[논문]선박 구조 개선을 통한 승무원의 피난 효율 향상을 위한 연구

김원욱; 이명호; 김종수

doi:10.5916/jkosme.2014.38.3.342

[국내논문] 선박 구조 개선을 통한 승무원의 피난 효율 향상을 위한 연구
A study on the efficiency advancement for evacuation of the crews by ship structural improvement 원문보기

한국마린엔지니어링학회지 = Journal of the Korean Society of Marine Engineering, v.38 no.3, 2014년, pp.342 - 348

김원욱 (Korea Institute of Maritime & Fisheries Technology) , 이명호 (Department of offshore plant management, Korea Marine Engineering University) , 김종수 (Division of Marine system Engineering, Korea Maritime University)

초록
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육상구조물의 대형화재는 특수한 소방장비와 그에 적합한 방법에 의해서 소방관에 의해서 진압된다. 하지만 해양구조물은 육상으로부터 어떠한 도움없이 승무원에 의해서 진압되고 이들은 선박의 구조적 특성과 선박의 충돌 및 화재와 같은 여러 가지 원인에 의하여 신속한 탈출이 어렵다. 일반적으로 화재에 의한 인명손상의 경우에는 연기에 의한 질식사가 대부분을 차지하므로 탈출 시간의 단축은 생존율을 향상에 아주 중요한 역할을 한다. 본 연구에서는 3차원 화재 분석 전용 프로그램인 FDS(Fire Dynamic Simulator)를 이용하여 화재 발생 시 승무원 생존율 분석을 위한 거주 공간내의 온도 및 연기유동에 의한 가시거리를 분석한다. 기존의 선박은 화재 경보 발령 시 방화문이 자동으로 폐쇄되도록 설계되어 있다. 이는 화재가 발생한 구역에 승무원이 없을 경우에는 화재의 확산 및 연기의 유동 지연에 아주 효과적이다. 그러나 대피시간이 지연될 경우에는 방화문 안쪽에 위치한 승무원들에게는 치명적일 수 있다. 이 논문에서는 화재로 인해 방화문이 폐쇄되어 승무원들이 이 방화문을 열고 탈출하는 경우와 연구에서 제안하는 차단막을 설치했을 경우의 화재 구역의 온도상승 및 연기유동 속도를 비교 분석한다.

Abstract ▼ AI-Helper

Onshore great fires can normally be extinguished by firefighters using special firefighting equipment and its suitable method. However, offshore fires on the ships are to be extinguished by the crew without any supports from the onshore. Also, crews working on board are exposed to high risk of emergency evacuation due to the complicated structure arrangement of the ships and different accident types such as fire and ship collisions. As most of damage and loss of life in fire are associated with suffocation, shortening of evacuation time is an important factor to improve a survival rate. In this study, visibility in the accommodation area is analyzed by using the temperature and smoke flow which are obtained by the Fire Dynamic Simulator(FDS) as a Three-Dimensional Fire Analysis program to understand the survival rate of the crew upon the fire. The fire doors for most of ships are designed to close automatically when the fire alarm is activated. These automatic closing of the fire doors is a very effective system to delay the spread of flame and smoke flow for the unmanned spaces of the fire protected area. However, if the crew cannot escape within the estimated time, the crew inside the fire protected area will be damaged a lot. In this paper, the comparative analysis between the evacuations by using the fire door from the fire protected area and the suggested fire shielding structure in this study is carried out by the smoke flow rate and the temperature rise rate.

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문제 정의

선박에 의한 해양사고에는 충돌, 접촉, 좌초 및 화재 등이 있다. 이 연구에서는 다양한 해양사고 중 화재 발생 시 승무원 및 승객들의 대피 효율 향상 방안에 대해 검토하고자 한다. 기존의 선박은 화재 경보 발령 시 방화문이 자동적으로 폐쇄된다.
그러나 피난을 완료하지 못한 방화문 안쪽에 위치한 승무원들에게는 치명적일 수 있다. 이 연구에서는 화재 시 인명사고의 대부분을 차지하는 연기에 의한 질식사를 줄이기 위하여 기존 구조에 연기 유동 속도를 감소시키는 방법에 대해 제안하고자 한다.
화재가 발생한 상황에서 방화문의 개폐와 이 연구에서 제안하는 차단막의 설치가 온도상승 및 연 기유동 속도에 미치는 영향에 대해 비교 분석하고자 한다.

