새로운 화재현상 Outer Flashover

많은 화재사고를 겪으면서 재발방지 대책을 세워왔으나 화재현상 자체에 대한 분석과 대책은 거의 없었던듯 합니다.

화재의 성장속도가 비정상적으로 빠르게 된다면, 적절한 피난계획과 경보체계를 가졌음에도 불구하고 매우 어려운 상황에 봉착할 수 밖에 없습니다.

제천화재의 예에서 화재성장속도가 비정상적으로 매우 빠르게 확대되었던 사례가 있었으나, 피난과 관련된 치명적인 문제와 계속 지적되어왔던 드라이비트 외벽의 문제점들이 크게 부각되면서 화재자체의 이상현상에 대해서는 간과하지 않았나 싶습니다.

 

이러한 특이한 화재현상을 Outer Flashover 라고 명명한 박사논문의 내용을 간략하게 소개드리겠습니다.

 

경기대학교 대학원 도시방재학과 노영재

필로티 구조 건축물의 Outer Flashover 현상 연구

 

논문에서는 필로티구조의 개방된 공간에 가연성 천정과 천정내부에 가연성단열재가 있는 경우 특이한 화재현상이 발생한다고 밝히고 있습니다. 대형건물은 물론 대부분의 연립주택이 이러한 구조에 해당하는 경우가 많아서 주목해보아야 할 것같습니다.

 

 

Outer Flashover 발생공간의 정의는 위와 같이 아래는 개방된 주차장이 있는 구조이며 상부에는 가연성반자와 천정내부의 가연성단열재로 구성된 형태입니다.

 

반자하부에서 화재 발생후 가연성 반자에 착화되어 반자에 구멍이 뚫리게 되고, 구멍사이로 열과 연기가 유입되면서 천정내부에서 연소가 급격히 진행되는데, 이때 반자하부와 천정내부에서 동시에 급격하게 연소가 확대되는 현상이라고 이야기 하고 있습니다.

 

이러한 화재가 위험한 이유는 가연성 반자에 착화후 짧게는 십여초만에 Outer Flashover가 발생할 수 있다는 것입니다. 논문에서는 30초 이내를 기준으로 제시하고 있습니다.

 

필로티 하부는 대부분 3면이 개방된 공간이므로 연소확대가 빠르지 않고 플래시오버도 발생하기 어려운 구조이기 때문에 쉽게 간과하다가, 반자에 착화된 후에는 수십초 이내에 급작스럽게 연소가 확대되어 대응시기를 놓칠 수 있어, 심각한 피해로 이어질 위험이 높은만큼 지속적인 연구가 필요하지 않나 생각합니다.

 

 

 

 

논문 5.1 5.1 화재사례에서 발생한 특이화재

 

본 연구의 주제인 필로티 구조 건축물 화재사례 1의 CCTV 녹화 영상에서, 급격하게 연소가 확대되는 특이화재 현상이 발견되었다. 화재는 필로티 개방공간에서 발생하였다. 화재에서 발생한 화염과 열, 복합가스는 반자 마감재에 홀을 발생시키고, 반자 마감재와 천장 마감재 사이 공간으로 열전달 되며, 화재 발생으로 부터 91초경에 필로티 반자 마감재에 연소가 확대되었다. 이후 40초경에 급격한 화재확산 연소현상이 발생하여 3층 까지 급격하게 연소 확대되었다. 

 

급격하게 화재확산 되는 특이화재 현상은 시각적 관찰에서 Flashover와 흡사하였다. 이 부분에서 본 연구의 핵심요소가 도출 되었다. 특이화재 현상의 발생공간은 개방공간이다. Flashover는 구획공간에서 발생하고, 주요 열전달원은 연소 공간에서 발생 되는 열의 재방출에 의해 열이 집적되는 복사열이다. 

특이화재는 개방공간에서 화재가 발생하여, 화염과 열, 농연은 대류에의해 열전달 되었다. 따라서 시각적으로 확인되는 현상은 Flashover와 흡사하였으나 Flashover로 설명될 수 없다. 유럽의 소방교육시스템에서는 구획공간의 화재현상 화재읽기를 Flashover와 Backdraft의 징후와 징조라 표현한다.

유럽식 화재읽기를 적용하여 Backdraft로 급격한 화재확산 연소현상을 해석하려 하였으나, Backdraft는 폐쇄된 내화구조 건축물 연소과정에서 발생하는 열축척과 연소상한선 이상의 농축된 화재가스, 그리고 산소공급이 부족한 상태에서 서서히 훈소 되며, 다량의 산소가 공급될 때 발생하는 폭발적인 발화 현상이다. 특이화재 현상은 개방공간에서 대류에 의한 열전달로 발생하였다. 따라서 Backdraft로는 설명 되어질 수 없다.

