KR20160038601A - 시험체의 소형 내화 성능 평가 장치 및 그 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 시험체의 소형 내화 성능 평가 장치 및 그 방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 ISO 834 등과 같은 화재 시험조건에 부합하는 가열로의 내부 승온 조건과 실물시험에서의 분위기를 소형 내화 피복 시험체에 대해 구현하여, 종래의 3-4m 길이 규모의 대형 시험체를 소형화함으로써, 시험체 제작 및 시험에 소요되는 비용을 획기적으로 절감할 수 있는 시험체의 소형 내화 성능 평가 장치 및 그 방법에 관한 것이다.

Description

시험체의 소형 내화 성능 평가 장치 및 그 방법{Apparatus for small scale fire-resistance performance of test body and method thereof}
본 발명은 시험체의 소형 내화 성능 평가 장치 및 그 방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 ISO 834 등과 같은 화재 시험조건에 부합하는 가열로의 내부 승온 조건과 실물시험에서의 분위기를 소형 내화 피복 시험체에 대해 구현하여, 종래의 3-4m 길이 규모의 대형 시험체를 소형화함으로써, 시험체 제작 및 시험에 소요되는 비용을 획기적으로 절감할 수 있는 시험체의 소형 내화 성능 평가 장치 및 그 방법에 관한 것이다.
일반적으로 강구조 건축물, 해양플랜트 및 선박 등에서 화재가 발생할 경우 구조물의 온도는 급격하게 상승하게 되는데, 강구조의 경우 온도가 500-600℃에 도달하면 지지할 수 있는 하중이 50% 수준으로 크게 줄어들어 구조물이 붕괴하는 사고로 이어지게 된다.
화재로 인해 건축물이 붕괴될 경우 화염 및 연기로 인한 직접적인 인명과 재산의 피해와는 비교가 불가능할 정도의 심각한 인명피해와 재산상의 손실이 발생하기 때문에 건축물의 붕괴를 막는 것은 구조설계 및 건축 과정에서 가장 중요한 요건이다.
이에 따라 구조물의 온도 상승을 지연하여 피난, 인명구조 및 화재진압의 시간을 확보할 목적으로 내화성능을 보유하도록 하고 있다. 건축물의 주요 구조부인 내력벽, 보, 기둥, 바닥, 지붕틀 및 주계단 등에 있어서 현행 건축 법령상 특정용도 또는 불특정 다수인이 사용하는 건축물, 방화지구내 건축물, 공동 주택의 경계벽, 학교, 의료시설, 숙박시설의 칸막이벽 등은 1 시간 내지 3 시간의 내화성능을 의무적으로 보유해야 한다.
내화(耐火) 피복 제품의 경우 건축물의 피난, 방화구조 등의 기준에 관한 규칙 제3조에 의거하여 건설교통부장관이 고시하는 기준에 따라 품질시험에서 성능이 확인되어야 한다. 내화인증을 취득하기 위한 내화시험은 KS F 2257-1,6(보), KS F 2257-1,7(기둥)에 의해 진행되는데 이때의 가열조건은 국제표준인 ISO 834를 따르도록 되어 있다. 여기서 허용온도 기준과 ISO 834에 따른 가열로 내부 온도는 하기의 표 1과 수학식 1에 나타난 바와 같다.

구분		 노내 평균온도
(℃)		 시험체 각 단면별 평균 허용온도(℃) 시험체 최고 허용
온도(℃)
1시간 945 538 이하 649 이하
2시간 1,045 538 이하 649 이하
3시간 1,110 538 이하 649 이하
(수학식 1)
T=345Log(8t+1)+20
(여기서 T는 가열로 내부온도(℃)이고, t는 시간(min)이다.)
더불어 ISO 834에 따른 표준화재 조건에서의 가열로 내부의 승온곡선은 도 1에 나타난 바와 같다.
한편 실물화재 내화시험의 시험체는 보와 기둥으로 구성되며, 각각의 시험체에 12개 이상의 열전대를 설치하여 부위 및 지점별로 온도를 측정한다. 이때 시험체는 하기의 표 2와 같은 규격으로 제작하여야 한다.
시험체 규격 열전대
보(Beam) 400x200x8x13 (mm) :
L=4.4m (Size) 3면 가열 조건		 3(지점) x 4(부위)
= 12개 이상
기둥(column) 300x300x10x15 (mm) :
L=3m (Size) 4면 가열 조건		 4(지점) x 3(부위)
= 12개 이상
H 형강으로 된 철골 보용 시험체(1)의 형태와 열전대(2)의 설치 위치는 도 2에 나타난 바와 같고, H 형강으로 된 철골 기둥용 시험체(1)의 형태와 열전대(2)의 설치 위치는 도 3에 나타난 바와 같다.
한편 내화 피복은 내화뿜칠재, 내화도료, 내화모르타르, 내화 보드 등으로 분류되며 용도에 따라 다양하게 활용되고 있는데, 이중 저렴한 가격과 짧은 공사기간을 장점으로 하는 내화뿜칠재와 미려한 외관과 탈락, 분진의 발생이 없는 내화도료가 대표적으로 활용되고 있다.
