Chapter 3: 샌드위치패널(판넬) 화재 테스트 방법
1. 소개 및 일반적인 설명
1) 배경
문헌 검토에서는 화재의 수준과 반응을 결정하는 데 사용되는 테스트를 채택하는 여러 테스트 방법의 공통 테스트 방법을 확인했습니다. LPC(Loss Prevention Council)는 LPS1181 테스트로 목재 또는 가스 버너를 사용하여 약 4분 동안 4MW를 달성합니다. 표준 열 노출이 필요한 경우 목재는 50mm×25mm×750mm의 공칭 치수를 가진 Type V Redwood/Scots Pine의 길이 70No로 제작됩니다.
구획을 제공하는 데 사용되는 구성 요소에 대한 LPS1208 내화 요고 사항은 화재의 심각도에 영향을 주지 않는 외장 및 샌드위치패널(판넬) 시스템을 평가하기 위한 2단계 테스트 방법입니다. 이 표준을 충족하기 위해 샌드위치패널(판넬)은 LPS1181 방법에 대한 등급 및 등급을 달성하고, BS476: Part22 테스트에 대한 무결성 및 단열성에 관한 지정된 내화 등급을 달성해야합니다.
IACSC FST1 테스트는 약 1.1MW의 대략적인 열 출력을 가진 중앙에 위치한 목재를 사용했으며, 이는 25분을 초과하여 안정된 상태를 유지하고 있습니다. FM은 샌드위치패널(판넬)로 대표되는 위험을 확립하기 위한 위험을 설정하기 위해 자체 테스트를 개발했습니다. Factory Mutual FM4880(Coner Wall Test)은 LPS1181과 목적상 유사하지만 높이 1.5m의 목재를 열원으로 사용합니다.
많은 테스트는 정밀하게 설계되고 규제된 로(furnace) 조건에 의해 달성될 수 있는 ISO834 표준 곡선에 의존합니다. 그러나 표준 내화성 시험 및 화재 시험에 대한 반응에 사용되는 온도–시간 곡선은 특정 또는 현실적인 화재 조건과 관련이 없으며 단순히 동일한 복제 조건과 제품을 비교하는 데 사용됩니다.
2) 실험 선택
실행할 수 있는 적절한 시험 규모에 대한 고려가 이루어졌습니다. 소형, 중형 및 대형 규모 검사와 관련하여 샘플 크기에 대한 정의는 없지만, 사용 가능한 장비는 중소 규모 샘플을 모두 테스트하기 위해 채택될 수 있습니다.
중대형 테스트는 테스트 중인 샌드위치패널(판넬) 샘플 성능의 다른 측면에 대한 보다 완전하고 현실적인 평가를 제공할 수 있습니다. 그러나 중대형 테스트는 더 비싸고 사용 가능한 테스트 시설은 접근 및 재정적인 측면에서 제한적입니다.
이 연구는 샌드위치패널(판넬) 구간 전체의 온도 윤곽과 특히 조인트 내 및 주변 주요 영역에서의 온도 윤곽에 초점을 맞추고 있다는 점에서 벤치 스케일 테스트(bench scale test)가 수행하기에 가장 적절한 테스트 척도로 간주됩니다. 소형 테스트는 종종 소형 테스트에서 특성이 드러나는 중간 및 대형 테스트에서의 사전 작업으로 자주 사용됩니다. 이 연구는 위에서 설명한 온도 윤곽의 고유한 분석을 제공하기 때문에 소형 테스트가 적절하며 향후 작업에는 더 큰 샘플 크기의 사용이 포함될 수 있습니다.
그림 [벤치 스케일 테스트(bench scale test)]
3) 소형 테스트 방법
상세한 실험 프로그램은 샌드위치패널(판넬)의 작은 샘플에 대한 실제 화재 테스트를 수행하기 위해 개발되었습니다. 테스트는 수평 및 수직 조인트가 있는 샌드위치패널(판넬) 샘플에서 수행됩니다. 선택된 두께는 95mm 및 120mm였으며, 외벽에서 가장 일반적으로 사용됩니다. 95mm 두께가 가장 일반적으로 사용되며 120mm는 최근 제품 유형입니다.
