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ISSN : 1225-0112(Print)
ISSN : 2288-4505(Online)
Applied Chemistry for Engineering Vol.34 No.2 pp.144-152
DOI : https://doi.org/10.14478/ace.2023.1013

Rating of Fire Risk of Combustible Materials by the New Chung’s Equation-IX

Yeong-Jin Chung†, Eui Jin*
Department of Fire Protection Engineering, Kangwon National University, Samcheok-city 25949, Korea
*Fire & Disaster Prevention Research Center, Kangwon National University, Samcheok-city 25913, Korea
† Corresponding Author: Kangwon National University, Department of Fire Protection Engineering, Samcheok-city 25949, Korea Tel: +82-33-655-9394 e-mail: yjchung@kangwon.ac.kr
February 3, 2023 ; February 21, 2023 ; February 21, 2023

Abstract


To evaluate the fire risk of combustible materials, Chung's equations VII, VIII, and IX were newly established. The fire risk index-IX (FRI-IX) and fire risk rating (FRR) were calculated. Ginkgo, dawn redwood, toona, lime, walnut, and polymethylmethacrylate (PMMA) were selected as test specimens. The combustion characteristics were evaluated using a cone calorimeter according to ISO 5660-1. After combustion, the fire performance index-VII (FPI-VII) of the specimens, varied between 15.15 and 182.53 s2/kW, as determined by Chung's equations, and the fire growth index-VII (FGI-VII) varied between 0.0023 and 0.0165 kW/s2. The fire performance index-VIII (FPI-VIII) based on PMMA varied between 0.29 and 3.45, and the fire growth index-VIII (FGI-VIII) varied between 2.88 and 20.63. The FRI-IX, which is the fire risk rating, showed dawn redwood has a very high fire risk, with FRI-IX values of 71.14 (fire risk rating: G). Therefore, wood with a large amount of volatile organic compounds and a low bulk density showed a high value of FRI-IX by lowering FPI-VII and FPI-VIII and increasing FGI-VII and FGI-VIII.


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

새로운 Chung’s equation-IX에 의한 연소성 물질의 화재 위험성 등급 평가

정 영진†, 진 의*
강원대학교 소방방재공학과
*강원대학교 소방방재연구센터

초록


연소성 물질의 화재위험성 평가를 하기 위해 Chung’s equations-VII, Chung’s equations-VIII, 그리고 Chung’s equation-IX 을 새로 정립하였다. 화재위험성지수-IX (fire risk index-IX, FRI-IX)와 화재위험성등급(fire risk rating, FRR)을 산정하였 다. 시험편은 은행나무, 메타세콰이어, 참죽나무, 피나무, 호두나무를 선택하였다. 콘칼로리미터(ISO 5660-1)를 사용하 여 시험편에 대한 연소 특성을 시험하였다. 연소 종료 후 Chung’s equations에 의해 산정된 화재성능지수-VII (fire performance index-VII, FPI-VII)는 15.15~182.53 s2/kW로 나타났고, 화재성장지수-VII (fire growth index-VII, FGI-VII)는 0.0023~0.0165 kW/s2로 나타났다. Polymethylmethacrylate (PMMA)를 기준으로 한 화재성능지수-VIII (FPI-VIII)는 0.29~3.45로 나타났고, 화재성장지수-VIII (FGI-VIII)는 2.88~20.63로 나타났다. 화재위험성 등급인 화재위험성지수-IX (FRI-IX)는 메타세콰이어가 71.14 (화재위험성등급: G)로 화재위험성이 매우 높은 목재로 나타났다. 그러므로 휘발성 유기 화합물을 다량 함유하고, 체적밀도가 낮은 목재는 FPI-VII와 FPI-VIII가 낮아지고, FGI-VII와 FGI-VIII가 높아짐에 의하여 FRI-IX가 높은 값을 나타내었다.


    1. 서 론

    연소성 물질의 화재 확산은 인명안전과 재산보호에 심각한 피해를 준다[1]. 재료에 대한 화재 위험성은 가연성 및 착화성, 열방출률, 화 염 확산, 연기의 독성 및 연기 발생을 포함한 특성 요인과 연관된다 [2-5]. 재료의 연소 특성을 시험하기 위한 시험 방법인 콘칼로리미터 는 국제 표준에 대한 최선의 선택으로 권장되었다[6]. 이 장치는 개방 된 공간에서 실제 화재 현상을 가장 근접하게 표현한 실험방법이다. 이 방법은 대부분의 유기성 재료가 연소 시 산소 1 kg이 소모될 때 약 13.1 MJ의 열이 방출되는 산소의 소비 원리를 바탕으로 하고 있다[7].

    또한 콘칼로리미터 시험을 이용한 연기측정은 Beer-bouguer-lambert 의 실험을 기본 원리로 하며 어떤 공간을 투과하는 빛의 세기가 거리 에 따라 지수 함수적으로 감소한다는 법칙에 의한다[7]. 연기는 가연 물의 연소 시 재료의 열분해로부터 발생되는 가연성 기체로서, 복사 냉각으로 인해 연소되지 않은 그을음은 불완전 연소로 불꽃 연소영역 에서 연기로 이탈되어 나간다[8]. 또한 목재는 구성하는 화학적 조성 에 따라 열방출률이 달라지고, 수분 함량 및 리그닌 함량이 열방출률 에 영향을 미치는 것으로 밝혀져 있고[9], 목재의 함유된 수분함량이 화재위험성의 중요한 변수임이 알려져 있다[10]. 이것은 화재에 취약 한 목재의 화재위험성을 수종별로 검토할 필요성이 있다.

