본 연구에서는 EPS샌드위치 패널심재에 대한 일정한 외부 복사열에 의한 질량감소속도와 열방출특성을 분석하였다. 일정한 외부 복사열원에 노출된 EPS 샌드위치 패널 심재의 질량감소속도와 열방출특성을 분석하기 위해 3가지 Type의 시료를 사용하였으며, 연소열을 측정하기 위해 Oxygen bomb calorimeter를 질량감소속도와 열방출특성을 분석하기 위해 Mass loss calorimeter를 사용하였다. 질량감소속도와 열방출 특성을 분석하기 위해 $100mm{\times}100mm{\times}50mm$ 크기의 시료를 사용하였다. 연구결과 50 kW/$m^2$의 외부복사열원에서 평균질량감소속도는 Type A와 B의 경우 각각 2.7 g/$m^2s$, 2.8 g/$m^2s$로 비슷한 경향을 나타낸 반면, Type C는 2.3 g/$m^2s$로 상대적으로 낮게 나타났으며, 평균열방출속도는 Type B와 C의 경우 각각 47.19 kW/$m^2$, 50.06 kW/$m^2$으로 큰 차이가 없었으나, Type A는 58.23 kW/$m^2$으로 상대적으로 높게 나타났다. 열방출특성의 결과를 캐나다 분류체계에 적용할 경우 Type A와 C의 경우 C-3등급, Type B의 경우 C-2등급으로 분류되었다. 향후 콘칼로리미터법을 이용한 샌드위치 패널 심재에 대한 열방출율 특성과의 비교연구가 필요할 것으로 판단된다.
본 연구에서는 EPS 샌드위치 패널 심재에 대한 일정한 외부 복사열에 의한 질량감소속도와 열방출특성을 분석하였다. 일정한 외부 복사열원에 노출된 EPS 샌드위치 패널 심재의 질량감소속도와 열방출특성을 분석하기 위해 3가지 Type의 시료를 사용하였으며, 연소열을 측정하기 위해 Oxygen bomb calorimeter를 질량감소속도와 열방출특성을 분석하기 위해 Mass loss calorimeter를 사용하였다. 질량감소속도와 열방출 특성을 분석하기 위해 $100mm{\times}100mm{\times}50mm$ 크기의 시료를 사용하였다. 연구결과 50 kW/$m^2$의 외부복사열원에서 평균질량감소속도는 Type A와 B의 경우 각각 2.7 g/$m^2s$, 2.8 g/$m^2s$로 비슷한 경향을 나타낸 반면, Type C는 2.3 g/$m^2s$로 상대적으로 낮게 나타났으며, 평균열방출속도는 Type B와 C의 경우 각각 47.19 kW/$m^2$, 50.06 kW/$m^2$으로 큰 차이가 없었으나, Type A는 58.23 kW/$m^2$으로 상대적으로 높게 나타났다. 열방출특성의 결과를 캐나다 분류체계에 적용할 경우 Type A와 C의 경우 C-3등급, Type B의 경우 C-2등급으로 분류되었다. 향후 콘칼로리미터법을 이용한 샌드위치 패널 심재에 대한 열방출율 특성과의 비교연구가 필요할 것으로 판단된다.
The mass loss rate and heat release rate of EPS sandwich panel cores were analysed using variable external irradiation level. The experimental materials were exposed to incident heat fluxes form 20 to 50 kW/$m^2$. For the measurement of mass loss rate and heat release rate, the size of sp...
The mass loss rate and heat release rate of EPS sandwich panel cores were analysed using variable external irradiation level. The experimental materials were exposed to incident heat fluxes form 20 to 50 kW/$m^2$. For the measurement of mass loss rate and heat release rate, the size of specimen was $100mm{\times}100mm{\times}50mm$ and the samples were 3 different kinds. The combustion heat were carried out from the Oxygen bomb calorimeter and the mass loss rate and heat release rate were carried out from the Mass loss calorimeter according to ISO 5660-1. As the results of this study, the mass loss rate of Type A, B, and C were 2.7 g/$m^2s$, 2.8 g/$m^2s$, and 2.3 g/$m^2s$ and the heat release rate of Type A, B, and C were 58.23 kW/$m^2$, 47.19 kW/$m^2$, and 50.06 kW/$m^2$ respectively at the heat flux of 50 kW/$m^2$. In conclusion, when the heat release characteristics applied to a classification system of Canada, Type A and C can be classified grade C-3, and Type C can be classified grade C-2 from all data of this study.