제안 방법

이 연구에서는 NIST(National Institute of Standards and Technology)에서 개발하여 전 세계적으로 가장 많이 사용되고 있는 FDS(Fire Dynamics Simulator)를 이용하였다. 이 연구를 위해서는 화재구역 도면을 .dxf 파일로 제작하여 FDS에서 요구하는 데이터 포맷으로 변환 한 후 FDS를 이용하여 연구를 수행하였다.
이 연구를 위해서는 화재구역 도면을 .dxf 파일로 제작하여 FDS에서 요구하는 데이터 포맷으로 변환 한 후 FDS를 이용하여 연구를 수행하였다. 적용 방법은 Figure 1과 같다[1].
이 연구에서 검토된 선박의 세부 도면은 다음 Figure 2와 같으며, 방화문의 차단여부에 따른 온도 및 연기유동 속도 분석을 위해 복도 중앙에 방화문을 설치하였다. 차단막의 경우 복도 시작점에서 10m, 20m, 30m에 10m 간격으로 설치하였다.
하지만 선박의 경우는 롤링과 피칭에 의해 보행속도의 감소가 예상된다. 네덜란드의 TNO Human Factors는 BriteEuram 프로젝트인 MEPdesign(Mustering and Evacuation : Scientific Basis for Design)는 프로그램의 일환으로 18세에서 83세의 성인 150명을 대상으로 통로 및 계단의 경사와 동요에 의한 보행속도를 검토하였다. 이때 종동요 및 횡동요 모두에서 동요 주기 증가에 따라 약 15 [%]정도 감소됨을 알 수 있었다[4].
FDS를 사용하여 시뮬레이션을 하기 위해서는 DXF 파일로 화재구역을 제작해야하므로 AutoCAD를 이용하여 DXF 파일로 변환한 후 3차원 파일로 제작한다. 변환된 파일을 DXF2FDS 프로그램을 이용하여 FDS에서 원하는 파일로 변환한다. 이 시뮬레이션을 위한 물리적 조건은 아래와 같다.
시나리오는 Table 2에서 보는바와 같이 첫째, 방화문이 차단되지 않은 경우 둘째, 방화문이 차단된 경우 오픈시간은 승무원들이 실제 방화문을 열고 닫을 다양한 경우를 감안하여 2[sec], 3[sec], 4[sec]로 설정하였다. 셋째, 방화문 대신 본 연구에서 제안하는 차단막(차단막의 길이 20[cm], 30[cm], 40[cm])을 설치하는 경우의 시뮬레이션 결과를 비교 분석하였다. 즉, Scenario 1은 현재 선박의 시스템을 Scenario 2는 본 연구에서 제안하는 방식이다.
셋째, 방화문 대신 본 연구에서 제안하는 차단막(차단막의 길이 20[cm], 30[cm], 40[cm])을 설치하는 경우의 시뮬레이션 결과를 비교 분석하였다. 즉, Scenario 1은 현재 선박의 시스템을 Scenario 2는 본 연구에서 제안하는 방식이다.
이러한 결과를 토대로 다음 절에서는 실제 승무원 및 승객들이 닫힌 방화문을 열고 대피하는 상황을 고려하여 방화문의 오픈시간을 2[sec], 3[sec], 4[sec]로 구분하여 시뮬레이션을 실시한 결과와 본 연구에서 제안하는 차단막을 설치하여 시뮬레이션 한 결과를 비교 분석하였다
따라서 본 연구에서는 실제 선박에 설치된 방화문을 승무원들이 탈출을 하기 위해 오픈하는 시간 을 2[sec], 3[sec], 4[sec]로 설정하고 온도 및 가시거리를 시뮬레이션을 통하여 수치적으로 분석하였으며 온도 및 연기의 유동 특성을 고려하여 탈출 통로의 천정에 차단막을 20[cm], 30[cm], 40[cm]의 길이로 설치하는 방안을 제안하고 이를 실제 선박의 환경에 적용하여 시뮬레이션 하였다. 시뮬레이션 결과에서 화재 시 온도 상승 정도와 가시거리를 측정하여 기존의 방화문만을 사용하는 경우와 차단막을 설치하는 경우를 상호 비교 분석한 결과, 온도의 상승 억제 측면에서는 제안한 차단막을 사용하는 경우에 있어서 방화문만을 사용하는 경우 보다 약 17.

