[논문]단열패널 종류별 이격거리에 따른 화재감식 평가

김정훈; 김다슬

doi:10.5762/kais.2021.22.4.403

단열패널 종류별 이격거리에 따른 화재감식 평가
Evaluation of Fire Investigation as the Separation Distances for Several Types of Insulation Panels 원문보기

한국산학기술학회논문지 = Journal of the Korea Academia-Industrial cooperation Society, v.22 no.4, 2021년, pp.403 - 412

김정훈 (호서대학교 안전보건학과) , 김다슬 (호서대학교 대학원 안전환경기술융합학과)

초록
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단열패널(표면재, 심재, 마감재로 구성되어 있으며 경량성, 저가성 및 시공성 등의 장점)의 화재난연성과 적용건축물 강화에도 불구하고, 화재발생 건수와 피해 영향은 지속적으로 증가하고 있다. 본 연구에서는 단열패널 종류별이격거리에 따른 열영향(온도변화, 점화가능성, 내·외부 연소흔, 심재의 형상 변화)을 평가하고자 국내에서 사용빈도가 높은 EPS 패널, 글라스울 패널, 석고보드 패널의 3종을 선택하였다. 패널에는 지면으로부터 수직(30 cm, 90 cm, 150 cm)으로 온도센서를 설치하였고, 적층한 각목을 화원으로 패널로부터 각각 0 cm, 25 cm, 50 cm 이격거리를 변화시키면서 점화시켰다. 실험 결과, 최고온도는 EPS 패널에서 349 ℃를 나타내었고, 패널의 내·외부 형상변화는 이격거리 25 cm를 임계점으로 하부에서 중부까지 높이로 국한되었다. 또한 연소흔은 평균 500 s 이후에서 나타났고, 화재강도가 큰 EPS 패널에서는 광폭의 U자형 패턴, 글라스울과 석고보드 패널에서는 중폭 또는 협폭의 V자형 패널을 형성하였다. 도출된 정보를 통해 단열 패널로 구성된 건축물로부터 화재위험성 평가와 화재감식의 검증에 필요한 유용한 정보를 제공하고자 한다.

Abstract ▼ AI-Helper

Despite strengthening requirements for fire retardancy and applied buildings of insulation panels, the number of fires and influence of damage have increased. In this study, the thermal effects were evaluated as the separation distances, and three types of EPS panel, glass wool panel, and gypsum board panel were then selected. Temperature sensors on the panels were installed vertically from the ground. The fire source on the lamination layer of lumber was ignited by changes in the separation distances (0 cm, 25 cm, 50 cm) from the panels. The test results suggested that the maximum temperature was 349 ℃ in the EPS panel. The inside/outside shape changes were limited by the height of the low and middle positions until the critical point of a 25 cm separation distance. Furthermore, the combustion marks appeared after 500 s on average, and then the EPS panel with a high fire strength showed a broad "U type" pattern, glass wool panel, and gypsum board panel showed medium or narrow "V type" pattern. Therefore, the acquired data can provide valuable information for evaluating the fire risks and verifying fire investigation from buildings composed of these insulation panels.

주제어

표/그림 (7)

표 Table 1. Details of Insulation Panels.[3,12]
그림 Fig. 1. Photos of Fire Experiment for Insulation Panels.
그림 Fig. 2. Experimental Process.
그림 Fig. 3. Temperature Profiles of Insulation Panels as the Separation Distance.
그림 Fig. 4. Actual and Thermographic Photos of Insulation Panels as the Separation Distances.
표 Table 2. Total Comparative Table of Combustion Experiment as the Separation Distances.
그림 Fig. 5. Combustion Marks of Inside/Outside Parts and Microscope Image of Inside Core(×60) Formed in Insulation Panels Affected by Heat.

