J. Kor. Inst. Fire Sci. Eng., Vol. 27, No. 2, pp. 25-30, 2013

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고층 건축물 외장재의 화재 재현에 관한 연구

(해운대 우신골든스위트의 화재사례를 중심으로)

민세홍·이재문*†

가천대학교 공과대학 소방방재공학과, *창우FE&C

A Study on the Fire Reconstruction of Exterior on High-rise Building

(Focus on Fire Case Including the Woosin Golden Suite in Haeundae)

Se-Hong Min · Jae-Moon Lee*†

Dept. of Fire & Disaster Protection Engineering, Gachon Univ.*Chang Woo FE&C

(Received January 25, 2013; Revised March 30, 2013; Accepted April 5, 2013)

요 약

해운대 우신빌딩 화재는 고층건축물의 외장재 수직화재에 의해 4층에서 발생한 화재가 최상층인 38층까지 올라가서펜트하우스까지 모두 전소시켰다. 이 화재를 계기로 초고층 건축물의 위험성이 크게 대두되었고, 이후 다양한 초고층 관련 법규들이 신설되었다. 본 연구에서는 화재 시뮬레이션용 CFD 프로그램 중 FDS를 사용하여 해운대 오피스텔 빌딩의화재를 재현하였다. 화재 시뮬레이션은 상층부로의 화염 전파 시간 및 경로에 관하여 관련 기사와 화재 동영상을 통해비교·조사하였다. 이 결과 최상층까지 확산하는 시간이 약 30분으로 실제 화재와 비슷한 결과가 나왔으며 확대되는 화재 성상도 유사함을 나타냈다. 그러나 최상부로 올라갈수록 실제 화재는 V자 형태를 넓게 보였지만 시뮬레이션 결과에서는 상부로 올라갈수록 수평으로 전파하는 범위가 작게 보였다. 이는 FDS가 격자 형태로 표현되고 얇은 외장재를 표현할 수 있는 한계와 바람 방향에 의한 불확실성 때문이라고 판단된다. 또한, 화재확산 영향요소를 평가하기 위해 무풍일 때와 쌍둥이 타워 사이의 외장재가 콘크리트일 때를 고려하여 시뮬레이션을 시행한 결과 실제 화재보다 수직화재가크게 발생하는 않는 결론을 얻었다.

ABSTRACT

‘Heaundae Woosin Building’ fire was the case that a fire breaking out on the 4th floor spread out the 38th floor which isa top story and the penthouse was destroyed by fire. After this fire, the fire safety for high rise buildings has been on therise and several new laws and regulations related in the buildings were created. The study is to analyze Heaundae office-tel building case using FDS which is one of the CFD programs for fire. The methodology of this study is to analyze thecase comparing with fire spread and route from a virtual fire simulation and related articles and a video clip of actualscene fire. This study shows that a fire spreading on top of levels spent approximately 30 minutes and, which is similar tothe actual fire case. Also the pattern of spread has similarity with the case. However, even if the actual fire case shows thefire pattern was “V shape”, the smoke-view presents the fire dose not spread horizontally as much as the real fire case.The result shows uncertainty of the modeling based on many grids and a limitation of putting interior finish input sourcesand the direction of the wind might cause the difference. Also, to analyze factors influencing on a vertical fire, anotherfire modeling is performed by in condition of modeling environment considering concrete interior finish between build-ings and no wind. The result presents the fire spread in smoke-view does not spread vertically as much as the actual case.

Keywords : Exterior fire, Vertical flame spread, FDS modeling, Aluminum composite panel, Fire reconstruction

1. 서 론

2010년 10월 부산 해운대의 고층 오피스텔에서 발생한

화재를 계기로 건축물 외장재의 사용에 관한 관심이 고조

되었다. 당시 건물은 외벽의 미려한 미관을 위해 사용된

일반재 알루미늄복합패널과 수직화재의 성상 및 해변에

있는 지역적 특성인 강한 바람의 영향으로 화재가 크게 확

대된 것으로 관할소방본부의 화재 발생조사 보고서에 기

† Corresponding Author, E-Mail: dddcom@daum.net† TEL: +82-10-6227-8245, FAX: +82-2-414-9956

ISSN: 1738-7167DOI: http://dx.doi.org/10.7731/KIFSE.2013.27.2.025

26 민세홍·이재문

한국화재소방학회 논문지, 제27권 제2호, 2013년

록되어 있다(1).

