Evaluation of Fire Risk Rating of Building Materials by Chung’s Equation-IX

영진 정; 의 진

doi:10.7731/KIFSE.d2941c80

Fire Sci. Eng. > Volume 37(2); 2023 > Article

Chung’s Equation-IX에 의한 건자재의 화재 위험성 등급 평가

Research Paper

The Korean Institute of Fire Science & Engineering 2023;37(2):1-11.

Published online: April 30, 2023

DOI: https://doi.org/10.7731/KIFSE.d2941c80

Chung’s Equation-IX에 의한 건자재의 화재 위험성 등급 평가

정영진^†, 진의^*

강원대학교 소방방재공학과 교수

* 강원대학교 소방방재연구센터 책임연구원

Evaluation of Fire Risk Rating of Building Materials by Chung’s Equation-IX

Yeong-Jin Chung^†, Eui Jin^*

Professor, Department of Fire Protection Engineering, Kangwon National University

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

^† Corresponding Author, TEL: +82-33-655-9394, FAX: +82-33-570-6828, E-Mail: yjchung@kangwon.ac.kr

Received February 23, 2023 Revised March 23, 2023 Accepted March 25, 2023

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요 약

건자재의 화재위험성 평가를 위하여 Chung’s equations-VII, Chung’s equations-VIII, 그리고 Chung’s equation-IX에 의해 화재위험성지수-IX (fire risk index-IX, FRI-IX)와 화재위험성등급(fire risk rating, FRR)을 산정하였다. 시험편은 미국물푸레나무, 사탕단풍나무, 버드나무, 들메나무, 산벚나무, polymethylmethacrylate (PMMA)를 선택하였다. ISO 5660-1 규격에 의한 콘칼로리미터를 사용하여 시험편에 대한 연소 특성을 시험하였다. 연소 후 Chung’s equations에 의해 계산된 화재성능지수-VII (fire performance index-VII, FPI-VII)은 23.51∼87.84 s²/kW로 나타났고, 화재성장지수-VII (fire growth index-VII, FGI-VII)은 0.0025∼0.0170 kW/s²으로 나타났다. PMMA를 기준으로 한 화재성능지수-VIII (FPI-VIII)은 0.44∼1.66으로 나타났고, 화재성장지수-VIII (FGI-VIII)은 3.13∼21.25로 나타났다. 화재위험성 등급인 화재위험성지수-IX (FRI-IX)는 버드나무가 48.30 (화재위험성등급: G)으로 화재위험성이 매우 높은 재료로 나타났다. 그러므로 체적밀도가 낮으므로 인하여 착화시간(TTI)이 빠르고, 제1차 최대연기발생속도에 도달되는 시간(TSPR_{1st_peak})이 짧고, 그리고 COP_mean/CO₂P_mean 비가 높은 재료는 FPI-VII과 FPI-VIII이 낮아지고, FGI-VII과 FGI-VIII이 높아짐에 의하여 FRI-IX이 높은 값을 나타내었다.

ABSTRACT

This study evaluated the fire risk of building materials by calculating the fire risk index-IX (FRI-IX) and fire risk rating (FRR) according to Chung’s equations-VII, Chung’s equations-VIII, and Chung’s equation-IX. White ash, hard maple, willow, fraxinus mandschurica, Sargent cherry, and polymethylmethacrylate (PMMA) were selected as specimens. The combustion characteristics of the specimens were tested via cone calorimetry according to ISO 5660-1. After combustion, the fire performance index-VII (FPI-VII) of the specimens, as calculated by Chung’s equations, varied between 23.51 and 87.84 s²/kW, and the fire growth index-VII (FGI-VII) varied between 0.0025 and 0.0170 kW/s². The fire performance index-VIII (FPI-VIII) and fire growth index-VIII (FGI-VIII) based on polymethylmethacrylate (PMMA) varied between 0.44 and 1.66, and between 3.13 and 21.25, respectively. The fire risk index-IX (FRI-IX), which is the fire risk rating, showed that willow had a very high fire risk, with an FRI-IX value of 48.30 (fire risk rating: G). Materials with fast time to ignition (TTI), short time to reach 1st_peak smoke production rate (TSPR_{1st_peak}), and high (CO/CO₂) mean production rate ratio (COP_mean/CO₂P_mean) values owing to low volume density had low FPI-VII and FPI-VIII, and high FGI-VII and FGI-VIII, resulting in high FRI-IX values.

KeyWords: Building materials, Chung’s equations-VII, Chung’s equations-VIII, Chung’s equation-IX, Fire risk rating (FRR)

1. 서 론

화재 위험성은 건자재의 가연성 및 착화성, 열방출률, 화염 확산, 연기의 독성 및 연기 발생을 포함한 특성 요인과 연관된다(1-4). 가연성 재료의 연소 특성을 시험하기 위한 시험 방법으로서 콘칼로리미터 시험은 국제 표준으로 선택되고 있다(5). 이 장치는 개방된 공간에서 실제 화재 현상을 가장 근접하게 모사한 실험방법이다. 이는 산소소비의 원리로서 대부분의 유기성 재료가 연소 시 산소 1 kg이 소모될 때 약 13.1 MJ의 열이 방출되는 것을 바탕으로 하고 있다(6).

또한 연기측정도 콘칼로리미터 시험을 이용하여 어떤 공간을 투과하는 빛의 세기가 거리에 따라 지수 함수적으로 감소한다는 Beer-bouguer-lambert의 실험을 기본 원리로 따른다(6). 연기는 가연물의 연소 시 재료의 열분해로부터 발생되는 가연성 기체로서, 복사 냉각으로 인해 연소되지 않은 그을음은 불완전 연소로 불꽃 연소영역에서 연기로 나간다(7). 또한 목재의 화학적 조성에 따라 열방출률이 달라지고, 수분 함량 및 리그닌 함량이 열방출률에 영향을 미치는 것으로 알려져 있고(8), 이것은 화재에 취약한 목재의 화재위험성을 검토할 필요가 있음을 제시한다.

