보관 환경이 다른 목재 종의 화재위험성 등급 평가 및 예측

Assessment and Prediction of Fire Risk Grades of Wood Species in Different Storage Environments

Article information

Fire Sci. Eng.. 2022;36(5):83-92

Publication date (electronic) : 2022 October 31

doi : https://doi.org/10.7731/KIFSE.e10d431f

Yeong-Jin Chung ^,, Eui Jin ^,^*

정영진^,, 진의^,^*

강원대학교 소방방재공학과 교수

Professor, Department of Fire Protection Engineering, Kangwon National University

(사)한국보건안전환경협회 회원

Member, The Korean Association for Health, Safety and Environment

* 강원대학교 소방방재연구센터 책임연구원

* Senior Researcher, Fire & Disaster Prevention Research Center, Kangwon National University

^† Corresponding Author, TEL: +82-33-540-3121, FAX: +82-33-540-3129, E-Mail: yjchung@kangwon.ac.kr

Received 2022 July 20; Revised 2022 August 25; Accepted 2022 August 26.

Abstract

본 연구에서는 건자재용 목재의 화재위험성 평가를 하기 위하여 Chung’s equations-II, Chung’s equations-III 그리고 Chung’s equation-IV에 의하여 화재위험성 지수를 산정하였다. 시험편은 낙엽송, 러시아 물푸레나무, 샤벨, 녹나무를 사용하였다. 콘칼로리미터(ISO 5660-1)를 사용하여 시험편에 대한 화재 특성을 시험하였다. 시험편의 연소 종료 후 Chung’s equations에 의해 산정된 화재성능지수-II (FPI-II)는 1.56∼8.12 s²/kW로 나타났고, 화재성장지수-II (FGI-II)는 0.03∼0.23 kW/s²로 나타났다. polymethylmetacrylate (PMMA)를 기준으로 한 화재성능지수-III (FPI-III)는 5.27∼27.36으로 나타났고, 화재성장지수-III (FGI-III)는 0.20∼1.58으로 나타났다. 화재위험성 등급인 화재위험성지수-IV (FRI-IV)는 러시아 물푸레나무와 녹나무가 각각 0.27과 0.30으로 비교적 화재위험성이 높은 목재로 나타났다. 그러므로 체적밀도가 낮거나 휘발성 화합물을 함유하고 있는 목재는 FPI-II와 FPI-III가 낮아지고, FGI-II와 FGI-III가 높아짐에 의하여 FRI-IV가 높은 값을 나타내었다.

Trans Abstract

In this study, the fire risk index of different wood species used in construction was calculated using Chung’s equations-II, Chung’s equations-III, and Chung’s equation-IV. The test specimens were from larch, Russian ash, sapele, and camphor tree. Their fire characteristics were evaluated using a cone calorimeter according to ISO 5660-1. After combustion, the fire performance index-II (FPI-II) of the specimens, as calculated by Chung’s equations, varied between 1.56 and 8.12 s²/kW, and the fire growth index-II (FGI-II) varied between 0.03 and 0.23 kW/s². The fire performance index-III (FPI-III) based on polymethylmetacrylate varied between 5.27 and 27.36, and the fire growth index-III (FGI-III) varied between 0.20 and 1.58. The fire risk index-IV (FRI-IV), which is the fire risk grade, showed that Russian ash and camphor tree have a high fire risk, with FRI-IV values of 0.27 and 0.30, respectively. Therefore, wood species that contain volatile compounds or have a low bulk density have a high FRI-IV value owing to decreased FPI-II and FPI-III and increased FGI-II and FGI-III.

Keywords: Construction materials; Chung’s equations-II; Chung’s equations-III; Fire risk index-IV

1. 서 론

목재의 사용은 목재의 가연성과 화재 확산에 의하여 인명안전 및 재산보전에 심대한 위협을 한다(1). 화재 안전은 대상물인 재료가 사전에 미리 설정된 특정 안전 목표의 충족도를 결정함으로써 달성될 수 있다. 재료에 대한 화재 위험성은 가연성 및 착화성, 열방출률, 연소할 때 방출되는 열량, 화염 확산, 연기의 독성 및 연기 생성을 포함한 특성 요인의 조합에 의해 결정된다. 열방출률은 화재의 세기를 결정하는 요인으로 화재 위험성을 제어하는 핵심 특성이다(2-5). 재료의 화재 특성을 시험하기 위한 시험 방법인 콘칼로리미터는 국제 표준에 대한 최선의 선택으로 1982년 권장되었다(6). 이 장치는 환기 조건 시스템이고 개방적이며 실제 화재 현상을 가장 유사하게 표현한 실험방법이다. 이것은 대부분의 유기성 재료가 연소 시 산소 1 kg이 소모될 때 약 13100 kJ의 열이 방출되는 산소 소비 원리를 바탕으로 하고 있다(7).

