Research Paper

Journal of Korean Tunnelling and Underground Space Association. 31 July 2022. 327-339
https://doi.org/10.9711/KTAJ.2022.24.4.327

ABSTRACT


MAIN

  • 1. 서 론

  • 2. 화재 안전성 평가모델

  •   2.1 승강장 제원 및 해석모델

  •   2.2 승강장 제연풍량

  • 3. 승강장 제연풍량에 따른 위험도 평가

  •   3.1 CO 농도에 따른 화재전파특성분석

  •   3.2 제연풍량에 따른 ASET 비교

  •   3.3 예상 사망자수 검토

  •   3.4 제연풍량별 위험도 평가

  • 4. 결 론

1. 서 론

도시의 교통정체 및 환경문제를 해결방안으로 지하철이 확대 건설됨에 따라 지하철에서 화재위험평가방안에 대한 많은 연구가 진행되어 왔다. 특히, 반 밀폐공간의 특성을 갖는 지하철 승강장은 화재는 1995년 아제르바이잔의 바쿠지하철 화재나 국내에서는 2003년 192명의 사망자가 발생한 대구지하철 화재에서 알 수 있는 바와 같이 많은 사망자가 발생할 가능성이 높으며(Kim et al., 2018), 이에 지하철 승강장 제연에 관한 연구가 보다 주목받고 있다.

지하철 승강장에는 승강장 공조 및 환기를 위한 승강장 급 ‧ 배기시스템(Heating, ventilation, air conditioning, 이하 HVAC)과 열차에서 발생하는 열을 배출하기 위하여 본선구간의 상 ‧ 하부 배열시스템(Track exhaust system, 이하 TES)이 설치되고 정거장 양단 및 본선구간에는 열차풍 저감 및 환기를 위한 정거장 양단 배기시스템(Tunnel ventilation system, 이하 TVS)이 설치되며, 승강장 화재 시에는 이들 환기시스템을 조합하여 제연 또는 배연을 수행하게 된다. 대부분의 국가에서 지하철의 제 ‧ 배연 설비의 풍량은 열차의 화재강도에 근거하여 풍량을 선정하고 성능위주 설계기법을 도입하여 화재시뮬레이션이나 대피시뮬레이션을 수행하여 화재 시 제 ‧ 배연성능을 확인하고 있다. 국내의 경우는 본선 화재 시에는 열차의 설계화재강도에 근거하여 안전성 평가를 수행하고 있으며, 승강장은 소방시설 등의 성능위주설계 방법 및 기준(National fire agency, NFA, 2017a)을 도입하여 안전성을 평가하도록 되어 있으나, 제연풍량은 일반적으로 건축물에서 적용하는 제연설비 화재안전기준(NFSC 501) (NFA, 2017b)에서 제시하는 배연풍량을 적용하고 있다. 이에 열차의 화재강도는 화재특성을 적정하게 반영하고 있다고 보기 어려우며, 정거장에 설치되는 환기시스템의 운전조합에 따른 다양한 운전모드에 대한 제 ‧ 배연 성능평가가 적절히 이루어져야 할 것으로 판단된다.

Chang et al. (2006)의 연구에서는 실제 승강장에서 실측한 HVAC의 급기풍량(515.6 m3/min) 및 상부 TES 풍량(293.328 m3/min)을 적용하는 경우와 HVAC의 급기풍량을 2,348.0 m3/min, 정거장 상부 TES 풍량을 1,192.0 m3/min로 하는 경우에 대해 화재해석을 수행하여 온도 및 연기농도, 오염물질 분포, 가시거리에 대하여 비교하고 있다. 이 결과, 풍량이 작은 경우가 온도는 200°C 이상 높으며, 연기농도는 5배 이상 높은 것으로 분석되어 풍량이 증가에 따른 제연효과가 큰 것으로 보고하고 있다.

