[논문]화재 시 가연성 물질의 연기 위험성 평가

정영진; 진의

doi:10.14478/ace.2020.1024

화재 시 가연성 물질의 연기 위험성 평가
Assessment of Smoke Risk of Combustible Materials in Fire 원문보기

공업화학 = Applied chemistry for engineering, v.31 no.3, 2020년, pp.277 - 283

정영진 (강원대학교 소방방재공학과) , 진의 (강원대학교 소방방재연구센터)

초록
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본 연구는 건자재용 목재의 연기 유해성평가에 대하여 연기성능지수-II (SPI-II), 연기성장지수-II (SGI-II)를 중심으로 조사하였다. 시험편은 삼나무, 가문비나무, 나왕, 적송을 사용하였다. 연기 특성은 시험편 목재에 대하여 콘칼로리미터(ISO 5660-1) 장비를 이용하여 조사하였다. 연소반응 후 측정된 연기성능지수-II는 적송을 기준으로 1.31~2.15배 증가하였다. 연기성능지수-II에 의한 화재위험성은 가문비나무, 나왕, 삼나무, 적송의 순서로 증가하였다. 연기성장지수-II는 삼나무를 기준으로 1.18~2.55배 증가하였다. 연기성장지수-II에 의한 화재위험성은 삼나무, 가문비나무, 나왕, 적송의 순서로 높아졌다. CO 평균농도는 59~133 ppm이었으며 이 결과는 미국직업안전위생관리국(occupational safety and health administration, OSHA)의 허용기준(permissible exposure limits, PEL)인 50 ppm 보다 높게 나타났다. 결론적으로 적송과 같이 휘발성 유기물질을 다랑 함유한 목재는 연기성능지수-II가 낮고, 연기성장지수-II가 높으므로 화재로 인한 연기유해성이 높은 것으로 이해된다.

Abstract ▼ AI-Helper

The smoke hazard assessment of building materials focusing on smoke performance index-II (SPI-II) and smoke growth index-II (SGI-II) was investigated. The test species used were Japanese cedar, spruce, lauan, and red pine. The smoke characteristics of wood specimen were investigated using a cone calorimeter (ISO 5660-1). SPI-II was measured after the combustion reaction increased by 1.31~2.15 times based on red pine. The fire risk by SPI-II increased in the order of spruce, lauan, Japanese ceda, and red pine. SGI-II increased by 1.18~2.55 times compared to that of Japnese ceda. The fire risk caused by SGI-II increased in the order of Japanese ceda, spruce, lauan, and red pine. COmean concentrations were ranged from 58 to 133 ppm, which was higher than permissible exposure limits of the occupational safety and health administration (OSHA), 50 ppm. Therefore, woods such as red pine containing various volatile organic substances, were considered to be highly smoke hazardous due to low SPI-II and high SGI-II.

주제어

표/그림 (10)

그림 Figure 1. Schematic diagram of cone calorimeter[10].
표 Table 1. The Mean Density and Moisture Content of Each Wood[16]
그림 Figure 2. Heat release rate curves of wood specimens at 50 kW/m² external heat flux.
표 Table 2. Experimental Conditions for Cone Calorimeter Test
표 Table 3. Combustion Properties of Wood Specimens at 50 kW/m² External Heat Flux
그림 Figure 3. Smoke production rate curves of wood specimens at 50 kW/m² external heat flux.
표 Table 4. Smoke Perfomance Index-II (SPI-II) of Wood Specimens at 50 kW/m² External Heat Flux
그림 Figure 4. CO concentration (ppm) curves of Wood Specimens at 50 kW/m² external heat flux.
그림 Figure 5. CO₂ concentration (ppm) curves Wood Specimens at 50 kW/m² external heat flux.
표 Table 5. Smoke Growth Index-II (SGI-II) of Wood Specimens at 50 kW/m² External Heat Flux

