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 Station원문보기
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.
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.
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...
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 aims to develop simulation model which is able to suggest evacuation route guidance and safety analysis by considering the major risk factor of fire in actual building. First of all, we designed 3D-based fire and evacuation model at a subway station building in Incheon and performed fire risk analysis through thermal parameters on the basis of interior materials supplied by Incheon Transit Corporation. In order to evaluate safety of a life, ASET (Available Safe Egress Time), which is the time for occupants to endure without damage, and RSET (Required Safe Egress Time) are calculated through evacuation simulation by Fire Dynamics Simulator. Finally, we can come to the conclusion that a more realistic safety assessment is carried out through indoor space model based on 3-dimension building information and simulation analysis applied by safety guideline for measurement of fire and evacuation risk.
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 aims to develop simulation model which is able to suggest evacuation route guidance and safety analysis by considering the major risk factor of fire in actual building. First of all, we designed 3D-based fire and evacuation model at a subway station building in Incheon and performed fire risk analysis through thermal parameters on the basis of interior materials supplied by Incheon Transit Corporation. In order to evaluate safety of a life, ASET (Available Safe Egress Time), which is the time for occupants to endure without damage, and RSET (Required Safe Egress Time) are calculated through evacuation simulation by Fire Dynamics Simulator. Finally, we can come to the conclusion that a more realistic safety assessment is carried out through indoor space model based on 3-dimension building information and simulation analysis applied by safety guideline for measurement of fire and evacuation risk.
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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].
제안 방법
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.
다음은 시뮬레이션 결과에 대한 화재 안전성평가를 위해 온도, 가시거리, 일산화탄소의 위험요소별로 피난경로인 계단, E/S, 출구에서의 화재 위험도 측정결과를 분석 · 정리하였다.
둘째로, 인명안전을 위한 평가에 있어 전산유체역학 모델 기반의 화재 시뮬레이션인 FDS(Fire Dynamics Simulator)*와 피난 시뮬레이션을 통해 재실자가 인체에 손상 없이 견딜 수 있는 피난허용시간(ASET: Available Safe Egress Time)과 화재를 감지하고 안전한 장소까지 완전하게 피난하는데 소요되는 피난요구시간(RSET: Required Safe Egress Time)을 비교 · 분석하였다.
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. 이를 위해 신뢰성 있는 예측을 위한 실제 인천터미널역 역사를 사례지역으로 인천교통공사의 대상지 설계 수치 정보를 이용하여 화재 및 피난 시뮬레이션 모델을 설계하였다.
둘째로, 인명안전을 위한 평가에 있어 전산유체역학 모델 기반의 화재 시뮬레이션인 FDS(Fire Dynamics Simulator)*와 피난 시뮬레이션을 통해 재실자가 인체에 손상 없이 견딜 수 있는 피난허용시간(ASET: Available Safe Egress Time)과 화재를 감지하고 안전한 장소까지 완전하게 피난하는데 소요되는 피난요구시간(RSET: Required Safe Egress Time)을 비교 · 분석하였다. 마지막으로, 3D시뮬레이션을 통해 피난 경로에 대한 연구결과를 종합하고 건물의 피난 안전성 평가에 대한 시사점을 도출하였다.
본 연구에서는 이러한 위험요소를 토대로 ASET과 RSET을 분석하고 피난여유시간을 통해 피난시의 안전성여부를 평가하고자 하므로, Figure 4와 같이 지하철 역사에 위치한 출구와 1층의 계단 및 E/S 입구, 그리고 전체 공간에 대한 5m × 5m 그리드 격자를 기준으로 대피경로에 1.8m 높이의 온도, 가시거리, 일산화탄소 감지기를 설치하였으며, 앞서 말한 3가지 항목별 위험기준을 Table 5와 같이 소방방재청에서 고시한 내용에 따라 관측되는 수치를 가지고 분석을 수행한다.
