1강. 화재 과학의 발전
1. 연구, 교육 및 전문단체
NIST(BFRL)
FEMA (Federal Emergency Management Agent) WPI: Dept. of Fire Protection Eng.
Univ. of Maryland, College Park Lunds Univ.
SFPE FMRC
IRI (Industrial Risk Insurance) NFPA
ISO TC 92
2. 화재통계
1999 2000 2001 2002 2003
전기 11204 11796 12300 11202 10670
담뱃불 4256 4303 4445 3847 3316
방화 2434 2559 2709 2778 3219
불장난 1835 1696 1371 1187 1274
불티 1910 2179 2464 2251 2061
가스 1765 1590 1479 1170 981
3. 20세기의 미국의 각종사고 사망률 추이
4. 각국의 화재손실 비용
5. 소방기술의 정의 및 범위
소방이란 화재를 예방·경계·진압하고, 화재, 재난·재해 등의 위급상황에서 구조·구급활동 등을 통해 국민의 생명·신체 및 재산을 보호함으로써 공공의 안녕 ·질서유지와 복리증진에 이바지함을 목적으로 기능을 수행하는 것 소방안전기술은 이러한 소방활동에 사용되는 모든 기술 분야를 말하며 다 음의 5가지로 구분하였음
화재안전기초 및 PBD 분야 공간화재 안전기술 분야 산업화재 안전기술 분야 소방장비시스템 기술 분야 소방안전관리 기술 분야
기술의 범위
소방안전관리 소방장비시스템
산업화재 화재안전기초 공간화재
및 PBD
•연소열 계산 및 측정
•화재특성연구, 모델링
•화재조사, 시험
•독성학
•소방설계
•화재 시뮬레이션 검증
•PBD교육
•PBD용 DB개발, 운영
•화재위험성 평가 등
•초고층건축물
•지하다중이용시설
•도로터널
•노약자 이용시설
•대공간
•거주 지하공간
•설비용 지하공간
•지하터널
•해저터널 등
•산업설비 화재폭발
•방폭화 기술
•위험물 운송 화재안전
•화재폭발 대응기술
•실시간, 원격 감지
•특수 산업설비 안전 등
•화재진압기술
•화재감지기술
•원격제어 소방시스템 기술
•군사용 소방시스템 기술 등
•방재 및 소화설비 시험
•내화성능평가기술
•통합정보시스템관리
•인적 오류 예방기술
•소방관 체력평가 등
6. 기술의 정의 및 범위
7. 기술분류체계도
기술분류표
소소 방방 안안 전전 기기 술술
소방장비시스템기술 소방장비시스템기술
공간화재안전기술 공간화재안전기술
소방안전관리기술 소방안전관리기술
화재안전기초 화재안전기초 및및 PBD 기술PBD 기술
산업화재안전기술 산업화재안전기술
1. 화재진압 시스템기술 2. 화재감지 시스템기술 3. 원격제어 소방시스템 기술 4. 군사용 소방시스템 기술
1. 화재· 폭발위험성 평가기술 2. 화재· 폭발 모델링 기술 3. 폭발 특성 기술 4. 위험물 제조, 저장, 취급 안전기술 5. 위험물 운송 안전기술 6. 원자력 안전기술
7. 반도체/LCD 제조 안전기술 8. 위험 대응 기술 9. 수동적 방화기술
1. 화재현상규명 기술 및 연소시험 2. 화재안전 모델링기술 3. 화재조사분석 기술 4. 성능위주 소방설계 기반기술(PBD) 5. 정량화재위험성평가 및 위험통제
1. 화재시험평가 기술 2. 통합관리시스템 기술 3. 화재진압 전략기술
1. 건축물 화재감지 및 관리기술 2. 화재특성평가기술
3. 화재시뮬레이션 기술 4. 지하공간 화재안전 기술
8. 시장 및 산업 동향
소방산업의 특성
◦화재·재난으로부터 국민의 재산과 생명을 보호
◦화재예방을 위해 소방기계·기구제조업과 설계· 감리업, 시설 공사업 간의 명확한 책임 및 역할분담이 중요
기기 타타 특특 성성
◦디지털경제로의 전환에 따른 소방기계·기구부품 조달체계의 글로벌화
◦소방환경 여건 변화에 따른제품의 종류 및 규격 다양화와 국내 내수시장의 한계로 다품종 소량생산체제가 불가피
시시 장장 특특 성성
◦소방제품의 품질향상과 기술개발 촉진을 위한 소방산업관련 환경여건 미흡
◦기술력, 인력, 마케팅력, 인프라 등이 대체로 취약 기업적기업적
특특 성성
