다중이용시설 바닥재의 발화 현상 및 소손 원인 판정기법에 관한 연구 = A Study on the determination method of fire phenomenon and cause of damage in multi-use facilities flooring

국문 초록 (Abstract)

본 논문에서는 다중이용시설 바닥재의 발화 현상 및 소손 원인의 판정기법에 관한 연구를 수행하였다. 실험에 사용한 바닥재는 일반카펫, 방염카펫, PVC데코타일, 인조잔디 등이다. 실험은 UL 94 연소시험법을 적용하여 바닥재의 연소거동, 표면 및 단면의 탄화 패턴 등을 해석하였다. 그리고 구획된 공간에서 바닥재에 인화성 액체를 뿌리고 연소가 진행될 때의 연소거동, 수직 방향의 온도분포, 열화상 패턴, 연소가 완료된 후의 연소잔존물에 대한 표면의 탄화 패턴 및 단면의 결합 형태 등을 해석하였다.
다중이용시설 바닥재의 연소거동 분석은 UL 94 연소시험법 및 구획된 공간에서 실험을 진행하였다. UL 94 연소시험법을 적용한 인화성 시험기의 노즐은 수평 상태에서 화염의 길이는 24[mm]이며, 바닥재 시료가 중앙에 위치하도록 배치하였다. 바닥재는 지지대를 세워 45° 기울여 설치하고, 화염을 인위적으로 착화시킨 후 연소실험을 진행하였다. 바닥재의 크기는 가로 20[cm], 세로 20[cm] 길이로 균일하게 절단하였고, 바닥재는 가열에 의해 휘어지는 특성이 있어서 인조타일에 부착하였다.
그리고 한 변의 길이가 10[m]로 건축된 구획된 공간의 바닥 가운데에 한 변의 길이가 90[cm]인 바닥재를 놓았다. 그리고 그 위에 100[ml]의 휘발유, 시너, 경유, 메틸알코올 등을 각각 뿌리고 수직 방향의 온도분포, 연소거동, 열화상 패턴 등을 해석하였다. 탄화가 완료된 바닥재의 표면 및 단면의 탄화 패턴을 해석하였다. 인화성 액체의 유증은 가스검지관을 사용하여 탄화된 바닥재의 유증기를 검출하였고, 탄화된 바닥재의 탄화 특성 해석은 GC-MS(Gas Chromatography Mass Spectrometry)를 사용하였다.
일반카펫, 방염카펫, 인조잔디, PVC데코타일에 UL 94 연소시험법을 적용하여 시험한 결과, 모든 바닥재는 시간에 따라 일정한 패턴으로 연소 되었다. 탄화 면적은 일반카펫이 1,661[mm²], 방염카펫이 1,854[mm²]로 분석되었다. 방염카펫은 일반카펫보다 넓은 탄화 면적을 보였으나 중심부의 탄화 깊이는 얕았다. PVC데코타일은 주황색 화염을 발산하였고, 얕은 탄화 패턴을 나타냈다. 인조잔디는 열 저항성이 우수하여 안정적인 연소 속도 및 패턴을 나타내는 것을 알 수 있었다.
구획된 공간에 인화성 액체를 뿌린 후 연소실험이 진행된 실험실의 공간은 1,000[m3]의 정육면체이며, 연소가 진행된 바닥은 1[m2]의 내화벽돌로 제작하였다. 한 변의 길이가 90[cm]인 정사각형 모양의 바닥재를 내화벽돌 위에 놓고, 바닥재 위에 인화성 액체를 뿌리고 가스 토치로 착화시켰다. 실험에 사용된 인화성 액체는 휘발유, 시너, 경유, 알코올 등이며, 용량은 각각 100[ml]를 사용하였다. 연소가 진행될 때의 수직 방향의 온도분포를 해석하기 위해 바닥으로부터 30[cm] 간격으로 크로멜-아로멜 열전대를 설치하였다. 그리고, 비디오카메라 및 열화상카메라를 사용하여 연소거동 및 온도 변화를 실시간 촬영하였다. 화염의 온도 측정은 온도측정시스템(Temperature Measuring System)을 사용하여 실시간 기록하였다. 연소가 완료된 바닥재의 유증기의 포집은 가스검지관(Gas Detector Tube)을 사용했으며, 소손된 카펫 표면의 탄화 패턴은 실체현미경(Stereoscopic Microscopic)을 이용하여 분석하였고, 성분 분석은 GC-MS를 사용하였다.
