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은채 황보
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1 소방원론 - 화재론 방화론 진복권

2 2

3 화재론 3

4 화재발생현황 o 화재발생건수대비인명피해발생률이급증 [ 화재통계연보 : 행정자치부 ] 구분 단위 국 한국미국영국덴마크일본노르웨이 명 화재발생건수 인구 1만명당화재발생건수 건 17,458 1,964, ,804 64,972 54,762 12,039 명 사망자수명 510 4, 화재 1000 건당사망자수 명

5 화재발생추세및분석 2005 화재발생현황 연도 구분 대비 (%) 출동건수 ( 발생건수 ) 83,844 (32,340) 78,486 (32,737) 1,365 (4.4%) 인명피해 계사망부상 484 재산피해 ( 백만원 ) 2, , ,334 2, (1.6%) 21 (4.3%) 1, (0.9%) 146,634 24,700 (16.8%) 2005년도봄철화재발생 : 67건, 인명피해 : 20명, 재산피해 : 1억8천 2004년도봄철화재발생 : 81건, 인명피해 : 16명, 재산피해 : 2억6천 5

6 화재발생추세및분석 원인별화재발생현황 전기담배방화불티불장난아궁이난로기타 장소별화재발생현황 주택차량공장음식점점포호털. 여관사업장기타 6

7 실내화재의일반적경과 온도 [ ] 100 소화가가능한시간 Flash Over Pre F.O ( 前전실화재 ) Post F.O ( 後전실화재 ) 체류가능높이 ( 연기 ) 체류가능시간 시간 [min] 대피가능시간 피난허용시간 : 피난허용시간을최대화하여야한다초기화재시 : 가연물의표면적에영향을받음, 가연물질의여부에따라화재의성상이영향을받음 ( 연료지배형화재 φ<1) 담뱃불, 전기누전, 훈소화재등천차만별임 굴곡의요인 : 개구부의크기및개구인자에따라굴곡이있음 - 이유 : 이때부터환기지배형화재즉 Air 의공급에의해연소확대가결정되므로 φ>1(f/a) 건축물의구조에따라화재곡선이다름 7

8 화재의구분 실외화재 ( 위험물에관련된화재또는폭발 ) 석유화학제품의화재 (Hydrocarbon Fire : H/C Fire) (1) Pool Fire : 액체상태의연료가연소하는현상임. 연소시방출되는복사열의크기가화재위험요소를예측하는주요요소임. (2) Flame Jet : 내부압력을받고용기에서분출된액체에불이붙는화재 (Torch Fire) - 화염방사기를연상하면된다. - Flare Stack( 정유공장, 석유화학플랜트등 ) - 내부압력, 구멍의크기에따라화재의크기가달라질수있다. (3) UVCE( 옥외증기운폭발 : Unconfined Vaper Cloud Explosion) - 사례 : 전북익산 LPG탱크누설폭발, 1970년도영국, (4) BLEVE(Boiling Liguid Expanding Vapor Explosion) - 사례 : 1970년멕시코 LPG저장탱크폭발사고 650명사망 (5) Flash Fire : 옥외에누출되는가연성증기가폭발압을형성하지않고연소하는현상 -. Flash Fire 중심부에있는사람들이중상내지사망 ( 예 : LNG탱크화재 ) 8

9 실내화재 ( 구획공간화재 = Structural Fire) 건물화재의일반적경과 (Compartment fire) 화재의단계구분 : 1 출화단계 2 실내확대단계 3 전관확대단계 4 인동확대단계 5 시가지확대단계 1) 화재의발전단계 Pre F.O( 前全室火災 ) Flash Over( 全室火災 ) Post F.O( 後全室火災 ) 2) Flash Over의조건및특성가. 조건 a. 실내천장온도 > [1,000 F, C = 5/9(F-32)] b. 바닥면의복사수열량 > 20kw/ m2 c. 산소농도저하 < 15% (18% 시호흡곤란 ) d. 순간압력상승나. 특성 가연물전표면이가열착화하여일시에연소하여화재가공간전체로확산. 9

