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문제 정의
- 이에 대해 본 연구에서는 건축물 내부에 적재된 가연물에 의해 건축물 화재의 특성이 정성적으로 어떻게 나타나며 화재가 진행되는 과정을 분석함으로써 성능 설계에 필요한 건축물의 화재위험성 및 기타 정보를 얻기 위한 방법을 제시하고자 한다. 따라서 본 연구에서는 화재 시 발생하는 유독가스의 종류 및 농도에 대한 분석 부분은 생략하였으며, 온도와 열방출율에 대한 정량적인 정확성을 논하는 부분도 생략하였다.
제안 방법
- 실물화재실험과 동일하게 수치해석에서도 화재가 빠른시간 안에 전역화재(flash-over fire)로 확대되기 쉽도록 초기 화재 방열량이 큰 주방 화재를 대상으로 삼았다. 가스레인지 위에 직경 35 cm의 프라이팬에 채워진 800 cc의 대두유가 가열되어 발화하는 것으로 설정하였으며, 화재 초기에는 각 공간의 창문 및 현관문이 닫혀있는 상태로 발화가 시작되도록 하였고 발화 후 6분 후 소방관이 실내 진입을 위해 현관출입문을 개방하는 상황을 설정하였다.
- 이에 대해 본 연구에서는 건축물 내부에 적재된 가연물에 의해 건축물 화재의 특성이 정성적으로 어떻게 나타나며 화재가 진행되는 과정을 분석함으로써 성능 설계에 필요한 건축물의 화재위험성 및 기타 정보를 얻기 위한 방법을 제시하고자 한다. 따라서 본 연구에서는 화재 시 발생하는 유독가스의 종류 및 농도에 대한 분석 부분은 생략하였으며, 온도와 열방출율에 대한 정량적인 정확성을 논하는 부분도 생략하였다.
- Figure 2를 통해 계단실과 실내가 연결되는 구조를 볼 수 있으며 모델의 측면단면 및 전면 단면을 통해 건물의 전체 구성을 확인할 수 있다. 또한 실내에 적재된 가연물의 모델링은 실제의 형상을 최대한 반영하여 외형을 디자인 하였으며 선행연구8)에서 사용된 가연물성 값을 적용하여 연소특성을 부여하였다. Table 2를 통해 각 공간마다 배치된 가연물의 종류와 특성을 확인할 수 있으며 Figure 3을 통해 배치된 모양을 확인할 수 있다.
- Figure 1에 구획별 이름을 표시하였으며 Table 1에 구획별 개구부의 크기와 적재된 화재하중을 표시하였다. 또한 실물 화재실험과 동일한 위치에서 온도를 측정하였으며 발화의 위치는 부엌으로 설정하였다.
- 본 연구에서는 실내 온도가 500 ℃를 초과할 경우 전역화재(Flash-over Fire)가 발생한 것으로 판단하였으며, Table 4에 화재실험과 시뮬레이션의 각 실별 전역화재(Flash-over Fire) 발생시간을 정리하였다.
- 수치해석은 64개 CPU를 병렬로 연결하여 연산하였으며 실제 화재실험시간인 30분(1800초)을 재현하기 위하여 79시간 동안 수치해석을 수행하였다.
- 주거용 건축물의 화염전파 및 연소 특성을 예측하기 위하여 수치해석모델을 이용해 FDS 시뮬레이션을 수행하였다. 수치해석을 위해 각 공간별로 배치된 가연물의 형상적, 물리적, 화학적 특성을 반영한 수치해석 모델을 구성하였으며 실물실험에서와 동일한 위치에 배치하였다. 주방에서 발생한 발화에 의해 인근 가연물이 자연스럽게 연소하도록 구성하였으며, 이 결과로서 실물화재실험과동일한 화염전파 현상과 천정제트유동(Ceiling Jet Flow) 및 전역화재(Flash-over Fire) 현상이 발견되었다.
- 주거용 건축물의 화염전파 및 연소 특성을 예측하기 위하여 수치해석모델을 이용해 FDS 시뮬레이션을 수행하였다. 수치해석을 위해 각 공간별로 배치된 가연물의 형상적, 물리적, 화학적 특성을 반영한 수치해석 모델을 구성하였으며 실물실험에서와 동일한 위치에 배치하였다.
- 발화원과 싱크대 찬장으로부터 발생한 화염은 수직 상승하고, 천장 면에 닿게 되면서 천정제트유동(Ceiling Jet Flow)로 전환되어 발화원으로 부터 멀리 떨어진 현관과 거실의 천장면까지 화염을 확산하게 된다. 화재는 약 5분을 기점으로 온도가 하강하였고, 수분 후 출입문 개방과 함께 화재가 재 성장하여 주방, 현관, 거실, 작은방, 안방, 공부방 순으로 화염이 전파되었다.
