Assessing the Fire Characteristics of Chair Materials in a New High-Speed Railway Vehicle Across Various Fire Environments

국일 한; 원희 박; 태순 권; 수환 윤; 덕희 이

doi:10.9798/KOSHAM.2024.24.2.61

Article

소방방재

J Korean Soc Hazard Mitig 2024; 24(2): 61-68.

Published online: April 30, 2024

DOI: https://doi.org/10.9798/KOSHAM.2024.24.2.61

화재환경 변화에 따른 신규 고속철도차량 내장재 화재 특성 연구

한국일^*, 박원희^**, 권태순^***, 윤수환^****, 이덕희^*****

* 정회원, 한국건설생활환경시험연구원 책임연구원(E-mail: koreaone@kcl.re.kr)

** 정회원, ¹한국철도기술연구원 책임연구원(E-mail: whpark@krri.re.kr) ²과학기술연합대학원대학교 교수

*** 한국철도기술연구원 책임연구원

**** 정회원, 한국철도기술연구원 책임연구원

***** 정회원, 한국철도기술연구원 책임연구원

Assessing the Fire Characteristics of Chair Materials in a New High-Speed Railway Vehicle Across Various Fire Environments

Kukil Han^*, Won-Hee Park^**, Tae-Soon Kwon^***, Su-Hwan Yun^****, Duckhee Lee^*****

* Member, Principal Researcher, Korea Conformity Laboratories

** Member, ¹Principal Researcher, Korea Railroad Research Institute, ²Professor, University of Science and Technology

*** Principal Researcher, Korea Railroad Research Institute

**** Member, Principal Researcher, Korea Railroad Research Institute

***** Member, Principal Researcher, Korea Railroad Research Institute

^** 교신저자, 정회원, ¹한국철도기술연구원 책임연구원
(Tel: +82-31-460-5358, Fax: +82-31-460-5279, E-mail: whpark@krri.re.kr) ²과학기술연합대학원대학교 교수

** Corresponding Author, Member, ¹Principal Researcher, Korea Railroad Research Institute, ²Professor, University of Science and Technology

Received January 16, 2024 Revised January 17, 2024 Accepted January 29, 2024

This is an open access article distributed under the terms of the Creative Commons Attribution Non-Commercial License (http://creativecommons.org/licenses/by-nc/4.0), which permits unrestricted non-commercial use, distribution, and reproduction in any medium, provided the original work is properly cited.

Abstract

The heat release rate generated when a fire occurs in a railway vehicle is one of the most important factors when designing precautions for railway facilities such as railway tunnels. In this study, the fire characteristics of interior materials required to analyze the propagation of a fire in a new railway vehicle were identified via an experimental method. The fire characteristics of the main interior materials across various radiant heat fluxes were analyzed, and the ignition temperature of the interior materials was predicted using the heat release rate and ignition time. By predicting the ignition temperature, the critical heat flux and ignition temperature were confirmed to be low for the flooring of the main interior materials. The derived fire characteristics (ignition temperature and heat release rate) for each material can be used to analyze the fire propagation phenomenon in railway cars.

Keywords: Railway Vehicles, Interior Materials, Heat Release Rate, Ignition Temperature

요지

철도차량에서 화재가 발생하였을 경우에 발생하는 열방출률은 철도터널과 같은 철도시설물의 안전설비를 설계하는데 가장 중요한 인자 중 하나이다. 본 연구에서는 신규 철도차량 내에서 화재가 발생하였을 경우의 화재전파를 해석하기 위하여 필요한 내장재 화재특성을 실험적인 방법으로 파악하였다. 주요 내장재에 대하여 다양한 입사열유속별 재료의 화재특성을 분석하였으며 이를 이용하여 내장재의 발화온도를 예측하였다. 발화온도를 예측한 결과, 주요 내장재 중 바닥재에서 임계열유속 및 발화온도가 낮게 나타남을 확안하였다. 도출한 재료별 화재특성(발화온도, 열방출률)은 철도차량의 화재전파 현상을 해석하는데 활용될 수 있다.

