[논문]복합자재의 패널 간 화염확산방지에 따른 플래시오버 지연 효과에 대한 실험적 연구

김도현; 조남욱

doi:10.7731/kifse.2017.31.2.001

복합자재의 패널 간 화염확산방지에 따른 플래시오버 지연 효과에 대한 실험적 연구
Experimental Study on the Flash Over Delay Effects according to the Prevention of Flame Spread between Composite Material Panels 원문보기

한국화재소방학회 논문지= Fire science and engineering, v.31 no.2, 2017년, pp.1 - 8

초록
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샌드위치패널은 건축물의 내 외벽 및 지붕구조에 사용되며 양면의 불연성재료와 단열용 심재로 구성된 복합자재이다. 뛰어난 단열성능과 경량 및 시공의 우수한 특성 대비 화재 시 패널간 결합부위를 통해 화염이 내부로 유입되어 심재가 쉽게 용융되며 급격한 화염확산으로 인명 및 재산피해를 발생시킨다. 현행 건축법은 건축물 마감재료에 대하여 소규모 시험편에 대한 화재시험방법으로 연소성능을 파악하며 규정한 성능기준에 합격한 제품을 사용하도록 한다. 외벽 마감재료의 경우 불연 준불연 성능확보 재료를 사용하거나 화재확산방지구조를 설치하도록 규정한다. 본 연구는 외벽 마감재료에 국한되어 적용하고 있는 화재확산방지 구조를 샌드위치패널 건축물에 적용하여 수평 수직 화재확산의 위험성의 차이를 확인하고자 하였다. 이에 샌드위치패널에 대하여 ISO 13784-1 시험방법을 통한 실물화재실험과 금속구조물을 이용하여 패널간 화염확산을 차단하는 시공을 통해 화염확산방지 적용 여부에 대한 연소거동과 그 효과를 측정하였다. 실험 결과 패널 조인트 부위의 화염확산방지구조 시공은 패널 내부의 화염확산을 지연하며 이에 따른 플래시오버 시간이 지연되어 복합자재 건축물의 화재안전확보에 중요한 요인으로 작용될 수 있음을 확인하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

A sandwich panel is a composite material composed of a double-sided noncombustible material and insulation core which is used in the inner, outer walls, and roof structure of a building. Despite its excellent insulation performance, light weight and excellent constructability, a flame is brought into the inside of the panel through the joint between the panels, melting the core easily and causing casualties and property damage due to the rapid spread of flame. The current Building Law provides that the combustion performance of finishing materials for buildings should be determined using a fire test on a small amount of specimen and only a product that passes the stipulated performance standard should be used. This law also provides that in the case of finishing materials used for the outer walls of buildings, only materials that secured noncombustible or quasi-noncombustible performance should be used or flame spread prevention (FSP) should be installed. The purpose of this study was to confirm the difference between the dangers of horizontal and vertical fire spread by applying FSP, which is applied to finishing materials used for the outer walls of buildings limitedly to a sandwich panel building. Therefore, the combustion behavior and effects on the sandwich panel according to the application of FSP were measured through the construction to block the spread of flame between the panels using a full scale fire according to the test method specified in ISO 13784-1 and a metallic structure. The construction of FSP on the joint between the panels delayed the spread of flame inside the panels and the flash over time was also delayed, indicating that it could become an important factor for securing the fire safety of a building constructed using complex materials.

주제어

표/그림 (13)

그림 Figure 1. Cone Calorimeter.
그림 Figure 2. ISO 13784-1 test size^(3,9-12).
표 Table 1. Performance Criteria of Each Class for Sandwich Panels⁽³⁾
그림 Figure 3. ISO 13784-1 test.
그림 Figure 4. Combined with Each sandwich panel joint (Left : Before combination, Right : After combination)^(3,9-12).
표 Table 2. Test Specimen Description
그림 Figure 5. Fire spread prevention block system.
그림 Figure 6. Sandwich panel with Fire spread prevention block system.
그림 Figure 7. Fire test specimen.
그림 Figure 8. Measurement of Gas temperatures inside test room (ISO 9705)⁽⁸⁾.
그림 Figure 9. Test result of Heat release rate^(3,9-12).
그림 Figure 10. Gas temperatures inside–Upper point (2,100 mm)^(3,9-12).
그림 Figure 11. Gas temperatures inside–Lower point (670 mm)^(3,9-12).

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구에서는 화재위험성이 높은 유기단열재로 구성된 비난연EPS(Expended Poly Styrene) 및 난연EPS샌드위치패널(Flame Retardant Expended PolyStyrene) 시험체와 난연 EPS샌드위치패널에 패널 간 화염확산을 방지하는 금속구조물을 적용한 시험체에(Blocked-Fire Spread Prevention) 대하여 플래시오버의 차이를 확인하고자 실규모 화재시험을 수행하였다. 화염확산을 방지하는 구조물은 자립식 금속구조물로서 화염확산방지블록시스템으로 정의한다(Figrue 5).