본 연구에서는 필로티 아래 공간에서 발생하는 급격한 화재확산 연소현상을 연구하고자 화재사례의 CCTV 영상 분석과 화재 재현실험, 화재 시뮬레이션 결과를 대비하여 아래와 같은 Mechanism으로 정리하였다.

 

첫째 필로티 공간 아래에서 화재가 발생하고, 화재에서 발생한 화염과 열, 복합 가스가 반자 마감재 아래에 축척된다.
둘째 반자 마감재의 열축척은 가연성 반자 마감재에 열분해를 일으켜 홀(Hole)을 생성한다.
셋째 화염과 열, 복합가스는 홀(Hole)을 통로로 하여 반자 마감재와 천장 마감재 사이 숨겨진 공간에 유입된다.
넷째 반자 마감재와 천장 마감재 사이 숨겨진 공간에 유입하여 축척된 화염과 열, 복합가스는 가연성 천장재와 단열재 등을 열분해 시킨다.
다섯째 화염과 축척된 열, 복합가스는 열분해로 발생한 가연성가스와 혼합되고 인화점 또는 발화점 도달 시 착화 또는 발화되어 급격하게 화재 확산된다.

위와 같이 필로티 공간에서 발생하는 급격한 화재확산 연소현상은 5단계의 과정을 거친다. 급격한 화재확산 연소현상은 필로티 구조 건축물 화재에서 발생한 화염과 열, 복합가스가 반자 마감재에 홀을 발생시키고, 반자 마감재와 천장 마감재 사이 공간에 유입되어, 가연성 천장재와 단열재 등을 열분해 시키며, 열분해로 발생한 가연성가스와 혼합 착화 또는 발화되어 발생하는 순발연소 현상이다.

 

특이화재 현상은 실내의 구획된 공간에서 발생하는 Flashover와 흡사하지만, 발생 Mechanism이 다르다. 

 

첫째 Flashover는 구획공간에서 발생하지만, 특이화재 사례는 반자 마감재와 천장 마감재 사이 숨어 있던 공
간이 반자 마감재에 홀 발생 이후 실내공간과 실외공간에서 동시에 발생한다.
둘째 Flashover의 주요 열전달원은 구획공간에서 발생하는 열의 재방출에 의한 복사이고, 특이화재 사례의 주요 열전달원은 외부공간 화재에서 발생한 대류이다. 

 

특이화재 현상을 Backdraft와 비교하면 

 

첫째 Backdraft는 폐쇄된 내화구조 건축물 연소과정에서 발생하는 열축척과, 연소상한선 이상으로 농축된 화재가스가 축척된다. 특이화재 사례는 개방 공간 반자 아래에서 열축척 되어 홀이 발생하고 홀 발생 이후 반자 마감재와 천장 마감재 사이 숨겨진 공간으로 대류에 의해 열전달 되고 열축척 된다. 둘째 Backdraft는 강력한 압력파가 발생 하지만 화재사례의 특이화재에서는 Backdraft와 같은 강력한 압력파는 발생하지 않았다. 

 

Backdraft, Flashover, 화재사례의 특이화재는 매우 빠르게 연소 확대되는 공통점을 갖고 있다. 차이점은 첫째 발생공간, 둘째 발생원인, 셋째 열전달 매체, 넷째 발생시점, 다섯째 압력파의 발생 여부가 다르다.

본 연구의 핵심 주제 특이화재 현상은 기존의 용어로는 설명될 수 없다. 하지만 Flashover가 섬광 화재를 표현하는 용어로 정의되어 설명되듯이 Flashover를 광의적으로 확대 해석하여 새롭게 밝혀지는 Flashover 현상으로 해석하였다. 

특이화재에서 관찰되는 급격한 화재확산 연소현상과 Flashover의 공통점으로,

첫째 시각적으로 관찰 되어지는 특이화재의 화재확산 현상은 Flashover와 매우 흡사하다. 

둘째 Flashover는 구획공간에서 발생하고, 특이화재 현상은 개방공간에서 발생한 열을 매개체로 하여 구획공간과 개방공간에서 동시에 발생하는 특징을 갖고 있다.

