KR20220083182A - 화재 시 가연성 물질에 대한 종합적인 화재 위험성 평가 - Google Patents

화재 시 가연성 물질에 대한 종합적인 화재 위험성 평가 Download PDF

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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-III (smoke performance index-III, SPI-III) 및 연기성장지수-III (smoke growth index-III, SGI-III)의 등급 평가지수에 의하여 평가하는 방법과 연기성능지수-III 및 연기성장지수-III 두 값의 상관관계를 표현하는 연기위험성지수-IV (smoke risk index-IV, SRI-IV)를 이용한 연기위험성에 대한 종합적인 평가 방법에 관한 것이다.

Description

화재 시 가연성 물질에 대한 종합적인 연기 위험성 평가{Comprehensive smoke risk assessment for combustible materials in case of fire}
본 발명은 목재 및 가연성 물질의 화재 시 연기 위험성 등급을 평가하는 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 삼나무, 나왕, 폴리메타크릴산메틸 (polymethyl methacrylate, PMMA), 폴리염화비닐 (polyvinyl chloride, PVC) 의 연소가스 발생에 관한 시험을 통하여, 시험편에서 발생되는 연소가스의 연기 위험성 등급을 무차원 지수인 연기성능지수-III (smoke performance index-III, SPI-III) 및 연기성장지수-III (smoke growth index-III, SGI-III)의 평가지수에 의하여 평가하는 방법에 관한 것이다. 또한 종합적인 연기 위험성을 연기성능지수-III와 연기성장지수-III와의 상관관계를 이용한 지수인 연기위험성지수-IV (smoke risk index-IV, SRI-IV)를 이용하여 연기 위험성을 종합적으로 평가하는 방법에 관한 것이다.
목재 및 유기 고분자 물질을 포함한 기타 가연물은 연소 시 발생되는 연소가스와 연기에 의한 피해가 많이 발생한다. 특히, 연기는 화재발생 시 인명피해에 있어서 제일 큰 비중을 차지한다.
이들의 가연성에 대한 문제점을 보완하기 위해 국내·외적으로 화재성능을 기반으로 한 법규 등을 제정·시행하고 있으며, 목재 및 가연물의 연소속도를 예측하기 위한 연구들이 활발히 진행되고 있다.
높은 온도, 거대한 열방출률 그리고 빠른 화재 성장을 수반하는 유기 고분자 물질의 연소는 많은 양의 연기와 독성 가스를 발생한다. 연소 과정 동안 고분자 사슬과 첨가제 사이의 물리적 및 화학적 상호 작용의 복잡성은 복합재의 화재 거동에 대한 예측을 어렵게 만든다. 이처럼 가연성 재료의 화재 거동을 예측하는 데에는 많은 어려움이 따르지만 이에 대한 연구는 다양하게 진행되어 왔다.
화재 시 가연성 재료의 비열적 유해 요소는 연기, 냄새, 부식, 독성 등에 의한 것이다. 이러한 비열적 유해 요인으로 인한 화재 피해는 화염에 직접 노출되는 것 보다 피해자들의 약 75∼80%가 산소결핍과 연기 및 독성가스 등의 흡입에 의한 것으로 밝혀졌다. 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.
종래의 건자재 및 내구재는 화재 시 인체에 유해한 독성가스의 발생 및 연기에 대한 피해로 인하여 인명사고에 대한 피해가 컸다. 따라서 다양한 목재 및 가연성 물질의 연소특성과 화재위험 특성 규명에 관한 지속적인 연구가 필요하다고 판단되어 일부 가연성 재료를 대상으로 화재위험 특성을 평가하고자 한다.
연기측정은 Beer-Bouguer-Lambert 법칙을 원리로 하는 콘칼로리미터 (cone calorimeter)를 이용하여 측정하고자 한다.
종래에 콘칼로리미터를 이용한 시험에서는 연기생성을 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 연기성능지수 (SPI), 연기성장지수 (SGI), 연기강도 (SI), 연기성능지수-II (SPI-II) 및 연기성장지수-II (SGI-II)를 사용하고 있으나 이것은 열과 연기에 대한 화재 위험성을 평가하지만 재료의 연기위험성의 정도를 등급으로 정량화하지는 못한다. 그러므로 이를 이용하여 화재 시 화재위험성 특성을 기준물질을 이용하여 표준화하여 연기위험성 등급을 평가할 수 있는 방법으로 확장시킬 필요가 있다.
