1. 서 론
연소성 재료에 대한 화재의 확산은 재산보호와 인명안전에 막대한 손실을 준다(1). 이들의 화재 위험성은 착화성, 열방출률, 화염확산, 연기발생속도 및 연기독성을 포함한 특정 요소와 연관성이 있다(2-5). 연소성 물질의 연소성질을 시험을 하기 위한 시험법으로는 콘칼로리미터 시험법을 국제 표준으로 사용하고 있다(6). 이 시험은 일반적인 유기성 고분자 재료가 연소될 때 산소 1 kg이 소모되면 약 13.1 × 103 kJ의 열을 내놓는 것을 기준으로 하고 있다(7).
또한 콘칼로리미터 장비를 이용한 연기측정 시험은 어떤 공간을 투과하는 빛의 강도가 거리에 따라 지수 함수로 감소하는 Beer-Bouguer-Lambert의 실험을 바탕으로 하였다(7). 연기는 대상물이 연소될때 열분해로부터 생성되는 연소성 기체로서, 복사 냉각으로 인하여 타지 않은 그을음은 불완전 연소를 하여 광염 연소영역에서 연기로 탈리된다(8). 또한 목재는 그 구성 성분의 화학적 조성에 의해 열방출률이 달라지고, 리그닌 및 수분 함유량이 열방출률에 영향을 미치는 것으로 밝혀져 있다(9,10).
기 보고된 연구에서는 목재에 대해 임계열유속에 관한 연구는 외부 열유속을 25 kW/m2, 35 kW/m2, 50 kW/m2 그리고 75 kW/m2로 변화하여 콘칼로리미터 실험을 진행하였고, 착화시간과의 상관성을 적분 모델을 이용함으로써 임계열유속(critical heat flux)을 계산한 바 있다. 화재에 취약한 목재의 화재안전성을 높이기 위한 난연처리 방법이 많이 연구되고 있다. 난연제를 첨가하면 목재의 탄화율이 증가하는 반면, 탄화물의 생성 속도는 일반적으로 변하지 않는다. 침엽수의 전형적인 탄화 속도는 표준 시험 방법을 사용하여 구하면 0.6 mm/min 정도가 된다. 그러나 탄화속도가 밀도, 탄화층의 두께, 수분 함량, 산소 농도 및 외부 열 유속과 같은 중요한 요소들에 의존한다고 보고되었다(11,12). 또한 가연성 액체인 ethyl tert-butyl ether (ETBE)의 화재 위험은 열방출률(heat release rate), 비질량감소율(specific mass loss rate) 및 CO 발생량 값을 기준으로 평가했다. 측정된 값은 무한 풀(pool) 직경으로 변환되었으며 이것은 실제 가연성 액체 풀 화재와 일치한다고 보고한 바 있다(13).
연소성 물질의 연소특성으로는 연기발생 및 열을 나타내는 연기발생률, 연소가스, 비감광면적, 열방출률 등이 있다(14-16). 그러나 이와 같은 특성치는 순간의 시간적 변화에 대한 하나의 값에 국한된 것으로서 연기발생 및 열에 대한 정밀성과 정량적인 평가에 의한 위험성을 설명하는 방법으로는 부족한 점이 많이 있다.
선행 연구에서는 연기위험성을 평가하기 위한 방안으로 Chung’s equations 1, 2, 3를 정립하여 빌표하였다(17). 이를 표준화하기 위해서 Chung’s equations-V, Chung’s equation-VI를 발표하였다(18). 또한 연기와 열을 포함한 더욱 정밀하고 정량적인 방법으로 화재위험성 평가의 확장성을 나타내기 위해 Chung’s equations-II, Chung’s equations-III, 그리고 Chung’s equation-IV에 의한 화재위험성 평가법을 정립한 바 있다(19).
화재의 위험성은 연기위험성지수-VI (smoke risk index-VI, SRI-VI)(14)와 화재성능지수-II, -III [fire performance index-II, -III (FPI-II, FPI-III)]가 낮고 연기위험성지수(SRI-VI)와 화재성장지수-II, -III [fire growth index-II, -III (FGI-II, FGI-III)]가 높아질수록 높아진다(19). 총괄적으로 화재위험성지수-IV (fire risk index-IV, FRI-IV)가 높아질수록 화재위험성이 높아짐을 나타낸다(19). 이것은 유사시 화재 발생에 대비하여 화재에 대한 위험성을 제시하는 것으로 각 지수간의 관계를 확장시킴에 의해 종합적으로 화재위험성 및 화재에 의한 안전성을 예측하기 위한 것이다.
또한 화재가 진행되는 동안 발생되는 생명을 위협하는 유해성 가스인 일산화탄소와 이산화탄소를 포함하여 평가할 필요성이 매우 크므로 이를 위해 Chung’s equations-VII, Chung’s equations-VIII, 그리고 Chung’s equation-IX인 화재위험성지수-IX (fire risk index-IX, FRI-IX)를 정립하였고, 종합적인 화재위험성등급(fire risk rating, FRR)과 화재위험성지수-IX (FRI-IX)를 평가 및 예측하였다(20). 이 방법은 화재의 초기 단계가 매우 중요하기 때문에 이에 초점을 맞춘 화재위험성 평가법이었다. 그러나 대상물의 연소가 진행됨에 따른 이후 화재진행 단계도 중요하다고 판단되어 이를 구현하기 위해 또 다른 방법을 고안하여 적용하였다.
