최근 건축물의 화재 및 피난안전성능을 향상시키기 위한 성능위주설계가 법제화됨에 따라 다양한 피난해석 프로그램을 이용한 안전성 평가가 이루어지고 있다. 일반적으로 피난해석 프로그램의 경우, 연기농도에 따른 이동속도변화 및 유독가스에 의한 독성효과를 적용함으로써 화재 시 재실자의 피난특성 분석이 가능하다. 하지만, 화재에 대한 임의의 설정을 하지 않는 경우 화재주변에서 피난을 하지 않거나 화재 위로 이동을 하는 등의 비현실적인 결과를 예측한다. 그러므로 본 연구에서는 화재로부터 발생하는 복사열에 의해 피난자가 화재를 피해 이동할 수 있도록 복사열 반발력을 정의하였다. 또한 복사열 반발력을 고려할 수 있도록 Helbing의 이동모델을 개선함으로써 기존 이동모델과 비교하였다. 수치해석결과 모든 피난자가 복사열 반발력에 의해 화재를 우회하여 이동하고, 한계 복사열유동의 최대값인 $2.4kW/m^2$에 도달하지 않는 것을 통해 개선모델의 신뢰도를 확인하였다.
최근 건축물의 화재 및 피난안전성능을 향상시키기 위한 성능위주설계가 법제화됨에 따라 다양한 피난해석 프로그램을 이용한 안전성 평가가 이루어지고 있다. 일반적으로 피난해석 프로그램의 경우, 연기농도에 따른 이동속도변화 및 유독가스에 의한 독성효과를 적용함으로써 화재 시 재실자의 피난특성 분석이 가능하다. 하지만, 화재에 대한 임의의 설정을 하지 않는 경우 화재주변에서 피난을 하지 않거나 화재 위로 이동을 하는 등의 비현실적인 결과를 예측한다. 그러므로 본 연구에서는 화재로부터 발생하는 복사열에 의해 피난자가 화재를 피해 이동할 수 있도록 복사열 반발력을 정의하였다. 또한 복사열 반발력을 고려할 수 있도록 Helbing의 이동모델을 개선함으로써 기존 이동모델과 비교하였다. 수치해석결과 모든 피난자가 복사열 반발력에 의해 화재를 우회하여 이동하고, 한계 복사열유동의 최대값인 $2.4kW/m^2$에 도달하지 않는 것을 통해 개선모델의 신뢰도를 확인하였다.
Recently, the safety assessments with using the various evacuation programs are performed for improving the performance of fire and evacuation safety in the building. Generally, the evacuation programs can simulate the human behavior in fire situation by applying the variation of the movement speed ...
Recently, the safety assessments with using the various evacuation programs are performed for improving the performance of fire and evacuation safety in the building. Generally, the evacuation programs can simulate the human behavior in fire situation by applying the variation of the movement speed and Fractional Effective Dose (FED) index in the smoke. However, if the simulation is performed without optional setting around the fire, the agents do not avoid the fire and they move through the fire. Therefore in this study, we define the radiative repulsion force which exists between the fire and the agents. Moreover, we modify the Helbing's movement model by adding the radiative repulsion force. As a result of the modified movement model, all agents move around the fire and they do not enter the upper bound area of radiative heat flux, $2.4kW/m^2$. From these results, we verified the reliability of the modified movement model.
Recently, the safety assessments with using the various evacuation programs are performed for improving the performance of fire and evacuation safety in the building. Generally, the evacuation programs can simulate the human behavior in fire situation by applying the variation of the movement speed and Fractional Effective Dose (FED) index in the smoke. However, if the simulation is performed without optional setting around the fire, the agents do not avoid the fire and they move through the fire. Therefore in this study, we define the radiative repulsion force which exists between the fire and the agents. Moreover, we modify the Helbing's movement model by adding the radiative repulsion force. As a result of the modified movement model, all agents move around the fire and they do not enter the upper bound area of radiative heat flux, $2.4kW/m^2$. From these results, we verified the reliability of the modified movement model.
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문제 정의
본 연구에서는 피난 대상자가 화재의 영향을 직접적으로 받음으로써 화원을 우회하여 피난경로를 변경도록 만들어 주는 힘인 복사열 반발력을 정의하였다. 또한 정의한 복사열 반발력을 이용하여 Helbing의 이동모델을 개선하였으며, 임의의 복도 내 화재발생 시 피난 대상자들의 거동특성을 분석함으로써 기존이동모델 및 해석방법(장애물 설정)과 비교분석하여, 아래와 같은 결과를 도출하였다.