AI 본문요약
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문제 정의

평가하고자 하였다. 국내에서 가장 많은 사용 빈도를 점유하고 있는 EPS 패널, 글라스울 패널, 석고보드 3종을 사용하여 화염으로부터 이격거리별 연소특성, 내·외장재간 온도 변화 및 연소흔, 내부 심재의 변형 특성 등 제반 실험을 실시하여 단열패널의 위험성을 재확인하고 화재감식 평가에 응용하고자 한다.
따라서 본 연구에서는 처음 시도하는 현장 기반의 실험적 연구로 창고형 구획공간 내에서 외부 공기 유입을 차단한 상태에서 시판 단열패널을 대상으로 이격거리별열영향을 평가하고자 하였다. 국내에서 가장 많은 사용 빈도를 점유하고 있는 EPS 패널, 글라스울 패널, 석고보드 3종을 사용하여 화염으로부터 이격거리별 연소특성, 내·외장재간 온도 변화 및 연소흔, 내부 심재의 변형 특성 등 제반 실험을 실시하여 단열패널의 위험성을 재확인하고 화재감식 평가에 응용하고자 한다.
본 연구에서는 상대적으로 배제되었던 현장 기반의 실험적 연구를 수행하고자 시판 단열재를 실물 크기로 적용한 상태에서 이격거리 변수를 신규 도입하는 시도를 하였다. 기존 연소실험에서 누락되었던 석고보드를 추가하여 단열패널 3종(EPS, 글라스울, 석고보드)에 대한 상호 비교 실험을 실시하였다.

제안 방법

기존 연소실험에서 누락되었던 석고보드를 추가하여 단열패널 3종(EPS, 글라스울, 석고보드)에 대한 상호 비교 실험을 실시하였다. 구체적으로 착화에서부터 소염에 이르기까지 연소 전과정에서 일어나는 특징을 기록하였고 외부화염에 의한 이격거리별 온도변화 특성, 내·외부 형상 변화, 내부 심재의 변형을 관찰·측정하여 화재감식에 활용할 수 있는 다음과 같은 정보를 얻을 수 있었다.
구체적으로 해당 열량을 맞추기 위해 A급 화재시험인 ANSI/UL 711에 따라 1-A 능력단위의 1/2.5배로 축소하여 각목 50 cm × 8 EA, 25 cm × 12 EA를 두 개, 세 개 순으로 번갈아서 적층하였다. 점화는 점화팬 (ignition pan)의 크기를 동 시험방법의 1/2.
본 연구에서는 상대적으로 배제되었던 현장 기반의 실험적 연구를 수행하고자 시판 단열재를 실물 크기로 적용한 상태에서 이격거리 변수를 신규 도입하는 시도를 하였다. 기존 연소실험에서 누락되었던 석고보드를 추가하여 단열패널 3종(EPS, 글라스울, 석고보드)에 대한 상호 비교 실험을 실시하였다. 구체적으로 착화에서부터 소염에 이르기까지 연소 전과정에서 일어나는 특징을 기록하였고 외부화염에 의한 이격거리별 온도변화 특성, 내·외부 형상 변화, 내부 심재의 변형을 관찰·측정하여 화재감식에 활용할 수 있는 다음과 같은 정보를 얻을 수 있었다.
단열패널 당 3회씩 연소실험을 실시하였으며, 가연물로는 예비실험을 통해 가정용 화재 용이 조건인 전기히터 2기의 열량(전체 약 10, 000 kcal, 5,000 kcal/ 기)을 적용하였다.
제품을 사용하였다. 또한 실험은 10월 초순 3일간, 온도 20 ℃±2 ℃, 습도 45 ∼ 47 % 조건에서 하루 패널 1종씩 수행하였다.
3)에 드릴을 이용하여 각각 타공하여 설치하였다. 또한 이격거리는 패널의 수직면으로부터 0 cm, 25 cm, 50 cm 로 변화를 주었다. Fig.
연소 실험은 각목이 연소가 완료될 때까지 실시하였고, 연소가 진행되는 과정에서 패널의 상부, 중부, 하부별 평균 온도변화를 기록하였고 내·외장재의 형상 변화를 연소 흔 패턴으로 분석하였다. 이후 하부를 10 cm × 10 cm로 절단하여 영상현미경으로 내부 심재의 열적 변형을 관찰하였다.
온도센서는 패널의 하부(지면으로부터 30 cm, TC.1), 중부(지면으로부터 90 cm, TC.2), 상부(지면으로부터 150 cm, TC.3)에 드릴을 이용하여 각각 타공하여 설치하였다. 또한 이격거리는 패널의 수직면으로부터 0 cm, 25 cm, 50 cm 로 변화를 주었다.
이격거리에 따라 화염에 의한 단열패널의 열적 영향을 관찰하기 위해 시료를 고정틀을 사용하여 수직으로 고정시켰다. 단열패널 당 3회씩 연소실험을 실시하였으며, 가연물로는 예비실험을 통해 가정용 화재 용이 조건인 전기히터 2기의 열량(전체 약 10, 000 kcal, 5,000 kcal/ 기)을 적용하였다.
패턴으로 분석하였다. 이후 하부를 10 cm × 10 cm로 절단하여 영상현미경으로 내부 심재의 열적 변형을 관찰하였다. 전체 실험방법은 Fig.

