[논문]내화천장구조 재료의 고온 열특성 실험 연구

여인환; 조범연; 민병렬; 김흥열

내화천장구조 재료의 고온 열특성 실험 연구
Experimental Study on the Thermal Properties of Materials for Fire Resistive Ceiling Structure at High Temperature 원문보기

한국화재소방학회 2011년도 춘계학술논문발표회 논문집, 2011 Apr. 22, 2011년, pp.334 - 339

여인환 (한국건설기술연구원) , 조범연 (한국건설기술연구원) , 민병렬 (한국건설기술연구원) , 김흥열 (한국건설기술연구원)

초록
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이 연구에서는 내화천장구조 재료의 고온 열특성을 파악하여, 건축물 화재시 천장구조에 대한 보다 정확한 화재성상예측을 위한 실험적 자료로 제시하고자 한다. 건축물의 화재성상 예측은 내화설계 시 반드시 필요하며, 화재성상예측을 위해서는 화재하중, 작용외력, 안전계수 및 설계용 정수의 합리적인 설정이 중요하다. 화재하중 및 작용외력 등은 건축물의 부재가 지니는 하중조건에 대한 화재시의 부재 안정성 예측에 관계되는 부분이며, 설계 시 필요한 데이터 중 내화천장구조 재료의 고온 열특성 값은 화재발생 구획의 화재온도가 주요 구조부재에 전달되는 정도를 예측할 수 있는 인자로 볼 수 있다. 따라서 내화천장구조 재료의 고온 열특성 값 설정은 화재발생 공간의 온도범위($20{\sim}1000^{\circ}C$)에 걸쳐 평가 및 분석되어야만 정확하고 신뢰성 있는 화재발생 예상 공간의 부재 온도 및 안전성 분석이 가능하다. 이에 국내 건축구조물에 사용되고 있는 대표적인 내화피복 재료인 방화석고보드, 텍스, 암면에 대해서 $20^{\circ}C{\sim}900^{\circ}C$까지의 열전도율을 측정하였다. 실험결과 방화석고보드와 텍스의 경우 약 0.15 W/m K까지 일정하게 증가하였다. 암면의 경우 약 $700^{\circ}C$까지는 방화석고보드나 텍스에 비해 열전도율이 낮게 나타났지만, $800^{\circ}C$ 지점부터 용융 및 탄화가 진행되면서 열전도율이 급격히 상승하는 것으로 나타났다.

AI 본문요약
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문제 정의

내화천장구조 재료의 고온 열특성을 파악하여, 건축물 화재시 천장구조에 대한 보다 정확한 화재성상예측을 위한 실험적 자료 제시를 목적으로 내화천장구조 재료에 대한 고온 열전도율 시험을 실시한 결과 다음과 같은 결론을 도출하였다.
따라서 내화천장구조 재료의 고온 열특성 값 설정은 화재발생 공간의 온도범위(20∼1000℃)에 걸쳐 평가 및 분석되어야만 정확하고 신뢰성있는 화재발생 예상 공간의 부재 온도 및 안전성 분석이 가능하다. 이에 본 연구에서는 내화천장구조 재료의 고온 열특성을 파악하여, 천장구조의 내화설계 시 활용할 수 있는 실험적 자료로 제시하고자 한다.

제안 방법

방화석고보드, 텍스, 암면의 열전도율 시험편은 고온열전도율시험기(FireLineTM 1000, ANTER사 제품) 규격에 맞게 150×150×6㎜의 크기로 제작하였다.
성능적 내화천장설계 시 적합한 천장부재를 선정하고, 다양한 천장구성별 내화성능 시뮬레이션 평가를 위한 DB를 구축하여 내화천장구조 표준화를 위한 기초자료를 제시하고자 천장재에 대한 고온 열전도율 시험을 실시하였다.
시험은 내화천장구조에 적용될 대표적인 재료인 방화석고보드, 천장텍스(석고시멘트판), 암면(미네랄울)을 대상으로 상온에서 1000℃까지 가열하면서 열전도율 실험을 실시하였다. 방화석고보드, 텍스, 암면의 열전도율 시험편은 고온열전도율시험기(FireLine^TM 1000, ANTER사 제품) 규격에 맞게 150×150×6㎜의 크기로 제작하였다.

이론/모형

내화천장구조 재료의 고온 열전도율을 측정하기 위하여 정상상태 측정법인 ASTM E2584-10 : Standard Practice for Thermal Conductivity of Materials Using a Thermal Capacitance(Slug) Calorimeter」9에 의한 방법을 사용하였다. ASTM E 2584의 시험방법에서는 칼로리미터를 이용하여 측정하고자 하는 시험편의 외부 표면에 열을 가하면 시험편을 통해서 열이 열전도가 좋은 금속판으로 전달되며, 이때 전달된 금속판의 온도상승을 이용해 시험편의 열전도율 측정하게 된다.

