Research Paper

Journal of Korean Tunnelling and Underground Space Association. May 2020. 293-310
https://doi.org/10.9711/KTAJ.2020.22.3.293


ABSTRACT


MAIN

  • 1. 서 론

  • 2. 화재 안전성 평가모델

  •   2.1 화재시나리오

  •   2.2 화재해석

  •   2.3 대피해석 모델

  •   2.4 승강장 모델

  • 3. 승강장 제연방식에 따른 위험도 평가

  •   3.1 승강장 제연방식 방식별 화재특성

  •   3.2 제연모드별 위험도 평가

  • 4. 결 론

1. 서 론

지하철은 저공해 저에너지 대량수송수단이라는 측면에서 도시의 교통난 및 환경오염문제를 해결하기 위한 수단으로 평가된다. 그러나 지하철은 지하공간이라는 특수성으로 인하여 화재가 발생하면 연기배출이 제한되기 때문에 가시거리의 저하, 유독가스 및 고온의 열환경이 인간의 생존을 위협하게 된다. 특히, 200여명의 사망자가 발생한 2003년의 대구 지하철 화재사고를 비롯하여 대형 인명피해를 유발한 지하철 화재사고의 사망자는 대부분 화재 연기에 의해 질식사한 것으로 조사되었으며, 이와 같은 결과에 따라 지하철 화재에 대한 대책으로 자기구조단계에서 제연시설을 통해 대피환경을 확보하는 것이 가장 중요한 것으로 인식되고 있다(Daegu Metropolitan City, 2005).

지하철 승강장에는 일반적으로 승강장의 공기조화를 위한 공조용 급 ‧ 배기 시스템(Heating, Ventilation, Air Conditioning, HAVC)과 본선부에서 열차의 발열을 처리하기 위한 배열시스템(Track Exhaust System, TES), 본선환기 및 배연을 위한 승강장 양단 배기시스템(Tunnel Ventilation System, TVS)이 설치된다. 또한, 지하역사의 환기시스템은 평상시에는 지하역사의 환기를 수행하고 화재 시에는 배연 또는 제연을 수행하게 된다. 따라서 전술한 환기시스템은 운전조합을 어떻게 구성하냐에 따라 다양한 제연모드가 있을 수 있다. 그리고 최근에는 기존 지하철과 신설되는 지하철에 승강강의 냉방화 및 자살방지를 위해서 PSD (Platform Screen Door)를 설치하고 있으나, 스크린도어가 없는 기존 지하철의 제연시스템을 변경없이 적용하고 있는 실정이다. 이에 지하철 승강장에서 열차화재 시 효과적인 제연을 위해서는 이들 시스템에 대한 최적화 및 최적의 운전방안에 대한 검토가 요구된다.

대부분의 국가는 지하역사 제연시스템 설계에 성능위주의 설계기법을 도입하여, 수치해석적인 방법으로 화재해석을 수행하고 유해가스 및 열환경에 대한 검토를 통해 제연시스템에 대한 최적화 및 제연효과를 검증하고 있다.

Yang and Lee (2000)는 타이베이 Rapid Transit System 설계 시, 스크린도어 설치에 따른 제연방식을 검토하고 있으며, 스크린 도어가 없는 기존의 지하철에서는 정거장 양단배기를 가동함으로서 승강장의 계단부를 Smoke Free Area로 유지할 수 있었으나, 스크린도어를 설치하는 경우, 이 방식은 본선으로 기류가 차단되기 때문에 더 이상 유효하지 않은 것으로 제시하고 있다. 또한 정거장 본선부에서 열차화재가 발생하는 경우, Push-Pull방식과 전배기방식을 검토하였으며, 전배기 방식의 경우, 가압효과 및 하차방향과 기류의 이동방향이 반대가 되어 대피안전에 효과적인 것으로 보고하고 있다.

Slusarczyk et al. (2000)은 Los Angeles의 3개 지하철 역사에 대해서 24 MW의 화재를 적용하여 수치해석인 방법으로 Push-Pull방식과 전배기하는 경우에 연기농도를 비교하여, Push-Pull을 적용하는 경우가, 전체적으로 농도는 낮으나 계단부에 대한 안전확보에는 전배기 방식이 우수하며, Push-Pull방식은 화재위치에 따라 차이가 큰 것으로 보고하고 있다.

