본 연구에서는 대구 D대학 기숙사 건물에 대해 2MW, 5MW 화재크기와 아트리움 방화셔터의 미설치 및 작동 경우의 4가지 화재시나리오를 구성하고, FDS(ver. 5.5.0)와 Pathfinder 2009 프로그램을 사용하여 화재 및 피난시뮬레이션을 수행하였다. 화재피난영향평가를 통하여 방화셔터와 배연구의 아트리움 제연 효과에 대한 성능을 확인하였고, 화재위험 및 피난안전을 분석하였다. 방화셔터의 작동은 연기 전파 방지에 큰 효과가 있지만, 상부 배연구를 통한 배연량이 불충분하여 방화셔터의 유무에 관계없이 연기층은 바닥으로부터 약 2m 지점까지 하강하고, 본 연구에서 설정한 연기층 한계 높이 이하가 되었다. 또 방화셔터 미설치, 5MW 화재크기의 경우, 온도보다 가시거리에 의한 화재위험 가능성이 더 크게 나타났고, 기숙사 중.상부 층의 계단실 피난여유시간은 약 5초 이내로 매우 작았다. 지상 1층 주출입구까지 전체 피난자의 순수 피난이동시간은 136초이다. 피난자의 더 안전한 피난을 위해 추가적인 보완조치가 필요하다고 사료된다.
본 연구에서는 대구 D대학 기숙사 건물에 대해 2MW, 5MW 화재크기와 아트리움 방화셔터의 미설치 및 작동 경우의 4가지 화재시나리오를 구성하고, FDS(ver. 5.5.0)와 Pathfinder 2009 프로그램을 사용하여 화재 및 피난시뮬레이션을 수행하였다. 화재피난영향평가를 통하여 방화셔터와 배연구의 아트리움 제연 효과에 대한 성능을 확인하였고, 화재위험 및 피난안전을 분석하였다. 방화셔터의 작동은 연기 전파 방지에 큰 효과가 있지만, 상부 배연구를 통한 배연량이 불충분하여 방화셔터의 유무에 관계없이 연기층은 바닥으로부터 약 2m 지점까지 하강하고, 본 연구에서 설정한 연기층 한계 높이 이하가 되었다. 또 방화셔터 미설치, 5MW 화재크기의 경우, 온도보다 가시거리에 의한 화재위험 가능성이 더 크게 나타났고, 기숙사 중.상부 층의 계단실 피난여유시간은 약 5초 이내로 매우 작았다. 지상 1층 주출입구까지 전체 피난자의 순수 피난이동시간은 136초이다. 피난자의 더 안전한 피난을 위해 추가적인 보완조치가 필요하다고 사료된다.
Four fire scenarios, as the cases of fire sizes of 2 MW and 5 MW, and no installation and activation of atrium fire shutter for dormitory building of Daegu 'D college', were developed and fire simulations were run using FDS (ver. 5.5.0) and Pathfinder 2009 programs. By assessing fire and evacuation,...
Four fire scenarios, as the cases of fire sizes of 2 MW and 5 MW, and no installation and activation of atrium fire shutter for dormitory building of Daegu 'D college', were developed and fire simulations were run using FDS (ver. 5.5.0) and Pathfinder 2009 programs. By assessing fire and evacuation, the effects of atrium fire shutter and vents on the smoke control of atrium were evaluated and this study also analyzed fire hazard and egress safety for occupants in the dormitory. Fire shutter's preventing smoke transport around atrium was much effective, but smoke layer descended down the design limit of smoke height and kept about 2 m height from the atrium floor in all cases because flow rate through vents was not enough. For the case of 5 MW fire and no fire shutter, fire hazard was higher due to visibility than temperature and allowable egress time to stairwell was short less than 5 seconds for the occupants on the floors of 4F to 7F. For total occupants, egress time out of main doorway was calculated about 136 seconds. It is sure that additional systems improving the performance of smoke control need to be installed for more safe evacuation.