기상청 자료에 의하면 화재 당일 바람은 당시 순간 최대

풍속 5.1 m/s로 건물 중앙 쪽으로 강하게 불고 있었다(2).

화재 상황을 종합해보면 외장재로 가연성 PE(폴리에틸

렌) 심재를 넣은 일반재 알루미늄복합패널이 사용되었고,

저층인 지상 4층에서 시작된 화재는 발화 후 30여 분만에

최상층인 38층까지 화재가 전이되었다.

알루미늄복합패널은 얇은 알루미늄 박판 사이에 폴리에

틸렌 심재를 사용하여 화재 발생 시 단열재인 폴리에틸렌

이 화재 열로 용융(200 oC)되어 밖으로 흘러내리며 점화

(점화온도 240 oC) 연소확대 되었고, 바다 쪽에서 불어온

해풍이 건물 뒷면을 휘감으면서 건물 뒤쪽에 큰 피해를 주

었다.

고층건물 사이에서 부는 바람은 건물의 8부 능선 위는

건물을 넘어가고 그 아래 바람은 건물을 휘감아 건물 뒤쪽

에는 Figure 1과 같이 복잡한 기류가 형성된다.

본 화재사례를 계기로 건물 내장재에 관한 기준만 있었

던 국내 건축법규가 건물 외장재에 관한 규정을 마련하는

계기가 되었으며, 외장재의 성능검증 기준과 외장재의 특

성을 고려하여 실대형 시험방법 및 장비의 개발 등 많은

연구가 이루어지고 있다.

최근 우리나라 5년간(2007년~2011년)의 외벽화재 발생

현황을 분석하면 Figure 2와 같이 연평균 4,695건 중 16 %

인 1,669건이 외벽에서 발화한 것으로 나타났다(4).

외장재 화재가 발생하는 원인을 분석하면 크게 2가지

경우로 구분할 수 있는데 하나는 일반적인 실내 건축물 화

재가 Flash over 이후 외부로 분출되어 수직 확대되는 경

우와 다른 하나는 외부에서 발생한 화재가 외장재로 옮겨

붙어 발생하는 경우로 구분된다.

이러한 외장재 화재는 건물 내의 구획화재와는 다르게

수직으로 확대되는 속도가 1분에 1층(한 층을 3 m로 가정

하여 50 mm/sec)을 올라갈 수 있을 정도로 빠르고,(5) 외부

화재에 대해 방호할 수 있는 소방시설의 설치기준이 없어

외부에서 소방대의 지원없이는 화재진압을 할 수 없어 매

우 심각한 상황을 초래할 수 있다.

본 논문에서는 실재 화재가 발생한 부산 해운대 우신골

든스위트를 대상으로 화재 성상에 대하여 시뮬레이션을

수행하고 화재 당시의 촬영 동영상과 비교를 통해 시뮬레

이션의 효용성을 검토하고 추후 이와 유사한 건축물의 위

험성을 예측할 수 있는 방향을 연구하고자 한다. 또한, 앞

으로 신규로 가연성 외장재를 계획하는 화재 및 재난의 위

험성이 높은 건축물에 대해서는 본 연구에서 제안한 방법

으로 시뮬레이션을 실시하여 사전에 정량적으로 화재 위

험성을 확인할 수 있는 사전재난영향평가 등 정책에 반영

할 것을 제안한다.

이를 위해 FDS(Fire Dynamics Simulation) 5.3.5를 사

용하여 시간대별 화염(HRRPUV)과 연기의 확산(Soot

Mass Fraction)을 실제 화재와 동일하게 모사하였다.

본 연구의 신뢰성을 확보하기 위해 열방출률 등의 물성

치는 본 연구와 관련하여 일반재 알루미늄복합패널에 대

해 진행한 콘칼로리미터(Cone calorimeter) 시험과 열물성

시험 결과에 따라 추출된 데이터를 재료 특성값에 입력하

였다(7).

2. 연구동향

초고층 건축물에 관한 연구는 지하공간과 함께 화재 방

호에 대하여 건축분야에서 가장 많이 다루어지는 대상이

다. 그동안의 연구는 초고층 건축물의 방재대책과 시스템

설계 및 기준에 관한 연구가 진행되고 있다.

