KR20160072839A - 벽판의 화재 저항성 성능 예측 방법 - Google Patents

벽판의 화재 저항성 성능 예측 방법 Download PDF

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스캇 렉키
웨이신 디. 송
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유나이티드 스테이츠 집섬 컴파니
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Abstract

표준 테스트에서의 벽판 화재 성능을 예측하기 위한 시스템 및 방법은 테스트할 벽판의 샘플을 획득하는 단계, 및 상기 샘플의 일 측면이 열 소스에 노출되도록 픽스처(fixture) 내로 상기 샘플을 장착시키는 단계를 포함한다. 상기 샘플이 상기 열 소스와 캐비티 간에 배치되도록 상기 샘플과 상기 픽스처 간에 상기 캐비티가 생성된다. 상기 캐비티 내의 사전결정된 위치에서의 온도가 시간에 따라서 측정되고 상기 온도가 모니터링되고, 컴퓨터-판독가능한 매체를 사용하여서 일련의 온도 판독치들로서 기록된다. 이 일련의 온도 판독치들이 분석되어서 상기 온도가 사전결정된 온도 임계치에 도달하는 지수 시간(index time)이 결정된다. 상기 컴퓨터-판독가능한 매체를 사용하여서 상기 지수 시간이 상기 표준 테스트의 화재 성능과 상관되고, 상기 상관결과에 기초하여서, 표준 테스트 절차에서의 상기 벽판의 화재 성능이 예측된다.

Description

벽판의 화재 저항성 성능 예측 방법{FIRE RESISTANCE PERFORMANCE METHOD OF WALLBOARD}
관련 출원들에 대한 교차 -참조
본원은 2013년 10월 15일자에 출원된 미국 가 출원 번호 14/054,649의 이점을 주장하며, 이 가출원은 본 명세서에서 참조로서 인용된다.
석고 벽판의 내화성 및/또는 화재 저항성은 일반적으로 다양한 상이한 벽 구조체 타입들에 대해서 수행될 수 있는 표준화된 테스트 절차이다. 통상적인 테스트는 스터드들(studs) 상으로 조립된 석고 보드를 포함하는 수동 벽 구조체가 표준 화재에 노출된 경우에 불량이 나는데 걸리는 시간을 결정하도록 수행된다. 시스템의 내화성은 다양한 인자들, 예를 들어서, 시스템에서 사용되는 석고 보드의 타입 및 두께, 벽 구조 및/또는 두께, 벽을 구성하는데 사용되는 스터드들의 타입, 스터드들 간의 간격, 석고 보드 크기 및 배향, 벽 캐비티(cavity) 내의 단열 사용 여부, 벽의 부하 유지 여부, 기타 사항에 의존할 수 있다. 벽 구조체들의 내화성을 평가하기 위해서, 표준화된 테스트가 일부 통상적으로 사용되는 벽 구조체들에 대해서 개발되었다.
가장 통상적인 조립체들은 제 3 자인 테스트 및 인증 기관인 Underwriters Laboratories, Inc. (UL®)에 의해서 규정된 3 개의 테스트 설계체들이다. 이러한 통상적인 테스트들은 U305, U419, 및 U423로서 지정되며, 이러한 테스트 벽 조립체들은 벽체 용의 금속 또는 목재 스터드들을 사용하며, 이 스터드들의 양측들 상에서 조립된 벽 보드들을 가지며 다양한 벽 두께를 가지며, 이러한 벽체들은 부하 유지를 하거나 하지 않을 수 있다. 화재 등급이 특정 보드에 할당되기 위해서는, 불량까지의 최소 시간이 불량이 발생하기 이전에 벽 보드에 의해서 나타나야 한다. 이러한 맥락에서, 불량은 화재 또는 과잉 온도 상승으로 인한 벽 무결성의 손실을 수반한다. 벽판의 노출되지 않은 표면의 평균 온도가 주변 온도 위로 121.1℃(250°F)보다 높게 상승하거나, 테스트 조립체 내의 임의의 개별 열전대가 주변 온도 위로 162.8℃(325°F)보다 높게 상승할 경우에 과잉 온도 상승 불량들이라고 판정된다.
석고는 그의 우수한 내화성으로 인해서 주거용 및 상업용 건물 건축 시에 널리 사용된다. 석고의 화학적 조성은 칼슘 술파이트 디하이드레이트(calcium sulfate dihydrate)(CaSO4·2H2O)이다. 석고 결정들 내의 2개의 물 분자들이 화학적으로 결합되고, 이는 때로 "결정화된 수분(crystallized water)"으로 지칭된다. 이러한 2개의 물 분자들이 석고가 높은 온도의 열에 견디게 한다. 약 101.7℃(약 215°F)에 도달하면, 석고가 헤미하이드레이트(hemihydrates)(CaSO4·½H2O)로 변환됨에 따라서 1.5 개의 물 분자들이 석고의 1 개의 분자로부터 떨어져 나가게 된다. 온도가 121.1℃(250°F)에 도달하면, 남아있는 1/2 물분자는 석고가 무수석고(anhydrite)(스투코(stucco)로 알려짐)로 변환됨에 따라서 손실된다. 양 반응들은 흡열성이며 이는 석고가 디하이드레이트에서 무수석고로 변할 때에 석고가 열을 흡수하는 것을 가능하게 한다. 결합된 열 에너지 요건은 9.828e+004 칼로리(390 BTU)/lb 또는 906 kJ/kg에 달한다. 이러한 두 반응들 각각은, 이러한 반응들이 샘플이 가열되는 동안에 연속적으로 발생하기 때문에, 온도 궤적(temperature trace)이 하나는 121.1℃(250°F) 근처에서이고 다른 하나는 100℃(212°F) 근처에서인 2개의 변곡점들을 보이도록 각각의 온도에서 발생한다. 두 번째 변곡점에서, 이 궤적곡선의 기울기는 부분적으로는 자유 수분 기화 동안의 잠열로 인해서 또한 변할 것이다.
이러한 결정화된 수분 손실 프로세스는 통상적으로 소성(calcination)으로서 지칭된다. 소성이 완료된 후에, 석고 보드를 통한 열 전달은 전도, 대류 및 복사에 의한 기본적인 열 전달이 된다. 벽판 테스트 조립체에서, 열은 먼저 퍼니스에서 전도, 대류 및 복사의 조합을 통해서 노출된 보드의 표면으로 전달된다. 노출된 벽판의 표면 온도가 증가함에 따라서, 이 보드에 걸친 온도 구배가 증가한다. 벽판이 화재 동안에 그의 구조적 무결성을 유지하면, 벽판은 화염 및 고온 공기의 통과를 효과적으로 차단시킨다. 이러한 상태 동안에, 열 전달의 주요한 양태는 보드를 통한 전도이다. 보드를 통한 전도성 열 전달은 벽판의 열 전도도에 의존한다. 스터드 벽 조립체 내의 2개의 벽판들 간에 형성된 캐비티 내측에서, 열은 주로 전도 및 대류를 통해서 절단된다. 대류는 벽 조립체 내의 2개의 보드들 간의 캐비티 내측에서의 공기 순환으로 인한 것이다. 벽 캐비티 내에서의 열 전도도 또한 테스트 동안에 존재한다. 이러한 캐비티 내의 노출되지 않은 벽판 표면들에서, 즉 스터드들 간에 노출된 벽판 부분들에서, 캐비티와 벽체의 외측 부분 간에 존재하는 보다 낮은 온도 구배로 인해서 낮은 레이트로 해서 열은 캐비티 측으로부터 외측의 주변 측으로 전달된다.
내화성 등급들은 통상적으로 ASTM 표준들마다 인증된 화재 테스트 실험실에서 풀 사이즈(full-size)(적어도 100 ft2의 벽체 면적) 화재 테스트를 수행함으로써 획득된다. 이러한 테스트는 시간을 소모하며 비용이 든다. 또한, 표준 테스트의 스케일은 새로운 제품 개발, 최종 공정 라인 품질 제어 테스트 등 동안에 벽 샘플들에 대한 실험실 테스트에 대해서는 그렇게 적합하지는 않다. 표준화된 테스트 방법들 및 시스템들의 이러한 단점들 및 다른 단점들은 본 발명에서 제공된 바와 같이 극복될 수 있다.