인화성 액체를 바닥재에 뿌린 연소실험에서 각각의 인화성 액체와 바닥재의 종류에 따라 연소 반응이 다른 것을 확인할 수 있었다. 휘발유가 연소하기 시작하여 599[℃]에 도달되는 시간은 53[s]이며, 전체 연소시간은 66[s] 정도이다. 탄화 면적은 2,834[mm²] 정도이며, 원형의 탄화 패턴을 생성하였다. 시너는 휘발유보다 연소 강도가 낮았으나 일부 바닥재에서 도넛 모양의 패턴이 형성되었다. 메틸알코올은 연소 온도가 433[℃]까지 도달하였으며, 124[s] 동안 연소되었고, 얕고 균일한 탄화 패턴을 생성하였다. 경유는 착화 시간이 상대적으로 오래 결렸으며, PVC데코타일은 착화되지 않았다.
바닥재의 연소 온도 분포를 열화상카메라로 분석한 결과, 휘발유는 비교적 단시간에 599[℃]에서 730[℃]까지 도달하였다. 그리고 PVC데코타일은 탄화되지 않았고, 단지 가연성 액체만 연소되고 자연 소화되었다. 또한, 방염카펫에 휘발유를 뿌리고 연소할 때 최고온도가 793[℃]까지 상승했으며, 연소시간은 63[s] 정도이다. 인조잔디에 휘발유를 뿌렸을 때 586[℃]까지 온도가 도달하는데 연소시간은 52[s] 정도 소요되었다. 경유가 연소될 때의 최고온도는 341[℃]로 측정되었고, 연소시간은 127[s] 정도이다.
가스검지관을 사용한 유증의 분석에서 인화성 액체를 뿌리지 않은 일반카펫과 방염카펫의 변색 반응은 20[min] 내로 종료되었으며, PVC데코타일은 5[min], 인조잔디는 10[min] 정도 변색을 확인할 수 있었다. 인화성 액체를 바닥재에 뿌렸을 때 휘발유와 시너는 6[hr]까지 변색 반응이 지속되었으며, 경유를 뿌렸을 때 일반카펫은 4[hr], 방염카펫은 5[hr] 동안 변색이 확인되었다. 메틸알코올은 30[min] 동안 청록색 변색 반응을 보였으며, 단시간 내에 기화되는 것을 알 수 있었다.
GC-MS 분석에서 휘발유를 뿌리지 않고 탄화된 PVC데코타일은 반응 초기에만 일부 탄화수소 피크가 확인되었고, 인조잔디와 방명카펫은 간헐적으로 미약한 탄화수소 피크가 확인되었다. 그리고 방염카펫은 미약한 탄화수소 피크가 일부 확인되었다. 동일한 조건의 GC-MS 분석에서 휘발유를 뿌리고 탄화된 PVC데코타일, 인조잔디, 방염카펫, 일반카펫은 탄화수소 피크가 더 많이 확인되었다. 즉, 인화성 액체를 뿌리고 탄화된 바닥재는 일반 연소된 바닥재보다 탄화수소 피크가 많이 발생하고, 화염이 최성기에 도달하면 탄화수소의 피크의 세기가 크게 발산되는 것을 알 수 있었다.
실체현미경을 이용한 분석에서 바닥재에 인화성 액체를 뿌리고 연소가 진행되었을 때 생성된 탄화 패턴 및 용융 흔적을 확인하였다. 일반카펫은 접착층에서 주로 탄화 및 용융이 발생하였으며, 표면이 불규칙적으로 부풀어 올랐다. 방염카펫은 상층부가 균일하게 용융되었으며, 탄화 깊이가 얕고 경계가 모호한 특징을 보였다. 인조잔디는 플라스틱의 용융과 경화로 매끄러운 표면을 형성하였다. 그리고 PVC데코타일은 코팅층에서 명확한 경계와 틈새 패턴이 확인되며, 탄화 심도가 얕고, 보강층이 손상되지 않는 것으로 알 수 있었다.
