방사열에 노출된 발포폴리스티렌(EPS) 샌드위치패널의 성능(3)
출처: https://ir.canterbury.ac.nz/bitstream/handle/10092/8474/baker_fire_research-02-1.pdf?sequence=1
4) 화재 시험
다른 제품의 성능 평가는 화재 시험을 통해 이루어집니다. 일반적으로, 제품들은 이러한 시험의 결과에 기초하여 분류됩니다. 이 분류는 규제 당국이 안전 수준을 유지하는 수단으로 사용할 수 있습니다. 실제 화재 상황에서 단열 샌드위치패널의 성능을 정확하게 나타내는 화재 시험을 개발하기 위해 국제적으로 수행되었습니다. 일반적인 우려 사항은 현재의 소규모시험 절차 중 일부는 화재시 샌드위치패널의 행동을 적절히 예측하지 못한다는 것입니다.
(1) 보험산업
보험 업계는 영국과 미국에서 샌드위치패널과 관련된 화재시험 개발에 적극적으로 참여해 왔습니다. 예를 들어, 미국에 본사를 둔 보험사인 FM(Factory Mutual)은 다양한 플라스틱 건축자재를 분류할 수 있는 대규모 및 소규모 시험을 개발 했습니다.
마찬가지로 영국의 손실방지위원회 LPC(Loss Prevention Council)는 샌드위치패널의 성능 평가를 위한 대규모 시험방법을 개발했습니다. 손실방지표준 LPS 1181, 화재시험에 대한 대규모 반응은 ‘이제 영국 보험업계에서 요구사항의 초석을 형성합니다.’ LPC는 샌드위치패널 설치에 대한 지침을 제공하는 건물 화재방지 설계가이드도 제작했습니다. LPC는 또한 식품 및 음료산업에서 화재방지대책을 다루는 실천 요령을 발표했습니다. 또한, LPC 1208(LPC, 1995) 및 LPS 1220(LPC, 1997)과 같은 샌드위치패널의 화재 성능을 독점적으로 다루는 두 가지 손실방지표준을 제작했습니다.
참고: https://www.thenbs.com/PublicationIndex/documents?Pub=LPC
http://pfpf.org/pdf/publications/best_practice_guide.pdf
(2) ISO 9705 Room/Corner Test
1993년 국제표준화기구(ISO)는 ISO 9705: 화재시험– 표면 제품(ISO, 1993)에 대한 Full-scale room test를 발행했습니다. 이 시험방법은 일반적으로 Room/Corner Test 라고 합니다. Room/Corner Test는 시험되는 제품의 열 방출률(Heat Release Rate, HRR)과 연기 발생률(Smoke Production Rate, SPR)을 측정하는 화재 시험방법에 대한 대규모 반응입니다.
이 시험은그림과 같이 너비가 2.4m, 길이가 3.6m, 높이가 2.4m인 구획 벽의 3개의 벽과 천장입니다.
[ISO 9705 Room/Corner Test]
가스버너가 방의 한쪽 구석에 놓여있습니다. 버너 출력은 시험 처음 10분 동안 100kW이고, 두 번째 10분 동안은 300kW입니다. 시험은 20분이 경과하거나 플래시오버(flashover)가 발생하면 종료됩니다. 플래시오버는 총 열방출률(Heat Release Rate, HRR)이 1,000kW에 도달할 때를 의미합니다.
각 시험의 결과로 나타난 열방출률(Heat Release Rate, HRR)은 FIGRA index 또는 화재 성장률지수를 발생시킵니다. ‘FIGRA 지수는 작은 화재가 큰 화재보다 덜 위험하고, 빠르게 성장하는 화재는 서서히 증가하는 화재보다 위험하다는 사실에 기초합니다.’ 이것은 점화원의 기여도를 제외한 화재의 피크 열방 출률(Heat Release Rate, HRR)을 이것이 발생하는 시간으로 나눔으로써 계산됩니다. FIGRA 지수의 단위는 kW/s입니다. 플래시오버시 시험을 종료되도록 하려면, 제품의 최대 열방출률(Heat Release Rate, HRR), 즉 버너의 경우 100kW 또는 300kW 미만인 경우 900kW 또는 700kW가 될 수 있습니다. 이 시험은 첫 번째 또는 두 번째 10분 동안 피크가 발생하는지 여부에 따라 다릅니다.
