3.2.1 기준 모델(Case A) 개요

본 연구 대상지는 환기구 길이 8 m, 환기구 폭 6 m, 환기구 높이 1.5 m, 환기구 간격 10 m, 지붕 높이 12 m, 가로 길이 230 m, 세로 길이 132 m, 건물 높이 10.5 m, 통로 폭 6 m, 점포 폭 5 m로 되어 있다.

Case A의 평면도와 입면도는 Fig. 2와 같다.

3.2.2 개선 모델 개요

개선 모델 해석 대상은 부산지역의 아케이드 재래시장에서 가장 많이 시공되고 있는 Case A을 대상으로 가로 길이, 세로 길이, 지붕 높이, 건물 높이, 통로 폭과 점포 폭은 그대로 둔 상태에서 화재발생시 지붕 환기구 형태 변화에 따른 온도 및 배연 성능확보를 확인하기 위하여 환기구 길이, 환기구 폭, 환기구 높이와 환기구 간격을 변경시켜 4개의 Case를 설정하였다. 기본 모델과 개선 모델의 제원은 Table 3과 같다. Case B의 경우 Case A를 기본으로 하고 환기구 길이 4 m, 환기구 간격 5 m로 조정하였다. Case C의 경우 Case A의 조건과 동일하나 환기구를 설치하기 전 1 m를 띄우고 환기구를 설치하였다. Table 3에서 Case 3의 Vent height의 괄호안의 수치로 2.5 m로 표시되었다. 즉 환기구 길이 방향으로 1 m가 화재발생시 Open 되도록 하였으며 그 위에 환기구가 설치된 형태이다. Case D는 중간의 환기구를 없애고 1 m 높이 차이가 나는 두 개의 곡선지붕을 위아래로 설치하였으며 하부 곡선지붕은 슬라이딩 루프도어 개폐장치로 설치되었다. 화재발생시 하부 곡선지붕을 Open 할 수 있도록 하였다. Case E는 Case D의 조건과 비슷하나 하부 곡선지붕을 양옆으로 2개 설치하여 슬라이딩 루프도어 개폐장치로 설치되었다. 화재발생시 2개 하부 곡선지붕을 Open 할 수 있고 평일에 비가 오거나 태양광을 차단하기 위해 하부 곡선지붕을 Close하도록 하였다. 기본 및 개선 모델별 입면도는 Fig. 3과 같다.

3.2.3 시뮬레이션 입력 조건

화재 시뮬레이션 입력조건의 화원은 화재발생의 위험성이 클 것으로 예상되는 의류매장을 선정하였으며, 대표물질로 나일론을 선정하였다. 화재하중은 100 kg/m², 열방출량은 3,000 kW/m²로 설정하였다. 화재의 위치는 x측 방향으로 82 m, y측 방향으로 13.5 m 위치에서 발생하는 것으로 하며 Fig. 2의 Fire 위치로 한다. 화원의 크기는 1 m×1 m, 시뮬레이션 시간은 360초로 설정하였으며, 시뮬레이션 입력 조건은 Table 4와 같다. 화재 시뮬레이션의 결과값에 대한 신뢰성을 높이기 위한 방법 중 해석공간의 적절한 격자크기 설정이 주요 변수가 된다. 화재 근방의 Characteristic length scale은 MaCaffery의 연구에 의한 식(1)과 같이 화재 반경특성을 제한한다.

시뮬레이션의 격자크기 민감도 수용범위는 미국원자력규제위원회에서 정하고 있는 D/δx 4~16으로 설정하였고⁽⁴⁾ 계산된 민감도 값은 7.4로 적정범위 안에 들어갔다.

3.3.1 열에 의한 온도 분석

화재시뮬레이션을 통한 최고 온도를 보면 Case A, Case B, Case C, Case D의 경우 약 175℃, Case E의 경우 약 125℃를 보였다. Case D와 Case E는 환기구가 중간 중간에 있지 않고 길이방향으로 길게 되어 있어 다른 Case에 비해 천장 전체로 연기가 확산되었으며 온도분포도 천장 전체에 걸쳐 나타나는 것으로 분석되었다. 소방시설 등의 성능위주설계 방법 및 기준에서 정하는 인명안전기준은 인체 호흡한계선인 1.8 m에서 열에 의한 온도는 60℃ 이하로 정하고 있으며 전체적으로 60℃ 이하의 온도분포를 보였다. 인명안전기준에 의한 온도의 영향은 Case별 모두 피난에 있어 안전하다고 판단되었다. 위의 결과로 볼 때 Case E가 길이의 양방향으로 연기배출이 이루어지는 관계로 온도분포도 비교적 다른 Case에 비해 낮은 분포를 보였다. 시뮬레이션 180초 때의 Case별 온도분포는 Fig. 4와 같다.

3.3.2 연기에 의한 배연성능 분석

화재발생시 발생하는 연기에는 각종 유해가스가 혼합되어 있다. 유기물의 열분해 및 연소 중의 화학반응은 복잡하고 온도나 산소 농도에 따라 다양하며, 중간 생성물의 발생 과정도 다르다. 화재시에 발생하는 열분해 물질 및 가연성가스, 연소가스, 공기 등의 혼합 기체를 일반적으로 연기라고 한다. 이들 영향은 가시도 저하에 따른 시각적 장애, 극도의 불안감, 공포심에 따른 심리적 장애 및 일산화탄소 등의 중독과 산소 결핍에 따른 호흡 장애, 심신의 기능 장애, 생리적인 장애 등을 받게 된다. 연기에 의한 인간의 행동은 패닉현상을 보이게 되며 공포심으로 인해 행동의 제약을 받게 된다.

화재시뮬레이션을 통한 연기농도를 시간의 경과함에 따라 Case별 모두 천장에 체류 및 확산되면서 환기구를 통해 배출되는 것을 알 수 있었다. Case A와 Case B는 비슷한 양상을 보였으나 Case B의 경우가 환기구 수가 많은 관계로 보다 더 연기농도가 낮게 나타났고 잘 배출되는 것으로 분석되었다. Case A~Case C를 비교하였을 경우 Case C가 양쪽에 길이방향으로 1 m 띄우고 환기구를 설치한 관계로 더 높은 배출성능을 보였다. Case D와 Case E의 경우 길이방향으로 길게 환기구가 형성이 되어 연기농도가 천장 상부에 길게 늘어져 있으며 배출되는 양상은 비슷하였으나 Case E가 더 나은 성능을 보였다. 전체적으로 볼 경우 연기농도와 배출성능으로 볼 경우 Case C가 가장 높은 성능을 보이는 것으로 분석되었다. 시뮬레이션 180초 때의 Case별 연기 농도분포는 Fig. 5와 같다.