$\require{mediawiki-texvc}$

연합인증

연합인증 가입 기관의 연구자들은 소속기관의 인증정보(ID와 암호)를 이용해 다른 대학, 연구기관, 서비스 공급자의 다양한 온라인 자원과 연구 데이터를 이용할 수 있습니다.

이는 여행자가 자국에서 발행 받은 여권으로 세계 각국을 자유롭게 여행할 수 있는 것과 같습니다.

연합인증으로 이용이 가능한 서비스는 NTIS, DataON, Edison, Kafe, Webinar 등이 있습니다.

한번의 인증절차만으로 연합인증 가입 서비스에 추가 로그인 없이 이용이 가능합니다.

다만, 연합인증을 위해서는 최초 1회만 인증 절차가 필요합니다. (회원이 아닐 경우 회원 가입이 필요합니다.)

연합인증 절차는 다음과 같습니다.

최초이용시에는
ScienceON에 로그인 → 연합인증 서비스 접속 → 로그인 (본인 확인 또는 회원가입) → 서비스 이용

그 이후에는
ScienceON 로그인 → 연합인증 서비스 접속 → 서비스 이용

연합인증을 활용하시면 KISTI가 제공하는 다양한 서비스를 편리하게 이용하실 수 있습니다.

화재모델링을 이용한 입출력 변수의 민감도, 상관계수 분석과 주성분 분석
Analysis of Sensitivity, Correlation Coefficient and PCA of Input and Output Parameters using Fire Modeling 원문보기

한국안전학회지 = Journal of the Korean Society of Safety, v.34 no.5, 2019년, pp.46 - 54  

남기태 (세명대학교 소방방재공학과) ,  김정진 (세명대학교 소방방재공학과) ,  윤석표 (세명대학교 바이오환경공학과) ,  김준경 (세명대학교 소방방재공학과)

Abstract AI-Helper 아이콘AI-Helper

Even though the fire performance-based design concept has been introduced for various structures and buildings, which have their own specific fire performance level, the uncertainties of input parameters always exist and, then, could reduce significantly the reliability of the fire modeling. Sensiti...

주제어

표/그림 (15)

AI 본문요약
AI-Helper 아이콘 AI-Helper

* AI 자동 식별 결과로 적합하지 않은 문장이 있을 수 있으니, 이용에 유의하시기 바랍니다.