이러한 내화 피복 제품의 성능을 인정하는 평가방법으로 3-4m 길이의 기둥 또는 보의 형태를 가지는 H 형강에 개발된 내화 피복을 적용한 실물화재시험이 표준화재 규정에 따라 실시되고 있다.
그러나 내화 피복 제품을 연구하고 개발하여 제품의 성능을 평가하고자 하는 관련 연구기관 및 기업의 많은 수요에 비해 시험설비가 부족하여 원활한 시험이 어려울 뿐 아니라, 시험체 제작 및 시험비용이 회당 거의 천만원에 육박하고 3-4m 규모의 대형 시험체를 제작하는데 많은 시간과 노력이 필요하여 활발한 연구개발 활동에 심각한 제약조건으로 작용하는 상황이기 때문에 소형 내화 피복 시험체를 이용한 내화성능의 평가설비와 평가기법의 개발이 절실히 필요한 실정이다.
대한민국 등록특허 제 10-0972785 호(2010년07월22일 등록)
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로서, 본 발명의 목적은, 화재상황을 구현하는 가열로를 구성하고, 상기 가열로에 장착되어 실물화재 내화 피복 시험체의 내화성능 평가와 유사한 승온 곡선이 나타나는 소형 내화 피복 시험체 및 시험체 거치부를 구성하여 시험체의 소형 내화 성능 평가를 실시함으로써, ISO 834 등과 같은 화재 시험조건에 부합하는 가열로의 내부 승온 조건과 실물시험에서의 분위기를 소형 내화 피복 시험체에 대해 구현하여 시험체 제작 및 시험에 소요되는 비용을 획기적으로 절감할 수 있는 시험체의 소형 내화 성능 평가 장치 및 그 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은, 가열로는 적절한 온도센서 및 온도조절기와 연결되어 사용자가 설정한 시간별 온도 조건에 따라 가열로의 온도를 용이하게 조절할 수 있는 시험체의 소형 내화 성능 평가 장치 및 그 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은, 가열부로 전기 발열에 의해 온도가 상승하며, 단위내부면적당 최대 순간 발열량(최대 순간 발열량/내부면적)을 5.8 내지 232kW/m2 범위로 조정할 수 있는 시험체의 소형 내화 성능 평가 장치 및 그 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은, 가열로에 적절한 가스농도센서를 필요시에 연결할 수 있어 내부의 산소농도를 포함한 가스농도를 측정할 수 있는 시험체의 소형 내화 성능 평가 장치 및 그 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은, 가열로 내부에 질소, 아르곤, 이산화탄소, 헬륨, 네온 등의 비활성 가스를 공급할 수 있으며, 가열부의 단위 내부 부피당 가스유량(가스유량/내부부피)이 0 내지 10/min 범위로 조정할 수 있는 시험체의 소형 내화 성능 평가 장치 및 그 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은, 시험체 거치부에 1개 또는 그 이상의 소형 시험체를 설치할 수 있고, 필요에 따라 시험체 거치부를 가열 수단의 상부 또는 하부나 그 측부에 설치될 수 있는 시험체의 소형 내화 성능 평가 장치 및 그 방법을 제공하는 것이다.
상기 목적들을 달성하기 위한 본 발명에 따른 시험체의 소형 내화 성능 평가 장치는, 시험체의 소형 내화 성능 평가 장치로서, 가열로; 상기 가열로 내부 일측에 설치되는 가열수단; 상기 가열로 내부 타측에 설치되며 적어도 하나의 시험체가 거치되도록 요홈이 형성되는 시험체 거치부; 상기 시험체 거치부의 상기 요홈에 거치된 상기 시험체의 상면 및 측면을 둘러싸도록 형성된 내화 피복재; 및 상기 시험체의 하면에 연결되도록 상기 시험체 거치부에 관입되어 설치되는 열전대를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.
여기서 상기 가열로 내부의 온도를 실시간으로 측정하는 온도 측정부; 및 상기 가열로 내부의 온도를 설정한 시간별로 조절하도록 상기 가열 수단을 제어하는 제어부를 더 포함하여 구성됨이 바람직하다.
또한 상기한 가열로의 내측벽에는 내부의 열이 외부로 유출되는 것을 방지하기 위한 내화재가 형성됨이 바람직하다.
또한 상기 가열수단의 단위 내부 면적당 최대 순간 발열량(최대 순간 발열량/가열로 내부 면적)은 5.8 ∼ 232kW/m2 인 것이 바람직하다.
또한 상기 최대 순간 발열량은 하기의 수학식에 의해 계산됨이 바람직하다.
(수학식)
Q = A×t×d ×C×(목표 온도-초기 온도)/초기 목표 시간
(여기서, Q는 순간 발열량 (kW), A는 가열로의 면적 (m2), t는 내화재의 유효두께 (m), d는 내화재 밀도 (kg/m3), C는 내화재 평균 비열 (kJ/kg℃)이다.)
