Prediction of the Fire Curtain Effect through a Numerical Simulation of a Reduced Scale Model for Fires in Theaters

공연장 화재 축소모형의 전산시뮬레이션을 통한 방화막 영향 예측

Abstract

Although a fire curtain plays an important role in preventing smoke from spreading to the auditorium in a theater fire, there has been insufficient research on fire curtains. In this study, to check the accuracy of numerical simulation, for previous experiments using a reduced scale model, a numerical simulation was carried out, and the results were compared with previous experimental data. The fire curtain effect was then predicted numerically. A Fire Dynamics Simulator (FDS) was used, and the natural exhaust vent sizes were set to ~10%, ~5%, and ~1% of the stage floor area. The smoke movement was visualized, and the mass flow rates and temperatures were measured and analyzed. In addition, the law of similarity was used to examine the influence of a fire curtain in a real scale theater fire. Without the fire curtain, the present numerical simulation results were in agreement with the previous experimental data within reasonable accuracy. Meanwhile, the fire curtain affects the mass flow rates through the natural exhaust vent and proscenium opening, as well as the start time of soot outflow to the auditorium. Overall, the present results can be used to develop a fire curtain system.

공연장 화재 시 방화막이 객석공간으로의 연기 확산을 억제하는데 중요한 역할을 할 수 있음에도 불구하고 이에 대한 연구가 미흡한 실정이다. 본 연구에서는 전산시뮬레이션의 신뢰성을 확인하기 위하여 기존 축소모형실험에 대해 전산시뮬레이션을 수행하고 결과를 비교하였으며, 해당 전산시뮬레이션을 이용하여 방화막의 영향을 예측하였다. Fire Dynamics Simulator (FDS)를 이용하였고, 자연배출구 크기는 무대공간 바닥면적의 ~10%, ~5%, ~1%로 설정하였다. 연기 거동을 가시화하고 질량 유량 및 온도 등을 측정하고 분석하였다. 실규모 공연장 화재에서의 방화막 영향을 예측하기 위하여 상사법칙을 활용하였다. 방화막이 없을 때 본 전산시뮬레이션 결과는 기존 축소모형실험 결과와 비교적 잘 일치하였다. 한편, 실규모 공연장 화재 시, 방화막은 자연배출구 및 프로시니엄 개구부를 통한 질량 유량 및 객석공간으로 soot 유출이 일어나는 시점에 지대한 영향을 미치는 것으로 나타났다. 본 연구 결과는 방화막 개발을 위한 기초 자료로 활용될 수 있을 것으로 판단된다.

1. 서론

공연장은 예술적 관람물을 실연(Actual performance)에 의하여 공중에게 관람하도록 하는 것을 주된 목적으로 설치하여 운영하는 시설⁽¹⁾로 화재 시 높은 인구 밀도와 낯선 공간에 대한 대피 경로 파악의 어려움으로 인해 IROQUOISTheater 화재 사례⁽²⁾와 같은 큰 인명 피해가 발생할 수 있다. International Building Code (IBC)⁽³⁾에서는 공연장의 무대공간에 대해 방화막(Fire curtain) 설치를 요구하고 있으며, 공연장 안전 매뉴얼⁽⁴⁾과 공연장 무대시설분야 안전지침및 기술기준⁽⁵⁾에서는 기존에 설치된 방화막에 대한 점검 및 방화막 설치 기준 등에 대하여 일부 제시하고 있다. 공연법⁽⁶⁾에 따르면, 방화막은 공연장에 설치하는 구동식 상부 무대시설로 무대에서 화재가 발생할 경우 프로시니엄(Proscenium) 개구부를 차단하여 화재 및 연기 확산을 방지하는 시설이다. 여기서, 프로시니엄은 공연장에서 주로 사용되는 구조로, 객석 반대쪽에 무대가 배치되고, 그 사이에서 무대와 객석을 구분하는 구조이다⁽⁷⁾. 이러한 방화막은 예술의 전당 화재 사례⁽⁸⁾에서 알 수 있듯이 공연장 화재 시인명 보호에 중요한 역할을 할 수 있다. 그럼에도 불구하고 국내의 많은 공연장에 방화막이 설치되어 있지 않고, 이에 대한 일부 기준이 공연장 무대시설분야 안전지침 및 기술기준⁽⁵⁾에 제시되어 있으나 보다 구체적으로 개선되어야 할 것으로 판단된다. 또한, 국내·외에서 이에 대한 연구가 거의 이루어지지 않고 있다.

