[논문]성능위주설계를 위한 가연물의 열발생률 및 화재성장률 측정 - 판매시설의 플라스틱 화재를 중심으로 -

장효연; 남동군

doi:10.7731/kifse.2018.32.6.055

성능위주설계를 위한 가연물의 열발생률 및 화재성장률 측정 - 판매시설의 플라스틱 화재를 중심으로 -
Measurements of the Heat Release Rate and Fire Growth Rate of Combustibles for the Performance-Based Design - Focusing on the Plastic Fire of Commercial Building 원문보기

한국화재소방학회 논문지= Fire science and engineering, v.32 no.6, 2018년, pp.55 - 62

장효연 (한국소방산업기술원 소방기술연구소) , 남동군 (한국소방산업기술원 소방기술연구소)

초록
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국내 성능위주소방설계(PBD)에 신뢰성이 향상된 예측결과를 기여하고자 판매시설 가연물 중 플라스틱으로만 이루어진 제품을 대상으로 실규모 화재실험이 수행되었다. 이때 판매시설의 경우 다양한 가연성 물질이 진열된 판매대의 간섭 또는 상품 적재 등으로 인한 화재확산의 검토를 위하여 단일 및 다수가연물로 분리되어 실험조건이 선정되었다. 이에 따라 최대 열 발생률에 따른 가연물의 노출 면적 및 중량은 대략 93%와 89%의 매우 선형적인 관계를 확인할 수 있다. 또한 다양한 가연물에 대한 가스농도의 분석 결과 이산화탄소($CO_2$)는 최대 열 발생률에 대하여 선형적인 관계를 나타내는 반면 일산화탄소(CO)는 지수함수의 형태를 나타낸다. 이러한 결과는 판매시설에서 발생되는 플라스틱 화재의 PBD에 신뢰성있는 화원정보로서 적용될 수 있다. 추후 실제 판매시설에서 적용되는 진열대의 면적이 적용된 추가적인 실험을 통하여 판매시설의 플라스틱 화재에 대표되는 화원 정보로서 적용할 수 있을 것이라 기대된다.

Abstract ▼ AI-Helper

To improve the prediction result with enhanced reliability of domestic Performance-Based Design (PBD), actual scale fire tests were carried out on products made of plastics from sales facility combustibles. The commercial buildings were separated into single and multiple combustibles for the experimentation of fire spread caused by the sales shelves where the various combustible materials are displayed. A according to the maximum heat release rate, exposed area and weight of the combustible material, the results revealed a linear relationship of as 93% and 89%. In addition, analysis of the gas concentrations for various combustibles showed that $CO_2$ has a linear relationship, whereas the CO concentration indicated exponential function. These results can be applied to reliable fire source information in PBD of plastic fire source in commercial buildings. This may be applied as fire source information representative of a plastic fire in commercial buildings through additional experiment using the area of the shelf in actual commercial buildings.

주제어

표/그림 (10)

그림 Figure 1. Schematics of experimental facility.
표 Table 1. Test Condition used in the Present Study
그림 Figure 2. Photographs of the tested single combustible (mm).
그림 Figure 3. Photographs at various times during the fire test.
그림 Figure 4. Measured heat release rate and total heat release rate during the single combustibles burning.
그림 Figure 5. The relationship between time to gas concentration and temperature.
그림 Figure 6. The relationship between peak heat release rate and combustible's characteristic (surface area, mass).
그림 Figure 7. The relationship between peak heat release rate and gas concentration.
그림 Figure 8. The relationship between time to peak heat release rate.⁽²⁰⁾
표 Table 2. Summary of Fire Test Results

AI 본문요약
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문제 정의

4 mm의 크기가 높이별로 동시에 적용되었다. 또한 화재의 성장 및 거동은 구획 외부에서의 사진 또는 실시간 녹화장치 그리고 구획 내부에 설치된 CCTV를 이용하여 시각적인 기록을 통해 화재현상을 정의하기 어려운 점을 보완하고자 하였다.
이때 순수 polymer의 시편이 아닌 복합적인 가연물이라 할 수 있는 판매시설의 제품들은 인화 용이성, 표면 가연성, 열 확산, 연기발생 및 적재가연물의 양에 따라 화재의 위험성을 척도하게 된다^(1-4). 이로서 본 연구에서는 다양한 형태의 플라스틱 가연물을 대상으로 화재실험을 통해 열 발생률 및 가스농도를 측정하고자 한다.
특히 PBD는 용도별로 분류된 공간의 주된 화원이 되는 설계화원의 규모 특성에 기초해야 타당하며, 공학적 화재해석이 요구됨에 따라 화원에 대한 정보가 필수적이다⁽⁸⁾. 이에 따라 판매 시설 플라스틱 화재에 해당하는 화원에 대한 정보를 명확히 제시하기 위하여 실제 표준구획실이 적용되어 단일 및 다수가연물에 대한 화재실험을 통해 화재안전설계에 기여하고자 한다.
이때 PBD에 적용되는 대표적 화재모델은 Field 모델인 FDS로서 특정위치에서 예측 물리량이 임계값에 도달하는 시간을 바탕으로 건축물의 화재안전설계가 이루어진다. 이에 본 연구에서는 PBD와 유사한 관점으로 측정 물리량이 임계값에 도달하는 시간을 측정하였으며, 수행된 실험 중 대표적으로 Box(b)의 화재실험에 대한 결과를 토대로 플라스틱 화재의 위험가능성을 정량적으로 제시하고자 한다.