또한 상기 가열로의 일측으로는 상기 가열로 내부의 산소 농도를 조절하기 위한 분위기 가스 주입부; 및 상기 가열로 내부의 가스 농도를 측정하기 위한 가스 농도 센서를 더 구비함이 바람직하다.
또한 상기 분위기 가스 주입부를 통해 공급되는 분위기 가스는 질소, 아르곤, 이산화탄소, 헬륨, 및 네온 중 적어도 어느 하나 또는 이종 이상의 조합인 것이 바람직하다.
또한 상기 가열로 내에 공급되는 분위기 가스의 단위부피당 가스 공급 유량(단위: F/V(/min), 여기서 F = Flow)은 0∼10/min 인 것이 바람직하다.
또한 상기 시험체는 원형 또는 사각형상이며, 그 직경 또는 한 변의 길이가 1∼300mm 인 것이 바람직하다.
또한 상기 시험체 거치부의 상기 요홈 내에서 상기 시험체의 측면에 위치되는 동종 또는 이종의 내화 피복재의 두께는 상기 시험체의 상면에 위치되는 내화 피복재의 두께보다 0-5배인 것이 바람직하다.
또한 상기 시험체 거치부의 요홈의 깊이는 상기 내화 피복재의 두께의 0.4-600배인 것이 바람직하다.
본 발명은 상기한 시험체의 소형 내화 성능 평가 장치를 이용한 시험체의 소형 내화 성능 평가 방법을 제공한다.
상술한 바와 같이, 본 발명에 따른 시험체의 소형 내화 성능 평가 장치 및 그 방법에 의하면, 화재상황을 구현하는 가열로를 구성하고, 상기 가열로에 장착되어 실물화재 내화 피복 시험체의 내화성능 평가와 유사한 승온 곡선이 나타나는 소형 내화 피복 시험체 및 시험체 거치부를 구성하여 시험체의 소형 내화 성능 평가를 실시함으로써, ISO834-1 등과 같은 화재 시험조건에 부합하는 가열로의 내부 승온 조건과 실물시험에서의 분위기를 소형 내화 피복 시험체에 대해 구현하여 시험체 제작 및 시험에 소요되는 비용을 획기적으로 절감할 수 있는 효과가 있다.
또한 가열로 내부의 온도를 실시간으로 측정하고, 사용자의 설정에 따라 가열로 내부의 온도를 설정한 시간별로 용이하게 조절할 수 있는 효과가 있다.
또한 가열수단의 단위 내부 면적당 최대 순간 발열량을 가열로의 내화재 면적 유효두께, 밀도 및 평균 비열 등을 이용하여 정확하게 조절하여 초기 시간 동안 원하는 목표 온도까지 바로 상승시킬 수 있는 효과도 있다.
또한 가열로에 가스 농도 센서를 설치하여 필요시에 가열로 내부로 분위기 가스를 공급하여 내부의 산소농도를 포함한 가스농도를 측정하고 조절할 수 있는 효과도 있다.
도 1은 ISO 834에 따른 표준화재 조건에서의 가열로 내부 온도를 나타내는 그래프도이다.
도 2는 종래기술에 따른 실물화재시험의 철골 보용 시험체 구조 및 열전대의 설치 위치를 나타내는 도면이다.
도 3은 종래기술에 따른 실물화재시험의 철골 기둥용 시험체 구조 및 열전대의 설치 위치를 나타내는 도면이다.
도 4는 본 발명에 따른 시험체의 초소형 내화 성능 평가 장치의 개략적인 구성도이다.
도 5는 본 발명에 따라 실물시험에서의 가열로 내부의 온도와 산소농도 측정결과를 나타내는 그래프도이다.
도 6은 본 발명의 실시예 1에 따른 가열로의 형태 및 가열수단의 배열을 나타내는 예시도이다.
도 7은 본 발명의 실시예 1에 따른 시험체 거치부의 형태 및 시험체 위치를 나타내는 예시도이다.
도 8은 본 발명의 실시예 1에 따른 가열 상황에서 가열로 내부의 산소농도 변화 측정 결과를 나타내는 그래프도이다.
도 9는 본 발명의 실시예 1에 따른 상용 내화도료 제품을 소형 평가설비와 실물화재시험으로 측정한 내화성능 비교 결과를 나타내는 그래프도이다.
본 발명은 그 기술적 사상 또는 주요한 특징으로부터 벗어남이 없이 다른 여러가지 형태로 실시될 수 있다. 따라서, 본 발명의 실시예들은 모든 점에서 단순한 예시에 지나지 않으며 한정적으로 해석되어서는 안된다.
제 1 , 제 2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다.
상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 예를 들어, 본 발명의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제 1 구성요소는 제 2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제 2 구성요소도 제 1 구성요소로 명명될 수 있다.
어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어" 있다거나 "접속되어" 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다.
반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결되어" 있다거나 "직접 접속되어" 있다고 언급된 때에는, 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다.
본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다.
본 출원에서, "포함하다" 또는 "구비하다", "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다.
