KR101263372B1 - 내화성능 설계 방법 - Google Patents

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KR101263372B1
KR101263372B1 KR1020120109417A KR20120109417A KR101263372B1 KR 101263372 B1 KR101263372 B1 KR 101263372B1 KR 1020120109417 A KR1020120109417 A KR 1020120109417A KR 20120109417 A KR20120109417 A KR 20120109417A KR 101263372 B1 KR101263372 B1 KR 101263372B1
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김형준
여인환
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이재승
손승문
정성진
양승조
박세희
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한남대학교 산학협력단
한국건설기술연구원
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Abstract

구조물의 내화성능 설계시 성능적 설계 방식으로 등가화재심각도를 산출하는 내화성능 설계 방법이 제공된다. 등가화재심각도를 산출하는 내화성능 설계 방법은, a) 방화구획 크기 정보, 지붕개구부 정보, 벽 개구부 정보를 입력하여 구획 형상을 결정하는 단계; b) 재료특성을 고려하여 전환계수(
Figure 112013027665958-pat00456
)를 산출하는 단계; c) 재료의 종류에 따른 재료보정계수(
Figure 112013027665958-pat00457
)를 산출하는 단계; d) 공기유입을 고려하여 환기계수(
Figure 112013027665958-pat00458
)를 산출하는 단계; e) 방화구획에 존재하는 가연물의 발열량에 따라 설계 방식을 구분하여 구획화재하중 밀도를 산출하는 단계; f) 방화구획 및 거주환경에 따른 위험계수 및 산출된 구획화재하중 밀도에 따라 설계화재하중 밀도(
Figure 112013027665958-pat00459
)를 산출하는 단계; 및 g) 산출된 설계화재하중 밀도, 전환계수, 환기계수 및 재료보정계수에 따라 등가화재심각도(
Figure 112013027665958-pat00460
)를 산출하는 단계를 포함하되, 등가화재심각도는,
Figure 112013027665958-pat00461
로 결정될 수 있다.

Description

내화성능 설계 방법 {METHOD FOR FIRE RESISTANCE DESIGN}
본 발명은 내화성능 설계에 관한 것으로, 보다 구체적으로, 구조물의 내화성능 설계시, 성능적 설계 방식으로 등가화재심각도를 산출하는 내화성능 설계 방법에 관한 것이다.
국내의 내화설계 관련법규 현황은, 건축법 시행령 제56조에서 제시한 바와 같이, 건물의 용도 및 바닥면적에 따라 구분된 내화구조 대상 건축물에 대하여 건축법 시행령 제3조의 내화구조 예시 및 내화구조의 인정 및 관리기준 고시 제2005-122호 내화성능기준에 의하여 내화설계가 이루어지도록 하고 있다.
그런데, 기존의 내화성능 기준은 그 범위가 애매하고, 초고층 건축물에서는 적용하기 곤란한 점들이 많아 초고층 건축물의 내화구조 성능 확보를 위한 특별한 고려 사항이 필요하다. 특히, 현행 법규 아래에서는 시행령에 제시된 내화구조가 성능기준에서 제시된 내화성능을 얼마나 확보하고 있는지 알 수가 없어 설계 및 시공 상에 상당한 혼란을 부추기고 있으며, 초고층 건축물에서는 이러한 위험이 더욱 크게 작용하고 있다.
일본의 경우, 내화구조 기준에서 제시하고 있는 내화구조 시스템이나 내화성능 시간을 함께 묶어서 지정하고 있어서 요구 성능시간에 따라 구체적인 건물 시스템을 차등적으로 적용할 수 있게 되어있다. 이때, 요구 성능내화시간은 최소 1시간에서 3시간까지이며, 철근콘크리트조의 경우 다양한 두께를 예시하고 있고, 철골조의 경우에도 내화성능시간에 따른 피복 및 보강방법을 구체적으로 제시하고 있으므로, 국내와 같이 시공 및 설계의 혼란이 없도록 하고 있다. 특히, 1988년 신내화설계법이 제안됨에 따라 실제 건물에서의 화재의 세기, 지속시간, 부재 온도, 화재실 조건, 가연물의 양 등을 종합적으로 고려하여 건축법에서 꼭 규정하는 재료나 공법에 따르지 않고, 건물 화재에 대한 안정성을 평가할 수 있는 설계법으로 변화하게 되었다.
미국이나 북유럽 국가 또한 다양한 요구 조건에 따른 내화성능을 구체적으로 제시하고 있으며, 건물 기능에 따른 차등적 내화설계가 가능하도록 법규 및 설계법을 유도하고 있다.
국내의 경우, 내화피복에 의해 내화시간 규정을 만족시키는 사양적 내화설계가 대부분이고, 성능적 내화설계로의 전환을 위한 다양한 내화설계법의 개발 및 이에 대한 인증 시스템의 운영체계가 확고히 정립되지 않아서 문제점을 겪고 있다. 또한, 실제 시공 현장 관계자들의 경우, 내화 설계에 대한 인식이 미미한 실정이다.
예를 들면, 이러한 구조물의 내화성능 설계는 사양적 내화성능 설계 및 성능적 내화성능 설계로 구분할 수 있고, 이때, 성능적 내화성능 설계는 기술적 수준이 높고 내화 설계 단계별로 요구되는 평가항목이 많기 때문에 상당히 까다로운 설계방법이다. 즉, 종래의 기술에 따르면, 구조물의 내화성능을 설계할 때, 성능적 설계기법에 따라 구조물의 내화성능을 정확하게 설계할 수 있는 구체적인 방법이 없는 실정이다.
대한민국 등록특허번호 제10-929416호(출원일: 2007년 10월 15일), 발명의 명칭: "고강도 콘크리트 부재의 내화성능 평가 시스템" 대한민국 등록특허번호 제10-1105329호(출원일: 2009년 3월 3일), 발명의 명칭: "철근콘크리트 부재의 내화성능 확보를 위한 콘크리트 배합조건 선정시스템" 대한민국 공개특허번호 제2010-82968호(공개일: 2010년 7월 21일), 발명의 명칭: "건축부재의 내화 시험장치 및 이를 이용한 건축부재의 내화시험방법" 대한민국 공개특허번호 제2007-116686호(공개일: 2007년 12월 10일), 발명의 명칭: "내화용 강재 및 그 제조 방법" 대한민국 등록특허번호 제10-1139605호(출원일: 2008년 4월 4일), 발명의 명칭: "고온 특성과 인성이 우수한 강재 및 그 제조 방법" 일본 공개특허번호 제2004-360194호(공개일: 2004년 12월 24일), 발명의 명칭: "고강도 콘크리트 부재의 내화 사양 선정 방법" 일본 공개특허번호 제2003-105922호(공개일: 2003년 4월 9일), 발명의 명칭: "강관 콘크리트 기둥 및 그 설계 방법" 일본 공개특허번호 제2009-198244호(공개일: 2009년 9월 3일), 발명의 명칭: "합성 부재의 내화성능 평가 방법"
전술한 문제점을 해결하기 위한 본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는, 구조물의 내화성능 설계시, 성능적 설계 방식으로 등가화재심각도를 산출하기 위한 내화성능 설계 방법을 제공하기 위한 것이다.
삭제
삭제
전술한 기술적 과제를 달성하기 위한 수단으로서, 본 발명에 따른 등가화재심각도를 산출하는 내화성능 설계 방법은, a) 내화성능 설계를 위해 방화구획 크기 정보, 지붕개구부 정보, 벽 개구부 정보를 입력하여 구획 형상을 결정하는 단계; b) 상기 방화구획을 형성하는 재료특성을 고려하여 외피의 열전도율(
Figure 112013027665958-pat00484
), 외피의 밀도(
Figure 112013027665958-pat00485
) 및 외피의 비열(
Figure 112013027665958-pat00486
)에 의해 결정되는 전환계수(
Figure 112013027665958-pat00487
)를 산출하는 단계; c) 상기 방화구획을 형성하는 단면의 재료에 따라 철근콘크리트, 내화피복 강재 또는 무피복 강재로 구분되는 재료보정계수(
Figure 112013027665958-pat00488
)를 선택하는 단계; d) 상기 방화구획 내에 공기가 유입될 수 있는 개구부를 고려하여 공기량에 대응하는 환기계수(
Figure 112013027665958-pat00489
)를 산출하는 단계; e) 상기 방화구획에 존재하는 가연물의 발열량에 따라 구획화재하중 밀도를 산출하는 단계; f) 기설정된 방화구획 및 거주환경에 따른 위험계수를 선택하고, 상기 산출된 구획화재하중 밀도에 따라 화재하중을 고려하여 설계화재하중 밀도(
Figure 112013027665958-pat00490
)를 산출하는 단계; 및 g) 상기 산출된 설계화재하중 밀도(
Figure 112013027665958-pat00491
), 전환계수(
Figure 112013027665958-pat00492
), 환기계수(
Figure 112013027665958-pat00493
) 및 재료보정계수(
Figure 112013027665958-pat00494
)에 따라 등가화재심각도(
Figure 112013027665958-pat00495
)를 산출하는 단계를 포함하되, 상기 등가화재심각도(
Figure 112013027665958-pat00496
)는,
Figure 112013027665958-pat00497
로 결정되는 것을 특징으로 한다.
