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문제 정의
- 본 연구에서는 화재위험성 평가 및 소방설계를 위한 내외장용 건자재의 연소특성에 대한 기초자료를 제공하고자, 대기 중의 산소농도 조건에서 콘칼로리미터를 이용하여 자연 건조된 굴참나무와 느티나무 목재의 열방출율 및 연기발생 관련 지수가 고찰되었다.
- Quintiere와 Spearpoint는 연소속도 Data를 이용한 수학적 적분모델과 시간온도 곡선을 이용하여 탄화율과 탄화길이를 측정하였다[15,16]. 이 연구는 발연 착화에 대하여 최소 열유속에 대한 정보를 제공한다. 박형주 등은 cone heater를 이용하여 각기 다른 일정한 복사열원에 노출된 목재의 탄화속도 측정하고, 노출된 목재의 탄화는 시간의 선형함수로 간주될 수 있다고 보고하였다[17].
제안 방법
- Boonme와 Quintiere는 콘칼로리미터를 이용하여 목재가 복사열유속에 노출될 때 목재의 백열과 붗꽃착화를 연구했다. 즉, 40 kW/m2 미만의 열유속(heat flux)하에서 백열을 관찰하였고, 40 kW/m2 초과의 열유속하에서 불꽃연소를 관찰하였다.
- Mikkola는 상록교목(spruce)에 대하여 50 kW/m2의 열유속하에서 탄화속도를 측정하였다[14]. Quintiere와 Spearpoint는 연소속도 Data를 이용한 수학적 적분모델과 시간온도 곡선을 이용하여 탄화율과 탄화길이를 측정하였다[15,16]. 이 연구는 발연 착화에 대하여 최소 열유속에 대한 정보를 제공한다.
- 본 연구에서 선정된 시험목은 콘칼로리미터에 수평으로 설치하고 외부 점화장치를 부착한 상태로 50 kW/m2 외부 열유속에 수십분 동안 노출시켜 착화되는 시간과 착화된 시료로부터 열방출율 및 연기관련 지수를 구하였다.
- 설정한 외부 열유속에 노출된 시편이 착화되어 연소될 때의 열방출 율은 연소 생성물 흐름 속의 산소 농도와 유속으로부터 유도된 산소 소비량을 측정하여 평가하였다. 연소시험은 지속적인 불꽃 연소가 시작된 때부터 30 min 경과 후에 종료하였으며, 추가로 2 min간의 데이터 수집시간을 부여하였다.
- 연소특성을 측정하기 위해 사용한 시료의 크기는 100 mm × 100 mm × 10 mm (⍛2 mm)의 규격으로 제작하였으며, 시험조건은 습도 50%, 온도 23 ℃ 조건을 유지하였다.
- Boonme와 Quintiere는 콘칼로리미터를 이용하여 목재가 복사열유속에 노출될 때 목재의 백열과 붗꽃착화를 연구했다. 즉, 40 kW/m2 미만의 열유속(heat flux)하에서 백열을 관찰하였고, 40 kW/m2 초과의 열유속하에서 불꽃연소를 관찰하였다. 그리고 10 kW/m2 열유속하의 노출로부터 2 h의 이내의 시간에서 백열착화의 발생을 보고하였다[1,13].
대상 데이터
- 시험목은 리기다 소나무로서 경기도 용인소재 지역 농가에서 직접 얻었다. 이들 시험목은 베어 놓은 후 3.
- 연소특성을 측정하기 위해 사용한 시료의 크기는 100 mm × 100 mm × 10 mm (⍛2 mm)의 규격으로 제작하였으며, 시험조건은 습도 50%, 온도 23 ℃ 조건을 유지하였다. 시험편은 단열재인 저밀도 유리섬유를 이용하여 높이를 조절하였으며, 시편 홀더로의 열손실을 감소시키기 위하여 전도도가 낮은 고밀도 세라믹판 재료로 절연시켰다. 시편홀더는 수평방향으로 위치시켰다.
이론/모형
- 시편홀더는 수평방향으로 위치시켰다. 연소특성은 ISO 5660-1 시험방법으로 수행하였으며 시편의 체적밀도는 시험하기 전에 부피와 무게를 측정하여 계산하였다.
- 자연 건조된 굴참나무와 느티나무 종에 대하여 화재위험성 평가 및 소방설계를 위한 연소특성에 대한 기초자료를 제공하기 위하여 열방출율과 연기발생 관련 지수를 콘칼로리미터(ISO 5660-1)를 이용하여 측정하였다.
- 5 yr 동안 자연건조 시켰다. 화재시험은 ISO 5660-1의 방법에 의해 열유속 50 kW/m2 조건에서 수행하였다[19]. 연소특성을 측정하기 위해 사용한 시료의 크기는 100 mm × 100 mm × 10 mm (⍛2 mm)의 규격으로 제작하였으며, 시험조건은 습도 50%, 온도 23 ℃ 조건을 유지하였다.
성능/효과
- 1) 굴참나무의 THR (140.2 MJ/m2)은 느티나무(85.7 MJ/m2)와 비교하여 높은 총방출열량 나타내었다. 또한 굴참나무의 EHC (14.
- 2) CO/CO2비는 굴참나무, 0.053과 느티나무, 0.043이고, 시간에 따른 CO 발생속도는 굴참나무가 느티나무보다 대체적으로 높았다. 이것은 굴참나무의 빠른 비질량손실율 때문으로 판단되며, 이것은 느티나무가 굴참나무보다 인체에 대한 유해성이 비교적 약하게 영향을 미칠 수 있음을 의미한다.
