[논문]화재 시 연소성 물질에 대한 화재 위험성 등급 평가

정영진; 진의

doi:10.14478/ace.2020.1103

화재 시 연소성 물질에 대한 화재 위험성 등급 평가
Rating Evaluation of Fire Risk for Combustible Materials in Case of Fire 원문보기

공업화학 = Applied chemistry for engineering, v.32 no.1, 2021년, pp.75 - 82

정영진 (강원대학교 소방방재공학과) , 진의 (강원대학교 소방방재연구센터)

초록
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본 연구는 건자재용 목재 및 플라스틱의 화재위험성 평가에 대하여 새로 고안된 화재성능지수-III (FPI-III), 화재성장지수-III (FGI-III), 화재위험성지수-IV (FRI-IV)를 중심으로 조사하였다. 시험편은 삼나무, 적송, PMMA, PVC를 사용하였다. 화재 특성은 시험편에 대하여 콘칼로리미터(ISO 5660-1) 장비를 이용하여 조사하였다. 연소반응 후 측정된 화재성능지수-III는 PMMA를 기준으로 1.0~15.0으로 나타났다. 화재성능지수-III에 의한 화재위험성은 PVC, 적송, 삼나무, PMMA 순서로 증가하였다. 화재성장지수-III는 PMMA를 기준으로 0.5~3.3으로 나타났다. 화재성장지수-III에 의한 화재위험성은 PVC, PMMA, 적송, 삼나무의 순서로 증가하였다. 모든 시편의 CO 피크농도는 106~570 ppm으로 측정되었다. 결론적으로 체적밀도가 낮은 삼나무와 PMMA와 같이 휘발성 유기물질을 다량 함유한 재료는 화재성능지수-III가 낮고, 화재성장지수-III가 높으므로 화재로 인한 화재위험성이 높은 것으로 이해된다. 이는 화재위험성지수-IV와 일치하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

This study investigated the fire risk assessment of woods and plastics for construction materials, focusing on the fire performance index-III (FPI-III), fire growth index-III (FGI-III), and fire risk index-IV (FRI-IV) by a newly designed method. Japanese cedar, red pine, polymethylmethacrylate (PMMA), and polyvinyl chloride (PVC) were used as test pieces. Fire characteristics of the materials were investigated using a cone calorimeter (ISO 5660-1) equipment. The fire performance index-III measured after the combustion reaction was found to be 1.0 to 15.0 with respect to PMMA. Fire risk by fire performance index-III increased in the order of PVC, red pine, Japanese cedar, and PMMA. The fire growth index-III was found to be 0.5 to 3.3 based on PMMA. Fire risk by fire growth index-III increased in the order of PVC, PMMA, red pine, and Japanese cedar. COpeak concentrations of all specimens were measured between 106 and 570 ppm. In conclusion, it is understood that Japanese cedar with a low bulk density and PMMA containing a large amount of volatile organic substances have a low fire performance index-III and high fire growth index-III, and thus have high fire risk due to fire. This was consistent with the fire risk index-IV.

주제어

표/그림 (17)

표 Table 1. Bulk Density and Moisture Content of Each Wood[16]
표 Table 2. The Physical Characteristics of Each Plastics
그림 Figure 1. Schematic diagram of cone calorimeter[11].
그림 Figure 2. Heat release rate curves of wood specimens at 50 kW/m² external heat flux.
표 Table 3. Experimental Conditions for Cone Calorimeter Test
그림 Figure 3. Heat release rate curves of plastic specimens at 50 kW/m² external heat flux.
그림 Figure 4. Smoke production rate curves of wood specimens at 50 kW/m² external heat flux.
그림 Figure 5. Smoke production rate curves of plastic specimens at 50 kW/m² external heat flux.
표 Table 4. Combustion Properties of Wood Specimens at 50 kW/m² External Heat Flux
표 Table 5. Combustion Properties of Plastic Specimens at 50 kW/m² External Heat Flux
표 Table 6. Fire Performance Index-III (FPI-III) of Wood Specimens and Plastics at 50 kW/m² External Heat Flux
그림 Figure 6. CO concentration (ppm) curves of wood specimens at 50 kW/m² external heat flux.
그림 Figure 7. CO concentration (ppm) curves of plastic specimens at 50 kW/m² external heat flux.
표 Table 7. Fire growth index-III (FGI-III) of Wood Specimens and Plastics at 50 kW/m² External Heat Flux
표 Table 8. Fire risk index-IV (FRI-IV) of Wood Specimens and Plastics at 50 kW/m² External Heat Flux
그림 Figure 8. CO₂ concentration (ppm) curves of wood specimens at 50 kW/m² external heat flux.
그림 Figure 9. CO₂ concentration (ppm) curves of plastic specimens at 50 kW/m² external heat flux.

