[논문]주거공간 가연물의 화재하중 산정방법의 비교연구

최수영; 김정용; 남동군; 김성찬

doi:10.7731/kifse.2013.27.6.038

주거공간 가연물의 화재하중 산정방법의 비교연구
Comparative Study on the Estimation Method of Fire Load for Residential Combustibles 원문보기

한국화재소방학회 논문지= Fire science and engineering, v.27 no.6, 2013년, pp.38 - 43

최수영 (경일대학교 대학원) , 김정용 (경일대학교 대학원) , 남동군 (한국소방산업기술원) , 김성찬 (경일대학교 소방방재학과)

초록
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본 연구는 주거공간 내 가연물의 화재하중 산정방법의 신뢰성을 평가하기 위한 연구로서 가연물의 3차원 형상정보를 통해 체적을 산정하고 문헌조사와 시편실험을 통해 얻은 가연물의 물성을 적용하여 화재하중을 산정한다. 대상 가연물은 주방 싱크대, 가정용 소파, 책상 세트이며 실화재 실험을 통해 가연물에서 방출되는 총열방출량을 측정하였다. 실화재 실험에서 측정된 총열방출량을 기준으로 문헌조사에 기초하여 계산된 화재하중은 6~120% 정도의 상대오차를 보였으나 시편실험에 기초한 화재하중은 20% 이내로 나타났다. 본 연구는 화재하중 평가의 오차가 형상정보뿐만 아니라 가연물의 재료 물성에 큰 영향을 받는다는 사실을 보여주고 있으며 이러한 연구를 통해 화재하중 산정기법을 향상시키는데 기여할 수 있다.

Abstract ▼ AI-Helper

As a preliminary study to evaluate the reliability of the calculation method of fire load for residential furniture combustibles, the present study estimates the fire load considering the volume data obtained by the 3D geometrical information of combustibles and material properties based on the literature survey and sample burning test. A kitchen sink cabinet, couch and workstation were investigated for estimating its fire load and real fire test have been performed to measure total energy released from the combustibles. Based on total energy measured from real fire test, the relative error of the estimated fire load due to literature survey and measured material properties showed 6~120% and less than 20%, respectively. It shows that the estimation error of fire load are greatly affected by its material properties as well as geometrical information of combustibles and the present study will be able to contribute to accurate estimation of fire load.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구에서는 화재하중 산정방법의 신뢰성 수준을 평가하기 위한 기초연구로서 주거공간에서 주로 사용되는가구류에 대하여 가연물의 크기를 조사하여 화재하중을 산정하고 이 결과를 실물화재 실험결과에서 얻은 실제 총열방출량과 비교하였다. 또한 자료조사에서 얻어진 유효연소율과 실제 가연물의 시편실험을 통해 얻어진 유효연소율을 비교하여 재료의 연소물성의 영향을 파악하고자 한다. 이러한 연구는 화재 하중 산정방법의 정확성을 향상시키고 신뢰성 높은 화재시나리오를 설정하는데 기여할 것으로 판단된다.
본 연구에서는 화재하중 산정방법의 신뢰성 수준을 평가하기 위한 기초연구로서 주거공간에서 주로 사용되는가구류에 대하여 가연물의 크기를 조사하여 화재하중을 산정하고 이 결과를 실물화재 실험결과에서 얻은 실제 총열방출량과 비교하였다. 또한 자료조사에서 얻어진 유효연소율과 실제 가연물의 시편실험을 통해 얻어진 유효연소율을 비교하여 재료의 연소물성의 영향을 파악하고자 한다.