AI 본문요약
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문제 정의

따라서 다양한 목재 및 가연성 물질의 연소특성과 화재위험 특성 규명에 관한 지속적인 연구가 필요하다고 판단되어 일부 목재 재료를 대상으로 목재의 화재위험 특성을 평가하고자 한다.
본 연구의 목적은 건자재 및 내장재로 주로 사용되고 있는 삼나무,가문비나무, 나왕, 적송의 연소특성에 대하여 새로운 연기관련 평가방법인 연기성능지수-II 및 연기성장지수-II를 고안하여 일반 목재 및 가연성 물질의 화재 시 연기위험성을 평가하고자 하였다. 따라서 화재시에 목재, 플라스틱, 난연 처리된 물질, 섬유 등의 연기발생에 대하여 화재위험성평가 방법으로 이용하고, 화재 시뮬레이션 데이터의 기초자료로 활용하고자 한다.
본 연구에서는 건자재 목재의 화재위험성을 평가하기 위한 한 부분으로 연기 특성을 중심으로 평가하였다. 연기방출 특성과 관련된 요소로 TTI, HRR, SPI-II, SGI-II 및 일산화탄소 독성농도 등을 측정한 후 연기유해성을 평가하였다.
본 연구의 목적은 건자재 및 내장재로 주로 사용되고 있는 삼나무,가문비나무, 나왕, 적송의 연소특성에 대하여 새로운 연기관련 평가방법인 연기성능지수-II 및 연기성장지수-II를 고안하여 일반 목재 및 가연성 물질의 화재 시 연기위험성을 평가하고자 하였다. 따라서 화재시에 목재, 플라스틱, 난연 처리된 물질, 섬유 등의 연기발생에 대하여 화재위험성평가 방법으로 이용하고, 화재 시뮬레이션 데이터의 기초자료로 활용하고자 한다.
저자들은 Chung’s equations에 의한 연기성장지수를 이용하여 연기 유해성 평가를 기 보고한 바 있다[14]. 이것은 화재초기 연기유해성을 제시하기 위한 것으로 새로운 세 가지 연기지수를 바탕으로 하여 지수간의 상관관계를 확장시킴으로써 연기등급을 종합적으로 평가하기 위한 기초 자료로 사용하기 위함이다. 그러나 본 연구에서는 더욱 정량적이고 정밀한 연기 유해성 평가의 확장성을 구현하기 위해 새로운 Chung’s equations II인 연기성능지수-II (smoke performance index-II,SPI-II), 연기성장지수-II (smoke growth index-II, SGI-II)를 고안하여 적용하고자 한다.

