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문제 정의
- 본 연구에서는 실존하는 공연장을 1/14 비율로 축소시켜 제작한 모형을 이용하여 공연장 무대부 화재 시 자연배출구 및 방화막 조건이 연기 거동에 미치는 영향을 파악하기 위한 실험을 수행하였다. 본 연구를 통해 도출된 주요 결과를 아래에 요약하였다.
- 본 연구에서는 실존하는 극장을 대상으로 일정 비율(1/14)로 축소한 실험 장치를 구축하여 자연배출구 및 방화막이 공연장 무대부 화재 시 연기 거동에 미치는 영향을 파악하기 위한 실험을 수행하였다. 축소모형 실험을 통해 자연배출구 및 방화막 조건에 따라 무대부 화재 시 무대부 및 객석부 공간 내 온도 분포와 객석으로의 연기 유출 시점, 무대부 자연 배출구를 통해 유출되는 유동의 속도 및 질량 유량을 측정 및 검토하였다.
- . 본 연구에서는 이 중 연기배출구와 방화막에 관심을 가지고 연구를 수행하였다.
제안 방법
- 143 m (깊이)의 정사각형 개구부를 설정하였다. 국내의 경우 자연배출구 설치 시 무대부 바닥 면적의 10% 이상을 자연배출구 면적으로 확보하는 것을 권고(5)하고 있으나 앞서 언급한 바와 같이 해당 내용을 실제 공연장의 자연배출구에 적용 시 많은 제약이 따를 수 있고 본 연구의 주요 목적 중 하나는 자연배출구 개방 및 폐쇄 조건이 연기 거동에 미치는 영향에 대한 비교이므로 본 연구에서는 10%에 비해 보수적인 조건인 1%로 설정하여 실험을 수행하였다. 한편, 무대부와 객석부 사이에는 모의 방화막을 설치하였으며, 모터(Motor)와 원형봉(Round rod)을 이용하여 해당 모의 방화막을 상하로 이동 가능할 수 있도록 구성하였다.
- Figure 7에 방화막 설치 및 미설치 조건에서 자연배출구를 통해 유출되는 유동의 속도 및 질량 유량 측정 결과를 나타내었다. 베인(Vane) 풍속계(BK PRECISION, Model 731A)를 이용하여 개방된 자연배출구의 중심에서 유속을 30 s 간격으로 측정하였다. 실험 데이터는 총 3회 반복 실험하여 획득한 것을 평균한 결과이며, 오차 막대는 해당 실험 데이터들의 표준편차를 의미한다.
- 자연배출구 개방 및 폐쇄, 방화막 설치 및 미설치 조건 (총 4조건)에 대해 실험을 수행하였고, Figure 3에 무대부 온도 측정 결과를 나타내었다. 온도 측정 데이터는 600 s 간 수집하였으며, Figure 3에는 400 s에서 600 s 구간에 대한 실험 결과를 평균하여 나타내었다.
- 축소모형 실험 장치는 실존하는 공연장을 1/14 비율로 축소하여 구축하였으며, 축소모형 실험 장치의 크기 및 실험 시 열방출률은 아래의 상사법칙(19)을 이용하여 설정하였다.
- 본 연구에서는 실존하는 극장을 대상으로 일정 비율(1/14)로 축소한 실험 장치를 구축하여 자연배출구 및 방화막이 공연장 무대부 화재 시 연기 거동에 미치는 영향을 파악하기 위한 실험을 수행하였다. 축소모형 실험을 통해 자연배출구 및 방화막 조건에 따라 무대부 화재 시 무대부 및 객석부 공간 내 온도 분포와 객석으로의 연기 유출 시점, 무대부 자연 배출구를 통해 유출되는 유동의 속도 및 질량 유량을 측정 및 검토하였다.
- 국내의 경우 자연배출구 설치 시 무대부 바닥 면적의 10% 이상을 자연배출구 면적으로 확보하는 것을 권고(5)하고 있으나 앞서 언급한 바와 같이 해당 내용을 실제 공연장의 자연배출구에 적용 시 많은 제약이 따를 수 있고 본 연구의 주요 목적 중 하나는 자연배출구 개방 및 폐쇄 조건이 연기 거동에 미치는 영향에 대한 비교이므로 본 연구에서는 10%에 비해 보수적인 조건인 1%로 설정하여 실험을 수행하였다. 한편, 무대부와 객석부 사이에는 모의 방화막을 설치하였으며, 모터(Motor)와 원형봉(Round rod)을 이용하여 해당 모의 방화막을 상하로 이동 가능할 수 있도록 구성하였다. 실험 시 편의를 위하여 모의 방화막 재질로 단단한 종이판을 이용하였고, 방화막과 프로시니엄 벽 간 겹치는 구간의 높이(Overlap height)는 약 0.