McKeen (2016)은 지하철 승강장에서 화재와 관련된 위험도를 정량적으로 평가하기 위하여, “T-squared”공식에 따른 화재성장곡선을 적용하여 화재해석을 수행하고 있으며, 화재성장곡선이 피난에 미치는 영향을 ASET (Available Safety Egress Time) 및 RSET (Requirement Safety Egress Time) 비교를 통해 정성적으로 검토하고 있다.

국내의 지하철 화재안전에 대한 연구로 Rie (2003)Kim et al. (2018)의 연구가 있으며, 이 연구에서는 본선팬 및 승강장 공조시스템의 급배기 운전에 따른 6종류의 제연운전모드를 설정하여 승강장 열차화재 시 열 및 연기전파특성을 비교 ‧ 분석하여 정거장 양단배기를 배기 모드로 하는 것이 대피안전확보에 효과적인 것으로 발표하고 있다. 또한 Kim and Rie (2017)는 상대식 승강장과 섬식 승강장에서 피난시간을 비교하고 있으며, 섬식 승강장보다 상대식 승강장이 피난시간이 더 소요되는 것으로 발표하였다.

이상에서 검토한 바와 같이 지하철 승강장에서 화재안전성 확보를 위한 연구는 대부분 수치해석적인 방법에 의해서 화재해석을 수행하고 화재특성에 대한 정성적인 검토가 주를 이루고 있으며, 위험에 대한 평가는 화재해석 및 대피해석을 별개로 수행하여 ASET과 RSET을 비교하여 정성적으로 이루어지고 있다. 따라서 화재위험도 평가가 시간경과에 따른 대피자의 위치변동, 노출되는 유해가스농도 및 열환경의 영향, 화재연기로 인한 가시도 저하가 보행속도에 미치는 영향 등을 정량적으로 반영하지 못하고 있는 실정이다. Rie and Ryu (2020)는 승강장에서 열차화재 시 제연모드에 따라 화재해석 및 대피해석을 수행하여 대피자가 화재에 노출되는 정도를 유효복용분량(Fractional Effective Dose, FED)으로 정량화하는 기법을 제시하고 사망자를 추정하여 제연모드에 따른 안정성을 정량적으로 비교하고 있다.

이에 본 연구에서는 승강장에서 열차화재 시 위험성을 정량적으로 평가하기 위한 방법을 제시하고 제연모드에 따른 대피 안전성을 사망자수 관점에서 비교하여 대피안전에 가장 효과적인 제연모드를 제시함을 목적으로 한다. 이를 위해서 화재해석결과를 반영하여 사망자수를 예측하기 위한 대피해석 프로그램을 작성하였다. 대피해석 프로그램은 시간경과에 따라 대피자 별로 위치를 해석하고 대피자가 노출되게 되는 유해가스농도와 온도, 복사강도, 산소 저감률을 화재해석결과와 동기화하여 유효복용분량(FED)을 계산하며, 유효복용분량에 의해서 사망자수를 추정하였다. 또한, 제연모드별 다양한 화재시나리오를 산정하고 시나리오별로 발생빈도와 사망자수를 추정하여 F/N선도를 작성하여 사회적 위험도 평가기준과 비교함으로서 화재 안전성을 비교 ‧ 평가하였다.

2. 화재 안전성 평가모델

지하철 승강장에서의 위험은 일반사고(충돌, 추돌), 테러 등에 의한 폭발, 열차화재 등이 있을 수 있으나, 본 평가에서는 화재만을 대상으로 하였다. 지하철이나 도로터널에서의 화재위험에 대한 평가는 일반적으로 ① 위험의 정의, ② 화재시나리오의 작성, ③ 사고결과(사망자수)의 예측, ④ 위험의 평가(위험수준의 산정 및 평가기준과의 비교) 통해서 수행하게 된다.

2.1 화재시나리오

본 연구에서는 화재발생시나리오는 Fig. 1에 제시한 사건수목(Event Tree)기법에 의해서 전개하였으며, 열차의 운행방향, 초기진화여부, 화재열차 위치, 경고방송, 제연시스템의 가동여부를 고려하였다.

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Fig. 1.

Fire scenario

열차화재사고 발생률은 열차주행거리 당 화재발생건수로 본 연구에서는 소방청의 통계자료를 근거로 하여 2006~2016년의 열차화재발생건수를 누적하고 이를 열차주행거리로 나누어 구하였으며, 0.0119건/106 tr ‧ km로 계산된다(National Fire Data System, 2006~2016).

