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1 FireSci.Eng.,Vol.31,No.5,pp.28-36,2017 DOI: ISSN : (Online) ISSN : (Print) [Research Paper] 공연장무대화재시방화막과강제배연구가객석으로의연기확산에미치는영향 김재한 김동균 이치영 부경대학교소방공학과, * 한국산업기술시험원 * Effects of Fire Curtain and Forced Smoke Ventilation on Smoke Spread to Auditorium in Stage Fire of Theater Jae Han Kim Duncan Kim Chi Young Lee Department of Fire Protection Engineering, Pukyong Nat l University, * Korea Testing Laboratory (Received October 11, 2017; Revised October 16, 2017; Accepted October 17, 2017) 요약본논문에서는공연장무대화재시객석으로의연기확산에방화막및강제배연구가미치는영향에대하여 Fire Dynamics Simulator (FDS) 를이용하여연구를수행하였다. 폭 31 m, 깊이 34 m, 높이 32 m 의무대에대하여, 10 MW의열방출률과화재성장속도가 fast 인화재를적용하였다. 강제배출량은화재안전기준과기존연구를토대로설정하였으며, 방화막과프로시니움 (Proscenium) 벽사이간격은 0 m, 0.5 m 인경우를대상으로하였다. 방화막과프로시니움벽이완벽하게밀착되어있는경우, 강제배연구와는상관없이객석으로의연기확산은일어나지않았다. 방화막과프로시니움벽사이의간격이 0.5 m 인경우, 방화막이없는경우에비해무대공간내에서연기층이더욱낮은높이까지하강하였으며, 이는방화막에의해객석으로의연기확산이방해받았기때문이다. 한편, 동일한방화막조건에서, 강제배연구가있는경우가없는경우에비해방화막과프로시니움벽사이간격을통한유출질량유량이작았다. 본연구를통하여방화막과강제배연구가공연장무대화재시객석으로의연기확산을억제할수있는효과적인방법임을확인하였다. ABSTRACT In this work, the effects of fire curtain and forced smoke ventilation on smoke spread to auditorium in the stage fire of theater were investigated using the Fire Dynamics Simulator (FDS). For the stage of 31 m (Width) 34 m (Depth) 32 m (Height) in dimension, the fast growth fire condition with 10 MW of heat release rate was applied. The forced smoke ventilation was set based on the National Fire Safety Code (NFSC) and previous research. The gap distances between the fire curtain and proscenium wall was established to be 0 m and 0.5 m. When the fire curtain was attached completely to the proscenium wall without any gap, no smoke spread from the stage to the auditorium occurred, independent of forced smoke ventilation. When the gap distance between the fire curtain and proscenium wall was 0.5 m, the smoke layer in the stage descended to the lower height from the bottom than the case without the fire curtain, which was because the smoke spread to auditorium was impeded by the fire curtain. Under the same fire curtain condition, the case with the forced smoke ventilation led to decreasing the mass flow rate of outflow through the gap between the fire curtain and proscenium wall, as compared to the case without the forced smoke ventilation. Based on this study, it was confirmed that the fire curtain and forced smoke ventilation were the effective tools to hold down the smoke spread to the auditorium in the stage fire of theater. Keywords : Fire Curtain, Forced Smoke Ventilation, Smoke Spread, Theater * 1) 1. 서론 최근사람들의문화생활에대한욕구및관심이높아짐에따라, 공연장과같은문화시설과관련된화재및안전사 고에대한관심이증대되고있다. 공연장은음악, 무용, 연극, 연예, 국악, 곡예등예술적관람물을실연에의하여공중에게관람하는곳을주된목적으로설치하여운영하는시설 (1) 을말하며, 300 석미만규모의소공연장, 300~1000 Corresponding Author, cylee@pknu.ac.kr, TEL: , FAX: c 2017 Korean Institute of Fire Science & Engineering. All right reserved. 28

공연장무대화재시방화막과강제배연구가객석으로의연기확산에미치는영향 29 Figure 2. Picture of fire curtain installed in Seoul Arts Center. Figure 1. Schematic diagram of proscenium theater. 석규모의중공연장, 1000석이상규모의대공연장으로구분하고있다.

공연장의경우, 불특정다수의사람들이제한된공간에밀집하여있는공간적특성때문에, 화재발생시큰인명피해가유발될수있다. 따라서공연장내화재발생시인명피해를최소화하고대피시간을최대한확보하기위하여소화기, 옥내소화전, 스프링클러설비, 방화막, 화재경보설비, 유도등및유도표지, 제연설비등과같은다양한종류의소방관련설비를설치한다.

