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문제 정의
- ISO 9705 시험을 통해서 국내에서 사용되고 있는 스티로폼, 우레탄폼, 난연 스티로폼, 난연 우레탄폼, 그라스울 샌드위치 패널에 대해 화재 특성을 파악해 보았다.
제안 방법
- 4) Table 2에는 샌드위치패널의 종류를 나타내고 있으며, 본 연구에서는 단열재로 사용되는 심재에 종류에 따른 열방출률, 플래쉬 오버 발생 유·무 판단하고자 실물화재실험을 실시하였다.
- Figure 6에서는 시험실 내부에서 측정되는 온도의 측정 위치를 나타내고 있다. ISO 9705 시험에서 제시하고 있는 높이 기준에 따라 총 7개의 열전대가 시험실 입구에 위치하여 시험동안에 시험실 내부의 온도를 측정하였다. 총 5개의 시험체 중에서 플래시오버가 발생한 스티로폼, 우레탄폼 샌드위치 패널의 온도는 Figure 7, 8에 제시하고 있다.
- 국외에서는 이러한 중·대형 화재시험 방법을 활용하여 샌드위치 패널을 포함한 건축용 복합패널의 화재안전성능을 제시하고 있다. 따라서 본 연구에서는 현재 국내에서 사용되고 있는 샌드위치 패널 중 스티로폼, 난연 스티로폼, 우레탄폼, 난연 우레탄폼, 그라스울 샌드위치 패널을 국제 화재 시험 규격인 ISO 9705 시험(full-scale room test)을 실시하여 열방출률, 열유량 그리고 단위 시험실 입구에서 측정되는 온도분포를 바탕으로 EN 13501-1 및 Eurefic Research Program(ERP)에서 제시하고 있는 성능분류기준에 적용하여 샌드위치 패널의 화재특성을 파악하였다. 또한 샌드위치 패널의 화재 시험에 의해 발생되는 일산화탄소와 이산화탄소를 측정하여 심재에 따른 발생량을 비교·분석하였다.
- 또한 샌드위치 패널의 화재 시험에 의해 발생되는 일산화탄소와 이산화탄소를 측정하여 심재에 따른 발생량을 비교·분석하였다.
- 시험시작 2분 후 총 20분 동안 100kW에서 300kW로 열원을 증가시키며 열방출률, 연기발생량, 화염전파 속도, 플래시오버 유·무 판단과 단위 시험실 출구에서의 온도를 측정한다.
성능/효과
- (1) 시험 결과 스티로폼 샌드위치 패널은 천장부가 붕괴되고 우레탄폼 샌드위치 패널은 급격한 화염 확대로 인해 최대 열방출률이 약 1150kW로 나타내어 플래시오버로 판단하였다. 난연 스티로폼과 난연 우레탄은 최대 열방출률이 약 914kW, 706.
- (2) EN 13501-1과 ERP에서 제시하고 있는 샌드위치패널의 등급분류를 통하여 시험결과를 분석한 결과 스티로폼과 우레탄폼 샌드위치 패널은 E class, 난연 스티로폼과 난연 우레탄폼 샌드위치 패널은 B class, 그라스울 샌드위치 패널은 A class로 나타내었다.
- (3) 시험실 상층부에서의 온도 변화는 플래시오버가 발생한 스티로폼, 우레탄폼 샌드위치 패널에서 최대 약 558.1℃, 730.9℃를 나타내었으며, 인체에 유독한 일산화탄소의 경우는 우레탄에서 임계시점인 900ppm을 초과하는 최대 약 1661.3ppm으로 나타났다.
- (4) 시험 결과를 바탕으로 적용한 등급분류는 다수의 반복적인 시험을 통해 성능분류가 좀 더 객관적으로 이루어져야 하지만, 현재 소형 시편에 의한 샌드위치 패널의 화재 특성 시험에서 확인할 수 없는 천장부의 붕괴, 급속한 화염의 확대 등을 확인할 수 있었다. 향후 국외에서 사용하고 있는 등급분류의 검토에 따라 좀 더 많은 실규모의 화재를 바탕으로 국내 실정에 맞는 등급분류가 필요하다고 판단된다.
