A Study on the Installation of Chemical, Biological and Radiological Protection Facilities Using Existing Buildings

기존 건축물을 활용한 화생방 방호시설 설치에 관한 연구

Abstract

Purpose: This study predicted the flow of chemical, biological, and radiological materials in chemical, biological, and radiological defense facilities within the base during a chemical, biological, and radiological attack based on the conditions of the facility before the existing improvement, analyzed the flow of pollutants and the human impact of toxic substances, and identified the occurrence of leakage. Method: Assuming that the simple chemical, biological, and radiological defense facility improvement plan, which reflects the characteristics of the building, has been improved to the facility standard, the flow of chemical, biological, and radiological materials in the chemical, biological, and radiological defense facility within the base was predicted in the event of a chemical, biological, and radiological attack under the same conditions, and the flow of contaminants and the impact on occupants by toxic substances were analyzed to determine spatial safety. Result: In the case of Plan 1, it was found that leakage occurred after approximately 250 seconds in spaces where existing flat-panel chemical, biological, and radiological defense facilities were not installed. In the cases of Plans 2 and 3, it was found that leakage occurred in spaces where existing flat-panel chemical, biological, and radiological defense facilities were not installed. Conclusion: n the case of plans 1, 2, and 3, it was found that airtightness was maintained because no leakage occurred in the improved plane. In the case of plan 4, airtightness was not maintained due to leakage in the space where the existing plane simple chemical, biological, and radiological protection facilities were not installed.

연구목적:본 연구는 통풍형 간이 화생방 방호시설 표준 평면을 공간 대상으로 하여 기존 보완 전의 시설 조건을 기준으로 화생방 공격 시 기지 내의 화생방 방호시설의 화생방 물질 유동을 예측하고 오염물질 흐름 및 독성물질에 의한 인체 영향을 분석하고 누기 발생을 파악하였다. 연구방법:건물의 특성을 반영한 보완 공사가 이루어진 간이 화생방 방호시설 개선 평면 시설기준으로 개선되었을 때를 가정하여 동일한 조건의 화생방 공격 시에 기지 내의 화생방 방호시설의 화생방 물질의 유동을 예측하고 오염물질의 흐름 및 독성물질에 의한 재실자의 영향을 분석하며 공간 안전성을 파악하였다. 연구결과: 1안의 경우 기존 평면 간이 화생방 방호시설 미설치 공간에서는 약 250초 이후에 누기가 발생하는 것으로 나타났다. 2안과 3안의 경우 기존평면 간이 화생방 방호시설 미설치 공간에서는 누기가 발생하는 것으로 나타났다. 결론: 1안 ,2안, 3안의 경우 개선된 평면에서는 누기 발생이 발생하지 않아 기밀성이 유지되는 것으로 나타났다. 4안의 경우 기존평면 간이 화생방 방호시설 미설치 공간에서는 누기 발생으로 인한 기밀성 유지가 되지 않았다.

서론

북한의 지속적인 도발에 따른 한반도에서 위기설이 높아지고 있는 가운데 공군 비행기지에 대한 화생방 방호시설은 소요 대비 부족한 실정이다. 특히 국방 군사설 기준에 화생방 방호시설 설치는 대상 주요 작전시설인 작지부, 비행대대, 관제탑, 정비통제소로 한정되어 있어 비행기지에 대한 적의 화생방 공격 시 정찰탐지, 대피 및 제독의 순으로 화생방 작전이 수행되며, 대피는 기지 내 비오염구역 으로 대피하거나, 주요 작전 지원 요원의 경우 화생방 방호시설로 대피하여 작전을 수행하고 있다. 그러나 화생방전하 지속적인 항공작전 수행을 위해서는 지원 요원에 대한 생존성 보장이 필요하며, 이에 따라 공군은 화생방 방호시설을 확보하여 운영 중이나 화생방 방호시설은 숙영 및 의무시설 등 지원 건물에는 화생방 방호시설이 미 구축 되어있는 등 소요 대비 부족한 상황이다. 이에 따라 지속적인 항공작전 수행을 위해서는 작전요원 및 지원 요원의 생존성 및 휴식 보장이 필수적임에 따라 지휘시설, 비행대대, 정비부서 외에도 숙영, 의무시설 등 지원시설에 대한 화생방 방호시설에 대한 설치 대상의 확대가 필요하다.

