김현우
(Hyeon Woo Kim)
1
이유식
(You-sik Lee)
2
남유진
(Yujin Nam)
3†
-
부산대학교 건축공학과 학부과정
(
Bachelor of Science, Department of Architecture Engineering Pusan National University,
Busan, 46241, Korea
)
-
㈜유일방재엔지니어링 대표
(
CEO, Yoo Il Bang Jae Engineering Company Limited, Busan, 46249, Korea
)
-
부산대학교 건축공학과 교수
(
Professor, Department of Architecture Engineering Pusan National University, Busan,
46241, Korea
)
Copyright © 2016, Society of Air-Conditioning and Refrigeration Engineers of Korea
Key words
Large volume space(대공간), Smoke reservoir screen(제연경계벽), Smoke diffusion time(연기확산시간), Numerical analyzation(수치해석), FDS(화재시뮬레이션)
기호설명
$L$：
수치해석공간의 가로, 세로 길이 [m]
$H$：
수치해석공간의 높이 [m]
$D$：
제연경계벽의 깊이 [m]
$t$：
시간 [s]
$\rho$：
밀도 [g/L]
$u$：
속도 벡터
$\nabla$：
방향 벡터
$P$：
압력 [atm]
$T$：
온도 [K]
$m_{b}^{'''}$：
입자의 증발속도 [m/s]
$g$：
중력가속도 [m/$s^{2}$]
$f_{b}$：
외부의 힘 벡터
$\tau_{ij}$：
전단응력(stress tensor) [N/$mm^{2}$]
$h_{s}$：
온도변화에 따른 엔탈피 [J/kg]
$q^{'''}$：
단위부피당 열 방출속도 [m/s]
$q_{b}^{'''}$：
입자의 열 방출속도 [m/s]
$q^{''}$：
전도와 복사에 의한 열 플럭스 [W/$m^{2}$]
$\epsilon$：
소산율(dissipation rate)
R：
기체상수 [atm․L/mol․K]
W：
혼합기체의 분자량 [g/mol]
D：
특정화재 직경 [m]
dx：
격자의 크기 [m]
$\rho_{\infty}$：
주변공기 밀도 [1.204 kg/$m^{3}$]
$C_{p}$：
주변공기 비열 [1.00 kJ/kg-K]
$T_{\infty}$：
주변공기 온도 [293 K]
1. 서 론
최근 제천 화재와 세브란스 병원 화재 등 대형건축물의 화재가 발생함에 따라 대공간에서의 화재안전성에 대한 국민적 관심이 증가되고 있다. 소방청 통계자료(1)에 의하면 건물 화재사고는 매년 증가하고 있는 추세이며, 이에 따른 인명피해와 재산피해 규모는 막대한 수준으로 건물 화재사고를 줄이기 위한 노력이
절실한 실정이다. 대공간은 화재 발생시 천정까지의 수직 상승거리가 높아 일반건물에 비해 다량의 연기가 발생하고, 건물 전체로 연기가 확산되는 화재특성으로
인해 인명피해의 위험도가 높다. 따라서, 대공간에서 화재 발생시 제연설비를 통한 연기의 국한화가 필수적이라 할 수 있다. 현재 국내에서는 지하 역사나
도로터널 등에서 화재 시 연기의 국한화가 가능한 제연경계벽을 채택하여 사용하고 있으며 이에 대한 연구가 진행되고 있다.
Baek and Lee(2)은 3차원 수치해석을 통해 중규모 도로터널에서 제연경계벽의 설치유무와 설치간격에 따른 화재성상과 독성가스의 확산특성을 분석하고, 피난시뮬레이션을 통해
정량적 위험도 평가를 실시하였다. 그 결과, 제연경계벽을 설치하지 않은 경우보다 설치한 경우 최대 약 70초의 연기확산 지연효과가 있었으며, 제연경계벽의
설치간격이 200 m 이상일 경우, 연기확산속도가 피난속도 보다 빠른 것을 확인하였다. Roh and Hur(3)은 지하역사를 대상으로 제연경계벽의 설치유무를 비교검토하여 효용성을 분석하였다. 그 결과, 제연
경계벽 설치 시 기존 제연설비에 비해 60초 이상의 피난여유시간을 확보하여 제연경계벽의 효용성을 입증하였다. Park et al.(4)은 시뮬레이션 해석을 통해 지하역사 내 풍속변화에 따른 제연경계벽 설치유무의 연기거동을 분석
하고 이를 비교하여 제연경계벽의 효율성 검토를 실시하였다. 그 결과, 2 m/s 미만의 풍속 조건에서는 제연
경계벽이 연기확산 지연성능을 발휘하지만 2 m/s 이상의 풍속조건에서는 연기확산 지연성능이 현저하게 떨어지는 것을 확인하였다. Kim and Baek(5)은 시뮬레이션을 통해 동일한 급기량을 가하였을 때, 제연경계 폭의 변화에 따른 가시거리와 일산화탄소, 이산화탄소, 산소의 양을 정량적으로 분석하였다.