즉, 연소성 물질의 착화시간(time to ignition, TTI)에 대응하여 연소저항시간(combution resistance time, CRT)과 제1차 최대연기발생률에 도달되는 시간(time to 1st_peak smoke production rate, TSPR1st_peak에 대응하는 누적연기발생시간(accumulated smoke generation time, ASGT)을 포함시켰다. 따라서 이를 위하여 Chung’s equations-X의 화재성능지수-X (fire performance index-X, FPI-X) 및 화재성장지수-X (fire growth index-X, FGI-X), Chung’s equations-XI의 화재성능지수-XI (fire performance index-XI, FPI-XI) 및 화재성장지수-XI (fire growth index-XI, FGI-XI)을 정립하였고, 이를 근거로 Chung’s equation-XII의 화재위험성지수-XII (fire risk index-XII, FRI-XII)를 새로이 정립한 바 있다(21).
이를 바탕으로 본 연구에서는 종합적으로 화재위험성지수-XII (FRI-XII)를 평가하고, 화재위험성에 대한 등급(fire risk rating, FRR)을 예측하여 건축 및 화재설계에 활용하고자 한다.
이 연구에서는 연소성 재료 중 은행나무(ginkgo tree), 메타세콰이어 나무(dawn redwood tree), 참죽나무(toona tree), 피나무(lime tree), 호두나무(walnut tree)를 시험편으로 사용하였다. 그리고 polymethylmethacrylate (PMMA)를 기준물질로 사용 하였다.
2. 실험 방법
2.1 시험재료 준비
시험편은 5종의 은행나무, 메타세콰이어 나무, 참죽나무, 피나무, 호두나무를 엠에이치테크놀로지스사를 통한 농가에서 자연목재로 구입 하였다. 별도의 가공처리 없이 사용하였으며 시험편의 두께는 10 mm로 준비하였다. Fire Testing Technology사에서 구입한 PMMA는 다른 시험편과 동일한 조건을 부여하기 위해 두께를 10 mm 크기로 절단하여 사용 하였으며, 콘칼로리미터 장비를 이용한 시험에서 우수한 재현성 및 반복성을 나타내므로 기준물질로 사용하였다.
2.2 수분 함유량 측정
목재 시험편의 일정한 양을 온도 105 °C로 유지한 건조오븐에서 장시간 건조하였고, 4 h 간격으로 시험편 중량의 변화가 없을 때까지 기다린 후, 식(1)을 적용하여 수분의 함유량(moisture content, MC)을 산정하였다(22).
여기에서 Wm은 수분함량을 구하려는 목재 시험편의 중량(g), Wd는 시험편을 건조시킨 후의 절대건조 중량(g)이다.
Table 1에 선행 연구에서 보고된 목재의 수분함량과 체적밀도에 대한 data(20)를 나타내었다. 목재의 수분함량은 피나무가 가장 낮았고 그 외 목재들은 유사한 값으로 피나무에 비교하여 높게 나타났다. 체적밀도는 메타세콰이어가 가장 낮았으며 참죽나무와 호두나무가 가장 높았다.
Table 1
The Water Content and Volume Density for Each Selected Specimen(20)
2.3 시험편의 연소특성 시험
연소 특성값을 얻기 위한 시험은 ISO 5660-1 규격에 의하여 dual cone calorimeter (영국 Fire Testing Technology사)를 택하여 사용하였으며, 실제 화재에 가장 가까운 화재성장기에서 발견되는 외부 복사열유량 50 kW/m2 조건에서 시험 시간을 1800 s로 설정하여 실시하였다(7). 시험편의 크기는 100 mm (W) × 100 mm ( + 0 − 2 ) ( L ) × 10 mm (H)
2.4 화재위험성 지수 및 화재위험성 등급 평가 방법(21)
2.4.1 화재성능지수-X과 화재성능지수-XI
FPI-X는 식(2)에 나타내었다.
(3)
FPI-X은 CRT (s)에 대하여 SPRpeak (m2/s), PHRR (kW/m2), 그리고 COPmean (g/s)/CO2Pmean (g/s)의 3개 중요 요소를 곱하여 나눈 값으로 정의된다. 연소저항시간(combution resistance time, CRT)은 연소 대상물의 연소 시 제1차 최대열방출률(HRR1st_peak) 지점과 제2차 최대열방출률(HRR2nd_peak) 지점 사이의 누적된 연소 시간이다. 연소성 물질은 그 자체의 연소 조건에 의하여 연소속도의 차별화가 이루어진다. 또한 열가소성 물질은 탄화물질 또는 열경화성 물질과 연소형태가 다르게 진행되어 연소 시 제1차 최대열방출률(HRR1st_peak)만 나타낸다. 그러므로 이들의 차이를 최소화 하기 위해서 가장 근접한 요소인 TTI와 HRR1st_peak 사이의 연소시간을 적용하였다.