AI 본문요약
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문제 정의

이를 바탕으로 화재 시에 목재, 플라스틱, 난연 처리된 물질, 섬유 등의 모든 가연성 물질의 열 및 연기발생에 대하여 화재위험성을 등급화 하고자 하였다. PMMA를 기준물질로 사용하여 화재위험성을 무차원지수로 평가함으로써 화재위험성평가 방법으로 이용하고, 이를 확장하여 화재설계 및 화재 시뮬레이션 데이터의 기초자료로 활용하고자 한다.
따라서 다양한 목재 및 가연성 물질의 연소특성과 화재위험 특성규명에 관한 지속적인 연구가 필요하다고 판단되어 일부 목재 및 플라스틱 재료를 대상으로 이들의 화재위험 특성을 평가하고자 한다.
본 연구에서는 건자재 목재 및 플라스틱의 화재위험성을 평가하기 위한 한 부분으로 열 및 연기 특성을 중심으로 평가하였다. 열 및 연기방출 특성과 관련된 요소로 착화시간(time to ignition, TTI), 열 방출률(heat release rate, HRR), 연기생성속도(smoke production rate, SPR) 및 최대연기생성속도에 도달하는 시간(time to reach peak smoke release rate, TSPR)을 측정한 후 화재성능지수-II (fire performance index-Ⅱ, FPI-II)와 화재성장지수-II (fire growth index-Ⅱ, FGI-II)를 평가한 후 PMMA를 기준물질로 무차원의 화재등급지수인 FPI-Ⅲ 및 FGI-Ⅲ를 부여하였다.
높아진다. 이것은 화재초기 화재위험성을 제시하기 위한 것으로 새로운 연기지수 간의 상관관계를 확장시킴으로써 화재등급을 종합적으로 평가하기 위한 기초 자료로 사용하기 위함이다. 따라서 본 연구에서는 Chung’s equations-Ⅲ인 화재성능지수-Ⅲ (fire performance index-Ⅲ, FPI-Ⅲ), 화재 성장지수-Ⅲ (fire growth index-Ⅲ, FGI-Ⅲ)와 Chung’s equation-IV 인 화재위험성지수(fire risk index-IV, FRI-IV)를 새로 고안하여 종합적인 화재위험성 및 화재위험성 등급을 평가하였다.
사용하였다. 이를 바탕으로 화재 시에 목재, 플라스틱, 난연 처리된 물질, 섬유 등의 모든 가연성 물질의 열 및 연기발생에 대하여 화재위험성을 등급화 하고자 하였다. PMMA를 기준물질로 사용하여 화재위험성을 무차원지수로 평가함으로써 화재위험성평가 방법으로 이용하고, 이를 확장하여 화재설계 및 화재 시뮬레이션 데이터의 기초자료로 활용하고자 한다.