    열 및 연기발생을 나타내는 열방출률, 총연기방출률, 연기발생률, 연기인자, 비감쇠면적 등은 연소특성으로 사용되고 있다[11-13]. 그러 나 이와 같은 특성값은 순간적인 시간 변화에 대한 단일 값으로 주어 지는 제한된 방법으로서 열 및 연기생성에 대한 정량적인 평가와 위 험성을 구현하는 방법으로는 아직 부족한 점이 많다.

    선행 연구에서는 연기위험성 평가 방법으로 Chung’s equations 1, 2, 3을 정립하였고[14], 이를 더욱 정량적이고 정밀한 방법으로 구현하기 위해 Chung’s equations-II, Chung’s equations-III, Chung’s equation-IV 에 의한 화재위험성 평가 방법을 새로 정립하였다[15].

    화재위험성은 연기성능지수(smoke performance index, SPI)와 화재 성능지수-II, -III [fire performance index-II, -III (FPI-II, FPI-III)]가 낮고 연기성장지수(smoke growth index, SGI)와 화재성장지수-II, -III [fire growth index-II, -III (FGI-II, FGI-III)]가 높을수록 높아진다. 총괄적으 로 화재위험성은 화재위험성지수-IV (fire risk index-IV, FRI-IV)가 높 을수록 높아진다. 이것은 화재초기 화재위험성을 제시하기 위한 것으 로 새로운 지수간의 관계를 확장시킴으로써 화재위험성 등급을 종합 적으로 평가하기 위한 자료로 사용하기 위함이다. 그러나 선행연구에 서는 화재 시 발생되는 대표적인 유해성 가스인 일산화탄소와 이산화탄 소를 앞에서 언급한 수식에 포함시키지 않고 별도로 평가하였다.

    따라서 본 연구에서는 화재 시 발생되는 치명적인 유해성 가스인 일산화탄소와 이산화탄소를 포함하여 평가하기 위해 Chung’s equations- VII인 화재성능지수-VII (fire performance index-VII, FPI-VII), 화재성장지수-VII (fire growth index-VII, FGI-VII)와 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)를 새로 이 정립하고, 종합적인 화재위험성지수-IX (FRI-IX) 및 화재위험성등 급(fire risk rating, FRR)을 평가하여 건축 및 화재설계 데이터의 기초 자료로 활용하고자 한다.

    이 연구에서는 건자재 및 내장재로 주로 사용되며, 사용빈도가 높 은 은행나무(Ginkgo, Ginkgo biloba), 메타세콰이어(Dawn redwood, Metasequoia), 참죽나무(Toona, Toona), 피나무(Lime, Tilia amurensis), 호두나무(Walnut, Juglans regia)를 수분함량 및 체적밀도를 차별화하 여 시험재료로 사용하였다. Polymethylmethacrylate (PMMA)를 기준 물질로 사용하여 화재위험성을 무차원지수로 평가함으로써 화재위험 성평가 방법으로 이용하였다.

    2. 실험 재료 및 방법

    2.1. 시험재료 준비

    본 연구에 사용된 시험편은 은행나무, 메타세콰이어, 참죽나무, 피 나무, 호두나무의 순수한 목재를 엠에이치테크놀로지스사 및 농가에 서 구입 하였으며 별도의 가공처리 없이 시험 표준규격에 맞추어 두 께는 10 mm로 준비하였다. 기준물질인 PMMA는 검은색으로서 Fire Testing Technology사에서 구입하여 18 mm 두께를 10 mm 크기로 절 단하여 사용하였다.

    2.2. 수분함량의 측정

    일정한 양의 목재 시험편을 건조오븐에서 온도 105 ℃를 유지하면 서 장시간 건조하였고, 4 h 간격으로 시험 재료의 중량을 항량이 될 때까지 측정하였고, 다음 식 (1)을 적용하여 수분함량(moisture content, MC)을 산정하였다[16].

    M C ( % ) = W m − W d W d × 100
    (1)

    이 식에서 Wm은 수분함량을 구하고자 하는 목재 시험편의 중량(g), Wd는 건조시킨 후의 시험편의 절대건조 중량(g)이다.

    목재의 수분함량과 체적밀도는 Table 1에 나타내었다.

    2.3. 콘칼로리미터 시험

    연소 특성치를 얻기위한 시험은 ISO 5660-1의 규격에 의하여 영국 Fire Testing Technology사의 Dual cone calorimeter 시험 장비를 사용 하였으며, 실제 화재와 근접한 화재성장기에서 발견되는 외부 복사열 유속(external radiant heat flux) 50 kW/m2 조건에서 실시하였다[7]. 시 험편 크기는 10 mm (H) 두께를 가진 재료를 100 mm (W) × 100 mm ( ± 2 0 ) (L)로 절단하여 사용 하였다. Table 2에 콘칼로리미터 시험법에 대한 실험조건을 제시하였다.

    3. 결과 및 고찰

    이 연구에서는 건축용 내⋅외장재의 화재위험성 평가 및 등급을 예 측하기 위하여 열 및 연기 특성 지수를 산정하였다. 본 연구를 위하여 PMMA에 대하여 선행연구의 데이터를 사용하였으며[17], 연소 특성 과 관련된 요소로 착화시간(time to ignition, TTI), 열방출률(heat release rate, HRR), 연기생성속도(smoke production rate, SPR), 최대연 기생성속도에 도달하는 시간(time to reach smoke production rate, TSPR) 및 일산화탄소와 이산화탄소의 발생속도 등을 분석하였으며 그에 대한 data를 Table 3에 제시하였다. 이 데이터를 사용하여 화재 성능지수-VII (FPI-VII)와 화재성장지수-VII (FGI-VII)를 평가한 후 PMMA를 기준물질로 무차원의 화재등급지수인 FPI-VIII 및 FGI-VIII 를 부여하였다. 그리고 이들 지수들을 사용하여 화재위험성지수-IX (FRI-IX)를 평가하였다.