McKeen (2016)은 섬식 승강장을 대상으로 설계화재강도를 13 MW로 하여 t2공식에 따른 화재성장곡선을 적용하고 정거장 양단배기 풍량(0~21,600 m3/min)인 경우에 자연환기(Natural ventilation), 편배기(Pull), 전배기(Pull-Pull), 급-배기(Push-Pull), 전급기(Pressurize)조건에 대한 화재해석을 수행하여 허용 피난시간(Available safety escape time, 이하 ASET)과 총 피난시간(Required safe egress time, 이하 RSET)을 비교하여 화재 위험도를 검토하고 있다. ASET에 대한 검토 결과, 기계적 풍량이 없는 자연환기 시에는 230초로 보고하고 있으며, 편측배기(Pull)의 경우에는 풍량에 따라 ASET은 4,800 m3/min인 경우 310초, 풍량을 2배 증가시킨 9,600 m3/min인 경우에는 516초, 3배 증가시킨 14,400 m3/min의 풍량에서는 700초로 보고하였다. 또한, 풍량이 21,600 m3/min로 하는 전배기(Pull-Pull) 및 급기/배기(Push-Pull)일 때 ASET은 각각 430초, 700초로 보고하였다. 또한, 전급기(Pressurize)의 경우에는 풍량이 14,400 m3/min인 경우에는 700초, 4,800 m3/min에서는 388초로 보고하였다.

Rie and Ryu (2020)는 승강장에서 열차 화재 시 제연방법에 따른 화재해석 및 대피해석을 수행하여 대피자가 화재에 노출되는 정도를 유효복용분량(Fractional effective dose, FED)으로 정량화하여 사망자를 추정하고 이를 통해 제연풍량 및 제연운전방법에 따른 화재안전성을 정량적으로 비교함으로서 승강장 열차화재에 대한 정량적 안전성 평가 기반을 구축하고 있으며, 급기방식이 배기방식보다 우수한 것으로 평가하고 있다.

Ryu and Lee (2020)는 제연설비 화재안전기준(NFSC 501)에서 제시하는 제연풍량을 기준으로 승강장 공조시스템(833~1,666 m3/min, 배열시스템(403.2 m3/min), 양단배기시스템 3,600 m3/min의 운전조합에 의한 다양한 배연운전모드에 따른 화재안전성을 정량적 위험도 평가기법에 의해서 평가하였으며, 정거장 양단배기시스템은 전배기모드로 운전하고 승강장 공조시스템은 가압모드로 운전하는 것이 안전 확보에 유리한 것으로 제시하고 있다. 그러나 승강장 내 제연 또는 가압을 위한 급기풍량의 변화에 대한 연구는 미흡한 실정이다.

이에 본 연구에서는 승강장 공조시스템의 가압운전 또는 배기운전 모드 및 제 ‧ 배연풍량 변화에 따른 화재안전성을 사망자수 관점에서 비교하여 대피안전에 효과적인 적정 제연풍량을 제시함을 목적으로 한다.

2. 화재 안전성 평가모델

2.1 승강장 제원 및 해석모델

본 연구의 안전성 평가는 열차화재만을 대상으로 하였다. 지하철이나 도로터널에서의 화재위험에 대한 평가는 일반적으로 ① 화재 시나리오를 작성, ② 시나리오별 사고발생률(Frequency)과 시나리오별 사고결과를 사망자수(Number of fatalities, N)로 예측, ③ F/N선도로 작성하고 사회적 위험도 평가기준과 비교 ‧ 평가하고 있다(Yoo et al., 2010). 본 연구에서는 승강장의 제연풍량 및 급기 또는 배기방식에 따른 위험도를 비교 ‧ 평가하였으며, 승강장은 8량 기준이며, 승강제원 및 열차화재 성장곡선은 Ryu and Lee (2020)의 연구에서 대상으로 한 승강장과 동일하며, 위험도 평가를 위한 화재시나리오, 화재해석 및 대피해석모델은 또한 동일한 모델을 적용하였다.

2.2 승강장 제연풍량

해석에 적용한 승강장 및 정거장 제 ‧ 배연풍량은 Table 1에 보이고 있다. 화재 시 승강장의 제연은 공조용 급/배기(HVAC SA/EA)시스템에 의해서 수행되며, 풍량은 제연설비 화재안전기준에 의해서 정하는 바와 같이 승강장을 40~50 m거리로 제연구역을 구분하여 각 구역 당 제연풍량을 50,000 m3/h (833.3 m3/min)으로 하고 있다. 이에 제연풍량은 1~4배, 즉 (1~4) × 833 m3/min으로 하였다.