10 실내화재발생시검토사안 피난허용시간가. 체류가능높이 ( 시간 ) 연기가 1.8m 높이까지내려올때까지걸리는시간나. 대피가능온도 ( 시간 ) 화실내의온도가100 ~110 까지오르는데걸리는시간 온도 비고 생존시간 20 분 15 분 5 분 30 초이내화상 30 초 3m전방에서측정 다. 어느경우이든대피가능시간 < 체류가능시간의조건을갖추어야한다. 예컨대 a. 100 까지온도상승소요시간 : 2분 b. 연기가 (1.8m까지) 내려오는시간 : 3분이소요될경우 c. 체류가능시간은 2 분으로산정한다. 10

11 화재발생시인간행동특성 행동특성 1) 귀소본능 : 자기가왔던피난로로다시귀소하려는본능 - 주출입구로피난 일시에취객이몰려피난이어렵고혼돈상태야기 2) 퇴피본능 : 화염과유독가스가갑자기몰려올때본능적으로이를피하려는본능 - 무대부에휘발유를뿌려방화를했을땐불을꺼야하는데관계종업원은도주 3) 추종본능 : 취객이화장실에서일부사망, 이는화장실을출입구인줄알고따라가다죽음에이름 ( 대처방안 : 2방향피난 ) 4) 지광본능 : 사망자가화장실창문근처에서사망 5) 좌회본능 : 우측발이발달하여좌측으로회전하여피난한흔적이보임. 11

12 검토사항 1) FAIL SAFE a. 화장실에문이있었더라면사망자를줄일수있었음. b. 1개의기계적, 구조적장치가실패하였을경우또다른피난수단을강구 2) 소방 a. 제연또는배연설비를하였으면피해경감했을것임 - 질식사가많음. b. 예방훈련이안됨 임.) ( 종업원이뒷문이있다는것을알려주었으면피해가경감하였을것 12

13 o 소방설비시스템의작동유무와재실자에대한피난적정성평가의현실적인제한 o 건축법, 소방법등사양규정자체가지니고있는기술적한계 o 1990년대를전후로화재현상의공학적분석과컴퓨터시뮬레이션의개발로 o 실내화재 (Compartment Fire) 의연소특성과화 재의전파경로예측과 13

14 o 스프링클러시스템, 경보설비등화재안전설비작동시점판단과 Flash Over 예측가능 o 재실자에대한피난적응성을평가함으로써건축물에대한안전성확보를이미경험하였던화재경험에의존하는방법과는달리공학적으로접근 분석평가하므로건축물에대한안전성확보 14

15 Fire Modeling 의접근방법 1. 推計學的硏究 (Stochastic Approach) o 통계학적인입장에서건축물의화재위험평가를목적으로연구된것으로 o 통계모델 (Statical Model) 이라고도한다. 2. 決定論的硏究 (Deterministic Approach) o 열역학과유체역학들의이론에근거하여이론및실험적해석으로부터기존지배법칙을도입 o 수학모델 (Mathematical Model) 이라고도한다. 15

16 Fire Modeling 개요 o 화재현상을실대모형으로재현하는것은장소, 비용, 기술적한계등의이유로사실상어려움 o 기초지배방정식으로미분방정식을이용한수학적기법을활용, 컴퓨터를이용한화재모델을표현하는방법으로 o 이러한모델링을통하여건축물의화재발생을재현화재전개양상을예측함으로써, 화재의특징을규명하는일련의과정을 Fire Modeling이라한다. 16

17 Fire Modeling Flow Chart 17

18 Fire Modeling 의종류 18

19 경험모델 (Zakoski 모델 ) m = = m fuel + m air Q Z 5 3 단, : mass plume[kg/s] Z : 측정하고자하는높이 [m] Q : 발열량 [kw] Zakoski Model은 Fire Plume에대한이상적인실험식이며이론적인접근방법이다. 실제로는보정을위해화원보다아래에있는가상점열원에의한차를두어야하며대공간의연기층에적용한다. 19

