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CFD기반 화재 대피 시뮬레이션 모델을 적용한 위험도 평가 분석 -인천터미널역 역사를 대상으로
Risk Evaluation and Analysis on Simulation Model of Fire Evacuation based on CFD - Focusing on Incheon Bus Terminal Station 원문보기

한국공간정보학회지 = Journal of Korea Spatial Information Society, v.21 no.6, 2013년, pp.43 - 55  

김민규 (Dept. of GeoInformatic Engineering, Inha University) ,  주용진 (Aerial GeoInformatics, Inha Technical College) ,  박수홍 (Dept. of GeoInformatic Engineering, Inha University)

초록
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최근 실내 공간에서의 재난, 화재와 테러 등 대피상황을 재현하여 이를 가시화하기 위한 연구가 주목 받고 있으며, 실내 공간에 대한 모델을 설계하고 인명 안전 평가를 통한 신뢰성 있는 분석이 요구되고 있다. 이에 본 연구에서는 실제적인 건물 화재 위험 요인을 고려하여 피난 안전성 분석과 피난 경로 안내가 가능한 시뮬레이션 모델을 개발하고자 하였다. 이를 위해 인천터미널역 역사를 대상으로 3차원 화재 및 피난 모델을 설계하고, 실내 내장재의 재질을 바탕으로 열 매개변수와 화재 인지 장치를 이용하여 화재 위험 분석을 수행하였다. 둘째, 인명안전을 위한 평가에 있어 화재 시뮬레이션인 FDS(Fire Dynamics Simulator)와 피난 시뮬레이션을 통해 재실자가 인체에 손상 없이 견딜 수 있는 피난허용시간(ASET: Available Safe Egress Time)을 산출하였다. 또한 화재를 감지하고 안전한 장소까지 완전하게 피난하는데 소요되는 피난요구시간(RSET: Required Safe Egress Time)을 계산하고 이를 비교 분석하였다. 결과적으로 연구대상의 3차원 공간적인 정보를 기반으로 한 실내 공간 모델과, 고시된 안전기준을 반영한 열차 내 화재 및 피난 위험도 측정 시뮬레이션 분석을 통해 보다 실제적인 안전성 평가를 수행 할 수 있었다.

Abstract AI-Helper 아이콘AI-Helper

Recently, the research to visualize and to reproduce evacuation situations such as terrorism, the disaster and fire indoor space has been come into the spotlight and designing a model for interior space and reliable analysis through safety evaluation of the life is required. Therefore, this paper ai...

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

  • 본 연구는 실내공간의 구조적인 부분을 묘사하고 객실내 전기합선으로 인해 화재가 발생한 상황을 가정하여 지하철 역사를 대상으로 온도, 가시거리, 일산화탄소에 대한 위험여부를 사전 모의실험으로 수행한 것으로, 피난상황에서의 안전한 이동동선 파악에 대한 의사결정에 도움을 줄 수 있었으나 향후에는 실질적인 실험 및 검증을 통해 결과를 입증할 필요가 있다. 또한, 주로 발생되고 있는 다양한 화재의 원인인 고압전선에 대한 전기적 사고와 공사 중 과실에 의한 화재사고와 같은 시나리오를 선정하여 피난시의 안전성 여부를 검토하고자 한다. 그리고 보행자의 행동특성에서 대피시 보행자간의 충돌과 충돌시의 회복할 때까지의 기다림 등의 세부적인 행동 사항을 적용할 필요성을 느꼈으며 이 부분에 대한 연구가 심층적으로 이루어져야 할 것으로 판단된다.
  • 본 연구에서는 인천터미널역 역사를 대상으로 실내 공간 안에서 일어날 수 있는 화재상황에서의 시뮬레이션을 수행하였다. 이를 위해 FDS와 Pathfinder를 이용하여 인천교통공사로부터 수집한 지하철역사의 설계수치를 바탕으로 화재 및 피난 시뮬레이션을 수행하였다.
  • 본 연구에서는 화재 및 피난 시뮬레이션을 수행하여 피난 안전성에 대한 평가를 위해 ASET과 RSET을 산출하였다. ASET은 화재 위험요소인 온도, 가시거리, 일산화탄소가 인명안전기준에 도달하는 시간으로, RSET은 화재에 의한 경보기 작동시간, 인지하는 시간, 피난이동시간이 포함되며 해당 연구에서는 순수한 피난 이동시간에 대한 안전성평가를 위해 화재시 즉시 피난한다고 가정하였고, 각 출구별 피난이 완료된 시간으로 나타내었다.
  • 피난 모델 설계에 사용한 Pathfinder는 긴급피난 프로그램으로, 건축물 및 화재 시스템 설계에 이용할 수 있는 도구이며 3차원적인 영상을 보여줌으로써 재실자의 움직임을 표현할 수 있다[19]. 여기서는 피난 시 발생될 수 있는 병목현상과 같은 상황을 반영하는 Steering 모드를 적용하여 한국인 대상의 다양한 재실자의 특성을 반영한 시뮬레이션을 수행하고자 하였으며, 피난 모델은 FDS에서 모델링한 기하정보를 .fds 포맷으로 추출하고 입력하여 화재모델과 동일한 공간상의 시뮬레이션을 수행할 수 있도록 구성하였다.
  • 이에 본 연구의 목적은 실제 대상의 공간적인 데이터를 토대로 화재 및 피난 모델을 설계하고, 보다 신뢰성 있는 피난 안전성 분석과 피난 경로 안내가 가능한 3D 시뮬레이션 모델을 개발하는 것이다. 또한 독성가스나 열과 일산화탄소 감지, 가시화 정도를 보다 실제적인 건물 화재 위험 요인으로 고려하여 안전성 평가를 수행한다.

