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SUMMARY
목차
제1장 서론 23
1.1. 연구목표 23
1.2. 연구범위 23
1.3. 기대성과 24
제2장 화재물성 산출 all-in-one 프로그램 개발 및 고도화 26
2.1. 열분해 모델 물성치 조사 분석 26
2.1.1. FDS 열분해 모델에 들어가는 물성치 26
2.1.2. 열분해 관련 화재물성 측정 시험기기 조사 30
2.2. 재료표면의 열분해 현상(연소) 이해 39
2.2.1. 화재 시뮬레이션(수치해석)을 한 열분해 모델(FDS를 중점적) 39
2.2.2. 열분해 선단 모델(pyrolysis front)을 이용한 1차원 열분해 모델 49
2.3. 화재물성 산출을 위한 역물성 해석 프로그램 개발 연구 53
2.3.1. 열분해 선단 모델(pyrolysis front) 1차원 열전달 방정식 전산 계산 53
2.3.2. 역해석을 위한 최적화기법 56
2.3.3. 화염 표면 물성 역해석 수행 62
2.3.4. 재료의 상세 반응속도 상수 최적화 73
2.4. 시편시험 결과와의 비교를 통한 개발알고리즘 검증 78
2.4.1. 개발 알고리즘 검증을 위한 시험 78
2.4.2. 시편시험 결과와 산출된 물성을 이용한 계산값 결과 비교 91
2.5. 다층구조 열분해 재료 화재물성 산출기법 연구 98
2.5.1. 일차원 열분해/열전달 지배방정식 98
2.5.2. 다층구조에서의 열전달 방정식 차분화 103
2.5.3. 다층구조 열분해 재료 화재물성 산출기법 개발 및 검증 107
2.6. 화재물성 산출 프로그램 고도화 112
2.6.1. 최신 연구동향 분석 112
2.6.2. 반응속도 상수 범위 선정 119
제3장 화재물성산출 all-in-one 기기 개발 133
3.1. 화재 시험관련 국내외 코드 분석 및 조사 133
3.1.1. 국내외 화재 코드 분석 133
3.1.2. 코드 분석을 통한 대면적 열유속 인가 장치 설계 137
3.2. 기존 화재물성 측정기기 조사 및 문제점 분석 138
3.2.1. 화재물성 측정기기 조사 138
3.2.2. 화재물성기기 제품 기술의 문제점 분석 139
3.3. 시편 표면온도 측정 정확도 향상 연구 142
3.3.1. 표면온도 측정을 위한 접촉식 및 비접촉식 온도계 비교 142
3.3.2. 표면온도측정시험 143
3.3.3. 표면온도측정시험 결과 정리 144
3.3.4. 비접촉 온도계 개선 149
3.4. 질량감소율 오차 최소화 시스템 개발 연구 151
3.4.1. 로드셀 보완 시스템 개발(1차) 151
3.4.2. 기존 로드셀과 보완된 로드셀과의 결과 비교(1차) 153
3.4.3. 로드셀 보완 시스템 개발(2차) 160
3.4.4. 기존 로드셀과 보완된 로드셀과의 결과 비교(2차) 162
3.4.5. 신뢰성 확인을 위한 시험조건 및 분석 175
3.5. 대면적 열유속 인가장치 개발 177
3.6. 시편 edge effect 방지 기술 개발 187
3.6.1. 시편 Edge effect 187
3.6.2. 시편 및 시편 홀더 제작 187
3.6.3. 실험 및 실험 결과 188
3.7. 화재물성 산출 all-in-one 기기 최종 하드웨어 소개 190
3.7.1. 시편 온도 측정 시스템 192
3.7.2. 정밀질량감소율 측정장치 195
3.7.3. 시편 홀더 201
3.7.4. 대면적 열유속 인가장치 203
제4장 화재물성 산출 all-in-one 시스템 활용 205
4.1. 화재물성 산출 all-in-one 산출 시스템 설명서 205
4.2. 화재물성 산출을 위한 시험수행 및 물성 데이터베이스 구축 280
4.2.1. 화재물성 산출을 위한 시험 수행 280
4.2.2. 화재물성 데이터 구축 295
참고문헌 312
연구개발성과 활용계획서 314
그림 2.1.1. 열전도율 시험기의 측정원리 및 시험 장비 사진 30
그림 2.1.2. 열전도율 시험기의 장비 사진 31
그림 2.1.3. 열중량 분석기 사진 32
