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Analysis of Smoke Spread Effect Due to The Fire Location in Underground Subway-Station

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Academic year: 2021

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† 교신저자, 한국철도기술연구원, 철도환경연구실, 책임연구원 E-mail : jangyj@krri.re.kr TEL : (031)460-5355 FAX : (031)460-5279 * 한국철도기술연구원, 철도환경연구실, 연구원 ** 한국철도기술연구원, 철도환경연구실, 선임연구원

대심도 역사의 화재위치에 따른 연기확산 영향 분석

Analysis of Smoke Spread Effect Due to The Fire Location in

Underground Subway-Station

장용준† 구인혁* 김진호** 남성원***

Yong-Jun Jang In-Hyuk Koo Jin-Ho Kim Seong-Won Nam

ABSTRACT

Simulation study were performed for fire location effect on the smoke spread in the deeply-underground subway station(DUSS). In this research, Shingumho station (The line # 5, Depth: 46m) has been selected as case-study for the analysis of smoke-spread effect with the different fire location. Field test data measured for actual fan in DUSS was applied as a condition of a simulation. The whole station was covered in this analysis and 4 million grids were generated for this simulation. The fire driven flow was analyzed case by case to compare the smoke-spread effect according to the fire location. In order to enhance the efficiency of calculation, parallel processing by MPI was employed and LES(large eddy simulation) method in FDS code was adopted. 국문요약 본 연구에서는 최근 증가하고 있는 대심도역사의 화재위치에 따른 연기확산영향에 대하여 분석하였다. 시뮬레이션모델은 신금호 역사(5호선, 깊이 46m)를 대상으로 하였으며, 화재위치에 따른 연기확산 영 향을 분석 하였다. 현장조사 및 실측을 통하여 계측된 실제 역사의 제연팬에 관한 데이터를 화재시뮬레 이션 조건으로 적용하였다. 역사전체를 해석 대상으로 하여 총 400만개의 격자를 사용하였으며, 화재위 치에 따른 연기확산 영향 비교를 위하여 화재 시나리오를 작성하여 Case별로 화재해석을 수행하였다. 계산 효율을 높이기 위하여 MPI병렬처리기법을 사용하였으며 해석코드는 LES(large eddy simulation) 기법을 주로 사용하는 FDS5 code를 사용하였다. 1.서론 수도권 일대의 지하철은 37년 전 1호선이 처음 개통된 이래 그 규모가 지속적으로 증가하여 현재 10 여개의 지하철 노선이 운용되고 있다. 이러한 지하철 역사는 수도권 대중교통 수단의 중심으로 이용되 고 있으며 규모의 증가와 함께 노선 또한 거미줄처럼 복잡해지고 있다. 뿐만 아니라 새로운 노선을 신 설할 경우 기존 노선과의 겹침 및 환승 등의 요인으로 지하역사의 수가 증가하고 있으며, 그 깊이 또한 점점 더 깊어지고 있는 실정이다. 이에 따라 도표 1과 같은 심도 40m 이상의 소위 대심도 역사로 불리 는 지하역사가 출현하였다. 이러한 대심도 지하역사는 일반적인 역사와 달리 화재가 발생할 경우 지상 까지의 피난경로가 매우 길고 연소생성물의 거동이 피난방향과 일치할 뿐만 아니라 연기에 의한 가시거 리의 저해 등의 위험성이 있으므로 일반적인 역사와는 다른 화재 안전기준이 요구되고 있다. 이에 따라