가설 설정

  • 본 연구에서는 화재 및 피난 시뮬레이션을 수행하여 피난 안전성에 대한 평가를 위해 ASET과 RSET을 산출하였다. ASET은 화재 위험요소인 온도, 가시거리, 일산화탄소가 인명안전기준에 도달하는 시간으로, RSET은 화재에 의한 경보기 작동시간, 인지하는 시간, 피난이동시간이 포함되며 해당 연구에서는 순수한 피난 이동시간에 대한 안전성평가를 위해 화재시 즉시 피난한다고 가정하였고, 각 출구별 피난이 완료된 시간으로 나타내었다. 화재 및 피난 시뮬레이션에 대한 결과를 토대로 안전성평가를 할 때는 ASET이 RSET보다 길어야 해당 요인에 대해 안전하다고 판단할 수 있다.
  • 주요 화재 발생 상황에는 전기합선에 의한 화재, 공사 중 과실에 의한 화재, 승객에 의한 테러 등의 상황이 있으며, 해당 시나리오에서는 운행 중인 전동차의 전기배선 이상으로 인해 객실 내 화재가 발생한 사고로, 화원의 위치는 Figure 3과 같이 전동차 4번째 량으로 가정한다. 객실내 의자는 폴리우레탄 폼 재질이며, 역사 내벽은 콘크리트로, 지하철은 철 재질로 되어 있다고 가정하였다[14,18]. 화재 발생에 대한 열 매개변수로써, 열방출 강도는 국내의 경우 건설교통부 철도시설 안전세부기준에 화재 및 승객피난 시뮬레이션을 수행할 때 10MW 이상을 적용해야 된다고 고시되어 있으며, 국외의 미국 NFPA규정에 의해 설계된 losAngeles(21.
  • 피난 시뮬레이션에서는 도시철도 정거장 및 환승, 편의시설 보완 설계 지침에 의거하여 각 층마다 하나의 E/S가 고장이 나서 계단으로도 사용할 수 없게 되는 상황을 바탕으로 엘리베이터는 이용할 수 없다는 상황을 설정하여 E/S4는 이용하지 않는다[8]. 또한 화재에 대한 피난 분석을 수행하기 위하기위해 재실자의 사전행동이나 화재의 인지행동은 고려하지 않고 화재 상황 발생시 즉시 경보기가 작동하여 피난행동을 시작한다고 가정하였다. 재실자 수와 보행속도, 어깨너비, 보행특성을 정의하는데 있어서는 인천지하철 1000호대 편성인원과 2012년 인천지하철역 상반기역별 시간대별 승하차인원 중 6월 에 해당하는 승 · 하차인원을 토대로 정거장내 열차화재에 고시된 산출 방법을 통해 Table 2와 같이 재실자 수를 정의하여 화재발생 승강장 인원은 1001명, 다른 승강장 인원은 64명으로 산정하였다.
  • 식 (5)에서 질소는 N2이며, M은 산소를 소비하지 않은 추가적인 연소 생성물의 몰(mol)단위의 평균 분자량이며, S는 연기를 나타내고, XH로 인한 수소원자분율은 C(탄소)와 H(수소)가 혼합되는 것으로 가정한다. Vi는 화학양론계수로, 식 (6)와 식 (8)은 그을음에 대한 VS와 일산화탄소에 대한 VCO로 변환되는 화학양론계수를 나타낸다.
  • 4MW)와 Boston transitway(20MW)을 참고하여 해당 연구에서는 20MW 규모로 화원을 선정하였다[9,10,16]. 실험 종료시간은 정거장내 열차 화재 시 연기 및 유독 가스로부터의 대피기준인 6분(360초)으로 하였고, 지하철 역사를 대상으로 한 화재에 의한 피해 여부만을 보기 위해서 제연설비 및 스프링클러는 작동하지 않는다고 가정하였다. 화재가 발생한 시기로는 6월의 평균온도인 20℃로, 실내공간에서의 바람은 무풍인 조건으로 정의하였다.
  • 화재 시뮬레이션을 통한 안전성 평가 분석을 하기 위해서는 화재 발생상황, 화원의 위치, 열방출 강도, 실험 종료시간, 바람 속도, 대기온도, 제연설비, 스프링클러 등의 시나리오를 선정해야 한다. 주요 화재 발생 상황에는 전기합선에 의한 화재, 공사 중 과실에 의한 화재, 승객에 의한 테러 등의 상황이 있으며, 해당 시나리오에서는 운행 중인 전동차의 전기배선 이상으로 인해 객실 내 화재가 발생한 사고로, 화원의 위치는 Figure 3과 같이 전동차 4번째 량으로 가정한다. 객실내 의자는 폴리우레탄 폼 재질이며, 역사 내벽은 콘크리트로, 지하철은 철 재질로 되어 있다고 가정하였다[14,18].
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질의응답

