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연기농도 예측을 위한 환기조건 변화에 따른 FDS의 모델 불확실도 평가
장효연(Hyo-Yeon Jang),한호식(Ho-Sik Han),황철홍(Cheol-Hong Hwang) 한국화재소방학회 2022 한국화재소방학회 학술대회 논문집 Vol.2022 No.추계
화재 발생 시 인명에 대한 안전성 평가는 화재 및 피난시뮬레이션을 통한 허용피난시간(ASET)과 요구피난시간(RSET)을 통해 결정될 수 있다. 특히 ASET은 화재시뮬레이션의 예측결과를 통해 물리량들의 임계값에 도달하는 시간을 통해 산출됨을 고려할 때, 화재시뮬레이션의 정확한 예측결과는 화재안전성 평가의 신뢰성 확보를 위해 반드시 요구될 수 있다. 다양한 화재모델들 중 대표적 Field 모델인 Fire Dynamics Simulator(FDS)는 비정상 3차원 화재현상의 분석이 가능하여 화재안전성 평가에 주로 적용되고 있다. FDS에서 예측되는 다양한 물리량들 중 연기농도는 불확실도가 가장 크며, 이는 예측 불확실도를 산출하기 위해 적용된 data의 수는 다른 물리량들에 비해 매우 적은 것으로 확인되었다. 그러나 최근 5년간 시행된 화재안전성 평가 결과를 살펴보면 ASET을 결정하는 물리량 중 94%가 연기농도에 의한 것으로 확인되었다. 따라서 이와 같은 결과를 통해 선행연구에서 새롭게 도출한 연기농도 예측 불확실도는 기존 FDS validation guide에 제시된 값과 다소 차이를 나타내는 것을 확인한 바 있다. 본 연구에서는 연기농도의 예측 불확실도에 대한 타당성을 검토하기 위하여 환기 조건 변화에 따라 실험 및 수치해석이 수행되었다. 이를 위해 1/6 축소된 ISO 9705 표준구획 및 길이가 약 3 m인 복도형상으로 제작되었으며, 연기농도가 실시간으로 측정되었다. 실험조건으로 다양한 화재환경을 구현하기 위해 버너의 크기 변화를 통해 환기 조건이 변화되었다. 또한 실험과 동일한 조건의 수치해석을 수행하여, 연기농도의 측정 및 예측결과가 비교⋅분석되었다. 결론적으로 FDS의 예측 불확실도의 검토를 통해 예측결과에 적절히 반영된다면, 화재 안전성 평가결과의 정확성 향상에 크게 기여될 수 있을 것으로 기대된다.
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장효연(Hyo-Yeon Jang),한호식(Ho-Sik Han),황철홍(Cheol-Hong Hwang),이강복(Kang-Bok Lee) 한국화재소방학회 2021 한국화재소방학회 학술대회 논문집 Vol.2021 No.추계
최근 본 연구진은 화재에서 발생되는 연기 농도에 따라 연기감지기의 작동을 평가하는 가장 중요한 인자인 Obscuration Per Meter(OPM, %/m)는 연기 색상에 따라 Obscuration threshold의 큰 차이를 갖는다는 것을 선행연구를 통해 확인하였다. 이러한 현상은 연기입자의 색상에 따른 광산란과 광소멸(광산란+광흡수)의 비로 정의되는 Single-Scattering Albedo(SSA)를 통해 정량적으로 설명될 수 있다. 결과적으로, 연기감지기의 Obscuration threshold는 가연물의 종류 및 연기 입자 크기에 의존하게 되며, 본 연구진은 연기감지기 챔버 내부에서 연기 입자에 의한 산란광의 분포에 대한 연구를 수행하고자 한다. 국내에서 생산되는 감지기 챔버의 발광 및 수광부 사이의 각도를 수집한 결과, 발광부(0o)를 기준으로 전방산란(forward scattering)을 고려하는 125o~145o의 범위를 갖는다. 이때 챔버 내부에 연기가 유입되었을 때 산란광의 분포를 분석하기 위하여 1개의 발광부와 다양한 각도(15o~180o, 11개)를 갖는 하이브리드 챔버를 통해 광학적 특성을 분석하였다. 또한 연기 발생을 위하여 종이화원(filter paper, 백색), 유류(kerosene, 흑색) 및 플라스틱(PU, 회색)이 선정되었다. 이에 가연물 및 각도에 따른 산란광의 비, 비대칭성 각도의 비(asymmetry ratio) 및 광산란과 광소멸의 비율을 통해 정량적인 차이에 대한 상세 분석이 이루어졌다. 결론적으로 하이브리드 챔버 내부에서 광산란 및 광소멸 방식을 동시에 적용하여, 가연물에서 발생되는 연기의 색상 및 연기 입자 크기에 따른 산란 각도를 분석함에 따라 광학적 특성이 구분될 수 있는 다양한 방법이 고려되었다. 후속 연구로써, 비화재보(수증기, 냉동육류 조리, 먼지 등)에서 측정되는 광산란 및 광소멸신호를 분석함에 따라 화재에서 발생되는 연기와 구분이 가능한 지표에 기여할 수 있을 것으로 기대된다.