Four fire scenarios, as the cases of fire sizes of 2 MW and 5 MW, and no installation and activation of atrium fire shutter for dormitory building of Daegu 'D college', were developed and fire simulations were run using FDS (ver. 5.5.0) and Pathfinder 2009 programs. By assessing fire and evacuation, the effects of atrium fire shutter and vents on the smoke control of atrium were evaluated and this study also analyzed fire hazard and egress safety for occupants in the dormitory. Fire shutter's preventing smoke transport around atrium was much effective, but smoke layer descended down the design limit of smoke height and kept about 2 m height from the atrium floor in all cases because flow rate through vents was not enough. For the case of 5 MW fire and no fire shutter, fire hazard was higher due to visibility than temperature and allowable egress time to stairwell was short less than 5 seconds for the occupants on the floors of 4F to 7F. For total occupants, egress time out of main doorway was calculated about 136 seconds. It is sure that additional systems improving the performance of smoke control need to be installed for more safe evacuation.
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문제 정의
본 연구에서는 화재 및 피난안전성 확보를 위한 성능위주설계와 관련하여 대구 D대학 기숙사 건물(이하 ‘기숙사’로 표기)에 대한 화재시뮬레이션을 통하여 아트리움에 설치된 방화셔터와 배연구의 아트리움 제연 효과에 대한 성능 확인과 더불어 화재피난영향평가를 통하여 화재위험 및 피난안전에 대해 분석하고자 한다.
상기 연구와 더불어 본 연구에서는 화재피난영향평가를 통하여 화재위험 및 피난안전 분석기법의 수준을 제고시키고, 향후 시행될 화재피난영향평가제의 기준 마련과 원활한 제도 운영에 도움을 주고자 한다.
열과 연기의 자연 배연이란 화재실내 창문 또는 설계된 배연구를 통하여 고온의 연기 부력과 팽창에 의한 외부로의 고온 연기의 제거와 더불어 외부로부터 신선한 공기가 유입되도록 하는 것을 말한다. 자연 배연의 목적은 고온의 연기가 피난경로공간으로 전파되는 것을 막아 화재위험으로부터 실내거주자가 안전하게 피난 할 수 있도록 하고, 소방진압대원이 확보된 시야를 통해 화재건물 내 진입과 화재 진압을 용이하게 할 수 있도록 하며, 화재 건물과 시설이 고온의 연기에 장시간 노출 되는 것을 방지하여 인명과 재산 피해를 최소화 할 수 있도록 하는 것이다.5)
가설 설정
1m/s로 적용하였다. 방화셔터가 바닥면까지 완전 하강 시 방화셔터의 굴절부분 틈새로의 연기 전파는 없는 것으로 가정하였다. 초기온도는 20℃이고, 외부풍속은 0m/s를 적용하였다.
제안 방법
화재안전기준의 경우, 피난안전에 영향을 크게 미치는 연기층의 온도와 가시거리 2가지를 고려하였고, 각각 65℃와 6m로 적용하였다. 각 건물 하부, 중간, 상부 층의 화재위험을 알아보기 위하여 지하 1층, 지상 1층, 4층, 7층의 계단실로 연결되는 통로 입구 바닥면의 1.5m 높이에서 2가지 화재위험요소를 측정하였다. 본 연구의 화재피난영향평가를 위해 적용한 제연성능 기준9)과 화재안전기준10)은 Table 2와 같다.
방화셔터는 연기감지기의 작동과 연동되며, 본 연구의 화재시뮬레이션 결과 최초 연기감지기 작동시점이 2MW와 5MW 화재 시 각각 약 10초와 8초임을 감안하여 발화 후 20초에서 작동되도록 하였다. 또 1개의 연기감지기가 작동되면 아트리움 전체 방화셔터가 동시에 작동되며, 방화셔터의 하강속도는 0.1m/s로 적용하였다. 방화셔터가 바닥면까지 완전 하강 시 방화셔터의 굴절부분 틈새로의 연기 전파는 없는 것으로 가정하였다.
