[논문]성능위주설계를 위한 가연물의 열발생률 및 화재성장률 측정 -주거 및 사무공간 가연물을 중심으로

남동군; 황철홍

doi:10.7731/kifse.2017.31.2.029

성능위주설계를 위한 가연물의 열발생률 및 화재성장률 측정 -주거 및 사무공간 가연물을 중심으로
Measurements of the Heat Release Rate and Fire Growth Rate of Combustibles for the Performance-Based Design - Focusing on the Combustibles in Residential and Office Spaces 원문보기

한국화재소방학회 논문지= Fire science and engineering, v.31 no.2, 2017년, pp.29 - 36

남동군 (한국소방산업기술원 소방기술연구소) , 황철홍 (대전대학교 소방방재학과)

초록
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가연물의 열발생률에 근거한 설계화원은 성능위주설계의 화재안전성 평가에 매우 중요한 영향을 줄 수 있다. 그러나 현재 성능위주설계에서는 국내 가연물의 화재정보의 부족으로 인하여 제한된 외국 문헌정보가 추가 검증이 없이 적용되고 있다. 본 연구의 목적은 성능위주설계의 신뢰성을 확보하기 위하여 다양한 주거 및 사무공간 가연물을 대상으로 열발생률 및 화재성장률에 관한 정보를 제공하는 것이다. 이를 위해 총 14가지의 단일 및 다수 가연물에 대한 화재실험이 수행되었다. 본 연구에서 고려된 가연물의 최대 열발생률은 36 kW~1,092 kW의 범위를 갖는 것으로 측정되었다. 화재성장률은 주거용 가연물이 $0.003kW/s^2{\sim}0.0287kW/s^2$이고, 사무용 가연물이 $0.003kW/s^2{\sim}0.0838kW/s^2$ 범위를 갖는다. 특히 소파는 최대 열발생률 및 화재성장률의 관점에서 가장 높은 화재 위험성을 갖는다. 마지막으로, 다양한 가연물들의 최대 열발생률과 노출 표면적의 상관관계 분석을 통해 공간 내의 최대 열발생률을 산출하는 방법론이 제안된다.

Abstract ▼ AI-Helper

The design fire based on the heat release rate (HRR) of combustibles can significantly affect the assessment of fire safety in the performance-based design (PBD). In the present PBD, however, limited information in the foreign literature has been used without further verification due to the lack of fire information in domestic combustibles. The objective of this study is to provide information on the HRR and fire growth rate for various combustibles in residential and office spaces. To end this, the fire experiments were carried out with single and multiple combustibles. The peak HRR of combustibles used in the present study had a range of 36 kW~1,092 kW. The fire growth rates were also $0.003kW/s^2{\sim}0.0287kW/s^2$ and $0.003kW/s^2{\sim}0.0838kW/s^2$ for the residential and office spaces, respectively. In particular, a sofa had the highest fire risk in terms of the peak HRR and fire growth rate. Finally, a methodology for calculating the peak HRR in a space was proposed through correlation analysis between the peak HRR and exposed surface of various combustibles.

주제어

표/그림 (11)

그림 Figure 1. Overview of test apparatus.
그림 Figure 2. Fire test burner (unit : mm).
표 Table 1. Test Conditions used in the Present Study
그림 Figure 3. Heat release rate and total heat release in tests.
표 Table 2. Summary of the Burning Characteristics
그림 Figure 4. Burning behaviors of major combustible materials over time.
$Figure 5. Relationship between peak heat release rate and peak CO<sub>2</sub> volume fraction.$ 그림 Figure 5. Relationship between peak heat release rate and peak CO₂ volume fraction.
$Figure 6. Relationship between peak heat release rate and peak CO volume fraction.$ 그림 Figure 6. Relationship between peak heat release rate and peak CO volume fraction.
표 Table 3. Peak Heat Release Rate per Burning Surface Area and Fire Growth Rate in Tests
그림 Figure 7. The relationship between the time to peak heat release rate and the peak release rate.
그림 Figure 8. Relationship between peak heat release rate and burning surface area.