일 양태에서, 본 발명은 표준 테스트에서의 벽판 화재 성능을 예측하기 위한 방법을 기술한다. 이 방법은 테스트될 벽판 샘플을 상기 샘플의 일 측면이 열 소스에 노출되도록 픽스처(fixture) 내로 장착시키는 단계를 포함한다. 상기 샘플이 상기 열 소스와 상기 캐비티 간에 배치되도록 상기 샘플과 상기 픽스처 간에 캐비티가 생성된다. 상기 캐비티 내의 사전결정된 위치에서의 온도가 시간에 따라서 측정되고 모니터링된다. 컴퓨터-판독가능한 매체를 사용하여서 일련의 온도 판독치들이 기록되고, 이 일련의 온도 판독치들이 적어도 부분적으로, 상기 시간에 따른 일련의 온도 판독치들의 온도 궤적을 생성함으로써 분석된다. 상기 온도가 상기 캐비티 내의 사전결정된 위치에서 사전결정된 온도 임계치에 도달하는 지수 시간(index time)이 결정된다. 상기 컴퓨터-판독가능한 매체를 사용하여서 상기 지수 시간이 상기 표준 테스트의 화재 성능과 상관되고, 상기 상관결과에 기초하여서, 표준 테스트 절차에서의 상기 벽판의 화재 성능이 예측된다.
다른 양태에서, 본 발명은 벽판 샘플의 내화성 및/또는 화재 성능을 테스트하기 위한 방법을 기술한다. 이 방법은 상기 벽판 샘플을 온도 제어 기능을 갖는 머플 퍼니스(muffle furnace)의 챔버의 개부(opening) 양단에 걸쳐서 장착하는 단계로서, 상기 벽판 샘플의 일 측면은 오븐 온도(oven temperature)에 노출되는, 상기 장착하는 단계를 포함한다. 상기 벽판 샘플과 상기 챔버를 폐쇄하도록 구성된 오븐 도어(oven door) 간에 캐비티가 생성된다. 상기 캐비티 내의 사전결정된 위치에서 샘플 온도가 시간에 따라서 측정된다. 시간에 대한 샘플 온도가 모니터링되고, 그 결과가 컴퓨터-판독가능한 저장 매체를 사용하여서 기록된다. 적어도 부분적으로, 온도 궤적을 생성하고 상기 샘플 온도가 사전결정된 온도 임계치에 도달하는 지수 시간을 결정함으로써 샘플 온도 정보가 분석된다. 상기 컴퓨터 판독가능한 저장 매체를 사용하여서 상기 지수 시간이 상기 표준 테스트 화재 성능과 상관되고, 상기 상관결과에 기초하여서, 상기 표준 테스트 절차에서의 상기 벽판의 화재 성능이 예측된다.
또 다른 양태에서, 본 발명은 벽판을 생성하기 위한 방법을 기술한다. 이 방법은 복합 벽판 구조체의 코어부(core)를 형성하기 위해서 석고 슬러리의 특정 배치(batch)를 사용하여서 제조 설비에서 상기 복합 벽판 구조체를 구축하는 단계를 포함한다. 상기 복합 벽판 구조체의 샘플이 추출된다. 풀-스케일 테스트에서의 상기 복합 벽판 구조체의 화재 성능이 외삽될 수 있도록(extrapolated) 소형 스케일 테스트(small-scale test)로 샘플이 테스트된다. 일 실시예에서, 상기 테스트는 상기 샘플을 상기 샘플의 일 측면이 열 소스에 노출되도록 픽스처 내로 장착시키는 단계, 상기 샘플과 상기 픽스처 간에 캐비티를 생성하는 단계로서, 상기 샘플은 상기 열 소스와 상기 캐비티 간에 배치되는, 상기 캐비티를 생성하는 단계, 및 상기 캐비티 내의 사전결정된 위치에서의 온도를 시간에 따라서 측정하는 단계에 의해서 수행된다. 시간에 따라서 상기 온도가 모니터링되고, 컴퓨터-판독가능한 매체를 사용하여서 일련의 온도 판독치들이 기록된다. 적어도 부분적으로, 상기 시간에 따른 일련의 온도 판독치들의 온도 궤적을 생성하고, 상기 온도가 상기 캐비티 내의 사전결정된 위치에서 사전결정된 온도 임계치에 도달하는 지수 시간을 결정함으로써 상기 일련의 온도 판독치들이 분석된다. 상기 컴퓨터-판독가능한 매체를 사용하여서 상기 지수 시간이 상기 풀-스케일 테스트와 상관되며, 상기 상관결과에 기초하여서, 상기 풀-스케일 테스트에서의 상기 복합 벽판 구조체의 화재 성능이 예측된다. 상기 복합 벽판 구조체의 화재 성능이 허용가능한 파라미터들 내에 있는 것으로 예측되면 소비자에게로의 판매를 위해서 상기 복합 벽판 구조체가 방출된다.
도 1은 본 발명에 따른 벽 보드의 단면도를 도시한다.
도 2는 본 발명에 따른 보드 포밍 시스템(board forming system)의 측면도를 도시한다.
도 3은 본 발명에 따른 보드 포밍 시스템의 평면도를 도시한다.
도 4는 본 발명에 따른 테스트 샘플의 대표적인 온도 궤적을 도시한다.
도 5는 본 발명에 따른 테스트 방법들 간의 상관성을 예시하는 차트이다.
도 6은 본 발명에 따라서 테스트된 처리 샘플 및 미처리 샘플에 대한 온도 궤적을 도시한다.
도 7은 표준 테스트로 테스트된 처리 샘플 및 미처리 샘플에 대한 온도 궤적을 도시한다.
도 8은 본 발명에 따른 테스트 방법에 대한 흐름도이다.
본 발명은 실험실 셋팅에서와 같이 또는 보드 제조 동작들 시에 품질 제어를 위해서와 같이 보드 내화성에 대한 소형 스케일 테스트에 적용 가능하다. 본 발명은 벽판에 대한 풀-스케일 표준 내화성 및/또는 화재 저항성 테스트를 예측하는데 유용한 소형 스케일의 화재 테스트를 위한 시스템 및 방법을 기술한다. 소형 스케일 테스트는 연구 및 품질 제어 목적들 위해서 다양한 보드 타입들의 성능을 예측하도록 구현될 수 있다. 예를 들어서, 본 명세서에서 기술되는 바와 같은 테스트 시스템 및/또는 테스트 방법은 일관된 제품 품질 및 설계 사양 준수를 보장하도록 상이한 생산 배치들(production batches)을 테스트하도록 제조자에 의해서 사용될 수 있으며, 기존의 테스트 방법들로는 불가능하거나 시간이 소모되거나 비용이 들었던 임무를 수행하는데 사용될 수 있다.
일 개시된 실시예에서, 소형 스케일의 화재 테스트 디바이스 또는 테스트 픽스처(test fixture)는 온도 제어 기능을 갖는 머플 퍼니스를 포함한다. 본 명세서에서 사용되는 바와 같이 머플 퍼니스는 가열될 샘플이 열 소스로부터, 예를 들어서, 연소 연료로부터 그리고 연소 가스들 재(ash)와 같은 모든 다른 연소 산물로부터 격리된 퍼니스를 지칭한다. 본 명세서에서 기술된 장치에서, 벽판 샘플은 벽판의 일 측면이 열에 노출되게 테스트 동안에 머플 퍼니스 내에 배치된다. 머플 퍼니스는 벽판 샘플과 단열 표면 간의 캐비티를 형성하는 단열 도어(insulation door)를 포함한다. 열전대(thermocouple)가 열 노출 측면 반대편의 벽판의 일 측면 상에 배치되고, 컴퓨터 판독가능한 매체 또는 달리 말하면 디지털 데이터 취득 디바이스가 시간에 따라서 벽판 표면 온도를 기록한다.
벽판 테스트 방법에서, 머플 퍼니스 내에서 테스트를 받고 있는 벽판 샘플로부터 취득된 데이터는 온도-시간 곡선들을 생성하는데 사용되며, 온도-시간 곡선들은 풀 스케일 화재 테스트에서의 벽판 샘플의 예측된 내화성 및/또는 화재 저항성을 표시하는 지수를 계산하는데 분석된다. 이러한 시스템들 및 방법들은 이제 벽판 테스트의 상황에서 보다 세부적으로 기술될 것이지만, 기술된 시스템들 및 방법들은 본 명세서에서 기술되는 벽판들 이외에도 다른 재료들의 내화성 예측에 적용가능하다는 것이 인정되어야 한다.
