† 유홍선 : 정회원, 중앙대학교, 기계공학부, 교수 E-mail : [email protected] TEL : (02)820-5280 FAX : (02)813-3669 * 비회원, 중앙대학교, 기계공학부 ** 비회원, 중앙대학교, 기계공학부, 교수 *** 비회원, 충주대학교, 에너지시스템공학과, 교수
대심도 지하역사에서의 화재시 연기거동과 피난에 대한 수치해석 연구
Numerical Study on the Smoke Movement and Evacuation in the Deeply
Underground Subway Station Fire
김홍진* 배승용* 최영기** 홍기배*** 유홍선†
Hong-Jin Kim Sung-Yong Bae Young-Ki Choi Gi-Bae Hong Hong-Sun Ryou
ABSTRACT
Advantages of the deeply underground subway are underground space efficiency, high speed, decrease of noise and vibration. However, when fire occurs in the deeply underground subway station, large casualties are occurred like Daegu subway station fire due to the increase of evacuation distance.
In this study, a numerical analysis was performed by using the fire and evacuation analysis program FDS+EVAC for smoke movement and evacuation in Beotigogae station among the deeply underground subway station. Heat release rate of carriage fire was set 10MW and the fire growth rate was ultrafast. As a result, the smoke move to the exit at 1085 second. The total evacuation time took 956 second.
1. 서론 인구의 증가와 더불어 도시가 급속하게 팽창하게 됨에 따라 지하철은 가장 효율적이며 대중적인 교통 수단이 되었다. 현재 서울과 수도권에 500개가 넘는 지하역사가 건립되어 있으며 점차 구간이 연장 및 확대되고 있다. 지하역사는 불특정 다수의 승객이 운집하는 장소이며 지상과 격리되어 있고 화재 시 피 난방향과 연기의 진행방향이 일치되어 대향 참사로 이어질 가능성이 크기 때문에 안전에 대한 중요성이 다른 어떤 공간보다 중요하다. 많은 지하역사중에 표 1 과 같이 지하 깊은 곳에 운영되는 대심도 역사 의 경우 특히 중요하다. 계단이 매우 길고 가파르기 때문에 피난거리가 증가하며 이로 인하여 대형 인 명사고가 발생할 수 있다. 최근 경기도가 국토해양부에 제안하여 추진하고 있는 Great Train eXpress(GTX)라 불리는 대심도 철도 역시 지하 40~50m에 건설되기 때문에 피난 안정성이 매우 중요 하다. 그러므로 대심도 지하역사에서의 화재에 대한 연구가 많이 진행되고 있다. 장용준 등[1]은 대심도 지하역사에서의 화재해석을 수행하였으며, 황현배 등[2]은 대심도 지하역사에 서 피난 시뮬레이션 결과와 화재 시뮬레이션 결과를 비교하였으며, 김학범 등[3]은 대심도 지하역사에 서 화원 위치에 따른 연기거동 특징을 연구하였다. 하지만 지금까지의 연구는 대심도 지하역사의 화재 와 피난을 같이 수치해석한 연구는 없는 실정이다. 따라서 본 연구에서는 국내 대심도 지하역사 중 하나인 버티고개 역사를 모델링하여 화재와 피난에 대하여 수치해석을 수행하였다.