AI 본문요약
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문제 정의

본 논문에서는 건축물의 성능위주설계의 활용을 염두에 두고 주거용 및 사무용 가연물을 대상으로 연소발열량을 파악하기 위해 소규모 화원으로 연소실험을 실행하여 다음과 같은 결과를 얻었다.
본 연구에서는 국내에서 사용하는 14종의 가연물을 대상으로 실험을 실행하여 가연물의 노출표면적에서 최대 열 발생률을 산출하는 예측방법을 제안하였다. 이 예측방법의 신뢰성을 더욱 높이기 위해서는 향후 보다 다양한 가연물을 대상으로 추가 검증이 필요할 것이다.
이에 본 연구에서는 건축물의 성능위주설계의 활용을 염두에 두고 주거용도 및 사용도의 가연물을 대상으로 연소실험을 실행하여 열발생률 등의 연소 발열특성을 파악하고, 그 결과를 바탕으로 성능위주설계에 필요한 화재성장률 등을 제시한다.

제안 방법

소손상태는 싱크대의 바퀴가 연소하였지만 싱크대 전체의 손상이 거의 없었다. 시험체를 재활용하여 싱크대를 24분 동안 재가열하였는데, 재점화 6분 40초 후에 점화원의 가열부분에서 연소하다가 싱크대의 내부와 뒷면에 화염전파하였다. 싱크대 내부에서 화염이 확대하면서 형체가 붕괴하여 전체적으로 연소하였다.
모든 실험은 시험체의 연소성상을 비교하기 위하여 동일한 점화조건으로 실험 계획을 수립하였지만, 실험 5에서는 싱크대를 90초간 가열한 후에 점화원을 제거하면 싱크대의 표면이 연소되어 탄화하면서 연소상태가 지속되지 않았다. 실험 종료 후에 싱크대가 거의 손상하지 않았기 때문에 싱크대를 재활용하여 싱크대에 착화가 이루어지는 시간까지 가열하였다.
실험에서는 각 시험체를 보다 안정된 화원으로 점화한 경우에 착화 후의 연소확대 특성을 비교하기 위하여 일정 규모의 착화원을 반복적으로 사용할 수 있도록 프로판가스를 원료로 하는 가스버너를 이용하였다. 화원의 크기는 연소규모가 크면 시험체의 연소성상에 영향을 미치기 때문에 화원의 발열강도를 안정한 화원을 형성할 수 있는 범위에서 가능한 작은 수치로 제어하였다.
이 열발생률의 한계 값은 가연물의 노출 표면적이 증가할수록 화염 에 노출하는 연소 표면적이 증가하므로 연소 표면적에 따라 예측할 수 있다. 여기서는 건축물의 성능위주설계의 활용을 염두에 두고 가연물의 노출표면적에서 열발생률의 한계 값을 예측할 수 있도록 가연물의 노출 표면적당 최대 열발생률을 산정하였다. 가연물의 노출 표면적당 최대 열발생률을 Table 3에 나타내고, 가연물의 최대 열발생률과 노출 표면적의 관계를 Figure 8에 나타내었다.
건축물의 성능위주설계에서는 가연물의 화재성장률을 바탕으로 설계화원을 설정한다. 여기서는 주거용 및 사무용 가연물의 연소실험에서 측정한 열발생률에서 화재성장률을 구하였다.
즉 실험에서는 집연 후드의 하부에 가연물을 놓고 소규모화원으로 점화하고 연소 중에 발생하는 가스성분을 분석하여 산소소모법에 의해 열발생률 및 유해가스 발생량 등을 산출하였다. 연소 중에 형성되는 화염 형상은 카메라, 비디오카메라를 이용하여 기록하였다.
(3) 가연물의 최대 열발생률과 노출 표면적의 상관관계를 분석한 결과에 따르면 89%의 상관관계로 높은 관계성을 지니고 있었다. 이를 바탕으로 가연물의 노출 표면적에서 열발생률의 한계 값을 보수적 수치로 예측하는 관계식을 제시하였다. 현재 성능위주설계의 설계화원은 실제 공간화재와 달리 화재성장률에 따라서 열발생률이 지속적으로 상승하는 것으로 설정하는데, 이 예측방법을 활용한다면 공간내부의 열발생률의 한계치를 적용할 수 있으므로 성능위주설계의 신뢰성이 개선될 것으로 판단된다.
실험 1분 50초에 상부의 플라스틱 물통이 연소하면서 플라스틱이 녹아 바닥에 낙하하였다. 전면부의 플라스틱 전부가 녹으면서 화염이 뒷면으로 분출하였고, 바닥에 녹은 플라스틱이 연소하면서 정수기 전체를 가열하였다.
를 사용하였으 며, 공간 내부에 가연물을 설치하면 가연물이 연소할 때 연소 거동을 관찰하기 어렵기 때문에 공간 외부에 가연물을 배치하였다. 즉 실험에서는 집연 후드의 하부에 가연물을 놓고 소규모화원으로 점화하고 연소 중에 발생하는 가스성분을 분석하여 산소소모법에 의해 열발생률 및 유해가스 발생량 등을 산출하였다. 연소 중에 형성되는 화염 형상은 카메라, 비디오카메라를 이용하여 기록하였다.

