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ESFR 스프링클러설비 연구에 따른
NFPA 13 기준 개정

미국 화재소방연구재단(FPRF)의 “화재조기진압용(ESFR) 스프링클러설비 및 장애물”에 관한 연구보고(“ESFR 스프링클러 성능에 대한 장애물의 영향 평가” 및 “ESFR 스프링클러 배치를 위한 의사결정 분석 도구” 등)에 따라 NFPA 기술위원회에서 2022년 NFPA 13 기준 개정을 위한 논의 중에 있음

미국 캘리포니아주에 있는 아마존사의 대형 물류처리 시설 대형 화재 [출처 AP/WIDE WORLD]

스프링클러 및 창고시설 업계에서는 창고에 화재조기진압용(Early Suppression Fast Response, ESFR) 스프링클러 설비를 설치하려면 건물에 설비 설치를 하는 것이 아니라, ESFR 스프링클러 설비를 중심으로 건물을 설계해야 한다는 우스갯소리를 하곤 한다. 이는 높은 적재물이 많은 창고 시설에 ESFR 설비가 상당히 중요하며 창고 시설에 해당 설비를 설치할 때 스프링클러 장애물에 대해 고려해야 할 사항이 특히나 많은 점에서 나온 이야기이다. ESFR 설비는 다량의 고 가연성 플라스틱 제품과 같이 화재 위험성이 큰 곳에 화재발생 시 대용량의 물을 고속으로 방출하여 화재를 진압하기 위해 고안된 설비이다.

미국 “스프링클러 설비 설치 기준”인 NFPA 13 기준에서는 ESFR 스프링클러 설비 설치 시 건물 구조물, 배관, 조명과 같은 주변 장애물과 스프링클러 설비 간의 근접성 등 ESFR 설치에 관한 여러 규제 사항을 두고 있다. NFPA 13 기준의 ESFR 설치 규제 사항은 그간 이해관계자들 사이에서 오랫동안 우려와 논의를 불러 일으켰었고, 특히 스프링클러 주변 장애물이 ESFR 스프링클러 설비의 성능에 어떤 영향을 미치는지에 관해 많은 이들이 궁금해 했다.

미국 화재소방연구재단(Fire Protection Research Foundation, FPRF)에서는 이러한 사안과 관련하여 지난해 8월에 “화재조기진압 스프링클러와 장애물”(“Obstructions and Early Suppression Fast Response Sprinklers,”)에 관한 새로운 연구 보고 자료를 발표하였다. 이 자료는 화재소방연구재단과 글로벌 엔지니어링/건축 회사인 Wiss, Janney, Elstner Associates, Inc.가 6년 간 수행한 연구를 요약한 것으로, 화재 발생 시 ESFR 스프링클러의 장애물이 스프링클러의 성능에 미치는 잠재적 영향과 스프링클러 장애물의 위치 및 크기 등에 따른 ESFR 스프링클러 배치 의사 결정을 단순화할 수 있는 분석툴에 대해 연구한 내용이다.

이번 연구결과는 NFPA 13 기준 내용과 해당 기준을 적용하는 이해관계자에게 상당한 영향을 미칠 것으로 예상되며, NFPA 13 기준 기술위원회는 ESFR 스프링클러 설비의 장애물에 관한 내용을 2022년 개정판에서 다룰 수 있도록 관련 내용 개정을 위해 검토하고 있다. 현재 기술위원회는 ESFR 스프링클러 설비 하부에 있는 장애물(분리 및 연결)과 관련된 조항에 관한 기존 요건을 개정하고 기준 제14장에 새로운 조항을 추가하는 것에 대해 논의 중이다.

