연기농도에 대한 FDS와 CFAST의 모델 불확실도 연구

A Study on Model Uncertainty of FDS and CFAST for Smoke Concentration

국내에서 시행되고 있는 성능위주설계(PBD)에서 특정 건축물의 화재안전성 평가는 화재 및 피난시뮬레이션의 예측결과를 통해 산출된 허용피난시간(ASET)과 요구피난시간(RSET)을 통해 결정될 수 있다. 이때, ASET은 설정된 화재시나리오 조건에서 인명안전기준에 제시된 물리량들의 임계값에 도달하는 시간을 통해 산출됨을 고려할 때, 화재시뮬레이션의 예측결과에 대한 정확한 분석은 PBD의 신뢰성 확보를 위해 반드시 요구된다. 이를 위해 적용되는 화재모델은 NIST에서 개발된 대표적 Field 모델인 FDS와 Zone 모델인 CFAST가 있다. FDS와 CFAST는 많은 연구자들에 의해 실험과의 비교·검증 그리고 개발자의 지속적인 개선이 진행되고 있기 때문에 신뢰성이 높으며, 화재안전성 평가에 주로 활용하고 있다. 화재모델을 통한 화재위험성 평가 시 발생되는 오차는 화재시뮬레이션 수행 시 입력되는 물리량들의 측정불확실도와 매우 복잡하고 비정상상태의 화재유동을 수치화 및 단순화 시키는 과정에 있어서 발생되는 화재모델의 자체적인 모델 불확실도에 의해 결정될 수 있다. 이때, 모델 불확실도는 다양한 실규모 화재실험의 결과와 직접적인 비교를 통해 산출되며, 방법 및 결과는 화재모델의 Validation guide를 통해 확인될 수 있다. 그 결과화재모델을 통해 예측될 수 있는 다양한 물리량 중에 모델 불확실도가 가장 큰 것은 연기농도로 확인될 수 있다. 또한 연기농도에 대한 불확실도는 다른 물리량들에 비해 매우 적은 횟수의 실험을 통해 산출된 것으로 확인되었다. 그러나 최근 5년간 시행된 화재안전성 평가를 분석해보았을 때, ASET을 결정하는 물리량의 94%가 연기농도에 의한 것으로 확인되었으며, 이와 같은 결과는 현재 국내의 화재안전성 평가 결과에 대한 신뢰성에 큰 영향을 미칠 수 있다. 본 연구에서는 연기농도에 대한 화재모델의 모델 불확실도의 검토를 위한 실험 및 수치해석이 수행되었다. 이를 위해 다양한 연료의 종류 및 양 등이 고려된 화재조건에서 측정된 연기농도와 동일한 조건에서 수행된 수치해석 결과가 비교되었다. 최종적으로 산출된 연기농도의 모델 불확실도가 표준편차 및 편향인자로 제시되었다.