열발생을 나타내는 열방출률, 연기발생을 나타내는 총연기방출률, 연기발생률, 연기인자, 비감쇠면적 등은 재료의 연소특성으로 사용되고 있다(9-11). 그러나 이와 같은 특성 값은 순간적인 시간 변화에 대한 단일 값으로 주어지는 제한된 방법으로서 열 및 연기발생에 대한 정량적인 평가와 위험성을 구현하는 방법으로는 아직 미흡하다.

앞의 연구에서는 연기위험성 평가 방법으로 Chung’s equations 1, 2, 3의 수식을 정립 하였고(12), 또 이를 더욱 확장시켜 정밀성과 정량성에 비중을 둔 화재위험성 평가 방법으로 Chung’s equations-II, Chung’s equations-III, 그리고 Chung’s equation-IV의 방법이 기 보고된 바 있다(13). 결론적으로 화재위험성은 Chung’s equation-IV에 의한 화재위험성지수-IV (fire risk index-IV, FRI-IV)가 낮을수록 안전해진다. 그러나 여기에는 화재 시 발생되는 대표적인 유해성 가스인 일산화탄소와 이산화탄소를 포함시키지 않고 별도로 평가하여 왔다.

따라서 본 연구에서는 일산화탄소와 이산화탄소 발생을 포함한 평가를 위하여 기 정립된 Chung’s equations-VII인 화재성능지수-VII (fire performance index-VII, FPI-VII), 화재성장지수- VII (fire growth index-VII, FGI-VII)과 Chung’s equations-VIII인 화재성능지수-VIII (fire performance index-VIII, FPI-VIII), 화재성장지수-VIII (fire growth index-VIII, FGI-VIII), 그리고 Chung’s equation-IX인 화재위험성지수-IX (fire risk index-IX, FRI-IX)에 의해 종합적인 화재위험성지수-IX (FRI-IX) 및 화재위험성등급(fire risk rating, FRR)(14)을 적용하여 건축 및 화재설계의 기초자료로 활용 하고자 한다.

이 연구에서는 주로 건자재 및 내장재로 사용되며, 사용빈도가 높은 미국물푸레나무, 사탕단풍나무, 버드나무, 들메나무, 산벚나무를 시험편으로 사용하였다. polymethylmethacrylate (PMMA)를 기준물질로 사용하여 화재위험성을 무차원지수로 평가함으로써 화재위험성평가 방법으로 활용하였다.

2. 실험 재료 및 방법

2.1 시험재료 준비

본 연구에 사용된 시험편은 건자재 및 내장재로 주로 사용되며, 사용빈도가 높은 미국물푸레나무(white ash), 사탕단풍나무(hard maple), 버드나무(willow), 들메나무(fraxinus mandschurica), 산벚나무(sargent cherry)를 시험편으로 사용하였다. 사용된 목재는 천연 목재를 엠에이치테크놀로지스사 및 농가에서 구입 하였으며 별도의 가공처리 없이 시험 규격에 맞추어 두께는 10 mm로 준비하였다. PMMA는 검은색으로서 Fire Testing Technology사에서 구입하여 기준물질로 사용하여 화재위험성평가 방법으로 활용하였다.

2.2 함수량의 측정

일정한 양의 목재 시험편을 건조로에서 온도 105 °C를 유지하면서 장시간 건조하였고, 4 h 간격으로 시험 재료의 중량을 항량이 될 때까지 측정하였고, 다음 식(1)을 적용하여 함수량(moisture content, MC)을 산정하였다(15).

(1)

MC (%)=Wm−WdWd×100

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

목재의 함수량과 체적밀도는 Table 1에 나타내었다.

Table 1

The Moisture Content and Bulk Density of Each Specimen

Materials	Scientific Name	Classification	Moisture Content (%)	Bulk Density (kg/m³)
White Ash (WA)	Fraxinus Americana	Hard Wood	8.6	632.93
Hard Maple (HM)	Acer Nigrum	Hard Wood	9.1	643.70
Willow (WL)	Salix Babylonica	Hard Wood	8.8	352.33
Fraxinus Mandschurica (FM)	Fraxinus Chinensis	Hard Wood	9.0	552.63
Sagent Cherry (SC)	Prunus Sargentii	Hard Wood	8.5	612.38
PMMA	-	-	-	1180.0