FPI-XI은 식(3)에 나타내었다.
FPI-XI은 FPI-X[PMMA]으로 FPI-X을 나눈 값으로 나타내었다. 이 방정식은 SPRpeak 및 PHRR의 각각의 값이 화재 초기의 중요한 요소이므로 SPR1st_peak와 HRR1st_peak 값을 선택하였다. 이 식은 FPI-VIII의 구성요소 중 TTI (s)에 대응하여 CRT (s)를 도입하였다. 무차원 값으로 얻어지며 여기에서 최대값을 고려한 것은 실제 화재를 상정한 안전치이다. 연소성 재료의 화재의 증대와 플래시오버의 시간은 상호 연관성이 있으므로(23), 화재 확산이 증가할수록 화재위험성이 증가하고, 화재안전성이 낮아지는 것과 같이 연기안전성도 낮아지는 것으로 예측된다. 여기에서 FPI-XI 값이 커질수록 화재안전성은 높아진다.
2.4.2 화재성장지수-X과 화재성장지수-XI
FGI-X는 식(4)에 나타내었다.
FGI-X은 3개의 중요 요소인 SPRpeak (m2/s), PHRR (kW/m2), 그리고 COPmean (g/s)/CO2Pmean (g/s)를 곱하여 얻은 값을 ASGT (s)로 나눈 것으로 정의된다. 누적연기발생시간(accumulated smoke generation time, ASGT)은 연소 대상물이 연소될 때 TSPR1st_peak에 다다르는 위치와 TSPR2nd_peak에 다다르는 위치와의 간격을 의미한다. 특히, 비탄화 물질은 고체성 물질과 연소형태가 다르기 때문에 이에 가장 가까운 요소인 TTI와 TSPR1st_peak 위치와의 간격을 ASGT로 적용하는 방법이다.
FGI-XI은 식(5)에 나타내었다.
FGI-XI은 FGI-X을 FGI-X[PMMA]의 값으로 나눈 것으로 정의된다. 이는 목재의 화재 증대와 플래시오버의 시간과 상호 연관성이 있으므로(23), 화재 확산이 증가할수록 화재안전성이 감소하는 것으로 연기안전성도 맥을 같이하는 것으로 이해된다. 따라서 FGI-XI이 커질수록 화재위험성이 커지고 반대로 화재안전성이 낮아지는 것으로 예상된다. 이 식은 화재 초기의 중요성을 감안하여 SPR1st_peak와 HRR1st_peak 값을 선별하여 적용하였으며, 무차원지수가 얻어진다.
2.4.3 화재위험성지수-XII와 화재위험성등급
선행 연구에 의해 정립된 FRI-IX(20)의 대용 수단으로 활용하기 위해 다른 방법으로 FRI-XII, 식(6)을 적용하였다.
FRI-XII는 식(6)에 표현식을 나타내었다.
FRI-XII는 FPI-XI으로 FGI-XI을 나눈 것으로 정의 하였으며 이는 화재가 확산될수록 화재안전성이 감소하는 것을 의미한다(23). 즉, FRI-XII가 커질수록 화재위험성이 증가하고 이와 반대로 작아질수록 화재위험성이 감소하는 것을 의미하며, 화재위험성 등급과 화재위험성을 종합적으로 예측할 수 있다.
또한 화재위험성을 평가하기 위해 활용될 수 있는 최종적인 평가지수 값으로서 FRI-XII 값을 바탕으로 Table 2와 같이 FRR을 이용하여 화재위험성등급을 평가할 수 있다. 이와 같이 본 연구에서는 선행연구에서 정의한(21) 화재안전성의 각 구간별 기준을 더욱 정밀하게 구체화 하였다. 이것은 FRI-XII의 0～12 또는 그 이상의 큰 값을 2단위 간격으로 하여 각각의 연소성 물질들의 화재안전성을 7등급으로 분할한 화재위험성등급 평가 방법이다. 즉, 매우 높음: A부터 최하위 등급인 매우 낮음: G 까지 부여하였다. 등급: G의 경우는 연소성 재료로서의 화재안전을 확보할 수 없는 최저 수준이다. 이는 선행 연구에서 정의한 바에 따라 화재위험성 등급의 최저치와 최대치 사이의 구간을 세분화기 위해 제시된 방법이다. 따라서 Table 2의 기준에 따라 화재위험성 등급을 평가할 수 있다.