대상 데이터

. 다른 실험에서는 본래 수평면 점화용으로 설계된 CSB 133 버너로 점화하는 것은 어렵기 때문에 동일한 스테인리스 파이프로 T 자형버너를 제작하여 사용하였다⁽⁴⁾. 버너의 설치 위치에 관해서는 실험 1, 7∼9는 의자와 소파의 좌판 상면에서 상방향으로 5 cm 거리에 CSB 133 버너를 설치하였다.
특히 실험 13에서는 컴퓨터 본체, 모니터와 프린터를 동시에 연소할 경우 연소발열특성을 파악하기 위해 컴퓨터 본체, 모니터와 프린터를 시험체로 사용하였다. 실험 14에서는 책상, 의자와 서랍장을 동시에 연소할 경우 화재전파특성을 파악하기 위해 책상, 의자 및 서랍장을 시험체로 사용하였다.
시험체의 종류 및 시험 방법을 Table 1에 나타내었다. 실험에서는 서울 초고층건축물 D 타워, 대구 주상복합건축물인 S, W 건물 등에서 실행한 가연물의 실태 조사 결과에 근거하여 공간 용도별로 대표적인 가연물을 시험체로 선정하였다⁽¹⁶⁾. 실험에서는 주거용 및 사무용 가연물로 구분하고, 주거 및 사무공간에서 주로 사용되는 가구 및 전자제품을 시험체로 사용하였다.
실험에서는 서울 초고층건축물 D 타워, 대구 주상복합건축물인 S, W 건물 등에서 실행한 가연물의 실태 조사 결과에 근거하여 공간 용도별로 대표적인 가연물을 시험체로 선정하였다⁽¹⁶⁾. 실험에서는 주거용 및 사무용 가연물로 구분하고, 주거 및 사무공간에서 주로 사용되는 가구 및 전자제품을 시험체로 사용하였다. 실험 1∼6에서는 소파 및 TV 등의 주거용 가연물을 시험체로 하고, 실험 7∼14에서는 책상 및 의자 등의 사무용 가연물을 시험체로 하였다.
실험 1∼6에서는 소파 및 TV 등의 주거용 가연물을 시험체로 하고, 실험 7∼14에서는 책상 및 의자 등의 사무용 가연물을 시험체로 하였다. 특히 실험 13에서는 컴퓨터 본체, 모니터와 프린터를 동시에 연소할 경우 연소발열특성을 파악하기 위해 컴퓨터 본체, 모니터와 프린터를 시험체로 사용하였다. 실험 14에서는 책상, 의자와 서랍장을 동시에 연소할 경우 화재전파특성을 파악하기 위해 책상, 의자 및 서랍장을 시험체로 사용하였다.