이론/모형

화재 시 선박 승무원의 생존율을 분석하기 위해서는 거주 공간내의 온도 및 피난에 필요한 가시거 리 검토가 필요하다. 이를 분석하기 위해서 이 연구에서는 상 하층부의 온도 및 연기 하강시간을 고려한 3차원 공간에서의 정밀하고 세분화된 해석이 가능한 Field Model방식을 사용하였다. 이 연구에서는 NIST(National Institute of Standards and Technology)에서 개발하여 전 세계적으로 가장 많이 사용되고 있는 FDS(Fire Dynamics Simulator)를 이용하였다.
이를 분석하기 위해서 이 연구에서는 상 하층부의 온도 및 연기 하강시간을 고려한 3차원 공간에서의 정밀하고 세분화된 해석이 가능한 Field Model방식을 사용하였다. 이 연구에서는 NIST(National Institute of Standards and Technology)에서 개발하여 전 세계적으로 가장 많이 사용되고 있는 FDS(Fire Dynamics Simulator)를 이용하였다. 이 연구를 위해서는 화재구역 도면을 .
대피 허용시간은 거실, 층, 복도로 나누어 설계지침을 정하고 있는데 이 연구에서는 “건설성 공시 제1441호(2000년 5월 31일)”의 복도 피난관련 수식인 # 를 적용하였으며 거주 가능시간은 26.6 초이다[2].