대상 데이터

실험 재료는 EPS 패널, 글라스울 패널, 석고보드 3종을 가로 100 cm × 세로 200 cm로 시중에 유통되는 규격 제품을 사용하였다. 또한 실험은 10월 초순 3일간, 온도 20 ℃±2 ℃, 습도 45 ∼ 47 % 조건에서 하루 패널 1종씩 수행하였다.
실험에 사용한 장비로는 패널 심재의 온도변화와 형상 변화를 관찰하기 위해 온도변화 측정용 온도센서(K-type), 데이터 로거(Agilent 34970A, Keysight Tech.), 열화상 카메라(T420, Flir), 영상현미경(ICS-305B, New Tech)을 사용하였다.

성능/효과

1) 이격거리별 온도 변화는 전체적으로 EPS와 글라스울 패널이 유사한 패턴을 보였다. 착화 가능성이 있는 온도변화는 25 cm 까지 형성되었으며, 50 cm 에서는 3종 패널 모두 큰 차이가 없었다.
2) 실험을 통해 얻어진 최고온도는 EPS 패널에서 349 ℃ 였으며 하부 측정센서 TC.1에서만 착화 가능성이 있는 온도변화를 나타내었고, 이격거리 순으로는 EPS, 석고보드, 글라스울 패널 순으로 온도 강하가 일어났다. 측정센서 위치별로는 하부 TC.
20 s 부터 표면에 화염을 형성하였으며, 상부 가열 영향을 받아 온도가 증가하였고, 후면까지 연소된 후에는 온도가 서서히 감소하였다. 최고온도는 TC.
3) 내·외부 형상 변화의 유효 한계는 패널의 하부에서 중부까지였으며, 패널 외부가 강한 화염 전파로 인해 연소흔이 집중된 양상을 나타내었다. 상대적으로 패널 내부는 외부 집중 열소실로 인해 열을 축적하지 못하고 소염되었다.
4) 열영향이 집중된 패널 하부를 대상으로 한 내부 심재의 변형은 0 cm 이격시 심재의 대부분이 연소되어 입계상 구조(granular structure)가 관찰되는 반면, 25 cm 이격시에는 심재가 용융되면서 변색되거나 탄화물질이 형성되는 수준으로 조직 구조상 뚜렷한 변화는 없었다. 석고보드는 25 cm 이상 이격 시부터 내부 심재의 변형이 원소재와 크게 다르지 않아 열영향 한계를 벗어나는 수준이었다.
5) 상기 단열패널을 이용한 화재위험성을 종합적으로 판단할 때, 패널의 용융에 따른 외부 표면재의 연소 흔 집중, 내부 심재의 변형, 화염 접촉부에 집중된 형상 변화 등이 주요 결과로 판단된다. 기존 연구와 비교시 단열 패널을 실물 크기로 적용한 결과, 패널의 수직면과 수평방향 이격거리에 따른 열 영향 범위의 한계를 신규로 도출하여 학술적 범위를 확장하는 계기가 되었다.
그리고 25 cm 이격시, 화염접촉으로 강판이 가열되어 750 s 부터 연소흔을 볼 수 있었다. EPS 패널과는 다르게 높은 온도까지는 열이 축적되지 않았으며 패널의 단열 특성으로 인해 시간이 경과하여도 일정 온도를 유지하는 양상을 나타내었다. 최고온도는 TC.
[1-3] 이 중 공장 및 창고화재의 대표적인 예로는 이천 물류창고 화재, 제천 복합건물 화재, 밀양 세종병원 화재 등이 있다.[2] 화재의 주요 원인을 살펴보면 미완성 형태의 건물 구조 및 특성, 취급·시공상 가연물의 취약성, 건설현장의 부실한 화재안전관리 실태, 임시 소방시설의 정비 부재, 반복 화재사고에 대한 경각심 지속 부족 등으로 요약할 수 있다.[2] 특히 화재감식에 있어 공통 위험요소로 중요한 것은 건설현장 내 단열재 등 가연물과 시공과정에서 사용되는 가연성물질(스티로폼, 우레탄폼 등) 로용접 불꽃 등에 의해 쉽게 착화될 경우 염화수소(HCl), 시안화수소(HCN)와 같은 유독가스 및 일산화탄소(CO) 등의 연소가스를 발생하여 인체유해성이 크다.
경제적 이윤 창출이 목적인 사업주는 비용 절감을 위해 적극 활용하고 있고, 국내에서는 공장 신축 시 내·외장재의 약 60% 이상을 점유하는 것으로 보고되고 있다.[4] 샌드위치 구조의 단열 패널은 화재 발생시 소재 특성상 화염이 급속히 확산되지만 상대적으로 물은 침투가 어려운 구조로 화재 진압이 어렵다. 또한 난연성 및 가스유해성에 대한 사용 제한이 강화되고 있음에도 불구하고 화재발생으로 인한 피해는 지속적으로 증가하여 전체 화재의 30%를 차지하고 있다.
3은 41 ℃(827 s)를 나타내었다. 또한 50 cm 이격 시 화염으로 인한 열이 패널에 영향을 주지 않아 외부 강판의 변화가 없었고 EPS 패널과 유사하게 내부온도의 변화가 미미하였다.
3은 54 ℃(870 s)에서 나타났다. 또한 50 cm 이격시, 타 패널과 마찬가지로 표면에 어떠한 변화도 없는 상태에서 하부에만 열이 약하게 축적되는 것을 알 수 있었다.
착화 가능성이 있는 온도변화는 25 cm 까지 형성되었으며, 50 cm 에서는 3종 패널 모두 큰 차이가 없었다. 연소흔은패널의 특성상 석고보드에서 가장 빠르게 형성되었으며, EPS는 500 s 이후에, 글라스울은 750 s 이후에 나타났다.

