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안전기준을 만족하는 철도차량 내장재의 화재 열방출율 측정시험
A Fire Test Measuring the Heat Release Rate of Railway Car Interior Materials Satisfying the Korean Safety Guideline 원문보기

한국화재소방학회 논문지= Fire science and engineering, v.23 no.4, 2009년, pp.40 - 49  

박원희 (한국철도기술연구원 철도환경연구실) ,  이덕희 (한국철도기술연구원 철도환경연구실) ,  정우성 (한국철도기술연구원 철도환경연구실)

초록
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철도차량 내장재를 설치한 화재 시험 공간(ISO 9705)에서 대규모 화재시험이 수행되었다. 여기서 사용된 내장재는 2004년 12월에 공포된 철도차량에 대한 안전기준을 만족하는 내장재이다. 화원으로는 가스버너를 이용하였으며 가스버너의 출력은 시간에 따라 증가하도록 설정하였다. 본 시험의 목적은 철도차량 내장재의 화염전파와 발화에 대한 화재 성능 평가이며, 플레시오버로 성장하는 철도차량 내장재를 포함하는 화재에 대한 여러 데이터들의 확보이다. 이 데이터들은 철도차량 내장재의 화재 성장을 예측하는 모델을 검증하고 개발하는데 사용될 것이다.

Abstract ▼ AI-Helper 아이콘AI-Helper

A large-scale fire test was conducted for interior materials from a vehicle installed within a fire test room (ISO 9705). The interior materials are satisfying the Korean guideline for the safety of rail vehicles, where the guideline has taken effect since December 2004 in Korea. The output of ignit...

주제어

#Large-scale fire test   #Train Interior   #Heat release rate  

AI 본문요약
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제안 방법

  • 열전대와 측정하려는 벽면의 열전달을 극대화하여 벽면온도를 측정할 수 있게 하여주는 열전도율이 높은 점착제(Heat sink paste)로 벽면에 K 타입의 열전대를 부착하였다. Figure 6과 같이 벽면 내장재의 표면과 공간의 온도를 측정하였는데, 천장벽 온도 측정을 위해 3지점(CW-1, CW-2, CW-3)을 천장근처 공기의 온도를 위해서는 3지점(AC-1, AC-2, AC4)을 측정하였다. 우측에서는 3곳의 위치(RW-1, RW2, RW-4), 좌측에서는 5개의 위치(LW-1, LW-2, LW-3, LW-4, LW-5)에서 내장재의 표면온도를 측정하였다.
  • 우측에서는 3곳의 위치(RW-1, RW2, RW-4), 좌측에서는 5개의 위치(LW-1, LW-2, LW-3, LW-4, LW-5)에서 내장재의 표면온도를 측정하였다. 단부에서는 3개의 위치(EW-1, EW-2, EW-3)에서 내장재의 표면온도를 측정하였다. 시험공간 내에 2개의 열전대 트리를 설치하였는데 열전대 트리 1은 시험공간의 출구의 너비방향의 중간에 설치하였으며, 트리 2는 시험공간의 정중앙에 위치시켰다.
  • 실규모의 차량 화재시험 수행이 어려울 경우에 여기서 수행된 차량 일부분을 모사한 규모의 시험수행으로 화재발생 초기에서 전역화재가 발생되기 전까지의 화재양상을 모사할 수 있다. 또한 연소면적기반 열방출율 예측법을 이용한 결과와 시험결과와 비교하여 모델을 검증하였다. 본 시험에서 계측된 여러 위치에서의 온도 및 열방출율 등의 데이터는 철도차량 내장재의 화재 성장을 예측하는 모델을 검증하고 개발하는데 사용될 것이다.
  • 화재전파양상을 캠코더를 이용하여 화면 취득하였을 뿐만 아니라 화재 철도차량 내부공간 및 벽의 여러 온도를 측정하였다. 또한 열유속계 등을 이용하여 차량 바닥에서의 총열유속을 측정하였다. Figure 11은 철도차량 내장재의 화재시 시간에 따른 열방출율이다.
  • 화재발생시 취약한 철도차량의 단부에 버너를 설치하였다. 시간에 따라 단계별로 프로판의 질량유량이 설정된 버너를 화원으로 이용하였으며, 철도차량의 내장재가 설치된 내부공간에서의 화염 전파 및 성장 현상을 관찰 및 측정하였다. 본 논문에서 제시된 측정 결과는 국내의 안전기준을만족하는 철도차량의 내장재의 화재성능을 종합적으로 검토하는 작업과 철도차량의 화재 모델의 검증 데이터로 활용될 수 있다.
  • Figures 7~10은 시험 시작후 10초, 2분 10초, 10분 11초, 11분 30초, 12분, 13분 후의 화재시험 상황을 보여주고 있다. 시험 시작후 13분 5초 후에 내장재 전역에 화염이 전파되는 플레쉬오버(Fash-over)현상을 보였기 때문에 측정시스템의 보호를 위하여 시험시설 내부에 장착한 스프링클러를 작동시켜 화재를 소화시켰다. 시험 중 시간에 따라 관찰한 내용은 Table 2와 같다.
  • 한 개는 시험공간의 중간에서 화원을 바라보도록 설치하였으며, 나머지 한 개는 시험공간 중간에서 천장을 바라보도록 설치하였다. 시험중에 열방출율, 일산화탄소 및 이산화탄소 생성량을 연속적으로 측정하였다. 산소 측정기는 Sybron Servomex 타입의 OA570A(Paramagnetic susceptibility)이며, 이산화탄소 및 일산화탄소 분석기의 모델명은 Model; PIR-2000(Horiba Ltd.
  • Figure 6과 같이 벽면 내장재의 표면과 공간의 온도를 측정하였는데, 천장벽 온도 측정을 위해 3지점(CW-1, CW-2, CW-3)을 천장근처 공기의 온도를 위해서는 3지점(AC-1, AC-2, AC4)을 측정하였다. 우측에서는 3곳의 위치(RW-1, RW2, RW-4), 좌측에서는 5개의 위치(LW-1, LW-2, LW-3, LW-4, LW-5)에서 내장재의 표면온도를 측정하였다. 단부에서는 3개의 위치(EW-1, EW-2, EW-3)에서 내장재의 표면온도를 측정하였다.
  • 철도차량 중 화재에 취약할 수 있는 단부영역을 ISO 9705 규격의 시험공간 안에 모사하였다. 화원으로는 해당규격의 표준버너를 이용하여 CEN/ TS 45545-17)규격의 화원 중 가장 큰 규모로 선정 및 보완하여 사용하였다.
  • 철도차량 중 화재에 취약할 수 있는 단부영역을 ISO 9705 규격의 시험공간 안에 모사하였다. 화원으로는 해당규격의 표준버너를 이용하여 CEN/ TS 45545-17)규격의 화원 중 가장 큰 규모로 선정 및 보완하여 사용하였다. 실규모의 차량 화재시험 수행이 어려울 경우에 여기서 수행된 차량 일부분을 모사한 규모의 시험수행으로 화재발생 초기에서 전역화재가 발생되기 전까지의 화재양상을 모사할 수 있다.
  • 화재전파양상을 캠코더를 이용하여 화면 취득하였을 뿐만 아니라 화재 철도차량 내부공간 및 벽의 여러 온도를 측정하였다. 또한 열유속계 등을 이용하여 차량 바닥에서의 총열유속을 측정하였다.

