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문제 정의
- 따라서, 본 연구에서는 건축물의 성능위주 소방설계에 활용하기 위해 건축물의 고정가연물을 대상으로 연소시험 실행하였다. 연소시험에서는 콘칼로리미터시험기를 사용하여 고정가연물인 내장용 판재와 내장용 루버를 가열하여 연소발열특성 및 유해가스특성을 측정하였다.
- 본 연구에서는 건축물의 성능위주설계에 합리적으로 활용하기 위해 내장용 판재와 루버의 두께를 다르게 하여 연소시험을 실행하고 그 두께 차이에 따른 연소발열특성과 유독가스특성을 분석하였다. 실험에서는 KS F ISO 5660- 1에 따라 콘칼로리미터시험기를 사용하여 내장용 판재와 루버를 가열하였는데, 다음과 같은 결과를 얻었다.
제안 방법
- 건축물의 화재안전설계에 합리적인 반영을 염두에 두고 내장재 시편의 두께에 따른 최대열방출률의 관계를 파악하기 위해 합판과 MDF를 대상으로 연소실험을 실행하여 두께에 대한 최대열방출률을 측정하였다. 합판과 MDF의 두께에 따른 최대열방출률을 Figure 3에 제시하였다.
- 시험에서는 내장용 판재와 루버의 종류에 따라 각각 3번 실행하였다. 또한 시험에서는 내장용 판재의 두께에 따른 연소발열특성을 파악하기 위해 건축물 내부에 보편적으로 사용되는 내장용 판재의 두께 3종류를 선택하여 실행하였다. 시편은 내장재를 가로 100 mm × 세로 100 mm 의 크기로 절단하여 3개씩 제작하였다.
- 연소시험에서는 콘칼로리미터시험기를 사용하여 고정가연물인 내장용 판재와 내장용 루버를 가열하여 연소발열특성 및 유해가스특성을 측정하였다. 또한 연소시험에서는 내장용 판재의 두께에 따른 연소발열특성 및 유해가스특성을 비교 및 분석하기 위해 내장용 판재의 두께를 다르게 하여 각각 가열하였다.
- 시험에서는 내장용 판재와 루버의 종류에 따라 각각 3번 실행하였다. 또한 시험에서는 내장용 판재의 두께에 따른 연소발열특성을 파악하기 위해 건축물 내부에 보편적으로 사용되는 내장용 판재의 두께 3종류를 선택하여 실행하였다.
- 콘히터 하단과 시편 상단의 거리가 25 mm이므로 시편은 25 mm의 거리에서 방사열을 지속적으로 받게 된다. 시험에서는 시편의 연소시 발생하는 연소 가스를 분석하여 산소소모법에 의해 열방출률을 산정하고 유해가스농도(CO, CO2) 등을 측정하였다.
- 시험은 KS F ISO 5660-1(4)기준에 의거하여 콘칼로리미터 시험기를 이용하여 실행하였다. 시험에서는 전기 콘히터로 내장재의 시편을 가열하여 자연발화를 유도하고 산소소모법에 의해 열방출률 등을 측정하였다. 콘칼로리미터 시험의 주된 특징은 초기화재시 외부 가열에 의한 열방출률, 발열량 등의 관계가 정량적으로 얻을 수 있는 점이다.
- 시험에서는 콘칼로리미터시험기의 전기 콘히터로 방사열 50 kW/m2 로 형성하여 시편을 수평으로 놓은 상태에서 상부면을 가열하였다. 콘히터 하단과 시편 상단의 거리가 25 mm이므로 시편은 25 mm의 거리에서 방사열을 지속적으로 받게 된다.
- 건축물의 화재안전설계에서는 인명 안전 유해성을 판단하기 위해 가연물의 열방출률에서 일산화탄소 및 이산화탄소의 농도를 예측한다. 여기서는 시험에서 측정된 최대 열방출과 최대일산화탄소농도, 최대이산화탄소 농도의 상관관계를 분석하였다.