그림 2.1.4. Pyrolysis combustion flow calorimeter(PCFC) 개략도 33
그림 2.1.5. Pyrolysis combustion flow calorimeter(PCFC) HRR 산출 방법 34
그림 2.1.6. 콘칼로리미터 사진 37
그림 2.1.7. 콘칼로리미터를 이용한 열방출율 측정 방법 38
그림 2.2.1. 열분해 선단 모델을 적용하기 위한 열흐름 개략도 49
그림 2.3.1. 열분해 선단 모델 적용을 위한 격자계 53
그림 2.3.2. 유전자알고리즘의 순서도 59
그림 2.3.3. 반발입자군집최적화의 순서도 61
그림 2.3.4. 콘히터의 열유속별 철도차량 바닥재의 발화시간 64
그림 2.3.5. 콘히터의 열유속별 철도차량 바닥재의 질량소모율 65
그림 2.3.6. 시험에서 측정한 표면온도와 RPSO로 구한 값을 이용하여 구한... 66
그림 2.3.7. 시편표면에서의 열전달흐름 67
그림 2.3.8. 미송방부목 표면 화염물성을 구하기 위한 순서도 68
그림 2.3.9. 미송방부목의 유입 열유속별 표면온도 68
그림 2.3.10. 미송방부목의 발화시간 69
그림 2.3.11. 유입 열유속별 미송방부목의 질량유속 69
그림 2.3.12. 30, 50, 70 kW/m2에서의 측정 표면온도와 최적화로 구한 값을... 71
그림 2.3.13. 측정오차별 계산된 표면온도 73
그림 2.3.14. 승온속도별 전환율변화속도 74
그림 2.3.15. 전환율 변화속도의 TGA 측정값과 예측값의 비교 76
그림 2.4.1. 화염전파 시험기 78
그림 2.4.2. 화염전파 시험 전의 바닥재 79
그림 2.4.3. 위치별 열유속 측정 80
그림 2.4.4. 시험 후 시편 82
그림 2.4.5. 시험 측정 질량 및 질량소모율 83
그림 2.4.6. 시간에 따른 화재전파 양상 84
그림 2.4.7. 화염전파시험 전의 시편(위에서부터 일반합판, MDF합판, PB합판) 85
그림 2.4.8. 화염전파시험 후 시편(일반합판) 86
그림 3.4.9. 화염전파시험 후 시편(MDF합판) 88
그림 2.4.10. 화염전파시험 후 시편(PB합판) 89
그림 2.4.11. 개발 알고리즘/장치 검증 91
그림 2.4.12. 입사열유속에 따른 표면온도의 측정값 및 올인원 시스템에서 산출된... 92
그림 2.4.13. 히터위치 및 격자그림(Top view) 93
그림 2.4.14. 히터위치 및 격자그림(Side view) 94
그림 2.4.15. 히터위치 및 격자그림(Front view) 94
그림 2.4.16. 실제 실험에서 시험체에 대한 열유속 및 FDS 열유속 비교 95
그림 2.4.17. 점화초기에서의 화염확산의 시험 및 수치결과 비교 96
그림 2.4.18. 화염발달 확산 상태에서의 화염확산의 시험 및 수치결과 비교 96
그림 2.5.19. 고체 내의 격자계. r은 뒷표면에서의 거리 104
그림 2.5.20. 가정/최적화 물성을 이용하여 구한 질량손실률 비교 110
그림 2.5.21. 가정/최적화 물성을 이용하여 구한 표면온도 비교 111
그림 2.6.1. 고체재료 열전달 지배방정식 112
그림 2.6.2. 시험에 사용된 FPA 114
그림 2.6.3. 시험 결과 예시 117
그림 2.6.1. 건축생활재 시편 (MDF합판, PB합판, EPDM 고무, 멜라닌) 122
그림 2.6.2. Tainstruments TA Q500 122
그림 2.6.3. 온도에 따른 Mass fraction 곡선(1-α) 123
그림 2.6.4. 온도에 따른 Mass-loss rate (DTG) 124
그림 2.6.5. 승온속도 10℃/min에서의 DTG, |DDTG| 곡선 125
그림 2.6.6. 승온속도 20℃/min에서의 DTG, |DDTG| 곡선 126
그림 2.6.7. 승온속도 30℃/min에서의 DTG, |DDTG| 곡선 127
그림 2.6.8. 승온속도 40℃/min에서의 DTG, |DDTG| 곡선 128
그림 2.6.9. 승온속도 50℃/min에서의 DTG, |DDTG| 곡선 129