그 결과, 제연경계 폭을 0.6 m로 설정하였을 때 보다 0.8 m로 설정하였을 때 가시거리가 더 길게 나타났으며, 제연경계 폭이 길어짐에 따라 유해가스의
농도가 낮게 측정되어 제연경계 폭이 증가할수록 유리한 것을 확인하였다.
현재 국내의 제연경계벽에 관한 연구는 주로 지하역사나 터널과 같은 지하공간에 대해 이루어지고 있다. 하지만, 대공간에서의 제연경계벽의 제연효과 대한
연구는 미흡하다. 또한, 현행 소방관련법령 중 제연설비의 화재안전기준(NFSC 501)(6)에서 제연경계벽 설치에 대한 규정이 있으나, 이러한 기준은 건물공간의 특성 및 연기확산인자 등을 반영한 세부사항이 미흡한 실정이다. 따라서, 본 연구에서는
3차원 수치해석수법을 통해 대공간에서의 제연경계벽의 깊이에 따른 제연효과를 정량적으로 분석하였다.
2. 연구방법
2.1 FDS(화재 시뮬레이션 프로그램)
본 연구에서는 화재 시뮬레이션 FDS Ver 6.6.0을 이용하여 수치해석 하였다. FDS는 미국 NIST(National Institute of
Standards and Technology)에서 개발된 화재 CFD프로그램으로 Navier-Stokes Equations을 토대로 연산된 결과를
통해 연기와 온도 및 유체유동에 의한 영향을 평가할 수 있다.
2.2 FDS의 지배 방정식(7-8)
FDS에서의 연기와 열의 거동은 4가지 지배방정식(질량보존방정식, 운동량 보존 방정식, 에너지 보존 방정식과 상태방정식)에 의해 연산되어 해석된다.
각 방정식은 식(1)~식(4)에 각각 기술하였다.
Fig. 1 Schematics of numerical modeling.
Table 1. Simulation Case
|
Case
|
H(m)
|
L/2(m)
|
D(m)
|
|
1
|
4
|
5
|
10
|
15
|
0
|
0.3
|
0.6
|
0.9
|
1.2
|
|
2
|
5
|
5
|
10
|
15
|
0
|
0.3
|
0.6
|
0.9
|
1.2
|
|
3
|
6
|
5
|
10
|
15
|
0
|
0.3
|
0.6
|
0.9
|
1.2
|
2.3 수치해석공간과 제연경계벽
본 연구에서는 대공간에서의 화원의 발생위치와 제연경계벽의 깊이가 제연경계벽의 제연효과에 미치는 영향을 정량적으로 검토하기 위해 제연경계벽 전 1 m,
후 2 m 지점에 연기감지기를 설치하여 제연효과를 수치해석 하였다. 수치해석에 이용된 연기감지기는 Cleary Ionization l1이며 연기감지기의
작동농도는 3.28 %/m로 설정하였다. 수치해석에 이용된 대상공간은 정사각형의 공간이며 화원을 대상공간 중앙에 배치하고 대상공간의 가로, 세로 길이를
조정하여 화원과 제연경계벽의 이격거리를 조정하였다. 또한, 화원으로부터 생성된 연기가 벽체의 영향을 받지 않기 위해 가로, 세로 각각 10 m의 여유를
두는 개방경계조건을 적용하였다. Fig. 1(a)과 Fig. 1(b)는 수치해석 공간의 평면과 단면개략도를 나타낸다.