제안 방법

4배의 매우 치명적인 독성을 생성하는 것으로 나타났다. 4) 화재위험성 및 화재위험성 등급은 다음과 같은 화재위험성지수- IV식으로 정립하여 평가하였다.
그러나 이 연구에서는 더욱 정량적이고 정밀도를 높이기 위하여 최대연기 발생속도, 착화시간 그리고 최대열방출률인 3개의 변수를 고려하여 연기 유해성 평가를 구현하였다. 그리고 새로운 화재성능지수-Ⅲ (FPI-Ⅲ) 식 (4)를 고안하여 적용하고자 한다.
연기 유해성 평가를 구현하였다. 그리고 새로운 화재성능지수-Ⅲ (FPI-Ⅲ) 식 (4)를 고안하여 적용하고자 한다. 즉, FPI-Ⅲ는 FPI-II를 FPI-II_[PMMA]의 표준 값(PMMA 기준)으로 나눈 값으로 정의된다.
이 식은 연기특성에열특성을 포함한 식으로 연기특성보다는 오히려 열특성이 더 강한 값을 가짐으로써 화재위험성을 잘 표현해 줌으로써 연기성장지수-II (SGI-II)를 화재성장지수-II (FGI- II)로 변경할 필요성이 있다. 그리고 새로운 화재성장지수-Ⅲ (FGI-Ⅲ) 식 (6)을 고안하여 적용하고자 한다. 즉, FGI-Ⅲ는 FGI-II를 FGI-II_[PMMA]의 표준 값(PMMA 기준)으로 나눈 값으로 정의된다.
이것은 화재초기 화재위험성을 제시하기 위한 것으로 새로운 연기지수 간의 상관관계를 확장시킴으로써 화재등급을 종합적으로 평가하기 위한 기초 자료로 사용하기 위함이다. 따라서 본 연구에서는 Chung’s equations-Ⅲ인 화재성능지수-Ⅲ (fire performance index-Ⅲ, FPI-Ⅲ), 화재 성장지수-Ⅲ (fire growth index-Ⅲ, FGI-Ⅲ)와 Chung’s equation-IV 인 화재위험성지수(fire risk index-IV, FRI-IV)를 새로 고안하여 종합적인 화재위험성 및 화재위험성 등급을 평가하였다.
콘칼로리미터 시험은 PMMA의 우수한 반복성 및 재현성 때문에 이것을 기준물질로 사용한다. 따라서 본 연구에서는 PMMA를 이용하여 각각 물질의 화재위험성 등급을 평가하였다. 그에 대한 데이터를 Tables 4~8에 제시하였다.
본 연구에서는 목재로서 삼나무와 적송 및 플라스틱으로는 PMMA 와 PVC를 선정하고, Chung’s equations-Ⅲ인 화재성능지수-Ⅲ (FPI-Ⅲ), 화재성장지수-Ⅲ (FGI-Ⅲ)와 Chung’s equation-IV인 화재위험성지수-IV (FRI-IV)를 새로 고안하여 화재위험성 및 화재위험성 등급 평가에 적용하였다.
한 부분으로 열 및 연기 특성을 중심으로 평가하였다. 열 및 연기방출 특성과 관련된 요소로 착화시간(time to ignition, TTI), 열 방출률(heat release rate, HRR), 연기생성속도(smoke production rate, SPR) 및 최대연기생성속도에 도달하는 시간(time to reach peak smoke release rate, TSPR)을 측정한 후 화재성능지수-II (fire performance index-Ⅱ, FPI-II)와 화재성장지수-II (fire growth index-Ⅱ, FGI-II)를 평가한 후 PMMA를 기준물질로 무차원의 화재등급지수인 FPI-Ⅲ 및 FGI-Ⅲ를 부여하였다. 콘칼로리미터 시험은 PMMA의 우수한 반복성 및 재현성 때문에 이것을 기준물질로 사용한다.
이 식은 더욱 정량적이고 정밀도를 높이기 위하여 최대연기 발생속도, 최대연기발생속도에 도달하는 시간 그리고 최대열방출률인 3개의 변수를 고려하여 연기위험성 평가를 구현하였다. 이 식은 연기특성에열특성을 포함한 식으로 연기특성보다는 오히려 열특성이 더 강한 값을 가짐으로써 화재위험성을 잘 표현해 줌으로써 연기성장지수-II (SGI-II)를 화재성장지수-II (FGI- II)로 변경할 필요성이 있다.
이 연구에서 연기발생속도의 값은 초기 화재의 중요성을 고려하여 제1의 최대연기발생속도(SPR_{1st_peak}) 값을 적용하였다. 특히, 액체성 플라스틱을 포함한 가연물은 연소과정 중 제1의 최대연기발생속도 (SPR_{1st_peak})를 적용하고자 한다.
이 식은 무차원 지수로 나타낸다. 이 연구에서 연기생성속도의 값은 초기 화재의 중요성을 고려하여 제1의 최대연기생성속도(SPR_{1st_peak}) 값을 적용하였다. 특히, 액체성 플라스틱을 포함한 가연물은 연소과정 중 제1의 최대연기발생속도(SPR_{1st_peak})를 적용하고자 한다.