20 Heskestad 모델 단, : 질량유속 ( 화재시발생하는연기의양 ) kg /s Z : 구하고자하는 plume의높이 [m] L : flame의높이 [m] Z 0 : 가상점열원의위치 [m] m" f : 연소속도 [g/m 2 -sec] ΔHC : 연소열 [K J /g] Q : 발열량 [kw] ΔT C : 특정높이의연기층온도 [ ] Fire Plume 에대한실험식으로실제화원에서보다더아래에화원이 있다고가정한실험식이며실내화재에서는일반적으로일치한다. 일종의 Zakoski Model 을보정한경험식이다. 20

21 Zone Model 건축물내부를상부고온연기층과하 부실온공기층 2 개층으로구분 각각의 Zone에서는경험모델을기본으로하여대수방정식으로표현하고基層 Zone은질량보존의법칙 에너지보존의법칙을이용하여상미분방정식의해로화재현상을표현하는방법 21

22 Zone 방정식

23 Zone Model 개념도 Upper Layer components of mass and enthalpy entering or leaving a zone 23

24 Field Model o 건물내외의영역내의모든위치에서화재현상을비선형비정상연합편미분방정식에의해표현하는모델 o 유체를입체의집합체로서개개의거동을표현하는 Lagrangian 이론과 o 유체를흐름의장 ( 연속체 ) 전체의모양으로보는 Euler 이론을이용하고있으나대부분의모델에서이방식을채택하여사용 24

25 Field 방정식 i 25

26 Field 모델에의한계산결과 26

27 Fire Modeling 의한계 o 보존법칙으로부터유도한기초지배방정식의해의존재성과일의성에대하여증명하여야한다. o 기초지배방정식의해의존재가보증될수없을때에는의미를상실 o 해의존재가보증될지라도일의성에대한보장이없을때에는시뮬레이션을세부적으로재검토하여야한다. o 계산결과조건 ( 초기조건, 경계조건, 계산오차등 ) 에따라서여러수치가얻어져결과치에대한확증이어렵다 27

28 Performance Based Fire Design o 성능기준소방설계 (Perfomance Based Fire Design) 는방화공학의진전과다양한 Modeling의발달로자연스럽게도입된설계방식 o NFPA(National Fire Protection Association) 에서는 NFC Code 5000에서 PBFD의내용에대하여설명하고있으며설계과정은 다음과같다 28

29 성능기준소방설계흐름도 29

30 방화론 30

31 실내화재의특성과피난평가 실내화재의공학적분석 실내에존재하는가연물질이단독적으로연소하기시작하여실전체에화재가연소확대되는상황을예측하는것임 31

32 Flash Over 의예측 o o ISO 3261의정의에의하면구획내가연성재료의전표면이불로덮이는전이현상으로정의조건 o 평균온도 : 537 o 바닥면의복사수열량 : 20Kw/ m2 o 산소농도 : 10% o CO 2 /CO: 150에달한상태 o 발생단계 : 화재 1성장기 o 공급요인 : 열 ( 연료 ) 의공급 o 방지대책 : 천정의불연화, 가연물량의제한, 개구부의제한 32

33 Compartment Fires 에서의연기층온도 o T = 500 ~ 600 일경우 F/O 발생 o M.Q.H 식으로 F/O를예측가능 o 600 초과시는적용에한계가있다. o 인명피해재산피해예측가능 o Center Fire이며발화노즐 1개사용 33

34 화재성장곡선 T-Squared Fires Growth Constant Growth Time (W/s²) (Btu/s³) tg(s) Slow Medium Fast Ultra Fast