보드 세그먼트(100)의 단면이 도 1에 도시된다. 보드 세그먼트(100)는 제 1 종이 층(106)과 제 2 종이 층(108) 간에서 통상적으로 슬러리 형태로 도포되는 시멘트질 층(104)의 퇴적에 의해서 이루어진 보드의 세그먼트일 수 있다. 도 1의 예시에서, 제 1 종이 층(106)은 이른바 후면(back) 종이 층으로서 지칭될 수 있으며, 제 2 종이 층(108)은 이른바 대면(face) 종이 층으로서 지칭될 수 있지만, 이러한 층들은 반대로도 될 수 있다. 보드 세그먼트(100)가 사용될 시에, 대면 종이 층(108)은 실내 내부 공간 내측으로 향해서 대면하도록 배치될 수 있으며, 후면 종이 층(106)은 실내에 대해서 외측으로 향할 수 있다. 따라서, 대면 종이 층(108)은 마감 화합물, 도료 및 다른 처리물들을 그 상에 포함할 수 있는 반면, 후면 종이 층(106)은 통상적으로 아무것도 없는 상태로 유지될 수 있다. 볼 수 있는 바와 같이, 보드 세그먼트(100)는 복합 구조체이지만, 통상적으로 복합 구조체들이지 않은 다른 보드 타입들, 예를 들어서, 천장 타일들에 대해서는, 오직 후면 종이 층만이 사용되거나 어떠한 종이 층도 사용되지 않을 수도 있다는 것이 인정되어야 한다.
이전에 기술된 바와 같은, 보드 열 및 화재에 대하 내성 또는 저항성에 대한 풀-스케일의 표준화된 테스트와는 별도로, 소형 스케일 테스트가 보드 성능을 예측하는데 사용될 수 있다. 석고 패널로부터 자유 및 결정화된 수분을 제거하기 위해서 필요한 시간인 소성 시간을 결정할 시에 유용한 기존의 소형 스케일 테스트들은 대형 스케일 테스트에서 보드 화재 성능을 예측하는데 사용되기에는 적합하지 않다. 이는 대형 스케일 테스트는 보드에 영향을 주며 소성된 석고 패널을 통한 열전도 및 코어 내의 유기물들의 연소로부터 기인되는 열 전달 특성을 포함하기 때문이다. 벽판의 대형-스케일 테스트 화재 성능을 예측하는데 적합하지 않은 일 이러한 알려진 소형 스케일 테스트는 이른바 “단열"(TI) 테스트이다. TI 테스트는 처음에는 석고 패널을 통한 열 전달 레이트를 결정하기 위해서 개발되었으며 100 mm (3.937 인치) 직경을 갖는 2개의 디스크의 보드 샘플들 간에 열전대를 내장시킴으로써 수행된다. 조립된 샘플이 퍼니스 내에서 500℃(932도 화씨) 온도에 노출되고 열전대 판독치들이 시간에 따라서 모니터링된다. 이러한 정보로부터, TI 지수가 시편 코어 온도가 40℃에서 200℃로(104도 화씨에서 392도 화씨로) 상승하기 위한 시간을 계산함으로써 결정된다.
단열 테스트가 스투코의 순도 및 수화(hydration) 정도를 측정할 시에 유용할 수 있지만, 이는 모든 상황들에서 벽판의 내화성을 예측하는데 있어서는 적합하지 않다. 예를 들어서, 일 실험에서, 팽창성 코팅(intumescent coating)이 보드 샘플들에 10.89 내지 36.74 킬로그램 (24-81 lbs)/MSF 레이트로 도포되었다. 단열 테스트는 도포 레이트가 증가할수록 TI 지수가 크게 증가한 것을 보였지만, 18.14 킬로그램 (40 lbs)/MSF 레이트로 코팅된 보드 샘플들이 풀-사이즈 화재 테스트로 내화성에 대해서 E119에 따라서 테스트되었을 때에는, 결과들은 제어 하의 결과들보다 크게 낮게 되었다. 예를 들어서, 팽창성 코팅을 갖는 샘플이 풀-스케일 테스트 시에 임계 온도에 도달하는데 47 내지 48 분이 걸렸지만, 제어 샘플의 경우에는 53 내지 54 분이 걸렸다.
TI 테스트의 단점은 테스트 시편에 가해지는 온도에 있다. 단열 지수는 샘플을 40℃(104°F)에서 200℃(392°F)로 증가시키는데 필요한 시간을 계산함으로써 결정된다. 이러한 테스트는 석고 패널로부터 자유 및 결정화된 수분을 제거하는데 필요한 시간인 소성 시간을 측정한다. 풀-스케일 테스트, 및 제어 테스트들에서는, 노출된 벽의 완전한 소성을 위한 시간은 테스트의 처음 25 분 내에 완료되는데, 이는 노출된 벽을 통한 열 전달의 대부분은 소성 이후에 수행된다는 것을 의미한다.
단열 테스트의 다른 단점은 보드의 종이 층들이 불탐으로써 테스트의 결과들이 왜곡될 수 있기 때문에 고온들에서 테스트가 수행될 수 없다는 것이다. 예를 들어서, 일 실험에서, 퍼니스가 500℃(932°F)로 설정되었을지라도, 단열 테스트 동안의 온도 곡선은 약 871.1℃(약 1600°F)에서 피크점을 보였다. 퍼니스 동작 또는 제어 시스템에서의 오동작이 없는 경우에, 증가된 온도 판독치는 테스트 동안에 사용된 열전대과 접촉하는 벽판 종이 층(들)의 연소에 의해서 초래되었다고 판정되었다.
본 발명의 주목할만한 측면은, 기본적으로는, 단열 테스트가 풀-사이즈 화재 테스트에서의 열 전달 프로세스를 시뮬레이션하지 못하고, 이는 단열 테스트가 수많은 상황들에서 벽판의 내화성을 정확하게 예측하는데 적합하지 않다는 결론에 이른 점을 깨달은 것이다. 따라서, 화재 조건들 하에서 그리고 제품 품질 제어를 위해서 벽판의 성능을 보다 양호하게 예측하기 위한 대안적 테스트 시스템 및 방법이 고안되었다.
본 발명에 따른 테스트 시스템(200)의 개략적 도면이 도 2에서 그 단면이 도시된다. 테스트 시스템(200)은 퍼니스 챔버(206)를 형성하는 인클로저(204)를 갖는 머플 퍼니스(202)를 포함한다. 퍼니스 챔버(206)는 도어(208)를 사용하여 폐쇄가능하며 그 내에 열 소스(210)를 포함한다. 열 소스(210)는 임의의 알려진 타입의 열 소스, 예를 들어서, 연료에 의해서 연소되는 연소기 또는 전기-저항성 가열기일 수 있으며, 이 열 소스는 챔버(206) 내에서 대체적으로 균일하게 분포한 온도 프로파일을 생성하게 동작한다.
도 2의 예시에서, 보드 샘플(212)은 테스트 동안에 퍼니스 챔버(206) 내에 배치되게 도시된다. 갭(214)이 샘플(212)의 후면(215)과 도어(208)의 오븐-대면 측(ove-facing side) 간에 형성되도록 샘플(212)은 도어 개부로부터 이격된 거리로 예시된 실시예에서 챔버(206) 내에서 수직으로 장착된다. 스페이서들(216)이 샘플(212)과 도어(208) 간에서 서로 떨어져서 배치되어서 마감된 벽 조립체 내에서의 벽판들을 서로 이격시키는 스터드들을 모방한다. 갭(214)이 비어있게 도시되지만, 다른 실시예에서, 갭(214)은 벽-단열재로 충진될 수도 있다. 또한, 금속 또는 목재 스터드들이 스페이서들(216) 대신에 사용될 수 있다. 스페이서들은 샘플(212)에 연결될 수 있으며, 특정 실시예들에서, 샘플(212)을 따르는 압축 부하를 받아서 부하-유지 벽을 모방할 수 있다.
