화재의 진행단계 (Fire Development)

[하늘가]

화재의 진행단계 (Fire Development)

화재의 4요소가 서로 결합할 때에 발화가 일어난다. 처음 화재가 난 물질에서 더 크게 화재가 진행되기 위해서는, 처음 화재가 난 물질에서 다른 가연물로 열이 전달되어야 한다. 화재의 초기단계에서, 열은 상승하고 뜨거운 가스덩어리를 형성한다. 만일 화재가 개방된 공간 (건물 밖이나, 대규모의 건물 내)에서 발생하면, 그 화염은 자유로이 상승하고 ,공기는 이 속으로 흡수된다. 이때 공기는 비교적 차갑기 때문에 화염 위의 가스층을 냉각시키는 작용을 한다. 개방공간 내에서의 화재의 확산은 근본적으로 열에너지가 뜨거운 가스(plume ; 연기기둥)로부터 근처의 가연물로 전달되는데에 기인한다. 개방된 지역에서의 연소확대를 바람이나 지형의 기울기에 따라 증가될 수 있는데 이는 노출된 가연물들이 미리 뜨거운 가스에 의해 가열될 수 있도록 하기 때문이다. 구획실(compartment)에서의 화재진행은 개방공간에서의 화재진행보다 훨씬 복잡하다. 논의의 편의상, 구획실은 건물내의 폐쇄된 방이나 공간으로 정의한다. 구획실화재는 이러한 공간 내에서 발생하는 화재로 정의한다. 구획실 화재의 성장과 진행은 일반적으로 가연물과 산소의 이용가능성에 의해 통제된다.  연소에 이용할 수 있는 가연물의 양이 한정되어 있으면, 이러한 화재를 "통제된 가연물(fuel controled)"이라 한다. 연소에 이용할 수 있는 산소의 양이 한정되어 있으면, 이러한 상태를 "통제된 배연(ventilation controled)"라 한다.

구획실 화재를 화재가 진행될 때에 발생하는 현상 및 단계로 구분하면 다음과 같다.

�  발화기          Ignition  

�  성장기         Growth

�  플래쉬오버   Flashover

�  최성기       Fully developed

�  쇠퇴기         Decay 

시간과 온도와 관련하여 구획실 화재의 진행단계를 보여준다. 이러한 진행단계들은 화재진압활동을

하지 않은 상태에서 어떤 한 공간 내에서 화재가 진행할 때에 일어나는 복잡한 반응들을 설명하려는

시도라는 것에 주의해야 한다. 구획실 화재의 발화와 진행은 매우 복잡하여, 많은 변수에 영향을 받

는다.  결론적으로 개별화재는 여기서 설명되는 화재의 각 단계를 걸쳐서 진행되지 않을 수도 있다.

발화기  (IGNITION)

발화기는 화재의 4요소들이 서로 결합하여 연소가 시작될 때의 시기를 말한다. 발화의 물리적 현상은 스파크나 불꽃에 의해 유도(piloted)되거나 자연발화처럼 어떤 물질이 자체의 열에 의해 발화점(ignition temperature)¹⁾에 도달하여 비유도(nonpiloted) 된다. 발화시점에서 화재는 규모가 작고 일반적으로 처음 발화된 가연물에 한정된다. 개방된 지역이거나 구획실이거나 간에 모든 화재는 발화의 한 형태로서 발생한다.

성장기  (GROWTH)

발화가 일어난 직후, 연소하는 가연물 위로 화염이 형성되기 시작한다.  화염이 커짐에 따라 주위 공간으로부터 화염이 상승하는 공간으로 공기를 끌어들이기 시작한다.  최초 발화된 가연물의 화재가 커지면서, 성장기의 초기는 야외의 개방된 곳에서의 화재와 유사하다. 그러나 개방된 곳에서의 화재와는 달리, 구획실의 화염은 공간내의 벽과 천장에 의해 급속히 영향을 받는다.  첫번째 영향은 화염 속으로 흡수되는 공기의 양이다.  공기는 화재에 의해 생성된 뜨거운 가스보다 차갑기 때문에 화염이 갖고 있는 온도에 대해 냉각효과를 가진다. 구획실의 벽과 관련하여 가연물들의 위치는 흡입되는 공기의 양을 결정하고, 냉각효과의 크기를 결정한다. 벽 근처에 있는 가연물들은  비교적 적은 공기를 흡수하고, 보다 높은 화염온도를 지닌다.  구석에 있는 가연물들은 더욱 더 적은 공기를 흡수하고, 가장 높은 화염온도를 지닌다.  이러한 요소는 화염 위에 생성되는 뜨거운 가스층의 온도에 심각한 영향을 미친다. 뜨거운 가스가 상승하면서 천장에 부딪치게 되면, 가스는 외부로 퍼지기 시작한다. 가스는 구획실의 벽에 도달할 때까지 계속해서 퍼진다. 벽에 도달한 후, 가스층의 두께는 증가하기 시작한다. 이 시기의 구획실 온도는 가스가 구획실 천장과 벽을 통과하면서 생성된 열의 양과 최초 가연물의 위치 및 공기 유입량 등에 의해 결정된다. 연구결과에 의하면 화염의 중심으로부터 거리가 멀어지면, 가스의 온도가 내려간다는 것을 보여주고 있다. 만일, 가연물과 산소가 충분하다면 성장기는 지속될 것이다.  성장기에 있는 구획실 화재는 일반적으로 ‘통제된 가연물’상황이다. 화재가 성장할 때에, 천장 부분에 있는 가스층의 온도가 높아짐에 따라 (그림 2.4) 구획실내의 전반적인 온도는 상승한다.