35 스프링클러설비작동과 RTI o 상승기류와스프링클러열감지부사이의열교환식 o 상승기류와대류열전달이전도나복사열전달에비해크므로다음과같이간략화될수있다 35

36 o m, c, h 는스프링클러열감지부의형태에대해이미고정됨 대류열전달계수 는거의일정하므로, 공기에있어서, 따라서 o 이상수를스프링클러의반응시간지수라하며스프링클러가열전달에따라얼마나빨리개방온도에도달하는가를재는척도가된다. o RTI는원칙적으로상승기류의속도 (U) 와온도 (Tg) 에무관하게정해지는열감지부의물성치로실험에의해그값을측정 36

37 37

38 피난계획 피난계획의가장기본이되는원칙 Fail Safe 피난경로의확보를목적 Fool proof 위급한상태에서인간행동특성이고려된피난유도인간행동특성이고려된피난유도및시설배치계획 38

39 피난평가 o 예상되는화재를가정 o 거실과복도의연기유동과연기층하강시간을계산한후 o 거실에서부터안전구획까지의피난시간을산출하여두요소를비교하므로피난안전성능을판단 o 평가요소 o o 최소피난시간 (RSET : Required Safe Egress Time) 허용피난시간 (ASET : Available Safe Egress Time) o 평가방법 피난에필요한최소피난시간 (RSET) 과체류불가능에이르는시간 (ASET) 과를비교 하여피난자가피난에지장을받는위험한상황이발생하는지를분석평가 39

40 거실피난시간 ( ) 1 T 그거실의전원이옥외로피난을완료하기까지의시간으로원칙적으로각거실마다 산출하여평가한다. T 1 Ta Tb = = = max( Ta, T 1.5 p n i= 1 L v W b ) ---(3-1) 단, : 거실피난시간 ---(3-2) 단, p : 피난자수 ( 인 ) W : 피난문폭 (m) x + y 단 : ---(3-3) T 1 Ta Tb L x + : P명이출구를통과하는데필요한시간 (sec) : 최후의피난자가출구에도착하는시간 (sec) ν y : 실내보행거리 (m) : 보행속도 (m/sec) 3식중식 (3-1) 은 Ta와 Tb 값을산출하여큰쪽식의값을으로하며식 (3-2) 은보행집단이출입구등의병목을통과하는시간을구할때가장기본적인식이다. 식 (3-2) 에서계수 1.5는유동계수 ( 인 /m sec) 라하고병목의통과가능인수를정한계수로그값 1.5( 인 /m sec) 는과거의실측도를근거로결정되어지금까지도널리채용되어사용해오고있다. 40

41 거실허용피난시간 ( T 2 ) T 2 = a A (3-4) 단, a : 천장의높이가 6m 미만인거실또는그부분 2 천장의높이가 6m 이상인거실또는그부분에서는 3 A : 그거실의면적 ( m2 ) 거실허용피난시간은그거실에서화재가발생할경우실내에서연기가퍼지는방향의개념을기초로하여화재로생성된연기가바닥에서 1.5m 이하까지소요되는시간을의미한다. 그러나거실면적이 100 m2이하이면서인구밀도가 0.5 인 / m2미만의거실에대하여는피난평가대상에서제외할수있으며이들거실도총피난계산시에는산정하여평가한다. 41

42 Fire Scenario Selecting o 실현가능한시나리오를작성하기위하여는많은요소를고려하여야하는데 o NFC Code 101에서규정하고있는최소한의내용은다음과같으며본연구에서고려한사항은다음표와같다 o 발화요소 ( 발화원, 위치및재료, 다른연소품목 ) o 최소한한개의열방출속도곡선 (HRRC) o 점유자위치 o 점유자특성 o 특수요소 ( 차폐, 설비상태불량, 열린문 ) 42

43 시나리오설계시세부고려사항 멸 43

44 건축물의구조와재질 o 본논문설계에사용되어진건축물실내공간의크기, 구조, 건축자재등입력사항은아래와같다. o Compartment1은발화층을, Compartment2는연소대상공간을 Compartment3은복도를의미한다. 44

