A Study on the Fire Risk of Building Interior Materials

영주 박; 영탁 김; 해평 이

doi:10.9798/KOSHAM.2017.17.3.183

Abstract

In this study, we have peformed the Cone Calorimeter test in accordance with ISO5660-1 to check the combustion characteristics of building interior materials. The fire risk of these materials were evaluated by construction code and KFI criteria. 4 samples of 12 were satisfied with criteria of peak heat release and total heat released but 8 of 12 weren’t satisfied with criteria. The flashover propensity of 6 of 12 samples were “Intermediate” and 2 of 12 samples were “High.”

Keywords: Heat Release Rate, Total Heat Release, Flashover Propensity

요지

본 연구에서는 건축용 실내 인테리어 제품들에 대한 연소특성을 파악하기 위해 ISO5660-1에 따라 콘칼로리미터 시험을 수행하였다. 건축법 및 KFI 인정기준에서 제시하고 있는 성능기준과 비교를 통해 시중에 유통⋅판매되는 제품의 화재위험성을 평가하였다. 시험을 수행한 12개의 제품 중 4개는 최대열방출률과 총열방출량에서 모두 기준을 만족하였으나, 8개의 제품은 기준을 만족하지 못하는 것으로 나타났다. 또한 플래쉬오버성향 분석 결과도 총 12개의 재료 중 6개가 중간(Intermediate), 2개가 높음(High)으로 나타났다.

1. 서론

건축물 내부마감재료 및 실내장식물에 대한 성능평가는 현재 국토교통부 고시 “건축물 마감재료의 난연성능 및 화재확산 방지구조 기준” 및 “실내장식물의 불연⋅준불연 재료의 KFI인정기준”에 따라 시행되고 있다. 건축법 제52조에 따르면 건축물의 마감재료는 건축물의 벽, 반자, 지붕(반자가 없는 경우에 한정한다)로 한정하고 있으며, KFI인정기준에서 명시하고 있는 실내장식물은 다중이용업소의 안전관리에 관한 특별법 시행령에서 “건축물 내부의 천장이나 벽에 붙이는(설치하는) 것 (중략) 건축법 제52조에 따른 내부마감재료는 제외한다.”라고 되어있다. 다중이용업이란 불특정 다수인이 이용하는 영업 중 화재 등 재난 발생 시 생명⋅신체⋅재산상의 피해가 발생할 우려가 높은 것으로 대통령령으로 정하는 영업을 말한다.

위 두 가지 법령 및 기준에서 건축물 내부마감재료 및 실내장식물 전반에 대해서 성능기준을 제시하고 있지만, 다중이용업소가 아닌 일반 건축물의 실내장식물의 경우에는 성능기준의 적용을 받고 있지 않는 실정이다.

본 연구에서는 다중이용업소가 아닌 가정집, 사무실 등 일반적인 건축물에 사용되는 실내장식물 즉, 건축물의 실내인테리어 제품들에 대한 연소특성 분석을 통해 화재위험성을 파악하여 화재안전성평가의 기초자료로 활용하고자 한다.

2. 실험

2.1 실험재료

본 연구에서 실험재료는 시중에 유통⋅판매되는 천정이나 벽 마감을 위해 사용하는 나무, 벽지, 플라스틱 재질로 구성된 인테리어 제품을 사용하였다. Table 1에 실험재료에 대한 사양을 제시하였다.

Table 1

Specification of Test Samples

Test Samples			Mass (g)	Thickness (mm)
Ceiling	A	White Board	40.0	12
	B	Green Board	54.8	15
	C	Wood Board	87.6	10
	D	Cushion Board	14.8	15
Wall	E	Cork	3.8	2
	F	Wood(mohogari)	46.7	10
	G	Wood(gray)	72.8	10
	H	Coconut(wood)	40.1	25
	I	Insulation sheet A	3.2	10
	J	Insulation sheet(foil)	3.2	8
	K	Flame retardant sheet A	3.6	1
	L	Flame retardant sheet B	4.2	1

일반적으로 실내인테리어에 사용되는 재료인 목재, 합판, 종이 등은 초산비닐수지와 물을 주성분으로 하고 있으며, 폴리싱타일과 석기질 등은 폴리아마이드수지와 에폭시수지를 주성분으로 하고 있다. 또한, 보드 및 타일류는 시멘트, 무기필러, 분말수지 등으로 구성되어 있으며, 석재와 대리석 등은 무초산 실리콘계가 주성분으로 사용되고 있다(Kim et al., 2013).