2 공연장무대화재시방화막과강제배연구가객석으로의연기확산에미치는영향 29 Figure 2. Picture of fire curtain installed in Seoul Arts Center. Figure 1. Schematic diagram of proscenium theater. 석규모의중공연장, 1000석이상규모의대공연장으로구분하고있다. (2) 공연장에서많이쓰는무대구조로는돌출구조, 원형구조, 가변구조, 프로시니움 (Proscenium) 구조등이있다. (3) 이중프로시니움구조의경우, 객석과무대가서로마주보며반대방향으로배치되고, 무대앞에프로시니움이배치되는형태로, (3) 객석에서볼때사각형모양의박스형태로보이는무대구조를말한다. Figure 1에프로시니움구조에대한개략도를나타내었다. 공연장의경우, 불특정다수의사람들이제한된공간에밀집하여있는공간적특성때문에, 화재발생시큰인명피해가유발될수있다. 따라서공연장내화재발생시인명피해를최소화하고대피시간을최대한확보하기위하여소화기, 옥내소화전, 스프링클러설비, 방화막, 화재경보설비, 유도등및유도표지, 제연설비등과같은다양한종류의소방관련설비를설치한다. (4,5) 이중, 방화막은무대에서화재발생시하강시켜무대에서객석으로의화염이나연기확산을차단하기위해설치되는장치이다. (3) 2007년예술의전당오페라극장화재에서인명피해를최소화할수있었던것도이러한방화막이작동했기때문이다. (3) Figure 2에예술의전당에현재설치되어있는방화막의사진을나타내었다. 한편, 제연설비는무대에서발생한연기를외부로배출시키기위해설치된다. 이러한방화막과제연설비는무대에서화재발생시감지기를통하여화재가감지되고해당신호와연동하여자동으로작동된다. 한편, 방화막은비상제어시스템에의해수동으로도작동될수있으며, 화재로인해외부전원공급이중단되어도작동될수있도록설치된다. 공연장관련화재소방연구가일부수행된바있다.Kim (3) 은 National Fire Safety Code (NFSC) 와 National Fire Protection Association (NFPA) 의기준에따라공연장무대내화재소화를위한스프링클러설비와수막설비설계관련연구를진행하였다.Yeo (6) 는공연장화재시배연성능에영향을미치는설계인자에대한연구를수행한바있다. 해당연구를위하여 Yeo (6) 는 Consolidated Model of Fire Growth and Smoke Transport (CFAST ) 와 Fire Dynamics Simulator (FDS) 를이용하여공연장화재시연기특성및거동을분석하였으며, 이와함께축소모형실험을수행하였다. 그러나해당연구 (6) 에서방화막영향에대한연구는수행되지않았다.Lee (7) 는대형공연장의화재위험요소를조사하고성능기준적설계방식을적용, 제연설비의설계안을검토하여설계안을제시하였고,Jangetal. (8) 은소방시설의설치기준에대해국내공연장들의소방시설실태를근거로보완방법을제시하였다.Kim (9) 은뮤지컬공연장을대상으로특정시나리오에대하여화재시뮬레이션과피난시뮬레이션을수행하였으며, 이를통하여공연장의방화시스템개선방안을제안하였다. 그러나기존연구를토대로볼때, 공연장화재에대한연구가아직도미흡한실정으로판단되며, 공연장화재시화재현상및소방설비에대한세부적인연구가더욱활발하게수행되어야할것으로판단된다. 또한, 앞서언급한바와같이, 방화막이공연장화재시매우중요한역할을하는장치임에도불구하고, 기존의공연장화재소방관련연구에서방화막에대한연구를찾아보기힘들었다. 화재시방화막성능관련하여매우제한적으로연구가 수행된바가있다. Kwon (10) 은 FDS를이용하여공연장화재시스프링클러설비, 방화막, 배연구가공연장화재현상에미치는영향을평가하였다. 몇가지특정시나리오에대하여시뮬레이션(simulation) 을수행하였고, 해당연구를통하여방화막만으로는무대화재시발생되는연기가객석으로확산되는것을완벽하게방지할수없었음을보고하였다. 그러나해당연구 (10) 에서도방화막과관련하여다양한관점에서중점적으로연구가수행되지않았고, 매우제한적인조건에서평가가이루어졌다. 공연장화재시방화막에대한영향을평가하기위해서실제공연장화재조건에서실규모방화막을이용하여실험을수행하는것은현실적으로불가능하다. 일반적으로, 실규모를대상으로화재관련연구를수행하는경우, 기존연구 (11-15) 에서와같이, 실험적인접근대신전산시뮬레이션기법을이용하는것이대안이될수있다. 따라서, 실규모공연장을대상으로방화막관련화재연구를수행하는 Fire Sci. Eng., Vol. 31, No. 5, 2017

30 김재한 김동균 이치영 Figure 3. Simulation case with fire curtain under forced smoke ventilation (e.g., gap distance between fire curtain and proscenium wall: 0.5 m).

