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문제 정의
- 이를 위해 과환기 조건의 ISO 9705 표준 화재실을 대상으로 모델화원의 면적변화에 따른 화재특성 변화가 검토되었다. 또한 화원면적이 변화될 때 화재특성직격 기반의 격자 크기에 대한 의존도가 검토되었다. 주요 결과는 다음과 같다.
- 본 연구에서는 화재시뮬레이션 수행 시 화원면적 설정에 따른 불확실성이 수치적 예측결과에 미치는 영향이 평가되었다. 이를 위해 과환기 조건의 ISO 9705 표준 화재실을 대상으로 모델화원의 면적변화에 따른 화재특성 변화가 검토되었다.
제안 방법
- 이러한 배경 하에 본 연구에서는 동일한 최대 열발생률을 갖는 과환기조건의 ISO 9705 표준화재실을 대상으로 수치해석적 연구가 수행되었다. 구체적으로 화원의 면적이 변화할 때 Ngrid에 대한 온도, 화학종농도 및 열발생률 등 ASET과 관련된 물리량의 의존도가 검토되었다. 또한 격자크기의 영향으로부터 독립적인 조건에서 화원면적의 변화에 따른 구획 내부 및 구획 외부에서의 주요 물리량의 정량적 차이를 확인하였다.
- 구체적으로 화원의 면적이 변화할 때 Ngrid에 대한 온도, 화학종농도 및 열발생률 등 ASET과 관련된 물리량의 의존도가 검토되었다. 또한 격자크기의 영향으로부터 독립적인 조건에서 화원면적의 변화에 따른 구획 내부 및 구획 외부에서의 주요 물리량의 정량적 차이를 확인하였다. 본 연구결과는 성능위주설계를 위한 화재시뮬레이션의 예측 신뢰성을 향상시키는데 유용한 정보를 제공할 것으로 기대된다.
- 6 m)에서는 열유속의 예측이 이루어졌다. 수치해석 조건에 따른 ASET 관련 물리량의 변화를 검토하기 위하여 x = 1.2m의 중심선을 따른 6개 위치에서 물리량의 예측이 이루어졌다. 개구부 두께(0.
- 구체적으로 정상상태에서 화원면적에 따른 이론 화염면의 위치와 단면 온도분포 및 유동장을 나타낸다. 앞선 N6~N16의 조건에서 Ngrid 의 영향이 작은 것으로 확인되었으므로, 상세한 분석을 위해 가장 조밀한 N16의 조건이 비교되었다. 화염면 위치의 비교에서 화원면적의 감소에 따라 화염면이 개구부 방향으로 이동하는 것을 확인할 수 있다.
- 이와 같은 격자계가 적용될 때 가장 적은 수의 격자는 5,184개(N4)이며, 가장 많은 수의 격자는 192,000개(N16)이다. 위와 같은 조건의 수치해석이 세 개의 화원면적에 대해 동일하게 고려되어, 총 15개 조건이 수행되었다. 이를 통해 동일한 최대 열발생률을 갖는 과환기조건의 구획화재를 대상으로 Ngrid 및 화원면적의 변화가 ASET과 관련된 주요 물리량의 예측에 미치는 영향이 평가되었다.
- 화원면적 및 Ngrid의 변화가 ASET 관련 물리량의 예측에 미치는 영향을 검토하기 위하여 구획 내·외부의 다양한 위치에서 물리량의 예측이 이루어졌다.
- 구체적으로 거리에 따른 화원면적 별 O2, CO, 온도 및 가시도가 비교되었으며, Figure 8에 비교결과가 제시되었다. 화원면적의 변화가 미치는 영향을 평가하기 위해 화원면적에 따른 평균값 간의 표준편차가 각 거리에 대해 막대 그래프의 형태로 함께 제시되었다. Figure 8(a)는 O2의 비교를 나타내며, 구획으로부터 멀어질수록 외기의 희석효과에 의해 O2 농도가 증가하는 것을 확인할 수 있다.