여기서, 상기 등가화재심각도는 건물에 사용되는 부재의 내화성능을 평가하기 위한 척도로서, 철근콘크리트, 내화피복 강재, 무피복 강재, 목구조의 내화성능 설계에 사용되는 것을 특징으로 한다.
여기서, 상기 b) 단계의 전환계수(
Figure 112013027665958-pat00498
)는 구획에 사용된 외피의 특성을 고려한 계수로서, 외피의 열전도율(
Figure 112013027665958-pat00499
), 외피의 밀도(
Figure 112013027665958-pat00500
) 및 외피의 비열(
Figure 112013027665958-pat00501
)에 의해 결정되고, 0.04, 0.055 또는 0.07에서 선택되고 그 단위는
Figure 112013027665958-pat00502
로 표시되는 것을 특징으로 한다.
여기서, 상기 c) 단계의 재료보정계수(
Figure 112013027665958-pat00503
)는 단면의 재료에 따라 철근콘크리트, 내화피복 강재 또는 무피복 강재로 구분되어 선택되고 그 단위는 무차원인 것을 특징으로 한다.
여기서, 상기 e) 단계는, e-1) 가연물 정보를 입력하는 단계; e-2) 가연물의 총 발열량에서 수증기가 가져가는 잠열을 뺀 발열량인 참발열량을 산출하는 단계; 및 e-3) 실제 방화구획내에 존재하는 가연물의 참발열량, 보정계수 값 및 질량에 따라 구획화재하중 밀도(
Figure 112013027665958-pat00504
)를 산출하는 단계를 포함하되, 상기 구획화재하중 밀도(
Figure 112013027665958-pat00505
)는
Figure 112013027665958-pat00506
로 주어지고, 여기서,
Figure 112013027665958-pat00507
는 구획화재하중으로서, 그 단위는
Figure 112013027665958-pat00508
로 표시되며,
Figure 112013027665958-pat00509
는 특정구획의 바닥면적으로서, 그 단위는
Figure 112013027665958-pat00510
으로 표시되는 것을 특징으로 한다.
삭제
여기서, 상기 e) 단계가 방화구획의 가연물을 고려한 상세 설계 방식인 경우, e-1) 가연물 정보를 입력하는 단계; e-2) 가연물의 총 발열량에서 수증기가 가져가는 잠열을 뺀 발열량인 참발열량을 산출하는 단계; 및 e-3) 구획화재하중 밀도(
Figure 112012079811980-pat00027
)를 산출하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 e-2) 단계의 참발열량(
Figure 112012079811980-pat00028
)은
Figure 112012079811980-pat00029
로 주어지고, 여기서,
Figure 112012079811980-pat00030
는 건조한 재료의 발열량이고,
Figure 112012079811980-pat00031
는 중량에 대한 수분비를 나타내는 것을 특징으로 한다.
여기서, 상기 구획화재하중(
Figure 112013027665958-pat00035
)은
Figure 112013027665958-pat00036
로 주어지고, 여기서,
Figure 112013027665958-pat00037
는
Figure 112013027665958-pat00038
번째 가연물의 질량이고,
Figure 112013027665958-pat00039
는
Figure 112013027665958-pat00040
번째 가연물의 참발열량이며,
Figure 112013027665958-pat00041
는
Figure 112013027665958-pat00042
보호화재하중에 따른 선택계수를 나타내는 것을 특징으로 한다.
여기서, 상기 f) 단계의 거주환경은 주거지역, 병원(객실), 호텔(객실), 도서관, 사무실, 학교 교실, 쇼핑센터, 극장 및 터미널로 구분되며, 화재의 성장속도에 따라 0.250 시간인 빠른화재, 0.333 시간인 중간화재 및 0.417 시간인 느린화재로 구분되는 것을 특징으로 한다.
여기서, 상기 f) 단계의 설계화재하중밀도(
Figure 112012079811980-pat00043
)는, 연소계수(
Figure 112012079811980-pat00044
), 구획크기에 따른 화재활성화 위험계수(
Figure 112012079811980-pat00045
), 건물용도에 따른 화재활성화 위험계수(
Figure 112012079811980-pat00046
), 소화시스템에 의한 위험계수(
Figure 112012079811980-pat00047
) 및 구획화재하중 밀도(
Figure 112012079811980-pat00048
)에 따라
Figure 112012079811980-pat00049
로 산출될 수 있다.
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본 발명에 따르면, 구조물의 내화성능 설계시, 성능적 설계 방식으로 등가화재심각도를 산출할 수 있다. 이러한 등가화재심각도는 철근콘크리트, 내화피복 강재, 무피복 강재, 목구조의 내화성능 설계에 사용될 수 있다.
삭제
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도 1은 구획 온도-시간 곡선과 표준 가열곡선의 면적에 근거한 등가화재심각도를 나타내는 도면이다.
도 2는 구획내 부재의 도달온도에 근거한 등가화재심각도를 나타내는 도면이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 등가화재심각도를 산출하는 내화성능 설계 방법의 동작흐름도이다.
도 4는 화재 성장 과정에서 플래시오버(Flashover)의 발생을 설명하기 위한 그래프이다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 플래시오버를 판단하는 내화성능 설계 방법의 동작흐름도이다.
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 화재 성장률을 산출하는 내화성능 설계 방법의 동작흐름도이다.
도 7은 화재 감지 작동을 예측하기 위한 시간자승(t2)화재에 의한 열방출률을 예시하는 그래프이다.
도 8은 시간에 따른 열방출률을 예시하는 그래프이다.
도 9는 사무실에서 발생한 화재에 관한 열방출률-시간 곡선을 예시하는 도면이다.
도 10은 본 발명의 실시예에 따른 내화성능 설계 방법이 구현된 프로그램의 메인화면을 나타내는 도면이다.
도 11은 본 발명의 실시예에 따른 등가화재심각도를 산출하는 내화성능 설계 방법에서 방화구획 정보 입력을 예시하는 도면이다.
도 12는 본 발명의 실시예에 따른 등가화재심각도를 산출하는 내화성능 설계 방법에서 가연물 정보 입력을 예시하는 도면이다.
도 13은 도 12에 도시된 가연물 정보 입력시 가연물 선택을 구체적으로 나타내는 도면이다.
도 14는 도 13에 도시된 가연물 선택시 원하는 정보가 없을 경우, 직접 입력을 예시하는 도면이다.
도 15는 본 발명의 실시예에 따른 등가화재심각도를 산출하는 내화성능 설계 방법에서 특정화재하중을 산출하는 것을 예시하는 도면이다.
도 16은 본 발명의 실시예에 따른 등가화재심각도를 산출하는 내화성능 설계 방법에서 위험계수를 입력하는 것을 예시하는 도면이다.
도 17은 본 발명의 실시예에 따른 등가화재심각도를 산출하는 내화성능 설계 방법에서 설계화재 하중을 산출하는 것을 예시하는 도면이다.
도 18은 본 발명의 실시예에 따른 등가화재심각도를 산출하는 내화성능 설계 방법에서 환기계수의 산출 및 사용성을 판단하는 것을 예시하는 도면이다.
도 19는 본 발명의 실시예에 따른 등가화재심각도를 산출하는 내화성능 설계 방법에서 등가화재심각도 결과 산출을 예시하는 도면이다.
도 20은 본 발명의 실시예에 따른 플래시오버를 판단하는 내화성능 설계 방법 및 화재성장률을 산출하는 내화성능 설계 방법에서 방화구획 정보 및 가연물 정보를 입력하는 것을 예시하는 도면이다.
도 21은 본 발명의 실시예에 따른 화재성장률을 산출하는 내화성능 설계 방법에서 t2화재 성장률을 산출하는 것을 예시하는 도면이다.
도 22는 본 발명의 실시예에 따른 플래시오버를 판단하는 내화성능 설계 방법에서 플래시오버를 판단하는 것을 예시하는 도면이다.
아래에서는 첨부한 도면을 참조하여 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 본 발명의 실시예를 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 그리고 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다.
명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.
먼저, 도 1 내지 도 3을 참조하여, 본 발명의 실시예에 따른 등가화재심각도를 산출하는 내화성능 설계 방법을 설명한다.
등가화재심각도는 건물에 사용되는 부재의 내화성능을 평가하기 위한 척도로 사용되며, 방화구획의 자연화재를 표준화재에 노출된 시간으로 변환하여 계산하는 것을 의미한다.
도 1은 구획 온도-시간 곡선과 표준 가열곡선의 면적에 근거한 등가 화재심각도를 나타내는 도면이다.
도 1에 도시된 바와 같이, 화재하중에 따른 구획실험을 통해 획득된 온도-시간 곡선에서 150℃ 또는 300℃ 이상의 구획곡선과 가열로 곡선 아래의 등가면적을 고려하여 화재심각도를 계산할 수 있다는 화재심각도에 대한 초기 개념이 제안되었다.