선행 연구에서는 연기위험성 평가 방법으로 Chung’s equations 1, 2, 3을 정립하였고 또 이를 더욱 정량적이고 정밀한 연기 위험성 평가의 확장성을 구현하기 위해 Chung’s equations-II에 의한 연기 위험성 평가 방법이 보고된 바 있다. 즉, 이를 정리하면 연기위험성은 하기 수학식 (6)과 같은 상관관계가 된다.
[수학식 6]
Figure pat00001
연기위험성은 연기성능지수-II가 낮고 연기성장지수-II가 높을수록 높아진다. 이것은 화재 초기 연기위험성을 제시하기 위한 것으로 새로운 연기지수간의 상관관계를 확장시킴으로써 연기 등급을 종합적으로 평가하기 위한 기초 자료로 사용하기 위함이다. 따라서 본 발명에서는 새로운 Chung’s equations III인 연기성능지수-III (smoke performance index-III, SPI-III)와 연기성장지수-III (smoke growth index-III, SGI-III)를 고안하여 연기위험성 등급을 평가하고 새로운 Chung’s equation IV인 연기위험성지수-IV (smoke risk index-IV, SRI-IV)를 고안하여 종합적인 연기위험성을 평가하고자 한다. 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.
본 발명에서는 건자재 및 내장재로 주로 사용되고 있는 삼나무, 적송, PMMA, PVC를 시험재료로 사용하여 화재 시 목재, 플라스틱, 난연 처리된 물질, 섬유 등의 모든 가연성 물질의 연기위험성을 등급화하고자 하였다. PMMA를 기준물질로 사용하여 연기위험성을 무차원지수로 등급화하여 연기위험성 평가 방법으로 이용하고, 이를 확장하여 화재설계 및 화재 시뮬레이션 데이터의 기초자료로 활용하고자 한다.
본 발명은 상기와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위해 연기 발생에 대한 정량적인 평가 방법 및 실질적인 표현을 제공하면서 기존의 연기 위해성 평가에 대한 단점을 해소하고, 표현의 단점을 보완할 수 있는 방법을 연구하였다. 가연물의 화재 위험성을 효과적으로 평가할 수 있는 핵심 요소 중의 하나인 연소가스의 위해성에 관하여 정량적이고도 가중 평가할 수 있다는 사실을 알게 되어, 기존의 발명에 기준물질을 이용하여 정량적으로 연기위험성 등급을 평가하고자 본 발명을 완성하였다.
따라서 본 발명의 목적은 연기위험성 평가방법을 정량적으로 더 확장하고자 본 발명의 방법으로 기준물질을 이용하여 연기 위험성의 우선순위를 구분함으로써 무차원의 신규한 평가 측정지수 및 정량적 등급 평가지표를 제공하는 것이다. 또한 이들 지수를 이용하여 하나의 수식으로 표현하여 연기 등급 및 연기 위험성을 종합적으로 평가하는 데 목적이 있다.
본 발명은 상기와 같은 목적을 달성하기 위하여, 컴퓨터 시스템에 의해 수행되는 화재 시 연기 위험성의 등급 평가 방법에 있어서, 하기 수학식 1의 연기성능지수-III (SPI-III) 및 하기 수학식 2의 연기성장지수-III (SGI-III)에서 선택되는 하나 이상의 등급 평가지표에 의해 화재 시의 연기 위험성을 판단하는 단계를 포함하고, 하기 수학식 3의 연기위험성지수-IV (SRI-IV)가 연기성능지수-III과 연기성장지수-III의 상관관계로 표현되어 연기위험성 등급 및 연기위험성을 나타내는 화재시 연기 위험성의 등급 평가 방법을 제공한다.
[수학식 1]
Figure pat00002
(상기 수학식 1에서, TTI는 가연성 물질의 착화시간, SPRpeak는 연기발생률의 피크값, PHRR은 열방출률의 피크값을 나타낸다.)
[수학식 2]
Figure pat00003
(상기 수학식 2에서, SPRpeak는 연기발생률의 피크값, PHRR은 열방출률의 피크값, Time to SPRpeak는 SPRpeak에 도달하는 시간을 나타낸다.)