본 연구에 적용한 열차는 8량으로 화재위치는 선두 및 후미부 객차화재(1st Car로 칭함), 계단입구부 및 승강장부에 위치하는 객차화재(3rd Car로 칭함. 2, 3, 6, 7번 객차), 계단중앙부에 위치하는 객차화재(4-5th Car로 칭함)로 가정하였으며, 1st Car, 3rd Car, 4-5th Car의 화재발생확률은 각각 2/8, 4/8, 2/8로 고려하였다.

또한, 경고방송시간은 화재가 급격하게 성장하기 시작하는 시간(785 s)을 기준으로 전과 후로 구분하여, 성장이전시간은 120~720 s로 120 s간격, 급격한 성장 이후에 시간은 780~900 s로 60 s간격으로 검토하였다. 경고방송시간에 대한 통계적인 근거는 없는 상태로 이에 대한 분기비는 플래시 오버가 발생하기 전에 경고방송을 수행하는 경우는 90%, 플래시 오버 후에 경고방송을 수행하는 경우는 10%로 가정하여 등분적용였다.

초기진화의 가능성 및 제연팬의 신뢰도는 수서-평택 정량적 위험도 평가기준을 적용하여 각각 90%를 적용하였다(KTA, 2015).

2.2 화재해석

화재해석은 FDS 5.3 (Fire Dynamics Simulator by NIST)를 사용하여 1,200 s까지 비정상상태로 수행하였다.

화재성장곡선은 “철도터널 화재안전성 평가 매뉴얼(Railway Safety Research Group, 2014)”에 제시된 신형 전동차에 대한 성장곡선을 적용하였다. 최대화재강도는 20 MW이며, 785초에 급격하게 성장하여 900초에 플래시오버에 도달하고 1,120초 이후 급격하게 감쇄한다(Fig. 2 참조).

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Fig. 2.

Fire growth curve

화원은 열차의 바닥에 위치하였으며, 연기발생수율(Soot Yields) 및 CO 발생수율(CO Yields)은 현재 지하철 차량에 대해서 제시된 값이 없기 때문에 수도권 고속철도 정량적 위험도 평가에 적용한 0.161, 0.189 g/gFuel을 각각 적용하였다(KTA, 2015).

화재해석 결과는 대피해석 시 대피자가 위험요소에 노출되는 정도를 동기화하여 반영하기 위해서 호흡선 높이(h = 1.8 m)에서 온도와 복사강도, CO, CO2, O2농도 및 가시도를 30초 간격으로 추출하여 DB로 구축하였다.

2.3 대피해석 모델

대피해석은 승강장 평면에서 시간경과에 따라 대피자를 이동시키고 화재결과와 연동하여 대피자가 위험요소에 노출되는 정도를 누적복용량으로 정량화할 수 있는 프로그램을 개발하여 사망자를 추정하였다. 프로우 차트는 Fig. 3(a)에 나타냈다.

대피자의 이동알고리즘은 Fig. 3(b)에 나타낸 바와 같이 현재의 위치에서 15°각도로 24개의 방향으로 이동 방향을 설정하고 각 방향으로 이동하는 경우에 Distance Map상의 거리와 보행속도를 계산하여 방향별로 출구까지 도달하는 시간을 최소로 하는 방향을 최적의 이동방향으로 설정하여 이동하도록 하였다. Distance Map은 승강장상의 각 지점에서 출구까지 거리를 나타내는 것으로 승강장 바닥에 0.1 m × 0.1 m간격으로 격자를 형성하여 작성하였다. 대피자의 피난속도는 대피자 밀도 및 전방 대피자와의 거리, 가시도에 의한 보행속도 감소를 고려하여 3개의 요인에 의해서 계산되는 속도 중 가장 낮은 속도로 설정하도록 하였다.

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Fig. 3.

Flowchart and evacuation direction of analysis program

대피인원은 8량의 차량에 만차상태(승차인원의 150%)로 산정하여 총 1,665명[(좌석(48명) + 입석(100명) × 1.5) × 2량(선두 및 후미) + (좌석(54명) + 입석(105명) × 1.5) × 6량]으로 하였다. 대피는 기본적으로 경고방송 이후에 개시하는 것으로 하였다. 따라서 대피개시시간은 경고방송시간 + 하차소요시간 + 지체시간이 된다. 하차소요시간은 4개의 출입문이 있는 객차에서 정상적인 상태에서 하차하는데 소요되는 시간을 Simulex V 11.1.3에 의해서 구하여 5~65초를 적용하였으며, 지체시간은 Norén and Winér (2003)가 터널 내 화재 시 경고방송 이후에 대피자들이 대피를 결정하는데 까지 소요되는 시간(Hesitation Time)에 대한 연구결과를 적용하였으며, 120초 정도에 전체인원의 99.9%가 대피를 개시하게 된다.