8) 재실자의 안전 피난은 지상 1층 주출입구를 통과하여 건물 외부로 피난 완료한 상태이다. 또 피난 시간 계산 시 화재 위험특성과 피난 전 행동특성은 고려하지 않았고, 재실자의 순수 피난이동시간(∆ttrav)만을 계산하였다.
본 연구에서는 대구 D대학 기숙사 건물에 대해 2MW, 5MW 화재크기와 방화셔터의 미설치 및 작동 경우의 4가지 화재시나리오를 구성하고, FDS(ver. 5.5.0)와 Pathfinder 2009 프로그램을 사용하여 화재피난시뮬레이션을 수행하였다. 화재피난영향평가를 통하여 기숙사 아트리움에 설치된 방화셔터와 배연구의 아트리움 제연 효과에 대한 성능 확인과 화재위험 및 피난안전을 분석한 결과 다음과 같은 결론을 얻었다.
본 연구의 피난시뮬레이션에 적용한 전체 재실자의 보행속도는 1.19m/s로 동일하며, 보행자 특성은 steering 모드를 적용하였다.8) 재실자의 안전 피난은 지상 1층 주출입구를 통과하여 건물 외부로 피난 완료한 상태이다.
본 연구의 화재위험분석결과 전체 시간 동안 계단실의 화재위험은 없는 것으로 확인되었다. 이에 피난안전 구획된 각 층의 계단실로 대피하는 경우 1층 피난 대피 장소까지 안전하게 피난하는 것으로 제한하여 피난안전성을 분석하였다.
제연성능기준의 경우, 아트리움 중앙 바닥에서 발생한 화재 연기가 아트리움 공간 상부 배연구를 통한 자연배연과 동시에 방화셔터로 구획된 아트리움 공간 체적에 자연 충만(natural smoke filling)에 의한 연기층 하강높이가 기 설정한 일정 높이를 유지하는지 여부와 배연구를 통한 배연량에 대한 이론 계산 값과 화재시뮬레이션 결과 값을 비교하여 성능을 분석하였다. 본 연구에서는 연기층 한계 높이를 방화셔터가 설치되어있지 않은 2층의 바닥에서 상부 2m 높이(지하 1층 바닥에서 10m 높이)로 설정하였다.
0)와 Pathfinder 2009 프로그램을 사용하여 화재피난시뮬레이션을 수행하였다. 화재피난영향평가를 통하여 기숙사 아트리움에 설치된 방화셔터와 배연구의 아트리움 제연 효과에 대한 성능 확인과 화재위험 및 피난안전을 분석한 결과 다음과 같은 결론을 얻었다.
대상 데이터
제연성능기준의 경우, 아트리움 중앙 바닥에서 발생한 화재 연기가 아트리움 공간 상부 배연구를 통한 자연배연과 동시에 방화셔터로 구획된 아트리움 공간 체적에 자연 충만(natural smoke filling)에 의한 연기층 하강높이가 기 설정한 일정 높이를 유지하는지 여부와 배연구를 통한 배연량에 대한 이론 계산 값과 화재시뮬레이션 결과 값을 비교하여 성능을 분석하였다. 본 연구에서는 연기층 한계 높이를 방화셔터가 설치되어있지 않은 2층의 바닥에서 상부 2m 높이(지하 1층 바닥에서 10m 높이)로 설정하였다.
본 연구의 화재피난영향평가 대상 건물인 기숙사는 식당, 세탁실, 휴게실, 기계실, 사감실, 학생 방과 더불어 건물 중앙에 아트리움 공간으로 구성된 지하 1층 지상 8층 규모의 건물이다. 화재피난시뮬레이션에 사용한 프로그램은 FDS(ver.
