KR102537933B1 - Method for evaluating smoke risk and smoke risk rating for combustible substances from fire - Google Patents

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Abstract

본 발명은 가연성 물질의 화재 시 연소가스 발생에 의한 연기 위험성등급을 평가하는 방법으로서, 건자재 및 내구재로 사용되는 2종의 목재 및 2종의 유기고분자 시험편의 연소가스와 유해가스의 발생에 관한 시험을 통하여, 시험편에서 발생되는 연소가스의 연기 위험성 등급을 무차원 지수인 연기성능지수-V (smoke performance index-V, SPI-V) 및 연기성장지수-V (smoke growth index-V, SGI-V)의 등급 평가지수에 의하여 평가하는 방법과 연기성능지수-V 및 연기성장지수-V 두 값의 상관관계를 표현하는 연기위험성지수-VI (smoke risk index-VI, SRI-VI)을 이용한 연기위험성에 대한 종합적인 평가 방법에 관한 것이다.The present invention is a method for evaluating the smoke hazard grade due to the generation of combustion gases in the event of a fire of combustible materials, and tests on the generation of combustion gases and harmful gases of two types of wood and two types of organic polymer test pieces used as construction materials and durable materials Through this, the smoke hazard grade of the combustion gas generated from the test piece is dimensionless, smoke performance index-V (smoke performance index-V, SPI-V) and smoke growth index-V (smoke growth index-V, SGI-V) ) and smoke risk using the smoke risk index-VI (Smoke risk index-VI, SRI-VI) expressing the correlation between the two values of smoke performance index-V and smoke growth index-V It is about a comprehensive evaluation method for

Description

화재로부터 연소성 물질에 대한 연기위험성 및 연기위험성 등급 평가 방법{Method for evaluating smoke risk and smoke risk rating for combustible substances from fire}{Method for evaluating smoke risk and smoke risk rating for combustible substances from fire}

본 발명은 목재 및 연소성 물질의 화재 시 연기 위험성 등급을 평가하는 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 가문비나무, 나왕, 폴리메타크릴산메틸(polymethylmethacrylate, PMMA), 폴리카보네이트(polycarbonate, PC)의 연소가스 발생에 관한 시험을 통하여, 시험편에서 발생되는 연소가스의 연기 위험성 등급을 무차원 지수인 연기성능지수-V (smoke performance index-V, SPI-V) 및 연기성장지수-V (smoke growth index-V, SGI-V)의 평가지수에 의하여 평가하는 방법에 관한 것이다. 또한 종합적인 연기위험성을 연기성능지수-V와 연기성장지수-V와의 상관관계를 이용한 지수인 연기위험성지수-VI (smoke risk index-VI, SRI-VI)를 이용하여 연기위험성 및 연기위험성 등급을 종합적으로 평가하는 방법에 관한 것이다.The present invention relates to a method for evaluating smoke hazard ratings in fires of wood and combustible materials, and more particularly, to the combustion of spruce, lawang, polymethylmethacrylate (PMMA), and polycarbonate (PC). Through the gas generation test, the smoke hazard grade of the combustion gas generated from the test piece is classified into the dimensionless index Smoke Performance Index-V (Smoke Performance Index-V, SPI-V) and Smoke Growth Index-V (smoke growth index-V). V, SGI-V) relates to a method of evaluation by the evaluation index. In addition, smoke risk and smoke risk grade are determined by using the smoke risk index-VI (smoke risk index-VI, SRI-VI), which is an index that uses the correlation between the smoke performance index-V and the smoke growth index-V for comprehensive smoke risk. It is about a comprehensive evaluation method.

목재 및 유기 고분자 물질을 포함한 가연성 물질은 연소 시 발생되는 연기와 연소가스에 의해 많은 피해가 발생한다. 따라서 이들의 가연성에 대한 문제점을 보완하기 위해 국내ㆍ외적으로 화재성능을 기반으로 한 법규 등을 제정·시행하고 있으며, 목재 및 가연성 물질의 연소 속도를 예측하기 위한 연구들이 지속적으로 활발히 진행되고 있다.Combustible materials, including wood and organic polymeric materials, cause a lot of damage due to smoke and combustion gases generated during combustion. Therefore, in order to compensate for the problem of their flammability, laws and regulations based on fire performance are enacted and enforced domestically and internationally, and studies to predict the combustion rate of wood and combustible materials are continuously and actively conducted.

일반적으로 물질이 쉽게 발화하고 화염으로 빠르게 타는 경향을 나타내는 가연성은 화재 위험의 한 지표이다. 연소 중 물질의 거동은 많은 화학적 및 물리적 현상을 포함하기 때문에 다소 복잡하다. 더욱이, 재료는 대부분 여러 구성 요소로 구성되며 각 구성 요소(고분자, 강화 유기 또는 무기 섬유, 유기 또는 무기질, 불활성 또는 반응성 난연제, 기타 다양한 첨가제 등)는 열 분해되는 자체 속도가 다르다. 그러므로 열분해 속도는 주로 재료 자체의 열 안정성에 따라 달라진다. 따라서 다양한 가연성 재료의 연소성과 화재위험성 규명에 관하여 집중적인 연구의 필요성 판단되어 목재 및 플라스틱 재료 중 일부분을 대상으로 화재위험 특성을 평가하고자 한다.In general, flammability, which refers to the tendency of a material to ignite easily and burn rapidly into a flame, is an indicator of fire hazard. The behavior of substances during combustion is rather complex because it involves many chemical and physical phenomena. Moreover, materials are mostly composed of several components, each of which (such as polymers, reinforced organic or inorganic fibers, organic or inorganic, inert or reactive flame retardants, and various other additives) has its own rate of thermal decomposition. Therefore, the rate of thermal decomposition mainly depends on the thermal stability of the material itself. Therefore, it is judged that there is a need for intensive research on the combustibility and fire risk identification of various combustible materials, and the fire risk characteristics of some of the wood and plastic materials are evaluated.

종래의 건자재 및 내구재는 화재 시 인체에 유해한 독성가스의 발생 및 연기에 대한 피해로 인하여 인명사고에 대한 피해가 컸다. 화재 시 물질의 열분해로 인해 생성되는 연기량은 빛의 흡수에 의해 측정되고, 그것은 탄소를 포함한 입자, 액체입자(타르), 무기입자, 증기 등을 포함한다. 화재 시 가연성 재료의 비 열적 유해 요소는 연기, 냄새, 부식, 독성 등에 의한 것이다. 이러한 비 열적 유해 요인으로 인한 화재 피해는 화염에 직접 노출되는 것보다 피해자들의 약 75∼80%가 산소결핍과 연기 및 독성가스 등의 흡입에 의한 것으로 밝혀졌다. 열분해로 인해 발생되는 독성 가스는 생성되는 물질의 연기 종류에 따라 복잡해지며, 플래쉬오버에 도달하는 화재는 일반적으로 화상의 유무와 관계없이 인체에 위험한 수준의 일산화탄소를 생성한다. 목재 및 일반 가연물의 연소는 일산화탄소(carbon monoxide, CO), 휘발성 유기 화합물(volatile organic compounds, VOC) 및 다환성 방향족 탄화수소(polycyclic aromatics hydrocarbons, PAH)와 같은 일부 독성 물질이 중요한 독성 배출원으로 알려져 있다. 이들은 모두 불완전 연소로 인한 생성물이고 다환성 방향족 탄화수소는 발암성 화합물로 밝혀진 이후 널리 연구되고 있다. 불완전 연소는 니트로-PAH, 옥시-PAH 및 아자렌과 같은 PAH 유도체도 생성한다. 이러한 독성 가스의 배출은 화재 조건과 재료 자체의 열분해에 영향을 받는다.Conventional building materials and durables suffered great damage to human lives due to the generation of toxic gases harmful to the human body and damage to smoke during a fire. The amount of smoke produced by thermal decomposition of materials in a fire is measured by the absorption of light, and it includes carbon-containing particles, liquid particles (tar), inorganic particles, vapor, etc. In case of fire, the non-thermal hazards of combustible materials are smoke, odor, corrosion, and toxicity. It was found that about 75-80% of the fire damage caused by these non-thermal hazards was due to lack of oxygen and inhalation of smoke and toxic gases, etc., rather than direct exposure to flame. The toxic gases produced by thermal decomposition are complicated by the type of smoke of the material produced, and fires that reach flashover generally produce dangerous levels of carbon monoxide, with or without burns. Combustion of wood and common combustibles is known to be an important toxic emission source of some toxic substances such as carbon monoxide (CO), volatile organic compounds (VOCs) and polycyclic aromatics hydrocarbons (PAHs). These are all products of incomplete combustion, and polycyclic aromatic hydrocarbons have been widely studied since they were identified as carcinogenic compounds. Incomplete combustion also produces PAH derivatives such as nitro-PAH, oxy-PAH and azarene. Emissions of these toxic gases are affected by fire conditions and thermal decomposition of the material itself.

