Classification of Reaction-to-Fire's Performances on Sandwich Panel Systems by Applying to ISO 13784-1 Fire Tests

(1)

실대규모 화재시험 (ISO 13784-1) 을 적용한 샌드위치 패널 시스템의 연소성능 분류

Classification of Reaction-to-Fire's Performances on Sandwich Panel Systems by Applying to ISO 13784-1 Fire Tests

박계원·임홍순·정재군·이길용·김정욱·정정호·이우석·김운형*

Kye-Won Park · Hong-Soon Im · Jae-Gun Jeong · Gil-Yong Lee · Jeong-Uk Kim · Jeong-Ho Jeong · Woo-Seok Lee · Woon-Hyung Kim

^*

방재시험연구원, *경민대학소방학부

(2008. 8. 7. 접수/2009. 4. 16. 채택)

요 약

본 연구에서는

ISO 9705(room corner test)

^에 ^의한 ^샌드위치 ^패널 ^화재 ^{시험방법을} ^보완한

ISO 13784-1(room corner test for sandwich panel building systems)

시험방법을 적용하여 샌드위치 패널 연소특성및성능을분석하였다

. 4

종의샌드위치패널을시험체로선택하였으며

,

시험후열방출율

,

연기 발생율

, FIGRA, SMOGRA

^결과값을^중심으로^각^패널의^연소^성능을^{분석하였으며}

,

^{최종적으로}^유럽

Eurefic Research Program

^및

EN 13501-1

^에서^제시하는^{분류기준에}^적용하여^{등급분류를}^{시도하였다}

.

ABSTRACT

Reaction-to-Fire's performances such as combustion properties of sandwich panels were tested according to ISO 13784-1 (room corner test for sandwich panel building systems) method which is made for the purpose of supplementing ISO 9705 room corner test, and analyzed comparatively. Several variables including heat release rate, smoke production rate, FIGRA, SMOGRA, thermal configuration, visual check lists and so on, were analyzed for specific four materials on sandwich panel systems.

Finally, Reaction-to-Fire's performances of test results on each material by ISO 13784-1 are catego- rized by applying to the classification systems of both EN 13501-1 and Eurefic Research Program.

Keywords :

ISO 13784, ISO 9705, FIGRA, SMOGRA, EN 13501-1

1. 서 론

본연구에서는샌드위치패널구조의화재안전성능에 대해국제표준화기구(ISO)에서제정한화재시험방법인

ISO 13784-1(reaction-to-fire tests for sandwich panel building systems-part 1 Test method for small rooms)

을 적용하여, ^국내 4^종의 ^샌드위치^패널에 ^대한 ^화재

연소성능을평가하였다. 열방출율(heat release rate), 연 기발생율(smoke production rate), ^표면의^{화염전파정도} (surface spread of flame), 실에서의화재성장도(corner wall/room fire development) ^등의 ^초기화재 ^연소성능 (reaction-to-fire's performance)뿐만 아니라 표면 온도,

복사열량, ^구조물^붕괴^등을^정량^및^{정성적으로}^계측

하였으며, 본연구에서는열방출율(kW), 연기발생율(m²/ s) ^및 FIGRA(FIre Growth RAte, kW/s), SMOGRA (SMOke Growth RAte, m²/s²)을중심으로각패널의연 소성능을분석하였고, ^유럽 Eurefic Research Program

및 EN 13501-1에서 제시하는 등급 기준을 적용하여

화재성능의검증을 시도하였다.

2. 본 론

2.1시험개요

ISO 13784-1 샌드위치 패널 화재시험은 ISO 9705

시험방법을모태로하며, ^샌드위치^패널을^조립하여^구

성한 소형연소실(2.4m × 2.4m × 3.6m)의 내부 한 모서

†

E-mail: [email protected]

(2)

리에직접불꽃을노출시켰을때, 샌드위치패널조립 체의 연소특성을 시험하며, ^구조물의 ^{플래쉬오버까지}

의 화재성장에 대한 기여도, 내부화재가 외부공간또 는 인접건물로 전파될 잠재적 가능성, ^구조물 ^붕괴의

가능성, 시험실 내부에서의 화재가스및 연기의 발생 과같은화재위험성을평가한다.