열전대(218) 또는 다른 온도-감지 디바이스가 테스트 동안에 샘플의 후면(215) 근처에 연결된다. 열전대(218)는 샘플(212)의 표면으로부터 작은 거리로 떨어진 감지 팁(sensing tip)을 갖는다. 다른 실시예들에서, 감지 팁은 샘플(212)과 접촉하거나 샘플 내에 있을 수 있다. 열전대(218)는 테스트 동안에 샘플(212)의 표면 온도 또는 샘플의 후면 표면 근처의 온도를 감지하도록 구성된다. 열전대(218)는 데이터 취득부(220)에 연결되며, 이 데이터 취득부는 열전대(218)에 전력을 제공하고, 샘플(212)의 표면 온도를 나타내는 정보를 열전대로부터 수신하고, 온도 정보를 기록하고, 선택사양적으로 또는 컴퓨터(미도시)의 도움으로, 시간에 따른 온도 정보를 플롯팅하거나 이와 달리 이 정보를 수치적으로 분석하도록 동작한다.
테스트가 수행될 때에, 머플 퍼니스 챔버(206)의 온도는 열 소스(210)의 강도를 적합하게 제어함으로써 시간에 따라서 점진적으로 증가한다. 일 실시예에서, 퍼니스 온도 센서(222)가 배치되어서 퍼니스 챔버(206)의 온도를 측정하고, 퍼니스 챔버 온도를 나타내는 정보를 가열기 콘트롤러(224)에 제공하고, 선택사양적으로 데이터 취득부(220)에도 제공한다. 가열기 콘트롤러(224)는 센서(222)가 제공한 정보에 기초하여서 폐쇄 루프 방식으로 동작하여서 열 소스(210)의 강도를 적합하게 그리고 자동적으로 조절함으로써 챔버(206)에 대한 사전결정된 가열 프로파일을 제공할 수 있다. 챔버(206)의 온도 상승은 또한 테스트 무결성을 확립하기 위해서 데이터 취득부(220)에 의해서 선택사양적으로 기록될 수 있다.
퍼니스 챔버의 샘플 가열 프로파일이 도 3의 시간 플롯으로 도시된다. 목표된 챔버 온도(°F)가 수직 축을 따라서 플롯팅되고 시간(분)이 수평 축을 따라서 플롯팅된 상기 플롯에서 볼 수 있는 바와 같이, 챔버(206)는 테스트의 약 처음의 43 분의 동안에 약 204.4℃(약 400°F) 온도에서 약 772.8℃(약 1,423°F) 온도로 로그 경향(logarithmic trend)을 따라서 점진적으로 가열되고, 테스트의 나머지 기간 동안에는 해당 온도에서 유지되며, 이 나머지 기간은 예시된 그래프에서는 약 1 시간 동안 지속된다. 이로써, 도 3의 차트에서 표시된 바와 같이, 테스트는 처음의 가열 기간(226)에 걸쳐서 진행되고, 이어서 안정된 기간(228)에 걸쳐서 진행된다.
샘플의 후면(215) 상에서 측정된 표면 온도에 의해서 결정되는 바와 같은, 테스트 동안의 샘플(212)을 통한 열 전달은 풀 스케일 화재 테스트에서 벽판을 통한 예상 열 전달에 의한 것이며 이 예상 열 전달을 표시한다고 판정되었다. 본질적으로, 본 명세서에서 기술된 테스트는 샘플을 통한 열 전달의 레이트를 결정한다. 일 실시예에서, 보드의 양 측면들 상에서 취해진 온도 판독치들은 보드를 통한 열 전달 레이트를 실시간으로 추정하는데 사용될 수 있다. 상이한 제품들의 열 전달 곡선들을 비교함으로써 그리고 이 곡선들을 그들의 실제적 화재 테스트 결과들과 상관시킴으로써, 상이한 제품들의 내화성의 성능이 유리하게 예측 및 판정될 수 있다. 도 2에 도시된 테스트 장치에서, 샘플 치수는 6.125" x 6.625"의 치수들 및 0.625"의 두께를 갖는 직사각형 샘플이 되도록 선택되었다. 캐비티(214)의 깊이는 7/8"였고 열전대(218)는 도어(208)의 기하학적 중앙에 위치하며, 이 위치에서 열전대(218)의 감지 탐침이 샘플(212)의 방향으로 도어(208)의 내측 표면으로부터 약 11/16"만큼 돌출되었다. 이러한 방식으로, 열전대의 팁은 샘플의 표면으로부터 3/16"떨어져 있다. 유리 울 프레임(glass wool frame)이 샘플에 대항하여 배치되어서 스페이서(216)로서 기능하고 열 누수가 되지 않도록 도어 프레임을 또한 밀봉시키면서 샘플을 제자리에서 유지시킨다. 반 인치 두꺼운 샘플들에 대해서, 0.125" 두께의 금속 프레임이 샘플 후방에 배치되어서 열전대와 샘플 간의 갭을 유지시키고 나머지 테스트 장치를 보존할 수 있다. 머플 퍼니스의 콘트롤러(224)는 200℃ (392도 화씨)에서 773℃(1423 도 화씨)까지 동작하도록 설정된다. 전방 단부에서의 머플 퍼니스의 실제 온도 곡선이 도 3에 도시된다.
따라서, 일 실시예에서, 표준 테스트에서의 벽판 화재 성능을 예측하기 위한 방법은, (a) 테스트될 벽판 샘플을 상기 샘플의 일 측면이 열 소스에 노출되도록 픽스처 내로 장착시키는 단계; (b) 상기 샘플 및 상기 픽스처 간에 캐비티를 생성하는 단계로서, 상기 샘플은 상기 열 소스 및 상기 캐비티 간에 배치되는, 상기 캐비티를 생성하는 단계; (c) 상기 캐비티 내의 사전결정된 위치에서의 온도를 시간에 따라서 측정하는 단계; (d) 시간에 따라서 상기 온도를 모니터링하고, 컴퓨터-판독가능한 매체를 사용하여서 일련의 온도 판독치들을 기록하는 단계; (e) 적어도 부분적으로, 상기 시간에 따른 일련의 온도 판독치들의 온도 궤적을 생성하고, 상기 온도가 상기 캐비티 내의 사전결정된 위치에서 사전결정된 온도 임계치에 도달하는 지수 시간(index time)을 결정함으로써 상기 일련의 온도 판독치들을 분석하는 단계; (f) 상기 컴퓨터-판독가능한 매체를 사용하여서 상기 지수 시간을 상기 표준 테스트의 화재 성능과 상관시키는 단계; 및 (g) 상기 상관결과에 기초하여서, 상기 표준 테스트에서의 상기 벽판의 화재 성능을 예측하는 단계를 포함한다.
다른 실시예에서, 상기 표준 테스트는 스터드들(studs)로 2개의 벽판 층들을 연결시킴으로써 구축된 샘플 벽 조립체를 노출시키고, 상기 샘플 벽 조립체의 일 측면을 열 소스에 노출시키고, 상기 샘플 벽 조립체의 반대 측면을 모니터링하는 것을 포함한다.
다른 실시예에서, 상기 샘플은 사전결정된 치수들을 갖는다.
다른 실시예에서, 상기 픽스처는 가열을 받는 내부 챔버 및 상기 내부 챔버를 폐쇄하는 도어를 갖는 머플 오븐(muffle oven)을 포함하며, 상기 샘플은 상기 내부 챔버의 개부(opening) 양단에 걸쳐서 그리고 도어 개부로부터 이격되게 연장되도록 장착되며, 상기 도어가 폐쇄 위치에 있을 때에, 상기 캐비티는 상기 샘플 및 상기 도어 간에서 상기 이격된 거리를 따라서 구획된다.
다른 실시예에서, 상기 샘플을 상기 열 소스에 노출시키는 것은 사전결정된 스케줄에 따라서, 상기 열 소소의 강도, 및 이로써 상기 열 소스의 온도를 증가시키는 것을 포함한다.
다른 실시예에서, 상기 사전결정된 스케줄은 제 1 국면을 포함하며, 상기 제 1 국면에서, 상기 열 소스의 온도는 사전결정된 기간 동안 점진적으로 증가한다.
다른 실시예에서, 상기 캐비티 내의 사전결정된 위치는 상기 샘플의 표면에 접촉하지는 않고 인접한다.
다른 실시예에서, 상기 벽판은 석고로 이루어진 코어부, 및 종이로 이루어진 측면부들(faces)을 포함하는 복합 구조체이며, 상기 사전결정된 온도 임계치는 상기 벽판 내의 유기 재료가 타서 없어지도록(burned off) 충분하게 높다.