콘칼로리미터를 이용한 연기측정 시험방법은 Beer-Bouguer-Lambert의 법칙을 기본 원리로 한다. 이것은 일반적으로 투과하는 빛의 세기가 거리에 따라 지수 함수적으로 감소한다는 법칙이다. 종래에 콘칼로리미터를 이용한 연기발생을 나타내는 척도로 연기발생률, 총연기방출률, 연기인자, 비감쇠면적 등이 사용되고 있지만 이와 같은 방법은 시간이 변화됨에 따른 제한된 방법으로써 연기발생에 대한 정량적인 평가가 미흡하고 연기 유해성 평가를 구현하기에는 아직 충분하지 못한 점이 많다. 현재 이를 개선하여 선행 연구에서는 연기성능지수(smoke performance index, SPI), 연기성장지수(smoke growth index, SGI) 및 연기강도(smoke intensity, SI)를 이용하여 연기위험성을 평가하였고, 연기성능지수-II (smoke performance index-II, SPI-II), 연기성장지수-II (smoke growth index-II, SGI-II)를 발명하여 사용하고 있다. 이것은 연기위험성을 평가하는 방법이다. 그러므로 화재 시 화재위험성 특성을 기준물질을 이용하여 표준화하여 연기피해에 초점을 맞춘 연기위험성 및 연기위험성 등급을 평가할 수 있는 방법으로 확장시킬 필요가 있다.The smoke measurement test method using a cone calorimeter is based on the Beer-Bouguer-Lambert law. This is generally a law that the intensity of transmitted light decreases exponentially with distance. Conventionally, smoke generation rate, total smoke emission rate, smoke factor, non-attenuation area, etc. have been used as measures to indicate smoke generation using a cone calorimeter, but this method is a limited method according to time changes, and quantitative evaluation of smoke generation is not possible. There are still many points that are insufficient and are not yet sufficient to implement smoke hazard assessment. Currently, this has been improved, and in previous studies, smoke risk was evaluated using smoke performance index (SPI), smoke growth index (SGI), and smoke intensity (SI), and smoke performance index- II (smoke performance index-II, SPI-II) and smoke growth index-II (smoke growth index-II, SGI-II) were invented and used. This is a method for assessing smoke hazards. Therefore, it is necessary to standardize fire hazard characteristics using reference materials in case of fire and expand the method to evaluate smoke hazard and smoke hazard ratings focusing on smoke damage.

선행 연구를 정리하면 콘칼로리미터에 의한 시험자료를 바탕으로 연기위험성을 평가하기 위하여 Chung’s equations 1, 2, 3을 정립하였고, 또 Chung’s equations-II를 정립하였다. 이들의 상관관계는 하기 수학식 4와 같다.Summarizing previous studies, Chung's equations 1, 2, and 3 were established to evaluate smoke risk based on the test data by cone calorimeter, and Chung's equations-II were also established. Their correlation is shown in Equation 4 below.

[수학식 4][Equation 4]

Figure 112021027030166-pat00001
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연기위험성은 연기성능지수(SPI) 및 연기성능지수-II (SPI-II)가 낮고 연기성장지수(SGI) 및 연기성장지수-II (SGI-II)가 높을수록 높아진다. 이것은 화재초기 연기위험성을 제시하기 위한 것으로 새로운 연기지수간의 상관관계를 확장시킴으로써 연기 등급을 종합적으로 평가하기 위한 기초 자료로 사용하기 위한 것이다. 따라서 본 발명에서는 또 다른 Chung’s equations-V인 연기성능지수-V (smoke performance index-V, SPI-V), 연기성장지수-V (smoke growth index-V, SGI-V)와 Chung’s equation-VI인 연기위험성지수(smoke risk index-VI, SRI-VI)를 새로 고안하여 종합적인 연기위험성 및 연기위험성 등급을 평가하였다.Smoke risk increases as smoke performance index (SPI) and smoke performance index-II (SPI-II) are low and smoke growth index (SGI) and smoke growth index-II (SGI-II) are high. This is to present the smoke risk in the early stage of a fire, and is to be used as basic data for comprehensively evaluating the smoke rating by expanding the correlation between new smoke indices. Therefore, in the present invention, another Chung's equations-V, smoke performance index-V (smoke performance index-V, SPI-V), smoke growth index-V (smoke growth index-V, SGI-V) and Chung's equation-VI A new smoke risk index (SRI-VI) was devised to evaluate comprehensive smoke risk and smoke risk ratings.

최근 목재를 사용한 건축물의 증가와 자동차, 선박, 전기제품 등 첨단 산업에 고분자 재료의 사용이 확대됨에 따라 화재 발생 시 안전을 고려해야 하는 상황이 표출되고 있다.Recently, with the increase in buildings using wood and the expansion of the use of polymer materials in high-tech industries such as automobiles, ships, and electrical appliances, a situation in which safety must be considered in the event of a fire is being expressed.

본 발명에서는 건자재 및 내장재로 주로 사용되고 있는 가문비나무, 나왕, PMMA, PC를 시험재료로 사용하여 화재 시 목재, 플라스틱, 난연 처리된 물질, 섬유 등의 모든 가연성 물질의 연기위험성을 등급화 하고자하였다. PMMA를 기준물질로 사용하여 연기위험성을 무차원지수로 평가함으로써 등급화하여 연기위험성평가 방법으로 이용하고, 이를 확장하여 화재설계 및 화재 시뮬레이션 데이터의 기초자료로 활용하고자 한다.In the present invention, spruce, lawang, PMMA, and PC, which are mainly used as building materials and interior materials, were used as test materials to classify the smoke hazard of all combustible materials such as wood, plastic, flame retardant treated material, and fiber. Using PMMA as a reference material, smoke risk is evaluated as a dimensionless index to be graded and used as a smoke risk evaluation method, and this is to be expanded and used as basic data for fire design and fire simulation data.

본 발명에서는 이러한 종래 기술의 문제점을 해결하기 위해 연기 발생에 대한 정량적인 평가 방법 및 실질적인 표현을 제공하고, 기존의 연기위해성 평가에 대한 단점을 해소하고, 표현의 단점을 보완할 수 있는 방법을 연구하였다. 본 발명에서는 가연물의 화재위험성을 효과적으로 평가할 수 있는 핵심 요소 중의 하나인 연소가스의 위해성에 관하여 정량적이고도 가중 평가할 수 있다는 사실을 알게 되었다. 또한 기존의 발명에 열에 대한 위험성을 포함시킴으로써 연기에 대한 수식을 확장하여 더욱 정량적이고 정밀도를 높이기 위한 하나의 방법으로 본 발명을 개발하였다.In order to solve the problems of the prior art, the present invention provides a quantitative evaluation method and practical expression for smoke generation, solves the disadvantages of the existing smoke risk evaluation, and studies a method that can supplement the disadvantages of the expression. did In the present invention, it has been found that the risk of combustion gas, which is one of the key factors for effectively evaluating the fire risk of combustibles, can be quantitatively and weightedly evaluated. In addition, the present invention was developed as a way to increase the quantitative and precision by extending the formula for smoke by including the risk of heat in the existing invention.

따라서 본 발명은 연기위험성 평가방법을 정량적으로 더 확장하고자 발명된 Chung’s equations 1, 2에 대하여 기준물질을 이용하여 연기위험성의 우선순위를 구분함으로써 무차원의 신규한 평가 측정지수 및 정량적 등급 평가지표를 제공하는데 목적이 있다. 또한 이들 지수를 이용하여 하나의 수식인 연기위험성지수-VI (SRI-VI)로 표현하여 연기등급 및 연기위험성을 종합적으로 평가하는 데 목적이 있다.Therefore, the present invention classifies the priority of smoke risk using reference substances for Chung's equations 1 and 2, which were invented to further expand the smoke risk evaluation method quantitatively, to develop a new dimensionless evaluation measurement index and quantitative rating evaluation index. It aims to provide In addition, the purpose is to comprehensively evaluate the smoke grade and smoke risk by expressing a single formula, Smoke Risk Index-VI (SRI-VI), using these indices.

본 발명은 상기와 같은 목적을 달성하기 위하여, 컴퓨터 시스템에 의해 실험후 얻어진 데이타 중, 실험자가 연기 위험성 등급 판단에 필요한 데이타를 선택하여 컴퓨터 프로그램에 입력함으로써 계산하는 방법에 의해 수행되는 화재 시 연소성 물질에 대한 연기 위험성의 등급 평가 방법에 있어서, 하기 수학식 1의 연기성능지수-V (SPI-V) 및 하기 수학식 2의 연기성장지수-V (SGI-V)의 수학식인 등급 평가지표에 의해 화재 시의 연기 위험성을 판단하는 단계를 포함하고, 하기 수학식 3의 연기위험성지수-VI (SRI-VI)이 각각의 수학식인 연기성능지수-V와 연기성장지수-V의 상관관계로 표현되어 산출된 값으로 표현되는 연기위험성 등급 및 연기위험성을 나타내는 화재 시 연기 위험성의 등급 평가 방법을 제공한다.In order to achieve the above object, the present invention is a combustible material in case of fire carried out by a method of calculating data by an experimenter selecting data necessary for determining a smoke hazard level among data obtained after an experiment by a computer system and inputting the data into a computer program. In the smoke risk rating method for , by the rating evaluation index, which is the equation of the smoke performance index-V (SPI-V) of Equation 1 below and the smoke growth index-V (SGI-V) of Equation 2 below It includes the step of determining the smoke risk in case of fire, and the smoke risk index-VI (SRI-VI) of Equation 3 below is expressed as a correlation between the smoke performance index-V and the smoke growth index-V, which are each equation It provides a smoke hazard grade expressed as a calculated value and a smoke hazard grade evaluation method in case of fire that expresses smoke hazard.