앞에서 정의한 설계 모델을 토대로 화재분석을 위한 시나리오에서 시뮬레이션을 통한 인명에 피해를 알아보기 위해 온도, 가시거리, 일산화탄소의 ASET위험도 분석을 실시하였다. Figure 5는 지하 1층에서의 시뮬레이션 결과로, 지하 2층 화재가 발생한 이후 시간별 연기의 흐름을 나타내고 있다.
이를 위해 FDS와 Pathfinder를 이용하여 인천교통공사로부터 수집한 지하철역사의 설계수치를 바탕으로 화재 및 피난 시뮬레이션을 수행하였다. 여기에 20MW의 화재크기와 대피인원의 피난 안전성을 검토하기 위한 각각의 온도, 가시거리, 일산화탄소 감지기를 출구, 계단, E/S 등 역사내 5m x 5m 그리드 격자를 기준으로 설치하였으며, 지하철 역사의 화재 발생시 피난에 대한 안전성 평가를 위하여 고시된 안전위험기준과 피난인원산정 방법을 바탕으로 ASET과 RSET을 산출하여 안전성 평가를 수행하였다.
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. 여기에 20MW의 화재크기와 대피인원의 피난 안전성을 검토하기 위한 각각의 온도, 가시거리, 일산화탄소 감지기를 출구, 계단, E/S 등 역사내 5m x 5m 그리드 격자를 기준으로 설치하였으며, 지하철 역사의 화재 발생시 피난에 대한 안전성 평가를 위하여 고시된 안전위험기준과 피난인원산정 방법을 바탕으로 ASET과 RSET을 산출하여 안전성 평가를 수행하였다.
또한 독성가스나 열과 일산화탄소 감지, 가시화 정도를 보다 실제적인 건물 화재 위험 요인으로 고려하여 안전성 평가를 수행한다. 이를 위해 신뢰성 있는 예측을 위한 실제 인천터미널역 역사를 사례지역으로 인천교통공사의 대상지 설계 수치 정보를 이용하여 화재 및 피난 시뮬레이션 모델을 설계하였다. 둘째로, 인명안전을 위한 평가에 있어 전산유체역학 모델 기반의 화재 시뮬레이션인 FDS(Fire Dynamics Simulator)*와 피난 시뮬레이션을 통해 재실자가 인체에 손상 없이 견딜 수 있는 피난허용시간(ASET: Available Safe Egress Time)과 화재를 감지하고 안전한 장소까지 완전하게 피난하는데 소요되는 피난요구시간(RSET: Required Safe Egress Time)을 비교 · 분석하였다.
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(21.4MW)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.
대상 데이터
본 연구에서 대상이 되는 공간은 인천에 위치한 인천터미널역 역사로 실제 하루 약 21만명의 수송인원이 이용하며 버스터미널, 백화점과 인근공원이 연결된 복합적인 구조로 아래의 Figure 1과 같이 지하 1, 2층으로 되어있다. 지하 1층(B1)에 역무실, 점포, 엘리베이터, 매표소, 백화점 및 터미널 연결통로와 지하 2층 승강장으로 내려가는 계단, 에스컬레이터가 위치하고 있다.
그리고 B2-Stair1-B1-EXIT과 B2-E/S3-B1-EXIT은 가시거리 미확보로 건물내 피난경로 탐색을 위한 목표물 식별이 어려울 수 있으며, 열에 의한 피해를 입을 수도 있다. 위험한 이동경로는 B2-E/S1-B1-EXIT과 B2-E/S2-B1-EXIT로, E/S2를 통해 피난을 하는 전체 이용 인원(263명)의 약 40%이상이 가시거리와 일산화탄소에 의한 피해로 인해 사망 또는 부상의 인명피해를 입을 것으로 보인다. 특히 E/S1은 이용인원의 90% 이상이 열과 가시거리, 그리고 일산화탄소 3가지 위험요소 모두에 노출되어 가장 위험한 경로로 판단된다.
그리고 지하 2층(B2)은 지하철 탑승을 위한 승강장 플랫폼이 있다. 인천지하철의 총 전량은 8량이며 그 크기는 전장 17.5m, 전폭 2.75m, 전고 4m이고, 각 차량의 출입문은 4개로 가로 1.3m, 세로 1.86m로 되어있다. FDS는 격자로 구성되어진 메쉬 안에 원하는 공간정보를 입력하여 모델링을 수행할 수 있으며, *.
