본 연구는 콘칼로리미터 실험을 통해 건축물 마감재와 가구소재로 널리 적용되는 목재 가공품의 화염연소와 훈소시 화재특성을 파악하고자 한다. 시험대상 목재 가연물은 MDF, 합판, 칩보드이며 $50kW/m^2$의 복사열유속을 시편에 가하여 점화를 유도하였다. 실험과정에서 화재특성을 나타내는 발열량, 연소가스 생성율, 유효연소율 등의 주요 인자를 가연물의 두께에 따라 정량화하였다. 실험결과 초기 평면방향의 화염전파와 후기 시편의 관통에 의한 화재확대로 인해 단위면적당 발열량에 대한 두 개의 피크점이 관측되었다. 화염연소시의 질량감소율이 훈소시에 비해 5배 이상 높게 나타난 반면에 훈소과정에서 CO 생성율은 화염연소에 비해 10배 이상 높게 측정되어 훈소시 높은 독성가스 생성율을 보였다. 본 연구는 목재 가연물의 화재성상을 이해하고 화재해석을 위한 물성자료로 활용될 수 있다.
본 연구는 콘칼로리미터 실험을 통해 건축물 마감재와 가구소재로 널리 적용되는 목재 가공품의 화염연소와 훈소시 화재특성을 파악하고자 한다. 시험대상 목재 가연물은 MDF, 합판, 칩보드이며 $50kW/m^2$의 복사열유속을 시편에 가하여 점화를 유도하였다. 실험과정에서 화재특성을 나타내는 발열량, 연소가스 생성율, 유효연소율 등의 주요 인자를 가연물의 두께에 따라 정량화하였다. 실험결과 초기 평면방향의 화염전파와 후기 시편의 관통에 의한 화재확대로 인해 단위면적당 발열량에 대한 두 개의 피크점이 관측되었다. 화염연소시의 질량감소율이 훈소시에 비해 5배 이상 높게 나타난 반면에 훈소과정에서 CO 생성율은 화염연소에 비해 10배 이상 높게 측정되어 훈소시 높은 독성가스 생성율을 보였다. 본 연구는 목재 가연물의 화재성상을 이해하고 화재해석을 위한 물성자료로 활용될 수 있다.
A series of fire tests was conducted to examine the fire characteristics of flaming and smoldering combustion of engineered wood products, which have been widely used for furniture and finishing materials in buildings. The engineered wood products of MDF, plywood, and chipboard were ignited by a rad...
A series of fire tests was conducted to examine the fire characteristics of flaming and smoldering combustion of engineered wood products, which have been widely used for furniture and finishing materials in buildings. The engineered wood products of MDF, plywood, and chipboard were ignited by a radiant cone heater with incident heat flux of $50kW/m^2$. During the fire test, key parameters representing the fire characteristics such as the heat release rate, yield rate of combustion product, and effective heat of combustion were quantified in terms of thickness. The tests show two peak points of HRRPUA due to lateral fire propagation in the initial stage, followed by later fire penetration through the specimen thickness. The mass loss rate of flaming combustion was 5 times higher than that of smoldering combustion, while the CO yield rate of smoldering combustion was 10 times higher than that of flaming combustion. This study can contribute to the understanding of fire behavior of wood combustibles and provide useful data for fire analysis.
A series of fire tests was conducted to examine the fire characteristics of flaming and smoldering combustion of engineered wood products, which have been widely used for furniture and finishing materials in buildings. The engineered wood products of MDF, plywood, and chipboard were ignited by a radiant cone heater with incident heat flux of $50kW/m^2$. During the fire test, key parameters representing the fire characteristics such as the heat release rate, yield rate of combustion product, and effective heat of combustion were quantified in terms of thickness. The tests show two peak points of HRRPUA due to lateral fire propagation in the initial stage, followed by later fire penetration through the specimen thickness. The mass loss rate of flaming combustion was 5 times higher than that of smoldering combustion, while the CO yield rate of smoldering combustion was 10 times higher than that of flaming combustion. This study can contribute to the understanding of fire behavior of wood combustibles and provide useful data for fire analysis.
