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문제 정의
- 본 논문에서는 실제 운행되는 역사에서 발생된 화재 의 영향을 평가하기 위하여 수치해석을 수행하는데 중요한 입력자료 중에 하나인 유속경계조건을 실험적으 로 계측하였다. 이를 위하여 평상시/화재발생시 운전모 드에서의 승강장 여러 위치에서의 유속 및 상부배기, 하부배기 및 승강장 급기구에서의 유량을 측정하였다.
- 본 연구에서는 지하철 역사의 환기특성 및 화재 발 생시의 연기 유동 특성을 파악하기 위하여 지하철 승 강장을 대상으로 수치해석적인 모델링 및 현장 계측 등을 수행하였다. 지하철 역사 승강장 화재발생시 열.
가설 설정
- 실험 역사의 경우 하부배기 및 상부배기는 평상시에 브레이크 열 흡수 등을 위하여 배기를 하지만 화재발생시 하부배기의 댐퍼가 닫히면서 하부배기 팬이 승강장 급기의 댐퍼와 연결되어 승강장 천장에서 배연이 되도록 설계가 되어 있다. 그러므로 비상시 승 강장급기의 풍량과 평상시 하부배기의 풍량은 동일하 다고 가정할 수 있다. 따라서 평상시에 하부배기의 풍 량은 비상시에 계측한 승강장급기에서 계측한 풍량으 로 고려될 수 있다.
- 3 m 높이에열선풍속계를 설치하여 6개의 지점(평상시 모드에서는 선로 중앙부분만)에서 계즉을 수행하였다. 운행이 끝난 후에 실험을 시작하고 운행이 시작되기 전에 철수를 완료해야하는 한정된 시간을 최대한 활용하기 위하여 승강장이 선로와 선로 중심선을 기준으로 대칭이라고 가정하였으며, 승강장 길이방향으로 시점과 종점의 환 기실에서 동일한 풍량으로 급기 및 배기가 이루어지므로, 아역방면 승강장 끝단에서 중앙까지미의 급 . 배기 구에 대하여 풍량을 즉정하였다.
제안 방법
- 본 절에서는 논문 II에서 가상의 화재를 고려한 배 연 및 화재특성을 파악하기 위하여 고려된 NIST(National Institute of Standards and Technology)에서 개발한 FDS(Fire Dynamics Simulator) Version 4"를 이용하여평상시 환기팬 작동시 계산한 결과와 승강장에서 측정된 유속을 비교를 하였다. 이를 위하여 평상시의 실제 지하철 역사의 공기거동의 특성을 파악하기 위하여 계 측된 유속, 배기 및 급기구에서의 풍량을 경계조건으 로 사용하였다.
- 또한 시간에 따른 유속의 변화가 매우 불규칙한 것을 확인할 수 있었다. 급기구 의 유속 계즉은 풍향 및 풍량 조절을 위해 설치된 그 릴로 인한 위치별 유속의 차이가 상당히 크게 나타났 으며, 일부 급기구의 그릴 고장 등의 문제를 해결하기 위하여 측정용 덕트를 이용하여 유속을 계측하였다. 측정용 덕트는 각각의 측정 포인트에 대하여 균일한 유 속을 만들기 위하여 길이 Lm로 제작하였으나 9개의 측정 포인트에서도 유속의 차이가 크며, 속도가 빠르 게 계측된 급기구 측정점에서의 유속 차이가 비교적 크게 나타났다.
- 상부배기의 풍량은 평상시와 비상 시에 동일함으로 2차 실험(비상시 모드)에서 계측한 풍 량을 평상시 모드에 그대로 적용하였다. 급기구와 환 기구의 풍향 및 풍속 제어를 위해 설치되어 있는 그릴 로 인한 유속의 변화를 최소화하기 위하여 길이 Im의 덕트를 제작하였다. 제작된 측정용 덕트는 승강장급기용(0.