본 연구에 사용된 인테리어 마감재는 주요성분외에 다양한 화학적 성분들이 함유되어 있을 것으로 사료되나, 구체적인 성분은 제조사의 사정에 의해 밝힐 수 없었다.

2.2 실험방법

건축용 실내 인테리어에 사용되는 재료의 열방출특성을 평가하기 위해서 ISO 5660-1규격을 만족하는 영국 FTT사의 Dual Cone Calorimeter를 사용하였다. Table 2에 시험조건을 명시하였다.

Table 2

Test Conditions of ISO5660-1

Conditions	Specification
Heat flux, kW/m²	50
Exhaust flow rate, m³/s	0.024
Specimen Surface area, cm²	88.4
Scan interval, s	2
Test orientation	Horizontal
Specimen size, mm	100 × 100

화재시 발생되는 열방출률은 화재강도에 비례하며, 화재 규모 산정에 있어서 중요한 요소이다(Park et al., 2015).

열방출률 특성은 화재의 성장 및 전파에 직접적인 영향을 미치는 인자로 알려져 있다(Lee et al., 2003).

콘칼로리미터에서 측정되는 열방출률(Heat Release Rate)은 산소 1 kg이 소모되면 약 13.1 MJ의 열이 발생하는 원리로 산소소모법에 의해 Eq. (1)과 같이 계산되어진다(ISO 5660-1, 2015).

(1)

q˙(t) = (Δhcro)(1.10)CΔpTe XO20−XO21.105−1.5XO2

q˙ : 열방출률(kW)

Δh_{c :} 순연소열(kJ⋅g^-1)

r_{o :} 양론적 산소/연료 질량비

C : 오리피스 유량계 교정상수(m^1/2⋅g^1/2⋅K^1/2)

Δp : 오리피스미터 압력차(Pa)

T_{e :} 오리피스미터 내에서 가스 절대온도(K)

XO20 : 산소 분석기 눈금의 초기값

XO2 : 산소 분석기 눈금값

시험편의 단위면적당 열방출률은 Eq. (2)에 의해 구할 수 있다.

(2)

q˙A(t) = q˙A(t)/As

q˙A : 단위면적당 열방출률

A_s: 시료의 초기 노출면적(0.00884 m²)

최대열방출률(Peak Heat Release Rate, PHRR)은 시료의 단위면적당 발생되는 순간적인 최대 열방출률을 말하며, 재료가 가장 활발하게 연소될 때 최대열방출률이 발생한다.

총열방출량(Total Heat Released, THR)은 시험시작시부터 일정시간 또는 종료시까지의 열방출의 합산으로 계산되며 MJ/m²로 표현된다.

플래쉬오버(flashover)란 모든 실내화재 시 모든 가연물이 분해되어 가연성 증기를 발생하여 전체가 급격하게 연소되는 상태를 말하며, 재료의 화재위험성을 평가하는 중요한 지표이다.

플래쉬오버성향(Flashover Propensity)은 Hirschler 및 Petrella가 착화시간(Time To Ignition, TTI)과 최대열방출률(Peak Heat Release Rate, PHRR)을 이용하여 분석하였다. 착화시간은 ISO5660-1에서 지속적인 불꽃 즉, 시험편의 표면 또는 그 위에서 10초를 초과한 시간 동안 불꽃이 존재하는 경우 그 시작시간을 의미한다(KS F ISO 5660-1, 2008). 플래쉬오버성향을 분석하기 위해서 Hirschler는 TTI/PHRR (s⋅m²/kW)로, Petrella는 PHRR/TTI (kW/m²⋅s)로 계산하였다(Hischler, 1995; Petralla, 1994).

본 연구에서는 플래쉬오버성향등급을 표시한 Petrella의 플래쉬오버성향분석식을 활용하였으며 Table 3에 Petrella가 제시한 플래시오버성향 등급을 표시하였다(Petrella, 1994).

Table 3

Flashover Propensity Rating

Flashover Propensity(kW/m² · s)	Rating
01. to 1.0	Low
1.0 to 10	Intermediate
10 to 100	High

3. 실험결과 및 고찰

본 연구에서는 건축용 실내 인테리어 제품에 대한 열방출특성을 평가하기 위해 ISO5660-1 콘칼로리미터 시험을 수행하였으며 다음과 같은 결과를 얻을 수 있었다.

