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문제 정의
- 따라서 본 연구에서는 강원도 영동지역을 중심으로 과거 1996년도에 건국 이후 최대의 산불이라고 했던 고성산불과 1993년 이미 한차례의 불세례를 받은 삼척 의 2000년 산불은 경상북도 울진군까지 뻗치는 등의 삼척시 대규모 산불12)에 따른 산림파괴가 빈번하게 발 생함에 따라 영동지역 삼척시의 임상을 파악하였다. 임 상 분포는 소나무 단순림이 전체의 78.
- 본 연구에서는 임상별 대표수종인 소나무와 떡갈나무를 대상으로 낙엽, 생엽, 가지 및 수피 부위에 대한 연소특성 실험을 하여 다음과 같은 결과를 얻었다.
제안 방법
- 4%로 나타났으며 바다에 접 한 근덕면과 원덕읍 동쪽은 동해의 해안선을 따라 좁 은 대상으로 곰솔(Pinus thunbergii) 그림이 나타났으나 대부분 지역은 소나무림이 점유하고 있음을 알 수 있었다.13) 따라서, 임상별 대표 수종들 가운데 하나인 소나 무와 떡갈나무를 선정하고 각각 주요 부위별로 시료를 채취하여 콘칼로리미터 (Cone calorimeter)를 사용하여 각각의 시료들에 대한 부위별 착화시간, 총열방출량, 중량감소율, 화염유지시간, CO 및 CO2 배출농도 등에 대한 실험을 수행함으로써 소나무와 떡갈나무의 연소 특성을 고찰하였으며 콘칼로리미터 시험법 적용은 실제 산불발생 시의 연료의 위험성을 그대로 적용하기 위하여 균일하지 않은 재료의 연소특성을 유지하기 위하여 인위적으로 시편을 제작하지 않고 시료를 원형 그대로를 유지하여 사용하였다. 따라서, 본 연구에서 제시하는 연소특성 결과들은 실제 산불발생시 연료의 위험성을 잘 나타낼 수 있어 산불피해를 최소화시킬 수 있는 위험평가기준의 기초자료로 충분히 활용될 수 있을 것으로 사료된다
- 떡갈나무의 부위별 중량변화와 착화시간, 착화 시간과 자연소화시간에 따른 화염유지시간을 측정하여 연소 특성을 고찰하였고 열방출량 측정을 통하여 발열량 특성과 co 및 co2 발생에 대한 농도특성을 살펴보았다.
- 소나무 부위별 중량변화와 착화시간, 착화시간과 자연 소화 시간에 따른 화염유지시간을 측정하여 연소 특성을 고찰하였으며, 열방출량 측정을 통한 발열량 특성과 연소가스인 CO 및 co2 발생에 대한 농도특성을 알아보았다.
- 실험조건은 Table 2에 제시하였으며 시편제작은 원형을 유지한 연료의 중량 50 g을 흘더에 고정하여 시편을 수평방향으로 설치하고 50kW/m2의 복사열에 1800 s 동안 노출시켰을 때의 착화시간(Time to ignition), 총열빙출량(Total heat release), 중량감소율(Mass loss rate), 화염유지시간, CO 및 CO 농도를 측정하였다. 실험 횟수는 시험편에 대해 3회 시험을 실시하고 시험 결과를 기록하였으며 3회의 실험을 통해 얻어진 값을 평균해서 사용하였다.
- 연료의 함수율을 측정하기 위하여 원형의 재료를 200 g의 양을 정량하여 OF-12GW의 건조기에 105℃에서 4시간 단위로 무게에 중량변화가 없을 때까지 건조하여 측정하였으며 3회 측정에 대한 평균치를 함수율 값으로 하였다. 함수율 계산은 다음 식 (1)에 의하여 계산하였다.
- 총방출열량을 나타내었다. 총방출열량은 시료 표면적 당 시간에 대한 함수로 표현되는 열방출율을 주어진 시간을 적분하여 누적된 값으로 구하였다. 낙엽은 63.