선로부 배열시스템(TES) 및 정거장 양단배기 시스템의 풍량은 운행되는 열차의 종류, 본선구간의 경사도, 단면적, 열차의 주행성능곡선 등에 영향을 받기 때문에 각 정거장마다 상이하다. 이에 본 연구에서는 1~4호선의 현황조사 결과를 참조하여 TES 시스템의 풍량은 2,500 m3/min하였다. 또한 양단배기 시스템의 풍량은 각각 8,000 m3/min으로 적용하였다.

Table 1.

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

Smoke control
mode
HVAC for platform TES (track exhaust sys.) Platform side
ventilation
SA EA Over head Bottom
(m3/min) (m3/min) HTES (m3/min) BTES (m3/min) TVS
Case 0 - - - - -
Case 1E - 833 2,500 2,500 8,000
Case 1S 833 - 2,500 2,500 8,000
Case 2E - 833 × 2 2,500 2,500 8,000
Case 2S 833 × 2 - 2,500 2,500 8,000
Case 3E - 833 × 3 2,500 2,500 8,000
Case 3S 833 × 3 - 2,500 2,500 8,000
Case 4E - 833 × 4 2,500 2,500 8,000
Case 4S 833 × 4 - 2,500 2,500 8,000

3. 승강장 제연풍량에 따른 위험도 평가

3.1 CO 농도에 따른 화재전파특성분석

화재해석은 FDS (Fire dynamics simulator)를 이용하여 수행하였으며, Fig. 1, Fig. 2, Fig. 3은 화재차량의 위치(Car 1: 선두차량화재, Car 3: 3호 차량화재, Car 4~5: 중앙부 차량화재)에 따라 제연을 수행하지 않는 경우(Case 0)와 HVAC 시스템의 최대 풍량조건에서 배기모드와 급기모드로 운전하는 경우(Case 4E, 4S)에 대하여 시간경과에 따른 호흡선 높이에서 CO농도 분포를 나타낸 것이다.

Fig. 1은 화재차량의 위치가 Car 1인 경우이다. Fig. 1(a)는 제연을 수행하지 않는 경우로 화재강도가 1 MW 이하인 660초에 화재차량 부근에서 100 ppm정도를 보이고 있으며, 후미부 승강장은 50 ppm 이하의 농도를 보이는 것으로 나타났다. 화재가 급격하게 성장하기 시작하는 780초에는 화재차량 부근에서는 400 ppm정도이며, 계단입구에서는 100 ppm, 후미부 승강장은 전반적으로 50 ppm 이하를 보이고 있다. 화재가 최대화재강도에 도달하는 900초에는 화재차량 부근은 500 ppm 이상, 후미부 승강장은 100 ppm 이상으로 나타났다. Fig. 1(b)는 Case 4E, 즉, 최대풍량으로 배기하는 경우로 660초에는 화재차량과 근접한 지역에서만 50 ppm정도를 보이며, 900초에 도달하면 화재차량 부근은 400 ppm정도에 도달하며, 후미부 승강장은 780초에도 CO가 확산되지 않는 것으로 나타났다. Fig. 1(c)는 HVAC 시스템을 최대풍량으로 급기모드로 가동하는 경우(Case 4S)이다. 660초까지는 승강장에 나타나는 CO가 극히 미미하며, 화재가 성장하는 780초 이후에서도 화재차량 인근에서 약 100 ppm을 보이며, 900초에서는 화재차량 부근에서 400 ppm정도이나, 후미부 승강장으로 CO의 유입은 발생하지 않는 것으로 나타나고 있다.

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Fig. 1

CO concentration (ppm) for Car 1

Fig. 2는 화재차량의 위치가 계단 입구부인 Car 3의 경우이다. Case 0의 경우, 660초 까지는 화재측 승강장은 50 ppm정도에 도달하나 후미부 승강장은 CO가 확산되지 않는 것으로 나타나며, 900초에 도달하면 화재측 승강장은 500~600 ppm정도이며, 후미부 승강장은 150~200 ppm정도를 보이고 있다.