3 30 김재한 김동균 이치영 Figure 3. Simulation case with fire curtain under forced smoke ventilation (e.g., gap distance between fire curtain and proscenium wall: 0.5 m). 경우,FDS와같은시뮬레이션기법을이용하여연구를수행하는것이시간적, 경제적인면에서매우큰장점을가질수있으며, 고성능의방화막개발을위해서는이에대한연구가필수적으로수행되어야한다. 본연구에서는공연장무대내화재시방화막과강제배연구가연기의거동및객석으로의확산에미치는영향에대하여 FDS 를이용하여평가하였다. 기존연구 (6) 를토대로대상공연장, 계산방법및조건을설정하였다. 배출량은제연설비의화재안전기준 (16) 과기존연구 (6) 를토대로결정하였으며, 강제배연구가있거나없는상황에대해서방화막이설치되지않은경우, 방화막과프로시니움벽사이간격이없는경우 ( 즉, 간격이 0m 인경우), 간격이 0.5m인경우에대하여계산을수행하였다. 계산을통하여각계산조건에서의연기거동및객석으로의연기확산에대한가시화를수행하였고, 무대공간내특정지점에서온도및 Soot 질량분율 (Soot mass fraction), 방화막과프로시니움벽사이간격을통한유입및유출질량유량을비교및분석하여, 방화막과강제배연구가연기거동및객석으로의확산에미치는영향을검토하였다. 2. 계산방법및조건 본연구에서는기존의 Yeo (6) 연구를참고하여공연장의크기, 계산방법및조건을설정하였다. Yeo (6) 연구에서언급한대공연장을대상으로, 강제배연구가있는경우와없는경우에대하여방화막설치조건을변화시켜계산을수행하였다. Figure 3에본연구에서설정한시뮬레이션대상의예 ( 방화막과강제배연구가모두있는경우) 를나타내었다. 계산공간의전체크기는폭 31 m, 깊이 40 m, 높이 40 m이 며, 기존연구 (6) 를토대로, 공연장내무대크기는폭 31 m, 깊이 34 m, 높이 32 m 로하였다. 무대상부벽과무대와객석의경계를이루고있는프로시니움벽의두께는 0.5 m로설정하였으며, 무대바닥으로부터프로시니움벽의하단까지의높이는 16 m 로설정하였다. 정확한시뮬레이션을위해서는공연장무대내재질의구체적인정보( 예를들면, 열물성치, 연소열등) 를입력데이터로넣어주어야한다. 하지만, 현재그러한정보를수집하는데현실적으로한계가있고, 본연구는공연장무대내화재시무대에서발생한연기가객석으로확산되는데방화막과배연구가미치는영향을상대적으로비교하기위한선행적인성격이므로, 본 FDS 계산에서는공연장무대내재질에대한정보를따로정의하지않았다. 방화막의높이는무대바닥으로부터 16.5 m로설정하였고, 따라서방화막과프로시니움벽간겹치는구간의높이 (Overlap height) 는 0.5 m 이다. 방화막의영향을파악하기위해서, 방화막이없는경우, 방화막과프로시니움벽이완전히붙어있는경우 ( 즉, 간격이 0 m), 무대안쪽으로방화막이프로시니움벽과 0.5 m 떨어져있는경우를대상으로하였다.Figure3에는방화막과프로시니움벽사이간격이 0.5 m 인경우를나타내며, 이는방화막의현실적인설치조건및화재에의한방화막의형상변형에의한유격등을가정하여설정하였다. 한편, 강제배연구의영향을파악하기위하여무대위쪽벽에강제배연구를설정하였다. 강제배연구의크기는가로 3m, 세로 3m 로하였다. 제연설비의화재안전기준 (16) 에따르면, 예상제연구역이바닥면적 400 m 2 이상, 제연경계로구획되고수직거리가 3m 를초과하는경우, 예상제연구역이직경 40 m 인원의범위안에있으면배출량을 60,000 m 3 /hr 이상, 직경 40 m 인원의범위를초과하면배출량을 65,000 m 3 /hr 이상이되도록해야한다. 이러한기준과기존연구 (6) 를참고하여, 본연구에서는 65,000 m 3 /hr ( 18.1 m 3 /s) 을배출량으로설정하였다. 강제배연이이루어지지않는경우에는해당설정을제거하였다. 화원은무대의중앙에위치시켰으며, 크기는가로 2 m, 세로 2 m 로설정하였고, 연료는폴리우레탄(Polyurethane) 을적용하였다. 열방출률 Heat Release Rate (HRR) 의경우, 기존연구 (6,9) 를토대로결정하였다. 공연장화재에대해 Yeo (6) 는 3MW,5MW,10MW 의열방출률을이용하였고,Kim (9) 은 10 MW의열방출률을설정하여계산을수행하였다. 이러한기존조건을참고하여본연구에서는 10 MW의열방출률을이용하여연구를수행하였다. 화재성장의경우 Eq. (1) 과같은 t-squared fire model (17) 을적용하였고, 성장속도는기존연구 (6) 와같이 fast 로설정하였다. (1) 여기서, 과 는각각열방출률과시간을나타낸다. 는 한국화재소방학회논문집, 제31권제5 호, 2017년