본 연구의 화재피난영향평가 대상 건물인 기숙사는 지하 1층에는 식당, 세탁실, 휴게실, 기계실과 지상 1층에는 로비, 사감실과 남학생 방, 2층과 3층에는 남학생 방, 4층에서 7층에는 여학생 방, 그리고 외국인 교수 방, 8층에는 옥상계단실 등을 포함한 지하 1층 지상 8층 규모이며, 건물 공간 중앙에는 아트리움으로 건축된 건물이다. 아트리움 공간 상부 수직 벽면에는 창이 설치되어 평상시에는 실내 환기를, 화재 시에는 자연배연을 담당한다.
본 화재모델의 수치계산영역은 다중 격자계(multiple meshes systems)로 구성하였고, 격자크기는 가로, 세로, 높이가 각각 0.2m이며, 전체 계산영역의 격자수는 777,528개이다. 화재시뮬레이션은 Workstation급 컴퓨터(DELL Precision 690)를 사용하여 수행하였다.
연구의 화재시나리오는 2가지 화재크기와 방화셔터의 설치 유무로 전체 4가지 경우를 고려하였다. 설계화재는 열방출률이 2MW와 5MW로써 발화(t = 0초)에서 화재모의실험 종료시점(t = 600초)까지 일정하며, 아트리움 지하 1층 중앙 바닥에 위치한다.
연구의 화재시나리오는 2가지 화재크기와 방화셔터의 설치 유무로 전체 4가지 경우를 고려하였다. 설계화재는 열방출률이 2MW와 5MW로써 발화(t = 0초)에서 화재모의실험 종료시점(t = 600초)까지 일정하며, 아트리움 지하 1층 중앙 바닥에 위치한다.
피난모델의 재실자 분포는 기숙사 각 실에 2명씩이며, 전체 재실자 수는 177명이다. Figure 2는 피난모델을 나타낸다.
2m이며, 전체 계산영역의 격자수는 777,528개이다. 화재시뮬레이션은 Workstation급 컴퓨터(DELL Precision 690)를 사용하여 수행하였다. 각 화재모델별 계산 시간은 약 64시간이다.
이론/모형
연기감지기는 광전식 2종으로써 지하 1층 및 지상 3층에서 7층까지 전체 6개 층의 아트리움 주위 통로 상부 천장 아래에 각 층별로 4개씩 전체 24개가 설치되었다. 본 연구에서는 Cleary model7)을 적용하였다.
본 연구의 아트리움 상부 벽면에 설치된 배연구를 통한 자연배연과 관련된 식은 미국 NFPA 204 기준6)을 적용하였다. 먼저 화재 열기류의 질량유량 계산식은 식(1)과 같다.
본 연구의 피난안전성 평가를 위하여 사용한 피난시 뮬레이션 프로그램은 Pathfinder 2009이다. Pathfinder 2009는 개체 위주(agent-based) 시뮬레이션 프로그램으로써 피난자의 신체 및 행동 특성에 근거하여 피난완료 시까지 개체별 독립적인 움직임에 의해 피난 시간을 계산하며, 피난 시뮬레이션 결과를 3D 화면을 통해 시각적 효과와 더불어 피난안전 분석을 할 수 있다.
성능/효과
(1) 방화셔터 작동 경우, 아트리움 주위로의 연기 전파가 차단됨으로써 화재위험 방지에 큰 효과가 있었다. 그러나 상부 배연구를 통한 배연량이 불충분하여 방화셔터의 유무에 관계없이 아트리움 내의 연기층은 바닥으로부터 약 2m 지점까지 하강하여 한계 높이 이하가 되었다.
(2) 방화셔터 미설치, 화재크기가 2MW인 경우, 온도에 의한 화재위험은 없었고 가시거리에 의한 화재위험 도달시간은 t = 80초이다. 화재크기가 5MW의 경우, 건물 중·상부 층에 대해 화재위험도달시간은 온도와 가시거리 각각 약 85초와 36초로써 온도보다는 가시거리에 의한 화재위험이 더 크게 나타났다.
(3) 지상 1층 주출입구까지 전체 피난자의 순수 피난이동시간은 136초이며, 전체 피난자의 1층 건물 주 출입구까지 피난 대피할 경우, 계단실까지의 피난시간에 비해 약 110초 이상 증가하게 된다.
