FDS (Fire Dynamics Simulator)는 화재안전공학 분야에서 가장 널리 사용되는 전산유체역학 소프트웨어로서 화재의 성장과 영향에 대한 다양한 평가에 응용될 수 있다. 본 연구에서는 화재시 발생하는 연소가스의 독성을 평가할 수 있는 유효복용분량 (Fractional Effective Dose, FED)와 유효부분농도 (Fractional Effective Concentration, FEC) 수준을 예측하기 위하여 FDS시뮬레이션에서 얻어진 다양한 결과를 활용하였다. 그러나 FDS에서 기본적으로 제공하는 출력값으로는 이러한 값을 직접적으로 구할 수 없으므로, 피난 시뮬레이션에서 얻어진 결과를 결부시켜 별도의 계산과정을 통하여 FED와 FEC 수준을 계산하였다. 특히, 2013년 11월에 FDS의 버전이 업데이트된 바 있어 본 연구에서는 동일한 조건에 대하여 FDS의 구버전과 신버전을 비교하여 시뮬레이션 하였으며, 그 결과 FED, FEC값에 있어서 두 버전사이에 평균 약 10%의 차이가 발생함을 확인 할 수 있었다.
FDS (Fire Dynamics Simulator)는 화재안전공학 분야에서 가장 널리 사용되는 전산유체역학 소프트웨어로서 화재의 성장과 영향에 대한 다양한 평가에 응용될 수 있다. 본 연구에서는 화재시 발생하는 연소가스의 독성을 평가할 수 있는 유효복용분량 (Fractional Effective Dose, FED)와 유효부분농도 (Fractional Effective Concentration, FEC) 수준을 예측하기 위하여 FDS 시뮬레이션에서 얻어진 다양한 결과를 활용하였다. 그러나 FDS에서 기본적으로 제공하는 출력값으로는 이러한 값을 직접적으로 구할 수 없으므로, 피난 시뮬레이션에서 얻어진 결과를 결부시켜 별도의 계산과정을 통하여 FED와 FEC 수준을 계산하였다. 특히, 2013년 11월에 FDS의 버전이 업데이트된 바 있어 본 연구에서는 동일한 조건에 대하여 FDS의 구버전과 신버전을 비교하여 시뮬레이션 하였으며, 그 결과 FED, FEC값에 있어서 두 버전사이에 평균 약 10%의 차이가 발생함을 확인 할 수 있었다.
FDS (Fire Dynamics Simulator) is the most widely used computational fluid dynamics software in the fire safety engineering community, and it is applicable to various evaluations of fire growth and its effects. This study made use of a range of outputs from FDS simulation to predict FED (Fractional E...
FDS (Fire Dynamics Simulator) is the most widely used computational fluid dynamics software in the fire safety engineering community, and it is applicable to various evaluations of fire growth and its effects. This study made use of a range of outputs from FDS simulation to predict FED (Fractional Effective Concentration) and FEC (Fractional Effective Concentration) levels which are often adopted to evaluate toxicity of fire smoke. As it is not possible to calculate these values directly from outputs of FDS, it was necessary to produce them by means of additional calculation procedures incorporating results of evacuation simulation. In this study, the latest version of FDS, which was recently updated in November 2013, was utilized for the purpose of quantitative comparison with the old version of FDS. As a result, it was found that they make about 10 percent difference on average in predicting FED and FEC levels for the cable fire case study.
FDS (Fire Dynamics Simulator) is the most widely used computational fluid dynamics software in the fire safety engineering community, and it is applicable to various evaluations of fire growth and its effects. This study made use of a range of outputs from FDS simulation to predict FED (Fractional Effective Concentration) and FEC (Fractional Effective Concentration) levels which are often adopted to evaluate toxicity of fire smoke. As it is not possible to calculate these values directly from outputs of FDS, it was necessary to produce them by means of additional calculation procedures incorporating results of evacuation simulation. In this study, the latest version of FDS, which was recently updated in November 2013, was utilized for the purpose of quantitative comparison with the old version of FDS. As a result, it was found that they make about 10 percent difference on average in predicting FED and FEC levels for the cable fire case study.
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문제 정의
이러한 새로운 해석 모델들은 앞서 서술한 FED, FEC 계산에 필요한 연소가스 농도와 직결되는 변화로서 이것이 최종적인 독성 평가값에 얼마나 영향을 주는지 살펴 볼 필요가 있다. 본 연구에서는 과거 룬드대학에서 제시한 PVC 연소실험 데이터와 방법론을 토대로 새로운 FDS 버전6을 적용하여 FED, FEC 수준을 계산하고 FDS 버전에 따른 시뮬레이션 결과를 비교 분석하였다. 이들 연구 결과는 FDS를 이용한 연소가스의 독성 평가시 소프트웨어 버전에 따른 정량적 차이점을 제시하여 건물의 화재안전 설계시 안전성 확보에 기여하고자 한다.
