지하철승강장형식에따른정량적화재위험성평가 이동호 김하영 인천대학교안전공학과 (2006. 8. 3. 접수 / 2006. 10. 12. 채택 ) Quantitative Fire Risk Assesment for the Subway Platform Types Dongho Rie Ha Young Kim Department of Safety Engineering, University of Incheon (Received August 3, 2006 / Accepted October 12, 2006) Abstract : Subway platform is divided into Side-platform type and Center-platform type. In this study does quantitative fire risk assesment of subway platform types in numerical analysis by using CFD model. From the result of this study, 1) All exhaust mode was low-end result it seems most fire risk at Side-platform station. 2) All exhaust mode was low-end result it seems most fire risk at Center-Platform station. 3) When comparing same type exhaust mode of Sideplatform and Center-platform that last thing was visible 9.1~72.34% low-end fire risk. Center-platform is more operative than Side-platform that reduce fire risk when that was same dimension and external environment. Designer look upon a fire characteristic of subway platform types when he make smoke control air volume and platform area design. Key Words : subway, station, CFD, FDS, FIN, fire risk assesment, screen door 1. 서론 1) 최근도시의구조는과밀화와규모화로인해생활공간의편의성을추구하여새로운공간에대한활용이요구되고있는추세이다. 이러한추세에따라도시공간의효율적인이용을위해지하공간의활용또한증가함에따라이에따른공간적화재안전성에대한많은연구가진행되어왔다. 지하철역사에서의화재발생시밀폐된공간적특성으로인해화재초기의진화작업에많은어려움이있다. 또한, 공간내의충분한방재시설이나통풍등의제연시스템의설치가미비한경우지하공간의특성으로인해공간내대피자의피난경로가굴뚝효과로인한연기의확산경로가될가능성이매우높다. 따라서지하공간에서의화재발생시의안전대책은지상공간과는다른방식으로설정되어야하며지하공간에알맞은제연방식을적용하여야한다. 본연구에서는 CFD 모델을이용한수치해석을통해지하철승강장내에서의화재시승강장의형 To whom correspondence should be addressed. riedh@incheon.ac.kr 식에따른화재의위험성을평가함으로서대피자의안전확보에그목표를두고있다. 2. 수치해석조건 2.1. 지하철승강장모델링지하철역사는환승역및유동인원이많은대형역사를제외한대부분의승강장의형식이열차가승강장중앙부를통해운행되는상대식승강장과열차가승강장양측으로운행되는섬식승강장으로구분된다. 본연구에적용된승강장역사모델은인천지하철 1 호선의송도연장선제 3 역사설계자료 1) 를기준으로하였다. Fig. 1 은설계자료와동일한형상인길이 205m, 최대폭 28.5m, 높이 6.1m 인상대식승강장의개략도이다. 또한 Fig. 2 는 Fig. 1 의상대식승강장과지하공간면적을동일하게책정하여대칭적용, 동일한제원으로섬식승강장을모델링한개략도이다. 각각의승강장은스크린도어가설치된것으로설정하였다. 또한스크린도어는화재열차정차방향의경우열차내승객의대피를위해스크린이열려있는 1
이동호, 김하영 Fig. 1. Side-platform station modeling. Table 1. Simulation cases Cases Platform type Exhaust mode Case1 Case2 Case3 sideplatform Smoke control air volume(fire tunnel) 0m 3 /min 6275m 3 /min 6275m 3 /min Case4 centerplatform Case5 Case6 non exhaust 0m 3 /min 3137m 3 /min 3137m 3 /min Fig. 2. Center-platform station modeling. push -pull all exhaust 상태로하였으며, 반대방향의스크린도어의경우스크린이닫혀있는상태로설정하였다. 2.2. 계산조건승강장내부의화재현상및열적유동의수치해석은미국 NIST(National Institute of Standards and Technology) 에서개발한 CFD 프로그램인 FDS ver 4.07 2) 을사용하였다. 화재의크기는 NFPA 에서제시하는 Boston transit way 의 20MW 의발열량으로설정하였으며열차정차시 4 번째량 1 량이전소하는상태로설정하였다. 해석에사용된격자수는약 690,000(64 600 18) 개 3,4) 이며격자형태는 Uniform 방식으로설정하였다. 