[논문]서점의 적재가연물의 연소특성에 관한 실험적 연구

남동군

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Experimental Study on Combustion Characteristics of Live Fire Load in a Bookstore 원문보기

한국화재소방학회 논문지= Fire science and engineering, v.25 no.5, 2011년, pp.47 - 53

초록
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건축물 적재가연물은 종류 및 양 등의 특성에 따라 화재지속시간과 화재규모 등에 크게 기여한다. 서점은 다른 건축용도보다 가연물이 다량 적재되어 있으므로 화재발생시 화재위험성이 클 가능성이 있다. 그러나 한편으로는 서점 내부의 서적은 연소하면 탄화층이 형성되고 적재가연물량에 비해 노출표면적이 작기 때문에 화재시 열분해가스의 생성이 작을 가능성도 있다. 이러한 가능성을 다양한 실험을 통해 파악하여 서점의 화재안전설계에 합리적으로 반영할 필요가 있다. 따라서 본 연구에서는 서점의 성능위주설계에 활용하기 위하여 적재가연물을 재현한 시험체를 가열로에 넣고 ISO834-1:1999 표준가열곡선에 따라 가열하는 일련의 실험을 실행하였다. 이 실험 결과를 바탕으로 서점의 적재가연물의 연소발열성상을 파악하고 성능위주설계에 필요한 연소속도 및 열방출률 등을 제시하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

Fire load in buildings greatly contribute to the time and scale of fire according to the type and quantity of the fire load. Because bookstores have a large quantity of fire load compared with other buildings which may lead to large scale fires, however, their heat release characteristics have been hardly investigated. In this study, to obtain the data applicable for the performance-based fire safety design of bookstores, the specimens representing stacked fire loads were heated in a furnace in compliance with the standard heating curve of ISO834-1:1999 to investigate their heat release characteristics. From the experiment result, the combustion velocity and heat release rate required for performancebased fire safety designs are obtained.

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문제 정의

기존 연구에서는 서점의 피난안전설계의 활용을 염두에 두고 가연물을 대상으로 소규모 화원으로 가열하는 연소실험을 실행하여 보고하였다.⁷⁾ 가스버너를 이용한 기존 실험에서는 서가와 서적의 연소특성이 다른 가연물과는 다른 특징이 발견되었다.
따라서, 본 연구에서는 서점의 적재가연물을 대상으로 특수한 연소특성을 파악하고 서점의 성능위주 내화 설계의 활용을 염두에 두고 가열로를 이용한 연소실험을 실행하였다. 연소실험에서는 ISO834-1:19998) 표준가열곡선으로 적재가연물을 가열하여 연소성상과 연소량 등을 파악하였다.
일반적인 구획화재에서는 화재최성기의 연소속도가 자연환기에 의한 산소공급량에 지배받는다고 생각되는 경우가 많지만^,9,10) 서점과 같이 적재가연물의 질량에 비해 노출표면적이 작으면 분해가스의 생성속도가 가연물의 표면적에 지배되기 때문에 연소속도는 환기에 직접적으로 지배되지 않을 가능성이 있다. 따라서 본장에서는 3장의 실험결과에 근거하여 서점의 적재가연물의 연소속도를 검토한다. 적재가연물의 연소속도를 산정할 수 있다면 화재지속시간은 적재가연물량을 연 소속도로 나눔으로써 예측할 수 있게 된다.
본 논문에서는 서점의 적재가연물의 연소특성을 파악하기 위해 서적을 수납한 서가를 가열로 내부에 넣고 ISO834-1:1999 표준가열곡선에 따라 가열하는 연소실험을 행하여 다음과 같은 결과를 얻었다.