- 6) 시험 시에 발생되는 가스는 외부로의 유출이 없이 전부 덕트로 유입이 되며, 이를 위해 덕트 내부의 풍량을 3.5m3/s 이상으로 유지한다. 산소 1kg이 소모될 때 13.
- 일산화탄소는 900ppm 정도에서 사람이 의식을 잃게 되는 임계수준으로 파악하고 있다.9) 이에 우레탄폼 샌드위치 패널은 화재 발생하였을 경우 상당히 큰 인명피해가 발생할 수 있으며, 난연 스티로폼, 난연 우레탄폼 샌드위치 패널도 임계수준까지 도달하지는 않았지만 높은 일산화탄소 발생량을 보여주고 있다.
- 2ppm이 측정되었다. 난연 스티로폼, 난연 우레탄폼 샌드위치 패널에서는 이산화탄소 발생량은 최대 약 0.81%, 0.789%, 일산화탄소 발생량은 최대 약 664.6ppm, 594.1ppm으로 측정되었다. 일산화탄소는 900ppm 정도에서 사람이 의식을 잃게 되는 임계수준으로 파악하고 있다.
- 8kW/m2로 나타났다. 난연 스티로폼과 난연 우레탄에서는 플래시오버가 발생하지 않았지만, 난연 스티로폼에서 비교적 높은 열방율출인 최대 약 914kW, 바닥 열류량 최대 약 12.4kW/m2로 나타났다.
- 난연 스티로폼과 난연 우레탄폼 샌드위치 패널은 플래시오버가 발생되지는 않았지만, 시험 종료 후 난연스티로폼 샌드위치 패널은 천장부가 붕괴되었고 난연 우레탄폼 샌드위치 패널은 천장부의 처짐 현상이 발생하였다. 두 시험체 모두 모서리 부분에서 시작된 내부 심재의 연소반응이 천장부로 확대되는 것을 확인할 수 있었다.
- 난연 스티로폼과 난연 우레탄폼 샌드위치 패널은 플래시오버가 발생되지는 않았지만, 시험 종료 후 난연스티로폼 샌드위치 패널은 천장부가 붕괴되었고 난연 우레탄폼 샌드위치 패널은 천장부의 처짐 현상이 발생하였다. 두 시험체 모두 모서리 부분에서 시작된 내부 심재의 연소반응이 천장부로 확대되는 것을 확인할 수 있었다. 그라스울 샌드위치 패널은 모서리 부분 이외에서는 연소 확대가 발생되지 않았다.
- Table 3에서는 시험 결과에 따른 샌드위치 패널의 최대 열방출률과 최대 열유량을 나타내고 있다. 스티로폼 샌드위치 패널은 시험 중에 구조체 자립도 문제 등에 의해 조기에 시험을 종료하여 낮은 열방출률이 나타났지만, 바닥 열유량은 최대 약 32.2kW/m2로 높게 나타났다. 우레탄은 버너의 열량이 300kW로 증가되면서 열방출률이 최대 약 1150kW로 나타났고, 바닥 열유량 또한 최대 약 26.
- 3ppm을 나타내었다. 스티로폼 샌드위치 패널의 경우는 시험을 조기에 종료하여 정확한 유독가스 발생량을 파악할 수 없지만, 시험 종료 시까지 이산화탄소는 최대 약 0.3%, 일산화탄소는 최대 약 353.2ppm이 측정되었다. 난연 스티로폼, 난연 우레탄폼 샌드위치 패널에서는 이산화탄소 발생량은 최대 약 0.
- Figure 5에서는 샌드위치 패널의 단위 구획실 내부에서의 열유량을 나타내고 있다. 스티로폼 샌드위치 패널의 화염 확대로 인해 열유량의 급속한 증가와 우레탄폼 샌드위치 패널의 플래시오버 시점에서의 급속한 열유량 증가를 확인할 수 있다.