3. 실험 결과 및 고찰
본 연구에서는 5종의 목재에 대한 화재위험성 평가와 화재위험성 등급을 예측하였다. 기준물질로 사용된 PMMA는 선행연구의 데이터를 참고 하였으며(24), 연소 성질과 관련된 중요 요소로 연소저항시간(combution resistance time, CRT), 연기발생률(smoke production rate, SPR), 열방출률(heat release rate, HRR), CO가스와 CO2가스의 발생속도 및 누적연기발생시간(accumulated smoke generation time, ASGT) 등의 특성을 분석하였으며, 그에 대한 data를 Table 3에 제시하였다. 이들 data를 가지고 화재성능지수-X (FPI-X)과 화재성장지수-X (FGI-X)을 계산하였고, 이를 표준화하기 위해 화재성능지수-XI (FPI-XI)과 화재성장지수-XI (FGI-XI)을 산정하여 이를 이용한 종합적인 화재위험성지수-XII (FRI-XII)와 화재위험성등급(FRR)을 제시하였다.
Table 3
Combustion Characteristics of Test Specimens under External Radiant Heat Flux of 50 kW/m2
| Materials | aTTI (s) | bCRT (s) | cHRR1st_peak (kW/m2) at Time (s) | dHRR2nd_peak (kW/m2) at Time (s) | eSPR1st_peak (m2/s) | |||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| Ginkgo Tree (GK) | 13 | 205 | 219.87 at 30 | 322.28 at 235 | 0.0279 | |||||
| Dawn Redwood Tree (DRW) | 5 | 185 | 208.51 at 20 | 210.85 at 205 | 0.0266 | |||||
| Toona Tree (TN) | 19 | 280 | 201.17 at 35 | 275.65 at 315 | 0.0147 | |||||
| Lime Tree (LM) | 9 | 195 | 244.63 at 25 | 328.75 at 220 | 0.0212 | |||||
| Walnut Tree (WN) | 15 | 260 | 232.98 at 40 | 264.84 at 300 | 0.0201 | |||||
| PMMA (Reference) | 17 | 368 | 1110.56 at 385 | - | 0.0516 | |||||
| Materials | fTSPR1st_peak (s) | gASGT (s) | hSPR2nd_peak (m2/s) at Time (s) | iCOPmean (g/s) | jCO2Pmean (g/s) | COPmean / CO2Pmean | ||||
| Ginkgo Tree (GK) | 30 | 215 | 0.0682 at 245 | 0.0020 | 0.0359 | 0.0557 | ||||
| Dawn Redwood Tree (DRW) | 20 | 190 | 0.0448 at 210 | 0.0016 | 0.0269 | 0.0595 | ||||
| Toona Tree (TN) | 45 | 290 | 0.0535 at 335 | 0.0016 | 0.0455 | 0.0352 | ||||
| Lime Tree (LM) | 35 | 195 | 0.0527 at 230 | 0.0015 | 0.0343 | 0.0437 | ||||
| Walnut Tree (WN) | 40 | 285 | 0.0391 at 325 | 0.0024 | 0.0482 | 0.0498 | ||||
| PMMA (Reference) | 385 | 368 | - | 0.0007 | 0.1243 | 0.0056 | ||||
FRI-XII는 무차원 지수로서 화재위험성을 표준화한 종합적인 화재위험성을 표현한다. 시험편에 대하여 착화시간(time to ignition, TTI), 열방출률(heat release rate, HRR), 연기 발생률(smoke production rate, SPR) 및 CO/CO2 평균발생속도 비율은 선행 연구에서 보고된 data(20)를 참고하였다.
3.1 열적 특성 평가
TTI는 연소성 물질의 매우 중요한 특성을 나타낸다. TTI가 길어질수록 재료의 연소성은 제한된다. 연소성 재료의 종류, 열적특성, 수분 함유량 및 밀도, 그리고 열침투성 등은 가스독성, 에너지 방출속도, 그리고 연기발생에 영향을 준다. 휘발성 연료는 공기와 화학양론 농도 정의에 의한 적당한 농도로 혼합될 때 열분해 가스의 산화로 인하여 광염 연소가 발생된다.
Table 3에 나타낸 바와 같이 시험편의 TTI는 5∼19 s로 측정되었다. 메타세콰이어 나무가 5 s로 가장 빠르고 참죽나무가 19 s로 가장 늦게 측정되었다. 메타세콰이어 나무의 경우는 약간 높은 수분함량을 가졌지만 다량의 휘발성 유기 화합물의 함량과(25), 가장 낮은 체적밀도(303 kg/m3) 때문에 TTI가 단축된 것으로 판단되며, 참죽나무는 다른 종에 비해 체적밀도(598 kg/m3)가 높아서 TTI가 지연되는 것으로 이해된다.
목재의 TTI는 목재의 체적밀도, 열전도도, 목재 표면의 열손실 상수, 착화온도와 표면온도 차이의 제곱에 비례하고, 시험편에 가해지는 복사 열유량(heat flux)의 제곱에 반비례한다(26). 본 연구에서는 시험편의 물성 중 제시된 체적밀도와 관련하여 직접적으로 설명이 되어질 수 있다. 그러므로 체적밀도가 높다는 것은 TTI가 지연되는 것으로 이해된다.