The mass loss rate and heat release rate of EPS sandwich panel cores were analysed using variable external irradiation level. The experimental materials were exposed to incident heat fluxes form 20 to 50 kW/$m^2$. For the measurement of mass loss rate and heat release rate, the size of specimen was $100mm{\times}100mm{\times}50mm$ and the samples were 3 different kinds. The combustion heat were carried out from the Oxygen bomb calorimeter and the mass loss rate and heat release rate were carried out from the Mass loss calorimeter according to ISO 5660-1. As the results of this study, the mass loss rate of Type A, B, and C were 2.7 g/$m^2s$, 2.8 g/$m^2s$, and 2.3 g/$m^2s$ and the heat release rate of Type A, B, and C were 58.23 kW/$m^2$, 47.19 kW/$m^2$, and 50.06 kW/$m^2$ respectively at the heat flux of 50 kW/$m^2$. In conclusion, when the heat release characteristics applied to a classification system of Canada, Type A and C can be classified grade C-3, and Type C can be classified grade C-2 from all data of this study.
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제안 방법
3가지 Type의 EPS 샌드위치 패널 심재에 대해 Mass loss calorimeter를 이용하여 20 kW/m2, 25 kW/m2, 35 kW/m2, 50 kW/m2의 복사열에서 300s 동안 노출시켰을 때 매 1초 간격으로 측정된 중량변화를 식 (1)~(5)을 이용하여 Mass loss rate를 계산하였다.
Mass loss calorimeter를 이용하여 시편을 수평방향으로 설치하고 20 kW/m2, 25 kW/m2, 35 kW/m2, 50 kW/m2의 복사열에 300s 동안 노출시켰을 때 측정된 각 시료의 mass loss rate 측정값과 동일 시료에 대한 단위 중량당 연소열을 식 (6) 대입하여 연소시간에 따른 열 방출율(Heat release rate), 평균열방출속도(Average Heat Release Rate), 최대열방출속도(Maximum Heat Release Rate), 총방출열량(Total Heat Release)을 계산하였다. 열 방출율 계산에 사용된 단위중량당 연소열은 본 연구에서 사용된 시료와 같은 시료를 이용하여 Bomb oxygen calorimeter를 이용하여 측정된 값으로 Type A의 경우 21.
에 의해 발표된 “질량손실측정에 의한 열방출율 측정 연구”를 통해 그 어느 정도 유효성이 검증되었다고 판단되는 ISO 5660(Fire tests - Reaction to Fire, part 1)을 만족하는 Mass Loss Calorimeter를 이용하여 재료의 Mass loss rate를 측정하고 Oxygen Bomb calorimeter를 이용하여 재료의 단위중량당 연소열을 측정하였다. 또한 이들 데이터로부터 난연처리된 EPS 샌드위치 패널 심재의 열방출율을 계산하였다.
복사열의 크기를 변화시킬 때에는 콘히터가 설정하고자 하는 복사열을 ±2% 이내의 범위 내에서 발생시킬 수 있도록 Mass Loss Calorimeter controller 를 이용하여 설정온도까지 상승시킨 후 설정온도에서 방출되는 복사열량을 Medtherm 사의 Heat flux meter 를 이용하여 측정한다. 방출되는 복사열량(20~50 kW/m2)이 일정해 지면 준비된 시료를 Cone heater의 바닥면과 시료의 상부 표면 사이 거리를 25.0 mm(약 1 inch)로 조정한다.
복사열의 크기를 변화시킬 때에는 콘히터가 설정하고자 하는 복사열을 ±2% 이내의 범위 내에서 발생시킬 수 있도록 Mass Loss Calorimeter controller 를 이용하여 설정온도까지 상승시킨 후 설정온도에서 방출되는 복사열량을 Medtherm 사의 Heat flux meter 를 이용하여 측정한다.
본 연구에서는 난연처리된 EPS 샌드위치 패널 심재에 대한 질량감소속도를 측정하고, 단위 중량당 연소열과 질량감소속도를 이용하여 총열방출율, 최대열방출율 및 평균열방출율 계산을 통해 다음과 같은 결론을 얻었다.