[수학식 3]
Figure pat00004
(상기 수학식 3에서, SPI는 연기성능지수인 smoke performance index의 약어이고 SGI는 연기성장지수인 smoke growth index의 약어를 나타낸다.)
상기 수학식 1의 연기성능지수-III (SPI-III) 값이 기준물질인 PMMA의 값보다 클수록 연기 위험성이 감소하고, 상기 연기성능지수-III (SPI-III) 값이 작을수록 연기 위험성이 증가하는 것으로 이해된다.
상기 수학식 2의 연기성장지수-III (SGI-III) 값이 기준물질인 PMMA의 값보다 클수록 연기 위험성이 높아지고, 상기 연기성장지수-III (SGI-III) 값이 작을수록 연기 위험성이 낮아지는 것으로 이해된다.
상기 수학식 3의 연기위험성지수-IV (SRI-IV) 값이 클수록 연기 위험성이 커지고 반대로 연기위험성지수-IV 값이 작아질수록 연기 위험성이 감소하는 것으로서 연기 위험성을 종합적으로 예측할 수 있다.
상기 수학식 1 및 2에서 SPRpeak, PHRR 및 Time to SPRpeak는 각각 연기발생률의 1차 피크값, 열방출률의 1차 피크값, 1차 SPRpeak에 도달하는 시간을 나타낼 수 있다.
상기 수학식 1 및 2에서 SPRpeak 및 PHRR은 가혹한 조건인 2차 피크값을 우선으로 하며 상기 가연성 재료의 화재패턴에 따라 1차 피크값을 선택할 수 있다.
상기 수학식 2에서 Time to SPRpeak는 가혹한 조건인 2차 피크값에 도달하는 시간을 우선으로 하며 상기 가연성 재료의 화재패턴에 따라 1차 피크값에 도달하는 시간을 선택할 수 있다.
상기 가연성 재료의 화재패턴에 따라 2차 피크값에 도달하는 시간을 선택할 수 있다.
상기 가연성 재료가 목재, 플라스틱 및 섬유를 포함할 수 있다.
상기 시험편은 난연 처리된 가연성 재료일 수 있다.
본 발명은 가연성 물질의 화재 시 연소가스 발생에 의한 연기 위험성 등급을 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-III (smoke performance index-III, SPI-III) 및 연기성장지수-III (smoke growth index-III, SGI-III)의 등급 평가지수에 의하여 평가하는 방법과 연기성능지수-III 및 연기성장지수-III 두 값의 상관관계를 표현하는 연기위험성지수-IV (smoke risk index-IV, SRI-IV)를 이용한 연기위험성에 대한 종합적인 평가 방법에 관한 것이다.
도 1은 콘칼로리미터의 개략도이다.
도 2는 열유속 (heat flux) 50 kW/m2 조건에서 목재 시편의 열방출률 (HRR) 곡선을 나타낸다.
도 3은 열유속 50 kW/m2 조건에서 플라스틱 시편의 열방출률 (HRR) 곡선을 나타낸다.
도 4는 열유속 50 kW/m2 조건에서 목재 시편의 연기발생률 (SPR) 곡선을 나타낸다.
도 5는 열유속 50 kW/m2 조건에서 플라스틱 시편의 연기발생률 (SPR) 곡선을 나타낸다.
도 6은 열유속 50 kW/m2 조건에서 목재 시편의 CO 농도 (ppm) 곡선을 나타낸다.
도 7은 열유속 50 kW/m2 조건에서 플라스틱 시편의 CO 농도 (ppm) 곡선을 나타낸다.
도 8은 열유속 50 kW/m2 조건에서 목재 시편의 CO2 농도 (ppm) 곡선을 나타낸다.
도 9는 열유속 50 kW/m2 조건에서 플라스틱 시편의 CO2 농도 (ppm) 곡선을 나타낸다.
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.
