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1 방명석 충주대학교안전공학과 ( 접수 / 채택 ) A Numerical Analysis of Steel Structures on a Subway Station Fire Myung-Seok Bang Department of Safety Engineering, Chungju National University (Received July 27, 2010 / Accepted November 30, 2010) Abstract : A fire disaster is very serious in the closing space like subway station. In this study, the simulation on fire diffusion is performed to get the temperature history curve, which is used for the fire resisting structural analysis. Most of subway stations are built by the reinforced concrete structure, but recently steel structures are selected for the larger space or beauty. Steel structures relatively have more weaknesses against fire, so it is necessary to develop the method for evaluating fire-resisting capacity in this kind of structures. The developed method is applied to the subway station in Daegu city. It shows that the developed method can be used to simulate the fire disaster and to get the temperature history curve and evaluate the safety of steel structures against the fire. Key Words : fire, steel structure, subway station, fire history curve, fire-resisting analysis 1. 서론 * 2003 년에발생한대구지하철중앙로역에서의화재는 Table 1 에보여주는것처럼인명피해만 582 명 ( 사망 150 명, 실종 286 명, 부상 146 명 ) 에달하는대형화재였다. 지하철과같은밀폐공간에서의화재는크게 Pre-flash over 와 Post-flash over 로구분할수있다. 일반적으로화재발생시인명의피해가발생되는구간은 Pre-flash over 이다. 화재안전에대한대책은크게 3 단계로나눌수있다. 화재발생즉시이용자에게화재의발생을알리는경보시스템과, 이용자의생명에직접적으로영향을미치게되는연기의발생을화재공간내부로제한하는것을목적으로하는연소확대방지시스템, 이용자의안전공간으로의대피를원활하게유도하는피난시스템으로구별된다. Post-flash over 구간에서의내화성능을확보하고자하는목표는주로구조물의붕괴방지와구호활동자의생명보호이고, 이를달성하기위해서고열이발생될수있는구조물의기둥, 보그리고바닥판의주요구조부에내화피복을실시한다. To whom correspondence should be addressed. msbang@cjnu.ac.kr 화재의위험도는구조물의종류및규모등에따라서다르게설정되어있으며, 각국가별로화재의발생크기의정도, 화재진압기술및수준등을종합적으로판단하여설정되어있다. 내화성능평가는크게표준화재와자연화재로분류할수있다. 표준화재에의한내화성능평가방법은모든구조물의화재발생크기를동일시하고지속적으로화재의크기가증가된다고가정하므로실제화재를모사하는데는한계가있다. 또한국내기관 1,2) 이나시험소별로실시되는내화성능시험결과가서로다른결과를보이고있는등내화성능평가의대표성을나타내는데에도문제점이있다고지적되어오고있다. 따라서이러한표준화재의문제점을보완하기위해서개발된개념이자연화재이다. 자연화재에대한내화성능평가기술은스웨덴을중심으로발전되었다. 자연화재는주어진건물의용도에따라서발생되어지는화재의크기를예측하고, 예측된화재의크기를열원으로구조물의안전성을평가하는공학적인기술로서성능적내화법규의핵심을이루고있다. 이와같은공학적내화설계에의한성능적사고는화재의발생규모에따라적절한화재안전전략을구축할수있으므로불필요한비용을절감할수있고, 초기의구조적디자인성을 125