- 또한 여러 위치에서의 유속을 계측 하여 승강장에서의 유속분포 수치해석 결과와 비교하였다. 논문 II에서는 이러한 결과를 바탕으로 승강장에 서의 화재발생시 승강장 배연용량에 따른 열, 연기 등 여러 인자들의 거동특성을 수치해석방법으로 예측하였다.
- 연 기 거동 분석을 위한 본 논문은 두 개의 부분으로 나누 어져 작성되었다. 논문 I에서는 실제 역사에서 발생된 화재의 영향을 평가하기 위하여 수치해석을 수행하는데 중요한 입력자료 중에 하나인 유속경계조건을 실험 적으로 계측하였다. 또한 여러 위치에서의 유속을 계측 하여 승강장에서의 유속분포 수치해석 결과와 비교하였다.
- 논문 I에서는 실제 역사에서 발생된 화재의 영향을 평가하기 위하여 수치해석을 수행하는데 중요한 입력자료 중에 하나인 유속경계조건을 실험 적으로 계측하였다. 또한 여러 위치에서의 유속을 계측 하여 승강장에서의 유속분포 수치해석 결과와 비교하였다. 논문 II에서는 이러한 결과를 바탕으로 승강장에 서의 화재발생시 승강장 배연용량에 따른 열, 연기 등 여러 인자들의 거동특성을 수치해석방법으로 예측하였다.
- 운행이 끝난 후에 실험을 시작하고 운행이 시작되기 전에 철수를 완료해야하는 한정된 시간을 최대한 활용하기 위하여 승강장이 선로와 선로 중심선을 기준으로 대칭이라고 가정하였으며, 승강장 길이방향으로 시점과 종점의 환 기실에서 동일한 풍량으로 급기 및 배기가 이루어지므로, 아역방면 승강장 끝단에서 중앙까지미의 급 . 배기 구에 대하여 풍량을 즉정하였다. 선로와 선로 중심선 을 기준으로 대칭이라고 가정하였으므로 Fig.
- 2004년 2월 4일(금) 새벽에 수행된 실험은 냉방모드 (평상시)의 경우의 유속을 측정하였으며, 실험당시 대 합실의 온도는 였다. 선로 선로부의 잦은 점검 열차 운행과 선로부의 전기가 완전히 차단되지 못하여 서 하부배기의 유속 측정을 하지 못하였으며, 그 외의 승강장급기, 터널연결부, 계단 및 승강장 중요위치에서 의 유속을 계측하였다. 열선풍속계와 풍향계를 사용한 승강장 및 터널연결부의 유속은 미아역방면 터널연결 부를 제외하고 모든 즉정 지점에서 5분간의 유속을 계 측하였다.
- 배기 구에 대하여 풍량을 즉정하였다. 선로와 선로 중심선 을 기준으로 대칭이라고 가정하였으므로 Fig. 2와 같이 한쪽편 승강장(쌍문역방면 승강장)에서만 유속을 측정하였다. 실험 역사의 경우 하부배기 및 상부배기는 평상시에 브레이크 열 흡수 등을 위하여 배기를 하지만 화재발생시 하부배기의 댐퍼가 닫히면서 하부배기 팬이 승강장 급기의 댐퍼와 연결되어 승강장 천장에서 배연이 되도록 설계가 되어 있다.
- 하부 배기구 및 승강장 냉방급기구에대한 평균 유속을 산출하여 경계조건으로 입력하였다. 수치 해석 수행시 배기 및 급기구에서의 급기 및 배기되는 유량은 각각의 평상시모드에서 계즉된 급기구의 유속, 계단부의 유속, 쌍문역방면의 터널부에서 계측된 자연 풍 유속 및 계측 당시 평균온도를 적용하였다. Fig.
