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창준 평
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1 Journal of the Korea Academia-Industrial cooperation Society Vol. 15, No. 5 pp , ISSN / eissn 화재시뮬레이션을활용한노래방화재위험성분석 김태권 1*, 박종철 2 1 계명대학교기계자동차공학과, 2 계명대학교대학원기계공학과 Analysis of fire hazard of karaoke utilizing the fire simulation TaeKwonKim 1* andjongchoelpark 2 1 DepartmentofMechanicalandAutomotiveEngineering,KeimyungUniversity 2 DepartmentofMechanicalEngineering,GraduateSchool,KeimyungUniversity 요약본연구에서는노래방화재의위험성을예측하기위하여 2-zonemodelCFAST 소프트웨어를이용하여해석을수행 하였다. 모델은 3 차원비정상상태이다. 또한,CFAST 의해석결과와실제화재재현실험결과를비교분석하여 CFAST 의 정확성이검증되었다. 해석결과화재가발생된방에서화재발생 5 분이내에산소농도는 10% 까지감소하며, 이산화탄소 농도는 5% 까지증가하였다. 따라서노래방과같은밀폐된공간에서는유독가스에의한질식으로더위험한상황이발생한다 는것을예측할수있다. Abstract In this study, 2-zone model CFAST software was used to predict the fire hazard of karaoke. Model is a three-dimensional unsteady state. Accuracy of CFAST is verified by comparing result of CFAST analysis with result of real fire experiment. For analysis results, the oxygen concentration were reduced to 10% within 5 minutes in room 5, the carbon dioxide concentration were increased to 5%. Therefore, at the enclosed space like karaoke, we can predict that dangerous situation would occur and people be suffocated because of toxic gas. Key Words : CFAST, Fire hazard, Karaoke, Zone model 1. 서론 재난종합상황중하나인화재는전국최근 5 년 ( 0 8~ 12) 간총 225,935 건이다. 인명피해는 11,134 명 ( 사망 1,711 명, 부상 9,423 명 ) 으로집계되었다.5 년간화재발생 건수가가장높은년도는 08 년도 49,631 건으로가장높으 며,10 년도에는가장낮은 41,863 건으로기록되어있다. 주요발화원인에대한 2012 년의통계자료를따르면총 화재발생 43,249 건중비주거지역에서의화재발생은 13,201 건이발생하였다. 이중부주의로인한화재가 43.5% (5748 건 ), 전기적요인 41.9% (5,525 건 ), 기계적요 인 12.2% (1,609 건 ) 의순서로발화요인이집계되었다 ( 소방방재청 ). 특히, 많은사람들이이용하여사람들이밀집되어있 는다중이용업소에선자칫큰인명피해를발생시킬수 * Corresponding Author : Tae Kwon Kim(Keimyung Univ.) Tel: tkkim@kmu.ac.kr Received January 16, 2014 Revised February 25, 2014 Accepted May 8, 2014 있는공간으로이에대한위험성을인지하고확실한대 비가중요하다. 다중이용업소에포함되는업소는음식 점, 주점, 노래연습장, 비디오물감상실등이해당된다. Fig.1 은 2012 년다중이용업소화재건수를세부적으로 나타낸그래프이다. 음식점이 140 건으로가장많이발생 하였고, 주점이 126 건, 노래연습장이 112 건발생하였다. 여기서비슷한내부구조를지닌주점과노래연습장의 화재발생건수가전체의 46.3% 를차지하고있어다중이 용업소중화재에가장취약한구조를가지는것을알수 있다. 이에본연구에서는한국건설기술연구원과삼성방재 연구소에서발표한노래방화재재현실험보고서의데 이터를바탕으로컴퓨터를이용한화재시뮬레이션인 CFAST 를사용한해석을수행하여위험요소와정도를 예측하고자한다. 2533

한국산학기술학회논문지제 15 권제 5 호, 2014 [Table 1] Recommended size limit of compartments Group Conditionsappropriate Conditionsconsider Coridorflow algorithm [Fig. 1] Multi-use establishment number of fires 2.