Fig. 2(b)는 Case 4E의 경우에 CO농도분포를 나타낸 것으로 900초에서 CO농도는 화재측 승강장에서는 150~700 ppm, 후미부 승강장은 0~250 ppm정도를 보이고 있다. Fig. 2(c)는 Case 4S의 경우로 900초에서 CO농도는 화재측 승강장의 150~600 ppm을 보이나, 후미부 승강장으로 CO의 유입은 발생하지 않는 것으로 나타나고 있다.

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Fig. 2

CO concentration (ppm) for Car 3

Fig. 3(a)는 화채차량의 위치가 계단으로 인해 승강장폭이 축소되는 중앙부, Car 4~5인 경우이다. 이 경우, CO는 중앙부계단을 기준으로 화재측과 후미부 승강장으로 거의 동일하게 확산되는 것으로 나타나고 있으며, Case 0의 경우, 780초에는 전체 승강장으로 확산되며, 농도는 50~100 ppm정도를 보이고 있으며, 900초에는 화재차량 부근에서는 1,400 ppm정도에 도달하며, 양측 승강장의 농도는 250~400 ppm정도로 나타나고 있다. Fig. 3(b)는 Case 4E의 경우로 900초에서 화재차량 부근에서 국부적으로 1,600 ppm에 도달하며 승강장의 농도는 100~350 ppm에 도달하고 있다. 또 Case 4S의 경우인 Fig. 3(c)는 CO의 확산이 현저히 감소하여 승강장 양끝단까지는 확산되지 않는 것으로 나타나고 있다.

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Fig. 3

CO concentration (ppm) for Car 4~5

이상의 분석에서 제연을 수행함으로서 화재연기의 확산을 현저히 감소할 수 있음을 알 수 있으며, 배연운전(Case 4E)보다 승강장을 가압하여 연기의 유입을 차단할 수 있는 급기운전(Case 4S)의 경우가 연기의 확산영역을 감소시켜 대피안전 확보에 유리한 것으로 판단된다.

3.2 제연풍량에 따른 ASET 비교

본 절에서는 제연풍량 변화가 ASET에 미치는 영향을 비교 ‧ 분석하였다. ASET의 계산을 위한 유해요소별 한계기준은 소방시설 등의 성능위주설계 방법 및 기준에서 제시하는 기준을 적용하여 온도는 60°C, 가시거리는 5 m를 기준으로 하였으며, CO농도의 경우에는 기준에는 1,400 ppm으로 제시되어 있으나, 한계기준을 1,400 ppm으로 하는 경우에는 극히 일부 지역만이 ASET이 1,200초 이하로 분석되어, CO의 한계농도를 1,400 ppm으로 하는 경우, CO는 ASET 결정에 전혀 영향을 미치지 않는 것으로 판단되어 본 연구에서는 상호 비교를 위해서 300 ppm을 기준으로 분석하였다.

Fig. 4는 제연을 수행하지 않는 경우(Case 0)에 대한 화재차량의 위치에 따른 ASET을 유해요소별로 나타낸 것이다. 화재차량이 Car 1인 경우, Fig. 4(a)에서 나타난 것과 같이 온도에 대한 ASET은 780~1,200초 이상으로 분석되며, CO를 기준으로 하는 경우에는 750~1,020초 이상, 가시거리를 기준으로 하는 경우에는 420~900초 정도의 분포를 보이며, 화재측 계단입구에서 ASET은 약 780초, 후미부 계단입구에서는 1,200초 이상으로 분석되고 있다. 따라서 이 경우 ASET을 결정하는 유해요소는 가시거리로 분석되며, ASET은 420~780초 정도로 분석된다.

Fig. 4(b)는 Car 3 화재 시 제연을 수행하지 않는 Case 0의 경우로 이 경우에도 가시거리에 따른 ASET이 가장 감소하여 ASET을 결정하는 인자가 되며 약 630~900초 정도에 분포하는 것으로 나타나고 있다. Fig. 4(c)는 화재차량이 Car 4~5인 경우로 이 경우에도 가시거리가 ASET을 결정하는 인자이며, 화재에 근접한 지점에서는 ASET이 390초 정도이고 승강장의 끝단에서는 810초 정도로 분석되었다.