이러한 방법으로 표준 내화기간과 단위면적당 하중에 따라 측정된 화재 하중 사이의 상관 관계를 도출하였다. 이 방법은 화재등급에 대한 근간을 제공하였으나, 등가 개념에 영향을 주는 환기 효과를 고려하지 않기 때문에 이론적인 타당성에 결함이 있었다. 이러한 이유로 부재 내에 동등한 온도 상승에 근거한 등가시간(time equivalence)의 개념이 제시되었다. 이것은 화재 강도의 크기를 구분하지 않고 오직 화재에 의한 전체 열유입량 측정으로 등가시간을 되풀이하게 된다.
이러한 등가시간을 계산하기 위해서 2가지 방법이 제시되고 있다. 첫 번째는 부재에서 동등한 온도상승에 근거한 등가개념을 고려하는 것이며, 두 번째는 등가 열유입량을 고려하는 방법이다.
도 2는 구획내 부재의 도달온도에 근거한 등가화재심각도를 나타내는 도면이다.
본 발명의 실시예에 사용되는 등가화재심각도는 온도를 기반으로 하며, 온도를 기반으로 가열로 실험과 자연 화재의 효과에 관한 상관 관계를 나타낸다. 구체적으로, 도 2에 도시된 바와 같이, 단열된 강재가 자연화재에 노출될 때, 약 550℃의 온도에 도달하는 시간을 계산하고, 표준화재 실험에서 부재가 같은 온도에 도달하는데 걸리는 시간을 환기면적, 구획면적, 화재하중을 고려하여 등가시간으로 치환하였다.
이때, 요구 내화성능은 환기 면적, 구획의 내부면적 및 화재하중의 함수가 된다. 다시 말하면, 환기면적, 구획면적, 화재하중을 고려한 자연화재의 온도와 시간관계는 등가화재심각도를 고려하면, 표준화재의 온도와 시간 관계를 얻을 수 있다.
한편, 도 3은 본 발명의 실시예에 따른 등가화재심각도를 산출하는 내화성능 설계 방법의 동작흐름도이다.
먼저, 등가화재심각도(
Figure 112012079811980-pat00086
)는 화재하중을 고려한 설계화재하중 밀도, 재료특성을 고려한 전환계수, 재료종류에 따른 재료보정계수, 공기유입을 고려한 환기계수로서, 다음의 수학식 1과 같이 결정된다.
Figure 112012079811980-pat00087
여기서,
Figure 112012079811980-pat00088
는 설계화재하중 밀도를 나타내며, 그 단위는
Figure 112012079811980-pat00089
로 표시되고,
Figure 112012079811980-pat00090
는 환기계수로서 그 단위는 [무차원]으로 표시되며,
Figure 112012079811980-pat00091
는 전환계수로서, 그 단위는
Figure 112012079811980-pat00092
로 표시되고,
Figure 112012079811980-pat00093
는 재료보정계수로서, 그 단위는 [무차원]으로 표시된다.
구체적으로, 도 3을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 등가화재심각도를 산출하는 내화성능 설계 방법은, 먼저, 내화성능 설계를 위해 방화구획 크기 정보, 지붕개구부 정보, 벽 개구부 정보를 입력하여 구획 형상을 결정한다(S111).
다음 과정으로, 상기 방화구획을 형성하는 재료특성을 고려하여 전환계수(
Figure 112012079811980-pat00094
)를 산출한다(S112). 이러한 전환계수(
Figure 112012079811980-pat00095
)는 구획에 사용된 외피의 특성을 고려한 계수로서, 외피의 열전도율, 밀도, 비열에 의해 결정되며 표 1에 해당하는 범위에 따라 전환계수 값이 결정된다.
Figure 112012079811980-pat00096
예를 들면,
Figure 112012079811980-pat00097
이고, 고밀도 콘크리트(Dense Concrete)의 경우,
Figure 112012079811980-pat00098
Figure 112012079811980-pat00099
일 수 있다.
다음으로, 한 가지 재료의 외피가 적용된 경우, 열흡수율(
Figure 112012079811980-pat00100
)은 다음의 수학식 2와 같다.
Figure 112012079811980-pat00101
여기서,
Figure 112012079811980-pat00102
는 전체 내부구획에 적용된 외피의 열흡수율로서, 그 단위는
Figure 112012079811980-pat00103
로 표시하며, 이때,
Figure 112012079811980-pat00104
는 외피의 밀도로서, 그 단위는
Figure 112012079811980-pat00105
로 표시하고,
Figure 112012079811980-pat00106
는 외피의 비열로서, 그 단위는
Figure 112012079811980-pat00107
로 표시하며,
Figure 112012079811980-pat00108
는 외피의 열전도율로서, 그 단위는
Figure 112012079811980-pat00109
로 표시한다.
여기서, 한 표면에 여러 외피가 적용된 경우,
Figure 112012079811980-pat00110
이면,
Figure 112012079811980-pat00111
이 되고,
Figure 112012079811980-pat00112
이면, 제한두께(
Figure 112012079811980-pat00113
)는 다음의 수학식 3에 의해 결정될 수 있다.
Figure 112012079811980-pat00114
이때,
Figure 112012079811980-pat00115
이면,
Figure 112012079811980-pat00116
이고,
Figure 112012079811980-pat00117
이면,
Figure 112012079811980-pat00118
이 된다. 여기서,
Figure 112012079811980-pat00119
은 화재에 노출된 외부 외피의 열흡수율이고,
Figure 112012079811980-pat00120
는
Figure 112012079811980-pat00121
의 다음 내부외피의 열흡수율로서, 각각 그 단위는
Figure 112012079811980-pat00122
로 표시하며,
Figure 112012079811980-pat00123
은 바깥쪽에 위치한 외피의 최소두께를 나타낸다.
예를 들면, 1은 화재에 직접 노출된 외피를 의미하고, 2는 다음 내부층의 외피를 의미하며, 3은 그 다음 내부층의 외피를 의미한다.
한편, 최고온도시간(
Figure 112012079811980-pat00124
)은 다음의 수학식 4와 같이 주어질 수 있다.
Figure 112012079811980-pat00125
여기서,
Figure 112012079811980-pat00126
이고,
Figure 112012079811980-pat00127
는 설계화재하중밀도를 나타내며,
Figure 112012079811980-pat00128
는 구획의 바닥면적을 나타내며,
Figure 112012079811980-pat00129
는 개구부를 포함한 구획의 총면적을 나타내고,
Figure 112012079811980-pat00130
는 개구부 계수를 나타낸다. 또한,
Figure 112012079811980-pat00131
은 느린화재시 0.417 시간, 중간화재 0.333 시간, 빠른화재시 0.250 시간을 나타낸다. 표 6은 거주 형태에 따른 성장속도를 나타낸다. 예를 들면, 거주 형태는 주거지역, 병원(객실), 호텔(객실), 도서관, 사무실, 학교 교실, 쇼핑센터, 극장 및 터미널로 구분되며, 성장속도에 따라 빠른화재, 중간화재 및 느린화재로 구분될 수 있다.
Figure 112012079811980-pat00132
또한, 바닥, 천장, 벽의 열흡수열이 다른 경우, 열흡수율(
Figure 112012079811980-pat00133
)은 다음의 수학식 5와 같다.
Figure 112012079811980-pat00134
여기서,
Figure 112012079811980-pat00135
는 개구부를 제외한 j표면 외피의 면적을 나타내고,
Figure 112012079811980-pat00136
는 j외피의 열흡수율을 나타내고,
Figure 112012079811980-pat00137
는 벽에 위치한 수평개구부의 총면적을 나타낸다.
다음 과정으로, 상기 방화구획을 형성하는 재료의 종류에 따른 재료보정계수(
Figure 112012079811980-pat00138
)를 산출한다(S113).
이와 같이 구획에 사용되는 재료에 의해 사용되는 재료보정계수(
Figure 112012079811980-pat00139
)는 다음의 표 3에 도시된 바와 같이 정의된다. 예를 들면, 단면의 재료에 따라 철근콘크리트, 내화피복 강재 및 무피복 강재로 구분되어 각각의 재료보정계수(
Figure 112012079811980-pat00140
)는 표 3에 도시된 바와 같다.
Figure 112012079811980-pat00141
다음 과정으로, 상기 방화구획 내의 공기유입을 고려하여 환기계수(
Figure 112012079811980-pat00142
)를 산출한다(S114). 여기서, Post-Flashover(플래시오버 이후)의 화재 성상은 일반적으로 구획내에 유입되는 공기량에 의해 결정된다. 따라서 등가화재심각도에서 고려하는 환기계수(
Figure 112012079811980-pat00143
)는 방화구획 내에 공기가 유입될 수 있는 개구부를 고려하여 결정된다. 이러한 환기계수(
Figure 112012079811980-pat00144
)는 다음의 수학식 6에 의해 계산된다. 단,
Figure 112012079811980-pat00145
값이 0.5보다 작은 경우 0.5의 값을 사용한다.