    무차원 지수인 화재위험성지수-IX (FRI-IX)는 화재위험성을 표준화 한 종합적인 화재위험성지수이다. 콘칼로리미터 시험에서 우수한 재 현성 및 반복성을 나타내는 PMMA 시험편을 화재위험성 평가의 표준 화를 위한 기준으로 사용하였다. 화재위험성 평가 등급에 대한 데이 터는 Table 4, 5, 6, 7에 제시하였다.

    3.1. 열적 특성 평가

    화재 대상물에 대한 연소 시의 착화시간은 건자재의 연소성을 예측 하는데 매우 중요한 성질이며 착화시간이 늦어질수록 재료는 가연성 이 억제된다. 가연성 재료가 연소될 때 재료의 종류, 수분함량, 열 침 투성, 열적특성 및 밀도 등은 가스독성, 연기생성, 에너지 방출속도에 영향을 미친다. 휘발성 연료는 공기가 적절한 화학양론 농도로 혼합 되면 열분해 가스의 산화로 인해 불꽃 연소가 발생한다.

    Table 3에 보여준 바와 같이 착화시간은 메타세콰이어 5 s, 피나무 9 s, 은행나무 13 s, 호두나무 15 s, 참죽나무 19 s로 나타났다. 메타세 콰이어가 가장 빠른 착화시간을 나타내었으며 참죽나무가 가장 긴 착 화시간을 나타내었다. 참죽나무는 다른 종에 비해 체적밀도(598 kg/m3)가 커서 착화시간이 지연되는 것으로 나타났다. 호두나무와 비 교했을 때 체적밀도는 유사하나 수분함량이 높아 착화시간이 지연되 는 것으로 판단된다. 메타세콰이어의 경우 약간 높은 수분함량을 가 졌지만 다량의 휘발성 유기 화합물의 함량과[18], 가장 낮은 체적밀도 (303 kg/m3) 때문에 착화시간이 단축된 것으로 판단된다.

    목재의 착화시간은 목재의 표면에 대한 열손실 유무에 따른 상수, 체적밀도, 열전도도, 연료의 비열 및 착화온도의 제곱에 비례하고, 시 험편에 가해지는 열유속(heat flux)의 제곱에 반비례한다[19]. 그러므 로 체적밀도가 증가하면 착화시간이 늦어지는 것으로 예측된다.

    최대열방출률은 가장 중요한 화재특성이며 화재의 강도에 표현이 며 화재 위험에 대한 여러 분석에 의해 알려졌다[20-22]. 열방출률이 커질수록 더 많은 대상 물질이 발화하여 연소되므로 화재 규모를 확 장시킨다. 반면에 열방출률이 낮으면 근접한 대상 물질에 착화되지 않고 발화영역에 국한될 수 있다. 화재발생 시 열방출률이 낮은 가연 성 재료는 화재확산이 지연되는 효과를 기대할 수 있다[23]. 시험편의 최대열방출률(peak heat release rate, HRRpeak)은 시험편의 표면적당 순간 최고로 방출되는 열량의 크기로 표현된다[24,25]. 이는 대상 재 료가 가장 많이 연소되는 시점이므로 열방출 속도가 높은 화염연소는 화재범위를 확장시킨다.

    Figure 1은 시험에 대한 열방출률 곡선을 나타내었다. 탄화물질을 생성하는 목재 시험편은 최대열방출률 값이 2개를 가지고 있는 것으 로 나타났다. 열방출률 곡선의 제1차 피크인 HRR1st_peak는 휘발성의 열분해 가스가 외부 스파크 착화기에 의해 가열 기간 후에 발생한다. 발생된 열은 목재 시험편의 지속적인 열분해가 이어지며 더 많은 휘 발성 물질을 방출하게 된다. 그리고 HRR1st_peak의 감소는 열전달이 용 이하지 않고 열분해 과정이 지연되는 절연 숯층이 형성되어지기 때문 이다. 또한 제2차 열방출률 곡선의 피크인 HRR2nd_peak는 시험편의 연 소 및 탄화 균열로 인해 더 많은 휘발성 물질이 시험편으로부터 용이 하게 방출될 수 있기 때문에 나타난다[26]. 이것은 시험편 뒷면 절연 층의 후면효과(back effect)에 의하여 열이 축적됨으로써 많은 열이 동 시에 방출되기 때문에 일어난다[10]. 이후 휘발성 물질이 고갈됨에 따 라 화염 연소가 종료되고 열방출률이 안정된 기준선으로 되돌아간다. HRR2nd_peak는 극한 연소 상황으로 화재 성장을 위한 척도로서 인식된다.

    Table 3와 Figure 1에 연소 특성과 목재의 열방출 곡선을 나타내었 다. 목재의 HRR1st_peak 특성은 참죽나무 201.17 kW/m2, 메타세콰이어 208.51 kW/m2, 은행나무 219.87 kW/m2, 호두나무 232.98 kW/m2, 피 나무 244.63 kW/m2 순으로 증가하였다. 이들 중 피나무가 가장 높게 나타났으며 참죽나무에 비하여 1.2배 높았다. HRR2nd_peak는 메타세콰 이어 210.85 kW/m2, 호두나무 264.84 kW/m2, 참죽나무 275.65 kW/m2, 은행나무 322.28 kW/m2, 피나무 328.75 kW/m2으로 증가하였 다. HRR2nd_peak는 피나무가 가장 높았으며 메타세콰이어와 비교하여 1.6배 높았다.