선행연구에서 목재의 탄화 성능을 평가하기 위해 콘칼로리미터 시험법을 활용하였으며 목재 구조물의 화재 설계에 중요함을 보고한 바 있다(8). 콘칼로리미터 시험법을 이용한 연기측정은 Beer-bouguer-lambert의 실험을 기본 원리로 하며 일반적으로 어떤 공간을 투과하는 빛의 세기가 거리에 따라 지수 함수적으로 감소한다는 법칙에 의한다(7). 연기는 화염 연소 시 목재의 열분해로부터 발생되는 가연성기체로서, 복사 냉각으로 인해 연소되지 않은 그을음은 불완전 연소로 불꽃 연소영역에서 연기로 이탈되어 나가는 것으로 보고되었다(9). 또한 목재는 구성하는 화학적 조성에 따라 열방출률이 달라지고, 수분 함량 및 리그닌 함량이 열방출률에 영향을 미치는 것으로 보고되었으며(10), 목재의 수분함량이 화재위험성의 중요한 변수임이 밝혀졌다(11). 이것은 화재에 취약한 목재의 화재위험성을 수종별로 검토할 필요성이 있으며 건조 시 보관 환경 조건을 달리하여 화재위험성을 감소시키는 요인을 확립할 필요성이 요구된다.

화재 시 열방출률, 총연기방출률, 연기발생률, 연기인자, 비감쇠면적 등은 열 및 연기발생을 나타내는 연소특성으로 사용되고 있다(12-14). 그러나 이와 같은 특성은 순간의 시간 변화에 따른 단일 값으로 주어지는 제한된 방법으로써 열 및 연기생성에 대한 정량적인 평가와 유해성을 구현하는 방법으로는 아직 부족한 점이 많다.

이를 개선하기 위한 방법으로 2개의 변수를 서로 연관시켜 화재위험성을 평가하는 방법을 개발하였다(15). 이것은 3개의 화재 특성에 의한 화재 지수 간의 관계를 확장하여 전체적인 화재위험성을 예측하기 위한 기초 자료로 사용하기 위함이다. 이들을 바탕으로 한 화재위험성 평가 방법은 열, 연기 그리고 시간을 포함한 방정식에 의하여 계산할 수 있으며 Chung’s equations-II와 Chung’s equations-III에 의하여 화재위험성 평가를 표준화할 수 있다. 그리고 총괄적으로 Chung’s equation-IV에 의하여 화재위험성 등급을 평가하고 예측할 수 있다. 기준 물질을 사용하여 화재위험성의 우선순위를 평가함으로써 가연성 재료의 정량적 평가 지수와 무차원 계수의 측정 지표를 제공할 수 있다(16).

본 연구에서는 목재의 종류별 화재위험성을 검토하기 위하여 건축용 및 내⋅외장재로 사용되고 있는 낙엽송(larch, larix kaempferi), 러시아 물푸레나무(Russian ash, fraxinus), 샤벨(sapele, entandrophragma cylindricum), 녹나무(camphor tree, cinnamomum camphora)를 시험재료로 사용하였다. 그리고 Chung’s equations에 의한 화재성능지수-II (fire performance index-II, FPI-II)와 화재성장지수-II (fire growth index-II, FGI-II)를 산출하였다. 또한 기준물질을 이용하여 화재성능지수-III (fire performance index-III, FPI-III)와 화재성장지수-III (fire growth index-III, FGI-III)을 산정하고, 화재위험성지수-IV (fire risk index-IV, FRI-IV)에 의한 화재위험성을 예측하고자 한다. 이 방법은 모든 가연성 및 난연성 재료에 적용이 가능하며, 이를 확장하여 건축 및 화재설계 데이터의 기초자료로 활용가능하다.

2. 실험 재료 및 방법

2.1 시험재료 준비

이 연구에 사용된 목재 시험편은 낙엽송(larch), 러시아 물푸레나무(Russian ash), 샤벨(sapele), 녹나무(camphor tree)의 순수한 목재를 엠에이치테크놀로지스사 및 농가에서 구입 하였으며 별도의 가공처리 없이 시험 표준규격에 맞추어 두께는 10 mm로 준비하였다. 목재는 자연 상태에서 건조시켰으며 건조 일을 다르게 하여 보관함으로써 수분함량을 조절하였다. Fire Testing Technology사에서 구입한 기준 물질인 polymethylmethacrylate (PMMA)는 검은색으로서 18 mm 두께를 10 mm 크기로 절단하여 사용하였다.

2.2 수분함량 측정

일정량의 목재 시험편을 건조 오븐에서 온도 105 °C를 유지하면서 장시간 건조하였고, 4 h 간격으로 시험 재료의 중량을 항량이 될 때까지 측정하였고 다음 식(1)을 적용하여 수분함량(moisture content, MC)을 계산하였다(17).

(1)MC(%)=Wm−WdWd×100

이 식에서 W_m은 수분함량을 구하고자 하는 목재 시험편에 대한 중량(g), W_d는 건조시킨 후의 시험편의 절대건조 중량(g)이다.

목재의 수분함량과 체적밀도는 Table 1에 제시하였다.

Table 1

The Moisture Content and Bulk Density of Each Wood Specimen

2.3 콘칼로리미터 시험

연소 특성치를 얻기위한 시험은 ISO 5660-1의 규격에 의하여 영국 Fire Testing Technology사의 Dual cone calorimeter 시험 장비를 사용하였으며, 실제 화재와 유사한 화재성장기에서 발견되는 외부 복사열유속(external radiant heat flux) 50 kW/m² 조건에서 실시하였다(7). 시험편 크기는 10 mm (H) 두께를 가진 재료를 100 mm (W) × 100 mm (+0−2) (L)의 규격으로 절단하여 사용 하였다. Table 2에 콘칼로리미터 시험에 대한 실험조건을 나타내었다.