본 연구에서는 노 등11)에 의해 발표된 “질량손실측정에 의한 열방출율 측정 연구”를 통해 그 어느 정도 유효성이 검증되었다고 판단되는 ISO 5660(Fire tests - Reaction to Fire, part 1)을 만족하는 Mass Loss Calorimeter를 이용하여 재료의 Mass loss rate를 측정하고 Oxygen Bomb calorimeter를 이용하여 재료의 단위중량당 연소열을 측정하였다.
시료는 발포 폴리스티렌(EPS, Expandable Ploystyrene) 과 열 안정성이 우수한 플라스틱 수지와 무기물을 화학적 반응을 통하여 합성한 내화 피복제로 구성된 스킨 코어 형태의 특수한 구조적 특징을 갖는 발포입자 성형물12)로 밀도 차이에 따라 Figure 1과 같이 3가지 Type으로 구분하여 질량감소속도와 열방출율 등을 실험하였다. 시료의 크기는 100 mm×100 mm×50 mm로 절단 된 것으로 시험전에 버니어캘리퍼스와 전자저울을 이용하여 크기와 무게를 측정하였으며, 이를 기준으로 밀도를 계산하였다.
의 복사열에 300s 동안 노출시켰을 때의 중량감소율(Mass loss rate)를 측정하였다. 시료에 대한 착화는 Cone heater 하부와 시료 상부의 중간 위치에서 점화 스파크를 이용하여 실시하였으며, 실험 횟수는 각 시험편에 대해 3회 시험을 실시하고 시험결과를 기록하였으며 3회의 실험을 통해 얻어진 측정값을 평균해서 사용하였다. 실험 시간 동안 시료의 중량변화는 매 1초 간격으로 Lo ad cell을 이용하여 측정하였다.
시료의 크기는 100 mm×100 mm×50 mm로 절단 된 것으로 시험전에 버니어캘리퍼스와 전자저울을 이용하여 크기와 무게를 측정하였으며, 이를 기준으로 밀도를 계산하였다.
시료에 대한 착화는 Cone heater 하부와 시료 상부의 중간 위치에서 점화 스파크를 이용하여 실시하였으며, 실험 횟수는 각 시험편에 대해 3회 시험을 실시하고 시험결과를 기록하였으며 3회의 실험을 통해 얻어진 측정값을 평균해서 사용하였다. 실험 시간 동안 시료의 중량변화는 매 1초 간격으로 Lo ad cell을 이용하여 측정하였다. 이때 각종 Data는 Data logger를 이용하여 Computer에 자동으로 저장된다.
실험방법은 먼저 시편을 시료는 100 mm×100 mm×50 mm의 크기로 준비하여 시험에 앞서 온도 23±2℃,상대습도 50±5% 상태에서 전처리 시킨 후 시험전에 버니어캘리퍼스와 전자저울을 이용하여 크기와 무게를 측정하였다.
준비된 시료와 시료 홀더를 load cell 장치위에 수평 방향으로 설치하고 20, 25, 35, 50 kW/m2의 복사열에 300s 동안 노출시켰을 때의 중량감소율(Mass loss rate)를 측정하였다. 시료에 대한 착화는 Cone heater 하부와 시료 상부의 중간 위치에서 점화 스파크를 이용하여 실시하였으며, 실험 횟수는 각 시험편에 대해 3회 시험을 실시하고 시험결과를 기록하였으며 3회의 실험을 통해 얻어진 측정값을 평균해서 사용하였다.
대상 데이터
Figure 3은 본 연구에서 사용된 Mass loss calorimeter로 콘 형태의 복사전기히터(cone heater), 시간에 따른 시편의 질량변화를 측정하기 위한 무게측정장치(load cell), 시편홀더(sample holder), 스파크 점화회로, 열플럭스미터(heat flux meter), 데이터 수집 및 분석시스템인 Data logger와 Computer 등으로 구성되어 있다.
이론/모형
이때 질량감소(# )는 본 연구를 통해 측정된 값을, 가연물의 순연소열은 박형주에 의해 측정된 EPS 샌드위치패널의 단위중량당 순연소열(ΔHc)을 사용하였다.