화재의성장은 NFPA 92B 5) 의 t-squared Fires 식에서의화재성장속도 Ultra Fast 를적용하여최대열량 20MW 에도달되는시간을 354 초로설정하였다. 스크린도어및열차의유리는 250 6) 에열적파괴가일어나도록설정하였으며, 승강장내부의초기온도는 30 로설정하였다. 또한 NFPA130 7) 에서제시하는한계가시거리와이에따른소광계수를적용하기위해 SFPE 8,9) 에서의소광계수에따른가시거리에관한관계식으로 Visibility Factor 를 2.67 로적용하였다. 본연구에서는본선터널부환기팬을이용한제연방식으로설정하였으며, 승강장내부에서의배연은스크린도어설치로인한터널부의배연량에따른객관적인비교를위하여본수치해석에서는고려되지않았다. 계단상부와열차가운행되는터널양측으로 Vent 를설정하였으며계단상부는 Open vent 상태, 터널양측은무배연상태의경우 Open vent 로설정하였으며배연상태의의경우 3.81 m/s 로배연속도를설정하였다. Table 1 은본연구에적용된승강장내부로의터널부배연조건에따른경계조건을나타낸다. 상대식승강장의경우화재지점의승강장부가섬식승강장에비해공간이 1/2 로감소하는공간적특성을나타낸다. 또한터널부환기팬에서의제연시공급유량이동일할경우섬식승강장은터널부의공간이양측으로분리됨에따라화재근접지점터널부에서의 Vent 는공급속도가동일한반면공급유량이 1/2 로감소하는특성을갖는다. 2.3. 위험성평가항목수치해석결과로부터의위험성평가는승강장바닥으로부터대피자의호흡선높이인 1.5m 상부의대피공간내평면을기준으로하였으며이에따른평가항목은다음과같다. 온도승강장위치에따른온도변화를해석하기위한위치별평균온도 T m(y) 는다음의식 (1) 로나타낸다. T i(y) 는길이방향 y 위치에서의폭방향각격자의온도를나타내며 G n(y) 는 y 위치에서의총격자수를나타낸다. 연기농도승강장위치에따른연기농도변화를해석하기위한위치별평균연기농도 S m(y) 는다음의식 (2) 로나타낸다. (1) 2 Journal of the KOSOS, Vol. 21, No. 6, 2006
지하철승강장형식에따른정량적화재위험성평가 (2) S i(y) 는길이방향 y 위치에서의폭방향각격자의연기농도를나타내며 G n(y) 는 y 위치에서의총격자수를나타낸다. F IN(Fractional Incapacitating Dose) 9,10) F IN 은독성가스의호흡에따른시간별위험성평가방법으로식 (3) 과같이나타낸다. (3) Fig. 4. Mean soot density at platform positions(side-platform). F IN 은 CO, HCN, CO 2, O 2 의호흡을시간에따른누적으로나타내며 1.0 을초과하게되면의식불명이나사망하게되는것으로판단한다. 승강장위치에따른 F IN 변화를해석하기위한위치별 F IN 인 F m(y) 는다음의식 (4) 로나타낸다. (4) F i(y) 는길이방향 y 위치에서의폭방향각격자의 F IN 을나타내며 G n(y) 는 y 위치에서의총격자수를나타낸다. 3. 수치해석결과 3.1. 상대식승강장 (Side-platform station) Fig. 3~5 는배연조건에따른상대식승강장의화재발생후 500sec 가경과한위치별온도, 연기농도, F IN 그래프를나타낸다. Fig. 5. Mean FIN at platform positions(side-platform). Fig. 3~5 에서나타난바와같이터널부환기팬에의한강제배연이연기농도와온도하락에효과적으로나타났으며, Case3 인 All exhaust mode 가가장낮은양상을보였다. 또한 Push-pull mode 의경우압인되는기류의난류화로인하여화재지점이후의연기층하락을촉진시키는것으로나타났다. 그러나외기의지속적인유입으로인하여완전연소를돕게됨에따라독성가스발생의감소로화재근접지점에서의 F IN 의수치는 Push-pull 이낮은경향을보였다. Fig. 3. Mean temperature at platform positions(side-platform). 3.2. 섬식승강장 (Center-pl atform station) Fig. 6~8 은배연조건에따른섬식승강장의화재발생후 500sec 가경과한위치별온도, 연기농도, F IN 그래프를나타낸다. Fig. 6~8 에서나타난바와같이 Case6 인 All exhaust mode 가다른조건보다낮은경향을보였으며, 상대식승강장과마찬가지로터널부환기팬에의한강제배연이연기농도와온도하락에효과적이지만 Push-pull mode 의경우압인하는기류의난류화로화재지점이후의연기층하락을촉진키는것으로나 한국안전학회지, 제 21 권제 6 호, 2006 년 3
이동호, 김하영 Fig. 6. Mean temperature at platform positions(center-platform). Fig. 9. Mean temperature by the difference of platform types and exhaust conditions. Fig. 7. Mean soot density at platform positions(center-platform). Fig. 10. Mean soot density by the difference of platform types and exhaust conditions. Fig. 8. Mean FIN at platform positions(center-platform). 타났다. 또한 F IN 의수치는전체적으로위험값보다매우낮게나타났다. 이는대피공간이넓어짐에따른산소량의증가로상대식에비해낮은양상을보이는것으로분석된다. 3.3. 승강장형식에따른위험성평가다음의 Fig. 9~11 은시간에따른섬식및상대식승강장에서의배연조건별평균온도, 연기농도, F IN 그래프이다. Fig. 11. Mean FIN by the difference of platform types and exhaust conditions. Non exhaust 의경우 Case1 인상대식승강장에비해 Case4 인섬식승강장의경우가온도 23.08%, 연기농도 50.76%, F IN 66.36% 낮은값을나타냈다. 4 Journal of the KOSOS, Vol. 21, No. 6, 2006