- 5 m 지점에는 풍향계를 설치 하였다. 승강장 위 위치별 유속 계측점으로는 승강장벽에서 3.8 m, 5.0 m 떨어진 지점 높이 1.5 m, 2.1 m,2.4 m 지점에 대하여 승강장 길이방향으로 쌍문역 터널연결부분에서 10 m, 27 m, 41 m, 55 m, 71 m, 91 m, 111 m, 131 m, 146 m, 175 m, 195 m 지점의 78개의 측정 지점에 대하여 5분간의 유속을 측정하였다. 터널연결부 자연풍 계측은 선로 중앙 및 승강장에서0.
- 승강장과 터널이 연결된 부분(승강장의 수치해석시 경계가 되는 영역)의 유동을 파악하기 위하여 양쪽 터 널 연결부의 유속을 측정하였다. 승강장에서의 유속 측 정시 모든 즉정점에서 동시에 유속을 파악하여 유동장 을 파악하여야 하지만 센서의 부족으로 인하여 Fig.
- 승강장과 터널이 연결된 부분(승강장의 수치해석시 경계가 되는 영역)의 유동을 파악하기 위하여 양쪽 터 널 연결부의 유속을 측정하였다. 승강장에서의 유속 측 정시 모든 즉정점에서 동시에 유속을 파악하여 유동장 을 파악하여야 하지만 센서의 부족으로 인하여 Fig. 2와 같이 6개의 zone을 설정하여 순차적으로 유속을 측정하였다. 팬 및 계단 및 터널 부에서 유동 등으로 인한 승강장에서의 유동을 정상상태로 가정이 이러한 측정 방법을 타당하게 할 수 있다.
- 30 m/s로 계측되었다. 시간적 제한 으로 인하여 터널연결부의 측정시간은 15초에서 30초 까지 다소 짧은 시간 안에 계측을 수행하였다. 계단의풍향은 Zone 5의 계단을 제외한 나머지 Zone 2, 3, 4에서 자연풍의 방향과 동일한 풍향을 보였다.
- 열선풍속계와 풍향계를 사용한 승강장 및 터널연결부의 유속은 미아역방면 터널연결 부를 제외하고 모든 즉정 지점에서 5분간의 유속을 계 측하였다. 쌍문역방면 터널연결부 측정 지점에서는 시간 제약으로 60초간 유속을 측정하였다. 이동형 열선 풍속계를 사용하여 계즉한 승강장 급기구의 유속은 미 아역방면의 끝단에서 쌍문역방면 방향으로 26개의 급 기구에 대하여 측정을 수행하였다.
- 선로 선로부의 잦은 점검 열차 운행과 선로부의 전기가 완전히 차단되지 못하여 서 하부배기의 유속 측정을 하지 못하였으며, 그 외의 승강장급기, 터널연결부, 계단 및 승강장 중요위치에서 의 유속을 계측하였다. 열선풍속계와 풍향계를 사용한 승강장 및 터널연결부의 유속은 미아역방면 터널연결 부를 제외하고 모든 즉정 지점에서 5분간의 유속을 계 측하였다. 쌍문역방면 터널연결부 측정 지점에서는 시간 제약으로 60초간 유속을 측정하였다.
- 쌍문역방면 터널연결부 측정 지점에서는 시간 제약으로 60초간 유속을 측정하였다. 이동형 열선 풍속계를 사용하여 계즉한 승강장 급기구의 유속은 미 아역방면의 끝단에서 쌍문역방면 방향으로 26개의 급 기구에 대하여 측정을 수행하였다. Table 2에서는 터 널연결부, 계단 및 승강장 중요위치에서 계측된 평균 유속을 나타내고 있다.
- 본 논문에서는 실제 운행되는 역사에서 발생된 화재 의 영향을 평가하기 위하여 수치해석을 수행하는데 중요한 입력자료 중에 하나인 유속경계조건을 실험적으 로 계측하였다. 이를 위하여 평상시/화재발생시 운전모 드에서의 승강장 여러 위치에서의 유속 및 상부배기, 하부배기 및 승강장 급기구에서의 유량을 측정하였다. 또한 화재영향을 해석하기 위한 수치해석 프로그램을 이용하여 평상시 운전모드의 실험값을 기반으로 Cold (화재가 발생하지 않은) 유동장 해석을 수행하여 그 결과와 계측 값을 비교하였다.