아래의 그림은 이 계산의 예를 보여 줍니다.
[FIGRA 지수의 계산]
연기 발생률(Smoke Production Rate, SPR)은 SMOGRA 지수 또는 연기 성장률 지수로 표시됩니다. 이 지수는 피크 연기 발생률(Smoke Production Rate, SPR)의 60초 평균을 피크가 발생한 시간으로 나눈 값으로 계산됩니다. 결과 값은 FIGRA index와 크기 면에서 비교하도록 1000을 곱하고, 단위는 m²/s²입니다.
1998년 스웨덴 국립시험연구원(National Testing and Research Institute)은 EPS 샌드위치패널을 포함한 ISO 9705에 따라 시험했을 때 다양한 제품의 화재성능을 평가한 보고서를 발표했습니다. 시험한 30개 제품 중 EPS 샌드위치패널은 FIGRA 지수가 0.72 kW/s와 SMOGRA 지수 7.0m²/s²로 15위를 차지했습니다. 버너 강도가 300kW일 때, 두 번째 10분 동안은 플래시오버 현상이 발생했습니다.
참고: http://www.vedelem.hu/files/UserFiles/File/SPReportSandwichpanelsrevisedFINALDOC_tot.pdf
Parlour(2000)는 유럽 집행위원회 문서 RG N130-ISO Room/Corner의 59개 건축 자재에 대한 FIGRA 지수에 요약된 다양한 유형의 샌드위치패널의 비교에 대해 설명했습니다. 미네랄울 단열재가 있는 샌드위치패널은 가장 좋은 10위, EPS 샌드위치패널 22위, 폴리우레탄 샌드위치 패널은 34위입니다.
(3) 수정된 ISO 9705 시험
ISO 9705 Room/Corner 시험이 널리 사용되고 있지만, 실제 최종 사용 조건에서 샌드위치패널을 시험하지 않습니다. 스웨덴 국립시험연구원(Swedish National Testing and Research Institute)은 기존 ISO 9705 시험 방법을 유지하면서, 동시에 건설 현장을 정확하게 반영하는 전면적인 시험 절차를 개발하는 것을 목표로 계획에 착수했습니다. 보다 현실적인 대안을 찾기 위한 목적은 조인트 시스템과 시공 상세 정보의 진정한 의미를 평가하기 위한 시도였습니다.
동일한 치수를 유지하면서 구획의 내장이 아닌 독립된 장치로 샌드위치패널을 시험하는 방법이 개발 되었습니다. ISO 9705 방법과 관련되어 사실상 주요 쟁점은 시험실 내부를 형성하는 샌드위치패널의 외부 표면에 고정 장치 등을 적용할 수 없다는 점입니다.
기본적으로 시험실은 상기 그림에서와 같이 ISO 9705 구획실의 출입구에 배출 후드가 있는 대신, 큰 열량계를 설치하였습니다. 수정된 방법은 샌드위치패널을 지지를 허용합니다.
4가지 단열재를 사용한 샌드위치패널을 계획의 일부로 시험했습니다. 미네랄울 샌드위치패널의 경우, ISO 9705와 수정된 방법 사이에 큰 차이는 없었습니다. EPS 샌드위치패널의 경우 성능이 개선된 반면 폴리우레탄 및 폴리이소시아누레이트의 경우 성능이 저하 되었습니다.
이 계획의 전반적인 결론은 다음과 같습니다.
① 샌드위치패널을 사용하여 실제 최종 사용 조건의 화재 시험에 대한 반응을 수행하는 것이 중요합니다.
② 조인트 상세는 샌드위치패널의 화재 반응에 중요한 요소입니다.