2.3 콘칼로리미터 시험

연소 특성치를 얻기위한 시험은 ISO 5660-1의 표준에 의하여 영국 Fire Testing Technology사의 Dual cone calorimeter를 사용하였으며, 실제 화재와 가장 근접한 화재성장기에서 발견되는 외부 복사열유속(external radiant heat flux) 50 kW/m² 조건에서 실시하였다(6). 연기 생성속도는 연소 생성물 유동에 따른 빛의 감쇠를 측정하는 것으로 계산하였다. 대기 조건에서 시험체를 연소시켜 감광, 배기가스 유량 및 시험체의 질량 감소율을 측정하였고 감광은 배기 덕트에 있는 연기를 통해 투과되는 빛 세기의 비율로서 측정하였다. 연기 생성속도는 감쇠 계수와 배기 덕트에서 연기의 체적 유량의 곱으로 계산되었다. 배기덕트에서 빛의 감쇠 측정용 장치는 주 빔과 검지기로서 사용될 헬륨-네온 광(0.5 mW～2 mW, 편광)과 실리콘 광다이오드 그리고 감쇠계수를 도출하고 기준점을 설정하기 위한 적절한 전자 장치로 구성된다. 연소 가스는 가스 분석기를 이용하여 측정하였다. 실험시간은 ISO 5660-1 규격에 맞추어 지속적인 불꽃연소가 시작된 때부터 시험시간 1800 s를 준수하였고 120 s의 data 수집시간을 추가하였다. 3개의 시험편에 대하여 실험을 실시하고 3개의 시험편에 대하여 180 s 평균 열 방출률을 비교하였다. 이들 180 s 평균 열 방출률 값 중 어느 하나라도 3개 값에 대한 산술 평균 값에서 10% 이상 차이가 나면 추가로 3개의 시편에 대하여 시험을 실시해야 하나 10% 미만 이였으므로 3개의 값을 산술 평균하였다. 얻어진 data는 실시간 발생하는 연소가스의 시간에 따른 열, 연기 및 가스 생성량을 반영한 것이므로 실제화재에서 일어나는 실시간 현상을 잘 표현해 주는 장점이 있다. 시험편 크기는 10 mm (H) × 100 mm (W) × 100 mm (+0−2) (L)로 절단하여 사용 하였다. Table 2에 콘칼로리미터 시험법에 대한 실험조건을 제시하였다.

Table 2

Experimental Conditions for Cone Calorimeter Test Method

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

3. 결과 및 고찰

이 연구에서는 건축용 내⋅외장재의 화재위험성 평가 및 등급을 판단하기 위하여 열 및 연기 특성 지수를 산정하였다. 본 연구를 위하여 PMMA에 대하여 선행연구의 데이터를 사용하였으며(16), 연소 특성과 관련된 요소로 착화시간(time to ignition, TTI), 열방출률(heat release rate, HRR), 연기발생속도(smoke production rate, SPR), 최대연기발생속도에 도달하는 시간(time to reach smoke production rate, TSPR) 및 일산화탄소와 이산화탄소의 발생속도 등을 분석하였으며 그에 대한 data를 Table 3에 제시하였다. 이 데이터를 사용하여 화재성능지수-VII (FPI- VII)과 화재성장지수-VII (FGI-VII)을 평가한 후에 PMMA을 기준물질로 무차원의 화재등급지수인 FPI-VIII 및 FGI-VIII을 부여하였다. 그리고 이들 지수들을 사용하여 화재위험성지수-IX (FRI-IX)를 평가하였다. 이것은 화재위험성 인자로 유해성 가스인 일산화탄소와 이산화탄소 발생을 포함한 평가방법으로 선행연구(13)와 비교하여 정밀도와 정확도가개선된 방법이다. 무차원 지수인 화재위험성지수-IX (FRI-IX)는 화재위험성을 표준화한 종합적인 화재위험성지수이다. 콘칼로리미터 시험에서 우수한 재현성 및 반복성을 나타내는 PMMA 시험편을 화재위험성 평가의 표준화를 위한 기준으로 사용하였다.

Table 3

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

Materials	^aTTI (s)	^bHRR_{1st_peak} (kW/m²) at Time (s)	^cHRR_{2nd_peak} (kW/m²) at Time (s)		^dSPR_{1st_peak} (m²/s)
White Ash (WA)	17	265.80 / 40	392.60 / 300		0.0248 0.0273
Hard Maple (HM)	19	233.69 / 40	423.43 / 300		0.0235
Willow (WL)	8	215.06 / 25	320.14 / 205		0.0226
Fraxinus Mandschurica (FM)	15	241.03 / 35	444.60 / 250		0.0257
Sagent Cherry (SC)	19	214.40 / 40	344.64 / 280		0.0216
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)	COP_mean / CO₂P_mean
White Ash (WA)	50	0.0702 / 315	0.0021	0.0511	0.0411
Hard Maple (HM)	105	0.0738 / 300	0.0025	0.0523	0.0478
Willow (WL)	20	0.0588 / 210	0.0021	0.0300	0.0700
Fraxinus Mandschurica (FM)	90	0.0887 / 255	0.0033	0.0446	0.0740
Sagent Cherry (SC)	50	0.0648 / 310	0.0023	0.0493	0.0467
PMMA	385	-	0.0007	0.1243	0.0056

^a Time to Ignition;

^b 1st_{_}peak Heat Release Rate;

^c 2nd_peak Heat Release Rate;

^d 1st_peak Smoke Production Rate;

^e Time to 1st_{_}peak Smoke Production Rate;

^f 2nd_peak Smoke Production Rate;

^g Mean Carbon Monoxide Production Rate;

^h Mean Carbon Dioxide Production Rate

3.1 열적 특성 평가

화재 대상물에 대한 연소 시의 착화시간은 건자재의 연소성을 판단 하는데 매우 중요한 성질이며 착화시간이 늦어질수록 재료는 가연성이 억제된다. 가연성 재료가 연소될 때 재료의 종류, 수분함량, 열 침투성, 열적특성, 열적특성 및 밀도 등은 가스독성, 연기발생, 에너지 방출속도에 영향을 미친다. 휘발성 연료는 적절한 양의 공기가 화학양론 농도로 혼합되면 열분해 가스의 산화로 인해 불꽃 연소가 발생한다.

Table 3에 보여준 바와 같이 착화시간은 버드나무 8 s, 들메나무 15 s, 미국물푸레나무 17 s, 사탕단풍나무 19 s, 산벚나무 19 s로 나타났다. 버드나무가 가장 빠른 착화 시간을 나타내었으며 사탕단풍나무와 산벚나무가 가장 긴 착화시간을 나타내었다. 이들은 다른 종에 비해 체적밀도가 각각 643.70 kg/m³, 612.38 kg/m³으로 비교적 높기 때문인 것으로 이해된다.