2 방명석 부각시킬수있으므로특수시설물에많이적용되고있다. 본연구에서는 2003 년대구지하철화재사고처럼지하철정거장에서화재가발생한경우에강구조물의내화해석및안전성을분석하는방법을연구하였다. 일반적으로지하철정거장은철근콘크리트구조가대부분이나, 설계조건상공간확보가필요하거나미관이중요한경우에강구조로건설된다. 철근콘크리트구조와달리강구조는화재에대해서취약하다고알려져있으므로강구조로건설된지하철정거장에대한내화성능의연구가필요하다. 본연구에서는강재의온도에따른물성변화를평가하기위하여, 비교적폐쇄적인지하철정거장구간에서화재모사운용 (fire simulation) 을실시하여온도이력곡선을산출하였다. 산출된온도이력곡선을이용하여강구조물에대한내화해석을수행함으로서강재내부의온도분포와열응력분포를구하고구조적안전성을검토하였다. 정거장화재시온도이력곡선은 SFPE(Society of Fire Protection Engineers Handbook) 시나리오를적용한 FDS 프로그램 3) 을이용하여산출하였다. FDS 를이용한실내화재모사에관한연구는 Kim and Ryou 4), Ko and Park 5,6) 등이수행하여많은문제점을지적하고해석방향도제시하고있다. 열전달및열응력해석에는범용해석프로그램인 ABAQUS 를사용하여구조물의내화안전성을평가하였다. 2. 화재시강재의물성변화 강재의경우고온에노출되는상황은화재가발생한경우나용접을시행할때이며이러한고온에서는강도와강성이변화한다. Fig. 1 은고온에서의인장강도, 항복강도및강성의변화를나타낸것이다. 약 130~200 까지는강재의성질에큰변화가일어나지않지만약 200 를초과하면강재의거동은비선형적인특성을나타낸다. 온도가증가함에따라강도와강성이저하되고약 500 이상에서는심한변화가시작된다. 인장강도는 100~300 사이에서변형시효 (strain aging) 에의해서일시적으로소폭증가하는특이한현상을보이나그이상의온도에서는강도가감소하며약 600 정도에서인장강도와항복강도는상온에서의강도에절반정도로감소된다. 강성의변화는강재변형과직접적인관계가있으므로매우중요하다. 600 정도에서의강성은상온에서의 60% 정 Table 1. Fire disasters at domestic subway stations 년도국가역사명사고원인피해상황 1996 서울을지로 4 가역용접작업경미 1997 서울시청역본선배수펌프장합선및누전 1999 서울 신림역과신대방역사이 1999 서울동작역화재 2000 서울동대문운동장역 2001 서울고속터미널역 17 분의여객중단, 역사정전 재활용품집하장교각및코핑헌치부화재열변상 배기환기구화재 ( 용접작업 ) 전기실화재 ( 원인불명 ) 2001 서울지축역에서교각하부화재구파발역사이 ( 원인불명 ) 2003 대구중앙로역방화 동작역가건물전소 즉시조치 배전반설비교체 교각부분손상 사망약 150 명, 부상 146 명, 실종 286 명 2003 부산서면역배전반누전배전반설비교체 Fig. 1. Strength/stiffness versus temperature of structural steel. 도로감소된다. 또한온도가 250~300 의온도에서는강재의크리프 (creep) 현상도증가된다 해석방법 3. 내화해석및평가 화재해석에사용되는지배방정식은식 (1) 연속방정식, 식 (2) 성분보존방정식, 식 (3) 운동량보존방정식, 식 (4) 에너지보존방정식, 식 (5) 상태방정식으로다음과같다. xi ui (1) t Y a Y a u t j xj xj D Y a xj S a (2) t u j xj xi p p xj xj xi u j g I B (3) 126 Journal of the KOSOS, Vol. 25, No. 6, 2010