제안 방법

따라서, 본 연구에서는 서점의 적재가연물을 대상으로 특수한 연소특성을 파악하고 서점의 성능위주 내화 설계의 활용을 염두에 두고 가열로를 이용한 연소실험을 실행하였다. 연소실험에서는 ISO834-1:19998) 표준가열곡선으로 적재가연물을 가열하여 연소성상과 연소량 등을 파악하였다.
서가와 수납서적의 연소성상을 파악하기 위하여 서적과 서가의 일부분을 재현한 시험체를 제작하여 내화가열실험을 실행하였다. 시험체인 서가는 목재와 철재로 3개씩 제작하고, 가열로 내부에서 ISO834-1:1999 표준가열곡선에 따라 가열하고 가열시간에 따른 시험체의 잔존량을 측정하였다(Figure 1 참조).
서가와 수납서적의 연소성상을 파악하기 위하여 서적과 서가의 일부분을 재현한 시험체를 제작하여 내화가열실험을 실행하였다. 시험체인 서가는 목재와 철재로 3개씩 제작하고, 가열로 내부에서 ISO834-1:1999 표준가열곡선에 따라 가열하고 가열시간에 따른 시험체의 잔존량을 측정하였다(Figure 1 참조). 이 측정결과를 토대로 가열시간과 연소량의 관계를 산정하여 연소속도를 추정하였다.
시험체인 서가는 목재와 철재로 3개씩 제작하고, 가열로 내부에서 ISO834-1:1999 표준가열곡선에 따라 가열하고 가열시간에 따른 시험체의 잔존량을 측정하였다(Figure 1 참조). 이 측정결과를 토대로 가열시간과 연소량의 관계를 산정하여 연소속도를 추정하였다.
일반서점의 서가는 여러 단에 서적을 진열하고 주요 재질이 목재와 철재로 되어 있다. 실험에서는 서가 전체를 가열로 내부에서 가열한 후 가열종료직후에 가열로 외부로 반출하여 서가의 질량을 측정할 계획이었다. 그러나 서가의 질량과 치수가 크면 가열종료직후에 가열로 외부의 반출이 어렵기 때문에 가열종료후에도 연소가 장시간 지속되어 정확한 잔존량을 측정하기 어렵다.
2.2 측정항목 및 가열조건