공연장 화재 관련하여 일부 연구가 수행된 바 있다. Kim⁽⁸⁾은 화재시뮬레이션과 피난시뮬레이션을 통해 공연장화재 시 화재위험성 분석 및 피난안전성 평가를 수행하였다. Yeo⁽²⁾는 공연장 화재에 대하여 Fire Dynamics Simulator (FDS)를 이용한 화재시뮬레이션과 축소모형실험을 수행하였으며, 이를 통해 공연장 화재 시 배연성능에 영향을 미치는 주요 설계인자에 관하여 연구하였다. 축소모형을 이용하여 자연배출구 크기 변화에 따른 연기층의 형성 위치, 연기층의 온도, 자연배출구를 통한 배출량을 분석하였으며, 상사법칙을 활용하여 축소모형실험 결과와 실규모 화재시뮬레이션 결과를 비교하였다. Lee⁽⁹⁾는 FDS를 이용하여 대형 공연장에서의 제연설비 설계에 대한 성능위주설계의 적용성을 검토하였다. 그러나 기존 연구 동향을 토대로 볼 때, 아직도 공연장 화재에 대한 전반적인 연구가 많이 미흡한 상황이며, 특히 방화막을 고려한 연구가 거의 수행되지 않았다.

방화막 관련하여 소수의 연구가 진행된 바 있다. Kwon ⁽³⁾은 FDS를 이용하여 공연장 화재 시 방화막, 스프링클러,배출구 등 종합적인 소방시설의 효과에 대하여 몇 가지 화재시나리오를 토대로 평가하였다. Kim et al.⁽¹⁰⁾은 FDS를 이용하여 공연장 무대 화재 시 방화막과 강제배출구가 무대공간에서 객석공간으로의 연기 확산을 효과적으로 저지할 수 있음을 선행적으로 파악하였다. 그러나 앞서 언급한 바와 같이 방화막에 대한 연구는 매우 제한적으로 수행되었고, 공연장 화재 시 피해를 최소화하기 위한 고성능 방화막개발 및 효과적인 설치를 위해서는 이에 대한 충분한 연구가 수행되어야 한다.

한편, 공연장 소방시설에 대한 효율적인 설계와 신뢰성 확보를 위하여 공연장 화재 현상에 대한 연구가 필요함에도 불구하고 실험의 위험성, 경제적 여건 등 현실적인 제약으로 인해 공연장 화재에 대한 실규모 실험이 어려운 실정이다. 이 경우, 기존 연구^(2,3,8-10)에서와 같이 FDS를 이용한 전산시뮬레이션 연구가 실규모 실험의 좋은 대안이 될 수 있으며, 이를 위해서는 FDS에 대한 신뢰성이 검증되어야 한다.

본 연구에서는 기존 Yeo⁽²⁾의 공연장 화재 관련 축소모형실험 결과를 이용하여 화재시뮬레이션의 신뢰성을 검토하였고, 이를 활용하여 공연장 내 화재 시 방화막의 영향을 예측하였다. 즉, FDS를 이용하여 기존 공연장 축소모형실험과 동일한 조건으로 계산을 수행하였고, 축소모형실험결과와 본 연구의 계산 결과 비교를 통하여 FDS의 신뢰성을 평가하였다. 이후 본 연구의 전산시뮬레이션에 모의 방화막을 설정하여 공연장 내 화재 시 방화막이 연기 거동에 미치는 영향을 파악하였고, 이를 바탕으로 실규모 공연장화재 시 방화막의 영향을 예측하였다.