제안 방법

Spearpoint와 Quintiere은 목재에 대해 높은 열유속(heat flux)과 낮은 열유속을 비교하여 콘칼로리미터 실험을 진행하였고, 적분모델을 이용해 임계 열유속을 계산하여 나타냈다[4].
그러나 본 연구에서는 더욱 정량적이고 정밀한 연기 유해성 평가의 확장성을 구현하기 위해 새로운 Chung’s equations II인 연기성능지수-II (smoke performance index-II,SPI-II), 연기성장지수-II (smoke growth index-II, SGI-II)를 고안하여 적용하고자 한다.
그러나 이 연구에서는 더욱 정량적이고 정밀도를 높이기 위하여 최대연기발생속도, 착화시간 그리고 최대열방출률인 3개의 변수를 고려하여 연기 유해성 평가를 구현하였다. 그러므로 새로운 제2의 연기성능지수-II (smoke performance index-II, SPI-II) 식(3)을 고안하여 적용하고자 한다.
이 식은 연기성장지수를 평가하기 위하여 최대연기발생속도와 최대연기발생속도에 도달하는 시간의 2개의 변수를 고려하였다. 그러나 이 연구에서는 더욱 정량적이고 정밀도를 높이기 위하여 최대연기발생속도, 최대연기발생속도에 도달하는 시간 그리고 최대열방출률인 3개의 변수를 고려하여 연기 유해성 평가를 구현하였다. 그러므로 연기 유해성을 평가할 수 있는 새로운 연기성장지수-II (smoke growth index, SG-II) 식(5)를 고안하여 적용하고자 한다.
또한 열방출에 대해서도 위와 유사한 의미로 제2의 열방출률(HRR2nd_peak)을 적용하였다.또한 저자는 가연물의 연기위험성을 예측할 수 있는 연기성장지수(smoke growth index, SGI) 식(4)를 기 보고한 바 있다[14].
본 연구에서는 건축용 목재인 삼나무, 가문비나무, 나왕, 적송을 선정하여 연기위험성에 대하여 연기성능지수-II (SPI-II), 연기성장지수-II(SGI-II)를 중심으로 조사하였다.
사용한 시험편의 두께는 10 mm이고 시편은 100 mm × 100 mm 크기의 규격으로 절단하였으며, 연소 반응 후 화재 유해성 평가 분석에 필요한 연기 인자 관련 지수를 구하였다.
여기에서도 SPI-II의 계산과 같은 방법으로 제2의 최대연기발생속도에 도달하는 시간(TSPR2nd_peak)을 적용하였다. 단, SPI-II의 경우와 같이 액체성 플라스틱을 포함한 가연물은 연소과정 중 제1의 최대연기 발생속도(SPR1st_peak) 및 이에 도달되는 시간(Time to SPR1st_peak)을 적용한다.
본 연구에서는 건자재 목재의 화재위험성을 평가하기 위한 한 부분으로 연기 특성을 중심으로 평가하였다. 연기방출 특성과 관련된 요소로 TTI, HRR, SPI-II, SGI-II 및 일산화탄소 독성농도 등을 측정한 후 연기유해성을 평가하였다. 그에 대한 데이터를 Table 3에 제시하였다.
이 식은 저자의 기 발표된 식(3)보다 더욱 정량적이고 정밀한 표현으로 이해된다. 이 연구에서 연기발생속도의 값은 가장 가혹한 조건으로 제2의 최대연기발생속도(SPR_{2nd_peak}) 값을 적용하였다. 단, 액체성 플라스틱을 포함한 가연물은 연소과정 중 제1의 최대연기발생속도(SPR_{1st_peak})를 적용하고자 한다.

대상 데이터

본 연구에 사용된 시험편은 삼나무(Japanese ceda), 가문비나무(Spruce), 나왕(Lauan), 적송(Red pine)의 순수한 목재를 구입하여 두께 10 mm로 별도의 가공처리 없이 시험 규격의 시편 크기에 맞게 사용하였다.

이론/모형

그러나 이 연구에서는 더욱 정량적이고 정밀도를 높이기 위하여 최대연기발생속도, 최대연기발생속도에 도달하는 시간 그리고 최대열방출률인 3개의 변수를 고려하여 연기 유해성 평가를 구현하였다. 그러므로 연기 유해성을 평가할 수 있는 새로운 연기성장지수-II (smoke growth index, SG-II) 식(5)를 고안하여 적용하고자 한다. 즉, SGI-II는 SPRpeak과 PHRR로 곱한 것을 Time to SPRpeak (SPRpeak에 도달하는 시간)으로 나눈 값으로 정의된다.
연소 성질에 대한 시험은 ISO 5660-1의 표준방법에 근거하여 Fire Testing Technology사의 Dual cone calorimeter를 사용하여, 실제 화재시와 유사한 화재성장기에서 발견되는 열유속인 50 kW/m2 외부 열유속(external heat flux) 조건에서 진행하였다[17]. 사용한 시험편의 두께는 10 mm이고 시편은 100 mm × 100 mm 크기의 규격으로 절단하였으며, 연소 반응 후 화재 유해성 평가 분석에 필요한 연기 인자 관련 지수를 구하였다.
콘칼로리미터를 이용한 연기측정 시험방법은 기본원리가 Beer-Bourguer-Lambert 법칙이다[10]. 화재동안 발생된 연기는 사람의 가시도를 감소시키기 때문에 탈출하는 데에 문제가 있으며 배출된 기체는 부식성이기 때문에 인체에 치명적인 유해한 위험성을 안고 있다.