2.2측정원리

1개의개방된출입구를가진실내부에설치된내장

마감재의연소생성물이개구부를통해분출되면, 외부 의배기후드장치에서배기가스를포집하여 O², CO²량

을분석하며, 각기체몰분율에따른산소감소율을계 측하여 열방출율(heat release rate; HRR)^을 ^산출하며,

전체의 열방출율에서 점화원의 열방출율을제거한 순 수한샌드위치패널조립체의연소시발생하는열방출 율(Table 1)을산정하게된다.

또한, 위측정원리를바탕으로본실험을통해시험

체의열방출율산정에 대한회귀분석결과(R²= 0.996,

유의확률 0.00, Table 2), ISO 13784-1은 산소소모율 이열방출율에가장많은 영향을주는 인자로분석되 었으며, ^이는^초기^산소농도(20.95%)^에서 O²1kg 소모

시 13.1MJ의 열량을 방출함을 전제로 하는 환기지배

형화재시험법임을알수있다.

체적유량은시험초기, 최소 3.5m³/s를유지시키도록

ISO 13784-1에서규정하고있는데, 회귀분석에서도열

방출율산정에대한체적유량의높은비중을알수있 듯이, 3.5m³/s에못미칠경우샘플링덕트에서플래쉬 오버시에 열방출율측정의 정밀도가떨어질 수있음 을알수있었다.

2.3시험방법및시험체구성

프로판 가스 버너를 통해 시험의 처음 10분 동안

100kW으로, 이후추가 10분동안에는 300kW으로가 열하며나머지 10분간은가열없이육안관찰후종료하 게된다. 시험중플래쉬오버가발생(ISO 13784-1과같 은 실대화재시험에서는 열방출율 1000kW 도달시 플 Table 1.

Principle on Specimen's Heat Release Rate

¹⁾

φs 시험체열방출율

(kW)

φb 버너열방출율

(kW)

q

h, s 시험체의연소량

, 17.2 × 10

³

k

·

Jm

⁻³

(25

^o

C) q

C3H8

25

^o

C,

프로판의연소량

(16.8 × 10

³

k

·

Jm

⁻³

) qv

298

25

^o

C,

^대기압^상태에서^계산된^{배기덕트내}^가

스의배기유량

(m

³

s

^·⁻¹

)

α 팽창계수

(

^시험체^연소시 ^α

= 1,105)

χ⁰O2 산소분석기의초기몰분율

(mole fraction)

γ 산소소모지수 φ_s

= q

h s,

qv

298χ_O⁰₂ γ

γ α − ⁽

1

⁾

+ 1 ---

−

q

h s,

q

C₃H₈

---

∅_b

Table 2.

Regression Analysis for HRR

비표준화계수 표준화계수

B

^에^대한

95%

^신뢰구간

모형

B

표준오차 베타

t

유의확률 하한값 상한값

1 (

상수

) 2900.947 29.327 98.916 .000 2843.438 2958.456

이산화탄소농도 −

53.347 3.988

⁻

.119

⁻

13.375 .000

⁻

61.168

⁻

45.526

일산화탄소농도

376.079 38.605 .059 9742 .000 300.377 451.781

산소소모계수

9862.632 103.863 1.264 94.959 .000 9658.965 10066.299

차압

4.932 .045 .825 108.972 .000 4.843 5.021

온도 −

7.235 .083

⁻

1.092

⁻

87.440 .000

⁻

7.397

⁻

7.073

체적유량 −

1647.403 15.484

−

1.587

−

106.396 .000

−

1677.765

−

1617.040

a. 종속변수: 열방출율

모형요약^b

모형

R R

제곱 수정된

R

제곱 추정값의표준오차

1 .998a .996 .996 20.11954

a. 예측값: (상수), 체적유량, 이산화탄소농도, 차압, 일산화탄소농도, 온도, 산소소모계수 b. 종송변수: 열방출율

Y = 2900.947 + X1(−53.347) + X2(376.049) + X3(9862.632) + X4(4.932) + X5(−7.235) + X6(−1647.403) (X1: Co2, X2: Co, X3: 산소소모계수, X4: 차압, X5: 온도, X6: 체적유량)

(3)

래쉬오버로판정함: ^이는 EN 13501-1 ^및 EN 14390 ^등

에서실대화재시측정된기준임)²⁾할경우또한시험을 조기 종료하게 된다. ^{교정시험은} ^후드 ^아래 1.2 m^에

위치한 프로판 가스버너로해당 규정열량에맞는유 량을투입한후, ^초기 5^분간 100kW, ^추가 5^분간 300kW,

그후 5분간 100kW로단계적으로열량을증감시켜발

생한연소가스를후드에서포집하고측정덕트에서측 정된가스분석에의해산출된열방출율과비교확인하 는절차에따라실시한다.

