2003년 대구지하철 중앙역에서 화재사고로 인한 화재 유동 및 승객 피난시뮬레이션을 수행하였다. 화재의 발화 지점은 지하 3층의 객차 내이며, 지하 3층 및 2층의 화재 유동이 FLUENT 6.2를 이용하여 수행되었다. 객차 내 및 역사 내의 CO (이산화탄소) 및 온도의 분포가 분석되었으며, 이의 data가 피난 시뮬례이션 data로 사용되었다. 해석된 온도장중 가장 높은 온도는 1500k 이다. 승객 피난 시뮬레이션을 인하여 EXODUS가 사용되었으며, 객차 내에 640명, 역사 내에 360명의 승객이 분포하고 있는 것으로 가정하고 시뮬레이션을 수행하였다. 시뮬레이션 결과 층 135명이 사망하고, 평균 피난 시간은 10분 19초로 계산되었으며, 피난 경로들이 분석이 되었다.
2003년 대구지하철 중앙역에서 화재사고로 인한 화재 유동 및 승객 피난시뮬레이션을 수행하였다. 화재의 발화 지점은 지하 3층의 객차 내이며, 지하 3층 및 2층의 화재 유동이 FLUENT 6.2를 이용하여 수행되었다. 객차 내 및 역사 내의 CO (이산화탄소) 및 온도의 분포가 분석되었으며, 이의 data가 피난 시뮬례이션 data로 사용되었다. 해석된 온도장중 가장 높은 온도는 1500k 이다. 승객 피난 시뮬레이션을 인하여 EXODUS가 사용되었으며, 객차 내에 640명, 역사 내에 360명의 승객이 분포하고 있는 것으로 가정하고 시뮬레이션을 수행하였다. 시뮬레이션 결과 층 135명이 사망하고, 평균 피난 시간은 10분 19초로 계산되었으며, 피난 경로들이 분석이 되었다.
The simulation analysis of fire-driven flow and passenger evacuation in Daegu subway station, Chung-Ang, have been performed. The first location of outbreak of fire is inside passenger car in the third basement in Chung-Aug station, The smoke flow in the second and third basement has been analyzed u...
The simulation analysis of fire-driven flow and passenger evacuation in Daegu subway station, Chung-Ang, have been performed. The first location of outbreak of fire is inside passenger car in the third basement in Chung-Aug station, The smoke flow in the second and third basement has been analyzed using FLUENT 6.2. The CO (carbon monoxide) and temperature distribution in the train units and station platform have been obtained and transferred to input data for evacuation simulation. The highest temperature in the train units was 1500k. For the simulation of passenger evacuation, EXODUS has been used for whole basements (level 1${\sim}$level 3) in the station. Total number of people was assumed to be one thousand and 640 were placed inside train and 360 were placed outside train. In evacuation simulation, an average of 135 passengers were killed and an average time to evacuate takes 10min 19sec. The main evacuation routes used by passengers were investigated and the cause of death was identified by evacuation simulation.
The simulation analysis of fire-driven flow and passenger evacuation in Daegu subway station, Chung-Ang, have been performed. The first location of outbreak of fire is inside passenger car in the third basement in Chung-Aug station, The smoke flow in the second and third basement has been analyzed using FLUENT 6.2. The CO (carbon monoxide) and temperature distribution in the train units and station platform have been obtained and transferred to input data for evacuation simulation. The highest temperature in the train units was 1500k. For the simulation of passenger evacuation, EXODUS has been used for whole basements (level 1${\sim}$level 3) in the station. Total number of people was assumed to be one thousand and 640 were placed inside train and 360 were placed outside train. In evacuation simulation, an average of 135 passengers were killed and an average time to evacuate takes 10min 19sec. The main evacuation routes used by passengers were investigated and the cause of death was identified by evacuation simulation.