최근에 민세홍과 김미숙은 건축물 외장재 화재로 인한

수직 화염의 확산 방지를 위하여 연소확대방지용 헤드 개

발을 연구하였으며(6), 윤정은과 민세홍은 알루미늄복합패

널의 화재위험성 연구를 위하여 외장재 실물 연소시험을

하였다(7).

민세홍과 이재문은 외장재에 의한 수직화재의 확산속도

가 구획화재에 비해 빠른 화재특성에 대하여 분석하였으

며(5), 박외철은 부산 실내사격장 화재에서 화재 시뮬레이

션용 전산유체역학 모델을 사용하여 실제 화재를 재현하

였다(8).

또한 유용호, 권오상과 김흥열은 숭례문 화재를 재현하

기 위한 실물 모형을 제작하여 화재의 전이과정 및 붕괴에Figure 2. Fire statistics of exterior wall for five years.

Figure 1. The impact of wind on the building(3).

J. of Korean Institute of Fire Sci. & Eng., Vol. 27, No. 2, 2013

고층 건축물 외장재의 화재 재현에 관한 연구(해운대 우신골든스위트의 화재사례를 중심으로) 27

이르는 과정을 추론하고 화재원인을 예측하였다(9).

3. 화재모델링 시뮬레이션

3.1 대상 건물 개요 및 화재발생 현황

대상 건물은 지상 38층에 지하 4층으로 구조는 철골 철

근 콘크리트구조에 지상 5층부터는 동관과 서관으로 분리

되어 2개의 쌍둥이 타워로 되어있다. 화재원인은 4층(Pit)

내 미화원 작업실에서 화재가 발생하여 재활용 분리수거

적치물에 연소하면서 확대된 것으로 추정된다. Pit 층에는

화재감지기와 소화기만 설치되어 있어 초기 소화가 어려

웠을 것으로 판단된다.

기상청 자료를 인용하여 외기조건을 설정하였다. 외기조

건은 Table 1과 같이 평균 온도 20.2 oC를 적용하고 습도

는 65 %로 설정하였다. 바람의 설정은 건물과 수직하게

최대풍속 5.1 m/s로 적용하였으며 바람의 방향은 NNE 쪽

으로 부는 환경을 설정하기 위해 건물 좌측에서 우측면으

로 2.3 m/s로 부는 바람을 설정하였다.

3.2 시뮬레이션 입력

화재 시뮬레이션을 수행하기 위해서는 중요하게 고려되

어야 할 사항들이 있으며, 그 중 핵심인 내용은 격자의 민

감도와 재료의 물성값 및 공기공급 조건이 중요하다.

본 연구 대상은 외장재 화재에 대한 재현이므로 공기공

급 조건은 외기에 면하고 있는 상태를 고려하여 경계조건

을 Open으로 설정하여 영향을 받지 않는 상태에서 격자

민감도와 재료의 물리적 특성에 대하여 중점을 두었다.

3.3 격자민감도 분석

격자 민감도를 확보하기 위해서 NIST에서 권장하는

4~6 사이의 D*/dx 비율을 고려하여 연소반응에 영향을 미

치는 외벽과 대기공간은 0.3 m, 나머지 부분은 0.6 m의

Cell 크기로 구성하고 총 셀 수는 3,492,000이다. 셀 크기

를 계산하기 위한 공식은 아래 식(1)과 같다(10).

(1)

Q: 최대열방출율(kW)

p∞: 공기밀도(1.204 kg/m3)

cp: 공기비열(1.005 kJ/(kg · K)

T∞: 대기온도 293 K

g: 중력가속도(9.80665 m/s2)

3.4 재료의 물성치(5)

일반 알루미늄복합패널은 두 장의 0.5 mm 알루미늄 코

일(Coil) 사이에 심재로 폴리에틸렌폼 3 mm를 채워 만든

복합재료로 열방출률을 측정하기 위하여 콘칼로리미터 시

험(ISO 5660)을 진행하여 Figure 3의 데이터를 적용하였으

며, 열물성 시험을 통해 얻은 Table 2의 값을 적용하였다.