후속연구

향후 기존 사고사례에서 도출된 결과분석 중 하나인 패널 구조물의 열집중으로 인한 중량감소와 이에 따른 붕괴의 위험성을 동시에 고려한 추가 연구가 필요할 것으로 사료된다.

참고문헌 (16)

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S. M. Park, S. G. Choi, S. Y. Jin, S. K. Kim, "A Study on Fire Hazards in Multiple Compartments with Lightweight Partition Walls", Journal of Korean Institute of Fire Science and Engineering, Vol.34, No.2, pp.14-21, 2020. DOI: https://doi.org/10.7731/kifse.129a7348

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S. M. Park, S. G. Choi, S. K. Kim, "Study on the Characteristics of Conduction Heat Transfer According to the Heating Temperature of a Composite Wall in a Light-weight Partition", Journal of Korean Institute of Fire Science and Engineering, Vol.33, No.1, pp.60-68, 2019. DOI: https://doi.org/10.7731/kifse.2019.33.1.060

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H. J. Park, M. H. Cho, "A Study on the Heat Release Rate of EPS Sandwich Panel Core", Journal of Korean Institute of Fire Science and Engineering, Vol.22, No.5, pp.72-78, 2008.
J. W. Park, N. W. Cho, "A Study on the Cone Calorimeter Evaluation Method of Sandwich Panels", Journal of Korean Institute of Fire Science and Engineering, Vol.31, No.6, pp.74-82, 2017. DOI: https://doi.org/10.7731/KIFSE.2017.31.6.074

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D. H. Kim, N. W. Cho, "Experimental Study on the Flash Over Delay Effects according to the Prevention of Flame Spread between Composite Material Panels", Journal of Korean Institute of Fire Science and Engineering, Vol.31, No.2, pp.1-8, 2017. DOI: https://doi.org/10.7731/KIFSE.2017.31.2.001

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S. K. Seo, A Study on Reduction of Fire Damage on Sandwich-panel Structures, Master's thesis, Kyonggi University, pp.4-6, 2014.
H. S. Lim, Study on the Classification System of the Combustion Properties of Sandwich Panels for Building Materials, Master's thesis, Hanyang University, pp.1-4, 2009.
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K. S. Youm, H. G. Jeon, "Fire Resistance Performance of High Strength Concrete Columns with Fireproof Gypsum Board", Journal of the Korea Concrete Institute, Vol.22, No.2, pp. 229-235, 2010. DOI: https://doi.org/10.4334/jkci.2010.22.2.229

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ANSI/UL 711 Wood Crib Fire Tests.

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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