3) 피난시뮬레이션을 통해 전체 재실자의 피난 이동시간은 128초로 확인되었다. 재실자의 96%는 가장 가까운 출구인 EXIT5를 통해 대피하였고 나머지 4%만이 EXIT1,2를 이용하였다. 그 이유는 가장 가까운 출구에 병목현상이 발생되면서 다른 출구를 찾는 대피상황의 특성이 반영되었기 때문이다.
본 연구에서 대상이 되는 공간은 인천에 위치한 인천터미널역 역사로 실제 하루 약 21만명의 수송인원이 이용하며 버스터미널, 백화점과 인근공원이 연결된 복합적인 구조로 아래의 Figure 1과 같이 지하 1, 2층으로 되어있다. 지하 1층(B1)에 역무실, 점포, 엘리베이터, 매표소, 백화점 및 터미널 연결통로와 지하 2층 승강장으로 내려가는 계단, 에스컬레이터가 위치하고 있다. 그리고 지하 2층(B2)은 지하철 탑승을 위한 승강장 플랫폼이 있다.
이론/모형
화재 시뮬레이션을 위해 미국의 표준기술(National Institute of Standards and Technology)에서 만든 소프트웨어인 FDS프로그램을 이용하여 연소생성물, 열적 구동되는 흐름에 대해 적절한 Navier-Stokes 방정식을 수치적으로 해석하는데 사용했다[11]. FDS는 CFD(Computational Fluid Dynamics)에서 난류 모델로써 사용되는 모델 중 LES(Large Eddy Simulation)을 이용한다.
FDS에는 화재로 인한 열이나 연기를 해석하기 위해 다음과 같은 난류모델, 연소모델, 복사모델, 가시도 모델을 사용한다[18].
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. 어깨너비 및 보행속도는 Table 3과 Table 4와 같이 Size Korea의 한국인 인체치수 데이터베이스[17]와 Park[13]의 연령별 보행 평균속도를 이용하였다. 피난상황은 지하 2층 승강장에 정차된 전철에서 화재가 발생하여 재실자는 계단이나 E/S 등을 이용하여 지하 1층 출구 EXIT 1, 2, 3, 4, 5 밖으로 피난하는 상황이다.
화재 시뮬레이션을 위해 미국의 표준기술(National Institute of Standards and Technology)에서 만든 소프트웨어인 FDS프로그램을 이용하여 연소생성물, 열적 구동되는 흐름에 대해 적절한 Navier-Stokes 방정식을 수치적으로 해석하는데 사용했다[11]. FDS는 CFD(Computational Fluid Dynamics)에서 난류 모델로써 사용되는 모델 중 LES(Large Eddy Simulation)을 이용한다.
성능/효과
1) 화재시뮬레이션에서 화재연기가 지하1층까지 상승하는데 E/S1에 약 15초, 출구인 EXIT5에 도달하는데 약 70초, 가장 멀리에 위치한 EXIT2,3까지는 약 150초로 나타난다. 이는 지하철내의 연돌효과로 인해 역사내 화재로 발생된 연기가 계단이라는 상승로를 통해 확산되고 열의 부력을 얻어 천장에 이르러 사방으로 빠르게 퍼지기 때문이다.
2) 화재 시뮬레이션을 통해 분석한 화재위험 인자 중에서 가시거리는 빠르게 확산되는 연기에 의해 안전 기준인 5m에 모든 경로와 출구에서 도달하게 되어 피난시의 시야확보와 피난행동에 많은 영향을 미칠 것으로 보인다. 특히 E/S1은 열과 독성가스(일산화탄소)의 피해까지 더불어서 대피 시 가장 위험할 것으로 보인다.
3) 피난시뮬레이션을 통해 전체 재실자의 피난 이동시간은 128초로 확인되었다. 재실자의 96%는 가장 가까운 출구인 EXIT5를 통해 대피하였고 나머지 4%만이 EXIT1,2를 이용하였다.