핵심용어: 철도차량, 내장재, 열방출률, 발화온도

1. 서 론

고속철도 차량 내부에서 방화 등의 사유로 화재가 발생하였을 경우 의자로 화재가 전파될 가능성이 높으며 의자로 전파된 화재는 내장판 및 천장 등 다른 내장재로 전파되어 확산될 수 있다. 철도차량에서 화재가 발생하였을 경우 발생하는 에너지는 열방출률(heat release rate)로 정의되는데 이는 “철도터널의 기술기준(Ministry of Land, Transport and Maritime Affairs, Korea, 2023)” 내의 세부 문서인 “철도터널의 화재안전성 분석 방법 매뉴얼(Ministry of Land, Transport and Maritime Affairs, Korea, 2015)”에서 확인할 수 있다. Capote et al. (2014)은 철도차량과 관련한 화재실험을 수행한바 있다. 많은 연구자들에 의해 수행한 바 있다. Dowling and White (2004)은 화재 규모를 추정하기 위한 방법론에 대해 논의하고 예측값을 실험결과와 비교하였다. 또한 Lönnermark et al. (2012), Lee et al. (2016)는 실규모 차량의 화재실험을 수행하였다. Lönnermark et al. (2012)은 터널 내에 철도차량 화재의 전파 및 열방출량은 터널 환경과 연관성을 제시하였고, Lee et al. (2016)은 실규모 철도차량의 화재 확산과 내부 온도 상승을 평가하였다. 철도차량의 설계화원에 대한 연구는 Chiam (2005), Zicherman et al. (2015)와 Li and Ingason (2016) 등에서 수행되었다. Kapahi et al. (2018)와 Zhou et al. (2020) 및 Liu et al. (2022)는 철도차량 바닥재의 화재성능을 평가하였다. Peacock et al. (1999), Chochev et al. (2021)과 Andreini et al. (2011), Guillaume et al. (2014) 및 Zhang et al. (2022) 등은 철도차량에서의 화재전파 성능을 평가하기 위한 재료의 특성 등을 활용하였다. Park et al. (2009)은 철도 차량 내부 재료의 열 방출 속도를 측정하는 화재 실험을 수행하였다.

본 연구에서는 신규 철도차량 두 종류(EMU150, EMU250)에 설치되는 내장재에 대해 화재환경 변화에 따른 화재 특성을 실험적인 방법으로 파악하고자 하였다. 화재환경 변화에 따른 철도차량 내장재의 화재 특성을 분석하기 위해 ISO 5660 (2000) 규격의 콘칼로리미터를 이용하여 다양한 입사열유속 조건을 고려하여 입사되는 입사열유속별 내장재의 화재 특성을 측정하였다. 또한 다양한 입사열유속별 발화시간을 이용하여 내장재의 발화온도를 예측하였다. 본 연구에서 도출한 철도내장재의 발화온도 및 열방출률은 FDS (McGrattan et al., 2023)와 같은 전산유체시뮬레이션(computational fluid dynamics simulation)에서 재료의 화재전파 현상 해석에 활용될 수 있다.

2. 본 론

2.1 신규 철도차량 내장재(EMU150 및 EMU250)

철도차량 객실 내 주요 내장재에는 내장판, 의자 및 바닥재 등이 있으며, 본 연구의 대상인 신규 철도차량 EMU250 (현대로템 주식회사 제작) 및 EMU150 ((주)다원시스 제작)은 객실 내장재의 형상·배치 등의 차이는 있으나 구성(내장판, 의자 및 바닥재 등)은 동일하다. 내장판은 크게 천장부 및 측면부로 구분되며, 천장부는 불연재인 알루미늄이 측면부에는 경량화 목적으로 난연 복합소재인 페놀계 유리섬유강화플라스틱(glass fiber-reinforced plastics)이 적용되었다. 의자는 불연재인 탄소강 프레임에 커버지(난연 울/폴리에스테르 모켓), 쿠션(난연 폴리우레탄폼) 및 의자몸체커버(난연 플라스틱) 등이 부착된 형태이며, 객실 내 바닥상면에는 합성고무 재질의 바닥재가 접착되어 있다.