[수학식 1][Equation 1]

Figure 112021027030166-pat00002
Figure 112021027030166-pat00002

(상기 수학식 1에서, TTI는 가연성 재료의 착화시간, SPRpeak는 연기발생률의 피크값을 나타낸다.)(In Equation 1, TTI represents the ignition time of the combustible material, and SPR peak represents the peak value of the smoke generation rate.)

[수학식 2][Equation 2]

Figure 112021027030166-pat00003
Figure 112021027030166-pat00003

(상기 수학식 2에서, SPRpeak는 연기발생률의 피크값, Time to SPRpeak는 SPRpeak에 도달하는 시간을 나타낸다.)(In Equation 2, SPR peak is the peak value of the smoke generation rate, and Time to SPR peak represents the time to reach the SPR peak .)

[수학식 3][Equation 3]

Figure 112021027030166-pat00004
Figure 112021027030166-pat00004

(상기 수학식 3에서, SPI는 연기성능지수인 smoke performance index의 약어이고 SGI는 연기성장지수인 smoke growth index의 약어를 나타낸다.)(In Equation 3, SPI is an abbreviation of smoke performance index, and SGI is an abbreviation of smoke growth index, smoke growth index.)

본 발명은 상기 수학식 1의 연기성능지수-V (SPI-V) 값이 기준물질인 PMMA의 값인 1보다 클수록 연기위험성이 감소하고, 상기 연기성능지수-V (SPI-V) 값이 PMMA의 값인 1보다 작을수록 연기 연기위험성이 증가하는 것으로 판단하는 것을 특징으로 하는 화재 시 연기 위험성의 등급 평가 방법을 제공한다.In the present invention, smoke risk decreases as the smoke performance index-V (SPI-V) value of Equation 1 is greater than 1, which is the value of PMMA as a reference material, and the smoke performance index-V (SPI-V) value is the value of PMMA. It provides a rating method of smoke hazard in case of fire, characterized in that it is determined that the smoke hazard increases as the value is smaller than 1.

또한, 본 발명은 상기 수학식 2의 연기성장지수-V (SGI-V) 값이 기준물질인 PMMA의 값인 1보다 클수록 연기 위험성이 높아지고, 상기 연기성장지수-V (SGI-V) 값이 PMMA의 값인 1보다 작을수록 연기 위험성이 낮아지는 것으로 판단하는 것을 특징으로 하는 화재 시 연기 위험성의 등급 평가 방법을 제공한다.In addition, in the present invention, the smoke growth index-V (SGI-V) value of Equation 2 is greater than 1, which is the value of PMMA as a reference material, the higher the smoke risk, and the smoke growth index-V (SGI-V) value is PMMA It provides a rating method of smoke hazard in case of fire, characterized in that it is determined that the smoke hazard is lowered as the value of is smaller than 1.

또한, 본 발명은 상기 수학식 3의 연기위험성지수-VI (SRI-VI) 값이 클수록 연기위험성이 커지고 반대로 연기위험성지수-VI (SRI-VI) 값이 작아질수록 연기위험성이 감소하는 것으로서 연기위험성을 종합적으로 예측할 수 있는 화재 시 연기위험성의 등급 평가 방법을 제공한다.In addition, in the present invention, the smoke risk increases as the value of the smoke risk index-VI (SRI-VI) in Equation 3 increases, and conversely, the smoke risk decreases as the value of the smoke risk index-VI (SRI-VI) decreases. Provides a method for rating smoke hazards in case of fire that can comprehensively predict the risk.

또한, 본 발명은 상기 수학식 1 및 2에서 SPRpeak 및 Time to SPRpeak는 각각 연기발생률의 1차 피크값 및 1차 SPRpeak에 도달하는 시간을 나타내는 것을 특징으로 하는 화재 시 연기 위험성의 등급 평가 방법을 제공한다.In addition, in the present invention, in Equations 1 and 2, the SPR peak and Time to SPR peak indicate the first peak value of the smoke generation rate and the time to reach the first SPR peak , respectively. provides a way

또한, 본 발명은 상기 수학식 1 및 2에서 SPRpeak는 가혹한 조건인 연기발생률의 2차 피크값을 우선으로 하며, 상기 가연성 재료의 열분해 영역에서 나타나는 시간 변화에 따라 얻어지는 화재패턴에 따라 연기발생률의 1차 피크값을 선택할 수 있는 것을 특징으로 하는 화재 시 연기 위험성의 등급 평가 방법을 제공한다.In addition, in the present invention, the SPR peak in Equations 1 and 2 gives priority to the secondary peak value of the smoke generation rate, which is a severe condition, and the smoke generation rate according to the fire pattern obtained according to the time change in the pyrolysis region of the combustible material It provides a rating method of smoke hazard in case of fire, characterized in that the primary peak value can be selected.

또한, 본 발명은 상기 수학식 2에서 Time to SPRpeak는 가혹한 조건인 연기발생률의 2차 피크값에 도달하는 시간을 우선으로 하며, 상기 가연성 재료의 열분해 영역에서 나타나는 시간 변화에 따라 얻어지는 화재패턴에 따라 연기발생률의 1차 피크값에 도달하는 시간을 선택할 수 있는 것을 특징으로 하는 화재 시 연기 위험성의 등급 평가 방법을 제공한다.In addition, in the present invention, Time to SPR peak in Equation 2 gives priority to the time to reach the secondary peak value of the smoke generation rate, which is a severe condition, and to the fire pattern obtained according to the time change in the pyrolysis region of the combustible material It provides a rating method of smoke hazard in case of fire, characterized in that the time to reach the first peak value of the smoke generation rate can be selected according to the method.

또한, 본 발명은 상기 가연성 재료의 화재패턴에 따라 연기발생률의 2차 피크값에 도달하는 시간을 선택할 수 있는 것을 특징으로 하는 화재 시 연기 위험성의 등급 평가 방법을 제공한다.In addition, the present invention provides a smoke risk rating method in case of fire, characterized in that the time to reach the second peak value of the smoke generation rate can be selected according to the fire pattern of the combustible material.

또한, 본 발명은 상기 가연성 재료가 목재, 플라스틱 및 섬유를 포함하는 것을 특징으로 하는 화재 시 연기 위험성의 등급 평가 방법을 제공한다.In addition, the present invention provides a rating method for smoke hazard in case of fire, characterized in that the combustible material includes wood, plastic and fiber.

또한 본 발명은 상기 가연성 재료는 난연 처리된 가연성 재료인 것을 특징으로 하는 화재 시 연기 위험성의 등급 평가 방법을 제공한다.In addition, the present invention provides a rating method for smoke hazard in case of fire, characterized in that the combustible material is a combustible material treated with flame retardancy.

본 발명에 따른 연기위험성 및 연기위험성 등급 평가 방법은 컴퓨터 상에서 수행될 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.The smoke hazard and smoke hazard rating evaluation method according to the present invention may be performed on a computer, but is not limited thereto.

본 발명에서는 연기성능지수-V (smoke performance index-V, SPI-V) 및 연기성장지수-V (smoke growth index-V, SGI-V) 등의 무차원의 새로운 연기위험성 등급 평가지표를 개발하여 가연성 재료의 화재 시 화재 위험성을 예측할 수 있다. 또한 이를 확장하여 연기위험성지수-VI (smoke risk index-VI, SRI-VI)을 이용하여 종합적으로 연기 위험성을 평가할 수 있다.In the present invention, a new dimensionless smoke risk rating index such as smoke performance index-V (SPI-V) and smoke growth index-V (SGI-V) is developed, Prediction of fire hazard in case of fire of combustible materials. In addition, it is possible to comprehensively evaluate the smoke risk using the smoke risk index-VI (SRI-VI) by extending this.

따라서 본 발명은 화재 시에 목재, 플라스틱, 난연성을 포함하거나 난연 처리된 소재, 섬유 등의 연기발생 위험성의 등급 평가 방법으로 상용화가 가능하다.Therefore, the present invention can be commercialized as a grading method for evaluating the risk of smoke generation of wood, plastic, flame retardant or flame retardant treated material, fiber, etc. in case of fire.

도 1은 콘칼로리미터의 개략도를 나타낸다.
도 2는 50 kW/m2의 외부 열유속에서 목재 시편의 열방출률(kW/m2) 곡선을 나타낸다.
도 3은 50 kW/m2의 외부 열유속에서 플라스틱 시편의 열방출률(kW/m2) 곡선을 나타낸다.
도 4는 50 kW/m2의 외부 열유속에서 목재 시편의 연기발생률(m2/s) 곡선을 나타낸다.
도 5는 50 kW/m2의 외부 열유속에서 플라스틱 시편의 연기발생률(m2/s) 곡선을 나타낸다.
도 6은 50 kW/m2의 외부 열유속에서 목재 시편의 CO 발생속도(g/s) 곡선을 나타낸다.
도 7은 50 kW/m2의 외부 열유속에서 플라스틱 시편의 CO 발생속도(g/s) 곡선을 나타낸다.
도 8은 50 kW/m2의 외부 열유속에서 목재 시편의 CO2 발생속도(g/s) 곡선을 나타낸다.
도 9는 50 kW/m2의 외부 열유속에서 플라스틱 시편의 CO2 발생속도(g/s) 곡선을 나타낸다.1 shows a schematic diagram of a cone calorimeter.
2 shows a heat release rate (kW/m 2 ) curve of a wood specimen at an external heat flux of 50 kW/m 2 .
3 shows a heat release rate (kW/m 2 ) curve of a plastic specimen at an external heat flux of 50 kW/m 2 .
4 shows a smoke generation rate (m 2 /s) curve of a wood specimen at an external heat flux of 50 kW/m 2 .
5 shows a smoke generation rate (m 2 /s) curve of a plastic specimen at an external heat flux of 50 kW/m 2 .
6 shows the CO generation rate (g/s) curve of the wood specimen at an external heat flux of 50 kW/m 2 .
7 shows a curve of CO generation rate (g/s) of a plastic specimen at an external heat flux of 50 kW/m 2 .
8 shows a CO 2 generation rate (g/s) curve of a wood specimen at an external heat flux of 50 kW/m 2 .
9 shows a CO 2 generation rate (g/s) curve of a plastic specimen at an external heat flux of 50 kW/m 2 .