표6 [테스트 샌드위치패널(판넬) 샘플 두께 및 방향]
4) 화원 선택(Fire Source Options)
(1) 목재 화재(일반 막대기 배열)
목재 화재는 화재 테스트에 대한 반응 및 화재 테스트에 대한 반응을 수행할 때 종종 화재원으로 사용됩니다. 목재는 나무의 길이가 두께보다 긴 규칙적인 형태입니다. 목재는 정렬을 수평으로 분리하는 공기 공간과 교대로 행으로 배치됩니다. 균일하게 점화된 목재의 경우 연소율은 다음 중 하나에 의해 결정됩니다.
① 자유롭게 타는 막대기 표면의 자연적인 한계
② 목재의 공기 구멍을 통한 공기 및 연기 생성물의 최대 흐름
③ 실내에 공급할 수 있는 최대 산소
(2) 팔레트 화재
개념에서 목재와 쌓인 팔레트는 유사합니다. 그러나 쌓는 형상은 목재가 규칙적인 막대기 배열로 구성되고 팔레트가 전통적인 구성의 직사각형 요소로 구성된다는 점에서 다릅니다. 목재 화재와 유사한 막대기 크기가 상당히 높으면 일정하게 불타고 있는 것을 볼 수 있다는 것이 관찰되었습니다.
팔레트 높이 범위에서 실험 데이터와 개발된 방정식 사이에 양호한 상관 관계가 관찰되었습니다. 그러나 짧은 높이(<0.5m)를 적용했을 때 연소율에 대한 과대 예측을 보여줍니다.
5) 구획 화재 개발
밀폐 화재는 종종 구획 내의 온도 개발 측면에서 설명되며 아래에 설명된 별도의 개발 단계로 나뉩니다.
그림16 [구획 내의 화재 발생]
(1) 초기 단계(Incipient Phase)
일단 연소가 시작되면, 초기 화재의 개발은 주로 관련된 연료(연료 제어 화재)의 특성과 구성에 크게 좌우됩니다. 구획 내의 공기는 화재 발생을 계속하기에 적절한 산소를 제공합니다. 이 화재 발생 초기 단계에서 복사열은 인접한 연료 가열하고 열분해 과정을 계속합니다.
화염에서 뜨거운 가스와 불꽃이 솟아올라 방 안의 차가운 공기와 섞입니다. 에너지의 이러한 전달은 실내의 전반적인 온도를 증가시키기 시작합니다. 이 기둥이 천장에 다다르면, 뜨거운 가스가 천장을 가로질러 수평으로 퍼지기 시작합니다. 초기 단계 이후의 전환은 정확한 용어로 정의하기 어렵습니다. 그러나 천장 근처의 화염이 더 명확하게 정의되고 부피가 커짐에 따라, 화재는 초기 단계를 넘어 이동했고(적절한 산소를 제공함) 더 빨리 성장할 것입니다.
(2) 성장 단계(Growth Stage)
구획 내에 충분한 산소가 있을 경우 추가로 연료가 관여하게 되고 화재로 인한 열 방출율이 증가합니다. 구획 내의 가스 온도는 천장으로부터 바닥쪽으로 더 낮은 냉각 층까지 확장되고 상부 고온 층으로 광범위하게 정의될 수 있습니다. 연기와 천장에서 발생하는 대류 및 화재의 복사열과 연기에 있는 뜨거운 미립자는 구획 내장 및 구획 내의 다른 항목의 온도를 증가시킵니다.
구획 내의 가스가 가열되면 팽창하고 구획에 의해 제한되면 압력이 증가합니다. 이 층의 압력이 높으면 구획 내부와 개구부를 통해 밖으로 나오게 됩니다. 냉각 가스층의 압력이 낮아져, 구획 외부로부터 공기가 내부로 이동하게 됩니다. 이 두 층이 만나는 지점에서 뜨거운 가스가 개구부를 통해 빠져 나오면 압력이 중립적이며 중립 평면이라고 합니다.
