서 론
랙크식창고는 일반창고와는 달리 물품을 수직적으로 적재하여 매우 높은 화재하중을 가지며 화재 발생시 화재진압이 매우 불리하다. 그래서 “화재예방, 소방시설 설치․유지 및 안전관리에 관한 법률 시행령” [별표5] 특정소방대상물의 관계인이 특정소방대상물의 규모․용도 및 수용인원 등을 고려하여 갖추어야 하는 소방시설의 종류에서 일반 수동창고와는 달리 랙크식창고의 경우에는 스프링클러 설치 대상을 높이가 10 m를 넘고 바닥면적이 1,500 ㎡이상인 특정소방대상물 등으로 규정하여 강화된 규정을 적용한다. 이러한 랙크식창고에 설치되는 스프링클러설비의 설계는 일반적인 수동창고 등과 마찬가지로 “스프링클러설비의 화재안전기준(NFSC 103)”에 의해 설계되는데 이러한 사양위주의 설계는 비숙련 설계기술자도 쉽게 설계가 가능한 장점이 있는 반면 스프링클러 설비의 동작에 있어서 시설의 규모가 커질수록 가장 중요한 압력과 유량의 기준성능 미달과 이에 따른 수원 조기 고갈 등의 가능성이 있다(Lee, 2013).
관련 연구현황으로 랙크식창고라는 특정 대상에서의 스프링클러설비에 대한 연구는 없었지만 사양위주 스프링클러설비의 문제점과 새로운 스프링클러설비의 설계방법에 대한 선행연구는 계속적으로 이루어져 왔다. Jeong and Kim (2013)은 국가화재안전기준의 규정대로 스프링클러 설비를 설계하면 약 50%의 스프링클러헤드에서 유량과 압력이 최소기준보다 부족함을 확인했고, 동 저자는 다른 연구(Jeong, 2014)에서 이러한 문제점에 대한 대안으로 규정상 헤드의 최소방출량을 150%로 함으로써 문제를 해결할 수 있다고 주장하였다. 그리고 랙크식창고 등의 스프링클러설비의 유량, 유속 등을 결정하기 위해서는 수용물품에 대한 조사가 필수적인데 Kim and Lee (2016)는 경기도 소재 5개 물류단지 내 28개 창고동을 대상으로 수용물품의 분포 및 창고 공간특성을 현장 조사하고 미국, 유럽 및 일본의 물품 분류기준을 분석하여 물류창고 수용물품의 등급분류기준 마련을 위한 기초자료를 제시 하였다. Cho and Yeo (2016)는 수직적인 구조를 갖는 랙크식창고의 특징을 고려한 적절한 성능설계를 위한 기초자료로 표준 파렛트단위 적재물품(파렛트 + 박스단위 적재물품 + 비닐포장재)의 화재특성을 분석하여 열방출율 및 연기발생률을 도출하여 화재하중 산정에 대한 기초 데이터를 제공하였다.
본 논문에서는 자동 랙크식창고에 설치된 스프링클러설비의 설계방식의 적합성 여부를 살펴보고 최적설계방안을 검토하고자 배관설계방식에 따른 송수량 및 토출압력, 관내 유속 등을 살펴보고자 한다. 배관설계방식은 화재안전기준의 최소기준을 준수한 규약배관방식(CASE 1), 규약배관방식에 시공성을 효율화하여 말단부 배관경을 확대적용한 방식(CASE 2), 배관경 상한치를 적용하여 일정 크기 이상 대형배관의 크기를 제한한 방식(CASE 3, 4)으로 설계한 후 PIPENET (Ver. 1.7.2) 프로그램을 이용해 수치해석을 실시하고 최적설계방안을 제시하고자 한다.
본 론
수리계산의 개요
일반적으로 설계사무실에서 스프링클러설비를 설계하는 방식은 “스프링클러설비의 화재안전기준” (NFSC 103)에서 규정한 성능을 확보하기 위한 방식으로 진행한다. 이는 대표적인 사양위주방식으로 Table 1에서와 같이 헤드 수량별로 배관 구경을 정해놓고, Table 2처럼 용도별로 헤드의 기준수량을 정하고 있어 비숙련자도 비교적 쉽게 설계가 가능하다.