Figure 112012079811980-pat00146
여기서,
Figure 112012079811980-pat00147
는 방화구획의 높이로서, 그 단위는
Figure 112012079811980-pat00148
로 표시하며,
Figure 112012079811980-pat00149
(
Figure 112012079811980-pat00150
는 벽개구부의 면적,
Figure 112012079811980-pat00151
는 방화구획의 바닥면적을 나타냄)이고,
Figure 112012079811980-pat00152
(
Figure 112012079811980-pat00153
는 지붕개구부의 면적을 나타냄)이며,
Figure 112012079811980-pat00154
이 되고, 이때,
Figure 112012079811980-pat00155
인 점에 주의한다. 단, 지붕개구부가 없이 방화구획이
Figure 112012079811980-pat00156
인 경우, 환기계수(
Figure 112012079811980-pat00157
)는 다음의 수학식 7에 의해 계산된다.
Figure 112012079811980-pat00158
여기서,
Figure 112012079811980-pat00159
로 주어지고,
Figure 112012079811980-pat00160
는 벽에 적용된 수직 개구부의 총면적을 나타내며,
Figure 112012079811980-pat00161
는 방화구획의 내부 총면적을 나타낸다. 또한,
Figure 112012079811980-pat00162
로 주어지며, 이때,
Figure 112012079811980-pat00163
는 벽에 적용된 i번째 개구부의 면적을 나타내고,
Figure 112012079811980-pat00164
는 벽에 적용된 i번째 개부부의 높이를 나타낸다.
다음 과정으로, 상기 방화구획에 존재하는 가연물의 발열량에 따라 설계 방식을 구분하여 구획화재하중 밀도를 산출한다. 즉, 상기 구획화재하중 밀도는 방화구획의 가연물을 고려한 상세 설계 방식 또는 경험에 의한 단순 설계 방식으로 분류하여 산출할 수 있다. 구체적으로, 설계 방식이 상세 설계인지 단순 설계인지 판단하여(S115), 상기 방화구획의 가연물을 고려한 상세 설계 방식인 경우, 가연물 정보를 입력하고(S116), 이후, 가연물의 총 발열량에서 수증기가 가져가는 잠열을 뺀 발열량인 참발열량을 산출하며(S117), 구획화재하중 밀도(
Figure 112012079811980-pat00165
)를 산출한다(S118).
만일, 설계 방식이 상세 설계인지 단순 설계인지 판단하여(S115), 상기 방화구획의 가연물을 고려한 단순 설계 방식인 경우, 단순 설계시의 구획화재하중 밀도(
Figure 112012079811980-pat00166
)를 산출한다(S120).
다음 과정으로, 방화구획 및 거주환경에 따른 위험계수를 산출하고(S119), 상기 산출된 구획화재하중 밀도에 따라 화재하중을 고려하여 설계화재하중 밀도(
Figure 112012079811980-pat00167
)를 산출한다(S121).
구체적으로, 등가화재심각도 계산에 사용되는 설계화재하중밀도(
Figure 112012079811980-pat00168
)는 연소계수, 구획크기 및 건물용도에 따른 화재활성화 위험계수, 소화시스템에 의한 계수, 구획화재하중 밀도에 의해 결정된다. 설계화재하중 밀도는 다음의 수학식 8에 의해 결정된다.
Figure 112012079811980-pat00169
여기서,
Figure 112012079811980-pat00170
는 구획화재하중 밀도로서, 그 단위는
Figure 112012079811980-pat00171
로 표시되고,
Figure 112012079811980-pat00172
은 연소계수로서, 그 단위는 [무차원]으로 표시되고,
Figure 112012079811980-pat00173
는 구획크기에 따른 화재활성화 위험계수이고,
Figure 112012079811980-pat00174
는 건물용도에 따른 화재활성화 위험계수이며,
Figure 112012079811980-pat00175
는 소화시스템에 의한 계수로서, 각각 그 단위는 [무차원]으로 표시된다.
구체적으로, 상기 설계화재하중 밀도에 사용되는 연소계수(
Figure 112012079811980-pat00176
)는 거주형태와 화재의 종류에 따라 달라질 수 있는 화재를 고려하기 위한 것으로, 일반적으로 0.8의 값으로 사용된다. 또한, 구획크기에 따른 화재활성화 위험계수(
Figure 112012079811980-pat00177
)는 다음의 표 4에 도시된 바와 같고, 건물용도에 따른 화재활성화 위험계수(
Figure 112012079811980-pat00178
)는 다음의 표 5에 도시된 바와 같으며, 소화시스템에 의한 계수(
Figure 112012079811980-pat00179
)는 다음의 표 6에 도시된 바와 같다.
Figure 112012079811980-pat00180
Figure 112012079811980-pat00181
Figure 112012079811980-pat00182
이때, 상기 소화시스템에 의한 계수(
Figure 112012079811980-pat00183
)는 표 3에 의해 개별적으로 소화시스템을 고려하게 되므로, 다음의 수학식 9와 같이 주어질 수 있다.
Figure 112012079811980-pat00184
여기서,
Figure 112012079811980-pat00185
는
Figure 112012079811980-pat00186
번째 소화시스템에 의한 계수를 나타낸다.
일반적으로,
Figure 112012079811980-pat00187
,
Figure 112012079811980-pat00188
,
Figure 112012079811980-pat00189
의 경우 1.0을 사용하나, 화재를 예측하지 못하였을 경우 1.5를 사용한다.
Figure 112012079811980-pat00190
은 계단에 압력에 의해 화재경보기가 작동한 경우 0.91을 사용한다.
또한, 구획화재하중 밀도(
Figure 112012079811980-pat00191
)는 구획에 존재하는 가연물의 발열량에 의한 것으로, 2가지 방법으로 분류하여 결정할 수 있다. 즉, 방화구획의 가연물을 고려한 계산법(상세 설계), 경험에 의한 계산법(단순 설계)으로 이루어진다.
방화구획의 가연물을 고려한 구획화재하중 밀도(
Figure 112012079811980-pat00192
)의 상세 설계를 설명하면 다음과 같다.
이러한 방화구획의 가연물을 고려한 계산법은 가연물에 대한 수량과 발열량에 대한 정보가 필요하다. 그러나 단순한 구획에서는 정확한 화재하중을 구할 수 있으나, 복잡한 구획일수록 전체 내용물을 고려해야 함으로 비경제적일 수 있다.
이러한 설계화재하중 밀도에 사용되는 구획화재하중 밀도는 실제 구획내에 존재하는 가연물의 발열량, 보정계수 값 및 질량에 의해 결정된다. 이에 따라 구획화재하중 밀도(
Figure 112012079811980-pat00193
)는 다음의 수학식 10과 같이 정의된다.
Figure 112012079811980-pat00194
여기서,
Figure 112012079811980-pat00195
는 구획화재하중으로서, 그 단위는
Figure 112012079811980-pat00196
로 표시되며,
Figure 112012079811980-pat00197
는 특정구획의 바닥면적으로서, 그 단위는
Figure 112012079811980-pat00198
으로 표시된다.
예를 들면,
Figure 112012079811980-pat00199
로 주어지고, 여기서,
Figure 112012079811980-pat00200
는
Figure 112012079811980-pat00201
번째 가연물의 질량으로서, 그 단위는
Figure 112012079811980-pat00202
로 표시하고,
Figure 112012079811980-pat00203
는
Figure 112012079811980-pat00204
번째 가연물의 참발열량으로서, 그 단위는
Figure 112012079811980-pat00205
로 표시하며,
Figure 112012079811980-pat00206
는
Figure 112012079811980-pat00207
보호화재하중에 따른 선택계수로서, 그 단위는 [무차원] 으로 표시한다.
또한, 구획화재하중(
Figure 112012079811980-pat00208
)에 사용되는 참발열량은 수소나 수분을 포함하고 있는 가연물의 총 발열량에서 수증기가 가져가는 잠열을 뺀 발열량을 의미한다. 이러한 참발열량(
Figure 112012079811980-pat00209
)은 다음의 수학식 11에 의해 결정된다.
Figure 112012079811980-pat00210
여기서,
Figure 112012079811980-pat00211
는 건조한 재료의 발열량으로서, 그 단위는
Figure 112012079811980-pat00212
로 표시하고,
Figure 112012079811980-pat00213
는 중량에 대한 수분비를 나타낸다. 이러한 수분비(
Figure 112012079811980-pat00214
)는 다음의 수학식 12와 같이 주어진다.
Figure 112012079811980-pat00215
여기서,
Figure 112012079811980-pat00216
는 건조 중량에 대한 함수율로서, 그 단위는 [%]로 표시한다. 이때, 건조중량에 대한 함수율(
Figure 112012079811980-pat00217
)은 통상적으로 목재에 대해 인용되는 것으로, 다음의 수학식 13과 같이 정의된다.
Figure 112012079811980-pat00218
여기서,
Figure 112012079811980-pat00219
는 건조 전의 시료중량이고,
Figure 112012079811980-pat00220
는 절대 건조의 시료중량으로서, 각각 그 단위는
Figure 112012079811980-pat00221
로 표시한다.
