건자재의 화재위험성평가에 대한 연구 : - 목재와 플라스틱을 중심으로 - = A Study on the Fire Risk Assessment of Construction Materials - Focused on the wood and plastics -

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

Wood and plastic are diversely used architectural materials. Each characteristic and structure the wood and plastic has is various and complicated, so it is difficult to understand the combustion behavior and the pyrolysis becomes different according to each characteristic and structure is an important consideration.

Therefore, thermal characteristic and smoke (dynamic) characteristic was checked using Cone Calorimeter according to the ISO 5660-1 standard and smoke (static) characteristic was checked using Smoke Density Chamber according to the ISO 5659-2 selecting Pseudotsuga menziesii (Douglas-fir), Betula platyphylla (Birch), Quercus rubra (Red oak), Quercus alba (White oak) among the wood and Polymethyl methacrylate (PMMA), Polyethylene (PE), Polycarbonate (PC), Polyvinyl chloride (PVC), Polyoxymethylene (Polyacetal) among the plastics in this study. Then, evaluated the fire hazard more clearly by executing overall analysis and evaluation of the fire hazard of the wood and plastic. Fire hazard was separated as heat and smoke and Fire Performance Index (FPI) and Fire Growth Index (FGI) were analyzed for overall analysis and evaluation of the heat and Smoke Performance Index (SPI), Smoke Growth Index (SGI) and Smoke Intensity (SI) were analyzed for overall analysis and evaluation of the smoke.

Based on the result to measure the heat characteristic of the wood, 625 kg/m3 of bulk density and 13.1% of water content are high, but 0.259 g/s of peak Mass Loss Rate (MLRpeak) and 417.26 kW/m2 of peak Heat Release Rate (HRRpeak) are highest, so the fire hazard is high for birch due to its heat characteristic and high combustible structure. Based on the result to measure smoke (dynamic) characteristic, the smoke hazard of red oak showing highest 0.022 m2/s of peak Smoke Production Rate (SPRpeak) and 2.63 [m2/s]/m2 of Rate of Smoke Release (RSR) is the highest.

Based on the characteristic of the product of combustion, CO occurrence concentration (ppm) of red oak is most highly occurred as 101 ppm, and CO2 occurrence concentration (%) of birch is most highly occurred as 1.193%. These are all allowable in the toxic standard value of the Notification of the National Fire Agency. Based on the result to measure smoke (static), 103.77 of Maximum Density of Smoke (Dm) in flaming type for birch shows highest smoke hazard and 1320 of Maximum Density of Smoke (Dm) in non-flaming type for red oak is the highest.

Based on the result to measure the heat characteristic, PMMA shows 0.377 g/s of peak Mass Loss Rate (MLRpeak) and 1154.72 kW/m2 of peak Heat Release Rate (HRRpeak) as highest, so the fire hazard is the highest due to its liquid combustion behavior. Based on the smoke (dynamic) characteristic, 0.113 m2/s for PVC and 0.108 m2/s for PC in peak Smoke Production Rate highest in order and largely occurred as 12.80 [m2/s]/m2 for PVC and 12.18 [m2/s]/m2 for PC in Rate of Smoke Release (RSR). It is judged because of back effect due to the charcoal formation.

Based on the result to measure the characteristic of the product of combustion, 42.01 ppm for PE as smallest and 534.18 ppm for PVC as largest occurred in CO occurrence concentration. It shows that these all are lower than the toxic standard value of the Notification of the National Fire Agency, 1400 ppm. 0.3% for PVC as lowest and 3.659% for PMMA as largest in CO2 occurrence concentration. These are all allowable in the toxic standard value of the Notification of the National Fire Agency, less than 5%. Based on the result to measure smoke (static), 982.55 of Maximum Density of Smoke (Dm) in flaming type for PC shows highest smoke hazard and 671.29 of Maximum Density of Smoke (Dm) in non-flaming type for PE is the highest.

In conclusion, based on overall analysis for fire hazard, 0.043 s·m2/kW for Fire Performance Index (FPI) value of birch is low and fire hazard is high, and 0.023 s·m2/kW for the FPI value of PMMA and has high fire hazard among plastic in heat part. 1.517 kW/m2·s of Fire Growth Index (FGI) for birch and it has highest fire hazard. Also, both wood and plastic are not suitable to the standard of limited combustible material and incombustible materials. Then, based on the result of overall analysis for smoke hazard, 900 s2/m2 of Smoke Performance Index (SPI) for birch is low, so smoke hazard is high, and 15333 s2/m2 for PE is exceptionally higher than other woods and plastics, so the smoke hazard is lowest. 0.000075 m2/s2 for red oak and 0.000418 m2/s2 for PC in Smoke Growth Index (SGI), so the smoke hazard is highest, and 0.000004 m2/s2 for PE and the smoke hazard is lowest. With Smoke Intensity (SI), the tendency of the smoke can be generated in actual fire can be expected, and 5.6 MW/kg for red oak as largest occurrence, and 188.17 MW/kg for PMMA as largest occurrence, so it can be expected the smoke hazard is high. Therefore, above data is used as basic data necessary for fire simulation, fire resistance design, architecture design and so on and would like to help to reduce the damage of human life.

