[논문]지하철 역사 승강장 화재발생시 열/연기 거동 분석을 위한 실험 및 수치 연구(II) - 수치적 접근 -

장희철; 김태국; 박원희; 김동현

문제 정의

본 연구에서는 계측된 유속을 배연 경계조건으로 사용하여 평상시 및 비상시 지하역사 내에서 공기 및 연기의 거동의 특성을 알아보기 위하여 시뮬레이션을 수행하였다. 모델링은 수유역사의 대략적인 크기(20.
따라서 모든 역사에 대하여 실험을 수행하기 매우 어려운 것이 현실이며, 이를 대체하기 위하여 검증된 프로그램을 이용한 수치 해석적인 방법을 사용하여 화재 발생 시 연기·열 유동 및 화재 특성을 파악하는 것이 중요하다. 본 연구에서는 좀 더 정확한 결과를 도출하기 위하여 계측된 유속을 경계조건으로 수치적 접근을 시도하였다.
본 연구에서는 화재 발생 시 열 및 연기 거동의 특성 예즉을 위하여 배연 팬을 가동시킨 경우에 계즉된 유속, 온도 및 일본에서 수행한 실을 수치해석의 속도 경계조건으로 이용하여 화재 모사 시뮬레이션을 수행하였다. 계측상의 강제배연 풍량과 NFSC 501에서 규정한 풍량의 두 가지 경우로 구분하여 열, 연기, 가시거리, 유독가스의 분포 및 거동 특성을 비교 분석하였다.

가설 설정

수치해석 수행 시간은 15분으로 설정하였다. 화재지점은 미아역 방면의 좌측 승강장, 쌍문역 방면의 승강장 끝단에서 (y=100m) 떨어진 지점에서 발생한 것으로 가정하였으며, 화재구역은 승강장 벽에서 (x = 0.1m) 떨어진 지점의 일본 지하철 역사 매점 크기(x = 2.2m* y = 3m)로 설정하였다. 본 연구에서 고려된 가연성 물질은 프로판이며, 화재의 크기는 일본에서 수행한 실험의 결과를 적용하여 발화 10분 경과 후 최대 열 방출량인 12MW가 되는 것으로 설정하였으며,⁶⁾ 시간에 따라 발생되는 열량은 Power Law Relation⁷⁾ 공식을 적용하였으며 다음과 같다.

제안 방법

본 연구에서는 화재 발생 시 열 및 연기 거동의 특성 예즉을 위하여 배연 팬을 가동시킨 경우에 계즉된 유속, 온도 및 일본에서 수행한 실을 수치해석의 속도 경계조건으로 이용하여 화재 모사 시뮬레이션을 수행하였다. 계측상의 강제배연 풍량과 NFSC 501에서 규정한 풍량의 두 가지 경우로 구분하여 열, 연기, 가시거리, 유독가스의 분포 및 거동 특성을 비교 분석하였다. 수치해석 결과, 자연풍의 영향으로 중심호흡 높이를 기준으로 승강장 양 끝단에서의 온도가 최고 80℃ 이상 차이를 보였으며, 연기농도 분포도 최대 4배 이상 차이를 보였다.
328 CMM이다. 계측한 승강장 급기구의 유속을 배연 경계조건으로 적용한 Case I과 NFSC 501⁸⁾에서 규정한 풍량 Case II로 구분하였으며, 자연풍 유속 및 풍향은 동일하게 적용하였다. 화재 발생 시 인명피해 유발 요소인 열, 연기농도, 가시거리, 유독가스의 영향을 알아보기 위하여 승강장 바닥 1.
본 연구에서는 계측된 유속을 배연 경계조건으로 사용하여 평상시 및 비상시 지하역사 내에서 공기 및 연기의 거동의 특성을 알아보기 위하여 시뮬레이션을 수행하였다. 모델링은 수유역사의 대략적인 크기(20.4m * 205.0 m * 6.0 m), 선로와 승강장에 설치된 기 등의 크기와 개수, 비상계단, 급기구 및 배기구의 위치와 개수를 동일하게 적용하였다. 격자구성은 Fig.
본 연구에서는 배기구에서 계측한 유속을 배연 경계조건으로 적용하여 수치해석을 수행한 결과와 설정값을 배연 경계조건으로 수행한 결과를 비교하였다. 승강장 급기구에서 계즉된 유속으로 계산한 풍량은 515.
열전달 경계조건은 단열상태로 고려하여 수행하였다. 수치해석 수행 시간은 15분으로 설정하였다.
계측한 승강장 급기구의 유속을 배연 경계조건으로 적용한 Case I과 NFSC 501⁸⁾에서 규정한 풍량 Case II로 구분하였으며, 자연풍 유속 및 풍향은 동일하게 적용하였다. 화재 발생 시 인명피해 유발 요소인 열, 연기농도, 가시거리, 유독가스의 영향을 알아보기 위하여 승강장 바닥 1.5 m 높이(z = 3.3 m)에서 5 m(y축 기준) 간격으로 42개 지점, 화재 발생지점을 기준으로 쌍문역 방면 (y = 90m) 및 미아역 방면(y = 110m) 지점의 승강장 바닥을 기준으로 1.5m 높이(z = 3.3m)에서 1 m 간격(x축 기준)의 20개 지점, 쌍문역 방면의 승강장 끝단에서 y = 90m, y = 100m(화재지점), y = 110m 위치의 승강장 벽에서 5m 떨어진 지점(x = 5m)에서 0.2m 간격(z축 기준)으로 8개 점에 대하여 결과를 비교하였다.