    초기 화재의 열위험성은 HRR1st_peak 영역에서는 피나무가 가장 높 았으며 참죽나무가 가장 낮았다. 그러나 화재 초기에 최대열방출률에 도달하는 시간은 메타세콰이어의 HRR1st_peak의 도달시간이 20 s, 피나 무 25 s, 은행나무 30 s, 참죽나무 35 s, 호두나무 40 s 순으로 지연된 다. 그러나 피나무가 메타세콰이어보다 HRR1st_peak 값이 크므로 초기 에 화재의 열위험성이 가장 큰 것으로 판단된다. 열방출률의 감소는 연소 물질의 질량이 감소됨에 따라 가연성 기체의 발생량이 감소하기 때문이다. 침엽수는 열분해 과정에서 주로 저농도의 아세트산 및 헥 산알(10~25%)을 방출하고, 휘발성 유기 화합물인 테르펜(70~90%)을 고농도로 방출한다. 그러나 활엽수는 휘발성 테르펜은 포함하지 않으 며, 침엽수의 약 50배 정도의 상당히 낮은 휘발성 유기화합물을 배출 하며 펜탄알 및 헥산알, 아세트산 및 기타 휘발성 유기 화합물을 포함 한다[18]. 이러한 방출되는 구성성분의 차이로 활엽수종이 침엽수종 에 비하여 화재에 잘 견디며 참죽나무의 HRR1st_peak 값이 작은 이유는 수분함량과 체적밀도가 높아 연소속도가 늦어지므로 작은 값을 갖는 것으로 판단된다.

    또한 피나무는 Table 3에 나타낸 바와 같이 낮은 수분함량과 낮은 체적밀도로 연소 속도가 빨라지므로 초기화재에 취약한 것으로 판단 된다.

    3.2. 연기생성속도 특성 평가

    목재의 화재에 의한 사망 원인은 탄소의 불완전 연소, 셀룰로오스 의 열분해, 질소 산화물을 통한 일산화탄소 발생, 수소 기반 화학 물 질 발생으로 알려져 있다. 화재에서 연기와 유독 가스에 의한 피해는 열에 대한 피해보다 인명에 더 치명적이다. 화재 시에 연기는 사람들 의 탈출 및 피난을 방해하여 질식 확률을 높이고 사람의 시야 확보가 어려워진다. 연기의 발생은 연소대상 물질과 주변 환경에 의하여 영 향을 받는다.

    Table 3과 Figure 2에 나타난 바와 같이 SPR1st_peak는 짧은 시간에 급격히 최대값에 도달되는 것을 보여준다. 이 기간 동안 연기는 가스 및 분해된 헤미셀룰로오스에서 발생된 휘발성 목재 추출물, 에어로졸, 수증기로 구성된다. SPR1st_peak는 참죽나무 0.0147 m2/s, 호두나무 0.0201 m2/s, 피나무 0.0212 m2/s, 메타세콰이어 0.0266 m2/s, 은행나무 0.0279 m2/s 순으로 증가하였다. 은행나무는 참죽나무에 비하여 1.9배 높은 것으로 나타났다. 참죽나무는 수분함량이 높고 체적밀도가 높아 연소 속도가 늦어지므로 초기화재 시험편의 순간 연기생성속도가 낮 아지는 것으로 판단된다.

    SPR2nd_peak는 호두나무 0.0391 m2/s, 메타세콰이어 0.0448 m2/s, 피 나무 0.0527 m2/s, 참죽나무 0.0535 m2/s, 은행나무 0.0682 m2/s 순서로 증가하였다. 은행나무는 호두나무에 비하여 1.7배 높았다. 연소에 의 해 시험편에 생성된 숯은 화재 시 열 침투성을 감소시키며, 열에 노출 된 목재 표면과 열분해 전단 사이에는 열적 저항이 상승된다. 이는 연 소 대상물에서 방출되는 휘발성 물질과 산소와의 화학반응을 방해한 다. 그러므로 최대연기생성속도가 감소되거나 또는 최대연기생성속도 에 도달되는 시간을 지연시키는 결과를 낳는다. 초기화재의 연기유해 성을 평가하면 SPR1st_peak 영역에서는 은행나무가 가장 큰 유해성을 보였으며 참죽나무가 가장 낮은 유해성을 보였다.