목재의 착화시간은 목재 표면의 열손실 유무에 따른 상수, 체적밀도, 열전도도, 연료의 비열 및 착화온도의 제곱에 비례하고, 시험편에 가해지는 열유속(heat flux)의 제곱에 반비례한다(17). 그러므로 체적밀도가 증가하면 착화시간이 늦어지는 것으로 예측된다.

최대열방출률은 가장 중요한 화재특성이며 화재 강도의 표현이다(18-20). 열방출률이 커질수록 더 많은 대상 물질의 발화에 의해 연소되므로 화재 규모를 확장시킨다. 반면에 열방출률이 낮으면 근접한 대상 물질에 착화되지 않고 발화영역에 국한될 수 있다. 화재발생 시 열방출률이 낮은 가연성 재료는 화재확산이 늦어지는 효과를 기대할 수 있다(21). 시험편에 대한 최대열방출률(peak heat release rate, HRR_peak)은 시험편의 표면적당 순간 최고로 방출되는 열량의 크기로 표현된다(22,23). 이는 대상 재료가 가장 많이 연소되는 시점이므로 열방출 속도가 높은 화염연소는 화재범위를 확대 시킨다.

Figure 1은 시험에 의한 열방출률 곡선을 나타내었다. 탄화물질을 생성하는 목재 시험편은 최대열방출률 값이 2개를 가지고 있는 것으로 나타났다. 열방출률 곡선의 제1차 피크인 HRR_{1st_peak}는 휘발성의 열분해 가스가 외부 불꽃 착화기에 의해 가열 기간 후에 발생한다. 발생된 열은 목재 시험편의 지속적인 열분해가 이어지며 더 많은 휘발성 물질을 방출하게 된다. 그리고 HRR_{1st_peak}의 감소는 열전달이 용이하지 않고 열분해 과정이 지연되는 절연 숯 층이 형성되어지기 때문이다. 또한 제2차 열방출률 곡선의 피크인 HRR_{2nd_peak}는 시험편의 연소 및 탄화 균열로 인해 더 많은 휘발성 물질이 시험편으로부터 용이하게 방출될 수 있기 때문에 나타난다(24). 이것은 시험편 뒷면 절연층의 후면효과(back effect)에 의하여 열이 축적됨으로써 많은 열이 동시에 방출되기 때문에 일어난다(25). 이후 휘발성 물질이 감소함에 따라 화염 연소가 종료되고 열방출률이 안정된 기준선으로 되돌아간다. HRR_{2nd_peak}는 극한 연소 상황으로 화재 성장을 위한 척도로서 인식된다.

Figure 1

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

Table 3과 Figure 1에 연소 특성과 목재의 열방출 곡선을 나타내었다. 목재의 HRR_{1st_peak} 특성은 산벚나무 214.40 kW/m², 버드나무 215.06 kW/m², 사탕단풍나무 233.69 kW/m², 들메나무 241.03 kW/m², 미국물푸레나무 265.80 kW/m² 순으로 증가하였다. 이들 중 미국물푸레나무가 가장 높게 나타났으며 산벚나무에 비하여 1.2배 높았다. HRR_{2nd_peak}는 버드나무 320.14 kW/m², 산벚나무 344.64 kW/m², 미국물푸레나무 392.60 kW/m², 사탕단풍나무 423.43 kW/m², 들메나무 444.60 kW/m²으로 증가하였다. HRR_{2nd_peak}는 들메나무가 가장 높았으며 버드나무와 비교하여 1.4배 높았다.

초기 화재의 열위험성은 HRR_{1st_peak} 영역에서는 미국물푸레나무가 가장 높았으며 산벚나무가 가장 낮았다. 그리고 화재 초기에 최대열방출률(HRR_{1st_peak})에 도달하는 시간은 버드나무 25 s, 들메나무 35 s, 미국물푸레나무, 사탕단풍나무, 산벚나무는 각각 40 s 순으로 지연되었다. 따라서 버드나무와 미국물푸레나무가 다른 종 보다 초기에 화재의 열위험성이 가장 큰 것으로 판단된다. 열방출률의 감소는 연소 대상물의 질량이 줄어듬에 따라 가연성 기체의 발생량이 줄어들기 때문이다. 또한 버드나무의 HRR_{1st_peak} 값이 작은 이유는 Table 3에 나타낸 바와 같이 다른 종에 비해 함수량은 대동소이 하나 체적밀도가 낮아 연소속도가 빨라지므로 최기 화재에 취약한 것으로 판단된다.

3.2 연기발생속도 특성 평가

연소성 물질의 화재에 의한 사망 원인은 탄소의 불완전 연소, 셀룰로오스의 열분해, 질소 산화물을 통한 일산화탄소 발생, 수소 기반 화학 물질 발생으로 알려져 있다. 화재에서 연기와 유독 가스에 의한 피해는 열에 대한 피해보다 훨씬 더 인명에 치명적이다. 화재 시에 연기는 사람들의 탈출 및 피난을 방해하여 질식 확률을 높이고 사람의 시야 확보에 어려워진다. 연기의 발생은 연소대상 물질과 주변 환경에 의하여 영향을 받는다.

Table 3과 Figure 2에 나타난 바와 같이 SPR_{1st_peak}는 짧은 시간에 급격히 최대값에 도달되는 것을 보여준다. 이 기간 동안 연기는 가스 및 분해된 헤미셀룰로오스에서 발생된 휘발성 목재 추출물, 에어로졸, 수증기로 구성된다. SPR_{1st_peak}는 각 수종간 차별성을 판단하기는 어려우며 0.0216 m²/s～0.0248 m²/s로 나타났다. 그러나 버드나무의 경우 자체 체적밀도가 낮아 SPR_{1st_peak}에 도달하는 시간이 20 s로 가장 빠르므로 초기에 연기위험성이 크다고 예측할 수 있다.