대상 데이터
- 의 범위는 선행연구(12,13)에서 제시된 기준을 따라 선정되었다. 격자의 조밀도에 따른 4개(Coarse), 10개(Moderate), 16개(Fine)를 기준으로 6개, 12개의 격자가 삽입되는 조건을 추가하여 5개의 격자 크기가 고려되었다. 화원의 최대 열발생률에 따른 특성화재직경 D*는 식 (2)를 통해 도출되며, 여기서 Qmax , ρa, Cp, Ta, D, g는 각각 화원의 최대 열발생률, 공기의 밀도 및 비열, 절대온도, 그리고 중력가속도를 의미한다.
- 화재지속시간은 건축물의 화재안전성평가에서 고려되는 600 s가 적용되었다. 본 연구의 목적과 연료종은 큰 연관성을 가지지 않으므로, 액체연료 헵탄(C7H16)이 적용되었으며, 이를 고려하여 화재성장률은 Ultra-fast로 설정되었다. 최대 열발생률(1.
- 화원면적 및 Ngrid의 변화가 ASET 관련 물리량의 예측에 미치는 영향을 검토하기 위하여 구획 내·외부의 다양한 위치에서 물리량의 예측이 이루어졌다. 수치해석 조건에 따른 구획 내 열적환경의 검토를 위하여 구획 폭 방향의 중심선(x = 1.2 m)을 따라 y = 0.6 m, 1.8 m, 3.0 m의 위치에 열전대 트리가 3개 배치되었다. 각 열전대 트리를 통해 구획 내 0.
- 이러한 배경 하에 본 연구에서는 동일한 최대 열발생률을 갖는 과환기조건의 ISO 9705 표준화재실을 대상으로 수치해석적 연구가 수행되었다. 구체적으로 화원의 면적이 변화할 때 Ngrid에 대한 온도, 화학종농도 및 열발생률 등 ASET과 관련된 물리량의 의존도가 검토되었다.
- 화원면적의 변화에 따른 특성화재직경 기반의 격자크기 설정 및 화재특성의 변화를 검토하기 위하여, 과환기 조건의 ISO 9705 표준 화재실이 수치해석 대상으로 선정되었다. Figure 1은 수치해석에 적용된 구획의 해석영역을 나타낸다.
데이터처리
- 가장 기초적인 접근 방법으로서 다양한 화재조건에 대한 DB 확보를 위해 성능위주설계에서 주로 고려되는 공간에 대한 실규모 화재실험(5-7)이 수행되었다. 또한 가연물의 형상 및 배치에 따라 화재현상을 지배하는 화원면적의 도출(8), 건물용도에 따른 HRRPUA의 통계적 분석(9)이 이루어졌다. 수치해석적 연구로는 뉴질랜드의 건축법 C/VM2(10) 및 Fleischmann(11)의 연구를 통해 엔지니어가 활용할 수 있는 HRRPUA의 입력가이드가 제공되고 있다.
이론/모형
- 격자크기에 따른 Ngrid의 범위는 선행연구(12,13)에서 제시된 기준을 따라 선정되었다. 격자의 조밀도에 따른 4개(Coarse), 10개(Moderate), 16개(Fine)를 기준으로 6개, 12개의 격자가 삽입되는 조건을 추가하여 5개의 격자 크기가 고려되었다.
성능/효과
- 화원면적의 변화가 미치는 영향을 평가하기 위해 화원면적에 따른 평균값 간의 표준편차가 각 거리에 대해 막대 그래프의 형태로 함께 제시되었다. Figure 8(a)는 O2의 비교를 나타내며, 구획으로부터 멀어질수록 외기의 희석효과에 의해 O2 농도가 증가하는 것을 확인할 수 있다. 거리에 따른 화원면적의 영향을 살펴보면, 상대적으로 가까운 0.
- 2) 동일한 최대 열발생률과 화재성장률이 적용될 때, 화원면적의 변화는 화염길이 및 위치 그리고 구획 내부의 유동구조의 변화로 인하여 고온 상층부의 열 및 화학적 특성에 상당한 변화를 가져온다.