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장효연(Hyo-Yeon Jang),한호식(Ho-Sik Han),황철홍(Cheol-Hong Hwang),이강복(Kang-Bok Lee) 한국화재소방학회 2022 한국화재소방학회 학술대회 논문집 Vol.2022 No.춘계
선행연구에서 본 연구진은 다양한 가연물을 대상으로 광전식 연기감지기의 obscuration threshold를 측정 및 발표한 바 있으며, 광산란 방식은 가연물에 따라 화재에서 발생되는 일정한 연기 농도에 감지기를 작동시키지 못하는 본질적인 한계를 보고하였다. 따라서 다중 각도를 갖는 하이브리드 챔버의 제작을 통해 연기가 유입되었을 때, 다양한 분석 방법을 적용하여 광학적 특성을 분석한 결과 가연물의 구분이 가능한 방법 및 각도를 도출하였다. 이러한 결과는 연기 입자의 색상, 크기, 밀도 및 형태 등에 따라 차이가 발생되는 것으로 판단된다. 이에 본 연구진은 연기 입자의 크기 및 색상이 다양하게 존재하는 플라스틱을 대상으로 나타나는 광학적 특성의 차이를 통한 현상을 구분하는 연구를 수행하고자 한다. 이를 위하여 챔버 내부에 산란광의 분포를 분석하기 위하여 1개의 발광부와 15o 간격의 각도(15o~180o, 11개)를 갖는 하이브리드 챔버를 통해 광학적 특성을 분석하였다. 이때 플라스틱의 종류에 따른 연기 입자 특성(색상 및 크기)의 차이가 발생되는 실험적 결과를 바탕으로 5종류(polypropylene(PP), polyethylene(PE), Polyurethane(PU), polyvinyl chloride(PVC), polystyrene(PS))가 선정되었다. 또한 가연물 및 각도에 따른 산란광의 비, 비대칭성 각도의 비 및 광산란과 광소멸의 비율을 통해 정량적인 차이에 대한 상세 분석이 이루어졌다. 결론적으로 하이브리드 챔버 내부에서 광산란 및 광소멸 방식을 동시에 적용하여, 동일한 플라스틱 계열의 가연물에서 발생되는 연기 입자의 색상 및 크기에 따른 통계적 및 확률론적 영역의 광학적 특성이 나타나는 현상을 분석하였다. 후속 연구로써, 연기 입자 색상 및 종류의 구분이 가능한 지표를 제시하기 위하여 가연물의 범위를 확대 및 결과를 구축하고자 한다. 또한 비화재보(수증기, 냉동육류 조리, 먼지 등)에서 측정되는 광학적 특성을 분석함에 따라 화재에서 발생되는 연기와 구분이 가능한 지표에 기여할 수 있을 것으로 기대된다.