- 콘칼로리미터 실험의 원리는 산소 1kg이 소비될 때 13.1 MJ5] 열을 방출하는 산소소비원리(Oxygen consumption principle)# 바탕으로 하고 있으며 시편이 연소될 때 연소생성물 흐름속의 산소농도와 유속으로 부터 유도된 산소소비량을 측정하여 평가한다. 콘칼로리미터는 수평으로 부착된 복사콘에 시편을 노출하여 , 열방출을 구하는 방법으로 이 장치는 콘 형태의 복사 전기히터, 시편의 질량을 측정하기 위한 무게 측정 장치 , 시편흘더 , 산소분석장치 , 유량측정장치를 부착한 배출시스템, 스파크 점화회로, 열플럭스미터(Heat flux meter), 교정용 버너 및 데이터 수집 및 분석시스템들로 구성되어 있다.
대상 데이터
- 본 연구에서는 침엽수인 소나무와 활엽수인 떡갈나 무를 대상으로 생엽, 낙엽, 가지 및 수피를 채취하여 함수율을 측정하였으며, 연료의 채취는 강원도 영동지역에서 강우 후 다음날 동일 장소에서 채취하여 함수율을 측정하여 사용하였다. 실험에 사용된 각각의 시료들에 대한 조건은 Table 1에 나타내었다.
데이터처리
- 측정하였다. 실험 횟수는 시험편에 대해 3회 시험을 실시하고 시험 결과를 기록하였으며 3회의 실험을 통해 얻어진 값을 평균해서 사용하였다. 열방출율과 단위면적당 열방출율, 중량감소율은 식 (2)~(8)을 이용하여 실험시간 동안 모든 데이터가 수집되며 분석시스템에서 자동 기록된다.
성능/효과
- 1) 소나무와 떡갈나무의 부위별 열적특성 결과로는 소나무와 떡갈나무 모두 건조한 낙엽의 착화시간이 가장 빠르게 나타났고 가지의 착화시간이 가장 늦게 나 타남을 알 수 있었다. 화염 유지시간은 소나무와 떡갈 나무 모두 수피와 낙엽의 화염유지시간이 대체로 길게 나타남을 알 수 있었다.
- 2) 발열량 특성에 대한 부위별 결과로서 총열방출량 이 가장 높게 나타난 부위는 소나무의 낙엽으로서 생 엽보다 2.76배 정도 높게 나타났으며, 떡갈나무 역시낙엽의 총열방출량이 생엽보다 2.37배 정도 높게 나타났다. 따라서 소나무와 떡갈나무 모두 생엽보다 낙엽 의 총열방출량이 높게 나타났으며, 건조한 연료의 경우 대체로 착화가 빠르고 화염유지시간이 길게 나타남 으로써 열방출량이 높은 것으로 나타났다.
- 3) CO 및 CO 배출농도에 대한 결과로는 떡갈나무 가지의 CO 최대농도가 가장 높게 나타났으며 소나무 의 가지보다 3.16배 정도 높게 나타났으며 CO2 최대농 도 또한 떡갈나무의 가지가 소나무보다 1.82배 정도 높게 나타남을 알 수 있었다.
- 76배 높게 나타났다. Table 4에는 평균열방출율을 제시하였으며 평균열방출율은 총 열방출량을 시험시간으로 나눈 값으로 kW/m2, 낙엽 35.03 kW/m2, 수피 33.29 kW/m2, 가지는 26.26, 생엽13.09 kW/m2 순으로 나타나 낙엽이 평균열방출율이 가장 높게 나타났다. 따라서 초기에 중량감소가 급격히 진행된 가지의 평균열방출율이 가장 높게 나타났는데 이는 초기에 열분해가 급격하게 진행되어 많은 양의 열을 방출하면서 연소하기 때문인 것으로 사료된다.
- 총방출열량은 시료 표면적 당 시간에 대한 함수로 표현되는 열방출율을 주어진 시간을 적분하여 누적된 값으로 구하였다. 낙엽은 63.0 MJ/m2, 수피 59.9 MJ/m2, 가지 47.27 MJ/m2, 생엽 22.8 MJ/m2로 나타남으로써 낙엽과 수피부위의 총열 방출량이 대체로 높게 나타났으며 총열방출량이 가장 높은 낙엽은 가장 낮은 생엽보다 2.76배 높게 나타났다. Table 4에는 평균열방출율을 제시하였으며 평균열방출율은 총 열방출량을 시험시간으로 나눈 값으로 kW/m2, 낙엽 35.