3 T T C p uj t xj p t xj k T Q xj (4) p RT (5) 여기에서 t 는시간, x 는거리, ρ 는밀도, u 는속도, Y a 는질량분률, D 는확산계수, S a 는고형생성율, µ 는점성계수, δ 는두께, I B 는복사강도, C p 는비열, k 는열전도율, Q 는열방출량, T 는절대온도, p 는압력, R 은기체상수를나타낸다. 난류해석에있어서 DNS(Direct Numerical Simulation) 와 LES(Large Eddy Simulation) 방법이있으나, DNS 계산의경우화재공간전체를해석하기에는지나치게많은격자를요구하기때문에본연구에서는 LES 모델을적용하였다. LES 모델은필터링을통하여필터의폭보다큰와류들 (large eddies) 의유동은직접해석하고, 작은와류들 (small eddies) 은유동의형태에독립적으로모델링하게된다. 본해석에서사용된필터링에는가우시안필터 (Gaussian filter) 와모자필터 (top hat filter) 중모자필터를사용하였다. Smagorinsky 상수 (C s) 와난류 Prandtl 수 (Pr t) 는 C s =0.18 과 Pr t =0.2 를사용하였다. 연소모델에는유한화학반응률모델 (finite rate chemical reaction model) 과혼합분율연소모델 (mixture fraction combustion model) 이있다. DNS 모델에서는격자의간격이산소와연료의확산을직접해석할수있을정도로조밀하기때문에유한화학반응률모델을적용하고, LES 모델에서는종 (species) 의확산을직접해석하기에격자가성기기때문에혼합분율연소모델을적용한다. 본연구에서는 LES 모델을이용하므로혼합분율연소모델을적용하였고격자에따라필터크기가변화하게된다. 덕트유동과같은일반적인유동계산에적용되는 LES 의계산격자의크기는 Kolmogorov 길이척도보다는크고 Energy containing eddy 를적절히묘사할수있는정도이어야한다. 그러나본지하철정거장화재의경우에관심의대상이벽근처와같이미세한난류의구조를파악하는것이아니기때문에, 경제적인계산을위해상대적으로성긴 (coarse) 격자크기를사용하였다. Fig. 2. Heat curve by SFPE experimental results. 대는인화재나발열기를사용하므로화재발생빈도가상대적으로높은장소이기때문이다. 정거장의화재강도는 Fig. 2 와같이 SFPE 의가판대의실험결과인발열량곡선을적용하였다. 실험결과는최악의상황을고려하여안전율 ( 하중확대계수 ) 를 2 정도고려하여산출한발열량곡선 (Fig. 2) 의최대 2.5MW 발열량을해석조건으로적용하였다. 본연구에서화재에대한시나리오로는정거장에스크린도어 (PSD: Platform Screen Door) 가설치 Table 2. Input condition for fire analysis 경계조건 구분 연산상태 해석시간 유동모델 초기온도 15[ ] 압력 내용 시간에따른비정상상태 (unsteady state) 20 분 (1200 초 ) 간비정상상태 (unsteady state) - 3 차원유한체적법 (finite volume method) 을이용한형상구성 - Navier-Stoke 방정식을적용한유동계산 - 난류모델은 LES(largee ddy simulation) 적용 101,325[Pa] 중력가속도 9.81[m/s 2 ] 3.2. 화재해석및결과분석 1) 온도시간이력곡선화재의발생위치는정거장에서가장화재발생가능성이큰대합실중심부의피난계단벽에위치한가판대로설정하였다. 이이유는정거장에서가판 Fig. 3. Numerical simulation of fire diffusion. 한국안전학회지, 제 25 권제 6 호, 2010 년 127

방명석 Fig. 4. Temperature vs Time Curve for Fire Analysis. 되어승강장내화재발생시선로로의전파는발생하지않는것으로가정한다. 또한승강장상단의개구부로연기가모두배출되며, 승강장내화재발생시열차는무정차통과하면서스크린도어는전폐되는것으로가정한다. 화재해석을위한입력조건은 Table 2 와같다.

범용유한요소해석프로그램인 ABAQUS 의온도 - 변형연계해석요소인 8 절점 SHELL 요소 (S8RT) 를사용하였다. 본과업의내화해석을위한검토단면및유한요소모델은 Fig. 5 및 6 과같다.

정거장구조용강재의최대응력발생위치에서의검토결과는 Table 3 과같다. 허용응력은 Fig. 1 에서최 2) 강구조물의내화수치해석현재건설중인대구지하철 312 정거장은주부재가 SM570 및 SM520B, 부부재가 SM400B 로주요구조부재가강재로이루어진강구조물로서, 본연구를위한수치해석모델로선정하여내화해석을수 Fig. 7.