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문제 정의
본 연구에서는 화재현장인 대구 지하철 중앙로역과 동일한 공간 구조에서 FLUENT 6.2[4]의 CFD기법을 이용하여 화재 유동 시뮬레이션을 수행하였으며, 이의 결과를 building- EX0DUS[3]를 이용한 승객 피난 시뮬레이션과 연계하여 지하철 폐쇄공간에서의 화재가 승객들의 피난방법에 어떻게 영향을 미치는가를 과학적으로 조사하였고, 대구지하철 실제 data와 비교 분석하였다.
가설 설정
5m 높이를 기준으로 상부영 역과 하부영 역으로 나누어 총 48개의 zone을 생성시켰다. 객차와 객차 사이의 통로는 열려 있는 것으로 가정하였다. 객차별 화재 진행 순서를 결정하기 위하여 Fig.
또한, EXODUS를 이용한 승객피난 시뮬레이션에서는 객차 안에 있는 것으로 추정되었던 640명[1]의 인원 중에서 대부분 사망자가 발생하였으므로 객차 밖의 역사 내의 인원에 대하여는 고려를 할 필요가 없었으나, 이들의 피난 경로도 분석하고자 역사 내에 360명이 존재하였던 것으로 가정하여 총 피난 인원을 1000명으로 가정하여 피난 시뮬레이션을 수행하였다.
시뮬레이션에서는 승객들이 지하 1 층 지하상가까지 도달하면 생존한 것으로 간주하였다. Fig.
4에서처럼 객차별 발화 시간에 대한 시나리오를 구성하였다. 즉 최초의 발화지점인 하행 호차를 기준으로 발화 5분 후에 하행 2호차에 착화가 진행되고, 발화 10분 후에는 하행 3호차에 착화가 되며 순차적으로 하행 6호차에는 발화 25분 후에 착화되는 것으로 가정하였다. 그리고 상행차량에 대하여 5호차에는 발화 11분 후에 착화가 되며, 최종적으로 상행 1호차는 발화 31분 후에 착화되는 것으로 시나리오를 구성하였다.
지하철 역사의 환기 시스템은 화재발생으로 인하여 작동 불능 상태로 가정하였으며, 수치해석에 사용된 해석영역은 Fig. 6과 같다. 사용된 격자수는 약 264만개이며, 육면체 격자와 사면체 격자를 혼합하여 사용하였다.
제안 방법
EXODUS에서 피난 시뮬레이션을 수행하기 위해서 온도, CO, CCh, O2, SO2, 등의 값이 필요하지만, 본 연구에서는 FLUENT 결과로부터 온도 분포와 일산화탄소(CO) 분포량만을 가지고 피난 시뮬레이션을 수행하였다. EXODUS에서는 승객들의 각각의 특성을 매우 자세히 지정할 수가 있는데 성별, 나이, 신장, 행동특성, 승객위치, 보행속도 승객들의 반응시간 등을 지정할 수 있다.
EXODUS의 입력조건으로 사용되는 지하역사 온도 및 일산화탄소의 농도를 나타내기 위하여 Fig. 1의 지하 2층과 3층을 24개의 zone으로 구분하였으며, 다시 각각의 zone을 1.5m 높이를 기준으로 상부영 역과 하부영 역으로 나누어 총 48개의 zone을 생성시켰다. 객차와 객차 사이의 통로는 열려 있는 것으로 가정하였다.
화재유동 해석 결과는 다음과 같다. EXODUS의 입력조건으로 사용되는 화재시간에 따른 일산화탄소의 질량분율(mass fraction) 변화 및 온도의 변화를 24개의 zone에서 공간 평균값으로 나타내었으며, 본 논문에서는 대표적으로 발화 지점인 하행 승강장에 정차된 열차의 호 칸(Fig. 2와 Fig. 3 참조)에서 해석 결과를 나타내었다.
FLUENT의 결과를 EXODUS의 입력 데이터로 활용하여, 승객피난 시뮬레이션을 수행하였다. EXODUS에서 정확한 사망자 수를 계산하기 위해서는 통계학적인 방법을 사용하여 앙상블 평균(ensemble average)을 구하는 것이 추천된디[3].