플래쉬오버  (FLASHOVER)

플래쉬오버는 성장기와 최성기간의 과도기적 시기이며 발화와 같은 특별한 현상이 아니다. 플래쉬오버 시기에 구획실 내부의 상태는 매우 급속하게 변화하는데 이때 화재는 처음 발화된 물질의 연소가 지배적인 상태로부터 구획실 내의 모든 노출된 가연성 물체의 표면이 관련되는 상태로 변한다. 성장기 천장 부분에서 발생하는 뜨거운 가스층은 발화원으로부터 멀리 떨어진 가연성물질에 복사열을 발산한다. 플래쉬오버가 발생할 때, 뜨거운 가스층으로부터 발산하는 복사에너지는 일반적으로 20kW/m²를 초과한다.  이러한 복사열은 구획실 내의 가연성물질에 열분해작용을 일으킨다.  이 시기에 생성되는 가스는 천장부분의 가스층으로부터 발산하는 복사에너지에 의해 발화온도까지 가열된다.

과학자들이 다양한 형태로 플래쉬오버를 정의하고 있지만, 대부분의 과학자들은 공간내의 모든 가연성 물질이 동시적 발화를 일으키는 구획실 내의 온도라고 정의하는데 기초를 두고 있다. 이러한 현상이 발생하는 것과 관련된 정확한 온도는 없지만 , 대략 483℃에서 649℃(900℉에서 1200℉)까지 범위가 폭 넓게 사용된다.  이러한 범위는 열분해작용에 의해 발산되는 가장 보편적인 가스 중의 하나인 일산화탄소(CO)의 발화온도(609℃ 또는 1,128℉)와 상관관계를 가진다. 연소하는 구획실 내에서 플래쉬오버가 발생하기 바로 전에 몇 가지 현상들이 발생한다.  온도가 급격히 상승하고, 추가적인 가연물들이 연관되면서, 구획실 내의 가연물들이 열분해현상으로 인해 가연성 가스를 발산하게 된다.  플래쉬오버가 발생하면, 구획실 내의 가연성 물질들과 열분해현상에 의해 발산된 가스들은 발화한다. 그리고 이로 인해 방 전체는 화염에 휩싸이게 된다. 최고조에 오른 실내의 플래쉬오버 상태에서 발산되는 열 발산율은 10,000 kW 또는 그 이상이 될 수 있다.

플래쉬오버가 일어나기 이전에 구획실로부터 대피하지 못한 거주자는 생존하기 힘들 것이다. 또한, 소방대원들이 구획실에서 플래쉬오버에 직면한다면, 개인보호장비를 착용하고 있음에도 불구하고 극도의 위험에 처하게 된다.

최성기  (FULLY DEVELOPED)

최성기는 구획실 내의 모든 가연성 물질들이 화재에 관련될 때에 일어난다.  이 시기에, 구획실 내에서 연소하는 가연물은 이용 가능한 가연물의  최대의 열량을 발산하고, 많은 양의 연소생성가스를 생성한다. 발산되는 연소생성가스의 양과 발산되는 열은 구획실의 배연구(환기구, ventilation openings)의 수와 크기에 의존한다. 구획실 연소에서는 산소공급이 잘 되지 않으므로 많은 양의 연소하지 않은 가스가 생성된다. 이 시기에, 연소하지 않은 뜨거운 연소생성가스는 발원지에서 인접한 공간이나 구획실로 흘러 들어가게 되며, 보다 풍부한 양의 산소와 만나면 발화하게 된다.

쇠퇴기  (DECAY)

화재가 구획실 내에 있는 이용 가능한 가연물을 소모하게 됨에 따라, 열 발산율은 감소하기 시작한다. 다시 한번, 구획실 내의 가연물이 통제되면, 화재의 크기는 감소하게 되어, 구획실 내의 온도는 내려가기 시작한다. 타다 남은 잔화물은 일정 시간 동안 구획실의 온도를 어느정도 높일 수도 있다.

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1) 발화온도, 발화점, 착화온도, 착화점. 가연성 물질 또는 혼합물이 연소를 시작하는데 필요한 최저의 온도. 가열에 의해 반응속도가 증가하여 발화점에 도달하면 열의 발생 속도가 열의 소비속도(물질을 가열하던가 계 외로 도망하던가 한다)보다 크게 되어 자기 가열을 일으켜 발화한다. 발화점의 값은 가열시간, 공기 혼합의 방식, 용기의 재질과 형상 등의 조건에 따라 현저하게 변동하며 물질상수는 아니다. 여러 가지 측정법이 있으나 측정법이 다른 것의 값을 서로 비교할 수는 없다.