A study on the efficiency advancement for evacuation of the crews by ship structural improvement

1.1 개요

선박에 의한 해양사고에는 충돌, 접촉, 좌초 및 화재 등이 있다. 이 연구에서는 다양한 해양사고 중 화재 발생 시 승무원 및 승객들의 대피 효율 향상 방안에 대해 검토하고자 한다. 기존의 선박은 화재 경보 발령 시 방화문이 자동적으로 폐쇄된다. 이는 화재의 확산과 연기의 유동을 지연시켜 승무원 생존율 향상에 아주 유용한 것으로 판단된다. 그러나 피난을 완료하지 못한 방화문 안쪽에 위치한 승무원들에게는 치명적일 수 있다. 이 연구에서는 화재 시 인명사고의 대부분을 차지하는 연기에 의한 질식사를 줄이기 위하여 기존 구조에 연기 유동 속도를 감소시키는 방법에 대해 제안하고자 한다.

1.2 연구방법

화재 시 선박 승무원의 생존율을 분석하기 위해서는 거주 공간내의 온도 및 피난에 필요한 가시거리 검토가 필요하다. 이를 분석하기 위해서 이 연구에서는 상하층부의 온도 및 연기 하강시간을 고려한 3차원 공간에서의 정밀하고 세분화된 해석이 가능한 Field Model방식을 사용하였다. 이 연구에서는 NIST(National Institute of Standards and Technology)에서 개발하여 전 세계적으로 가장 많이 사용되고 있는 FDS(Fire Dynamics Simulator)를 이용하였다. 이 연구를 위해서는 화재구역 도면을 .dxf 파일로 제작하여 FDS에서 요구하는 데이터 포맷으로 변환 한 후 FDS를 이용하여 연구를 수행하였다. 적용 방법은 Figure 1과 같다[1].

Figure 1

Diagram of flow

화재가 발생한 상황에서 방화문의 개폐와 이 연구에서 제안하는 차단막의 설치가 온도상승 및 연기유동 속도에 미치는 영향에 대해 비교·분석하고자 한다.

이 연구에서 검토된 선박의 세부 도면은 다음 Figure 2와 같으며, 방화문의 차단여부에 따른 온도 및 연기유동 속도 분석을 위해 복도 중앙에 방화문을 설치하였다. 차단막의 경우 복도 시작점에서 10m, 20m, 30m에 10m 간격으로 설치하였다. 시뮬레이션 환경 설정은 Table 1과 같다.

Figure 2

Diagram of flow

Table 1

Simulation area

Figure 3

Fire Door installation (3D Graphic)

Figure 4

Shield installation (3D graphic)

3.1 FDS의 개요

FDS는 화재로 발생하는 유체의 흐름을 계산하는 CFD모델로서 저속도의 열 흐름에 대한 Navier-Stokes 방정식의 한 형태를 수치 해석하는 필드모델로서 열과 연기의 흐름을 강조한 방정식을 계산하는 프로그램이다. 계산방법은 LES(Large Eddy Simulation) 또는 DNS(Direct Numerical Simulation)에 상관없이 보존방정식에 의해 예측된다. Navier-Stokes 방정식은 식 (2)와 같다[1].

여기서, u : 속도, f : 단위체적당 걸리는 외력

ρ : 밀도, p : 압력, υ : 압력

3.2 화재 시뮬레이션 환경

FDS를 사용하여 시뮬레이션을 하기 위해서는 DXF 파일로 화재구역을 제작해야하므로 AutoCAD를 이용하여 DXF 파일로 변환한 후 3차원 파일로 제작한다. 변환된 파일을 DXF2FDS 프로그램을 이용하여 FDS에서 원하는 파일로 변환한다. 이 시뮬레이션을 위한 물리적 조건은 아래와 같다. 화재 시 온도 및 가시거리 측정지점은 X축은 복도의 중간점인 0.6[m], Y축은 승무원들의 피난완료 지점인 복도 끝단인 35[m] 그리고 Z축은 사람의 거주 가능 시간을 측정하는 일반적인 사람의 호흡위치인 1.5[m]로 하였다.

○ 시뮬레이션 시간   100[sec]
○ 화재강도       100 [kW]
○ 화원의 크기     60[cm] × 60[m]
○ 가연성 물질        목재
○ 실내온도       25 [°C]
○ 화원         복도의 시작점
○ 복도, 방화문 재질    철판

승무원 및 승객이 안전하게 대피하기 위해서는 대피공간의 온도는 60[°C]를 초과하지 않아야 하며 가시거리로서는 출입문, 벽, 계단 등 스스로 발광하지 않는 반사체는 약 6[m]에서 식별 가능한 조건을 만족하도록 규정하고 있다[5].

3.3 화재 시뮬레이션 설정

시나리오는 Table 2에서 보는바와 같이 첫째, 방화문이 차단되지 않은 경우 둘째, 방화문이 차단된 경우 오픈시간은 승무원들이 실제 방화문을 열고 닫을 다양한 경우를 감안하여 2[sec], 3[sec], 4[sec]로 설정하였다. 셋째, 방화문 대신 본 연구에서 제안하는 차단막(차단막의 길이 20[cm], 30[cm], 40[cm])을 설치하는 경우의 시뮬레이션 결과를 비교 분석하였다. 즉, Scenario 1은 현재 선박의 시스템을 Scenario 2는 본 연구에서 제안하는 방식이다.