- 3) TSP는 굴참나무(3.50 m2)가 느티나무(0.65 m2)에 비하여 높게 측정되었다. 또 초기에 시간에 따른 SPR은 굴참나무가 느티나무에 비하여 현저하게 높게 나타났다.
- 4) 따라서 본 실험을 통하여 느티나무는 굴참나무보다 내외장용 건자재로서 비교적 우수한 화재 안전성이 있음을 보였다.
- 보다 크게 나타났다. 굴참나무가 느티나무보다 치밀한 조직을 가지고 있음을 의미하며 수분함량은 굴참나무가 12.14%, 느티나무가 16.34%를 보유하고 있는 것으로 나타났다.
- 비소화면적은 연기방출율(rate of smoke release, RSR)을 비질량손실율(SLMR)로 나눈 것으로 연기관련 지수로 많이 연구되고 있다. 굴참나무의 SEAmeann (41.11 m2/kg)은 느티나무(9.23 m2/kg)보다 현저히 높게 나타났다(Table 2). 그것은 굴참나무가 대부분의 연소 단계에서 비교적 빠른 속도로 연소되고 연소와 더불어 그의 큰 밀도 차이 때문으로 판단된다.
- 또 초기에 시간에 따른 SPR은 굴참나무가 느티나무에 비하여 현저하게 높게 나타났다. 그것은 느티나무가 굴참나무에 비하여 낮은 체적밀도 및 연소공정 중에 굴참나무에 비하여 많은 양의 숯을 생성하여 연소를 억제하는 저발연성 수종으로 판단되며, 화재 시에 굴참나무는 느티나무에 비하여 가시거리가 짧아지는 것으로 판단되었다.
- 2 g/sm2였다. 그러나 연소하는 동안 초기의 SMLR에 대해서는 현저한 차이가 있었으며, 시간이 경과함에 따라 굴참나무는 450 s 이후 비질량손실율이 매우 약한 정도로 유지되나, 느티나무는 500 s 이후 끝까지 분명하게 유지되는 것을 볼 수 있었다. 이것은 느티나무의 연소 시 숯생성으로 인한 단열효과로 설명될 수 있다[10].
- 그것은 굴참나무가 대부분의 연소 단계에서 비교적 빠른 속도로 연소되고 연소와 더불어 그의 큰 밀도 차이 때문으로 판단된다. 또한 느티나무의 SEAmeann이 굴참나무 보다 상대적으로 적은 것은 느티나무가 난연효과의 존재와 더불어 저발연성 수종임을 알 수 있었다. 따라서 내외장재로 사용된 굴참나무는 느티나무보다 가시 거리가 짧으므로 화재시에 화재위험성이 더 큰 목재로 판단된다.
- 발생속도를 나타내었다. 시간이 경과함에 따라 굴참나무는 약 500 s에서 CO2 발생이 급격히 둔화되었고, 느티나무는 이보다 긴 약 650 s 부근에서 CO2 발생이 급격히 낮아졌다. 또 굴참나무는 383 s에서 CO2 발생속도가 최대로 나타났고, 느티나무는 500 s에서 최대의 CO2 발생속도를 나타내었다.
- 연소 중 각 수종의 잔여물들이 완전히 다르나, 시험편에 대한 지속적인 불꽃 연소가 시작된 때부터 30 min 경과 후(ISO 5660-1의 표준) 시험 종료 후의 잔여물은 거의 연소하여 굴참나무는 회백색의 재로, 느티나무는 진한 갈색으로 관찰되었다(Figure 4).
- HRR은 식 (3)에 나타낸 바와 같이 비질량손실율(SMLR)과 유효연소열(Δhc)의 곱으로 표현된다. 외부 열원 50 kW/m2에서 시험된 수종의 단위 면적당 최대열방출율(peak heat release rate per unit area, HRRpeak)은 굴참나무(432.07 kW/m2)가 밤나무(208.62 kW/m2)와 비교하여 매우 강한 거동을 나타내었다(Table 2 및 Figure 2). 유사한 예로 HRR의 시간에 대한 적분값인 총방출열량(total heat release, THR)은 굴참나무(140.
- 043으로 측정되었다. 위의 결과로 느티나무는 굴참나무에 비하여 인체에 대한 유해성이 비교적 약하게 영향을 미칠 수 있음을 의미한다.
- 즉, 체적밀도가 큰 굴참나무는 Table 2에 나타낸 SMLR 값을 식 (3)에 대입하면 HRR 값이 느티나무의 그것보다 크게 계산되어진다. 이론식과 실험결과의 경향과 방향성이 잘 일치하며, 이 결과로 굴참나무는 화재 시에 느티나무보다 더 큰 화재위험성을 내포하고 있는 것으로 판단된다.
- 그러나 Figure 6은 콘칼로리미터에서 시간에 따른 CO 발생속도는 차별성을 나타내었다. 즉, 굴참나무에 의해 방출된 CO의 발생속도는 느티나무의 그것보다 대체적으로 높게 나타났다. 이것은 전술한 굴참나무의 빠른 질량손실 속도 및 큰 체적밀도에 기인한 것으로 판단된다.
- 총연기방출량(total smoke production, TSP)은 굴참나무와 느티나무가 각각 3.50 m2, 0.65 m2였다(Table 2). 이들 값의 차이는 시험 수종의 체적밀도 차이로 설명될 수 있다.
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