객차 1량당 화재 규모도 매우 중요한 입력인자이며 본 연구에서는 객차 1량 당 화재규모를 Fig. 5에서처럼 약 27MW 로 추정[5]하여 이를 전 객차에 적용하였다.
4개가 있다. 객차가 상행 및 하행에 각각 6량이 정차하고 있는 것으로 간주하고 화재유동 및 승객피난 시뮬레이션을 수행하였다.
객차와 객차 사이의 통로는 열려 있는 것으로 가정하였다. 객차별 화재 진행 순서를 결정하기 위하여 Fig. 4에서처럼 객차별 발화 시간에 대한 시나리오를 구성하였다. 즉 최초의 발화지점인 하행 호차를 기준으로 발화 5분 후에 하행 2호차에 착화가 진행되고, 발화 10분 후에는 하행 3호차에 착화가 되며 순차적으로 하행 6호차에는 발화 25분 후에 착화되는 것으로 가정하였다.
즉 최초의 발화지점인 하행 호차를 기준으로 발화 5분 후에 하행 2호차에 착화가 진행되고, 발화 10분 후에는 하행 3호차에 착화가 되며 순차적으로 하행 6호차에는 발화 25분 후에 착화되는 것으로 가정하였다. 그리고 상행차량에 대하여 5호차에는 발화 11분 후에 착화가 되며, 최종적으로 상행 1호차는 발화 31분 후에 착화되는 것으로 시나리오를 구성하였다.
이를 위하여 EXODUS에서 추천하는 값(default)을 사용하였다. 또한 피난 방향을 어떻게 설정하는 가에 따라 사망자 수가 매우 다르게 결정이 되는데, 본 연구에서는 가장 가까운 출구를 찾아서 탈출 하도록 설정하였다.
본 연구에서는 2003년 발생한 대구 지하철 화재 사고의 장소인 중앙로역과 동일한 공간 구조에서 FLUENT의 CFD기 법을 이용하여 화재 유동을 분석한 후 이의 결과를 EXODUS 와 연계 시켜 승객 피난 시뮬레이션을 수행함으로써 지하철 폐쇄공간에서의 화재가 승객들의 피난방법에 어떻게 영향을 미치는지를 과학적으로 조사하였고, 대구지하철 실제 data와 비교분석하였다. 또한, EXODUS를 이용한 승객피난 시뮬레이션에서는 객차 안에 있는 것으로 추정되었던 640명[1]의 인원 중에서 대부분 사망자가 발생하였으므로 객차 밖의 역사 내의 인원에 대하여는 고려를 할 필요가 없었으나, 이들의 피난 경로도 분석하고자 역사 내에 360명이 존재하였던 것으로 가정하여 총 피난 인원을 1000명으로 가정하여 피난 시뮬레이션을 수행하였다.
EXODUS에서 정확한 사망자 수를 계산하기 위해서는 통계학적인 방법을 사용하여 앙상블 평균(ensemble average)을 구하는 것이 추천된디[3]. 이것을 위하여 10회 이상의 시뮬레이션을 수행하여야 하지만 PC의 성능이 이를 좇아가지 못하므로 5회를 수행하여 이를 평균한 값을 취하였다.
최초의 발화지점은 하행 승강장의 호 칸 이었다. 이러한 조건을 가지고 화재 유동 및 승객 피난 시뮬레이션을 수행하였다.
대상 데이터
13은 지하 1층 탈출구에 따른 탈출 승객 수이다. A 탈출구(Fig. 1 참조)로는 전무하였고, B 탈출구로는 623명으로 가장 많은 승객들이 사용하였으며, C 탈출구로는 217명, D 탈출구로는 25명이 탈출하였다. B 탈출구로 가장 많은 승객들이 탈출하게 된 원인은 화재가 최초로 발생한 지점으로부터 가장 먼 쪽의 탈출구이므로 승객들이 화염과 연기에 쫓기어 B 탈출구로 달려간 것으로 판단된다.