2 한국산학기술학회논문지제 15 권제 5 호, 2014 [Table 1] Recommended size limit of compartments Group Conditionsappropriate Conditionsconsider Coridorflow algorithm [Fig. 1] Multi-use establishment number of fires 2. 본론 2.1 CFAST 수치해석모델 CFAST 는미국 NationalInstituteofStandardsand Technology(NIST) 에서제공하는모델로존모델 (CCFM) 에서필요한사항을조합하여 FAST 모델로부터 재구성한모델이다. 존모델인 CFAST 에사용되는모델 링방정식은보통미분방정식의초기값을가진수학적 인형태를갖고있다. 그러한방정식은이상기체의법칙, 에너지보존법칙, 질량보존의법칙을사용하여유도되어 졌다. 아래수식을살펴보면식 (1) 은경계층의압력을계 산하는식이며, 식 (2) 는경계층의체적을계산하는식이 고, 식 (3) 과식 (4) 는경계층의온도를계산하는식이다. CFAST 는화재가발생할경우건축물의구획실을통해연기, 유해가스, 온도의전개분포를계산하기위해사용되는 2- 존화재모델이다. 모델링은사각형으로만구현가능하고, 최대 30 개의구획실로제한적설정이가능하다. 최소 1 의작은영역에서부터최대 1000 의영역까지모델링이가능하며, 구획실의크기와재질설정이가능하다. 또한문과유리창, 바닥과천정의기계적인환기구같은구획간의연결이가능하며, 화재발생위치와크기를조절할수있다. 화재가발생하는물질은열전도성, 비열, 밀도, 두께및화재특성등에의해결정된다. 구획실의모델링에있어서가장적당한존모델은폭과길이가너무차이나지않는구획을설정하는것이다. 구획실의수평적인치수가크면유동형태는비대칭의유동형태를나타낼것이며, 너무좁으면온도는나선형의확산형태로온도가확산되어고른온도분포를갖지못한다. 따라서구획실의높이 (H), 폭 (W), 길이 (L) 의비율에적당한한계치를이해하여야하며권장되는치수사항을 Table1 에나타내었다 [1]. 2.2 화재재현실험데이터와 CFAST 해석데이터비교분석화재재현실험데이터는한국건설기술연구원에서 2012 년 7월에시행한노래방실물화재실험을통해연소성상및연기거동특성파악을위해시행한화재재현실험이다.Fig2 는화재실험대상은노래방의단면도이며화재발생시나리오는 5번방의모니터내부분진에의한발화로시작하여화재가발생된다. 발생된화재는 4번방과 6번방에화재확산전에안전을위해서화재를진압하였다. 노래방내부의연소가스와온도를측정하였으며, 연소형상을획득하기위해 CCTV 를설치하여데이터를도출하였다 [2]. 2534

3 화재시뮬레이션을활용한노래방화재위험성분석 [Fig. 2] Drawing of the Karaoke 설정하였다. 경계조건으로는내부조건은온도 25 C, 압력은대기압, 습도는 50% 로주었고외부조건은온도 30 C, 대기압으로설정하였다. 이와같은경계조건을 CFAST 에서설정하여화재재현실험데이터와비교분석후화재의위험적인상황을예측하였다. 먼저 CFAST 해석결과의신뢰성을높이기위하여실제화재재현실험의온도를비교분석한다.Fig.4 는화재재현실험으로측정한 5번방의온도데이터값이다. 그래프를살펴보면약 240 초부근에서화재가급격하게성장하게되며, 이후 420 초부근까지약간감소하는경향을나타내다가 480 초에다시온도가 700 C 까지올라가며화재가성장하는경향을보여준다. 그후에화재가 600 초까지감소하는경향을보이다가 650 초부터다시화재가성장하는경향을보여준다.650 초에화재가성장하는것은다른방으로화재가확대되기시작하는것으로생각되며이를 2차화재발생지점으로명칭한다. Fig.3 는노래방실물화재실험의단면도를참고하여 CFAST 를통하여구획실을모델링하였다. 앞서언급한 CFAST 의구획실설정이오로지사각형으로만구현되는특성으로노래방의로비는 4개의사각형구획으로나누어모델링을하였다. 나누어진구획들을연결시켜주기위해서 Fig.3 에서적색원으로표시한부분을천정까지이어져있는하나의통로형태로설정하여 100% 개방상태로조건을지정해주었다. [Fig. 4] Temperature data of real fire experiment (Room 5) [Fig. 3] Modeling in CFAST 구획실의높이는 2.4m 로지정해주었고각방의문의 높이는 1.9m 로지정해하였으며, 화재시간은 1200 초로 [Fig. 5] Upper temperature data in CFAST(Room 5) 2535