시험체는전면에개구부를가진장방형자립형샌드 위치패널조립체로 2.4m × 3.6m × 2.4m^의^볼륨을^가진

다. ISO 13784-1에서는 1.2m 폭으로되어있으나, 국내 실정에 맞게 1m ^폭^패널로 ^제작되어 ^좌측^및^우측벽

부에 4개패널, 후벽부에 3개패널, 천정부에 4개패널 및전면 3^개^패널(^개구부 0.8m × 2m)^로^구성되며 Figure 1과같다.

시험체는구조재료와연결부, ^고정부^등^실제^현장

제작기법을 반영하여 골조 없이 제작된 자립형(free standing)^으로^제작(Figure 2)^하였으며 Table 3^의^시험체

는모두동일한두께 100mm로, 스티로폼 1종(EPS), 우 레탄폼 2종(PIR, PUR), 그라스울 1종(Glass wool) 4종 류에대해각각 1회씩시험실시하였다.

시험체는바닥과의공백을불연성 점토로 마감하여 시험시하부로 세는열량이없도록 마무리하였다.

2.4화재연소성능평가기준

2.4.1 Eurefic Research Program(ERP)

스웨덴, 덴마크, 미국, 일본등 8개국의 12개연구소 가참여한 ERP는유럽에서적용할수있는건축재료

의화재위험평가를위한 ISO 기준제정을목적으로시

Figure 1.

Specimen's joining system.

Figure 2.

Specimen manufacture procedures.

Table 3.

Specimen Composition of ISO 13784-1 Name Depth Insulation (Density) System

GW 100mm Glass Wool (48kg/m

³

)

자립형

EPS 100mm EPS (15kg/m

³

)

자립형

PIR 100mm PIR (50kg/m

³

)

자립형

PUR 100mm PUR (40kg/m

³

)

자립형

(4)

도된대규모연구프로젝트로, 실대화재시험을통한내 장재의 분류기준을 Table 4^와^같이^{제안하였다}.

각분류단계마다의열방출율및연기발생율의범위 가 다소넓게 형성되어있으며, ^열^및 ^연기가 ^플래쉬

오버 발생여부와더불어 주된분류기준요소로 고려 되어있음을 알수있다.

2.4.2 EN 13501-1

Euroclass로 통용되는 EN13501-1³⁾기준(Fire classification of construction products and building elements - Part 1: Classification using test data from reaction to

fire tests)은실제 시공시 마감이나시공 상태에 따라

화재성능변화를인정하여, 실공법상태의화재성능을

A1, A2, B, C, D, E, F의 7가지등급으로분류하였으 며, 본연구에서는이를바탕으로 FIGRA (FIre Growth RAte, W/s) 수치를 분석하였다. FIGRA 0.6kW/s는플 래쉬오버의 발생을 야기시키는 임계점이 되며, 본방 재시험연구원 시험의 시험데이터분석결과이 수치를

지지하는것으로나타났다(3.2 결과분석참조).

2.4.3 FIGRA(FIre Growth RAte) 및플래쉬오버

앞서 언급한 FIGRA는실대화재시험시, 점화원으로

부터의 영향을 배제한 화재시 최대 열방출율을 해당 시간(^초)^로^나눈^것으로 ^단위는 kW/s^이다.

ISO 13784-1과 같은 실대화재시험에서 의미하는

FIGRA^는 EN 13823⁴⁾ Single Burning Item(SBI)^에서^규

정하는 FIGRA 산정방식과 약간의 차이가 있다.