핵심어 질문 논문에서 추출한 답변
화재 시뮬레이션을 통한 안전성 평가 분석을 위해서는 어떤 것을 고려해야 하는가? 화재 시뮬레이션을 통한 안전성 평가 분석을 하기 위해서는 화재 발생상황, 화원의 위치, 열방출 강도, 실험 종료시간, 바람 속도, 대기온도, 제연설비, 스프링클러 등의 시나리오를 선정해야 한다. 주요 화재 발생 상황에는 전기합선에 의한 화재, 공사 중 과실에 의한 화재, 승객에 의한 테러 등의 상황이 있으며, 해당 시나리오에서는 운행 중인 전동차의 전기배선 이상으로 인해 객실 내 화재가 발생한 사고로, 화원의 위치는 Figure 3과 같이 전동차 4번째 량으로 가정한다.
피난 안전성 분석과 피난 경로 안내가 가능한 시뮬레이션 모델을 개발하고자 어떤 분석을 수행하였나? 이에 본 연구에서는 실제적인 건물 화재 위험 요인을 고려하여 피난 안전성 분석과 피난 경로 안내가 가능한 시뮬레이션 모델을 개발하고자 하였다. 이를 위해 인천터미널역 역사를 대상으로 3차원 화재 및 피난 모델을 설계하고, 실내 내장재의 재질을 바탕으로 열 매개변수와 화재 인지 장치를 이용하여 화재 위험 분석을 수행하였다. 둘째, 인명안전을 위한 평가에 있어 화재 시뮬레이션인 FDS(Fire Dynamics Simulator)와 피난 시뮬레이션을 통해 재실자가 인체에 손상 없이 견딜 수 있는 피난허용시간(ASET: Available Safe Egress Time)을 산출하였다. 또한 화재를 감지하고 안전한 장소까지 완전하게 피난하는데 소요되는 피난요구시간(RSET: Required Safe Egress Time)을 계산하고 이를 비교 분석하였다. 결과적으로 연구대상의 3차원 공간적인 정보를 기반으로 한 실내 공간 모델과, 고시된 안전기준을 반영한 열차 내 화재 및 피난 위험도 측정 시뮬레이션 분석을 통해 보다 실제적인 안전성 평가를 수행 할 수 있었다.
피난로 계획은 무엇을 원칙으로 하는가? 최근 소방시설 등의 성능위주 설계 방법 및 기준 고시가 발표되면서 국내에서는 이러한 화재 안전성능평가의 수행이 본격화되고 있으며, 건물에서의 화재발생 시 안전여부에 대한 분석대상으로 가장 많이 선택되는 부분이 거주자의 피난이다[5]. 이러한 피난에서 피난로 계획은 예상되는 여러 가지 재해현상에서 인간을 보호하고, 다른 사람의 도움 없이 스스로 대피하는 것을 원칙으로 하여 특정 안전지역까지 유도시키는 공간계획이라고 할 수 있다[1].
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참고문헌 (20)