3.1 HRR (Heat Release Rate, 열방출률)

“건축물 마감재료의 난연성능 및 화재확산 방지구조 기준” 및 “실내장식물의 불연⋅준불연 재료의 KFI인정기준”에서 준불연재료 및 난연재료에 대한 성능기준을 최대열방출률이 10초 이상 연속으로 200 kW/m²을 초과하지 않도록 제시하고 있다. Table 4 및 Fig. 2에서 확인할 수 있는 것과 같이 총 12개의 샘플 중에서 4개(Cushion board, Cork, Wood (coconut), Insulation sheet)가 최대열방출률이 10초 이상 연속으로 200 kW/m² 이상 되는 값을 보였으며, 나머지 8개의 샘플은 기준을 만족하였다. Fig. 3에 전체 12종 샘플에 대한 시간에 따른 열방출률 그래프를 표시하였다.

Table 4

ISO5660-1 Test Results

Test Samples		PHRR (kW/m²)	THR(5min) (MJ/m²)	THR(10min) (MJ/m²)
A	White Board	18.4	3.2	4.3
B	Green Board	131.7	7.5	9.5
C	Wood Board	18.7	0.7	2.4
D	Cushion Board	451.1	38.1	38.1
E	Cork	229.2	10.2	10.2
F	Wood(mohogari)	169.6	35.6	50.6
G	Wood(gray)	102.0	12.5	33.5
H	Wood(Coconut)	606.6	51.8	63.5
I	Insulation sheet	212.3	11.8	11.8
J	Insulation sheet(foil)	100.7	6.2	10.0
K	Flame retardant sheet A	160.0	4.7	4.7
L	Flame retardant sheet B	164.0	5.6	5.6

Table 5

ISO5660-1 Test Results(2)

Test Samples		PHRR (kW/m²)	TTI (s)	Flashover Propensity (kW/m² · s)
A	White Board	18.4	31	0.59	Low
B	Green Board	131.7	138	0.95	Low
C	Wood Board	18.7	-	0	Low
D	Cushion Board	451.1	4	112.77	High
E	Cork	229.2	5	45.85	High
F	Wood(mohogari)	169.6	34	4.99	Intermediate
G	Wood(gray)	102.0	58	1.76	Intermediate
H	Wood(Coconut)	606.6	49	12.38	High
I	Insulation sheet	212.3	2	106.45	High
J	Insulation sheet(foil)	100.7	231	0.44	Low
K	Flame retardant sheet A	160.0	4	40.01	High
L	Flame retardant sheet B	164.0	5	32.81	High

Fig. 1

Test Samples

Fig. 2

Peak Heat Release Rate

Fig. 3

Heat Release Rate

3.2 THR (Total Heat Released, 총열방출량)

“건축물 마감재료의 난연성능 및 화재확산 방지구조 기준”의 난연재료(시험 후 5분간 총방출열량) 기준으로 시험결과를 비교해보면 Table 4 및 Fig. 4에서 확인할 수 있는 것과 같이 총 12개의 샘플중 6개(Cushion Board, Cork, Wood (mohogari), Wood (gray), Wood (coconut), Insulation sheet)가 기준인 8 MJ/m²을 초과하는 것으로 나타났다.

특히, Cushion Board, Wood (mohogari), Wood (coconut)의 경우는 기준보다 4~6배 정도 큰 35.6 MJ/m² ~ 51.8 MJ/m²의 결과를 보였다.

Fig. 4

Total Heat Released (5min)

최대열방출률이 기준을 만족하는 샘플(Wood (mohorari), Wood (gray))의 경우에도 총방출열량이 기준을 만족하지 못해 종합적으로 기준을 만족하지 못하는 결과를 보였다. Fig. 5에서 최대열방출률 및 총방출열량(5분)을 동시에 표시하여 기준의 만족정도를 나타내었다.

Fig. 5

PHRR and THR (5min)

“건축물 마감재료의 난연성능 및 화재확산 방지구조 기준”의 준불연재료(시험 후 10분간 총방출열량) 기준과 “실내장식물의 불연⋅준불연 재료의 KFI인정기준”의 준불연재료 기준(시험 후 10분간 총방출열량)으로 시험결과를 비교해보면 Table 4 및 Fig. 6에서 확인할 수 있는 것과 같이 총 12개의 샘플 중 8개(Green Board, Cushion Board, Cork, Wood (mohogari), Wood (gray), Wood (coconut), Insulation sheet, Insulation sheet (foil))가 기준인 8 MJ/m²을 초과하는 것으로 나타났다. 특히, Cushion Board, Wood (mohogari), Wood (gray), Wood (coconut)의 경우는 기준보다 4~7배 정도 큰 33.5 MJ/m² ~ 63.5 MJ/m²의 결과를 보였다. 최대열방출률이 기준을 만족하는 샘플(Green board, Wood (mohorari), Wood (gray), Insulation sheet (foil))의 경우에도 총방출열량이 기준을 만족하지 못해 종합적으로 기준을 만족하지 못하는 결과를 보였다. Fig. 7에서 최대열방출률 및 총방출열량(10분)을 동시에 표시하여 기준의 만족정도를 나타내었다.