대상 데이터

또한 플라스틱으로 polymethyl methacrylate (PMMA)는 영국의 Fire Testing Technology사로부터 검은색으로 구입하였으며, polyvinyl chloride (PVC)를 아크릴최가 회사에서 구입하여 특별한 가공 없이 이물질을 제거하고 25 ℃ 오븐에서 건조하여 사용하였다. 폴리머 시편에는 충전제와 첨가제가 포함되지 않았다.
본 연구에 사용된 시험편은 삼나무(Japanese cedar)와 적송(Red pine) 의 순수한 목재를 구입하여 두께 10 mm로 별도의 가공처리 없이 시험 규격의 시편 크기에 맞게 사용하였다.
본 연구에서는 건자재 및 내장재로 주로 사용되며, 사용빈도가 높은 침엽수 중 삼나무와 적송을 선별하였고, 열가소성 수지 중 비탄화 고분자인 PMMA와 탄화고분자인 PVC를 선별하여 시험재료로 사용하였다. 이를 바탕으로 화재 시에 목재, 플라스틱, 난연 처리된 물질, 섬유 등의 모든 가연성 물질의 열 및 연기발생에 대하여 화재위험성을 등급화 하고자 하였다.
heat flux) 조건에서 진행하였다[20]. 사용한 시험편의 두께는 10 mm이고 시편은 100 mm × 100 mm 크기의 규격으로 절단하였으며, 연소 반응 후 화재 유해성 평가 분석에 필요한 화재 인자 관련 지수를 구하였다. PVC는 화재 시 부풀어 오르는 물질의 고유 성질로 인하여그릿(grid)을 사용하였으며, 그 외 시편은 그릿을 사용하지 않았다.

이론/모형

플래시오버에 도달하는 대부분의 일반적인 화재는 화상의 유무와 무관하게 사람에게 유해한 농도의 일산화탄소를 발생시킨다. 연기측정은 Beer-Bouguer-Lambert 법칙을 원리로 하는 콘칼로리미터를 이용하여 측정하고자 한다[11]. 콘 칼로리미터를 이용한 시험에서는 연기생성을 나타내는 척도로 연기발생률, 총연기방출률, 연기인자, 비감쇠면적 등이 사용되고 있지만[12-14] 이와 같은 방법은 시간이 변화됨에 따른 제한된 방법으로써 연기 발생에 대한 정량적인 평가가 미흡하고 연기 유해성 평가를 구현하기에는 아직 충분하지 못한 점이 많다.
연소 성질에 대한 시험은 ISO 5660-1의 표준방법에 근거하여 Fire Testing Technology사의 dual cone calorimeter를 사용하여, 실제 화재 시와 유사한 화재성장기에서 발견되는 50 kW/m² 외부 열 유속(exter- nal heat flux) 조건에서 진행하였다[20]. 사용한 시험편의 두께는 10 mm이고 시편은 100 mm × 100 mm 크기의 규격으로 절단하였으며, 연소 반응 후 화재 유해성 평가 분석에 필요한 화재 인자 관련 지수를 구하였다.