2. 전산시뮬레이션 방법 및 조건

본 연구에서는 기존 Yeo⁽²⁾의 연구에서 수행한 대형 공연장의 1:25 축소모형실험 결과를 대상으로 하여 연구를 수행하였다. 기존 축소모형실험 연구에서는 무대공간 내 연기층의 형성 위치, 연기층의 온도, 자연배출구를 통한 배출량에 대해 축소모형실험 결과와 실규모 화재시뮬레이션 결과를 상사법칙을 이용하여 비교하였다. 이와는 달리, 본 연구에서는 기존 축소모형실험 연구의 축소모형을 대상으로 화재시뮬레이션을 수행하여 직접적인 비교를 수행하였고, 이를 활용하여 기존 축소모형실험 연구에서는 다루지 않았던 방화막의 영향에 대해 예측하여 보았다.

Figure 1에 기존 Yeo⁽²⁾의 축소모형을 기반으로 구성한 전산시뮬레이션의 해석 형상을 나타내었다. 무대공간의 크기는 0.96 m (폭) × 1.12 m (깊이) × 1.52 m (높이), 객석공간은 1.0 m (폭) × 1.12 m (깊이) × 1.12 m (높이), 좌·우측 무대공간은 0.96 m (폭) × 0.5 m (깊이) × 0.56 m (높이)로 설정하였다. 배출구는 기존 축소모형실험과 동일하게 자연배출방식으로 무대공간 상부에 위치시켰으며, 배출구의 크기는 무대공간 바닥면적의 ∼10% (CASE 1), ∼5% (CASE 2),∼ 1% (CASE 3)가 되도록 설정하였다. 이에 대한 세부 정보를 Table 1에 정리하여 나타내었다. 프로시니엄 개구부 높이는 바닥으로부터 0.56 m로 좌 · 우측 무대공간의 높이와 동일하게 설정하였다. 급기 조건은 기존 축소모형실험과 유사하게 설정하였다. 즉, 객석공간의 공기유입구를 통해 유입된 공기가 무대공간으로 자연 유입되는 방식으로 하였으며, 객석공간의 공기유입구는 기존 축소모형실험을 토대로 설정하였다. 총 화재시뮬레이션 시간은 300 s로 하였으며, FDS는 v6.5.3을 사용하였다.

Figure 1. Schematic diagram of reduced scale model for numerical simulation.

Table 1. Sizes of Natural Exhaust Vent and Stage Floor

화원의 열방출률은 t-squared fire model \(\left(\dot{Q}=\alpha t^{2}\right)\)을 이용하였다. 여기서, \(\dot{Q}\)는 열방출률(kW), \(\alpha\)는 화재성장계수(kW/s2), \(t\)는 시간(s)을 나타낸다. 기존 Yeo⁽²⁾의 연구를 기반으로 최대 열방출률은 1.6 kW, 화재성장속도는 fast growth로 설정하였다. 전산시뮬레이션 시 연료로는 기존 축소모형실험에서 사용한 메탄올(Methanol)을 사용하였다. 화원은 기존 축소모형실험에 사용된 알코올램프의 크기와 위치를 고려하여 무대공간 바닥의 정중앙에 0.2 m (폭) × 0.2 m (깊이) & times; 0.08 m (높이)로 설정하였다. 한편, Smokeview (SMV) 상에 연기 가시화를 위하여 soot 생성률은 0.1로 설정하였다.

계산 시 격자의 크기는 기존 Yeo⁽²⁾의 연구와 \(D^{*} / \delta x\)(Plume Resolution Index)의 범위⁽¹¹⁾를 고려하여 설정하였다. 정육면체 격자 형태로 격자 크기(즉, \(\delta x\))를 0.01 m와 0.02 m로 설정하여 선행 계산을 수행한 결과, 계산 결과의 차이가 없음을 확인하였고, 컴퓨터의 성능 및 계산 시간 등을 고려하여 최종적으로 격자의 크기를 0.02 m로 선정하여 모든 계산을 수행하였다. 본 계산에 사용된 총 격자의 개수는 492,800개이다.