대상 데이터

  • 트리 1은 7개의 열전대를 포함하며 각 위치는 출구 상부벽으로부터 0, 200, 400, 600, 800, 1200, 1300mm이며, 트리 2의 열전대 개수는 10개이며, 각 위치는 천장에서부터 10, 100, 200, 400, 600, 800, 1000, 1200, 1400, 1600mm이다. 복사열유속과 대류열유속의 합인 총괄열유속(Total heat flux)을 측정하기 위하여 2개의 Gardon형의 수냉식 총괄열유속계를 사용하였으며, 측정범위는 0~100kW/m2이다. 한 개는 시험공간의 중간에서 화원을 바라보도록 설치하였으며, 나머지 한 개는 시험공간 중간에서 천장을 바라보도록 설치하였다.
  • 본 설비는 룸구조의 공간내에서 대형규모의 물질이나 구조에 진행되는 화재거동을 평가하기 위하여 설계된 시험 설비로 개략도는 Figure 1과 같다. 본 시험에 사용된 설비가 기존의 룸코너 시험장치의 룸과 구별되는 점은 시험공간에서 발생한 연소가스가 나가게 되는 문의 너비를 0.8m에서 1.6m로 확장한 점이다.
  • 본 시험에 사용된 설비는 ISO9705 표준규격6)을 따르며 호주연방과학산업연구기구(Common-wealth Scientific and Industrial Research Organisation, CSIRO)의 멜번 Highett 분원에 설치되어 있다. 화재크기(열방출율, Heat release rate) 연기발생률, 산소소비량, 일산화탄소 및 이산화탄소 생성량 등이 본 시험 설비의 주요 측정량이다.
  • 본 시험에서는 ISO 9705 ANNEX A에서 참조된 발화화원 규격을 사용하였는데, 이 화원은 170mm 정사각형 모래버너이며 연료로는 프로판을 사용한다. 이 버너는 프로판의 유량을 조절함으로 열방출을 제어할 수 있는데 그 동작 범위는 0~450kW이다.
  • 본 시험에서는 철도차량의 단부를 포함한 영역을 모사한 시험공간에 국내의 신규 기준에 부합하는 내장재를 장착하였다. 화재발생시 취약한 철도차량의 단부에 버너를 설치하였다.
  • 천장을 제외한 측벽, 단부벽은 모두 페놀 GRP(glass reinforced polymer)로 이루어졌다. 천장은 에폭시로 고정한 알루미늄 하니컴으로 이루어진 샌드위치 판넬이다. 일반적으로 지하철 차량 내부공간의 너비는 2.