본 발명에서는 건자재 목재 및 플라스틱의 화재위험성을 평가하기 위한 한 부분으로 연기 특성을 중심으로 평가하였다. 연기방출 특성과 관련된 요소로 착화시간 (time to ignition, TTI), 열방출률 (heat release rate, HRR), 연기발생률 (smoke production rate, SPR) 및 최대연기발생률에 도달하는 시간 (time to reach peak smoke release rate, TSPR)을 측정한 후 연기성능지수-II (smoke performance index-II, SPI-II)와 연기성장지수-II (smoke growth index-II, SGI-II)를 평가한 후 PMMA를 기준물질로 무차원의 연기등급지수인 SPI-III 및 SGI-III를 부여하였다. 그리고 연기위험성지수-IV (smoke risk index-IV, SRI-IV)를 이용하여 연기위험성을 등급화하였다. 콘칼로리미터 시험은 PMMA의 우수한 반복성 및 재현성 때문에 이것을 기준물질로 사용한다. 따라서 본 발명에서는 PMMA를 이용하여 각각 물질의 연기위험성 등급을 평가하였다.
<실시예 1> 열방출률 (heat release rate, HRR) 측정
열방출률은 화재의 특성을 제어하고 화재의 발생에 대한 기여도를 나타내며 연소모델링을 하기 위한 중요한 측정값이다. 이것은 시료 표면적당 발생한 순간적인 열량의 크기이며, 재료의 연소 위험성을 가장 잘 나타내는 요소이다. 시험하는 동안에 측정되는 주 연소특성은 열방출률이다. 건축 재료를 열방출률이 낮은 것으로 사용할 경우 화재발생시 연소억제 효과를 기대할 수 있다. 열방출률이 높은 불꽃연소는 화재영역을 성장시키고 발전시키므로 이것은 화재의 세기를 좌우한다. 하기 표 1 및 표 2에 목재시편과 플라스틱의 연소 성질을 제시하였으며 도 1에 콘칼로리미터 (FTT dual analysis cone calorimeter) 개략도를 나타내었다.
Figure pat00005
Figure pat00006
도 2에 나타낸 바와 같이 목재의 열방출률은 모든 시편이 착화 시 갑자기 증가하는 현상을 보인 다음 감소하는 경향성을 보인다. 연소되는 기간 동안 2개의 피크가 공통적으로 나타나는데 연소의 첫 단계에서 1차 피크가 나타나고 불이 꺼지기 전에 2차 피크가 나타난다. 1차 피크는 연소 표면 가까운 곳에서 숯이 형성되기 전에 발생한다. 1차 피크 후 중간 부분은 처음 생성된 숯 층이 두께를 통하여 단열층 역할을 하고 단열효과로 인하여 시료가 점차적으로 연소하기 때문에 감소되는 경향성이 관찰되었다. 2차 피크는 열적 파동이 뒷면 절연층에 도달할 때 일어나고 이런 후면효과 (back effect)로 인하여 열이 축적되어 동시에 많은 열이 방출되기 때문에 나타난다. 최대열방출률 (peak heat release rate, HRRpeak)은 시료 표면적당 발생한 순간적인 열량의 크기로 물질의 연소 위험성을 가장 잘 나타낼 수 있는 요소이다. 목재의 1차 최대열방출률 (HRR1st_peak) 특성은 삼나무 219.89 kW/m2, 적송 245.57 kW/m2으로 나타났다. 이어서 적송의 2차 최대열방출률 (HRR2nd_peak)이 높게 나타난 것은 체적밀도가 클수록 열축적이 커지기 때문인 것으로 예측된다.
또한 도 3에 보인 바와 같이 액체 연소 거동을 보인 PMMA의 1차 최대열방출률 (HRR1st_peak)은 1110.56 kW/m2으로 PVC와 비교하여 높게 나타났다. 이는 연소 시 휘발성이 높기 때문인 것으로 보인다. 그러나 PVC의 경우 탄화하여 단열층을 생성함에 따라 열을 차단하는 효과가 있어 175.09 kW/m2으로 낮게 나타났다. 이것은 비탄화 (non-charring) 시편은 완전히 타버리지만 탄화 (charring) 시편은 비교적 잔여물을 생성한다는 보고와 일치한다. 그리고 열방출률은 탄화 고분자 (charring polymer)보다 비탄화 고분자 (non-charring polymer)에서 더 높게 나타므로 탄화 고분자보다 비탄화 고분자가 화재 위험성이 더 큰 것으로 나타났다.