3. 전산시뮬레이션 결과 및 분석

3.1 자연배출구 크기 영향: 기존 축소모형실험 결과(2)와 본 전산시뮬레이션 결과 비교 및 검토

본 연구에서 구축한 전산시뮬레이션의 신뢰성 검토를 위하여 자연배출구 크기에 따른 연기 거동 가시화, 자연배출구를 통한 유출 질량 유량, 연기층 온도 등을 분석하고 기존 Yeo⁽²⁾의 축소모형실험 결과와 비교하였다. 자연배출구와 프로시니엄 개구부를 통한 유입 및 유출 질량 유량측정 위치를 Figure 2에 나타내었다.

Figure 2. Measurement positions of mass flow rate for inflow and outflow.

Figure 3에 CASE 1, CASE 2, CASE 3에 대한 연기 거동가시화 결과를 나타내었다. CASE 1의 경우(Figure 3(a)), 무대공간에서 발생한 연기가 객석공간으로 유출되지 않았고, 무대공간 내 일정 높이로 유지되었다. CASE 2의 경우(Figure 3(b)) 역시, 객석공간으로의 연기 유출은 관찰되지 않았으나 CASE 1의 경우에 비해 무대공간에 형성된 연기층 높이가 더욱 낮아진 것을 확인할 수 있었다. 반면, CASE 3의 경우(Figure 3(c))에서는 연기층이 하강하여 프로시니엄 벽 하단보다 낮아졌고 이로 인해 연기가 객석공간으로 유출되는 것이 관찰되었다. 전체적으로 자연배출구면적이 감소함에 따라 연기층 높이가 더욱 하강하는 경향이 관찰되었는데, 이는 자연배출구 면적이 감소함에 따라 자연배출구를 통한 배출량이 적어지기 때문으로 판단된다. 기존 Yeo(2)의 축소모형실험 결과에서도 CASE 1과 CASE 2의 경우에는 무대공간에서 객석공간으로의 연기 유출이 일어나지 않았고, CASE 3의 경우에는 유출이 일어난 것으로 보고되었다. 즉, 연기 거동 가시화 결과의 경우, 본 전산시뮬레이션 결과와 기존 축소모형실험 결과가 비교적 잘 일치함을 확인하였다.

Figure 3. Visualization of smoke behavior.

Figure 4에 자연배출구의 크기가 자연배출구(Figure 2)를 통해 유출되는 질량 유량에 미치는 영향을 비교하여 나타내었다. 자연배출구의 면적이 증가함에 따라 유출 질량 유량은 증가하였고, CASE 3을 기준으로 CASE 1은∼ 4배, CASE 2는∼3배 증가한 것으로 나타났다.

Figure 4. Effect of vent size on mass flow rate for outflow through natural exhaust vent.

Figure 5(a)와 5(b)에 자연배출구의 크기가 프로시니엄 개구부(Figure 2)를 통한 유입 및 유출 질량 유량에 미치는 영향을 비교하여 나타내었다. 유입 질량 유량의 경우(Figure 5(a)) 자연배출구의 면적이 커질수록 증가하였고, CASE 3을 기준으로 CASE 1은∼2.4배, CASE 2는∼2배 증가하였다. 이는 자연배출구 면적이 증가할수록 자연배출구를 통한 유출 질량 유량이 증가(Figure 4)하고, 이로 인해 프로시니엄 개구부를 통한 유입 질량 유량이 증가하기 때문으로 판단된다. 한편, 프로시니엄 개구부를 통한 유출 질량 유량의 경우(Figure 5(b)), CASE 3에서는 확실한 유출 질량 유량을 확인할 수 있었고, 이는 가시화 결과(Figure 3)와 일치한다. 또한, 가시화 결과에서 객석공간으로의 연기 유출이 관찰되지 않았던 CASE 1과 CASE 2에 대해서는 유출 질량유량이 거의 측정되지 않았다.