◦제품의 내구연한 설정상 어려움이 있음
◦소비자가 화재가 발생되기 전까지 긴급한 필요성을 느끼지 못하는 법적 구비제품인 관계로 제품의 품질수준보다 저가 위주의 제품구입경향이 있음
제제 품품 특특 성성
◦시장실패 가능성으로 인한 기술개발 애로
◦유사시 화재·재난방지를 위한 제품의 안정성 확보가 대단히 중요함 기술적기술적
특특 성성
◦시장규모의 한계
◦해외 소방기기 수입에 따른 가격하락으로 채산성 확보 애로 경제적경제적
특특 성성
소소 방방 산산 업업 의의 특특 성성 구구 분분
9. 화재연구: 연소과정의 고찰 화학과정
물리과정
연소에 관련된 기초과정
1. 열전도 5. 물질전달
2. 확산 6. 유체의 운동 3. 열대류 7. 화학반응
4. 열방사
10. 연소의 지식을 필요로 하는 분야
연소지식을 이용할 수 있는 사례
연소지식을 필요로 하 는 주된 분야
물 사항
에너지 이용
- 역사적 연소관련 기구 (양초,램프, 화덕)-가열용 연소기
- 내연기관, 연소 배출물
- 화약 , 폭약
연소반응, 반응속도, 화염 거동,화염온도,화염안정 성,연소범위,착화,소염,연 소효율,폭발압력,촉매연 소,폭발, 화약ㆍ폭발의 연소, 안정성
방재 -
건물(재료,구조,소화설비,피난설비)
-공장(각종 연소기,제조 장치)
-수송기관(항공기,선박) -저장설비(가연성물질용 탱크, 용기, 창고)
착화,훈소, 연기발생,연소 확대, 중량연소속도, 화재, 연기유동, 가스폭발, 폭풍, 혼촉발화, 분진폭발, 액체 ㆍ고체폭발
11. 화재현상의 가시화
실내화재성장 현상
12.축소모델 복도의 연기층 형성: WE/WD
13. NO SOFIT WE/WD=3.2
13. NO SOFIT WE/WD=3.2
14. 축소모델 복도의 연기유동형태
15. NO SOFIT WE/WD=3.2
15. NO SOFIT WE/WD=3.2
15. NO SOFIT WE/WD=3.2
16. Compartment Fire
화학, 열역학, 유체역학 및 열 전달 등의 학문을 이용하여 공학적으로 분석이
가능하다.
실내에서 발생한 화재는 초기에는 실의 크기나 형태와 무관하지만 공기중의
산소가 소모되고 실의 온도가 상승하면서
공간 특성에 큰 영향을 받게 된다.
17. 화재성상을 예측하는 방법
실물화재 실험 모델링
공동 구와 같이 규모가 작은 공간이나, 특수 가연물이 존재하는 경우 및 방재 설비의
성능을 검증해야 하는 경우를 제외하고는
실물화재 실험은 시간과 경비가 많이 들게
되므로 화재 모델링 방법을 주로 사용한다.
18. 화재 모델의 개념
화재현상은 비선형, 비정상 형상이므로 신빙성있는 결과치를 얻 기 위해서는 몇 번이고 실험을 해야 하는데 비용과 시간적인 면에 서 큰 제약이 따른다.
이를 축소모형에 의한 화재실험을 행하여 데이터의 해석으로부터 실재화재를 예측하는 수법이 요구되게 되었다.
실대화재를 표현하는 수학적 모델을 필요하게 되었다.
화재 시뮬레이션 프로그램의 개발에 의한 축소모형실험, 소규모 화재실험 데이터를 열물리, 열화학 및 유체역학 파라메터를 조정 하여 대규모 화재의 파라메터를 추정하는 것에 의해 실대 화재 현 상을 시뮬레이션 하는 것이 가능하게 되었다.
19. 수학모델과 화재
화재
축소모형 화재실험
실대모혐 화재실험
결론
축소모형 모의수치
실험
결론 감정
건축물의 설계
실대모형 모의수치
실험
데이터 해석
타당성 검토
기초지배방식에 의한 Scale-up 가능(매개변수의 사정필요)
비정상, 비선형현상이므로 Scale-up 할 수 없음.
(무차원에 의한 각각의 현상에 대해서는 가능)
구명(究明)
데이터 해석
20. 화재시뮬레이션 프로그램 작성수순
물리, 화학
기초지배방정식 실천, 해석
시뮬레이션모델 컴퓨터시스템 수치해석
시뮬레이션 프로그램
실험값과 일치
수치계산법
모델의타당성 시뮬레이션 프로그램
으로서의 채용
yes
No
타당성
개량가치 있음
개량가치 있음
21. 화재해석 모델
실험 모델
실험모델은 형상을 축소하는 방법, 실물크기의 방법이 있음 수학적 모델
확률 모델
화재를 단계적으로 발생하는 일련의 사건들로 취급하는 모델로서 화재의 물리, 화학적 방정식을 사용하지 않는다.
