[논문]조사 연구 - 침대 매트리스에 대한 화재안전성 평가지표의 고찰

박계원

문제 정의

침대 매트리스에 대한 실대규모 화재시험시에 나타나는 연소현상(Reaction-to-fire) 중에서 제품군에 따른 HRR(열방출율 Heat Release Rate)과 SPR(연기발생율 Smoke Production Rate) 의 상관성을 분석흐卜고, 이를 통해 침대 매트리스 화재 안전성을 평가시 적합한 평가지표를 도출해 내고자 함. 화재시에 위험성은 화재의 열 하중 규모와 화재의 확산 속도라는 두 가지 측면을 고려하여야 하는데, HRR 및 SPR의 양적 크기가 클수록 위험하다고 볼 수 있으며 또한 HRR 및 SPR의 발생 속도가 빠를수록 화재 위험성이 높다고 결정할 수 있음.

가설 설정

: 매트리스의 단위 화재하중을 증가시키는 요인으로 어떤 성분의 쿠션을 사용하는지, 난연처리의 정도가 파악되었음. 이는 향후 침대 매트리스의 난연화로 인한 단위 화재하중을 감소시키는 요인으로 응용이 가능할 것임
베개 및 이불 등에 착화될 때 발생가능 열량인 27 kW 의 에너 지를 매트리스 시험의 착화원으로 가정하며 프로판으로 공급하는 파일럿 버너를 사용함. 시험 중 플래시오버(flashover : 화재시 급격한 화염발생으로 인해 일시에 가연물의 연소가 급격히 진행되도록 화염이 외부로 분출되는 현상)가 발생시 시험을 중지하였으며, 또한 매트리스가 전소되었을 경우에도 시험을 중단하였고 플래시오버의 정량적 판정은 열방출율 1 000 kW 측정을 기준으로 하였음.

제안 방법

한 쌍의 버너로부터 출력되는 27 kW의 열량은 이불, 베개 등에 불이 붙었을 때 발생되는 것을 모사한 것으로 점화원 버너에 대한 calibratione 최소한 두 개의 열방출율 (HRR) 수치(75 kW 및 200 kW)에서 수행하여 열량 측정시스템의 안정도를 보증할 수 있어야 함. 본 연구에서는 미세 열량값이 27 kW에 대한 정밀 미세측정을 수행하여 5분간의 안정도를 체크하였음.
스프링 내장 매트리스에는 독립형 스프링 타입과 일체형 스프링 타입을 포함시켰으며 비스프링 매트리스는 라텍스 타입과 메모리폼 타입을 포함하였음. 샘플링 되어진 매트리스들의 전반적인 두께는 약 (20 ±3)cm 분포를 나타냈음 또한 싱글 사이즈를 기본으로 하였으며 매트리스 크기에 따른 화재 하중 강도의 상관성을 파악하기 위해 퀸 사이즈 매트리스를 일부 샘플링 하였으며 총 14개 매트리스를 샘플(Table 5)로 화재 시험을수행하였음.
공급하는 파일럿 버너를 사용함. 시험 중 플래시오버(flashover : 화재시 급격한 화염발생으로 인해 일시에 가연물의 연소가 급격히 진행되도록 화염이 외부로 분출되는 현상)가 발생시 시험을 중지하였으며, 또한 매트리스가 전소되었을 경우에도 시험을 중단하였고 플래시오버의 정량적 판정은 열방출율 1 000 kW 측정을 기준으로 하였음.
침대 매트리스의 실물규모 화재 시험은, 지정된 불꽃발화 원에 시험편을노출시켜, 제어된 시험 영역에서 자유롭게 연소되도록 함으로써 매트리스 세트 시험편의 연소성능을 측정하도록 설계되어지며 16 CFR Part 1633을 토대로 함 1633에는 개방된 열량계(open calorimeter) 나 지정된 치수에 맞는 실험실 중 하나를 사용하게 되어있지만 FILK에서는 3 MW calorimeter(수평 투영면적으로 가로 5m, 세로 8m의 열량측정 후드 및 샘플링 가스 포집 분석 시스템으로 최대 3MW의 열방출율을 20 kW 미만의 불확요인하에 측정할 수 있음)를 적용하여 실험 환경을 구축되 었으며 산소 소모에 따른 열방출 에너 지를 산정하는 calorimeter법에 의해 reaction-to-fire의 핵심 인자인 열방출율 및 연기발생율을 측정함.