사망자수의 추정은 일반적으로 화재해석을 통해 시스템이 한계농도에 도달하기 전까지 확보할 수 있는 시간인 ASET을 구하고 대피해석을 통해 대피에 요구되는 시간, RSET을 구하여 RSET > ASET인 경우에 사망자가 발생하는 것으로 판단하고 있다. 그러나 이 방법은 RSET > ASET인 조건으로 대피자의 사망여부를 판단하기 때문에 대피자가 받는 영향을 정량적으로 고려하지 못하고 있으며, 한계 유해가스 농도에 도달하는 경우에 즉시 사망에 도달하는 것으로 판정하는 결과이기 때문에 사망자를 과다 추정하고 시스템의 과다설계요인이 될 우려가 있다.

ASET평가를 위한 한계기준은 각국 마다 차이가 있으며, 국내의 경우, “소방시설 등의 성능위주설계 방법 및 기준(National Fire Agency, 2013)”의 인명안전기준을 적용하며, 열에 의한 영향은 60°C, 허용가시거리한계는 집회 및 판매시설은 10 m, 기타시설은 5 m, CO농도 대한 기준은 1,400 ppm이다.

본 연구에서는 대피자 별로 유해인자에 대한 누적복용량(∑농도(온도) × 노출시간)을 구하여 이를 한계복용량으로 나눈 유효복용분량(FED)을 기준으로 사망자를 추정하였다.

일반적으로 사망여부의 판단은 FED값이 0.3에 도달하면 사망으로 판정하였으며, 0.3 미만은 식 (1)에 의해 등가사망자수로 산정하였다.

$$N_{Eqv.Fatal}=N_{(FED>0.3)}+\frac1{10}N_{(0.2<FED<=0.3)}+\frac1{100}N_{(0.1<FED<=0.2)}$$ (1)

위험도에 대한 평가는 국내의 경우, F/N 선도를 작성하여 사회적 위험도 평가기준(Societal Risk Criteria)과 비교하여 평가하는 방법을 주로 사용하고 있으며, 위험도에 대한 지표로 연간예상 사망자수(Expected Value, EV), 개인적 위험도(Individual Risk, IR)를 제시하고 있다.

연간예상 사망자수는 식 (2), 개인적 위험도(IR)는 터널을 통과하는 개인이 사고로 인해 사망할 확률을 나타내는 값으로 식 (3)으로 계산할 수 있다.

$$EV=\sum_{i=1}^nf_i\cdot\;N_{fat,\;i}$$ (2)
$$IR=\sum_{i=1}^nf_i\cdot\;P_{fi}$$ (3)

여기서, fi: Frequency for Scenario i, Nfat,i: Fatalities for Scenario i, Nbi: Mans for Scenario i, Pfi: Fatal Probability for Scenario i (Nfat,i/Nbi)이다.

2.4 승강장 모델

위험도 평가대상 승강장은 Fig. 4에 나타낸 바와 같다. 승강장은 8량의 열차가 정차하는 상대식 승강장으로 일교통량은 편도 150편/일(운전시격 평균 7.2분, 일 18시간운영)로 적용하였다. 승강장의 총길이는 160 m, 선로부의 높이 및 폭은 각각 6.0 m, 7.2 m, 승강장의 높이 및 폭은 각각 3.0 m, 7.2 m이며, 승강장 중앙부에 계단이 있으며, 계단의 폭은 4.4 m이다.

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Fig. 4.

Subway platform model

화재해석 시 승강장의 양끝단 본선부에서 기류의 유입 및 유출이 발생하게 되기 때문에 정확한 해석을 위해서는 이를 고려하여야 한다. 그러나 이를 예측하는 것은 불가능하기 때문에 본 연구에서는 승강장 양측에 1 km정도 본선터널을 확장하여 해석을 수행하였다.

화재 시 제연모드는 환기시스템의 승강장 공조용 급/배기(HVAC SA/EA), 선로부 배열용 배기(TES UP/DN), 승강장 양단 배기시스템(TVS)의 운전여부에 따라 다양한 방식이 고려될 수 있기에 본 연구에서는 팬을 가동하지 않은 경우(Mode 0)를 포함하여 7개의 배연모드를 Table 1과 같이 고려하였다.