(예: NFPA 건물화재 해석모델등)
21. 화재해석 모델
해석적 모델
그물형 모델 (Nerworking Model) c 격자법 : 탄광 등의 통기 해석
d 절점법 : 지하통로의 저항 등을 고려한 해석 수행이 가능한 방법
구역분할모델 (Zone Model)
화재해석 문제의 거시적인 접근방법(검사체적모델, 공학모델) (예 : FIRST 등 전 세계 36여종)
전체영역모델 (Field Model)
공간 내에서의 화재의 진행을 예측하기 위하여 이들 작은 체적 사이에서의 질량 에너지 및 운동량 등의 전달을 지배하는 방정식들 을 각 부분의 경계조건을 적용하여 해석하는 방법 (예 :JASMINE, UNDSAFE)
22. 화재모델의 분류와 특징
특징 모델
존 모델
2개 층 구성 단순한 가정 난류해석의 한계 1-D 가정 P.C 사용 시간절약
ASET BRI CFAST FPETOOL FASTLite HAZARD 1
필드 모델
수 많은 cell
질량, momentum,에너지 이동 슈퍼 컴퓨터 이용
FLOW3D JASMINE PHOENICS
피난 모델 최단 피난시간 예측정성적 요소의 적용 한계
EVACNET HAZARD 1 SIMULEX EXODUS
감지 및 소화모델
감지기, 스프링클러
난류 화염의 부력해석 한계
DETACT-QS LAVENT JET
내화 모델 구조재의 열적반응부재 형상, 종류별 적용
TASEF FIRES T-3
기타
연기 유동 모델 화염확산 모델 환기 모델
ASCOS CONTAM BRANZFIRE
23. Zone 모델과 Field 모델 차이
Zone 모델 Field 모델
화재 규모 다층, 다수실화재 수개층, 실화재
적응 화재 확대화재 이후 초기화재및확대화재
해석표현 거시적 상세
보존식 • 에너지보존
• 질량보존
• 질량보존 (열류)
• 운동량보존
• 에너지보존
• 질량보존(성분)
지배방정식 1층 상미분방정식 2층 편미분방정식
수치해법
• 롱게국터法
• 기어法
• 뉴턴法
• 유한차분法
• 유한요소法
• 경계요소法
계산식 • 개인용pc
• 워크스테이션 슈퍼컴퓨터
계산시간 계산요금
수분~수시간 무료~수만원
수시간~수십일 수백만원~수천만원
24. 구역분할 모델( Zone Model)
구획된 건물내에서 화재가 발생한 경우 물리적, 화학적으로 동일 한 성격을 가진 Zone을 구분하여 각각의 Zone에 대하여 열역학적 인 검사 체적으로서 그의 성질을 조사하는 모델
1층 존모델
공조 등에 의해 실내의 화재기류의 기체가 강제적으로 교반되는 상 태에서는 열기층과의 구별이 되지 않는것
2층 존모델
zone은 화원에 있어서는 화염, 화염기둥 건물에 있어서는 천정, 바 닥, 벽, 창, 문, 개구부 등 그리고 건물내의 내부 기체에 있어서는 구 획실 내를 상부고온연기층(열기층)과 하부실온공기층(냉기층)과 의 2층으로 성층화 시킨것
25. 2층 Zone 모델의 개념도
26. Zone 모델 화재시뮬레이션 프로그램
국명 프로그램명 모델 화재의 종류
미국 ASET 2층모델 1실1층
미국 ASET-B 2층모델 1실1층
일본 BR12 2층모델 다수실다층
미국 CCFM,VENTS 2층모델 다수실1층 독일.노르웨이 CFIRE-X 2층모델 다수실1층
프랑스 CIFI 2층모델 1실1층
스웨덴 DSLAW 2층모델 1실1층
미국 FAST 2층모델 다수실1층
미국 FIRST 2층모델 1실1층
프랑스 FISBA 2층모델 1실1층
미국 HARVARD 4 2층모델 다수실1층 미국 HAZARD 1 2층모델 다수실1층 노르웨이 R-VENT 2층모델 1실1층
일본 SMKFLW 1층모델 1실1층
27. 전체영역모델(Field Model)
건물 내외의 영역내의 모든 위치에서 화재현상을 비선형, 비정상, 연립편미분방정식에 의해 표현하는 모델
화재방정식의 도입에 있어서, 화재기류의 취급에 관해서는, 현재로서는 화재성질을 고려에 넣어서 압축성 점성유체로서 표현
화재기류의 수학 모델의 기술법에 있어서는, 유체를 입자의 집합로서 개개 입자의 거동을 표현하는 라크란쥬식 기술법으로 우이빌 방정식을 볼트만 반정식으로 표현하는 방법이 이용
또 다른 방법으로 각 시각에 있어 유체를 흐름의 場 전체의 모양을 내다보는 오일러식 기술법으로 볼트만 방정식을 모멘트법을 이용하여 나비에스트록크식 빙정식으로 표현한 방정식이 이용되어지며, 대부분의 모델에서 이 방법이 채용