국문 초록 (Abstract)

목재와 플라스틱은 다양하게 쓰이고 있는 건축 재료이다. 목재와 플라스틱이 가지고 있는 각각의 특성과 구조는 다양하고 복잡하여 연소거동을 파악하는 데 어려움이 많고, 각 특성과 구조에 따라 열분해가 달라지는 것은 중요한 고려사항이다.
이에 본 연구에서는 목재에서 Pseudotsuga menziesii (Douglas-fir), Betula platyphylla (Birch), Quercus rubra (Red oak), Quercus alba (White oak)와 플라스틱 Polymethyl methacrylate (PMMA), Polyethylene (PE), Polycarbonate (PC), Polyvinyl chloride (PVC), Polyoxymethylene (Polyacetal)를 선정하여 ISO 5660-1의 콘칼로리미터(Cone Calorimeter) 사용 기준에 따라 열적 특성과 연기(동적) 특성을 파악하고, ISO 5659-2의 연기밀도시험기(Smoke Density Chamber) 사용 기준에 따라 연기(정적) 특성을 파악하였다. 그리고 목재와 플라스틱의 화재 위험성을 종합적으로 분석평가하여 좀 더 명확하게 화재 위험성을 평가하고자 하였다. 화재 위험성은 열과 연기로 구분하여 열의 종합분석평가는 화재성능지수(FPI)와 화재성장지수(FGI)를 분석했고, 연기의 종합분석평가는 연기성능지수(SPI), 연기성장지수(SGI) 그리고 연기강도(SI)를 분석했다.
목재의 열의 특성을 측정한 결과, Birch는 체적밀도 625 kg/m3와 함수량 13.1%로 높은 반면, 열적 특성과 가연성이 높은 구조로 인해 최대질량감소율(MLRpeak) 0.259 g/s와 최대열방출률(HRRpeak) 417.26 kW/m2으로 가장 높게 나타나 화재 위험성이 높았다. 연기(동적) 특성을 측정한 결과, 최대연기발생속도(SPRpeak) 0.022 m2/s와 연기방출률(RSR) 2.63 [m2/s]/m2으로 가장 높게 나타난 Red oak가 연기 위험성이 가장 높았다. 연소생성물의 특성을 측정한 결과, CO 발생 농도(ppm)은 Red oak가 101 ppm으로 가장 많이 생성되었고, CO2 발생 농도(%)는 Birch가 1.193%로 가장 많이 생성되었다. 이는 소방청고시, 독성기준치에 모두 허용되었다. 연기(정적) 특성을 측정한 결과, 불꽃(Flaming) 방식에서 최대연기밀도(Dm)는 Birch가 103.77로 가장 연기 위험성이 높게 나타났고, 훈소(Non-flaming) 방식에서 최대연기밀도(Dm)는 Red oak가 1320으로 가장 높게 나타났다.
플라스틱의 열의 특성을 측정한 결과, 액체 연소거동으로 인해 PMMA의 최대질량감소율(MLRpeak)은 0.377 g/s 그리고 최대열방출률(HRRpeak)은 1154.72 kW/m2으로 가장 높게 나타나 화재 위험성이 가장 높았다. 연기(동적) 특성을 측정한 결과, 최대연기발생속도(SPRpeak)는 PVC 0.113 m2/s과 PC 0.108 m2/s 순으로 가장 높게 나타났고, 연기방출률(RSR)은 PVC 12.80 [m2/s]/m2, PC 12.18 [m2/s]/m2으로 많이 생성되었다. 이것은 숯의 형성으로 인해 back effect 때문인 것으로 판단된다.
연소생성물의 특성을 측정한 결과, CO 발생 농도(ppm)는 PE 42.01 ppm으로 가장 적게 발생했고, PVC가 534.18 ppm으로 가장 많이 발생했다. 소방청고시, 독성기준치인 1400 ppm에 비하여 독성이 모두 낮은 것으로 나타났다. CO2 발생 농도(%)는 PVC 0.3%로 가장 적게 발생했고, PMMA 3.659%로 가장 많이 발생했다. 소방청고시, 독성기준치인 5% 이하에 모두 허용되었다.
연기(정적) 특성을 측정한 결과, 불꽃(Flaming) 방식에서 최대연기밀도(Dm)는 PC가 982.55로 가장 연기 위험성이 높게 나타났고, 훈소(Non-flaming) 방식에서 최대연기밀도(Dm)는 PE가 671.29로 가장 높게 나타났다.
결론적으로 화재 위험성을 종합 분석한 결과, 열 부분에서 Birch의 화재성능지수(FPI) 값이 0.043 s·m2/kW로 낮아 화재 위험성이 높았고, 플라스틱에서 PMMA의 FPI 값은 0.023 s·m2/kW로 가장 화재 위험성이 높았다. 화재성장지수(FGI)는 1.517 kW/m2·s로 Birch가 화재 위험성이 가장 높았다. 그리고 목재와 플라스틱 모두 준불연재료와 난연재료의 기준에 적합하지 않았다.
그리고 연기 위험성을 종합 분석한 결과, 연기성능지수(SPI)는 Birch가 900 s2/m2으로 낮아 연기 유해성이 높았고, PE가 15333 s2/m2으로 다른 목재와 플라스틱에 비해 월등히 높게 나타나 연기 유해성이 가장 낮았다. 연기성장지수(SGI)는 Red oak가 0.000075 m2/s2와 PC가 0.000418 m2/s2으로 연기 유해성이 가장 높았고, PE 0.000004 m2/s2으로 연기 유해성이 가장 낮았다. 연기강도(SI)는 실물 화재에서 생성될 수 있는 연기의 경향성을 예측할 수 있는데, Red oak가 5.6 MW/kg으로 가장 많이 생성되고, PMMA가 188.17 MW/kg으로 가장 많이 생성되어 연기 위험성이 높은 것으로 예측할 수 있었다. 따라서 화재 시뮬레이션, 내화설계, 건축 설계 등에 필요한 기초 자료로 활용되어 인명피해를 줄이는 데 도움이 되고자 한다.