본 연구에서는 과거 룬드대학에서 제시한 PVC 연소실험 데이터와 방법론을 토대로 새로운 FDS 버전6을 적용하여 FED, FEC 수준을 계산하고 FDS 버전에 따른 시뮬레이션 결과를 비교 분석하였다. 이들 연구 결과는 FDS를 이용한 연소가스의 독성 평가시 소프트웨어 버전에 따른 정량적 차이점을 제시하여 건물의 화재안전 설계시 안전성 확보에 기여하고자 한다.
제안 방법
FED와 FEC를 계산하기 위해서 FDS 시뮬레이션으로부터 가스온도와 밀도, 수트(soot)와 이산화탄소의 질량분율(mass fraction) 등을 출력하고 이상기체 상태방정식에 의해 농도(kg/m3)로 변환한다. 이때 각 시간 단계별로 이산화탄소의 농도를 확인하여 2 vol% 이상일 경우 FED의 각 항에 과호흡인자를 곱해주어야 한다.
본 연구에서는 특정 공간에 대한 FED나 FEC 값을 평가하는 것이 아니고 실제 건물에 있는 재실자가 피난과정에서 독성연기에 노출되는 수준을 시간에 따라 개인별로 평가하고자 하는 것이기 때문에 피난시뮬레이션 결과를 필요로 한다. 본 연구에서는 앞에서 기술한 바와 같이 룬드대학의 피난시뮬레이션 결과를 인용하였다[2].
할로겐 화합물 케이블로는 PVC가 사용되었고 연소실험시 일산화탄소, 이산화탄소 및 염화수소가 연소생성물로서 발생되었다. 이러한 실험데이터를 바탕으로 실제 존재하는 대학건물에 대하여 화재시나리오를 구성하고 FDS 버전5를 사용하여 시뮬레이션 하였다. 이와 더불어 같은 건물에서 실제 실행한 피난실험 결과를 바탕으로 피난 시나리오를 구성하고 이에 대한 피난시뮬레이션이 이루어졌으며, 시간에 따른 각 피난자 개개인의 FED와 FEC 수준을 평가하기 위해 최종적으로 FDS 시뮬레이션 결과와 피난 시뮬레이션 결과를 결부시켜 MATLAB을 이용하여 계산하였다.
이러한 실험데이터를 바탕으로 실제 존재하는 대학건물에 대하여 화재시나리오를 구성하고 FDS 버전5를 사용하여 시뮬레이션 하였다. 이와 더불어 같은 건물에서 실제 실행한 피난실험 결과를 바탕으로 피난 시나리오를 구성하고 이에 대한 피난시뮬레이션이 이루어졌으며, 시간에 따른 각 피난자 개개인의 FED와 FEC 수준을 평가하기 위해 최종적으로 FDS 시뮬레이션 결과와 피난 시뮬레이션 결과를 결부시켜 MATLAB을 이용하여 계산하였다.
대상 데이터
FDS 시뮬레이션의 해석대상 공간은 Fig.1 과 같이 길이 30m, 너비 9m, 높이 7m의 실제 존재하는 대학건물로서 1층과 내부에 발코니가 있는 2층 구조이며, 1층과 2층 사이는 아트리움으로 개방되어 있는 공간이다.
이론/모형
즉, 연소된 연료와 미연소된 연료의 질량 분율만이 FDS에서 명시적으로 계산되기 때문에 사용자는 연소 반응물과 생성물을 구체적으로 지정하지 않았다. 그러나 FDS6에서는 반응식의 공기, 연료, 연소생성물 중에 연료와 연소생성물을 집합적으로 계산하는 혼합제어모델(mixing-controlled model)을 채택하였다. 만약 연료가 탄화수소와 같이 이미 FDS에 내장된 종류라면 화학양론반응식은 사용자에 의해 지정될 필요가 없지만, 본 연구에서 분석하고자 하는 PVC와 같은 가연물은 연소 반응에 대한 화학양론식을 직접 제시해 주어야 한다.
본 연구에서 채택한 FED와 FEC 계산 방법은 일산화탄소의 질량분율을 이용하는 것이다. FDS6에서는 미소 격자의 질량분율이 단순히 0이나 1과 같은 고정값이 아니고 혼합된 평균값이 시간에 따라 변화할 수 있기 때문에 FDS5에서 적용했던, 연료 질량분율과 탄소함유 연소생성물(일산화탄소, 이산화탄소, 수트(soot) 등)에 대한 질량분율의 단순한 선형 조합인 혼합분율모델(mixture fraction model)에 비해 더 정확한 값을 얻을 수 있었다[8].
일반적으로 건물내 화재 발생 시 연소가스의 독성을 평가할 수 있는 지수로는 FED와 FEC 수준을 평가한다. 본 연구에서는 FED와 FEC 수준은 ISO Technical Specification[5]에 따라 계산하였다. 화재 시 발생되는 질식성 가스에 대한 FED를 계산하는 공식은 식(1)과 같다.