일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
이하, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명을 용이하게 실시할 수 있을 정도로 상세히 설명하기 위하여, 본 발명의 가장 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조로 하여 상세히 설명하기로 한다.
도 4는 본 발명에 따른 시험체의 초소형 내화 성능 평가 장치의 개략적인 구성도이다.
도 4에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 시험체의 초소형 내화 성능 평가 장치(100)는, 통형상의 가열로(10); 상기 가열로(10)의 내부 상측에 설치되는 가열수단(20); 상기 가열로(10)의 내부 하측에 설치되며 시험체(1)가 거치되도록 대략 중앙부에 요홈(31)이 형성되는 단열성의 시험체 거치부(30); 상기 시험체 거치부(30)에 거치된 시험체(1)의 상면 및 측면을 둘러싸도록 형성된 내화 피복재(40) 및 상기 시험체 거치부(30)에 관입되어 시험체(1)의 하단 표면부에 연결된 열전대(50)로 이루어진다.
여기서, 본 발명에 따른 시험체의 초소형 내화 성능 평가 장치(100)는 가열로(10) 내부의 온도를 실시간으로 측정하는 온도 측정부(60) 및 사용자의 설정에 따라 가열로(10) 내부의 온도를 설정한 시간별로 조절하도록 상기 가열 수단(20)을 제어하는 제어부(70)를 더 포함하여 이루어질 수 있다.
상기한 가열로(10)는 하부가 개방된 사각 또는 원형의 통형상으로서, 그 내측벽에는 내부의 열이 외부로 유출되는 것을 막는 내화재(미도시)가 형성되어 있다. 여기서 상기 내화재는 그 크기와 용도, 하중 지지력 등을 고려하여 내화 보드 또는 내화 벽돌 등이 활용될 수 있다.
또한 상기 가열로(10)의 일측으로는 가열로(10) 내부의 산소 농도를 조절하기 위한 분위기 가스 주입부(11)를 더 구비한다.
이러한 내화재 및 분위기 가스 주입부(11)에 대해서는 후술하는 해당 부분의 설명에서 더욱 상세히 설명하기로 한다.
상기한 가열수단(20)은 가열로(10) 내부의 열원 역할을 수행하는 것으로, 전기 발열체나 가스버너를 사용할 수 있다.
그러나, 시험체(10)의 크기가 상대적으로 종래와 비교하여 작기 때문에 가스버너 방식을 사용할 경우 국부적인 온도차가 크게 발생할 위험이 있어 균일한 가열이 가능토록 전기 발열체 가열 방식을 사용함이 바람직하다.
이때 사용될 수 있는 발열체로서는 SiC계, 몰리브덴계(MoSi2), Ni-Cr합금계, Fe-Cr합금계 등이 바람직하다.
한편, 화재조건에 따라 가열로(10) 내부의 온도가 상승하기 위해서는 초기에 상당한 열량이 필요하다. 특히 초기 목표 시간인 5분간 목표 온도인 대략 600℃까지 온도를 상승시켜야 하는데, 이러한 열량을 계산하기 위해서 대부분의 열을 흡수하게 되는 가열로(10) 내벽에 형성된 내화재(미도시)의 유효두께를 t, 가열로의 내부면적을 A, 밀도를 d, 비열을 C라 하면 초기온도 20℃에서 목표 온도인 600℃까지 승온하기 위해 필요한 순간 발열량(Q)은 하기의 수학식 2와 같이 나타난다.
(수학식 2)
Q = A×t×d ×C×(목표온도(600℃)-초기온도(20℃))/초기 목표 시간(300sec)
여기서, Q는 순간 발열량 (kW), A는 가열로의 내부 면적 (m2), t는 내화재의 유효두께 (m), d는 내화재 밀도 (kg/m3), C는 내화재 평균 비열 (kJ/kg℃)이다.
예를 들면, 평균 비열이 1.1kJ/kg℃ 이며, 밀도가 300kg/m3인 내화재를 이용하여 가로, 세로, 및 높이가 0.35m인 정육면체 형태의 가열로(10)를 구성하는 경우, 가열로(10)의 면적은 대략 0.7m2이고, 내화재의 유효두께를 0.05m로 가정하였을 때 약 22.3kW의 발열체 구성이 필요함을 알 수 있다.
즉, 내화재의 종류 및 특징에 따라 내화재 밀도(d)와 내화재 평균 비열(C)이 변화하게 되는데, 내화재 밀도(d)는 초저밀도 단열소재의 경우 100kg/m3에서부터 고밀도 단열재의 밀도인 1600kg/m3의 값을 가질 수 있다. 내화재로서 사용되는 일반적인 세라믹 소재의 경우, 약 0.6kJ/kg℃에서 1.5kJ/kg℃의 내화재 평균 비열(C) 값을 가지기 때문에 상기 수식에서 단위 면적당 순간 발열량인 Q/A는 5.8-232kW/m2의 값을 가지도록 제작할 수 있다.