화재특성으로서 최대열방출률(peak heat release rate, HRRpeak)은 가장 중요한 특성이며 화재의 강도에 대하여 잘 설명해준다(23,27,28). 화재 시 HRR이 커질수록 화재 규모를 확장시키고, HRR이 낮은 연소성 재료는 화재확산을 지연시킨다(29). 시험편으로부터 방출되는 HRRpeak은 그의 표면적에 대해 순간적인 최고의 방출 열량의 크기로 표현된다(30,31). 이것은 연소대상 재료가 가장 많이 연소되는 정점으로 HRR이 높은 화염연소는 화재범위를 넓혀준다.
Figure 1은 시험편의 연소시험에서 시간에 대한 HRR 특성을 나타내었다. 탄화물의 생성물을 만들어 내는 고체 시험편은 2개의 HRRpeak 값을 가지고 있는 것으로 얻어졌다. HRR 특성의 제1차 정점인 HRR1st_peak는 가열 기간 후 휘발성의 열분해성 가스가 외부 착화열에 의해 발생된다. 축적된 열은 목재 시험편의 지속적인 열분해로 진행되며 더 많은 휘발성 물질을 방출하도록 유도한다. 그리고 HRR1st_peak의 감소는 형성된 절연 탄화물 층으로 인하여 열전달이 쉽지 않고 열분해 과정이 감소되기 때문이다. 또한 HRR 특성의 제 2차 정점인 HRR2nd_peak는 시험편의 연소와 탄화 분열로 인하여 시험편으로부터 더 많은 휘발성 물질이 쉽게 방출됨으로써 나타난다(32). 이는 시험편 뒷면의 절연층에 대한 후면효과(back effect)로 열축적이 됨으로써 많은 열이 동시에 방출되기 때문으로 알려져 있다(10). 이후 휘발성의 물질들이 없어짐에 따라 화염 연소가 소멸되고 HRR이 감소되면서 안정된 기준선으로 되돌아간다.
Figure 1
Curves of heat release rate (kW/m2) for wood and PMMA specimens under an external radiant heat flux of 50 kW/m2(20).
Table 3과 Figure 1에 보여준 것과 같이 목재의 HRR1st_peak 특성은 참죽나무가 201.17 kW/m2로 가장 낮았고, 피나무가 244.63 kW/m2로 가장 높게 나타났다. 피나무는 참죽나무에 비해 1.2배 높았다.
HRR2nd_peak는 메타세콰이어가 210.85 kW/m2로 가장 낮게 측정 되었으며, 피나무가 328.75 kW/m2으로 가장 높았다. 피나무는 메타세콰이어보다 1.6배 높았다. 이는 메타세콰이어가 다른 시편에 비해 비교적 낮은 체적밀도와 침엽수로서 유기성 휘발물질을 함유하기 때문으로 판단된다.
HRR이 감소되는 것은 연소 물질의 질량손실률이 감소함으로써 연소성 가스의 생성량이 감소되기 때문이다. 침엽수는 목재의 열분해 과정에서 주로 낮은 농도의 아세트산 및 헥산알이 10∼25% 배출되고, 휘발성 유기 화합물인 테르펜을 70∼90%의 고농도로 배출한다. 그러나 활엽수의 경우는 대단히 낮은 정도의 유기물질 및 기타 휘발성 유기물들을 배출된다(28). 열분해 과정에서 방출되는 구성성분의 차이는 활엽수종이 침엽수종에 비하여 화재에 잘 견디게 되는 중요한 요소이다. 참죽나무의 HRR1st_peak 값이 작은 이유는 수분함량과 체적밀도가 높아 연소속도가 늦어지기 때문이며, 피나무는 낮은 수분함량과 낮은 체적밀도 때문에 연소 속도가 빠른 것으로 판단된다. 그러므로 피나무가 초기화재에 취약한 것으로 나타났다.
3.2 연기발생속도의 특성 평가
목재 및 유기물에 대한 화재사고로 인한 사망은 불완전 연소에 의한 셀룰로오스의 열분해, 수소 기반 화학 물질 발생 및 질소 산화물을 통한 일산화탄소 발생으로 인한 피해이다. 화재가 발생 했을 때 열에대한 피해보다 연기와 유독 가스가 더 치명적으인 것으로 알려져 있다. 화재에 의한 연기는 사람들의 피난 및 탈출을 어렵게 하여 질식 가능성을 높이고 인간의 시야 확보를 어렵게 한다. 또한 연소대상 물질의 구성 성분과 주변 환경은 연기발생에 많은 영향을 미친다.
Table 3과 Figure 2에 제1의 최대연기발생속도(the first peak smoke release rate, SPR1st_peak)는 단시간에 급격히 최대 값에 이르는 것으로 관찰되었다. 이 기간 동안에 발생되는 연기는 분해된 헤미셀룰로오스 및 가스에서 생겨나는 에어로졸, 수증기 그리고 휘발성의 목재 추출물로 구성된다. SPR1st_peak는 SPR의 값이 첫 번째 최대값이 나타나는 부분을 선택하였다. SPR1st_peak는 PMMA를 제외하고 0.0147 m2/s∼0.0279 m2/s로 측정 되었다. 은행나무가 참죽나무 보다 1.9배 높은 것으로 나타났다. 은행나무의 경우처럼 휘발성 유기 화합물을 많이 함유한 침엽수종이 SPR이 높아 초기화재에 위험한 것으로 나타났다.