성능/효과

1) FPI-Ⅲ에 의한 화재등급지수인 화재성능지수-Ⅲe PMMA (1.0) < 삼나무(1.8) < 적송(3.9) < PVC (15.0)의 순서로 증가하였다. 이것은 PMMA와 같이 휘발성 유기물질을 함유한 플라스틱은 FPI-Ⅲ가 매우 낮아지므로 화재위험성이 높다는 것을 의미한다.
2) FGI-Ⅲ에 의한 화재등급지수인 화재성장지수-Ⅲ는 PVC (0.5) < PMMA (1.0) < 적송(2.1) < 삼나무(3.3)의 순서로 증가하였다. 특히 PVC 는 FGI-Ⅲ가 가장 낮은 것으로 나타났으며 FPI-Ⅲ에서 얻은 결과와 유사한 경향성을 보였다.
3) 모든 시험편의 CO_peak농도는 106~570 ppm으로 측정되었으며, 미국 직업 안전위생관리국(OSHA)의 허용기준(PEL)인 50 ppm과 비교하면 2.1~11.4배의 매우 치명적인 독성을 생성하는 것으로 나타났다. 4) 화재위험성 및 화재위험성 등급은 다음과 같은 화재위험성지수- IV식으로 정립하여 평가하였다.
특히 PVC는 FGI-Ⅲ가 가장 낮은 것으로 나타났으며 FPI-Ⅲ에서도 화재 위험성이 가장 낮게 나타난 것과 일치하였다. FGI-II와 FGI-Ⅲ에 의한 화재 위험성 평가 결과 PVC가 가장 안전한 물질임을 알 수 있었다.
이것은 PMMA와 같이 휘발성 유기물질을 함유한 플라스틱은 FPI-Ⅲ 가 매우 낮아지므로 화재위험성이 높다는 것을 의미한다. FPI-II와 FPI-Ⅲ에 의한 화재위험성 평가 결과 PVC가 가장 안전한 물질임을 알 수 있었다.
특히 PVC는 FRI-IV가 가장 낮은 것으로 나타났으며 FPI-Ⅲ, FGI-Ⅲ에서도 화재위험성이 가장 낮게 나타난 것과 일치하였다. FRI-IV에 의한 화재위험성 평가 결과 PVC가 가장 안전한 물질임을 알 수 있었다.
이는 화재 확대가 증가할수록 화재안정성이 감소하는 것과 같다 [28]. 따라서 FRI-IV 값이 클수록 화재위험성이 커지고 반대로 FRI-IV 값이 작아질수록 화재위험성이 감소하는 것으로서 화재위험성 및 화재등급을 종합적으로 예측할 수 있는 것으로 판단된다.
따라서 본 연구에서 시험된 목재 및 플라스틱을 포함한 가연물은 FGI-Ⅲ의 값이 클수록 화재위험성은 높아지고, 화재안정성은 낮아지는 것을 알 수 있었다. FPI-Ⅲ와 FGI-Ⅲ는 측정된 데이터를 이용해 계산하여 얻어지는 값으로, 콘칼로리미터 실험에서 재료의 화재 안전성을 파악하는데 종합적인 평가로 적용될 수 있다.
따라서 체적밀도가 낮은 삼나무 및 PMMA와 같이 휘발성 유기물질을 다랑 함유한 재료는 화재성능지수-Ⅲ가 낮고, 화재성장지수-Ⅲ 가 매우 높으므로 화재로 인한 화재위험성이 높은 것으로 나타났다.
최대열방출률(peak heat release rate, HRR_peak)은 시료 표면적당 발생한 순간적인 열량의 크기로 물질의 연소 위험성을 가장 잘 나타낼 수 있는 요소이다. 목재의 첫 번째 최대열방출률(HRR_{1st_peak}) 특성은 삼나무 219.89 kW/m², 적송 245.57 kW/m²으로 나타났다. 이어서 적송의 두 번째 최대열방출율률(HRR_{2nd_peak})이 높게 나타난 것은 체적밀도가 클수록 열축적이 커지 때문인 것으로 예측된다.
삼나무는 목재 중 초기 가연성이 높은 것으로 확인되었다. 사용된 목재 시편들의 수분함량의 차이는 1.3%로서 착화시간에는 큰 영향을 미치지 못하는 것으로 나타났으며 목재의 체적밀도가 증가함에 따라 착화시간이 지연되는 경향성을 보였다. 이것은 목재의 착화시간이 그의 표면 열손실의 유무에 따른 상수, 열전도도, 체적밀도, 연료의 비열 및 착화온도 항의 제곱에 비례하며, 시험편에 가해지는 열유속의 제곱에 반비례하는 것으로 설명된다[25].
이와 관련하여 목재에 대한 1차 연기생성속도 도달시간은 삼나무 15 s, 적송 25 s로 측정되었다. 이어 2차 연기생성속도 도달시간은 삼나무 275 s, 적송 325 s로 나타났으며 연기생성속도 도달시간이 지연되었다. 이는 연소 시 숯이 생성됨에 따라 연소억제 효과가 증가되었기 때문이라 판단된다.
첫 번째 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 때문에 감소되는 경향성이 관찰되었다. 두 번째 피크는 열적 파동이 뒷면 절연층에 도달할 때 일어나고 이런 후면효과(back effect)로 인하 여열이 축적되어 동시에 많은 열이 방출되기 때문에 나타난다[20, 24].
최대열방출률(HRR_peak)은 시편의 표면적당 순간적으로 발생하는 열량의 크기로 비탄화 고분자는 HRR_peak가 거의 실험 종료 시점에 나타나며 본 연구에서도 PMMA가 동일한 양상을 보였다[10].
이것은 불완전연소보다 완전연소가 더 많이 일어나는 것으로 판단된다. 특히 PMMA의 결과는 34938 ppm으로서 OSHA의 허용기준(PEL)인[30] 5000 ppm 보다 7.0배 높게 나타났다. 이것은 3.
83) 의 순서로 증가하였다. 특히 PVC는 FRI-IV가 가장 낮은 것으로 나타났으며 FPI-Ⅲ, FGI-Ⅲ에서도 화재위험성이 가장 낮게 나타난 것과 일치하였다. FRI-IV에 의한 화재위험성 평가 결과 PVC가 가장 안전한 물질임을 알 수 있었다.

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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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