    Figure 2에 보여준 바와 같이 최대연기생성속도에 도달하는 시간은 탄화성 시험편에 대하여 두 단계로 나타났다. 첫 번째 최대연기생성 속도(the first peak smoke release rate, SPR1st_peak)는 20~45 s에서 나타 났으며, 두 번째 최대연기생성속도(the second peak smoke release rate, SPR2nd_peak)는 210~335 s에서 나타났다. SPR1st_peak은 휘발성 열분 해 가스에 기인하며 SPR2nd_peak는 목재의 열분해 과정에서 목재 표면 이 연소가 지속될수록 열이 축적됨에 따라 타지 않고 남아있는 목재 가 연소하고 생성된 숯의 재연소로 인한 균열이 증가함에 따라 휘발 성 연소가스가 갑자기 방출되는 결과에 기인한다. 이러한 최대연기생 성속도에 도달하는 시간은 재료의 수분함량, 휘발성 유기물질의 함량, 그리고 체적밀도와 상관관계가 있으나, 수분함량의 차이에서는 피나 무를 제외하고 큰 차이가 없으므로, 휘발성 유기 화합물의 함량이 높 고, 체적밀도가 감소함에 따라 최대연기생성속도에 도달하는 시간이 빠른 것을 보여준다. 초기 최대연기생성속도에 도달하는 시간으로서 SPR1st_peak에 도달하는 시간은 메타세콰이어 20 s, 은행나무 30 s, 피나 무 35 s, 호두나무 40 s, 참죽나무 45 s 순으로 지연되었으나 최대연기 생성속도가 메타세콰이어보다 은행나무가 높으므로 초기화재의 연기 유해성이 가장 큰 것으로 예상된다. 그러므로 초기화재의 연기유해성 은 SPR1st_peak 영역에서 은행나무가 가장 높은 유해성을 보였으며 참 죽나무가 가장 낮은 유해성을 보였다. 침엽수 종이 활엽수 종보다 최 대연기생성속도 도달 시간이 빠른 경향성이 관찰되었으며 이것은 목 재 자체에 휘발성 유기 화합물을 다량 함유하고 있기 때문으로 판단 된다[18].

    3.3. 연소 가스 특성 평가

    일반적으로 화재의 연소 현상과 독성 가스는 재료의 조성, 수분, 온 도 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 발 생되는 가장 중요한 휘발성물질의 불완전연소 생성물이다. 휘발성 물 질의 열방출속도가 높아지는 것은 동반된 CO가스 생성이 증가하는 것으로 이해된다. Table 3 및 Figure 3에 나타낸 시험편 5종의 COPmean 은 0.0015~0.0024 g/s으로 나타났다. 이는 기준물질인 PMMA (0.0007 g/s)에 비하여 2.1~3.4배로서 목재가 PMMA보다 불완전연소 물질임 을 보였다. 이들 중 호두나무의 COPmean은 0.0024 g/s로 비교적 높게 측정되었다. 이것은 다른 시편에 비해 목재의 COPmean이 불이 꺼진 후 생성된 숯의 열산화로 인한 CO 발생량이 증가되는 것으로 판단된다.

    Table 3 및 Figure 4에 나타낸 바와 같이 CO2Pmean은 모든 시험편에 대하여 0.0269〜0.0482 g/s였다. 이는 기준물질인 PMMA의 CO2Pmean (0.1243 g/s)에 비하여 2.6~4.6배 낮았다. 모든 시편이 연소 후보다 연 소 시 열방 영방출률 영역에서 CO2가 생성되었으며 이는 불꽃 연소 영역에서 완전연소가 이루어진다는 것을 의미한다.

    Table 3의 CO와 CO2의 평균발생속도에 대한 목재 시험편의 COPmean/CO2Pmean 비율은 0.0352~0.0595로서 PMMA와 비교하여 6.3~10.6배로 높았다. 이는 목재가 PMMA보다 불완전 연소하여 비교 적 CO 독성도가 높은 것으로 예측된다.

    3.4. 종합적인 화재위험성 등급 평가 및 예측

    착화시간 및 열방출률의 초기 피크의 최대값은 가연성 물질의 화재 위험성을 특성화한다[15]. 또한 연기위험성 같은 경향으로 이해된다. 따라서 선행 연구에서는 가연물의 화재안전성을 예측하기 위하여 화 재성능지수-II (FPI-II)를 정립하여 발표하였다[16]. 이 방법은 화재성 능지수-II (FPI-II)를 평가하기 위하여 착화시간, 최대연기생성속도 그 리고 최대열방출률 의 3개의 변수를 고려하여 화재위험성을 잘 표현 해 준다. 그러나 화재 시 발생되는 유해성 가스 중 가장 치명적인 일 산화탄소와 이산화탄소의 발생을 포함하여 평가하지 못하므로 이를 개선해야할 필요성이 있다. 따라서 본 연구에서는 일산화탄소와 이산 화탄소의 평균발생속도비를 포함한 화재성능지수-VII (FPI-VII) 식 (2)를 새로 정립하여 적용하였다.

    식 (2)에서 FPI-VII는 TTI (s)를 SPRpeak (m2/s), PHRR (kW/m2), 그 리고 COPmean (g/s)/CO2Pmean (g/s)로 나눈 값으로 정의된다.

    Table 4에 재료의 FPI-VII 값을 나타내었다. FPI-VII 값은 착화시간, 열, 연기 및 일산화탄소와 이산화탄소의 평균발생속도비 조합으로서 참죽나무가 가장 높은 값으로 나타났다. 이는 모든 재료 중 TTI가 많 이 늦어지고 SPR1st_peak, PHRR 값, 그리고 COPmean/CO2Pmean이 가장 낮 기 때문으로 판단된다. 메타세콰이어가 화재위험성이 가장 높게 나타 났다. 이는 전술한 바와 같이 휘발성 유기 화합물의 함량이 높고, 체 적밀도 값이 낮아 TTI가 빠르고, SPR1st_peak 값과 COPmean/CO2Pmea이 높기 때문으로 이해된다. FPI-VII 값에 의한 화재안전성은 메타세콰이 어(15.15 s2/kW) < 은행나무(38.05 s2/kW) < 피나무(39.71 s2/kW) < PMMA(52.97) < 호두나무(64.06 s2/kW) < 참죽나무(182.53 s2/kW)의 순서로 증가하였다.