스프링클러 설비의 설계는 용도에 따른 헤드의 반경이 확보되도록 헤드를 적절히 배치하고, 헤드에 소화수원이 공급되도록 배관경로를 설정한 후 가압송수장치와 수원의 용량을 결정함으로써 마무리 된다. 이때 헤드의 방수량은 최소 80 LPM 이상이 되도록 해야하며 수원은 용도별로 Table 2에 따라 정해진 방수량이 최소 20분간 유지되도록 규정하고 있으므로 80 LPM에 Table 2에 의한 기준개수를 곱한 방수량이 가압송수장치의 방수량이 되며 20분 이상 방사할 수 있는 양이 법적 수원량이 된다. 가압송수장치의 압력은 앞서 계산된 수원량에 수력학적으로 가장 불리한 헤드에 방사압력이 0.1 MPa가 나올 수 있도록 양정계산을 통해 압력을 선정한다. 그러므로 특수가연물을 저장하는 랙크식 창고의 스프링클러설비를 설계한다고 가정한다면 Table 2에 따라 기준개수 30개를 적용하게 되므로, 80 LPM/개 × 30개 = 2,400 LPM이 가압송수장치의 최소 방수량이 되며, 2,400 LPM × 20 min = 48 Ton이 보유해야 하는 법적 최소 수원양이 된다. 그리고 설계된 배관은 헤드 개수에 따라 Table 1에 의해 구경을 선정하게 되고 이렇게 선정된 구경에 맞게 가압송수장치의 압력이 계산된다. 작성된 도면에서 가장 불리한 부분의 헤드를 선정하고 그 헤드의 방수압력을 0.1 MPa로 보고 실양정, 직관과 각 부속류의 손실양정을 계산한 값에 안전율을 감안하여 가압송수장치의 압력을 결정하게 되는데, 이때 가압송수장치의 압력은 설계자마다 사용하는 양정계산의 데이터와 계산 방식이 다소 상이하고 배관 경로가 다르므로 결과값이 다르게 나올 수 있다.
이러한 사양위주 설계는 Table 1에 의한 헤드 수량별로 급수관의 구경이 결정되므로 헤드 수가 161개 이상이 되면 배관의 구경이 150 ㎜ 이상이 되어야 하고 이는 자재비나 시공상 다소 불리한 상황이 되므로 이를 개선하기 위해서 Table 1의 주기사항에서 헤드 수가 100개 이상인 경우에는 수리계산을 통해서 100 ㎜ 배관을 사용하는 것을 허용하고 있다. 이러한 설계방식은 사양위주방식이 아닌 일종의 성능위주설계(PBD, Performance Based Design)방식을 법적으로 허용해서 설계자의 다양한 설계방식을 인정하는 형태이며, 이러한 수리계산의 장점은 배관 구경을 줄일 수 있어 자재비나 시공비를 줄일 수 있고 과도한 구경선정으로 인해 수원이 조기에 고갈되는 부작용을 방지하는 효과가 있다. 단점으로는 배관 구경이 줄어들면서 가압송수장치의 압력이 증가한다는 것과 수리계산의 추가에 따른 설계비용의 증가가 있다.
설계조건
본 연구에서는 대전 소재 랙크식창고를 대상으로 분석하였으며 해당 랙크식창고는 1단의 높이가 2 m인 5단 높이의 랙으로 구성되어 있다. 층고는 약 19 m이고 랙크식창고 내부의 연면적은 약 7,000 ㎡ 로서 관련 규정에 따라 스프링클러설비가 필수로 설치되어야 한다. CASE 1은 Table 1에 따라 NFSC 103에 의한 최소한의 기준(관경)으로 설계하였으며 설계사무실에서 일반적으로 사용되는 설계방법이다. CASE 2는 CASE 1보다 시공성 및 안전성을 강화한 형태로, NFSC 103에 의해 최소한의 관경을 선정하게 되면 스프링클러 배관 말단으로 갈수록 관경이 줄어들게 되어 직접적인 자재비는 절감될 수 있으나 많은 부속이 소요되는 등 시공시 불편함이 있어 편의상 큰 관경을 말단까지 유지시키는 형태이다. 또한 NFSC 103에서 랙크식창고는 랙 단마다 헤드를 설치하지 않고 Figure 1과 같이 특수가연물인 경우 높이 4 m마다 헤드를 설치하도록 규정되어 있으나(일반가연물은 6 m 마다 헤드를 설치해야 됨) 안전성 강화를 위해 각 랙 단마다 헤드를 설치하였으며 이러한 형태는 주로 발주처에서 VE활동을 통한 가치향상에 초점을 둔 설계 형태이다. CASE 3는 CASE 2의 설계에서 100 ㎜ 구경 이상의 배관을 125 ㎜로, CASE 4는 CASE 2의 설계에서 100 ㎜ 구경 이상의 배관을 수리계산을 통해 100 ㎜로 줄인 설계 형태이다. NFSC 103에서는 각 헤드 수량에 따른 배관구경을 정해놓고 있는데 예외적으로 헤드말단의 방수압력(0.1 MPa)과 방수량(80 LPM), 그리고 배관의 유속(가지배관은 6 m/s이하, 그 밖의 배관은 10 m/s이하)을 충족하는 경우에는 수리계산에 의해 선정된 배관관경을 인정하고 있다. 그래서 초기 설계비가 CASE 1, CASE 2에 비해 많이 들지만 일부 배관 관경을 줄일 수 있으며 과도한 설계가 방지되어 적정 방수압력과 방수량을 유지할 수 있어 효과적인 설계가 가능하다.