다른 실시예에서, 상기 사전결정된 임계치 온도는 약 250℃ 내지 약 800℃ (약 482°F 내지 약 1472°F)이다.
다른 실시예에서, 상기 샘플은 상이한 벽판 제품 배치들(batches) 간에 변할 수 있는 물리적 및 화학적 특성들을 가지며, 상기 샘플은 특정 배치에 있어서 상기 물리적 및 화학적 특성들을 나타내며, 상기 표준 테스트에서의 특정 화재 성능은 목표된 벽판 설계 파라미터이며, 상기 테스트 방법은 상기 특정 벽판 생산 배치에 대한 최종 공정 라인 품질 테스트(end-of-line quality test)의 일부이다.
다른 실시예에서, 벽판 샘플의 내화성 및/또는 화재 성능을 테스트하기 위한 방법은, (a) 상기 벽판 샘플을 온도 제어 기능을 갖는 머플 퍼니스의 챔버의 개부 양단에 걸쳐서 장착하는 단계로서, 상기 벽판 샘플의 일 측면은 오븐 온도에 노출되는, 상기 장착하는 단계; (b) 상기 벽판 샘플 및 상기 챔버를 폐쇄하도록 구성된 오븐 도어 간에 캐비티를 생성하는 단계; (c) 상기 캐비티 내의 사전결정된 위치에서 샘플 온도를 시간에 따라서 측정하는 단계; 시간에 대한 샘플 온도를 모니터링하고 이를 컴퓨터-판독가능한 저장 매체를 사용하여서 기록하는 단계; (e) 적어도 부분적으로, 온도 궤적을 생성하고 상기 샘플 온도가 사전결정된 온도 임계치에 도달하는 지수 시간을 결정함으로써 샘플 온도 정보를 분석하는 단계; (f) 상기 컴퓨터 판독가능한 저장 매체를 사용하여서 상기 지수 시간을 상기 표준 테스트의 화재 성능과 상관시키는 단계; 및 (g) 상기 상관결과에 기초하여서, 상기 표준 테스트에서의 상기 벽판의 화재 성능을 예측하는 단계를 포함한다.
다른 실시예에서, 표준 테스트는 스터드들로 2개의 벽판 층들을 연결시킴으로써 구축된 샘플 벽 조립체를 노출시키는 단계, 상기 벽 조립체의 일 측면을 화염 소스에 노출시키는 단계, 및 상기 벽 조립체의 반대 측면을 모니터링하는 단계를 포함한다.
다른 실시예에서, 상기 캐비티 내의 사전결정된 위치는 상기 샘플의 기하학적 중앙에 대응한다.
다른 실시예에서, 상기 오븐 온도는 사전결정된 스케줄에 따라서 증가한다.
다른 실시예에서, 상기 사전결정된 스케줄은 제 1 국면을 포함하며, 상기 제 1 국면에서, 상기 오븐 온도는 사전결정된 기간 동안 점진적으로 증가한다.
다른 실시예에서, 상기 캐비티 내의 사전결정된 위치는 상기 캐비티를 적어도 부분적으로 구획하는 상기 샘플의 표면에 인접한다.
다른 실시예에서, 상기 벽판은 석고로 이루어진 코어부, 및 종이로 이루어진 측면부들을 포함하는 복합 구조체이며, 상기 사전결정된 온도 임계치는 상기 벽판 내의 유기 재료가 타서 없어지도록 충분하게 높다.
다른 실시예에서, 상기 사전결정된 임계치 온도는 약 250℃ 내지 약 800℃ (약 482°F 내지 약 1472°F)이다.
다른 실시예에서, 상기 샘플은 상이한 벽판 제품 배치들(batches) 간에 변할 수 있는 물리적 및 화학적 특성들을 가지며, 상기 샘플은 특정 배치에 있어서 상기 물리적 및 화학적 특성들을 나타내며, 상기 표준 테스트에서의 특정 화재 성능은 목표된 벽판 설계 파라미터이며, 상기 테스트 방법은 상기 특정 벽판 생산 배치에 대한 최종 공정 라인 품질 테스트의 일부이다.
다른 실시예에서, 벽판을 생성하기 위한 방법은, (a) 복합 벽판 구조체의 코어부를 형성하기 위해서 석고 슬러리의 특정 배치(batch)를 사용하여서 제조 설비에서 상기 복합 벽판 구조체를 구축하는 단계; (b) 상기 복합 벽판 구조체의 샘플을 추출하는 단계; (c) 풀-스케일 테스트에서의 상기 복합 벽판 구조체의 화재 성능이 외삽되도록(extrapolated) 소형 스케일 테스트로 샘플을 테스트하는 단계로서, 상기 테스트는 (i) 상기 샘플을 상기 샘플의 일 측면이 열 소스에 노출되도록 픽스처 내로 장착시키는 단계; 상기 샘플 및 상기 픽스처 간에 캐비티를 생성하는 단계로서, 상기 샘플은 상기 열 소스 및 상기 캐비티 간에 배치되는, 상기 캐비티를 생성하는 단계; (ii) 상기 캐비티 내의 사전결정된 위치에서의 온도를 시간에 따라서 측정하는 단계; (iii) 시간에 따라서 상기 온도를 모니터링하고, 컴퓨터-판독가능한 매체를 사용하여서 일련의 온도 판독치들을 기록하는 단계; (iv) 적어도 부분적으로, 상기 시간에 따른 일련의 온도 판독치들의 온도 궤적을 생성하고, 상기 온도가 상기 캐비티 내의 사전결정된 위치에서 사전결정된 온도 임계치에 도달하는 지수 시간을 결정함으로써 상기 일련의 온도 판독치들을 분석하는 단계; (v) 상기 컴퓨터-판독가능한 매체를 사용하여서 상기 지수 시간을 상기 풀-스케일 테스트와 상관시키는 단계; (vi) 상기 상관결과에 기초하여서, 상기 풀-스케일 테스트에서의 상기 복합 벽판 구조체의 화재 성능을 예측하는 단계에 의해서 수행되는, 상기 샘플을 테스트하는 단계; 및 (vii) 상기 복합 벽판 구조체의 화재 성능이 허용가능한 파라미터들 내에 있는 것으로 예측되면 소비자에게로의 판매를 위해서 상기 복합 벽판 구조체를 방출하는 단계를 포함한다.
선행하는 바들은 단지 실시예들의 실례들뿐이라는 것이 주목될 수 있다. 다른 예시적인 실시예들이 본 명세서에서의 설명 전체로부터 명백하다. 이러한 실시예들 각각은 본 명세서에서 제공된 다른 실시예들과 다양한 조합들로 해서 사용될 수 있다는 것이 또한 본 기술 분야의 당업자에게 이해될 것이다.
다음의 실례들은 본 발명을 더 예시하지만, 물론 그의 범위를 한정하는 방식으로 해석되어서는 안 된다. 3개의 예시적인 테스트 결과들이 풀-스케일 테스트들로 벽판 샘플들의 화재 성능을 예측할 시에 테스트 시스템(200)의 유효성을 예시하도록 논의될 것이다.
실례 1
이 제 1 실례에서, 테스트 결과들의 반복가능성이 결정되고자 했다. 알려진 바와 같이, 양호한 반복가능성은 자연과학적 연구 또는 품질 테스트에서 새로운 테스트 방법이 허용되는데 있어서 전제조건이다. 이러한 프로젝트에 있어서, 양호한 반복가능성은 제법 및 구조에 의해서 초래되는 작은 온도 변화들을 검출하기 위해서 요구된다. 새로운 소형 스케일 화재 테스트의 반복가능성을 개선시키는 과정에서, 열전대, 예를 들어서, 열전대(218)(도 2)의 위치가 테스트 결과들에서 온도 프로파일 가변성을 저감시키기 위해서 중요하다는 것이 발견되었다. 도 2에 도시된 테스트 장치를 참조하여서, 도어(208)에서 샘플(212)의 표면(215)까지의 상당한 온도 구배가 10 내지 26.67℃(50 내지 80° F)의 범위로 캐비티(214) 내에 존재하였다고 판정되었다. 열전대(218)의 위치가 고정되지 않으면, 측정 편차들이 이러한 온도 구배로 인해서 발생할 것이다.