- 37배 정도 높게 나타났다. 따라서 소나무와 떡갈나무 모두 생엽보다 낙엽 의 총열방출량이 높게 나타났으며, 건조한 연료의 경우 대체로 착화가 빠르고 화염유지시간이 길게 나타남 으로써 열방출량이 높은 것으로 나타났다. 또한, 임상 별로는 활엽수인 떡갈나무보다 침엽수인 소나무가 가 지를 제외한 나머지 부위에서는 총열방출량이 높게 나 타남을 알 수 있었다.
- 자연소화시간은 함수량이 높은 생엽이 낙엽보다 835 s 빠르게 소화되는 것으로 나타났으며 중량감소는 함수율이 높은 생엽이 중량감소가 큰 것으로 나타났다. 따라서, 함수율이 낮으면 착화시간이 빠르고 화염 유지 시간이 길어지며 그만큼 연소가 빠르게 진행되어 화재발생 시, 연소의 확대가 빠르게 진행되는) 반면 함수율이 높은 연료의 경우 착화가 늦고 화염 유지 시간이 짧게 나타나는 경향을 보이며 화염이 종료된 후에도 부위별 중량감소 현상이 나타났다. 연소 후 잔류물은 총중량감소가 가장 적은 낙엽이 5.
- 자연소화시간은 함수량이 높은 생엽이 낙엽보다 902 s 빠르게 소화되는 것으로 나타났다. 따라서, 함수율이 낮으면 착화시간이 빠르고 화염이 지속되는 시간이 길어지며 반면 함수율이 높은 연료의 경우는 착화가 늦고 화염유지시간이 짧게 나타나는 경향을 보이며 연소가 서서히 진행되는 것을 알 수 있다. 또한, 활엽수와 침엽수와의 산불위험성 비교분석 연구로 침엽수가 화염이 지속되어 유지되는 시간이 비교적 길게 나타난다고 연구 보고9)된 바에 따라 활엽수의 떡갈나무가 침엽수의 소나무보다 부위별 화염 지속시간이 짧은 것으로 나타났으나 가지 부위는 오히려 소나무보다 화염이 지속되는 시간이 긴것으로 나타났다.
- 65 ppm 정도인 것으로 나타났다. 또한, CO 의부위별 최대농도는 689.04-4, 533.28 ppm의 구간에서 나타났으며 가지 4, 533.28 ppm, 낙엽 1, 842.32 ppm, 수피 1, 797.68 ppm, 생엽 689.04 ppm 정도인 것으로 나타났다.
- 70 ppm의 순으로 나타났다. 또한, CO의 부위별 최대농도는 1, 611.02-2, 997.13ppm 정도인 것으로 나타났으며 낙엽 2, 997.13 ppm, 가지 2, 495 ppm, 수피 1, 611.02 ppm, 생엽 1, 192.06 ppm의 순으로 나타났다.
- 총중량감소량은 함수율이 높은 생엽과 수피가 초기에 중량감소가 급격히 진행되었 으며 이는 연료가 두께와 굵기에 따른 조직이 열분해 에 의한 중량감소 보다 연료가 복사열에 노출되어 착 화가 시작되기 전과 화염이 종료된 후에도 수분에 의한 중량감소가 크게 작용하기 때문인 것으로 사료된다. 또한, 소나무와 떡갈나무의 부위별 총중량감소량은 떡갈나무보다 소나무의 총중량감소량이 크게 나타남을 알 수 있었으며 부위별 건조한 연료일수록 착화시간은 빠르고 화염유지시간이 길게 나타남을 알 수 있었다
- 따라서 소나무와 떡갈나무 모두 생엽보다 낙엽 의 총열방출량이 높게 나타났으며, 건조한 연료의 경우 대체로 착화가 빠르고 화염유지시간이 길게 나타남 으로써 열방출량이 높은 것으로 나타났다. 또한, 임상 별로는 활엽수인 떡갈나무보다 침엽수인 소나무가 가 지를 제외한 나머지 부위에서는 총열방출량이 높게 나 타남을 알 수 있었다.