이렇게 Figure 1과 같이 각각의 CASE 별로 설계를 완료한 후 해당 도면의 내용을 PIPENET 프로그램에 입력하여 방수압력과 방수량, 배관의 유속에 대해 검증하였다.
수리계산의 실행
PIPENET 프로그램은 수리계산시 배관의 마찰손실계산을 Hagen & Williams식을 사용하여 계산하는데 마찰손실압력 계산식은 다음과 같다.
여기서 Q는 유량[LPM], L은 배관의 길이[m], C는 관의 마찰손실 계수, D는 관의 내경[㎜]을 의미한다.
이렇게 계산된 마찰손실값과 해당 도면을 바탕으로 Isometric Drawing을 작성하여 각 배관에 대한 관경과 실 양정을 입력한 후 수력학적으로 가장 불리한 위치에 있는 말단 헤드에서 필요로 하는 방수압 및 방수량과 각 관경별로 최대 유속을 지정하여 필요한 가압송수장치의 압력과 유량을 계산한다. 그러므로 수력학적으로 가장 불리한(실양정이 동일하다고 봤을 때 일반적으로 가장 먼) 헤드에 NFSC 103의 규정에 따라 방수압력을 0.1 MPa, 방수량을 80 LPM 으로 설정하고 계산을 진행하여 필요로 하는 가압송수장치의 압력과 유량을 계산하였다. Table 3에는 주요 변수별 입력 값을 나타내었다.
PIPENET을 이용한 수리계산이 진행된 결과 유량은 Figure 2, 압력은 Figure 3과 같다. 그리고 CASE별로 제경비를 제외한 순 공사비를 산정하여 비교함으로써 설계방안 채택시 참고가 되도록 하였다.
결과분석
각 설계방식별 수리계산에 따른 송수량 및 토출압력, 공사비를 정리하여 나타내면 Table 4와 같고 CASE 1과 각 CASE별 비율은 Table 5와 같다.
수리계산 결과 송수량은 모든 설계방식에서 화재안전기준상 말단 헤드의 최소 요구량인 80 LPM을 충족하기 위해 기준개수에 해당하는 송수량인 2,400 LPM을 초과하는 값이 나왔다. 이는 법적 최소 수원량과 펌프 송수량만으로 설계를 할 경우 원하는 헤드 방사량을 확보할 수 없음을 의미한다.
CASE 1의 경우 가장 많은 유량이 소요되었는데 말단부에 작은 관경의 배관이 많이 사용되어 압력손실이 크게 증가하면서 말단 헤드의 방수압을 0.1 MPa 이상으로 유지하기 위해 펌프의 토출압 및 송수량이 증가한 것으로 판단된다.
CASE 2는 시공성 향상을 위해 말단부의 배관크기를 규약배관방식의 기준치보다 크게 적용한 것으로 관경이 커지며 마찰손실이 줄어들어 CASE 1보다 낮은 토출압과 송수량으로도 말단부의 최소 방수량을 만족할 수 있었다. 따라서 CASE 1에 비해 시공비용이 약 27% 증가하지만 헤드를 2단마다 설치하지 않고 각 단마다 설치함에 따라 소화능력을 증가시켰고 송수량이 감소되어 화재 시 방수지속시간이 증대되고 수원의 조기 고갈 위험성이 줄어드는 효과가 있다고 할 수 있다.
배관경의 상한치를 두어 일정 크기 이상의 배관은 그 크기 이하로 설계한 CASE 3과 4는 펌프 인근 배관의 크기가 줄어들어 CASE 2에 비해 토출압은 약간 증가하는 결과를 나타내었다. 그러나 말단부의 방수압을 동일하게 유지하기 위해 송수량이 줄어들었으며 이러한 효과는 더 작은 상한치를 적용한 CASE 4 (100 ㎜ 이상 배관 100 ㎜로 적용)가 CASE 3 (125 ㎜ 이상 배관 125 ㎜로 적용)보다 더 크게 나타났다. 또한 관내 유속분포도 기준을 초과하는 구간이 없는 것으로 나타나 시공비도 절감하면서 수원 조기고갈의 위험성도 감소시켜줄 수 있는 것으로 판단된다. 다만 CASE 4와 같이 관경을 과도하게 줄였을 경우 공사비는 CASE 2에 비해 9% 감소되는 것으로 확인되지만 토출압이 다소 증가할 가능성이 있어 고양정의 펌프 사양이 요구될 수 있다.