Table 1. Smoke control (exhaust) mode & exhaust/supply air flow rate (m3/min)

Smoke control mode HVAC for platform TES (track exhaust system) Platform side ventilation
SA EA TES UP TES DN
833 (m3/min) 833 403.2 403.2 3,600
Mode 0 × × × × ×
Mode 1 × × × ×
Mode 2 × × × ×
Mode 3 × ×
Mode 4 × ×
Mode 5 ×
Mode 6 ×
Mode 7 ×
Mode 8 ×

승강장 공조시스템은 급기하여 승강장 내부를 가압하는 경우와 배기하는 경우를 비교하였으며, 선로부 상하부에 설치된 배열시스템은 모두 배기하며, 승강장 양단배기는 배기하는 경우와 정지하는 경우를 비교하였다. 또한, Mode 7과 Mode 8은 승강장의 급배기 풍량을 2배로 증가한 경우이다.

3. 승강장 제연방식에 따른 위험도 평가

3.1 승강장 제연방식 방식별 화재특성

Figs. 5, 6은 배연을 하지 않는 경우(Mode 0)와 승강장 공조시스템을 급기하고 승강장 양단 배기구에서 배기를 수행하는 경우(Mode 6)에 대한 CO농도 분포를 나타낸 것이다.

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Fig. 5.

CO concentration for Mode 0

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Fig. 6.

CO concentration for Mode 6

Figs. 5(a), 6(a)는 1st Car에서 화재가 발생하는 경우로 Mode 0로 제연하는 경우에는 약 360 s 정도에서 화재열차 부근에서 CO농도가 100 ppm을 초과하며, 780 s에 계단을 중심으로 화재 측 승강장 전체에 연기가 확산되고 약 900 s에 계단을 중심으로 반대 측 승강장까지 전파하는 것으로 나타나고 있다.

Mode 6의 경우에는 본선환기를 배기모드로 운영하여 본선부가 부압으로 유지하여 기류가 승강장에서 본선부로 이동한다. 이 경우, 약 780 s에 100 ppm을 초과하는 연기가 화재 측 승강장 전체로 확산되고 있다. 그러나 계단부로 연기의 유입은 거의 없으며, 특히, 계단을 기준으로 화재 반대 측 승강장으로 연기의 확산은 아주 미미하다.

Figs. 5(b), 6(b)는 계단입구에 근접한 3rd Car에서 화재가 발생한 경우로 제연모드에 따른 화재 측 승강장에서 연기의 전파양상은 농도의 차이는 있으나 큰 차이가 없는 것으로 나타나고 있다. 그러나 계단을 중심으로 화재 반대 측 승강장은 본선부를 부압으로 유지하는 Mode 6이 연기확산을 억제하는데 효과가 있는 것으로 나타나고 있다. Figs. 5(c), 6(c)는 계단으로 인해 승강장이 좁아지는 지역에서 화재가 발생한 경우(3rd Car)로 Mode 0과 Mode 6을 비교하면 농도의 차이는 있으나 전파양상은 거의 동일한 것으로 나타나고 있다.

Figs. 7, 8은 Mode 0과 6에 대한 온도분포를 나타낸 것이다. Mode 0의 경우, 화재열차 위치에 관계없이 660 s까지는 승강장 전체의 온도가 한계온도(60°C) 이하로 나타나고 있으며, Mode 6의 경우에도 비슷한 것으로 나타나고 있다. 4~5th Car화재의 경우에는 780 s까지 계단부에 연기의 유입이 생기지 않은 것으로 나타나고 있다.

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Fig. 7.

Temperature distribution for Mode 0

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Fig. 8.

Temperature distribution for Mode 6

Figs. 9, 10은 제연모드가 Mode 0, 6일 때 가시거리 분포를 나타낸 것이다. 가시거리는 화재초기(360 s)부터 급격하게 악화되는 것으로 나타나고 있으며, 승강장의 한쪽에서 화재가 발생한 1st Car와 3rd Car의 경우에는 계단을 중심으로 화재 반대 측 승강장은 780 s 이후 전체 승강장의 가시도가 10 m 이하로 감소하는 것으로 나타나고 있다. Mode 6의 경우에는 1st Car, 3rd Car Fire의 경우에는 화재 반대 측 승강은 900 s까지 가시거리가 10 m 이상을 유지하는 것으로 분석되었다.