Figure 2

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

SPR_{2nd_peak}는 모든 시험에 대하여 0.0588 m²/s～0.0887 m²/s로 전술한 바와 같이 그 값의 크기는 크지 않으며 특성과 경향성이 유사하였다. 특히 버드나무는 SPR_{2nd_peak}에 도달하는 시간이 210 s로 가장 빠르므로 가장 큰 유해성을 보이는 것으로 예상된다. 즉, 함수량의 차이에 의한 차별성은 구분하기 어려우나 체적밀도가 감소하고 생성된 숯이 단단하지 않아 최대연기발생속도에 도달하는 시간이 빠른 것을 보여준다.

연소과정에 의해 시험편에 생성된 숯은 화재 시 열침투성을 감소시키며, 열에 노출된 목재 표면과 열분해 전단 사이에는 열적 저항이 상승시킨다. 이는 연소 대상물에서 방출되는 휘발성 물질과 산소와의 접촉을 방해한다. 그러므로 최대연기발생속도가 감소되거나 또는 최대연기발생속도에 도달되는 시간을 지연시키는 결과를 낳는다.

3.3 연소가스 특성 평가

일반적으로 화재의 연소 현상과 독성 가스는 재료의 조성, 수분, 온도 및 산소농도에 질적 양적으로 많은 영향을 받는다. 가연성 물질의 연소 중에 발생되는 대표적인 유독성 가스는 일산화탄소(carbon monoxide, CO)로 알려졌다. 일산화탄소(CO)는 목재와 불꽃 사이에서 발생되는 가장 중요한 휘발성물질의 불완전연소 생성물이다. 휘발성 물질의 열방출속도가 높아짐에 따라 동반된 CO가스 생성이 증가하는 것으로 이해된다. Table 3 및 Figure 3에 나타낸 시험편 5종의 COP_mean은 0.0021∼0.0033 g/s로 나타났다. 이는 기준물질인 PMMA (0.0007 g/s)에 비하여 3∼4.7배로서 목재가 PMMA보다 불완전연소 물질임을 나타내었다. 이들 중 들메나무의 COP_mean은 0.0033 g/s로 비교적 높게 측정되었다. 이것은 다른 시편에 비해 목재의 COP_mean이 불이 꺼진 후 생성된 숯의 열산화로 인한 CO 발생량이 증가되는 것으로 이해된다.

Figure 3

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

Table 3 및 Figure 4에 나타낸 바와 같이 CO₂P_mean은 모든 시험편에 대하여 0.0300～0.0523 g/s였다. 이는 기준물질인 PMMA의 CO₂P_mean (0.1243 g/s)에 비하여 2.4∼4.1배 낮았다. 모든 시편이 연소 후 보다 연소 시 열방출률 영역에서 CO₂가 생성되었으며 이는 불꽃 연소영역에서 완전연소가 이루어진다는 것을 의미한다.

Figure 4

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

Table 3의 CO와 CO₂의 평균발생속도에 대한 목재 시험편의 COP_mean/CO₂P_mean 비율은 0.0411∼0.0740으로서 PMMA와 비교하여 7.3∼13.2배로 높았다. 이는 목재가 PMMA보다 불완전 연소로 인해 비교적 CO 독성도가 높은 것으로 예측된다.

3.4 종합적인 화재위험성 등급 평가 및 예측

착화시간 및 열방출률의 초기 피크의 최대값은 가연성 물질의 화재위험성을 나타낸다(13). 또한 연기위험성도 같은 경향으로 이해된다. 따라서 선행 연구에서는 가연물의 정량적이고 정밀한 화재안전성을 예측하기 위하여 화재성능지수-VII (FPI-VII)을 정립하여 발표하였다(14). 이 방법은 착화시간, 최대연기발생속도, 최대열방출률, 그리고 일산화탄소와 이산화탄소의 평균발생속도비의 4개의 변수를 고려하여 화재위험성을 잘 표현해 준다. 따라서 본 연구에서는 일산화탄소와 이산화탄소의 평균발생속도비를 포함한 화재성능지수-VII (FPI-VII) 식(2)를 적용하였다.

(2)

FPI−VII=TTI(s)SPRpeak (m2/s) • PHRR(kW/m2) • COPmean (g/s)/CO2Pmean (g/s)

여기에서 FPI-VII은 TTI (s)를 SPR_peak (m²/s), PHRR (kW/m²), 그리고 COP_mean (g/s)/CO₂P_mean (g/s)로 나눈 값으로 정의된다.

Table 4에 재료의 FPI-VII 값을 나타내었다. FPI-VII 값은 착화시간, 열, 연기 및 일산화탄소와 이산화탄소 평균발생속도비의 조합으로서 산벚나무가 가장 높은 값으로 나타났다. 이는 TTI가 가장 늦어지고 SPR_{1st_peak}, PHRR 값이 다른 시편과 비교하여 가장 낮기 때문으로 판단된다. 버드나무가 화재위험성이 가장 높게 나타났으며 이는 전술한 바와 같이 함수량은 유사 하나 체적밀도 값이 낮으므로 인하여 TTI가 가장 빠르고, COP_mean/CO₂P_mean이 높기 때문으로 판단된다. 그러나 PHRR이 낮은 것은 그 자체의 체적밀도가 낮기 때문으로 이해된다. FPI-VII 값에 의한 화재안전성은 버드나무(23.51 s²/kW) < 들메나무(32.72 s²/kW) < PMMA (52.97 s²/kW) < 미국물푸레나무(62.75 s²/kW) < 사탕단풍나무(72.38 s²/kW) < 산벚나무(82.84 s²/kW)의 순서로 증가하였다.