4 공연장무대화재시방화막과강제배연구가객석으로의연기확산에미치는영향 31 Figure 4. Heat release rate curve of fast case in t-squared fire model. 화재성장계수(Fire growth factor) 로본연구에서는화재성장속도로 fast 를적용하였으므로, 해당값은 kw/s 2(17) 가된다.Figure 4에본연구에서이용한시간에따른열방출곡선( 방화막과강제배연구가모두있는경우) 과함께이론적인 t-squared fire model에서화재성장속도가 fast인경우에대한곡선을비교하여나타내었다. 무대공간내연기의거동을파악하기위하여방화막으로부터무대쪽으로 8.5 m, 한쪽벽으로부터 15.5 m, 바닥으로부터각각높이16m(Point1) 와4m(Point2) 떨어진지점에서온도와 Soot 질량분율을측정하였다. 또한, 방화막과프로시니움벽이 0.5 m 간격으로설치되어있는경우에해당위치를통하여유입및유출되는질량유량을측정하였다. 총시뮬레이션시간은기존연구 (6) 를토대로 700 s로설정하였고, FDS의경우 Ver 을사용하였다. 3. 계산결과 3.1 방화막과강제배연구가모두없는경우가장극단적인경우로공연장내에방화막과강제배연구가모두설치되지않은경우가존재할수있다. 이와같은조건에서의계산결과를 Figure 5 에나타내었다. 무대중앙의화원으로부터발생된연기가상승하여무대위쪽벽에도달하게되고, 도달한연기는위쪽벽을따라반경방향으로이동하였다. 이동한연기가측벽을만나면측벽을따라 하강하였고, 위쪽벽아래에점차연기층이형성되는것이관찰되었다. 이경우, 연기가측벽을따라하강하는관계로측벽쪽에서의연기층하강속도가무대중앙의위쪽벽하부에형성되는연기층하강속도보다빨랐다. 측벽을따라이동한연기가프로시니움벽의아래쪽에도달하면소량의연기가객석으로확산되는것을관찰할수있었다. 시간이지남에따라연기층이무대의상부를채우면서무대중앙의연기층이하강, 즉, 연기층의두께가두꺼워지는것을관찰할수있었으며, 전체적인연기층이프로시니움벽의가장아래쪽에도달하면, 다량의연기가프로시니움벽을넘어서객석으로확산되기시작하였다. 이후, 무대내연기층의높이는본계산조건에서크게변하지않았고, 연기층이무대의바닥까지는도달하지않은것을확인할수있었다. 3.2 방화막이없고강제배연구가있는경우 Figure 6 에방화막이없고, 강제배연구가있는경우에대한계산결과를나타내었다. 무대중앙의화원으로부터발생한연기가상승하여무대상부에있는강제배연구로일부배출되었고, 강제배연구로배출되지못한일부연기는무대상부벽을따라반경방향으로이동하였다. 이후의연기거동은 Figure 5 의경우와유사하였다. 65,000 m 3 /hr 3 ( 18.1 m /s) 의배출량으로연기를배출하고있음에도불구하고, 이배출량이무대에서객석으로의연기확산을막을만큼충분하지않을수있음을알수있었고, 이러한결과는 Yeo (6) 의계산결과와동일하다. Yeo (6) 의연구에서도방화막이없고강제배연구가있는경우에대해서 FDS와 CFAST 를이용하여계산을수행하였다. 본연구와 Yeo (6) 연구간시뮬레이션방법및조건이정확하게일치하지않기때문에무대에서의연기가객석으로확산되는시점에대한결과를직접적으로비교하는것은한계가있다. 그러나두연구결과에서전체적인연기거동이서로유사하고, 강제배연구조건이동일할때두연구결과모두에서무대에서객석으로연기확산이일어나고있다는점이동일하게관찰되었다. 3.3 방화막이있고강제배연구가없는경우앞서언급한바와같이 65,000 m 3 3 /hr ( 18.1 m /s) 배출량의강제배연구가있음에도불구하고, 본계산조건하에서는무대화재시객석으로의연기확산을완벽히방지할수없었다. 이러한상황에서방화막이객석으로의연기확산을 Figure 5. Simulation results for the case without both of fire curtain and forced smoke ventilation. Fire Sci. Eng., Vol. 31, No. 5, 2017

Simulation results for the case with fire curtain but without smoke ventilation (gap distance between fire curtain and proscenium wall: 0.5 m). 막거나지연시킬수있는효과적인수단이될수있다.

