화재진행에 영향을 미치는 요인들

화재의 발화에서 쇠퇴까지의 과정에서 다음 몇 가지 요인들이 구획실 화재의 성상과 진행단계에 영향을 미칩니다.

- 배연구 또는 환기구의 크기, 수 및 위치

- 구획실의 크기 및 높이와 구획실을 구성하는 물질들의 열 특성

- 최초 발화되는 가연물의 크기, 구성하는 합성물, 위치

- 추가적 연소할 수 있는 물질의 이용가능성 및 위치

 

위의 요인들이 어떻게 화재 진행에 영향을 미치는지 풀어서 설명하는 시간을 가져보고자 합니다. 먼저 설명할 내용은 배연구 혹은 환기구의 크기, 수, 위치에 관한 내용입니다. 이 내용이 중요한 이유는 환기구를 통해 공기가 들어오고 나가기 때문에 흡입되는 공기의 양에 따라 화재 성장에 영향을 미칩니다. 즉, 화재가 성장하기 위해서는 연소가 진행될 수 있도록 충분한 공기가 있어야 하고, 구획실 환기구의 크기와 수, 위치는 내부에서 화재가 어떻게 진행하는가를 결정됩니다.

다음으로 구획실의 크기, 형태 및 천장의 높이는 뜨거운 가스층이 얼마나 많이 쌓일 수 있는지를 결정합니다. 구획실의 크기가 클수록 화재가 확산하는 데 시간이 더 걸릴 수 있지만, 동시에 연소에 필요한 산소 공급이 더 많기 때문에 화재가 더 오래 지속될 수 있습니다. 반대로 작은 공간에서는 산소가 빨리 고갈되므로 화재의 연소가 불완전해지거나 자기 소화될 가능성도 있습니다. 구획실의 형태 중 코너와 장애물이 많은 복잡한 구조는 연기와 열의 이동이 제한되어 국부적인 고온부가 형성될 수 있습니다. 마지막으로 천장의 높이가 높으면 열과 가연성 가스가 천장으로 빠르게 상승하지만 바닥 부근의 온도 상승은 느립니다. 반면 천장 높이가 낮은 경우는 가연성 가스와 열이 금방 하강하여 실내 전체의 온도를 빠르게 상승시킵니다.

다음으로 최초 가연물의 위치 또한 뜨거운 가스층이 증가하는 데에 있어서 매우 중요합니다. 구획실의 중앙에서 연소하는 가연물의 화염은 구획실의 벽이나 구석에 있는 가연물보다 더 많은 공기를 흡수하고 더욱 차갑습니다.

화재가 발생한 구획실에서 진행되는 온도의 변화는 가연물이 연소하면서 발생하는 에너지로 전환하는 것이고, 이전 글에서 설명한 질량-에너지 보존의 법칙에 의해 화재로 인하여 손실되는 질량은 에너지의 형태로 변환됩니다. 화재에 있어서 발생하는 에너지는 열과 빛의 형태로 존재합니다. 화재에서 일정시간동안 발산하는 열에너지의 양을 열 발산율 (heat release rate, HRR)이라 하고, 열 발산율은 Btu/s 또는 kW로 측정합니다. 열 발산율은 불타고 있는 가연물의 연소열(연소열: 연소할 수 있는 물질이 연소할 때 발생하는 열에너지 또는 열량) 및 일정 시간 동안 소비되는 가연물의 양과 직접적인 연관이 있습니다. 높은 열 발산율을 가진 물질들은 폴리우레탄, 폼을 넣은 가구, 폴리우레탄 포말 매트리스, 또는 나뭇더미 등이 있고, 일단 발화가 일어나면 급속한 연소가 예상됩니다. 폴리우레탄 포말과 같은 저밀도의 물질들은 비슷한 구성의 면직물과 같은 고밀도 물질들보다 빠르게 연소합니다. 즉, 저밀도 물질이 고밀도 물질에 비해 상대적으로 높은 열 발산율을 가집니다.