성능/효과

1) 목재 시험편의 제2의 최대열방출(HRR2nd_peak) 특성은 삼나무 150.49kW/m², 가문비나무 201.19 kW/m², 적송 248.96 kW/m², 나왕 277.45kW/m² 순으로서 삼나무 기준 33.7~84.4% 높았다.
2) 적송의 제2의 연기생성속도(SPR2nd_peak)은 0.0372 m²/s로 가장 높게 나타났으며, 삼나무의 두 번째 연기생성속도(SPR2nd_peak)인 0.0210m2/s에 비하여 77.1% 높게 나타났다.
3) 적송의 연기성능지수-II는 가장 낮은 0.97 s²/kW이었고, 반면에 삼나무, 나왕, 가문비나무의 연기성능지수-II는 1.27~2.09 s²/kW으로 적송보다 1.31~2.15배 높았다. 연기성능지수-II에 의한 화재위험성은 가문비나무, 나왕, 삼나무, 적송의 순서로 증가하였다.
4) 삼나무의 연기성장지수-II는 0.011 m²/s²으로 시험편 중 가장 낮 게 나타났다. 그러나 가문비나무, 나왕, 적송은 삼나무에 비해 1.
최대열방출률(peak heat release rate, HRRpeak)은 시료 표면적당 발생한 순간적인 열량의 크기로 물질의 연소 위험성을 가장 잘 나타낼 수 있는 요소이다. 4종류의 목재의 두 번째 최대열방출 특성은 삼나무150.49 kW/m2, 가문비나무 201.19 kW/m2, 적송 248.96 kW/m2, 나왕277.45 kW/m2 순으로 삼나무 기준 33.7~84.4% 높았다. 나왕은 HRR2nd_peak 값이 가장 큰 것으로 나타나 어느 순간 질량감소 속도가 높아 매우 빠르게 타버리고 순간적인 연소 위험성 또한 높다는 것을 알 수 있었다.
5) 삼나무, 가문비나무, 나왕, 적송의 시험편에 대하여 CO는 57~133 ppm이었다. 이 결과는 OSHA의 허용기준(PEL)인 50 ppm 보다 높게 나타났으며, 이것은 완전연소보다 불완전연소가 더 많이 일어나는 것으로 판단된다.
Table 4에 나타낸 바와 같이 열유속이 50 kW/m²인 경우, 삼나무 4s, 가문비나무 9s, 나왕 10s, 적송 9s로서[16] 삼나무가 다른 3종류의 목재보다 훨씬 더 착화시간이 빠르게 나타나는 것을 알 수 있었다.가문비나무, 나왕과 적송은 착화시간이 비슷하였으며 삼나무는 4종류의 목재 중 초기 가연성이 높은 것으로 확인되었다. 사용된 각 시편들의 수분함량의 차이는 0.
결론적으로 적송과 같이 휘발성 유기물질을 다랑 함유한 목재는 화재성능지수-II가 낮고, 화재성장지수-II가 높으므로 화재로 인한 연기유해성이 높은 것으로 이해된다.
4% 높았다. 나왕은 HRR2nd_peak 값이 가장 큰 것으로 나타나 어느 순간 질량감소 속도가 높아 매우 빠르게 타버리고 순간적인 연소 위험성 또한 높다는 것을 알 수 있었다. HRR2nd_peak 값은 평균밀도에 비례하여 증가하는 경향성이 있었다.
따라서 본 연구에서 시험된 목재 및 가연물은 SGI-II의 값이 클수록 화재위험성은 높아지고, 화재안정성은 낮아지는 것을 알 수 있었다. SPI-II와 SGI-II는 측정된 데이터를 이용해 계산하여 얻어지는 값으로, 콘칼로리미터 실험에서 재료의 연기안전성을 파악하는데 종합적인 평 가로 볼 수 있다.