4) 화재 및 피난 시뮬레이션의 결과를 종합해 볼 때 대피 시 안전에 피해를 줄 수 있는 가시거리 및 온도, 일산화탄소에 대한 위험도가 가장 높은 E/S1이 포함된 경로를 이용할 경우 피난 시 매우 위험할 것으로 보인다. 가장 안전한 경로로는 화재 승강장의 재실자는 STAIR2를 이용하는 것이고, 다른 승강장은 STAIR3,4를 통해 출구로 대피하는 것으로 확인되었다.
4) 화재 및 피난 시뮬레이션의 결과를 종합해 볼 때 대피 시 안전에 피해를 줄 수 있는 가시거리 및 온도, 일산화탄소에 대한 위험도가 가장 높은 E/S1이 포함된 경로를 이용할 경우 피난 시 매우 위험할 것으로 보인다. 가장 안전한 경로로는 화재 승강장의 재실자는 STAIR2를 이용하는 것이고, 다른 승강장은 STAIR3,4를 통해 출구로 대피하는 것으로 확인되었다. 해당 시나리오에서 E/S보다 계단을 이용하는 것이 더 안전한 이유는 연기 및 독성가스의 확산 방향과 지하2층에서 지하 1층으로 올라가는 E/S입구가 같은 방향으로 위치하고 있어 반대 방향인 계단보다 연기의 확산과 유입이 빠르게 되어 위험요소의 노출되기 쉽기 때문이다.
EXIT 1, 4가 화원에서 다른 출구에 비해 가깝지만 가시거리에 의한 피해가 낮게 분석되는 이유는 앞에서 언급했다시피, 화재로 인한 연기가 상승하여 수평 확장함으로써 EXIT 2, 3, 5로 연기가 확장되기 때문이다. 결과를 종합해 보면, EXIT 2, 3, 5는 가시거리에 대한 피해가 상대적으로 빨리 발생됨에 따라 EXIT 1, 4의 대피경로가 다른 출구보다 가시거리 확보에 유리할 것으로 분석된다.
이 결과는, 화재인명기준치에는 도달하지 않지만 24시간 동안 가스에 노출되었을 때 두통, 현기증, 구토 등이 발생할 수 있는 기준치(800ppm)를 넘은 것으로 확인되었다. 결과를 종합해 보면, 출구에서는 화재 연기의 특징으로 인해 EXIT 2, 3, 5에서 다른 출구에 비해 높은 농도가 측정되었지만 위험 기준치를 넘지는 않았다. 하지만 출구에 도달하기 위해 이용하게 되는 E/S와 Stair의 전 경로에서 위험기준치를 넘어서 피난시 독성가스로 인한 피해가 있을 것으로 사료된다.
상승한 연기는 열을 가지고 출구 EXIT 2, 3과 EXIT5 쪽의 벽에 맞닿아 아래로 연기가 이동하면서 150초 이후부터는 다른 출구에 비해 온도가 상승하는 것을 볼 수 있다. 결과를 종합해보면, 전 출구에서 관측된 온도는 최소 20℃에서 최대 30℃로 출구에서의 온도피해는 없을 것으로 보인다. 하지만 출구에 도달하기 전에 대피경로로써 이용하게 될 지하 1층의 계단과 E/S 중 E/S1, E/S3, E/S4는 위험 기준치에 도달하며, E/S1에서는 342초에 피난을 위한 한계온도인 150℃에 미치게 되고, E/S3, E/S4에서는 피부를 화끈하게 하고 열사병과 같은 증상이 발생할 수 있는 온도 100℃까지 상승하게 되어 재실자가 피난하는데 있어서는 온도의 피해가 발생할 수 있을 것으로 보인다.
화재가 발생하고 나서 각 출구 및 계단, E/S 입구에 설치된 감지기의 일산화탄소 관측 결과를 Figure 10과 Figure 11에 나타내었다. 계단 및 E/S 입구에서는 화재에서 가장 가까운 곳에 위치한 E/S1에서 18초에 가장 먼저 기준치의 농도를 초과하는 것을 확인할 수 있다. 그리고 E/S2에서 43초, E/S3와 E/S4는 50초, STAIR1은 112초, 그 외 STAIR2, 3, 4는 약 340초 정도에 위험 기준치에 도달하는 것으로 확인되었다.
