[논문]구획 화재 시 벽면 재료 특성과 헵탄의 질량유속 상관관계 실험

박정욱; 신연제; 김정용; 유우준

doi:10.7731/kifse.2019.33.1.039

초록
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본 연구에서는 구획 화재 시 벽면을 구성하고 있는 재료 특성과 질량 유속의 상관관계를 분석하였다. 이를 위해서 내화보드와 철판 각각을 사용하여 폭 0.3 m, 높이 0.5 m 그리고 길이 3.0 m의 한 쪽 면이 밀폐된 구조물을 제작하였으며, 헵탄 풀 화재 실험을 수행하여 연소면적 $0.01m^2$과 $0.0225m^2$ 각각에 대해서 화원의 위치 변화에 따른 질량 감소율을 산출하였다. 그 결과 헵탄의 질량 유속은 연소 초기 $0.0087kg/m^2{\cdot}s$에서 내화보드 구조물의 경우 최대 $0.166kg/m^2{\cdot}s$로 증가하였으며, 철판 구조물의 경우 최대 $0.019kg/m^2{\cdot}s$ 증가하는 것으로 나타났다. 이러한 결과는 구획 공간에서 화재 확산을 보다 정확하게 예측하기 위해서는 재료의 열적 특성과 기하학적 형상을 고려하여 화재시나리오가 구성되어야 하는 것을 의미한다.

Abstract ▼ AI-Helper

In this study, the relationships between the material properties of the wall and the fuel mass flux in compartment fire. The fire resistant board (fire-board) and steel plate compartments are constructed with a 0.3 m width, 0.5 m height and 3.0 m length. To obtain the mass loss rate considering the ...

In this study, the relationships between the material properties of the wall and the fuel mass flux in compartment fire. The fire resistant board (fire-board) and steel plate compartments are constructed with a 0.3 m width, 0.5 m height and 3.0 m length. To obtain the mass loss rate considering the location of the fire origin in compartment, experiments of a heptane pool fire are performed with a combustion area of $0.01m^2$ and $0.0225m^2$. The results show that the initial mass flux of heptane, $0.0087kg/m^2{\cdot}s$, is increased to $0.166kg/m^2{\cdot}s$ for fire board and $0.019kg/m^2{\cdot}s$ for steel plate. It means that the fire-scenario should be considered with the thermal characteristics of the material properties and geometric shapes of the compartment to predict fire propagation accurately in a compartment space.

주제어

표/그림 (12)

그림 Figure 1. A picture of the experiment apparatus.
표 Table 1. Specification of the Experiment
그림 Figure 2. Schematic diagram of the experiment conditions in the compartment (fire-board and steel).
그림 Figure 3. A picture of the flame shape in a compartment.
그림 Figure 4. Comparison of load cell VS. Actual Values by weight.
그림 Figure 5. The mass loss rate of heptane for each distance of the fire origin location from the closed wall in the fireboard compartment (fuel area = 0.01 ㎡).
그림 Figure 7. The mass loss rate of heptane for each distance of the fire origin location from the closed wall in the steel compartment (fuel area = 0.01 ㎡).
그림 Figure 6. The mass loss rate of heptane for each distance of the fire origin location from the closed wall in the fire-board compartment (fuel area = 0.0225 ㎡).
그림 Figure 8. The mass loss rate of heptane for each distance of the fire origin location from the closed wall in the steel compartment (fuel area = 0.0225 ㎡).
그림 Figure 9. The mass flow rate of heptane for each distance of the fire origin location from the closed wall in the compartment.
그림 Figure 10. The mass flux of heptane for each distance of the fire origin location from the closed wall in the compartment.
표 Table 2. The Results of Mass Flow Rate, Mass Flux and Maximum Temperature in the Compartment Fire

AI 본문요약
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문제 정의

따라서 구획 화재에서 가연물의 질량유속을 정확히 고려하지 않게 되면 화재 확산 결과의 신뢰성이 낮아지는 점을 고려하였을 때 벽면 재료에 따른 열전달 현상과 질량 유속의 상관관계를 분석하는 것은 화재 공학 분야에서는 매우 중요한 문제로 판단된다. 본 연구에서는 구획 공간을 구성하고 있는 재료를 You의 문헌을 참고하여 열전도 계수를 다음과 같이 가정하여 O(∼0.1 W/m·K)로 낮은 내화보드와 O(∼10 W/m·K)인 철판을 사용하여 헵탄 가연물의 연소면적 및 화원의 위치 변화에 따른 화재 실험을 수행하고 질량유속 변화와 내부 최대 온도를 분석하여 화재 확산을 예측하기 위한 기초 실험 자료를 구축하고자 한다⁽⁹⁾.

제안 방법

본 연구에서는 내화보드와 철판 각각을 사용하여 폭 0.3 m, 높이 0.5 m 그리고 길이 3.0 m의 한 쪽 면이 완전히 개방된 구조물을 제작하였으며, 헵탄의 연소면적 0.01 ㎡과 0.0225 ㎡ 각각에 대해서 화원의 위치 변화에 따른 질량 감소율과 온도분포를 측정하여 다음과 같은 사항을 분석하였다.