이하 본 발명을 실시예를 통하여 상세히 설명한다. 그러나 이들 실시예는 본 발명을 구체적으로 설명하기 위한 것일 뿐, 본 발명의 범위가 이들 실시예에 의해 한정되는 것은 아니다.Hereinafter, the present invention will be described in detail through examples. However, these examples are only for explaining the present invention in detail, and the scope of the present invention is not limited by these examples.

본 발명에서는 건자재 목재 및 플라스틱류의 화재위험성을 평가하기 위한 한 부분으로 연기 특성을 중심으로 평가하였다. 연기방출 특성과 관련된 요소로 착화시간(time to ignition, TTI), 열방출률(heat release rate, HRR), 연기생성속도(smoke production rate, SPR) 및 최대연기생성속도에 도달하는 시간(time to reach peak smoke release rate, TSPR)을 측정한 후 연기성능지수(smoke performance index, SPI)와 연기성장지수(smoke growth index, SGI)를 평가한 후 PMMA를 기준물질로 무차원의 연기등급지수인 SPI-V 및 SGI-V를 계산하였다. 그리고 연기위험성지수-VI을 이용하여 연기위험성을 등급화하였다. 콘칼로리미터 시험은 PMMA의 우수한 반복성 및 재현성 때문에 이것을 기준물질로 사용한다. 따라서 본 연구에서는 PMMA를 사용하여 각각 물질의 연기위험성 및 연기위험성 등급을 평가하였다.In the present invention, smoke characteristics were evaluated as a part for evaluating the fire risk of construction materials wood and plastics. Factors related to smoke release characteristics include time to ignition (TTI), heat release rate (HRR), smoke production rate (SPR), and time to reach maximum smoke production rate. After measuring the peak smoke release rate (TSPR), the smoke performance index (SPI) and the smoke growth index (SGI) were evaluated, and PMMA was used as a reference material to determine the dimensionless smoke rating index, SPI- V and SGI-V were calculated. And the smoke risk was graded using the smoke risk index-VI. The cone calorimeter test uses PMMA as a reference material because of its excellent repeatability and reproducibility. Therefore, in this study, PMMA was used to evaluate the smoke hazard and smoke hazard ratings of each substance.

<실시예 1> 시험편의 제조<Example 1> Preparation of test piece

본 발명에서는 목재와 플라스틱 시험편을 사용하였다. 목재는 가문비나무(Spruce)와 나왕(Lauan)의 순수한 목재를 구입하여 두께 10 mm로 별도의 가공처리 없이 시험 규격의 시편 크기에 맞게 사용하였다.Wood and plastic specimens were used in the present invention. As for the wood, pure wood of spruce and Lauan was purchased and used in accordance with the specimen size of the test standard with a thickness of 10 mm without additional processing.

또한 플라스틱으로 Polymethyl methacrylate (PMMA)는 영국의 Fire Testing Technology사로부터 검은색으로 구입하였으며, Polycarbonate (PC)를 아크릴최가 회사에서 구입하여 특별한 가공 없이 이물질을 제거하고 사용하였다. 폴리머 시편에는 충전제와 첨가제가 포함되지 않았다. 각 플라스틱의 물성은 하기 표 1에 나타내었다.In addition, Polymethyl methacrylate (PMMA) as plastic was purchased in black from Fire Testing Technology in England, and Polycarbonate (PC) was purchased from Acrylic Co., Ltd., and foreign substances were removed and used without special processing. The polymer specimens did not contain fillers and additives. The physical properties of each plastic are shown in Table 1 below.

시료sample 유리전이온도(Tg)(℃)Glass transition temperature (T g ) (℃) 밀도(kg/m3)Density (kg/m 3 ) PMMAPMMA 114114 11801180 PCPC 150150 1200~12201200~1220

<실험예 1> 함수율 측정<Experimental Example 1> Moisture content measurement

함수율은 일정량의 목재 시편을 105 ℃의 건조기에서 장시간 건조시키면서 시료의 중량을 4h 간격으로 더 이상 중량변화가 없을 때까지 측정하고 하기 수학식 5를 이용하여 계산하였다.Moisture content was calculated by using Equation 5 after drying a certain amount of wood specimens in a dryer at 105 ° C. for a long time and measuring the weight of the sample at 4 h intervals until there was no weight change.

[수학식 5][Equation 5]

Figure 112021027030166-pat00005
Figure 112021027030166-pat00005

상기 수학식 5에서 Wm은 함수율을 구하고자 하는 목재편의 중량(g)이고, Wd는 건조시킨 후의 절대건조 중량(g)이다.In Equation 5, W m is the weight (g) of a piece of wood whose moisture content is to be obtained, and W d is the absolute dry weight (g) after drying.

목재의 체적밀도와 수분함량은 하기 표 2에 나타내었다.The bulk density and moisture content of the wood are shown in Table 2 below.

시료sample 수분함량(%)Moisture content (%) 체적밀도(kg/m3)Bulk density (kg/m 3 ) 가문비나무spruce 10.710.7 510.9510.9 나왕Nawang 8.88.8 542.5542.5

<실험예 2> 콘칼로리미터 시험<Experimental Example 2> Cone calorimeter test

연소 성질에 대한 시험은 ISO 5660-1의 표준방법에 근거하여 Fire Testing Technology사의 Dual cone calorimeter를 사용하여, 실제 화재 시와 유사한 화재성장기에서 발견되는 50 kW/m2 외부 열유속(external heat flux) 조건에서 진행하였다. 사용한 시험편의 두께는 10 mm이고 시편은 100 mm x 100 mm

Figure 112021027030166-pat00006
크기의 규격으로 절단하였으며, 연소 반응 후 화재 유해성 평가 분석에 필요한 연기 인자 관련 지수를 구하였다. PC는 화재 시 부풀어 오르는 물질의 고유 성질로 인하여 그릿(grid)을 사용하였으며, 그 외 시편은 그릿을 사용하지 않았다. 도 1에 콘칼로리미터 개략도를 나타내었으며 하기 표 3에 콘칼로리미터 시험에 대한 실험조건을 제시하였다.The test for combustion properties uses a dual cone calorimeter from Fire Testing Technology based on the standard method of ISO 5660-1, and 50 kW/m 2 external heat flux condition found in a fire grower similar to an actual fire. proceeded in. The thickness of the test piece used was 10 mm and the sample size was 100 mm x 100 mm.
Figure 112021027030166-pat00006
It was cut into size standards, and the smoke factor related index required for fire hazard evaluation analysis after combustion reaction was obtained. PC used a grit due to the inherent property of a material that swells in case of fire, and other specimens did not use a grit. A schematic diagram of the cone calorimeter is shown in FIG. 1, and experimental conditions for the cone calorimeter test are presented in Table 3 below.

시험 규격test standard ISO 5660-1ISO 5660-1 시료 크기(mm3)Sample size (mm 3 ) 100 x 100 x 10100 x 100 x 10 외부 열유속(kW/m2)External heat flux (kW/m 2 ) 5050 OrientationOrientation Horizontal Face UpwardsHorizontal Face Upwards 시험 시간(s)test time (s) 18001800

<실험예 3> 열방출률(heat release rate, HRR) 평가<Experimental Example 3> Evaluation of heat release rate (HRR)