화재는 화염 확산이나 구획 내의 다른 연료의 점화로 계속 성장할 수 있습니다. 기둥의 화염이 천장에 도달하면 그들은 구부러지고 천장 제트기라고 불리는 수평으로 확장되기 시작할 것입니다. 뜨거운 가스 층에서 불완전한 연소의 열분해 생성물 및 인화성 부산물은 점화되어 천장을 가로질러 이 수평 확장을 계속합니다. 화재가 성장 단계로 더 이동함에 따라, 화재 구획 냉의 지배적인 열 전달 방법은 대류에서 복사로 이동합니다. 복사열 전달은 바닥 수준에서 열 유속(열 에너지 전달)을 증가시킵니다.
(3) 플래시오버(Flashover)
플래시오버(Flashover)는 성장 단계에서 완전히 발달된 화재로의 갑작스런 전환입니다. 플래시오버가 발생하면 구획 내의 모든 가연성 물질의 표면 전체와 관련된 상태로 빠르게 전환됩니다. 플래시오버 조건은 다양한 방식으로 정의됩니다. 일반적으로 구획 내의 천장 온도는 500℃~600℃ 정도 이거나, 구획 바닥으로의 복사열은 15~20kW/m²입니다.
플래시오버가 발생하면, 연소 가스는 증가된 속도로 구획의 개구부를 밀어낼 것입니다. 구획 내에 충분한 연료와 가스가 있어야하며 점화된 품목은 충분한 에너지를 포함하고 플래시오버가 발생할 수 있을 만큼 빠른 속도로 방출해야하기 때문에 플래시오버가 항상 발생하지는 않습니다.
(4) 완전히 발달된 단계(Fully Developed Stage)
이 플래시오버 후 단계에서는 에너지 방출이 가장 크지만 일반적으로 환기에 의해 제한됩니다. 타지 않은 가스는 천장에 축적되고 구획을 떠날 때 자주 연소되어 문이나 창문에서 화염이 나타납니다. 완전히 발달된 화재 동안 구획 내의 평균 가스 온도는 700℃~1200℃입니다.
(5) 쇠퇴기(Decay Stage)
사용 가능한 연료가 소비되거나 제한된 산소로 인해 구획 화재는 붕괴 단계로 들어갈 수 있습니다. 플래시오버와 관련하여 논의한 바와 같이, 충분한 에너지를 포함하지 않거나 구획을 플래시오버로 가져올 충분한 열방출 속도가 없는 연료는 화재 발생 단계의 각 단계를 통과합니다(그러나 다른 연료로 확장되지 않을 수 있습니다). 더 큰 규모에서는, 개입없이 전체 구조가 완전한 개입에 도달할 수 있으며 연료가 소비됨에 따라 붕괴 단계로 이동합니다.
그러나 화재가 붕괴 단계로 이동하는데 더 문제가 되는 또 다른 방법이 있습니다. 구획 또는 건물의 환기가 충분한 산소를 공급하지 않을 때 화재는 붕괴 단계로 이동할 수 있습니다. 그러나 산소 농도가 떨어지면서 열방출 속도는 감소하지만, 한 동안 온도가 계속 상승할 수 있습니다. 이는 관련 구획이 고온, 열화 연료 및 가연성 가스 연소 생성물의 고농도를 포함할 수 있기 때문에 상당한 위협을 제공합니다.
6) 외장 내 화재 발생에 영향을 미치는 요인
외장 내 화재에 영향을 미치는 요인은 여러 가지가 있으며 외장과 관련된 요인과 연료와 관련된 요인으로 분류할 수 있습니다. 가연성 물질의 유형과 양은 주요 요인 중 하나이지만 연료의 위치도 결정합니다.