    F P I − V I I = T T I ( s ) S P R p e a k ( m 2 / s ) ⋅ P H R R ( k W / m 2 ) ⋅ C O P m e a n ( g / s ) / C O 2 P m e a n ( g / s )
    (2)

    또한 모든 재료의 화재위험성을 표준화하기 위하여 PMMA 시험편 을 기준한 새로운 방정식을 적용하였다. 표준화 한 FPI-VIII는 다음의 식 (3)과 같다. FPI-VIII는 FPI-VII를 PMMA 기준값인 FPI-VII[PMMA] 으로 나눈 값으로 표현된다. 이 방정식은 최대연기생성속도와 최대열 방출률의 값은 화재 초기의 중요성 때문에 SPR1st_peak와 HRR1st_peak 값 을 선택하여 적용하였다. 최대값을 사용한 것은 실제 화재와 가장 근 접한 실험 조건인 외부 복사 열유속 50 kW/m2에서 화재위험성을 평 가하기 위함이다. 가연성 재료의 화재 확대와 플래시오버의 시간은 상호 상관관계가 있으므로[27], 화재 확산이 증가할수록 화재안정성 이 감소하는 것처럼[28] 연기안전성도 감소하는 것으로 예상된다. 여 기에서 FPI-VIII가 증가할수록 화재위험성은 낮아진다.

    FPI-VIII를 구하는 무차원 지수의 표현인 식은 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 참죽나무가 가장 높은 값으로 나타났다. 이는 모든 재 료 중 TTI가 많이 지연되고 SPR1st_peak, PHRR 값, 그리고 COPmean/ CO2Pmean이 가장 낮기 때문으로 판단된다. 메타세콰이어가 화재위험 성이 가장 높게 나타났다. 이것은 전술한 바와 같이 휘발성 유기 화합 물의 높은 함량과, 체적밀도가 낮아 TTI가 빠르고, SPR1st_peak 값과 COPmean/CO2Pmean 값이 높기 때문으로 이해된다. FPI-VIII 값에 의한 화재안전성은 메타세콰이어(0.29) < 은행나무(0.72) < 피나무(0.75) < PMMA(1) < 호두나무(1.22) < 참죽나무(3.45)의 순서로 증가하였다.

    또한 앞선 연구에서 가연물 대상물의 화재위험성을 예측할 수 있는 화재성장지수-II (FGI-II)를 보고한 바 있다[16]. 이 방법은 연기 특성 과 열특성을 포함한 식으로 화재위험성을 잘 표현해준다. 그러나 화 재 시 발생되는 유해성 가스 중 가장 치명적인 일산화탄소와 이산화 탄소를 포함하지는 못한다. 따라서 이를 개선해야할 필요성이 있다. 따라서 본 연구에서는 일산화탄소와 이산화탄소의 발생비를 포함한 화재성장지수-VII (FGI-VII) 식 (4)를 새로 정립하여 적용하였다. 여기 에서 FGI-VII는 SPRpeak (m2/s), PHRR (kW/m2), 그리고 COPmean (g/s)/ CO2Pmean (g/s)를 Time to SPRpeak로 나눈 값으로 정의된다. 본 연구에 서 연기생성속도의 값은 초기 화재의 중요성을 고려하여 제1의 최대연 기생성속도(SPR1st_peak) 값을 채택하였다. 특히, 액체성 플라스틱을 포 함한 가연물은 연소과정 중 제1의 최대연기생성속도(SPR1st_peak)를 적 용하고자 한다.

    이 식은 더욱 정밀하고 정량도를 높이기 위하여 최대연기생성속도, 최대연기생성속도에 도달하는 시간, 최대열방출률 그리고 일산화탄소 와 이산화탄소의 평균발생속도비를 포함한 4개의 변수를 고려하여 화 재위험성 평가를 구현하였다.

    Table 5에 재료의 FGI-VII 값을 나타내었다. FGI-VII는 열, 연기, 일 산화탄소와 이산화탄소의 발생비 및 최대연기생성속도에 도달하는 시간을 고려한 값으로 메타세콰이어가 가장 높게 나타났다. 이것은 SPR1st_peak과 COPmean/CO2Pmean 값이 높고 최대연기생성속도에 도달하 는 시간이 빠르기 때문으로 판단된다. FGI-VII에 의한 화재위험성은 PMMA (0.0008 kW/s2) < 참죽나무(0.0023 kW/s2) < 호두나무(0.0059 kW/s2) < 피나무(0.0065 kW/s2) < 은행나무(0.0114 kW/s2) < 메타세콰 이어(0.0165 kW/s2)의 순서로 증가하였다. 화재위험성 평가 지수인 FPI-VII 값과 FGI-VII 값을 이용하여 화재위험성을 평가한 결과 기준 시험 물질인 PMMA를 제외하고 메타세콰이어가 가장 위험하며 참죽 나무가 가장 위험성이 낮은 물질로 나타났다. 메타세콰이어는 FPI-VII 에서 설명한 바와 유사한 경향성을 나타내고, 참죽나무는 자체의 수 분함량과 체적밀도가 높아 연소속도가 지연되므로 화재위험성이 낮 아지는 것으로 판단된다. 기준 물질로 사용된 열가소성 물질인 PMMA의 FPI-VII 값은 52.97 s2/kW로 4개의 변수 중 HRR1st_peak 값이 완전연소 됨에 따라 다른 시험편에 비해 가장 높게 나타났으며, FGI-VII 값은 0.0008 kW/s2로 4개의 변수 중 최대연기생성속도에 도 달하는 시간이 385 s로 가장 큰 영향을 미친 것으로 판단된다.