가열전에 시험체의 질량을 측정하고 가열로 내부에서 시험체를 가열한 후에 잔존한 시험체의 질량을 측정하였다. 가열전후의 질량차, 즉 질량감소량을 가열시간으로 나누면 평균열분해속도를 산정할 수 있는데, 가열로 내부의 온도는 점화후의 시간에 따라 다르므로 서가 본체와 내부 서적의 연소량이 시간에 따라 다를 가능성이 있다.
가열전후의 질량차, 즉 질량감소량을 가열시간으로 나누면 평균열분해속도를 산정할 수 있는데, 가열로 내부의 온도는 점화후의 시간에 따라 다르므로 서가 본체와 내부 서적의 연소량이 시간에 따라 다를 가능성이 있다. 이 때문에 목재서가(실험 1~3)와 철재서가(실험 4~6)의 가열시간은 15분, 30분, 45분의 3종류로 설정하였다. 각 가열시간 후에 질량을 측정하고 잔존한 시험체의 관찰를 통해 가열시기와 부위에 따른 시험체의 연소성상의 변화를 파악하였다.
이 때문에 목재서가(실험 1~3)와 철재서가(실험 4~6)의 가열시간은 15분, 30분, 45분의 3종류로 설정하였다. 각 가열시간 후에 질량을 측정하고 잔존한 시험체의 관찰를 통해 가열시기와 부위에 따른 시험체의 연소성상의 변화를 파악하였다.
실험방법을 Figure 2에 나타내었다. 실험에서는 철재 받침대 상부에 시험체를 올린 상태로 가열로에서 일정 시간동안 가열하였다. 가열종료후 가열로의 벽체 한 개를 신속하게 분리하고 철재 받침대와 시험체를 신속하게 반출하였다.
실험에서는 철재 받침대 상부에 시험체를 올린 상태로 가열로에서 일정 시간동안 가열하였다. 가열종료후 가열로의 벽체 한 개를 신속하게 분리하고 철재 받침대와 시험체를 신속하게 반출하였다. 이 시기에는 시험체가 화염에 휩싸여 연소하고 있었기 때문에 불연성 소화시트로 시험체를 덮어 화세를약화시킨상태에서 시험체의 질량을 측정하였다.
가열종료후 가열로의 벽체 한 개를 신속하게 분리하고 철재 받침대와 시험체를 신속하게 반출하였다. 이 시기에는 시험체가 화염에 휩싸여 연소하고 있었기 때문에 불연성 소화시트로 시험체를 덮어 화세를약화시킨상태에서 시험체의 질량을 측정하였다.
a. 실험 1(가열시간 15분): 가열종료직후에 가열로의 벽체 1면을 분리하여 시험체를 관찰하였는데, 서적과목재 서가는 연소가 지속되고 있었고, 특히 서적과 서가의 상판이 연소하고 있었다. 실험종료후 시험체의 관찰에 의하면 서적은 서가의 밑판에 접한 부분을 제외한 모든 표면이 탄화하였다.
시험체의 연소속도는 시험체의 연소량을 그 가열시간으로 나누어 산정하고, 시험체의 노출표면적당 열방출률은 시험체의 평균열방출률을 그 노출표면적으로 나누어 산정하였다. 시험체의 평균열방출률은 시험체의 연소량을 그 재료의 연소발열량으로 나누어 산정하고, 그 수치를 시험체의 가열시간으로 나누어 산정하였다.
시험체의 연소속도는 시험체의 연소량을 그 가열시간으로 나누어 산정하고, 시험체의 노출표면적당 열방출률은 시험체의 평균열방출률을 그 노출표면적으로 나누어 산정하였다. 시험체의 평균열방출률은 시험체의 연소량을 그 재료의 연소발열량으로 나누어 산정하고, 그 수치를 시험체의 가열시간으로 나누어 산정하였다.

대상 데이터

이 때문에 서가의 기본 단위로서 서가 1단만을 시험체로 하였다. 실험에서는 가열시간변화에 따른 시험체의 잔존량 변화를 비교하기 위하여 실험 1~3과 실험 4~6의 시험체를 각각 목재와 철재로 제작하고 서가에 동일한 양의 서적을 수납하였다(Figure 1 참조).

성능/효과

또한 철재서가를 사용한 실험 4의 연소속도가 실험 6보다 2배 정도 큰데, 이는 철재서가 내부의 서적이 외부가열을 장시간 받을수록 깊은 탄화층이 형성되어 시간 경과에 따라 열분해가스의 생성이 증가하지 않기 때문이다. 위의 결과를 종합하면 서가와 서적의 연소속도는 연소초기가 가열표면적이 크므로 빠르고, 시간이 경과할수록 서적 탄화로 인해 지체되는 것을알 수 있다. 실험에서는 ISO834-1:1999 표준가열곡선에 따라 45분간 가열하였는데, 위의 결과를 보면 적재가연물의 연소속도는 가열시간을 45분 이상 가열하여도 연소초기보다 빠를 수 없다고 판단된다.
위의 결과를 종합하면 서가와 서적의 연소속도는 연소초기가 가열표면적이 크므로 빠르고, 시간이 경과할수록 서적 탄화로 인해 지체되는 것을알 수 있다. 실험에서는 ISO834-1:1999 표준가열곡선에 따라 45분간 가열하였는데, 위의 결과를 보면 적재가연물의 연소속도는 가열시간을 45분 이상 가열하여도 연소초기보다 빠를 수 없다고 판단된다. 따라서 Table 3에 제시한 평균연소속도는 서점의 내화안전설계에 활용할 경우에 보수적인 수치로 활용이 가능하다고 판단된다.
① 목재서가와 수납서적은 가열초기에 동시에 연소하고 가열표면적이 크므로 열분해가스의 방출이 증가하지만, 표면이 연소한 후에 탄화하기 때문에 시간경과에 따라 가열로 내부의 온도가 상승해도 열분해가스의 방출량이 증가하지 않는 것을 알 수 있었다.
② 철재서가의 재질은 불연재이지만 열용량이 작고 외부가열를 받으면 온도가 쉽게 상승하기 때문에, 철재서가 내부의 서적은 철재서가에서 강한 복사열을 받아서 탄화하는 것이 확인되었다.
7) 가스버너를 이용한 기존 실험에서는 서가와 서적의 연소특성이 다른 가연물과는 다른 특징이 발견되었다. 즉, 일반 가연물은 가열하면 연소확대되므로 가스버너를 이용한 연소실험만으로도 요구되는 연소발열특성을 충분히 파악할수 있었지만, 서가와 서적의 가연물은 가열해도 탄화 층이 형성되면서 연소확대되지 않았다.
2126 kg/분ㆍm인 것을 제시하였다. 또한 철재서가와 수납서적은 노출표면적당 평균열방출률이 108.93 kW/㎡이고, 서가 1단의 폭 1 m당 평균열방출률이 60.23 kW/m인 것을 제시하였다.