연료가 벽에서 떨어진 곳에 배치되면 모든 방향에서 차가운 공기가 유입되는 반면 벽이나 코너에 배치되면 유입되는 공기의 양이 감소하여 온도가 높아지고 화염 높이가 증가합니다. 연료의 간격과 방향은 또한 간격이 연료 내에서 화재가 얼마나 빨리 확산되는지 결정하기 때문에 중요합니다. 수직면에서 위로 확산되는 속도가 수평 방향 표면을 따라 횡방향으로 확산되는 것보다 더 빠르게 발생합니다.
7) 열방출율(Heat Release Rates)
화재에서 에너지가 방출되는 속도는 주로 연료의 유형, 수량 및 방향에 따라 달라집니다. 에너지가 방출되는 속도는 아래 그리프에 나와있는 것과 같이 시간에 따라 달라집니다.
그림17 [1.2m×1.2m 목재 팔레트를 연소할 때 다른 높이로 쌓을 때 측정된 에너지 방출율]
고려해야 할 외장 영향도 있습니다. 뜨거운 가스는 벽과 천장을 가열하는 천장에서 수집됩니다. 이것은 연료의 표면으로 에너지를 다시 방사하여 연소 속도를 증가시키는 효과를 갖습니다. 또한 외장 환기구는 연소에 사용할 수 있는 산소량을 제한할 수 있습니다. 이것은 연료 연소량을 줄이는 효과가 있으며, 방출되는 에너지를 감소시키고 연소되지 않은 가스의 생산을 증가시키는 효과가 있습니다. 환기구가 상대적으로 작으면 불완전 연소를 유발하는 산소가 제한되어 에너지 방출율이 감소하고 가스 온도가 낮아져 연료 표면에 대한 복사 반응이 낮아집니다.
8) 환기 조건
샘플 샌드위치패널(판넬)을 다양한 화재 성장 크기와 다른 구성에 노출시킬 경우의 이점을 고려했습니다. 샌드위치패널(판넬)을 타는 화재와 완전히 발화한 화재에 노출시키는 것이 가능했을 것입니다. 플래시오버는 성장 단계에서 완전히 발달된 화재로의 갑작스런 전환입니다. 플래시오버가 발생하면, 구획내 모든 가연성 물질이 표면 전체에 관여 상태로 빠르게 전환됩니다.
문헌에 따르면 플래시오버에 대한 조건은 다양한 방식으로 정의됩니다. 일반적으로 구획의 천장 온도는 500℃~600℃에 도달해야하며, 구획의 바닥으로 열흐름(열전달 측정)은 15~20kW/m²에 도달해야합니다. 플래시오버가 발생하면 연소 가스는 상당한 속도로 구획의 개구부(다른 방으로 통하는 문 등)를 밀어냅니다. 플래시오버 조건을 달성하고 샌드위치패널(판넬)과 조인트를 최대 복사열에 노출시키는 것이 유익할 것이라 생각되었으므로, 환기 조건은 목재가 완전히 발달된 화재를 생성하도록 설계되었습니다.
완전히 발달된 화재는 샌드위치패널(판넬)을 잠재적으로 제거하거나 부피와 압력이 다른 화재 가스를 생성하여 구획 내에서 다른 화재 조건을 생성할 수 있으며 구획의 화재 가스 생성으로 인해 가압을 생성합니다. 이 문제를 완화하기 위해 환기 조건은 목재 내에서 완전히 발달된 화재를 보장하기 위해 충분한 공기를 주입할 수 있고 화재 가스 없이 구획에서 탈출할 수 있도록 충분한 환기를 보장하도록 환기 조건을 마련했습니다.
9) 선택한 옵션
사용 가능한 옵션과 장비의 한계를 고려할 때 가장 적절한 화재원은 나무 팔레트로 만든 목재 화재라고 결정되었습니다. 각 테스트에서 동일한 화재 조건을 완벽하게 재현하기는 어렵다는 것은 인정되지만 목재의 구조와 크기는 모든 경우에 동일합니다.
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