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Fig. 9.

Visibility distribution for Mode 0

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Fig. 10.

Visibility distribution for Mode 6

이상의 검토에서 CO농도는 제연을 하지 않는 경우에도 900 s까지 성능위주설계에서 제시하는 한계농도(1,400 ppm) 이하로 나타나고 있으며, 온도의 경우에는 화재열차와 근접한 일부지역에서 한계온도를 초과하며, 가시거리는 화재초기에서 부터 급격하게 악화되며, 제연을 하는 경우와 하지 않는 경우에 상당히 큰 차이가 발생하는 것으로 나타나고 있다.

3.2 제연모드별 위험도 평가

3.2.1 제연모드별 사망자수 추정결과

Figs. 11~13은 제연모드별 화재열차 위치별 사망자수를 나타낸 것이다. Fig. 11은 1st Car Fire의 경우로 제연모드에 상관없이 경고방송이 600 s 이전에 시행되는 경우에는 사망자가 발생하지 않는 것으로 예측된다. 경고방송시간이 660 s를 초과하는 경우에는 사망자수가 급격하게 증가하며, 제연을 하지 않는 경우(Mode 0), 최대 사망자수는 567명으로 전체인원(1,664명)의 34% 정도에 이르는 것으로 분석된다.

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Fig. 11.

Fatalities according to smoke control mode (car 1 on fire)

제연모드별 사망자수는 정거장 양단배기(TVS)를 수행하지 않는 경우(Mode 1, 2, 3, 4)에는 승강장에서 급기를 하는 경우(Mode 2, 4)가 사망자수가 감소하는 것으로 나타나고 있다. 또한 양단배기를 수행하는 경우(Mode 5~8)의 경우에는 Mode 5, 7 (승강장 공조시스템 배기)의 경우가 사망자수가 감소하는 것으로 분석되었다.

Fig. 12는 계단입구에 근접한 열차(3rd Car)화재로 경고방송시간이 600 s부터 사망자가 발생하며, 780 s까지는 급격하게 증가하나 780 s 이후에는 증가율이 둔화되거나 변화가 거의 없는 것으로 나타나고 있다. 화재차량의 위치별 사망자수를 비교하면 3rd Car 화재 시 사망자가 가장 많이 발생하고 있다. 3rd Car 화재 시에는 제연모드별로 비교하면 Mode 6, 8 (정거장 양단배기 + 공조시스템 급기 + TES)이 사망자수가 가장 적게 발생하는 것으로 나타나고 있다. 즉, 본선팬은 배기를 수행하고 승강장 내부는 가압하는 것이 가장 대피안정확보에 가장 효과적인 것으로 분석된다.

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Fig. 12.

Fatalities according to smoke control mode (car 3 on fire)

Fig. 13은 계단부의 중앙에서 화재가 발생하는 경우(4-5th Car)로 정거장 양단배기를 가동하지 않는 Mode 2, 3, 4의 경우에는 Mode 1, 3 보다는 Mode 2, 4의 경우가 사망자수가 감소하는 것으로 나타나고 있다. 즉, 승강장 공조시스템을 급기하여 승강장을 가압하는 경우가 사망자수가 감소하고 있다. 또한, 정거장 양단배기를 수행하는 경우에는 Mode 5, 7 (공조시스템 배기)이 사망자가 적게 발생하는 것으로 분석된다.

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Fig. 13.

Fatalities according to smoke control mode (car 4-5 on fire)

이상의 분석에서 정거장 양단배기를 배기모드로 가동하는 것이 대피안전확보에 효과적이며, 승강장내 급배기 시스템은 정거장 양단배기를 운영하지 않는 경우에 급기로 운영하여 승강장을 가압하는 것이 대피안전에 유리한 것으로 나타나고 있다.

또한, 정거장 양단 배기를 가동하는 경우에는 화재차량의 위치에 따라서 승강장내 급배기방식에 따른 효과가 다르게 나타나고 있으나, 사망자가 가장 많이 발생하는 것으로 예상되는 계단부 화재 시에는 승강장 공조시스템은 급기로 운영하는 것이 대피안전에 효과적이다.