이에 상응하여 ISO는 독립형 샌드위치패널에 대한 테스트 방법을 개발했습니다.
(4) 유럽 화재등급: Euroclasses
유럽연합 내에서 건물 제품의 시험과 분류를 조화시키는 목적은 15개 회원국이 제품을 생산하기 위해 자유 무역을 할 수 있도록 하는 것입니다. 화재 발생시 건물 제품의 안전은 이러한 조화 과정의 한 요소 이며, 새로운 유럽 화재등급 또는 Euroclasses 분류 체계를 도입했습니다.
Sundström과 Christian(2001)은 유럽 공동체위원회(EC, 2000)가 Commission Decision 2000/147/EC로 발행한 Euroclasses 시스템에 대한 철저한 설명을 제공합니다. Euroclasses 시스템은 A1, A2, B, C, D, E 및 F의 7가지 등급으로 화재 분류시스템에 대한 반응이며, A1 등급은 가장 가연성이 낮은 재료 유형에 해당하는 최고 수준의 성능입니다. 이 각각의 등급에 대해, 특정한 시험이 요구되며 특정 성능 기준이 충족되어야 합니다.
내장 재료를 위한 가장 중요한 시험방법은 표준 prEN 13823 (CEN, 2000)에 명시된 바와 같이 Single Burn-ing Item(SBI)이라고 합니다. SBI는 0.5m 너비와 1.5m 높이 그리고 다른 1.0m 너비와 1.5m 높이로 제품의 두 샘플이 모서리 형태로 제작하는 중간 규모시험입니다. 아래 그림은 SBI 시험구성을 보여줍니다.
[단일 연소항목(Single Burning Item, SBI)]
[열 방출률 그래프]
[연기 방출률 그래프]
참고: http://efectis.com/wp-content/uploads/2016/06/SBI_EN13823_leaflet.pdf
30kW 버너를 모서리에 놓고 연소 동작을 20분간 모니터링하고 열방출률(Heat Release Rate, HRR) 및 연기 발생률(Smoke Production Rate, SPR)을 측정합니다. SBI의 화재 성장률(FIGRA, FIre Growth RAte)지수는 600초 시험 동안 열방출률(HRR)의 최대값 또는 전체 값이라는 점에서 ISO 9705 시험과 다릅니다. SMOGRA(SMOke Growth RAte, SBI) 지수는 동일한 차이가 있습니다. Room/Corner 시험결과를 참고로 SBI와 ISO 9705 결과를 비교한 결과는 Sundström(1998) 제품 순위와 화재 성장률(FIGRA, FIre Growth RAte)지수와 적절한 상관관계를 보여주었습니다. 이를 바탕으로 FIGRA(FIre Growth RAte, SBI)와 SMOGRA(SMOke Growth RAte, SBI)지수를 사용하여 새로운 Euroclasses를 도출하는데 사용되었습니다.
그러나 Van Hees와 Johansson은 샌드위치패널의 경우 SBI 결과가 본질적인 결과와 일치하지 않으며, ‘대부분의 경우 제품이 중간 규모의 SBI 시험에서 훨씬 더 양호했습니다.’
건축연구소에서 수행한 작업에서 ‘재정적 및 시간제한’은 Corner 시험 구성이 전체 실물크기 시험이 아닌 다양한 샌드위치패널의 화재 성능을 평가하는데 사용되었음 의미합니다. 시험 배치는 아래 그림에 나와 있으며, 샌드위치패널 샘플은 각각 높이 3.0m와 2.0m, 폭 1.0m의 및 천장이 함께 표시되어 있습니다.
[손실방지협회 코너시험]
SBI 시험보다 더 큰 규모이면서 버너의 열 출력도 높았으며, 시험 기간도 더 길었습니다. 이 시험의 처음 5분 동안 열 출력은 50kW입니다. 그런 다음 10분 동안 최대 100kW, 10분 동안 300kW, 마지막 10분 동안 최대 500kW까지 총 35분 동안 단계를 진행합니다.