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구분 역사 심도 관할기관 1 종로3가역 13m 서울메트로 2 이대역 36m 3 충무로역 28m 4 회현역 23m 5 신금호역 44m 서울 도시철도공사 6 버티고개역 43m 7 숭실대입구역 47m 8 산성역 56m 도표 1. 서울 지하철 호선별 최대 심도 역사 장용준 등은 [1],[2],[3] 대심도 지하역사 화재현상 연구와 스크린도어 설치 상황에서의 화재유동 변화 에 대한 연구를 수행하였다. 본 연구에서는 5호선 신금호 역사를 대상으로 지하역사 화재의 여러 안전 대책 중 지하철 차량의 화재 위치에 따른 연소 생성물의 거동 및 이에 따른 연소생성물의 확산 억제와 역사 외부로의 배출을 위한 제연장치의 효율의 차이를 분석하였다. 1.1 연구목적 및 방법 본 연구는 지하철 5호선 역사 중 최대 심도를 갖는 신금호 역사를 모델로 하여 지하철 차량 화재 시 화재위치에 따른 연소생성물의 거동 및 제연장치의 효율을 분석하는데 그 목적이 있다. 이를 위해 총 지하 8층으로 건설된 역사 전체를 모델링 하여 수치해석을 수행하였으며, 제연장치 및 각각의 팬의 풍 량은 실측된 data를 적용하였다. 화재의 규모는 20MW 급으로 하였으며, 차량의 화재위치는 신금호 역 사의 행당방향 열차를 기준으로 화재 차량으로부터 승강장 피난계단까지의 거리에 따라 열차의 8량, 5 량, 2량의 3Case로 나누어 수치해석을 수행하였다. 2. 본론 2.1 수치해석을 위한 경계조건 본 연구는 그림1,2와 같이 신금호 역사를 대상으로 하여 수치해석을 수행하였다. 신금호 역사는 총 지하8층으로 구성되어 있으며, 지상으로 3개의 출입구가 연결되어있다. 각층은 계단과 에스컬레이터, 엘리베이터로 연결되며, 본 연구에서는 화재상황에서 에스컬레이터와 엘리베이터가 정지된다고 가정하 여 시뮬레이션을 수행하였다. 또한 지하 8층의 역사 중 화재로 인한 유동의 확산 가능성이 있거나 승객 피난에 영향을 줄 것으로 생각되는 영역만을 모델링 하였다. 신금호 역사의 제연 시스템의 경우 평상시 급/배기 운전 모드와 승강장 화재발생시 운전 모드, 대합실 화재발생시 운전모드로 운영된다. 본 연구 에서는 그림3과 같이 승강장 화재발생시 운전모드를 적용하여 시뮬레이션을 수행하였다. 승강장 및 대 합실의 디퓨져의 위치는 그림4~6과 같이 실제 설치위치를 조사하였으며, 각 디퓨져의 실측 풍량을 적용 하였다. 열차는 승강장의 정차 위치에 위치하며, 최악의 상황을 고려하여 상하행선의 열차가 모두 정차 하고 있을 때의 상황으로 하였다. PSD의 경우는 완전 밀폐식으로 터널내의 유동이 승강장으로 유입되 지 않는다고 가정하였다. 화재규모 20MW이며 화재위치는 그림2와 같이 열차의 8량, 5량, 2량의 3Case로 설정하였으며, 객차의 출입구와 PSD의 출입구는 피난 상황을 가정하여 모두 열려있는 것으로 하였다.

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그림1. Schematic diagram of shingumho subway station

그림2. The FDS modeling of shingumho subway station (Fire Location)

그림3. Smoke ventilation fan mode in platform fire

그림4. The diffuser layout in B2

그림5. The diffuser layout in B1

그림6. The diffuser layout in platform

2.2 수치해석기법 및 해석 Code

본 연구에서 수치해석을 위한 Code로 NIST에서 개발한 화재전용 프로그램인 FDS(Fire Dynamics Simulator)를 사용하여 연구를 수행하였다. FDS는 LES(Large Eddy Simulation)방식으로 난류를 해석 하며, 본 연구와 같이 방대한 역사를 가지는 모델에서 빠른 해석결과를 보이며, 화재유동과 같은 저속 유동 해석에 강점을 보인다.

수치해석을 위한 격자의 크기는 화원의 크기를 기준으로 하여 선정되었으며, 선정 기준은 다음과 같다. McGrattan et. al.[4], [5]에 의하면 고유 화재 직경의 크기는

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

∞∞  

 (1) 여기서,∞  ,     ∙   , ∞    ,      이다. 의 값에 따른 격자 민감도 Test 결과에 따르면 보통 3~10개의 격자수가  길이에 적용되어야 하므 로 다음과 같이 산정하였다.   ≃  (2) 여기서 은 적정격자의 크기이며, 본 연구에서는 0.2m 로 적용하였다. 격자크기가 0.2m 로 적용 하 였을 때, 총 격자수는 약 400 만개이다. 해석의 효율을 높이기 위해 총 22개의 해석영역으로 나누어 병 렬처리기법으로 해석을 수행하였다. 해석 OS는 LINUX이며, 사용된 CPU는 intel 3.0 GHz Dual Cpu 6 개(core 12개)를 사용하였다.

본 연구에서 사용된 FDS의 경우 난류계산을 위해 LES(Large Eddy Simulation)을 사용하는데 다음과 같이 필터링 하여 해석한다.                

      

 

(3)    (4)

여기서 는 sub-grid scale(SGS) stress이다.

     (5)   

      

(6) 여기서 는 모델링이 되어야 하며 FDS에서는 다음과 같은 일반적인 Smagorinsky model을 사용하고 있다. 



(7) 여기서,



 (8)    (9)

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그림. 7 The Carbon monoxide detected point

그리고 FDS의 default 조건으로 =0.2를 사용하였다.