Table 2

Fire simulation scenario

3.4 화재 시뮬레이션 결과

Table 3에서 보는바와 같이 온도는 방화문의 개폐에 거의 영향을 받지 않는 것으로 나타났다. 특히, 모든 시나리오에서 거주 가능 온도인 60[°C] 이내로 분석되었다. 가시거리의 경우 Table 4에서 보는바와 같이 안전 피난에 필요한 최소 거리인 6[m]는 모든 시나리오에서 만족하는 것으로 나타났으나 방화문의 개폐 여부가 방화문이 열려 있는 상황보다 가시거리가 더 감소하는 것으로 나타났다. 단, 방화문의 오픈 속도에 의한 차이는 거의 없는 것으로 나타났다.

Table 3

Time(sec) to reach a Max. temperature (Scenario 1)

Table 5에서 보는바와 같이 차단막의 유무에 따른 온도변화는 거의 없었으며 모든 상태에서 거주 가능 온도인 60[°C] 이내로 분석되었다. Table 6에서는 가시거리의 경우에는 안전 피난에 필요한 최소 거리인 6[m]는 모든 상태에서 만족하는 것을 나타내 고 있으나 기존의 방화문 시스템을 이용하는 경우 보다 가시거리가 양호한 것을 보여주고 있다. 특히, 차단막의 길이가 30[cm] 이상인 경우에 최대 측정 거리인 30[m]를 100[sec] 동안 시뮬레이션을 실시한 결과를 보임으로서 가시거리에는 변화가 없음을 알 수 있다.

Table 4

Time(sec) to reach the Min. visibility range (Scenario 1)

이러한 결과를 토대로 다음 절에서는 실제 승무원 및 승객들이 닫힌 방화문을 열고 대피하는 상황을 고려하여 방화문의 오픈시간을 2[sec], 3[sec], 4[sec]로 구분하여 시뮬레이션을 실시한 결과와 본 연구에서 제안하는 차단막을 설치하여 시뮬레이션 한 결과를 비교 분석 하였다.

Table 5

Time(sec) to reach a Max. temperature (Scenario 2)

Table 6

Time(sec) to reach the Min. visibility (Scenario 2)

3.5 기존의 방화문만 사용하는 경우와 제안된 차단막을 설치할 때의 온도 및 가시거리 비교 분석

Table 7은 기존의 방화문을 설치하는 경우와 본 연구에서 제안하는 차단막을 설치하는 경우의 시뮬레이션 결과를 비교 분석한 것이다. 온도의 경우에는 측정 최소값인 25[°C] 보다 방화문 오픈시간 2[sec]시 13.04[°C], 3[sec]시 11.26[°C] 및 4[sec]시 11.22[°C]로 증가하였다. 그리고 20[cm]의 차단막을 설치하였을 경우에는 8.32 [°C], 30[cm]인 경우에는 6.07[°C] 그리고 40[cm]인 경우에는 2.02[°C]의 온도가 증가하는 것으로 나타났다. 특히, 차단막 길이 40[cm] 설치시는 온도 상승폭이 적은 것으로 나타났다. 온도 상승에 대한 분석 결과 차단막을 설치하는 경우가 기존의 방화문만을 설치하는 방식보다 약 17.4[%] 감소하는 것으로 나타났다. Figure 5와 Figure 6은 Table 7의 분석 결과를 3차원 그래픽으로 표현한 것으로서 Figure 6의 차단막을 설치하는 경우에 있어서 Figure 5의 방화문만을 설치하는 경우보다 온도의 상승 분포가 짧고 낮은 것으로 나타나고 있다. Figure 7은 Table 7에 나타난 방화문 오픈 시간과 차단막의 길이를 다르게 하였을 경우의 화재구역 온도를 분석한 그래프이다.

Table 7

Time(sec) to reach a Max. temperature

Figure 5

Analysis of temperature (Opening fire door/4[sec])

Figure 6

Analysis of temperature (Shield length/40[cm])

승무원의 신속한 탈출을 위한 가시거리 측정을 통한 분석의 경우에는 Table 8에서 보는바와 같이 방화문 오픈 시간을 2[sec]로 하였을 때의 최소 가시거리는 8.41[m], 3[sec]일 경우에는 8.91[m], 4[sec]의 경우에는 9.51[m]로 분석되었다. 제안하는 차단막을 설치하는 경우에 있어서 20[cm]의 차단막 설치시에는 최소 가시거리가 21.2[m]이지만 30[cm] 이상인 경우는 최대 측정값인 30[m] 이상으로 가시거리 확보에 아주 큰 효과를 주는 결과를 얻을 수 있었다.

Figure 7

Analysis of temperature

가시거리 감소율에 대한 분석 결과에서는 차단막을 설치하는 경우가 기존의 방화문만을 설치하는 방식보다 약 301.4[%] 감소시키는 것으로 나타났다. 즉, 차단막 설치가 기존의 방화문만을 설치하는 경우 보다 인명 안전성 확보에 있어서 보다 도움이 되는 것으로 판단된다. Figure 8과 Figure 9는 방화문만을 설치하는 경우와 차단막을 설치하는 경우의 최소 가시거리 시뮬레이션 비교 분석 결과인 Table 8의 내용을 3차원 그래픽으로 표현한 것이다. Figure 9의 차단막을 설치하는 경우가 Figure 8의 방화문만을 설치하는 경우보다 가시거리 정도에 있어서 크게 향상 되었으면 볼 수 있다. 또한, Figure 10은 Table 8에서 보여주는 분석 결과를 수치 그래프로 나타낸 것이다.

Table 8

Time(sec) to reach the Min. visibility

Figure 8

Analysis of visibility (Opening fire door/4[sec])

Figure 9

Analysis of visibility (Shield length/40[cm])

Figure 10

Analysis of visibility