리스크 관리 대상 중 화재는 대형재해임과 동시에 물적 인적 손실을 동반하는 고위험군 항목에 속한다. 따라서 재난안전관리에서는 실천적 측면에서의 화재예방활동과 발생 가능한 화재위험성 예측, 화재 피해 최소화를 위한 안전관리비용 투자가 요구되며 인적피해 최소화를 위해 가스 유해성 시험(KS F 2271)기반 연소 독성에 대한 위험성 평가를 요구한다. 본 연구에서는 정량적 화재위험성평가 기법의 기초 데이터 확보를 위한 연구로, 두께 5~25 mm의 우레탄 시료를 대상으로 가스 유해성 시험을 실시하였다. 또한 실험동물에 노출되는 연소생성물은 적외선 분광분석기(FT-IR)로 분석하여 ISO 13344의 연소독성지수 Lethal Fractional Effective Dose ($L_{FED}$)를 산출하였다. 또한, $L_{FED}$에 기초하여 시료의 Lethal Concentration 50% ($LC_{50}$)을 산정한 결과, 일정치 이상의 화재하중을 가지는 우레탄 시료의 $LC_{50}$은 $118{\sim}129g/m^3$임을 확인하였다. 본 연구를 통하여 해당 기법이 우레탄 화재 위험성 분석에 적용 가능함을 확인하였으며, 본 기법의 적용으로부터 유해가스에 의한 인적피해 예측을 기반으로한 건축물 안전 확보 차원의 전략적 투자확대의 자료로 활용 가능케 하였다.
리스크 관리 대상 중 화재는 대형재해임과 동시에 물적 인적 손실을 동반하는 고위험군 항목에 속한다. 따라서 재난안전관리에서는 실천적 측면에서의 화재예방활동과 발생 가능한 화재위험성 예측, 화재 피해 최소화를 위한 안전관리비용 투자가 요구되며 인적피해 최소화를 위해 가스 유해성 시험(KS F 2271)기반 연소 독성에 대한 위험성 평가를 요구한다. 본 연구에서는 정량적 화재위험성평가 기법의 기초 데이터 확보를 위한 연구로, 두께 5~25 mm의 우레탄 시료를 대상으로 가스 유해성 시험을 실시하였다. 또한 실험동물에 노출되는 연소생성물은 적외선 분광분석기(FT-IR)로 분석하여 ISO 13344의 연소독성지수 Lethal Fractional Effective Dose ($L_{FED}$)를 산출하였다. 또한, $L_{FED}$에 기초하여 시료의 Lethal Concentration 50% ($LC_{50}$)을 산정한 결과, 일정치 이상의 화재하중을 가지는 우레탄 시료의 $LC_{50}$은 $118{\sim}129g/m^3$임을 확인하였다. 본 연구를 통하여 해당 기법이 우레탄 화재 위험성 분석에 적용 가능함을 확인하였으며, 본 기법의 적용으로부터 유해가스에 의한 인적피해 예측을 기반으로한 건축물 안전 확보 차원의 전략적 투자확대의 자료로 활용 가능케 하였다.
Fire in the risk management subject belongs to high risk disaster which accompanies personnel and materiel loss. So, management of disaster and safety is required to include fire prevention activities, fire risk prediction and investment of safety management expense. Combustion toxicity is required ...
Fire in the risk management subject belongs to high risk disaster which accompanies personnel and materiel loss. So, management of disaster and safety is required to include fire prevention activities, fire risk prediction and investment of safety management expense. Combustion toxicity is required by gas toxicity test (KS F 2271), to minimize human damage. In this study, gas toxicity test were experimented with regard to urethane sample (Depth 5~25 mm) to obtain basic data. Fire effluent exposing to experimental animal were analyzed by FT-IR (Fourier transform infrared spectroscopy). Combustion toxicity index Lethal Fractional Effective Dose ($L_{FED}$) of ISO 13344 was calculated. According to the result of calculating Lethal Concentration 50% ($LC_{50}$) based on $L_{FED}$, $LC_{50}$ of urethane sample containing certain level of fire load is confirmed as $118{\sim}129g/m^3$. Through this study, applicability of this method was confirmed for fire risk assessment. This method can provide information to predict human damage by toxicity combustion gas for securing safety.