대상 데이터

0 m), 선로와 승강장에 설치된 기 등의 크기와 개수, 비상계단, 급기구 및 배기구의 위치와 개수를 동일하게 적용하였다. 격자구성은 Fig. 1에 나타낸 바와 같이 균일하게 약 93만 개로 대표적인 격자 크기는 Δx = 0.2m, Δy = 0.5m, Δz = 0.2m 간격으로 생성하였다. 그리고 입구부의 유속조건은 Table 1과 같이 주어졌다.

이론/모형

2m* y = 3m)로 설정하였다. 본 연구에서 고려된 가연성 물질은 프로판이며, 화재의 크기는 일본에서 수행한 실험의 결과를 적용하여 발화 10분 경과 후 최대 열 방출량인 12MW가 되는 것으로 설정하였으며,⁶⁾ 시간에 따라 발생되는 열량은 Power Law Relation⁷⁾ 공식을 적용하였으며 다음과 같다.
본 연구에서 수치해석을 위하여 사용된 소프트웨어는 미국표준기술연구소(National Institute of Standards and Technology)에서 개발한 FDS(Fire Dynamics Simulator) Version 4.0⁴⁾을 사용하였으며, 복사의 영향을 고려한 연소 모델이 이용되었다.
연소 현상을 해석하기 위하여 혼합 분율 연소 모델(Mixture Fraction Combustion Model)이 고려되었으며, Huggeett이 제안한 화염 표면의 반응메커니즘⁵⁾을 이용하였다.