5 32 김재한 김동균 이치영 Figure 6. Simulation results for the case without the fire curtain under the forced smoke ventilation. Figure 7. Simulation results for the case with fire curtain but without smoke ventilation (gap distance between fire curtain and proscenium wall: 0 m). Figure 8. Simulation results for the case with fire curtain but without smoke ventilation (gap distance between fire curtain and proscenium wall: 0.5 m). 막거나지연시킬수있는효과적인수단이될수있다. Figure 7 에강제배연구가없고, 방화막이설치된경우에대한계산결과를나타내었다. 방화막과프로시니움벽과의간격은 0m 로설정하였다. 이는방화막이프로시니움벽과붙어있는상태로무대와객석이완전히구분된상황을의미한다. 이조건은방화막을프로시니움벽에유격이없도록설치가가능하고, 화재시방화막의변형이일어난다하더라도이로인해방화막이프로시니움벽과유격이발생하지않은경우를나타낸다. 예상한바와같이무대내에서발생한연기가객석으로전혀확산되지않았고, 시간이지남에따라무대내연기층이하강하여무대공간을연기가가득채우는결과를나타냈다. 그러나방화막을프로시니움벽과간격이없도록설치하는것이불가능할수있고, 화재시방화막의변형에의해방화막과프로시니움벽사이유격이발생될수있다. 이러한현실적인면을고려할때방화막과프로시니움벽사이간격이존재할때의연구가수행되어야한다. Figure 8 에강제배연구가없고, 방화막과프로시니움벽사이의간격이 0.5 m 인경우에대한계산결과를나타내었다. 방화막의위치는프로시니움벽을기준으로무대쪽으로설치된것으로가정하였다. 화재초기의현상은방화막 이없는 Figure 5 의경우와유사하다. 무대중앙의화원으로부터생성된연기가상승하여상부벽에도달하였고, 이후상부벽을따라측벽쪽으로이동하였다. 이후, 측벽을만난연기는측벽을따라하강하였고프로시니움벽과방화막사이간격을통해소량의연기가객석으로확산되기시작하였다. 시간이지남에따라무대중앙의위쪽공간에점차적으로연기가채워지면서연기층의높이가하강하는것을관찰할수있었다. 흥미로운점은, 방화막이없는 Figure 5의경우하강하는연기층이무대바닥까지는도달하지않았고, 연기층의높이가프로시니움벽의하단보다약간낮은곳에위치하였지만, 방화막이있는본조건에서는 Figure 8에나타낸바와같이연기층이방화막과프로시니움벽사이간격을지나서도지속적으로하강하여무대의바닥까지도달하는것으로관찰되었고, 발생한연기에의해무대공간전체가채워지는모습을보였다. 이는방화막과프로시니움벽사이의간격을통하여연기가객석으로확산되기는하지만, 해당간격에서의유동저항때문에객석으로의연기확산이억제되기때문으로판단된다. 3.4 방화막과강제배연구가모두설치된경우이번에는방화막과강제배연구가모두있는경우에대하 한국화재소방학회논문집, 제31권제5 호, 2017년