- 따라서, 본 연구에서는 건축물의 성능위주 소방설계에 활용하기 위해 건축물의 고정가연물을 대상으로 연소시험 실행하였다. 연소시험에서는 콘칼로리미터시험기를 사용하여 고정가연물인 내장용 판재와 내장용 루버를 가열하여 연소발열특성 및 유해가스특성을 측정하였다. 또한 연소시험에서는 내장용 판재의 두께에 따른 연소발열특성 및 유해가스특성을 비교 및 분석하기 위해 내장용 판재의 두께를 다르게 하여 각각 가열하였다.
- Table 2에는 가열 개시 후 20분의 재료의 단위연소량당 발열량을 나타내었는데, 단위연소량당 발열량은 연소시 발생하는 적산발열량을 연소량으로 나누어 산정하였다. 이 때 적산발열량과 연소량은 모든 실험에서 가열 개시 후 20분에 화염이 없는 상태에서 훈소하였으므로 가열 개시 후 20분의 결과 값을 적용하였다.
- 시편의 종류 및 특성 등을 Table 1에 나타내었다. 판재의 종류는 건축물의 실태조사로 입수한 자료와 건축물의 사양서를 토대로 선택하였다. 시험은 일반 시중에 유통되는 내장용 판재와 내장용 루버로 구분하여 실행하였다.
대상 데이터
- 시편은 내장재를 가로 100 mm × 세로 100 mm 의 크기로 절단하여 3개씩 제작하였다.
- 시험에서는 난연처리되지 않은 내장용 판재와 루버를 사용하였는데, 일반적으로 난연 판재의 최대열방출률은 비난연 판재보다 작아진다. 따라서 시험에서 측정한 내장용 판재와 루버의 최대열방출률을 건축물의 화재안전설계에 보수적 수치로 활용할 수 있다.
- 판재의 종류는 건축물의 실태조사로 입수한 자료와 건축물의 사양서를 토대로 선택하였다. 시험은 일반 시중에 유통되는 내장용 판재와 내장용 루버로 구분하여 실행하였다. 시편으로 사용한 합판와 MDF는 가구재, 칸막이 및 벽체 내부의 판재로 주로 사용되고, 루버는 주로 인테리어용으로 사용된다.
이론/모형
- 시험은 KS F ISO 5660-1(4)기준에 의거하여 콘칼로리미터 시험기를 이용하여 실행하였다. 시험에서는 전기 콘히터로 내장재의 시편을 가열하여 자연발화를 유도하고 산소소모법에 의해 열방출률 등을 측정하였다.
- 본 연구에서는 건축물의 성능위주설계에 합리적으로 활용하기 위해 내장용 판재와 루버의 두께를 다르게 하여 연소시험을 실행하고 그 두께 차이에 따른 연소발열특성과 유독가스특성을 분석하였다. 실험에서는 KS F ISO 5660- 1에 따라 콘칼로리미터시험기를 사용하여 내장용 판재와 루버를 가열하였는데, 다음과 같은 결과를 얻었다.
성능/효과
- 내장용 판재의 단위연소량당 평균발열량은 합판이 최대 16.6 MJ/kg이고 MDF가 최대 16.8 MJ/kg이었다. 내장용루버의 단위연소량당 평균발열량은 미송루버가 15.
- 6 MJ/kg로 가장 크다. 또한 두께 6 mm MDF의 시험 4가 전소 상태에서 단위연소량당 평균발열량이 16.8 MJ/kg로 최대로 나타났으며, 합판과 MDF의 연소시 단위연소량당 평균발열량의 최대값이 거의 동일한 것으로 나타났다.
- Figure 5를 보면 최대열방출률과 최대이산화탄소 농도는 상관관계가 아주 높다. 즉 최대열방출률과 최대 일산화탄소 농도는 R2 = 0.9697로 약 97% 정도의 상관을 갖는 것으로 나타났으며, 아주 높은 관계성을 갖고 있다. 이처럼 상관관계가 아주 높은 것은 최대열방출률이 형성되었을 시점에 완전연소가 일어나므로 이산화탄소 농도가 최대값으로 증가하였기 때문이다.