FIGRA(SBI)^은 (^열방출율^최대값/^시간)*1000^로써, ^단위

는 W/s이며, 이때 열방출율 데이터는 noise의최소화 를위해 30초평균의시간으로계산하며또한열방출 율양수및특정치 이상값만을활용한다. FIGRA(SBI)

는시험동안에 계산된특정 FIGRA의최대값인데반

해, FIRGA(room corner test)는시험동안 최대열방출 율을시간으로나눈값으로 EN14390(fire test-large scale room reference test for surface products)에언급되어있

다. SBI 시험은 상대적으로 쉽게 연소되는 시험체에

대해서는 연소성능을세분화 시켜줄 수있지만, 높은 화재성능을지닌시험체에대해서는중규모화재시험 인 SBI로측정하는것이쉽지않으며유럽에서는 SBI

로 시험시 나타난 결과에 대해 신뢰가 가지 않을 때 검증시험 방법으로써 ISO 13784-1 및 ISO 9705와같 은실대규모화재시험을시행하고있다. 또한 50kW 이 하의열방출율을보이는소규모화재에서는, FIGRA의 Table 4.

Reaction-to-Fire's Performance Classification of ERP

⁸⁾

Class Flashover

(

분

)

^열방출율

(Heat Releas Rate) (kW)

^{연기발생율}

(Smoke Production Rate) (m

²

/s)

최대값^a 최대값^b 평균값^a 최대값 평균값

A B C D E

20

이상

20

이상

12

이상

10

이상

02 이상

300 700 700 900 900

1000 600 1000 1000 1000

100 50 100 100 -

10 70 70 70 70

3 5 5 5 -

a. 버너열량제외 b. 버너열량포함

Figure 3.

Classification table of euroclass.

Figure 4.

Concept graph of FIGRA.

(5)

설정이 불명확하거나 또는잡음이 종종발생할수있 어, ^최대 ^{열방출율이} 50kW ^이하이면 FIGRA^를 0^으로

간주하기도한다.

ISO 13784-1^에서^다루는^{연소성능이란} ‘Reaction-to- Fire’로서, 이는초기피난까지(20분이내)의화재연소 성상(열방출율, 연기발생율, 화염전파거리, 용융적하물 등)을다루는것으로, 화재성장기직후급격히순간적 으로 실내가연물을연소시키는 현상인플래쉬오버의 발생시점을 판단및예측하는 것은초기피난시의인 명안전에매우중요한척도가 될수있다.

플래쉬오버를 판정하는기준은 크게다음과같다.

* 정성적인방법으로시험체 바닥에서복사열로인

한신문지발화순간.

* 시험체개구부로의화염분출순간.

* 정량적인방법으로는시험체바닥정중앙부에heat fluxmeter 설치하여복사열량 25kW/m² 측정순간.

* 시험체상부천정온도평균(650~750)^oC 측정순간.

* 산소감량에 따른 열량측정가스분석기를 통해, 열 방출율 1000kW 도달순간.

* 플래쉬오버는열방출율이 1000kW 일때발생함.

즉, 버너가열 100kW 및 300kW 일때, 플래쉬오버로 인한제품의최대열방출율은각각 900kW 및 700kW

임을의미.

ISO 13784-1에서는열량측정가스분석기를이용하여

1000kW일때의 플래쉬오버 시간을 산정하고있으며,

더불어 참고측정요소로각패널당온도측정및 heat

fluxmeter에의한 복사열량 측정을 병행하고있다. 유

럽에서는 60여개의빌딩재료에대해룸코너테스트를

실시 후, 실대규모 데이터를분석하여 FIGRA 수치와

플래쉬오버발생경향과의높은상관성을보고한바있다. 3. 결과 분석 및 화재 성능 평가 3.1 열방출율(heat release rate) 및 연기발생율

(smoke production rate)결과분석

Figure 5는 4가지 재료에 대한 열방출율결과 그래

프이며, EPS와 PIR에서플래쉬오버가발생한것을알

수있다.

EPS ^및 PUR^은^{플래쉬오버}^발생(^버너^및^시험체^합

산열량 1000kW 발생)시버너정지및소화를 실시하

여시험을 종료하였으며, EPS^의^경우 9^분 24^초, PUR

의 경우 14분 37초에 플래쉬오버가 발생하였고 다른 종류의 시험체에서는 플래쉬오버가 발생하지 않았다. Glass wool은 1192초에 324kW의최대열방출열을나

타냈으며, ^이^중 300kW^가^버너^{가열량임을}^감안하면,

거의방출열량이미소하였다고볼수있다. PIR^은 877

초에 최대 열방출율 527kW를 보였으며, 버너 출력

300kW^를^제외하면^순수^발열량은 227kW^로^나타났다.