여기서, 상기 구획하중에 사용되는 보호된 화재하중에 따른 선택계수는 다음의 조건에 따라 선택된다. 첫째로, 화재노출에 안전하게 설계된 구획에서의 화재하중은 고려될 필요가 없다. 둘째로, 특정 화재설계가 되지 않은 불연소 구획에서의 화재하중은 화재에 노출되었을 경우, 보호된 화재하중의 적어도 10%까지 최대 화재하중의 선택계수는 1.0을 사용하거나, 또는 비보호된 화재하중과 보호된 화재하중이 연소되지 않고 남아있는 보호된 화재하중을 연소시키기에 충분하지 못한 경우, 남아있는 보호된 화재하중의 선택계수는 0을 사용한다. 여기서. 보호된 화재하중은 화재에 안전하게 설계된 가연물을 의미한다.
한편, 경험에 의한 구획화재하중 밀도(
Figure 112012079811980-pat00222
)의 단순 설계는 다음과 같다.
경험적인 관계식에 의한 설계화재하중 밀도(
Figure 112012079811980-pat00223
)는 ENV 1991-2-2에서 제시하고 있으며, 다음의 표 7에 도시된 바와 같다.
Figure 112012079811980-pat00224
다음 과정으로, 상기 산출된 설계화재하중 밀도(
Figure 112012079811980-pat00225
), 전환계수(
Figure 112012079811980-pat00226
), 환기계수(
Figure 112012079811980-pat00227
) 및 재료보정계수(
Figure 112012079811980-pat00228
)에 따라 등가화재심각도(
Figure 112012079811980-pat00229
)를 산출한다(S122). 이에 따라 상기 등가화재심각도(
Figure 112012079811980-pat00230
)는,
Figure 112012079811980-pat00231
로 결정될 수 있다.
여기서, 상기 등가화재심각도는 건물에 사용되는 부재의 내화성능을 평가하기 위한 척도로서, 방화구획의 자연화재를 표준화재에 노출된 시간으로 변환하여 계산하며, 철근콘크리트, 내화피복 강재, 무피복 강재, 목구조의 내화성능 설계에 사용될 수 있다. 단, 내화성능이 현저히 떨어지는 무피복 강재, 목구조에는 정확한 성능시간을 판단하기 어렵다. 예를 들면, 뉴질랜드(NZ)의 Alternative Solution에 의한 등가화재심각도는 강재 세부내화설계의 기준으로만 사용되고 있다.
이하, 주어진 조건에 따라 등가화재심각도를 산출하는 것을 예시하면 다음과 같다.
<주어진 조건>
화재 방화구획:
Figure 112012079811980-pat00232
창 문:
Figure 112012079811980-pat00233
단위면적당 가연물의 질량:
Figure 112012079811980-pat00234
방화구획의 구조물: 철근 콘크리트
고밀도 콘크리트(Dense Concrete):
Figure 112012079811980-pat00235
Figure 112012079811980-pat00236
(창문 총면적)
Figure 112012079811980-pat00237
(바닥면적)
Figure 112012079811980-pat00238
(건조한 가연물의 열량값)
Figure 112012079811980-pat00239
(가연물의 수분 함유량)
스프링클러 사용(1EA)
<등가화재심각도 산출 과정>
먼저, 전술한 S112 단계와 같이 전환계수를 산정한다.
Figure 112012079811980-pat00240
에 의해
Figure 112012079811980-pat00241
가 된다.
다음 단계로서, 전술한 S113 단계와 같이, 재료보정계수를 산정한다.
철근콘크리트를 사용하면, 재료보정계수
Figure 112012079811980-pat00242
이 된다.
다음 단계로서, 전술한 S114 단계와 같이, 환기계수를 산정한다.
Figure 112012079811980-pat00243
에 의해
Figure 112012079811980-pat00244
Figure 112012079811980-pat00245
Figure 112012079811980-pat00246
Figure 112012079811980-pat00247
다음 단계로서, 전술한 S117 단계와 같이, 참발열량을 산정한다.
Figure 112012079811980-pat00248
Figure 112012079811980-pat00249
Figure 112012079811980-pat00250
에 의해
Figure 112012079811980-pat00251
다음 단계로서, 전술한 S118 단계와 같이, 구획화재하중 밀도를 산정한다.
Figure 112012079811980-pat00252
Figure 112012079811980-pat00253
Figure 112012079811980-pat00254
Figure 112012079811980-pat00255
다음 단계로서, 전술한 S121 단계와 같이, 설계화재하중 밀도를 산정한다.
구체적으로, 상세 설계의 경우,
Figure 112012079811980-pat00256
Figure 112012079811980-pat00257
Figure 112012079811980-pat00258
가 되지만, 단순 설계의 경우,
Figure 112012079811980-pat00259
Figure 112012079811980-pat00260
가 된다.
다음 단계로, 전술한 S122 단계와 같이, 등가화재심각도를 계산한다.
구체적으로, 상세 설계의 경우,
Figure 112012079811980-pat00261
가 되지만, 단순 설계의 경우,
Figure 112012079811980-pat00262
가 된다.
전술한 산출과정 비교를 위해서, 상세 설계와 단순 설계로 나누어 등가화재심각도를 계산하였다.
한편, 전술한 등가화재심각도에 기반하여 플래시오버 이후(Pre-Flashover) 단계의 화재 거동을 설명하면 다음과 같다.
먼저, 화재가 진행되면 방화구획 온도는 상승하며, 특히 연기와 고온 가스가 모인 상단층에서 오는 복사열로 모든 노출된 표면은 가열된다. 예를 들면, 상단층 온도가 약 600℃에 이르고, 바닥의 직접 복사열이 약
Figure 112012079811980-pat00263
가 될 때, 모든 노출된 인화성 표면은 급속히 발화하여 격렬하게 연소된다. 이러한 변화 과정을 플래시오버(Flashover)라고 한다.
도 4는 화재 성장 과정에서 플래시오버(Flashover)의 발생을 설명하기 위한 그래프이다.
도 4에 도시된 바와 같이, 플래시오버는 작은 물체 중심의 화재에서 전체 공간으로 화재가 확산되는 변화과정으로 볼 수도 있다. 이 변화 과정은 보통 몇 초 내로 짧은 시간 안에 일어난다. 플래시오버발생 전에, 화재 성장은 주로 화재와 관련된 열분해 속도에 의해 제한되며, 플래시오버 발생 후, 최대 화재 크기는 이용 가능한 급기(Air supply)를 사용하여 연소할 수 있는 연료 양보다 열분해하는 연료 양이 더 많기 때문에 보통 환기를 통해 제한된다.
구체적으로, 화재의 플래시오버(Flash over)는 어느 계(용기, 방, 차내 등) 중의 가연물의 대부분이 거의 동시에 착화온도(着火溫度)에 달하는 현상을 말한다. 건물 내나 차량 내에서 화재가 발생하고, 화염이 서서히 커져오면 방안이나 차량 내의 온도가 상승하고 연소생성물의 발생도 심해져서 방안에 충만해 온다. 곧 방안의 가재도구 등에 사용되고 있는 재료의 착화온도에 도달하고, 또한, 충만된 연소생성물도 착화온도에 도달한다. 이때, 방안이 염에 에워싸여 한 순간에 연소한다. 이 현상을 플래시오버라고 한다. 경우에 따라서는 폭발적으로 연소되는 일도 있다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 플래시오버를 판단하는 내화성능 설계 방법의 동작흐름도이다.
도 5를 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 플래시오버를 판단하는 내화성능 설계 방법은, 먼저, 내화성능 설계를 위해 방화구획 및 개구부 정보를 입력한다(S201).
다음 과정으로, 가연물 정보를 입력하고(S202), 이후, 상기 가연물의 참발열량에 대응하는 환기제어형 연소율을 결정하며(S203), 이후, 상기 개구부를 통해 들어오는 공기 질량에 대응하는 환기제어형 열방출률(
Figure 112012079811980-pat00264
)을 결정한다(S204).
구체적으로, 환기제어형 화재의 경우, 연소율은 개구부를 통해 들어오는 공기 질량에 제한된다. 실험을 통해 결정된 환기제어형 열방출률은 구획으로 들어오는 공기의 질량 흐름률(
Figure 112012079811980-pat00265
)을 적용하여 사용되며, 다음의 수학식 14와 같이 주어진다.
Figure 112012079811980-pat00266
여기서,
Figure 112012079811980-pat00267
는 구획으로 유입되는 공기의 질량 흐름률으로서, 그 단위는
Figure 112012079811980-pat00268
로 표시하고,
Figure 112012079811980-pat00269
는 가연물의 참발열량으로서, 그 단위는
Figure 112012079811980-pat00270
로 표시한다.
또한, 실험에 근거한 공기의 질량 흐름률(
Figure 112012079811980-pat00271
)은 벽개구부의 면적과 구획의 높이에 의해 다음의 수학식 15와 같이 결정된다.
Figure 112012079811980-pat00272
여기서,
Figure 112012079811980-pat00273
는 총 벽개구부 면적을 나타내고,
Figure 112012079811980-pat00274
는 개구부의 높이를 나타낸다. 만약 개구부의 높이가 다른 경우, 가중평균높이를 사용하여 결정할 수 있다.