- 최대열방출률과 최대일산화탄소 농도의 상관관계를 분석한 결과에 따르면 약 97% 정도의 상관을 갖는 것으로 나타났으며, 아주 높은 관계성을 갖고 있었다. 이처럼 상관관계가 아주 높은 것은 최대열방출률의 형성시점에 완전연소하므로 이산화탄소농도도 최대치로 증가하였기 때문이다.
- 내장용 판재 및 루버의 평균연소량과 평균발열량의 상관관계를 Figure 1에 제시하였는데, 평균연소량과 평균발 열량은 상관관계가 아주 높은 것으로 나타났다. 평균연소량과 평균발열량은 합판과 MDF가 99% 정도의 상관을 갖고 내장용 루버가 98%의 상관을 나타내었다.
- 9 MJ/kg로 나타났다. 평균연소율은 미송루버가 95%, 랩핑루버와 홍송루버가 약 90%인 것을 보면 미송루버의 열분해 속도가 다른 루버보다 빠른 것을 알 수 있다.
- 평균최대이산화탄소 농도는 두께 6 mm 합판이 0.821% 로 12 mm 합판보다 1.6배 정도 크고, 두께 6 mm MDF의 평균최대이산화탄소 농도가 0.848%로 12 mm 두께보다 1.6배 정도 크게 나타났다. 평균최대일산화탄소 농도는 합판과 MDF의 두께와 상관없이 약 0.
- 6배 정도 크게 나타났다. 평균최대일산화탄소 농도는 합판과 MDF의 두께와 상관없이 약 0.015%로 거의 유사한 것을 알 수 있었다. 이는 일산화탄소 농도가 두께의 영향 보다도 합판이 연소한 후 잔존물이 훈소하는 연소 후반기에 증가하기 때문이다.
- 합판과 MDF의 평균최대열방출률은 두께 6 mm일 때 각각 441 kW/m2 와 469 kW/m2 으로 두께 9 mm, 12 mm보다 큰 것을 알 수 있었다. 이것은 시편의 두께가 6 mm로 얇으면 시편이 탄화하여 각리되기 쉽고 복사열로 휘는 현상이 발생하므로 시편 뒷면의 공기공급량이 순간적으로 증가하였기 때문이다.
후속연구
- 시험에서는 난연처리되지 않은 내장용 판재와 루버를 사용하였는데, 일반적으로 난연 판재의 최대열방출률은 비난연 판재보다 작아진다. 따라서 시험에서 측정한 내장용 판재와 루버의 최대열방출률을 건축물의 화재안전설계에 보수적 수치로 활용할 수 있다.
- 위와 같은 현상은 목재로 형성된 가연물에서 발생하지만, 고분자화합물로 생성된 가연물은 가열하면 융해하면서 풀연소하므로 연소 후반기에 일산화탄소농도가 증가하지 않을 가능성이 있다. 이 추정에 대해서는 추가 시험을 통해 검증할 필요성이 있으며, 고분자 화합물의 가연물이 연 소 후반기에 일산화탄소농도가 증가하지 않을 경우 최대 열방출률에서 최대일산화탄소 농도를 예측할 수 있을 것으로 기대된다.
- 그러나 성능위주설계의 신뢰성 및 활용성을 향상시키기 위해서는 다양한 실험 및 조사 등을 통해 연소 물성 등 광범위하고 다양한 데이터베이스가 필요하지만 화재실험 및 현장실태조사의 제한성 등으로 인해 부족한 상황이다. 한편 건축물의 합리적인 화재안전설계를 수행하기 위해서는 화재규모를 예측하기 위한 고정가연물의 최 대열방출률이 중요한 인자이므로, 시험을 통한 고정가연물의 측정 결과값을 합리적으로 화재안전설계에 반영할 필요가 있다. 그러나 기존 연구에서는 고정가연물의 종류에 따른 열방출률을 측정한 사례가 있지만(1,2), 고정가연물의 두께를 고려한 실험사례가 거의 없다.
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