대상 데이터
- 계산영역의 총 격자계는 272 × 208 × 224로 구성된 50 mm 간격의 uniform-rectangle 격자계를 사용하였다.
- 실물화재실험과 동일하게 수치해석에서도 화재가 빠른시간 안에 전역화재(flash-over fire)로 확대되기 쉽도록 초기 화재 방열량이 큰 주방 화재를 대상으로 삼았다. 가스레인지 위에 직경 35 cm의 프라이팬에 채워진 800 cc의 대두유가 가열되어 발화하는 것으로 설정하였으며, 화재 초기에는 각 공간의 창문 및 현관문이 닫혀있는 상태로 발화가 시작되도록 하였고 발화 후 6분 후 소방관이 실내 진입을 위해 현관출입문을 개방하는 상황을 설정하였다.
- 이번 연구에서 수치해석 모델링은 실제의 건물과 동일하게 4개의 층으로 구성되었으며, 화재가 발생한 3층에는 거실, 부엌, 큰방, 작은방, 공부방, 화장실, 계단실, 발코니가 구성되었으며, 총 면적은 약 80 m2이다. Figure 1에 구획별 이름을 표시하였으며 Table 1에 구획별 개구부의 크기와 적재된 화재하중을 표시하였다.
이론/모형
- 화재에 의해 유도된 유동현상, 유체 및 고체 내부의 열전달현상, 가연물의 연소현상을 해석하는데 주로 사용 된다. FDS는 유체역학적 관성모델로 저속의 Navior-Stoks 방정식을 사용하고 난류해석을 위하여 Large Eddy simulation(LES)을 사용하며, 연소모델로 혼합분율 연소모델을 사용하고 있다. 또한 화재의 주요 열전달 현상인 복사 열전달을 해석하기 위하여 비분산 회색가스 복사전달 모델을 사용하고 있다.
- FDS는 유체역학적 관성모델로 저속의 Navior-Stoks 방정식을 사용하고 난류해석을 위하여 Large Eddy simulation(LES)을 사용하며, 연소모델로 혼합분율 연소모델을 사용하고 있다. 또한 화재의 주요 열전달 현상인 복사 열전달을 해석하기 위하여 비분산 회색가스 복사전달 모델을 사용하고 있다.
- 연구를 위해 유용호, 권오상, 김흥열6,7)에 의해 연구된바 있는 공동주택의 단위공간 실물화재실험과 공동주택의 화재안전성 연구의 내용을 참조하였으며, 선행연구8)로 주거공간의 단위가연물에 대한 모델링을 수행하여 그 결과를 본 연구에서 활용하였다.
성능/효과
- 거실은 수치해석 결과로 화재초기 천장면 온도가 약 300 oC까지 상승하였고, 출입문 개방 후에는 점차 상승하는 경향을 보이며 최고 900 oC까지 상승하였다. 발화 9분 전후로 공간의 온도가 500 oC를 넘으며 전역화재(Flash-over Fire)에 도달하였고 창문 출화가 발생하였다.
- 공부방은 수치해석 결과로 화재초기 천장면의 온도가 약 200 ℃까지 상승하였으며, 출입문의 개방 후 400 ℃ 전후를 유지하다가 19분 전후로 공간온도가 500 ℃를 넘으며 전역화재(Flash-over Fire)에 도달하며 창문출화를 시작하였고 이후 최고 900 ℃까지 상승한 후 감소하였다. 특히 공부방은 발코니와 한 공간으로 구획되어 있어서 다른 공간에 비해 가장 넓은 개구부면적을 갖고있으며 동시에 가장 많은 가연물을 적재하고 있으므로, 천장면의 온도가 다른 공간 보다 높게 상승하였다.
- 수치해석에 의한 시뮬레이션 결과는 정량적으로 약간의 시간차이는 있었으나 정성적으로 실물화재실험과 동일한 과정을 거치며 화재가 성장·발달하였다.
- 수치해석에 의한 시뮬레이션의 결과를 검토해 볼 때, 정성적인 화염성장 과정과 다른 공간으로의 전파과정이 실물 화재실험과 동일하게 예측되었다. 발화와 동시에 화염이 성장하여 열방출량은 약 4분간 지속적으로 증가하여 1 MW까지 성장하였다가 실내 산소의 부족으로 약 5분경에는 0.