일정한 Heat Flux(20~50 kW/m2)에서 각 EPS 샌드위치 패널 심재의 질량감소속도와 열방출율을 측정하기 위해 ISO 5660(Fire tests - Reaction to Fire, part 1)을 만족하는 Mass Loss Calorimeter(FTT 사)를 사용하였다.
성능/효과
1) 샌드위치 패널 심재의 질량감소는 연소초기 시료 표면에 착화가 발생한 후 급격한 질량감소속도를 보이다가 화염이 안정화 되면서 감소하는 경향을 보이고 있으며, 외부 복사열량이 증가함에 따라 전체적으로 질량감소속도가 증가함을 알 수 있었다.
2) 50 kW/m2의 외부 복사열원에서 평균질량감소속도는 Type A와 B의 경우 각각 2.7g/m2 s, 2.8g/m2 s로 비슷한 경향을 나타낸 반면, Type C는 2.3g/m2 s로 상대적으로 낮게 나타남을 알 수 있었다.
3) 50 kW/m2의 외부 복사열원에서 평균열방출속도는 Type B와 C의 경우 각각 47.19 kW/m2 , 50.06 kW/m2으로 큰 차이가 없었으나, Type A는 58.23 kW/m2으로 상대적으로 높게 나타남을 알 수 있었다.
일 때 3가지 Type의 시간변화에 따른 질량감소 곡선을 나타내었다. 3가지 Type의 질량감소 곡선을 살펴보면 연소초기 시료표면에 착화가 발생한 후 급격한 질량감소속도를 보이다가 화염이 안정화 되면서 감소하는 경향을 보이고 있으며, 외부복사 열량이 증가함에 따라 전체적으로 질량감소속도가 증가함을 알 수 있다.
4) 열방출특성의 결과를 캐나다 분류체계에 적용할 경우 Type A와 C의 경우 C-3등급, Type B의 경우 C2등급에 포함됨을 알 수 있었다.
5) Type B의 경우 냉동창고, 유흥음식점 등에서 사용되는 플라스틱 단열재에 의한 화재 피해를 최소화하기 위한 평가기준인 최대열방출율 150 kW/m2이하, 평균열방출율 85 kW/m2이하, 총열방출율 50 MJ/m2이하의 수준을 만족할 것으로 판단된다.
캐나나의 열방출 특성기준 중 C-2 등급은 최대열방출율 150 kW/m2이하, 평균열방출율 85 kW/m2이하, 총열방출율 50 MJ/m2이하를, C-3 등급은 최대열방출율 300 kW/m2이하, 평균열방출율 170 kW/m2이하, 총열방출율 100 MJ/m2이하를 의미한다. 따라서 Type B의 경우 이 등2)에 의해서 제안된 냉동창고, 유흥음식점 등에서 사용되는 플라스틱 단열재에 의한 화재 피해를 최소화하기 위한 평가기준인 최대열방출율 150 kW/m2이하, 평균열방출율 85 kW/m2이하, 총열방출율 50 MJ/m2이하의 수준을 만족할 것으로 판단된다.
본 연구결과를 분석하여 보면 3가지 Type의 샌드위치 패널 심재의 열방출특성은 50 kW/m2의 외부복사열원 하에서 최대열방출율 112.91~278.61 kW/m2, 평균열 방출율 47.19~58.23 kW/m2, 총열방출율 14.19~17.73MJ/m2로 나타났다. 이를 캐나다의 열방출 특성기준 분류 체계에 적용 후 분류하면 Type A의 경우 최대열방출율 C-3 등급, 평균열방출율과 총열방출율 C-2 등급, Type B의 경우 최대열방출율, 평균열방출율, 총열방출율 모두 C-2 등급, Type C의 경우 최대열방출율 C-3, 평균열방출율과 총열방출율 C-2 등급으로 분류할 수 있다.
