[논문]FDS를 이용한 경량철도 지하역사의 피난허용시간 연구

김치훈; 이덕희; 정우성

문제 정의

본 연구는 경량전철 시스템의 안전성에 대한 개선과 확립을 위해 차량과 역사를 연계하여 피난허용시간 대해 다양한 시나리오를 수치해석으로 분석하였다. 차량의 선단에서 발생한 연기확산이 중앙차량 보다 지하 2층으로 더욱 빠르게 확산되었다.
4(Fire Dynamics Simulator, NIST) 상용코드를 이용하여 피난허용시간을 분석하였다. 여기서 얻어진 분석방법은 경량전철시스템에 대한 안전성 관리를 위한 목적으로써 활용될 수 있으며, 이를 통하여 무인자동운전 시스템의 안전성에 대한 개선을 도모하고 신뢰를 확립하고자 한다.

가설 설정

약 4,526,000개의 격자로 모델링 되었으며, 병렬처리계산을 하기 위해 34개의 Multi mesh로 나누어 모델링하였다. 각 격자의 크기는 0.2 m로 하였으며 승강장 설계상의 스크린 도어를 가정하여 터널풍의 영향은 없는 것으로 설정하였다. 도면을 분석 과정을 거쳐 각 층의 제연/환기구를 설계 된 제연용량을 설정하였다.
둘째, 최대화원 규모로 설정된 그림 4의 화원은 철도시설 안전세부기준 2장 제 7조 2항(건설교통부고시 제 2006-395호)에 의하면 철도터널에서의 화원 규모를 10 MW로 규정하고 있다. 따라서 본 연구에서도 동일하게 적용하였으며 화재성장은 Ultrafast로 가정 하였다. 화원의 위치는 차량의 선단과 중앙으로 분류 하였다.

제안 방법

9와 같이 30∼40℃로 온도차가 크게 나타나지 않았다. 그리하여 대상모델의 화재위험성 인자를 연기층의 도달시간을 기준으로 피난허용시간을 분석하여 보았다. 연기층의 도달시간을 비교한 결과, 지하 2층의 h, i 경우 그림 1과 같이 지하 1층과 Open공간으로 이루어져 연기의 확산이 이루어지지 않았다.
2 m로 하였으며 승강장 설계상의 스크린 도어를 가정하여 터널풍의 영향은 없는 것으로 설정하였다. 도면을 분석 과정을 거쳐 각 층의 제연/환기구를 설계 된 제연용량을 설정하였다.
그림 1과 같이 승강장을 포함한 3개 층의 지하구조로 승강장의 길이가 65 m로 일반전동차 보다 작은 승강장을 적용하고 있다. 모델링의 각 층은 화재발생에 의한 연기의 빠른 확산을 방지하기 위하여 각 층과 층 그리고 해당 층의 면적에 의해 계획설계된 제연벽(천정부: 0.6m)을 모사하였다. 약 4,526,000개의 격자로 모델링 되었으며, 병렬처리계산을 하기 위해 34개의 Multi mesh로 나누어 모델링하였다.
경량전철시스템은 중전철에 비해 소량으로 1편성이 구성되고 무인운전과 자동운전이 가능 하도록 설계, 개발 되어진 운송시스템 차량이다. 본 연구는 전체 시스템 중 전동차량과 역사구조를 연계한 시스템에서 화재가 발생했을 때 연기층과 온도의 도달시간을 기준으로 시범 분석하였다. 경량전철차량은 내부공간과 환경의 이점을 극대화 하기 위해 차량간의 구획이 없는 광폭갱웨이식 내부구조를 가지고 있다.
시나리오는 화원의 위치와 제연팬의 작동 유무 등 피난혀용시간에 영향을 미치는 환경요소를 고려하여 분류하였다. 시나리오 분류는 표 2과 같이 분류 하였으며 피난동선을 따라 각 층의 바닥면으로 부터 높이 1 m에서 연기층과 온도가 도달하는 시간을 분석하였다. 각 동선에 따른 측정지점은 그림 5 ∼7과 같다.
시나리오는 화원의 위치와 제연팬의 작동 유무 등 피난혀용시간에 영향을 미치는 환경요소를 고려하여 분류하였다. 시나리오 분류는 표 2과 같이 분류 하였으며 피난동선을 따라 각 층의 바닥면으로 부터 높이 1 m에서 연기층과 온도가 도달하는 시간을 분석하였다.
6m)을 모사하였다. 약 4,526,000개의 격자로 모델링 되었으며, 병렬처리계산을 하기 위해 34개의 Multi mesh로 나누어 모델링하였다. 각 격자의 크기는 0.
그러나 광폭갱웨이식 내부구조는 화재의 연기확산과 온도의 전파가 빠르게 진행된다는 것을 알 수 있다(김치훈, 2010). 이러한 사실을 바탕으로 역사 내 차량화재를 가정하여 피난동선에 대해 각 층의 연기층과 온도 도달시간을 수치해석 기법인 FDS ver 5.4(Fire Dynamics Simulator, NIST) 상용코드를 이용하여 피난허용시간을 분석하였다. 여기서 얻어진 분석방법은 경량전철시스템에 대한 안전성 관리를 위한 목적으로써 활용될 수 있으며, 이를 통하여 무인자동운전 시스템의 안전성에 대한 개선을 도모하고 신뢰를 확립하고자 한다.
따라서 본 연구에서도 동일하게 적용하였으며 화재성장은 Ultrafast로 가정 하였다. 화원의 위치는 차량의 선단과 중앙으로 분류 하였다.