Table 4

Fire Perfomance Index-VIII (FPI-VIII) of Wood Specimens and Plastic at 50 kW/m² External Radiant Heat Flux

Materials	TTI (s)	HRR_{1st_peak} (kW/m²)	SPR_{1st_peak} (m²/s)	COP_mean / CO₂P_mean	FPI-VII (s²/kW)	FPI-VIII
White Ash (WA)	17	265.80 / 40	0.0248	0.0411	62.75	1.18
Hard Maple (HM)	19	233.69 / 40	0.0235	0.0478	72.38	1.37
Willow (WL)	8	215.06 / 25	0.0226	0.0700	23.51	0.44
Fraxinus Mandschurica (FM)	15	241.03 / 35	0.0257	0.0740	32.72	0.62
Sagent Cherry (SC)	19	214.40 / 40	0.0216	0.0467	87.84	1.66
PMMA	17	1110.56 / 385	0.0516	0.0056	52.97	1

또한 모든 재료의 화재위험성을 표준화하기 위하여 PMMA 시험편을 기준한 새로운 방정식을 적용하였다. 표준화 한 FPI- VIII은 식(3)과 같다(14). FPI-VIII은 FPI-VII을 PMMA 기준값인 FPI-VII_[PMMA]으로 나눈 값으로 표현된다. 이 방정식은 화재 초기의 최대연기발생속도와 최대열방출률의 값의 중요성을 때문에 SPR_{1st_peak}와 HRR_{1st_peak} 값을 선택하여 적용하였다. 최대값을 사용한 것은 실제 화재와 가장 근접한 실험 조건인 외부 복사 열유속 50 kW/m²에서 화재위험성을 평가하기 위함이다. 가연성 재료의 화재 확대와 플래시오버 도달 시간은 상호 상관관계가 있으므로(22), 화재 확산이 증가할수록 화재안전성이 감소하는 것처럼(26) 연기안전성도 감소하는 것으로 예상된다. 여기에서 FPI-VIII이 증가할수록 화재위험성은 낮아진다.

FPI-VIII을 구하는 무차원 지수의 표현은 식(3)과 같다.

Table 4에 재료의 FPI-VIII 값을 나타내었다. 이것은 FPI-VII을 PMMA로 표준화 한 값이므로 FPI-VII과 같은 경향성으로 나타났다. FPI-VIII 값은 산벚나무가 가장 높은 값으로 나타났다.

이는 TTI가 가장 늦어지고 SPR_{1st_peak}, 및 PHRR 값이 가장 낮기 때문으로 판단된다. 버드나무가 화재위험성이 가장 높게 나타났으며 이는 전술한 바와 같이 함수량은 유사 하나 체적밀도 값이 낮으므로 인하여 TTI가 가장 빠르고, COP_mean/CO₂P_mean이 높기 때문으로 판단된다. PHRR 값에 대해서는 전술한 바와 같다.

FPI-VIII 값에 의한 화재안전성은 버드나무(0.44) < 들메나무(0.62) < PMMA (1) < 미국물푸레나무(1.18) < 사탕단풍나무(1.37) < 산벚나무(1.66)의 순서로 증가하였다.

(3)

FPI−VIII=TTI(s)SPRpeak (m2/s) • PHRR(kW/m2) • COPmean (g/s)/CO2Pmean (g/s)[TTI(s)SPRpeak (m2/s) • PHRR(kW/m2) • COPmean (g/s)/CO2Pmean (g/s)]PMMA

(4)

FGI−VII=SPRpeak (m2/s)•PHRR(kW/m2)•COPmean (g/s)/CO2Pmean (g/s) Time to SPRpeak (s)

(5)

FGI−VIII=SPRpeak (m2/s) • PHRR(kW/m2) • COPmean (g/s)/CO2Pmean (g/s) Time to SPRpeak (s)[SPRpeak (m2/s) • PHRR(kW/m2) • COPmean (g/s)/CO2Pmean (g/s) Time to SPRpeak (s)]PMMA

또한 종전의 연구에서 가연 대상물의 화재위험성을 예측할 수 있는 화재성장지수-VII (FGI-VII)을 보고한 바 있다(14). 이 방법은 화재 시 발생되는 유해성 가스 중 가장 치명적인 일산화탄소와 이산화탄소를 포함하여 연기 특성과 열특성을 포함한 식으로 화재위험성을 잘 표현해준다. 여기에서 FGI-VII은 SPR_peak (m²/s), PHRR (kW/m²), 그리고 COP_mean (g/s)/CO₂P_mean (g/s)을 time to SPR_peak로 나눈 값으로 정의된다. 본 연구에서 연기발생속도의 값은 초기 화재의 중요함을 고려하여 제 1의 최대연기발생속도(SPR_{1st_peak}) 값을 채택하였다. 특히, 열가소성 플라스틱을 포함한 가연물은 연소과정 중 제1의 최대연기발생속도(SPR_{1st_peak})를 적용하고자 한다.

식(4)는 더욱 정밀하고 정량도를 높이기 위하여 최대연기발생속도에 도달하는 시간, 최대연기발생속도, 최대열방출률 그리고 일산화탄소와 이산화탄소의 평균발생속도비를 포함한 4개의 변수를 고려하여 화재위험성 평가를 하였다.