특히 보편적인 전기가열로의 제작에 사용되는 상용 내화보드 또는 내화벽돌을 내화재로 사용할 경우에는 단위 면적당 순간 발열량(Q/A)이 32-140kW/m2의 값이 되도록 발열량을 결정하는 것이 보다 바람직하다.
한편, 분위기 가스 주입부(11)를 통한 가열로(10) 내부의 산소 농도의 조절의 경우, 평가하고자 하는 내화 피복의 종류와 특징에 따라 반드시 필요한 경우와 그렇지 않은 경우가 발생한다. 유기물로 구성되어 고온에서 분해 및 발포하여 탄소를 주요성분으로 하는 다공성 탄화층을 형성하는 유기계 내화도료로서의 내화 피복재(40)를 사용하는 경우, 탄화층을 구성하는 탄화물은 충분한 산소가 공급될 경우 빠르게 소진되어 고온에서의 단열성능을 상실하게 된다.
그러나, 화재상황을 비롯하여 이를 모사하는 실물화재시험에서는 연료물질이 대기중의 산소와 반응하기 때문에, 낮은 산소농도를 가지게 된다.
한편, 도 5는 실물시험에서의 가열로 내부의 온도와 산소농도 측정결과를 나타내는 그래프도로서, 급격한 승온이 발생하는 초반에 급격한 산소농도의 하락과 이후 지속적인 감소를 보여주고 있다.
따라서, 유기계 내화도료와 같이 산소농도에 민감한 내화 피복재(40)를 사용하여 시험체(1)의 온도를 측정하는 경우에는 산소농도를 조절하기 위해 분위기 가스 주입부(11)를 통해 분위기 가스를 가열로(10) 내부로 공급하여야 한다.
물론, 가열로(10) 내부에는 가스 농도 센서(미도시)가 설치되어 내부의 산소 등을 포함한 다양한 종류의 가스 농도를 실시간으로 측정할 수 있으며, 제어부(70)에서는 측정된 가스 농도를 토대로 분위기 가스 주입부(11)를 통해 적정량의 분위기 가스를 가열로(10) 내부로 공급하여 가열로(10) 내부의 산소 농도를 조절할 수 있도록 되어있다.
이러한 분위기 가스의 종류로는 질소, 아르곤, 이산화탄소, 헬륨, 네온 등의 비활성가스가 활용될 수 있다. 물론, 산소와의 반응이 없는 무기질로 구성된 무기계 내화도료 또는 내화뿜칠재로 되는 내화 피복재(40)는 산소와 반응하는 물질이 거의 없으므로 분위기 가스의 공급은 불필요하다.
일반적으로 분위기 가스의 필요 공급 유량(F: Flow; 단위: L/min)은 가열로의 부피(V)와 비례하므로 단위부피당 공급유량인 F/V(/min)를 고려하여야 한다. 상기 F/V는 가열로(10)의 밀폐설계 여부, 내화재의 재질, 배기구(12)의 형태 등에 따라 달라지는데, 고무 또는 실리콘 등의 실링부품과 이를 냉각수로 보호하는 장치를 도입하여 배기구 외에는 완전히 밀폐되는 구성을 가지는 경우 단위부피당 공급유량(F/V)은 대략 0.1/min 가량으로도 원하는 산소농도를 구현할 수 있다.
한편, 밀폐설계가 되지 않은 일반적인 박스형 가열로(10)의 경우 실물화재수준의 낮은 산소농도를 구현하기 위해서 상기 F/V는 약 0.4-10/min의 수준이 되어야 한다. 상기 F/V가 그 이상일 경우 과도한 냉각으로 인한 에너지 낭비와 발열체, 내화재의 열충격으로 인한 파손 및 수명저하가 발생할 수 있다.
또한, 수냉식 밀폐설계를 하지 않을 경우, 가열로(10)의 외곽을 금속재질로 하면서 틈새를 통한 비활성가스의 유출 및 대기의 유입을 최소화하여 설비를 제작하고, 상기 F/V를 약 0.4-1/min 가량으로 조절하는 것이 보다 바람직하다.
한편, 본 발명에 따른 시험체의 초소형 내화 성능 평가 장치(100)의 평가 대상인 시험체(1)는, H 형강과 동일한 강재 또는 내화 피복재(40)가 실제 적용될 구조물과 동일하거나 유사한 소재로 내화 피복재 제품을 적용할 수 있도록 제작한다.
이때, 시험체(1)의 두께는 적용되는 구조물 또는 H 형강의 종류에 따라 달라질 수 있지만, 대략 1-30mm의 강재가 바람직하다. 특히 내화 구조 인정에서 진행되는 실물 기둥 내화시험 조건에 해당하는 경우 시험체(1)의 두께는 대략 5-20mm가 보다 바람직하다.
본 발명에 따른 시험체의 초소형 내화 성능 평가 장치(100)의 평가시, 구조물에 해당하는 시험체(1)의 측면과 시험체 거치부(30)의 요홈(31) 사이에 틈이 벌어질 경우, 고온의 기체가 직접 시험체(1)를 가열하게 되면, 내화 피복재(40)을 통한 열전달과는 다른 온도상승을 보일 수 있기 때문에, 내화 피복재(40)가 시험체(1)의 상면뿐만 아니라, 시험체(1)의 측면과 시험체 거치부(30)의 요홈(31) 사이에 틈을 둘러싸서 그 틈새를 완전히 막아야 한다.