가스검지관을 사용한 유증의 채취는 화재가 진압되고 가능하면 빨리 유증기를 채취할 때 원인 판정의 신뢰성을 확보할 수 있다. 화재 현장에서 인화성 액체를 신속하게 검출한다는 것은 화재 원인의 규명, 연소의 확산 패턴, 방화 또는 실화의 판정, 유사 화재의 원인 규명 및 화재 예방 정책의 수립 등에 활용될 것으로 기대된다. 즉, 다중이용시설 바닥재와 인화성 액체의 연소 특성 해석은 화재 원인의 규명을 위한 객관적 근거로 활용할 수 있을 것이다. 또한, 본 연구를 통해서 획득한 데이터 및 자료는 다중이용시설에 적용된 바닥재의 안전성 향상 및 화재 원인의 판정기법 개발을 위한 근거로 활용될 것으로 기대된다.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

In this paper, a study was conducted on the ignition phenomenon of multi-use facility flooring and the method of determining the cause of burnout. The floor materials used in the experiment are general carpets, flame-retardant carpets, PVC decortile, and artificial turf. The experiment applied the UL 94 combustion test method to analyze the combustion behavior of flooring materials and carbonization patterns of surfaces and cross-sections. And the combustion behavior when combustion proceeds by spraying flammable liquid on the flooring material in the partitioned space, temperature distribution in the vertical direction, thermal imaging pattern, surface carbonization pattern to combustion residues after combustion is completed, and the bonding form of the cross section were analyzed.
The combustion behavior analysis of the flooring materials in the multi-use facility was conducted in the UL 94 combustion test method and in a partitioned space. The nozzle of the flammable tester to which the UL 94 combustion test method was applied was placed so that the length of the flame was 24[mm] in a horizontal state and the flooring sample was located in the center. The flooring material was installed by raising a support and tilting it by 45°, and the combustion experiment was conducted after the flame was artificially ignited. The size of the flooring material was uniformly cut to a length of 20[cm] wide and 20[cm] long, and the flooring material was attached to the artificial tile because it had a property of being bent by heating.
And in the middle of the floor of the partitioned space with a length of 10 [m] on one side, a floor material with a length of 90[cm] on one side was placed. And 100[ml] of gasoline, thinner, diesel, methyl alcohol, etc. were sprayed on it, respectively, and the temperature distribution, combustion behavior, and thermal image pattern in the vertical direction were analyzed. The carbonization patterns of the surface and cross section of the carbonized floor material were analyzed. The presence of the flammable liquid was detected using a gas detection pipe, and GC-MS (Gas Chromatography Mass Spectrometry) was used to analyze the carbonization characteristics of the carbonized floor material.
As a result of testing by applying the UL 94 combustion test method to general carpets, flame-retardant carpets, artificial turf, and PVC decotile, all flooring materials were burned in a constant pattern over time. The carbonized area was analyzed as 1,661[mm²] for general carpets and 1,854 [mm²] for flame-retardant carpets. The flame-retardant carpet showed a larger carbonized area than general carpets, but the carbonized depth at the center was shallow. The PVC decotile emitted orange flames and showed a shallow carbonization pattern. It was found that the artificial turf has excellent thermal resistance and exhibits a stable combustion speed and pattern.
The space of the laboratory in which the combustion experiment was conducted after spraying the flammable liquid into the partitioned space is a cube of 1,000[m3] and the bottom where the combustion took place is made of 1[m2] refractory brick. A square-shaped floor material with a side length of 90[cm] was placed on the refractory brick, sprayed with a flammable liquid on the floor material and ignited with a gas torch. The flammable liquids used in the experiment were gasoline, thinner, diesel, alcohol, etc., and 100[ml] of each capacity was used. In order to analyze the temperature distribution in the vertical direction when combustion proceeds, chromel-aromel thermocouples were installed at intervals of 30[cm] from the floor. And combustion behavior and temperature changes were photographed in real time using a digital camera, a video camera, and a thermal imaging camera. The temperature measurement of the flame was recorded in real time using a Temperature Measuring System. Gas Detector Tube was used to collect the oil vapor from the floor material after combustion, and the carbonization pattern on the burned carpet surface was analyzed using a Stereoscopic Microscopic, and GC-MS was used for component analysis.
In the combustion experiment in which a flammable liquid was sprayed on the flooring material, it was confirmed that the combustion reaction was different depending on the type of each flammable liquid and the flooring material. The time for gasoline to start combusting and reach 599[°C] is 53 [s], and the total combustion time is about 66[s]. The carbonized area is about 2,834[mm²], and a circular carbonized pattern was created. Thinner had a lower combustion strength than gasoline, but a donut-shaped pattern was formed in some flooring materials. Methyl alcohol had a combustion temperature of up to 433[°C], was burned for 124[s], and a shallow and uniform carbonized pattern was produced. Diesel had a relatively long ignition time, and PVC decotile were not ignited.