제안 방법

가연물을 구성하는 재료를 알고 있는 경우 화재하중의 산정은 가연물의 중량이나 크기에 의존하게 되는데 중량측정법을 적용할 경우 가연물을 구성하는 재료가 다양하면 재료별로 중량을 측정하여야 정확한 화재하중을 산출할 수 있다. 그러나 실제 사용 중인 공간의 가연물을 해체하여 재료별로 중량을 측정하는 것은 매우 어려운 일이므로 본 연구에서는 크기정보에 기초하여 가연물을 구성하는 개별 요소의 체적을 계산하고 재료의 밀도를 고려하여 가연물의 질량을 산정한다. 본 연구에서는 Auto CAD 프로그램을 이용하여 가연물의 3차원 솔리드모델을 단순 형상화하고 내부 함수를 적용하여 체적을 산정하였다.
특히, 목재계열의 판재의 경우 사용되는 나무종류에 따라 최대 2배까지 차이를 보였다. 따라서, 화재하중의 산정 시 가연물 구성요소의 종류 및 물성을 명확히 파악하는 것이 무엇보다 중요한 요소로 판단되며 본 연구에서는 추가적으로 합판재와 쿠션재, MDF 소재등에 대해 유효연소열을 측정하여 문헌조사 결과와 비교한다. 문헌조사에서 얻어진 밀도와 연소열 정보를 이용하여 산정한 화재하중을 이론화재하중으로 정의하고 E_th로 표기한다.
본 연구는 주방 싱크대, 가정용 소파, 책상세트에 대해 가연물의 3차원 단순모델을 형상화하여 체적을 산정하고 문헌조사를 통해 얻은 가연물 물성을 적용한 경우와 시편실험을 통해 측정된 물성을 적용한 경우의 화재하중을 실화재 실험을 통해 얻은 총열방출량과 비교분석하여 주거공간 내 화재하중 산정방법의 신뢰성을 평가하였다. 본 연구를 통해 얻은 결론은 다음과 같이 요약된다.
그러나 실제 사용 중인 공간의 가연물을 해체하여 재료별로 중량을 측정하는 것은 매우 어려운 일이므로 본 연구에서는 크기정보에 기초하여 가연물을 구성하는 개별 요소의 체적을 계산하고 재료의 밀도를 고려하여 가연물의 질량을 산정한다. 본 연구에서는 Auto CAD 프로그램을 이용하여 가연물의 3차원 솔리드모델을 단순 형상화하고 내부 함수를 적용하여 체적을 산정하였다. 화재하중 산정의 대상 가연물은 주방용 싱크대, 가정용 소파,책상세트 등이며 Figure 1은 가정용 소파와 책상세트의 사진을 3차원 형상모델과 비교하여 나타낸다.
본 연구에서는 주요 연소대상물인 합판재, MDF 판재,쿠션재 등에 대해 파일럿 점화에 따른 시편화재실험을 수행하고 이를 통해 가연물 개별요소의 유효연소열을 평가한다. 가연물 시편은 Meker 버너에 의해 점화되고 발생된 연소생성물은 직경이 40 cm인 콘형후드를 통해 수집되어 배기덕트를 통해 외부로 유출된다.
Table 2는 개별 구성요소에 대한 체적과 시편실험을 통해 측정된 가연물의 재료 물성을 적용하여 화재하중을 산정하는 과정을 정리하여 나타내었다. 합판재와 소파, 의자에 적용된 PU 폼 그리고 MDF 시편에 대해 화재실험을 수행하였으며 측정된 값을 적용하여 화재하중을 계산하였다.

대상 데이터

본 연구에서는 Auto CAD 프로그램을 이용하여 가연물의 3차원 솔리드모델을 단순 형상화하고 내부 함수를 적용하여 체적을 산정하였다. 화재하중 산정의 대상 가연물은 주방용 싱크대, 가정용 소파,책상세트 등이며 Figure 1은 가정용 소파와 책상세트의 사진을 3차원 형상모델과 비교하여 나타낸다.

이론/모형

가연물 시편은 Meker 버너에 의해 점화되고 발생된 연소생성물은 직경이 40 cm인 콘형후드를 통해 수집되어 배기덕트를 통해 외부로 유출된다. 발열량 산정을 위해 배기덕트 내에서 연소가스 샘플링, 온도 및 유속측정이 이루어지며 산소소모법(oxygen consumption method)을 적용하여 가연물의 발열량을 산정한다⁽¹¹⁾.
가연물의 점화는 프로판가스를 연료로 하는 확산화염 가스버너를 사용하였으며 연료의 공급유량은 13 lpm (liter per minute), 버너의 이론 발열량은 약 20 kW 정도로 환산된다. 주방용 싱크대와 책상세트는 T자형 버너를 이용하여 점화하였으며 가정용 소파의 경우 가연물을 수평으로 놓은 상태에서 시트부분을 점화시키기 위해 CSB (california state bulletin) 133⁽¹²⁾을 이용하였다. 3가지 실험 모두 육안으로 잔염이 관찰될 때까지 실험을 진행하였으며 이후 훈소(smouldering)가 진행되어 더 이상 화재성장이 없다고 판단되는 경우 실험을 중단하였다.