역사 심도 이대역 36m 심금호역 44m 버티고개역 43m 숭실대입구역 47m 산성역 56m 표 1. 서울 및 수도권 대심도 지하역사 2. 본론 2.1 수치해석 모델 대심도 지하역사의 화재 시 피난을 해석하기 위하여 사용된 화재 및 피난 해석 모델은 FDS+EVAC으로 미국 NIST에서 개발된 대표적인 화재해석모델인 FDS를 통해 계산되어진 화재특성, 연기유동, 유독가스의 전 파 등의 정보를 피난해석 모델에 접목하여 보다 정확한 화재 시에 대한 피난 해석이 가능하다. 피난 해석모 델 EVAC에서 사용하는 피난인원의 이동속도는 Helbing[4]이 제안한 모델을 사용하였으며, 피난 인원의 움직 임 및 작용힘은 아래의 식으로 표현되어진다. (1)
≠
(2) 여기서, 는 피난인원의 위치벡터를 나타내고, 는 피난인원 간의 충돌을 방지하기 위해 사용되는 random force이다. 또한 는 각각의 피난인원이 다른 인원과 벽 등으로 받는 force를 나타내며,
식 (2)로 표현이 되며, 그림1. 을 통해 피난 인원간에 작용하는 힘의 정의를 도식화하였다. 또한,
는
인원의 지향속도, 는 실제속도,
는 social force, 는 contact force, 는 attraction force를 나타낸 다. 그림1. 피난 인원간에 작용하는 힘의 정의 2.2 모델링 및 조건 본 연구의 대상인 버티고개역의 내부시설은 그림2와 같다. 총 지하 4층 구조로 최하층인 지하 4층에 승강 장이 있으며 지하 3, 2, 1층에 대합실이 있다. 버티고개역을 그림3과 같이 지하역사와 총 10량의 객차를 모델링하였으며 승강장에 스크린도어를 설치하 였다. 지하역사 내부의 물성치는 콘크리트로 설정하였다. 계산 영역의 크기는 승강장 기준으로 길이 방향
200m, 폭 방향 20m, 깊이 43m이다. 또한 해석시간을 단축하기 위하여 계산 영역을 다중 격자를 사용하여 화원주변의 격자는 조밀하게 하고 화원에서 멀어질수록 성기게 구성하였다. 화원의 원료는 연기발생 시험에 많이 사용되는 햅탄으로 설정하였으며 화재 발생 위치는 객차의 중심으로 설정하였다. 화재의 크기는 철도시설 안전세부기준(건설교통부고시 제2006-395호) 2장 제7조 2항[5]에 의 해 10MW로 설정하였으며 화재성장곡선은 Ultrafast로 가정하였다. 그림2. 버티고개역 내부시설 그림3. 버티고개역 계산도메인 모델링 객차 내 승차인원의 혼잡도는 승차정원과 승차인원의 비율로써 본 연구에서는 그림4 와 같이 객차 한량의 혼잡도가 약 70%인 100명을 가정하여 총 1000명으로 설정하였다. 승차인원이 더 늘어날 경우 EVAC 코드 에서 적용하는 1m2 당 최대 인원수 4명을 초과하여 상호간 작용하는 Social Force에 의해 대상인원이 계산 영역 밖으로 이탈하게 된다. 피난자의 타입은 성인 남성, 여성의 평균 신체 크기와 보행 속도로 적용하였다.