샘플의 특성들을 최상으로 측정하고 캐비티(214)를 통한 열 전달의 영향을 줄이기 위해서, 열전대(218)의 감지 팁은 샘플의 표면(215) 근처에 그러나 샘플 내로 들어가지 않게 배치된다. 시험 샘플들에 대한 측정치들은 소형 스케일 화재 테스트가 우수한 반복가능성을 보였음을 드러냈다.
4개의 상이한 샘플들에 대한 도 2에 도시된 테스트 장치로부터 획득된 일 세트의 데이터가 도 4의 그래프에서 그래픽 형태로 도시된다. 이 그래프에서, 시간은 시:분:초 형식으로 수평 축을 따라서 플롯팅되고, 화씨로 표현된 온도는 수직 축을 따라서 플롯팅된다. 각 샘플에 대해서, 온도는 열전대(218)(도 2)에 의해서 획득되며, 오븐(202)은 동일한 조건들에서 동작하였다. 그래프에서 볼 수 있는 바와 같이, 4개의 온도 궤적들 각각은 실질적으로 서로 중첩하거나, 획득된 보다 높은 온도 판독치들에 대해서는 서로 ± 2% 내에 있다. 테스트된 4개의 샘플들은 상이한 생산 배치들로부터 취해진 벽판 피스들(pieces)로 구성된다. 각 샘플의 특성들 및 치수들은 아래의 표 1에서, 도 4에 도시된 바와 같은 해당 샘플에 대응하는 온도 궤적을 식별하는 것과 함께 제공된다.
도 4 표현 평량
(lbs/1000ft2)		 두께
(인치)
샘플 1 긴 파선 1765 0.628
샘플 2 쇄선 1771 0.629
샘플 3 실선 1767 0.629
샘플 3 짧은 파선 1789 0.633
이 4개의 샘플들의 테스트는 본 소형 스케일의 화재 테스트 시스템(200)(도 2)이 우수한 반복가능성을 가짐을 드러내었다.
실례 2
제 2 실례에 있어서, 본 명세서에서 내화성 지수(FEI)로 지칭되는, 테스트된 샘플들의 예상된 또는 예측된 화재 성능을 정량적으로 특성화하는 시간-관련 파라미터는 온도 궤적들을 고려함으로써 결정되었다. FEI는 ASTM E119에 따른 풀-스케일 화재 테스트 하에서 테스트된 각 대응하는 샘플의 내화성을 예측하는데 사용된다. FEI는 소형 스케일 화재 테스트 시에 테스트 시편의 후측면이 315.6 ℃(600°F)에 도달하는데 필요한 시간으로서 규정된다. 이 온도 315.6 ℃(600°F)는 임의적이며, 상이한 목적들에 따라서는 달라질 수 있다. 예를 들어서, 사전결정된 임계치 온도는 약 250℃ 내지 약 800℃(약 482°F 내지 약 1472°F)일 수 있다. 본 개시된 실시예들에서, 임계치 온도 315.6 ℃(600°F)는 이 온도가 벽판의 코어부 내에 존재하는 가장 연소가 잘되는 물질들이 충분하게 불타서 제거되어서 열의 최대량이 보드를 통해서 전달될 수 있도록 보장하는 충분하게 높은 온도이기 때문에 선택된다. 또한, 이 온도에서, 풀-스케일 화재 테스트 조립체의 벽 조립체 내의 벽 캐비티에 걸친 임의의 온도 구배들이 최대화될 수 있다. 적어도 이러한 측면들로부터,테스트 샘플(212)(도 2)의 후측 표면이 약 315.6 ℃(600°F)에 도달하는데 걸리는 시간이 샘플의 화재 성능의 대표적 표시자로서 선택되었다.
본 발명에 따른 소형 스케일의 화재 테스트의 사용에 의해서 결정된 4개의 상이한 샘플들에 대한 FEI와 UL® U419 표준 테스트에 따라서 수행된 풀-스케일 화재 테스트 간의 상관관계가 도 5에 도시된다. 이 도면에서, A, B, C 및 D로 참조부여가 부여된 4개의 지점들이 2개의 축에 대해서 플롯팅된다. 분으로 표현된 FEI는 수평 축을 따라서 플롯팅되고, 각 샘플에 대한 UL® U419 내화성이 수직 축을 따라서 플롯팅된다. 따라서, 각 지점은 4개의 샘플들 각각에 대한 FEI 및 UL® U419 내화성 양자를 나타낸다. 직선 E는 4개의 지점들을 피팅한 것이다. 직선 E은 R2=0,9565의 피팅 품질(fit quality)을 가지며, 이는 양호한 피팅을 나타내며, 따라서 각 샘플에 대해서 결정된 FEI와 이에 대응하는 UL® U419 내화성 간의 양호한 상관성을 나타낸다. 동일한 방식으로, 상관관계들이 다른 타입들의 표준 테스트, 예를 들어서, UL® U305 테스트 및 UL® U423 테스트에 대해서도 결정되었다.
실례 3
이 제 3 실험에서, 보드들에 대한 화재-저항성 처리 효과 및 본 명세서에서 기술된 소형 스케일 테스트를 사용하여서 결정된 FEI를 기초한 풀-스케일 테스트 결과들의 예측성(predictability)이 판정 및 확인되었다. 따라서, 두께 0.617 인치, 평량(basis weight) 762.5 킬로그램 (1681 lbs)/1000 ft2, 및 밀도 14.84킬로그램(32.72lbs)/ft3 를 갖는 제어 샘플이 제조 라인 상에서 생산되었다. 6.625 인치x6.125 인치로 측정된 2개의 샘플 피스들이 상기 제어 샘플의 4ft x 10ft 보드로부터 절단되었다. 2개의 샘플 피스들 중 하나는 그의 열 전달 레이트를 감소시키기 위한 화재-저항성 처리를 받았으며, 적어도 24 시간 동안 컨디셔닝되었다(conditioned). 이어서, 처리 샘플 피스 및 미처리 샘플 피스가 시스템(200)(도 2)에서 테스트되어서 본 명세서에서 기술된 소형 스케일의 화재 테스트를 사용하여서 그들 각각의 FEI가 결정되었다. 2개의 샘플들 각각에 대한 온도 궤적들이 도 6에 도시는데, 이 도면에서 시간은 수평 축을 따라서 플롯팅되고, 각 샘플의 후측면의 온도는 수직 축을 따라서 플롯팅된다. 도 6의 차트에서, 실선(302)은 미처리 샘플에 대한 온도 궤적을 나타내며, 파선(304)은 처리 샘플에 대한 온도 궤적을 나타내며, "FEI" 라인은 온도 315.6℃(600°F)로부터 수평으로 연장되어서 양 샘플들에 대한 FEI 지수들을 표시한다.
도 6의 그래프에서 계산될 수 있는 바와 같이, FEI는 미처리 샘플 피스, 즉, 제어 샘플에 대해서 48.0 분이며, FEI는 처리 샘플 피스에 대해서는 52.0 분이다. 소형 스케일 테스트에 기초하여서, 처리가 적용됨으로써 내화성이 4분 개선된 것이 예측되었다. 시험 보드들을 사용하는 풀-스케일 UL® U419 테스트가 또한 수행되어서 상기 4분 개선 예측을 확인하였다. 풀-스케일 테스트를 위해서, 시험 보드들이 제어 샘플이 이전에 제조되었던 제조 설비와 동일한 제조 설비에서, 소형-스케일 화재 테스트에 대해서 사용되었던 바와 동일한 보드 제법을 사용하여서 제조되었다. 풀-스케일 테스트를 위한 샘플 보드들이 측정되어서 보드 두께 0.620 인치, 평량 781.5 킬로그램 (1723 lbs)/1000 ft2, 및 밀도 15.13 킬로그램(33.35lbs)/ft3를 갖는다고 결정되었다. 소형 스케일 테스트에서 사용된 샘플과 동일한 방식으로, 특정 샘플 보드들이 화재-저항성 처리를 받았으며 24 시간 동안에 컨디셔닝되었다. 이어서, 처리 보드 및 미처리 보드 모두가 UL® U419 테스트를 위한 적합한 조립체 설계로 해서 표준 풀-사이즈 화재 테스트를 받았다. 처리 보드 샘플 및 미처리 보드 샘플을 사용한 풀 스케일 UL® U419 화재 테스트의 내화성 결과들이 도 7에서 도시되며, 이 도면에서 테스트 시간은 수평 축을 따라서 플롯팅되고, 샘플들의 비노출된 표면들의 온도가 수직 축을 따라서 플롯팅된다.