본 연구에서는 주요 철도차량(EMU 250 및 150) 의 내장재인 내장판, 의자 및 바닥재 구성품 중 불연재(알루미늄, 탄소강, 유리 등)를 제외하고 연소가능한 재료가 적용된 내장재를 대상으로 실제차량과 동일한 제품의 시편을 활용하여 화재전파 특성 시험을 수행하였다. 시험에 사용된 내장재는 신규 철도차량별로 Figs. 1과 2에 나타내었다. 의자조립체는 의자커버 및 의자쿠션으로 구성되어 있어 Figs. 1과 2(c)에 나타낸 구성으로 시험을 진행하였다.

Fig. 1

EMU150 Interior Materials

Fig. 2

EMU250 Interior Materials

2.2 화재실험 장비 및 조건

본 연구에서는 신규 철도차량(EMU150, EMU250)에 설치되는 내장재에 대해 화재환경 변화에 따른 화재 특성을 파악하고자 하였다. 이를 위하여 ISO 5660 (2000) 규격의 콘칼로리미터 장비를 이용하였으며, 화재 환경 변화에 따른 특성을 분석하기 위해 Tables 1과 2와 같이 내장재 종류별로 다양한 열유속 조건에 대해 화재 특성을 분석하였다.

Table 1

Radiant Heat Flux Conditions for Each Interior Material

Material	Radiant heat flux [kW/m²]
Bench upholstery assembly	25, 30, 40, 50
Side wall lining	50, 60, 75
Flooring	25, 30, 40, 50

2.3 발화온도 계산

고체재료의 연소를 모사하기 위한 방법으로는 고체재료의 연소 속도를 활성화에너지를 포함한 아레니우스 함수로 표현하는 방법과 발화온도에 재료가 도달하였을 경우 주어진 에너지(여기서는 콘칼로리미터로 측정한 열방출률)가 재료에서 방출되는 것으로 대표된다(McGrattan et al., 2023).

Grenier (1996), Janssens (1993), Janssens and Grenier (1997)는 발화온도 산출을 위하여 시편을 가열하기 위한 시편의 입사열유속 및 측정된 발화시간 등을 이용하였다. 간단하게 방법을 설명하면 입사열유속을 x축으로 하고 발화시간의 -n 승을 y 축으로 그래프에 나타내어 선형회귀 그래프를 산출하고 해당 그래프에서 x 절편인 임계열유속(Critical heat flux)을 산출하고 이를 이용하여 아래의 Eq. (1)을 풀어 발화온도를 산출할 수 있다.

(1)

εqcṙ=hc(Tig−T∞)+εσ(Tig4−T∞4)

여기서, ε는 시편 표면에서의 방사율(0.88로 가정)이며, q̇_cr는 임계열유속, h_c는 표면에서의 대류열전달계수이며 0.0135 kW/m²로 가정하였으며 σ는 스테판 볼츠만상수(5.67x10^-11 kW/m²K²)이며 T_∞는 주변온도로 20 °C이다. 본 논문에서는 입사열유속과 발화시간을 활용하여 발화온도를 산출할 수 있는 Park et al. (2017)의 프로그램을 활용하였다. 입사열유속별 재료의 발화시간을 정확히 측정하기 위하여 콘히터에서의 복사열유속이 시편에 입사되는 시간을 정량적으로 확인해야 한다. 이를 위하여 시편과 히터의 복사열을 차단하는 셔터를 개방하는 시간을 기점으로 발화시간을 측정하였다. Table 2는 실험에서 사용한 EMU150 및 250 시편의 크기 및 무게를 보여주고 있다.