다음 과정으로, 상기 방화구획의 내부 총면적, 개구부의 면적, 개구부의 높이에 따라 플래시오버(Flashover) 예측식(
Figure 112012079811980-pat00275
)을 적용한다(S205). 여기서, 플래시오버 예측은 플래시오버가 발생하는데 필요한 열방출량을 발생시킬 환기가 충분이 있는지 확인하여 결정된다. 이러한 플래시오버 예측은 플래시오버 이전 단계로 수행되어, 화재를 계량화하여 건축물의 구조적 안전보다 생명 안전설계를 위한 것이다.
구체적으로, 플래시오버 예측식(
Figure 112012079811980-pat00276
)은 방화구획의 내부 총면적, 개구부의 면적, 개구부의 높이에 의해 다음의 수학식 16과 같이 결정된다.
Figure 112012079811980-pat00277
여기서,
Figure 112012079811980-pat00278
는 방화구획의 내부 총면적(개구부포함)을 나타내고,
Figure 112012079811980-pat00279
는 개구부의 면적을 나타내며,
Figure 112012079811980-pat00280
는 개구부의 높이를 나타낸다.
다음 과정으로, 상기 환기제어형 열방출량과 상기 플래시오버 예측식을 통해 결정된 열량값을 비교하여 상기 플래시오버의 발생 여부를 판단한다(S206).
구체적으로, 구획의 환기제어형 열방출량과 플래시오버 예측식(
Figure 112012079811980-pat00281
)을 통해 결정된 열량값의 비교를 통해 플래시오버의 유무를 판단하게 된다. 예를 들면,
Figure 112012079811980-pat00282
인 경우, 구획내에서 발생하는 발열량이 Flashover를 발생시키기에 충분한 것으로 판단하며,
Figure 112012079811980-pat00283
인 경우, Flashover를 발생시키기에 충분하지 못한 발열량을 갖는 것으로 판단할 수 있으며, 다음의 수학식 17과 같이 결정된다.
Figure 112012079811980-pat00284
Figure 112012079811980-pat00285
: Flashover 발생함
다음 과정으로, 상기 플래시오버의 발생시, 상기 플래시오버 지속시간을 산정한다(S207).
이하, 주어진 조건에 따라 플래시오버를 판단하는 것을 예시하면 다음과 같다.
<주어진 조건>
화재구획:
Figure 112012079811980-pat00286
창문:
Figure 112012079811980-pat00287
화재구획 내부 면적:
Figure 112012079811980-pat00288
구획화재하중 밀도:
Figure 112012079811980-pat00289
가연물의 참발열량:
Figure 112012079811980-pat00290

<플래시오버 판단 과정>
먼저, 공기의 질량 흐름률(
Figure 112012079811980-pat00291
)을 결정한다.
Figure 112012079811980-pat00292
다음 단계로서, 환기제어형 열방출량(
Figure 112012079811980-pat00293
)을 결정한다.
Figure 112012079811980-pat00294
다음 단계로서, 플래시오버 예측식을 결정한다.
Figure 112012079811980-pat00295
다음 단계로서, 플래시오버의 발생 여부를 판단한다.
이때,
Figure 112012079811980-pat00296
이고,
Figure 112012079811980-pat00297
이므로 플래시오버가 발생한 것으로 판단한다.
한편, 특정 설계 화재의 성장 속도를 추정하기 위한 방법들 중 가장 많이 사용하는 것은 시간자승(
Figure 112012079811980-pat00298
)화재 성장률이다. 화재 감지 작동을 예측하기 위해 1970년대에 처음 개발한
Figure 112012079811980-pat00299
화재는 화재 성장의 세 카테고리 (느린, 중간, 빠른)로 구분된다.
도 7은 화재 감지 작동을 예측하기 위한 시간자승(t2)화재에 의한 열방출률을 예시하는 그래프이고, 표 8은 거주형태에 따른 성장시간 및 화재강도계수를 나타낸다.
Figure 112012079811980-pat00300
이러한 정의들은 화재가 1.05MW에 도달하기까지 필요한 시간으로 간단히 정의되며, 느린화재는 500초 (10분), 중간 화재는 300초 (5분), 빠른화재는 150초가 걸려 1.05MW (다음 계산에서는 1.00MW로 반올림)에 도달하는 것으로 정의한다.
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 화재 성장률을 산출하는 내화성능 설계 방법의 동작흐름도이다.
도 6을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 화재 성장률을 산출하는 내화성능 설계 방법은, 먼저, 내화성능 설계를 위해 방화구획 및 거주 유형 정보를 입력한다(S301).
다음 과정으로, 가연물 정보를 입력하고(S302), 이후, 상기 가연물에 대한 최고 열방출률(
Figure 112012079811980-pat00301
)을 산출한다(S303).
구체적으로,
Figure 112012079811980-pat00302
화재의 열방출률(
Figure 112012079811980-pat00303
)은 다음의 수학식 18에 의해 결정된다.
Figure 112012079811980-pat00304
여기서,
Figure 112012079811980-pat00305
는 시간(
Figure 112012079811980-pat00306
)을 나타내고,
Figure 112012079811980-pat00307
는 성장시간(
Figure 112012079811980-pat00308
) -
Figure 112012079811980-pat00309
열 방출을 하기 위해 필요한 시간을 나타낸다. 이때,
Figure 112012079811980-pat00310
의 정확한 단위는
Figure 112012079811980-pat00311
이지만, 통상적으로 화재공학에서는
Figure 112012079811980-pat00312
에 도달하는 시간으로서의
Figure 112012079811980-pat00313
로 정의됨에 유의해야 한다.
도 8은 시간에 따른 열방출률을 예시하는 그래프로서, 가연물의 최고 열방출률(
Figure 112012079811980-pat00314
)은 다음의 수학식 19와 같이 정의된다.
Figure 112012079811980-pat00315
여기서,
Figure 112012079811980-pat00316
은 연소계수로서, 일반적으로 0.8을 사용하며,
Figure 112012079811980-pat00317
는 총 가연물의 참발열량을 나타내고,
Figure 112012079811980-pat00318
는 개구부 면적을 나타내고,
Figure 112012079811980-pat00319
는 개구부의 평균높이를 나타낸다.
다음 과정으로, 상기 거주 유형에 따른 성장시간을 선택하고(S304), 상기 최고 열방출률(
Figure 112012079811980-pat00320
)에 도달하는 시간(
Figure 112012079811980-pat00321
)을 결정한다(S305).
구체적으로, 최고 열방출률(
Figure 112012079811980-pat00322
)에 도달하는 도달시간(
Figure 112012079811980-pat00323
)은 다음이 수학식 20에 의해 결정된다.
Figure 112012079811980-pat00324
다음 과정으로, 상기 최고 열방출률에 도달하는 시간(
Figure 112012079811980-pat00325
)에 따른 에너지(
Figure 112012079811980-pat00326
)를 산출한다(S306).
구체적으로, 최고 열방출률(
Figure 112012079811980-pat00327
)에 도달했을 때, 도달시간(
Figure 112012079811980-pat00328
) 대비 발생된 에너지(
Figure 112012079811980-pat00329
)는 다음의 수학식 21과 같다.
Figure 112012079811980-pat00330
다음 과정으로, 입력된 가연물 정보에 따른 총 에너지(E)를 산출하고(S307), 이후, 상기 가연물 정보에 따른 총 에너지와 상기 최고 열방출률에 도달하는 시간에 따른 에너지를 비교한다(S308).
구체적으로, 연료의 총 에너지(
Figure 112012079811980-pat00331
)가 도달시간(
Figure 112012079811980-pat00332
)에 발생되지 않은 경우, 일정 상태의 연소 단계일 경우, 연소단계 에너지(
Figure 112012079811980-pat00333
)는 다음의 수학식 22에 의해 결정된다.
Figure 112012079811980-pat00334
또한, 일정 상태의 연소단계 에너지(
Figure 112012079811980-pat00335
)에 대한 도달시간(
Figure 112012079811980-pat00336
)는 다음의 수학식 23과 같다.
Figure 112012079811980-pat00337
또한, 연료가 최고 열방출률에 도달할 수 있는 충분한 에너지가 없는 경우, 모든 연료는
Figure 112012079811980-pat00338
(sec)에 소비될 것이다.
Figure 112012079811980-pat00339
이때,
Figure 112012079811980-pat00340
에서의 연소율(
Figure 112012079811980-pat00341
)은 다음의 수학식 24와 같다.
Figure 112012079811980-pat00342
다음 과정으로, 상기 가연물 정보에 따른 총 에너지가 상기 최고 열방출률에 도달하는 시간에 따른 에너지보다 큰 경우, 일정 상태에 도달한 화재로 결정하고(S309), 지속시간 및 화재종료시간을 산정한다(S310).
다음으로, 상기 가연물 정보에 따른 총 에너지가 상기 최고 열방출률에 도달하는 시간에 따른 에너지보다 크지 않은 경우, 일정 상태에 도달하지 못한 화재로 결정하고(S311), 화재종료시간을 산정한다(S312).
이하, 주어진 조건에 따라 화재 성장률을 산출하는 것을 예시하면 다음과 같다.