제안 방법

  • 3가지 입력변수와 화원으로부터 1.6 m 지점에서 화재발생시 피난계획과 직결되는 한계가시거리에 도달하는 시간에 대한 민감도 분석을 시도하였고 Table 6 및 Fig. 4에 각각 제시되어 있다. Fig.
  • 2에 제시되어 있다. 3가지 종류의 입력 변수의 변화를 동시에 표현할 경우 야기되는 분석의 혼돈을 피하기 위해 우선 mesh 숫자를 25로 한정하였고, mesh 숫자의 변화에 대한 분석은 다음 절에 제시된 상관관계 분석에서 다시 검토하였다. Fig.
  • FDS를 이용하여 화재모델링을 수행하였고 수행한 결과 다음의 결론으로 요약가능하다.
  • 다만 상관관계 분석의 특성을 고려하여 3개의 출력 변수 각각을 분리하여 분석하였다. 상관관계분석은 1개 또는 다수의 독립변수의 변화에 대한 종속변수의 변화의 정도를 분석을 통하여 변수간의 관계성을 파악하는 것이다.
  • 본 연구는 대표적 화재해석 모델인 FDS (Fire Dynamics Simulator)을 수행하였고 민감도분석을 효과적으로 위해 우선 상대적으로 중요하다고 알려져 있는 점화원 열방출량(HRRPUA, heat release rate per unit area), 가연물 종류 및 격자크기 등 3개로 제한하였다. 또한 밀접한 상관관계를 가지고 있는 출력변수로서 최대 열발생률(HRR, heat release rate), 기준온도 도달시간 및 한계가시거리 도달시간 등 3개로 제한하였다. 또한 입력 및 출력 변수 상호간 정성적 및 정량적인 관련성 정도를 분석하기 위해 상관계수 분석을 시도하였다.
  • 민감도 분석을 위한 주요 출력변수는 앞서 제시된 바와 같이 최대열발생률, 화원으로부터 1.6 m 이격된 지점에서 기준온도 도달시간, 그리고 마지막으로 높이 1.8 m에서 특정된 가시한계거리 도달시간 등을 선정하였다.
  • 입력 및 출력변수 상호간 정성적 및 정량적인 관련성 정도를 분석하기 위해 상관계수 분석을 시도하였다. 변수 상호간의 상관관계 분석을 위해 민감도 분석과 동일하게 3개의 입력변수 및 3개의 출력변수에 대해 분석하였다.
  • 본 논문에서 수행된 화재시뮬레이션 3개 입력변수의 입력자료 자체의 내적 편향성 구조를 분석하기 위하여 주성분 분석 (PCA)19)을 시도하였다. 우선 변수 상호간의 크기에 대한 가중치를 평준화하기 위해 표준화 과정을 수행하였다.
  • 본 연구는 대표적 화재해석 모델인 FDS (Fire Dynamics Simulator)을 수행하였고 민감도분석을 효과적으로 위해 우선 상대적으로 중요하다고 알려져 있는 점화원 열방출량(HRRPUA, heat release rate per unit area), 가연물 종류 및 격자크기 등 3개로 제한하였다. 또한 밀접한 상관관계를 가지고 있는 출력변수로서 최대 열발생률(HRR, heat release rate), 기준온도 도달시간 및 한계가시거리 도달시간 등 3개로 제한하였다.
  • 여러 가지 입력변수 중에서 상대적으로 중요한 점화원의 열 발생률, 가연물의 종류와 모델링을 위한 mesh 개수 등 모두 3가지 변수를 고려하였다. 우선 주요한 입력변수 가운데 하나인 점화원의 단위면적당 열 발생률(HRRPUA)11)을 고려하기 위해 Table 1에 제시된 바와 같이 500 kw를 기준으로 ±25%까지 고려하여 400 kw 및 600 kw 설정하여 결과값들의 정량적 변화를 분석하였다.
  • 을 시도하였다. 우선 변수 상호간의 크기에 대한 가중치를 평준화하기 위해 표준화 과정을 수행하였다. 정보의 손실을 최소화 하면서보다 보다 적은 수의 요인 또는 변수로 요약하고자 할 경우 즉 HRRPUA, 가연물 종류 및 Mesh 개수 등 3개 변수 각각의 고유값이 가장 커다란 변수부터 크기 순서대로 분석한 후 상대적으로 고유값이 작은 즉 상대적 중요성이 작은 변수를 감소시켜 차원을 감소시키는 효과를 줄 수도 있다.
  • 우선 주요한 입력변수 가운데 하나인 점화원의 단위면적당 열 발생률(HRRPUA)11)을 고려하기 위해 Table 1에 제시된 바와 같이 500 kw를 기준으로 ±25%까지 고려하여 400 kw 및 600 kw 설정하여 결과값들의 정량적 변화를 분석하였다.
  • 에서는 특성 화재직경 내부에 4~16개 격자가 적용될 때 신뢰성 있는 예측이 가능하다고 제시하고 있다. 이를 적용하여 16개의 격자를 설정하였고 보다 세밀한 분석을 위하여 Table 3에서 제시된 바와 같이 2가지 경우를 추가하여 각각 25 및 36으로 설정하고 이에 대해서도 분석하여 비교하였다.
  • 그리고 민감도분석을 효과적으로 수행하기 위해 임의로 선정된 3개의 입력변수의 값 상호간의 관계 bias의 유무 및 bias가 존재한다면 bias 정도 등을 체계적으로 분석하기 위해 주성분 분석(PCA, principal component analysis)을 수행하였다. 화재수치해석을 위한 대상 모델은 기존에 Thunderhead Engineering가 제시한 다수의 화제모델 가운데 대표적인 room fire model을 채택하여 민감도분석, 상관계수 분석 및 주성분 분석을 시도하였다.

대상 데이터

  • (b)에서 제시된 바와 같이 5.2 m × 5.4m의 면적을 갖는 높이 2.4 m의 화재 모델을 적용하였다.
  • FDS 화재모델링을 위한 가연물은 Reaction과 같은 FDS 내부 명령어로 제어되고 가연물 종류는 Table 2에 제시된 바와 같이 가장 일반적으로 사용되는 polyurethane을 포함하여 GM21 및 GM29 등 3가지 물질을 고려하였고 SFPE Handbook12)의 데이터를 참고하였다.
  • 4 m의 화재 모델을 적용하였다. 내부 가구로는 sofa 2개와 pad 1개가 위치되어 있으며 각 구획의 바닥과 벽은 Yellow Pine 및 석고를 사용하였다. 거실과 통로를 연결하는 출입구는 너비 0.