성능/효과

또한 실즉된 데이터를 검증된 소프트웨어를 이용하여 가상의 화재를 고려한 수치 해석적 모델링은 화재 발생 시 연기 확산 및 연기 거동을 예측할 수 있을 것으로 기대된다.^1,2) 현재 국내의 경우 2005년까지 전국 노선의 총연장이 600km에 달할 것으로 예상되며,³⁾ 모든 역사는 지리적, 환경적 변수를 고려하여 역사 및 터널을 건설하기 때문에 모든 역사가 구조적 차이를 보인다. 따라서 모든 역사에 대하여 실험을 수행하기 매우 어려운 것이 현실이며, 이를 대체하기 위하여 검증된 프로그램을 이용한 수치 해석적인 방법을 사용하여 화재 발생 시 연기·열 유동 및 화재 특성을 파악하는 것이 중요하다.
(y = 0m) 지점을 기준으로 Case I이 Case Ⅱ에 비하여 약 3배가량 높은 것을 확인할 수 있었다. 두 Case에서 다소 높은 농도를 보인 45m~90m 구간에서는 700초 이후에 매우 유사한 분포를 유지하는 것을 확인할 수 있었다. O₂는 모든 Case에서 110m~130m 구간이 안정적인 산소 농도를 유지하였으며, 기류의 영향으로 자연풍 방향보다 역방향에서 산소공급이 원활함을 확인할 수 있다.
승강장 끝단에 위치한 벽을 타고 연기가 하강하여 시야 확보에도 가장 어려운 것을 확인할 수 있었다. 두 Case에서 발화 700초 이후에 유사한 가시거리 분포를 보였으며, Case Ⅱ는 화재가 완전히 성장하고 유지되는 700초 이후 승강장 전 구간에서 급격히 시야가 좁아짐을 확인할 수 있다.
비상계단이 자연 배기구 역할로 인하여 주변의 열 및 연기의 농도를 크게 낮추었으며, 화재 시 기류는 피난 방향에 따라 위험성을 증대시킬 수 있음을 확인할 수 있었다. 배기구의 유속 크기는 화재에 의한 열 및 연기 유동에 크게 영향을 미치는 것을 알 수 있으며, 배연 풍량이 클수록 높은 제 연 효과를 나타내는 것을 확인할 수 있었다.
CO₂의 경우는 화재가 완전히 성장하는 500초 이후에 큰 폭으로 농도가 상승하였다. 배연 풍량의 증가는 CO₂로 인한 피해를 감소시키는 것을 확인할 수 있었다. 그러나 계단 벽은 유독가스 성분을 빠르게 하강시키는 역할을 하며, 계단과 계단 사이의 벽은 유독가스의 흐름을 방해하여 다른 구간에 비하여 다소 높은 농도 분포를 나타내었다.
Case I의 경우에 300초, Case Ⅱ는 발화 500초 이후부터 화재지점을 기준으로 자연풍 방향으로 시계가 급격히 떨어지기 시작하였다. 비상계단의 자연배기로 인하여 다른 구역에 비하여 계단 주변의 시야 확보가 용이한 것으로 나타났다. 승강장 끝단에 위치한 벽을 타고 연기가 하강하여 시야 확보에도 가장 어려운 것을 확인할 수 있었다.
화재가 완전히 성장하는 발화 600초 이후에 열, 연기 및 독성가스가 빠르게 확산됨을 보여주었다. 비상계단이 자연 배기구 역할로 인하여 주변의 열 및 연기의 농도를 크게 낮추었으며, 화재 시 기류는 피난 방향에 따라 위험성을 증대시킬 수 있음을 확인할 수 있었다. 배기구의 유속 크기는 화재에 의한 열 및 연기 유동에 크게 영향을 미치는 것을 알 수 있으며, 배연 풍량이 클수록 높은 제 연 효과를 나타내는 것을 확인할 수 있었다.
계측상의 강제배연 풍량과 NFSC 501에서 규정한 풍량의 두 가지 경우로 구분하여 열, 연기, 가시거리, 유독가스의 분포 및 거동 특성을 비교 분석하였다. 수치해석 결과, 자연풍의 영향으로 중심호흡 높이를 기준으로 승강장 양 끝단에서의 온도가 최고 80℃ 이상 차이를 보였으며, 연기농도 분포도 최대 4배 이상 차이를 보였다. 화재가 완전히 성장하는 발화 600초 이후에 열, 연기 및 독성가스가 빠르게 확산됨을 보여주었다.
비상계단의 자연배기로 인하여 다른 구역에 비하여 계단 주변의 시야 확보가 용이한 것으로 나타났다. 승강장 끝단에 위치한 벽을 타고 연기가 하강하여 시야 확보에도 가장 어려운 것을 확인할 수 있었다. 두 Case에서 발화 700초 이후에 유사한 가시거리 분포를 보였으며, Case Ⅱ는 화재가 완전히 성장하고 유지되는 700초 이후 승강장 전 구간에서 급격히 시야가 좁아짐을 확인할 수 있다.
7m 높이 지점에서 온도는 Case I이 Case Ⅱ에 비하여 약 200℃ 이상 높게 나타났다. 승강장 너비 방향을 살펴보면 화재가 완전히 성장하는 600초까지는 (y = 90m) 지점에서의 온도분포가 (y=110m) 지점보다 높은 분포를 보였으며, 600초 이후에는 반대의 경향을 보였다.
비상계단의 설치구역에서는 자연배기로 인하여 연기농도가 비교적 낮게 나타났으며, 비상계단이 끝나는 y = 40m 지점과 y = 160m 지점 사이에서는 계단 벽과 벽 사이 (y = 52 m~62 m, y = 142 m~152 m)에서는 계단 벽이 연기 거동을 방해하고 연기를 하강시키는 역할로 인하여 주변 연기농도 분포가 상대적으로 높았다. 승강장 바닥에서 상부로 올라갈수록 연기농도 분포가 점점 증가하며, (y = 110m) 지점이 (y = 90m) 지점에 비하여 최대 6배 이상 높음을 확인할 수 있었다. 발화 400초 경과된 후부터 승강장 바닥에서 천장 쪽으로 높이 올라갈수록 연기의 농도가 급격히 상승하였다.
수치해석 결과, 자연풍의 영향으로 중심호흡 높이를 기준으로 승강장 양 끝단에서의 온도가 최고 80℃ 이상 차이를 보였으며, 연기농도 분포도 최대 4배 이상 차이를 보였다. 화재가 완전히 성장하는 발화 600초 이후에 열, 연기 및 독성가스가 빠르게 확산됨을 보여주었다. 비상계단이 자연 배기구 역할로 인하여 주변의 열 및 연기의 농도를 크게 낮추었으며, 화재 시 기류는 피난 방향에 따라 위험성을 증대시킬 수 있음을 확인할 수 있었다.