이상에서 얻은 결과를 바탕으로 랙크식창고 스프링클러설비의 배관설계방식에 따른 장단점을 비교하여 정리하면 다음과 같다.
1) CASE 1
· 장점 : 설계 용이
· 단점 : ① 법적 방수량을 선정하게 되므로 필요로 하는 수원량 부족② 고양정 펌프 요구③ 관내 유속 적합성 불확실
2) CASE 2
· 장점 : ① 시공 시 효율성 증가② 압력손실 감소(CASE 1에 비해 약 36% 감소)로 송수량 감소 및 방수시간 증대③ 각 단마다 헤드를 설치함으로써 소화능력 증대
· 단점 : ① 법적 방수량을 선정하게 되므로 필요로 하는 수원량 부족② 시공비 증가(CASE 1에 비해 약 27% 증가)
3) CASE 3, 4
· 장점 : ① 대형배관 관경 축소에 따른 시공비 절약② 관내 유속 적합성 확보 및 안전성 제고③ 각 단마다 헤드를 설치함으로써 소화능력 증대
· 단점 : ① 수리계산에 의한 설계비 증가② 고양정 펌프 요구
(CASE 4와 같이 배관을 과도하게 줄였을 경우 CASE 1에 비해 약 13% 증가)
결 론
본 연구에서 랙크식창고 스프링클러설비의 배관설계방식의 적합성을 살펴보고 최적의 설계방안을 제시하고자 화재안전기준의 최소기준을 준수한 규약배관방식(CASE 1), 규약배관방식에 시공성을 효율화하여 말단부 배관경을 확대적용한 방식(CASE 2), 배관경 상한치를 적용하여 일정 크기 이상 대형배관의 크기를 제한한 방식(CASE 3, 4)으로 설계한 후 PIPENET (Ver. 1.7.2) 프로그램을 이용해 수치해석을 실시하고 송수량, 토출압력, 관내 유속에 대한 비교분석을 실시하였다. 그 결과 다음과 같은 결론을 도출하였다.
1) 수리계산을 하지 않고 헤드 수에 따라 배관 크기를 적용하는 규약배관방식은 설계는 용이하나 송수량이 많아져서 규약배관방식의 법적 유효수원량인 2,400 LPM 적용시 수원이 부족함을 알 수 있다.
2) 시공의 효율성 제고를 위해 말단부 관경을 크게 적용하는 경우 시공비의 증가가 따르나 헤드를 각 단마다 설치함으로 소화능력이 증대되고 압력손실의 감소로 토출압력을 낮출 수 있으며 송수량 또한 감소 하였지만 규약배관방식의 설계와 같이 법적 유효수원량 적용시 수원이 부족하였다.
3) 배관경 최대크기를 일정값 이하로 제한하여 적용하는 경우에는 수리계산에 의한 설계만을 허용하고 있으며, 관내 최대유속을 적절히 유지하면서 설계가 가능해 시공비 절약과 함께 안전성이 확보되고 송수량을 줄일 수 있어 20분간 사용 가능한 적정 수량의 소화수원량을 계산하여 확보할 수 있다. 그러나 토출압이 높아져 고양정의 가압송수장치가 요구될 수 있다.
4) 화재위험성이 높은 랙크식창고나 일정 규모 이상 건물에 대한 스프링클러설비의 배관설계는 수원량 부족으로 인한 수원 조기고갈의 우려가 크고 관내 유속의 적합성도 확인이 어려운 규약배관방식보다 수리계산에 의한 설계를 반영하여 배관경 축소와 안전성 확보가 가능한 성능위주의 설계가 바람직할 것으로 사료된다. 다만 설계비가 상승되는 부분이 있고 압력상승에 따른 배관재질이나 펌프사양의 제고가 요구될 수 있으므로 수리계산에 의한 설계를 단순히 배관을 작게 하여 원가절감을 하는 개념으로 접근하기 보다는 방호대상 구역의 적절한 소화성능을 확보하는데 있어 이를 확인하는 수단으로 활용해야 할 것이다.