Figure 5. Effect of vent size on mass flow rate through proscenium opening.

Figure 6와 Figure 7에 각각 자연배출구를 통한 유출 질량 유량과 연기층 온도에 대해 본 전산시뮬레이션 결과와 기존 Yeo⁽²⁾의 축소모형실험 결과를 비교하여 나타내었다. 본 전산시뮬레이션 결과의 경우 열방출률이 1.6 kW에 도달한 이후에 얻은 데이터를 시간 평균하여 도출하였다. 또한, 연기층 온도 비교를 위하여 축소모형실험의 열전대 설치 위치와 되도록 유사하게 전산시뮬레이션의 온도 측정위치(Figure 1의 Temperature)를 설정하였다.

Figure 6. Comparison of present simulation results with previous experimental data for mass flow rate of outflow through natural exhaust vent.

Figure 7. Comparison of present simulation results with previous experimental data for smoke layer temperature.

Figure 6에 나타낸 자연배출구를 통한 유출 질량 유량의 경우, 본 연구와 기존 Yeo⁽²⁾의 연구 모두 자연배출구 크기가 증가함에 따라 배출량이 증가하는 경향을 나타내었고, 본 전산시뮬레이션 결과와 기존 축소모형실험 결과가 비교적 잘 일치함을 확인하였다.

한편, Figure 7에 나타낸 연기층 온도의 경우, 전산시뮬레이션 및 기존 Yeo⁽²⁾의 축소모형실험 결과 모두 자연배출구 크기가 증가함에 따라 연기층 온도가 감소하는 경향을 나타냈다. 그러나 CASE 1, CASE 2, CASE 3의 전산시뮬레이션 결과와 기존 축소모형실험 결과 간 절대적인 수치의 차이는 각각 43%, 46%, 41%로 나타났다. 이는 연기층 온도 측정 위치 차이, 열전대를 이용한 온도 측정 시 오차 등에 의한 것으로 추측된다. 기존 축소모형실험 연구에서도 축소모형실험 결과와 실규모 FDS 결과 간 온도 차이가 본 연구와 유사하게 관찰되었으며, 이러한 결과가 나타난 원인에 대해 기존 축소모형실험 연구에서는 실험 온도가 FDS의 기본 설정 온도인 20 ℃보다 5 - 6 ℃ 높았던 부분을 반영하지 않은 것과 측정 오차로 인한 것으로 보고하였다. 추후 축소모형실험과 FDS 간 온도 차이가 나타난 원인에 대한 세부적인 검토가 필요할 것으로 판단된다.

Figures 3-7의 결과를 토대로 볼 때, 본 연구에서 구축한 축소모형 전산시뮬레이션이 기존 Yeo⁽²⁾의 축소모형실험결과와 비교적 잘 일치하고 있는 것을 확인하였고, 공연장화재 시 자연배출구 크기 변화에 따른 연기 거동을 합리적으로 예측하고 있는 것으로 판단되었다. 이후, 이러한 축소모형 전산시뮬레이션에 모의 방화막을 설정하여 방화막이 공연장 무대 내 화재 시 연기 거동에 미치는 영향에 대해 계산을 수행하였고, 그 영향을 검토하였다.

3.2 방화막 영향

모의 방화막 화재시뮬레이션은 연기가 객석공간으로 유출되는 경우, 즉, 자연배출구 크기가 무대공간 바닥면적의∼ 1%인 경우(CASE 3)에 대하여 수행하였으며, Figure 1(a)를 토대로 모의 방화막에 대한 개략도를 Figure 8에 나타내었다. 축소모형 전산시뮬레이션 내 모의 방화막은 프로시니엄 벽으로부터 무대공간 쪽으로 0.02 m 이격하여 설정하였으며, 두께는 없고, 높이는 0.96 m로 해당 누설 면적은∼ 0.06 m²이다.

Figure 8. Schematic diagram of fire curtain.