성능/효과

(1) 주거용 및 사무용 가연물은 최대 열발생률이 36 kW ∼ 1,092 kW 이었다.
(2) 화재성장률은 주거용 가연물이 0.003 kW/s2 ∼0.0287 kW/s2이고, 사무용 가연물이 0.003 kW/s2 ∼0.0838 kW/s2의 범위를 갖는다.
(3) 가연물의 최대 열발생률과 노출 표면적의 상관관계를 분석한 결과에 따르면 89%의 상관관계로 높은 관계성을 지니고 있었다. 이를 바탕으로 가연물의 노출 표면적에서 열발생률의 한계 값을 보수적 수치로 예측하는 관계식을 제시하였다.
가연물의 최대 유해가스농도는 Table 2에 제시되었으며, 최대 열발생률과 유해가스농도의 관계는 Figures 5와 6에 나타내었다. Figures 5와 6을 살펴보면 최대 열발생률과 최대 이산화탄소농도는 98 % 정도의 상관관계로 아주 높은 관계성을 갖고 있지만, 최대 열발생률과 최대 일산화탄소 농도의 상관관계는 63%로 상관관계가 낮은 것으로 나타났다. 건축물의 화재안전설계에서는 화재실의 유해가스농도를 예측하여 인명안전여부를 판단할 필요가 있는데, 실험에서 측정한 가연물의 최대 열발생률이 있다면 화재실 내부의 최대 이산화탄소농도를 추정할 수 있다.
실험 1(주거용 소파)에서는 점화와 동시에 좌판의 인조 가죽과 우레탄이 연소하기 시작하였다. 실험 2분 30초 후에 소파의 좌판에서 등받이로 화염전파하여 소파 전체가 연소하면서 소파의 연소가 최정점에 도달하였다. 이때 간헐화염높이가 2.
(1) 주거용 및 사무용 가연물은 최대 열발생률이 36 kW ∼ 1,092 kW 이었다. 특히, 소파의 최대 열발생률이 최대 1,092 kW로 다른 가연물보다 가장 크며, 일단 연소하면 화재성장이 빠르고 대규모 화염이 형성하는 것을 알 수 있었다. 주거공간 및 사무공간에서는 소파가 일반적인 실화에도 인명안정상 위협이 되는 규모로 화재가 급속히 성장할 우려가 있다.

후속연구

본 연구에서는 국내에서 사용하는 14종의 가연물을 대상으로 실험을 실행하여 가연물의 노출표면적에서 최대 열 발생률을 산출하는 예측방법을 제안하였다. 이 예측방법의 신뢰성을 더욱 높이기 위해서는 향후 보다 다양한 가연물을 대상으로 추가 검증이 필요할 것이다.
이를 바탕으로 가연물의 노출 표면적에서 열발생률의 한계 값을 보수적 수치로 예측하는 관계식을 제시하였다. 현재 성능위주설계의 설계화원은 실제 공간화재와 달리 화재성장률에 따라서 열발생률이 지속적으로 상승하는 것으로 설정하는데, 이 예측방법을 활용한다면 공간내부의 열발생률의 한계치를 적용할 수 있으므로 성능위주설계의 신뢰성이 개선될 것으로 판단된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	국내에서 국외의 가연물의 연소 발열량을 사용하는 이유는?	이러한 이유로 국내의 성능위주설계에서는 가연물의 연소실험에 의한 연소 물성데이터가 부족하기 때문에 해외 문헌을 참고하여 국외의 가연물의 연소 발열량을 그대로 적용하는 사례가 적지 않다. 그러나 각 국가의 사용 환경에 따라 가연물은 동일한 종류라고 해도 재질 및 형태 등에차이가 있어서 연소발열성상이 다를 수 있다.
	성능위주설계에서 연기하강시간을 예측하는 방법은?	건축물의 성능위주설계에서는 건물 용도별로 가연물의 화재성장률에서 열발생률을 산정하여 연기하강시간 등을예측한다. 가연물의 화재성장률은 성능위주설계의 평가결과를 크게 좌우하므로, 성능위주설계의 신뢰성을 확보하기 위해서는 실물규모의 연소실험을 토대로 다양한 가연물의 열발생률이 측정되어야 한다.
	성능위주설계 시 국외 문헌의 실험 데이터를 사용하면 신뢰성이 떨어지는 근거는?	이러한 이유로 국내의 성능위주설계에서는 가연물의 연소실험에 의한 연소 물성데이터가 부족하기 때문에 해외 문헌을 참고하여 국외의 가연물의 연소 발열량을 그대로 적용하는 사례가 적지 않다. 그러나 각 국가의 사용 환경에 따라 가연물은 동일한 종류라고 해도 재질 및 형태 등에차이가 있어서 연소발열성상이 다를 수 있다. 따라서 성능위주설계를 수행함에 있어 국외 문헌의 실험 데이터를 그대로 활용한다면 그 평가결과에 대한 신뢰성이 낮아질 수밖에 없다.

