[논문]화재 시뮬레이션(FDS)을 이용한 거실제연설비 개선에 관한 연구

김미선; 백은선

doi:10.7731/kifse.2017.31.4.026

화재 시뮬레이션(FDS)을 이용한 거실제연설비 개선에 관한 연구
A Study on Improvenment of Livingroom Smoke-control System using the FDS 원문보기

한국화재소방학회 논문지= Fire science and engineering, v.31 no.4, 2017년, pp.26 - 34

김미선 (동신대학교 대학원 소방학과) , 백은선 (동신대학교 소방행정학과)

초록
AI-Helper

본 논문은 거실제연설비의 인접구역 상호제연방식의 성능 확인 및 향상을 위한 논문으로써 국가화재안전기준(NFSC)과 NFPA 연기제어에 관한 규정을 비교 분석하였다. 분석방법은 화재 시뮬레이션(FDS)을 통해 모델링을 실시하여, 급기량 변화, 제연경계의 폭, 화재실내 가연물 변화, 유입공기의 풍속차이를 통해 이루어졌다. 그 결과 청결층 확보를 위해 급기량을 배출량 이하로 하였을때 화재실에서의 청결층 확보에 유리한 것으로 나타났으나 급기실에서는 급기량을 배출량 이상으로 하였을때 청결층 확보에 유리한 것으로 나타났으며, 제연경계의 폭이 길어질수록 성능 확보에 유리한 것으로 나타났다. 또한 가연물의 종류에 따라 급기량과 배출량을 고려해야 하며, 공기유입구 풍속은 급기량을 감소시킴과 동시에 공기유입구 풍속을 낮게 하므로써 화재실의 청결층 확보에 유리한 것으로 나타났다.

Abstract ▼ AI-Helper

The purpose of this study is to identify and improve the performance of the adjacent room ventilation system in living room ventilation facilities, and compare and analyze the smoke control regulations of the NFPA code and the national fire safety standard (NFSC). The analysis method was fire dynamics simulation (FDS) and was used to analyze the, variations of the air supply amount, width of the boundary, change in indoor combustion and wind velocity of the incoming air. It was found to be advantageous to secure the clean layer when the amount of air supplied is less than the amount of discharged air in the fire room. However, in the supply room, it is more effective to secure the clean layer when the amount of supplied air is larger than the amount of discharged air, as a longer boundary width gives rise to better performance. In addition, it is necessary to consider the amount of air supplied and discharged as a function of the kind of flammable material. Moreover, decreasing the air inlet wind speed and amount of incoming air is advantageous for securing the clean layer of the fire room.

주제어

표/그림 (11)

그림 Figure 1. Configuration and specifications of the experimental model.
표 Table 1. Compared NFSC with NFPA
표 Table 2. Combustible Characteristic
표 Table 3. Appropriateness of Grid According to Flammable
표 Table 4. The Results of Visibility According to Air Supply Amount
표 Table 5. The Results of CO Concentration According to Air Supply Amount
표 Table 6. The Results of CO₂ Concentration According to Air Supply Amount
표 Table 7. The Results of O₂ Concentration According to Air Supply Amount
표 Table 8. The Results of According to Width of the Boundary
표 Table 9. The Results of According to Wind Velocity of the Incoming Air
표 Table 10. The Results of According to Change for Combustible

AI 본문요약
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문제 정의

따라서 본 논문에서는 NFSC와 NFPA에서 규정하고 있는 기준의 상이함을 화재 시뮬레이션(FDS)을 이용하여 배출량을 기준으로 급기량 변화, 제연경계 폭의 변화, 가연물의 종류에 따른 특성분석, 공기유입 풍속의 변화를 통해 거실제연설비의 성능을 개선하고자 한다.
본 논문은 화재 시뮬레이션(FDS)을 통하여 거실 제연설비 중 대규모 거실의 인접지역 상호제연 방식의 개선에 관하여 국가화재안전기준(NFSC)과 NFPA의 규정을 비교 분석하였다. 동일한 연기 배출량 등을 적용하려 하였으나 산정하는 방법 및 산정 시 변수가 동일하지 아니하여 실질적인 한계가 있을 것으로 판단된다.
본 연구는 NFSC 와 NFPA의 상이한 규정 중 급기량, 제연경계 폭, 공기유입구 풍속, 가연물의 종류(열방출률)에 따라 어떠한 차이를 가져오는지를 확인하기 위하여 FDS를 수행하여 수치해석을 한 결과 다음과 같은 결론을 얻었다.

가설 설정

본 논문에서 수치해석한 모델은 가상의 단층 건축물로 바닥면적 1,800 m²이며 용도는 판매시설로 가정하였다. 건물의 실 높이(바닥에서 반자까지의 높이)는 3.