Table 2

Experimental Conditions for Cone Calorimeter Test

3. 결과 및 고찰

이 연구에서는 건축용 내⋅외장재의 화재위험성 평가 및 등급을 예측하기 위하여 열 및 연기 특성 지수를 산정하였다. 화재 특성과 관련된 요소로 착화시간(time to ignition, TTI), 최대연기생성속도에 도달하는 시간(time to reach smoke production rate, TSPR), 연기생성속도(smoke production rate, SPR) 및 열방출률(heat release rate, HRR) 등을 Table 3에 제시하였다. 이 데이터를 사용하여 화재성능지수-II (fire performance index-II, FPI-II)와 화재성장지수-II (fire growth index-II, FGI-II)를 산출하였다. 그리고 polymethylmethacrylate (PMMA)를 기준물질로 무차원 지수인 화재성능지수-III (fire performance index-III, FPI-III)와 화재성장지수-III (fire growth index-III, FGI-III)를 구하였다. 총괄적으로 무차원 지수인 화재위험성지수-IV (fire risk index-IV, FRI-IV)의 평가에 의하여 화재위험성을 표준화함으로써 가연성 재료들에 대하여 등급화 하였다(15). PMMA는 콘칼로리미터 시험에 의하여 우수한 반복성 및 재현성을 나타내므로 화재위험성 평가의 표준화를 위한 기준물질로 하였다.

Table 3

Combustion Characteristics of the Specimen under 50 kW/m² External Radiant Heat Flux

3.1 열적특성에 의한 평가

대상물의 연소 시에 착화시간은 건축용 자재의 연소 성질을 예측 하는데 매우 중요한 성질이며 착화시간이 늦어질 수록 재료는 가연성이 억제된다. 목재의 종류, 수분함량, 열적특성, 열 침투성 및 밀도 등은 목재가 연소될 때 가스 독성, 연기생성, 에너지 방출속도에 영향을 미친다. 휘발성 연료와 공기가 적절한 화학양론 농도로 혼합되면 열분해 가스의 산화로 인해 불꽃 연소가 발생한다.

Table 3에 보여준 바와 같이 착화시간은 낙엽송 16 s, 러시아 물푸레나무 9 s, 샤벨 16 s, 녹나무 11 s로 나타났다. 러시아 물푸레나무가 가장 빠른 착화 시간을 나타내었으며 낙엽송과 샤벨이 가장 긴 착화시간을 나타내었다. 낙엽송은 다른 종에 비해 적은 수분함량(7.4%)임에도 불구하고 체적밀도(626 kg/m³)가 커서 착화시간이 긴것으로 나타났다. 또한 비교적 높은 리그닌 함량으로 인하여 착화시간이 지체되는 것으로 이해된다(18). 샤벨의 경우 높은 수분함량(31.0%)과 비교적 높은 체적밀도(570.66 kg/m³) 때문에 착화시간이 긴 것으로 이해된다. 특히 녹나무의 경우 수분함량(47.9%)이 높은데도 불구하고 착화시간이 비교적 짧은 것은 자체의 체적밀도(452.12 kg/m³)가 낮고 또 휘발성 화합물을 함유하기 때문으로 이해된다(19). 녹나무를 제외한 목재들은 수분함유량 및 체적밀도의 증가함에 의한 착화시간이 늦어지는 경향성을 나타내었다.

목재의 착화시간은 시험편에 가해지는 열유속(heat flux)의 제곱에 반비례하고 목재의 표면에 대한 열손실 유무에 따른 상수, 체적밀도, 열전도도, 연료의 비열 및 착화온도의 제곱에 비례한다(20). 그러므로 체적밀도가 증가할수록 착화시간이 늦어지는 것으로 판단된다.

최대열방출률은 가장 중요한 화재특성이며 화세의 수치적 지표로서 화재 위험에 대한 여러 분석에 의해 알려졌다(21-23). 열방출률이 클수록 더 많은 대상 물질이 발화하여 연소되므로 화재를 더 많이 전파하게 된다. 반면에 열방출률이 낮게 유지되면 가까이 있는 대상 물질에 착화되지 않고 원래 영역(또는 개체)에 국한되어 화재가 발생할 가능성도 있다. 특히 대상 물질에 대한 초기 화재의 거동은 건물 및 일반화재의 안전적 측면에서 매우 중요하다. 열방출률이 낮은 건자재는 화재발생 시 화재확산이 지연되는 효과를 기대할 수 있다(24). 시험편의 최대열방출률(peak heat release rate, HRR_peak)은 시험편의 표면적당 순간 최고로 방출하는 열량의 크기이다(25,26). 이는 대상 재료가 가장 많이 연소되는 지점이므로 열방출 속도가 높은 화염연소는 화재범위를 확장 시키고 발전시킨다. 그러므로 화재 강도 및 화재의 연쇄 효과를 평가하는데 있어 매우 중요하다.