As a result of analyzing the combustion temperature distribution of the flooring material with a thermal imaging camera, gasoline reached from 599[°C] to 730[°C] in a relatively short time. And the PVC decotile was not carbonized, and only the combustible liquid was burned and naturally extinguished. In addition, when gasoline was sprayed on the flame proof carpet and burned, the maximum temperature rose to 793[°C], and the combustion time was about 63[s]. When gasoline was sprayed on the artificial turf, it took about 52[s] for the temperature to reach 586[°C]. The maximum temperature when diesel was burned was measured as 341[°C], and the combustion time was about 12[s].
In the analysis of the symptom using a gas detection tube, the discoloration reaction of the general carpet and flame-retardant carpet without spraying flammable liquid was terminated within 20[min], and the discoloration of PVC decotile was confirmed by 5[min] and artificial turf by 10[min]. When the flammable liquid was sprayed on the floor, the discoloration reaction continued until 6[hr] for gasoline and thinner, and when diesel was sprayed, the discoloration was confirmed for 4[hr] for the general carpet and 5[hr] for the flame-retardant carpet. Methyl alcohol showed a cyan discoloration reaction for 30[min], and it was found that it vaporized within a short period of time.
In the GC-MS analysis, some hydrocarbon peaks were confirmed only at the beginning of the reaction in the PVC decotile carbonized without spraying gasoline, and weak hydrocarbon peaks were intermittently confirmed in the artificial turf and the flame proof carpet. And some weak hydrocarbon peaks were confirmed on the flame proof carpet. In the GC-MS analysis under the same conditions, more hydrocarbon feet were found in the PVC decotile, artificial turf, flame proof carpet, and general carpet that were sprayed with gasoline and carbonized. In other words, it was found that the flooring material sprayed with a flammable liquid generated more hydrocarbon peaks than the general burned flooring material, and when the flame reaches its peak, the intensity of the hydrocarbon peak is largely dissipated.
In the analysis using a stereoscopic microscope, the carbonization pattern and melting traces generated when the floor material was sprayed with a flammable liquid and combustion proceeded were confirmed. General carpets were mainly carbonized and melted in the adhesive layer, and the surface was irregularly swollen. The flame-resistant carpet was uniformly melted at the top, showed a shallow carbonization depth, and ambiguous boundaries. Artificial turf formed a smooth surface by melting and curing plastic. In addition, it was found that the PVC decorative tile had a clear boundary and gap pattern in the coating layer, and the carbonization depth was shallow and the reinforcing layer was not damaged.
Collecting bequest using a gas detection pipe can secure the reliability of determining the cause when the fire is suppressed and bequest is collected as soon as possible. Rapid detection of flammable liquids at a fire site is expected to be used to identify the cause of fire, to determine the spread pattern of combustion, to determine the cause of fire or misfire, to identify the cause of similar fires, and to establish fire prevention policies. In other words, the analysis of combustion characteristics of multi-use facility flooring and flammable liquid can be used as an objective basis for identifying the cause of fire. In addition, the data and data obtained through this study are expected to be used as a basis for improving the safety of flooring materials applied to multi-use facilities and to develop a method for determining the cause of fire.