Fire in the risk management subject belongs to high risk disaster which accompanies personnel and materiel loss. So, management of disaster and safety is required to include fire prevention activities, fire risk prediction and investment of safety management expense. Combustion toxicity is required by gas toxicity test (KS F 2271), to minimize human damage. In this study, gas toxicity test were experimented with regard to urethane sample (Depth 5~25 mm) to obtain basic data. Fire effluent exposing to experimental animal were analyzed by FT-IR (Fourier transform infrared spectroscopy). Combustion toxicity index Lethal Fractional Effective Dose ($L_{FED}$) of ISO 13344 was calculated. According to the result of calculating Lethal Concentration 50% ($LC_{50}$) based on $L_{FED}$, $LC_{50}$ of urethane sample containing certain level of fire load is confirmed as $118{\sim}129g/m^3$. Through this study, applicability of this method was confirmed for fire risk assessment. This method can provide information to predict human damage by toxicity combustion gas for securing safety.
* AI 자동 식별 결과로 적합하지 않은 문장이 있을 수 있으니, 이용에 유의하시기 바랍니다.
문제 정의
본 연구에서는 재난안전관리에 적용 가능한 정량적 화재 위험성 평가 기법의 기초데이터 확보를 위하여, KS F2271 가스 유해성 시험을 화재모델로 설정하고, 두께별로 재단된 우레탄 시료의 연소생성물을 실험동물에 노출시키는 실험을 실시함과 동시에 ISO 19702에 따른 연소가스의 정량 · 정성분석을 실시하였다.
가설 설정
그러나 현대의 건축자재의 특성상 화재성장률과 연소생성물의 발생량 증가로 위험도는 비례적으로 증가되고 있다. 이와 대비되는 독성분석 기법의 가설은 고분자재료에 새로운 연소 생성물이 포함되어 있으며, 경우에 따라서는 이 생성물이 매우 높은 독성을 가질 수 있다는 이론에 기초한다. 이러한 견해는 인(P)계통 난연재료를 함유하고 있는 폴리우레탄폼과 PTFE 등의 물질에서 매우 높은 독성을 갖는 연소생성물이 발생된다는 사실로 뒷받침된다(2,3).
제안 방법
ISO 13344에 따라 우레탄 시료의 LC50을 도출하기위하여, KS F 2271에 따른 가스 유해성 시험을 통하여 연소가스에 노출된 실험동물의 평균행동정지시간을 측정함과 동시에 FT-IR을 이용하여 연소가스를 정성, 정량 분석으로 얻은 결론은 다음과 같다.
KS F 2271, 가스 유해성 시험은 실험동물을 대상으로 한 연소 독성 평가시험으로, 매 시험마다 실험동물이 이용되며, 연소 독성의 정량 및 정성분석을 포함하지 않는다. 따라서 실험용 마우스의 행동시간만으로 연소 독성 평가실험과 병행하여 본 연구에서는 ISO 19702에서 규정하고 있는 FT-IR을 이용한 연소가스의 정성, 정량 분석 기법을 이용하여 가스 유해성 시험기에서 실험동물에 노출되는 연소가스의 분석을 실시간으로 실시하였다. ISO 19702에서는 적외선분광광도계(FT-IR)을 이용하여 일산화탄소, 이산화탄소, 시안화수소, 염화수소, 브롬화수소, 일산화질소, 이산화질소, 불화수소, 이산화황, 아크로레인 등 가스의 농도를 분석하는 방법에 대하여 규정하고 있다(11-13).