Figure 9에 모의 방화막이 설치된 경우와 설치되지 않은 경우에 대해 연기 거동을 가시화하여 나타내었다. 가시화결과, 모의 방화막이 설치된 경우 무대공간에서 객석공간으로의 연기 유출이 억제되는 것이 관찰되었다. 예를 들면, 50 s에서의 가시화 결과를 살펴보면, 모의 방화막이 설치된 경우가 설치되지 않은 경우에 비해 객석공간으로의 연기유출이 미비한 것으로 관찰되었다. 또한, 모의 방화막이 설치된 경우, ∼110 s에서 연기층이 무대공간 바닥까지 하강하는 것을 확인할 수 있었고, 이는 모의 방화막이 설치되지 않은 경우와는 다른 연기 거동이다.

Figure 9. Visualization of smoke behavior.

Figure 10에 모의 방화막이 자연배출구를 통해 유출되는 질량 유량에 미치는 영향을 비교하여 나타내었다. 자연배출구를 통한 유출 질량 유량은 모의 방화막이 설치된 경우가 설치되지 않은 경우에 비해 감소한 것으로 나타났다. 이는 모의 방화막이 설치된 경우, 모의 방화막과 프로시니엄벽 간 좁은 간격으로 공기 유입이 이루어져야 하고, 이로 인해 무대공간으로 유입되는 공기의 양이 감소하기 때문인 것으로 판단된다.

Figure 10. Effect of fire curtain on mass flow rate for outflow through natural exhaust vent.

Figures 11(a)와 11(b)에 모의 방화막이 프로시니엄 개구부를 통한 유입 및 유출 질량 유량에 미치는 영향을 비교하여 나타내었다. 유입 질량 유량의 경우(Figure 11(a)) 모의 방화막이 설치된 경우가 설치되지 않은 경우에 비해 감소한 것으로 나타났고, 이는 앞서 언급한 자연배출구를 통한 유출 질량 유량 측정 결과(Figure 10)와 밀접한 연관이 있는 것으로 판단된다. 한편, 프로시니엄 개구부를 통한 유출 질량 유량(Figure 11(b)) 역시, 모의 방화막 설치에 의해 감소한 것으로 나타났고, 이는 모의 방화막에 의해 객석공간으로의 연기 유출을 억제할 수 있음을 의미한다.

Figure 11. Effect of fire curtain on mass flow rate through proscenium opening.

Figure 12에 모의 방화막이 프로시니엄 개구부를 통해 유출되는 soot의 질량 유량에 미치는 영향을 비교하여 나타내었다. 유출되는 soot의 질량 유량은 모의 방화막이 설치된 경우가 설치되지 않은 경우보다 감소한 것으로 나타났다. 뿐만 아니라, 유출되는 soot의 질량 유량 상승 시점이모의 방화막이 설치된 경우가 설치되지 않은 경우보다 약간 더 늦어지는 것이 관찰되었고, 이는 모의 방화막이 연기확산을 지연시킬 수 있음을 의미하는 것으로 판단된다.

Figure 12. Effect of fire curtain on mass flow rate of soot for outflow through proscenium opening.

Figure 13에 모의 방화막이 객석공간 쪽 프로시니엄 벽하단 부분 수평면(Figure 1의 Surface A)에서 측정한 soot 질량 분율에 미치는 영향을 비교하여 나타내었다. 모의 방화막이 설치된 경우가 설치되지 않은 경우에 비해 soot 질량분율이 더 늦은 시간에서 상승하는 것이 관찰되었고, 이 역시 모의 방화막으로 인해 객석공간으로의 연기 유출이 지체되기 때문으로 판단된다.

Figure 13. Effect of fire curtain on variations of soot fraction measured at Surface A.