데이터처리

  • 또한 입력 및 출력 변수 상호간 정성적 및 정량적인 관련성 정도를 분석하기 위해 상관계수 분석을 시도하였다. 그리고 민감도분석을 효과적으로 수행하기 위해 임의로 선정된 3개의 입력변수의 값 상호간의 관계 bias의 유무 및 bias가 존재한다면 bias 정도 등을 체계적으로 분석하기 위해 주성분 분석(PCA, principal component analysis)을 수행하였다. 화재수치해석을 위한 대상 모델은 기존에 Thunderhead Engineering가 제시한 다수의 화제모델 가운데 대표적인 room fire model을 채택하여 민감도분석, 상관계수 분석 및 주성분 분석을 시도하였다.
  • 또한 밀접한 상관관계를 가지고 있는 출력변수로서 최대 열발생률(HRR, heat release rate), 기준온도 도달시간 및 한계가시거리 도달시간 등 3개로 제한하였다. 또한 입력 및 출력 변수 상호간 정성적 및 정량적인 관련성 정도를 분석하기 위해 상관계수 분석을 시도하였다. 그리고 민감도분석을 효과적으로 수행하기 위해 임의로 선정된 3개의 입력변수의 값 상호간의 관계 bias의 유무 및 bias가 존재한다면 bias 정도 등을 체계적으로 분석하기 위해 주성분 분석(PCA, principal component analysis)을 수행하였다.
  • 또한 밀접한 상관관계를 가지고 있는 출력변수로서 최대 열발생률(HRR, heat release rate), 기준온도 도달시간 및 한계가시거리 도달시간 등 3개로 제한하였다. 또한 입력 및 출력 변수 상호간 정성적 및 정량적인 관련성 정도를 분석하기 위해 상관계수 분석을 시도하였다. 그리고 민감도분석을 효과적으로 수행하기 위해 임의로 선정된 3개의 입력변수의 값 상호간의 관계 bias의 유무 및 bias가 존재한다면 bias 정도 등을 체계적으로 분석하기 위해 주성분 분석(PCA, principal component analysis)을 수행하였다.

이론/모형

  • FDS에서는 난류모델에 대하여 Navier-Stokes 방정식으로 수치 해석을 수행하고 LES(Large Eddy Simulation) 기법이 적용된 수치해석 방법을 사용한다. 수치해석을 위해 난류확산 계수와 난류점성을 필요로 하는데 본 연구는 FDS의 Default 값인 프란틀 값은 PR = 0.
  • 난류점성의 경우 Deardorff’s Model을 이용하였으며 식 (1)로 나타낼 수 있다.
  • 본 연구는 보다 일반적이고 평범한 화재모델 선택을 위해 Thunderhead Engineering 가 제시한 여러 가지 실내 화재모델 가운데 Room Fire model16)을 이용하여 분석하였고 동일 화재모델을 이용하여 분석한 결과를 참조하였다17).
  • 본 연구에서 사용한 화재모델에서 다른 가연물에 대한 열 특성에 대한 상세 내용은 FDS Userguide14)와 FDS Technical Reference Guide15)에서 제시된 값을 참고하였다.
본문요약 정보가 도움이 되었나요?

질의응답

핵심어 질문 논문에서 추출한 답변
ksgs는? 여기서 는 그리드셀 중심에서의 u의 평균값이며, 는 인접셀에 대한 u의 가중 평균치이며 ksgs서브 그리드스케일 운동에너지 값이다. 이때 Cs 값은 0.
심층 화재방호 요소의 활용방안은? 특히 원자력발전소의 경우 심층 화재방호 요소는 원자력발전소 관련 시설의 통합적인 확률론적 안정성 분석 (PSA, probabilistic safety analysis)에서 대단히 중요한 요소로 기여하고 있고, 특히 원자력분야에서 개발 되어 화재관련 검증 및 확인에 사용되는 다양한 지침서 NUREG-18242), NUREG-68503)는 현재 원자력 시설의 심층화재방호 관련 표준으로 활용되고 있다4).
민감도분석에서 HRRPUA,가연물 종류 및 격차크기를 제외한 제한 요인은? 본 연구는 대표적 화재해석 모델인 FDS (Fire Dynamics Simulator)을 수행하였고 민감도분석을 효과적으로 위해 우선 상대적으로 중요하다고 알려져 있는 점화원 열방출량(HRRPUA, heat release rate per unit area), 가연물 종류및 격자크기 등 3개로 제한하였다. 또한 밀접한 상관관계를 가지고 있는 출력변수로서 최대 열발생률(HRR, heat release rate), 기준온도 도달시간 및 한계가시거리 도달시간 등 3개로 제한하였다. 또한 입력 및 출력 변수 상호간 정성적 및 정량적인 관련성 정도를 분석하기 위해 상관 계수 분석을 시도하였다.
질의응답 정보가 도움이 되었나요?

참고문헌 (19)

  1. S. H. Ahn, S. Y. Mun, I. H. Ryu, J. H. Choi, and C. H. Hwang, "Analysis on the Implementation Status of Domestic PBD (Performance Based Design) - Focusing on the Fire Scenario and Simulation" J. Korean Soc. Saf., Vol. 32, No. 5, pp. 32-40, 2017. 

  2. NRC, U. S and EPRI, "Verification and Validation of Selected Fire Models for Nuclear Power Plant Applications", Nuclear Regulatory Commission, NUREG-1824/EPRI 3002002182, Finial Report, 2016. 