가설 설정

샌드위치패널은 양면이 철판으로 구성되므로 내부에서 발생된 화염을 외부에서 진화하기 어렵다. 패널 내부 심재의 지속적 화염확산은 건축물의 붕괴를 가속화하며 재실자의 안전확보 및 구조활동의 저해 요인으로 작용한다. 패널 결합면에 화염확산을 제한하는 구조물을 시공하면 패널 내부에 유입된 화염이 근접 패널로 전파되는 것을 지연시킬 수 있다.

제안 방법

샌드위치패널 건축물의 화재 시 수평 · 수직방향으로 급속도로 전개되는 화재확산과 이에 따른 인명 및 재산피해는 다양한 화재사고 사례를 통해 확인되고 있다. 따라서 본 연구에서는 샌드위치패널 구조물에 대하여 실대형 화재시험을 수행하였으며, 화염확산방지구조 적용 여부에 따른 연소거동의 특성을 아래와 같이 파악하였다.
화염확산을 방지하는 구조물은 자립식 금속구조물로서 화염확산방지블록시스템으로 정의한다(Figrue 5). 시험체에 시공되는 화염확산방지블록시스템의 설치 개수를 다르게 하여 설치 간격에 따른 연소거동의 차이를 측정하였으며, 화염 확산을 지연하였을 경우의 화재안전 효과를 판단하였다.
와 유사한 규모의 화재시험방법이다. 실험실 내측 모서리에 불꽃을 직접 노출시켰을 때, 샌드위치 패널 조립체의 연소특성과 구조물의 플래시오버까지의 화재성장의 특성, 내부화재 확산에 따른 외부공간 또는 인접 건물로의 화재전파의 가능성, 건축물 붕괴의 가능성, 시험실 내부에서의 화재가스 및 연소 생성물에 따른 화재위험성을 평가한다. 시험체 중앙 개구부를 통해 연소생성물이 분출되면 시험체 외부의 배기 덕트에서 연소생성물을 포집하여 O₂, CO₂, CO 량을 분석하며, 소모된 산소감소율을 계산하여 열방출율(HRR)을 산출한다.

대상 데이터

난연EPS샌드위치패널의 각 결합부에 화염확산방지블록 시스템을 설치한 3개체는 현행 건축법에 적합한 난연등급의 샌드위치패널에 화재시 확염산방지를 위한 블록시스템을 설치한 시험체이다. 블록시스템을 시공한 3개의 시험체는 설치된 블록시스템의 간격이 다르며 이는 패널에서 인접 패널로 화염이 확산될 때 이를 차단하는 구조물로써 설치 간격에 따른 연소거동의 특성을 파악하기 위함이다.
본 연구는 Figure 2의 규모로써 100 mm 두께의 복합자재를 대상으로 가연성 비난연EPS샌드위치패널(EPS)^(3,9-12)과 난연EPS샌드위치패널(FR EPS : Flame Retardant EPS)^(3,9-12) 각 2개씩 4개체, 난연EPS샌드위치패널의 패널 간 결합부에 간격별로 화염화산방지블록시스템을 시공한 것 3개체로 구성하였다. 화염확산블록시스템을 적용한 3개체 시험체는 Figure 7과 같으며 패널의 모든 결합부에 블록시스템을 시공한 1종(AB-FSP : All Blocked-Fire Spread Prevention), 2패널 당 1개에 블록시스템을 시공한 1종(2B-FSP : 2nd BlockedFire Spread Prevention), 3패널당 1개에 블록시스템을 시공한 1종(3B-FSP : 3rd Blocked-Fire Spread Prevention)으로 구성하였다.
시험체는 샌드위치패널에 대하여 Figrue 2와 같이 2,400 (L)×3,600 (W)×2,400 (H) mm 크기로 실(Room)을 구성한다. ISO 13784-1 에서는 1,200 mm 폭으로 되어있으나, 국내 제품 규격에 따라 1,000 mm 폭 패널로 제작되어 좌우측 벽 4개 패널, 후벽 3개 패널, 천장 4개로 구성하며 전면 3개 패널은 정방향면의 중앙출입 개구부로써 800 (W)×2,000 (H) mm의 치수로 구성한다.
각 2개씩 4개체, 난연EPS샌드위치패널의 패널 간 결합부에 간격별로 화염화산방지블록시스템을 시공한 것 3개체로 구성하였다. 화염확산블록시스템을 적용한 3개체 시험체는 Figure 7과 같으며 패널의 모든 결합부에 블록시스템을 시공한 1종(AB-FSP : All Blocked-Fire Spread Prevention), 2패널 당 1개에 블록시스템을 시공한 1종(2B-FSP : 2nd BlockedFire Spread Prevention), 3패널당 1개에 블록시스템을 시공한 1종(3B-FSP : 3rd Blocked-Fire Spread Prevention)으로 구성하였다. 총 7개체의 시험체에 대하여 ISO 13784-1 시험을 수행하여 플래시오버 시간을 Figure 3과 Table 2와 같이 측정 · 비교하였다.