실험 설정

ESFR 스프링클러는 세 가지 점에서 스프링클러계의 거물급 설비라 할 수 있다. ESFR 스프링클러는 화재 발생 시 신속하게 작동하여 화재를 완전히 진화할 수 있도록 고안되었고, 가연물질에 물이 닿아 발생하는 증발에 저항할 수 있을 정도의 큰 물 입자를 형성하며, 화재 진압을 위해 상당량의 소화용수를 방출하는 특징이 있다. 방수량에 대해 비유를 들자면, 자동차 와이퍼로 감당할 수 있을 정도의 소나기 비를 일반 스프링클러 방수량으로 볼 때, 자동차 전면에 폭우가 내려 앞이 거의 보이지 않아 차 운행을 할 수 없을 정도를 ESFR 스프링클러 방수량으로 볼 수 있다. 또한 ESFR 스프링클러는 창고 내부 시설 상황에 따라 인랙 스프링클러(in-rack sprinkler) 설치 필요성을 감소시킬 수 있다.

ESFR 스프링클러 설비의 강력한 제어력에도 불구하고, NFPA 13 기준에서는 ESFR 스프링클러 설비 설치와 관련한 엄격한 조항을 다수 포함한다. 이는 적재물로 인한 위험성 때문이기도 하고, 해당 스프링클러 설비가 화재를 완전히 진압하도록 설계되었다는 점 때문일 것이다. 빔과 기둥 등의 구조물과 배관, 연기 통풍구, 조명, 채광창과 같은 건물 구성요소의 위치는 ESFR 스프링클러의 위치와 간격에 영향을 준다. 현재 NFPA 13 기준에서는 장애물 근처에 ESFR 스프링클러를 설치하였을 때는 장애물 아래에 다른 스프링클러를 추가하거나 장애물을 완전히 제거하는 것으로 제한한다. 이러한 점 때문에 스프링클러 설비를 중심으로 건물을 짓는 것이 더 쉽다는 말이 나오는 것이다. 이번 FPRF 연구 보고서에서는 이러한 NFPA 13 기준 요건은 매우 보수적이며, 실제 현장 적용에 있어 여러 문제를 초래한다고 밝혔다.

FPRF 연구에서는 NFPA 13 기준의 제한요건으로 인한 문제점 해결과 관련해 다양한 장애물을 대상으로 ESFR 스프링클러의 성능에 미치는 영향에 관한 프로젝트를 실시하였으며, 이는 2014년에 시작하여 자료 수집, 연구 계획 및 개발을 거쳐 UL사(Underwriters Laboratories) 화재 시험장에서 9가지 실제 규모의 실험과정을 거쳤다.

실험은 다양한 범주의 창고 적재물을 대상으로 실시되었다. 실험대상의 다양성으로 연구결과를 실제에 적용하기에 유용하다고 볼 수 있다. 연구에서는 각 국의 NFPA 13 기준 사용자들을 대상으로 설문 조사를 실시하였다. 가장 일반적으로 사용되는 지붕 구조물은 개방형 웹 강철보(Open Web Steel Joists, OWSJ)이며, 이 구조에 ESFR 스프링클러를 설치할 때 가장 문제가 되는 장애물은 수직 하중의 안정성을 위해 측면을 지지하는 연결 부위인 것으로 밝혀졌다. 또한 가장 일반적으로 사용되는 철제보의 깊이는 22~36인치 범위인 것으로 나타났다. 개방형 웹 강철보의 상단은 일반적으로 스프링클러 방출부 위에 위치하여 하단에서 염려하는 사항만큼의 큰 문제는 없는 것으로 나타났다.

실험에는 펜던트형 ESFR 스프링클러를 실험대상으로 하였으며, 이는 수직형 ESFR 스프링클러보다 더 많이 사용되는 점에서 실험대상으로 선정되었다.
펜던트형 ESFR 스프링클러 중에서는 K-17 스프링클러를 대상으로 하였다(k계수는 스프링클러 방수량을 결정하는 오리피스 구경 수치임). K-17 실험 결과는 대형 K-22 및 K-25 ESFR 스프링클러에도 적용할 수 있기 때문이다. 소형 K-14 스프링클러를 적용한 실험도 실시하였다.