이는 화재가 발생하여 시료가 연소할 때 발생하는 연소생성물의 독성 예측 값으로, 계산된 LC50에 기초하여 시공된 경우 연소생성물의 흡입독성으로부터 안전을 확보할 수 있음을 의미한다. 본 연구에서는 가스 유해성 시험기의 공기유량 3 L/min과 실험시간 15분을 감안하여 45 L(0.045 m3)의 공기유량을 대입하였다.
이러한 견해는 인(P)계통 난연재료를 함유하고 있는 폴리우레탄폼과 PTFE 등의 물질에서 매우 높은 독성을 갖는 연소생성물이 발생된다는 사실로 뒷받침된다(2,3). 새로운 연소생성물의 분석은 설치류의 LC50에 기초하여 물질의 독성을 평가하는 연소독성 시험으로 수행된다(4,5).
연소 독성 평가의 시험기법은 불연재료, 준불연재료 및 난연재료의 모든 등급시험에 필수 시험으로 적용되는 가스 유해성 시험을 2회 반복 시험으로 진행한다. 시편은 크기가 가로, 세로 각각 220 mm로 시험체의 전면에서 후면으로 관통하는 지름 25 mm의 구멍을 3개 뚫은 것으로, 시험체의 가열은 부열원으로 3분간 가열한 후, 다시 주열원으로 3분간 가열한다. 공기는 가열 중에 한하여 공급하며, 그 공급량은 가열로의 1차 공급 장치에 의해 3 L/min, 2차 공급 장치에 의해 25.
실험기기의 구성은 ISO 19702의 규정에 따라 샘플링 라인과 가스셀의 온도를 120ºC 설정하여 산성가스 및 기타물질이 샘플링 시스템이나 FT-IR 가스셀에 흡착되는 것을방지하였다.
연소가스의 정량 · 정성분석 결과 데이터를 ISO 13344의 기준에 부합되는 연소독성지수 LFED와 시료의 LC50의 계산에 적용하였다.
대상 데이터
또한 가스셀의 보호를 위하여 5 μm 필터를 사용하였다. 가스 유해성 시험기의 피검 상자(Chamber)상부에 별도의 샘플링 포트를 마련하였으며, FT-IR까지샘플링 라인(직경 3 mm, 테프론 재질)의 길이는 3 m, 흡입펌프유량은 3.5 L/min으로 설정하였다.
본 실험에서는 실험대상 시료로 건축 복합 재료(샌드위치 패널)의 심재로 사용되는 일반 우레탄을 선택하였으며, 시료의 두께(화재하중)에 따른 경향성을 분석을 위하여Table 1의 두께별로 제작, 3회 반복 실험을 실시하였으며, 실험과정은 Figure 1과 같다.
이론/모형
LFED의 계산기법은 ISO TR - 13344에서 제시된 식(3)을적용하였다.
성능/효과
1. 연소생성물의 유해성 판단 척도인 연소 독성지수 LFED는 시료 1에서 2.12, 시료 2~5는 3.20~3.61로 분석되어, 가스 유해성 시험에서 일정두께 이상인 우레탄 시료는 연소량에 큰 차이가 없기 때문에 LFED가 유사함을 확인하였다.
2. 우레탄 시료의 LC50은 10 mm 이상의 두께를 가지는 시료는 118.21~128.35 g/m3의 근사한 값을 보였다. 이는 재료의 연소특성에 기초한 LC50의 특성에서 기인하는 것으로 사료된다.
3. 우레탄 시료의 연소생성물 정성 · 정량분석 결과에 기초하여 ISO 13344에 부합되는 시료의 화재 위험성 예측값인 LC50의 산정을 통하여, 해당 기법의 화재 위험성 평가에 적용 가능성을 확인하였다.
4. 생체 유해성의 지표인 평균행동정지시간은 시료의 두께와 반비례하여 짧아지는 것으로 나타나 연소독성지수와의 상관관계를 완전히 설명할 수 없었다. 이에 본 실험기법에서 평가항목에 포함되지 않은 연소속도 및 FT-IR로 분석이 불가능한 요소에 대한 분석이 필요함을 확인하였다.