제안 방법

화재환경에서 발생하는 주요 화학종 농도의 측정을 위한 흡입형 프로브(inhalation probe)는 Figure 1(a)에 도시된 것과 같이 상층부의 뒷 벽 근처와 개구부 근처로 나뉘어 O₂, CO, CO₂가 배기가스 분석기를 통하여 측정되었다. 이 때 Figure 1(b)는 프로브를 통해 포집되는 구획 내부 연소가스의 분석을 위한 냉각시스템이 도시되었다.
와 CO를 함유하게 된다. 그 밖에 많은 연소생성물도 존재하지만 이에 따라 PBD에 적용되는 가스농도의 제시를 위하여 화재시 발생되는 유독가스 중 인체에 치명적인 CO₂ 및 CO의 농도가 측정되었다.
그리고 판매시설에 진열되는 상황을 가정하기 위하여 임의의 선반을 제작하여 진열대의 간섭 또는 상품 적재 등으로 인한 영향이 분석되었다. 선반은 실험 장치의 계측할 수 있는 한계로 인해 실제보다 작은 3개 층으로 제작되어 가연물이 수평 및 수직으로 진열한 후 구획 내부에 위치되었다.
이 때 Figure 1(b)는 프로브를 통해 포집되는 구획 내부 연소가스의 분석을 위한 냉각시스템이 도시되었다. 연소가스는 다량의 soot 입자를 포함한 고온 기체임을 고려할 때 수분의 제거 및 냉각을 위하여 연소가스가 분석기로 유입되기에 앞서 냉각단계를 거치도록 하였다. 이로 인해 추가적으로 구리동관 및 얼음을 이용하여 냉각관을 통해 고온의 가스가 냉각되었다.
또한 공간 내부에서 가연 물이 연소할 때 발생되는 가스농도를 분석하기 위하여 구획공간의 상부에 가스농도측정기가 front·rear로 구분하여 설치되었다. 이때 연소 중에 형성되는 화염은 카메라, 캠코더 및 CCTV를 이용하여 기록하였다.

대상 데이터

(z) m의 크기와 0.8 m × 2.0 m의 개구부로 자연배기가 이루어지는 ISO 9705 표준화재실이 사용되었다.
구획 내부의 플라스틱 가연물을 대상으로한 실규모 화재실험은 점화보조제인 헵탄에 의해 점화가 발생하여 단일 및 다수 가연물에 화재가 확산되었으며, 총 12 case의 실험이 수행되었다. 단일가연물의 경우 헵탄에 의해 착화된 면에 충분한 열원이 형성되고 전반적으로 화염이 확산됨에 따라 최초 착화면을 기준으로 플라스틱이 융해되어 화재확대가 발생된다.
이때 선정된 가연물에 대한 실험 조건은 Table 1, 상세한 수치는 Figure 2에 도시되었다. 그리고 판매시설에 존재하는 다양한 제품들의 경우 복합적인 물질로 이루어져 있는 것이 대부분이지만 실험에서는 플라스틱으로만 이루어진 제품을 대상으로 하였다. 이는 플라스틱의 발열량은 목재 등의 다른 가연물보다 크고 지속적인 열에 의해 착화하면 융해된 가연물은 풀화재로 연소확대 위험성이 클 것으로 예상되어 우선 플라스틱 제품이 시험체로 선택되었다.
실험은 판매시설인 마트 또는 시장에서 유통되는 가연물로서 주거 및 사무 공간에 사용되는 밀폐용기 및 수납박스 등이 선정되었다. 이때 선정된 가연물에 대한 실험 조건은 Table 1, 상세한 수치는 Figure 2에 도시되었다.