그림 2.6.10. Interaction of different heating rates with corresponding... 130
그림 3.1.1. Draft Report of WG5(Rate of heat release tests) 133
그림 3.1.2. ISO/TR 5660-3 134
그림 3.1.3. Large cone heater heat flux mapping 135
그림 3.1.4. ISO/CD 5660-4 136
그림 3.1.5. 열유속 인가장치(Conical Heater) 개념도 137
그림 3.2.1. 화재물성 측정기기 138
그림 3.2.2. 라지콘칼로리미터 139
그림 3.2.3. 개발된 소형 콘칼로리미터 139
그림 3.2.4. 콘 형태의 히터 개념도 140
그림 3.2.5. 시편 연소에 따른 열방출률 측정과 화재평가 요소 분석 시스템 140
그림 3.2.6. FTT : 영국 141
그림 3.2.7. Govmark : 미국 141
그림 3.3.1. 측정 온도계 142
그림 3.3.2. 표면온도시험 수행 143
그림 3.3.3. 표면화재 전후의 시편 사진 143
그림 3.3.4. PMMA 시편의 시험 전후 사진 144
그림 3.3.5. PMMA 시편의 시간에 따른 온도변화 144
그림 3.3.6. 시험 후 바닥재의 시편 변화 145
그림 3.3.7. 바닥재의 표면온도 변화 146
그림 3.3.8. 시험 후 바닥재의 시편 변화 147
그림 3.3.9. 바닥재의 표면온도 변화 148
그림 3.3.10. 비접촉 온도계 원리 및 추후 개선 설치 개념도 149
그림 3.3.11. 1차년도 적외선 온도계설치 형태 150
그림 3.3.12. 적외선 열측정 장치 위치 개선 150
그림 3.4.1. 단열재 추가 151
그림 3.4.2. 지지대 추가 151
그림 3.4.3. 노이즈 및 전자파 차단 152
그림 3.4.4. 질량감소율시험 수행 153
그림 3.4.5. 질량감소율시험 시편 153
그림 3.4.6. the mass loss rate at each time interval can be calculated... 156
그림 3.4.7. 목재의 기존 로드셀 질량변화율 157
그림 3.4.8. 목재의 신규 로드셀 질량변화율 157
그림 3.4.9. PMMA의 기존 로드셀 질량변화율 158
그림 3.4.10. PMMA의 신규 로드셀 질량변화율 158
그림 3.4.11. 바닥재의 기존 로드셀 질량변화율 159
그림 3.4.12. 바닥재의 신규 로드셀 질량변화율 159
그림 3.4.13. 세라믹 보호 커버 160
그림 3.4.14. 로드셀 무게중심 이동 160
그림 3.4.15. 로드셀 실제 단면 및 단면도 161
그림 3.4.16. 통신방식에 변경을 통한 노이즈 제거 161
그림 3.4.17. 질량감소율시험 수행 162
그림 3.4.18. 질량감소율시험 시편 162
그림 3.4.19. PMMA의 질량 측정 163
그림 3.4.20. 바닥재 질량측정(비메쉬 시편홀더) 163
그림 3.4.21. 바닥재 질량측정(메쉬 시편홀더) 164
그림 3.4.22. 목재 질량측정(비메쉬 시편홀더) 164
그림 3.4.23. 목재 질량측정(비메쉬 시편홀더) 164
그림 3.4.24. PMMA의 질량감소율[1번 시편] 165
그림 3.4.25. PMMA의 질량감소율[2번 시편] 166
그림 3.4.26. PMMA의 질량감소율[3번 시편] 166
그림 3.4.27. 바닥재의 질량감소율[1번 시편] 168
그림 3.4.28. 바닥재의 질량감소율[2번 시편] 168
그림 3.4.29. 바닥재의 질량감소율[3번 시편] 169
그림 3.4.30. 바닥재의 질량감소율[4번 시편] 169
그림 3.4.31. 바닥재의 질량감소율[5번 시편] 170
그림 3.4.32. 바닥재의 질량감소율[6번 시편] 170
그림 3.4.33. 목재의 질량감소율[1번 시편] 172
그림 3.4.34. 목재의 질량감소율[2번 시편] 172
그림 3.4.35. 목재의 질량감소율[3번 시편] 173