Figure 2
Curves of smoke generation rate (m2/s) for the test specimen under an external radiant heat flux of 50 kW/m2(20).
제2의 최대연기발생속도(the second peak smoke release rate, SPR2nd_peak)는 호두나무가 0.0391 m2/s로 가장 낮게 측정 되었고, 은행나무가 0.0682 m2/s로 가장 높게 측정 되었다. 은행나무는 호두나무에 비하여 1.7배 높았다. 시험편의 연소 시에 생성된 탄화물은 열침투성을 줄어들게 하며, 열에 근접된 목재 표면과 열분해 전단 사이에 열에 대한 저항을 상승시킨다. 이는 연소물질에서 방출되는 휘발성 물질과 산소와의 화학적 반응을 가로막는다. 따라서 SPR2nd_peak의 감소 SPR2nd_peak에 도달되는 시간을 지연시키는 결과를 가져온다. Figure 2는 SPRpeak에 도달되는 시간을 고체성 시험편에 대해 두 단계 특성으로 보여준다. SPR1st_peak는 20∼45 s에 나타났으며, SPR2nd_peak는 210∼335 s에서 관찰되었다. 이는 목재의 열분해 과정에서 목재 표면에 노출된 열의 량이 증가함에 따라 열에 노출된 목재의 균열이 증가하고 연소가스가 갑자기 배출되는 것임을 나타낸다. 이러한 SPRpeak에 도달되는 시간은 재료에 대한 수분의 함량, 체적밀도, 그리고 휘발성 유기물질의 함량과 상호 관계가 있으나, 수분함량은 피나무를 제외하고 큰 차이가 나타나지 않으므로, 휘발성 유기 물질의 함량이 높고, 체적밀도의 감소함에 의해 SPRpeak에 도달되는 시간이 빠르다는 것을 보여준다. 초기 최대연기발생률속도에 도달되는 시간으로서 SPR1st_peak에 도달 시간은 메타세콰이어 나무가 20 s로 가장 빠르고, 참죽나무 45 s로 가장 지연되었으나 SPR1st_peak가 메타세콰이어보다 은행나무가 높으므로 은행나무가 연기유해성이 가장 큰 것으로 예측할 수 있었다.
3.3 연소가스의 특성에 대한 평가
연소성 물질의 연소에 의해 발생되는 CO는 대표적인 유독성 가스이다. CO는 시험편과 불꽃 사이에서 생겨나는 가장 중요한 휘발성물질의 불완전한 연소물이다. 휘발성 물질의 HRR이 증가되는 것은 수반된 CO가스 발생이 높아지기 때문이다. Table 3 및 Figure 3에 보여준 시험편 5종의 CO 평균발생속도(mean CO production rate, COPmean)는 0.0015∼0.0024 g/s으로 얻어졌다. 이것은 기준물질로 사용한 PMMA (0.0007 g/s)에 비해 2.1∼3.4배로서 PMMA보다 목재가 불완전연소 물질임을 나타내었다. 호두나무의 COPmean은 0.0024 g/s로 다른 시편에 비해 비교적 높게 측정되었다. 이는 다른 시편보다 목재의 불꽃이 소멸된 후 발생된 탄화물의 열산화 반응으로 인하여 CO 발생량이 증가한 것으로 이해된다.
Figure 3
Curves of carbon monoxide (CO) production rate (g/s) for the test specimen under an external radiant heat flux of 50 kW/m2(20).
Table 3 및 Figure 4에서 CO2 평균발생속도(mean CO2 production rate, CO2Pmean)는 광염 연소 영역에서 대부분 측정 되었으며, 이는 열방출 영역과 일치하는 것을 알 수 있었다.
Figure 4
Curves of carbon dioxide (CO2) production rate (g/s) for the test specimen under an external radiant heat flux of 50 kW/m2(20).
Table 3에 나타낸 CO와 CO2의 평균발생속도에 대한 목재 시험편의 COPmean/CO2Pmean 비율은 0.0352∼0.0595로서 PMMA와 비교하여 6.3∼10.6배로 높았다. 이는 PMMA보다 목재가 불완전 연소를 하며, 비교적 CO 독성이 높은 것으로 이해된다.
3.4 화재위험성 지수 및 화재위험성 등급 평가
HRR의 초기 피크의 정점값 및 TTI는 연소성 물질의 화재위험성 특성을 갖는다(19). 또한 연기위험성도 맥락을 같이 한다(18). 따라서 앞선 연구에서는 연소성 물질의 화재위험성에 대한 예측을 하기 위해 착화시간 TTI, SPRpeak 그리고 PHRR의 3개의 중요 요소를 상호 연관지어 화재성능지수-II (fire performance index-II, FPI-II)를 정립하였다(19). 그러나 이 식들은 화재가 진행되는 동안 발생되는 치명적인 유해성 가스인 CO와 CO2가스의 발생량을 수식에 포함시키지 않고 별도로 평가함으로써 종합적인 예측이 부족하였다. 그러므로 수식에 포함시커 평가할 필요성이 매우 크므로 CO와 CO2의 평균발생속도비를 포함한 4개의 중요 요소를 상호 연관지어 FPI-VII을 정립하여 적용한 바 있다(20).