3.2.2 제연모드별 위험도 평가

Fig. 14는 제연모드별로 F/N선도와 사회적 위험도 평가기준을 나타낸 것이다. Fig. 14(a)는 정거장 양단의 배기를 사용하지 않는 경우(Mode 0~4)이고 Fig. 14(b)는 정거장 양단 배기를 사용하는 경우(Mode 5~8)이다.

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Fig. 14.

F/N curve & societal risk criteria

Fig. 14에서 최대 사망자수가 모두 동일한 것은 제연모드 Mode 1~8의 경우에는 시나리오상 제연시스템 고장으로 인해 제연에 실패한 Mode 0를 포함하고 있기 때문이다.

Fig. 14(a)에서 Mode 0과 Mode 1, 3의 경우에는 F/N선도가 사회적 위험도 평가기준의 수용허용기준을 초과하는 것으로 나타나고 있다. 그러나 승강장 공조시스템을 급기로 운영하는 Mode 2, 4의 경우에는 F/N선도가 사회적 위험도평가의 한계기준보다 위험도가 낮아지고 있다. 따라서 정거강 양단 배기가 없는 노후 노선의 지하역사의 경우에는 승강장 공조시스템을 급기로 운영하여 승강장 내부를 가압하는 것이 연기의 유입을 차단하여 대피안전을 확보하는 것이 보다 효과적인 것으로 분석된다.

TES시스템을 가동하는 Mode 4와 가동하지 않는 Mode 2를 비교하면 F/N선도는 큰 차이는 없는 것으로 나타나고 있으며, EV값을 비교하면 오히려 Mode 2의 위험도가 낮은 것으로 나타나고 있다. 이것은 본 모델의 경우 TES의 배기풍량이 아주 작기 때문에 정거장의 본선 공간의 부압을 유지하는데 효과가 거의 발생하지 않기 때문으로 판단된다.

Fig. 14(b)는 정거장 양단배기(TVS)를 가동하는 경우에 제연모드별 F/N선도를 비교하여 나타낸 것이다. Fig. 14(b)에서 알 수 있는 바와 같이 TVS를 배기모드로 운영하는 경우에 F/N선도에 의한 위험도는 사회적 위험도 평가기준의 허용기준 보다 낮아지는 것으로 나타나고 있다.

Mode 5와 6은 승강장내 배연풍량이 50,000 m3/s인 경우로 승강장 공조를 가압으로 운영하는 Mode 6과 승강장 공조를 부압으로 운영하는 Mode 5의 차이가 거의 없는 것으로 나타나고 있다. 또한 Table 2 및 Fig. 15의 EV값을 비교하면 Mode 5가 Mode 6보다 0.2%정도 낮게 나타나고 있으나, 차이가 아주 미미한 것으로 판단된다.

Table 2. EV and IR according to exhaust mode

Mode 0 EV (fatalities/yr) IR (probability)
0 2.9912E-03 1.7976E-06
1 2.5277E-03 1.5191E-06
2 1.5872E-03 9.5386E-07
3 2.3070E-03 1.3864E-06
4 1.6721E-03 1.0049E-06
5 1.2689E-03 7.6254E-07
6 1.2712E-03 7.6392E-07
7 1.1934E-03 7.1718E-07
8 1.1573E-03 6.9547E-07

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Fig. 15.

Expected value according to exhaust mode

Mode 7과 Mode 8은 승강장 공조용 급 ‧ 배기 풍량을 2배로 증가하여 100,000 m3/h로 한 경우이다. Fig. 14(b)에서 Mode 8의 F/N선도가 상당히 낮게 나타나고 있다. 즉, 공조풍량이 증가하는 경우에는 승강장 내부를 가압하는 것이 대피안전확보에 유리한 것으로 분석된다.

4. 결 론

본 연구는 지하철 승강장에서 제연모드에 따른 화재 안전성을 사망자수 관점에서 비교하여 대피안전에 가장 효과적인 제연모드를 제시함을 목적으로 한다. 이를 위해서 8량의 열차가 운행되는 길이 160 m의 모델 승장장에 대해서 화재해석을 수행하고 화재해석결과를 반영하여 대피자 별 유효복용분량(FED)을 계산하여 사망자수를 추정하였다. 또한, 제연모드별로 다양한 화재시나리오를 작성하고 발생빈도와 추정 사망자수를 F/N선도로 작성하여 화재 안전성을 비교 ‧ 평가한 결과, 다음과 같은 결론을 얻었다.