    또한 모든 시험 재료의 화재위험성을 평가하기 위한 방법으로서 화 재위험성을 표준화하기 위하여 기준시험 물질에 의한 방정식을 적용 하였다. 이와 더불어 선행연구에서 제시된 화재성장지수-III (FGI-III) 를 개선하기 위하여 화재성장지수-VIII (FGI-VIII)를 새로 정립하여 적용하였다. 여기에서 FGI-VIII는 FGI-VII를 FGI-VII[PMMA]의 표준 값 (PMMA 시험편 기준)으로 나눈 값으로 정의된다. 목재의 화재 확대와 플래시오버의 시간과 상관성이 있으므로[27], 화재 확대가 증가할수 록 연기안정성이 감소하는 것으로 이해된다[28]. 따라서 FGI-VIII값이 커질수록 화재위험성이 커지는 것으로 예측된다.

    F P I − V I I I = T T I ( s ) S P R p e a k ( m 2 / s ) ⋅ P H R R ( k W / m 2 ) ⋅ C O P m e a n ( g / s ) / C O 2 P m e a n ( g / s ) [ T T I ( s ) S P R p e a k ( m 2 / s ) ⋅ P H R R ( k W / m 2 ) ⋅ C O P ( g / s ) / C O 2 P m e a n ( g / s ) ] P M M A
    (3)

    F G I − V I I = S P R p e a k ( m 2 / s ) ⋅ P H R R ( k W / m 2 ) ⋅ C O P m e a n ( g / s ) / C O 2 P m e a n ( g / s ) T i m e   t o   S P R p e a k ( s )
    (4)

    F G I − V I I I = S P R p e a k ( m 2 / s ) ⋅ P H R R ( k W / m 2 ) ⋅ C O P m e a n ( g / s ) / C O 2 P m e a n ( g / s ) T i m e   t o   S P R p e a k ( S ) [ S P R p e a k ( m 2 / s ) ⋅ P H R R ( k W / m 2 ) ⋅ C O P m e a n ( g / s ) / C O 2 P m e a n ( g / s ) T i m e   t o   S P R p e a k ( S ) ] P M M A
    (5)

    F i r e   R i s k   ∝   F G I − V I I I F P I − V I I I   or   F G I − V I I F P I − V I I   or   F G I − I I I F P I − I I I   or   F G I − I I F P I − I I   or   S G I S P I
    (6)

    FGI-VIII를 구하는 무차원 지수의 표현인 식은 식 (5)와 같다. 이 방 정식은 무차원 지수로서 화재 초기의 중요성 때문에 최대연기생성속 도(SPR1st_peak)와 최대열방출률(HRR1st_peak)값을 선택하여 적용하였다. FGI-VIII가 증가할수록 화재위험성은 높아짐을 의미한다.

    Table 5에 의하면 FGI-VIII는 메타세콰이어가 가장 높게 나타났다. 이것은 SPR1st_peak과 COPmean/CO2Pmean 값이 높고 최대연기생성속도에 도달하는 시간이 빠르기 때문으로 판단된다.

    PMMA의 기준물질에 의한 FGI-VIII 값은 PMMA(1) < 참죽나무 (2.88) < 호두나무(7.38) < 피나무(8.13) < 은행나무(14.25) < 메타세콰 이어(20.63)의 순서로 증가하였다. 이것은 다른 요소의 일부 영향도 있지만 FPI-VII, FPI-VIII과 유사한 경향성을 보였다. 즉, FPI-VIII와 FGI-VIII 값에 의하여 화재위험성을 평가한 결과 참죽나무가 화재위 험성이 가장 낮은 물질이었으며 메타세콰이어가 가장 위험한 물질로 예상된다.

    따라서 결과적으로 목재 및 플라스틱을 포함한 가연물은 FGI-VIII 의 값이 커질수록 화재위험성은 높아지고, 화재안전성은 낮아짐을 알 수 있었다. FPI-VIII와 FGI-VIII는 시험에 의해 측정된 데이터를 활용 해 계산하여 얻어지는 값으로, 콘칼로리미터 실험에서 가연성 재료의 화재안전성을 파악하는데 종합적인 평가로 적용될 수 있다. 이것은 화재위험성을 표현하는 식 (6)과 같으며 화재위험성을 평가하는 종합 적인 화재위험성 수식과 일치한다.

    따라서 화재위험성 등급을 평가하기 위하여 새로운 FPI-VII, FGI-VII, FPI-VIII, FGI-VIII을 정립하였으며 선행연구에 의해 개발된 화재위험성지수-IV (FRI-IV)를 개선하여 FRI-IX를 새로 정립하여 적 용하였다. 화재위험성지수-IX (fire risk index-IX, FRI-IX)는 FGI-VIII 를 FPI-VIII으로 나눈 값으로 정의되며 이는 화재가 확산될수록 화재 안정성이 감소하는 것과 같다[27]. 즉, FRI-IX 값이 커질수록 화재위 험성이 증가하고 반대로 FRI-IX값이 작아질수록 화재위험성이 감소 하는 것으로서, 화재위험성 및 화재위험성등급을 종합적으로 예측할 수 있는 것으로 판단된다.

    FRI-IX를 구하는 식 (7)은 다음과 같다.