Figure 10은 외부복사열량의 변화에 따른 3가지 Type의 시료에서 발생한 단위면적당 평균열방출속도를 나타낸 그래프로 외부복사열량의 증가에 따라 평균열방출속도가 증가함을 알 수 있으며, Type B와 C의 경우 비슷한 열방출속도를 나타낸 반면에 Type A는 상대적으로 높은 열방출속도를 나타내었다. 평균질량감소 속도에 있어서는 Type A와 B가 비슷하고, Type C에서 가장 낮게 측정되었으나 열방출속도 계산에 사용된 각 시료의 단위중량당 연소열의 차이에 인해 발생된 것으로 판단된다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
스치로폼, 우레탄폼, 유리면, 암면 그리고 페놀폼 등의 장점은 무엇인가?
다른 건축자재에 비해 단열성능이 우수하면서 상대적으로 가볍고 취급 및 시공성이 좋은 장점으로 인해 스치로폼, 우레탄폼, 유리면, 암면 그리고 페놀폼 등이 건설현장에서 널리 사용되고 있다. 그러나 이들 단열재들은 모두 연소하기 쉬운 가연성물질로서 화재시 급속한 화염전파, 높은 열방출율, 다량의 연기발생 등으로 인해 화재의 위험성이 상대적으로 높은 단점을 가지고 있다.
KS F 2271에서 규정하고 있는 내용은 무엇인가?
국내의 경우 샌드위치 패널의 화재 위험성을 평가하기 위해 국내에서 규정하고 있는 화재성능평가방법으로는 건설교통부고시 제2006-476호의 난연재료의 경우 가열강도 50 kW/m2에서 시험체가 실내에 접하는 면에 대하여 3회 실시하여 가열시험 개시 후 5분간 총 방출 열량이 8 MJ/m2이하이며, 5분간 최대 열방출률이 10초 이상 연속으로 200 kW/m2을 초과하지 않으며, 5분간 가열 후 시험체를 관통하는 방화상 유해한 균열, 구멍 및 용융 등이 없어야 한다고 규정하고 있는 KS F ISO 5660-1(Cone Calorimeter Method) 방법과 시험체가 실내에 접하는 면에 대하여 2회 실시하여 가스유해성 시험결과, 실험용 쥐의 평균행동정지 시간이 9분 이상이어야 한다고 규정하고 있는 KS F 2271(건축물의 내장재료 및 구조의 난연성 시험방법)이 있다.1)
스치로폼, 우레탄폼, 유리면, 암면 그리고 페놀폼 등의 문제점은 무엇인가?
다른 건축자재에 비해 단열성능이 우수하면서 상대적으로 가볍고 취급 및 시공성이 좋은 장점으로 인해 스치로폼, 우레탄폼, 유리면, 암면 그리고 페놀폼 등이 건설현장에서 널리 사용되고 있다. 그러나 이들 단열재들은 모두 연소하기 쉬운 가연성물질로서 화재시 급속한 화염전파, 높은 열방출율, 다량의 연기발생 등으로 인해 화재의 위험성이 상대적으로 높은 단점을 가지고 있다. 또한 화재시 발생되는 많은 양의 검은 색의 연기는 가시거리의 확보가 어려워 피난 및 소화활동에 큰 장애 요인이 되고 있으며 이들 연기 중에는 일산화탄소(CO), 염소가스(HCl), 시안화수소(HCN) 등과 같은 유해가스가 포함되어 있어 피난자의 감각기관과 호흡기관을 자극하여 피난시 피난자의 행동장애 뿐만 아니라 고농도에 노출될 경우 사망에 이르게 하는 등 화재로 인한 직접적인 피해를 초과할 만큼 심각한 경우도 있다.
노호성, 이준석, 진영화, 곽지현, 김성윤, "질량손실측정에 의한 열방출율 측정 연구", 한국화재소방학회, 2007년도 추게학술논문발표회 논문집, pp.137-142(2007)
박봉국, "기능성 스킨층을 갖는 발포 폴리스티렌 입자와 그 제조방법 및 이를 이용한 기능성 발포 폴리스티렌성형물과 그 제조방법", 대한민국특허청, 등록특허 10-0479218, pp.1-9(2005)
ISO 5660-1 "Reaction to fire tests - Heat release, smoke production and mass loss rate - Part 1 : Heat release rete(cone calorimeter method)", International Standard, pp.15-16(2002)
D.D. Drysdale, "Thermochemistry - Rate of Heat Release in Fires", SFPE Handbook Third Edition, Chapter 1-5, pp.1-95(2002)
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