후속연구

계단, 터널 연결부, 급·배기구의 유속 및 풍향 계즉이 중요하다. 또한 실즉된 데이터를 검증된 소프트웨어를 이용하여 가상의 화재를 고려한 수치 해석적 모델링은 화재 발생 시 연기 확산 및 연기 거동을 예측할 수 있을 것으로 기대된다.^1,2) 현재 국내의 경우 2005년까지 전국 노선의 총연장이 600km에 달할 것으로 예상되며,³⁾ 모든 역사는 지리적, 환경적 변수를 고려하여 역사 및 터널을 건설하기 때문에 모든 역사가 구조적 차이를 보인다.

내보내기 구분	파일저장 인쇄 메일전송
구성항목	기본정보 상세정보 관리번호, 논문명, 저널/프로시딩명, 저자 , 발행년, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, 발행기관 관리번호, 논문명, 대등논문명, 저자 , 저널/프로시딩명, 발행기관, 발행년, 발행언어, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, ISBN, ISSN, 주제분야, 키워드, 초록(한글), 초록(영문), 저자(소속기관)
저장형식	Text(ASCII format) Excel format RefWorks Direct Export RIS format (for Reference Manager, ProCite, EndNote), Scholar's Aids, Mendeley
메일정보	받는사람 (필수) @ 보내는사람 (선택) @ 제목 내용 KISTI 검색결과 이메일 서비스
안내	총 건의 자료가 검색되었습니다. 다운받으실 자료의 인덱스를 입력하세요. (1-10,000) 검색결과의 순서대로 최대 10,000건 까지 다운로드가 가능합니다. 데이타가 많을 경우 속도가 느려질 수 있습니다.(최대 2~3분 소요) 다운로드 파일은 UTF-8 형태로 저장됩니다. 파일의 내용이 제대로 보이지 않을실 때는 웹브라우저 상단의 보기 -> 인코딩 -> 자동선택 여부를 확인하십시오. ~ Text(ASCII format) Excel format

연합인증

지하철 역사 승강장 화재발생시 열/연기 거동 분석을 위한 실험 및 수치 연구(II) - 수치적 접근 -
Experimental and Numerical Studies on Heat/Smoke Behavior due to a Fire on Underground Subway Platform (II) - Numerical Approach - 원문보기

초록
AI-Helper

Abstract ▼ AI-Helper

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

문제 정의

가설 설정

제안 방법

대상 데이터

이론/모형

성능/효과

후속연구

참고문헌 (8)

이 논문을 인용한 문헌

저자의 다른 논문 :

관련 콘텐츠

원문 보기

원문 URL 링크

이 논문과 함께 이용한 콘텐츠

AI-Helper ※ AI-Helper는 오픈소스 모델을 사용합니다.

선택된 텍스트

연합인증

지하철 역사 승강장 화재발생시 열/연기 거동 분석을 위한 실험 및 수치 연구(II) - 수치적 접근 - Experimental and Numerical Studies on Heat/Smoke Behavior due to a Fire on Underground Subway Platform (II) - Numerical Approach - 원문보기

초록 용어보기논문에서 용어와 풀이말을 자동 추출한 결과로, 시범 서비스 중입니다. AI-Helper

Abstract ▼ AI-Helper

주제어

AI 본문요약 엑셀 다운로드 AI-Helper

문제 정의

가설 설정

제안 방법

대상 데이터

이론/모형

성능/효과

후속연구

참고문헌 (8)

이 논문을 인용한 문헌

저자의 다른 논문 :

장희철 (13) 김태국 (43) 박원희 (41) 김동현 (23)

관련 콘텐츠

원문 보기

원문 URL 링크

이 논문과 함께 이용한 콘텐츠

AI-Helper ※ AI-Helper는 오픈소스 모델을 사용합니다.

선택된 텍스트

지하철 역사 승강장 화재발생시 열/연기 거동 분석을 위한 실험 및 수치 연구(II) - 수치적 접근 -
Experimental and Numerical Studies on Heat/Smoke Behavior due to a Fire on Underground Subway Platform (II) - Numerical Approach - 원문보기

초록
AI-Helper

AI 본문요약
AI-Helper