또한, 행동정지의 원인으로 마취성 가스에 의한 행동불가상태와 유독 요인에 의한 사망 등이 있으며, 이에 대한 정량적 판별이 불가능한 단점이 있다. 그러나 기존의 동물 실험 연구결과를 이용하여 독성을 추정하는 독성 평가와 달리 연소가스가 실제로 동물에 미치는 영향을 확인할 수 있고, 단일 요인에 의한 독성뿐만 아니라 모든 연소생성물에 의한 피해를 종합적으로 확인할 수 있다는 장점을 갖는다.
노출 챔버 내부에서는 연소가스에 노출된 실험동물의 행동정지시간을 측정하고 식(1), (2)에 따라 평균행동정지시간을 측정한 실험 3회의 평균값은 Table 3과 같다. 두께가 가장 얇은 시료 1은 8분 23초의 평균행동정지시간을 나타냈으며, 시료의 두께와 평균행동정지시간은 반비례하는 경향을 나타내어, 두께가 가장 두꺼운 시료 5는 3분 22초의 평균행동정지시간을 나타냈다. 또한, 실험전후 시료의 질량 측정을 통하여 도출된 질량감소는 Table 3에 나타내었다.
또한, 정성 · 정량분석결과에 기초하여 계산된 연소 독성지수 LFED는 10 mm 이상의 두께를 가지는 시료(Sample No. 2~5)에서 3.2~3.6가량의 LFED를 나타났으며, Life Safety Code Handbook의 무능화 발생 FED인 0.3과 비치사 FED인 0.8을 초과하는 값으로 나타났다(15).
은 단위체적당 질량으로 도출된다. 본 기법은 연소독성기반 위험성 정량적 평가가 가능함으로써, 사업장 화재 위험성 평가시 분석 결과의 신뢰도 향상과 지속적 관리평가제도 구축에 유용하다. 또한, 가연물이 방염 · 난연 처리되어 화재위험성이 감소한 경우, 본 연구에서 제시한 실험기법 및LC50 산출을 통하여 화재 위험성의 저감을 정량적으로 예측 · 분석할 수 있어 시설 및 건축물 안전관리에 소요되는 투자비용의 산출에 기여할 것으로 사료되며, 과정은 Figure 2와 같다.
또한, 실험전후 시료의 질량 측정을 통하여 도출된 질량감소는 Table 3에 나타내었다. 시료 2~4는 18~20 g으로 유사한 질량감소를 보였으며, 평균행동정지시간은 시료가 두꺼워짐에 따라 짧아지는 경향을 나타냈다.
76 g/m3로 가장 화재 위험성이 높은 것으로 분석되었다.시료 2~5의 LC50이 118.21~128.35 g/m3로 산출되어, LC50은 재료 자체의 연소특성에 기초함을 확인하였다. 그러나 본 연구를 통하여 도출된 LC50은 실험에 사용된 우레탄 시료에 한정된 값으로 시료의 특성에 따라 달라질 수 있다.
후속연구
5. 연소독성지수 기반 화재 위험성 평가를 위하여, 다양한 가연물을 대상으로 한 연소독성지수 데이터베이스의 구축이 요구되며, 해당 기법의 적용을 통하여 사업장 화재 위험성 평가의 분석 결과 신뢰도 향상에 기여할 수 있을 것으로 사료된다.
또한, 가연물이 방염 · 난연 처리되어 화재위험성이 감소한 경우, 본 연구에서 제시한 실험기법 및LC50 산출을 통하여 화재 위험성의 저감을 정량적으로 예측 · 분석할 수 있어 시설 및 건축물 안전관리에 소요되는 투자비용의 산출에 기여할 것으로 사료되며, 과정은 Figure 2와 같다.