<실시예 2> 연기 발생 (smoke production): 연기발생률 (SPR) 측정
시간의 변화에 따른 연기발생률 (SPR)은 배기 덕트에서 연기의 체적유량과 감쇠계수와의 곱으로 계산된다. 도 4에 나타낸 바와 같이 삼나무의 연기 생성 속도는 15 s와 275 s에서 두 개의 피크가 나타났다. 이는 대부분의 목재의 열분해 부분과 잘 일치한다. 이것은 화재에 더 많은 표면이 노출됨으로써 나타나는 목재의 균열과 연소가스의 갑작스런 방출의 결과이다.
상기 표 1과 도 4에 나타난 바와 같이 삼나무와 적송의 1차 최대연기발생률 (SPR1st_peak)은 각각 0.0344 m2/s와 0.0315 m2/s로 나타났으며 특별한 차별성은 없었다. 적송의 2차 최대연기발생률 (SPR2nd_peak)은 0.0372 m2/s로 삼나무와 비교하여 높게 나타났다. 이것은 적송 자체에 휘발성 유기물을 다량 함유하고 있기 때문으로 이해된다. 삼나무의 2차 최대연기발생률(SPR2nd_peak)인 0.0210 m2/s에 비하여 1.8배 높게 나타났다. 이것은 화재초기 시험편의 순간 연기발생률이 시험편의 체적밀도와 일부 연관이 있는 것으로 이해된다. 이와 관련하여 목재에 대한 1차 최대연기발생률의 도달시간은 삼나무 15 s, 적송 25 s로 측정되었다. 이어 2차 최대연기발생률의 도달시간은 삼나무 275 s, 적송 325 s로 나타났으며 최대연기발생률의 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.
상기 표 2와 도 5에 나타낸 바와 같이 플라스틱의 1차 최대연기발생률 (SPR1st_peak)는 PMMA가 0.0516 m2/s, PVC가 0.1081 m2/s로 나타났으며 PVC가 PMMA와 비교하여 2.1배 높았다. 또한 비탄화 플라스틱인 PMMA는 최대연기발생률이 385 s에서 나타났으며 PVC는 230 s와 735 s에서 관찰되었다. 이것은 플라스틱의 열분해 영역과 일치하며 PVC가 2개의 피크를 갖는 것은 착화 후 탄화물이 생성되었기 때문이다. PVC가 화재초기 연기위험성이 높음을 의미하며 가연성 가스가 많이 생성됨을 의미한다.
착화시간 및 열방출률의 초기 피크의 최대값은 물질의 화재위험성을 특성화한다. 또한 연기위험성도 맥을 같이 하는 것으로 예상된다. 따라서 선행 연구에서는 가연물의 연기안전성을 예측하기 위하여 연기성능지수-II (smoke performance index-II, SPI-II) 하기 수학식 4를 발표하였다.
[수학식 4]
Figure pat00007
상기 수학식 4는 연기성능지수-II를 평가하기 위하여 착화시간, 최대연기발생률 그리고 최대열방출률의 3개의 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.
상기 표 1에 나타낸 바와 같이 열유속이 50 kW/m2인 경우, 착화시간은 삼나무 4 s, 적송 9 s 로서 삼나무가 적송이나 플라스틱보다 훨씬 더 빠르게 나타나는 것을 알 수 있었다. 삼나무는 목재 중 화재 초기 가연성이 높은 것으로 확인되었다. 사용된 목재 시편들의 수분함량의 차이는 1.3%로서 착화시간에는 큰 영향을 미치지 못하는 것으로 나타났으며 목재의 평균밀도가 증가함에 따라 착화시간이 지연되는 경향성을 보였다. 이것은 목재의 착화시간이 그의 표면 열손실의 유무에 따른 상수, 열전도도, 체적밀도, 연료의 비열 및 착화온도 항의 제곱에 비례하며, 시험편에 가해지는 열유속의 제곱에 반비례하는 것으로 설명된다.
상기 표 2에 나타낸 바와 같이 PMMA의 착화시간은 17 s, PVC는 85 s로 나타났다. PVC는 밀도 및 열적 안정성이 PMMA보다 높아 화재 초기 가연성이 낮은 것으로 판단된다.