  1. Hong, W. H; Jeon, G. Y. 2005, A study on safe egress countermeasure in Underground Space through the Analyzing survivors' exit patterns of Daegu city subway arson, Journal of the architectural institute of Korea, 21(1):235-242. 

  2. Jang, Y. J; Kim, H. B; Lee, C. H; Jung, W. S. 2008, The Study on Fire Phenomena in The Deeply Underground Subway Station, Journal of the Korean Society for Railway, June 1760-1767. 

  3. Jeon, H. J; Choi, Y. S; Choo, H. L. 2010, A Numerical Study for the Atrium Smoke Control by Fire Shutter and Evacuation, Korean Institute of Fire Science&Engineering, 24(5):50-59. 

  4. Kim, B. C; Kim, S. J; Kim, G. G; Lee, J. H; Kwon, Y. J. 2011, Simulation analysis for evacuation safety countermeasure in underground facilities, 2011(4):100-105. 

  5. Kim, J. H; Yoo, B. J; Hwang, E. K; Youn, H. J. 2012, Comparison of Experiment and Egress Modeling for Bottleneck Effect, 28(1):93-100. 

  6. Michael, B; Dmitry, D; David, K. 2010, Optimization of Smoke Management System in Short Transportation Tunnels, Fourth International Symposium on Tunnel Safety and Security, March 545-548. 

  7. Min, S. H. 2012, A Study on the Evacuation Risk of Simultaneous Fires from Exterior, Korean Institute of Fire Science&Engineering, 26(4):48-54. 

  8. MOLIT, 2010, Engineering instructions of Urban railway station, Transfer and Convenient facilities. 

  9. National Emergency Management. 2011, A Method and Standards for performance based fire safety design of the fire protection system. 

  10. NFPA, 2000, "the SFPE handbook of fire protection engineering" NFPA Third Edition. 

  11. Kevin, M; Randall, M; Simo, H; Jason, F. 2010, Fire Dynamics Simulator (Version 5) User''s Guide. 

  12. Kevin, M; Howard, B; Ronald R; William, M; Randall, M. 2010, Fire Dynamics Simulator (Version 5) Technical Reference Guide. 

  13. Park, S. J; Lee, J. S; Jung, E. H; Jeon, H. J; Park, S. B. 2007, Walking speed and stride length by age for the study, 2007 Fall Conference of Ergonomics Society of Korea, November 430-434. 

  14. Park, K. J; Lee, K. J; Lee, J. H; Shin, D., I. 2011, Smoke Control According to the Ventilation Capacity in Subway Tunnel Fire : I. FDS Simulation, The Korean Institute For Gas, 15(3):31-38. 

  15. Philip, J. D. 2002, The SFPE handbook of fire protection engineering 3rd edition., Society of Fire Protection Engineers and National Fire Protection Association. 

  16. Rie, D. H. 2004, A Study of Heat and Smoke Exhaust to Subway Tunnel Direction, 2004, Journal of the Korean Society of Safety, 19(3):1-8. 

  17. Size Korea, http://sizekorea.kats.go.kr/. 

  18. Sonh, Y. S. 2008, Analysis of Heat and Smoke Behavior using Fire Dynamics Simulator in the Subway Fires, Myongji University Master's Thesis. 

  19. Thunderhead Engineering. 2011, Pathfinder User Manual. 

  20. Yuan, J. P; Fang Z; Tang Z; Sun J. Y. 2011, Performance-Based Fire Safety Assessment of City Underwater Tunnel, The 5th Conference on Performance-based Fire and Fire Protection Engineering, Procedia Engineering, 11:86-90. 

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