이때, 고온용 세라믹 블랑켓 등으로 틈새를 완벽하게 막을 수도 있지만, 일반적으로는 완벽한 밀폐가 어렵기 때문에, 적용되는 내화 피복재(40)가 시험체(1)의 상면뿐만 아니라 그 측면까지 둘러싸도록 제작하는 것이 바람직하다.
여기서, 상기 내화 피복재(40)는 내화뿜칠재, 내화도료, 내화모르타르, 내화 보드 등일 수 있으며, 본 발명에 있어 그 종류를 한정하는 것은 아니다.
한편, 시험체 거치부(30)의 요홈(31) 내에서 시험체(1)의 측면에 위치되는 내화 피복재(40)의 상하 두께는 시험체(1)의 상면에 위치되는 내화 피복재(40)의 상하 두께의 대략 0-5배 수준에서 결정됨이 바람직하다.
여기서 시험체(1)의 측면에 위치되는 내화 피복재(40)는 시험체(1)의 상면에 위치되는 내화 피복재(40)와 동종 또는 이종의 내화 피복재일 수 있다.
내화 피복재(40)로서 발포하여 탄화층을 형성하는 유기 내화도료의 경우 목표성능에 따라 시험체(1)의 상면에 위치되는 내화 피복재(40)의 목표두께가 1-24mm로 다양하게 형성될 수 있다. 이때, 상기 목표두께가 1-2mm 수준인 얇은 제품의 경우, 시험체(1)의 측면에 위치되는 내화 피복재(40)의 상하 두께는 시험체(1)의 상면에 위치되는 내화 피복재(40)의 상하 두께의 대략 1-5배가 적합하고, 그 이상의 두꺼운 내화도료 제품인 내화 피복재(40)의 경우 0.3-2배 수준이 보다 바람직하며, 무기물로 구성된 내화뿜칠재를 사용한 내화 피복재(40)의 경우, 0.5-1배 수준이 보다 바람직하다.
한편, 내화 피복재(40)가 가열로(10) 내부에 노출되는 면인 상면의 반대쪽인 시험체(1)의 하면에도 동일한 내화 피복재를 적용하여 형성할 수 있으나, 이 경우, 내화 피복재(40)가 경화되거나, 건조 및 양생되는 기간이 크게 늘어나는 단점이 발생될 수 있다.
여기서, 실물화재시험의 H 형강에 해당하는 시험체(1)의 온도측정을 위한 열전대(50) 연결의 편의성을 고려하는 경우, 시험체(1)의 측면과 시험체 거치부(30)의 요홈(31) 사이의 틈새를 세라믹 블랑켓 등으로 막아서 고온의 기체가 노출된 시험체(1)의 측면에 직접 도달하지 않도록 한다면 가열로(10) 내부에 노출되는 면인 상면의 반대쪽인 시험체(1)의 하면에는 내화 피복재(40)를 형성할 필요가 없게 된다.
한편, 상기한 시험체(1)에 사용되는 강재(鋼材)는 한 변의 길이가 대략 30mm 이상인 사각형 또는 직경이 30mm 이상인 원형을 사용할 수 있으며, 최고 300mm 이내로 한 변의 길이를 제한함이 바람직하다.
여기서, 내화 피복 또는 내화도료의 개발시 실험실 스케일로 제조할 수 있는 내화 피복재(40)의 양이 대략 1kg 수준이고, 시험체(1)의 강재 가공에 있어서 사각형상이 원형보다 용이한 점을 감안하는 경우, 대략 5-15cm 크기의 사각형 강재가 보다 바람직하다.
상기한 시험체 거치부(30)는, 도 4에 도시된 바와 같이, 1개 또는 다수의 시험체(1)와 내화 피복재(40)를 요홈(31) 내에 배치하여 고정하는 한편, 내화 피복재(40)의 노출된 상면 이외의 방향에서 전달되는 열을 최소화하는 역할을 수행하도록 일정의 내화 성능을 갖는 내화보드 형태로 제작함이 바람직하다.
여기서, 내화뿜칠재 또는 발포된 내화도료로 된 내화 피복재(40)의 열전도도가 0.05-0.3W/mK 수준으로 매우 낮기 때문에 시험체 거치부(30)의 열저항을 충분히 크게 할 필요가 있다.
