위치에 대한 각각의 값을 구하지 못한다. 실의 구성은 사각형으로만 구현이 되며, 원칙적으로는 30개 실 까지 입력가능하고 스프링클러와 감지기의 최대입력 개수는 20개이다. 그렇지만 일반적으로 3개실 정도까지는 어느 정도 신뢰할 만한 시뮬레이션 결과치를 주지만 3개를 초과 실에서 실행된 시나리오 시뮬레이션 결과치의 신뢰도가 현저히 떨어지는 것으로 알려져 있다.
 
이상과 같이 이번 연재에서는 pbd의 전개과정 중 화재시나리오 선택, 설계화재고려, 화재시뮬레이션 등에 대한 소개를 해 보았다. 다음 연재에서는 이어서 피난시간 계산 및 피난시뮬레이션에 대해 살펴보기로 하겠다.

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