화생방 방호시설은 화생방전 하에서 개인보호장구를 착용하지 않고서도 임무 수행 및 휴식 등을 할 수 있는 시설물이다. 기본적으로 화생방 방호시설 설치 목적은 먼저 화생방 방호시설 내에서 지휘, 통제, 통신 등의 임무 수행을 목적으로 할 경우와 대피를 통해 인원 보호만을 목적으로 할 경우로 구분할 수 있다. 또한, 지휘부나 부대 주요시설로부터 떨어진 곳에 별도로 설치하는 것이 바람직하며 지휘부나 주요시설은 공격의 우선 목표가 될 수 있으며, 따라서 화생방 방호시설도 동시에 피해를 당할 수 있기 때문이다. 특히 건물 일부를 화생방 방호시설로 건축하는 경우 피폭으로부터 상대적으로 안전한 지하층 구역이 주로 대상이 될 것이며, 2층 이상의 건물에서는 1층도 그 대상이 될 수 있다.

비통풍형 대피시설 화생무기의 방호를 위하여 완전히 밀폐시킨 보호시설을 말하며 기존의 지하시설, 갱도 및 동굴 등을 이용하는 것이 효과적이다. 이러한 시설의 구조는 어떠한 개구부이든지 필요시 폐쇄할 수 있는 밀폐 장치를 갖추어야 하며 문틈, 수도관, 전선관 등 모든 개구부는 각종 밀폐재료 테이프 등으로 막거나 봉해져야 한다. 만일 이러한 밀폐장치가 파괴된다면 실내의 인원은 즉각 개인용 보호장비를 사용할 수 있도록 사전에 준비되어야 한다. 비통풍형 보호시설은 밀폐된 공기 상태로 인하여 체류할 수 있는 시간에 많은 제한을 받는다. 따라서 방호시설 내에 수용할 수 있는 인원수나 수용 가능 시간은 시설 내에 밀폐된 공기의 양에 의해서 결정된다. 비통풍형 보호시설은 이와 같은 결점이 있지만 이는 잠시 동안 보호가 필요하거나 공기여과기 등의 보호장비가 없을 경우 이용 가능한 방법 중의 하나이다.

간이 화생방 방호시설 설치 시 안전성 확보 방안

통풍형 간이 화생방방호시설 표준평면을 공간대상으로 하여 기존 보완 전의 시설 조건을 기준으로 화생방 공격 시 공군 기지내의 화생방 방호시설의 화생방 물질의 유동을 예측하고 오염물질의 흐름 및 독성물질에 의한 대피병력의 영향을 분석하며 누기 발생 등을 파악하여 해당 평면의 공간 안전성을 파악한다. 둘째, 건물의 특성을 반영한 보완공사가 이루어진 간이 화생방방호시설 개선평면 시설기준으로 보완되었을 때를 가정하여 동일한 조건의 화생방 공격 시 공군 기지내의 화생방방호시설의 화생방 물질의 유동을 예측하고 오염물질의 흐름 및 독성물질에 의한 재실자의 영향을 분석하며 누기 발생 등을 파악하여 해당 평면의 공간 안전성을 파악한다.

본 연구에서는 시뮬레이션 분석 모델로 Field Model 프로그램인 FDS 6.5.3 및 Smokeview 6.3.9을 사용하여 간이 화생방방호시설 설치 시 안전성을 검증하였다. 시뮬레이션에 사용된 FDS (FireDynamics Simulator)는 NIST (NationalInstitute of Standards and Technology) 산하 BFRL (BuildingandFireResearchLaboratory)에서 개발한 프로그램으로 유동을 CFD(ComputationalFluid Dynamics)코드로 해석하는 모델로 지배방정식인 질량, 운동량, 에너지 보존 편미분 방정식은 유한차분법과 3차원 수직 격자로 근사 되에 해석된다. 해석된 결과는 OpenGL Model인 Smokeview Program에 의해 형상화된다. 최근에는 건축 화재 해석 분야뿐만 아니라 기체 유체 흐름 해석, 산불 등의 범용 Model로 사용되고 있다.

기존건물 중 콘크리트조 1개동 에 대한 4가지 시나리오 구성하였다. 1 안(1개실 기준으로 적용/교육장)은 Fig. 1 보듯이 기존 평면과 개선된 평면을 나타내고 있다.

Fig. 1. Existing floor plan and improved floor plan

2안(2개실 기준으로 적용)은 Fig. 2에서 나타나듯이 1개실 기준으로 적용하였을 때 기존 평면도와 개선된 평면도를 보여주고 있다.

Fig. 2. Existing floor plan and improved floor plan

3안(1개층 기준으로 적용)은 Fig. 3 보듯이 1개층을 기준으로 적용하였을 때 기존 평면과 개선평면(무장정비중개 3층 숙영시설 전체 기준)을 나타내고 있다.