- 본 절에서는 논문 II에서 가상의 화재를 고려한 배 연 및 화재특성을 파악하기 위하여 고려된 NIST(National Institute of Standards and Technology)에서 개발한 FDS(Fire Dynamics Simulator) Version 4"를 이용하여평상시 환기팬 작동시 계산한 결과와 승강장에서 측정된 유속을 비교를 하였다. 이를 위하여 평상시의 실제 지하철 역사의 공기거동의 특성을 파악하기 위하여 계 측된 유속, 배기 및 급기구에서의 풍량을 경계조건으 로 사용하였다. 지하역사 승강장에 설치되어 있는 모든 승강장 상하부 및 승강장 급기에서 풍량이 측정되 지 않았으므로, 승강장의 1/4에서 측정된 풍량을 이용하여 승강장 각각의 전체 풍량을 산출하였으며, 이를 각각의 상 .
- 급기구와 환 기구의 풍향 및 풍속 제어를 위해 설치되어 있는 그릴 로 인한 유속의 변화를 최소화하기 위하여 길이 Im의 덕트를 제작하였다. 제작된 측정용 덕트는 승강장급기용(0.4 m* 0.25 m *1 m)과 상부배기 측정용(0.6 m * 0.7 m * 1 m)의 2가지로 구분하여 제작하여 풍량을 측정하였다.
- 이를 위하여 평상시의 실제 지하철 역사의 공기거동의 특성을 파악하기 위하여 계 측된 유속, 배기 및 급기구에서의 풍량을 경계조건으 로 사용하였다. 지하역사 승강장에 설치되어 있는 모든 승강장 상하부 및 승강장 급기에서 풍량이 측정되 지 않았으므로, 승강장의 1/4에서 측정된 풍량을 이용하여 승강장 각각의 전체 풍량을 산출하였으며, 이를 각각의 상 . 하부 배기구 및 승강장 냉방급기구에대한 평균 유속을 산출하여 경계조건으로 입력하였다.
- 실험당시 대합실의 온도는 19~20℃ 였다. 측정 방법은 평상시 운전모드의 측정 방법과 동 일하게 진행하였으며, 평상시 여러가지 위험요소로 인하여 측정하지 못했던 상부배기의 유속을 추가로 계측 하였다. 터널연결부에서의 유속은 선로 중앙 및 평상 시 환기조건(냉방급기)에서의 측정위치와 달리 승강장 에서 0.
- 4 m 지점에 대하여 승강장 길이방향으로 쌍문역 터널연결부분에서 10 m, 27 m, 41 m, 55 m, 71 m, 91 m, 111 m, 131 m, 146 m, 175 m, 195 m 지점의 78개의 측정 지점에 대하여 5분간의 유속을 측정하였다. 터널연결부 자연풍 계측은 선로 중앙 및 승강장에서0.8 m 떨어진 선로지점에 2.4 m, 3.0 m, 3.3 m 높이에열선풍속계를 설치하여 6개의 지점(평상시 모드에서는 선로 중앙부분만)에서 계즉을 수행하였다. 운행이 끝난 후에 실험을 시작하고 운행이 시작되기 전에 철수를 완료해야하는 한정된 시간을 최대한 활용하기 위하여 승강장이 선로와 선로 중심선을 기준으로 대칭이라고 가정하였으며, 승강장 길이방향으로 시점과 종점의 환 기실에서 동일한 풍량으로 급기 및 배기가 이루어지므로, 아역방면 승강장 끝단에서 중앙까지미의 급 .