Figure 1은 시험에 대한 열방출률 곡선을 나타내었다. 고체 탄화물질을 생성하는 목재 시험편의 최대값이 2개를 가지고 있는 것으로 나타났다. 제1차 최대열방출률(the first peak heat release rate, HRR_{1st_peak})은 초기에 열방출률이 빠르게 증가하는 것으로 나타났고 제2차 최대열방출률(the second peak heat release rate, HRR_{2nd_peak})은 연소의 마지막 부분에서 관찰되었다. 열방출률 곡선의 제1차 피크인 HRR_{1st_peak}는 휘발성 열분해 가스가 외부 스파크 착화기에 의해 착화되기에 충분한 초기 가열 기간 후에 발생한다. 연소에 의해 발생된 열은 목재 시험편의 지속적인 열분해로 더 많은 휘발성 물질을 방출하게 된다. HRR_{1st_peak}의 감소는 열전달이 용이하지 않고 열분해 과정이 지연되는 절연 숯층이 형성되기 때문이다. 곡선의 제2차 피크인 HRR_{2nd_peak}는 시험편의 연소 및 탄화 균열로 인해 더 많은 휘발성 물질이 시험편으로부터 용이하게 방출될 수 있기 때문에 발생한다(27). 이것은 뒷면 절연층에 열적 파동이 도달될 때 발생하고 이런 후면효과(back effect)에 의하여 열이 축적됨으로써 많은 열이 동시에 방출되기 때문에 일어난다(11). 휘발성 물질이 없어짐에 따라 화염 연소가 종료되고 열방출률이 안정된 기준선으로 돌아가는 것이 관찰되었다. 보호층인 숯이 없는 경우 열방출률의 최종 커브는 일반적으로 열분해 연료 물질이 고갈되기 때문에 발생한다. HRR_{2nd_peak}는 극한 연소 상황으로 화재 성장을 위한 척도로서 인식되며, 생성된 숯 잔류물의 열안정성을 설명하는 중요한 값으로 설명된다.

Figure 1

Heat release rate curves of the specimen under 50 kW/m² external radiant heat flux.

Table 3과 Figure 1에 연소 특성과 목재의 열방출 곡선을 제시하였다. 목재의 HRR_{1st_peak} 특성은 샤벨 214.46 kW/m², 낙엽송 249.47 kW/m², 녹나무 259.45 kW/m², 러시아 물푸레나무 262.10 kW/m² 순으로 증가하였다. 이들 중 러시아 물푸레나무가 가장 높게 나타났으며 샤벨과 비교하여 1.2배 높았다. HRR_{2nd_peak}는 낙엽송 269.87 kW/m², 녹나무 272.33 kW/m², 샤벨 349.89 kW/m², 러시아 물푸레나무 471.04 kW/m² 순으로 증가하였다. HRR_{2nd_peak}는 러시아 물푸레나무가 가장 높았으며 녹나무와 비교하여 1.7배 높았다. 이것은 시험편의 수분함량의 차이가 연소성에 영향을 미치는 것으로 판단된다.

초기화재의 열유해성은 HRR_{1st_peak} 영역에서는 러시아 물푸레나무가 가장 높은 유해성을 보였으며 샤벨이 가장 유해성이 적은 목재로 나타났다. 그러나 화재 초기에 최대열방출률에 도달하는 시간을 고려할 때 샤벨을 제외하고 러시아 물푸레나무의 HRR_{1st_peak}의 도달시간이 25 s로 빠르므로 초기에 화재의 열유해성이 가장 크고 낙엽송은 도달 시간이 늦어져서 덜 위험한 것으로 판단된다. 열방출률의 감소는 연소 물질의 질량이 감소됨에 따라 가연성 기체의 발생량이 감소하기 때문으로 이해된다. 열분해 과정에서 침엽수는 주로 저농도의 아세트산 및 헥산알(10∼25%)을 방출하고, 고농도의 휘발성 유기 화합물인 테르펜(70∼90%)을 방출한다. 그러나 활엽수는 침엽수의 약 50배 정도의 상당히 낮은 휘발성 유기화합물을 배출하며 펜탄알 및 헥산알, 아세트산 및 기타 휘발성 유기 화합물을 포함하지만 휘발성 테르펜은 포함하지 않는다(28). 그러나 예외적으로 녹나무는 활엽수임에도 불구하고 휘발성 화합물을 상당량 포함하고 있어서 연소가 용이하였다. 그러므로 러시아 물푸레나무와 녹나무는 Table 3에 나타낸 바와 같이 빠른 착화시간과 높은 HRR_{1st_peak}로 인하여 초기화재에 취약한 것으로 판단된다.

3.2 연기생성속도에 대한 특성 평가

목재의 화재에 의한 사망의 원인은 탄소의 부분 산화, 셀룰로오스의 열분해, 수소 기반 화학 물질 및 질소 산화물을 통한 일산화탄소 발생으로 알려져 있다. 화재에서 연기와 유독 가스는 열에 대한 피해보다 인명에 더 치명적이다. 화재 시에 연기는 사람들의 피난 및 탈출을 방해하여 질식 확률을 높이고 사람의 시력을 감소시킨다. 연기 발생은 연소대상 물질에 따라 다르지만 주변 환경에도 영향을 받는다.