가문비나무, 나왕과 적송은 착화시간이 비슷하였으며 삼나무는 4종류의 목재 중 초기 가연성이 높은 것으로 확인되었다. 사용된 각 시편들의 수분함량의 차이는 0.2~2.1%으로서 착화시간에는 큰 영향을 미치지 못하는 것으로 나타났으며 목재의 평균밀도가 증가함에 따라 착화시간이 지연되는 경향성을 보였다. 이것은 나무의 착화시간이 그의 표면 열손실의 유무에 따른 상수, 열전도도, 체적밀도, 연료의 비열 및 착화온도 항의 제곱에 비례하며, 시험편에 가해지는 열유속의 제곱에 반비례하는 것으로 설명된다[23].
5) 삼나무, 가문비나무, 나왕, 적송의 시험편에 대하여 CO는 57~133 ppm이었다. 이 결과는 OSHA의 허용기준(PEL)인 50 ppm 보다 높게 나타났으며, 이것은 완전연소보다 불완전연소가 더 많이 일어나는 것으로 판단된다.
첫번째 피크는 연소 표면 가까운 곳에서 숯이 형성되기 전에 발생한다. 첫 번째 피크 후 중간 부분은 처음 생성된 숯 층이 두께를 통하여 단열층 역할을 하고 단열효과로 인하여 시료가 점차적으로 연소하기 때 문에 감소되는 경향성이 관찰되었다.
화재초기의 위험성을 평가하면 HRR1st_peak 영역에도 나왕이 가장 큰 위험성을 보였으며 삼나무가 가장 위험성이 작은 목재로 나타났다. 화염에 휩싸일수록 HRR2nd_peak 영역에서는 평균밀도가 클수록 열축적 이 커지므로 화재위험성이 큰 것으로 나타났다.
HRR2nd_peak 값은 평균밀도에 비례하여 증가하는 경향성이 있었다.화재초기의 위험성을 평가하면 HRR1st_peak 영역에도 나왕이 가장 큰 위험성을 보였으며 삼나무가 가장 위험성이 작은 목재로 나타났다. 화염에 휩싸일수록 HRR2nd_peak 영역에서는 평균밀도가 클수록 열축적 이 커지므로 화재위험성이 큰 것으로 나타났다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	목재의 특징은 무엇인가?	목재는 미적인 외관과 우수한 물리⋅화학적 성질로 인하여 일반 가정주택에서부터 주거용 중형 건축물의 건축 재료로서 주로 널리 사용되고 있다. 그러나 다른 건축 재료들에 비하여 화재에 취약성을 가지고 있다.
	연기성장지수-II는 삼나무 기준 몇배 증가하였는가?	연기성능지수-II에 의한 화재위험성은 가문비나무, 나왕, 삼나무, 적송의 순서로 증가하였다. 연기성장지수-II는 삼나무를 기준으로 1.18~2.55배 증가하였다. 연기성장지수-II에 의한 화재위험성은 삼나무, 가문비나무, 나왕, 적송의 순서로 높아졌다.
	목재의 연소속도를 예측하기 위한 연구엔 무엇이 있는가?	따라서 이들 목재의 가연성에 대한 문제점을 보완하기 위해 국내ㆍ외적으로 화재성능을 기반으로 한 법규 등을 제정⋅시행하고 있으며,목재의 연소속도를 예측하기 위한 연구들이 활발히 진행되고 있다[2].이에 대한 선행연구를 살펴보면 Grexa은 일인산 암모늄과 붕산으로 난연 처리한 목재에 열과 연기의 특성 중 일부를 선정하여 평가한 바 있다[3]. 그러나 열 특성 중 열방출률로만 평가하는 것은 한계가 있다고 판단된다.

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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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