Table 2

Size and Specimen Mass for Each Interior Material

Material		Radiant heat flux [kW/m²]	Dimensions [mm]	Mass [g]
EMU 150	Bench upholstery assembly	25	92.6 x 94.0 x 54.3	40.6
		25	93.6 x 95.2 x 53.7	41.8
		30	91.1 x 96.5 x 51.6	41.3
		30	96.3 x 93.8 x 52.9	41.3
		40	96.4 x 93.8 x 53.5	41.6
		40	91.0 x 96.9 x 54.4	41.9
		50	93.8 x 94.5 x 51.2	41.0
		50	94.1 x 94.2 x 51.9	41.1
	Side wall lining	50	101.1 x 101.5 x 4.2	62.9
		50	101.7 x 101.0 x 3.8	62.1
		60	101.5 x 101.2 x 3.9	62.6
		60	101.4 x 101.2 x 3.9	62.7
		75	101.5 x 100.9 x 3.8	62.4
		75	101.3 x 101.3 x 4.1	62.9
	Flooring	25	101.8 x 101.7 x 2.6	42.8
		25	100.8 x 100.5 x 2.6	42.5
		30	102.7 x 100.9 x 2.5	42.3
		30	101.2 x 101.6 x 2.6	43.0
		40	100.8 x 100.9 x 2.5	41.8
		40	100.5 x 102.0 x 2.5	41.9
		50	101.2 x 102.5 x 2.5	43.1
		50	100.8 x 102.9 x 2.5	42.7
EMU 250	Bench upholstery assembly	25	102.3 x 99.6 x 58.5	88.2
		25	101.9 x 100.3 x 57.2	81.5
		30	99.3 x 100.7 x 54.4	83.4
		30	99.8 x 102.0 x 57.7	80.3
		40	101.4 x 99.6 x 55.8	80.5
		40	99.0 x 99.6 x 57.3	83.5
		50	100.2 x 100.2 x 58.5	78.6
		50	99.9 x 101.4 x 58.3	80.7
	Side wall lining	50	100.5 x 100.7 x 10.1	34.0
		50	98.3 x 98.8 x 10.9	39.5
		60	100.7 x 100.2 x 11.3	44.7
		60	100.6 x 101.0 x 10.4	35.8
		75	99.0 x 99.7 x 10.5	37.0
		75	100.9 x 101.1 x 10.9	44.7
	Flooring	25	100.2 x 100.2 x 3.1	52.8
		25	99.9 x 99.0 x 3.2	51.7
		30	99.2 x 100.0 x 3.2	51.9
		30	99.7 x 99.3 x 3.1	51.0
		40	99.9 x 100.4 x 3.1	50.9
		40	99.2 x 100.1 x 3.1	51.8
		50	100.2 x 100.4 x 3.1	50.9
		50	99.5 x 100.2 x 3.1	51.0

