2.1 화재 시뮬레이션 개요

이 연구에서는 Fire Dynamics Simulator (FDS)^{(McGrattan and Forney, 2006(a); McGrattan and Forney, 2004(b))}를 활용하여 일반적인 기계식주차장에 대한 화재 시뮬레이션을 수행하였으며, Fig. 4에는 기계식주차장의 화재 시뮬레이션 모델을 나타내었다. 화재 시뮬레이션 대상 기계식주차장은 실제로 적용되고 있는 기계식주차장 도면을 참고하였으며, 규모는 9.2 m × 8.0 m × 22.0 m (10층 규모)이다. 기계식주차장 주차팔레트의 층고는 2.2 m이며, 배치된 차량의 수는 19대이다.

Fig. 4 Fire simulation model of a mechanical parking lot

프로토타입으로 설정된 기계식주차장은 소방시설법에서 물 분무 등의 소화설비를 설치해야 하는 특정소방대상물에서 제외된다. 메쉬(mesh)의 크기는 FDS User Guide ^{(McGrattan and Forney, 2004(c))}에 제시되어 있는 (1) 및 식 (2)를 활용하여 설정하였다.

여기서, $\dot{Q}$는 열방출률 (kW), $\rho_{\infty}$는 주변 공기의 밀도 (1.204 kg/m3), $c_{p}$는 주변 공기의 비열 (1.005 kJ/kg-K), $T_{\infty}$는 주변 공기의 온도 (293 K), $g$는 중력가속도 (9.81 m/s2), $D^{*}$는 특성 화재 직경 (m), $dx$는 메쉬의 크기 (m)를 의미한다. FDS User‘s guide(2013)에서는 $D^{*}/dx$를 4 이상, 16 이하로 제시하고 있다. 이 연구에서 수행된 화재 시물레이션에서는 메쉬의 크기를 0.2 m로 설정하였으며, 이는 약 11에 해당하는 n($D^{*}/dx$)값을 갖는다.

Fig. 5 Simplified simulation model of a vehicle

차량은 ^{Heo et al. (2016)}의 연구를 참고하여 모델링하였으며, 탑승칸에서 화재가 발생하는 것으로 가정하였다. 따라서, 화염의 방향은 창문을 통해 상부로 향할 것을 예상할 수 있으며, Fig. 5에 나타낸 바와 같이 차량을 두 개의 구조체로 단순화하고 구조체 중 하부 구조체의 중심부에서 열이 방출되는 메커니즘으로 모사하였다.

Fig. 6 HRR of vehicle according to time

Fig. 6에는 ^{Joyeux et al. (2001)}이 수행한 중형 스포츠유틸리티 차량에 대한 화재실험을 통해 도출된 시간-열방출율 곡선을 나타내었다. 이 연구에서는 각 차량의 시간에 따른 열방출율을 증가, 유지, 감소 구간으로 단순화하여 적용하였으며, 최대 열방출율은 8300 kW이다.

Fig. 7 Location of measurements

연료의 종류는 Propane으로 가정하였으며, 화재 시뮬레이션 모델에서 온도변화 거동을 측정하기 위해 Fig. 7에 나타낸 바와 같이 주차팔레트 하부면에 온도를 계측할 수 있는 열전대를 세로방향 1.5 m, 가로방향 1 m 간격마다 설치하였다. 화재 시물레이션 시간은 3600초로 설정하였으며, 초기 온도는 20℃로 가정하였다. 화재 시뮬레이션의 변수는 Table 1에 나타낸 바와 같이 스프링클러의 유·무, 설치 개소 및 설치 위치, 방화셔터 적용 유·무로 설정하였다.

Fig. 8 Fire scenarios

Fig. 8에는 화재 시나리오를 나타내었다. NS 화재시나리오는 스프링클러가 설치되어 있지 않으며, ^{Mostofi et al. (2024)}의 연구를 참고하여 발화차량으로부터 300초 간격으로 상부차량에 화재가 전파되는 것으로 가정하였다. NSB 화재시나리오는 화재차량이 있는 구획에 방화셔터가 작동하는 것으로 가정하였으며, 방화셔터는 천정부 온도가 74℃에 도달하면 작동하도록 설정하였다. S0 화재시나리오는 주차장 최상층에 스프링클러 2개를 설치하였다. S1 화재시나리오는 발화차량의 중심 위치의 상부에 스프링클러를 1개 설치하였으며, S2 화재시나리오는 발화차량의 중심 위치의 상부에 스프링클러 2개를 설치하였다. S3 화재시나리오는 발화차량 전면부, 중심부, 후면부의 상부에 스프링클러를 각각 1개 설치하였으며, 스크링클러의 분무량은 80 L/min으로 설정하였다.

화재 발생 차량 위치에 방화셔터 및 스프링클러가 설치된 NSB, S1, S2, 및 S3 화재시나리오는 화재의 전파가 이루어지지 않는 것으로 가정하였다.