. 본 시험방법은 실험동물의 평균행동정지시간이라는 단순화된 결과를 도출하기 때문에 평가가 용이하나, 어떠한 연소생성물에 대해 행동정지사유를 확인할 수 없는 단점이 있으므로 제품의 난연 성능 보완에 구체적으로 적용될 수 없다. 또한, 행동정지의 원인으로 마취성 가스에 의한 행동불가상태와 유독 요인에 의한 사망 등이 있으며, 이에 대한 정량적 판별이 불가능한 단점이 있다.
본 연구의 성과로부터 화재시 건축주 및 시설물의 주체는 대피자의 안전 확보를 위한 선택적 투자가 가능하도록 건축 재료별 정량적 평가지표 database를 구축함으로서,해당 database는 화재시 재실자의 대피 안전도 정량분석의 자료로 활용될 수 있을 것으로 예상된다.
생체 유해성의 지표인 평균행동정지시간은 시료의 두께와 반비례하여 짧아지는 것으로 나타나 연소독성지수와의 상관관계를 완전히 설명할 수 없었다. 이에 본 실험기법에서 평가항목에 포함되지 않은 연소속도 및 FT-IR로 분석이 불가능한 요소에 대한 분석이 필요함을 확인하였다.
참고문헌 (17)
Cauberghe Verolien, "Fear, Threat and Efficacy in Threat Appeals: Message Involvement as a Key Mediator to Message Acceptance", Accident Analysis and Prevention, Vol. 41, No. 2, pp. 276-285 (2008).
J. H. Petajan and K. L. Voorhees, "Extreme Toxicity from Combustion Products of a Fire-retarded Polyurethane Foam", Science, Vol. 187, No. 4178, pp. 742-744 (1975).
B. C. Levin and A. J. Fowell, "Further Development of a Test Method for the Assessment of the Acute Inhalation Toxicity of Combustion Products", Technical Report, NBSIR 82-2532, National Bureau of Standards, Wanshington, DC (1982).
C. J. Hilado "Relative Toxicity of Pyrolysis Products from Upholstery Fabrics: Effects of Fabric Variables and Test Conditions", The Journal of Combustion Toxicology, Vol. 4, No. 3, pp. 393-414 (1977).
The SFPE Handbook of Fire Protection Engineering 3rd edition, NFPA (2002).
D. A. Purser, "The Incapacitative Effects of Exposure to the Thermal Decomposition Products of Polyurethane Foams", Fire and Materials, Vol. 8, Issue 1, March, pp. 10-16 (1984).
Republic of Korea, Ministry of Land, Transport and Maritime Affairs Act 2012-624, Fire Retardant Performance Standard of Interior Finishes (2011).
KS F 2271: Testing method for incombustibility of internal finish material and element of buildings.
KS F ISO 5660-1: Reaction-to-fire tests - Heat release, smoke production and mass loss rate -- Part 1: Heat release rate (cone calorimeter method).
KS F ISO 1182: Reaction to fire tests for products -- Non-combustibility test.
ISO 19702: 2006 "Toxicity testing of fire effluents - guidance for analysis of gases and vapours in fire effluents using FT-IR gas analysis".
D. A. Purser, "Bioassay Model for Testing the Incapacitating Effects of Exposure to Combustion Product Atmospheres Using Cynomolgus Monkeys", Journal of Fire Sciences, Vol. 24, No. 1, pp. 20-36 (1984).
U. C. Luft, Handbook of Physiology, American Physiology Society, Washington, DC (1965).
ISO 13344: 2004 "Estimation of the lethal toxic potency of fire effluents".
Life Safety Code Handbook.
R. Cote, "Life Safety Code Handbook", NFPA.
S. S. Kim "A Research of Grain Size Analysis of Particulate Matter in Fire Effluent", Journal of Korean Institute of Fire Science & Engineering, Vol. 28, No. 6, pp. 1-5 (2014).
※ AI-Helper는 부적절한 답변을 할 수 있습니다.