제연경계벽(Fig. 1(c))은 대상공간의 가로, 세로와 동일한 길이로 모델링하였으며 두께는 일반적인 제연경계벽을 기준으로 1 cm로 설정하였다. 또한 제연경계벽의 깊이별 제연효과를
분석하기 위해 각 Case마다 제연경계벽의 깊이를 0.3 m씩 증가시키며 제연효과를 검토하였다.
Table 1은 수치해석에 이용된 Simulation Case를 나타낸다. 전체 계산 종류는 45개이며, 층고에 따른 계산 종류 3개, 화원과의 이격거리에 따른
계산종류 3개, 제연경계벽의 깊이에 따른 계산종류 5개로 분류하여 수치
해석을 실시하였다.
2.4 화원 설정
본 연구에서는 화재시뮬레이션에서 일반적으로 이용되는 Polyurethane GM27을 가연물로 하여 시뮬레이션을 실시하였다. 화원의 면적은 1 m×1
m이며, 연기가 최대로 발생한다는 가정하에 5 MW급 화재의 화원과 화재
성장률은 Medium Growth 조건을 적용하였다. 본 연구에 사용된 화원의 특성은 Table 2와 같다.
2.5 격자크기의 적정성 검토
FDS 해석결과는 해석공간의 격자 크기에 의해 달라진다는 연구결과가 있다. 따라서, 미국 원자력 규제 위원회
(NUREG)의 FDS V&V(검증 및 평가)보고서 NUREG-1824(9)를 참고하여 해석공간 내 격자크기의 적정성을 검토하였다. 격자크기의 적정성은 식(5)와 식(6)을 통해 검증할 수 있다. 본 연구에 이용된 격자크기는 0.25 m ×0.25 m×0.25 m로 격자크기의 적정성 검토결과, 허용범위 이내에 들어
적정크기로 확인되었다. 격자크기의 적정성 검토과정은 Table 3에 나타내었다.
3. 연구 결과
3.1 제연경계벽의 깊이 변화에 따른 제연효과
대공간 화재시 제연경계벽 깊이 변화에 따른 제연효과를 검토하기 위해 동일한 층고와 동일한 이격거리 조건에서 제연경계벽 미설치와 제연경계벽의 깊이를
0.3 m씩 증가시키며 제연경계벽의 제연효과를 검토하였다.
Fig. 2(a)~Fig. 2(d)는 동일한 층고와 화원과의 이격거리조건에서 제연경계벽의 깊이별 2차 연기감지기의 연기감지시점의 연기확산상황을 나타낸다. Fig. 2(a)~Fig. 2(d) 아래의 시간은 화재발생 후 2차 연기감지기의 연기감지시점을 나타낸다. 0.3 m 제연경계벽 설치 시 연기확산 범위가 가장 넓었으며, 제연경계벽의
깊이가 깊어질수록 화재확산범위는 감소하였다.
Table 2. Fire source properties
|
Classification
|
Polyurethane GM27
|
|
Heat Realese Rate(kW)
|
5,000
|
|
Area of Fire Source($m^{2}$)
|
1
|
|
Fire Growth Rate
|
Medium
|
|
Reactions Species
|
C = 1.0, H = 1.7, O = 0.3, N = 0.08,
SOOT_yield = 0.198, CO_yield = 0.042
|
Table 3. Grid sensitivity test
|
Combustible
|
HRR(kW)
|
Applicable Grid(m)
|
Apply Grid(m)
|
Responsiveness
|
Feasibility
|
|
Polyurethane GM27
|
5000
|
0.11~0.46
|
0.25
|
7.317
|
OK
|
Fig. 2 Smoke behavior by the depth of the smoke reservoir screen.
Fig. 3 Smoke diffusion time by the depth of smoke reservoir screen.