6 공연장 무대 화재 시 방화막과 강제 배연구가 객석으로의 연기 확산에 미치는 영향 33 Figure 9. Simulation results for the case with fire curtain under the forced smoke ventilation (gap distance between fire curtain and proscenium wall: 0.5 m). (a) Temperature (b) Soot mass fraction Figure 10. Dependency of temperature and soot mass fraction on fire curtain and forced smoke ventilation at Point 1. 여 계산을 수행하였다. 방화막과 프로시니움 벽과의 간격이 0 m일 때, 본 논문에는 나타내지 않았지만 Figure 7과 같이, 무대 내에서 발생한 연기는 객석으로 전혀 확산되지 않았다. Figure 9에 동일한 강제 배출량 조건에서 방화막과 프로 시니움 벽 사이의 간격은 0.5 m, 방화막의 위치는 프로시니 움 벽을 기준으로 무대쪽으로 설치된 경우의 계산결과를 나 타내었다. 전체적인 연기 거동은 Figure 8과 유사하지만 동 일 시간대 (예를 들면 약 300 s 이후)를 비교하여 볼 때, 강 제 배연구가 없는 Figure 8에 비해 강제 배연구가 있는 Figure 9에서 방화막과 프로시니움 벽 사이 간격을 통하여 확산되는 연기의 양이 적음을 가시적으로 확인할 수 있었다. 3.5 방화막과 강제 배연구의 영향 분석 본 계산결과를 토대로 볼 때, 방화막이 완벽하게 설치된 다면 (즉, 방화막이 프로시니움 벽에 유격없이 밀착되어 설 치되고, 화재가 일어난 경우에도 방화막의 변형 등에 의하 여 간격이 전혀 생기지 않는 경우), 방화막은 무대에서 객 석으로의 연기 확산을 완벽하게 방지할 수 있을 것으로 판 단된다. 한편, 방화막이 없는 경우 (Figure 5와 Figure 6), 강제 배 연구의 존재 여부와는 상관없이 연기가 무대 바닥까지는 도달하지 않았다. 반면, 유사한 조건에서 방화막이 있고 방 화막과 프로시니움 벽 사이 간격이 존재하는 경우 (Figure 8과 Figure 9), 무대 공간 내 연기층은 지속적으로 하강하고 무대 바닥까지 도달하여 연기가 무대 공간 전체를 채우는 것으로 나타났다. 좀 더 세부적인 분석을 위하여 방화막 (프로시니움 벽과 간격 0.5 m)과 강제 배연구의 설치 조건 에 대해, Figure 3의 Point 1과 Point 2에서의 온도 및 Soot 질량분율을 Figure 10과 Figure 11에 각각 나타내었다. 무대 바닥으로부터 16 m 떨어진 Point 1에서 시간에 따 른 온도 변화의 경우 (Figure 10(a)), 강제 배연구가 있는 경 우와 없는 경우에서 모두 약 250 s 근방 이후 온도가 상승 하는 것을 관찰할 수 있다. 그러나 방화막이 있는 경우, 지 속적으로 온도가 증가하지만, 방화막이 없는 경우, 온도가 상승하다가 일정 온도로 수렴하는 것처럼 관찰되었다. 각 방화막 조건에서, 강제 배연구가 없는 경우가 있는 경우에 비하여 온도가 다소 높은 것처럼 관찰되었으나, 그 차이가 크지는 않았다. 시간에 따른 Soot 질량분율 변화의 경우, Figure 10(b)에 나타낸 바와 같이, 해당 위치에서의 온도 변 화와 유사한 경향을 나타냈다. 무대 바닥으로부터 4 m 떨어진 Point 2에서 시간에 따 른 온도와 Soot 질량분율 변화의 그래프를 Figure 11에 나 Fire Sci. Eng., Vol. 31, No. 5, 2017

$34 김재한 김동균 이치영 (a) Temperature (b) Soot mass fraction Figure 11. Dependency of temperature and soot mass fraction on fire curtain and forced smoke ventilation at Point 2.$ 이는 Point 1에 비해 무대 바닥에 가까운 위치이 다. 방화막이 있는 경우, 온도가 약 300 s 부근에서부터 점 차 증가하는 경향을 보였다. Soot 질량분율의 경우, 비슷한 시점으로부터 변화가 감지되었고, 약 600 s 부근 이후에 급 격하게 증가하는 경향을 보였다.

이는 Point 1에 비해 무대 바닥에 가까운 위치이 다. 방화막이 있는 경우, 온도가 약 300 s 부근에서부터 점 차 증가하는 경향을 보였다. Soot 질량분율의 경우, 비슷한 시점으로부터 변화가 감지되었고, 약 600 s 부근 이후에 급 격하게 증가하는 경향을 보였다.

