본 연구에서는 화재 해석 프로그램인 FDS와 Pathfinder를 이용하여 협소 거주공간의 사고재현을 위해 테스트베드의 화재를 시뮬레이션하였다. 해석 결과, 내부 구조 형태가 H형태인 경우가 피난대피 시간이 285초로 가장 빠르게 나타났다. 또한 실험 조건 중 출입구가 닫히고 스프링클러가 작동하는 경우가 온도의 분포가 가장 낮게 나타났으며, 이는 가시도와 연기농도에도 큰 영향을 끼치는 것으로 나타났다.
본 연구에서는 화재 해석 프로그램인 FDS와 Pathfinder를 이용하여 협소 거주공간의 사고재현을 위해 테스트베드의 화재를 시뮬레이션하였다. 해석 결과, 내부 구조 형태가 H형태인 경우가 피난대피 시간이 285초로 가장 빠르게 나타났다. 또한 실험 조건 중 출입구가 닫히고 스프링클러가 작동하는 경우가 온도의 분포가 가장 낮게 나타났으며, 이는 가시도와 연기농도에도 큰 영향을 끼치는 것으로 나타났다.
In this study, the fire analysis program FDS and Pathfinder was used to analysis a simulated accidental fire of a narrow dwelling space as a test bed. The results showed that the evacuation time of the H form internal building structure was the fastest at 285 seconds. In addition, when the automatic...
In this study, the fire analysis program FDS and Pathfinder was used to analysis a simulated accidental fire of a narrow dwelling space as a test bed. The results showed that the evacuation time of the H form internal building structure was the fastest at 285 seconds. In addition, when the automatic sprinkler system functioned with the entrances closed, the temperature distribution was lower and the visible smoke density was reduced.
In this study, the fire analysis program FDS and Pathfinder was used to analysis a simulated accidental fire of a narrow dwelling space as a test bed. The results showed that the evacuation time of the H form internal building structure was the fastest at 285 seconds. In addition, when the automatic sprinkler system functioned with the entrances closed, the temperature distribution was lower and the visible smoke density was reduced.
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문제 정의
본 연구에 사용되는 FDS는 미국 NIST에서 개발된 화재 해석 프로그램이며, 테스트베드에서의 화재를 모사하기 위하여 협소 거주공간에 대한 열 유동, 가시도, 연기유동 등을 분석하여 이를 피난 계획에 기초 데이터로 활용하고자 하였다. 이를 분석하기 위해 시뮬레이션의 기본 설정은 아래의 Table 2와 같으며 격자크기는 McCaffrey의 연구에서 제시한 characteristicfire diameter와 미국원자력규제위원회의 NUREG-1824보고서[5]를 통하여 제시된 격차 민감도 수용범위를 통하여 계산하면 다음 식 (1), (2)와 같다[4][5].
화재가 발생하면 화재의 확산을 막고 피난 경로를 확보하기 위해 구조물의 구조형태, 내장재의 특성 및 내실자의 특성 등 여러 인자를 고려하여 이를 계획하여야 한다. 본 연구에서는 협소 거주공간에 화재가 발생 시 이를 예측하고 피난 대책을 세우기 위해 화재 프로그램인 FDS와 Pathfinder를 이용하여 시뮬레이션을 수행하였다. 수행결과를 토대로 본 연구의 내용을 요약하면 다음과 같다.
이러한 가변형 구조 및 다양한 벽체 재질을 화재 실험변수로 하여 대표적인 화재 시뮬레이션용 상용 소프트웨어인 FDS(Fire Dynamics Simulator)와 피난 해석 프로그램인 Pathfinder를 통해 가상으로 구축한 테스트베드에서 모의실험을 실시하였다. 이러한 모의실험의 분석 결과를 바탕으로 안전한 대피 계획 수립 시 기초 데이터로 활용하고자 한다[3].
제안 방법
Table 1과 같은 테스트베드의 크기는 15.2m×11.2m×2.4m인165㎡로 실험공간을 모델링하였으며, 내부의 구조 형태는 ㅁ형, ㄷ형, H형과 같이 가변형 벽체를 통하여 다양한 내부 구조에 따른 다양한 화재의 형상을 파악하고자 하였다.
그리고 건축물내의 수용인원은 ‘화재예방, 소방시설 설치유치 및 안전관리에 관한 법률 시행령’에 구체적인 수용인원의 산정방법을 추가하여 특정소방대상물에 적용되는 소방시설을 산출하는데 활용하였으며, 상업용도 내에 지하층 판매지역의 2.8㎡/인을 적용하여 수용인원 56명을 배치하는 조건으로 시뮬레이션을 실시하였다.