대상 데이터

0 m 이며, 내화보드와 철판 각각을 사용하였다. 특히, 연료의 연소율과 구획 공간 재료의 열적 특성의 상관관계를 보다 효과적으로 분석하기 위해서 한 쪽 면을 밀폐하여 제작하였으며, 화원의 위치를 변화에 따른 연료의 질량감소율을 측정하였다. 그림에서 보듯이 로드셀은 온도의 영향을 받지 않기 위해서 계측부를 구조물로부터 이격한 상태로 설치하였다.

데이터처리

0 g 정도에서 최대 오차가 10% 정도 발생하는 것으로 나타났다. 즉, 질량이 소모되는 시간을 보다 정확히 산출하기 위해서는 질량 감소율을 고려하여 데이터의 분석시간을 선정해야 하며, 본 연구의 경우 샘플링 데이터(N_sample)를 1/s로 하고 분석 시간은 분해능을 고려하여 2.0 g 이상인 경우로 질량 감소율을 산출하였다.

성능/효과

넷째, 내화보드와 철판 구조물 각각에 대해서 연소면적 0.01 ㎡과 0.0225 ㎡ 각각의 온도 분포를 분석한 결과 철판(steel) 구조물의 경우 최대 온도는 126 ℃와 198 ℃로 나타났으나, 내화보드(fire-board) 구조물의 최대 온도는 화염이 확산되는 과정에서 측정값의 편차가 발생하여 최대값을 판단하는데 한계가 발생하였다. 하지만 본 연구 결과에서 확인할 수 있듯이 구획 화재 확산을 보다 정확하게 예측하기 위해서는 벽면의 재료 특성과 화원의 위치 변화에 따른 질량 감소율을 고려하여 화재시나리오가 구성되어야 할 것으로 사료된다.
0225 ㎡ 각각의 경우 내화보드와 철판으로 구성된 구조물 내부에서 동일한 연료가 연소되었을 때의 질량 유속 산출 값을 비교한 결과이다. 즉, 구획공간의 폭 0.3 m, 높이 0.5 m 그리고 길이 3.0 m의 한 쪽 면이 완전히 개방된 구조물에 대해서 밀페된 벽면으로부터 개구부 방향으로 2.0 m까지 길이 방향에 따른 질량유속을 분석한 결과 연소 초기 0.0087 kg/㎡·s에서 열전도 계수가 O(∼0.1 W/m·K)인 내화보드 구조물의 경우 최대 0.166 kg/㎡·s로 증가하였으며, 열전도 계수가 O(∼10 W/m·K)인 철판 구조물의 경우 최대 0.019 kg/㎡·s 증가하였으며, 본 연구에서 도출한 결과를 Table 2에 나타내었다.
첫째, 내화보드로 구성된 구획 공간에서 헵탄의 연소면적 0.01 ㎡와 0.0225 ㎡의 질량 감소율을 산출한 결과 연소 초기 정상상태 구간 이후 연소율이 급격히 변화한 시간은 각각 약 250 s∼350 s와 110 s∼150 s 정도로 나타났다. 하지만, 보다 정확한 시간을 분석하기 위해서는 초기 연료 투입 양과 점화 시점 그리고 유면의 높이에 대한 편차 등을 정확히 고려해야 할 것으로 판단된다.