- 3) 그러나 개구부로부터 충분한 거리(1.8 m 이상)가 확보된 구획 외부에서는 화원 면적이 변화되더라도 허용피난시간(ASET)과 연관된 주요 물리량들의 예측결과에 큰 차이가 없음을 확인하였다. 이러한 결과는 국내 성능위주 설계에 적용되는 화재시뮬레이션의 화원면적 설정에 유용한 정보를 제공할 것으로 기대된다.
- 검토 결과 본 연구에서 고려된 화원면적에 따른 최대 Q* 값은 2.48이며, 모든 조건에서 난류부력의 지배를 받는 거동을 나타낼 것으로 확인되었다.
- 04 MW)을 나타낸다. 결과를 살펴보면 모든 조건이 Ngrid 및 화원면적의 변화와 관계없이 입력값과 큰 차이를 나타내지 않음을 확인할 수 있다. 각 조건의 상대오차 중 최대값은 5.
- 모든 조건의 평균 상대 오차는 2%로 Ngrid 및 화원면적의변화가 열발생률의 구현에 큰 영향을 미치지 않음을 알 수 있다. 결론적으로 다양한 물리량들의 비교를 통해 Ngrid 및 화원면적의 영향을 독립적으로 검토하는 것의 타당성을 확보할 수 있다.
- 또한 FDS가 고온기체의 부력을 온도에 따른 주위류와의 밀도 차에 의해 도출하며(1), Figure 8(c)에서 화원면적이 온도 예측값에 큰 영향을 미치지 않았음을 결과를 고려할 때, 천장제트유동의 하강이 발생하는 거리에서도 화원면적의 영향은 매우 작을 것으로 판단된다. 결론적으로 화재실의 개구부로부터 1.8 m 이상의 거리가 확보될 때, 화원면적의 변화는 ASET과 관련된 화학종농도, 온도 및 가시도의 예측값에 큰 영향을 미치지 않음을 알 수 있다. 또한, 성능위주설계에서 ASET이 화재실 외부의 비상피난계단에서 평가됨을 고려할 때, 이러한 기준은 건축물의 화재안전성평가에 유용하게 활용될 수 있을 것으로 기대된다.
- 이는 단위시간 당 연료공급량이 동일하다는 점, 연료공급량과 비례하여 사용자가 입력한 Soot yield를 구현하는 FDS의 특성을 통해 설명될 수 있다(1). 그럼에도 불구하고 화원면적에 따른 O2, CO 및 온도의 변화를 통해 환기량이 적절히 예측될 때, Ngrid의 변화는 큰 영향을 미치지 않지만, 화원면적의 변화는 구획 내부의 열 및 화학적 물리량에 상당한 차이를 가져온다는 결론이 도출될 수 있다.
- 1%, 열발생률의 관점에서는 53 kW로 입력값에 비해 매우 작은 값을 가진다. 모든 조건의 평균 상대 오차는 2%로 Ngrid 및 화원면적의변화가 열발생률의 구현에 큰 영향을 미치지 않음을 알 수 있다. 결론적으로 다양한 물리량들의 비교를 통해 Ngrid 및 화원면적의 영향을 독립적으로 검토하는 것의 타당성을 확보할 수 있다.
- 화원의 최대 열발생률에 따른 특성화재직경 D*는 식 (2)를 통해 도출되며, 여기서 Qmax , ρa, Cp, Ta, D, g는 각각 화원의 최대 열발생률, 공기의 밀도 및 비열, 절대온도, 그리고 중력가속도를 의미한다. 본 연구에서 적용된 화원의 최대 열발생률로부터 도출되는 D*는 0.97 m이며, 고려된 Ngrid 값에 따라 정육면체 형상을 갖는 격자의 한변이 0.20 m~0.06 m로 변화되었다.
- Figure 8(b)에는 화원면적에 따른 CO 농도(ppm)의 비교가 제시되었다. 비교 결과를 살펴보면 CO 농도 역시 1.8 m의 거리에서 화원면적에 의한 표준편차가 크게 감소함을 확인할 수 있다. Figure 8(c)에는 온도에 대한 비교결과가 제시되었다.