Figure 2에 보여준 바와 같이 연기생성속도는 모든 시험편에 대하여 두 단계로 나타났다. 첫 번째 최대연기생성속도(the first peak smoke release rate, SPR_{1st_peak})는 25∼65 s에서 나타났으며 두 번째 최대연기생성속도(the second peak smoke release rate, SPR_{2nd_peak})는 225∼390 s에서 나타났다. 이것은 목재의 열분해 과정에서 목재 표면이 더 많이 화재에 노출됨으로써 목재의 균열이 증가하고 연소가스가 갑자기 방출되는 결과를 보여준다. 이러한 최대연기생성속도에 도달하는 시간은 재료의 체적밀도 및 수분함량과 상관관계가 있으며 체적밀도 및 수분함량이 증가함에 따라 최대연기생성속도에 도달하는 시간이 지체되는 것을 보여준다.

Figure 2

Smoke production rate curves of the specimen under 50 kW/m² external heat flux.

Table 3과 Figure 2에 의하면 SPR_{1st_peak}는 짧은 시간에 급격히 최대값에 도달된다. 이 기간 동안 연기는 가스 및 분해된 헤미셀룰로오스에서 추출된 휘발성 목재 추출물, 에어로졸, 수증기로 구성된다. SPR_{1st_peak}는 낙엽송 0.0079 m²/s, 샤벨 0.0175 m²/s, 러시아 물푸레나무 0.0212 m²/s, 녹나무 0.0271 m²/s 순으로 증가하였다. 녹나무는 낙엽송에 비하여 3.4배 높은 것으로 나타났다. 이것은 앞에서 설명한 바와 같이 녹나무의 수분함량이 높음에도 불구하고 낮은 체적밀도 및 상당량의 휘발성 화합물을 함유하므로 초기 연소가 용이하여 순간 열방출량이 높은 것과 일치하며, 초기화재 시험편의 순간 연기생성속도도 이와 유사한 경향성을 나타내는 것으로 판단된다.

SPR_{2nd_peak}는 낙엽송 0.0248 m²/s, 샤벨 0.0302 m²/s, 녹나무 0.0367 m²/s, 러시아 물푸레나무 0.0387 m²/s의 순서로 증가하였다. 러시아 물푸레나무는 낙엽송과 비교하여 1.6배 높았다. 연소에 의해 시험편에 생성된 숯은 화재 시 열침투성을 감소시킨다. 숯이 생성됨에 따라 열에 노출된 목재 표면과 열분해 전단 사이에는 열적 저항이 상승된다. 이는 대상물에서 방출되는 휘발성 물질과 산소와의 화학반응을 방해하는 장벽 물질로 작용된다. 그러므로 최대연기생성속도가 감소되거나 또는 최대연기생성속도에 도달되는 시간을 지체시키는 결과를 초래한다. 초기화재의 연기유해성을 평가하면 SPR_{1st_peak} 영역에서는 녹나무가 가장 큰 유해성을 보였으며 낙엽송이 가장 낮은 유해성을 보였다.

녹나무를 제외하고 다른 시험편은 수분함량 및 체적밀도가 낮을수록 초기 연기유해성이 높아지는 것을 보였다. 이어서 초기 최대연기생성속도에 도달하는 시간으로서 SPR_{1st_peak}에 도달하는 시간은 러시아 물푸레나무 25 s, 녹나무 30 s로 빨리 도달하였으나 최대연기생성속도가 녹나무가 높으므로 초기화재 연기유해성 가장 큰 것으로 예상된다.

3.3 화재위험성 등급 평가 및 예측

선행연구에서는 화재위험성 평가 방법인 FPI-II와 FGI-II에 의한 가연성 재료의 화재위험성 평가를 정립한 바 있다.

FPI-II는 다음의 식(2)로 표현하였다(16).

(2)FPI−II=TTI(s)SPRpeak(m2/s) • PHRR(kW/m2)

이 식은 착화시간, 최대연기생성속도 그리고 최대열방출률의 3개의 연소 특성치를 사용하여 화재위험성을 평가하였다. TTI는 가연성 재료의 연소 용이성을 판단할 수 있는 중요한 특성치이며 착화시간이 빠를 수록 더욱 화재에 취약한 재료임을 나타낸다. 그리고 최대연기생성속도인 SPR_peak는 초기화재의 연기위험성을 평가하기 위하여 SPR_{1st_peak}를 선택하였으며, 최대열방출률(peak heat rerease rate, PHRR)은 초기화재의 열위험성을 평가하기 위하여 HRR_{1st_peak}를 적용하였다. 최대값을 사용한 것은 실화재와 가장 근접한 실험 조건인 외부 복사 열유속 50 kW/m²에서 화재위험성을 평가하기 위한 것이다. 시험 재료의 화재 확대와 플래시오버의 시간은 상호 상관관계가 있으므로(29), 화재 확대가 증가할 수록 화재안정성이 감소하는 것처럼(30) 연기안전성도 감소하는 것으로 예상된다. 그러므로 FPI-II의 값이 증가하면 화재위험성이 낮아짐을 나타낸다.