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문제 정의
본 연구에서는 일상에서 널리 적용되는 목재 가공품인 MDF, 합판, 칩보드의 화염연소와 훈소상태에서 화재특성을 정량적으로 파악하기 위해 콘칼로리미터를 이용하여 화재실험을 수행하고 가연물의 두께에 따른 발열량, 연료의 질량감소율, 연소가스 생성율, 유효 연소열 등 주요 인자를 분석하여 목재 가연물의 화재성상을 이해함과 동시에 화재해석을 위한 기초자료를 제공하고자 한다.
제안 방법
가연물의 연소상태에 따라 질량은 지속적으로 변화하지만 화염연소구간인 300 s 근처와 훈소구 간인 1400 s 근처에서는 시간에 따른 일정한 질량변화를 보이고 있다. 따라서 본 연구에서는 질량변화를 기준으로 준정상상태 구간을 평균구간(time window)로 설정하고 이 구간에 대해 시간평균값을 화재특성에 대한 대푯값으로 고려하였다.
본 연구는 건축물의 내장재 및 가구류의 소재로 널리 사용되는 MDF, 합판, 칩보드 등의 목재가공품에 대하여 화염연소 및 훈소과정에서의 화재특성을 콘칼로리미터 실험을 통해 정량화하였으며 화재특성에 미치는 판재 두께의 영향을 파악하였다. 실험을 통해 얻은 결론은 다음과 같이 요약할 수 있다.
이러한 피크의 시간간격은 가연물의 두께를 가로질러 연소가 진행되는 관통시간과 밀접한 관련이 있다. 실험이 진행되는 동안 육안으로 관통시간을 평가하는 것은 매우 어려운 일이기 때문에 본 연구에서는 HRRPUA의 피크 값의 시간간격을 목재가연물의 관통시간(penetration time)으로 간주하였다.
대상 데이터
콘히터에서 시편으로 가해지는 복사열은 50 kW/m2 정도이며 콘히터와 시편사이의 거리는 25 mm로 모든 시험에서 일정하게 유지된다. 실험대상 시편은 건축내장 재료로 널리 이용되는 MDF, 합판, 칩보드이며 시편의 두께는 MDF 와 합판의 경우 6, 9, 12 mm이며 칩보드의 경우 15, 18, 23 mm이다. 시편은 시편거치대(sample holder) 윗면과 수평을 이루도록 배치되었으며 아랫면에 세라믹 울을 배치하여 바닥으로의 열전달을 최소화하였다.
이론/모형
시험대상 목재가연물의 화염연소 및 훈소상태에 대한 화재특성을 파악하기 위해 ISO-5660 콘칼로리미터 시험 방법을 적용하여 실험을 수행하였다(3). 연소과정에서 가연물 시편의 질량변화는 로드셀(load cell)을 이용하여 측정하였으며 전기 콘히터(cone heater)를 통해 일정한 열유속을 시편에 가하여 자연점화를 유도하였다.
성능/효과
2. 화염연소 및 훈소에 의한 목재 판재의 관통시간을 평가하기 위해 본 연구에서는 HRRPUA의 피크 값의 시간간격을 통해 관통시간을 평가하였으며 이러한 평가방법에 의해 계산된 평균 관통시간은 Palmer 등이 제시한 두께의 제곱에 비례하는 결과와 일치되는 결과를 얻었으며 실험 대상 목재 가공품에 대한 경험상수 A값은 3.5 s/mm2 정도로 나타났다.
모든 실험결과에서 HRRPUA에 대한 두 개의 피크점이 나타났으며 첫 번째 피크는 초기 점화 이후의 화재전파에 따른 것이며 두 번째 피크는 깊이 방향으로 시편이 관통되어 화염이 형성되기 때문에 발생하는 것으로 판단된다. 두 번째 피크 이후 가연물에서 발생하는 연료증기(fuel vapor)의 양은 급격히 감소하였고 훈소상태가 오랜시간 지속되었다.
1. 모든 실험결과에서 HRRPUA에 대한 두 개의 피크점이 나타났으며 첫 번째 피크는 초기 점화 이후의 화재전파에 따른 것이며 두 번째 피크는 깊이 방향으로 시편이 관통되어 화염이 형성되기 때문에 발생하는 것으로 판단된다. 두 번째 피크 이후 가연물에서 발생하는 연료증기(fuel vapor)의 양은 급격히 감소하였고 훈소상태가 오랜시간 지속되었다.