Table 4. Smoke control effect by the depth of smoke reservoir screen
|
A depth of Smoke reservoir screen(m)
|
Smoke detection time(s)
|
Smoke diffusion time
(s)
|
Smoke control effect
(s)
|
|
MP1
|
MP2
|
|
0 m
|
20.7
|
28.77
|
8.07
|
-
|
|
0.3 m
|
21.02
|
35.41
|
14.39
|
6.32
|
|
0.6 m
|
20.71
|
40.51
|
19.8
|
5.41
|
|
0.9 m
|
20.79
|
45.03
|
24.24
|
4.44
|
|
1.2 m
|
20.79
|
46.11
|
25.32
|
1.08
|
Fig. 3과 Table 4는 동일한 층고와 화원과의 이격거리 조건에서 제연경계벽의 깊이 변화에 따른 연기확산
시간을 비교한 결과이다. 제연경계벽 미설치시, 1차 측정지점에서 2차 측정지점까지 8.07초에 도달하였고, 0.3 m 제연경계벽 설치 시 14.39초,
0.6 m 제연경계벽 설치 시 19.8초, 0.9 m 제연경계벽 설치 시 24.24초, 1.2 m 제연
경계벽 설치 시 25.32초에 도달하여 제연경계벽의 깊이가 깊어질수록 제연효과의 절대치는 커지나 깊이 증가
대비 제연효과의 상승폭은 점점 미미해지는 것으로 나타났다.
3.2 화원과의 이격거리에 따른 제연효과
화원과의 이격거리에 따른 제연경계벽의 제연효과를 검토하기 위해 동일한 층고 조건에서 화원과의 이격
거리를 변화하며 제연경계벽의 깊이별 연기확산시간을 비교하였다.
Fig. 4 Smoke behavior in the change of distance from fire source.
Fig. 5 Smoke control effect in the change of distance from fire source.
Table 5. Smoke control effect in the change of distance from fire source
|
A depth of Smoke
reservoir screen
|
Distance from fire source
|
|
5 m
|
10 m
|
10 m
|
|
0.3 m
|
13.8s
|
11.2s
|
11s
|
|
0.6 m
|
18.8s
|
18.4s
|
13.4s
|
|
0.9 m
|
23.9s
|
22.7s
|
19.4s
|
|
1.2 m
|
25.9s
|
24.7s
|
21.4s
|
Fig. 4는 화원과의 이격거리 변화에 따른 제연경계벽의 깊이별 2차 연기감지기의 연기감지 시점의 연기확산
상황을 나타낸다. Fig. 4 아래의 시간은 화재발생 후 2차 연기감지기의 연기감지시점을 나타낸다. 화원과의 이격거리가 증가함에 따라 발생된 연기량이 증가하여 제연경계벽에 도달시
연기하강이 더 증가함을 알 수 있다.
Fig. 5와 Table 5는 동일한 층고 조건에서 화원과의 이격거리에 따른 연기확산 시간을 나타낸다. 모든 제연경계벽 조건에서 이격거리 5 m일 때 제연경계벽의 제연효과가
가장 탁월하였으며, 화원과의 이격거리가 증가할수록 제연효과는 미미해졌다. 0.3 m 제연경계벽은 이격거리 5 m와 10 m의 연기확산시간을 비교하였을
때 2.6초의 차이인 반면 이격거리 10 m와 15 m를 비교하였을 때 0.2초 차이로 이격거리가 5 m에서 10 m로 증가할 때, 가장 민감한 것으로
드러났다. 0.6 m 제연경계벽의 경우, 이격거리 5 m와 10 m를 비교하였을 때, 0.4초 차이로 제연효과가 미비한 것으로 나타났으며, 10 m와
15 m를 비교하였을 때, 5초의 차이로 민감한 것으로 드러났다. 0.9 m 제연경계벽은 화원과의 이격거리의 변화에 큰 변화 없이 1.2초, 3.3초의
감소폭으로 타 제연경계벽에 비해 안정적인 감소폭을 보였다. 1.2 m 제연경계벽의 경우, 0.9 m 제연경계벽과 동일한 제연효과 감소폭을 보였다.
0.3 m 제연경계벽을 제외한 모든 제연경계벽 조건에서 화원과의 이격거리가 10 m에서 15 m로 증가할 때, 제연효과의 감소폭이 더 큰 것으로 나타났다.
3.3 층고 변화에 따른 제연효과
층고에 따른 제연경계벽의 제연효과를 검토하기 위해 동일한 이격거리 조건에서 층고를 변화하며 제연
경계벽의 깊이별 연기확산시간을 비교하였다.