Table 5에 재료의 FGI-VII 값을 나타내었다. FGI-VII은 열, 연기, 일산화탄소와 이산화탄소의 평균발생속도비 및 최대연기발생속도에 도달하는 시간을 고려한 값으로 버드나무가 가장 높게 나타났다. 이것은 TSPR_{1st_peak}가 가장 빠르고 COP_mean/ CO₂P_mean 값이 가장 높기 때문으로 판단된다. FGI-VII에 의한 화재위험성은 PMMA (0.0008 kW/s²) < 사탕단풍나무(0.0025 kW/s²) < 산벚나무(0.0043 kW/s²) < 들메나무(0.0051 kW/s²) < 미국물푸레나무(0.0054 kW/s²) << 버드나무(0.0170 kW/s²)의 순서로 증가하였다. 화재위험성 평가 지수인 FPI-VII 값과 FGI-VII 값을 이용하여 화재위험성을 평가한 결과 기준시험 물질인 PMMA를 제외하고 버드나무가 가장 위험하며 산벚나무와 사탕단풍나무가 가장 위험성이 낮은 물질로 나타났다. 버드나무와 산벚나무는 FPI-VII에서 설명한 바와 유사한 경향성을 나타내고, 사탕단풍나무는 TTI의 지연과 TSPR_{1st_peak}의 영향이 가장 커 화재위험성이 낮아지는 것으로 판단된다.

Table 5

Fire Growth Index-III (FGI-VIII) of Wood Specimens and Plastic at 50 kW/m² External Radiant Heat Flux

Materials	HRR_{1st_peak} (kW/m²)	SPR_{1st_peak} (m²/s)	TSPR_{1st_peak} (s)	COP_mean / CO₂P_mean	FGI-VII (kW/s²)	FGI-VIII
White Ash (WA)	265.80 / 40	0.0248	50	0.0411	0.0054	6.75
Hard Maple (HM)	233.69 / 40	0.0235	105	0.0478	0.0025	3.13
Willow (WL)	215.06 / 25	0.0226	20	0.0700	0.0170	21.25
Fraxinus Mandschurica (FM)	241.03 / 35	0.0257	90	0.0740	0.0051	6.38
Sagent Cherry (SC)	214.40 / 40	0.0216	50	0.0467	0.0043	5.38
PMMA	1110.56 / 385	0.0516	385	0.0056	0.0008	1

또한 모든 시험 재료의 화재위험성을 평가하기 위해 화재위험성을 표준화하기 위한 화재성장지수-VIII (FGI-VIII)을 적용하였다(14). 여기에서 FGI-VIII은 FGI-VII을 FGI-VII_[PMMA]의 표준 값(PMMA 시험편 기준)으로 나눈 값으로 정의된다. 목재의 화재 확대와 플래시오버 도달 시간과 상관성이 있으므로(24), 화재 확대가 증가할수록 연기안전성이 감소하는 것으로 이해된다(25). 따라서 FGI-VIII 값이 커질수록 화재위험성이 커지는 것으로 예측된다.

FGI-VIII을 구하는 무차원 지수의 표현은 식(5)와 같다.

이 방정식은 무차원 지수로서 화재 초기의 중요성 때문에 최대연기발생속도(SPR_{1st_peak})와 최대열방출률(HRR_{1st_peak}) 값을 선택하여 적용하였다. FGI-VIII이 증가할수록 화재위험성은 높아짐을 의미한다.

Table 5에 의하면 FGI-VIII은 버드나무가 가장 높게 나타났다. 이것은 TSPR_{1st_peak}가 가장 짧고 COP_mean/CO₂P_mean 값이 높기 때문으로 판단된다.

PMMA의 기준물질에 의한 FGI-VIII 값은 PMMA (1) < 사탕단풍나무(3.13) < 산벚나무(5.38) < 들메나무(6.38) < 미국물푸레나무(6.75) << 버드나무(21.25)의 순서로 증가하였다. 이것은 다른 요소의 일부 영향도 있지만 FPI-VII, FPI-VIII과 유사한 경향성을 보였다. 즉, FPI-VIII과 FGI-VIII의 값에 의하여 화재위험성을 평가한 결과 사탕단풍나무가 화재위험성이 가장 낮은 물질이었으며 버드나무가 가장 위험한 물질로 예상된다.

따라서 결과적으로 목재 및 플라스틱을 포함한 연소성 물질은 FGI-VIII의 값이 커질수록 화재위험성은 높아지고, 화재안전성은 낮아짐을 알 수 있었다. FPI-VIII과 FGI-VIII은 시험에 의해 측정된 데이터를 활용해 계산하여 얻어지는 값으로, 콘칼로리미터 실험에서 가연성 재료의 화재안전성을 예측 하는데 종합적인 평가로 적용될 수 있다.

따라서 화재위험성 등급을 평가하기 위하여 선행연구에 의해 새로 정립된 화재위험성지수(FRI-IX)를 적용하였다(14). 화재위험성지수-IX (fire risk index-IX, FRI-IX)는 FGI-VIII을 FPI-VIII으로 나눈 값으로 정의되며 이는 화재가 확산될수록 화재안전성이 감소하는 것과 같다(26). 즉, FRI-IX 값이 커질수록 화재위험성이 증가하고 반대로 FRI-IX 값이 작아질수록 화재위험성이 감소하는 것으로서, 화재위험성 및 화재위험성등급을 종합적으로 판단할 수 있게 된다.

FRI-IX을 구하는 식(6)은 다음과 같다.

(6)

FRI−IX=FGI−VIIIFPI−VIII

또한 화재위험성평가에서 사용될 수 있는 수치로서 정밀하고 합리적인 방법으로 화재위험성을 관리하기 위하여 화재위험성지수-IX (FRI-IX)의 결과를 바탕으로 화재위험성등급을 Table 6에 제시하였다(14). 즉, 화재위험셩지수-IX (FRI-IX)의 0～30 초과 값을 5단위 간격으로 각각의 가연성 재료들의 연소특성을 고려한 7등급으로 분류 하였으며, 화재안전성을 기준으로 매우 높음: A, 높음: B, 중간 1: C, 중간 2: D, 낮음 1: E, 낮음 2: F, 매우 낮음: G로 정하였다. 즉, 등급 A는 건자재의 화재안전성을 상당한 정도로 담보할 수 있는 보수적인 수준이며, 최하위 등급인 G의 경우 건자재로서의 화재안전을 담보할 수 없는 최저 수준임을 예상할 수 있다.