열방출률은 화재의 특성을 제어하고 화재의 발생에 대한 기여도를 나타내며 연소 모델링을 하기 위한 중요한 측정값이다. 이것은 시료 표면적당 발생한 순간적인 열량의 크기이며, 재료의 연소 위험성을 가장 잘 나타내는 요소이다. 건축 재료를 열방출률이 낮은 것으로 사용할 경우 화재발생시 연소 억제 효과를 기대할 수 있다. 열방출률이 높은 불꽃연소는 화재영역을 성장시키고 발전시키므로 이것은 화재의 세기를 좌우한다. 하기 표 4과 표 5에 목재시편과 플라스틱의 연소성질을 제시하였다. 도 2에 나타낸 바와 같이 열방출률은 모든 시편이 착화 시 갑자기 증가하였으며 그 후 감소하는 경향성을 보였다. 목재가 연소되는 기간 동안 2개의 피크가 공통적으로 관찰되었으며, 연소의 첫 단계에서 1차 피크가 나타나고 불이 꺼지기 전에 2차 피크가 나타난다. 1차 피크는 가연물의 연소 표면 가까운 곳에서 숯이 형성되기 전에 발생한다. 1차 피크와 2차 피크 사이는 처음 생성된 숯 층이 단열층 역할을 하고 단열효과로 인하여 시료가 점차적으로 연소하기 때문에 감소되는 경향성이 관찰되었다. 2차 피크는 열적 파동이 뒷면 절연층에 도달할 때 일어나고 이런 후면 효과(back effect)로 인하여 열이 축적되어 많은 열이 동시에 방출되기 때문에 나타난다. 최대열방출률(peak heat release rate, HRRpeak)은 시료 표면적당 발생한 순간적인 열량의 크기로 물질의 화재 위험성을 가장 잘 나타낼 수 있는 요소이다. 목재의 1차 최대열방출률(HRR1st_peak) 특성은 가문비나무 234.71 kW/m2, 나왕 246.84 kW/m2으로 나타났다. 이어서 나왕의 2차 최대열방출률(HRR2nd_peak)이 가문비나무보다 높게 나타난 것은 체적밀도가 클수록 열축적이 커지기 때문인 것으로 예측된다.The heat release rate controls the characteristics of a fire, represents its contribution to the occurrence of a fire, and is an important measurement for combustion modeling. This is the magnitude of the instantaneous amount of heat generated per sample surface area, and is the factor that best represents the burning hazard of the material. If a building material with a low heat release rate is used, the combustion suppression effect can be expected in the event of a fire. Flame combustion with high heat release rate grows and develops the fire area, which determines the intensity of the fire. The burning properties of wood specimens and plastics are presented in Tables 4 and 5 below. As shown in FIG. 2, the heat release rate suddenly increased when all the specimens were ignited and showed a tendency to decrease thereafter. During the burning period of wood, two peaks were observed in common, with the first peak appearing in the first stage of burning and the second peak appearing before the fire was extinguished. The first peak occurs before char is formed close to the combustion surface of the combustibles. A tendency to decrease between the first peak and the second peak was observed because the first charcoal layer served as an adiabatic layer and the sample gradually burned due to the adiabatic effect. The secondary peak occurs when the thermal wave reaches the back insulating layer, and due to this back effect, heat is accumulated and a lot of heat is released at the same time. The peak heat release rate (HRR peak ) is the magnitude of the instantaneous amount of heat generated per sample surface area, and is the factor that can best represent the fire hazard of a material. The first peak heat release rate (HRR 1st_peak ) characteristics of wood were 234.71 kW/m 2 for spruce and 246.84 kW/m 2 for Nawang. Subsequently, the reason why the second maximum heat release rate (HRR 2nd_peak ) of Nawang was higher than that of spruce is predicted to be because the higher the volume density, the higher the heat accumulation.

또한 도 3에 보인 바와 같이 액체 연소 거동을 보인 PMMA의 HRR1st_peak 값은 1110.56 kW/m2으로 PC와 비교하여 높게 나타났다. 이는 연소 시 휘발성이 높기 때문인 것으로 판단된다. 그러나 PC의 경우 탄화 고분자(charring polymer)이므로 탄화하여 단열층을 생성함에 따라 열을 차단하는 효과가 있어 289.13 kW/m2으로 낮게 나타났다. 이것은 비탄화(non-charring) 시편은 완전히 타버리지만 탄화(charring) 시편은 비교적 잔여물을 생성한다는 보고와 일치한다. 그리고 초기화재 열방출률은 비탄화 고분자(non-charring polymer)가 탄화 고분자(charring polymer)보다 더 높게 나타므로 비탄화 고분자가 탄화 고분자보다 화재 위험성이 더 큰 것으로 나타났다.In addition, as shown in FIG. 3, the HRR 1st_peak value of PMMA showing liquid combustion behavior was 1110.56 kW/m 2 , which was higher than that of PC. This is considered to be due to high volatility during combustion. However, in the case of PC, since it is a charring polymer, it has the effect of blocking heat as it is carbonized to create a heat insulating layer, and thus, it was shown as low as 289.13 kW/m 2 . This is consistent with reports that non-charring specimens burn out completely, but charring specimens produce relatively residuals. In addition, since the heat release rate of the initial fire was higher in the non-charring polymer than in the charring polymer, the non-charring polymer was found to have a greater fire risk than the charring polymer.

50 kW/m2의 외부 열유속에서 목재 시편의 연소 특성Combustion characteristics of wood specimens at an external heat flux of 50 kW/m 2 시료sample TTI(s)TTI(s) HRR1st_peak (kW/m2)
/at time(s) HRR 1st_peak (kW/m 2 )
/at time(s) HRR2nd_peak (kW/m2)
/at time (s)HRR 2nd_peak (kW/m 2 )
/at time (s) SPR1st_peak (m2/s) SPR 1st_peak (m 2 /s) 가문비나무spruce 99 234.71 / 25234.71/25 201.19 / 330201.19 / 330 0.02310.0231 나왕Nawang 1010 246.84 / 30246.84/30 277.45 / 310 277.45 / 310 0.02970.0297 시료sample TSPR1st_peak(s)TSPR 1st_peak (s) SPR2nd_peak (m2/s)
/at time (s)SPR 2nd_peak (m 2 /s)
/at time (s) COpeak (g/s)
/at time (s)CO peak (g/s)
/at time (s) CO2peak (g/s)
/at time (s)CO 2peak (g/s)
/at time (s) 가문비나무spruce 20 20 0.0214 / 3350.0214 / 335 0.0021 / 6650.0021 / 665 0.1556 / 3150.1556 / 315 나왕Nawang 25 25 0.0273 / 3150.0273 / 315 0.0048 / 9100.0048 / 910 0.2207 / 3000.2207 / 300

50 kW/m2의 외부 열유속에서 플라스틱 시편의 연소 특성Combustion characteristics of plastic specimens at an external heat flux of 50 kW/m 2 시료sample TTI (s)TTI(s) HRR1st_peak (kW/m2)
/at time (s)HRR 1st_peak (kW/m 2 )
/at time (s) SPR1st_peak (g/s)SPR 1st _ peak (g/s) PMMAPMMA 17 17 1110.56 / 3851110.56 / 385 0.05160.0516 PCPC 135135 289.13 / 190289.13/190 0.11890.1189 시료sample TSPR1st_peak (s)TSPR 1st_peak (s) COpeak (g/s)
/at time (s)CO peak (g/s)
/at time (s) CO2peak (g/s)
/at time (s)CO 2peak (g/s)
/at time (s) PMMAPMMA 385385 0.0046 / 4300.0046 / 430 0.8484 / 3850.8484 / 385 PCPC 285285 0.0067 / 2000.0067 / 200 0.2101 / 2300.2101 / 230

<실험예 4> 연기발생률(Smoke production rate, SPR) 평가<Experimental Example 4> Smoke production rate (SPR) evaluation

시간의 변화에 따른 연기발생률(SPR)은 배기 덕트에서 연기의 체적유량과 감쇠계수와의 곱으로 계산된다. 도 4에 나타낸 바와 같이 가문비나무의 연기 생성 속도는 20 s와 335 s에서 두 개의 피크가 나타났다. 이는 일반적인 목재의 열분해 부분과 잘 일치한다. 이것은 화재 시 가연물의 더 많은 표면이 노출됨으로써 나타나는 목재의 균열과 연소가스의 갑작스런 방출의 결과이다. 표 4과 도 4에 나타난 바와 같이 가문비나무와 나왕의 1차 최대연기발생률(SPR1st_peak)은 각각 0.0231 m2/s와 0.0297 m2/s로 나타났다. 또한 가문비나무와 나왕의 2차 최대연기발생률(SPR2nd_peak)은 각각 0.0214 m2/s와 0.0273 m2/s로 나타났다. 이것은 침엽수인 가문비나무가 활엽수인 나왕보다 높은 리그닌 함량과 낮은 셀룰로오스를 가지고 있기 때문이다. 리그닌의 방향족 화학구조는 900 ℃에서 35~38%에 달하는 높은 비중의 숯을 만들어 낼 수 있다. 그러나 화재초기 시험편의 순간 연기발생률은 시험편의 체적밀도 및 휘발성과 일부 연관이 있는 것으로 이해된다. 목재에 대한 1차 최대 연기생성속도 도달시간은 가문비나무 20 s, 나왕 25 s로 측정되었다. 이것은 침엽수 자체에 휘발성 유기물을 다량 함유하고 있기 때문으로 이해된다. 이어 2차 최대 연기발생률의 도달 시간은 가문비나무 335 s, 나왕 315 s로 나타났으며 2차 최대 연기발생률의 도달시간이 지연되었다. 이는 연소 시 숯이 생성됨에 따라 연소억제 효과가 증가되었기 때문이라 판단된다. 시험편의 연소에 의해 형성된 숯은 목재보다 열전도율이 낮기 때문에 목재의 아래쪽 부분에 열침투를 방해한다. 숯이 증가함에 따라 열분해 전단과 열유속에 노출된 목재 표면 사이에서 열적 저항이 증가되므로 연소시간을 지연시키는 결과를 초래한 것으로 판단된다.The smoke generation rate (SPR) over time is calculated as the product of the volumetric flow rate of smoke in the exhaust duct and the damping coefficient. As shown in FIG. 4, the smoke production rate of spruce showed two peaks at 20 s and 335 s. This is in good agreement with the pyrolysis part of common wood. This is the result of cracking in the wood and the sudden release of combustion gases as more surface of the combustible material is exposed in the event of a fire. As shown in Table 4 and FIG. 4, the first maximum smoke generation rates (SPR 1st_peak ) of spruce and Nawang were 0.0231 m 2 /s and 0.0297 m 2 /s, respectively. In addition, the secondary peak smoke generation rates (SPR 2nd_peak ) of spruce and Nawang were 0.0214 m 2 /s and 0.0273 m 2 /s, respectively. This is because spruce, a conifer, has higher lignin content and lower cellulose than Nawang, a broad-leaved tree. The aromatic chemical structure of lignin can produce charcoal with a high specific gravity of 35 to 38% at 900 °C. However, it is understood that the instantaneous smoke generation rate of the test specimen in the early stage of fire is partially related to the volume density and volatility of the test specimen. The time to reach the first maximum smoke production rate for wood was measured for 20 s for spruce and 25 s for Nawang. This is understood to be because conifers themselves contain a large amount of volatile organic matter. Subsequently, the arrival time of the secondary maximum smoke generation rate was 335 s for spruce and 315 s for Nawang, and the arrival time of the secondary maximum smoke generation rate was delayed. It is believed that this is because the combustion suppression effect increased as charcoal was generated during combustion. Charcoal formed by combustion of the test piece hinders heat penetration into the lower part of the wood because its thermal conductivity is lower than that of wood. It is judged that as the amount of charcoal increases, the thermal resistance between the pyrolysis shear and the wood surface exposed to the heat flux increases, resulting in a delay in the combustion time.