Fig. 3은 실제 사고 현장에서 발생된 객차 내에서 사망한승객수를 나타내고 있는 것으로 총 140명이고, 전동차 외에서 사망한 승객은 지하 3층 승강장에서 27명, 지하 2층 역 대합실에서 19명의 사상자가 발생하였다.
대구 지하철 화재 유동 시뮬레이션을 수행하기 위하여 상용 CFD 코드인 FLUENT 6.2[4]를 사용하여 지하역사 전동차 내부에서의 화재발생 시간에 따른 지하철 역사 내부의 온도분포 및 일산화탄소의 분포를 해석하고 이를 EXODUS[3] 의 입력 데이터로 활용하였다.
대구지하철 사고 당시 정확한 탑승 인원은 알 수 없으나[1], 지하철 상행 및 하행 객차에 각각 320명씩 탑승하고 있는 것으로 추정하여 총640명의 인원이 전동차에 탑승하고, 전동차 외 승강장 및 대합실에 360명이 있는 것으로 가정하여 총 1000명의 승객을 대상으로 시뮬레이션을 수행하였다.
사고 차량은 지하 3층 승강장에 위치하고 있으며, 객차의 길이는 약 18m 이며, 높이는 약 4m이고 출입문은 양면에 각각 4개가 있다. 객차가 상행 및 하행에 각각 6량이 정차하고 있는 것으로 간주하고 화재유동 및 승객피난 시뮬레이션을 수행하였다.
6과 같다. 사용된 격자수는 약 264만개이며, 육면체 격자와 사면체 격자를 혼합하여 사용하였다. Fig.
시뮬레이션 대상으로는 Fig. 1에서처럼 대구지하철 중앙로역 지하 1층의 지하상가 및 대합실, 지하 2층의 역 대합실, 지하 3층의 승강장으로 구성되어 있다. 지하 3층의 승강장에서 지하 2층 역 대합실로의 이동통로는 총 8개의 에스컬레이터 또는 계단이 있으며, 지하 2층 역 대합실에서 지하 1층 지하상가로의 이동통로는 총 5개의 연결계단이 있다.
화재유동 시뮬레이션 공간으로는 지하 3층 및 2층을 대상으로 하였으며, 승객피난 시뮬레이션 공간으로는 지하 3층 ~ 1층 전 공간을 대상으로 하였다. 따라서 지하 1층 까지 대피한 승객은 생존한 것으로 판단하였다.
성능/효과
이미 화염이 전파되고 있었다. 또한 화재 유동 시뮬레이션을 통하여 지하 3층으로부터 지하 2층으로의 화염 전파가 어떠한 경로를 통하여 이동되는지를 확인할 수 있었다.
화재유동 해석 결과 화재 발생 13분 후 치사량의 일산화탄소가 화재 발생 객실을 점령하였으며, 15분후에는 화재가 최초로 발생한 쪽의 객실 모두를 거의 전소시키고 반대 방향의 전동차로 이미 화염이 전파되고 있었다. 또한 화재 유동 시뮬레이션을 통하여 지하 3층으로부터 지하 2층으로의 화염 전파가 어떠한 경로를 통하여 이동되는지를 확인할 수 있었다.
후속연구
또한 해석 결과에서는 승객들이 화재 사고 시 주로 사용하게 되는 피난 통로를 확인할 수가 있었고, 사망원인도 추정하여 볼 수 있었다. 따라서 이러한 시뮬레이션 도구를 잘 이용 할 수 있으면 승객 피난 통로의 최적설계 및 취약 부분(dead end)을 제거할 수 있는 설계 도구로 활용될 수 있는 것으로 판단된다.
Galea, E. R., Gwynne, S., Lawrence, P.J., Filippidis, L., Blackshields, D. and Cooney, D. (2004), "buildingExodus V4.0 user guide technical manual". University of Greenwich
FLUENT Inc. (2005), "FLUENT 6.2 user's Guide"
이덕희(2005), "서울 지하철 전동차 내장재 교체에 따른 화재안전도 평가", 한국철도기술연구원
현성호, 김영수, 김정환, 오규형, 이창우, 조 경(2001), "화재원론", 도서출판 동화기술
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