FGI-II는 다음의 식(3)으로 표현하였다(16).

(3)FGI−II=SPRpeak(m2/s) • PHRR(kW/m2)Time to SPRpeak(s)

이 방정식은 최대연기생성속도, 최대열방출률 그리고 최대연기생성속도에 도달하는 시간인 3개의 특성치를 사용하여 화재위험성을 평가하였다. 최대연기생성속도인 SPR_peak는 초기화재의 연기위험성을 평가하기 위하여 SPR_{1st_peak}를 선택하였으며, 최대열방출률인 PHRR은 HRR_{1st_peak}를 사용하였다. 첫 번째 최대 연기생성속도에 도달하는 시간(time to reach SPR_{1st_peak})은 빠를 수록 화재위험성이 커지기 때문에 FGI-II의 수치가 증가한다는 것은 화재위험성이 높아짐을 나타낸다.

Table 4에 재료의 FPI-II 값을 나타내었다. FPI-II 값은 착화시간, 열 및 연기의 조합으로서 낙엽송이 가장 높은 값으로 나타났다. 이는 모든 소재 중 TTI가 많이 늦어지고 SPR_{1st_peak}과, PHRR 값이 가장 낮기 때문으로 이해된다. 녹나무가 화재위험성이 가장 높게 나타났다. 수분함량이 높음에도 불구하고 체적밀도 값이 낮아 TTI가 빠르고, SPR_{1st_peak}과 PHRR 값이 가장 높기 때문으로 이해된다.

Table 4

FPI-II, FPI-III, FGI-II, FGI-III, and FRI-IV of the Specimen under 50 kW/m² External Radiant Heat Flux

FPI-II 값에 의한 화재위험성은 낙엽송(8.12 s²/kW) < 샤벨(4.26 s²/kW) < 러시아 물푸레나무(1.62 s²/kW) < 녹나무(1.56 s²/kW) < PMMA (0.30 s²/kW)의 순서로 증가하였다.

Table 4에 재료의 FGI-II 값을 나타내었다. FGI-II는 열, 연기 및 최대연기생성속도에 도달하는 시간이 조합된 값으로 러시아 물푸레나무와 녹나무가 가장 높게 나타났다. 이것은 SPR_{1st_peak}과 PHRR 값이 높고 최대연기생성속도에 도달하는 시간이 빠르기 때문으로 판단된다. FGI-II에 의한 화재위험성은 낙엽송(0.03 kW/s²) < 샤벨(0.13 kW/s²) < PMMA (0.15 kW/s²) < 러시아 물푸레나무(0.22 kW/s²) ≈ 녹나무(0.23 kW/s²) 의 순서로 증가하였다. 화재위험성 평가 지수인 FPI-II 값과 FGI-II 값을 이용하여 화재위험성을 평가한 결과 기준물질인 PMMA를 제외하고 러시아 물푸레나무와 녹나무가 가장 위험하며 낙엽송이 가장 위험성이 낮은 물질로 나타났다. 러시아 물푸레나무는 낙엽송과 비교하여 자체의 수분함량 보다 체적밀도가 낮은 것이 화재위험성에 의미있게 작용하였고, 녹나무는 수분 함량이 많음에도 불구하고 체적밀도가 낮고 휘발성 화합물을 함유하고 있으므로 화재위험성이 높은 것으로 판단된다.

또한 모든 재료의 화재위험성을 평가하기 위한 방법으로서 화재위험성을 표준화하기 위하여 기준물질에 의한 방정식을 적용하였다.

표준화 한 FPI-III는 다음의 식(4)와 같다(16).

(4)FPI−III=TTI(s)SPRpeak(m2/s) • PHRR(kW/m2)[TTI(s)SPRpeak(m2/s) • PHRR(kW/m2)]PMMA

FPI-III는 FPI-II를 PMMA 기준값인 FPI-II_[PMMA]으로 나눈 값으로 표현된다. 이 방정식은 무차원 지수로서 최대연기생성속도와 최대열방출률의 값은 화재 초기의 중요성을 때문에 SPR_{1st_peak}와 HRR_{1st_peak} 값을 선택하여 적용하였다. 여기에서 FPI-III가 증가할 수록 화재위험성은 낮아진다.

표준화 한 FGI-III는 다음의 식(5)와 같다(16).

(5)FGI−III=SPRpeak(m2/s) • PHRR(kW/m2)Time to SPRpeak(s)[SPRpeak(m2/s) • PHRR(kW/m2)Time to SPRpeak(s)]PMMA

FGI-III는 FGI-II를 FGI-II_[PMMA]의 기준으로 나눈 값으로 표현된다. 이 방정식은 무차원 지수로서 최대연기생성속도와 최대열방출률의 화재 초기의 중요성 때문에 SPR_{1st_peak}와 HRR_{1st_peak} 값을 선택하여 적용하였다. FGI-III가 증가할 수록 화재위험성은 높아짐을 의미한다.