데이터처리

화염확산블록시스템을 적용한 3개체 시험체는 Figure 7과 같으며 패널의 모든 결합부에 블록시스템을 시공한 1종(AB-FSP : All Blocked-Fire Spread Prevention), 2패널 당 1개에 블록시스템을 시공한 1종(2B-FSP : 2nd BlockedFire Spread Prevention), 3패널당 1개에 블록시스템을 시공한 1종(3B-FSP : 3rd Blocked-Fire Spread Prevention)으로 구성하였다. 총 7개체의 시험체에 대하여 ISO 13784-1 시험을 수행하여 플래시오버 시간을 Figure 3과 Table 2와 같이 측정 · 비교하였다.

성능/효과

(1) 플래시오버 관측 시점에 대하여, 패널간 결합부에 화염확산방지블록시스템을 설치한 시험체는 수평 및 수직방향의 화염전이 속도가 늦게 나타났으며 본 시스템을 설치하지 않은 시험체와 비교시 최대 7배 이상 플래시오버 시간을 지연시켰다.
(2) 개구부 온도변화는 시험체에 플래시오버가 발생한 특정 시점에서 비교하였을 경우, 화염확산방지블록시스템이 시공된 시험체의 개구부 온도와 최대 400 ℃ 이상 차이가 발생함을 확인하였다. 개구부의 온도상승 방지는 재실자의 피난을 통한 생존가능성을 높일 수 있다.
(3) 화염확산방지 블록구조물의 설치 개수는 각 단위패널의 결합수(1개～3개)에 따라 다르게 적용되었으나 구조물의 설치 개수(1개～3개)에 관계없이 플래시오버 발생 유무, 연소거동, 개구부의 온도변화 모두 유사한 경향을 나타냈다. 이는 패널 접합면에 화염확산을 지연하는 구조물을 최소 3개단위 패널당 1개를 설치하여도 효과적으로 화재성장 및 화염확산을 지연시킬 수 있는 것을 의미한다.
ISO 13784-1 시험체에 대하여 패널 간 모든 접합부에 화염확산방지블록시스템을 시공한 시험체와 최소 적용으로 3개단위 패널당 1개에 시공한 시험체의 연소거동의 차이는 크게 나타나지 않았으며, 플래시오버 발생 여부 및 연소반응 또한 유사하게 확인되었다.
반면 화염확산블록방지시스템이 설치된 3종 시험체 모두 급속한 온도 상승을 나타내지 않았으며, 버너 출력이 300 kW로 증가된 10분 이후에도 완만한 온도가 변화가 확인되었다. 시험 종료 30분(1,800초)까지 최대 온도는 약 170℃로써 약 27분(1,620초)에 관측되었다.
그러나 비난연 · 난연 EPS샌드위치패널의 실물화재 시험에서 두종류 시험체 모두 플래시오버가 발생하였으며 발생시점의 차이는 약 2분으로 확인되었다. 즉 연소성능을 평가하는 시험방법에 따라 시험결과가 상이하게 나타나며 특히 복합자재에 대한 화재안전성능 평가방법은 실대형규모의 시험방법이 적극 검토되어야하는 필요성이 확인되었다.
화염확산방지블록시스템에서 관측된 최고온도 430 ℃는 비난연EPS 및 난연 EPS샌드위치패널의 경우 시험시작 후 각각 약 2분 10초(130초), 5분 10초(310초)에 발생하였다^(3,9-12). 패널 간 화염 확산방지 구조물의 설치 여부에 따라 동일 온도 관측 시점이 최대 10배 이상 지연됨을 확인하였다.

후속연구

즉, 샌드위치패널 건축물에 대하여 인접 패널 내부 심재의 단면에 화염의 수평 · 수직 확산을 차단하는 적절한 시스템의 적용은 효과적으로 플래시오버를 지연시켜 화재시 재실자의 인명피해 및 화재 손상에 따른 경제적 손실을 최소화할 수 있을 것으로 판단되며, 따라서 샌드위치패널 건축물에 대한 화염확산방지 시스템의 적용성 논의가 필요할 것으로 사료된다.

참고문헌 (14)

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저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

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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