[논문]Cone Calorimeter를 이용한 실물화재 예측 및 위험성 평가에 관한 연구

유상훈; 문성웅; 이동호

[국내논문] Cone Calorimeter를 이용한 실물화재 예측 및 위험성 평가에 관한 연구
The Study of Estimation Actual Fire Test Result and Evaluation Fire Hazard Using a Cone Calorimeter 원문보기

유상훈 (페스텍인터내셔날) , 문성웅 (인천대학교 대학원) , 이동호 (인천대학교 소방방재센터)

실제 화재의 위험성을 평가하는 가장 좋은 방법은 직접 실재 화재 조건을 모사 또는 구현하여 평가하는 방법이다. 그러나, 비용과 시간 및 환경 문제를 생각한다면 쉬운 일은 아니다. 따라서 단위 재료를 태우거나, 전산 시뮬레이션을 활용하여 화재를 예측하는 방법을 활용한다. 본 연구에서는 콘칼로리미터 실험 결과를 기초 데이터로 실제 화재 실험인 room corner test의 총열방출량을 추정하였다. 그 결과 가연물의 부피 및 밀도와 보정상수를 활용하여 실제 총열방출량에 근접한 결과값을 얻을 수 있었으며, 산출된 총열방출량을 근거로 전산시뮬레이션을 수행, 시뮬레이션 결과값을 통해 재실자의 화재 및 연기에 대한 위험성 평가를 할 수 있었다. 본 결과를 통해 화재 시뮬레이션 수행 시 가연물에 따른 화재에 의한 위험성 평가를 할 수 있을 것으로 보인다.

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문제 정의

본 실험에서는 고정 및 유동 열선속을 적용한 PMMA (polymethyl methacrylate)의 연소 특성을 관찰하였다. 유동 열선속 데이터 수집을 위해 수치해석 프로그램인 FDS및 그예제(room_fire.
본 실험은 실물화재와 Lab’ scale 실험 및 화재 시뮬레이션의 상관관계를 파악하고자 한다.
이에 본 연구에서는 일반적인 데이터 값을 활용한 시뮬레이션과 실물화재 시험을 바탕으로 한 화재 시뮬레이션을 비교하였으며 실물 화재 데이터와 단위 재료시험의 상관성을 확인 하여 효과적인 화재안전설계를 하고자 한다.

가설 설정

2. Cone calorimeter의 Heat flux 조절에 따라 열방출률 그래프는 상당히 다르게 나타난다.

제안 방법

3. 수치해석을 통한 화재 시나리오 도출 및 Benched (Lab’) scale oxygen consumption calorimeter를 활용한 Real Scale Calorimeter 조건 구현.
표 2는 각각의 시뮬레이션에 들어간 물성치를 비교한 값이다. FDS5 데이터에서는 2가지 재료로 구성되어 각각의 값을 적용하였으며, 실물화재 데이터는 복합재료의 실제 측정 데이터를 적용하여 density, heat of combustion 등을 수정하여 대입하였다.
실제 시험편으로 사용된 소파는 내장재 솜과 프레임으로 사용되는 목재로 구성되어 있다. Room Corner Tester 에 적용된 실물화재 시험조건인 가연물의 질량 및 부피 값, 가연물로부터의 연소가스 온도 측정 거리, 착화원의 열량 값(Energy of ignition source) 등의 시험조건을 화재 시뮬레이션인 FDS의 재료 값에 적용하여 FDS5 에서 제공하는 소파(UPHOLSTERY)의 물성치 및 ramp 값을 적용하여 HRR의 결과값을 비교하였다.
이 시험편의 열방출률, 연기발생률, 온도 및 일산화탄소 생성률 등을 Real scale calorimeter인 Room Corner Tester 실험을 통해 도출하였다. 또한 시험편의 단위재료를 채취하여 Benched scale calorimeter인 Cone Calorimeter실험을 진행하였다. 그림 1, 2는두 시험을 통해 나타난 각각의 열방출률을 나타낸다.
앞선 두 시험을 통해 Lab’ scale calorimeter를 통한 실물화재 모사 가능성을 확인하였다.
이 시험편의 열방출률, 연기발생률, 온도 및 일산화탄소 생성률 등을 Real scale calorimeter인 Room Corner Tester 실험을 통해 도출하였다. 또한 시험편의 단위재료를 채취하여 Benched scale calorimeter인 Cone Calorimeter실험을 진행하였다.
이에 고정 열선속을 적용한 실험방법은 실물화재를 구현, 해석하는데 한계를 가지고 있다. 이러한 한계를 극복하고자 3단계 콘 히터 온도 변환 장치(Conical Heater three step temperature controller, Festec International Co., Ltd.)를 사용 하여 실물화재 발생시 변화하는 열선속을 적용 시켜 고정 열선속에서 연소되는 시험편과 비교하고자 한다.
fds)를 활용하였으며, 이 데이터는 ‘화재성장단계’(The stage of fire development)인 착화(Ignition), 성장(Growth), 플래시오버(Flashover), 최성기(Fully developed), 감소(Decay)의 형태가 잘 나타나고 있다. 이에 수집한 데이터를 바탕으로 Conical Heater의 열선속(Heat Flux)을 조절하여 PMMA에 적용시켰다.