구획실 화재에서 최초 발화한 열은 전도, 대류, 복사에 의한 3가지 열전달 과정에 의해 최초 가연물들로부터 그 공간 내에 있는 다른 가연물로 추가 발화합니다. 초기의 화염에서 상승하는 열은 대류에 의해 전달됩니다. 뜨거운 가스가 구획실 내부의 다른 가연물의 표면 위를 지나갈 때, 열전도를 통해 다른 가연물로 전달됩니다. 복사열은 어떤 방에서 화재가 성장기로부터 최성기로 전환하는 데 중요한 역할을 합니다. 뜨거운 가스층이 천장 부분에서 형성될 때, 연기 속에 들어 있는 뜨거운 미립자들은 내부의 다른 가연물들로 에너지를 방사하기 시작합니다. 이렇게 발화원에서 떨어져 있는 가연물들을 표적 가연물이라고 부릅니다. 복사에너지가 증가하게 되면 표적 가연물들은 열분해반응을 시작하고, 가연성가스를 생성하기 시작합니다. 내부의 온도가 가연성 가스의 발화온도에 도달하게 되면 방 전체는 화재로 휩싸이게 되는 플래시오버 현상이 나타납니다.

 

위 내용과 연관하여 함께 알아두면 좋은 프레임오버(Flameover) 현상에 관해 설명하도록 하겠습니다.

프레임오버는 복도와 같은 통로공간에서 벽, 바닥 표면의 가연물에 화염이 급속하게 확산하는 현상에 관한 용어입니다. 벽, 바닥 또는 천장에 설치된 가연성 물질이 화재에 의해 가열되면 전체 물질 표면을 갑자기 점화할 수 있는 연기와 가연성 가스를 생성하고, 아주 빠르게 화재가 확대됩니다. 목재 벽, 인테리어 장식용 벽, 그리고 가연성 재질로 코팅한 천장은 발화온도 이상으로 가열이 되면 플래임오버가 발생할 수 있습니다. 건물 1층 계단실에서 발생한 작은 화재가 계단실에 칠해진 페인트에 의해 프레임 오버 현상이 발생하여 여러 층에서 수십 층 위로 확산하기도 합니다. 출구 방향으로 진행되는 화염확산은 특정 공간 내의 화재가 확대되는 것보다 치명적입니다. 그러므로 복도 내부 벽과 천장은 비가연성의 불연재료로 마감되어야 합니다. 우리나라 건축법에서는 불에 타지 않는 재료(불연재료), 불에 잘 타지 않는 재료(준불연재료), 가연성재료(목재 등)에 비해 타기 어려운 재료를 난연재료라 하고, 각각 난연 1급, 난연 2급, 난연 3급으로 구분하고 있습니다. 비가연성 재료의 성능과 종류에 대해 알아보도록 하겠습니다.

-불연재료 (난연 1급)

성능: 종류 불에 타지 않는 재료로 20분 가열(750℃) 시 자체 열발생이 적으며(50℃ 미만), 10분간 가열(305℃) 후 잔류 불꽃이 없는(30초 미만) 재료

종류: 콘크리트, 석재, 기와, 석면판, 철강, 알루미늄, 유리, 회시멘트판, 벽돌 등

 

-준불연재료 (난연 2급)

성능: 불에 잘 타지 않는 재료로 10분 가열(305℃) 후 잔류불꽃이 없고(30초 미만), 그 재료의 연소가스 속에 방치된 쥐가 9분 이상 활동하는 재료

종류: 목모시멘트판, 석고보드, 펄프시멘트판, 미네랄텍스 등

 

-난연재료 (난연 3급)

성능: 가연성재료인 목재 등과 비교해 더 타기 어려운 재료로서 6분 동안 가열(235℃) 후 잔류불꽃이 없고(30초 미만), 그 재료의 연소가스 속에 방치된 쥐가 9분 이상 활동하는 재료

종류: 난연합판, 난연플라스틱판 등