도 7에서, 파선 곡선(306)은 미처리 샘플에 대한 온도 궤적을 표현하며, 실선 곡선(308)은 처리 샘플에 대한 온도 궤적을 표현한다. 이전에 언급한 바와 같이, UL® U419 테스트에 대한 내화성은 보드들의 비노출된 표면들이 주변 온도보다 121.1℃(250°F)도 높은 온도에 도달하는데 필요한 시간이다. 테스트의 이러한 조건들에 기초하여서, 제어 보드(곡선(306))는 49 분 53초의 내화성을 가졌으며, 처리 보드(곡선(308))는 53 분 16 초의 내화성을 가졌다고 결정되었다. 달리 말하면, 상기 처리는 약 3 분 23 초만큼 보드 내화성을 증가시킨다고 보였다. 본 실례에서의 화재 테스트 결과들은 양 절대 값들 및 처리 샘플과 미처리 샘플 간의 차의 측면에서 소형 스케일의 화재 테스트가 유효하다고 입증하였다.
일반적으로, 본 발명은 소형 스케일로 벽판과 같은 건물 자재들의 내화성 및/또는 화재 저항성을 테스트하는데 적용가능하다. 풀-스케일 테스트 시에, 사전결정된 치수들을 갖는 벽 조립체들이 2개의 스킨(skin) 층들 및 건축용 재료의 지지 층을 사용하여서 조립된다. 이러한 벽 조립체들이 점화 소스에 노출되어서 상기 건축용 재료의 화재 저항성 및/또는 내화성을 결정한다. 이러한 표준화된 테스트 절차들의 시간 및 비용으로 인해서, 제조 환경에서 정규적으로 하는 품질 제어 및 테스트를 위해서 벽판 제조자들과 같은 건축용 재료 제조자들에 의해서 이러한 절차들은 정규적으로 사용되기에는 적합하지 않게 된다. 또한, 기존의 소형 스케일 테스트들은 표준 테스트 결과들과의 상관성을 유지하는 결과들을 산출할 수 없다.
본 발명은 유리하게는 표준 테스트 기법들에 의해서 생성된 결과들과의 강한 상관성을 유지하는 반복가능한 결과들을, 이러한 표준 테스트들에서 요구되는 시간 및 비용의 일부만을 사용하여서 산출하는 소형 스케일의 화재 테스트 시스템 및 방법과 관련된다. 이러한 방식으로, 소형 스케일 테스트들이 사용되어서, 예를 들어서, 새로운 건축용 재료 화재 저항성 기술들을 개발할 때와 같이, 연구 목적들을 위해서 테스트를 신속하게 그리고 비용-효과적으로 수행할 수 있으며, 일관된 품질 및 성능을 보장하기 위해서 제조된 제품들에 대한 주기적 테스트를 수행할 수 있으며, 이러한 바는 이전에는 가능하지 않았다.
본 발명에 따른 테스트 방법의 흐름도가 도 8에 도시된다. 기술된 테스트 방법은 예시적인 실시예로서 벽판 테스트의 맥락에서 기술될 것이지만, 본 방법은 시멘트 보드, 천장 타일과 같은 다른 제품들 및 다른 건축용 제품들을 테스트하는데에도 적용가능하다는 것이 인정되어야 한다. 본 방법에 따라서, 사전결정된 치수들을 갖는 테스트될 샘플이 402에서 획득된다. 캐비티가 샘플의 후면과 오븐 도어 간에서 구획되도록 샘플이 오븐 챔버 내에 오븐 도어와 이격되게 배치된다(404). 일 실시예에서, 스페이서가 샘플 및 도어 간에 배치되어서 샘플 주변의 오븐 챔버를 밀봉시킨다. 오븐은 406에서 동작하여서 샘플의 전면을 가열한다. 샘플의 전면 가열 동안에, 열은 샘플을 통해서 전달되어서 샘플의 후면의 온도를 증가시킨다. 일 실시예에서, 오븐 챔버는 사전결정된 가열 프로파일에 따라서 가열되는데, 이 프로파일에서는 제 1 기간 동안에는 온도는 점진적으로 증가하고, 이어서 제 2 기간 동안에는 대체적으로 일정하게 유지된다.
샘플 및 오븐 도어 간의 캐비티 내의 온도 구배들이 어떠할지라도, 온도가 캐비티 내의 사전결정된 위치에서 감지된다(408). 감지된 온도는 데이터 취득부에 제공되며(410), 데이터 취득부에서 온도가 시간에 대해서 기록된다. 온도 정보가 분석되어서 감지된 온도가 사전결정된 임계치에 도달하는데 필요한 기간이 결정된다(412). 일 실시예에서, 사전결정된 온도는 315.6 ℃(600°F)이다. 테스트 프로세스 시에, 사전결정된 임계치 온도에 도달하였는지에 대한 판정이 이루어진다(414). 온도가 임계치 온도 미만이면, 가열 프로세스가 계속되고 온도 정보가 계속하여서 수집되고 분석된다. 사전결정된 온도에 도달하였거나 이를 초과하였으면, 사전결정된 온도에 도달할 때까지 걸린 기간이, 예를 들어서, 이른바 내화성 지수(FEI)로서 기록되며, 테스트가 완료되었기에 종료된다.
건축 산업에서 사용되는 바와 같은, 통상적인 조성 및 두께를 갖는 벽판 샘플들에 대해서, 샘플들이 사전결정된 온도에 도달하는데 걸리는 통상적인 시간들은
45 분 내지 60 분 간의 어느 지점 또는 그 이상일 수 있으며, 이는 샘플링 및 샘플 준비까지 포함하여서 본 명세서에 기술된 소형 스케일 테스트가 4 시간보다 짧은 시간에 완료될 수 있다는 것을 의미한다. 이는 한 명의 기술자가 단일 교대 근무 시에 약 2개 또는 3개의 완료 테스트들을 수행할 수 있다는 것을 의미하며, 이로써 본 테스트는 벽 보드 생산 설비들에서 최종 공정 라인 품질 제어 테스트로서 제조 환경에서 사용되기에 적합하다. 구체적으로, 본 명세서에서 기술된 소형 스케일 테스트는 벽판 제조 설비에서 정규적으로 사용되어서 내화성 및/또는 화재 저항성에 대하여 일관된 품질을 보장하기 위해서 생산된 벽판의 각 배치를 테스트할 수 있다고 사료된다.
알려진 바와 같이, 프로세싱되는 벽판 제조는 다양한 단계들을 포함한다. 가장 상업적으로 입수가능한 석고 보드들(천장 패널들 또는 벽 보드들)은 석고 코어부 및 보드의 각 측면에 있는 커버 시트로 구성된 복합 구조체들이다. 코어부는 통상적으로는 석고 및 녹말 바인더를 포함한다. 커버 시트들은 셀룰로오스 종이이거나 유리섬유 매트(fiberglass mat)일 수 있다. 보드가 벽 내로 내장될 때에 보이는 측면인, 보드의 전면 측 상의 종이는 페인팅 또는 다른 마감처리들에 적합한 평탄한 텍스처를 갖는다. 스터드 또는 다른 건물 구조체에 연결된 보드의 측면인 보드의 후면 측 상의 종이는 보다 거친 텍스처를 가질 수 있다. 보드의 전면 측 상의 종이는 그의 표면 상에 백색 라이너(liner)를 가진다는 점에서 보드의 후면 측 상의 종이와는 상이할 수 있다.
석고 보드들의 포밍(formation) 동안에, 물을 스투코(소성된 석고), 녹말, 가속화제 및/또는 다른 첨가제들과 사전결정된 비율로 혼합함으로써 슬러리가 준비된다. 연속형 종이 웹(web) 또는 유리 매트가 제 1 커버 시트로서 컨베이어 상에 배치된다. 상기 슬러리가 상기 웹 상에 퇴적되며 사전결정된 두께로 웹의 폭에 걸쳐서 퍼지며 이로써 보드의 코어가 형성된다. 제 2 시트는 습한 슬러리의 상단 상에 배치되어 이른바 "엔벨로프(envelop)"를 형성한다. 보드가 컨베이어를 따라서 이동함에 따라서, 스투코는 점진적으로 수화되고 "엔벨로프" 내의 슬러리는 경화된다. 적어도 부분적으로 경화된 슬러리는 측면 종이들과 함께, 목표 크기들을 갖는 보드들로 절단되고, 건조를 위해서 가마 속으로 운반된다.