4 한국산학기술학회논문지제 15 권제 5 호, 2014 Fig.5 는 CFAST 로시뮬레이션한결과값으로 5번방의상부층 (1.2m 2.4m) 의온도를나타내며,Fig.4 의데이터와비교를하기위해선 2m 와 1.5m 의평균온도가 Fig.5 의온도데이터와같은위치의온도라고생가가하면된다.Fig.5 를살펴보면 Fig.4 와동일하게화재가발생한후 240 초부근에서화재가급격하게성장하는것을확인할수있으며, 단계별로 350 초에서발화되며,480 초에서다른발화가일어난다. 이후 600 초까지화재가감소하며약 660 초에 2차화재가발생하는동일한경향을보여준다.Fig.4 에서는 720 초이후에급격한온도감소가발생하여 780 초이후에는상온에근접하는경향을보여주며,Fig.5 에서는 720 초이후에천천히감소하여 1200 초까지 350 C 를유지하는경향을보여준다. 이는실제재현실험에서 1,2,3 번방으로화재가확산되는 2차발화지점에서안전을위해 700 초이후에화재진압을하여이와같은경향을나타낸다.Fig.4 와 Fig.5 를비교하였을때온도와발화시간의약간의차이는있지만정성적으로같은경향을보여준다. 다음으로화재가발생했을때위험한요소인가스농도에대한분석이다.Fig.6 는화재재현실험에서측정한 5번방의가스농도로산소, 일산화탄소, 이산화탄소의측정값이다. 먼저산소농도를살펴보면재현실험에서 5 번방의산소농도는초기 21% 에서화재가발생하는 240 초부근에서부터감소하기시작하여 300 초지점에서 14% 까지감소되는것을확인할수있다. 이후 420 초부근에서 16% 까지증가하다가 520 초부근에서 15% 까지감소한다. 이는화재가발생하는지점과산소가소모되는지점이일치하는경향을보여준다. 후에 750 초에서감 소하는경향을나타내려다가초기값인 21% 에다시근접하게되는데이는앞서말한화재진압으로인한결과로볼수있으며 Fig.7 과비교했을때명확한차이점을볼수있다.Fig.7 을살펴보면재현실험과달리산소농도가처음발화되는지점에서 10% 에가깝게감소하게된다. 이는가연물의물성값의차이와 CFAST 내에서의작은환풍구도제외한단순한모델링으로인하여화염특성이서로달라이와같은현상이나타나는것으로생각된다. [Fig. 7] Gas concentration data in CFAST (Room 5) [Table 2] Effect of O 2 concentration to human Oxygen Efect concentration(%) Reducedconcentration, Sickness Dizziness, amnesia Lossconsciousness, 6-10 Crick Decreasedrepirationrate, 6-0 Cardiacarest [Fig. 6] Gas concentration data of real fire experiment (Room 5) Table2 는산소농도에따라인체에미치는영향을나타낸다. 이를바탕으로 CFAST 해석을통한산소농도를살펴보면첫화재가발달하는 240 초부근에서산소농도가 10% 에근접하게감소하게되므로만약 5번방에사람이있으면 5분이내에의식을잃을수있는조건이형성된다. 이후에도화재발생중 13 16% 의산소농도를나타내어인체에유해한영향을끼친다. 2536