대상 데이터
- 무대부의 경우, 자연배출구 중심의 바로 밑(ST01), 프로시니엄 벽 상부(ST02) 및 하부(ST03), 그리고 실규모 공연장에서의 호흡한계선을 고려한 위치(ST04)에 열전대를 설치하였다. 객석부의 경우, 프로시니엄 벽 하부(AT05) 및 상부(AT06), 객석부 천장 중심(AT07)에 각각 열전대를 설치하였고, 객석부 3층(AT08), 2층(AT09), 1층(AT10)의 높이를 고려하여 열전대 위치를 설정하였다. 한편, Figure 2에 화원 위치로부터 유동 경로를 고려하여 회색 화살표로 나타내었고 각 측정 위치 사이의 거리를 표시하였다.
- 공연장 축소모형 실험 장치는 무대부와 객석부로 구성되어 있으며, 무대부의 크기는 2.04 m (폭) × 1 m (깊이) × 1.1 m (높이), 객석부의 크기는 1.36 m (폭) × 1.5 m (깊이) × 1.1 m (높이)이다.
- 무대부 상부 중심에는 공연장 내 자연배출구 모사를 위하여 무대부 바닥면적의 1% 크기로 설정한 0.143 m (폭) × 0.143 m (깊이)의 정사각형 개구부를 설정하였다.
- 실험 시 온도 측정 위치에 대한 개략도를 Figure 2에 나타내었다. 무대부와 객석부의 정중앙 단면(Plane A)에 무대부 4개, 객석부 6개의 K-type 열전대를 설치하였다. 무대부의 경우, 자연배출구 중심의 바로 밑(ST01), 프로시니엄 벽 상부(ST02) 및 하부(ST03), 그리고 실규모 공연장에서의 호흡한계선을 고려한 위치(ST04)에 열전대를 설치하였다.
- 한편, 무대부와 객석부 사이에는 모의 방화막을 설치하였으며, 모터(Motor)와 원형봉(Round rod)을 이용하여 해당 모의 방화막을 상하로 이동 가능할 수 있도록 구성하였다. 실험 시 편의를 위하여 모의 방화막 재질로 단단한 종이판을 이용하였고, 방화막과 프로시니엄 벽 간 겹치는 구간의 높이(Overlap height)는 약 0.03 m로 제작되었다. 화원은 기존 연구(9)를 참고하여 메틸 알코올(Methyl alcohol)이 들어있는 알코올 램프(Alcohol lamp) 6개를 이용하였고, 무대부 바닥의 정중앙에 위치시켰으며, 열방출률은 1.
- 자연배출구 개방 및 폐쇄, 방화막 설치 및 미설치 조건 (총 4조건)에 대해 실험을 수행하였고, Figure 3에 무대부 온도 측정 결과를 나타내었다. 온도 측정 데이터는 600 s 간 수집하였으며, Figure 3에는 400 s에서 600 s 구간에 대한 실험 결과를 평균하여 나타내었다.
- 03 m로 제작되었다. 화원은 기존 연구(9)를 참고하여 메틸 알코올(Methyl alcohol)이 들어있는 알코올 램프(Alcohol lamp) 6개를 이용하였고, 무대부 바닥의 정중앙에 위치시켰으며, 열방출률은 1.248 kW로 측정되었다. 참고로 이는 식(2)를 적용하여 실규모 화재로 변환하였을 때 약 915 kW에 해당하는 열방출률이다.
성능/효과
- 1) 무대부의 경우, 자연배출구가 개방된 경우가 폐쇄된 경우에 비해, 방화막이 미설치된 경우가 설치된 경우에 비해 온도가 낮은 것으로 측정되었다. 한편, 객석부의 경우, 자연배출구가 개방된 경우가 폐쇄된 경우에 비해, 방화막이 설치된 경우가 미설치된 경우에 비해 온도가 낮은 것으로 측정되었다.