Fig. 3. Existing floor plan and improved floor plan

4안(건물 전체 적용) 은 Fig. 4에서 보듯이 기존 평면과 개선된 평면(무장정비중대 전체)을 나타내고 있다.

Fig. 4. Existing floor plan and improved floor plan

본 연구의 시뮬레이션 범위는 기존건물 중 콘크리트조 1개동 표준 시공방안 4가지 안에 대하여 기존평면과 개선 평면 시설 기준으로 시뮬레이션하였다. Table 1은 4가지 시공방안에 따른 설비 구성으로 시뮬에이션을 위한 가정은 위험 구역별로 단일구획 외부에서 화생방 상황이 발생하는 조건으로 하고 연기배출설비(제연설비, 배연창 등)는 작동되지 않는 조건으로 수행하였다. 또한 양압 설비가 정상적으로 작동하는 조건으로 수행하였으며 창문 폐쇄가 이루어 조건으로 수행하고 개구부 폐쇄 및 방호가 충분히 이루어지고 있다는 조건을 적용하였다.

Table 1. Four standard construction methods

시뮬레이션 결과분석

1안, 2안 1개실, 2개실 기준

가. 해석공간

(1) 총 696,150개의 격자수를 가진 mesh로 구성

(2) 격자크기 : 0.1m

(3) 총 시뮬레이션 계산시간은 300초

(4) 대상공간 : 1층 교육장

Fig. 5. 1st floor plan

나. 측정점

Fig. 6과 Fig. 7에서 보듯이 대상 공간의 위험도를 분석하기 위하여 측정점을 각 실의 중앙에 2m 높이에 설치하였다.

Fig. 6. Simple chemical, biological and radiological protection facilities not installed

Fig. 7. Installation of simple chemical, biological and radiological protection facilities

Table 2는 측정점에 따른 분석값을 보여주고 있고 Fig. 8은 기존 평면과 개선 평면에 대한 유해가스농도를 나타내고 있다.

Table 2. Measurement point analysis value

Fig. 8. Comparison of harmful gas concentrations

다. 시뮬레이션 결과분석

1안의 경우 1개실을 기준으로 평시 사용출입문을 제한하고 정비상황실과 교육 대기실 구역 분리로 통행을 제한하는 것으로 시뮬레이션 결과 기존평면 간이화생방 방호시설 미설치 공간에서는 약 250초 이후에 누기가 발생하는 것으로 나타났다. 그러나 개선된 평면 간이화생방 방호시설 설치 공간에서는 누기 발생이 발생하지 않는 것으로 나타났다.

2안의 경우 정비교육장 + 중대장실, 정비T.O실, PMP장비반, 정비자재실을 기준으로 복도측 출입문 축소에 따른 통행량 제한하고 실 구획에 따른 환기 공기흐름을 제한한 것으로 시뮬레이션 한 결과 기존평면 간이화생방 방호시설 미설치 공간에서는 누기가 발생하는 것으로 나타났다. 그러나 개선된 평면 간이화생방 방호시설 설치 공간에서는 누기 발생이 발생하지 않아 기밀성이 유지되는 것으로 나타났다.

3안 – 1개층 기준

가. 해석공간

(1) 총 1,814,400개의 격자수를 가진 mesh로 구성

(2) 격자크기 : 0.1m

(3) 총 시뮬레이션 계산시간은 300초

(4) 대상공간 : 3층 무장정비교육대 생활관

Fig. 9. 1st floor floor plan

나. 측정점

Fig. 10에서 보듯이 대상공간의 위험도를 분석하기 위하여 측정점을 3층 각 실의 중앙2 m 높이에 설치하였다. Table 3은 측정점 해석치를 나태내고 있다.

Fig. 10. Measuring points to analyze the risk of the target space

Table 3. Measurement point analysis value

Fig. 11은 기존 평면과 개선평면에 대한 유해가스 농도를 나타내고 있다.

Fig. 11. Comparison of harmful gas concentrations

다. 시뮬레이션 결과분석

3안의 경우 무장정비중개 3층 숙영시설 전체 기준으로 기존 설치된 창호는 시뮬레이션 한 결과 기존평면 간이화생방 방호시설 미설치 공간에서는 누기가 발생하는 것으로 나타났다. 그러나 개선된 평면 간이화생방 방호시설 설치 공간에서는 누기발생이 발생하지 않아 기밀성이 유지되는 것으로 나타났다.