선행 연구에서는 또 다른 방법으로 연소성 물질의 TTI에 대응하여 정의한 CRT를 적용하여 식(2)와 같이 FPI-X을 발표하였다(21). CRT는 연소 대상물의 연소 시 각각 HRR1st_peak와 HRR2nd_peak 위치와의 간격을 연소저항시간으로 정의하였다. 연소성 물질은 자체의 연소 조건에 따라 연소율의 차이가 다르게 나타난다. 또한 비탄화성 물질은 고체성 물질과 다른 연소형태로 연소할 때 HRR1st_peak만 나타낸다. 그러므로 비탄화성 물질에 대하여 선행 연구에서는 가장 근접한 요소인 TTI와 HRR1st_peak 위치와의 간격을 CRT로 정하였다(20,21).
Table 4에 시험편의 FPI-X을 제시하였다. FPI-X은 연소저항시간, 연기, 열방출률 및 CO와 CO2의 평균발생속도률 비의 상호 관계로서 FPI-X 값은 메타세콰이어 나무(560.59 s2/kW) < 은행나무(599.97 s2/kW) < 피나무(860.41 s2/kW) < 호두나무(1114.88 s2/kW) < 참죽나무(2689.89 s2/kW) < PMMA (1146.75 s2/kW)의 순서로 증가하였다. 따라서 메타세콰이어 나무와 은행나무가 화재위험성이 가장 높았다. 이것은 메타세콰이어 나무와 은행나무가 침엽수로서 자체의 휘발성 유기 화합물의 함량이 높기 때문으로 이해된다. 또한 PMMA를 제외한 참죽나무는 화재위험성이 가장 낮게 평가되었다. 이는 자체의 HRR1st_peak 값이 낮고, CRT가 크기 때문이다.
Table 4
Results of Fire Risk Index-XII (FRI-XII) and Fire Risk Rating (FRR) for Wood and Plastic Specimens
이에 더하여 모든 연소성 대상물의 화재위험성을 표준화하기 위해 FPI-XI을 새로이 정립하였다(21).
Table 4에 연소성 물질의 FPI-X 값을 PMMA를 기준으로 한 FPI-XI 값을 나타내었다. FPI-XI의 값은 메타세콰이어 나무(0.49) < 은행나무(0.52) < 피나무(0.75) < 호두나무(0.97) < PMMA (1) < 참죽나무(2.35) 의 순서로 증가하였다. 이는 FPI-X의 결과와 맥을 같이한다.
또한 앞선 연구에서는 연소성 물질의 화재위험성을 평가하기 위해 SPRpeak (m2/s), PHRR (kW/m2), 그리고 SPRpeak에 다다르는 시간[Time to SPRpeak, TSPR1st_peak (s)]의 3개 중요 요소와 연관지어 FGI-II를 발표 하였다(19). 그러나 화재가 진행되는 동안 치명적인 CO와 CO2의 발생을 포함시켜 평가할 필요성이 매우 크므로 CO와 CO2의 평균발생속도비를 포함한 4개의 중요 요소와 연관지어 FGI-VII을 발표한 바 있다(20). 이 식은 앞선 연구와 견주어 더욱 정량성과 정밀도를 높이기 위해 SPRpeak (m2/s), PHRR (kW/m2), TSPRpeak (s) 그리고 COPmean/ CO2Pmean을 포함시킨 4개의 중요 요소를 선정하여 화재위험성 평가를 구현하였다.
그러나 선행 연구에서는 또 다른 방법으로 연소성 물질의 TSPR1st_peak에 대하여 앞에서 정의한 누적연기발생시간(ASGT)을 대응 요소인자로 활용하여 식(4)와 같이 FGI-X을 새로 정립하였다(21).
Table 4에 계산된 FGI-X을 제시하였다. FGI-X은 ASGT (s), SPRpeak (m2/s), PHRR (kW/m2), 그리고 COPmean/CO2Pmean의 조합으로 이루어진다. FGI-X 값에 의한 화재위험성은 PMMA (0.0003 kW/s2) < 참죽나무(0.0005 kW/s2) < 피나무(0.0009 kW/s2) < 호두나무(0.0010 kW/s2) < 은행나무(0.0016 kW/s2) ≈ 메타세콰이어 나무(0.0016 kW/s2) 의 순서로 증가하였다. PMMA를 제외한 재료 중 메타세콰이어와 은행나무는 화재위험성이 가장 높게 나타났다. 이는 각 시험편의 자체 체적밀도와 AGST가 낮고 휘발성 유기화합물을 많이 배출하기 때문으로 판단된다. 참죽나무는 가장 낮은 화재위험성을 보여 주었다. 이는 자체의 체적밀도와 AGST가 높기 때문으로 이해된다.