대상 데이터

다양한 화원 시나리오를 적용하기 위해 그림 3, 4와 같이 1.5 MW 와 10 MW, 두 가지 화원 모델을 적용하였다.
본 연구의 수치해석 대상 모델역사는 외부로 나가는 지하1층에 위치한 계단의 깊이가10.89 m 이다. 그림 1과 같이 승강장을 포함한 3개 층의 지하구조로 승강장의 길이가 65 m로 일반전동차 보다 작은 승강장을 적용하고 있다.
첫째, 그림 3의 발열량은 경량철도차량만을 대상으로 한 수치해석 데이터를 적용하였다(김치훈, 2010). 표 1의 물성치(Quantiere J.

이론/모형

FDS에서는 Smagorinsky model를 사용하여 아래와 같이 모델링한다.
수치해석에서는 현재 화재해석분야에서 널리 사용되고 있는 NIST의 상용코드인 FDS ver 5.4(USA, NIST)를 사용하였으며, 아래와 같은 지배방정식(Quintiere, J. G,1989)을 사용한다.

성능/효과

차량의 선단과 중앙화원의 위치에 따른 영향은 지하2층과 1층의 연기확산 시간을 비교한 결과 큰 영향이 없는 것으로 나타났다. 1.5 MW 화원의 경우 제연팬을 동작 유무에 따라 연기확산 따른 피난허용시간에 크게 영향을 미치는 것으로 나타났으나, 10 MW 화원의 연기확산은 큰 지연효과를 나타내지 못 하는 것으로 분석된다. 지하 1, 2층을 연결하는 Open공간을 통해 가장 가까운 j, l 출구가 연기층의 이동결로인 것을 확인할 수 있었다.
5 MW 화원의 경우 제연팬을 동작 유무에 따라 연기확산 따른 피난허용시간에 크게 영향을 미치는 것으로 나타났으나, 10 MW 화원의 연기확산은 큰 지연효과를 나타내지 못 하는 것으로 분석된다. 지하 1, 2층을 연결하는 Open공간을 통해 가장 가까운 j, l 출구가 연기층의 이동결로인 것을 확인할 수 있었다. 출구 3, 4의 k와 m의 연기층 높이는 약 1.
맞은편 승강장 또한 스크린도어에 의해 연기 확산이 이루어 지지 않았다. 차량의 선단과 중앙화원의 위치에 따른 영향은 지하2층과 1층의 연기확산 시간을 비교한 결과 큰 영향이 없는 것으로 나타났다. 1.

후속연구

B와 C, E 시나리오의 경우 승강장 피난규정(4분)에 영향을 미치며, A∼H시나리오의 경우 외부출입구를 벗어나는 규정(6분)에 모두 영향을 미치는 것으로 나타났다. 이러한 분석 결과에 따라, 제연 및 환기 성능 개선과 제연벽 길이와 배치에 대한 추가적인 연구가 요구된다.

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