후속연구

3,6) 가연물의 연소속도는 내화성능평가의 결과에 크게 영향을 미치기 때문에 이것을 파악하여 건물의 성능위주 화재안전설계에 이용할 필요성이 크다. 일반적인 구획화재에서는 화재최성기의 연소속도가 자연환기에 의한 산소공급량에 지배받는다고 생각되는 경우가 많지만^,9,10) 서점과 같이 적재가연물의 질량에 비해 노출표면적이 작으면 분해가스의 생성속도가 가연물의 표면적에 지배되기 때문에 연소속도는 환기에 직접적으로 지배되지 않을 가능성이 있다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	서점의 화재안전설계를 위한 다양한 실험으로 파악해야 할 가능성들은 무엇인가?	건축물 적재가연물은 종류 및 양 등의 특성에 따라 화재지속시간과 화재규모 등에 크게 기여한다. 서점은 다른 건축용도보다 가연물이 다량 적재되어 있으므로 화재발생시 화재위험성이 클 가능성이 있다. 그러나 한편으로는 서점 내부의 서적은 연소하면 탄화층이 형성되고 적재가연물량에 비해 노출표면적이 작기 때문에 화재시 열분해가스의 생성이 작을 가능성도 있다. 이러한 가능성을 다양한 실험을 통해 파악하여 서점의 화재안전설계에 합리적으로 반영할 필요가 있다.

참고문헌 (11)

南東君, 長谷見雄二, 太田充. "大型書店における積載可燃物の特性と簡易調査法", 日本建築學會環境係論文集, Vol.613, No.1, pp.15-20(2007).
國土交通省住宅局建築指導課, "避難安全檢法の解設び計算例とその解設"(2001).
國土交通省住宅局建築指導課, "耐火性能檢法の解設及び計算例とその解設"(2001).
日本建設省告示第1441 , "階避難安全檢法に關する算出方法等を定める件"(2000).
日本建設省告示第1442 , "全館避難安全檢法に關する算出方法等を定める件"(2000).
日本建設省告示第1443 , "耐火性能檢法に關する算出方法等を定める件"(2000).
남동군, "대형서점적재가연물의초기연소발열성상", 한국화재소방학회 논문지, Vol.25. No2, pp.88-94 (2011).
ISO834-1:1999, "Fire-Resistance Tests - Elements of Building Construction - Part 1: General Requirements".
T. Sekine, "Research on Fire Using Models", Inst. of Fire Engineers Quart(1961).
日本火災學會, "火災便覽第3版", pp.423(1997).
森林總合硏究所編, "木材工業ハンドブック", pp.27(2004).

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