    F R I − I X = F G I − V I I I F P I − V I I I
    (7)

    또한 화재위험성평가에서 사용될 수 있는 최종적인 수치로서 정밀 하고 합리적인 방법으로 화재위험성을 관리하기 위하여 화재위험성 지수-IX (FRI-IX)의 결과를 바탕으로 화재위험성등급을 Table 6와 같 이 제시하였다. 즉, 화재위험셩지수-IX (FRI-IX)의 0~30 초과 값을 5 단위 간격으로 각각의 가연성 재료들의 연소특성을 고려한 7등급으로 분류하였으며, 화재안전성을 기준으로 매우 높음: A, 높음: B, 중간 1: C, 중간 2: D, 낮음 1: E, 낮음 2: F, 매우 낮음: G로 정하였다. 즉, 등 급 A는 건자재의 화재안전성을 상당한 정도로 담보할 수 있는 보수적 인 수준이며, 최하위 등급인 G의 경우 건자재로서의 화재안전을 담보 할 수 없는 최저 수준임을 제시하였다. 따라서 대부분의 가연성 물질 들은 Table 6의 기준에 부합할 것으로 이해된다.

    Table 7에 보여준 바와 같이 화재위험성지수인 FRI-IX에 의한 화재 위험성은 메타세콰이어가 가장 높은 것으로 나타났다. PMMA 시험편 을 기준물질로 한 값을 이용하여 구한 FRI-IX는 참죽나무(0.83): 등급 A < PMMA(1): 등급 A < 호두나무(6.05): 등급 B < 피나무(10.84): 등급 C < 은행나무(19.79): 등급 D < 메타세콰이어(71.14): 등급 G의 순서로 증가하였다. 화재위험성을 종합적으로 평가한 결과 메타세콰 이어는 위험성이 매우 높은 목재임을 예상할 수 있었다.

    결론적으로 휘발성 유기물질을 다량 함유하고 수분함량 또는 체적 밀도가 낮은 물질은 FPI-VII 값과 FPI-VIII 값이 낮고, 또한 FGI-VII 값과 FGI-VIII 값이 증가함에 따라 FRI-IX의 값이 높아진다. 이것은 화재위험성이 높아짐을 의미한다. FRI-IX 값은 시험된 연소 특성값을 사용하여 얻어지는 값으로서, 가연성 재료의 화재안전성을 판단하는 데 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- IX를 새로 정립하여 적용하였다. 시험편은 건자재인 은행나무, 메타세콰이어, 참죽나무, 피나무, 호두나무를 선택하였고, ISO 5660-1의 규격에 의해 콘칼로리미터(cone calorimeter) 시험법으로 시험하였다. 종합적으로 Chung’s equation-IX인 FRI-IX에 의하여 화재위험성 및 화재위험성등급(FRR)을 평가하였다. i) 화재성능지수-VIII (FPI-VIII) 에 의한 화재안전성은 메타세콰이어(0.29) < 은행나무(0.72) < 피나무 (0.75) < PMMA(1) < 호두나무(1.22) < 참죽나무(3.45)의 순으로 증가 하였다. 휘발성 유기 화합물의 함량이 높고, 체적밀도가 낮은 재료가 높은 재료보다 화재위험성이 높은 것으로 나타났다. ii) 화재성장지수 -VIII (FGI-VIII)에 의한 화재위험성은 PMMA(1) < 참죽나무(2.88) < 호두나무(7.38) < 피나무(8.13) < 은행나무(14.25) < 메타세콰이어 (20.63)의 순으로 증가하였다. 휘발성 유기 화합물의 함량이 높고, 수 분함량과 체적밀도가 낮으면 화재성장지수가 높았다. iii) 화재위험성 및 화재위험성등급을 평가하기 위하여 다음과 같은 화재위험성지수 -IX식으로 정립하여 평가하였다.

    iv) 화재위험성지수-IX인 FRI-IX에 의한 화재위험성 등급은 참죽나무 (0.83): 등급 A < PMMA(1): 등급 A < 호두나무(6.05): 등급 B < 피나 무(10.84): 등급 C < 은행나무(19.79): 등급 D < 메타세콰이어(71.14): 등급 G의 순서로 증가하였다. 화재위험성을 종합적으로 평가한 결과 메타세콰이어는 위험성이 매우 높은 목재임을 알 수 있었다. 그러므 로 휘발성 유기 화합물을 다량 함유하고 체적밀도가 낮은 목재는 FPI-VII와 FPI-VIII가 낮아지고, FGI-VII와 FGI-VIII가 높아짐에 의하 여 FRI-IX가 높은 값을 나타내었다.

    Figures

    ACE-34-2-144_F1.gif
    Heat release rate curves of the test specimen under 50 kW/m2 external radiant heat flux.
    ACE-34-2-144_F2.gif
    Smoke production rate curves of the specimen under 50 kW/m2 external radiant heat flux.
    ACE-34-2-144_F3.gif
    CO production rate (g/s) curves of the test specimen under 50 kW/m2 external radiant heat flux.
    ACE-34-2-144_F4.gif
    CO2 production rate (g/s) curves of the test specimen under 50 kW/m2 external radiant heat flux.

    Tables

    The Moisture Content and Bulk Density of Each Specimen
    Experimental Conditions for Cone Calorimeter Test Method
    Combustion Characteristics of the Test Specimen under 50 kW/m2 External Radiant Heat Flux
    Fire Perfomance Index-VIII (FPI-VIII) of Wood Specimens and Plastic at 50 kW/m2 External Radiant Heat Flux
    Fire Growth Index-VIII (FGI-VIII) of Wood Specimens and Plastic at 50 kW/m2 External Radiant Heat Flux
    Fire Risk Rating for Fire Risk Index-IX of Test Specimens at 50 kW/m2 External Radiant Heat Flux
    Fire Risk Index-IX (FRI-IX) and Fire Risk Rating (FRR) of Wood Specimens and Plastics at 50 kW/m2 External Radiant Heat Flux

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