그림 3.4.36. 목재의 질량감소율[4번 시편] 173
그림 3.4.37. 목재의 질량감소율[5번 시편] 174
그림 3.4.38. 목재의 질량감소율[6번 시편] 174
그림 3.5.1. 기존 열유속 장치와 대면적 열유속인가장치 비교 177
그림 3.5.2. 대면적 열유속인가장치 설계도 및 실물 사진 178
그림 3.5.3. 150x150mm 복사열 측정용 시편홀더 및 실제 실험 사진 179
그림 3.5.4. 시편표면복사열[kW/m2], 25mm 180
그림 3.5.5. 시편표면복사열[kW/m2], 60mm 181
그림 3.5.6. 시편표면복사열[kW/m2], 25mm 182
그림 3.5.7. 시편표면복사열[kW/m2], 60mm 183
그림 3.5.8. 시편표면복사열[kW/m2], 25mm 184
그림 3.5.9. 시편표면복사열[kW/m2], 60mm 185
그림 3.5.10. 중앙으로부터 거리별 복사열 측정 결과 186
그림 3.6.1. 시편과 시편홀더, 내부, 측면(왼쪽부터) 187
그림 3.6.2. 시편 홀더 제작 도면 187
그림 3.6.3. 시편 상부 온도 측정 위치 188
그림 3.7.1. 기존 화재물성 산출 시스템 190
그림 3.7.2. 신규 All-in-one 화재물성 산출 시스템 190
그림 3.7.3. 시험장치와 신규 All-in-one 시험장치 비교 191
그림 3.7.4. 화재물성 산출 시스템 192
그림 3.7.5. 적외선 열측정 장치 개선 192
그림 3.7.6. 적외선 열측정 장치 개선 모습 193
그림 3.7.7. 시편 상부 적외선 위치 개선 193
그림 3.7.8. 열전대 시편 온도 측정 194
그림 3.7.9. 화재물성 산출 시스템 질량감소율 측정장치 개발 195
그림 3.7.10. 로드셀 단열재 추가 195
그림 3.7.11. 로드셀 하단지지대 추가 196
그림 3.7.12. 로드셀 연전달 차단용 세라믹보드 추가 196
그림 3.7.13. 로드셀 쉴드의 열 차단 효과 197
그림 3.7.14. 로드셀 주변 온도측정 방법 197
그림 3.7.15. 주변온도 상-쉴드설치 전, 하-쉴드설치 후 198
그림 3.7.16. 대형 로드셀 쉴드 설치 198
그림 3.7.17. 시편 받침대 이격 199
그림 3.7.18. 프레임 설치로 인한 진동 감소 200
그림 3.7.19. 진폭 및 마루 발생 회수 감소 200
그림 3.7.20. 화재물성 산출장치 시편홀더 개발 201
그림 3.7.21. Edge Effect 관련 문건 202
그림 3.7.22. 시편 홀더 설계도면 및 시편 홀더 202
그림 3.7.23. 화재물성 산출 시스템 대면적 열유속 인가장치 개발 203
그림 4.2.1. 열유속 측정 282
그림 4.2.2. 연소 중 시편 284
그림 4.2.3. EPDM rubber 표면온도변화 287
그림 4.2.4. EPDM rubber 질량소모율 287
그림 4.2.5. Neoprene rubber 표면온도변화 288
그림 4.2.6. Neoprene rubber 질량소모율 288
그림 4.2.7. Melamine 표면온도변화 289
그림 4.2.8. Melamine 질량소모율 289
그림 4.2.9. Silicone rubber 표면온도변화 290
그림 4.2.10. Silicone rubber 질량소모율 290
그림 4.2.11. Silicone rubber+Kevlar 표면온도변화 291
그림 4.2.12. Silicone rubber+Kevlar 질량소모율 291
그림 4.2.13. Plywood 표면온도변화 292
그림 4.2.14. Plywood 질량소모율 292
그림 4.2.15. MDF 표면온도변화 293
그림 4.2.16. MDF 질량소모율 293
그림 4.2.17. PB표면온도변화 294
그림 4.2.18. PB 질량소모율 294
그림 4.2.19. 표면온도 비교(미송방부목) 299
그림 4.2.20. 질량소모율 비교(미송방부목) 299
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