 

또한 새롭게 알려지는 Flashover 현상으로 ‘FGI(Fire Gas Ignition)’가 있다. FGI는 화재발생 구획실을 벗어난 뜨겁고 진한 연기가 인근실이나 닥트 등을 통해 이동하면서 냉각되고, 냉각 된 화재 가스는 점화원에 의해 급격하게 발화된다. 이러한 화재현상은 ‘화재가스점화, ‘FGI(Fire Gas Ignition)’용어로 설명되고 있다. FGI의 발생 Mechanism은 Flashover의 정의로는 설명될 수 없다. 하지만 시각적 관찰에서 FGI 현상은 Flashover 현상과 매우 흡사하고, Flashover로 설명되고 있다.

 

따라서 본 연구의 특이화재 현상은 시각적 관찰에서 Flashover와 매우 흡사하고, 구획공간과 개방공간에서 동시에 발생하는 Flashover 현상으로 해석하여 “Outer
Flashover”라 명하였다.

 

논문의 결론

 

필로티 구조 건축물에서 발생하는 화재는 대형화재의 비중이 높고 필로티 구조 건축물의 반자 마감재와 천장 구조는 Outer Flashover 현상이 발생할 수 있는 공간과 재질로 이루어졌다. 본 연구에서는 필로티 구조 건축물에서 반복적으로 발생하는 급격한 화재확산 연소현상의 발생 원인과 Mechanism 연구를 통하여 다음과 같은 결론을 얻었다.

(1) Outer Flashover는 필로티 구조 건축물의 반자 마감재와 천장 마감재 사이의 숨겨져 있던 공간과 개방 공간에서 동시에 발생하는 급격한 화재확산 현상이다. 본 화재확산 현상을 기존의 용어로 정의할 수 없다. 하지만 시각적으로 관찰되는 화재확산 현상은 Flashover와 흡사하고, 구획 공간에서 발생하는 Flashover와 차이점은 반자 마감재와 천장 마감재 사이의 숨겨진 공간이 구획공간이 되어, 실내공간과 실외공간에서 동시에 급격하게 화재확산 하는 연소현상으로 “Outer Flashover”라 명하였다.

(2) Outer Flashover 발생 시 반자 마감재와 천장 마감재 사이의 숨겨져 있던 공간은 실내와 같은 구획 공간이 되어, 화재 발생부터 3분 24초 이내, 반자 마감재에 홀 발생부터 40초 이내에 실내공간과 실외공간에서 동시에 발생하였다. Outer Flashover의 발생 시점은 발화기에서 성장기로 진행 단계에서 발생하고 그 영향으로 화재는 최성기로 전환되는 매우 빠른 성장 속도를 특징으로한다.

(3) Outer Flashover는 구획공간 외부의 장소에서 발생한 화염과, 열 농연에 의해서 가연성 반자 마감재에 홀(Hole)이 발생하고, 홀을 통로로 화염과, 열, 농연 등은 대류를 주요 열전달 매체로 가연성 반자 마감재와 천장 마감재 사이의 구획공간에 열전달 된다. 시뮬레이션 결과 발생구간의 열전달은 CASE 1 에서는 대류가 복사보다 149 % 높고, CASE 3에서는 대류가 복사보다 111 % 높다.

 

(4) Outer Flashover는 화재 발생부터 3분 24초 이내에 발생하고, 반자 마감재에 홀(Hole) 발생부터 40초 이내에 발생하였다. 화염 분출 지속시간은 화재 시뮬레이션 CASE 1에서는 13초간 지속되었고, CASE 2에서는 16초간 지속되었다. 본 연구에서는 NFPA 265 및 EN 14390, KS F ISO 13784-1에서 Flashover를 판정하는 정량․정성적 판정 기준과 화재사례, 재현실험과 시뮬레이션 결과를 대비하여, Outer Flashover의 판정 기준을 제시하였다.

급격한 화재확산 연소현상인 Outer Flashover는 구획실 화재의 골든타임 이전에 발생을 하고 Outer Flashover 발생과 동시에 건물 이용자의 대피시간과 안전은 확보될 수 없다. 본 연구의 결과물인 Outer Flashover 발생 원인과 Mechanism은 필로티 구조 건축물에서 발생하는 특이화재 연구의 시작 단계이며, 세부적으로 다양한 물성을 반영한 연구는 수행되지 못하였다. 그러나 본 연구가 기존의 경험으로 인식하지 못했던 특이화재 현상의 영역을 인식의 영역으로 증명하고자 하였으며, 향후 본 연구가 특이화재 현상 연구의 참고자료로 활용될 수 있기를 바란다.