성능/효과

특히, 차단막 길이 40[cm] 설치시는 온도 상승폭이 적은 것으로 나타났다. 온도 상승에 대한 분석 결과 차단막을 설치하는 경우가 기존의 방화문만을 설치하는 방식보다 약 17.4[%] 감소하는 것으로 나타났다. Figure 5와 Figure 6은 Table 7의 분석 결과를 3차원 그래픽으로 표현한 것으로서 Figure 6의 차단막을 설치하는 경우에 있어서 Figure 5의 방화문만을 설치하는 경우보다 온도의 상승 분포가 짧고 낮은 것으로 나타나고 있다.
51[m]로 분석되었다. 제안하는 차단막을 설치하는 경우에 있어서 20[cm]의 차단막 설치시에는 최소 가시거리가 21.2[m]이지만 30[cm] 이상인 경우는 최대 측정값인 30[m] 이상으로 가시거리 확보에 아주 큰 효과를 주는 결과를 얻을 수 있었다.
가시거리 감소율에 대한 분석 결과에서는 차단막을 설치하는 경우가 기존의 방화문만을 설치하는 방식 보다 약 301.4[%] 감소시키는 것으로 나타났다. 즉, 차단막 설치가 기존의 방화문만을 설치하는 경우보다 인명 안전성 확보에 있어서 보다 도움이 되는 것으로 판단된다.
4[%] 감소시키는 것으로 나타났다. 즉, 차단막 설치가 기존의 방화문만을 설치하는 경우보다 인명 안전성 확보에 있어서 보다 도움이 되는 것으로 판단된다. Figure 8과 Figure 9는 방화문만을 설치하는 경우와 차단막을 설치하는 경우의 최소 가시거리 시뮬레이션 비교 분석 결과인 Table 8의 내용을 3차원 그래픽으로 표현한 것이다.
따라서 본 연구에서는 실제 선박에 설치된 방화문을 승무원들이 탈출을 하기 위해 오픈하는 시간 을 2[sec], 3[sec], 4[sec]로 설정하고 온도 및 가시거리를 시뮬레이션을 통하여 수치적으로 분석하였으며 온도 및 연기의 유동 특성을 고려하여 탈출 통로의 천정에 차단막을 20[cm], 30[cm], 40[cm]의 길이로 설치하는 방안을 제안하고 이를 실제 선박의 환경에 적용하여 시뮬레이션 하였다. 시뮬레이션 결과에서 화재 시 온도 상승 정도와 가시거리를 측정하여 기존의 방화문만을 사용하는 경우와 차단막을 설치하는 경우를 상호 비교 분석한 결과, 온도의 상승 억제 측면에서는 제안한 차단막을 사용하는 경우에 있어서 방화문만을 사용하는 경우 보다 약 17.4[%]의 개선 효과를 확인하였으며 선박 승무원 인명 안전성 확보에 아주 중요한 역할을 하는 적정 가시거리 확보에 영향을 미치는 연기 유동의 경우에는 차단막을 사용하는 경우가 방화문만을 사용하는 경우보다 약 301.4[%] 효율성이 높은 것으로 나타났다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	FDS란?	FDS는 화재로 발생하는 유체의 흐름을 계산하는 CFD모델로서 저속도의 열 흐름에 대한 Navier-Stokes 방정식의 한 형태를 수치 해석하는 필드모델로서 열 과 연기의 흐름을 강조한 방정식을 계산하는 프로그 램이다. 계산방법은 LES(Large Eddy Simulation) 또는 DNS(Direct Numerical Simulation)에 상관없이 보존방 정식에 의해 예측된다.
	본 연구에서는 실제 선박에 설치된 방화문을 승무원들이 탈출을 하기 위해 오픈하는 시간 을 2[sec], 3[sec], 4[sec]로 설정하고 온도 및 가시거리를 시뮬레이션을 통하여 수치적으로 분석하였으며 온도 및 연기의 유동 특성을 고려하여 탈출 통로의 천정에 차단막을 20[cm], 30[cm], 40[cm]의 길이로 설치하는 방안을 제안하고 이를 실제 선박의 환경에 적용하여 시뮬레이션 한 이유는?	기존의 선박에는 화재 확산을 방지하기 위해 방화문이 설치되어 있다. 서론에서 밝힌바와 같이 이 방화문은 탈출을 감행하는 승무원이 없을 경우에는 화재의 확산과 연기의 유동을 지연시켜 승무원 의 생존율을 향상 시키지만 피난을 완료하지 못한 승무원들에게는 대피 시간을 지연시켜 안전에 치 명적일 수 있다.
	FDS를 사용하여 시뮬레이션을 하기 위해서 필요한 것은?	FDS를 사용하여 시뮬레이션을 하기 위해서는 DXF 파일로 화재구역을 제작해야하므로 AutoCAD를 이용하여 DXF 파일로 변환한 후 3차원 파일로 제작한다. 변환된 파일을 DXF2FDS 프로그램을 이 용하여 FDS에서 원하는 파일로 변환한다.

참고문헌 (5)

K. B. McGrattan, G. P. Forney, Fire dynamics simulator (Version 4) user's Guide, Technical reference guide. National Institute of Standards and Technology, NIST Special Publication 1018, 2004.
Ministry of Land Infrastructure, Notification No. 1441 of the Ministry of Construction, 2000.
Korean Fire Protection Association, The SFPE handbook of fire protection engineering, 2005 (in Korean).
H. T. Kim, "The effect on the mobility of evacuating passengers in ship with regard to list and motion," Industrial Engineering Interfaces, vol. 17, no. 1, pp. 22-23, 2004 (in Korean).
D. H. Rie and J. O. Lew, "A study of heat & smoke evacuation characteristics by the changing of operational method of tunnel fan shaft ventilation system for fire on subway train vehicle," Fire Science and Engineering, vol. 17, no. 2, pp. 62-69, 2003.

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