3. 측정결과

3.1 콘칼로리미터 측정결과

Table 2에 나타낸 내장재별 시험 조건에 대해 콘칼로리미터를 이용하여 열방출률을 측정하였다. Table 3은 화재시험 후의 내장재의 질량감소에 대한 정보를 보여주고 있다. 의자 조립체 시편 및의 바닥재 경우 25, 30, 40, 50 kW/m²의 4개의 콘히터 입사열유속에 대한 열방출률을 측정하였으며, 측면벽체의 경우에는 50, 60, 75 kW/m²의 입사열유속에 대한 열방출률을 측정하였다. 내장재별로 입사열유속에 대한 평균 열방출률을 그래프로 나타내었으며, Figs. 3과 4와 같다. 각 내장재별 열방출률을 분석한 결과 입사열유속이 높을수록 최대 열방출률이 발생하는 피크가 빠르게 나타났으며 최대 열방출률 값이 높게 나타남을 확인하였다. 의자조립체 및 바닥재 시편의 경우에는 최대 열방출률이 입사열유속이 50 kW/m² 일 때 각각 239.98 kW/m² 및 218.06 kW/m²로 나타났으며, 측벽내장판(EMU150)의 경우에는 최대열방출률이 75 kW/m² 일 때 149.72 kW/m²로 측정되었다. 단, 측벽내장판(EMU250)의 경우에는 최대열방출률이 60 kW/m² 일 때 191.80 kW/m²로 측정되었으며, 그래프에 나타난 결과와 같이 입사열유속에 따른 최대 열방출률이 큰 차이가 없는 것으로 확인하였다. 추가적으로 최대열방출률의 피크가 60 kW/m² 일 때 가장 느리게 나타났으며, 이는 60 kW/m²에 사용된 시험편이 다른 조건 시험편보다 높이가 높아 연소시간이 상대적으로 길어지면서 최대열방출율 도달시간이 다소 늦어졌다고 판단된다.

Fig. 3

The Graph of Heat Release Rate of Materials in EMU150 for Various Incident Radiative Heat Fluxes

Fig. 4

The Graph of Heat Release Rate of Materials in EMU250 for Various Incident Radiative Heat Fluxes

내장재별 화재 특성으로는 의자조립체 시편의 경우에는 커버, 쿠션으로 구성되어 있어 초반에 커버에서 화염이 발생한 후 소멸되었다가 재발화가 일어났으며, 열방출률 그래프에도 경향성을 확인하였다. 입사열유속별로 재발화의 특성이 다르게 나타났으며, 이는 커버가 타고 남은 형태에 따라 복사열을 차단하는 비율이 달라져 커버 아래에 위치한 쿠션에 영향을 준 것으로 판단된다. 본 연구에서는 내장재별 화재에 따른 질량 감소 특성을 분석하기 위해 내장재의 질량을 측정하였다. Table 3과 같이 내장재별 평균 질량감소량 및 질량감소율을 나타내었으며, EMU150의 측벽내장판을 제외한 내장재에서는 40~50%의 감소율이 나타남을 확인하였다. EMU150의 측벽내장판의 경우에는 Fig. 1과 같이 주로 유리섬유강화플라스틱인 불연재질로 구성되어 있어 질량감소율이 다른 내장재보다 낮음을 확인하였다.

Table 3

Mass Reduction for Interior Materials

Material		Average mass loss [g] (percentage [%])
EMU150	Bench upholstery assembly	18.38 (40.4)
	Side wall lining	17.08 (27.3)
	Flooring	18.30 (43.0)
EMU250	Bench upholstery assembly	41.19 (50.2)
	Side wall lining	16.23 (41.3)
	Flooring	18.43 (34.8)

3.2 발화온도

Table 4는 각 재료/입사열유속별 발화시간을 나타낸다. 의자 조립시편의 경우 모든 철도차량의 경우 25, 30, 40, 50 kW/m²의 4개의 콘히터 입사열유속에 대한 발화시간을 측정하였으며, 측면벽체의 경우에는 50, 60, 75 kW/m²의 입사열유속에 대한 발화시간을 측정하였다. 바닥의 경우에는 25, 30, 40, 50 kW/m²에 대한 발화시간을 측정하였다. 모든 시편의 경우 입사열유속의 증가에 따라 발화되는 시간이 줄어드는 것을 확인할 수 있다. 복사열유속과 이에 따른 발화시간에 대한 Eq. (1)을 이용하여 구한 임계열유속(critical heat flux) 및 발화온도(ignition temperature)는 Table 5와 같다. EMU 150의 의자조립 시편의 경우에는 임계열유속이 22.4 kW/m²로 EMU250의 의자조립체의 임계열유속 25.7 kW/m²보다 낮았으며 발화온도도 EMU150이 EMU250보다 약 33 °C정도가 낮았다. 측벽내장재의 경우에는 EMU150의 임계열유속 및 발화온도가 EMU250보다 높았다. 바닥재의 경우에는 EMU150과 EMU250의 경우 임계열유속이 각각 13.8 kW/m², 12.6 kW/m²으로 비슷하였으며, 발화온도의 경우에도 363.8 °C와 342.1 °C로 다른 재료들보다 차량별 차이가 적게 계산되었다.