성능/효과

1) 다양한 종류의 13개 국내 매트리스에 대한 실물규모 화재 시험을 실시한 결과 11개 매트리스가 최대 열방출율 200 kW를 초과하였으며 이 중 3개 매트리스는 플래시오버 판정기준인 1 000 kW로 측정되어 높은 화재 위험을 나타내었음. 열방출율 200 kW를 오버하는 물체가 실내에 있을 경우 화재시 집 전체로의 플래시오버를 야기시킬 수 있음을 유의하여야 함.
2) 5종류(single 및 queen 사이즈 통합시킬 경우 5종류) 의 매트■리스에 대한 열방출율 결과를 FIGRA(화재 성장지수)로 환산할 경우, A series는 (2.56-3.84) kW/s, P series는 (0.31~0.46) kW/s, S series는 (3.92~4.08) kW/s, D series는 (1.25~ 1.48) kW/s, R series는 (0.77~ 1.37) kW/s의 화재성장속도를 나타냄. 따라서 S series의 매트리스가 가장 급격한 화재 성장 및 화염전파를 보여 화재위험성이 매우 높음을 알 수 있으며 상대적으로 P series의 매트리스는 가장 낮은 화재위험 성을 보였음.
2) 유량 측정 시스템을 가동시키고 버너 점화 전 비디오 램프, 비디오 카메라 및 데이터 로깅 시스템을 시작함.
3) A series와 P series의 예에서, 싱글사이즈와 퀸사이즈의 HRR, FIGRAt 분석해보면 가연물이 더 많은 퀸사이즈가 더 위험할 수 있을 거라는 일반적인 시각과는 달리 싱글사이즈와 퀸사이즈의 화재위험 상관성은 나타나지 않았음. 따라서 향후 연구에서는 퀸사이즈에 가중치를 줄 필요가 없으며 싱글사이즈 매트리스를 기준으로 화재 위험성을 분석하는 것이 효율적일 것으로 판단됨.
3) 상단 버너 70초, 측면 버너 50초로 가열 후 버너가 아웃되면, 기류 안정 스크린을 제거하고 상단 버너 튜브를 조심스럽게 들어 올린 다음, 매트리스 시험편 표면에서 점화 조립품을 다시 회수하여 간섭을 최소화함.
3) 침대 화재 위험요인에 대한우선순위 서베이 결과 : 침대 쿠션의 종류>난연처리 정도>쿠션의 밀도> 침대의 크기의 서열 순서로 침대화재에 위험을 미치는 요인으로 서베이 되어짐.
4) 육안상으로 연기 발생이 보이지 않고, 훈소나 잔광이 없으며 5분 연속으로 불꽃이 관찰되지 않는 것으로 모든 연소 흔적이 사라진 것으로 판단한 경우, 시험 5분 후 시험을 종료할 수 있으나, 5분 연속으로 육안상 연기 발생이 보이지 않고 훈소나 잔광이 없으며 개방 불꽃이 없어, 모든 연소 흔적이 사라진 경우에는 30분 시험 주기 종료 이전에 종료함. 본 연구에서는 모든 케이스에서 5분의 유효 관찰 시간을 유지하였음
4) 최대 HRR과 최대 SPR의 발생시점은 플래시 오버 발생 시 30초 이내, 미발생시 37초 이내의 두 지표간 발생 시점 차이가 나타났으며, FIGRA와 SMOGRA의 상관성은 낮은 것으로 분석되었음. 따라서 침대 매트리스에 대한 화재위험성을 측정시 열방출율과 연기발생량을 개별 지표로 측정해야 할 것으로 파악되 었음.
: 열>연기>온도>육안관찰의 서열로 평가 기준이 순위화 되었으며, HRR를 최우선 평가지표의 인자로 분석하며, SPR을 보조적인 인자로 분석함이 도출됨.
37) kW/s의 화재성장속도를 나타냄. 따라서 S series의 매트리스가 가장 급격한 화재 성장 및 화염전파를 보여 화재위험성이 매우 높음을 알 수 있으며 상대적으로 P series의 매트리스는 가장 낮은 화재위험 성을 보였음.
열방줄율(heat release rate, HRR)은 SS > AS > AQ > DS > RS > PS > PQ의 서열을 보이며, 연기발생율 (Smoke Production Rate, SFR)은 DS>AS>AQ>RS > SS > PS > PQ의 서 열을 나타냈으며 라텍스 등으로 이뤄진 내장재 밀도가높은 DS는 연기발생율이 열방출율에비해 상대적으로_ 매우높았음.

후속연구

6) 시험결과의 기록은 실험환경에 대한 조건과 시험편에 대한 상세, 그리고 정량적인 reaction-to-fire 결과물(특히 열방출율), 정성적인 관찰사항들이 면밀히 포함되어야 할 것임.
국내의 침대 매트리스 관련 화재안전성능 기준은 KPS(자율안전확인 안전기준) 부속서 43(침대 매트리스) 에 가연성시험(7.2.7절)으로 부분적인 시험을 기술하고 있으며, 이는 침대매트리스 소재에 담뱃불로 점화시, 불꽃 착화여부 및 손상범위를 육안 관찰하는 정성적 시험평가에 국한되어 있는 실정으로 실제 화재를 가상하여 열방출율 및 연기발생량을 정량적으로 계측하는 종합적인 화재안전성 시험방법의 도입이 절실히 요구되며, 침대 내부 구조 및 매트리스 소재에 대한 평가를 통해 플래시오버를 발생시킬 개연성을 분석할 수 있는 연구가 진척되어야 함.
낮은 것으로 분석되었음. 따라서 침대 매트리스에 대한 화재위험성을 측정시 열방출율과 연기발생량을 개별 지표로 측정해야 할 것으로 파악되 었음.
않았음. 따라서 향후 연구에서는 퀸사이즈에 가중치를 줄 필요가 없으며 싱글사이즈 매트리스를 기준으로 화재 위험성을 분석하는 것이 효율적일 것으로 판단됨.

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