- 측정 방법은 평상시 운전모드의 측정 방법과 동 일하게 진행하였으며, 평상시 여러가지 위험요소로 인하여 측정하지 못했던 상부배기의 유속을 추가로 계측 하였다. 터널연결부에서의 유속은 선로 중앙 및 평상 시 환기조건(냉방급기)에서의 측정위치와 달리 승강장 에서 0.8in 떨어진 곳을 추가로 측정을 수행하였다. Table 3은 터널연결부, 계단 및 지정된 승강장에서 평 균유속을 나타내고 있다.
- 지하역사 승강장에 설치되어 있는 모든 승강장 상하부 및 승강장 급기에서 풍량이 측정되 지 않았으므로, 승강장의 1/4에서 측정된 풍량을 이용하여 승강장 각각의 전체 풍량을 산출하였으며, 이를 각각의 상 . 하부 배기구 및 승강장 냉방급기구에대한 평균 유속을 산출하여 경계조건으로 입력하였다. 수치 해석 수행시 배기 및 급기구에서의 급기 및 배기되는 유량은 각각의 평상시모드에서 계즉된 급기구의 유속, 계단부의 유속, 쌍문역방면의 터널부에서 계측된 자연 풍 유속 및 계측 당시 평균온도를 적용하였다.
대상 데이터
- 2004년 2월 4일(금) 새벽에 수행된 실험은 냉방모드 (평상시)의 경우의 유속을 측정하였으며, 실험당시 대 합실의 온도는 였다. 선로 선로부의 잦은 점검 열차 운행과 선로부의 전기가 완전히 차단되지 못하여 서 하부배기의 유속 측정을 하지 못하였으며, 그 외의 승강장급기, 터널연결부, 계단 및 승강장 중요위치에서 의 유속을 계측하였다.
- 2004년 4월 7일(목) 새벽에 수행된 실험은 수유역 승 강장에서 배연 Fan을 가동한 경우(비상시)에 대하여 유 속을 측정하였다. 실험당시 대합실의 온도는 19~20℃ 였다.
- 연구의 대상이 되는 역사는 Fig. 1과 같은 구조의 서울지하철 4호선의 수유역사를 선택하였는데 이 역사의 특징을 간단히 설명하면 다음과 같다. 상대식(지하역) 상 .
- 상대식(지하역) 상 . 하단 직선 승강장 구조이며, 지하 1층 대합실, 지 하 2층 승강장으로 구성되어 있다. 승강장과 대합실을 연결하는 내부계단은 상행 및 하행 승강장에 각각 4개 씩 설치되어 있다.
데이터처리
- 이를 위하여 평상시/화재발생시 운전모 드에서의 승강장 여러 위치에서의 유속 및 상부배기, 하부배기 및 승강장 급기구에서의 유량을 측정하였다. 또한 화재영향을 해석하기 위한 수치해석 프로그램을 이용하여 평상시 운전모드의 실험값을 기반으로 Cold (화재가 발생하지 않은) 유동장 해석을 수행하여 그 결과와 계측 값을 비교하였다.
성능/효과
- Table 3은 터널연결부, 계단 및 지정된 승강장에서 평 균유속을 나타내고 있다. 계측 결과 터널연결부의 자 연풍은 미 아역 방면으로 불었으며 , 쌍문역 방면터 널연결 부에서의 평균유속은 1.42 m/s, 미아역방면 터널연결부 에서 평균유속은 0.30 m/s로 계측되었다. 시간적 제한 으로 인하여 터널연결부의 측정시간은 15초에서 30초 까지 다소 짧은 시간 안에 계측을 수행하였다.
- 4 m/s로 나타났으며, 계단 주위와 터널연결부에서의 유 속이 대체로 높게 나타났다. 또한 시간에 따른 유속의 변화가 매우 불규칙한 것을 확인할 수 있었다. 급기구 의 유속 계즉은 풍향 및 풍량 조절을 위해 설치된 그 릴로 인한 위치별 유속의 차이가 상당히 크게 나타났 으며, 일부 급기구의 그릴 고장 등의 문제를 해결하기 위하여 측정용 덕트를 이용하여 유속을 계측하였다.