2.3 수치해석 결과 및 고찰

본 연구에서는 Case1. 8량, Case2. 5량, Case3. 2량의 3가지 Case로 수치해석을 수행하였으며, 연 소생성물의 확산을 비교하기 위하여 화재발생시 가장 큰 인명피해를 발생시키는 CO를 기준으로 해석을 수행하였다. 이를 위해 그림 7과 같이 승객의 피난 경로를 따라 CO 감지기를 설치하여 각 Case 별로 비교를 수행하였다. 그림 8~10은 각 CO 감지기의 시간에 따른 농도변화를 나타낸 것이다. Case1의 경 우 화재 발생 후 800s 경과 시 까지 승강장 계단부에 CO가 감지되지 않아 연소생성물의 효과적인 제어 가 가능한 것으로 나타났다. Case2의 경우 화재발생 후 190s 경과 후 승강장계단부에 CO가 감지되었으 며 580s 경과 후 중간층인 지하 5층 계단부 입구에서 CO가 감지되었고 약 750s 경과 후에 대합실 입구 에서 CO가 감지되었다. Case3의 경우 화재발생 후 180s 경과 후 승강장 계단부에 CO가 감지되었으며 약 380s 경과 후 지하 5층 계단부 입구에서 CO가 감지되었고 470s 경과 후에 대합실 입구에서 CO가 감지되어 연소 생성물이 대합실 까지 확대되는 것으로 나타났다. 그림 11~13은 화재시 발생한 Soot의 거동을 나타낸 것이다. 분석결과 Case1의 경우 제연장치가 연소생성물이 화재차량 부근 이외의 장소로 확대되는 것을 효과적으로 억제하고 있는 것으로 나타났으나 나머지 Case2,3은 모두 연소생성물이 승 객의 피난동선을 따라 역사 중간층 및 대합실까지 확대되는 것으로 나타났다. 일반적으로 객차에서 탈 출시간을 4분으로 보며, 안전지대까지 7분 이내에 피난 완료하여야 하므로 이러한 화재강도에 따른 연 소생성물의 거동은 지하역사 화재에 대한 최적설계기법에 있어서 중요한 지표가 될 것으로 보인다. 3. 결론 본 연구는 지하역사 화재 발생 시 화재차량의 위치가 철도역사의 연기확산에 미치는 영향을 분석하기 위하여 역사내 설비의 실측 Date 및 FDS화재해석 코드를 통해 화재유동 해석을 수행하였다. 연구결과, 현재 신금호 역사의 경우 승강장 화재 발생 시 화재차량의 위치가 승강장 계단 입구에서 가장 먼 Case1의 경우 제연장치의 작동에 의해 연소생성물이 효과적으로 제어되지만 그 외의 Case2,3 의 경우 는 제연효율이 떨어져 연소생성물이 대합실 까지 확대되어 화재 발생 시 승객의 피난이 곤란할 것으로 판단된다. 따라서 향후 연구과제로서 지하철 차량의 화재 위치의 변화에 따른 적절한 제연설비 용량에 관한 연구 및 승강장의 각종 구조물이나 엘리베이터와 같은 층간 연결통로로 인한 화재유동 변화 등의 종합적인 분석을 통한 대심도 역사의 안전대책 및 기준마련에 관한 연구가 필요할 것으로 판단된다.

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FDS Time C O (mo l/ mo l) 0 200 400 600 800 1000 0 5E-05 0.0001 0.00015 0.0002 NO.1 NO.2 NO.3 NO.4 NO.5 NO.6 NO.7 NO.8 NO.9 NO.10 NO.11 FDS Time C O (mo l/ mo l) 0 200 400 600 800 1000 0 0.0002 0.0004 0.0006 0.0008 NO.1 NO.2 NO.3 NO.4 NO.5 NO.6 NO.7 NO.8 NO.9 NO.10 NO.11 FDS Time CO (m o l/ mol ) 0 200 400 600 800 1000 0 0.0002 0.0004 0.0006 0.0008 NO.1 NO.2 NO.3 NO.4 NO.5 NO.6 NO.7 NO.8 NO.9 NO.10 NO.11

그림8. The Carbon monoxide detected data (Case1)

그림9. The Carbon monoxide detected data (Case2)

그림10. The Carbon monoxide detected data (Case3)

그림11.Soot flow time 600sec (Case1)

그림12.Soot flow time 600sec (Case2)

그림13.Soot flow time 600sec (Case3) 참고문헌 1. 장용준, 김학범, 이창현, 정우성, “대심도 지하역사에서의 화재시 플랫폼 스크린 도어에 의한 열, 연 기거동 영향 분석”, 대한기계학회, 추계학술대회 pp.1984-1989, 2008. 2. 장용준, 김학범, 이창현, 정우성, “대심도 지하역사에서의 화재현상 연구” 한국철도학회 춘계학술대회 pp.302, 2008. 3. 장용준, 구인혁, 김학범, 김진호, “제연 팬 용량이 철도역사 연기확산에 미치는 영향 분석”, 한국철도 학회, 춘계학술대회 pp.7-13, 2011.

4. Mcgrattan, K. B., Klein, B., Hostikka, S., Floyd, J., 2007, "Fire Dynamics Simulator Version 5 User's Guide", NIST Special Publication 1019-5, pp.31

5. Mcgrattan, K. B., Baum, H.R., Rehm, R.G., 1998, "Large eddy simulation of smoke movement" Fire Safety Journal 30 (2), pp.161-178.

참조

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