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문제 정의
- 지하철은 다른 구조물과 비교하여 화재발생시 화재진압 및 인명구조에 본질적으로 취약한 구조적 특성을 내포하고 있는 대표적인 구조물이며 국내의 경우, 서울, 인천, 부산, 대구 등 4개 도시의 10개 노선에 총연장 300 km에 달하며, 2005년까지 600 km에 육발할 것으로 전망되다. 본 연구는 지하철 승강장에서 열차 화재가 발생시, 승객의 안전한 대피로 확보가 가능한 환기기 조합운전의 도출을 목표로 한다. 따라서, 승강장 환기설비운전에 따른 평상시 승강장 기류분포를 계산한다.
제안 방법
- 4. 화재시 대피자의 안전대피 온도 및 가시거리에 대한 기준 설정: 대피시간 동안 발생되는 연기농도 및 열기류의 분포가 대피허용한도로 유지될 수 있는가에 대한 여부를 판정한다.
- 5. 승강장부 기류해석 및 발생 연기거동해석: 승강장부의 기류 해석 및 연기농도는 FDS(Fire dynamics Simulator)^를 통해서 대피시간 이내의 비정상해석을 수행 한다.
- 6. 화재시 제연 운전모드의 최적화환기기 운전모드 를 선정하여 위에서 기술한 연기농도를 기준으로 가시도 해석 및 승강장의 온도 분포로 부터 본선터널부 제 연모드별 비교 . 검토를 수행하여 대피에 적합한 운전 모드를 선정한다.
- 화재시 제연 운전모드의 최적화환기기 운전모드 를 선정하여 위에서 기술한 연기농도를 기준으로 가시도 해석 및 승강장의 온도 분포로 부터 본선터널부 제 연모드별 비교 . 검토를 수행하여 대피에 적합한 운전 모드를 선정한다.
- 승강장의 기류는 제연설비 및 승강장환기설비 운전에 좌우된다. 따라서 기류해석은 모델역사를 중심으로 상행과 하행역사를 포함하여 모델을 구축하고 지하철 환경해석 프로그램인 SES를 사용하여 해석하였다. 전 구간은 1개의 route로 구성하였고 정확도를 향상시키기 위하여 모델역사를 중심으로 상행 및 하행을 포함하는 구간으로 확대 계산하였다.
- 본 연구는 지하철 승강장에서 열차 화재가 발생시, 승객의 안전한 대피로 확보가 가능한 환기기 조합운전의 도출을 목표로 한다. 따라서, 승강장 환기설비운전에 따른 평상시 승강장 기류분포를 계산한다. 또한, 화재 발생 시나리오에 따라 3차원 화재시뮬레이션을 수행함으로서 승강장내 연기거동 및 온도특성을 해석한다.
- 전 구간은 1개의 route로 구성하였고 정확도를 향상시키기 위하여 모델역사를 중심으로 상행 및 하행을 포함하는 구간으로 확대 계산하였다. 따라서, 지하철환경해석은 총 7개의 Zone과 59개의 Line section, 12개의환기구 섹션, 계단 및 승강장의 상하부 배기를 위한 환기구 섹션으로 구성하였다. 본 연구에서는 해석역사를 기준으로 양단의 본선터널 구간의 길이를 각각 800 m 로 동일하게 설정하였다.
- 따라서, 승강장 환기설비운전에 따른 평상시 승강장 기류분포를 계산한다. 또한, 화재 발생 시나리오에 따라 3차원 화재시뮬레이션을 수행함으로서 승강장내 연기거동 및 온도특성을 해석한다. 따라서, 본선 터널부 환기기의 제연절환 운전모드방식별 제연특성 을 규명함으로서 승객 대피 안전을 꽤 한다.
- 제연효과는 이러한 까닭으로 환기설비의 위치, 용량 및 급배기방식에 종속되는 특성을 나타낸다. 본 연구에서 제연특성의 해석은 지하철 승강장과 본선터널구간의 환기를 포함하여 다음 방식에 입각하여 실시한다.
