건물 내에서 연기는 어떤 요인에 의해 이동할까? 1

건물 내에서 화재가 시작하면 필연적으로 연기가 발생하게 된다. 화재에서 시작된 연기는 처음에는 천장 쪽으로 올라가다가 천장에서 막히면서 천장을 타고 옆으로 퍼지게 된다. 이렇게 연기의 이동은 살아있는 생물처럼 움직이게 되는데 어떤 요인에 의해 연기가 확산되어 나가는지 알아보자.

온도 상승에 따른 밀도와 압력 변화

가. 밀도 저하에 따른 부력 발생

화재에 의해 발생한 연기는 Fire Plume을 타고 상승하는 것이므로 화재에 의한 열기를 포함하여 온도가 높다. 처음 발생한 연기는 온도가 낮지만 화재가 성장하면서 연기의 온도도 같이 높아진다. 성장한 화재에서 발생한 연기는 천장에 부딪히는 경우 600℃ 이상의 온도를 유지하면서 밀도가 낮아지고 엄청난 부력을 갖게 된다.

 

나. 부피 팽창에 의한 압력 상승

또한, 화재실의 온도가 올라가면서 화재실의 공기는 열팽창을 하게 되는데 이때 공기의 용적은 보통 3배 이상 증대한다. 기체의 팽창에 따라 용적이 증가하면서 실내는 압력이 높아지는데, 주위 부분과의 압력 차이로 인해 연기가 이동하는 것이다. 온도에 상승에 따른 부피의 팽창 정도는 샤를 법칙에 의해 설명이 가능하다.

 

부피 팽창을 설명하는 이론

평상시 20℃ 이던 실내가 화재로 인해 600℃로 상승했을 경우 부피의 팽창 정도를 알 수 있다. 부피는 2.97배 약 3배로 팽창한다. 실내 온도가 800℃로 상승한다면 공기의 팽창은 처음의 3.66배가 된다.

 

 

연돌효과(Stack Effect)에 의한 공기 상승

가. 연돌효과란

연기의 이동을 설명하기 위해 연돌효과를 살펴보자. 연돌효과는 건물 외부의 온도보다 건물 내부의 온도가 더 높을 때 발생하는 현상이다. 온도는 공기의 밀도를 낮아지게 하여 상승하려는 부력을 만들어 낸다. 그래서 겨울철 난방이 잘되는 건물에서는 공기가 위로 올라가는 현상을 만들어 건물의 상부에는 압력이 높아지고 건물의 하부에는 압력이 낮아지게 된다. 그래서 1층 현관문을 열었을 때 낮아진 압력 방향으로 바람이 밀려들어오는 현상이 발생한다. 이렇게 내부의 높은 온도로 인해 공기의 밀도가 낮아져 건물의 수직 공간을 따라 상부로 이동하려는 현상을 연돌효과(Stack Effect)라 한다.

 

건축물의 수직 공간을 따라 상부에서 연기가 분출되는 현상

나. 건물 내·외부의 압력차

연돌효과가 발생한 건물에서는 내부와 외부의 압력차가 발생하게 되는데 건물 내·외부의 압력차는 아래의 계산식으로 표현된다.

 

건물 내외부의 압력차를 설명하고 있는 공식

위 식에서 알 수 있듯이 건물 내부와 외부의 압력차는 중성대의 위치에 따라 달라진다. 이를 반대로 이야기하면 중성대의 위치는 건물 내부와 외부의 압력차에 의해 영향을 받는다고 할 수 있다.

 

다. 연기가 이동하는 요인

건물 내부의 온도에 따라 가벼워진 공기는 상부로 이동하여 건물 상층부의 압력이 높아지고, 건물 하부는 압력이 상대적으로 낮아진다. 이때 건물의 외부에서 압력이 낮아진 건물의 하층부 부분으로 공기가 유입된다. 건물의 하층부로 유입된 공기는 화재로 인해 다시 온도가 상승하고 밀도가 낮아져 부력으로 인해 수직공간을 타고 건물 상부로 이동하게 되는 순환이 발생한다.

이렇게 압력 차이로 인해 건물 하층부로 유입된 공기가 화재의 열기로 인해 뜨거워지면서 수직공간을 타고 상승하는 효과를 연돌효과(Stack Effect)라고 한다. 이러한 연돌효과에 의해 상층부로 연기가 이동하게 되는 것이다.

 

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