[논문]건축재료별 목재구조와 연소특성에 관한연구

김종북; 박영주; 이시영

doi:10.7731/kifse.2016.30.5.060

건축재료별 목재구조와 연소특성에 관한연구
Star Building Materials Study on Wood Structure and Combustion Characteristics 원문보기

한국화재소방학회 논문지= Fire science and engineering, v.30 no.5, 2016년, pp.60 - 66

김종북 (강원대학교 방재전문대학원) , 박영주 (강원대학교 공학대학 소방방재학부) , 이시영 (강원대학교 방재전문대학원)

초록
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본 연구는 건축 재료(마감재)로 쓰이고 있는 목재 나무류 미송, 나왕, 삼나무, 소나무 등4종의 구조와 연소특성을 연구하였다. 착화특성을 보면 착화시간(TTI)범위가 21 s~32 s으로나타났으며 특히 소나무는 TTI가 21 s로 다른 재료들보다 비교적 빠른 601 s에 착화되어 631 s에 소멸되었다. 최대열방출율과 평균열방출율은 소나무 > 나왕 > 삼나무 > 미송 순으로 나타내었다. 총열방출량은 나왕 > 미송 > 소나무 > 삼나무 순이었다. 총연기방출량은 소나무가 $424.80m^2/m^2$, 나왕 $185.93m^2/m^2$이었다. 탄소배출량은 미송이 1,460 s에서 0.185 kg/kg CO 최대값을 보이고 $CO_2$ 값은 750 s에서 15,986 kg/kg으로 최대값을 보이다 3,090 s에서 정지되었다. 향후, 건축 재료로서 화재의 안전성을 평가하기 위한 기초 자료로 활용하는 방안을 제시하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

This study investigated the structure and combustion characteristics of four species, Timber Douglas-fir being used construction materials (finishes), Lauan, Cryptomeria japonica, Pinus densiflora trees in the area. In lookong into the ignition characteristics was a time range of ignition (TTI) appeared in the 21 s~32 s, especially Pinus densiflora TTI is ignited in a relatively rapid 601 s to 21 s than the other materials were destroyed in the 631 s. The maximum heat release rate and average heat release rate is Pinus densiflora > Lauan > Cryptomeria japonica > Douglas-fir showed a net. Barrel emissions are Lauan > Douglas-fir > Pinus densiflora > Cryptomeria japonica was in order. The total emissions was postponed Pinus densiflora $424.80m^2/m^2$, Lauan $185.93m^2/m^2$. Douglas-fir carbon emissions of 1460, showing 0.185 kg/kg CO maximum value from s $CO_2$ values show the maximum value to 15,986 kg/kg in 750 s stopped in the 3,090 s. Next, the study suggested methods to utilize as the basic data for evaluating the safety of the fire as a building material.

주제어

표/그림 (11)

표 Table 1. Material used in the Experiment
그림 Figure 1. Experiment photograph of cone calorimeter experiment.
그림 Figure 2. Heat release rate characteristics of the woods.
표 Table 2. Lgnition Characteristics of the Woods
그림 Figure 3. Total heat release rate characteristics of the woods.
표 Table 3. Results of Cone Calorimeter Test
표 Table 4. Characteristics of Average Carbon Emissions and Residue
그림 Figure 4. Total smoke release characteristics of the woods.
그림 Figure 5. Concentration of CO emission for the woods.
그림 Figure 6. Concentration of CO₂ emission for the woods.
그림 Figure 7. Structure photographof Cryptomeria-japonica and Pinus-densiflora.

AI 본문요약
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문제 정의

따라서 본 연구에서는 건축 재료(마감재)로 쓰이고 있는 목재 나무류(4종)의 각각의 열방출률 특성을 분석, 연구함으로써 보다 화재로부터 안전한 건축물을 짓는데 활용하는 기초자료로 제시하고자 한다.
본 연구에서는 연소 시 건축물의 재료로 쓰인 목재 나무류인 미송, 나왕, 삼나무 및 소나무 등 4종의 구조와 연소 특성을 분석, 연구하여 향후, 화재로부터 안전한 친환경 재료를 개발하여 안전성 확보 구축을 위한 중요한 사항들을 분석해 제안하였다.