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Fig. 4

ASET for Case 0

Fig. 5는 제연모드가 Case 4E의 경우로 이 경우에도 ASET은 가시거리에 의해서 결정되며, 화재차량이 Car 1인 경우에는 750~840초 정도, Car 3의 경우에는 화재부근에서 360초 정도로 감소하여 후미부 승강장은 최소 840초로 분석되고 있다. 또한 Car 4~5의 경우에는 화재에 근접한 계단복도 부근에서 ASET이 240초 정도까지 감소하며, 그 외 지역은 720초 이상으로 분석되었다. Fig. 6은 제연모드가 Case 4S인 경우로, Case 4E보다 연기의 전파구간이 확연히 감소하며, 화재차량이 Car 1인 경우에 가시거리에 의한 ASET은 750~840초이며, 특히 계단부에서 ASET은 1,200초 이상으로 나타나고 있다. 화재차량이 Car 3 및 Car 4~5인 경우에는 화재에 인접한 지점에서 국부적으로 ASET이 크게 감소하나 계단부에서 ASET 780초 정도로 나타나고 있다.

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Fig. 5

ASET for Case 4E

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Fig. 6

ASET for Case 4S

이상의 ASET 분석에서 열차화재 시 ASET을 결정하는 유해요소는 가시거리이며, 한계농도가 1,400 ppm인 CO의 경우에는 ASET에 거의 영향을 미치지 못하는 것으로 판단된다. 또한 ASET분석에서도 승강장 제연풍량을 최대(4 × 833 m3/min)로 하는 경우에 배기 운전하는 경우보다 급기 운전하는 경우가 ASET확보에 보다 유리한 것으로 판단된다.

3.3 예상 사망자수 검토

본 연구의 화재시나리오는 화재차량이 승강장으로 진입하는 시간지연을 고려하고 있으며, 시간지연은 화재성장곡선 및 관제시간을 고려하여 120~905초 범위에서 총 9개로 구분하였다. 사망자수를 추정하기 위한 대피해석은 제연풍량 및 제연방식별로 시간지연에 따라 수행하였으며, 제연풍량 및 제연방식별 평균사망자수는 시간지연에 따른 예상사망자수를 단순 평균하여 구하였다.

Fig. 7은 제연풍량 및 제연방식에 따른 평균 사망자수를 화재차량의 위치별로 나타낸 것이다. 제연을 수행하지 않는 경우(Case 0), 화재차량의 위치별 평균 사망자수는 163명(Car 1), 251명(Car 3), 220명(Car 4~5)으로 예측되며, 차량위치별 평균은 221명이다. 화재차량의 위치에 따른 사망자수는 계단입구부에서 화재가 발생하는 Car 3의 경우가 사망자수가 가장 많으며, 선두나 후미차량의 화재인 Car 1과 비교해서는 평균 3배까지 증가하는 것으로 나타나고 있다.

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Fig. 7

Mean fatalities of deaths according to flow rate mode

그림에서 제연풍량이 증가할수록 사망자수가 감소하며, 제연을 수행하지 않는 Case 0 대비 Case 1의 경우에는 39%(배기), 35%(급기), Case 2의 경우에는 33%(배기), 27%(급기), Case 3의 경우에는 30%(배기), 7%(급기), Case 4의 경우에는 26%(배기), 5%(급기)수준으로 감소하는 것으로 나타나고 있다.

따라서 전술한 바와 같이 승강장에서 배연하는 경우보다 급기를 하는 경우가 사망자수가 감소하며, 풍량이 증가할수록 감소효과가 증가하는 것으로 나타나고 있다. 급기풍량이 증가함에 따라 사망자수는 Case 1S을 기준으로 풍량이 2배인 Case 2S는 78%, 풍량이 3배인 Case 3S는 21%, 풍량이 4배인 Case 4S는 13%수준으로 감소하는 것으로 나타나고 있다.

3.4 제연풍량별 위험도 평가

Fig. 8은 제연풍량 및 제연방식별로 F/N선도와 사회적 위험도 평가기준을 나타낸 것이다. 그림에서 Case 0는 제연시스템을 미설치하였거나 고장으로 인해 제연을 수행하지 않는 경우로 각 제연 Case에서 제연불가 확률을 10%로 고려하였다. 그림에서 사회적 위험도 평가기준 Societal Risk Criteria 1은 현행 위험도 평가기준을 나타낸 것이며, Societal Risk Criteria 2는 EU (Sorensen, 2010)가 제시하는 철도터널에 적용하는 사회적 위험도 평가기준으로 1명 이상 사망할 확률(F(1))을 0.001 (1/yr)로 하고 기울기를 -2로 하는 평가기준이다.