Table 4에 의하면 FPI-III는 낙엽송 가장 높게 나타났다. 이것은 모든 목재 시험편 중 TTI가 많이 지체되고 SPR_{1st_peak}과 PHRR 값이 가장 낮기 때문으로 이해된다. PMMA의 기준물질에 의한 FPI-III 값은 낙엽송(27.36) < 샤벨(14.37) < 러시아 물푸레나무(5.46) < 녹나무(5.27) < PMMA (1.00)의 순서로 증가하였다. 이것은 체적밀도가 낮은 재료가 화재위험성이 높은 것으로 이해된다. FPI-II와 FPI-III 값에 의하여 화재위험성을 평가한 결과 낙엽송이 화재위험성이 가장 낮은 물질이였으며 러시아 물푸레나무와 녹나무가 가장 위험한 물질임으로 예상된다.

Table 4에 제시된 바와 같이 FGI-III는 러시아 물푸레나무와 녹나무가 가장 높게 나타났다. 이것은 모든 물질 중 SPR_{1st_peak}값과 PHRR 값이 가장 높고 SPR_{1st_peak}에 도달하는 시간이 빠르기 때문으로 이해된다. PMMA를 기준물질로 한 화재등급지수인 FGI-III는 낙엽송(0.20) < 샤벨(0.84) < 러시아 물푸레나무(1.50) < PMMA (1.00) < 녹나무(1.58)의 순서로 증가하였다. 화재위험성 평가 지수인 FGI-III 값을 이용하여 화재위험성을 평가한 결과 러시아 물푸레나무와 녹나무가 가장 위험하며 낙엽송이 가장 안전한 물질로 나타났다. 이것은 FPI-III 값과 같이 FGI-III 값도 체적밀도가 낮은 재료가 화재위험성이 높은 것으로 예상된다.

화재위험성등급을 평가할 수 있는 FRI-IV는 다음의 식(6)으로 정의되었다(16).

(6)FRI−IV=FGI−IIIFPI−III

FRI-IV 값은 FGI-III를 FPI-III으로 나눈 값으로 표현된다. 이것은 화재 확대가 커질 수록 화재안정성이 감소하는 것으로 설명된다. 그러므로 FRI-IV 값이 작을 수록 화재위험성이 감소하고 그 반대로는 화재위험성이 증가한다. 이 방정식은 화재위험성 및 화재등급을 총괄적으로 예측할 수 있다.

Table 4에 보여준 바와 같이 화재위험성지수인 FRI-IV에 의한 화재위험성은 러시아 물푸레나무와 녹나무가 가장 높은 것으로 나타났다. PMMA를 기준물질로 한 값을 이용하여 구한 FRI-IV는 낙엽송(0.01) < 샤벨(0.06) < 러시아 물푸레나무(0.27) ≈ 녹나무(0.30) < PMMA (1.00)의 순서였다. 화재위험성을 종합적으로 평가한 결과 녹나무와 러시아 물푸레나무는 비교적 위험한 목재임을 예상할 수 있었다.

결론적으로 수분함량 또는 체적밀도가 낮거나 휘발성 유기물질을 다랑 함유하고 있는 물질은 FPI-II 값과 FPI-III 값이 낮고, 또한 FGI-II 값과 FGI-III 값이 증가함에 의해 FRI-IV의 값이 높게된다. 이것은 화재위험성이 높아지는 것으로 이해된다. FRI-IV 값은 측정된 연소 특성치를 사용하여 얻어지는 값으로서, 재료의 화재안전성을 판단하는데 총괄적이고도 종합적인 평가로 적용될 수 있다.

3.4 연소생성물의 특성 평가

일반적으로 화재의 연소 현상과 독성 가스는 재료의 조성, 온도 및 산소농도에 질적 양적으로 많은 영향을 받는다. 목재의 경우 연소 중에 발생되는 대표적인 유독 가스는 일산화탄소(carbon monoxide, CO)로 알려졌다. 일산화탄소(CO)는 목재와 불꽃 사이에서 발생되는 휘발성물질의 불완전연소 생성물이다. 휘발성 물질의 열분해속도를 측정하는 하나의 방법인 열방출속도가 높아지는 것은 동반된 CO가스 생성이 증가하는 것으로 이해된다. Table 3 및 Figure 3에 나타낸 시험편 4종의 COP_mean은 0.0019∼0.0026 g/s으로 나타났다. 이는 기준물질인 PMMA (0.0007 g/s)와 비교하여 2.7∼3.7배로서 목재가 PMMA보다 불완전연소 물질임을 보였다. 이들 중 러시아 물푸레나무의 COP_mean은 0.0026 g/s로 비교적 높게 측정되었다. 이것은 목재의 COP_mean이 불이 꺼진 후 다른 시편에 비해 생성된 숯의 열산화로 인한 CO 발생량이 증가되는 것으로 판단된다.

Figure 3

CO production rate (g/s) curves of the specimen under 50 kW/m² external radiant heat flux.

Table 3 및 Figure 4에 나타낸 바와 같이 CO₂P_mean은 모든 시험편에 대하여 0.0400∼0.0493 g/s였다. 이는 기준물질인 PMMA의 CO₂P_mean (0.1243 g/s)와 비교하여 2.5∼3.1배 낮았다. 모든 시편이 연소 후 보다 연소 시 HRR 영역에서 CO₂가 생성되었으며 이는 불꽃 연소 영역에서 CO₂P이 빠르다는 것을 의미한다.