한편, 모의 방화막이 무대공간 내 연기층 하강 속도에 미치는 영향을 파악하기 위하여 특정 위치에서 시간에 따른 soot 질량 분율을 측정하였다. soot 질량 분율 측정 위치는 Figure 1에 나타낸 바와 같이, 프로시니엄 벽 근처(Figure 1의 Vicinity, 즉, 프로시니엄 벽으로부터 무대공간 쪽으로 0.04 m 떨어진 위치)와 화원과 프로시니엄 벽 사이 중심(Figure 1의 Center)으로 하였다. 두 위치에서 프로시니엄개구부 높이인 0.56 m부터 무대공간 높이인 1.52 m 거리 내 일정한 간격(0.08 m)의 측정점을 설정하였고, 각 위치에서의 측정 데이터로부터 soot 질량 분율이 상승하기 시작하는 시간을 도출하였다.

Figure 14에 모의 방화막이 특정 측정 위치에서의 soot질량 분율 상승 시작 시간에 미치는 영향을 비교하여 나타내었다. 프로시니엄 벽 근처의 경우, 모의 방화막의 설치여부가 높이에 따른 soot 질량 분율 상승 시작 시간에 거의 영향이 없는 것으로 나타났다. 이는 무대공간 바닥의 중심에서 생성된 연기가 무대공간 상부 벽을 거쳐 프로시니엄벽을 따라 하강하게 되는데, 이러한 연기 거동에 모의 방화막 설치 여부가 영향을 미치지 않는다는 것을 의미한다. 반면, 화원과 프로시니엄 벽 사이 중심에서의 경우, 모의 방화막이 설치된 경우가 설치되지 않은 경우에 비해 일부 동일한 높이 영역에서 soot 질량 분율 상승 시작이 약간 더 늦게 일어나는 것으로 관찰되었으나 그 차이가 크지 않았다. 한편, 전체적으로 프로시니엄 벽 근처가 화원과 프로시니엄 벽 사이 중심에 비해 연기층의 하강이 빨리 일어나는 것으로 나타났다.

Figure 14. Effect of fire curtain on start time of soot fraction growth with height.

모의 방화막 관련 전산시뮬레이션 결과를 이용하여 실규모 공연장 화재 시 방화막의 영향을 예측하고 평가하는 것은 방화막의 실제 적용을 위해 중요한 의미가 있다. 본 연구에서 대상으로 한 기존 Yeo⁽²⁾의 축소모형은 예술의 전당을 1:25 크기로 축소한 모형이다. 따라서 본 연구에서 도출한 모의 방화막 영향 관련 축소모형 전산시뮬레이션 결과와 Table 2의 실규모 공연장과 축소모형 간 화재 현상 모사를 위한 기하학적 크기, 연기 거동 분석을 위한 질량 유량 및 시간, 화재 크기 결정을 위한 열방출률을 고려한 상사법칙⁽¹²⁾을 활용하여 실규모 공연장에서 방화막이 질량유량 및 연기 거동에 미치는 영향을 예측하여 보았다. Table 2에서 \(l, x, t, \dot{m}\)은 각각 길이, 위치, 시간, 질량 유량을 나타내며, 아래 첨자 \(m, f\)는 각각 축소모형, 원형을 의미한다.

Table 2. Law of Similarity

Table 3에 실규모 공연장 화재 시 방화막이 질량 유량에 미치는 영향에 대한 예측 결과를 정리하여 나타내었다. 실규모 공연장 화재의 열방출률은 5 MW로 가정하였다. 방화막이 설치된 경우가 설치되지 않은 경우에 비해 자연배출구를 통한 유출 질량 유량은 ∼21% 감소하고, 프로시니엄개구부를 통한 유입 및 유출 질량 유량은 각각 ∼28%, & sim;8% 감소하는 것으로 예측되었다. 또한, 프로시니엄 개구부를 통해 유출되는 soot의 질량 유량은 방화막이 설치된 경우가 설치되지 않은 경우에 비해 ∼10배 감소하는 것으로 예측되었다. 한편, 본 연구의 모의 방화막 축소모형 전산시뮬레이션에서 모의 방화막 설치에 의해 객석공간으로의 연기 유출을 ∼9 s 정도 지연시킬 수 있는 것으로 계산(Figures 12 and 13)되었고, 이를 토대로, 실규모 공연장 화재 시에는 ∼1 min 정도 연기 확산을 지연시킬 수 있을 것으로 예측된다. 또한, 모의 방화막이 설치된 경우 연기층이∼ 110 s에 무대공간 바닥까지 도달하는 것으로 관찰(Figure 9)되었는데, 해당 시간은 실규모 공연장 화재에서 ∼9 min정도에 해당하며, 이는 화재 시 무대공간 내 인원들의 피난에 중요한 정보로 활용될 수 있다. 이러한 결과들을 토대로볼 때, 실규모 공연장에 방화막이 설치되었을 경우 객석공간으로의 연기 확산 방지(즉, 배출량 감소 및 시간 지연)에효과가 있을 것으로 판단된다.