- 스티로폼, 우레탄폼 샌드위치 패널에서의 최대 온도는 시험의 조기 종료 시에 channel 7에서 약 558.1℃, 730.9℃로 나타났다. 두 샌드위치 패널 모두 시험실 내부에서 NFPA 286에서 제시하는 플래시오버 기준인 600℃8)에 근접하거나 그 이상으로 나타나고 있으며, 스티로폼 샌드위치 패널은 시험의 조기 종료의 영향으로 낮게 나타난 것으로 판단된다.
- 그라스울 샌드위치 패널은 심재의 특성에 의해서 연소가 진행되지 않았으며 등급분류에서 A class로 나타났다. 시험을 통해 나타난 샌드위치의 심재별 화재특성은 다수의 반복적 시험을 통해 성능분류가 좀 더 객관적으로 이루어져야 하지만, 실규모의 화재 시험을 통해 KS F ISO 5660-1 등의 소규모 시험 등에서 확인할 수 없는 플래시오버, 구조체의 붕괴 등을 확인할 수 있었다.
- 2kW/m2로 높게 나타났다. 우레탄은 버너의 열량이 300kW로 증가되면서 열방출률이 최대 약 1150kW로 나타났고, 바닥 열유량 또한 최대 약 26.8kW/m2로 나타났다. 난연 스티로폼과 난연 우레탄에서는 플래시오버가 발생하지 않았지만, 난연 스티로폼에서 비교적 높은 열방율출인 최대 약 914kW, 바닥 열류량 최대 약 12.
- 시험실 내부에서 발생되는 이산화탄소와 일산화탄소를 측정하여 Figure 9, 10에 제시하였다. 우레탄폼 샌드위치 패널에서는 다른 샌드위치 패널에 비해 높은 발생량을 나타내었으며, 이산화탄소는 최대 약 1.2%, 일산화탄소는 최대 약 1661.3ppm을 나타내었다. 스티로폼 샌드위치 패널의 경우는 시험을 조기에 종료하여 정확한 유독가스 발생량을 파악할 수 없지만, 시험 종료 시까지 이산화탄소는 최대 약 0.
- 우레탄폼 샌드위치 패널의 경우는 시험 초기에는 다른 난연 샌드위치 패널들과 유사하게 진행되었지만, 버너의 열량이 100kW에서 300kW로 증가되는 시점에서 화염이 급격히 확대되면서 최대 열방출률이 1000kW 이상으로 나타났다. 화염의 급속한 확대로 인해 시험을 조기에 종료하였다.
- 플래시오버는 NFPA 286에서 제시하고 있는 열방출률이 1MW 이상일 때와 단위 구획실 내에서 바닥 열유량이 20kW/m2이상으로 증가하는 시점으로 판단하였다.8)
후속연구
- 일반적으로 심재의 밀도는 Table 2에 제시하고 있는 범위에서 선택하였으며, 두께는 75mm로 결정하였다. 심재의 종류에 따른 실규모의 화재 실험을 실시하여 시편 단위에 시험에서는 판단할 수 없는 플래쉬 오버, 급속한 화염 확대를 파악하며, 향후 연구 등에서는 심재 종류에 더 나아가 특성에 따른 연구를 진행하고자 한다.
- (4) 시험 결과를 바탕으로 적용한 등급분류는 다수의 반복적인 시험을 통해 성능분류가 좀 더 객관적으로 이루어져야 하지만, 현재 소형 시편에 의한 샌드위치 패널의 화재 특성 시험에서 확인할 수 없는 천장부의 붕괴, 급속한 화염의 확대 등을 확인할 수 있었다. 향후 국외에서 사용하고 있는 등급분류의 검토에 따라 좀 더 많은 실규모의 화재를 바탕으로 국내 실정에 맞는 등급분류가 필요하다고 판단된다.
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