건축물 화재의 수치해석을 위한 CFAST의 최적 설정방안에 관한 연구

A Study on the Optimal Setting Method of CFAST for Numerical Analysis of Building Fires

전산유체역학의 발전에 따라 다양한 시뮬레이션 프로그램들이 화재현상의 수치해석에 활용되고 있다. 그 중 미국립표준기술연구원(National Institute of Standard and Technology, NIST)에서 개발 및 제공하는 Fire Dynamics Simulator (FDS)는 field model에 기반한 3차원 화재시뮬레이션 프로그램으로, 개발자 및 연구자들의 다양한 검증에 기반한 신뢰성을 가지고 있다. 이에 따라 FDS는 성능위주설계를 위한 화재위험성평가 및 화재현상의 이해를 위한 연구 목적으로 널리 활용되고 있다. FDS는 프로그램에 대한 높은 신뢰성에도 불구하고 활용을 위해 전문적 지식이 요구되며, 사용자에 의한 입력인자에 기반하여 화재현상을 예측하는 특성상 예측결과는 높은 사용자 의존도를 갖는다. 이로 인해 FDS 자체가 갖는 높은 예측성능에도 불구하고 시뮬레이션의 예측결과는 큰 불확실성을 가질 수 있다. 이와 더불어 field 모델의 특성상 예측결과의 신뢰성 확보를 위해서는 더 많은 격자, 높은 성능의 전산자원이 요구된다. 이 경우 zone model에 기반한 화재시뮬레이션 프로그램인 CFAST가 간단한 대체 수단으로 사용될 수 있다. CFAST는 건축물을 고온 상층부와 저온 하층부의 2 zone으로 분리하며, 각 zone에 대해 균일한 물성치를 가정하는 0차원의 시뮬레이션 프로그램으로 FDS와 비교할 때 사용법이 간단하고 빠른 계산결과를 제공한다. 그러나 화재유동장의 열 및 질량수송을 직접해석 및 모델링에 의해 해석하는 FDS와 달리 CFAST는 모든 화재현상에 대해 모델을 적용하므로 낮은 정확성을 갖는다는 단점이 있다. 이에 따라 본 연구에서는 건축물 화재환경에서 열 및 연기의 확산, 화재감지기의 작동시간에 대한 CFAST의 예측성능을 검증하고, 이를 향상하기 위한 최적 설정 방안이 검토되었다.