45 메인화재및연소대상물 o 가연물및연소대상물의위치는출화실에서의좌표값으로설정하며연소대상물의위치는점화원으로부터가장가까운부분을기준으로하였다. o 메인화재와연소대상물 입력사항은지면관계상 생략하였다. 45

46 성능평가기준 본연구에서사용한성능평가기준은아래연구소등에서제시한기준 을사용하였다. o Max Co Concentration : [ 8000ppm ] o Smoke Layer : [ 1.5m ] o Minimum Visibility : [ 7m ] o Upper Layer Temperature : [ 200 ] o Max. Heat Flux : [ 5kw m2 ] o 비치사노출 Fractional Effective Doses : 0.8 o 무능화노출 Fractional Effective Doses : 0.3 SFPE National Institute of Standard and Technology 46

47 복사열에대한설계권고기준 47

48 CO 2 의농도에의한영향 48

49 산소농도에의한영향 49

50 가시거리 o Cs = 0.1/m 초기화재시극히적은연기로가시거리 20m 정도 o Cs = 0.1~0.2/m 피난한계의연기농도 10~20m 정도 o Cs = 1.0/m 피난이거의불가하며가시거리 1~2m 정도 최성기연기농도의가시거리 : 5~10m 50

51 결과분석 전장에서의 Fire Scenario 에의한시뮬레이션분석결과 Main Fire Size 51

52 Flash Over 판단 o 화재발생후 490[S] 에서 762[K] Flash Over에필요한 820[K] 이르지못하여 Flash Over는발생치않을것으로판단 o 이는거실이너무나큰것과발화원이작은것으로사료된다. 52

53 S/P 헤드와 RTI 상관성 53

54 S/P 헤드별 RTI 와감지온도 54

55 화재평가 55

56 피난평가 수계산에의한거실평가 56

57 피난시뮬레이션에의한평가 57

58 결론 Flash Over 판단 o o 복사수열량, Ceiling Jet Flow 의온도등을종합적으로판단하여볼때 F/O는발생치않을것으로예견되며이는화실이넓게구획 (315m2) 된반면발화원은상대적으로작기때문 피난평가 o o o 수계산에의한평가 : 안전함 (ASET > RSET) 피난시뮬레이션수행결과 : 안전함 (ASET > RSET) ASET : 200 S, RSET : 사무실 A 58 S, 사무실 B 84 S 58

59 o o 결국스프링클러를설치할경우 F/O 발생방지와청결층의높이 1.55m 이상을유지할수있는것으로평가되며비상구 5개이상확보시피난에지장이없는안전한건축물로판단됨. 59

60 Hydraulic calculation method step 1. Classification occupancy 를결정 - 화재하중, 열방출율, 가연물의종류고려 2. Sprinkler operation area 결정 - 엔지니어의주관적인판단에의거 (NFC 에서의용도분류스프링클러방식에 1500 ft 5000 ft 범위로제한 3. 살수밀도결정 ( 위험용도분류와작동면적에따라 ) 2 - NFC13 출전 2000 ft 중급 group2의살수밀도는 0.188gpm/ 4. 설계면적의크기와형태를결정 - 설계면적의폭 W=1.2 - 예, ft/12.7ft = 즉, 가지관의헤드는 5 개 5. 설계면적에포함되는헤드수량확정 ( Ad As ) N : 설계면적내스프링클러헤드수 2000 = 53.7 ft 2 Ad As : 작동면적의크기 ( ft ) 작동면적 N = / 2 : 한개의헤드가방호하는실제면적 ( ft ) 2 ft 헤드수량 =2000/120=16.67 즉, 17 개 60