성능/효과

- 가연물 체적정보와 밀도를 적용하여 산정한 가연물의 중량은 실측된 가연물 중량과 20% 이내의 오차를 보였으나 유효연소열의 경우 문헌조사를 통해 얻은 결과와 가연물의 시편실험결과가 상대적으로 큰 차이를 보였다. 또한, 목재계열 소재의 경우 폴리머계열에 비해 유효연소열의 재료 의존성이 상대적으로 크게 나타났다.
- 가연물 형상의 단순화에도 불구하고 시편의 물성을 측정하여 산정한 화재하중은 신뢰성 높은 결과를 보여주었으며 화재하중을 산정하는 과정에서 형상정보의 오류에 기인한 오차보다 가연물에 대한 정확한 물성 정보의 부재에서 오는 불확실성이 상대적으로 클 수 있음을 보여준다.
- 실험대상 가연물에 대해 화재하중산정에서 문헌조사를 통해 얻은 가연물 정보를 적용한 이론적 화재하중이 가장 큰 값을 나타냈으며 시편실험의 물성을 적용한 화재하중은 상대적으로 낮은 유효연소열이 적용되어 이론적 화재하중보다 낮게 산정되었다. 실화재 실험을 통해 측정된 화재하중을 기준으로 이론적 화재하중은 6~120% 정도로 재료의 물성에 따라 매우 큰 상대오차를 보였으나 가연물 물성을 측정하여 산정한 화재하중은 전체적으로 20% 이내로 상대오차가 감소하는 경향을 보였다.
- 가연물 체적정보와 밀도를 적용하여 산정한 가연물의 중량은 실측된 가연물 중량과 20% 이내의 오차를 보였으나 유효연소열의 경우 문헌조사를 통해 얻은 결과와 가연물의 시편실험결과가 상대적으로 큰 차이를 보였다. 또한, 목재계열 소재의 경우 폴리머계열에 비해 유효연소열의 재료 의존성이 상대적으로 크게 나타났다. 따라서 보다 정확한 화재하중을 산정하기 위해서는 공간 내 주요 가연물의 정확한 재료를 파악하는 것이 매우 중요하다.
- 실험대상 가연물에 대해 화재하중산정에서 문헌조사를 통해 얻은 가연물 정보를 적용한 이론적 화재하중이 가장 큰 값을 나타냈으며 시편실험의 물성을 적용한 화재하중은 상대적으로 낮은 유효연소열이 적용되어 이론적 화재하중보다 낮게 산정되었다. 실화재 실험을 통해 측정된 화재하중을 기준으로 이론적 화재하중은 6~120% 정도로 재료의 물성에 따라 매우 큰 상대오차를 보였으나 가연물 물성을 측정하여 산정한 화재하중은 전체적으로 20% 이내로 상대오차가 감소하는 경향을 보였다.

후속연구

본 연구는 문헌조사에 기초한 화재하중 산정방법의 불확실성과 주요인자의 영향을 파악하고 화재 하중 산정방법의 정확성을 향상시키기 위한 기초연구이며 추가적인 연구를 통해 다양한 가연물에 대한 화재하중 정보를 데이터베이스화하여 효과적인 화재시나리오 설정하는데 기여할 수 있다.
또한 자료조사에서 얻어진 유효연소율과 실제 가연물의 시편실험을 통해 얻어진 유효연소율을 비교하여 재료의 연소물성의 영향을 파악하고자 한다. 이러한 연구는 화재 하중 산정방법의 정확성을 향상시키고 신뢰성 높은 화재시나리오를 설정하는데 기여할 것으로 판단된다.

참고문헌 (12)

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Technical Bulletin 133, "Flammability Test Procedure for Seating Furniture for Use in Public Occupancies", State of California Department of Consumer Affairs (1991).

저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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