Table 3. Predicted Effect of Fire Curtain on Mass Flow Rates for Fire in Real-Scale Theater

본 연구에서는 전산시뮬레이션을 수행하여 연기 거동을 중심으로 방화막의 영향을 선행적으로 평가하였으며, 추후현실적인 공연장 화재 상황에서의 방화막 성능을 예측하기 위해서는 실제 공연장의 형상, 화재 거동, 급기 조건, 방화막의 재질 및 열적 특성, 자연배출구의 위치 및 형태 등 다양한 인자를 고려한 계산이 수행되어야 할 것으로 판단된다. 한편, 많은 공연장에서 강제배출방식을 선택하고 있다는 것을 고려할 때 강제배출방식에 대한 세부적인 연구가 이루어져야 할 것으로 생각된다.

4. 결론

본 연구에서는 기존 Yeo⁽²⁾의 축소모형실험 연구를 토대로 FDS를 이용하여 전산시뮬레이션을 수행하였다. 자연배출구 크기 영향을 파악하였고, 기존 축소모형실험 연구와의 비교를 통하여 본 연구에서 구축한 전산시뮬레이션의 신뢰성을 검토하였다. 이후 모의 방화막을 설정하여 공연장 내 화재 시 방화막이 연기 거동에 미치는 영향에 대해 평가하였고 상사법칙을 활용하여 실규모 화재 시 방화막의 영향을 예측하였다. 본 연구를 통해 도출된 주요 결과를 요약하면 다음과 같다.

1) 자연배출구 크기(무대공간 바닥면적의 ∼10%, & sim; 5%,∼ 1%) 영향의 경우, 자연배출구 면적이 무대공간 바닥면적의 ∼1%인 경우에서 객석공간으로 연기가 유출되는 것을 확인하였다. 한편, 자연배출구의 크기가 증가할수록 이를 통한 유출 질량 유량과 프로시니엄 개구부를 통한 유입 질량 유량은 증가하였다.

2) 자연배출구 크기 변화에 따른 연기 거동 가시화 및 자연배출구를 통한 배출량의 경우, 본 전산시뮬레이션 결과와 기존 Yeo(2)의 축소모형실험 결과가 비교적 잘 일치하였다. 연기층 온도의 경우, 자연배출구의 크기가 증가함에 따라 감소한다는 점에서 본 전산시뮬레이션 결과와 기존축소모형실험 결과가 일치하지만, 절대적인 수치는 ~41-46% 정도의 차이를 나타냈다.

3) 본 전산시뮬레이션을 토대로 실규모 공연장에 대한 방화막의 영향을 평가한 결과, 자연배출구를 통한 배출량, 프로시니엄 개구부를 통한 유입 및 유출 질량 유량이 각각∼ 21%, ∼28%, ∼38% 감소하고, 연기층이 무대공간 바닥까지 도달하는 것으로 나타났다. 또한, 프로시니엄 개구부를 통해 유출되는 soot의 유출 질량 유량이 ∼10배 감소하고, 유출이 일어나는 시점을 ∼1 min 정도 늦출 수 있는 것으로 예측되었다.