- 수치해석의 결과를 실물실험과 비교하였을 때 대체적으로 전역화재(Flash-over Fire)의 발생시간이 약간 지연되고 있으나 대체적으로 잘 예측하고 있음을 확인할 수 있다. 이것은 실제 가연물보다 FDS의 수치해석에서 최고 열발출율에 도달하는 시간을 늦게 예측하는 경향에 기인한 것으로 추정되며 이러한 현상은 FDS5의 열전달모델의 한계성과 수치해석을 위해 가연물을 모델링 하는 과정에서 발생한 물성값의 부정확성에서 기인한 것으로 추정된다.
- 안방의 수치해석 결과로 화재발생 초기에 천장면의 온도가 180 ℃까지 상승하였고, 출입문의 개방 후에 점차적으로 상승하는 경향을 보이며 최고 600 ℃까지 상승하였다. 발화후 22분경에 공간온도가 500 ℃를 넘으며 전역화재(Flash-over Fire)에 도달하였으나 공부방과 같이 급격한 온도상승은 보이지 않았다.
- 연구 결과 주거용 건축물의 화재 모델이 실물 화재 실험에서 주방, 거실, 안방, 공부방, 작은방 등으로의 화재확산 경향과 전역화재(Flash-over Fire) 현상을 정성적으로 잘 예측하고 있음을 확인하였다. 그러나 정량적인 비교를 하였을때 온도예측과 시간예측 모두 만족할 정도의 신뢰성을 얻지 못하였다.
- 작은방의 수치해석 결과로 화재초기 천장면의 온도가 약 200 oC까지 상승하였고, 출입문의 개방 후 점차 상승하는 경향을 보이며 최고 600 ℃까지 상승하였다. 작은방은 수치해석에서 출입문의 개방 즉시 공간의 온도가 500℃를 초과하며 전역화재(Flash-over Fire)에 도달한 것과는 달리 실물실험에서는 발화 후 약 17분 전후에 발생하였다.
- 수치해석을 위해 각 공간별로 배치된 가연물의 형상적, 물리적, 화학적 특성을 반영한 수치해석 모델을 구성하였으며 실물실험에서와 동일한 위치에 배치하였다. 주방에서 발생한 발화에 의해 인근 가연물이 자연스럽게 연소하도록 구성하였으며, 이 결과로서 실물화재실험과동일한 화염전파 현상과 천정제트유동(Ceiling Jet Flow) 및 전역화재(Flash-over Fire) 현상이 발견되었다.
- 주방은 화재의 발원지로서 수치해석 결과로 천장면 온도가 화재초기 600 oC까지 상승하였고, 출입문 개방 후에는 최고 900 oC까지 상승하였으나 전반적으로 500 oC를 유지하였다. 출입문 개방과 동시에 공간의 온도가 500 oC를 초과하며 전역화재(Flash-over Fire)에 도달하였으며, 시간은 7분 전후로 발생하였음을 Figure 6를 통해 확인할 수 있다.
- 공부방은 수치해석 결과로 화재초기 천장면의 온도가 약 200 ℃까지 상승하였으며, 출입문의 개방 후 400 ℃ 전후를 유지하다가 19분 전후로 공간온도가 500 ℃를 넘으며 전역화재(Flash-over Fire)에 도달하며 창문출화를 시작하였고 이후 최고 900 ℃까지 상승한 후 감소하였다. 특히 공부방은 발코니와 한 공간으로 구획되어 있어서 다른 공간에 비해 가장 넓은 개구부면적을 갖고있으며 동시에 가장 많은 가연물을 적재하고 있으므로, 천장면의 온도가 다른 공간 보다 높게 상승하였다.
후속연구
- 또한 화재 시 발생되는 유독가스의 양을 계산함으로써, 재실자가 유독가스에 노출되는 정도를 예측할 수 있으며, 실내 마감재료의 안전한 선정에 도움을 줄 수도 있다. 그리고 화재 공간의 유동현상을 분석하여 제연설비 및 방재시설의 적절한 위치와 성능을 선정하는데 유용한 정보를 제공하는 것도 가능하다.
- 이는 FDS가 실제보다 온도를 하향 예측하는 특성에 의해 주거용 가연물의 모델이 실제보다 늦게 최대 열방출율에 도달한 것과 가연물의 모델링 과정에서 단순화된 형상적, 물리적, 화학적 특성에 의해 발생된 오차 때문인 것으로 추정된다. 향후 이에 대한 보완연구가 필요할 것으로 판단된다.
※ AI-Helper는 부적절한 답변을 할 수 있습니다.