- 023 g/s인 것으로 나타났다. 부위별 착화 시간은 Table 6에 제시한 바와 같이 낙엽 9 s, 생엽 59 s, 수피 106 s, 가지 302 s 순서로 나타나 부위 별로 많은 시간차이를 보였으며 소나무와 마찬가지로 낙엽의 착화시간은 9 s 정도로 가장 빠르게 착화되었고 가지는 302 s 정도로 가장 늦게 착화되었다. 함수율이 높은 생엽은 낙엽에 비하여 착화가 늦고 화염 유지 시간이 짧게 나타나는 경향을 보이며 착화 전과 화염이 종료된 후에도 부위별 중량감소 현상이 나타났다.
- 나타내었다. 수피는 59.7 MJ/m2, 낙엽은 57.2 MJ/m2, 가지 52.03 MJ/m2, 생 엽 24.1MJ/m2의 순으로 소나무와 마찬가지로 수피와 낙엽의 총열방출량이 대체로 높게 나타났으며 소나무와 비교하여 생엽과 수피는 큰 차이가 없었고 가지는 소나무보다 오히려 총열 방출량이 1.56배 정도 높은 것으로 나타났다. 이와 같은 결과는 연료의 함수율 차이에 기인한 결과로 사료되며 Table 1에 제시한 부위별 함수율을 살펴보면, 소나무의 가지보다 떡갈나무 가지의 함수율이 1.
- 이러한 결과는 24% 정도의 함수율 차이와 연료의 두께와 굵기의 차이에 따라 나타나는 결과라 사료된다. 연소 후의 잔류물의 발생량은 소나무와 마찬가지로 총중량감소량이 가장 적은 낙엽이 7.26 g 정도로 가장 많이 발생하였고 떡갈나무는 소나무와 비교하여 모든 부위에서 잔류물의 발생량이 1.2~2.0배 정도더 높은 것으로 나타났다.
- ) Figure 4는 시간변화에 따른 열방출율 곡선으로 시료표면적당 발생하는 열량의 크기로 나타나며 최대열방출율은 재료 표면적당 발생한 순간적인 열량의 크기인데 낙엽이 143.3 kW/n?으로 가장 빠른 시간에 가장 높게 나타남을 알 수 있었으며 생엽은 37.62 kW/nf으로 가장 낮게 나타남으로써 낙엽과는 3.81배의 차이를 보였다. 최대열방출시간은 최대열방출율이 나타나는 시간을 나타내며 낙엽이 60 s에서 가장 빠르게 나타났다.
- 착화 후 자연 소화되기까지의 화염유지시간을 살펴보면 Table 6에 제시한 바와 같이 낙엽 987 s, 수피 640 s, 가지 318 s, 생 엽 35 s인 것으로 나타남으로써 부위별로 많은 시간차이를 보였으며 건조한 낙엽이 가장 오랜 시간동안 화염을 유지하는 것으로 나타났다. 이와 같은 함수율에 따른 착화 특성은 소나무와 마찬가지로 건조한 낙엽이 생엽과 비교하여 착화시간이 50 s 빠르게 나타났으며 925 s 더 지속되는 것으로 나타났다. 자연소화시간은 함수량이 높은 생엽이 낙엽보다 902 s 빠르게 소화되는 것으로 나타났다.