그런데 일반적으로 사용되는 저밀도 내화 보드의 열전도도가 약 0.07W/mK, 고밀도 내화보드의 열전도도가 대략 0.15W/mK 수준이기 때문에 내화 보드 형태로 된 시험체 거치부(30)의 열저항이 2-5배 정도로 충분히 크기 위해서는 시험체(1) 및 내화 피복재(40)가 형성된 시험체(1)가 수용되어 배치되는 시험체 거치부(30)의 요홈(31)의 깊이는 내화 피복재(40)의 최종두께의 대략 0.4-15배가 되어야 한다. 내화도료의 경우 화재상황에서 2-40배 수준으로 팽창하기 때문에 이를 고려한 요홈(31)의 깊이는 내화도료의 초기 도막 두께의 0.8-600배가 되어야 한다. 따라서 요홈(31)의 깊이는 적용된 내화 피복재(40) 두께의 0.4-600배가 되어야 한다.
그러나, 현재 내화 피복재(40)의 정확한 열전도도는 자세히 알려지지 않은 경우가 많음으로, 시험체 거치부(30)의 요홈(31)의 깊이는 대략 5-20cm인 것이 바람직하다. 물론, 내화보드로 형성되는 시험체 거치부(30)의 열전도도는 대략 0.07W/mK 인 경우로 가정할 수 있다.
한편, 도시된 예에서는 시험체 거치부(30)가 가열로(10) 내부의 하측에 설치된 예를 도시하고 있으나, 시험체 거치부(30)를 내화 피복재(40)의 용도 및 성능 평가의 편의성에 따라 가열수단(20)에 대응되어 가열로(10)의 하측뿐만 아니라, 상측이나 측부에 설치될 수 있음은 물론이다.
이때 시험체 거치부(30)는 시험체(1)를 지지하는 역할과 더불어 가열로(10)의 일측벽을 막아 주는 역할을 겸하게 된다.
시험체 거치부(30)가 가열로(10)의 상측에 설치되는 경우에는 시험체(10)의 하방향으로의 지지를 위한 별도의 지지 수단이 필요할 수 있다. 그리고 측부에 설치되는 경우 시험체(10)를 지지할 필요가 없으나, 유기 내화 도료를 사용하는 내화 피복재(40)의 경우 발포하는 과정에서 상하의 발포 정도가 균일하지 않을 수 있다. 따라서, 도 4에 도시된 바와 같이, 시험체 거치부(30)를 가열로(10)의 하측에 설치함이 가장 바람직하다.
상기한 열전대(50)는, 도 4에 도시된 바와 같이, 상기 시험체(1)의 하단 표면부에 부착 또는 용접된 형태로 설치된다. 도시된 예에서는 하나의 열전대(50)가 설치된 예를 나타내고 있으나, 다수개의 열전대(50)가 설치될 수 있음은 물론이다.
상기 열전대(50)는 시험체(1)의 실시간의 온도를 측정하여 시험체의 온도 변화 상태를 파악할 수 있게 된다.
이하, 본 발명은 하기의 실시예에 의거하여 더욱 상세히 설명된다. 단, 실시예는 본 발명을 예시하기 위한 것이며 이들만으로 한정하는 것은 아니다.
본 실시예에서는 가로, 세로의 길이가 7cm이고 두께가 2cm인 시험체(1)에 해외기업 A사의 내화도료 제품을 적용하여 내화 피복재(40)를 형성하였다. 해당 내화 피복재(40)는 3시간 내화성능을 가지는 제품으로서 노출면의 내화 피복재(40)의 두께는 1.5cm 이다. 이를 위해 가열로의 내부는 대략 35*35*35cm3으로 설계하였으며 이때의 내부 면적은 대략 0.7m2이다.
여기서, 상술한 단위 면적당 발열량(Q/A)이 50kW/m2이 되도록 설정하였으며 이때 가열로(10) 내부의 발열량은 36kW이다.
가열수단(20)은, 도 6에 도시된 바와 같이, 최고발열량이 2.4kW인 직경 16mm의 SiC 발열체 15개를 프리즘 형태로 배열하여 균일한 열유속이 시험체(1)에 도달할 수 있도록 제작하였다.
이때, 시험체 거치부(30)의 열저항은 내화 피복재(40)로 사용되는 내화도료의 열저항의 5배 수준이 되도록 15cm 높이의 저밀도 내화 보드를 사용하여 시험체 거치부(30)의 요홈(31) 내에 시험체(1)를 거치하도록 하였다.
또한, 시험체(1)의 하면으로의 열방출을 차단하기 위해 그 하측으로는 10cm 두께로 동일한 내화보드를 추가 구성하여 시험체 거치부(30)의 총 두께는 25cm로 제작하였다. 이를 도 7에 나타내었다.
본 실시예에서 내화 피복재(40)로서 사용한 내화도료의 경우, 탄화층의 지속시간은 산소농도에 의해 크게 변화하기 때문에 실물화재시험의 산소농도를 구현하기 위해 질소를 공급하였다. 이때 단위부피당 질소의 유량인 F/V를 0.23/min과 0.46/min으로 성능 평가를 진행하고, 이 결과는 도 8에 나타내었다. 가열로(10)의 부피가 약 43L 이므로 각각의 유량은 10L/min과 20L/min 으로 나타난다. 10L/min인 경우 실물화재 수준인 1% 이하의 산소농도를 구현하지 못하지만, 20L/min의 경우 이를 만족함을 알 수 있다.