이론/모형

이때 소규모 화원으로서 헵탄을 이용하여 가연물의 점화가 수행되었다. 그리고 화재실험에서 발생되는 연소 가스를 덕트 내부에서 포집하여 산소소모법에 의한 열 발생률 등의 측정을 위하여 룸코너시험기(Room Corner Tester, RCT)^(10-15)가 적용되었다. 또한 공간 내부에서 가연 물이 연소할 때 발생되는 가스농도를 분석하기 위하여 구획공간의 상부에 가스농도측정기가 front·rear로 구분하여 설치되었다.
가 적용되어 건축물의 화재위험도를 평가하기 위해서는 해 당 공간에서 화재 발생 시 화재의 성장 및 크기의 예측이 필수적이다. 이를 위해서는 문헌상에 제시되고 있는 화재크기 산정 기법, Fire Dynamics Simulator (FDS)와 같은 시뮬레이션 기법과 실물화재 실험을 통한 화재크기 산정 기법등을 사용한다. 하지만 현재까지의 국내 연구는 실제 공간에 적용되는 가연물의 화재 실험을 통해 발생되는 열 발생률을 산출하여 화재 성상 및 특성을 분석하고 그 결과를 제시 함에 따라 PBD에 기여하는 경우는 매우 희박한 실정이다⁽⁷⁾.

성능/효과

1) 플라스틱 화재특성은 초기 가연물의 연소 단계에서 축적되는 열 및 해당 구획에 의해 대류, 전도, 복사의 방법으로 열전달이 이루어진다. 이를 통해 화재 확대가 발생됨에 따라 직접적인 화염과 가연물의 노출된 표면적이 넓을 때 플라스틱의 융해에 의한 연소증강이 용이하다.
2) 판매시설에서 흔히 판매되고 있는 제품들에 대한 화재특성을 검토하기 위하여 대표적인 가연물의 선정 후 최대 열 발생률이 산출되었다. 단일 가연물의 경우 16.
3) 플라스틱 가연물의 화재실험을 통해 면적 및 중량에 따른 열 발생률이 분석된 결과 면적의 경우 y=2784x-51.43의 관계를 가지며 이러한 관계는 다양한 화재실험에 대하여 대략 93%가 일치한다. 또한 12회의 화재실험에 따른 중량 변화에 대한 최대 열 발생률은 y=313.
이에 따라 다양한 가연물의 표면적과 열 발생률의 관계가 Figure 6에 도시되었다. 가연물의 노출 표면적은 틈새를 포함한 공기에 접촉하는 모든 표면적을 합산함으로서 산출된 결과 가연물의 표면적과 최대 열 발생률의 관계는 대략 93% 일치한다. 추가적으로 플라스틱 제품은 화염으로부터 발생 되는 복사 및 대류열에 대해 융해됨에 따라 연소 면적이 넓어지는 연소특성을 가진다.
이후 대략 11 min이 경과한 후 상단에 잔여하고 있는 가연물 및 융해되어 흐르는 플라스틱의 추가적인 연소가 이루어지며 내부의 가연물이 전소함에 따라 서서히 소화하는 것을 나타낸다. 결과적으로 시간에 따른 플라스틱의 화재특성을 검토한 결과 가연물 자체가 충분한 열을 받아 융해가 되어 액체로 상변화가 이루어지는 직후 화재는 순간적으로 확대되어 대형화재로 야기된다.
하지만 다수가연물의 경우 착화된 가연물이 융해되어 화염의 크기가 확대됨에 따라 선반에 위치하는 임의의 가연물에 화염이 확산된다. 결과적으로 플라스틱 가연물의 화재 실험을 통한 회귀선을 바탕으로 가연물의 면적 및 질량에 따른 열 발생률 산정 후 가스농도를 예측할 수 있다.
그리고 온도를 헵탄에 의한 착화 시점을 기준으로 시간에 따라 도시되었다. 그 결과 O₂와 CO₂는 착화가 진행되고 대략 4분 후 소방시설등의 성능위주 설계방법 기준을 초과하는 것을 확인할 수 있다. 온도의 경우 가스 농도에 비해 빠른 시간 내에 기준 초과에 도달하게 되며 그 이유는 1.
이에 따라 상단에 수직으로 진열된 가 연물에 화염이 도달하여 융해되는 과정에서 화원의 직경은 매우 확대된다. 그리고 화재는 급격하게 성장하여 다량의 soot 발생과 더불어 화염의 크기가 증가하는 것을 확인할 수 있다. 이후 대략 11 min이 경과한 후 상단에 잔여하고 있는 가연물 및 융해되어 흐르는 플라스틱의 추가적인 연소가 이루어지며 내부의 가연물이 전소함에 따라 서서히 소화하는 것을 나타낸다.
43의 관계를 가지며 이러한 관계는 다양한 화재실험에 대하여 대략 93%가 일치한다. 또한 12회의 화재실험에 따른 중량 변화에 대한 최대 열 발생률은 y=313.20x-94,77의 선형적인 관계를 가지며 대략 89% 일치하는 것을 확인할 수 있다.
이때 본 실험에 적용된 가연물의 경우 플라스틱으로만 이루어져 있기 때문에 질량이 증가함에 따라 융해되는 플라스틱의 면적이 증가할 것으로 판단된다. 이에 따라 다양한 가연물의 무게에 따른 상관관계가 검토된 결과 최대 열 발생률을 예측할 수 있는 식이 산출되었으며 이는 대략 89% 일치한다. 이는 임의의 설계화원 설정에 있어 최대 열 발생률 예측에 기여할 수 있을 것이라 기대된다.