2.2 화재 시뮬레이션 결과

Fig. 9는 NS 화재시나리오와 S1 화재시나리오의 시간 경과에 따른 온도 분포를 대표적으로 나타내었다. 스프링클러가 설치되지 않은 NS 화재시나리오에서는, 화재 발생 후 5분이 경과했을 때 차량 상부의 주차 팔레트 주변 온도가 약 1000℃에 도달하였으며, 25분 후에는 화염이 상부 4개 층까지 확산되었다. 스프링클러가 주차장 최상층에 설치된 S0 시나리오의 경우에는 화재시뮬레이션 종료시까지 스프링클러가 작동하지 않아서 스프링클러가 설치되지 않은 NS 화재시나리오와 동일한 결과를 나타내었다.

반면, 스프링클러가 발화차량 상부에 설치된 S1 화재시나리오에서는 화재 발생 14초 후 스프링클러가 작동하였으며, 5분이 경과한 시점에 대부분의 화염이 진화되었다. 결과적으로, 기계식 주차장에서의 화재 시 차량당 1개의 스프링클러 설치로 화염을 충분히 제어할 수 있는 것으로 확인되었다.

Fig. 9 Temperature contour

Fig. 10 Temperature of the upper slab over time

Fig. 10에는 화재시나리오별 화재경과시간에 따른 화재 발생차량 상부 주차팔레트의 수열온도를 나타내었다. 주차팔레트의 수열온도는 설치된 열전대 중에서 가장 높은 온도를 기록한 값을 기준으로 도출되었으며, 가장 높은 온도가 도출된 열전대는 차량의 창문 상부 위치에 해당하는 L-3, R-3 열전대이다. 붉은색 선으로 표현된 NS 화재시나리오(스프링클러 미설치)의 최대온도는 화재발생 후 약 565초에 1212℃로 나타났으며, 이후에도 약 2000초까지 1000℃ 이상의 고온을 유지하다가 3000초 이후에 500℃ 이하의 온도로 감소하였다. 방화셔터가 설치된 NSB 화재시나리오의 경우에는 화재 발생 후 약 150초에 방화셔터가 작동하였으며, 최대온도는 약 187초에 869℃로 나타났다.

이후에는 산소가 차단되어 온도가 급격히 감소하여 약 100℃의 온도를 유지하는 경향을 보였다. 스프링클러가 설치된 S1, S2 및 S3 화재시나리오의 경우에는 화재발생 후 15초에 스프링클러가 작동하였으며, 최대온도는 약 50초경에 450℃ 수준의 온도를 나타내었다. 스프링클러가 1개 및 2개가 설치된 경우에는 초기에 완벽히 진화가 되지 않아 온도가 증가 및 감소 하는 경향을 반복하였으며, 스프링클러가 3개가 설치된 경우에는 초기에 진화가 되어 온도가 서서히 감소하였다. 결과적으로, 방화셔터를 설치하거나 스프링클러를 1개 이상 설치하는 경우에는 차량 화재로 인한 화염을 충분히 제어할 수 있는 것으로 판단된다.

3.1 비선형유한요소해석 개요

이 연구에서는 화재시뮬레이션 결과를 기반으로 범용유한요소해석 프로그램인 ABAQUS ^{(Smith, 2019)}를 활용한 비선형유한요소해석을 수행하였으며, 각 화재시나리오별 수열온도와 내화보드 적용유무에 따른 주차팔레트의 내화성능을 평가하였다. 또한, 내화보드가 적용된 해석모델은 스프링클러가 설치되지 않은 NS 화재시나리오의 수열온도를 적용하였으며, 내화보드의 두께는 10 mm, 20 mm, 30 mm를 고려하였다.

Fig. 11에는 주차팔레트의 해석모델과 단면정보를 나타내었으며, 주차팔레트는 H형 강재로 구성되어 있다. H형강의 단면은 실제 기계식주차장에 적용되고 있는 단면을 활용하였다. 단면은 64 mm × 120 mm 크기이며, 플랜지의 두께는 6.3 mm, 웨브의 두께는 4.4 mm이다. 주차팔레트의 크기는 6.2 m x 2.4 m이다.

Fig. 11 Modeling and cross-sectional information of the parking pallet

Fig. 12 Element and boundary conditions

Fig. 12에 나타낸 바와 같이 주차팔레트를 구성하는 강재는 솔리드 요소(Solid element) 중 온도해석과 구조해석이 동시에 가능한 C3D8T 요소를 사용하여 모델링하였다. 주차팔레트의 양 단부는 단순지지 된 것으로 모델링하였으며, 지점 간 거리는 6.0 m이다

Fig. 13 Procedure of FE analysis on fire resistance performance of parking pallet