그러나 본 발명에서는 더욱 정량적이고 정밀도를 높이기 위하여 최대연기발생률, 착화시간 그리고 최대열방출률인 3개의 변수를 고려하여 연기 유해성 평가를 구현하였다. 그리고 새로운 연기성능지수-III (smoke performance index-III, SPI-III) 수학식 1을 고안하였다. 즉, SPI-III는 SPI-II를 SPI-II[PMMA]의 표준 값(PMMA 기준)으로 나눈 값으로 정의된다. 목재의 화재 확대와 플래시오버의 시간과 상관성이 있으므로, 화재 확대가 증가할수록 화재안정성이 감소하는 것과 같이 연기안전성 또한 감소하는 것으로 이해된다.
SPI-III를 구하는 식은 하기의 수학식 1과 같다.
[수학식 1]
Figure pat00008
상기 수학식 1은 무차원 지수로 나타낸다. 본 발명에서 연기발생률의 값은 초기 화재의 중요성을 고려하여 1차 최대연기발생률 (SPR1st_peak) 값을 적용하였다. 특히, 액체성 플라스틱을 포함한 가연물은 연소과정 중 1차 최대연기발생률 (SPR1st_peak)을 적용하고자 한다.
하기 표 3에 재료의 SPI-II 값과 SPI-III 값을 제시하였다. SPI-II는 착화시간, 열 및 연기가 조합된 값으로 PVC가 가장 높게 나타났다. 이것은 모든 재료 중 PVC가 착화시간이 지연되고 HRR1st-peak 값이 가장 낮기 때문으로 판단된다. PMMA를 기준물질로 한 연기등급지수인 SPI-III은 PMMA(1.0) < 삼나무(1.8) < 적송(3.9) < PVC(15.0)의 순서로 증가하였다. 이것은 PMMA와 같이 휘발성 유기물질을 함유한 플라스틱은 SPI-III가 매우 낮아지므로 화재위험성이 높다는 것을 의미한다. SPI-II와 SPI-III에 의한 화재위험성 평가 결과 PVC가 가장 안전한 물질임을 알 수 있었다.
Figure pat00009
또한 선행 연구에서 가연물의 연기위험성을 예측할 수 있는 연기성장지수-II (smoke growth index-II, SGI-II)를 나타내는 하기 수학식 5가 보고된 바 있다.
[수학식 5]
Figure pat00010
상기 수학식 5는 더욱 정량적이고 정밀도를 높이기 위하여 최대연기발생률, 최대연기발생률에 도달하는 시간 그리고 최대열방출률인 3개의 변수를 고려하여 연기 위험성 평가를 구현하였다.
그리고 새로운 연기성장지수-III (smoke growth index-III, SGI-III)를 하기 수학식 2로써 고안하여 적용하고자 한다. 즉, SGI-III는 SGI-II를 SGI-II[PMMA]의 표준 값 (PMMA 기준)으로 나눈 값으로 정의된다. 가연물의 화재 확대와 플래시오버의 시간과 상관성이 있으므로, 화재 확대가 증가할수록 화재안정성이 감소하는 것과 같이 연기안전성 또한 감소하는 것으로 이해된다. 따라서 SGI-III 값이 클수록 연기위험성이 커지는 것으로 예측된다. 이는 화재위험성이 커지는 것과 맥을 같이한다.
SGI-III를 구하는 식은 하기 수학식 2와 같다.
[수학식 2]
Figure pat00011
상기 수학식 2는 무차원 지수로 나타낸다. 본 발명에서는 연기발생률의 값은 초기 화재의 중요성을 고려하여 1차 최대연기발생률 (SPR1st_peak) 값을 적용하였다. 특히, 액체성 플라스틱을 포함한 가연물은 연소과정 중 1차 최대연기발생률 (SPR1st_peak)을 적용하고자 한다.
하기 표 4에 나타낸 바와 같이 SGI-II에 의한 연기위험성은 삼나무가 가장 높은 것으로 나타났다. 이것은 체적밀도가 작은 삼나무가 착화시간이 빨라 연소속도가 빨라짐에 따라 SPR1st_peak 값이 높아지고 TSPR1st_peak 값이 짧아지기 때문으로 판단된다.