제안 방법

결과분석은 성능설계 기준의 피난가능시간 기준 중 상점의 피난가능시간 W3의 기준인 6분(360초)에 10% 여유율를 더하여 400초 일때의 기준으로 가시거리, CO, CO₂, O₂의 특성을 파악하였다. 열에 의한 영향은 큰 영향이 나타나지 않았으며, 비교에 따른 차가 적어 결과 항목에서 제외하였다.
공기유입구 및 배기구의 크기는 가로 60 cm×세로 60 cm를 적용하여 공기유입구의 크기 규정인 배출량 1 m3/min에 대하여 35 cm2 이상과 풍속 5 m/s 이하(국가화재안전기준 NFSC 501 제8조 6항)를 만족하게 하였고, 유입구 크기에 따른 풍속 4.75 m/s 와 NFPA 규정인 1.02 m/s 의 차이를 통한 영향을 측정한다.
8 m의 높이에 설치하였으며 Figure 1에서와 같이 설치하였다. 또한 측정 기준은 동 기준 별표1의 인명안전기준의 가시거리, 온도, CO, CO₂, O₂에 의한 영향을 기준으로 하였으며, 각 Zone마다 9개씩 Device를 설치하여 상점의 피난 가능시간 기준은 6분(360초)(소방방재청 고시 제 2013-10호)를 만족하기 위해 400초에 도달하는 결과값을 통해 각 조건을 비교하였다.
본 연구에서는 Polyurethane을 가연물로 하여 시뮬레이션을 실시하였다. 또한 가연물 변화에 따른 영향을 측정할 경우에는 Wood (red oak)와 비교를 통해 이루어 졌다.
산정한 배출량 50,000 m3/h를 기준으로 10% (5,000 m3/h)씩 감소한 25,000 m3/h∼45,000 m3/h 5개, 10%씩 증가한 55,000 m3/h∼75,000 m3/h의 급기량 변화에 의한 영향을 측정한다.
연기발생량이 많은 Polyurethane과 연기발생량이 적은 Wood (red oak)의 차이를 통한 영향을 측정한다.
4 m를 적용하여 대상 건축물을 Supply-zone (급기실), Exhaust-zone (화재실), Adjoining-zone (인접실)으로 구성하였다. 한 개의 Zone 의 면적을 각각 600 m²로 모델링 하였으며, 대규모 거실의 배출량을 적용하여 Zone의 대각선의 거리를 구한 결과 약 36 m로 나타나 40 m범위와 수직거리인 바닥으로부터 제연경계 하단까지 거리 2.8 m를 적용한 50,000 m³/h을 기준량으로 적용하였다.
화재는 모델링된 3개의 Zone중 Exhaurst-zone의 정중앙에서 화재가 발생한 것으로 설정하였으며 Supply-zone에서 급기를 실시하였고, 다음의 각 조건에 의해 시뮬레이션을 수행하였다.

대상 데이터

이며 용도는 판매시설로 가정하였다. 건물의 실 높이(바닥에서 반자까지의 높이)는 3.4 m를 적용하여 대상 건축물을 Supply-zone (급기실), Exhaust-zone (화재실), Adjoining-zone (인접실)으로 구성하였다. 한 개의 Zone 의 면적을 각각 600 m²로 모델링 하였으며, 대규모 거실의 배출량을 적용하여 Zone의 대각선의 거리를 구한 결과 약 36 m로 나타나 40 m범위와 수직거리인 바닥으로부터 제연경계 하단까지 거리 2.
당해 프로그램을 통해 건축물의 위험요소를 사전에 예측하고, 이에 대한 대책을 설계에 반영하므로써 화재로 인한 피해를 최소화 하는 대책을 수립에 큰 역할을 한다. 본 연구는 FDS Ver 5.5.3을 사용하였다.

이론/모형

본 연구 에서는 화재 시뮬레이션(Fire Dynaimics Simulatior : FDS)을 사용하였다. FDS는 Navier-Stokes Equations을 토대로 연산된 결과를 연기와 온도 및 유동에 의한 영향을 평가할 수 있으며, 일반적으로 질량보존의 법칙, 운동량 보존의 법칙, 에너지 보존의 법칙, 이상기체상태 방정식을 지배방정식으로 실행된다.
연기의 배출량은 각 실의 면적이 600 m²이므로 400 m² 거실의 수직거리 2.5 m 초과 3 m 이하인 50,000 m³/h (국가화재안전기준 NFSC 501 제6조 2항의 2)를 적용하였다. 산정한 배출량 50,000 m³/h를 기준으로 10% (5,000 m³/h)씩 감소한 25,000 m³/h∼45,000 m³/h 5개, 10%씩 증가한 55,000 m³/h∼75,000 m³/h의 급기량 변화에 의한 영향을 측정한다.