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Fig. 8

F/N curve & societal risk criteria

Fig. 8에서 제연을 수행하는 경우, 위험도는 국내 평가기준을 모두 만족하는 것으로 나타나고 있으며, 풍량이 증가할수록 위험도가 감소하는 경향을 보이고 있음을 알 수 있다.

Table 2는 제연풍량 및 모드별로 Risk Index를 나타낸 것으로 Risk Index의 의미는 연간 사망자수로 볼 수 있으며, Risk Index는 급기하는 경우가 배기하는 경우보다 감소하며, 풍량이 증가할수록 감소하는 경향을 보이고 있으며, 제연을 수행하지 않는 경우에는 29.9 × 10-4 명/yr, 제연풍량이 4 × 833 m3/min일 경우에는 4.36 × 10-4 명/yr로 분석되었다.

Table 2.

Risk index according to smoke control mode

Air flow rate
(m3/min)
Mode Risk index -
Natural ventilation 29.912E-04 Case 0
833 × 1 Exhaust 11.802E-04 Case 1E
Supply 10.921E-04 Case 1S
833 × 2 Exhaust 10.456E-04 Case 2E
Supply 9.1377E-04 Case 2S
833 × 3 Exhaust 9.8910E-04 Case 3E
Supply 4.9325E-04 Case 3S
833 × 4 Exhaust 8.9446E-04 Case 4E
Supply 4.3624E-04 Case 4S

4. 결 론

본 연구에서는 지하철 승강장에서 열차화재가 발생하는 경우, 승강장 제연풍량 및 제연모드(급기 또는 배기)에 따른 정량적 위험도 평가를 통해 안전확보에 효과적인 제연풍량 및 제연모드를 제시함을 목적으로 한다. 이를 위해 중앙계단을 갖는 상대식 승강장을 모델로 하여 화재발생 시나리오를 작성하고 시나리오별 화재해석을 수행하여 화재 전파특성과 ASET을 비교 ‧ 분석하였으며, 대피해석을 수행하여 사망자수를 예측하였다. 또한, 시나리오별로 화재사고 발생률(F)/사망자수(N)선도(F/N선도)를 작성하여 제연풍량 및 제연모드에 따른 위험도를 비교 ‧ 평가하였다.

1. 소방시설 등의 성능위주설계 방법 및 기준에 따른 유해요소(일산화탄소, 온도, 가시거리)에 대한 ASET 분석결과, ASET은 가시거리에 의해서 결정되며, 화재열차의 정거장 진입지연을 고려하지 않은 경우에 풍량을 4 × 833 m3/min로 하는 경우에 약 800초 정도로 분석되었다.

2. 예상 사망자수는 화재차량위치에 따라 큰 차이가 있으며, 계단부에 인접한 차량에서 화재가 발생하는 경우에 가장 증대하며, 선두부 차량이나 후미부 차량 화재 시 보다 약 3배 정도 증대하는 것으로 나타났다. 또한, 예상 사망자수는 제연풍량이 증가하면 감소하며, 배기 보다는 급기모드로 운전하는 경우가 안전확보에 보다 유리하며, 급기풍량이 4 × 833 m3/min일 때 제연을 수행하지 않는 경우 대비 13%수준으로 감소하는 것으로 나타났다.

3. 위험도 평가결과, 제연을 수행하는 경우에는 현행 사회적 위험도 평가기준을 만족하는 것으로 나타나고 있으며, 위험도지수는 제연을 수행하지 않는 경우에는 29.9 × 10-4에서 제연을 수행하는 경우에는 풍량이 4 × 833 m3/min일 때 4.36 × 10-4 명/yr로 크게 감소하는 것으로 분석되었다.

Acknowledgements

본 논문은 2021년도 신한대학교 학술연구비 지원으로 연구되었음.

저자 기여도

유지오는 연구개념 및 설계, 데이터 분석, 원고 작성 및 검토를 하였고, 이후영은 데이터 수집 및 데이터 해석, 데이터 분석, 원고 작성을 하였다.

References

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