Figure 6은연기발생율에대한결과그래프로 EPS와

PUR^은^{플래쉬오버로} ^인해^급격한 ^{연기발생이}^이뤄졌

음을알수있다.

플래쉬오버가일어난순간시험체의연기발생율을보 면, EPS는 9분 24초경과시최고 55.31m²/s, PUR은 14

분 37초 경과시 최고 84.21m²/s로 측정되었다. EPS는

버너열출력이 100kW인 10분내에폭발적으로반응하

여플래쉬오버순간까지급격하게연소되었으며, 1000kW

즉, 플래쉬오버도달순간소화를시작하였음에도불구 하고, 심재내부잠열로인한연쇄반응으로최고 2000kW

까지 도달하였다. PUR은 EPS에 비하여 다소 완만히 증가반응하다가버너열출력이 300kW^로^상향^출력되

는순간부터 급격히 연소되어 플래쉬오버가 발생하였

으며, EPS보다연기발생율은더컸음을알수있다.

3.2 FIGRA및SMOGRA결과 분석

Figure 7의 FIGRA 그래프는버너및시험체의합산 Figure 5.

Heat release rate on materials.

Figure 6.

Smoke production rate on materials.

(6)

열방출율/^시간^함수를 ^도식화^한^것이다.

실제 room corner test에대한 FIGRA는앞서, 2.4.3

절에서언급한바와같이버너영향을배제시켜야하며,

이를 바탕으로 시험체에 대한 FIGRA를 구하면 EPS

(1.60kW/s) > PUR(0.80kW/s) > PIR(0.12kW/s) > Glass Wool(0.02kW/s)의순서로 나타나, EPS와 PUR의플래 쉬오버 판정순간 화재성장추이가 확연히 기타재료와 구별되었음을 알수있다.

EPS^는 10^분^이전에 ^두^번의 ^급격한 ^화재성장^상승

커브를 보여, 플래쉬오버 순간 1.60kW/s의 FIGRA 외 에도, 276초에 761kW(버너영향제외시 661kW)의열 방출을보여 2.39kW/s(버너영향제외시)의급속한 FIGRA

성장을보여주었으며, PUR은버너 300kW 가열이후(10

분 경과후) 급격한 화재성장력을 보여 플래쉬오버순 간 0.80kW/s^의 FIGRA^가^{측정되었다}.

EPS와 PUR은 모두 플래쉬오버 발생시, FIGRA 0.6kW/s 이상으로, “Figure 3”의 플래쉬오버발생경향 과일치함을알수있다.

Figure 8의 SMOGRA 그래프에서 10분이전에는 EPS,

PUR의 SMOGRA 수치가 유사하게나타났으며, 10분

이후 PUR의플래쉬오버발생이시작되면서 PUR은지

속적으로 대량의 SMOGRA ^수치를^{보여주었다}.

Glass wool은 FIGRA 및 SMOGRA 모두에서 미미 하며일정한 기울기를나타내어가장낮은연소 특성 을나타내었다. PIR은열방출요인인 HRR 및 FIGRA

에서는 기타재료에비해 상대적으로저조한 값을보 였으나, 연기발생율을환산한 SMOGRA에서는 PUR 및

EPS^와^비등한 ^{성장추세를}^보였음을^알^수^있다. 3.3화재연소성능분류평가

Table 5는 ISO 13784-1의 시험결과를 Eurefic Research Program 및 EN 13501-1에의해평가한표로 서, Eurefic Research Program으로평가시, Glass wool

은 A등급, 나머지 재료는 모두 E등급으로 분류되어

EPS, PIR, PUR은 동일군으로 평가되었다. FIGRA를 기준으로 한 EN 13501-1로평가시, Glass wool은 A2

등급, PIR은 A²등급, PUR은 C등급, EPS는 D등급으로 분류되었다.