  3. NRC, U. S and EPRI, "Fire PRA Methodology for Nuclear Power Facilities Volume 1: Summary & Overview", NUREG/CR-6850/EPRI 1011989, Finial Report, 2005. 

  4. M. H. Ji and B. K. Lee, "Application for Fire Protection Regulation based on Risk-Informed and Performance- Based Analysis" Journal of Disaster Management, Vol. 20 No. 3, pp. 65-70, 2006. 

  5. A. M. Corches, L. Ulriksen and G. Jomaas, "FDS Modeling of the Sensitivity of the Smoke Potential Values used in Fire Safety Strategies", In Proceedings of the 10th International Conference on Performance-Based Codes and Fire Safety Design Methods, pp. 34-35, 2014. 

  6. B. H. Henrik, N. Peter V, Peter, A. J Petersen and S. L Kim, "Sensitivity Analysis of Fire Dynamics Simulation." INTERNATIONAL CONFERENCE; 10th, Air distribution in rooms; Roomvent, Vol. 2, No. 4 , pp. 431-440, 2007. 

  7. M. Pachera, X. Deckers and T. Beji, "Capabilities and Limitations of the Fire Dynamics Simulator in the Simulation of Tunnel Fires with a Multiscale Approach", Journal of Physics: Conference Series, Vol. 1107. No. 4, 2018. 

  8. M. H. Jee, B. K. Lee and R. H. Jeoung, "Sensitivity Analysis for Fire Risk Conditions of Fire Area at Nuclear Power Plant with Performance-based Fire Model (FDS)", Journal of Korean Institute of Fire Science & Engineering, Vol. 21, No. 2, 98-104, 2007. 

  9. Y. T. Kim, C. H. Lee, H. S. Yang, H. K. Kam, H. G. Kwon and S. C. Kim, "Grid Sensitivity Analysis of FDS Calculation for a Residential Building Fire" Journal of Korean Institute of Fire Science & Engineering, Vol. 2015, No. 11, pp. 239-240, 2015. 

  10. S. Y. Mun, C. H. Park and C. H. Hwang, "Sensitivity Analysis on the Pyrolysis Properties of Power Cable" Journal of Korean Institute of Fire Science & Engineering, Vol. 2018, No. 4, pp. 247-248, 2018. 

  11. J. H. Cho, C. H. Hwang, J. S. Kim, and S. K. Lee, “Sensitivity Analysis of FDS Results for the Input Uncertainty of Fire Heat Release Rate,” J. Korean Soc. Saf., Vol. 31, No. 1, pp. 25-32, 2016. 

  12. J. Philip et al., "SFPE Handbook of Fire Protection Engineering Third Edition", National Fire Protection Association, pp. 642-680, 2005. 

  13. NRC, U. S and EPRI, "Nuclear Power Plant Fire Modeling Analysis Guidelines", NUREG-1934 and EPRI 102359, Finial Report, 2012. 

  14. K. McGrattan, S. Hostikka, R. McDermott, J. Floyd, C. Weinschenk and K. Overholt, "Fire Dynamic Simulator (Version 6): User's Guide", NIST SP 1019, NIST, Gaithersburg, MD, 2019. 

  15. K. McGrattan, S. Hostikka, R. McDermott, J. Floyd, C. Weinschenk, and K. Overholt, "Fire Dynamic Simulator (Version 6): Technical Reference Guide", NIST SP 1019, NIST, Gaithersburg, MD, 2019. 

  16. "Thunderheadeng and Support for Pyrosim", 2018, Oct 20, https://www.thunderheadeng.com/pyrosim/fundamentals/#room_fire 

  17. J. J. Kim "Sensitivity Analysis of Major Input Parameters of FDS" M.S. Semyung University Graduate School, Jecheon, 2019. 

  18. N. K. Sung, "SAS/STAT Regression Analysis 3nd Edition", Freedom Academy, pp. 198-235, 2004. 

  19. W. Richert, L. P. Coelho "Building Machine Learning Systems with Python", Packt Publishing Ltd, pp. 233-240, 2013. 

저자의 다른 논문 :

관련 콘텐츠

오픈액세스(OA) 유형

BRONZE

출판사/학술단체 등이 한시적으로 특별한 프로모션 또는 일정기간 경과 후 접근을 허용하여, 출판사/학술단체 등의 사이트에서 이용 가능한 논문

이 논문과 함께 이용한 콘텐츠

저작권 관리 안내
섹션별 컨텐츠 바로가기

AI-Helper ※ AI-Helper는 오픈소스 모델을 사용합니다.

AI-Helper 아이콘
AI-Helper
안녕하세요, AI-Helper입니다. 좌측 "선택된 텍스트"에서 텍스트를 선택하여 요약, 번역, 용어설명을 실행하세요.
※ AI-Helper는 부적절한 답변을 할 수 있습니다.

선택된 텍스트

맨위로