4안 ; 1개층 기준

가. 해석공간

(1) 총 5,443,200개의 격자수를 가진 mesh로 구성

(2) 격자크기 : 0.1m

(3) 총 시뮬레이션 계산시간은 300초

(4) 대상공간 : 건물 전체

Fig. 12. rear view

나. 측정점

Fig. 13에서 보듯이 대상 공간의 위험도를 분석하기 위하여 측정점을 각층 중앙2 m 높이에 설치하였고 Table 4는 측정점 해석치를 나타내고 있다.

Fig. 13. Measuring points to analyze the risk of the target space

Table 4. Measurement point analysis value

다. 시뮬레이션 결과분석

4안의 경우 무장정비중대 전체를 기준으로 시뮬레이션 결과 기존평면 간이화생방 방호시설 미설치 공간에서는 이후에 누기 발생으로 인한 기밀성 유지가 되지 않는 것으로 나타났다. 그러나 기존 창호를 상부는 고정형, 하부는 기밀도 1급 창호로 개선된 평면 으로 시뮬레이션 한 결과 간이화생방 방호시설 설치 공간에서는 누기 발생이 이루어지진 않는 것으로 기밀성 유지가 확보되는 것으로 나타났다.

결론

화생방 방호시설은 통풍형 대피시설과 비통풍형 대피시설로 구분할 수 있다. 통풍형 대피시설은 실내에 여과기를 포함한 보호장비를 설치, 외부공기를 정화하여 공급하는 방법으로 보호장비에 의해 외부보다 높은 내부압력을 유지하여 화생 작용제의 침투를 방지하며, 여과기에 의해 여과된 공기를 시설내부로 들어오게 하고, 공기조절장치를 이용 내부 공기의 유출을 억제함으로써 일정한 압력을 유지시 킬 수 있다.

본 연구에서는 통풍형 간이 화생방 방호시설 표준평면을 공간 대상으로 하여 기존 보완 전의 시설 조건을 기준으로 화생방 공격 시 기지내의 화생방 방호시설의 화생방 물질의 유동을 예측하고 오염물질의 흐름 및 독성물질에 의한 대피 병력의 영향을 분석하며 누기 발생 등을 파악하여 해당 평면의 공간 안전성을 파악한다. 둘째, 건물의 특성을 반영한 보완공사가 이루어진 간이 화생방 방호시설 개선평면 시설기준으로 보완되었을 때를 가정하여 동일한 조건의 화생방 공격 시 기지내의 화생방 방호시설의 화생방 물질의 유동을 예측하고 오염물질의 흐름 및 독성물질에 의한 재실자의 영향을 분석하며 누기 발생 등을 파악하여 해당 평면의 공간 안전성을 파악하였다. 분석결과 1안의 경우 1개실을 기준으로 평시 사용출입문을 제한하고 정비상황실과 교육 대기실 구역 분리로 통행을 제한하는 것으로 시뮬레이션 결과 기존평면 간이화생방 방호시설 미설치 공간에서는 약250초 이후에 누기가 발생하는 것으로 나타났다. 그러나 개선된 평면 간이화생방 방호시설 설치 공간에서는 누기 발생이 발생하지 않는 것으로 나타났다. 2안의 경우 정비교육장 + 중대장실, 정비T.O실, PMP장비반, 정비자재실을 기준으로 복도측 출입문 축소에 따른 통행량 제한하고 실 구획에 따른 환기 공기흐름을 제한한 것으로 시뮬레이션 한 결과 기존평면간이화생방 방호시설 미설치 공간에서는 누기가 발생하는 것으로 나타났다. 그러나 개선된 평면 간이화생방 방호시설 설치 공간에서는 누기 발생이 발생하지 않아 기밀성이 유지되는 것으로 나타났다. 3안의 경우 무장정비중개 3층 숙영시설 전체 기준으로 기존 설치된 창호는 시뮬레이션 한 결과 기존평면 간이화생방 방호시설 미설치 공간에서는 누기가 발생하는 것으로 나타났다. 그러나 개선된 평면 간이화생방 방호시설 설치 공간에서는 누기 발생이 발생하지 않아 기밀성이 유지되는 것으로 나타났다. 4안의 경우 무장정비중대 전체를 기준으로 시뮬레이션 결과 기존평면 간이화생방 방호시설 미설치 공간에서는 이후에 누기 발생으로 인한 기밀성 유지가 되지 않는 것으로 나타났다. 그러나 기존 창호를 상부는 고정형, 하부는 기밀도 1급 창호로 개선된 평면 으로 시뮬레이션 한 결과 간이화생방 방호시설 설치 공간에서는 누기 발생이 이루어지진 않는 것으로 기밀성 유지가 확보되는 것으로 나타났다.