목차 (Table of Contents)

• 국문초록 ⅰ
• 서문 및 감사의 말 ⅲ
• List of Tables iv
• List of Figures vii
• Ⅰ. 서 론 1
• II. 이론적 배경 4
• III. 연구내용 및 방법 10
• 1. 연구내용 10
• 2. 연구방법 12
• IV. 결과 및 고찰 27
• 1. 목재의 위험성 28
• 1.1 열의 특성분석 및 위험성 28
• 1.1.1 착화시간(time to ignition, TTI) 28
• 1.1.2 질량감소율(mass loss rate, MLR) 29
• 1.1.3 열방출률(heat release rate, HRR) 31
• 1.1.4 총열방출량(total heat release, THR) 33
• 1.1.5 유효연소열(effective heat of combustion, EHC) 35
• 1.1.6 플래시오버 가능성 예측 36
• 1.1.7 연소 전·후 사진 37
• 1.2 연기(동적)의 특성분석 및 위험성 41
• 1.2.1 연기발생속도(smoke production rate, SPR) 41
• 1.2.2 연기방출률(rate of smoke release, RSR) 42
• 1.2.3 총연기생성량(total smoke production, TSP) 및
• 총연기방출률(total smoke release, TSR) 43
• 1.2.4 비감쇠면적(specific extinction area, SEA) 45
• 1.3 연소생성물의 특성분석 및 위험성 47
• 1.4 연기(정적)의 특성분석 및 위험성 52
• 1.4.1 불꽃(Flaming) 방식의 특성분석 52
• 1.4.2 훈소(Non-flaming) 방식의 특성분석 53
• 1.4.3 화재 초기의 연기 특성분석 54
• 1.4.4 연소 후 사진 55
• 2. 플라스틱의 위험성 58
• 2.1 열의 특성분석 및 위험성 58
• 2.1.1 착화시간(time to ignition, TTI) 58
• 2.1.2 질량감소율(mass loss rate, MLR) 58
• 2.1.3 열방출률(heat release rate, HRR) 60
• 2.1.4 총열방출량(total heat release, THR) 61
• 2.1.5 유효연소열(effective heat of combustion, EHC) 62
• 2.1.6 플래시오버 가능성 예측 63
• 2.1.7 연소 전·후 사진 64
• 2.2 연기(동적)의 특성분석 및 위험성 68
• 2.2.1 연기발생속도(smoke production rate, SPR) 68
• 2.2.2 연기방출률(rate of smoke release, RSR) 69
• 2.2.3 총연기생성량(total smoke production, TSP) 및
• 총연기방출률(total smoke release, TSR) 70
• 2.2.4 비감쇠면적(specific extinction area, SEA) 72
• 2.3 연소생성물의 특성분석 및 위험성 74
• 2.4 연기(정적)의 특성분석 및 위험성 78
• 2.4.1 불꽃(Flaming) 방식의 특성분석 78
• 2.4.2 훈소(Non-flaming) 방식의 특성분석 79
• 2.4.3 화재 초기의 연기 특성분석 80
• 2.4.4 연소 후 사진 81
• 3. 화재 위험성의 종합분석평가 85
• 3.1 열의 종합분석평가 85
• 3.2 연기의 종합분석평가 90
• V. 결 론 96
• 참고문헌 100
• Abstract 108