- 2) 자연배출구가 개방되고 방화막이 설치된 조건에서는 객석부가 낮은 온도로 유지되는 것을 확인할 수 있었고, 자연배출구가 폐쇄되고 방화막이 미설치된 조건에 비해 객석부 온도가 약 3.0 ℃∼16.5 ℃ 낮은 것으로 측정되었다.
- 3) 방화막 미설치 조건에서 자연배출구를 개방한 경우가 폐쇄한 경우보다 프로시니엄 개구부에 근접한 객석부 열전대의 온도 상승 시작 시점이 약 23 s 지연되고 온도 상승이 작은 것으로 나타났다. 이를 통해 실제 공연장 화재 시 자연배출구 개방에 의해 무대부에서 객석부로의 연기 유출시작 시점을 지연시키고 객석부의 온도 상승을 억제 시킬 가능성이 있음을 확인하였다.
- 4) 본 실험 조건에서 자연배출구를 통해 유출되는 유동의 속도 및 질량 유량은 방화막 설치 여부에 큰 영향을 받지 않았는데, 이는 무대부에 존재하는 개구부 때문으로 판단된다.
- 방화막이 설치된 조건이 미설치된 조건에 비해 온도가 다소 높은 이유는 방화막에 의해 무대부와 객석부 간 유체 유동이 제한되고 무대부 공간 내열축적이 이루어지기 때문인 것으로 판단된다. Figure 3의 측정 결과를 토대로 볼 때, 본 실험 조건에서는 방화막 설치 여부보다 자연배출구 개폐 여부가 무대부 온도 분포에 비교적 더 큰 영향을 미치고 있음을 확인할 수 있었다.
- 무대부 온도의 경우 화원으로부터 거리가 증가함에 따라 온도가 지속적으로 감소하는 경향이 나타난 반면, 객석부 온도는 다른 경향이 관찰되었다. 객석부 온도의 경우 자연배출구가 폐쇄되고 방화막이 미설치된 조건에서는 거리 증가에 따라 온도가 감소하였으나 자연배출구가 개방되고 방화막이 설치된 조건에서는 거리 증가에 따른 온도 변화가 거의 관찰되지 않고 낮은 온도로 유지되는 것을 확인할 수 있었다. 자연배출구가 개방되고 방화막이 설치된 조건이 자연 배출구가 폐쇄되고 방화막이 미설치된 조건에 비해 무대부 온도의 경우 약 2.
- 온도 수집 시작 이후 13 s에 점화하였고, 자연배출구가 폐쇄된 조건에서는 평균 18 s 이후(즉, 약 31 s 근방)에서부터 온도가 상승한 반면, 자연배출구가 개방된 조건에서는 평균 41 s 이후(즉, 약 54 s 근방)에서부터 온도가 상승하는 것이 관찰되었다. 그리고 자연배출구가 폐쇄된 조건이 개방된 조건에 비해 더욱 급격하게 온도가 상승하는 것으로 나타났다. 자연배출구 개방에 의해 축소모형 실험에서 나타난 온도 상승 시작 시점은 약 23 s 지연되는 것으로 확인되었고, 실규모 화재 시 자연배출구를 개방하였을 때 지연 되는 온도 상승 시작 시점은 식(3)(19)을 이용하여 계산한 결과 약 86 s 정도로 예측되었다.
- 방화막이 설치된 조건이 미설치된 조건에 비해 객석부 온도가 낮게 나타난 것은 모의 방화막에 의해 무대부에서 객석부로의 열전달이 효과적으로 억제되었음을 의미한다. 무대부 온도 측정 결과와는 다르게, 자연배출구 개폐 여부 뿐 아니라 방화막 설치 여부가 객석부 온도 분포에 지대한 영향을 미치고 있음을 확인할 수 있었다.
- 1 ℃ 낮은 것으로 나타났다. 반면, 방화막이 설치된 경우에서는 거리에 따른 온도 변화가 거의 없는 것으로 나타났고, 자연배출구가 개방된 조건이 폐쇄된 조건에 비해 객석부 온도가 낮은 것으로 나타났으나 그 차이는 방화막이 미설치된 경우에 비해 작은 것으로 측정되었다. 한편, 자연배출구가 개방 및 폐쇄된 경우 모두에서, 방화막이 설치된 조건이 미설치된 조건에 비해 객석부 온도가 낮은 것을 확인할 수 있었다.
- 방화막이 미설치된 경우, 화원으로부터 거리가 증가함에 따라 측정 온도가 감소하는 경향이 관찰되었고, 자연배출구가 개방된 조건이 폐쇄된 조건에 비해 객석부 온도가 약 2.9 ℃∼11.1 ℃ 낮은 것으로 나타났다.