표 5와 도 5에 나타낸 바와 같이 플라스틱의 1차 최대 연기발생률(SPR1st_peak)은 PMMA가 0.0516 m2/s, PC가 0.1189 m2/s로 나타났으며 PC가 PMMA와 비교하여 2.3배 높았다. 또한 비탄화 플라스틱인 PMMA는 최대연기발생률이 385 s에서 나타났으며 PC는 285 s와 660 s에서 관찰되었다. 이것은 플라스틱의 열분해 영역과 일치하며 PC가 2개의 피크를 갖는 것은 착화 후 탄화물이 생성되었기 때문이다. PC가 화재초기 연기위험성이 높음을 의미하며 가연성 가스가 많이 생성됨을 의미한다.As shown in Table 5 and FIG. 5, the primary maximum smoke generation rate (SPR 1st_peak ) of the plastic was 0.0516 m 2 / s for PMMA and 0.1189 m 2 / s for PC, and PC was 2.3 times higher than PMMA. In addition, PMMA, a non-carbonized plastic, showed the maximum smoke generation rate at 385 s, and PC was observed at 285 s and 660 s. This coincides with the thermal decomposition region of plastic, and the reason why PC has two peaks is that carbides are formed after ignition. PC means that the risk of smoke in the early stage of a fire is high, and it means that a lot of combustible gas is generated.

착화시간 및 열방출률의 초기 피크의 최대값은 물질의 화재위험성을 특성화한다. 또한 연기위험성도 맥을 같이 하는 것으로 예상된다. 따라서 선행 연구에서는 가연물의 연기안전성을 예측하기 위하여 연기성능지수(smoke performance index, SPI)를 정립하여 하기 수학식 6으로 나타내었다.The maximum of the initial peak of the ignition time and heat release rate characterizes the fire hazard of the material. Also, smoke risk is expected to be the same. Therefore, in previous studies, a smoke performance index (SPI) was established to predict the smoke safety of combustibles, and is represented by Equation 6 below.

[수학식 6][Equation 6]

Figure 112021027030166-pat00007
Figure 112021027030166-pat00007

상기 식은 연기성능지수를 평가하기 위하여 착화시간과 최대연기발생률의 변수를 고려하였다. 목재가 연소될 때의 에너지 방출속도, 연기생성, 가스 독성은 목재의 종류, 수분함량, 밀도, 열적특성 및 열침투성 등에 따라 결정된다. 가연물과 관련하여 연소 성질의 이해를 돕는 다른 중요한 특성은 착화시간이다. 착화시간은 시험편의 열원에 의한 노출로부터 지속적인 불꽃연소가 시작되기 전까지이며 착화시간이 빠를수록 재료는 더욱 가연성임을 나타낸다.The above formula considered the variables of ignition time and maximum smoke generation rate to evaluate the smoke performance index. When wood burns, the energy release rate, smoke production, and gas toxicity are determined by the wood type, moisture content, density, thermal properties, and heat permeability. Another important characteristic that aids in the understanding of combustion properties in relation to combustibles is ignition time. Ignition time is from the exposure of the test piece to the heat source until continuous flame combustion begins, and the faster the ignition time, the more flammable the material.

표 4에 나타낸 바와 같이 열유속이 50 kW/m2인 경우, 착화시간은 가문비나무 9 s, 나왕 10 s로 특별한 차별성이 없었다. 사용된 목재 시편들의 수분함량의 차이는 1.9%이었으나 착화 시간에는 큰 영향을 미치지 못하는 것으로 나타났으며 또한 목재의 체적밀도도 특별한 영향을 미치지 못하였다.As shown in Table 4, when the heat flux was 50 kW/m 2 , the ignition time was 9 s for spruce and 10 s for Nawang, and there was no particular difference. The difference in moisture content of the wood specimens used was 1.9%, but it did not appear to have a significant effect on the ignition time, and the bulk density of the wood also did not have a significant effect.

표 5에 나타낸 바와 같이 PMMA의 착화시간은 17 s, PC는 135 s로 나타났다. PC는 밀도 및 열적 안정성이 PMMA보다 높아 초기화재 연소성이 낮은 것으로 판단된다.As shown in Table 5, the ignition time of PMMA was 17 s and that of PC was 135 s. PC has higher density and thermal stability than PMMA, and it is judged that the initial fire flammability is low.

그리고 새로운 제2의 연기성능지수-V (smoke performance index-V, SPI-V)식을 고안하여 적용하고자 한다. 즉, SPI-V는 SPI를 SPI[PMMA] 표준 값(PMMA 기준)으로 나눈 값으로 정의된다. 목재의 화재 확대와 플래쉬오버의 시간과 상관성이 있으므로, 화재 확대가 증가할수록 화재안정성이 감소하는 것과 같이 연기안전성 또한 감소하는 것으로 이해된다. SPI-V를 구하는 식은 하기 수학식 1과 같다.In addition, a new second smoke performance index-V (Smoke Performance Index-V, SPI-V) formula is devised and applied. That is, SPI-V is defined as the value divided by the SPI [PMMA] standard value (PMMA standard). Since fire spread of wood is correlated with flashover time, fire stability decreases as fire spread increases. Smoke safety is also understood to be reduced. The equation for obtaining SPI-V is shown in Equation 1 below.

[수학식 1][Equation 1]

Figure 112021027030166-pat00008
Figure 112021027030166-pat00008

이 식은 무차원 지수로 나타낸다. 이 연구에서 연기발생률의 값은 초기 화재의 중요성을 고려하여 1차 최대 연기발생률(SPR1st_peak)의 값을 적용하였다. 특히, 액체성 플라스틱을 포함한 가연물은 연소과정 중 1차 최대 연기발생률(SPR1st_peak)을 적용하고자 한다.This expression is expressed as a dimensionless exponential. In this study, the value of the first maximum smoke generation rate (SPR 1st_peak ) was applied in consideration of the importance of the initial fire. In particular, for combustible materials including liquid plastics, the first maximum smoke generation rate (SPR 1st_peak ) is to be applied during the combustion process.

표 6에 재료의 SPI 및 SPI-V 값을 제시하였다. SPI는 착화시간 및 1차 최대연기발생률이 조합된 값으로 PC가 가장 높게 나타났다. 이것은 모든 재료 중 PC가 착화시간이 매우 긴 시간 지연되기 때문으로 판단된다. PMMA를 기준물질로 한 연기등급지수인 SPI-V은 PMMA(1.0) = 나왕(1.0) < 가문비나무(1.2) < PC(3.4)의 순서로 증가하였다. 이것은 PMMA와 같이 휘발성 유기물질을 함유한 플라스틱은 SPI-V가 매우 낮아지기 때문에 화재위험성이 높다는 것을 의미한다.Table 6 presents the SPI and SPI-V values of the materials. SPI is a combination of ignition time and primary maximum smoke generation rate, and PC showed the highest. This is judged to be because the ignition time of PC among all materials is delayed for a very long time. SPI-V, a smoke rating index using PMMA as a reference material, increased in the order of PMMA (1.0) = Nawang (1.0) < Spruce (1.2) < PC (3.4). This means that plastics containing volatile organic substances, such as PMMA, have a very low SPI-V and therefore have a high fire risk.

50 kW/m2의 외부 열유속에서 목재 시편 및 플라스틱의 SPI-VSPI-V of wood specimens and plastics at an external heat flux of 50 kW/m 2 시료sample TTI (s)TTI(s) SPR1st_peak
(m2/s)SPR 1st_peak
(m 2 /s) SPI (s2/m2)SPI (s 2 /m 2 ) SPI-VSPI-V 가문비나무spruce 99 0.02310.0231 390390 1.21.2 나왕Nawang 1010 0.02970.0297 337337 1.01.0 PMMAPMMA 1717 0.05160.0516 329329 1.01.0 PCPC 135 135 0.11890.1189 11351135 3.43.4

SPI와 SPI-V에 의한 연기위험성 평가 결과 PC가 가장 안전한 물질임을 알 수 있었다.As a result of smoke risk evaluation by SPI and SPI-V, it was found that PC was the safest material.