19m/s로 동일하며, 보행자 특성은 steering 모드를 적용하였다.8) 재실자의 안전 피난은 지상 1층 주출입구를 통과하여 건물 외부로 피난 완료한 상태이다. 또 피난 시간 계산 시 화재 위험특성과 피난 전 행동특성은 고려하지 않았고, 재실자의 순수 피난이동시간(∆ttrav)만을 계산하였다.
방화셔터는 연기감지기의 작동과 연동되며, 본 연구의 화재시뮬레이션 결과 최초 연기감지기 작동시점이 2MW와 5MW 화재 시 각각 약 10초와 8초임을 감안하여 발화 후 20초에서 작동되도록 하였다. 또 1개의 연기감지기가 작동되면 아트리움 전체 방화셔터가 동시에 작동되며, 방화셔터의 하강속도는 0.
이것은 방화셔터로 구획된 아트리움 공간이 화재열기류의 유동 통로 역할과 함께 충만된 고온 연기층의 부력이 크게 작용하기 때문이다. 배연구를 통한 배연량은 화재시뮬레이션 결과 값이 이론값 보다 크지만, 이론식의 열기류 질량유량계산 값 보다는 크게 못 미치는 것으로 나타났다. 이러한 결과는 Figure 4에서 나타난 바와 같이 연기층이 한계높이 아래로 하강한다는 것을 의미한다.
본 연구의 화재위험 분석 결과, 방화셔터가 작동하는 경우 연기의 온도가 낮아 화재위험은 거의 없으나, 일부 공간에서 일시적으로 화재안전기준값 보다 낮은 가시거리로 인해 피난에 다소 어려움이 예상된다. 피난자의 더 안전한 피난을 위해 추가적인 보완조치가 필요하다고 사료된다.
본 연구의 화재위험분석결과 전체 시간 동안 계단실의 화재위험은 없는 것으로 확인되었다. 이에 피난안전 구획된 각 층의 계단실로 대피하는 경우 1층 피난 대피 장소까지 안전하게 피난하는 것으로 제한하여 피난안전성을 분석하였다.
연구의 화재시뮬레이션 결과 방화셔터의 작동 시 아트리움 공간 주위로의 연기 전파는 방화셔터 미설치 시 보다 현저히 감소하여 연기 전파 방지에 상당한 효과가 있음을 확인할 수 있다. 그러나 방화셔터로 구획된 아트리움 공간 내에 충만한 연기가 상부 배연구로의 불충분한 배연으로 인해 연기층은 한계 높이 이하로 하강하여 1층과 2층 통로로 부분적인 연기 전파 현상이 나타났다.
화재크기가 5MW의 경우, 건물 중·상부 층에 대해 화재위험도달시간은 온도와 가시거리 각각 약 85초와 36초로써 온도보다는 가시거리에 의한 화재위험이 더 크게 나타났다.
후속연구
본 연구의 화재위험 분석 결과, 방화셔터가 작동하는 경우 연기의 온도가 낮아 화재위험은 거의 없으나, 일부 공간에서 일시적으로 화재안전기준값 보다 낮은 가시거리로 인해 피난에 다소 어려움이 예상된다. 피난자의 더 안전한 피난을 위해 추가적인 보완조치가 필요하다고 사료된다.
참고문헌 (10)
이영주, "사례를 중심으로 본 최근 대형건축물의 방재 이슈", 한국화재소방학회지, Vol.4, No.1, pp.13-18(2008).
Michael J. Ferriera and Steven M. Strege, "Federal Building and Fire Safety Investigation of the World Trade Center Disaster: Smoke Management systems", NIST, NIST NCSTAR 1-4D, pp.1-195(2005).
Kevin McGrattan, Randall McDermott, Simo Hostikka and Jason Floyd, "Fire Dynamics Simulator (Version 5) User's Guide", NIST, NIST SP 1019-5, pp.1- 208(2010).
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