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다른 연료를 이용한 이중 풀 화염의 상호작용이 CO 및 Soot yield에 미치는 영향
이홍인(Hong-In Lee),장효연(Hyo-Yeon Jang),문선여(Sun-Yeo Mun),황철홍(Cheol-Hong Hwang) 한국화재소방학회 2022 한국화재소방학회 학술대회 논문집 Vol.2022 No.추계
최근 국내 건축물의 고층화, 복합화 및 대형화에 따라서 화재 위험성 극복을 위해 성능위주설계(performance based design, PBD)가 시행되고 있다. 일반적으로 화재위험성은 PBD를 통해 단순한 Timeline 분석에 근거하여 평가되며, 국내는 PBD의 신뢰성 향상을 위하여 지속적으로 다양한 연구가 수행되고 있다. 구체적으로 PBD 수행 시 화재시뮬레이션(Fire Dynamics Simulator, FDS)의 입력인자 중 연기농도 및 가시도의 예측결과에 큰 영향을 미칠 수 있는 CO 및 Soot yield에 대한 정확도의 중요성이 보고된 바 있다. 이때 FDS에 입력되는 화원의 정보는 일반적으로 단일 또는 복합 소재의 가연물에서 측정된 값이 적용되며, 복합 소재는 동일한 용도라도 복잡한 구성 성분의 차이로 인하여 입력 값을 특정 짓기 어렵다. 이에 본 연구진은 예비 연구로서, 복합 소재를 상대적으로 용이하게 접근하고자 액체 연료가 적용되었으며, 서로 다른 연료의 풀 화염이 상호작용을 통해 CO 및 Soot yield에 미치는 영향에 대한 연구를 수행하고자 한다. 액체 풀 화염의 특성 상 지속적인 열이 가해질 때 발생되는 비등을 방지하여 측정값의 정확성 확보를 위해 외부 버너에 물을 통해 냉각되었다. 이때 연료로는 에탄올(Ethanol), 헵탄(Heptane), 등유(Kerosene), 톨루엔(Toluene)이 적용되었으며, 다양한 조합을 통해 이중 풀 화염이 형성되었다. 이중 풀 화염을 이용하여 충분한 거리를 확보함에 따라 두 개의 화염이 독립적으로 존재하거나, 근접한 거리에 의해 화염이 융합(merging)되어 서로의 화염에 상호작용으로 인한 측정값이 비교되었다. 결론적으로 이중 풀 화염에 적용된 서로 다른 연료는 거리가 변화됨에 따라 미치는 상호작용에 의한 CO 및 Soot yield가 검토되었다. 이는 복합 소재 가연물에서 발생되는 복잡한 현상의 규명을 위한 초기 연구로써, 추후 다양한 Polymer 계열의 시편을 통해 단계적으로 접근하여 CO 및 Soot yield의 신뢰성 향상에 기여할 수 있을 것으로 기대된다.
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복합영상관의 성능위주설계를 위한 가연물의 연소발열특성 연구 : 객석의자의 열발생률 및 연소확산속도를 중심으로
남동군(Dong-Gun Nam),장효연(Hyo-Yeon Jang),황철홍(Cheol-Hong Hwang),임옥근(Ohk-Kun Lim) 한국화재소방학회 2020 한국화재소방학회논문지 Vol.34 No.1
성능위주설계의 설계화원 정보는 피난안전성 평가에 직접적인 영향을 미치기 때문에, 실물화재 실험에 근거한 설계화원의 설정이 매우 중요하다. 복합영상관에 대한 성능위주설계의 신뢰성을 개선시키기 위하여, 상영관 의자에 대한 화재실험을 통해 열발생률과 화재확산속도 등의 화재거동에 관한 정보를 제공한다. 이를 위하여 실제 상영관과 유사하게 배열된 다수의 객석 의자가 적용되었다. 주요 결과로서, 객석의자 1개에 대하여 최대 열발생률과 단위 질량당 발열량은 각각 415∼988 kW와 15.2∼23.8 MJ/kg의 범위를 갖는다. 신형과 구형 객석의자의 평균 단위 질량당 발열량은 각각 23.6 MJ/kg과 16.7 MJ/kg으로 측정되었다. 즉, 신형의자의 증가된 플라스틱 및 쿠션재의 함량으로 인하여, 신형이 구형에 비해 화재위험성이 높은 것으로 확인되었다. 추가로 객석의자가 일렬로 배치될 때, 점화위치와 상관없이 0.39∼0.42 m/min의 화재확산속도가 관찰되었다. 마지막으로 복합영상관의 성능위주설계를 위하여 객석의 자의 최대 열발생률과 화재성장률로 구성된 화재성장곡선이 제안되었다. As performance-based design (PBD) has a direct impact on evacuation safety assessments, designing fire scenarios based on real fire tests is essential. To improve the reliability of the PBD for fire safety in multiplexes, information on fire behavior, such as heat release rate (HRR) and fire spread rate, are provided in this study by conducting a standard fabric flammability test. To this end, several chairs were arranged in a pattern that resembled a theater-style seating. The peak HRR and heating value per unit mass for each chair ranged from 415 kW to 988 kW and 15.2 MJ/kg to 23.8 MJ/kg, respectively. The heating values per unit mass of the new and old chairs were 23.6 MJ/kg and 16.7 MJ/kg, respectively. As the quantity of plastic and cushioning materials in the new chairs was more than that of the old ones, the new chairs were more vulnerable to fire hazards. Furthermore, when the chairs were arranged in a line, the fire spread rate was observed to be 0.39-0.42 m/min, regardless of the ignition location. Finally, a fire growth curve showing the peak HRR and fire spread rate was also demonstrated.
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