Fig. 13에 나타낸 바와 같이 주차팔레트의 비선형유한요소해석은 팔레트의 자중 및 차량의 하중을 가력한 후 온도하중을 적용하는 순서로 수행하였다. 하중은 일반적인 차량의 하중에 해당하는 17 kN과 주차팔레트의 자중에 해당하는 3 kN을 고려하여 총 20 kN으로 산정하였다. 기계식주차장 내부는 사람의 출입이 불가능하며, 주차팔레트 하나에 차량 한 대가 적재되는 구조이므로 차량 하중과 주차팔레트 자중만을 고려하였다. 이외의 추가적인 하중이나 하중계수는 고려하지 않았다. 또한, 주차팔레트는 차량의 네 바퀴에 의해 하중을 전달받는 구조이므로, 4개 지점에 집중 하중을 적용하였다. 또한, 화재노출면인 주차팔레트 하부에는 화재시뮬레이션을 통해 도출된 각 화재시나리오의 수열온도를 적용하였으며, 이 때 열방사도와 대류열계수는 Eurocode 1 and 2 ^{(BSI, 2004(a); BSI, 2002(b))}를 참고하여 각각 0.7, 25 W/m2K으로 적용하였다. 화재비노출면인 주차팔레트 상부 및 측면에는 별도의 열적경계조건을 적용하지 않았다.

Fig. 14 Thermal and mechanical properties of steel

Fig. 15 Thermal conductivity of fire proof board

주차팔레트 강재의 탄성계수는 200 GPa, 항복강도는 235 MPa를 적용하였으며, 응력-변형률 관계는 이중선형모델(Bi-linear model)로 설정하였다. 강재의 열적특성은 열전도도, 비열, 열방사도 등이 있으며, 기계적 특성은 밀도, 프와송비, 응력-변형률 관계 등이 있다. Fig. 14에 나타낸 바와 같이 이 연구에서는 Eurocode 4 part 1-2 ^{(BSI, 1994)}에서 제시하고 있는 강재의 열적, 기계적 특성값을 적용하였다. 또한, 내화보드의 열전달계수는 ^{Lim et al. (2018)}의 연구를 참고하여 Fig. 15에 나타낸 바와 같이 온도에 따라 다르게 적용하였다.

3.2 구조부재의 하중지지력 관련 기준

ISO 834-1 및 KS F 2257-1 ^{(ISO, 1999; KSA, 2019)}에서는 화재하중을 받은 구조부재의 하중지지력에 대하여 변형량과 변형률 기준을 제시하고 있으며, 식 (3) 및 식 (4)에 나타낸 바와 같다. 여기서, L은 실험체의 경간(mm), d는 구조 단면의 최대 압축력을 받도록 설계된 위치에서 최대 인장력을 받도록 설계된 위치까지의 거리(mm)를 의미한다.

하중지지력은 구조부재가 하중에 견디는 시간을 의미한다. 하중에 대한 지지능력은 변형량 및 변형률에 의하여 결정되며, 주차팔레트의 한계변형량은 750 mm, 한계변형률은 33.3 mm/min으로 산정되었다.

3.3 주차팔레트의 내화성능 평가결과

이 연구에서는 3600초(1시간)에 걸쳐 주차팔레트의 하부에 화재하중을 적용하였다. Fig. 16에는 NS, NSB, S0, S1 화재시나리오에서 도출된 주차팔레트 수열온도를 적용한 주차팔레트의 화재노출시간에 따른 처짐을 나타내었다. 검은색 실선으로 나타낸 NS 및 S0 화재시나리오의 주차팔레트 처짐은 화재노출시간에 따라 지속적으로 증가하였으며, 약 1700초 시점부터 더욱 급격한 속도로 처짐이 발생하였다. 이는 화재가 상부차량으로 전파되면서 주차팔레트에 가해지는 화재하중이 증가하였기 때문으로 판단된다. 최종적으로 약 2800초에 처짐이 급격히 증가하며 파괴되었다. 방화셔터 및 스프링클러가 설치된 경우의 주차팔레트 처짐은 검은색 점선과 같이 매우 미미한 처짐을 보였으며, 이는 방화셔터와 스프링클러의 작동으로 인해 화재가 조기에 진화되었기 때문으로 판단된다. 결과적으로, 방화셔터와 스프링클러가 설치된 경우의 최대 처짐은 각각 79.5 mm, 39.0 mm로 평가되었다.

Fig. 16 Deflection according to exposure time (NS, S0, NSB, S1 fire scenarios)

Fig. 17 Deflection according to exposure time (NS, Fire proof board :10, 20, 30 mm)

Fig. 17에는 NS 및 주차팔레트 하부에 내화보드(10, 20, 30 mm)가 적용된 해석모델을 나타내었다. 내화보드가 10, 20, 30 mm 적용된 해석모델의 화재노출시간에 따른 최대 처짐은 각각 95.9 mm, 53.0 mm, 43.4 mm로 나타났으며, 10 mm의 내화보드를 적용하여도 주차팔레트의 내화성능을 충분히 확보하는 것으로 평가되었다.