먼저, 도 9는 사무실에서 발생한 화재에 관한 열방출률-시간 곡선을 예시하는 도면이다.
이때, 가구의 질량은
Figure 112012079811980-pat00343
이며 발열량은
Figure 112012079811980-pat00344
이다. 사무실의 면적은
Figure 112012079811980-pat00345
이며 최고연소율밀도는
Figure 112012079811980-pat00346
이다. 느린화재와 빠른화재에 대한 열방출률 및 시간을 결정하면 다음과 같다.
<주어진 조건>
가정: 일정 상태 연소단계에서 화재의 쇠퇴가 없는 것으로 가정한다.
가구질량:
Figure 112012079811980-pat00347
가연물의 발열량:
Figure 112012079811980-pat00348
가연물의 총 에너지:
Figure 112012079811980-pat00349
최고연소율:
Figure 112012079811980-pat00350

<빠른화재시 화재 성장률 산출>
먼저, 최고연소율인 경우의 도달시간(
Figure 112012079811980-pat00351
)을 결정한다.
Figure 112012079811980-pat00352
다음 단계로서, 최고연소율인 경우의 에너지(
Figure 112012079811980-pat00353
)를 결정한다.
Figure 112012079811980-pat00354
Figure 112012079811980-pat00355
이므로, 도달시간(
Figure 112012079811980-pat00356
) 이후 일정 상태로 연소하게 된다.
다음 단계로서, 일정 상태에 발생한 에너지는 다음과 같다.
Figure 112012079811980-pat00357
Figure 112012079811980-pat00358
다음 단계로서, 일정 상태에서의 지속시간은 다음과 같다.
Figure 112012079811980-pat00359

<느린화재시 화재 성장률 산출>
먼저, 최고연소율인 경우의 도달시간(
Figure 112012079811980-pat00360
)을 결정한다.
Figure 112012079811980-pat00361
다음 단계로서, 최고연소율인 경우의 에너지(
Figure 112012079811980-pat00362
)를 결정한다.
Figure 112012079811980-pat00363
Figure 112012079811980-pat00364
이므로, 일정 상태로 연소되지 않는다.
다음 단계로서, 모든 가연물이 연소되는 연소시간(
Figure 112012079811980-pat00365
)은 다음과 같다.
Figure 112012079811980-pat00366
다음 단계로서, 연소시간(
Figure 112012079811980-pat00367
)에서의 연소율(
Figure 112012079811980-pat00368
)은 다음과 같다.
Figure 112012079811980-pat00369
Figure 112012079811980-pat00370

이하, 도 10 내지 도 22를 참조하여, 본 발명의 실시예에 따른 내화성능 설계 방법이 구현된 프로그램에 대해 구체적으로 설명하면 다음과 같다.
도 10은 본 발명의 실시예에 따른 내화성능 설계 방법이 구현된 프로그램의 메인화면을 나타내는 도면이다.
본 발명의 실시예에 따른 내화성능 설계 방법은, 도 10에 도시된 바와 같이, 프로그램에 의해 구현되었으며, 예를 들면, 내화성능 설계 프로그램의 메인 화면(100)은 메인 뷰(110) 및 리포트 뷰(120)로 구분된다.
다음으로, 도 11은 본 발명의 실시예에 따른 등가화재심각도를 산출하는 내화성능 설계 방법에서 방화구획 정보 입력을 예시하는 도면이다.
도 11에 도시된 바와 같이, 방화구획에 방화구획 크기 정보를 입력할 수 있다. 또한, 지붕 개구부 정보를 입력할 수 있는데, 이때, 지붕개구부는 한 개 이하로 가정한다. 또한, 벽 개구부는 벽 개구부 정보를 입력할 수 있고, 이때, 다수의 벽 개구부 정보를 입력할 수 있으며, 총 벽 개구부 면적 및 평균 높이를 자동으로 산출할 수 있다.
다음으로, 도 12는 본 발명의 실시예에 따른 등가화재심각도를 산출하는 내화성능 설계 방법에서 가연물 정보 입력을 예시하는 도면이고, 도 13은 도 12에 도시된 가연물 정보 입력시 가연물 선택을 구체적으로 나타내는 도면이며, 도 14는 도 13에 도시된 가연물 선택시 원하는 정보가 없을 경우, 직접 입력을 예시하는 도면이다.
도 12에 도시된 가연물 정보에서 "select data" 버튼을 선택하면, 도 13에 도시된 바와 같이, 가연물을 선택할 수 있고, 예를 들면, 고체, 액체, 기체 등 방화구획 내 가연물의 정보를 선택할 수 있다. 또한, 도 14에 도시된 바와 같이, 원하는 정보가 없을 경우, 가연물 정보를 직접 입력할 수도 있다.
다음으로, 도 15는 본 발명의 실시예에 따른 등가화재심각도를 산출하는 내화성능 설계 방법에서 특정화재하중을 산출하는 것을 예시하는 도면이다.
도 15에 도시된 "ADD" 버튼을 클릭하면, 특정화재하중을 계산하고 정보를 생성할 수 있다. 또한, 상세설계 시 특정화재하중 밀도를 자동 산출할 수 있다. 이때, 다수의 가연물 입력 및 삭제가 기능하며 총 화재하중 정보를 자동으로 생성할 수 있다. 이때, 특정화재하중 밀도의 산출 시 정보 누락을 방지하도록 방화구획 정보를 입력하여야 한다.
다음으로, 도 16은 본 발명의 실시예에 따른 등가화재심각도를 산출하는 내화성능 설계 방법에서 위험계수를 입력하는 것을 예시하는 도면이다.
전술한 도 10의 하부에 도시된 "위험계수" 버튼을 클릭하면, 도 16에 도시된 바와 같은 화면으로 전환된다. 도 16에 도시된 바와 같이, 구획크기 및 건물용도에 따른 화재활성화 위험계수는 도시된 표에서 선택하여 입력하고, 또한, 소화시스템에 의한 계수는 하단의 표를 이용하여 직접 입력할 수 있다.
다음으로, 도 17은 본 발명의 실시예에 따른 등가화재심각도를 산출하는 내화성능 설계 방법에서 설계화재 하중을 산출하는 것을 예시하는 도면이다.
도 17의 a)는, 상세설계 시, 이전 단계에서 자동 산출된 밀도 값을 사용하는 것을 나타낸다. 또한, 도 17의 b)는, 단순설계 시, 건물의 용도가 동등한 경우 단순설계가 가능한 것을 나타내고, 또한, "Select Density Data"를 선택하면, 도 17의 c)에 도시된 바와 같이, 건물 유형 선택을 통해 화재하중 밀도를 선택하거나 직접 입력할 수 있다.
다음으로, 도 18은 본 발명의 실시예에 따른 등가화재심각도를 산출하는 내화성능 설계 방법에서 환기계수의 산출 및 사용성을 판단하는 것을 예시하는 도면이다.
전술한 도 10의 하부에 도시된 "환기계수" 버튼을 클릭하면, 도 18에 도시된 바와 같은 화면으로 전환된다. 도 18에 도시된 바와 같이, 환기계수는 지붕개구부의 유무, 방화구획 면적 등을 통해 구획 유형을 자동으로 판별한 후, 구획 유형에 따라 각각 상이한 식을 사용하여 자동 산출된다. 또한, 환기계수는 별도의 입력 및 선택 없이 자동 산출될 수 있고, 사용성을 판별한 후에 "사용" 버튼을 클릭하면, 내부 변수를 업데이트시킬 수 있다.
다음으로, 도 19는 본 발명의 실시예에 따른 등가화재심각도를 산출하는 내화성능 설계 방법에서 등가화재심각도 결과 산출을 예시하는 도면이다.
전술한 표 1에 도시된 바와 같이, 열전도율, 밀도, 비열에 따른 전환계수를 선택하여 입력하거나, 또한, 열전도율, 밀도, 비열을 입력하여 전환계수를 산출할 수 있다. 또한, 도 19에 도시된 바와 같이, 재료 선택, 예를 들면, 내화피복 강재, 무피복 강재 또는 철근콘크리트의 선택을 통해서 재료보정계수를 업데이트시킬 수 있다.
따라서 도 19에 도시된 "결과산출" 버튼을 클릭할 경우, "14.309"라는 등가화재심각도가 산출될 수 있다.
한편, 도 20은 본 발명의 실시예에 따른 플래시오버를 판단하는 내화성능 설계 방법 및 화재성장률을 산출하는 내화성능 설계 방법에서 방화구획 정보 및 가연물 정보를 입력하는 것을 예시하는 도면이다.
도 20을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 플래시오버를 판단하는 내화성능 설계 방법 및 화재성장률 산출 방법에서, t2화재와 플래시오버에 사용되는 방화구획 정보 및 가연물 정보는, 전술한 도 11에 도시된 등가화재심각도의 해당 칸에 각각 입력하게 된다.
다음으로, 도 21은 본 발명의 실시예에 따른 화재성장률을 산출하는 내화성능 설계 방법에서 t2화재 성장률을 산출하는 것을 예시하는 도면이다.