- 여기서 t는 시간을 나타낸다. 본 실험 결과를 통해, 자연배출구 개방에 의해 무대부에서 객석부로의 연기 유출 시작 시점을 지연시킬 수 있고, 유출되는 유동의 온도 상승도 감소시킬 가능성이 있음을 확인할 수 있었다.
- 온도 수집 시작 이후 13 s에 점화하였고, 자연배출구가 폐쇄된 조건에서는 평균 18 s 이후(즉, 약 31 s 근방)에서부터 온도가 상승한 반면, 자연배출구가 개방된 조건에서는 평균 41 s 이후(즉, 약 54 s 근방)에서부터 온도가 상승하는 것이 관찰되었다. 그리고 자연배출구가 폐쇄된 조건이 개방된 조건에 비해 더욱 급격하게 온도가 상승하는 것으로 나타났다.
- 01 m/s로 측정되었다. 유출 질량 유량 역시 속도 측정 결과와 유사한 경향이 관찰되었는데 방화막이 설치된 경우 약 0.022 kg/s, 방화막이 미설치된 경우 약 0.023 kg/s로 측정되었다. 한편, 축소 모형 측정 결과를 바탕으로 식(6)을 이용하여 실규모 화재시 자연배출구를 통한 유출 유동의 속도를 계산한 결과, 방화막이 설치된 경우 약 3.
- 5 ℃ 낮은 것으로 측정되었다. 이를 통해 공연장 화재 시 자연배출구 개방 및 방화막 설치가 객석부 온도 감소에 큰 영향을 줄 수 있음을 확인하였다.
- 3) 방화막 미설치 조건에서 자연배출구를 개방한 경우가 폐쇄한 경우보다 프로시니엄 개구부에 근접한 객석부 열전대의 온도 상승 시작 시점이 약 23 s 지연되고 온도 상승이 작은 것으로 나타났다. 이를 통해 실제 공연장 화재 시 자연배출구 개방에 의해 무대부에서 객석부로의 연기 유출시작 시점을 지연시키고 객석부의 온도 상승을 억제 시킬 가능성이 있음을 확인하였다.
- 자연 배출구가 폐쇄된 경우, 방화막이 설치된 조건이 미설치된 조건에 비해 약 1.4 ℃∼10.1 ℃ 정도 온도가 높게 나타났고, 자연배출구가 개방된 경우에서도 방화막이 설치된 조건이 미설치된 조건에 비해 대부분 측정 지점에서 온도가 약간 높은 것으로 나타났다.
- 자연배출구가 개방되고 방화막이 설치된 조건이 자연 배출구가 폐쇄되고 방화막이 미설치된 조건에 비해 무대부 온도의 경우 약 2.4 ℃∼12.7 ℃, 객석부 온도의 경우 약 3.0℃∼16.5 ℃ 감소시키는 결과가 측정되었다.
- 또한 A는 자연배출구의 면적을 의미한다. 측정된 유속의 경우 시간에 따라서 거의 일정하게 나타났으며, 측정한 전체 구간에 대해 평균한 결과 방화막이 설치된 경우 약 0.98 m/s, 방화막이 미설치된 경우 약 1.01 m/s로 측정되었다. 유출 질량 유량 역시 속도 측정 결과와 유사한 경향이 관찰되었는데 방화막이 설치된 경우 약 0.
- 반면, 방화막이 설치된 경우에서는 거리에 따른 온도 변화가 거의 없는 것으로 나타났고, 자연배출구가 개방된 조건이 폐쇄된 조건에 비해 객석부 온도가 낮은 것으로 나타났으나 그 차이는 방화막이 미설치된 경우에 비해 작은 것으로 측정되었다. 한편, 자연배출구가 개방 및 폐쇄된 경우 모두에서, 방화막이 설치된 조건이 미설치된 조건에 비해 객석부 온도가 낮은 것을 확인할 수 있었다. 방화막이 설치된 조건이 미설치된 조건에 비해 자연배출구가 개방된 경우에는 약 0.
- 5 ℃ 감소시키는 결과가 측정되었다. 해당 결과를 토대로 볼 때, 공연장 화재 시 자연배출구의 개방 및 방화막의 설치가 객석부 온도 감소에 큰 영향을 줄 수 있음을 확인하였다.
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