휘발성 유기물질을 많이 함유하고 있는 적송은 열분해 되면서 많은 에너지를 방출하지만 TSPR1st_peak 값이 지연되어 삼나무에 비하여 작은 값으로 나타났다. PMMA를 기준물질로 한 연기등급지수인 SGI-III는 PVC(0.5) < PMMA(1.0) < 적송(2.1) < 삼나무(3.3)의 순서로 증가하였다. 특히 PVC는 SGI-III가 가장 낮은 것으로 나타났으며 SPI-III에서도 연기위험성이 가장 낮게 나타난 것과 일치하였다. SGI-II와 SGI-III에 의한 화재위험성 평가 결과 PVC가 가장 안전한 물질임을 알 수 있었다.
Figure pat00012
따라서 본 발명에서 시험된 목재 및 플라스틱을 포함한 가연물은 SGI-III의 값이 클수록 화재위험성은 높아지고, 화재안정성은 낮아지는 것을 알 수 있었다. SPI-III와 SGI-III는 측정된 데이터를 이용해 계산하여 얻어지는 값으로, 콘칼로리미터 실험에서 재료의 연기안전성을 파악하는데 종합적인 평가로 적용될 수 있다. 즉, 이를 다시 정리하면 연기위험성은 하기 수학식 7과 같은 상관관계가 된다. 이것은 연기등급을 평가하는 연기등급 수식과 일치한다.
[수학식 7]
Figure pat00013
따라서 새로운 연기위험성지수-IV (smoke risk Index-IV, SRI-IV)인 하기 수학식 3을 고안하였다. 즉, SRI-IV는 SGI-III를 SPI-III으로 나눈 값으로 정의된다. 이는 화재 확대가 증가할수록 화재안정성이 감소하는 것과 같이 연기안전성 또한 감소하는 것으로 이해된다. 따라서 SRI-IV 값이 클수록 연기위험성이 커지고 반대로 SRI-IV 값이 작아질수록 연기위험성이 감소하는 것으로서 연기위험성 및 연기등급을 종합적으로 예측할 수 있는 것으로 판단된다.
SRI-IV를 구하는 식은 하기 수학식 3과 같다.
[수학식 3]
Figure pat00014
Figure pat00015
상기 표 5에 나타낸 바와 같이 SRI-IV에 의한 연기위험성은 삼나무가 가장 높은 것으로 나타났다. PMMA를 기준물질로 한 연기위험성지수인 SRI-IV는 PVC(0.03) < 적송(0.54) < PMMA(1.0) < 삼나무(1.83)의 순서로 증가하였다. 특히 PVC는 SRI-IV가 가장 낮은 것으로 나타났으며 SPI-III, SGI-III에서도 연기위험성이 가장 낮게 나타난 것과 일치하였다. SRI-IV에 의한 연기위험성 평가 결과 PVC가 가장 안전한 물질임을 알 수 있었다.
<실시예 3> 일산화탄소, 이산화탄소 농도 (carbon monoxide, carbon dioxide concentration) 측정
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. 상기 표 1, 2와 도 6, 7에 나타낸 모든 시험편의 COpeak농도는 106~570 ppm으로 측정되었으며, 미국직업안전위생관리국 (occupational safety and health administration, OSHA)의 허용기준 (permissible exposure limits, PEL)인 50 ppm과 비교하면 2.1~11.4배의 매우 치명적인 독성을 생성하는 것으로 나타났다.
CO2peak 농도는 상기 표 1, 2와 도 8, 9에 나타낸 바와 같이 모든 시험편에 대하여 3,003~34,938 ppm이었다. 이것은 불완전연소보다 완전연소가 더 많이 일어나는 것으로 판단된다. 특히 PMMA의 결과는 34,938 ppm으로서 OSHA의 허용기준 (PEL)인 5000 ppm 보다 7.0배 높게 나타났다. 이것은 3.5%의 농도로 인체의 호흡을 자극하여 생기는 과호흡을 발생시킬 소지가 큰 것으로 예측된다. 미국광산안전보건청 (Mine safety and health administration, MSHA)에 의하면, 이산화탄소는 단순한 질식을 일으키고 잠재적 흡입 독성 물질이다.