- FDS를 통해 예측되는 가장 기본적인 물리량은 온도, 열유속 등 열적 물리량을 들 수 있다. 수치해석 조건의 변화가 열적 물리량에 미치는 영향을 검토하기 위해 구획 내(x = 1.2, y= 3.0)에서 예측된 온도(z = 2.2m) 및 열유속(z = 2.4m)의 평균값이 비교되었다. 평균값은 300~600 s의 정상상태 구간에 대해 도출되었다.
- 위와 같은 조건의 수치해석이 세 개의 화원면적에 대해 동일하게 고려되어, 총 15개 조건이 수행되었다. 이를 통해 동일한 최대 열발생률을 갖는 과환기조건의 구획화재를 대상으로 Ngrid 및 화원면적의 변화가 ASET과 관련된 주요 물리량의 예측에 미치는 영향이 평가되었다.
- 그러나 Figure 4 및 5를 통해 과환기조건에서도 개구부 영역 내 격자 크기가 예측결과에 영향을 미치게 되며, Ngrid뿐만 아니라 개구부 유동의 해상도가 추가적으로 고려되어야만 예측 신뢰성이 확보될 것임을 알 수 있다. 추가적으로, 환기량이 적절히 예측될 때, 동일한 화원면적에 대한 Ngrid의 변화는 예측결과에 큰 영향을 미치지 않음을 확인하였다.
- 앞선 N6~N16의 조건에서 Ngrid 의 영향이 작은 것으로 확인되었으므로, 상세한 분석을 위해 가장 조밀한 N16의 조건이 비교되었다. 화염면 위치의 비교에서 화원면적의 감소에 따라 화염면이 개구부 방향으로 이동하는 것을 확인할 수 있다. 이는 연료공급의 흐름이 갖는 운동에너지에 의한 것으로 해석될 수 있다.
- 물리량이 정상상태에 도달한 이후 100 s의 구간에 대해 평균값이 도출되었으며, Figure 10에 검토결과가 제시되었다. 화원면적의 변화가 거리에 따른 가시도에 미치는 영향을 살펴보면, 상대적으로 화재실과 가까운 0.6~1.2 m의 위치에서 화원면적의 영향이 크게 나타남을 확인할 수 있다. 또한 화원면적에 따른 편차는 앞선 Figure 8에서 확인된 것보다 큰 값을 나타내고 있다.
- 화원면적의 영향은 개구부로부터의 거리가 증가함에 따라 감소하여 3.0 m의 거리에서는 화원면적에 따른 가시도의 편차가 0의 값을 갖는 것으로 확인되었다.
후속연구
- Han 등(20)의 연구에서 수행된 실제 성능위주설계 사례에 대한 분석결과를 살펴보면, 최근 5년간의 성능위주설계에서 가시도에 의해 ASET이 결정된 사례는 94%의 비율을 차지한다. 따라서 화원면적의 변화가 ASET과 관련된 물리량의 예측결과에 미치는 영향이 상세히 분석되기 위해서는 가시도가 상이한 경향을 나타내는 원인에 관한 검토가 이루어져야 할 것이다.
- 8 m 이상의 거리가 확보될 때, 화원면적의 변화는 ASET과 관련된 화학종농도, 온도 및 가시도의 예측값에 큰 영향을 미치지 않음을 알 수 있다. 또한, 성능위주설계에서 ASET이 화재실 외부의 비상피난계단에서 평가됨을 고려할 때, 이러한 기준은 건축물의 화재안전성평가에 유용하게 활용될 수 있을 것으로 기대된다.
- 또한 격자크기의 영향으로부터 독립적인 조건에서 화원면적의 변화에 따른 구획 내부 및 구획 외부에서의 주요 물리량의 정량적 차이를 확인하였다. 본 연구결과는 성능위주설계를 위한 화재시뮬레이션의 예측 신뢰성을 향상시키는데 유용한 정보를 제공할 것으로 기대된다.
- 8 m 이상)가 확보된 구획 외부에서는 화원 면적이 변화되더라도 허용피난시간(ASET)과 연관된 주요 물리량들의 예측결과에 큰 차이가 없음을 확인하였다. 이러한 결과는 국내 성능위주 설계에 적용되는 화재시뮬레이션의 화원면적 설정에 유용한 정보를 제공할 것으로 기대된다.
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