또한 선행 연구에서 가연물의 연기위험성을 예측할 수 있는 연기성장지수(smoke growth index, SGI)를 하기 수학식 7을 보고한 바 있다.In addition, Equation 7 below has been reported for a smoke growth index (SGI) capable of predicting the smoke hazard of combustibles in previous studies.

[수학식 7][Equation 7]

Figure 112021027030166-pat00009
Figure 112021027030166-pat00009

상기 식은 최대연기발생률과 최대연기발생률에 도달하는 시간을 고려하여 연기 위험성 평가를 구현하였다.The above formula was implemented to evaluate smoke risk by considering the maximum smoke generation rate and the time to reach the maximum smoke generation rate.

그리고 새로운 제2의 연기성장지수-V (smoke growth index-V, SGI-V)식을 고안하여 적용하고자 한다. 즉, SGI-V는 SGI를 SGI[PMMA]의 표준 값(PMMA 기준)으로 나눈 값으로 정의된다. 가연물의 화재 확대와 플래쉬오버의 시간과 상관성이 있으므로, 화재 확대가 증가할수록 화재안정성이 감소하는 것과 같이 연기안전성 또한 감소하는 것으로 이해된다. 따라서 SGI-V값이 클수록 연기위험성이 커지는 것으로 예측된다. 이는 화재위험성이 커지는 것과 맥을 같이한다.In addition, a new second smoke growth index-V (SGI-V) formula is devised and applied. That is, SGI-V is defined as a value obtained by dividing SGI by the standard value (PMMA standard) of SGI [PMMA] . Since the fire spread of combustibles is correlated with the flashover time, just as fire stability decreases as the fire spread increases. Smoke safety is also understood to be reduced. Therefore, it is predicted that the higher the SGI-V value, the higher the smoke risk. This is in line with the increased fire risk.

SGI-V를 구하는 무차원 지수의 표현인 식은 하기 수학식 2와 같다.The expression of the dimensionless index for obtaining SGI-V is as shown in Equation 2 below.

[수학식 2][Equation 2]

Figure 112021027030166-pat00010
Figure 112021027030166-pat00010

본 발명에서 연기발생률의 값은 초기 화재의 중요성을 고려하여 1차 최대 연기발생률(SPR1st_peak)의 값을 적용하였다. 특히, 액체성 플라스틱을 포함한 가연물은 연소과정 중 1차 최대 연기발생률(SPR1st_peak)을 적용하고자 한다.In the present invention, the value of the smoke generation rate was applied to the value of the first maximum smoke generation rate (SPR 1st_peak ) in consideration of the importance of the initial fire. In particular, for combustible materials including liquid plastics, the first maximum smoke generation rate (SPR 1st_peak ) is to be applied during the combustion process.

하기 표 7에 나타낸 바와 같이 SGI-V에 의한 연기위험성은 나왕이 가장 높은 것으로 나타났다. 이것은 연소속도가 빨라짐에 따라 SPR1st_peak 값이 높아지고 TSPR1st_peak 값이 짧아지기 때문으로 판단된다. PMMA를 기준물질로 한 연기등급지수인 SGI-V는 PMMA(1.0) < PC(3.2) < 가문비나무(8.9) < 나왕(9.2)의 순서로 증가하였다. 특히 PMMA는 SGI-V가 가장 낮은 것으로 나타났다.As shown in Table 7 below, the smoke risk caused by SGI-V was found to be the highest in Nawang. This is determined to be because the SPR 1st_peak value increases and the TSPR 1st_peak value decreases as the combustion speed increases. SGI-V, a smoke rating index using PMMA as a reference material, increased in the order of PMMA (1.0) < PC (3.2) < Spruce (8.9) < Nawang (9.2). In particular, PMMA showed the lowest SGI-V.

50 kW/m2의 외부 열유속에서 목재 시편 및 플라스틱의 SGI-VSGI-V of wood specimens and plastics at an external heat flux of 50 kW/ m2 시료sample SPR1st_peak
(m2/s) SPR 1st_peak
(m 2 /s) TSPR1st_peak
(s)TSPR 1st_peak
(s) SGI
(m2/s2)SGI
(m 2 /s 2 ) SGI-VSGI-V 가문비나무spruce 0.02310.0231 2020 0.001160.00116 8.98.9 나왕Nawang 0.02970.0297 2525 0.001190.00119 9.29.2 PMMAPMMA 0.05160.0516 385385 0.000130.00013 1.01.0 PCPC 0.11890.1189 285285 0.000420.00042 3.23.2

따라서 본 연구에서 시험된 목재 및 플라스틱을 포함한 가연성 물질은 SGI-V의 값이 클수록 연기위험성 및 화재위험성은 높아지고, 연기안정성 및 화재안정성은 낮아지는 것을 알 수 있었다. SPI-V와 SGI-V는 측정된 데이터를 이용해 계산하여 얻어지는 값으로, 콘칼로리미터 실험에서 재료의 연기안전성을 파악하는데 종합적인 평가로 적용될 수 있다. 이를 다시 정리하면 연기위험성은 하기 수학식 8과 같은 상관관계가 된다. 이것은 연기등급을 평가하는 연기등급 수식과 일치한다.Therefore, for the combustible materials including wood and plastic tested in this study, the higher the SGI-V value, the higher the smoke risk and fire risk, and the lower the smoke stability and fire stability. SPI-V and SGI-V are values obtained by calculating using measured data, and can be applied as a comprehensive evaluation to determine the smoke safety of materials in cone calorimeter experiments. If this is rearranged, the smoke risk becomes a correlation as shown in Equation 8 below. This is consistent with the smoke rating formula for evaluating smoke ratings.

[수학식 8][Equation 8]

Figure 112021027030166-pat00011
Figure 112021027030166-pat00011

따라서 새로운 연기위험성지수-VI (smoke risk Index-VI, SRI-VI)를 나타내는 식을 고안하여 적용하고자 한다. 즉, SRI-VI는 SGI-V를 SPI-V로 나눈 값으로 정의된다. 이는 화재 확대가 증가할수록 화재안정성이 감소하는 것과 같이 연기안전성 또한 감소하는 것으로 이해된다. 따라서 SRI-VI 값이 클수록 연기위험성이 커지고 반대로 SRI-VI 값이 작아질수록 연기위험성이 감소하는 것으로서 연기위험성 및 연기등급을 종합적으로 예측할 수 있는 것으로 판단된다.Therefore, an equation representing a new smoke risk index-VI (Smoke risk Index-VI, SRI-VI) is devised and applied. That is, SRI-VI is defined as a value obtained by dividing SGI-V by SPI-V. As fire spread increases, fire stability decreases. Smoke safety is also understood to be reduced. Therefore, the higher the SRI-VI value, the higher the smoke risk, and conversely, the lower the SRI-VI value, the lower the smoke risk.

SRI-VI를 구하는 식은 하기 수학식 3과 같다.The formula for obtaining SRI-VI is shown in Equation 3 below.

[수학식 3][Equation 3]

Figure 112021027030166-pat00012
Figure 112021027030166-pat00012

하기 표 8에 나타낸 바와 같이 SRI-VI에 의한 연기위험성은 나왕이 가장 높은 것으로 나타났다. PMMA를 기준물질로 한 연기위험성지수인 SRI-VI는 PC(0.9) < PMMA(1.0) < 가문비나무(7.6) < 나왕(9.0)의 순서로 증가하였다. 특히 PC는 SRI-VI가 가장 낮은 것으로 나타났으며 SPI-V, SGI-V에서도 연기위험성이 비교적 낮게 나타났다. 결론적으로 SRI-VI에 의한 연기위험성 평가 결과 PC가 가장 안전한 물질임을 알 수 있었다.As shown in Table 8 below, the risk of smoke by SRI-VI was found to be the highest in Nawang. SRI-VI, the smoke risk index with PMMA as the reference material, increased in the order of PC (0.9) < PMMA (1.0) < spruce (7.6) < Nawang (9.0). In particular, PC showed the lowest SRI-VI, and the smoke risk was relatively low in SPI-V and SGI-V. In conclusion, as a result of the smoke risk evaluation by SRI-VI, it was found that PC was the safest material.

50 kW/m2의 외부 열유속에서 목재 시편 및 플라스틱의 SRI-VISRI-VI of wood specimens and plastics at an external heat flux of 50 kW/ m2 시료sample SPI-VSPI-V SGI-V SGI-V SRI-VISRI-VI 가문비나무spruce 1.21.2 8.98.9 7.47.4 나왕Nawang 1.01.0 9.29.2 9.29.2 PMMAPMMA 1.01.0 1.01.0 1.01.0 PCPC 3.53.5 3.23.2 0.90.9

<실험예 5> 일산화탄소, 이산화탄소 발생속도(carbon monoxide, carbon dioxide production rate) 측정<Experimental Example 5> Measurement of carbon monoxide and carbon dioxide production rate

일산화탄소(CO)는 목재와 플라스틱을 포함한 가연물과 화염 사이에서 발생되는 휘발성물질의 불완전연소 생성물이다. 휘발성 물질의 열분해속도를 측정하는 하나의 방법인 열방출속도가 높아지는 것은 동반된 CO가스 생성이 증가하는 것으로 설명 가능하다. 표 4, 도 6 및 표 5, 도 7에 나타낸 모든 시험편의 COpeak 발생속도는 0.0021~0.0067 g/s로 측정되었으며, 선행 연구와 비교한 결과 재료의 구성성분, 두께 및 외부 열유속의 조건이 달라 정량적인 값은 비교하기 어려웠으나 CO 발생패턴은 유사한 것으로 나타났다.Carbon monoxide (CO) is a product of incomplete combustion of combustible materials, including wood and plastic, and volatile substances generated between flames. An increase in the heat release rate, which is one way to measure the rate of thermal decomposition of volatile materials, can be explained by an accompanying increase in CO gas production. The CO peak generation rate of all the specimens shown in Table 4, Figure 6, Table 5, and Figure 7 was measured at 0.0021 ~ 0.0067 g / s, and as a result of comparison with previous studies, the conditions of the composition, thickness, and external heat flux of the material were different. Quantitative values were difficult to compare, but CO generation patterns were similar.