발열량은 최대 발열량에 도달 후 유지되는 형태로 설정하였다. 기본적으로 소화설비 및 제연설비는 없는 것으로 설정하였으며 시뮬레이션 시간은 600초(10분)로 설정하여 진행하였으며, 초기온도 20℃에서 전열기구 과열로 인한 침대화재를 주 화원으로 선정하였다.
본 연구에서는 협소 거주공간 사고재현을 위해 화재 해석 프로그램인 FDS(열 유동, 가시도, 연기유동 등)와 Pathfinder(피난과 인간행동)를 통해 테스트베드의 화재를 시뮬레이션하였다. Table 1과 같은 테스트베드의 크기는 15.
하지만 협소 거주공간은 좁고 복잡한 구획된 공간이라는 특수한 환경이라는 점을 고려하여 건축물 내부의 복잡한 구조에서 작업을 전개할 수 있도록 하여야 하며, 이동식 벽체(경량칸막이, 조적조, 콘크리트 블록조 등), 다양한 구조(ㅁ형, ㄷ형, H형 등)를 고려하여 공간의 다양한 패턴을 분석하였다. 이러한 가변형 구조 및 다양한 벽체 재질을 화재 실험변수로 하여 대표적인 화재 시뮬레이션용 상용 소프트웨어인 FDS(Fire Dynamics Simulator)와 피난 해석 프로그램인 Pathfinder를 통해 가상으로 구축한 테스트베드에서 모의실험을 실시하였다. 이러한 모의실험의 분석 결과를 바탕으로 안전한 대피 계획 수립 시 기초 데이터로 활용하고자 한다[3].
이와 같은 재난발생시 잠재하고 있는 여러 위험요소를 고려하여 피난계획을 수립해야 한다. 하지만 협소 거주공간은 좁고 복잡한 구획된 공간이라는 특수한 환경이라는 점을 고려하여 건축물 내부의 복잡한 구조에서 작업을 전개할 수 있도록 하여야 하며, 이동식 벽체(경량칸막이, 조적조, 콘크리트 블록조 등), 다양한 구조(ㅁ형, ㄷ형, H형 등)를 고려하여 공간의 다양한 패턴을 분석하였다. 이러한 가변형 구조 및 다양한 벽체 재질을 화재 실험변수로 하여 대표적인 화재 시뮬레이션용 상용 소프트웨어인 FDS(Fire Dynamics Simulator)와 피난 해석 프로그램인 Pathfinder를 통해 가상으로 구축한 테스트베드에서 모의실험을 실시하였다.
대상 데이터
피난에 대한 해석을 위해 Table 5와 같이 신체특성 및 보행속도, 피난시나리오를 선정하였다. Pathfiner의 경우 내부 입력된 데이터는 국외 인원들의 신체조건을 분석한 결과를 사용한 변수값이므로, 본 연구에서는 국내 실정에 맞게 하기 위해 한국인 인체 치수 조사(Size Korea, 2010년, 6차) 자료를 바탕으로 기본 신체특성을 설정하여 사용하였다. 또한 국내 재실자의 보행속도는 ‘표준화재모델에 따른 화재 확대방지 및 피난안전설계 기술개발’(한국건설기술연구원, 2009)에서 조사한 연구현황 분석을 통해 제안한 표준치수를 사용하였다[6].
본 연구에서 진행된 화재시뮬레이션은 온도, 가시도 및 연기농도에 대하여 호흡한계선인 1.8m를 기준으로 측정을 진행하였다. 온도의 안전기준은 대피자의 한계 대피 온도로 미국 방화협회(National Fire Protection Association: NFPA)의 방재기술(Fire Protection Engineering)에 기술된 대피자의 피부 산화가 최초 진행되는 60℃를 기준으로 하며, 이는 국민안전처 고시 제2016-30호, 소방시설 등의 성능위주설계 방법 및 기준 중 별첨 1에 시나리오 적용 기준 내에 인명안전기준에 제시되는 성능기준에 준용하여 적용되고 있다.
이론/모형
또한 국내 재실자의 보행속도는 ‘표준화재모델에 따른 화재 확대방지 및 피난안전설계 기술개발’(한국건설기술연구원, 2009)에서 조사한 연구현황 분석을 통해 제안한 표준치수를 사용하였다[6].
성능/효과
(1) FDS를 통한 협소 거주공간의 화재 발생 시 온도분포를 살펴보면, 구조물 내부형태에 의한 영향보다는 출입문의 닫힘과 스프링클러가 작동하는 경우가 화재에 대한 위험도가 낮게 나타났다. 이는 화재 발생 시 화재가 다른 곳으로 번짐을 방지하고 확산되는 것을 방지함에 따라 이와 같은 결과가 나타난 것으로 판단된다.
(2) 가시도를 분석한 결과 대부분의 case가 위험도에 도달하지 않았지만 ‘출입문 닫힘’ 조건에서는 가시도가 인명안전기준에 도달하는 것으로 나타났다.