이론/모형

  • 시험중에 열방출율, 일산화탄소 및 이산화탄소 생성량을 연속적으로 측정하였다. 산소 측정기는 Sybron Servomex 타입의 OA570A(Paramagnetic susceptibility)이며, 이산화탄소 및 일산화탄소 분석기의 모델명은 Model; PIR-2000(Horiba Ltd.)이다.
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질의응답

핵심어 질문 논문에서 추출한 답변
대구지하철화재사고 이후로 고시된 규칙에는 무엇이 있나? 대구지하철화재사고 이후로 철도차량의 화재안전성능의 확보를 위하여 철도차량 내장재의 화재성능을 요구하는 『도시철도차량 안전기준에 관한 규칙』1)과『철도차량 안전기준에 관한 규칙』2)이 고시되었다. 이런 기준들에서 철도차량 내부를 구성하는 내장재의 화재성능을 규제하고 있는데 시편수준의 실험실규모(Labscale) 시험을 통하여 화재성능을 판단하며, 이러한 시편수준의 시험으로 재료의 화재안전 관련 기초적인 적합성을 판단할 수 있지만, 실제 대규모(Large-scale) 에서의 화재 안전도를 판단하기 위한 화재전파 및 화재성장 등의 현상을 구현하기는 쉽지 않다.
국내규정에 만족하는 시험에서 사용된 내장재는 무엇인가? Table 1에서는 시험에서 사용된 내장재에 대한 설명을 하고 있으며 이들 모두가 국내규정1,2)을 만족하는 재료이다. 천장을 제외한 측벽, 단부벽은 모두 페놀 GRP(glass reinforced polymer)로 이루어졌다. 천장은 에폭시로 고정한 알루미늄 하니컴으로 이루어진 샌드위치 판넬이다. 일반적으로 지하철 차량 내부공간의 너비는 2.
대규모의 철도차량의 화재안전성을 평가할 수 있는 시험설비가 없어 대체되는 형식은 무엇인가? 이러한 이유에서 시편수준의 시험보다는 대규모 화재시험을 통한 화재안전도를 평가하는 것이 타당하다. 현재 국내에는 대규모의 철도차량의 화재안전성을 평가할 수 있는 시험설비가 마련되어 있지 않아 개조차량의 화재안전성 평가는 축소 Mock-up 차량에 대한 이벤트 형식의 방화시험으로 대체되고 있다. 실제 철도차량 전체를 이용한 열방출율의 측정이 쉽지 않으므로 이를 위하여 수치해석이 수행된바 있으며,3) 최근 호주에서 철도차량 내장재를 이용한 대규모의 화재시험이 수행된 바 있다.
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참고문헌 (10)

  1. 국토해양부, '도시철도 차량 안전기준에 관한 규칙' (2004) 

  2. 국토해양부, '철도차량 안전기준에 관한 지침'(2008) 

  3. Boon Hui Chiam, 'Numerical Simulation of a Metro Train Fire', Thesis, University of Canterbury (2005) 

  4. 박원희, Nathan White, Alex Webb, '호주 철도차량내장재 화재시험 소개', 대한기계학회 춘계학술대회초록집(2008) 

  5. Nathan White, Won-Hee Park and Alex Webb, 'Interior Fire Test for a Railway Passenger Coach', Ninth International Symposium on Fire Safety Science, Karlsruhe, Germany(2008) 

  6. 'ISO 9705 Fire Tests - Full-scale Room Tests for Surface Products'(1996) 

  7. CEN/TS 45545-1: Railway Applications - Fire Protection on Railway Vehicles - Part 1: General, (2009) 

  8. D.-H. Lee, W.-H. Park, W.-S. Jung, N. White, A. Webb and J.-H. Hwang, 'Two Cases of Interior Fire Tests within ISO 9705 for Railway Passenger Coach', 11th Fire & Materials 2009, Fisherman's Wharf, San francisco, USA, 26-28 January(2009) 

  9. ISO 5660-1, Reaction-to-fire Tests - Heat Release, Smoke Production, Mass Loss Rate - Part 1: Heat Release Rate (Cone Calorimeter Method) 

  10. Duggan, Gary. J. Usage of ISO 5660 Data in UK Railway Standards and Fire Safety Cases. Fire Hazards, Testing, Materials and Products, Rapra Technology Limited, Shawbury, UK(1997) 

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