가마 내에서, 습한 보드들은 목표된 레벨의 자유 수분 함량으로 건조된다. 이로써 생성된 보드들은 상이한 크기들로 더 처리될 수 있다. 석고 보드들의 통상적인 1.27 센티미터(½인치) 및 1.587 센티미터(5/8 인치)이지만, 0.635 센티미터 (¼인치) 내지 2.54 센티미터(1 인치)의 범위에 있을 수도 있다. 가마 건조 및 선택사양적으로 휴지 기간(resting period) 후에, 보드 샘플들이 절단되어서 내화성 및/또는 화재 저항성에 대하여서 제조된 보드들의 품질을 제어하는 것의 일부로서 본 명세서에서 기술된 소형 스케일 테스트를 사용하여서 테스트될 수 있는 것이 고려된다.
전술한 설명은 개시된 시스템 및 기법의 실례들을 제공한다는 것이 인정될 것이다. 그러나, 본 발명의 다른 구현예들은 전술한 실례들과는 세부적으로 상이할 수 있다는 것이 고려된다. 본 발명 또는 본 발명의 실례들에 대한 모든 참조들은 해당 부분에서 기술되는 특정 실례를 참조하는 것으로 의도되며, 보다 일반적으로 본 발명의 범위에 대한 임의의 제한을 암시하는 것으로 의도되지는 않는다. 특정 특징들에 대한 구별 및 기술의 모든 언어들은 이러한 특징들에 대한 선호사항의 부재를 지시하지만, 달리 지시되지 않는다면 본 발명의 범위로부터 이러한 바를 완전히 배제하지 않는 것으로 의도된다.
본 명세서에서의 값들의 범위를 한정하는 것은 본 명세서에서 달리 언급되지 않는다면 해당 범위 내에 속하는 각 개별 값을 개별적으로 참조하는 약칭(shorthand) 방법 역할을 하는 것으로 단지 의도되며, 각 개별 값이 본 명세서에서 개별적으로 한정된다고 가정되면, 이 개별 값은 명세서 내에 포함된다. 본 명세서에서 기술되는 모든 방법들은 본 명세서에서 달리 지시되거나 이와 달리 문맥상 명료하게 반박되지 않는 이상 임의의 적합한 순서로 수행될 수 있다.
본 발명을 기술하는 맥락에서(특히, 다음의 청구항들의 맥락에서) 명사의 단수형 표현 및 용어 "적어도 하나" 및 유사한 지시대상들의 사용은 본 명세서에서 달리 지시되거나 문맥상 명료하게 반박되지 않는 이상 명사의 단수형 및 복수형을 모두 포함하는 것으로 해석되어야 한다. 하나 이상의 항목들의 리스트 뒤에 오는 용어 "적어도 하나"의 사용(예를 들어서, "A 및 B 중 적어도 하나")은, 본 명세서에서 달리 지시되거나 문맥상 명료하게 반박되지 않는 이상, 열거된 항목들로부터 선택된 하나의 항목(A 또는 B) 또는 열거된 항목들 중 2개 이상의 항목들의 임의의 조합(A 및 B)을 의미하는 것으로 해석되어야 한다.
따라서, 본 발명은 본 명세서에 첨부된 청구항들에서 인용된 청구 대상의 모든 수정사항들 및 균등사항들을 적용가능한 법률에 의해서 허용되게 포함한다. 또한, 상술한 요소들의 모든 가능한 변형들 내에서 상술한 요소들의 임의의 조합은 본 명세서에서 달리 지시되거나 이와 달리 문맥상 명료하게 반박되지 않는 이상, 본 발명에 의해서 포함된다.

Claims (10)

  1. 표준 테스트에서의 벽판 화재 성능을 예측하기 위한 방법으로서,
    테스트될 벽판 샘플(212)을 상기 샘플의 일 측면이 열 소스(210)에 노출되도록 픽스처(fixture)(200) 내로 장착시키는 단계;
    상기 샘플과 상기 픽스처 간에 캐비티(cavity)(214)를 생성하는 단계로서, 상기 샘플은 상기 열 소스와 상기 캐비티 간에 배치되는, 상기 캐비티를 생성하는 단계;
    상기 캐비티(218) 내의 사전결정된 위치에서의 온도를 시간에 따라서 측정하는 단계;
    시간에 따라서 상기 온도를 모니터링하고, 컴퓨터-판독가능한 매체(220)를 사용하여서 일련의 온도 판독치들을 기록하는 단계;
    적어도 부분적으로, 상기 시간에 따른 일련의 온도 판독치들의 온도 궤적을 생성하고, 상기 온도가 상기 캐비티 내의 사전결정된 위치에서 사전결정된 온도 임계치에 도달하는 지수 시간(index time)을 결정함으로써 상기 일련의 온도 판독치들을 분석하는 단계;
    상기 컴퓨터-판독가능한 매체를 사용하여서 상기 지수 시간을 상기 표준 테스트의 화재 성능과 상관시키는 단계; 및
    상기 상관결과에 기초하여서, 상기 표준 테스트에서의 상기 벽판의 화재 성능을 예측하는 단계를 포함하는, 벽판 화재 성능 예측 방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 표준 테스트는 스터드들(studs)로 2개의 벽판 층들을 연결시킴으로써 구축된 샘플 벽 조립체를 노출시키고, 상기 샘플 벽 조립체의 일 측면을 열 소스에 노출시키고, 상기 샘플 벽 조립체의 반대 측면을 모니터링하는 것을 포함하는, 벽판 화재 성능 예측 방법.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 방법은 벽판 샘플의 내화성 및/또는 성능을 테스트하기 위해서 수행되며, 상기 방법은 상기 상관결과에 기초하여서 상기 벽판의 내화성을 결정하는 단계를 더 포함하는, 벽판 화재 성능 예측 방법.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 픽스처는 가열을 받는 내부 챔버(206) 및 상기 내부 챔버를 폐쇄하는 도어(208)를 갖는 머플 오븐(muffle oven)을 포함하며, 상기 샘플은 상기 내부 챔버의 개부(opening) 양단에 걸쳐서 그리고 도어 개부로부터 이격되게 연장되도록 장착되며, 상기 도어가 폐쇄 위치에 있을 때에, 상기 캐비티는 상기 샘플 및 상기 도어 간에서 상기 이격된 거리를 따라서 구획되는, 벽판 화재 성능 예측 방법.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 샘플을 상기 열 소스에 노출시키는 것은 사전결정된 스케줄에 따라서, 상기 열 소소의 강도, 및 이로써 상기 열 소스의 온도를 증가시키는 것을 포함하는, 벽판 화재 성능 예측 방법.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 사전결정된 스케줄은 제 1 국면(phase)을 포함하며, 상기 제 1 국면에서, 상기 열 소스의 온도는 사전결정된 기간 동안 점진적으로 증가하는, 벽판 화재 성능 예측 방법.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 캐비티 내의 사전결정된 위치는 상기 샘플의 표면에 접촉하지는 않고 인접한, 벽판 화재 성능 예측 방법.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 벽판은 석고로 이루어진 코어부, 및 종이로 이루어진 측면부들(faces)을 포함하는 복합 구조체이며, 상기 사전결정된 온도 임계치는 상기 벽판 내의 유기 재료가 타서 없어지도록(burned off) 충분하게 높은, 벽판 화재 성능 예측 방법.
  9. 제 1 항에 있어서,
    상기 사전결정된 임계치 온도는 약 250℃ 내지 약 800℃(약 482°F 내지 약 1472°F)인, 벽판 화재 성능 예측 방법.
  10. 제 1 항에 있어서,
    상기 샘플은 상이한 벽판 제품 배치들(batches) 간에 변할 수 있는 물리적 및 화학적 특성들을 가지며, 상기 샘플은 특정 배치에 있어서 상기 물리적 및 화학적 특성들을 나타내며, 상기 표준 테스트에서의 특정 화재 성능은 목표된 벽판 설계 파라미터이며, 상기 테스트 방법은 상기 특정 벽판 생산 배치에 대한 최종 공정 라인 품질 테스트(end-of-line quality test)의 일부인, 벽판 화재 성능 예측 방법.
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