4 방명석 Fig. 4. Temperature vs Time Curve for Fire Analysis. 되어승강장내화재발생시선로로의전파는발생하지않는것으로가정한다. 또한승강장상단의개구부로연기가모두배출되며, 승강장내화재발생시열차는무정차통과하면서스크린도어는전폐되는것으로가정한다. 화재해석을위한입력조건은 Table 2 와같다. Fig. 3 은화재확산을모사운용 (simulation) 하고있는그림이고, Fig. 4 는모사운용결과로구한내화해석용입력온도곡선이다. 행하였다. 열전달과열응력해석을위해서 Fig. 4 의내화검토용온도이력곡선을입력자료로이용하였다. 범용유한요소해석프로그램인 ABAQUS 의온도 - 변형연계해석요소인 8 절점 SHELL 요소 (S8RT) 를사용하였다. 본과업의내화해석을위한검토단면및유한요소모델은 Fig. 5 및 6 과같다. 정거장구조용강재에대하여열전달 / 열응력해석을수행한결과, 직접적으로화재를받는위치에서최대온도 194 가발생하였고, 화재후구조물에발생하는응력은부재의접합부와단부에서대체적으로크게발생하였다. 구조물에발생하는온도및응력분포도는 Fig. 7 및 8 과같고, Fig. 9 처럼최대응력발생부위에서안전성을검토하였다. 정거장구조용강재의최대응력발생위치에서의검토결과는 Table 3 과같다. 허용응력은 Fig. 1 에서최 2) 강구조물의내화수치해석현재건설중인대구지하철 312 정거장은주부재가 SM570 및 SM520B, 부부재가 SM400B 로주요구조부재가강재로이루어진강구조물로서, 본연구를위한수치해석모델로선정하여내화해석을수 Fig. 7. Temperature distribution diagram of steel members. Fig. 5. Fire site and checking members at subway station. Fig. 8. Stress distribution diagram of steel members. Fig. 6. Numerical analysis model of steel slab. Fig. 9. Check points of steel members for structural safety. 128 Journal of the KOSOS, Vol. 25, No. 6, 2010

5 Table 3. Safety check in maximum stress points of steel members(unit, MPa) 검토강종발생응력강재허용응력적용허용응력위치 (f sa) (0.95f sa) 1 SM SM SM SM ,0 대온도 194 일때약 5% 정도감소하는것을알수있다. 따라서최대응력이발생하는검토위치의최대응력이모두허용응력이내로나타나내화안전성이확보된것을알수있다. 4. 결론 강구조로건설된지하철정거장과같은폐쇄적공간에서화재가발생한경우에대해서화재의확산을모사운용하여온도이력곡선을산출하였다. 또한이온도이력곡선을이용하여내화해석을수행하여강부재들의내부온도분포와열응력분포를산정하였다. 본연구에서개발된내화성평가방법은지하철정거장의화재발생시에안전진단방법으로유용하게적용할수있음을보여주었다. 본방법은콘크리트구조물의내화해석에도적용이가능할것으로판단되며이에대한연구가필요한것으로사료된다. 참고문헌 1) 국토해양부, 내화구조의인정및관리기준 ; 고시제 호, pp. 1~23, ) 한국표준협회, 건축구조부재의내화시험방법 : KS D , pp. 1~11, ) K. McGrattan, R. McDermott, J. Floyd, S. Hostikka, Fire Dynamic Simulator(FDS), User's Guide, Ver. 5.5, NIST. U.S.A., pp. 1~216, ) S.H. Kim, H.S. Ryou, An experimental and numerical study on fire suppression using a water mist in an enclosure, Building and Environment J., Vol. 38, pp. 1309~1316, ) 고경찬, 박외철, 화재크기에따른실내화재의수치연구. - I. 중심형화재, 한국안전학회지, 제 18 권, 제 1 호, pp. 18~22, ) 고경찬, 박외철, FDS 를이용한실내화재모사의문제점. - I. 벽면형및모서리형화재, 한국안전학회지, 제 19 권, 제 3 호, pp. 9~13, 한국안전학회지, 제 25 권제 6 호, 2010 년 129

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12(4) 10.fm KIGAS Vol. 12, No. 4, December, 2008 (Journal of the Korean Institute of Gas) l x CNG» v m s w ½ Á y w» œw (2008 9 30, 2008 12 10, 2008 12 10 k) Numerical Analysis for Temperature Distribution and Thermal