성능/효과
FDS를 활용한 화재시 연소가스의 독성평가에 대한 비교 연구로부터 얻어진 주요한 결론은 다음과 같다. FDS5로부터 얻어진 FED와 FEC 결과를 FDS6에서 시뮬레이션한 결과와 비교했을 때 케이블 화재의 경우 FDS6의 결과가 평균 약 10% 정도 작은 값이 도출되는 것을 확인 할 수 있었다. 이에 대해 가능한 원인으로는 FDS6에서 수트(soot)와 일산화탄소의 생성량 계산에 있어 이전 보다 향상된 연소모델인 “부분혼합 회분반응기모델”을 채택하였기 때문으로 분석된다.
즉, 피난조건 설계의 측면에서 FDS5를 활용한 건물의 화재안전 설계는 본질적으로 평균 약 10% 정도의 과설계를 수반할 수 있다는 점이다. 그러나 이것은 건물 내 거주한계조건을 실제보다 가혹한 조건으로 예측한다는 점에서 보수적인 설계라고 볼 수 있으므로, 기존에 FDS 버전5를 가지고 이루어졌던 설계가 안전성 확보라는 관점에서는 문제가 되지 않을 것으로 판단된다.
FDS는 특정 위치에서의 FED 결과값만 제공할 수 있기 때문이다. 따라서 피난시뮬레이션 결과로부터 시간에 따른 피난자의 위치정보를 얻을 수 있었고, 이를 FDS에서 얻어진 각종 독성가스 정보와 결합하여 FED와 FEC를 별도로 계산할 수 있었다. 이러한 별도의 계산은 MATLAB 소프트웨어를 활용하였으며 MATLAB에서는 다음과 같은 연산이 이루어진다.
미소 격자 단계에서 혼합도가 고려되지 않기 때문에 혼합분율모델은 일산화탄소와 수트(soot) 생성량을 과소평가 하거나 과대 평가할 수 있다. 앞에서 논한 바와 같이 FDS 버전6에서 보다 향상된 연소모델과 난류모델을 적용한 것을 고려하면 금번의 시뮬레이션에서는 FDS5가 일산화탄소 질량분율과 수트(soot) 질량분율을 계산함에 있어 약 10% 이상 크게 예측하고 있으며 결과적으로 FED와 FEC 수준도 FDS6에 비해 높게 나타나는 것으로 사료된다.
따라서 FDS를 이용한 연소가스의 독성과 이에 따른 거주한계조건 평가시 이러한 소프트웨어 버전에 따른 정량적 차이점을 염두에 두어야 할 것이다. 즉, 피난조건 설계의 측면에서 FDS5를 활용한 건물의 화재안전 설계는 본질적으로 평균 약 10% 정도의 과설계를 수반할 수 있다는 점이다. 그러나 이것은 건물 내 거주한계조건을 실제보다 가혹한 조건으로 예측한다는 점에서 보수적인 설계라고 볼 수 있으므로, 기존에 FDS 버전5를 가지고 이루어졌던 설계가 안전성 확보라는 관점에서는 문제가 되지 않을 것으로 판단된다.
후속연구
이에 대해 가능한 원인으로는 FDS6에서 수트(soot)와 일산화탄소의 생성량 계산에 있어 이전 보다 향상된 연소모델인 “부분혼합 회분반응기모델”을 채택하였기 때문으로 분석된다. 따라서 FDS를 이용한 연소가스의 독성과 이에 따른 거주한계조건 평가시 이러한 소프트웨어 버전에 따른 정량적 차이점을 염두에 두어야 할 것이다. 즉, 피난조건 설계의 측면에서 FDS5를 활용한 건물의 화재안전 설계는 본질적으로 평균 약 10% 정도의 과설계를 수반할 수 있다는 점이다.
참고문헌 (8)
Purser, D.A., Toxicity Assessment of Combustion Products, SFPE Handbook of Fire Protection Engineering, 3rd ed., National Fire Protection Association, Quincy, MA, 83-171, (2003)
Patrick van Hees, Daniel Nilsson, Emil Berggren, Simulation of critical evacuation conditions for a fire scenario involving cables and comparison of two different cables, Report 3147, Lund University, Sweden, (2010)
Kevin McGrattan, et. al, Fire Dynamics Simulator (6th Edition) User''s Guide, NIST special publication 1019, FDS Version 6.0.1, SVN revision 17529, NIS, (2013)
Anna Stec, and Richard Hull, Fire Toxicity, CRC Press, (2010)
Technical Specification ISO/TS 13571:2002(E), Life-threatening components of fire Guidelines for the estimation of time available for escape using fire data, Geneva, ISO, (2002)
B.F. Magnussen and B.H. Hjertager. On Mathematical Modeling of Turbulent Combustion with Special Emphasis on Soot Formation and Combustion. Proceedings of the Sixteenth Symposium on Combustion, Combustion Institute, Pennsylvania, 719-729, (1977)
Kevin McGrattan, et. al, Fire Dynamics Simulator (6th Edition) Technical Reference Guide Volume 1: Mathematical Model, NIST special publication 1018, FDS Version 6.0.1, SVN revision 17529, NIST, (2013)
Kevin McGrattan, et. al, Fire Dynamics Simulator (version 5) Technical Reference Guide, NIST special publication 1018-5, FDS Version 5.2.5, SVN revision 2076, NIST, (2012)
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