- 착화 후 자연소화 되기까지의 화염 유지시간은 재료가 복사열에 노출되면서 착화가 일어나는 시간과 착화가 종료될 때의 시간 즉 자연소화 될 때까지의 시간를 말하며 화염 유무를 육안으로 판단하여 분석시스템에 기록하여 확인하였으며 화염유지시간은 Table 3에 제시한 바와 같이 수피 1016 s, 낙엽 927 s, 가지 261 s, 생엽 52 s로서 부위별 시간차이가 크게 나타났으며 수피가 가장 오랜 시간 화염을 유지하는 것으로 나타났다. 이와 같은 함수율에 따른 착화특성은 건조한 낙엽이 생엽과 비교하여 착화시간이 40s 빠르게 나타났으며 화염이 유지되는 시간은 875 s 더 지속되는 것으로 나타났다. 자연소화시간은 함수량이 높은 생엽이 낙엽보다 835 s 빠르게 소화되는 것으로 나타났으며 중량감소는 함수율이 높은 생엽이 중량감소가 큰 것으로 나타났다.
- 따라서 본 연구에서는 강원도 영동지역을 중심으로 과거 1996년도에 건국 이후 최대의 산불이라고 했던 고성산불과 1993년 이미 한차례의 불세례를 받은 삼척 의 2000년 산불은 경상북도 울진군까지 뻗치는 등의 삼척시 대규모 산불12)에 따른 산림파괴가 빈번하게 발 생함에 따라 영동지역 삼척시의 임상을 파악하였다. 임 상 분포는 소나무 단순림이 전체의 78.3%를 차지하고 그 밖에 인공 조림된 리기다소나무, 낙엽송 등의 침엽 수림이 약 1.1% 분포하며 활엽수림 및 침활혼효림으 로 구성된 임분이 약 14.4%로 나타났으며 바다에 접 한 근덕면과 원덕읍 동쪽은 동해의 해안선을 따라 좁 은 대상으로 곰솔(Pinus thunbergii) 그림이 나타났으나 대부분 지역은 소나무림이 점유하고 있음을 알 수 있었다.13) 따라서, 임상별 대표 수종들 가운데 하나인 소나 무와 떡갈나무를 선정하고 각각 주요 부위별로 시료를 채취하여 콘칼로리미터 (Cone calorimeter)를 사용하여 각각의 시료들에 대한 부위별 착화시간, 총열방출량, 중량감소율, 화염유지시간, CO 및 CO2 배출농도 등에 대한 실험을 수행함으로써 소나무와 떡갈나무의 연소 특성을 고찰하였으며 콘칼로리미터 시험법 적용은 실제 산불발생 시의 연료의 위험성을 그대로 적용하기 위하여 균일하지 않은 재료의 연소특성을 유지하기 위하여 인위적으로 시편을 제작하지 않고 시료를 원형 그대로를 유지하여 사용하였다.
- 이와 같은 함수율에 따른 착화특성은 건조한 낙엽이 생엽과 비교하여 착화시간이 40s 빠르게 나타났으며 화염이 유지되는 시간은 875 s 더 지속되는 것으로 나타났다. 자연소화시간은 함수량이 높은 생엽이 낙엽보다 835 s 빠르게 소화되는 것으로 나타났으며 중량감소는 함수율이 높은 생엽이 중량감소가 큰 것으로 나타났다. 따라서, 함수율이 낮으면 착화시간이 빠르고 화염 유지 시간이 길어지며 그만큼 연소가 빠르게 진행되어 화재발생 시, 연소의 확대가 빠르게 진행되는) 반면 함수율이 높은 연료의 경우 착화가 늦고 화염 유지 시간이 짧게 나타나는 경향을 보이며 화염이 종료된 후에도 부위별 중량감소 현상이 나타났다.
- 이러한 결과는 연료의 함수율에 따른 조직형태와 두께에 따라 나타나는 결과라 사료된다. 착화 후 자연 소화되기까지의 화염유지시간을 살펴보면 Table 6에 제시한 바와 같이 낙엽 987 s, 수피 640 s, 가지 318 s, 생 엽 35 s인 것으로 나타남으로써 부위별로 많은 시간차이를 보였으며 건조한 낙엽이 가장 오랜 시간동안 화염을 유지하는 것으로 나타났다. 이와 같은 함수율에 따른 착화 특성은 소나무와 마찬가지로 건조한 낙엽이 생엽과 비교하여 착화시간이 50 s 빠르게 나타났으며 925 s 더 지속되는 것으로 나타났다.