7 34 김재한 김동균 이치영 (a) Temperature (b) Soot mass fraction Figure 11. Dependency of temperature and soot mass fraction on fire curtain and forced smoke ventilation at Point 2. (a) Inflow (b) Outflow Figure 12. Effect of forced smoke ventilation on mass flow variations of inflow and outflow through gap between fire curtain and proscenium wall. 타내었다. 이는 Point 1에 비해 무대 바닥에 가까운 위치이 다. 방화막이 있는 경우, 온도가 약 300 s 부근에서부터 점 차 증가하는 경향을 보였다. Soot 질량분율의 경우, 비슷한 시점으로부터 변화가 감지되었고, 약 600 s 부근 이후에 급 격하게 증가하는 경향을 보였다. 반면, 방화막이 없는 경 우, 온도와 Soot 질량분율은 전체 시뮬레이션 시간에 걸쳐 큰 변화없이 거의 일정한 수치를 보였다. 이러한 차이가 나 타나는 이유는, 방화막이 있는 경우 해당 위치까지 연기층 이 하강하지만 (Figure 8과 Figure 9), 방화막이 없는 경우에 는 무대 공간 내 형성되는 연기층의 높이가 해당 측정 위 치보다 높기 때문이다 (Figure 5와 Figure 6). 방화막이 있는 경우, 강제 배연구가 없는 경우가 있는 경우에 비하여 온도 한국화재소방학회 논문집, 제31권 제5호, 2017년 및 Soot 질량분율이 다소 큰 것으로 확인되었다. 가시화 결과 및 Figure 10과 Figure 11을 토대로 볼 때, 방 화막이 설치된 경우 방화막과 프로시니움 벽 사이 간격이 존재하더라도, 그 간격에서의 유동 저항에 의해 객석으로의 연기 확산은 방해받고, 따라서 객석으로 확산되지 못한 연 기가 지속적으로 하강하여 무대 공간을 채우는 것으로 판 단된다. 즉, 방화막이 무대에서 발생한 연기가 객석으로 확 산하는 것을 억제하는 역할을 할 수 있음을 확인하였다. 또한, 동일한 방화막 설치 조건에서, 강제 배연구가 없는 경우 (Figure 8)에 비하여 강제 배연구가 있는 경우 (Figure 9)에 객석으로의 연기 확산이 적게 일어나는 것처럼 가시 화 결과 나타났다. Figure 12에 방화막이 설치되어 있을 때,

8 공연장무대화재시방화막과강제배연구가객석으로의연기확산에미치는영향 35 방화막과프로시니움벽사이간격을통해유입및유출되는질량유량에강제배연구가미치는영향에대한그래프를나타내었다. 유입질량유량의경우, 강제배연구가있을때초기에큰값을나타내다가점차감소하는경향을보였고, 전체적으로, 강제배연구가있는경우가없는경우에비하여해당간격을통하여많은질량유량이유입된것으로계산되었다. 반면, 유출질량유량의경우, 그반대의경향이나타났다. 강제배연구가있는경우, 약 300 s 근방까지는거의유출이일어나지않다가그이후부터유출이증가하는경향을보였다. 전체적으로강제배연구가없는경우가있는경우에비해큰유출량을나타냈으며, 이러한결과는 Figure 8과 Figure 9에서가시적으로제시한해석결과와도연관성이있다고판단된다. 한편,65,000m 3 3 /hr ( 18.1 m /s) 배출량의강제배연구를설치하였음에도불구하고, 방화막의유무에상관없이무대로부터객석으로연기확산이일어난것으로파악되었다. 이는해당배출량이본계산조건에대해무대화재시객석으로의연기유출을완전히막기에는부족할수있음을의미하고, 이러한결과는기존 Yeo (6) 의계산결과와일치한다. 이러한결과를토대로볼때, 공연장화재시배출량기준에대한세부적인검토가필요할수있다. 공연장무대에서화재시객석으로의연기확산은방화막의높이, 설치간격, 설치위치등뿐만아니라, 배연방식, 배출량등에의해서영향받을수있다. 그리고, 본연구에서는화원및배연구의위치를중앙으로가정하여연구를수행하였으나, 무대내화재가다양한위치에서발생할수있고, 강제배연구도다양한위치에설치될수있다. 또한, 본연구에서는방화막과강제배연구가설치된경우에화재시모두정상작동하는것으로가정하고연구를수행하였으나, 화재감지에따른해당설비의작동까지고려한폭넓은시뮬레이션이수행될필요가있다. 한편, 더욱현실적이고정확한공연장내화재시뮬레이션을위해서는공연장화재와연관된정확하고다양한데이터가확보되어야하고이러한데이터를입력하여계산이수행되어야한다. 현재이와관련한가용정보가매우제한적인것으로파악되므로, 폭넓은실험을통한관련데이터구축이필요하다. 본연구에서는방화막과강제배연구가공연장내무대화재시무대내연기거동및객석으로의연기확산에미치는영향에대하여선행적이고정성적인검토를수행하였다. 본연구결과를토대로, 다양한공연장화재조건하에서방화막과배연구가객석으로의연기확산거동에미치는영향에대한정량화를위한세부연구가요구되며, 추후이러한연구가수행될예정이다. 4. 결 본연구에는공연장화재시방화막과강제배연구가무대에서발생된연기의거동및객석으로의확산에미치는 론 영향에대하여 FDS 를이용하여검토하였다. 기존연구를토대로, 무대의크기는폭 31 m, 깊이 34 m, 높이 32 m이며, 열방출률은 10 MW, 화재성장속도는 fast 라가정하였다. 방화막의높이는 16.5 m 로하였고, 강제배연구의배출량은 65,000 m 3 3 /hr ( 18.1 m /s) 로설정하였다. 방화막과강제배연구가모두설치된경우, 둘중하나만설치된경우, 모두설치되지않은경우에대하여계산을수행하였고, 방화막이있는경우에는간격이 0m( 방화막과프로시니움벽과밀착된경우) 와 0.5 m 인경우를대상으로하였다. 주요연구결과를아래에정리하였다. (1) 방화막과프로시니움벽사이의간격이전혀존재하지않는경우에는강제배연구의설치여부와는관계없이방화막이무대에서객석으로의연기확산을완벽하게막을수있었다. (2) 강제배연구의존재와는상관없이, 방화막이프로시니움벽과 0.5 m 간격으로있는경우가방화막이없는경우에비해무대내더낮은높이까지연기층이하강함을확인할수있었다. 이는방화막과프로시니움벽사이간격에의한유동저항때문에무대화재에서발생한연기가객석으로확산되지못하고무대공간을채우는것으로판단된다. 즉, 방화막이객석으로의연기확산을저지할수있는효과가있는것으로판단된다. (3) 방화막이프로시니움벽과간격 0.5 m로설치된경우, 강제배연구가있을때가없을때에비해유입질량유량은많고유출질량유량은작은것으로평가되었으며, 방화막과강제배연구가함께있을때에객석으로의연기확산을효과적으로줄일수있을것으로판단된다. (4) 65,000 m 3 3 /hr ( 18.1 m /s) 의배출량은방화막이설치되어있으나유격이존재한다면객석으로의연기확산을막는데부족할수있음을확인하였다. 후 본연구는문화체육관광부 2017년문화기술연구개발사업(R ) 의연구비지원으로수행되었습니다. 기 References 1. Public Performance Act, 2(1) (2016). 2. Culture and Arts Promotion Act, 2(2) (2012). 3. S. J. Kim, A Study on the Sprinkler System Standards about a Stage of Performing Arts Centers in Accordance with NFSC and NFPA, Master s Thesis, Gachon University (2013). 4. KFPA (Korean Fire Protection Association), Performance Facility Risk Management Guide (2015). 5. W. S. Lee, S. H. Park, D. Kim, J. K. Park and H. S. Jang, Manual for Theatre Safety, Theatre Safety Center in Fire Sci. Eng., Vol. 31, No. 5, 2017