(3) 화재 발생 후 구조물 내부에 발생하는 연기농도의 경우 큰 차이를 나타나지는 않았지만, 스프링클러의 유무에 따라 연기농도는 약 2.45×10-05kg/㎥정도의 차이를 나타내었다.
(4) 피난 시뮬레이션인 Pathfinder를 수행한 결과, 화재 발생 시 가장 안전한 구조 형태는 H형태로 나타났으며, 피난 완료시간은 285초로 가장 늦은 시간을 나타낸 ㄷ형과는 약 28초의 차이를 나타내었다. 이는 협소 거주공간에 대한 실내구조에 대한 형태를 설계시 반영하여야 할 사항으로 판단된다.
FDS 분석 결과 대부분 실험 조건에서 가시도의 인명안전기준에 도달하지 않은 것으로 나타났다. 반면 출입문 조건이 닫힘 조건에서는 가시도가 인명안전 기준에 도달하는 것으로 나타났다.
이는 화재 발생 시 화원과 가장 가까운 지점에서 연기가 빠져나갈 수 있는 공간 확보가 안되어 이와 같은 결과를 나타낸 것으로 사료된다. 또한 실험 조건 중 S/P가 있는 경우의 초기에도 가시도가 인명안전 기준에 도달하는 것으로 나타났으며, 이는 화원과 가장 가까운 곳에 스프링클러가 작동함에 따라 수증기와 연기로 인해 시야의 확보가 어려운 것으로 파악된다.
화재 발생 시 이와 같은 시뮬레이션 결과를 바탕으로 모든 구조 형태에서 “출입문 개방, S/P 없음”의 경우가 가장 위험도가 높게 나타났으며, “출입구 폐쇄, S/P 있음"이 위험도가 가장 낮은 것으로 나타났다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
협소 거주공간이란?
협소 거주공간이란 특정 또는 불특정한 사람이 이용하는 소방대상물 중에서 화재 등 재난 발생 시 생명․신체․재산상의피해가 발생할 우려가 높은 것으로서 대통령(또는 총리령)으로 정하는 구획된 공간을 가진 소방대상물을 말하며, 건축물 내부에 벽과 출입문으로 구획된 공간을 말한다. 이러한 협소 거주공간은 불특정 다수를 대상으로 서비스를 제공하거나 일정 기간 거주하는 용도로 사용되기 때문에 그에 필요한 물품을 비치하고 있으며, 이러한 물품은 가연성으로 화재 안전이나 화재진압의 측면에서 볼 때 위험요인이나 장애요인이 될 수밖에 없다[2].
화재에 위협이 되는 가연성 제품을 협소 거주공간에 비치하게 되는 이유는?
협소 거주공간이란 특정 또는 불특정한 사람이 이용하는 소방대상물 중에서 화재 등 재난 발생 시 생명․신체․재산상의피해가 발생할 우려가 높은 것으로서 대통령(또는 총리령)으로 정하는 구획된 공간을 가진 소방대상물을 말하며, 건축물 내부에 벽과 출입문으로 구획된 공간을 말한다. 이러한 협소 거주공간은 불특정 다수를 대상으로 서비스를 제공하거나 일정 기간 거주하는 용도로 사용되기 때문에 그에 필요한 물품을 비치하고 있으며, 이러한 물품은 가연성으로 화재 안전이나 화재진압의 측면에서 볼 때 위험요인이나 장애요인이 될 수밖에 없다[2].
협소 거주공간에서 피난 시 공황에 빠질 가능성이 큰 이유는?
따라서, 화재가 발생하였을 때 대피구조가 복잡하여 혼란이 발생하고 동일한 공간일지라도 건물의 구조에 따라 피난방향과 피난동선이 달라지기 때문에 공황에 빠질 가능성이 크다. 이와 같은 재난발생시 잠재하고 있는 여러 위험요소를 고려하여 피난계획을 수립해야 한다.
참고문헌 (6)
Eungu Ham, Dongcheol Kim, Changwoo Lee, (2015), "A Study on Fire Risk Assessment of a EPS room using Fire Simulation", Journal of Korea Society of Disaster, Vol.11, No.4, pp.581-588.
Ministry of Public Safety and Security, National Fire Data System
Pathfinder user manual, Thunderhead Engineering, 2016
B. McCaffrey, (1995), The SFPE handbook of Fire Protection Engineering, 2nd ed., Society of Fire Protection Enginners and national Fire Protection Association, Quincy, MA
M. H. Salley, (2007), Verification and Validation of Selected Fire Models for Nuclear Power Plant Applications: Fire Dynamics Simulator (FDS) (NUREG-1824, Volume 7), U.S. Nuclear Regulatory Commission
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