제조된 A사의 내화도료 시험체의 노출 반대면에 열전대(50)를 3개 연결하고 ISO 834규정에 따라 가열로(10)의 내부 온도를 승온 했을 때 측정된 평균 승온곡선과 실물기둥시험으로 측정한 시험체의 승온곡선을 도 9에 나타내었다. 이로부터 본 발명을 통해 개발된 평가설비와 방법으로 소형 시험체를 사용하면서도 실물시험과 거의 동일한 내화성능의 평가가 가능함을 알 수 있었다.
본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 상기 설명된 실시예에 한정되지 않으며, 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략되었다. 이상에서 본 발명의 실시예에 대하여 상세하게 설명하였지만 본 발명의 권리범위는 이에 한정되는 것은 아니고 다음의 청구범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본 발명의 권리범위에 속하는 것이다.
1: 본 발명에 따른 시험체의 초소형 내화 성능 평가 장치
1: 시험체
10: 통형상의 가열로 11: 분위기 가스 주입부
12: 배기구
20: 가열수단
30: 시험체 거치부 31: 요홈
40: 내화 피복재 50: 열전대
60: 온도 측정부 70: 제어부

Claims (12)

  1. 시험체의 소형 내화 성능 평가 장치로서,
    가열로;
    상기 가열로 내부 일측에 설치되는 가열수단;
    상기 가열로 내부 타측에 설치되며 적어도 하나의 시험체가 거치되도록 요홈이 형성되는 시험체 거치부;
    상기 시험체 거치부의 상기 요홈에 거치된 상기 시험체의 상면 및 측면을 둘러싸도록 형성된 내화 피복재; 및
    상기 시험체의 하면에 연결되도록 상기 시험체 거치부에 관입되어 설치되는 열전대를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 시험체의 소형 내화 성능 평가 장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 가열로 내부의 온도를 실시간으로 측정하는 온도 측정부; 및
    상기 가열로 내부의 온도를 설정한 시간별로 조절하도록 상기 가열 수단을 제어하는 제어부를 더 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 시험체의 소형 내화 성능 평가 장치.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기한 가열로의 내측벽에는 내부의 열이 외부로 유출되는 것을 방지하기 위한 내화재가 형성되는 것을 특징으로 하는 시험체의 소형 내화 성능 평가 장치.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 가열수단의 단위 내부 면적당 최대 순간 발열량(최대 순간 발열량/가열로 내부 면적)은 5.8 ∼ 232kW/m2 인 것을 특징으로 하는 시험체의 소형 내화 성능 평가 장치.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 최대 순간 발열량은 하기의 수학식에 의해 계산되는 것을 특징으로 하는 시험체의 소형 내화 성능 평가 장치.
    (수학식)
    Q = A×t×d ×C×(목표 온도-초기 온도)/초기 목표 시간
    (여기서, Q는 순간 발열량 (kW), A는 가열로의 면적 (m2), t는 내화재의 유효두께 (m), d는 내화재 밀도 (kg/m3), C는 내화재 평균 비열 (kJ/kg℃)이다.)
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 가열로의 일측으로는 상기 가열로 내부의 산소 농도를 조절하기 위한 분위기 가스 주입부; 및
    상기 가열로 내부의 가스 농도를 측정하기 위한 가스 농도 센서를 더 구비하는 것을 특징으로 하는 시험체의 소형 내화 성능 평가 장치.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 분위기 가스 주입부를 통해 공급되는 분위기 가스는 질소, 아르곤, 이산화탄소, 헬륨, 및 네온 중 적어도 어느 하나 또는 이종 이상의 조합인 것을 특징으로 하는 시험체의 소형 내화 성능 평가 장치.
  8. 제 6 항에 있어서,
    상기 가열로 내에 공급되는 분위기 가스의 단위부피당 가스 공급 유량(단위: F/V(/min), 여기서 F = Flow)은 0∼10/min 인 것을 특징으로 하는 시험체의 소형 내화 성능 평가 장치.
  9. 제 1 항에 있어서,
    상기 시험체는 원형 또는 사각형상이며, 그 직경 또는 한 변의 길이가 1∼300mm 인 것을 특징으로 하는 시험체의 소형 내화 성능 평가 장치.
  10. 제 1 항에 있어서,
    상기 시험체 거치부의 상기 요홈 내에서 상기 시험체의 측면에 위치되는 동종 또는 이종의 내화 피복재의 두께는 상기 시험체의 상면에 위치되는 내화 피복재의 두께보다 0-5배인 것을 특징으로 하는 시험체의 소형 내화 성능 평가 장치.
  11. 제 1 항에 있어서,
    상기 시험체 거치부의 요홈의 깊이는 상기 내화 피복재의 두께의 0.4-600배인 것을 특징으로 하는 시험체의 소형 내화 성능 평가 장치.
  12. 제 1 항 내재 제 11 항 중 어느 한 항에 따른 시험체의 소형 내화 성능 평가 장치를 이용한 시험체의 소형 내화 성능 평가 방법.

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