Figure 6은 준정상상태에서의 목재 판재의 두께에 따른 질량감소율을 화염연소구간과 훈소구간에 대해 나타낸다. 화염 연소시 두께가 10 mm 이상인 경우 가연물의 종류에 관계없이 비교적 일정한 질량감소율을 보였으나 10 mm 이하에서는 준정상상태의 질량감소율이 크게 증가하는 경향을 보였다. 이는 열적으로 얇은(thermally thin) 가연물일수록 두께를 가로질러 온도차가 적고 이로 인한 두께 방향으로의 열전도가 상대적으로 적기 때문에 재료 내부의 온도가 상승하여 화염전파가 빠르게 일어나기 때문인 것으로 판단된다.
화염 연소시 두께가 10 mm 이상인 경우 가연물의 종류에 관계없이 비교적 일정한 질량감소율을 보였으나 10 mm 이하에서는 준정상상태의 질량감소율이 크게 증가하는 경향을 보였다. 훈소 과정에서의 연료의 질량감소율은 두께에 관계없이 거의 일정하였으며 10 mm 이상의 목재 판재에 대해 화염연소시 연소율은 약 0.08 g/s 이하이며 훈소시 연소율은 0.015 g/s 정도로 약 5배 정도 차이를 보였다.
4. 훈소과정에서의 일산화탄소 생성율, 이산화탄소 생성율, 유효연소열 등은 화염연소에 비해 크게 증가하는 경향을 보였다. 이는 화재해석에서 적용되는 연소생성물의 생성율이나 유효연소열 등의 화재물성이 화염연소상태에서의 측정값에 기초하기 때문에 훈소의 영향이 큰 경우 실제 가연물에서 발생되는 화재물성과 차이가 있을 수 있으며 화염연소와 훈소의 기여정도에 따른 물리적 화학적 화재 특성변화를 추가적으로 연구할 필요가 있다.
후속연구
훈소과정에서의 일산화탄소 생성율, 이산화탄소 생성율, 유효연소열 등은 화염연소에 비해 크게 증가하는 경향을 보였다. 이는 화재해석에서 적용되는 연소생성물의 생성율이나 유효연소열 등의 화재물성이 화염연소상태에서의 측정값에 기초하기 때문에 훈소의 영향이 큰 경우 실제 가연물에서 발생되는 화재물성과 차이가 있을 수 있으며 화염연소와 훈소의 기여정도에 따른 물리적 화학적 화재 특성변화를 추가적으로 연구할 필요가 있다.
참고문헌 (8)
T. J. Ohlemiller, "Smoldering Combustion", SFPE Handbook of Fire Protection Engineering, 3rd Ed., Section 2, Chapter 9, NFPA, US (2002).
G. Rein, "Smouldering Combustion Phenomena in Science and Technology", International Review of Chemical Engineering, Vol. 1, No. 1, pp. 3-18 (2009).
ISO-5660-1, "Rate of Heat Release of Building Products (Cone Calorimeter)", International Standards Organization, Geneva, Switzerland (1992).
S. C. Kim, "A Study on Fire Characteristics of Solid Combustible Materials Based on Real Scale Fire Test", Fire Science and Engineering, Vol. 25, No. 5, pp. 62-68 (2011).
S. Y. Choi, J. Y. Kim, D. G. Nam and S. C. Kim, "Comparative Study on the Estimation Method of Fire Load for Residential Combustibles", Fire Science and Engineering, Vol. 27, No. 6, pp. 38-43 (2013).
K. N. Palmer, "Smoldering Combustion in Dusts and Fibrous Materials", Combustion and Flame, Vol. 1, No. 2, pp. 129-154 (1957).
G. H. Ko, "Prediction Performance of FDS on the Carbon Monoxide Production in the Under-Ventilated Fires", Fire Science and Engineering, Vol. 25, No. 5, pp. 93-99 (2011).
S. C. Kim, G. H. Ko and S. H. Lee, "On the Reliability of the Computational Fire Model Based on the Yield Rate Concept of Combustion Gases", Fire Science and Engineering, Vol. 23, No. 4, pp. 130-136 (2009).
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