도 21에 도시된 거주형태를 선택하면 결과 창이 디스플레이되고, 그 열방출률이 그래프로 도시된다. 즉, 해당 거주시설에서 예상되는 화재 시나리오를 그래프로 표현할 수 있다.
다음으로, 도 22는 본 발명의 실시예에 따른 플래시오버를 판단하는 내화성능 설계 방법에서 플래시오버를 판단하는 것을 예시하는 도면이다.
도 22에 도시된 바와 같이, 해당 정보를 입력한 후 "판별하기" 버튼을 클릭하면, 해당 방화구획의 플래시오버 발생 여부를 판단하여 보여줄 수 있다.
결국, 본 발명의 실시예에 따른 내화성능 설계 방법은, 구조물의 내화성능 설계시 성능적 설계 방식으로 등가화재심각도를 산출하고, 플래시오버(Flashover)를 판단하며, 화재 성장률을 산출할 수 있다.
전술한 본 발명의 설명은 예시를 위한 것이며, 본 발명이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 쉽게 변형이 가능하다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다. 예를 들어, 단일형으로 설명되어 있는 각 구성 요소는 분산되어 실시될 수도 있으며, 마찬가지로 분산된 것으로 설명되어 있는 구성 요소들도 결합된 형태로 실시될 수 있다.
본 발명의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.
100: 내화성능 설계 방법이 구현된 프로그램 메인화면
110: 메인 뷰
120: 리포트 뷰

Claims (20)

  1. a) 내화성능 설계를 위해 방화구획 크기 정보, 지붕개구부 정보, 벽 개구부 정보를 입력하여 구획 형상을 결정하는 단계;
    b) 상기 방화구획을 형성하는 재료특성을 고려하여 외피의 열전도율(
    Figure 112013027665958-pat00511
    ), 외피의 밀도(
    Figure 112013027665958-pat00512
    ) 및 외피의 비열(
    Figure 112013027665958-pat00513
    )에 의해 결정되는 전환계수(
    Figure 112013027665958-pat00371
    )를 산출하는 단계;
    c) 상기 방화구획을 형성하는 단면의 재료에 따라 철근콘크리트, 내화피복 강재 또는 무피복 강재로 구분되는 재료보정계수(
    Figure 112013027665958-pat00372
    )를 선택하는 단계;
    d) 상기 방화구획 내에 공기가 유입될 수 있는 개구부를 고려하여 공기량에 대응하는 환기계수(
    Figure 112013027665958-pat00373
    )를 산출하는 단계;
    e) 상기 방화구획에 존재하는 가연물의 발열량에 따라 구획화재하중 밀도를 산출하는 단계;
    f) 기설정된 방화구획 및 거주환경에 따른 위험계수를 선택하고, 상기 산출된 구획화재하중 밀도에 따라 화재하중을 고려하여 설계화재하중 밀도(
    Figure 112013027665958-pat00374
    )를 산출하는 단계; 및
    g) 상기 산출된 설계화재하중 밀도(
    Figure 112013027665958-pat00375
    ), 전환계수(
    Figure 112013027665958-pat00376
    ), 환기계수(
    Figure 112013027665958-pat00377
    ) 및 재료보정계수(
    Figure 112013027665958-pat00378
    )에 따라 등가화재심각도(
    Figure 112013027665958-pat00379
    )를 산출하는 단계
    를 포함하되,
    상기 등가화재심각도(
    Figure 112013027665958-pat00380
    )는,
    Figure 112013027665958-pat00381
    로 결정되는 것을 특징으로 하는 등가화재심각도를 산출하는 내화성능 설계 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 등가화재심각도는 건물에 사용되는 부재의 내화성능을 평가하기 위한 척도로서, 철근콘크리트, 내화피복 강재, 무피복 강재, 목구조의 내화성능 설계에 사용되는 것을 특징으로 하는 등가화재심각도를 산출하는 내화성능 설계 방법.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 b) 단계의 전환계수(
    Figure 112013027665958-pat00382
    )는 구획에 사용된 외피의 특성을 고려한 계수로서, 외피의 열전도율(
    Figure 112013027665958-pat00383
    ), 외피의 밀도(
    Figure 112013027665958-pat00384
    ) 및 외피의 비열(
    Figure 112013027665958-pat00385
    )에 의해 결정되고, 0.04, 0.055 또는 0.07에서 선택되고 그 단위는
    Figure 112013027665958-pat00514
    로 표시되는 것을 특징으로 하는 등가화재심각도를 산출하는 내화성능 설계 방법.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 c) 단계의 재료보정계수(
    Figure 112013027665958-pat00386
    )는 단면의 재료에 따라 철근콘크리트, 내화피복 강재 또는 무피복 강재로 구분되어 선택되고 그 단위는 무차원인 것을 특징으로 하는 등가화재심각도를 산출하는 내화성능 설계 방법.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 d) 단계의 환기계수(
    Figure 112012079811980-pat00387
    )는 상기 방화구획 내에 공기가 유입될 수 있는 개구부를 고려하여,
    Figure 112012079811980-pat00388

    로 결정되고, 여기서,
    Figure 112012079811980-pat00389
    는 방화구획의 높이를 나타내고,
    Figure 112012079811980-pat00390
    (
    Figure 112012079811980-pat00391
    는 벽개구부의 면적,
    Figure 112012079811980-pat00392
    는 방화구획의 바닥면적을 나타냄)이고,
    Figure 112012079811980-pat00393
    (
    Figure 112012079811980-pat00394
    는 지붕개구부의 면적을 나타냄)이며,
    Figure 112012079811980-pat00395
    인 것을 특징으로 하는 등가화재심각도를 산출하는 내화성능 설계 방법.
  6. 삭제
  7. 제1항에 있어서, 상기 e) 단계는,
    e-1) 가연물 정보를 입력하는 단계;
    e-2) 가연물의 총 발열량에서 수증기가 가져가는 잠열을 뺀 발열량인 참발열량을 산출하는 단계; 및
    e-3) 실제 방화구획내에 존재하는 가연물의 참발열량, 보정계수 값 및 질량에 따라 구획화재하중 밀도(
    Figure 112013027665958-pat00397
    )를 산출하는 단계
    를 포함하되,
    상기 구획화재하중 밀도(
    Figure 112013027665958-pat00515
    )는
    Figure 112013027665958-pat00516
    로 주어지고, 여기서,
    Figure 112013027665958-pat00517
    는 구획화재하중으로서, 그 단위는
    Figure 112013027665958-pat00518
    로 표시되며,
    Figure 112013027665958-pat00519
    는 특정구획의 바닥면적으로서, 그 단위는
    Figure 112013027665958-pat00520
    으로 표시되는 것을 특징으로 하는 등가화재심각도를 산출하는 내화성능 설계 방법.
  8. 제7항에 있어서, 상기 e-2) 단계의 참발열량(
    Figure 112012079811980-pat00398
    )은,
    Figure 112012079811980-pat00399
    로 주어지고, 여기서,
    Figure 112012079811980-pat00400
    는 건조한 재료의 발열량이고,
    Figure 112012079811980-pat00401
    는 중량에 대한 수분비를 나타내는 것을 특징으로 하는 등가화재심각도를 산출하는 내화성능 설계 방법.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 구획화재하중(
    Figure 112013027665958-pat00405
    )은
    Figure 112013027665958-pat00406
    로 주어지고, 여기서,
    Figure 112013027665958-pat00407
    는
    Figure 112013027665958-pat00408
    번째 가연물의 질량이고,
    Figure 112013027665958-pat00409
    는
    Figure 112013027665958-pat00410
    번째 가연물의 참발열량이며,
    Figure 112013027665958-pat00411
    는
    Figure 112013027665958-pat00412
    보호화재하중에 따른 선택계수를 나타내는 것을 특징으로 하는 등가화재심각도를 산출하는 내화성능 설계 방법.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 f) 단계의 거주환경은 주거지역, 병원(객실), 호텔(객실), 도서관, 사무실, 학교 교실, 쇼핑센터, 극장 및 터미널로 구분되며, 화재의 성장속도에 따라 0.250 시간인 빠른화재, 0.333 시간인 중간화재 및 0.417 시간인 느린화재로 구분되는 것을 특징으로 하는 등가화재심각도를 산출하는 내화성능 설계 방법.
  11. 제1항에 있어서,
    상기 f) 단계의 설계화재하중밀도(
    Figure 112012079811980-pat00413
    )는, 연소계수(
    Figure 112012079811980-pat00414
    ), 구획크기에 따른 화재활성화 위험계수(
    Figure 112012079811980-pat00415
    ), 건물용도에 따른 화재활성화 위험계수(
    Figure 112012079811980-pat00416
    ), 소화시스템에 의한 위험계수(
    Figure 112012079811980-pat00417
    ) 및 구획화재하중 밀도(
    Figure 112012079811980-pat00418
    )에 따라
    Figure 112012079811980-pat00419

    로 산출되는 것을 특징으로 하는 등가화재심각도를 산출하는 내화성능 설계 방법.
  12. 삭제
  13. 삭제
  14. 삭제
  15. 삭제
  16. 삭제
  17. 삭제
  18. 삭제
  19. 삭제
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