성능/효과

91%, Exhaust-zone의 경우 19%와 비교해 더 높은 겻으로 나타났다. CO₂의 경우 Supply-zoen과 Exhaust-zone 모두 풍속이 4.75 m/s와 1.02 m/s인 경우 인명안전기준인 5% 이하로 나타났으며, 공기유입구 풍속이 낮을 경우 O₂ 농도도 낮은 것을 확인할 수 있었다.
3 ppm으로 확연한 차이를 보이고 있다. O₂는 나무의 경우가 Supply-zone과 Exhaust-zone에서 O₂ 농도가 더 높게 나타났으며 CO₂ 농도는 폴리우레탄의 경우 Supply-zone에서 0.07%, Exhaust-zone에서 1.5%로 나타났으며, 나무의 경우 Supply-zone에서 0.01%, Exhaust-zone에서 0.51%로 높게 나타났다.
가시거리를 통한 급기량 변화에 따른 특성을 분석한 결과 Supply zone의 경우 35,000 m³/h 일때 16.25 m, 40,000 m³/h는 19.2 m, 45,000 m³/h는 11.63 m로 성능기준을 만족하였으며 비교적 기준량인 50,000 m³/h에 가까워 질수록 성능확보에 유리한 것으로 나타났다. 또한 기준량 이상인 경우 55,000 m³/h와 60,000 m³/h일 때 각각 7.
가연물 종류에 따른 변화를 보기 위해 급기량이 NFSC 기준으로 산정한 50,000 m³/h로 가연물의 종류에 따라 가시거리 CO, O₂, CO₂의 발생량에 차이가 있음을 확인 할 수 있었다. 그 결과는 가시거리의 경우 발연량이 높은 폴리우레탄의 경우 Supply-zone에서 18.
공기유입구 풍속 변화를 보기 위하여 급기량이 NFSC 기준으로 산정한 50,000 m³/h로 Supply-zone의 경우 유입구 풍속이 4.75 m/s 일때 10.58 m, 1.02 m/s 이하 일 때 21.14 m를 나타내었으며, Exhaust-zone의 경우 또한 가시거리가 1.02 m/s 일 때가 19.87 m로 4.75 m/s일 때 보다 약 6배 정도의 차이를 보이고 있으며, Supply-zone와 Exhaust-zone 모두 성능기준인 10 m를 만족하였다. CO의 농도 또한 풍속이 1.
그러나 CO를 통해 각 Zone의 특성을 비교한 결과 기준량인 50,000 m3/h 미만에서는 화재실인 Exhaust-zone에서 약 400 ppm 정도의 농도를 나타내는 것으로 나타났으며, Adjoining-zone에서 약 108 ppm∼51.8 ppm의 농도를 나타내었다.
급기량의 경우 배출량 이상으로 규정하고 있으나 제연설비가 동작하는 화재실과 급기실의 경우 급기량이 적을 경우가 청결층 확보를 통한 피난안전성이 확보되는 것을 확인하였으며 인접실인 Adjoining-zone의 경우 급기량이 많아짐에 따라 가시거리에 유리한 것으로 나타났다. 이에 따라서 급기량의 재 산정 검토 필요성과 제연설비가 동작하지 않는 Adjoining-zone의 경우 피난을 위한 피난시설은 급기실과 연동하여 작동하는 System의 설치를 고려해야 할 필요가 있다
63 m로 성능기준을 만족하였으며 비교적 기준량인 50,000 m³/h에 가까워 질수록 성능확보에 유리한 것으로 나타났다. 또한 기준량 이상인 경우 55,000 m³/h와 60,000 m³/h일 때 각각 7.56 m와 8.98 m로 성능기준에 만족하지 못하는 것으로 나타났으나, 그 이상의 경우 65,000 m³/h에서 15.8 m, 70,000 m³/h일 때 21.02 m 75,000 m³/h일 때 25.39 m로 나타나 급기량이 증가할수록 성능확보에 유리한 것으로 나타났다.
11 m로 인명안전기준을 만족하지 못하는 것으로 나타났다. 또한 기준량 이하인 30,000 m³/h, 35,000 m³/h, 40,000 m³/h일 때 각각 12.09 m, 10.44 m, 10.19 m로 인명안전기준을 만족하는 것으로 나타났다. 기준량 이상일 경우 55,000 m³/h∼ 75,000 m³/h에서 모두 약 3 m 이하로 인명안전기준의 10 m에 못 미치는 영향을 나타내었다.
1%로 나타났으며 기준량 이상일 경우 약 20% 이상의 농도를 나타내었다. 또한 모든 실에서의 O₂ 농도는 인명안전기준인 15%를 모두 만족하는 것으로 나타났다.
제연경계 폭의 경우 연기층을 형성하여 청결층 아래로 내려오는 것을 방지 위한 것으로 0.6 m인 경우 보다는 제연경계의 폭이 길어질수록 제연의 효과가 높아짐을 시뮬레이션을 통해 확인하였고, 제연구획내의 제연경계 폭은 구획내 화재하중 등을 고려하여 설계할 필요성이 있다.
화재 시뮬레이션을 통한 급기량의 변화에서 알 수 있듯이 배출량을 고정하고 급기량을 감소시킴과 동시에 공기유입구 풍속이 작아짐에 따라 화재실인 Exhaust-zone의 청결층 확보가 유리함을 확인하였다.