ESFR 스프링클러의 특성과 장애물로 받는 영향을 측정하기 위해 스프링클러 승인에 일반적으로 사용되는 실제살수밀도(Actual Delivered Density, ADD) 실험방식을 적용하였다. ADD 측정기구를 사용하여 랙크형 창고 화재를 시뮬레이션 하였고, 측정기구 아래의 실린더로 소화수를 수집하는 수집장치를 사용하였다. 스프링클러는 화재 발생지의 중심선에서 바로 위쪽, 중간, 그 중심선에서 상쇄되는 곳에 위치를 달리하였다. ADD 측정기구 상단에 대한 스프링클러의 수직 위치는 적재물 상단에서 천장 스프링클러 위치까지의 거리를 기준으로 하였다. 화재가 정상 상태의 연소 상태에 도달하면 개방형 스프링클러로의 용수를 제어하는 소화펌프가 활성화되어 필요한 배출 압력을 가한다. 각각의 용수 수집장치에 대한 데이터를 기록하여 목표 구역 및 주변 장애물을 기반으로 평균치를 산정하였다. 이 연구에서는 65개의 ADD 실험을 실시하였다.

ADD 실험으로 모든 변수를 설명할 수는 없지만, 이 방법론을 통해 ESFR 스프링클러의 수평 및 수직적 상쇄 위치 및 여러 k-계수를 통한 화재진압에 필요한 최적의 방수량에 대해 확인할 수 있었다. 이러한 요인을 기준으로 K-17 스프링클러를 적용한 9개의 실험 시나리오를 선정한 후, 연결 구조물, 평평한 형태의 장애물, 스프링클러 디플렉터로부터의 깊이와 거리의 관점에서 장애물을 분석하였다.

실제 규모의 실험을 통해 4가지 주요 결론을 도출했다.

  • • ESFR 스프링클러(K-14 또는 K-17)에서 수평으로 최소 6인치 떨어진 22–36인치 깊이의 개방형 웹 강철 트러스로 인한 장애물은 스프링클러 성능을 크게 저하시키지 않음
  • • ESFR 스프링클러(K-14 또는 K-17) 바로 아래에 있는 1.5인치 제곱 또는 그 이하의 연결 구조물 또는 기타 장애물로 발생한 장애물은 스프링클러 성능을 크게 저하시키지 않으며, 개방형 웹 강철 트러스에 부착된 연결 부재에도 적용됨
  • • ESFR 스프링클러(K-14 또는 K-17)에서 수평으로 최소 6인치 떨어진 너비 12인치 이하의 평평하거나 둥근 형태의 장애물은 스프링클러 성능을 크게 저하시키지 않음
  • • ESFR 스프링클러(K-14 또는 K-17)에서 수평으로 최소 12인치 떨어진 너비 24인치 이하의 평평하거나 둥근 형태의 장애물은 스프링클러 성능을 크게 저하시키지 않음

이러한 결론은 NFPA 13 기준의 ESFR 스프링클러 설치 조항에 영향을 주어 업계 관계자들에게 판도를 바꾸는 영향을 미칠 것이다.

NFPA 13 기술위원회에서는 이번 기회로 NFPA 13 기준에 연구결과를 적용하여 ESFR 스프링클러에 관한 일부 설치 제한사항을 개선함으로써 ESFR 스프링클러 설치 시 장애물에 보다 근접하게 배치가 가능하도록 할 예정이다. 이러한 기준 개정으로 설비 설계자는 일반 장애물에 새로운 접근방식을 적용하여 스프링클러의 간격을 적절히 유지하면서 문제 해결 부담을 줄일 수 있을 것이다. 최근 온라인 보고회를 통해 FPRF 보고서 결과 발표가 있었으며, NFPA 13 기술위원회에서는 연구결과에 동의하여 내용을 반영할 예정이다.

※ 본 내용은 2021 NFPA Journal 기사내용(필자 : JACQUELINE R. WILMOT)을 번역하였음.

글. 이현경|한국소방안전원 정책연구소 연구원

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