Fig. 6

Total Heat Released (10min)

Fig. 7

PHRR and THR (10min)

Fig. 8

Flashover Propensity

본 실험에서는 실제 현장에서 사용되고 있는 형태의 인테리어 재료들은 ISO 5660-1 규격에 따라 실험재료의 크기 (100 × 100) mm만을 만족시켜 진행되었기에, 재료의 두께 및 밀도는 동일조건으로 고려되지 않았으며, 주요성분 또한 제조사의 요청으로 밝힐 수 없었다.

따라서 이러한 발열량 결과 차이는 재료의 주요 구성성분, 복합재료의 경우 구성성분과 조성 비율, 두께 및 밀도 등 다양한 원인에 의해 발생되는 것은 당연한 결과인 것으로 사료되며, 크게는 주요성분과 인테리어 재료들의 동일 부피당 밀도차이가 크게 작용하였기 때문에 발열량 특성 결과 경향성은 없는 것으로 나타났다.

3.3 Flashover Propensity (플래시오버성향)

Petrella의 플래이오버성향분석에 따르면 착화시간이 빠르고 최대열방출률이 높을수록 높은 등급을 나타낸다.

반대로 착화시간이 느리고 최대열방출률이 낮은 경우는 상대적으로 낮은 등급을 나타낸다.

착화되는 시간이 느리고, 최대열방출률이 낮은 샘플(White board, Green board, Wood board, Insulation sheet (foil)) 4개에서 플래시오버성향이 낮음(Low)으로 나타났으며, 2개의 샘플(Wood (mohogari), Wood (gray))에서 중간(Intermediate) 그리고 6개의 샘플은 높음(High)으로 나타났다. Flame retardant sheet A, B의 경우는 상대적으로 최대열방출률이 낮음(200 kW/m² 이하)에도 불구하고, 착화시간이 빨라 플래쉬오버성향이 높음(High)으로 나타났으며, Cushion board, Cork, Insulation sheet의 경우는 최대열방출률도 높게 나타났고, 착화시간도 빨라 높음(High)으로 나타났다. Wood (coconut)의 경우에는 다소 느린 착화시간을 보였음에도 불구하고 최대열방출률이 높아 플래시오버성향이 높음(High)으로 나타났다.

Cushion board와 Insulation sheet의 경우에는 플래서오버성향이 Petrella가 분류한 등급 중 높음(High)의 최대값인 100 보다 더 큰 값을 보였다.

4. 결론

(1) “건축물 마감재료의 난연성능 및 화재확산 방지구조 기준”의 난연재료 기준인 최대열방출률과 총방출열량을 동시에 비교한 결과, 총 12개의 샘플 중 6개의 샘플이 기준을 만족하지 못하는 것으로 나타났다. 일부제품의 경우 최대열방출률은 기준을 만족하였으나, 연소의 지속성에 따른 총방출열량은 만족하지 못하는 결과를 보였다.
(2) “건축물 마감재료의 난연성능 및 화재확산 방지구조 기준”의 준불연재료 및 “실내장식물의 불연⋅준불연 재료의 KFI인정기준”과 비교한 결과, 총 12개의 샘플 중 8개의 샘플이 기준을 만족하지 못하는 것으로 나타났다. 순간적인 열방출률인 최대열방출률보다는 총방출열량에서 대부분의 샘플이 기준을 만족하지 못하는 결과를 보였다.
(3) Petrella의 플래쉬오버성향분석 등급 중간(Intermediate) 이상을 위험하다고 평가할 경우 총 12개의 샘플 중 8개의 샘플이 화재위험성이 큰 것으로 나타났으며, 높음(High)을 위험하다고 평가할 경우에도 총 12개의 샘플 중 6개의 샘플이 화재위험성이 큰 것으로 나타났다.

이상과 같은 본 연구 결과로부터 기준적용을 받지 않는 건축용 실내 인테리어 제품들에 대한 화재위험성이 크다는 사실을 확인할 수 있었다.