후속연구

0225 ㎡ 각각의 온도 분포를 분석한 결과 철판(steel) 구조물의 경우 최대 온도는 126 ℃와 198 ℃로 나타났으나, 내화보드(fire-board) 구조물의 최대 온도는 화염이 확산되는 과정에서 측정값의 편차가 발생하여 최대값을 판단하는데 한계가 발생하였다. 하지만 본 연구 결과에서 확인할 수 있듯이 구획 화재 확산을 보다 정확하게 예측하기 위해서는 벽면의 재료 특성과 화원의 위치 변화에 따른 질량 감소율을 고려하여 화재시나리오가 구성되어야 할 것으로 사료된다.
0225 ㎡의 질량 감소율을 산출한 결과 연소 초기 정상상태 구간 이후 연소율이 급격히 변화한 시간은 각각 약 250 s∼350 s와 110 s∼150 s 정도로 나타났다. 하지만, 보다 정확한 시간을 분석하기 위해서는 초기 연료 투입 양과 점화 시점 그리고 유면의 높이에 대한 편차 등을 정확히 고려해야 할 것으로 판단된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	구획 공간에서 화재가 확산되는 현상을 정량화하기 위해 분석해야 하는 것은?	구획 공간에서 화재가 확산되는 현상을 정량화하기 위해서는 주변의 환경조건과 가연물의 열화학적 물성, 연소에 필요한 에너지, 개구부의 면적과 공간을 구성하고 있는 기하학적 형상에 따른 열전달 현상을 분석해야 한다(1). 하지만, 모든 변수를 고려한 화재 확산의 일반화된 관계식을 제시하기는 어렵기 때문에 일반적으로 가연물이 단위 시간 동안 연소되는 질량유량(Mass flow rate, kg/s)과 연료가 단위 시간 동안 소모되면서 발생되는 에너지인 발열량(Heatrelease rate, kW)에 의해서 구획 공간의 화재 확산을 분석하는 방법이 일반적으로 사용되고 있다(2).
	공간을 구성하고 있는 벽면이 가연물을 보다 빠르게 발화할 수 있는 조건을 형성해준다는 것은 무엇을 의미하는가?	특히, 공간을 구성하고 있는 벽면은 가연물에서 발생된 열원을 축적해 주는 역할을 하게 되어 내부의 온도가 상승하게 되고 열전달에 의해서 가연물이 보다 빠르게 발화할 수 있는 조건을 형성해 줄수 있다(8,9). 이러한 현상은 구획 화재 시 발열량의 비정상거동 및 최대 발열량이 변하는 시간을 고려해야만 정확한 화재 확산 예측이 가능하다는 것을 의미한다. 따라서 구획화재에서 가연물의 질량유속을 정확히 고려하지 않게 되면 화재 확산 결과의 신뢰성이 낮아지는 점을 고려하였을 때벽면 재료에 따른 열전달 현상과 질량 유속의 상관관계를 분석하는 것은 화재 공학 분야에서는 매우 중요한 문제로 판단된다.
	구획 공간의 화재 확산을 분석하는 방법 중 일반적으로 쓰이는 두 가지 인자는 무엇인가?	구획 공간에서 화재가 확산되는 현상을 정량화하기 위해서는 주변의 환경조건과 가연물의 열화학적 물성, 연소에 필요한 에너지, 개구부의 면적과 공간을 구성하고 있는 기하학적 형상에 따른 열전달 현상을 분석해야 한다(1). 하지만, 모든 변수를 고려한 화재 확산의 일반화된 관계식을 제시하기는 어렵기 때문에 일반적으로 가연물이 단위 시간 동안 연소되는 질량유량(Mass flow rate, kg/s)과 연료가 단위 시간 동안 소모되면서 발생되는 에너지인 발열량(Heatrelease rate, kW)에 의해서 구획 공간의 화재 확산을 분석하는 방법이 일반적으로 사용되고 있다(2). 이 중에서도 화원의 단위 면적에 대해서 기화되는 연료의 질량유속(Massflux, kg/㎡·s)은 화염에서부터 연료 표면으로의 대류, 전도, 복사에 의한 결과로 나타나며, 화원의 직경과 재료, 유면의 높이, 화염의 형상, 국소 지점의 온도분포 그리고 연소생성물에 따른 숯의 농도 등에 의해서 달라질 수 있다(3).

참고문헌 (10)

S. C. Kim and G. H. Ko, "Characteristics of Heat Flux in a Compartment Fire - Reduced Scale Test", Journal of Korean Institute of Fire Science & Engineering, Vol. 25, No. 5, pp. 128-133 (2011).
W. J. You, D. G. Nam and M. C. Youm, "Analysis of Heat Release Rate with Various Diameter of Heptane Pool Fire Using Large Scale Cone Calorimeter", Fire Science and Engineering, Vol. 28, No. 5, pp. 1-7 (2014).
J. H. Lee, W. J. Kim and J. C. Kim, "A Literature Review on Compartment Fire Temperatures during Fully Developed Fire", Journal of The Architectural Institute of Korea Structure & Construction, Vol. 30, No. 10, pp. 21-28 (2014).
K. H. Oh, S. J. La and S. E. Lee, "A Study on the Characteristics of Pool Fire", Transaction of Korean Institute of Fire Science & Engineering, Vol. 18, No. 3, pp. 39-44 (2004).
S. C. Kim, "A Study on Fire Characteristics of Solid Combustible Materials Based on Real Scale Fire Test", Journal of Korean Institute of Fire Science & Engineering, Vol. 25, No. 5, pp. 62-68 (2011).
A. Hamins, C. Y. Jiann and K. Takashi, "A Global Model for predicting the Burning Rates of Liquid Pool Fires", NISTIR 6381 (1999).
F. G. Quintiere and M. F. Harkleroad, "New Concepts for Measuring Flame Spread Properties", Bational Bureau of Standards, NBSIR-84-2493 (1984).
F. P. Incopera and D. P. Dewitt, "Introduction to Heat Transfer", pp. 79-86 (1996).
W. J. You and G. H. Ko, "Investigation of the Relationship Between Wall Thermal Conductivity and Inner Room Temperature in Compartment Fires", Fire Science and Engineering, Vol. 32, No. 2, pp. 17-23 (2018).
J. Dinenno and Philip, "SFPE Handbook of Fire Protection Engineering", SFPE (2008).

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