또한 기준시험 물질을 선택하여 모든 시험 재료의 화재위험성 평가 및 화재위험성의 표준화를 위한 방정식을 적용하였다. 앞선 연구에서 제시 되었던 FGI-VIII(20)과는 방법을 달리하여 FGI-XI을 식(5)와 같이 발표하였다(21).
Table 4에 나타낸 FGI-XI 값은 PMMA (1) < 참죽나무(1.67) < 피나무(3.00) ≈ 호두나무(3.33) < 은행나무(5.33) ≈ 메타세콰이어(5.33) 의 순서로 증가하였다.
이는 FGI-X과 FGI-XI이 근사한 경향성을 나타내었다. 즉, FPI-XI과 FGI-XI에 의해 화재위험성을 예상한 결과 참죽나무가 가장 낮은 화재위험성을 보였으며, 메타세콰이어 나무와 은행나무가 가장 위험한 물질로 예측되었다.
결과적으로 연소성 물질들은 FGI-XI이 커질수록 화재위험성은 증가하고 화재안전성은 감소함을 알 수 있었다. FGI-XI은 연소 시험에 의하여 측정된 자료를 사용해 얻은 계산 값으로, 무차원 계수로서 연소성 재료의 화재안전성을 종합적으로 평가할 수 있을 것으로 판단된다.
식(6)에 의해 FRI-XII는 FPI-XI으로 FGI-XI을 나눈 값으로 계산하였으며 화재위험성을 평가하기 위해 활용될 수 있는 최종적인 평가지수 값으로서 Table 4에 FRR을 제시하였다. 이것은 FRI-XII의 0～12 또는 그 이상의 큰 값을 2단위 간격으로 하여 각각의 연소성 물질들의 화재안전성을 7등급으로 분할한 화재위험성등급 평가 방법이다.
PMMA 시험편을 기준으로한 지수를 이용하여 계산한 FRI-XII와 그것을 바탕으로 한 FRR은 PMMA (1): 등급 A <참죽나무(0.71): 등급 A < 호두나무(3.43): 등급 B < 피나무(4.00): 등급 C < 은행나무(10.25): 등급 F ≈ 메타세콰이어 나무(10.88): 등급 F의 순서로 커졌다.
종합적으로 화재위험성을 평가한 결과 메타세콰이어 나무와 은행나무는 위험성이 매우 큰 목재임을 알 수 있었다. 이와 같이 FPI-X과 FPI-XI이 낮아지고, 또한 FGI-X과 FGI-XI이 증가함으로써 FRI-XII가 높아졌다. 이것은 화재위험성이 높아진다는 것을 제시한다. 결론적으로 FRI-XII의 값은 시험된 연소 특성 값을 가지고 계산되는 값으로서, 연소성 재료의 화재안전성을 판단하는데 종합적인 평가로 활용될 수 있다.
4. 결 론
5종의 목재에 대한 화재위험성 및 화재안전성을 평가하기 위하여 Chung’s equations-X, Chung’s equations-XI, 그리고 Chung’s equation-XII를 적용하였다. 시험편은 은행나무, 메타세콰이어 나무, 참죽나무, 피나무, 호두나무를 선정하였다. 시험편의 연소특성 시험은 콘칼로리미터(ISO 5660-1)를 사용하였으며, 최종적으로 Chung’s equation-XII인 화재위험성지수-XII (FRI-XII)를 이용하여 화재위험성과 화재위험성등급(FRR)을 예측 하였다.
1) 화재성능지수-XI (FPI-XI)은 메타세콰이어 나무(0.49) < 은행나무(0.52) < 피나무(0.75) < 호두나무(0.97) < PMMA (1) < 참죽나무(2.35)의 순서로 커졌다.
2) 화재성장지수-XI (FGI-XI)은 PMMA (1) < 참죽나무(1.67) < 피나무(3.00) ≈ 호두나무(3.33) < 은행나무(5.33) ≈ 메타세콰이어 나무(5.33)의 순서로 증가하였다.
3) 화재위험성지수-XII (FRI-XII)는 PMMA (1): 등급 A < 참죽나무(0.71): 등급 A < 호두나무(3.43): 등급 B < 피나무(4.00): 등급 C < 은행나무(10.25): 등급 F ≈ 메타세콰이어 나무(10.88): 등급 F의 순서로 커졌다.
4) 연소저항시간(CRT)은 가연성 재료의 잠재적 연소대응 시간이고, 누적연기발생시간(ASGT)은 가연성 재료의 연기발생 누적시간으로 적용하였다.
결론적으로 연소성 재료에 대한 화재성능지수-X (FPI-X) 값과 화재성능지수-XI (FPI-XI) 값이 낮아지고, 화재성장지수-X (FGI-X)과 화재성장지수-XI (FGI-XI)가 높아짐에 따라 화재위험성지수-XII (FRI-XII)가 증가한다. 즉, FRI-XII 값은 연소 특성값을 이용하여 얻어지는 것으로서, 연소성 물질들의 화재위험성 및 화재안전성을 평가 하기 위한 종합적인 평가로 활용될 수 있다.
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