- 본 연구에서 책정된 화재강도는 필라델피아 지하철 화재시 예측된 열량값을 기준 산정하였으며 1.5대/hr가 연소하는 값에 해당되는 60X106 Btu/h(=17.58 MW)에 안전율을 감안하여 20MW로 설정하였다. 이값은 미국 NFPA규정에 의해 최근에 설계된 Los Angeles (21.
- 따라서, 지하철환경해석은 총 7개의 Zone과 59개의 Line section, 12개의환기구 섹션, 계단 및 승강장의 상하부 배기를 위한 환기구 섹션으로 구성하였다. 본 연구에서는 해석역사를 기준으로 양단의 본선터널 구간의 길이를 각각 800 m 로 동일하게 설정하였다.
- 4는 본 연구의 화재해석 대상 승강장A를 기준으로 하행(L)과 상행(R)터널의 환기수직갱(ventilation Fan shaft)를 나타낸다. 본선 터널부 환기수직갱을 이용하는 조건으로 다음의 3조건의 제연운전방식으로 설 정하였다.
- 승객의 대피시간 산정: 승강장에 정차한 열차에서 화재가 발생하는 경우, SIMULEX5)에 의해 승객의 대 피 소요시간을 산출한다. 산출된 소요시간을 기준으로 하여 오염물질의 노출시간을 고려한 농도기준을 검토 한다.
- 승강장 온도 및 농도분포도를 기준으로 절대적 평가의 어려움이 있으므로 화재열차를 기준으로 양단 승강 장의 온도 및 연기농도의 평균을 계산하여 온도 및 연기농도를 비교하였다.
- 따라서 기류해석은 모델역사를 중심으로 상행과 하행역사를 포함하여 모델을 구축하고 지하철 환경해석 프로그램인 SES를 사용하여 해석하였다. 전 구간은 1개의 route로 구성하였고 정확도를 향상시키기 위하여 모델역사를 중심으로 상행 및 하행을 포함하는 구간으로 확대 계산하였다. 따라서, 지하철환경해석은 총 7개의 Zone과 59개의 Line section, 12개의환기구 섹션, 계단 및 승강장의 상하부 배기를 위한 환기구 섹션으로 구성하였다.
- 6 m 상부 지점으로 선정하였다. 해석은 이미 화재가 발생한 열차가 승강장에 진입하여 급속 확산하는 조건으로 300초 대피시간에 대해 계산을 수행하였다.
- 화재시 승객의 원활한 대피에 효과적인 제연절환운 전 모드 선정을 위하여 Table 5의 6종류의 제연운전방 식에 대해 화재해석을 실시하여 배열 및 제연효과를 비교하였다. Fig.
대상 데이터
- 대피 시뮬레이션에 적용하는 지하철은 8량으로 하며 승차인원은 최대 인원 990명, 한량 당 123~125명이 승차하는 것으로 설정하였다. 승객 구성비는 남자 40%, 여자 40% 및 어린이(성별 구분 없음) 20%로 하였다.
- 화재강도 선정: 지하철 화재시 발생열량을 산정한다. 본 연구에서는 국내 지하철 차량을 대상으로 구체적인 발열량 자료가 없는 실정으로 미국의 NFPA7) 자료를 이용하여 화재강도를 설정한다,
- 9 CMM) 이 유입하는 것으로 나타났다. 승강장 배기는 4220 CMM이다.
- 또한, 복사열전달해석 의 해석으로 유한체적법 (Control Volume Method)을사용하였다. 화재는 열차가 승강장에 정차하여 발생하고 열차중앙 1량이 전소하는 조건이며 발화위치는 선 로부 기준 2.6 m 상부 지점으로 선정하였다. 해석은 이미 화재가 발생한 열차가 승강장에 진입하여 급속 확산하는 조건으로 300초 대피시간에 대해 계산을 수행하였다.