성능/효과

(1) 방화석고보드의 열전도율 시험결과, 상온에서 약 1000℃까지 열전도율은 온도가 증가함에 따라 비례하여 최대 0.1339 W/m·K까지 증가하는 현상을 보이고 있으며, 100∼250℃ 사이에서 수분이 증발하면서 증가율이 약간 감소하는 경향을 나타냈다.
(2) 텍스의 열전도율 실험결과, 상온에서 약 1000℃까지 열전도율은 온도가 증가함에 따라 비례하여 최대 0.1575 W/m·K까지 증가하는 현상을 보이고 있으며, 100∼250℃ 사이에서 수분이 증발하면서 증가율이 약간 감소하는 경향을 나타냈다.
(3) 암면의 열전도율 실험결과, 상온에서 약 1000℃까지 열전도율은 온도가 증가함에 따라 비례하여 최대 0.3044 W/m·K까지 증가하였으며, 약 800℃까지 일정한 속도로 열전도율이 상승하다가 800℃이후 급격한 증가율을 보였고, 이후 0.3000 W/m·K 이후에는 일정한 값을 나타냈다.
또한 온도(T)를 독립변수로, 온도에 따른 열전도율(λ)은 종속변수로 놓고 다중회귀분석을 실시한 결과 상온에서 약 1000℃까지의 열전도율 결정계수(R2)는 0.9677로 매우 높은 유의도가 있는 것으로 나타났다.
또한 온도(T)를 독립변수로, 온도에 따른 열전도율(λ)은 종속변수로 놓고 다중회귀분석을 실시한 결과 상온에서 약 1000℃까지의 열전도율 결정계수(R2)는 0.9852로 매우 높은 유의도가 있는 것으로 나타났다.
방화석고보드의 다중회기분석은 상온에서 약 1000℃까지의 열전도율 데이터를 사용하여 온도(T)를 독립변수로, 온도에 따른 열전도율(λ)은 종속변수로 놓고 다중회귀분석을 실시한 결과 온도 변화에 따른 열전도율 추정식은 식 1과 같으며, 결정계수(R2)가 0.9852로 매우 높은 유의도가 있는 것으로 나타났다.
방화석고보드의 열전도율 시험결과 그림 1과 같이 상온에서 약 1000℃까지 열전도율은 온도가 증가함에 따라 비례하여 최대 0.1339 W/m·K까지 증가하는 현상을 보이고 있으며, 100∼250℃ 사이에서 수분이 증발하면서 증가율이 약간 감소하는 경향을 나타냈다.
암면의 다중회기분석은 상온에서 약 1000℃까지의 열전도율 데이터를 사용하여 온도(T)를 독립변수로, 온도에 따른 열전도율(λ)은 종속변수로 놓고 다중회귀분석을 실시한 결과 온도 변화에 따른 열전도율 추정식은 식 3과 같으며, 결정계수(R2)가 0.8881로 방화석고보드나 텍스에 비해 다소 낮은 유의도가 있는 것으로 나타났다.
암면의 열전도율 실험결과 그림 3과 같이 상온에서 약 1000℃까지 열전도율은 온도가 증가함에 따라 비례하여 최대 0.3044 W/m·K까지 증가하였으며, 약 800℃까지 일정한 속도로 열전도율이 상승하다가 800℃이후 급격한 증가율을 보였고, 이후 0.3000 W/m·K 이후에는 일정한 값을 나타냈다.
텍스의 다중회기분석은 상온에서 약 1000℃까지의 열전도율 데이터를 사용하여 온도(T)를 독립변수로, 온도에 따른 열전도율(λ)은 종속변수로 놓고 다중회귀분석을 실시한 결과 온도변화에 따른 열전도율 추정식은 식 2와 같으며, 결정계수(R2)가 0.9677로 매우 높은 유의도가 있는 것으로 나타났다.
텍스의 열전도율 실험결과 그림 2에서와 같이 상온에서 약 1000℃까지 열전도율은 온도가 증가함에 따라 비례하여 최대 0.1575 W/m·K까지 증가하는 현상을 보이고 있으며, 100~250℃ 사이에서 수분이 증발하면서 증가율이 약간 감소하는 경향을 나타냈다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	재료의 열전도율 측정 원리는 어떤 것이 있는가?	재료의 열전도율 측정 원리는 크게 정상상태 측정법과 비정상 열선법 그리고 레이저플래시법으로 나눌 수 있다. 정상상태 측정법은 재료의 두 표면사이의 온도 차이를 일정하게 유지하도록 하는데 필요한 열유속을 측정하여 열전도도를 구하는 방법이다.
	정상상태 측정법이란?	재료의 열전도율 측정 원리는 크게 정상상태 측정법과 비정상 열선법 그리고 레이저플래시법으로 나눌 수 있다. 정상상태 측정법은 재료의 두 표면사이의 온도 차이를 일정하게 유지하도록 하는데 필요한 열유속을 측정하여 열전도도를 구하는 방법이다. 기체 상태나 액체상태의 유체의 열전도도 측정을 위해 많이 사용되는 비정상 열선법은 매우 가는 금속선에 전류를 흘려서 시간에 따른 금속선의 온도상승이 금속선 주위에 있는 시료에 따라 결정되는 것을 이용하여 열전도율을 측정하는 방식이다.
	레이저 플래시법의 장점은?	레이저 플래시법은 일정 온도에서 재료(고체, 액체 또는 분말 등)의 열확산을 측정하는 분석법이다. 이 방법은 측정 시료에 대한 제약이 없어 얇은 박판부터 고분자, 세라믹, 금속은 물론 액체, 분말 상태의 시료까지 다양한 크기 및 재질의 재료 분석에 사용할 수 있다.

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