61 6. 첫번째헤드로부터요구되는최소유량산출 2 2 예, 0.188gpm/ ft 120 ft = 22.56gpm 7. 첫번째헤드의최소압력개선 2 P = ( q ) k P = (22.56 / 5.4) 2 = 17.5 P : 소요압력 q : 유량 k : 방출계수 (K factor) 8. 첫번째와두번째헤드의마찰손실계산 ΔP Q2 Q1 Q 2 = Q1 + ΔPQ gpm P f = = 0.163psi/ft 12ft = 그러므로두번째헤드의방수압은 = 두번째헤드의유량산출 q = k p q= = 23.82gpm 그러므로두번째헤드의방수량은 = 가지배관상의연속되는헤드계산 11. 압력불균형시유량보정 12. 첫번째입상 nipple의 K값을계산 61

62 검토사항 규약배관에의해산출된유량은방수시간에문제가있다 (20 분 15 분 30 초 ) 현행규약배관시산출된방수압력은낮게산출되고있다. 이는현행방식의설계가압력이부족한상태로시공되고 있다는의미임 62

63 마찰손실계산시설계기준 입상관 Nipple 상단의 Tee 는가지배관에포함 입상관 Nipple 하단의 Tee 는입상관 Nipple 에포함 교차배관과주배관연결부의 Tee 또는 Cross 는교차배관에포함 Tee 또는 Cross 에서직류흐름의마찰손실은적용치아니함 Reducing, Elbow 손실은작은쪽구경의등가배관길이에기초하여산출 헤드에직접연결된관부속품에대한마찰손실은적용치아니함 감압변에대한손실은유입구의정압에기초하여계산 Orifice 로유량을계산할경우는총압력 (Pt) 을이용 63

64 참고문헌 [1] 김연구, 화재시뮬레이션개요및기초이론, 방재기술 24 호. 한국화재보험협회부설방재시험연구원, pp. 22~31, 2000 [2] 정창기, 최신방재기술. 한국화재보험협회, pp. 3~66, 2003 [3] 이수경외 2, 최신건축방화, 서울 : 도서출판의제, 1998 [4] 김원국, Room Fire Modeling for performance based Fire Protection Design, 서울 : 오름시스템 ( 주 ), 1999 [5] 박정열, 소방기술사강의자료집. ( 서울 : 미동출판사 ), 1998 [6] SFPA, SFPA Engineering Guide to Performance - Based Fire Protection Analysis and Design of Buildings, 2000 [7] NIST, Modeling Post-Flash Over Fires with FASTLite, J. of Fire Prot. [8] NFPA 101, "Life Safety Code". Quincy MA : NFPA, 2002 [9] NFPA 550, "Guide to System Concept for Fire Protection". Quincy. MA : NFPA, 1986 [10] Quintiere, James G., Principles of fire Behavior. Pre-Publication copy courtesy of Delmar Publishers,

65 제가부름을받을때에는신이시여, 아무리강렬한화염속에서도한생명을구할수있는힘을저에게주소서. 너무늦기전에어린아이를감싸안을수있게하시고공포에떨고있는노인을구하게하소서. 당신의귀를주시어가냘픈구조의외침까지도들을수있게하시고그들의고통까지도나의품안에안을수있게하소서. 그리고신의뜻에따라저의목숨을잃게되면신의은총으로저의아내와가족을돌보아주소서 65

소화설비규정

소화설비규정 - 총목차 - Ⅰ. 통칙 Ⅱ. 초기소화설비규정 Ⅲ. 소화전설비규정 Ⅳ. 소화펌프자동차설비규정 Ⅴ. 자동화재탐지설비규정 Ⅵ. 스프링클러설비규정 Ⅶ. 자동화재속보설비규정 Ⅷ. 포소화설비규정 Ⅸ. 이산화탄소소화설비규정 Ⅹ. 할론1301소화설비규정 Ⅺ. 청정소화약제소화설비규정 Ⅻ. 소화설비할인율표 ⅩⅢ. 부록 Ⅰ. 통칙 Ⅰ. 통칙 Ⅱ. 초기소화설비규정