Claims (10)

  1. 컴퓨터 시스템에 의해 수행되는 화재 시 연기 위험성의 등급 평가 방법에 있어서, 하기 수학식 1의 연기성능지수-III (SPI-III) 및 하기 수학식 2의 연기성장지수-III (SGI-III)에서 선택되는 하나 이상의 등급 평가지표에 의해 화재 시의 연기 위험성을 판단하는 단계를 포함하고, 하기 수학식 3의 연기위험성지수-IV (SRI-IV)가 연기성능지수-III과 연기성장지수-III의 상관관계로 표현되어 연기위험성 등급 및 연기위험성을 나타내는 화재 시 연기 위험성의 등급 평가 방법.
    [수학식 1]
    Figure pat00016

    (상기 수학식 1에서, TTI는 가연성 재료인 시험편의 착화시간, SPRpeak는 연기발생률의 피크값, PHRR은 열방출률의 피크값을 나타낸다.)
    [수학식 2]
    Figure pat00017

    (상기 수학식 2에서, SPRpeak는 연기발생률의 피크값, PHRR은 열방출률의 피크값, Time to SPRpeak는 SPRpeak에 도달하는 시간을 나타낸다.)
    [수학식 3]
    Figure pat00018

    (상기 수학식 3에서, SPI는 연기성능지수인 smoke performance index의 약어이고 SGI는 연기성장지수인 smoke growth index의 약어를 나타낸다.)
  2. 제1항에 있어서, 상기 수학식 1의 연기성능지수-III (SPI-III) 값이 기준물질인 PMMA의 값보다 클수록 연기 위험성이 감소하고, 상기 연기성능지수-III (SPI-III) 값이 작을수록 연기 위험성이 증가하는 것으로 판단하는 것을 특징으로 하는 화재 시 연기 위험성의 등급 평가 방법.
  3. 제1항에 있어서, 상기 수학식 2의 연기성장지수-III (SGI-III) 값이 기준물질인 PMMA의 값보다 클수록 연기 위험성이 높아지고, 상기 연기성장지수-III (SGI-III) 값이 작을수록 연기 위험성이 낮아지는 것으로 판단하는 것을 특징으로 하는 화재 시 연기 위험성의 등급 평가 방법.
  4. 제1항에 있어서, 상기 수학식 3의 연기위험성지수-IV (SRI-IV) 값이 클수록 연기 위험성이 커지고 반대로 연기위험성지수-IV (SRI-IV) 값이 작아질수록 연기 위험성이 감소하는 것으로서 연기위험성을 종합적으로 예측할 수 있는 화재 시 연기 위험성의 등급 평가 방법.
  5. 제1항에 있어서, 상기 수학식 1 및 2에서 SPRpeak, PHRR 및 Time to SPRpeak는 각각 연기발생률의 1차 피크값, 열방출률의 1차 피크값, 1차 SPRpeak에 도달하는 시간을 나타내는 것을 특징으로 하는 화재 시 연기 위험성의 등급 평가 방법.
  6. 제1항에 있어서, 상기 수학식 1 및 2에서 SPRpeak 및 PHRR은 가혹한 조건인 2차 피크값을 우선으로 하며 상기 가연성 재료의 화재패턴에 따라 1차 피크값을 선택할 수 있는 것을 특징으로 하는 화재 시 연기 위험성의 등급 평가 방법.
  7. 제1항에 있어서, 상기 수학식 2에서 Time to SPRpeak는 가혹한 조건인 2차 피크값에 도달하는 시간을 우선으로 하며 상기 가연성 재료의 화재패턴에 따라 1차 피크값에 도달하는 시간을 선택할 수 있는 것을 특징으로 하는 화재 시 연기 위험성의 등급 평가 방법.
  8. 제1항에 있어서, 상기 가연성 재료의 화재패턴에 따라 2차 피크값에 도달하는 시간을 선택할 수 있는 것을 특징으로 하는 화재 시 연기 위험성의 등급 평가 방법.
  9. 제1항에 있어서, 상기 가연성 재료가 목재, 플라스틱 및 섬유를 포함하는 것을 특징으로 하는 화재 시 연기 위험성의 등급 평가 방법.
  10. 제1항에 있어서, 상기 시험편은 난연 처리된 가연성 재료인 것을 특징으로 하는 화재 시 연기 위험성의 등급 평가 방법.
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