가설 설정
또한 해석 시간의 단축을 위하여 화재성장은 고려하지 않았다. 성인으로 구성된 200명의 피난 대상자를 좌측 끝에 위치시켰으며, 복도의 중앙에서 화재가 발생함에 따라 화재를 즉각 감지하고 우측 출구를 향해 피난을 개시하는 것으로 가정하였다.
이러한 문제를 해결하기 위하여 본 연구에서는 화재로부터 발생하는 복사열과 피난 대상자 사이에 복사열 반발력이 작용한다고 가정하였다. 복사열 반발력의 방향은 피난 대상자 위치에서의 복사열유동(Radiative heat flux) 구배를 이용하여 정의하였다.
8 m의 임의의 복도로 설정하였다. 화재는 소형 소파에서 발생한 것으로 가정하여 크기를 1.0 MW로 설정하였으며, 복사열 반발력의 영향을 분석하기 위하여 연기발생이 없다고 가정함으로써 피난대상자의 이동속도 변화, 유독가스에 의한 질식효과는 무시하였다. 또한 해석 시간의 단축을 위하여 화재성장은 고려하지 않았다.
제안 방법
Case 2는 화원 주변에 장애물을 설치함으로써 유동장을 변경하여 피난 대상자가 화재를 피해 이동할 수 있도록 하였으며, 장애물의 크기는 한계 복사열유동의 크기에 맞추어 설정하였다. 그림을 통해 확인할 수 있듯이 피난 대상자는 장애물에 의해 형성된 유동장(Figure 3(c))을 따라 이동하고 있으며, 이를 이용하여 피난 대상자가 화원 및 한계 복사열 유동을 피해 피난경로를 변경하는 것과 같은 효과를 만드는 것이다.
Case 3는 화재관련 설정을 제외함으로써 case 1과 동일한 유동장을 기반으로 피난해석을 수행하였으며, 기존 이동모델에 복사열 반발력을 추가함으로써 피난 대상자가 화재를 피해 이동할 수 있도록 하였다. 그림을 통해 확인할 수 있듯이, 유동장이 출구까지 직선으로 형성되어 있음에도 불구하고, 피난 대상자들은 화원 및 한계 복사열유동을 피해 피난경로를 변경하여 이동하고 있다.
즉, 화재주변을 장애물과 같이 설정하여 유동장을 변경시킴으로써 피난 대상자가 화재를 통과하여 피난하는 것을 방지할 수 있다(Figure 3(c), (d)). 그러므로 본 연구에서는 피난 대상자의 이동경로 변경에 영향을 주는 요소들을 변경함으로써, 복사열 반발력을 이용하여 개선된 이동모델을 기존 모델과 비교분석하였다(Table 1).
그러므로 본 연구에서는 화재를 피해 피난하는 것을 모사할 수 있도록 피난자가 화재로부터 방출되는 복사열에 의해 받는 힘을 정의하였다. 또한 Helbing의 이동모델에 피난자가 화재에 의해 받는 복사열 반발력을 추가함으로써 화재가 피난에 미치는 영향을 직접적으로 고려할 수 있도록 하였다. 최종적으로 화재와 피난을 동시에 해석함으로써 화재특성 정보를 직접적으로 활용할 수 있는 FDS + Evac(12)에 개선된 이동모델을 적용하여 화재 시 피난자의 거동특성을 분석하였다.
본 연구에서는 피난 대상자가 화재의 영향을 직접적으로 받음으로써 화원을 우회하여 피난경로를 변경도록 만들어 주는 힘인 복사열 반발력을 정의하였다. 또한 정의한 복사열 반발력을 이용하여 Helbing의 이동모델을 개선하였으며, 임의의 복도 내 화재발생 시 피난 대상자들의 거동특성을 분석함으로써 기존이동모델 및 해석방법(장애물 설정)과 비교분석하여, 아래와 같은 결과를 도출하였다.
본 연구에서 제시한 복사열 반발력을 적용하기 위하여 사용된 FDS + Evac은 해석도메인의 포텐셜 유동장을 이용하여 피난 대상자의 지향방향을 결정한다(12). 즉, 화재주변을 장애물과 같이 설정하여 유동장을 변경시킴으로써 피난 대상자가 화재를 통과하여 피난하는 것을 방지할 수 있다(Figure 3(c), (d)).
또한 Helbing의 이동모델에 피난자가 화재에 의해 받는 복사열 반발력을 추가함으로써 화재가 피난에 미치는 영향을 직접적으로 고려할 수 있도록 하였다. 최종적으로 화재와 피난을 동시에 해석함으로써 화재특성 정보를 직접적으로 활용할 수 있는 FDS + Evac(12)에 개선된 이동모델을 적용하여 화재 시 피난자의 거동특성을 분석하였다.