이론/모형
- 2. 환기설비가동에 따른 기류해석: 지하철환경해석프로그램인 SES(Subway Environmental Simulation)®를 사용하여 터널부 환기설비의 제연절환운전으로 승 강장부에 형성되는 기류를 해석함으로서 화재시뮬레이 션의 경계조건으로 활용한다.
- 화재 발생에 따른 연기 및 고온열 제어효과를 수치해석적으로 파악하기 위하여 미국의 NIST(National Institute of Standards and Rchnology)에서 개발된 FDS(Fire dynamicss Simulator) Version 3을 사용하였다. 난류유동장의 해석은 LES(Large Eddy Simulation) 모델 및 연소모델로는 혼합분율모델(Mixture Fraction Model)을 적용하였다. 또한, 복사열전달해석 의 해석으로 유한체적법 (Control Volume Method)을사용하였다.
- 096 m)에서 식별 가능한 조건을 만족하도록 규정하고 있다. 따라서 본 연구에서 NFS 130의 조건을 환기설비의 적정성 평가 기준으로 적용하였다.
- 난류유동장의 해석은 LES(Large Eddy Simulation) 모델 및 연소모델로는 혼합분율모델(Mixture Fraction Model)을 적용하였다. 또한, 복사열전달해석 의 해석으로 유한체적법 (Control Volume Method)을사용하였다. 화재는 열차가 승강장에 정차하여 발생하고 열차중앙 1량이 전소하는 조건이며 발화위치는 선 로부 기준 2.
- 화재 발생에 따른 연기 및 고온열 제어효과를 수치해석적으로 파악하기 위하여 미국의 NIST(National Institute of Standards and Rchnology)에서 개발된 FDS(Fire dynamicss Simulator) Version 3을 사용하였다. 난류유동장의 해석은 LES(Large Eddy Simulation) 모델 및 연소모델로는 혼합분율모델(Mixture Fraction Model)을 적용하였다.
성능/효과
- 1. 본선환기의 제연절환방식에 따라 승강장부의 열 환경 및 연기농도에 큰 차이점을 나타냈다.
- 2. 연기농도장을 기준으로 대피에 가장 효과적인 제연절환방식은 승강장 상부제연방식 이다.
- 3. 압인방식인 Case4는 화재 하류지역으로의 급격한 연기확산을 초기부터 유도함으로서 기류방향에 위치한 영역에서 승객 대피에 원활하지 못하다.
- 4. 가장 효과적인 배열방식은 화재발생 초기부터 열 배출 특성이 우수한 Case3으로 나타났다. 따라서, 수직환기팬을 전부 배기모드로 절환하여 배열하는 방식이 가장 효과적이다.
- 5. 제연은 외기의 유입으로 농도를 희석시키는 방식보다 발생시 확산이전에 바로 배출시키는 것이 효과적이며 배열은 이와 반대로 신선외기와의 열확산을 동반하여 배출시키는 것이 효과적이다.
- 6. 승객의 원활한 대피가 가능한 가시거리 확보에 중점을 두어 본 연구의 조건에서는 승강장 상부제연/배 열방식이 가장 우수한 것을 나타났다.
- Casel, 2, 6은 화재발생 100초를 전후하여 대피에 부적합한 6(TC의 평균온도를 나타났으며 Case3, 4, 5는 기준온도를 만족하였다. 가장 효과적인 배열방식eCase3과 Case4로 나타났다. 이중에서도 Case3의 방식이 화재발생 초기부터 배열특성이 우수한 것으로 나타났다.