Table 6

Fire Risk Rating for Fire Risk Index-IX of Test Specimens at 50 kW/m² External Radiant Heat Flux

FRI-IX	Fire Risk Rating	Fire Safety
5 or Less	A	Very High
More than 5 Up to 10	B	High
More than 10 Up to 15	C	Medium 1
More than 15 Up to 20	D	Medium 2
More than 20 Up to 25	E	Low 1
More than 25 Up to 30	F	Low 2
Over 30	G	Very Low

Table 7에 나타낸 바와 같이 화재위험성지수인 FRI-IX에 의한 화재위험성은 버드나무가 가장 높은 것으로 나타났다. PMMA 시험편을 기준물질로 한 값을 이용하여 구한 FRI-IX은 PMMA (1): 등급 A < 사탕단풍나무(2.28): 등급 A < 산벚나무(3.24): 등급 A < 미국물푸레나무(5.72): 등급 B < 들메나무(10.29): 등급 C << 버드나무(48.30): 등급 G의 순서로 증가하였다. 화재위험성을 종합적으로 평가한 결과 버드나무는 위험성이 매우 높은 목재임을 예상할 수 있었다.

Table 7

Fire Risk Index-IX (FRI-IX) and Fire Risk Rating (FRR) of Wood Specimens and Plastics at 50 kW/m² External Radiant Heat Flux

Materials	FPI-VIII	FGI-VIII	FRI-IX	FRR
White Ash (WA)	1.18	6.75	5.72	B
Hard Maple (HM)	1.37	3.13	2.28	A
Willow (WL)	0.44	21.25	48.30	G
Fraxinus Mandschurica (FM)	0.62	6.38	10.29	C
Sagent Cherry (SC)	1.66	5.38	3.24	A
PMMA	1	1	1	A

결론적으로 체적밀도가 낮고, TTI가 빠르고, COP_mean/CO₂P_mean이 높은 물질은 FPI-VII 값과 FPI-VIII 값이 낮고, 또한 TSPR_{1st_peak}이 빠르고 COP_mean/CO₂P_mean이 높은 물질은 FGI-VII 값과 FGI- VIII 값이 증가하여 종합적인 화재위험성지수 FRI-IX의 값이 높아진다. 이것은 화재위험성이 높아짐을 의미한다. FRI-IX 값은 시험된 연소 특성값을 사용하여 얻어지는 값으로서, 가연성 재료의 화재안전성을 판단하는데 총괄적이고도 종합적인 평가로 적용될 수 있다.

4. 결 론

본 연구에서는 화재 시 화재위험성 평가를 표준화하기 위해 Chung’s equations-VII, Chung’s equations-VIII, 그리고 Chung’s equation-IX을 적용하였다. 시험편은 건자재인 미국물푸레나무, 사탕단풍나무, 버드나무, 들메나무, 산벚나무를 선택하였고 ISO 5660-1의 규격에 의한 콘칼로리미터(cone calorimeter) 시험법으로 시험하였다. 종합적으로 Chung’s equation-IX인 FRI-IX에 의하여 화재위험성 및 화재위험성등급(FRR)을 평가하였다.

1) 화재성능지수-VIII (FPI-VIII)에 의한 화재안전성은 버드나무(0.44) < 들메나무(0.62) < PMMA(1) < 미국물푸레나무(1.18) < 사탕단풍나무(1.37) < 산벚나무(1.66)의 순서로 증가하였다. 이것은 체적밀도가 낮으므로 인하여 TTI가 빠르고, COP_mean/CO₂P_mean이 높은 재료가 화재위험성이 높은 것으로 나타났다.
2) 화재성장지수-VIII (FGI-VIII)에 의한 화재위험성은 PMMA (1) < 사탕단풍나무(3.13) < 산벚나무(5.38) < 들메나무(6.38) < 미국물푸레나무(6.75) << 버드나무(21.25)의 순서로 증가하였다. 이것은 TSPR_{1st_peak}가 짧고 COP_mean/CO₂P_mean 값이 높으면 화재성장지수가 높았다. 화재위험성이 높은 것으로 나타났다.
3) 화재위험성지수-IX인 FRI-IX에 의한 화재위험성 등급은 PMMA (1): 등급 A < 사탕단풍나무(2.28): 등급 A < 산벚나무(3.24): 등급 A < 미국물푸레나무(5.72): 등급 B < 들메나무(10.29): 등급 C << 버드나무(48.30): 등급 G의 순서로 증가하였다. 화재위험성을 종합적으로 평가한 결과 버드나무는 위험성이 가장 높은 목재임을 예상할 수 있었다.

결론적으로 체적밀도가 낮음으로 인하여 화재위험성은 TTI가 빠르고 COP_mean/CO₂P_mean 비가 높은 재료와, TSPR_{1st_peak}가 짧고 COP_mean/CO₂P_mean 값이 높은 재료가 FPI-VII 값과 FPI-VIII 값이 낮아지고, FGI-VII 값과 FGI-VIII 값이 높아짐에 의하여 FRI-IX 값이 높은 값을 나타내었다. 목재 수종 중 버드나무는 화재위험성지수-IX가 47.88로 가장 높았으며 화재위험성 등급이 G등급이므로 화재위험성이 가장 높은 재료로 나타났다.

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