- 부위별 착화시간은 복사열에 노출된 실험재료가 착화에 충분한 양의 가연성 증기를 발생시켰을 때 콘칼로리미터에 설치된 스파크 점화기의 불꽃에 의해 착화되어 10초 이상 불꽃연소를 지속하게 되는 시간을 말하며 Table 3에 제시한 바와 같이 낙엽 9 s, 수피 20 s, 생엽 49 s, 가지 350 s 순서로 부위별로 많은 시간 차이가 나타났으며 착화시 간은 낙엽 이 9서 가장 빠르게 나타났고 가지는 350 s 정도로 가장 늦게 착화되었다. 착화 후 자연소화 되기까지의 화염 유지시간은 재료가 복사열에 노출되면서 착화가 일어나는 시간과 착화가 종료될 때의 시간 즉 자연소화 될 때까지의 시간를 말하며 화염 유무를 육안으로 판단하여 분석시스템에 기록하여 확인하였으며 화염유지시간은 Table 3에 제시한 바와 같이 수피 1016 s, 낙엽 927 s, 가지 261 s, 생엽 52 s로서 부위별 시간차이가 크게 나타났으며 수피가 가장 오랜 시간 화염을 유지하는 것으로 나타났다. 이와 같은 함수율에 따른 착화특성은 건조한 낙엽이 생엽과 비교하여 착화시간이 40s 빠르게 나타났으며 화염이 유지되는 시간은 875 s 더 지속되는 것으로 나타났다.
- 부위별 착화 시간은 Table 6에 제시한 바와 같이 낙엽 9 s, 생엽 59 s, 수피 106 s, 가지 302 s 순서로 나타나 부위 별로 많은 시간차이를 보였으며 소나무와 마찬가지로 낙엽의 착화시간은 9 s 정도로 가장 빠르게 착화되었고 가지는 302 s 정도로 가장 늦게 착화되었다. 함수율이 높은 생엽은 낙엽에 비하여 착화가 늦고 화염 유지 시간이 짧게 나타나는 경향을 보이며 착화 전과 화염이 종료된 후에도 부위별 중량감소 현상이 나타났다. 이러한 결과는 연료의 함수율에 따른 조직형태와 두께에 따라 나타나는 결과라 사료된다.
- 1) 소나무와 떡갈나무의 부위별 열적특성 결과로는 소나무와 떡갈나무 모두 건조한 낙엽의 착화시간이 가장 빠르게 나타났고 가지의 착화시간이 가장 늦게 나 타남을 알 수 있었다. 화염 유지시간은 소나무와 떡갈 나무 모두 수피와 낙엽의 화염유지시간이 대체로 길게 나타남을 알 수 있었다. 총중량감소량은 함수율이 높은 생엽과 수피가 초기에 중량감소가 급격히 진행되었 으며 이는 연료가 두께와 굵기에 따른 조직이 열분해 에 의한 중량감소 보다 연료가 복사열에 노출되어 착 화가 시작되기 전과 화염이 종료된 후에도 수분에 의한 중량감소가 크게 작용하기 때문인 것으로 사료된다.
후속연구
- 13) 따라서, 임상별 대표 수종들 가운데 하나인 소나 무와 떡갈나무를 선정하고 각각 주요 부위별로 시료를 채취하여 콘칼로리미터 (Cone calorimeter)를 사용하여 각각의 시료들에 대한 부위별 착화시간, 총열방출량, 중량감소율, 화염유지시간, CO 및 CO2 배출농도 등에 대한 실험을 수행함으로써 소나무와 떡갈나무의 연소 특성을 고찰하였으며 콘칼로리미터 시험법 적용은 실제 산불발생 시의 연료의 위험성을 그대로 적용하기 위하여 균일하지 않은 재료의 연소특성을 유지하기 위하여 인위적으로 시편을 제작하지 않고 시료를 원형 그대로를 유지하여 사용하였다. 따라서, 본 연구에서 제시하는 연소특성 결과들은 실제 산불발생시 연료의 위험성을 잘 나타낼 수 있어 산불피해를 최소화시킬 수 있는 위험평가기준의 기초자료로 충분히 활용될 수 있을 것으로 사료된다
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