9 36 김재한 김동균 이치영 Korea Testing Laboratory (2009). 6. Y. J. Yeo, A Study on the Major Design Factors affecting Ventilation in the Performance Hall Fires, Ph. D. Thesis, Hoseo University (2012). 7. Y. J. Lee An Application of Performance Based Fire Safety Design in Large indoor Space - Focused on Smoke Exhaust System Design in Theater, Journal of Korean Institute of Fire Investigation, Vol. 4, No. 1, pp (2004). 8. S. T. Jang and Y. J. Lee, A Study on the Fire Protection System in the Stage, Journal of Korean Institute of Fire Science & Engineering, Vol. 13, No. 4, pp (1999). 9. H. H. Kim, A Study on the Improvement of Fire Protection System for Performing Art Center, Master s Thesis, Kyonggi University (2009). 10. J. W. Kwon, Assessment of Fire Protection Systems in Proscenium Theaters, Case Studies in Fire Safety, Vol. 2, pp (2014). 11. J. S. Song, A Study on Estimation of Evacuees in the Event of a Fire during Public Broadcasting, Master s Thesis, Yonsei University (2008). 12. J. Glasa, L. Valasek, P. Weisenpacher and L. Halada, Use of PyroSim for Simulation of Cinema Fire, International Journal on Recent Trends in Engineering and Technology, Vol. 7, No. 2, pp (2012). 13. A. Webb, FDS Modelling of Hot Smoke Testing, Cinema and Airport Concourse, Master s Thesis, Worcester Polytechnic Institute (2007). 14. J. H. Kim, S. Y. Joo and J. J. Lee, An Evaluation on Evacuation Safety in Multiplex Cinema based on Fire & Evacuation Simulation, Journal of Korean Institute of Architectural Sustainable Environment and Building Systems, Vol. 1, No. 1, pp (2007). 15. C. H. Choi and M. K. Cho, An Evaluation on Evacuation Safety in Training Facilities For Young People based on Fire and Evacuation Simulation, Korean Journal of Air-Conditioning and Refrigeration Engineering, Vol. 21, No. 1, pp (2009). 16. NFSC 501, National Fire Safety Code for Smoke Control System (2017). 17. B. Karlsson and J. Quintiere, Enclosure Fire Dynamics, CRC Press (1999). 한국화재소방학회논문집, 제31권제5 호, 2017년

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