- 7 m/s로비교적 큰 폭의 변화를 보였다. 모든 계단에서의 풍향 은 승강장에서 대합실로 공기가 거동 하였으며, 계단의 위치와 측정높이에 따라 평균유속은 0.11 m/s~0.45 m/s이며, 시간에 따른 유속은 0.01 m/s~0.6 m/s로 다양한 분포를 나타내었다. 이러한 결과는 자연풍이 승강 장 내부의 공기유동에 크게 영향을 미치며, 화재발생 시 심각하게 고려되어야 할 환경적 요소임을 보여준다.
- 1 m/s로 가장 빠른 유속으루 나타났다. 배기구의 유 속 측정결과를 보면, 승강장 급기에서의 평균유속은0.163 m/s에서 2.43 m/s로 급기구의 위치에 따라서 차이가 매우 크게 나타났으며, 상부배기의 평균유속은0.74 m/s에서 1.14 m/s로 나타났다.
- 이러한 결과는 자연풍이 승강 장 내부의 공기유동에 크게 영향을 미치며, 화재발생 시 심각하게 고려되어야 할 환경적 요소임을 보여준다. 승강장위의 지정한 측정위치에서의 평균유속은 시간 간격, 우]치, 높이에 따라 최소 0.03 m/s에서 최대 0.4 m/s로 나타났으며, 계단 주위와 터널연결부에서의 유 속이 대체로 높게 나타났다. 또한 시간에 따른 유속의 변화가 매우 불규칙한 것을 확인할 수 있었다.
- 급기구 의 유속 계즉은 풍향 및 풍량 조절을 위해 설치된 그 릴로 인한 위치별 유속의 차이가 상당히 크게 나타났 으며, 일부 급기구의 그릴 고장 등의 문제를 해결하기 위하여 측정용 덕트를 이용하여 유속을 계측하였다. 측정용 덕트는 각각의 측정 포인트에 대하여 균일한 유 속을 만들기 위하여 길이 Lm로 제작하였으나 9개의 측정 포인트에서도 유속의 차이가 크며, 속도가 빠르 게 계측된 급기구 측정점에서의 유속 차이가 비교적 크게 나타났다.
- Table 2에서는 터 널연결부, 계단 및 승강장 중요위치에서 계측된 평균 유속을 나타내고 있다. 터널연결부의 자연풍은 승강장에서 양쪽 터널방향으로 빠져나가는 것을 확인할 수 있었으며 , 쌍문역 방면 터 널 연결부의 평 균유속은 0.20 m/s, 미아역방면 터널연결부의 평균유속은 0.29 m/s로 측정되었으며, 시간에 따른 유속은 0.01 m/s~0.7 m/s로비교적 큰 폭의 변화를 보였다. 모든 계단에서의 풍향 은 승강장에서 대합실로 공기가 거동 하였으며, 계단의 위치와 측정높이에 따라 평균유속은 0.
- 계단의풍향은 Zone 5의 계단을 제외한 나머지 Zone 2, 3, 4에서 자연풍의 방향과 동일한 풍향을 보였다. 평균유속은 최소 0.15 m/s에서 최대 0.36 m/s이며, 시간에 따른 유속은 0.01 m/s~0.8 m/s로 큰 폭의 유속차이를 보였다. 평상시 모드에서의 계측결과와 비교하여 시간대 별 유속의 변화가 다소 완만한 타원형의 형태를 보여주고 있다.
- 8 m/s로 큰 폭의 유속차이를 보였다. 평상시 모드에서의 계측결과와 비교하여 시간대 별 유속의 변화가 다소 완만한 타원형의 형태를 보여주고 있다. 승강장에서의 평균유속은 0.
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