4. 결과 및 고찰

화재 시뮬레이션의 계산영역은 실제 건축도면을 반영하

여 Figure 4와 같이 모델링하였다. 높이는 화재 발생 층인

4층부터 최상층 38층까지의 높이를 산정하여 약 142 m로

적용하였다.

화원 설정은 피트 층 실내의 화재 발생 당시 정확한 열

방출률을 판단하는 것이 불가하므로 외부로 방출되어 타

워를 타고 올라가는 화재를 모사하기 위해 초기 화원은

10 MW로 설정하였으며, 발화 장소의 개구부는 개방된 상

태에서 시뮬레이션을 하였다. 옥외 화재를 고려하여 건물

주변은 모두 개방된 상태로 하였다.

이 설정에 따라 모사된 화재 시뮬레이션에 나타난 열방출

률은 Figure 5와 같이 0초에 Flash over를 가정하여 10 MW

에서 시작하여 알루미늄복합패널 외장재가 연소하여 998

초에 최대 열방출률이 697 MW까지 상승했다. 이후 화염

은 연결통로 부분으로 전파되면서 외장재 면적이 작아져

D*=Q·

ρ∞cpT∞ g-------------------------⎝ ⎠⎜ ⎟⎛ ⎞

25---

Table 1. Busan Daily Meteorological Data

DateAir temp. R.H. Wind (m/s)

Mean Mean Mean Max Dir.

10.1 20.2 oC 65 % 2.3 5.1 NNE

Table 2. Experiment Data of Aluminum Composite Panel

Items Data

Specific Heat 1.201 kJ/kg · K

Conductivity 0.165 W/m · K

Density 1,363 kg/m3

Heat of Combustion 31,600 kJ/kg

Thickness 4 mm

Average MLR 0.029 g/s

Time to Ignition 162 sec

Aver. Generation of CO 0.029 kg/kg

Aver. Generation of CO2 2.337 kg/kg

Figure 3. Heat release rate (heating 75 kW/m2).

28 민세홍·이재문

한국화재소방학회 논문지, 제27권 제2호, 2013년

서 열방출률이 감소하다가 약 1,400초 후 최상층 부분으

로 확대되면서 다시 상승하는 곡선을 나타냈다.

4.1 외장재 화재재현

발화지점에서 강한 화염이 외부로 분출되면서 약 2.3 m

떨어진 외장재 알루미늄복합패널에 점화되면서 건물 측면

으로 확산 및 수직외장재를 통해 급격히 상층으로 확대되

었다. Figure 6은 화재 발생 후 화재확대 경로를 나타내는

현장사진과 초기 시뮬레이션에서 화재가 외부로 확대되는

경로를 재현한 모습이다.

Figure 7은 화재 시뮬레이션으로 얻은 수직화재확산 진행

과정이다. Figure 8은 4층 전면부에서 출화한 화재는 쌍둥

이 건물 사이로 확대되면서 공간에 골바람이 강한 상승기

류를 만들어 불길을 밀어 올리고 건물 사이에 외장재는 서

로 복사열에 의해 가열되어 급격한 상승효과를 가져왔다.

실제 화재에서 출화 후 30여 분 만에 화염이 최상층인

38층 펜트하우스까지 올라갔다는 소방서 발표 내용과 상

당히 일치한다.

Figure 9와 같이 건물 사이에서 타고 올라가던 화염은

약 16분 후 28층에 있는 연결통로까지 화염이 도달하였을

것으로 판단된다.

Figure 4. Computation domain.

Figure 5. Graph of heat release rate.

Figure 6. Point of origin fire.

Figure 7. Simulation of fire spreading.

Figure 8. The scene of a fire.

J. of Korean Institute of Fire Sci. & Eng., Vol. 27, No. 2, 2013

고층 건축물 외장재의 화재 재현에 관한 연구(해운대 우신골든스위트의 화재사례를 중심으로) 29

4.2 바람에 의한 영향 분석

상부의 지상 28층 연결통로에서 화염이 확대될 때 바람

의 영향을 확인하기 위하여 기류의 온도분포를 분석하였

으며 바람에 의해서 건물 한쪽 타워로 열이 전달되는 모습

을 볼 수 있었다. 이러한 결과로 고층부의 외장재 화재가

바람에 의한 영향을 크게 받게 된다는 사실을 확인할 수가

있었다.