후속연구

동일한 연기 배출량 등을 적용하려 하였으나 산정하는 방법 및 산정 시 변수가 동일하지 아니하여 실질적인 한계가 있을 것으로 판단된다. 그러나 급기량, 화재실내 가연물의 종류, 제연경계 폭, 공기유입구 풍속 등을 검토하여 거실 제연설비를 설계할 필요성을 확인하는 자료로는 활용 가능하리라 사료된다.
본 논문은 화재 시뮬레이션(FDS)을 통하여 거실 제연설비 중 대규모 거실의 인접지역 상호제연 방식의 개선에 관하여 국가화재안전기준(NFSC)과 NFPA의 규정을 비교 분석하였다. 동일한 연기 배출량 등을 적용하려 하였으나 산정하는 방법 및 산정 시 변수가 동일하지 아니하여 실질적인 한계가 있을 것으로 판단된다. 그러나 급기량, 화재실내 가연물의 종류, 제연경계 폭, 공기유입구 풍속 등을 검토하여 거실 제연설비를 설계할 필요성을 확인하는 자료로는 활용 가능하리라 사료된다.
FDS는 Navier-Stokes Equations을 토대로 연산된 결과를 연기와 온도 및 유동에 의한 영향을 평가할 수 있으며, 일반적으로 질량보존의 법칙, 운동량 보존의 법칙, 에너지 보존의 법칙, 이상기체상태 방정식을 지배방정식으로 실행된다. 또한 후처리 프로그램인 Smokeview 프로그램을 통해 시뮬레이션의 결과를 가시화시켜 보다 편리하고 정확한 결과 값을 도출하는데 도움을 준다. 당해 프로그램을 통해 건축물의 위험요소를 사전에 예측하고, 이에 대한 대책을 설계에 반영하므로써 화재로 인한 피해를 최소화 하는 대책을 수립에 큰 역할을 한다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	FDS를 사용하여 무엇을 평가할 수 있는가?	본 연구 에서는 화재 시뮬레이션(Fire Dynaimics Simulatior: FDS)을 사용하였다. FDS는 Navier-Stokes Equations을 토대로 연산된 결과를 연기와 온도 및 유동에 의한 영향을 평가할 수 있으며, 일반적으로 질량보존의 법칙, 운동량 보존의 법칙, 에너지 보존의 법칙, 이상기체상태 방정식을 지배방정식으로 실행된다. 또한 후처리 프로그램인 Smokeview 프로그램을 통해 시뮬레이션의 결과를 가시화시켜 보다 편리하고 정확한 결과 값을 도출하는데 도움을 준다.
	화재 시뮬레이션과 Smokeview 프로그램을 통한 시뮬레이션은 어떠한 역할을 할 수 있는가?	FDS는 Navier-Stokes Equations을 토대로 연산된 결과를 연기와 온도 및 유동에 의한 영향을 평가할 수 있으며, 일반적으로 질량보존의 법칙, 운동량 보존의 법칙, 에너지 보존의 법칙, 이상기체상태 방정식을 지배방정식으로 실행된다. 또한 후처리 프로그램인 Smokeview 프로그램을 통해 시뮬레이션의 결과를 가시화시켜 보다 편리하고 정확한 결과 값을 도출하는데 도움을 준다. 당해 프로그램을 통해 건축물의 위험요소를 사전에 예측하고, 이에 대한 대책을 설계에 반영하므로써 화재로 인한 피해를 최소화 하는 대책을 수립에 큰 역할을 한다. 본 연구는 FDS Ver 5.
	거실제연설비의 역할은 무엇인가?	국내 제연설비는 크게 화재실에서 연기배출과 동시에 신선한 공기를 유입하여 청결층을 확보하는 거실제연설비와 차압을 이용한 전실제연설비로 구분하고 있다. 거실제연설비의 경우 화재실에서의 연기 배출과 동시에 급기를 실시함으로서 청결층 확보와 소화활동을 목적으로 하고 있으며, 전실제연 설비의 경우 차압, 방연풍속, 과압방지를 통한 연기제어를 목적으로 하고 있다.

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National Fire Service Academy, "Fire Protection Simulation", National Fire Service Academy, Korea (2009).
National Fire Service Academy, "Fire Science", National Fire Service Academy, Korea (2009).

저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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