화재가 발생하고 나서 각 출구 및 계단, E/S 입구에 설치된 감지기의 가시거리 관측 결과를 Figure 8와 Figure 9에 나타내었다. 계단 및 E/S에 대한 결과를 보면 가장 가까운 E/S1에서 12초에 가시거리 인명기준에 도달하고 연기가 확산됨에 따라 다른 경로에 위치한 계단과 E/S에도 시야가 감소되어 약 70초 이후에는 모든 경로에서 가시거리 미확보로 인한 위험이 클 것으로 보인다. 지하 1층의 출구에서는 화재인명 안전 기준에 따라 온도와는 다르게 출구 EXIT 2, 3, 5에서 각각 154, 161, 174초에 안전기준치에 도달하는 것으로 나타났다.
전체 피난 경로에 따라, 대피시의 가장 적합한 피난경로를 분석하였으며 그 결과를 이동경로에서의 총 이용인원수, 사망 혹은 부상자, 위험도 평가에 따라 ㅋTable 7에 나타내었다. 그 결과 B2-Stair2-B1-EXIT, B2-Stair3-B1-EXIT, B2-Stair4-B1-EXIT의 경로를 이용하여 출구로 빠져나갈 경우는 안전하게 빠져나갈 수 있을 것으로 판단된다. 그리고 B2-Stair1-B1-EXIT과 B2-E/S3-B1-EXIT은 가시거리 미확보로 건물내 피난경로 탐색을 위한 목표물 식별이 어려울 수 있으며, 열에 의한 피해를 입을 수도 있다.
지하 2층에 위치하는 모든 재실자는 약 10초부터 계단 및 E/S를 통해 지하 1층에 올라와 40초부터 출구를 통해 외부로 빠져나가기 시작하고 약 85초에는 전체인원의 절반이 대피를 완료하게 된다. 그 결과, 총 1065명의 재실자가 피난을 완료하게 되는 시간은 128초이다.
계단 및 E/S 입구에서는 화재에서 가장 가까운 곳에 위치한 E/S1에서 18초에 가장 먼저 기준치의 농도를 초과하는 것을 확인할 수 있다. 그리고 E/S2에서 43초, E/S3와 E/S4는 50초, STAIR1은 112초, 그 외 STAIR2, 3, 4는 약 340초 정도에 위험 기준치에 도달하는 것으로 확인되었다. 각 출구는 일산화탄소에 대한 독성가스 위험은 없었다.
화재의 위험도 분석 결과를 보면, 피난이 완료되는 128초를 기준으로 해당 지하철 역사는 온도에 대한 피해가 다른 요인들에 비해 낮았으며 가시거리의 경우 다른 요인들과는 달리 대피경로에 있는 계단이나 E/S외에 출구에 까지 위험을 줄 수 있는 요소로 확인되었다. 그리고 대피시 질식과 같은 인체에 직접적으로 영향을 줄 수 있는 독성가스인 일산화탄소는 E/S1, 2, 3, 4에서 18~50초 안에 안전 기준치의 농도를 초과하는 것으로 나타났다.
시뮬레이션 결과, 대피시 가장 위험한 요인으로써 가시거리 미확보와 독성가스로 인한 일산화탄소로 분석되었다. 이 중 가시거리 미확보는 안전한 장소로 빠져나오기 위한 경로를 탐색하는데 어려움이 따를 것으로 보이며, 이에 효과적인 안전 피난경로로의 유도 등을 설치하여 재실자의 이동을 도울 필요가 있다.
지하 1층의 출구에서는 가장 가까운 출구 EXIT5에서 화재가 발생하고 70초가 되고나서 일산화탄소 농도가 관측되기 시작하였으며, 360초쯤에 EXIT2에서 960ppm의 최대치가 확인되었다. 이 결과는, 화재인명기준치에는 도달하지 않지만 24시간 동안 가스에 노출되었을 때 두통, 현기증, 구토 등이 발생할 수 있는 기준치(800ppm)를 넘은 것으로 확인되었다. 결과를 종합해 보면, 출구에서는 화재 연기의 특징으로 인해 EXIT 2, 3, 5에서 다른 출구에 비해 높은 농도가 측정되었지만 위험 기준치를 넘지는 않았다.