후속연구

이러한 수치는 설계자를 대상으로 FDS input file의 작성하는데 있어 입력되는 수치들을 간편하게 적용할 수 있도록 평균값 및 최대값으로 도시되었다. 그리고 CO yield 값의 제시를 통해 판매시설 내부에 수용되어 있는 각종 플라스틱 물질로 인한 유독성연기인 CO 생성량을 예측하여 신뢰성 있는 화원의 정보를 입력하는데 기여할 수 있다고 판단된다. 또한 실험에 따른 다양한 측정값은 입력인자(input parameter)로 활용될 수 있는 값만 제시함으로서 CO₂는 제외되었다.
본 연구는 판매시설의 PBD를 위하여 기본적인 플라스틱 가연물의 화재 특성에 대한 기초 연구이며, 추가적인 연구를 통해 판매시설에 대한 화재특성을 데이터베이스화하여 신뢰성 있는 화재시나리오 설정에 기여할 수 있다. 후속 연구로써 실제 판매시설에서 적용되는 진열대의 면적이 적용된 실물화재- 실험을 수행하는 경우 판매시설의 플라스틱 화재에 대표되는 최대 열 발생률 및 화재성장속도로서 적용할 수 있을 것이라 기대된다.
이는 플라스틱의 발열량은 목재 등의 다른 가연물보다 크고 지속적인 열에 의해 착화하면 융해된 가연물은 풀화재로 연소확대 위험성이 클 것으로 예상되어 우선 플라스틱 제품이 시험체로 선택되었다. 본 연구에서는 플라스틱 제품만을 대상으로 연소성상을 파악하였지만 향후에 복합재료의 제품의 연소성상을 파악하여 비교 및 분석할 예정이다.
판매시설의 PBD를 위하여 플라스틱 가연물을 대상으로 발생하는 화재에 대한 열 발생률의 예측은 신뢰성있는 화재안전설계의 결과를 예측할 수 있을 것으로 판단된다. 판매시설의 경우 다량의 물건을 보관·판매함으로서 화재가 발생할 때 내부에 수용된 다양한 가연성 물질의 연소로 인해 다량의 유독성 가스와 화염을 발생시키게 된다.
본 연구는 판매시설의 PBD를 위하여 기본적인 플라스틱 가연물의 화재 특성에 대한 기초 연구이며, 추가적인 연구를 통해 판매시설에 대한 화재특성을 데이터베이스화하여 신뢰성 있는 화재시나리오 설정에 기여할 수 있다. 후속 연구로써 실제 판매시설에서 적용되는 진열대의 면적이 적용된 실물화재- 실험을 수행하는 경우 판매시설의 플라스틱 화재에 대표되는 최대 열 발생률 및 화재성장속도로서 적용할 수 있을 것이라 기대된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	플라스틱의 연소 특성은 무엇인가?	다양한 가연물 중 플라스틱은 산업의 발전에 따라 생산량과 더불어 소비량이 증가하며 플라스틱 화재도 증가하고 있다. 대부분의 화재 사고 현장에는 플라스틱이 포함되어 있으며, 플라스틱의 종류는 각각의 특성에 따라 연소생성물이 매우 유독할 뿐만 아니라 연소 형태가 매우 복잡하고 다양하다. 이로서 다양한 플라스틱 화재는 신뢰성 있는 예측결과를 통한 대응책이 분명히 필요하다.
	화재성장률(fire growth rate)의 정량화는 몇종류로 구분되는가?	화재성장은 환경에 따른 발화원의 크기, 위치, 가연물의 양 및 환기조건 등 다양한 인자에 의존하며 대부분의 경우 실물화재실험을 통해 화재성장률(fire growth rate)을 정량화한다. 이때 일반적인 방법으로서 시간에 제곱에 비례해서 성장한다고 가정하고 NFPA는 ultra fast, fast, medium, slow 4종류의 형태로 분류된다.

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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