대상 데이터

Benched scale calorimeter 와 Real scale calorimeter의 시험 결과에 대한 상관성을 파악하기 위해 한 가지 물질로 이루어진 책장을 시험편으로 선정하였다.
실물화재 시험은 Real scale calorimeter의 한 종류인 Room Corner Tester(ISO 9705) 를 이용하여 가연물에 대한 연소실험을 진행 하였다. 선정된 가연물의 재료로는 1인용 single sofa다. 그림 3은 Room Corner Tester를 통한 연소 시험의 결과값을 나타낸다.
열방출률 값의 급격한 성장의 발생 횟수는 주로 시험편의 주요 구성물의 숫자를 의미한다. 실제 시험편으로 사용된 소파는 내장재 솜과 프레임으로 사용되는 목재로 구성되어 있다. Room Corner Tester 에 적용된 실물화재 시험조건인 가연물의 질량 및 부피 값, 가연물로부터의 연소가스 온도 측정 거리, 착화원의 열량 값(Energy of ignition source) 등의 시험조건을 화재 시뮬레이션인 FDS의 재료 값에 적용하여 FDS5 에서 제공하는 소파(UPHOLSTERY)의 물성치 및 ramp 값을 적용하여 HRR의 결과값을 비교하였다.

이론/모형

실물화재 시험은 Real scale calorimeter의 한 종류인 Room Corner Tester(ISO 9705) 를 이용하여 가연물에 대한 연소실험을 진행 하였다. 선정된 가연물의 재료로는 1인용 single sofa다.
유동 열선속 데이터 수집을 위해 수치해석 프로그램인 FDS및 그예제(room_fire.fds)를 활용하였으며, 이 데이터는 ‘화재성장단계’(The stage of fire development)인 착화(Ignition), 성장(Growth), 플래시오버(Flashover), 최성기(Fully developed), 감소(Decay)의 형태가 잘 나타나고 있다.

성능/효과

1. Benched scale calorimeter의 결과값을 통해 총열방출량을 예측할 수 있으나 시간에 따른 열방출량의 결과는 다소 차이가 있다.
3. 화재 시뮬레이션을 사용할 때 NIST 등에서 제공하는 재료의 물성치를 대입하는 것과 실물화재 데이터는 상이한 결과를 가져올 수 있다.
그림 3은 Room Corner Tester를 통한 연소 시험의 결과값을 나타낸다. 시험결과, 동일하게 나타나는 특징은 열방출률, 연기발생률, CO 발생률 모두 두번의 급격한 성장이 있으며, 소화 후 연기발생은 없으나 열방출률과 CO발생률이 낮게 지속되는 것을 확인하였다. 열방출률 값의 급격한 성장의 발생 횟수는 주로 시험편의 주요 구성물의 숫자를 의미한다.
그림 4는 Room Corner Tester의 열방출률, FDS 에 Room Corner Tester의 데이터를 적용한 결과값과 FDS 에 Room Corner Tester의 열방출률을 적용한 데이터를 비교한 그래프이다. 이 그래프를 통해 실물화재 실험 데이터를 효과적으로 화재전산 시뮬레이션 대입이 가능함을 확인하였으며, 기존 데이터 활용의 한계 또한 확인하였다.

후속연구

4. 그러므로 실물화재를 모사할 수 있는 Benched scale 실험방법을 찾아 화재 시뮬레이션 작성 시 실제 구성된 재료를 활용하여 연소성향에 대한 결과값을 대입할 수 있도록 연구가 진행되어야 한다.

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