지하철승강장형식에따른정량적화재위험성평가 이러한자연배기에의한배연은화재와먼지점의스크린도어가닫혀있는상태에서섬식승강장이상대식승강장에비해대피공간이크기때문에상대적으로화재에대한위험성이줄어드는것으로나타났다. Push-pull exhaust mode 의경우 Case2 인상대식승강장에비해 Case5 인섬식승강장의경우가온도 32.71%, 연기농도 27.19%, F IN 9.14% 낮은값으로나타났다. 또한 All exhaust mode 의경우 Case3 인상대식승강장에비해 Case6 인섬식승강장의경우가온도 31.47%, 연기농도 44.27%, FIN 72.34% 낮은값을나타냈다. 강제배기에의한제연은동일한제원의동일한배연설정의경우섬식승강장이상대식승강장에비해화재에의한위험을억제하는데효과적인것으로나타났다. 즉, 스크린도어의설치로인한화재와먼지점의스크린도어가닫혀있는상태에서나타나는상대식승강장의상대적배연량의증가및대피공간의감소보다섬식승강장의대피공간의증가및배연량의감소가화재위험을억제하는데에더욱실효적인것으로나타났다. 따라서실제산업현장에서지하철역사내의배연용량및승강장공간설정시승강장형식에따른화재특성을고려한설계가필요하다. 4. 결론 수치해석을통한승강장형식에따른정량적화재위험성평가를통해다음의결론을얻었다. 1) 상대식승강장과섬식승강장은강제배연이연기농도와온도하락에효과적으로나타났으며, All exhaust mode 가가장낮은양상을보였다. 또한 Push-pull mode 의경우압인하는기류의난류화로화재지점이후의연기층하락을촉진키는것으로나타났다. 2) 자연배기에의한배연은화재와먼지점의스크린도어가닫혀있는상태에서섬식승강장이상대식승강장에비해온도 23.08%, 연기농도 50.76%, F IN 66.36% 낮은값을나타냈다. 이는상대적인대피공간의증가로화재에대한위험성이줄어드는것으로분석된다. 3) 강제배기에의한제연은섬식승강장이상대식승강장보다 Push-pull 은온도 32.71%, 연기농도 27.19%, F IN 9.14% 낮은값을나타냈으며, All exhaust mode 은온도 31.47%, 연기농도 44.27%, F IN 72.34% 낮은값을나타냈다. 이는스크린도어의설치로인한화재와먼지점의스크린도어가닫혀있는상태에서나타나는상대식승강장의상대적배연량의증가및대피공간의감소보다섬식승강장의대피공간의증가및배연량의감소가화재위험을억제하는데에더욱실효적으로분석된다. 4) 배연용량및승강장공간설정시승강장형식에따른화재특성을고려한설계가필요하다. 감사의글 : 본연구는 2004 년도인천대학교학술연구비지원으로수행되었으며관계자여러분께감사드립니다. 참고문헌 1) 인천광역시도시철도건설본부, 인천도시철도 1 호선송도연장건설사업기본설계보고서 ( 토목 / 궤도 ), 2004. 2) Kevin McGrattan, Glenn Forney, Fire Dynamics Simulator(Version 4) User's Guide, NIST, 2005. 3) T. G. Ma, J. G. Quintiere, Numerical simulation of axisymmetric fire plumes: accuracy and limitations, Fire Safety Journal 38, pp. 467~492, 2003. 4) Baum, H. R., B. J. MaCaffery, Fire Insuced Flow Field-Theory and Experiment, Fire Safety Science Proceedings of the Second International Symposium, pp. 129~148, 1989. 5) James A. Milke, NFPA 92B, Guide For Smoke Management Systems in Malls, Atria, and Large Areas, 2000 Edition, NFPA, pp. 47~48, 2000. 6) W. K. Chow, W. Y. Hung, Y. Gao, G. Zou, H. Dong, Experimental stusy on smoke movement leading to glass damages in double-skinned facade, Construction and Building Materials, 2005. 7) William D. Kennedy, NFPA 130, Standard for Fixed Guideway Transit and Passenger Rail Systems, 2003 Edition, NFPA, 2003. 8) G. W. Mulholland, The SFPE handbook of Fire Protection Engineering, chapter Smoke Production and Properties, Third Edition, National Fire Protection Association, pp. 2-265~266. 2002. 9) John H. Klote, James A. Milke, Principles of Smoke Management, ASHRAE, SFPE, 2002. 한국안전학회지, 제 21 권제 6 호, 2006 년 5
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