피난성능평가 및 설계에 사용되는 모든 피난해석 프로그램은 Helbing(7)의 이동모델 및 화재가 사람에게 미치는 영향(8-10)을 적용하여 화재 시 재실자의 피난특성을 분석할 수 있도록 개발되었다. 하지만 각 프로그램에 적용되어 있는 화재가 사람에 미치는 영향은 연기농도에 따른 이동속도 변화(8,9) 및 유독가스에 의한 독성효과(10,11)에만 국한되어 있다.
대상 데이터
Figure 3은 본 연구에서 사용된 화재 및 피난해석 도메인을 나타낸 것으로써, 전체 계산 영역은 길이 32 m, 폭 10 m, 높이 2.8 m의 임의의 복도로 설정하였다. 화재는 소형 소파에서 발생한 것으로 가정하여 크기를 1.
이론/모형
또한, 연기의 농도가 높은 환경에서 피난자가 이동능력을 잃거나 호흡곤란에 의한 사망 등의 효과를 고려하기 위하여 Purser(10)가 제시한 흡입량분율(FED) 모델을 적용하였으며, 아래와 같이 정의된다.
FDS + Evac에서는 연기에 의한 사람의 이동속도 변화 및 독성효과를 이용하여 화재가 피난자의 거동특성에 미치는 영향을 적용하였다. 연기농도에 따른 이동속도의 변화는 Frantzich와 Nilsson(9)이 제시한 실험식을 적용하였으며, 아래와 같이 정의 된다.
성능/효과
2. 복사열 반발력을 적용하는 경우, 피난 대상자가 화원과 가까워짐에 따라 화재를 통과하여 이동하려는 motive force에 비해 복사열 반발력이 높아지게 되어 화원을 우회하여 경로를 변경한다. 또한, 화원주변에서의 이동속도 및 이동경로의 크기가 감소함에 따라 화재주변에 병목현상 및 정체현상이 발생하게 되어 총 피난시간이 기존 이동모델(case 1)에 비해 약 3배 증가한다.
3. 개선된 이동모델을 적용하는 경우 화재의 하류부분에서 피난 대상자들이 무리지어 이동하는 집단 행동특성을 확인할 수 있다. 이를 통해 개선된 이동모델이 기존의 해석방법에 비하여 현실성이 높은 결과를 예측하는 것을 확인할 수 있다.
이는 화원과 피난 대상자 사이의 거리가 짧아짐에 따라, 지향방향 및 속도에 의해 산출되는 motive force (식(1) 우변 첫 번째 항)보다 복사열 반발력이 높아지게 되어 피난 대상자들이 이동경로를 변경할 수 있는 것이다. 또한 화원주변에 장애물을 설정한 결과에 비하여 한계 복사열유동이 넘는 구역 안으로 들어가는 피난 대상자의 수가 줄어든 것을 확인할 수 있다.
개선된 이동모델을 적용하는 경우 화재의 하류부분에서 피난 대상자들이 무리지어 이동하는 집단 행동특성을 확인할 수 있다. 이를 통해 개선된 이동모델이 기존의 해석방법에 비하여 현실성이 높은 결과를 예측하는 것을 확인할 수 있다. 하지만, 모든 피난자들이 벽면부분으로 몰리는 경향에 대해서는 추가적인 고찰이 필요한 것으로 사료된다.
이로 인하여 화원의 상류부분에서는 병목현상이 발생하는 것을 확인할 수 있다. 즉, 화재주변에서 발생하는 병목현상 및 정체현상에 의하여 300%의 높은 총 피난 시간 증가율을 보이고 있다.
후속연구
하지만, 개선된 이동모델을 이용하는 경우(case 3) 화재를 통과한 이 후 피난 대상자들이 벽면에 모여 출구까지 이동하고 있으며, 화재의 하류부분에서 산개하여 이동하는 기존 해석방법에 비하여 현실성 있는 결과를 도출하고 있다. 하지만 화재를 통과한 이후에도 복사열 반발력의 영향을 받게 됨에 따라 모든 피난 대상자들이 벽면 부분으로 몰리는 경향이 발생하고 있으며, 이에 대한 추가적인 고찰 역시 필요할 것으로 사료된다.
이를 통해 개선된 이동모델이 기존의 해석방법에 비하여 현실성이 높은 결과를 예측하는 것을 확인할 수 있다. 하지만, 모든 피난자들이 벽면부분으로 몰리는 경향에 대해서는 추가적인 고찰이 필요한 것으로 사료된다.
참고문헌 (13)
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