4. 결 론

(1) 가연물의 양및밀도와같은양적개념에비례하 는열방출율에 비해서, 특정시점에서의 순간 가속도

개념을적용시킨 FIGRA지수는 시간에따른화재성장

추세를반영한것으로, 실물화재시험에서등급분류의 기준이 되는플래쉬오버의 발생을 예측하고 판단하는

기준이됨을알수있었다. EN 13501-1에실물화재시

험의 Euroclass(FIGRA 기준)에서는 FIGRA 0.6kW/s 이 상일경우플래쉬오버발생경향이높음을시사하는데,

본연구에서시험한 ISO 13784-1 실물화재시험의 EPS

및 PUR 샌드위치패널구조는, 각각 1.60kW/s, 0.80kW/

s의값을나타냄으로서플래쉬오버가발생하였으며, 따 라서이경향과일치하는 결과를나타내었다.

Figure 7.

FIGRA on materials (burner heat contributed).

Table 5.

Overall Result of Classification

구분

GW EPS PIR PUR

열방출율^a)

(kW) 324

^≥

1000 387

^≥

1000

플래쉬오버유무

NO Yes NO Yes

소요시간

(sec) 1192 564 755 877

FIGRA(kW/s) 0.02 1.60 0.12 0.80

최대연기발생율

(/s) 1.5 55.31 15.01 84.21

ERP Class A E E E

EN 13501-1 Class A

2

D A

2

C

a) 버너와 시험체의 합산 열방출율

Figure 8.

SMOGRA on materials.

(7)

(2) Eurefic Research Program의등급분류기준에는연 기발생율에대한기준이포함되어있어 EPS, PIR, PUR

이동일한 등급으로분류가 되었으며, FIGRA를기준

으로분류한 EN 13501-1^의^{분류에서는}^재료간^차등있

는분류가 이루어졌다. 그러나, 화재시 연기발생은재 실자의피난을위한가시성확보및흡입시인체에심

각한영향을주기때문에추후 SMOGRA 등의연기요

인이반영된등급분류기준을구축하려는시도가필요 하다.

(3) ISO 13784-1^는^{실대화재를}^구현하기^위해, ^현장

시공법과동일한 조건으로시험체를설치하므로 정교 한노력이요구되며, 이를통해열방출율, 연기발생율,

복사열량, 부분별 온도분포, 화염전파거리 등많은화 재연소성능(reaction-to-fire)에관한정보를알수있다.

중형시편시험인 EN 13823 시험및현재국내시행중

인 ISO 5660-1은샌드위치패널의강판특성에의한구

조물붕괴등의영향반영이안되며, 환기지배형화재 에의한플래쉬오버예측이어려우므로샌드위치패널 에의한등급분류는 유럽등선진국과같이실대화재

시험인 ISO 13784-1 등이검증보완용시험으로시도

되어야하며, 향후많은데이터베이스확보를통해국 내실정에적합한등급분류를갖출수있도록해야할 것이다.

감사의 글

본연구는지식경제부표준기술력향상사업의지원으 로수행되었습니다.

참고문헌

1. ISO 13784-1, “Reaction to Fire Tests for Sandwich Panel Building Systems-Part 1:Test Method for Small Rooms”, Geneva(2002).

2. EN 14390, “Fire Test-Large Scale Room Reference Test for Surface Products”, CEN, Brussels(2007).

3. EN 13501-1, “Fire Classification of Construction Products and Building Elements-Part 1: Classifica- tion using Test Data from Reaction to Fire Tests”, CEN, Brussels(2002).

4. EN 13823, “Reaction to Fire Tests for Building Products-Building Products Excluding Floorings Exposed to the Thermal Attack by a Single Burning Item”, CEN, Brussels(2002).

5. V. Babrauskas, “Heat Release Rate in Fires”, Chapter 4, Elsevier Applied Science, New York(1992).

6. B. Sundstrom, et al., “Results and Analysis from Fire Tests of Building Products in ISO 9705, the Room/Corner Test”, Swedish National Testing and Research Institute, Sweden(1998).

7. B. Sundstrom, “European Classification of Building Products”, Proceedings of the 8th International Fire Science & Engineering Conference (Interflam '99), Edinburgh, Scotland(1999).

8. V.P. Dowling, et al., “Recent Approaches to Regulating the fire Performance of Materials in Buildings”, pp24-29, research paper 1 of fire code research program, Chapter 4, CSIRO Division of Building Construction and Engineering, Australia(1995).