1. 열차화재 시 승강장내 CO, 온도, 가시도에 대한 분석결과, 가시도는 화재 초기부터 “소방시설 등의 성능위주설계 방법 및 기준”에 제시된 인명안전 한계기준을 초과하여 가시도가 인명안전에 가장 큰 영향을 미치는 것으로 분석되었다.

2. 경고방송시간(120~900 s)에 따른 사망자수를 추정한 결과, 화재발생 열차의 위치 및 제연모드에 따라 차이는 있으나, 경고방송은 최대 600 s 이전에 시행되어야 사망자를 최소화할 수 있는 것으로 분석되었다.

3. 열차 중 화재차량의 위치에 따른 사망자수는 계단 입구부에 근접한 차량에서 화재가 발생하는 경우에 사망자가 가장 많이 발생하는 것으로 나타났다.

4. 정거장 양단배기 시스템에 없는 승강장에서는 승강장 공조시스템을 급기로 운영하여 승강장을 가압하는 것이 대피안전성 확보에 유리한 것으로 나타났다.

5. 정거장의 양단배기 시스템이 있는 경우에는 화재 시 이를 가동하는 것이 안전성 학보에 상당히 유리하며, 승강장내 공조용 급/배기시스템은 화재 시 급기로 운영하여 승강장을 가압하는 것이 전반적으로 안전확보에 유리한 것으로 나타났다.

6. 승강장 열차화재시나리오에 따른 F/N선도를 작성하여 사회적 위험도 평가기준과 비교한 결과 제연을 하지 않는 경우에는 한계기준을 상당히 초과하고 있으며, 양단배기를 수행하고 승강장을 가압운전모드에서 운영하는 제연모드가 대피안전에 가장 효과적인 것으로 판단된다.

저자 기여도

류지오는 연구 개념 및 설계, 기존자료의 수집 및 분석, 해석결가 분석 및 정리, 원고 작성, 원고 검토를 하였고, 이후영은 수치해석, 해석결과에 대한 분석 및 정리, 논문초고작성 및 검토를 하였다.

References

1
Daegu Metropolitan City (2005), Daegu subway Jungangro station fire accident white paper", 2.18 Safety Culture Foundation, Korea, Daegu.
2
Kim, H.G., Yoo, J.O., Kim, D.Y. (2018), "A study on the optimal ventilation and smoke exhaust systems in case of fire in subway stations installed with PSD", Journal of Korean Tunnelling and Underground Space Association, Vol. 20, No. 2, pp. 527-539.
3
Kim, J.S., Rie, D.H. (2017), "A study of comparative of evacuation time by platform type according to the propagation speed of smoke in subway platform fire", Journal of Korean Tunnelling and Underground Space Association, Vol. 19, No. 4, pp. 577-588.
4
KTA (2015), Metropolitan high-speed rai (Suseo-Pyeongtaek) roadbed construction design - Research report for quantitative risk assessment criteria, Korea Rail Network Authority, Dejeon, Korea.
5
McKeen, P. (2016), Computational modeling of fire safety in metro-stations, Thesis of Master, Bachelor of Architectural Science, Ryerson University, pp. 9-14.
6
National Fire Agency (2013), Performance based design method and criteria for firefighting facilities, Korea.
7
National Fire Data System (2006~2016), https://www.nfds.go.kr.
8
Norén, A., Winér, J. (2003), Modelling crowd evacuation from road and train tunnels - Data and design for faster evacuations, Dept. of Fire Safety Engineering, Lund University, Report 5127, Sweden, pp. 15-127.
9
Railway Safety Research Group (2014), Railway tunnel fire safety assessment manual, MOLIT, Sejong, Korea.
10
Rie, D., Ryu, J. (2020), "Sustainable urban planning technique of fire disaster prevention for subway", Sustainability, Vol. 12, No. 1, pp. 372.
10.3390/su12010372
11
Rie, D.H. (2003), "A study on safety evaluation by changing smoke ventilation mode in subway tunnels", Journal of Korean Tunnelling and Underground Space Association, Vol. 5, No. 4, pp. 389-400.
12
Slusarczyk, J., Sinclair, J.R., Bliemel, M. (2000), "Evaluation of emergency ventilation in three subway stations", Proceedings of the 10th International Symposium on Aerodynamics and Ventilation of Vehicle Tunnels, Boston, pp. 491-510.
13
Yang, K.H., Lee, H.N. (2000), "Analysis of performance-based smoke management system design in a shopping mall", International Journal on Architectural Science, Vol. 1, No. 4, pp. 181-192.
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