Fig. 6은 층고 변화에 따른 제연경계벽의 깊이별 2차 연기감지기의 연기감지시점의 연기확산상황을 나타
낸다. Fig. 6 아래의 시간은 화재발생 후 2차 연기감지기의 연기감지시점을 나타낸다. Fig. 4와 달리 층고가 증가함에 따라 연기하강이 감소한 것을 알 수 있다.
Fig. 6 Smoke behavior in the change of height.
Fig. 7 Smoke control effect in the change of height.
Table 6. Smoke control effect in the change of height
|
A depth of Smoke
reservoir screen
|
Height
|
|
4 m
|
5 m
|
6 m
|
|
0.3 m
|
9.6s
|
9.9s
|
11.2s
|
|
0.6 m
|
15.2s
|
16.2s
|
18.4s
|
|
0.9 m
|
20.1s
|
21.3s
|
22.7s
|
|
1.2 m
|
22.6s
|
23.7s
|
24.7s
|
Fig. 7과 Table 6은 층고 변화에 따른 제연경계벽의 깊이별 제연효과를 나타낸다. 모든 Case에서 층고가 증가함에 따라 제연효과가 증가하였다. 이는 앞서 화원과의 이격거리에
따른 제연경계벽의 제연효과와 비교
하였을 때, 발화점에서의 상승기류로 인해 수직축 확산속도가 수평축 확산에 비해 빨랐다는 것을 시사한다. 0.3m 제연경계벽의 경우, 층고 4 m와
5 m의 연기확산시간을 비교하였을 때 0.3초, 층고 5 m와 6 m를 비교
하였을 때 1.3초 차이로 층고 5 m에서 6 m로 증가시 민감한 것으로 드러났다. 0.6 m 제연경계벽의 경우, 층고 4 m와 5 m의 연기확산시간을
비교하였을 때 1초, 층고 5 m와 6 m를 비교하였을 때 2.2초의 차이로 층고 5 m 에서 6 m로 증가시 가장 민감한 결과를 나타냈다. 반면,
0.9 m 제연경계벽와 1.2 m 제연경계벽의 경우, 층고 4 m와 5 m, 층고 5 m와 6 m를 비교하였을 때 모두 0.2초 이내로 안정적인 증가폭을
보였다.
4. 결 론
본 연구에서는 대공간에서의 층고와 화원의 발생위치에 따른 제연경계벽의 깊이별 제연효과에 대해 정량적
으로 분석하였다. 결과는 다음과 같다.
(1) 동일한 층고와 화원과의 이격거리 조건에서 제연경계벽의 깊이변화에 따른 제연효과를 분석한 결과, 제연
경계벽의 깊이가 깊어질수록 제연경계벽 미설치 시에 비해 제연효과의 절대치는 커졌으며 깊이증가대비 제연효과는 미비한 것으로 드러났다.
(2) 동일한 층고조건에서 화원과의 이격거리에 따른 제연경계벽의 제연효과를 분석한 결과, 0.3 m 제연경계벽의 경우, 화원과의 이격거리가 5 m에서
10 m로 증가할 때, 제연효과가 2.6초 감소함으로써 가장 민감한 것
으로 드러났다. 또한, 0.6 m 제연경계벽의 경우, 화원과의 이격거리가 10 m에서 15 m로 증가할 때, 제연
효과가 5초 감소함으로써 가장 민감한 것으로 드러났다.
(3) 동일한 화원과의 이격거리 조건에서 층고에 따른 제연경계벽의 제연효과를 분석한 결과, 0.3 m 제연경계벽의 경우, 층고가 4 m에서 5 m로
증가할 때, 0.3초 증가함으로써 제연효과가 미비한 차이를 보였다. 0.6 m 제연
경계벽의 경우, 층고가 5 m에서 6 m로 증가할 때, 2.2초의 차이로 증가폭이 층고 4 m에서 5 m로 증가할 때 보다 더 큰 증가폭을 보였다.
(4) 화원과의 이격거리와 층고에 따른 제연효과를 비교한 결과, 층고에 따른 제연효과 보다 화원과의 이격거리에 대한 제연효과의 영향도가 컸다. 이는
발화점에서의 상승기류로 인해 수직축 확산속도가 수평축 확산에 비해 빨랐다는 것을 시사한다.
후 기
이 과제는 부산대학교 기본연구지원사업(2년)에 의하여 연구되었음.
References
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