CO2peak 발생속도는 표 4, 도 8 및 표 5, 도 9에 나타낸 바와 같이 모든 시험편에 대하여 0.1556~0.8484 g/s였다. PMMA가 다른 시편과 비교하여 불완전연소보다 완전연소가 더 많이 일어나는 것으로 판단된다. 미국광산보건안전청(Mine safety and health administration, MSHA)에 의하면, 이산화탄소는 단순한 질식을 일으키고 잠재적 흡입 독성 물질이다.The CO 2peak generation rate was 0.1556 to 0.8484 g/s for all test pieces, as shown in Table 4, FIG. 8 and Table 5, FIG. 9. It is judged that complete combustion occurs more than incomplete combustion in PMMA compared to other specimens. According to the Mine safety and health administration (MSHA), carbon dioxide causes simple asphyxia and is a potential inhalation toxicant.

Claims (11)

컴퓨터 시스템에 의해 실험후 얻어진 데이타 중, 실험자가 연기 위험성 등급 판단에 필요한 데이타를 선택하여 컴퓨터 프로그램에 입력함으로써 계산하는 방법에 의해 수행되는 화재 시 연소성 물질에 대한 연기 위험성의 등급 평가 방법에 있어서,
하기 수학식 1의 연기성능지수-V (SPI-V) 및 하기 수학식 2의 연기성장지수-V (SGI-V)의 수학식인 등급 평가지표에 의해 화재 시의 연기 위험성을 판단하는 단계를 포함하고, 하기 수학식 3의 연기위험성지수-VI (SRI-VI)이 각각의 수학식인 연기성능지수-V와 연기성장지수-V의 상관관계로 표현되어 산출된 값으로 표현되는 연기위험성 등급 및 연기위험성을 나타내는 화재 시 연기 위험성의 등급 평가 방법.
[수학식 1]
Figure 112023037185115-pat00013

(상기 수학식 1에서, TTI는 가연성 재료의 착화시간, SPRpeak는 연기발생률의 피크값을 나타낸다.)
[수학식 2]
Figure 112023037185115-pat00014

(상기 수학식 2에서, SPRpeak는 연기발생률의 피크값, Time to SPRpeak는 SPRpeak에 도달하는 시간을 나타낸다.)
[수학식 3]
Figure 112023037185115-pat00015

(상기 수학식 3에서, SPI는 연기성능지수인 smoke performance index의 약어이고 SGI는 연기성장지수인 smoke growth index의 약어를 나타낸다.)Among the data obtained after the experiment by the computer system, the experimenter selects the data necessary for determining the smoke hazard rating and inputs it into a computer program to calculate the smoke hazard rating method for combustible materials in case of fire,
Including the step of determining the smoke hazard in case of fire by the rating evaluation index, which is the equation of the smoke performance index-V (SPI-V) of Equation 1 below and the smoke growth index-V (SGI-V) of Equation 2 below And, the smoke risk index-VI (SRI-VI) of Equation 3 below is expressed as a correlation between the smoke performance index-V and the smoke growth index-V, which are respective equations, and the smoke risk grade and smoke expressed as calculated values A method for grading smoke hazards in fires that represent hazards.
[Equation 1]
Figure 112023037185115-pat00013

(In Equation 1, TTI represents the ignition time of the combustible material, and SPR peak represents the peak value of the smoke generation rate.)
[Equation 2]
Figure 112023037185115-pat00014

(In Equation 2, SPR peak is the peak value of the smoke generation rate, and Time to SPR peak represents the time to reach the SPR peak .)
[Equation 3]
Figure 112023037185115-pat00015

(In Equation 3, SPI is an abbreviation of smoke performance index, and SGI is an abbreviation of smoke growth index, smoke growth index.) 제1항에 있어서, 상기 수학식 1의 연기성능지수-V (SPI-V) 값이 기준물질인 PMMA의 값인 1보다 클수록 연기위험성이 감소하고, 상기 연기성능지수-V (SPI-V) 값이 PMMA의 값인 1보다 작을수록 연기 연기위험성이 증가하는 것으로 판단하는 것을 특징으로 하는 화재 시 연기 위험성의 등급 평가 방법.The method of claim 1, wherein smoke risk decreases as the smoke performance index-V (SPI-V) value of Equation 1 is greater than 1, which is the value of PMMA as a reference material, and the smoke performance index-V (SPI-V) value A method for grading smoke risk in case of fire, characterized in that it is determined that the smoke risk increases as the PMMA value is smaller than 1. 제1항에 있어서, 상기 수학식 2의 연기성장지수-V (SGI-V) 값이 기준물질인 PMMA의 값인 1보다 클수록 연기 위험성이 높아지고, 상기 연기성장지수-V (SGI-V) 값이 PMMA의 값인 1보다 작을수록 연기 위험성이 낮아지는 것으로 판단하는 것을 특징으로 하는 화재 시 연기 위험성의 등급 평가 방법.The method of claim 1, wherein the smoke growth index -V (SGI-V) value of Equation 2 is greater than 1, which is the value of PMMA as a reference material, the higher the smoke risk, and the smoke growth index -V (SGI-V) value A method for rating smoke risk in case of fire, characterized in that it is determined that the smoke risk is lowered as the value of PMMA is smaller than 1. 제1항에 있어서, 상기 수학식 3의 연기위험성지수-VI (SRI-VI) 값이 클수록 연기위험성이 커지고 반대로 연기위험성지수-VI (SRI-VI) 값이 작아질수록 연기위험성이 감소하는 것으로서 연기위험성을 종합적으로 예측할 수 있는 화재 시 연기위험성의 등급 평가 방법.The method of claim 1, wherein the smoke risk increases as the value of the smoke risk index-VI (SRI-VI) in Equation 3 increases, and conversely, as the value of the smoke risk index-VI (SRI-VI) decreases, the smoke risk decreases. A method for rating smoke hazards in case of fire that can comprehensively predict smoke hazards. 제1항에 있어서, 상기 수학식 1 및 2에서 SPRpeak 및 Time to SPRpeak는 각각 연기발생률의 1차 피크값 및 1차 SPRpeak에 도달하는 시간을 나타내는 것을 특징으로 하는 화재 시 연기 위험성의 등급 평가 방법.According to claim 1, wherein the SPR peak and Time to SPR peak in Equations 1 and 2 represent the first peak value of the smoke generation rate and the time to reach the first SPR peak , respectively. Assessment Methods. 제1항에 있어서, 상기 수학식 1 및 2에서 SPRpeak는 가혹한 조건인 연기발생률의 2차 피크값을 우선으로 하며, 상기 가연성 재료의 열분해 영역에서 나타나는 시간 변화에 따라 얻어지는 화재패턴에 따라 연기발생률의 1차 피크값을 선택할 수 있는 것을 특징으로 하는 화재 시 연기 위험성의 등급 평가 방법.The method of claim 1, wherein the SPR peak in Equations 1 and 2 gives priority to the secondary peak value of the smoke generation rate, which is a severe condition, and the smoke generation rate according to the fire pattern obtained according to the time change in the pyrolysis region of the combustible material A method for rating smoke risk in case of fire, characterized in that the first peak value of can be selected. 제1항에 있어서, 상기 수학식 2에서 Time to SPRpeak는 가혹한 조건인 연기발생률의 2차 피크값에 도달하는 시간을 우선으로 하며, 상기 가연성 재료의 열분해 영역에서 나타나는 시간 변화에 따라 얻어지는 화재패턴에 따라 연기발생률의 1차 피크값에 도달하는 시간을 선택할 수 있는 것을 특징으로 하는 화재 시 연기 위험성의 등급 평가 방법.The fire pattern of claim 1, wherein the time to SPR peak in Equation 2 gives priority to the time to reach the second peak value of the smoke generation rate, which is a severe condition, and is obtained according to the time change in the pyrolysis region of the combustible material A method for rating smoke risk in case of fire, characterized in that the time to reach the first peak value of the smoke generation rate can be selected according to. 삭제delete 제1항에 있어서, 상기 가연성 재료가 목재, 플라스틱 및 섬유를 포함하는 것을 특징으로 하는 화재 시 연기 위험성의 등급 평가 방법.2. The method of claim 1 wherein said combustible materials include wood, plastic and fibre. 제1항에 있어서, 상기 가연성 재료는 난연 처리된 가연성 재료인 것을 특징으로 하는 화재 시 연기 위험성의 등급 평가 방법.The method of rating smoke hazard in case of fire according to claim 1, characterized in that the combustible material is a combustible material treated with flame retardancy. 삭제delete
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