제안 방법

금번 콘칼로리미터 실험에서는 목재 나무류인 미송, 나왕, 삼나무 및 소나무 등으로 착화특성, 발열량 특성, 동적 연기(발연량)특성, 탄소배출량 및 잔유물 등을 고찰하였다. FTIR은 규격 Midac, US/14001이고 콘칼로리미터 규격은 Fire testing technology, GB/Dual Cone 2000으로 상기 두개의 장비를 연결해 각각 3반복 실험하여 각각의 주재료의 연소가스 분석을 관찰하였다.
각각의 시험편의 구조를 알아보기 위하여 주사전자현미경 (SEM, HITACHI S-3500N Scanning Electron Microscope) 을 이용하였다. SEM은 집광렌즈(condenser lens)와 대물 렌즈(objective lens)를 가지고 있으나, 광학현미경이나 투과전자현미경(TEM)처럼 빛의 법칙에 따라서 화면을 형성하지 않고, 전자기렌즈가 전기가 통하는 시편의 표면에 초점을 형성한 전자빔 spot을 형성하고 이 spot이 관찰하고자 하는 시편부위를 주사하여 영상을 형성한다.
제품에 불규칙한 표면이 있는 경우에는 표면 중 가장 높은 지점이 시편의 중앙에 위치하도록 시편을 절단한다⁽⁶⁾는 기준으로 목재 나무류 4종 및 화학물질이 함침된 합판 나무류 5종 일부 시편은 있는 그대로 두께로 조건에 맞추어 시편을 제작하였다 (Table 1). 금번 콘칼로리미터 실험에서는 목재 나무류인 미송, 나왕, 삼나무 및 소나무 등으로 착화특성, 발열량 특성, 동적 연기(발연량)특성, 탄소배출량 및 잔유물 등을 고찰하였다. FTIR은 규격 Midac, US/14001이고 콘칼로리미터 규격은 Fire testing technology, GB/Dual Cone 2000으로 상기 두개의 장비를 연결해 각각 3반복 실험하여 각각의 주재료의 연소가스 분석을 관찰하였다.
대표적 몇 가지 재료의 일반적인 특징으로 목재 나무류를 콘 칼로리미터의 가열 강도를 50 kW/m²로 화염이 발생후 완전히 꺼진 약 180초 가량을 연소시켜 관찰해 보았 다. 일부 재료 중 미송은 연소된 부위가 부풀어 올라왔고 반면 나왕은 다른 수종에 비해 내부 조직도가 치밀하여 높은 열에도 강해 연소 후 다른 수종에 비해 일정한 간격으로 탄화한 흔적으로 일정한 결을 보였다.

대상 데이터

시편은 제품을 대표하는 것이어야 하고, 가로, 세로 각각 100 ± 1 (mm)인 정사각형의 것이어야 한다. 두께가 50 mm 이하인 제품은 그 제품의 두께대로 시험을 실시한다. 두께가 50 mm를 초과하는 제품은 비 노출면을 절단하여 두께를 50 mm로 감소시켜 시편을 준비한다.
본 연구에 쓰인 주재료는 미송, 나왕, 삼나무 및 소나무류인 4종을 선정하였으며, 기존의 주택(창고)을 철거한 후 수집한 재료로 연구의 실질적 현실성을 주고자 제조공장 에서 출하된 재료를 배제하고 주민이 기거하며 생활하다 철거한 재료를 가지고 하다 보니 조습 조건 또한 고려치 않았다. Table 1의 실험에 사용된 재료들을 제시하였다.