목차 (Table of Contents)

• 목차 i
• List of Tables ⅴ
• List of Figures ⅵ
• 국문 초록 ⅹⅲ
• 제1장 서 론 1
• 1.1 연구 배경 및 필요성 1
• 1.2 연구 내용 및 목적 3
• 제2장 관련 이론 5
• 2.1 인화성 액체의 특징 5
• 2.2 액체 연료의 연소 11
• 2.3 화염의 특성 14
• 2.4 인화성 액체의 화재 패턴 18
• 제3장 실험 조건 및 방법 27
• 3.1 실험 조건 27
• 3.1.1 UL94 연소시험법에 의한 바닥재 연소실험 27
• 3.1.2 바닥재 위에 인화성 액체를 뿌린 후의 연소실험 29
• 3.2 실험 방법 32
• 3.2.1 UL94 연소시험법에 의한 바닥재 연소실험 32
• 3.2.2 바닥재 위에 인화성 액체를 뿌린 후의 연소실험 34
• 3.3 탄화된 바닥재에 가스검지관 반응 및 GC-MS 분석실험 35
• 3.3.1 바닥재에 인화성 액체를 뿌린 후 가스검지관 반응실험 35
• 3.3.2 탄화된 바닥재 시료 채취 GC-MS 분석실험 37
• 제4장 실험 결과 및 고찰 41
• 4.1 다중이용시설 바닥재의 연소거동 분석 결과 41
• 4.1.1 UL94 연소시험법에 의한 바닥재의 연소거동 분석 41
• 4.1.2 바닥재 위에 인화성 액체를 뿌린 후 연소될 때의 연소거동 분석 45
• 4.1.3 인화성 액체의 연소거동에 대한 특징 비교 60
• 4.2 인화성 액체를 뿌린 후 화염의 온도 변화 분석 결과 62
• 4.2.1 일반카펫 위에 인화성 액체를 뿌린 후 연소될 때의 온도 변화 분석 62
• 4.2.2 방염카펫 위에 인화성 액체를 뿌린 후 연소될 때의 온도 변화 분석 65
• 4.2.3 인조잔디 위에 인화성 액체를 뿌린 후 연소될 때의 온도 변화 분석 68
• 4.2.4 PVC데코타일 위에 인화성 액체를 뿌린 후 연소될 때의 온도 변화 분석 71
• 4.2.5 인화성 액체를 뿌린 후 연소될 때의 바닥재별 온도 변화 비교 74
• 4.3 소손된 바닥재의 탄화 패턴 비교 분석 결과 76
• 4.3.1 UL94 연소시험법에 의해 바닥재가 연소될 때의 탄화 패턴 분석 76
• 4.3.2 일반카펫 위에 인화성 액체를 뿌린 후 연소될 때의 탄화 패턴 분석 77
• 4.3.3 방염카펫 위에 인화성 액체를 뿌린 후 연소될 때의 탄화 패턴 분석 78
• 4.3.4 인조잔디 위에 인화성 액체를 뿌린 후 연소될 때의 탄화 패턴 분석 79
• 4.3.5 PVC데코타일 위에 인화성 액체를 뿌린 후 연소될 때의 탄화 패턴 분석 80
• 4.3.6 소손된 바닥재의 탄화 패턴 비교 81
• 4.4 탄화된 바닥재의 실체현미경 표면 및 단면 분석 결과 84
• 4.4.1 UL94 연소시험법에 의해 탄화된 바닥재의 실체현미경 분석 84
• 4.4.2 바닥재 위에 인화성 액체가 연소된 후 바닥재의 실체현미경 분석 88
• 4.4.3 UL94 연소시험법에 의한 표면 및 단면 특성 비교 103
• 4.4.4 인화성 액체를 뿌린 후 탄화된 바닥재의 표면 및 단면 특성 비교 105
• 4.5 탄화된 바닥재의 가스검지관 및 GC-MS 분석 결과 109
• 4.5.1 인화성 액체 4종류에 대한 가스검지관 기초 반응 분석 109
• 4.5.2 바닥재에 인화성 액체를 뿌리지 않은 가스검지관 반응 분석 116
• 4.5.3 바닥재에 인화성 액체를 뿌린 후 가스검지관 반응 분석 122
• 4.5.4 탄화된 바닥재 연소 잔해물 전처리 과정 분석 136
• 4.5.5 바닥재에 휘발유를 뿌리지 않은 연소 잔해물 GC-MS 분석 138
• 4.5.6 바닥재에 휘발유를 뿌린 연소 잔해물 GC-MS 분석 142
• 4.5.7 휘발유를 뿌리지 않은 바닥재와 휘발유를 뿌린 바닥재의 GC-MS 분석 특성 비교 145
• 4.6 바닥재 연소 시 발생하는 화염의 열화상 분석 결과 148
• 4.6.1 일반카펫 위에 인화성 액체를 뿌린 후 연소될 때의 열화상 분석 148
• 4.6.2 방염카펫 위에 인화성 액체를 뿌린 후 연소될 때의 열화상 분석 157
• 4.6.3 인조잔디 위에 인화성 액체를 뿌린 후 연소될 때의 열화상 분석 165
• 4.6.4 PVC데코타일 위에 인화성 액체를 뿌린 후 연소될 때의 열화상 분석 173
• 4.6.5 바닥재 위에 인화성 액체를 뿌린 후 연소될 때의 열화상 특성 비교 180
• 제5장 결 론 183
• 참고문헌 189
• Abstract 195
• 감사의 글 201