참고문헌 (16)

B. I. Choi, Y. S. Han, C, B, Oh, M, B, Kim and J. S. Choi, "Heat Release Rate Measurements of Residential Combustibles Using Oxygen Consumption Method", Proceedings of 2007 Spring Annual Conference, Korean Institute of Fire Science & Engineering, pp. 123-127 (2007).
Y. H. Yoo, O. S. Kweon and H. Y. Kim, "The Real Scale Fire Test for Unit Space in Apartment Housing", Proceedings of 2009 Spring Annual Conference, Korean Institute of Fire Science & Engineering, pp. 346-351 (2009).
S. R. Lee and K, H, Youk, "A Study on Fire Behavior of Combustibles in a Residential Building", Fire Science and Engineering, Vol. 23, No. 4, pp. 25-31 (2009).
D. G. Nam, "Heat Release Characteristics of Typical Live Fire Load in Large Bookstore", Fire Science and Engineering, Vol. 25, No. 2, pp. 88-94 (2011).
D. G. Nam, "Experimental Study on Combustion Characteristics of Live Fire Load in a Bookstore", Fire Science and Engineering, Vol. 25, No. 5, pp. 47-53 (2011).
H. J. Kim, I, K, Kwon, O, S, Kweon, H, Y, Kim and S, U, Chae, "The Real Fire Test in Bedroom for the Performance Based Fire Design", Fire Science and Engineering, Vol. 27, No. 6, pp. 32-37 (2013).
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).
T. Mizuno "Burning Behavior of Urethane Foam Mattresses", Science and Technology, No. 1(1), pp. 33-44 (1983).
T. Mizuno and K, Kawagoe, "Burning Behavior of Upholstered Furniture", Science and Technology, No. 4, pp. 1-5 (1984).
A, Natori, H, Harada, Y, Ohmiya and T, Wakamatsu, "An Estimation Method of Heat Release Rate of Real Combustible Objects", Lund University (1993).
Sardqvist, "Initial Fires - RHR, Smoke Production and CO Generation from Single Items and Room Fire Tests", Lund University (1993).
R. Filipczak, S. Crowley and R. E. Lyon, "Heat Release Rate Measurements of Thin Samples in the OSU Apparatus and the Cone Calorimeter", Fire Safety Journal, Vol. 40, pp. 628-645 (2005).

상세보기
J, Hietaniemi, J, Mangs and T, Hakkarainen, "Burning of Electrical Household Appliances- An Experimental Study", VTT Building and Transport (2001).
Technical Bulletin 133, "Flammability Test Procedure for Seating Furniture for Use in Public Occupancies" (1991).
ISO 9705, "Fire Tests-full Scale Room Test for Surface Products" (1993).
S. C. Kim, D. G. Nam, C. H. Hwang, M. O. Yoon, et al., "Validation and Reliability Analysis of Guideline of Performance Based Fire Protection Design of a Super Tall Building", National Emergency Management Agency (2014).

저자의 다른 논문 :

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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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