Figure 10은 800 oC 이상되는 화염이 연결 통로를 감싸는

기류의 온도분포를 나타내며, 이 결과로 외부 출화 후 940

초에 이미 이곳까지 화염이 도달했음을 알 수 있다. 화염은

기류의 온도분포에서 알 수 있듯이 건물 후면에서 오른쪽

으로 바람에 의해서 휘감기는 현상을 파악할 수 있었다.

4.3 화재확산 요소의 변경

앞에서는 부산 우신골든스위트 화재의 시간대별 화재성

상을 재현하기 위하여 화재 당시와 같은 조건의 외부 환경

과 외장재 조건을 적용하였으나, Figure 11은 화재확산의

영향요소를 분석하기 위해 시뮬레이션 인자값을 변경하고

그때의 화재성상을 분석하였다.

Case 1은 바람이 전혀 없는 무풍 상태에서 시뮬레이션

을 진행하였으며, Case 2는 화재의 수직확산 경로가 되었

던 쌍둥이 타워 내측 면의 외장재의 재료를 콘크리트로 변

경하여 시뮬레이션을 수행하였다.

그 결과 무풍 상태에서는 쌍둥이 타워 양쪽 벽면을 태우

고 수직상승 하였지만, 연소 확대된 면을 분석하면 건물의

후면 보다는 전면의 피해가 더 컸으며, 바람이 있을 때보

다는 피해 면적이 적은 것으로 나타났다.

쌍둥이 타워 양쪽 벽면을 콘크리트로 변경한 Case 2에

서는 발화실 주변의 일부 알루미늄복합패널로만 확대되었

으며 수직으로 상승하는 현상은 발생하지 않았다. 이 결과

를 종합해보면 외벽화재는 바람의 영향과 쌍둥이 타워의

내측 면에 가연성 외장재를 사용해서 화재가 크게 확대되

는 결정적인 영향을 미쳤음을 확인할 수 있었다.

Figure 9. Spread of flame and smoke.

Figure 10. Air flow temperature at the plane of Z, X (940 sec.).

30 민세홍·이재문

한국화재소방학회 논문지, 제27권 제2호, 2013년

5. 결 론

본 연구의 수행 결과 다음과 같은 결론을 도출할 수 있

었다.

(1) 실재 외장재 화재가 발생한 건물의 화재에 대하여

시뮬레이션을 수행하고 당시 화재 영상과 비교를 통해 초

고층 건축물의 화재를 유사하게 모사할 수 있었다.

(2) 화재 시뮬레이션에 나타난 열방출률은 998초에 최대

열방출률 697 MW까지 상승하다가 이후 약 6분 정도 감

소하다가 약 1,400초부터 최상층으로 화재가 확대되면서

다시 상승하는 곡선을 나타냈다.

(3) 출화 후 건물 외벽 면을 타고 올라가던 화염은 약 16

분 후 28층의 연결통로까지 도달하였으며, 소방서 발표와

유사하게 30여 분에는 38층 펜트하우스까지 화염이 올라

갔다.

(4) 외장재의 급격한 수직화재 확산의 영향요소를 분석

한 결과, 쌍둥이 타워 내측 면의 가연성 외장재와 건물 사

이로 불었던 바람의 영향이 컸다는 것을 알 수 있었다.

(5) 본 연구절차를 통해 외장재 건물의 성능설계를 위한

방법과 초고층 건축물 계획 시 화재 위험성에 대하여 예측

하는 방법을 모색할 수 있었으며, 이를 화재조사 시 화재

분석을 위한 수단으로 활용할 수 있음을 확인하였다.

(6) 이에 가연성 외장재를 계획하는 화재 및 재난의 위

험성이 높은 건축물에 대해서는 사전재난영향성평가 등에

반영하여 본 연구방법과 같은 정량적인 화재 위험성을 확

인하는 절차를 제안한다.

(7) 초고층 건물의 규모를 모사하기 위한 격자 크기의

한계와 바람 방향에 의한 불확실성은 추가적인 연구가 요

구된다.

후 기

본 연구는 2013년도 가천대학교 학술연구지원(GCU-

2013-R022)에 의해 연구되었음.

참고문헌

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Figure 11. Spread of flame and smoke (1,800 sec.).

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