Figure 4

CO₂ production rate (g/s) curves of the specimen under 50 kW/m² external radiant heat flux.

Table 3의 CO와 CO₂의 평균생성속도에 대한 목재 시험편의 CO/CO₂ 비율은 0.0385∼0.0594로서 PMMA와 비교하여 6.9∼10.6배로 높았다. 이것은 목재가 PMMA보다 불완전 연소하여 비교적 CO 독성도가 높은 것으로 판단된다.

4. 결 론

본 연구에서는 화재 시 화재위험성평가를 표준화하기 위해 Chung’s equations-II인 FPI-II와 FGI-II와 Chung’s equations-III인 FPI-III와 FGI-III를 산정하였다. 시험편은 건자재인 낙엽송, 러시아 물푸레나무, 샤벨, 녹나무를 선택하였고 ISO 5660-1의 규격에 의해 콘칼로리미터(cone calorimeter)법으로 시험하였다. 또한 총괄적으로 Chung’s equation-IV인 FRI-IV에 의하여 화재위험성 및 화재위험성 등급을 평가하였다.

1) 화재성능지수-II (FPI-II)와 화재성능지수-III (FPI-III)에 의한 화재위험성은 낙엽송 < 샤벨 < 러시아 물푸레나무 < 녹나무 < PMMA의 순서로 증가하였다. 체적밀도가 낮은 재료가 높은 재료보다 화재위험성이 높은 것으로 판단된다. 또한 높은 체적밀도와 적은 량의 휘발성 유기화합물을 포함하고 있는 활엽수가 화재성능지수가 높았다.
2) 화재성장지수-II (FGI-II)와 화재성장지수-III (FGI-III)에 의한 화재위험성은 낙엽송 < 샤벨 < PMMA < 러시아 물푸레나무 ≲ 녹나무의 순서로 증가하였다. 수분함량이 낮거나 체적밀도가 낮고 휘발성 회합물을 함유한 목재가 화재성장지수가 높았다.
3) CO/CO₂의 평균생성속도에 대한 목재 시험편의 비율은 0.0385∼0.0594로서 PMMA와 비교하여 6.9∼10.6배로 높았다. 이것은 목재가 PMMA보다 불완전 연소하여 비교적 CO 독성도가 높은 것으로 예상된다.
4) 화재위험성지수-IV인 FRI-IV에 의한 화재위험성 등급은 낙엽송(0.01) < 샤벨(0.06) < 러시아 물푸레나무(0.27) < 녹나무(0.30) < PMMA (1.00)의 순서로 증가하였다. 화재위험성을 종합적으로 평가한 결과 녹나무와 러시아 물푸레나무는 비교적 위험한 목재임을 알 수 있었다. 그러므로 체적밀도가 낮거나 휘발성 화합물을 함유하고 있는 목재는 FPI-II와 FPI-III가 낮아지고, FGI-II와 FGI-III가 높아짐에 의하여 FRI-IV가 높은 값을 나타내었다.

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Materials	Scientific Name	Classification	Moisture Content (%)	Bulk Density (kg/m³)
Larch (LC)	Larix Kaempferi	Soft Wood	7.4	626.40
Russian Ash (RA)	Fraxinus	Hard Wood	9.8	534.24
Sapele (SP)	Entandrophragma Cylindricum	Hard Wood	31.0	570.66
Camphor Tree (CT)	Cinnamomum Camphora	Hard Wood	47.9	452.12
PMMA	-	-	-	1180.0

Contents	ISO 5660-1
Sample Size (mm³)	100 × 100 × 10
External Radiant Heat Flux (kW/m²)	50
Orientation	Horizontal Face Upwards
Test Time (s)	1800

Materials	^a TTI (s)	^b HRR_{1st_peak} (kW/m²) at Time (s)	^c HRR_{2nd_peak} (kW/m²) at Time (s)	^d SPR_{1st_peak} (m²/s)
Larch	16	249.47 / 35	269.87 / 345	0.0079
Russian Ash	9	262.10 / 25	471.04 / 220	0.0212
Sapele	16	214.46 / 25	349.89 / 285	0.0175
Camphor Tree	11	259.45 / 30	272.33 / 255	0.0271
PMMA	17	1110.56 / 385	-	0.0516
Materials	^eTSPR_{1st_peak} (s)	^fSPR_{2nd_peak} (m²/s) at Time (s)	^gCOP_mean (g/s)	^hCO₂P_mean (g/s)
Larch	65	0.0248 / 390	0.0019	0.0493
Russian Ash	25	0.0387 / 225	0.0026	0.0438
Sapele	30	0.0302 / 270	0.0022	0.0457
Camphor Tree	30	0.0367 / 250	0.0021	0.0400
PMMA	385	-	0.0007	0.1243

Materials	FPI-II (s²/kW)	FPI-III	FGI-II (kW/s²)	FGI-III	FRI-IV
Larch	8.12	27.36	0.03	0.20	0.01
Russian Ash	1.62	5.46	0.22	1.50	0.27
Sapele	4.26	14.37	0.13	0.84	0.06
Camphor Tree	1.56	5.27	0.23	1.58	0.30
PMMA	0.30	1.00	0.15	1.00	1.00