객차내의 승차인원의 화재감지는 대상인원의 위치에서 연기밀도(mg/m3)를 이용하여 승객의 피난 시작시간을 설정하였다. 화재감지 후 그림3 의 출입구로 피난을 시작한다. 그림4. 객차 안의 승객 3. 결과 및 고찰 그림5 는 시간에 따른 연기의 이동을 나타낸 것이다. 화재 발생 후 객차전체에 연기가 퍼지며 스크린도어 를 통해 승강장과 대합실로 전파되었다. 버티고개역의 지하역사는 승강장과 지하 3층 대합실의 천장을 공유 하고 있기 때문에 지하 3층 대합실부터 연기가 차기 시작한다. 화재 발생 후 200초에 지하 4층 승강장과 지 하 3층 대합실에 연기가 전파되었으며 600초 후에는 지하 1층의 대합실까지 연기가 전파되었다. 그림6 은 피난경로의 visibility로 연기농도 증가로 인하여 피난자의 시야에 영향을 주어 보행속도를 느리게 하여 이로 인해 총 피난시간이 증가하게 된다. 피난 결과, 그림7에 나타난 것과 같이 화재 발생 후 25초에 최초 피난자가 발생하였으며 화원에서 거리가 멀어질수록 화재를 늦게 감지하였다. 이후의 피난결과는 그림5. 연기의 이동
표 2 와 같으며 최 종 피난자가 피난하기까지 총 956초가 소요되었다. 연기의 이동결과와 비교하면 200초가 지난 상황에서 승강장과 지하 3층 대합실에 786명의 피난자가 남아있으며 400초가 지난 후에도 389명의 피 난자가 남아 연기 질식에 대한 위험이 노출되어 있음을 알 수 있다. 또한 이번 시뮬레이션의 피난자를 성인 을 기준으로 하였기 때문에 노약자의 경우 피난시간이 더 증가하여 더욱 위험에 노출이 될 가능성이 높다. 시간 승강장 지하 3층 대합실 지하 2층 대합실 지하 1층 대합실 0초 1000명 0명 0명 0명 200초 516명 270명 211명 3명 400초 34명 255명 486명 103명 600초 0명 0명 438명 122명 800초 0명 0명 61명 89명 1000초 0명 0명 0명 0명 표 2. 피난 후 승강장 및 각 층 대합실의 피난자 수 그림6. 피난 경로의 visibility의 변화 그림7. 화원으로부터 거리에 따른 최초 피난시작시간
그림8 은 피난시의 병목구간을 보여주고 있다. 그림8 에서 보여주듯이 병목현상으로 인하여 대심도 지하역 사 화재의 위험성을 증가시킨다. 특히 올라가는 계단 입구에서의 병목현상이 피난시간 증가에 매우 큰 영향 을 미친다. 최초 피난자의 경우 병목현상을 겪지 않고 피난을 하기 때문에 출입구까지 나가는데 257초밖에 걸리지 않았다. 하지만 마지막 피난자의 피난시간은 956초로 최초 피난자의 피난시간보다 372% 증가한 것이 다. (a) 지하 3층 대합실로 가는 계단 (b) 지하 2층 대합실로 가는 계단 (c) 지하 1층 대합실로 가는 계단 그림8. 피난 시 병목구간 4. 결 론 본 연구에서는 대심도 지하역사에서의 화재시 연기거동과 피난에 대하여 수치해석 연구를 수행하였으며, 다음과 같은 결론을 얻었다. (1) 화재 발생 후 200초만에 연기가 승강장과 지하 3층 대합실까지 전파되어 피난경로의 visibility를 감소시켜 피난시간을 증가시킨다. (2) 피난결과 성인기준으로 일부 피난자는 500초 이상 연기에 노출되어 질식에 대한 위험이 매우 높 았다. 노약자의 경우 위험도는 더욱 증가할 것이다. (3) 피난자들이 몰리는 계단 입구에서의 병목현상으로 인하여 병목현상이 없는 피난시간 대비 372% 증가하였다. 감사의 글 본 연구는 국토해양부 첨단도시개발사업의 연구비지원에 의해 수행되었습니다. 참고문헌 1. 장용준, 김학범, 이창현, 정우성, “대심도 지하역사에서의 화재현상 연구”, 한국철도학회, 2008년도 춘계학술대회논문집, pp. 1760-1767, 2008. 2. 황현배, 신승우, 박형주, “도시철도 대심도 지하역사에 화재.피난 시뮬레이션을 이용한 대피안전성 평 가 연구”, 한국화재소방학회, 2009년도 추계학술논문발표회논문집, pp.177-184, 2009. 3. 김학범, 장용준, 이창현, 정우성, “대심도 지하역사에서 화원 위치에 따른 연기거동 특징 연구”, 한국 전산유체공학회, 2009년도 춘계학술대회논문집, pp202-207, 2009.
4. D. Helbing, P. Molnar (1995), "Social Force Model for Pedestrian Dynamics", Physical Review E, Vol. 51, No. 4, pp. 4282-4286.