성능/효과

1) 순수 나무류인 미송, 나왕, 삼나무, 소나무의 주성분인 탄소화합물과 셀룰로오스 및 일부 고형분이 열분해 되며 물리화학적 변화에 따라 대부분 탄소로 변함을 확인하였다.
2) 삼나무, 소나무 등은 고열로 인해 표면에 큰 변화가 있었으며 탄화로 인해 Char가 형성되었고, 특히 소나무는 나무 내부의 조직이 탄화전과 후의 형태를 유지하였다.
3) 착화특성은 순수 나무류인 4종 모두 착화시간(TTI)범 위가 21 s~32 s 시간으로 측정되었다. 특히 소나무의 TTI 가 다른 재료들보다 비교적 빠른 601 s에 착화되어 21 s 동안 유지되다 631 s에 소멸됨을 보였다.
4) 최대열방출율의 시간의 크기는 소나무 > 나왕 > 삼나무 > 미송 순으로 나타났고 평균열방출율의 시간의 크기는 소나무 > 나왕 > 삼나무 > 미송 순으로 나타내었다.
5) 총연기방출량은 가장 많은 소나무가 424.80 m²/m², 다음으로 나왕 185.93 m²/m² , 삼나무가 87.12 m²/m², 미송 이7.9 m²/m²로 가장 작은 값의 경향을 보였다.
6) 탄소(CO, CO₂) 배출량은 미송의 CO 값과 CO₂ 값이 다른 재료들보다 월등히 큰 값인 1,460 s에서 0.185 kg/kg CO 최대값을 보이고 CO₂ 값은 750 s에서 15,986 kg/kg으 로 최대값을 보이다가 3,000 s까지 배출되다가 3,090 s에서 정지됨이 확인되어 CO, CO₂의 배출이 목재 나무의 연소거동과 상당한 상관관계가 있다고 사료된다.
목재 나무류인 4종의 목재에 대한 착화시간(TTI)에 대해 Table 2에 나타내었다. TTI 범위는 21 s~32 s인 것으로 나타났으며 재료별로 약간의 차이가 있음을 보여주었다. TTI이 21 s로 가장 낮은 소나무는 복사열에 노출된 다음 다른 재료들보다도 비교적 빠른 601 s에 착화되어 21 s 동안 유지되다가 631 s에 소멸되는 것으로 나타났으며 삼나무는 TTI이 29 s 소멸시간이 609 s, 나왕은 TTI가 29 s 소멸시간이 1673 s로 나타났으며 미송은 TTI가 32 s로 시작하여 2847 s 동안 화염시간이 진행되다 32 s 후인 2879 s에 화염이 소멸됨을 알 수 있었다.
TTI 범위는 21 s~32 s인 것으로 나타났으며 재료별로 약간의 차이가 있음을 보여주었다. TTI이 21 s로 가장 낮은 소나무는 복사열에 노출된 다음 다른 재료들보다도 비교적 빠른 601 s에 착화되어 21 s 동안 유지되다가 631 s에 소멸되는 것으로 나타났으며 삼나무는 TTI이 29 s 소멸시간이 609 s, 나왕은 TTI가 29 s 소멸시간이 1673 s로 나타났으며 미송은 TTI가 32 s로 시작하여 2847 s 동안 화염시간이 진행되다 32 s 후인 2879 s에 화염이 소멸됨을 알 수 있었다. 미송을 비롯한 나왕, 삼나무, 소나무 등의 착화시간과 지속시간 및 소멸시간이 다른 것은 그들의 자연상태(각 수종별 유전적인특징, 기후, 습도, 양분 등)환경에서 영향을 받은 것으로 사료된다.
또한 Figure 3에는 복사열 크기 변화에 따른 각 재료별 (미송, 나왕, 삼나무 및 소나무)의 총열방출량(Total Heat Release Rate, THR)을 그래프로 나타내었다. 각각의 총열 방출량(THR)은 미송이 98.88 MJ/m², 나왕이 123.22 MJ/ m² 및 삼나무가 49.94 MJ/m², 소나무가 71.54 MJ/m² 를 나타내었다. 각 재료별 총열방출량(THR)의 크기는 나왕 > 미송 > 소나무 > 삼나무 순으로 나타내었다.
따라서 최대열방출 율 peak HRR (kW/m2)의 각 재료별을 비교해보면 미송이 96.32 kW/m2, 나왕이 134.60 kW/m2, 삼나무가 122.69 kW/ m2 및 소나무가 215.78 kW/m2 의 값을 보였으며 재료별 순서로는 소나무 >나왕 >삼나무 >미송 순으로 나타내었다.
185 kg/kg으로 최대값을 보이다가 급격히 하락하며 3,100 s에서 CO의 방출을 멈춤을 알 수 있었다. 또한 나왕의 CO의 방출농도 곡선은 완만한 증감을 보이 며 1,800 s에서 최대값을 보이다가 1,890 s에서 급격히 CO 배출량이 하락함을 알 수 있었다.
삼나무는 내부 조직이 고열로 인해 골고루 탄화되며 표층 부의 조직이 무너짐을 확인할 수 있었고 특히 일정한 단층 구조가 고열로 인해 구조와 구조의 층간 간격이 좁혀져 탄화되었음을 알 수 있었다. 소나무 조직의 SEM사진의 연소 전, 후를 관찰해보니 전, 후의조직이 비슷한 형태를 보였으며 중간 중간에 움푹 패인 구멍들이 여러개 있었으며 무늬층이 선명하게 관찰되었다(Figure 7).
3) 착화특성은 순수 나무류인 4종 모두 착화시간(TTI)범 위가 21 s~32 s 시간으로 측정되었다. 특히 소나무의 TTI 가 다른 재료들보다 비교적 빠른 601 s에 착화되어 21 s 동안 유지되다 631 s에 소멸됨을 보였다.
78 kW/m² 의 값을 보였으며 재료별 순서로는 소나무 >나왕 >삼나무 >미송 순으로 나타내었다. 평균열방출율 mean HRR (kW/m²)을 비교해보면 복사열 50 kW/m² 일 때 미송이 55.11 kW/m², 나왕이 68.54 kW/m², 삼나무가 66.58 kW/m² 및 소나무에서 각각 91.71 kW/m²의 값을 보였다. 따라서 평균열 방출율 값의 크기는 소나무 > 나왕 > 삼나무 > 미송 순으로 관찰되었다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	건축 재료로 쓰이는 목재에 대한 장점은?	건축 재료로 쓰이는 목재에 대한 장점은 자연친화적이며 건강에 유익하고, 단열성이 뛰어나며, 기밀성이 우수하고 내구성이 좋고 특히, 사람들의 눈, 코, 입으로 느낄 수 있는 심미성이 뛰어난 재료로 범국민적 웰빙(힐링)으로 인해 목재 사용이 증가하고 있는 추세이다. 국내의 신축 공동 주택의 90% 이상에 목재 및 목질 재료가 내장재로 사용되고 있으며(1) 국가 법령집의 2013년에 발효된 ‘목재의 지속가능한 이용에 관한 법률’을 기반으로 하여 친환경 재료로써의 목재 및 목질 재료의 사용이 더욱 증가되는 추세이다(2).
	열방출율이란?	열방출율은 재료의 표면적당 발생되는 열량을 의미하며 발생열량의 크기에 따라 화재 위험성을 평가할 수 있다(11,12).
	연소특성을 연구할때 발생열량이 중요한 이유는?	열방출율은 재료의 표면적당 발생되는 열량을 의미하며 발생열량의 크기에 따라 화재 위험성을 평가할 수 있다(11,12).

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상세보기
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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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