Table 4

Ignition Time for Radiant Heat Flux

		Radiant heat flux [kW/m²]	Ignition time [s]
EMU150	Bench upholstery assembly	25	69
		30	54
		40	21
		50	11
	Side wall lining	50	72
		60	45
		75	27
	Flooring	25	109
		30	91
		40	64
		50	37
EMU250	Bench upholstery assembly	25	61
		30	46
		40	14
		50	5
	Side wall lining	50	30
		60	20
		75	16
	Flooring	25	112
		30	89
		40	52
		50	39

Table 5

Calculated Critical Heat Flux and Ignition Temperature

		Critical heat flux [kW/m²]	Ignition temperature [°C]
EMU150	Bench upholstery assembly	22.4	457.9
	Side wall lining	35.5	565.7
	Flooring	13.8	363.8
EMU250	Bench upholstery assembly	25.7	491.1
	Side wall lining	19.0	427.0
	Flooring	12.6	342.1

5. 결론

화재환경 변화에 따른 신규 철도차량 두종류(EMU150, EMU250) 내장재 종류별 ISO 5660 규격의 콘칼로리미터로 다양한 입사열유속 별 열방출률 및 발화시간 등의 시편의 화재특성을 측정하였다. 다양한 입사열유속별 발화시간을 이용하여 신규 철도차량 EMU150과 EMU250의 내장재의 발화온도를 산출하였으며, 분석 결과는 다음과 같다.

1) 입사열유속에 따른 내장재의 열방출율 측정결과, 입사열유속에 높을수록 최대 열방출율이 높게 나타남을 확인하였으며, 내장재 중 의자 조립체(EMU150)에서 최대 열방출율이 239.98 kW/m²로 가장 높게 나타났으며, 측벽내장판이 최대열방출율이 135.50 kW/m²로 가장 낮게 나타남을 확인하였다.
2) 입사열유속에 따른 발화시간 측정결과, 입사열유속이 높을수록 발화시간이 짧아졌으며, 내장재 중 의자조립체에서 입사열유속이 50 kW/m² 일 때 발화시간이 제품별로 각각 5초, 11초로 가장 짧게 나타남을 확인하였다.
3) 입사열유속에 따른 발화시간 측정결과, 입사열유속이 높을수록 발화시간이 짧아졌으며, 내장재 중 의자조립체에서 입사열유속이 50 kW/m² 일 때 발화시간이 제품별로 각각 5초, 11초로 가장 짧게 나타남을 확인하였다.3) 발화온도를 산출한 결과, 철도차량 내장재 중 EMU150 및 EMU250 바닥재에서 363.8 °C와 342.1 °C로 다른 재료들보다 낮게 계산되었다.

본 연구에서 도출한 철도내장재의 발화온도 및 열방출률은 FDS의 고체재료의 화재전파 특성을 계산하는 방법 중 하나인 발화온도 도달시 설정한 열방출률의 연료를 고체면에서 생성항으로 생성하는 연료의 단위면적당 열방출률(HRRPUA, heat release rate per unit area) 방법과 같은 간단한 화재연소 모델에 활용될 수 있다. 본 연구 결과를 FDS와 같은 전산유체시뮬레이션을 활용하여 재료의 화재전파 현상을 해석할 수 있다. 향후에는 본 논문에서 구한 신규 차량의 내장재별 발화온도 및 열방출률을 이용하여 터널 및 철도시설의 안전성 평가를 위한 신규차량 1량 전체의 열방출률을 추가로 도출할 예정이다.