인천터미널역 역사를 대상으로 피난 시뮬레이션을 수행한 결과로, 시간에 따라 각 층별에서의 재실자 수와 출구를 빠져나가는데 걸리는 유동률을 나타내었다. Figure 12를 보면 화재가 발생했을 시 지하 2층 승강장에 위치한 모든 재실자는 출구로 빠져나가기 위한 행동을 시작하면서 약 10초에 계단을 통해 지하 1층으로 올라감으로써 지하 2층의 화재 승강장과 맞은편 승강장의 재실자가 감소하게 된다.
재실자가 피난시 이용하지 않는 EXIT2,3을 제외하고 결과를 보았을 때, Stair2,3,4에서는 피난시의 여유시간이 있어 안전하게 이용할 수 있지만 나머지 E/S1,2,3에서는 대피를 완료하기 이전에 열, 가시거리, 일산화탄소에 의한 피해가 발생될 것으로 나타난다.
지하 1층의 출구에서는 가장 가까운 출구 EXIT5에서 화재가 발생하고 70초가 되고나서 일산화탄소 농도가 관측되기 시작하였으며, 360초쯤에 EXIT2에서 960ppm의 최대치가 확인되었다.
그 외, 다른 경로에서는 위험 온도에 도달하지 않는 것으로 확인되었다. 지하 1층의 출구에서는 앞서 선정한 화재인명 안전기준인 60℃보다 낮게 관측되었으며, 가장 높은 온도를 나타내는 EXIT2에서는 초기온도에서 30℃까지 상승하는 것을 확인할 수 있었다. 또한 지하 1층 EXIT 2, 3 출구에서 150초가 되었을 때 갑자기 온도가 상승하는 것을 확인할 수 있다.
계단 및 E/S에 대한 결과를 보면 가장 가까운 E/S1에서 12초에 가시거리 인명기준에 도달하고 연기가 확산됨에 따라 다른 경로에 위치한 계단과 E/S에도 시야가 감소되어 약 70초 이후에는 모든 경로에서 가시거리 미확보로 인한 위험이 클 것으로 보인다. 지하 1층의 출구에서는 화재인명 안전 기준에 따라 온도와는 다르게 출구 EXIT 2, 3, 5에서 각각 154, 161, 174초에 안전기준치에 도달하는 것으로 나타났다. 해당시간 이후부터는 급격하게 가시거리가 감소됨에 따라 피난 시 시야장애로 대피인원과의 발생될 수 있는 이동간의 충돌과 보행속도 감소로 피난 소요시간이 증가하여 위험이 클 것으로 보인다.
화재의 위험도 분석 결과를 보면, 피난이 완료되는 128초를 기준으로 해당 지하철 역사는 온도에 대한 피해가 다른 요인들에 비해 낮았으며 가시거리의 경우 다른 요인들과는 달리 대피경로에 있는 계단이나 E/S외에 출구에 까지 위험을 줄 수 있는 요소로 확인되었다. 그리고 대피시 질식과 같은 인체에 직접적으로 영향을 줄 수 있는 독성가스인 일산화탄소는 E/S1, 2, 3, 4에서 18~50초 안에 안전 기준치의 농도를 초과하는 것으로 나타났다.
후속연구
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.
하지만 방화셔터는 피난경로에 위치할 수 있어 재실자의 대피로를 차단할 수 있으므로 관리자 측면에서 방화셔터를 효율적으로 활용할 수 있는 방안이 필요하다. 그리고 앞에서 언급한 연돌효과로 인해 연기가 대피경로에 많이 확산되었을 경우, 실제 화재사례를 참고했을 때 계단을 통한 대피보다 터널을 이용하는 것이 더 안전할 것으로 판단된다.
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.
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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