- Casein: 화재발생 270초 이후부터 대피에 부적합한 65mg/m3의 평균농도값을 나타났으며 Case2~6은기준농도를 만족하였다. 가장 효과적인 제연방식은 Case4와 Case5로 나타났으며 본선부 수직환기팬을 제연모드로 절환하여 사용하는 경우보다 화재발생지역 을 중심으로 적극적으로 제연하는 방식이 보다 효과적인 것으로 나타났다. 따라서, 승강장부의 상부TES의 배출효율을 높이는 것이 보다 효율적인 것으로 나타났다.
- 이중에서도 Case3의 방식이 화재발생 초기부터 배열특성이 우수한 것으로 나타났다. 따라서, 수직환기팬을 전부 배기모드로 절환하여 배열하는 방식이 가장 효과적인 것으로 나타났다.
- 가장 효과적인 제연방식은 Case4와 Case5로 나타났으며 본선부 수직환기팬을 제연모드로 절환하여 사용하는 경우보다 화재발생지역 을 중심으로 적극적으로 제연하는 방식이 보다 효과적인 것으로 나타났다. 따라서, 승강장부의 상부TES의 배출효율을 높이는 것이 보다 효율적인 것으로 나타났다.
- Case4는 온도장과 동일한 특징으로 승강장 선로부 상부만으로 제연을 실시하는 경우는 터널수직갱환기기를 동시에 제연모드로 절환하는 경우보다 배출특성이 상대적으로 높은 것으로 나타났다. 또한, TES 상부를 제연모드로 절환하는 경우가 하부만으로 제연하는 경우보다 상대적으로 배 출효과가 높게 나타났다.
- 승강장 부에서 주기류의 방향은 계단을 통해서 외기가 유입하여 승강장의 배기 시스템을 통해서 배기(4215 CMM)되는 것으로 나타났다. 계단부를 통해서 유입되는 풍량의 총합은 약 3870 CMM이며, 승강장부 배기 시스템(TES)을 통해서 모두 배기되다.
- 승강장 주기류의 방향은 하행방향(7512.3 CMM)에서 상행방향(11097.1 CMM)으로 형성되며, 계단부에서는 외기가 유입되며 풍량은(7804 CMM) 모두 제연모드로 설정방식보다 감소되며 많은 풍량(7803.9 CMM) 이 유입하는 것으로 나타났다. 승강장 배기는 4220 CMM이다.
- 승강장 하행터널(Station L)에서 유입되는 풍량은 약 450 CMM, 상행터널 방향(Station R)으로는 약 109CMM정도가 유출되고 있어 본선부에서 승강장으로 유출입되는 풍량은 무시할 정도로 작은 것으로 나타났다.
- Casein} case 2가 전체에서 상대적으로 높은 농도분포로서 65 mg/n?을 초과하는 영역이 상당부 분 존재하는 것으로 나타났다. case 3은 대부분 지역의 가시거리가 Sd<60 mg/n?으로 가시거리의 확보기 준은 만족하는 것으로 나타났다. Case4는 온도장과 동일한 특징으로 승강장 선로부 상부만으로 제연을 실시하는 경우는 터널수직갱환기기를 동시에 제연모드로 절환하는 경우보다 배출특성이 상대적으로 높은 것으로 나타났다.
- 4로부터 Casele 80℃<T<100℃의 상대적으로 높은 열분포를 나타냈다. 전반적으로 본선터널구간의 수직갱 환기기와 승강장환기설비 (TES)를 동시에 제연모드로 절환시키는 Case2, 3, 4가 승강장환기설비 (TES)만으로 구성된 Case5, 6보다 승강장의 열분산 효과가 우수한 것으로 나타났다. 따라서, 대피열환경이 우수한 Case3과 4의 경우, Case3은 승강장 전체면적에 걸쳐 TvSP의 온도분포를 나타냈으며 Case4는 압인 (push-pull)특성으로 신선외기가 유입되는 전반부는 30oCvT<40oC의 낮은 온도장을 유지하는 반면 화재위치를 지나면서 60℃ <T<80℃ 급격한 온도 상승을 나타냈다.
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