5 화재시뮬레이션을활용한노래방화재위험성분석 다음으로이산화탄소의농도를살펴보면재현실험의 Fig.6 을살펴보면 360 초부근에서발생하기시작하여 600 초까지약 4% 를 180 초간유지하며, 이후감소하는경향을보여준다. 이산화탄소농도역시 2차화재발생지점에서화재진압으로인하여 840 초부근에서발생하려다가다시감소하는경향을보여준다.CFAST 해석결과인 Fig.7 을살펴보면재현실험과는달리 120 초부근에서서서히발생하여 350 초에 5% 에도달한다. 이후재현실험과는달리변동폭이존재하며 480 초까지평균적으로 4% 의농도를유지하다가감소하는경향을보여준다. Fig.6 와 Fig.7 을살펴보면실제재현실험에서이산화탄소발생이뒤로밀려나는경향을보여주는데이는발화물질의물성조건과같은화재조건에따라불완전연소가발생하여이산화탄소가늦게발생한것으로보여진다. 또한구조적인조건으로발생되었던이산화탄소가환풍기와문으로빠져나가면서조금늦게측정되기시작하였을것으로생각된다. 실제재현실험에서이산화탄소발생시작시간이 CFAST 해석결과와차이가발생하지만이후발생되는경향은같으므로정성적으로같다. [Table 3] Effect of CO 2 concentration to human Carbondioxide Efect concentration(%) Breathingdisorder, 3-4 Headache,Vomiting 6 Increasedrespiration 8-10 Lossconsciousness Centralnervoussystem 20 disability 30 Lethaldose Table3 는이산화탄소농도에따라인체에미치는영향을나타낸다. 이를바탕으로 CFAST 해석을통한이산화탄소농도를살펴보면 120 초부근에서발생하기시작하여 240 초에 5% 까지도달하며이후로 240 초간평균 4% 를유지하므로화재발생후 5분이내에호흡장애, 두통등의증상이발생할것으로예상된다. 3. 결론본연구는노래방의화재위험성을분석하기위해컴 퓨터를이용한해석프로그램인 CFAST 를사용하여화재발생을해석하고위험성을분석하였다. 또한, 오차를줄이기위해 CFAST 의해석결과와실제화재재현실험과비교분석하였다. 이를통하여얻은결과는다음과같다. 실제재현실험에서의온도그래프를살펴보면약 240 초부근에서화재가급격하게성장하게되며,480 초에다시온도가 700 C 까지올라가며화재가성장하는경향을보여준다.CFAST 의해석결과역시동일한온도결과를나타내며약간의오차는있지만정성적으로경향이같다. 실제재현실험에서 720 초이후에급격한온도감소는안전을위한화재진압으로인한결과이다. 실제재현실험에서측정한산소농도를살펴보면재현실험에서 5번방의산소농도는초기 21% 에서 14% 까지감소되는것을확인할수있다.CFAST 해석결과는재현실험과달리산소농도가 10% 에가깝게감소하게된다. 이는가연물의물성값의차이와 CFAST 내에서의작은환풍구를제외한단순한모델링으로인하여화염특성이서로달라이와같은현상이나타나는것으로생각된다. 실제재현실험에서측정한이산화탄소의농도를살펴보면 360 초부근에서발생하기시작하여 600 초까지약 4% 를유지하며, 이후감소하는경향을보여준다. CFAST 해석결과는재현실험과는달리 120 초부근에서서서히발생하여 350 초에 5% 에도달한다. 이후재현실험과는달리변동폭이존재하며 480 초까지평균적으로 4% 의농도를유지하다가감소하는경향을보여준다. 실제재현실험에서이산화탄소발생이뒤로밀려나는경향을보여주는데이는발화물질의물성조건과같은화재조건에따라불완전연소가발생하여이산화탄소가늦게발생한것으로생각된다. CFAST 를이용한화재위험성분석을수행한결과실제재현실험데이터와경향은동일하나세밀한부분까지확인하기어려운점이있었다. 이를개선하기위해서이와비슷한화재위험성분석을수행할때유동장해석프로그램등을활용하여화학종을추가시킴으로써가능할것으로생각된다. 화재분석을위해다수의프로그램을병행하여사용한다면좀더정확한결과를확인할수있을것으로예상된다. 향후노래방이외에실내에서발생되는화재의경우본연구내용을기반으로해당되는연구에맞는경계조건을가지고추가적인연구진행이가능할것으로생각된다. 2537

한국산학기술학회논문지제 15 권제 5 호, 2014 References [1] Walter W. Jones, Richard D. Peacock, Glenn P. Forney, Paul A. Reneke, Kevin B. McGrattan., "Fire Simulation Practice", Donghwa, 2007.

org/10.9798/kosham.2012.12.6.001 [3] S. K. Lee, "Introduction of fire simulation", A-jin, 2008.

6 한국산학기술학회논문지제 15 권제 5 호, 2014 References [1] Walter W. Jones, Richard D. Peacock, Glenn P. Forney, Paul A. Reneke, Kevin B. McGrattan., "Fire Simulation Practice", Donghwa, [2] Y. H. Yoo, Y. H. Choi, O. S. Kweon, et al., "Real Scale Fire Test for the Karaoke Fire Risk Analysis", Journal of KOSHAM, Vol. 12, No.6, pp , DOI: [3] S. K. Lee, "Introduction of fire simulation", A-jin, 김태권 (TaeKwonKim) [ 정회원 ] 1981 년 3 월 ~ 1995 년 8 월 : 한국기계연구원실장 1992 년 8 월 : 한국과학기술원기계공학과연소공학전공 (Ph.D.) 1996 년 9 월 ~ 현재 : 계명대학교기계자동차공학과교수 < 관심분야 > 연소공학 박종철 (JongChoelPark) [ 준회원 ] 2013 년 2 월 : 계명대학교기계자동차공학 ( 학사 ) 2013 년 3 월 ~ 현재 : 계명대학교기계자동차공학대학원생 < 관심분야 > 연소공학 2538

소성해석

소성해석 3 강유한요소법 3 강목차 3. 미분방정식의근사해법-Ritz법 3. 미분방정식의근사해법 가중오차법 3.3 유한요소법개념 3.4 편미분방정식의유한요소법 . CAD 전처리프로그램 (Preprocessor) DXF, STL 파일 입력데이타 유한요소솔버 (Finite Element Solver) 자연법칙지배방정식유한요소방정식파생변수의계산 질량보존법칙 연속방정식 뉴톤의운동법칙평형방정식대수방정식