Effects of Fire Curtain and Forced Smoke Ventilation on Smoke Spread to Auditorium in Stage Fire of Theater

공연장 무대 화재 시 방화막과 강제 배연구가 객석으로의 연기 확산에 미치는 영향

Abstract

In this work, the effects of fire curtain and forced smoke ventilation on smoke spread to auditorium in the stage fire of theater were investigated using the Fire Dynamics Simulator (FDS). For the stage of 31 m (Width)${\times}$34 m (Depth)${\times}$32 m (Height) in dimension, the fast growth fire condition with 10 MW of heat release rate was applied. The forced smoke ventilation was set based on the National Fire Safety Code (NFSC) and previous research. The gap distances between the fire curtain and proscenium wall was established to be 0 m and 0.5 m. When the fire curtain was attached completely to the proscenium wall without any gap, no smoke spread from the stage to the auditorium occurred, independent of forced smoke ventilation. When the gap distance between the fire curtain and proscenium wall was 0.5 m, the smoke layer in the stage descended to the lower height from the bottom than the case without the fire curtain, which was because the smoke spread to auditorium was impeded by the fire curtain. Under the same fire curtain condition, the case with the forced smoke ventilation led to decreasing the mass flow rate of outflow through the gap between the fire curtain and proscenium wall, as compared to the case without the forced smoke ventilation. Based on this study, it was confirmed that the fire curtain and forced smoke ventilation were the effective tools to hold down the smoke spread to the auditorium in the stage fire of theater.

본 논문에서는 공연장 무대 화재 시 객석으로의 연기 확산에 방화막 및 강제 배연구가 미치는 영향에 대하여 Fire Dynamics Simulator (FDS)를 이용하여 연구를 수행하였다. 폭 31 m, 깊이 34 m, 높이 32 m의 무대에 대하여, 10 MW의 열방출률과 화재성장속도가 fast인 화재를 적용하였다. 강제 배출량은 화재안전기준과 기존 연구를 토대로 설정하였으며, 방화막과 프로시니움 (Proscenium) 벽 사이 간격은 0 m, 0.5 m인 경우를 대상으로 하였다. 방화막과 프로시니움 벽이 완벽하게 밀착되어 있는 경우, 강제 배연구와는 상관없이 객석으로의 연기 확산은 일어나지 않았다. 방화막과 프로시니움 벽 사이의 간격이 0.5 m인 경우, 방화막이 없는 경우에 비해 무대 공간 내에서 연기층이 더욱 낮은 높이까지 하강하였으며, 이는 방화막에 의해 객석으로의 연기 확산이 방해받았기 때문이다. 한편, 동일한 방화막 조건에서, 강제 배연구가 있는 경우가 없는 경우에 비해 방화막과 프로시니움 벽 사이 간격을 통한 유출 질량유량이 작았다. 본 연구를 통하여 방화막과 강제 배연구가 공연장 무대 화재 시 객석으로의 연기 확산을 억제할 수 있는 효과적인 방법임을 확인하였다.

1. 서론

 최근 사람들의 문화생활에 대한 욕구 및 관심이 높아짐에 따라, 공연장과 같은 문화시설과 관련된 화재 및 안전사고에 대한 관심이 증대되고 있다. 공연장은 음악, 무용, 연극, 연예, 국악, 곡예 등 예술적 관람물을 실연에 의하여 공중에게 관람하는 곳을 주된 목적으로 설치하여 운영하는 시설\(^{(1)}\)을 말하며, 300석 미만 규모의 소공연장, 300～1000석 규모의 중공연장, 1000석 이상 규모의 대공연장으로 구분하고 있다.\(^{(2)}\) 공연장에서 많이 쓰는 무대 구조로는 돌출구조, 원형 구조, 가변 구조, 프로시니움 (Proscenium) 구조 등이 있다.\(^{(3)}\) 이 중 프로시니움 구조의 경우, 객석과 무대가 서로 마주보며 반대방향으로 배치되고, 무대 앞에 프로시니움이 배치되는 형태로,\(^{(3)}\) 객석에서 볼 때 사각형 모양의 박스 형태로 보이는 무대 구조를 말한다. Figure 1에 프로시니움 구조에 대한 개략도를 나타내었다.

Figure 1. Schematic diagram of proscenium theater.

 공연장의 경우, 불특정 다수의 사람들이 제한된 공간에밀집하여 있는 공간적 특성 때문에, 화재 발생 시 큰 인명피해가 유발될 수 있다. 따라서 공연장 내 화재 발생 시 인명 피해를 최소화하고 대피시간을 최대한 확보하기 위하여 소화기, 옥내소화전, 스프링클러설비, 방화막, 화재경보설비, 유도등 및 유도표지, 제연설비 등과 같은 다양한 종류의 소방 관련 설비를 설치한다.\(^{(4.5)}\) 이 중, 방화막은 무대에서 화재 발생 시 하강시켜 무대에서 객석으로의 화염이나 연기 확산을 차단하기 위해 설치되는 장치이다.\(^{(3)}\)2007년예술의 전당 오페라극장 화재에서 인명 피해를 최소화할 수 있었던 것도 이러한 방화막이 작동했기 때문이다.\(^{(3)}\) Figure 2에 예술의전당에 현재 설치되어 있는 방화막의 사진을 나타내었다. 한편, 제연설비는 무대에서 발생한 연기를 외부로 배출시키기 위해 설치된다. 이러한 방화막과 제연설비는 무대에서 화재 발생 시 감지기를 통하여 화재가 감지되고 해당 신호와 연동하여 자동으로 작동된다. 한편, 방화막은 비상제어시스템에 의해 수동으로도 작동될 수 있으며, 화재로 인해 외부 전원공급이 중단되어도 작동될 수 있도록 설치된다.

Figure 2. Picture of fire curtain installed in Seoul Arts Center.

 공연장 관련 화재소방 연구가 일부 수행된 바 있다. Kim\(^{(3)}\)은 National Fire Safety Code (NFSC)와 National Fire Protection Association (NFPA)의 기준에 따라 공연장 무대 내 화재 소화를 위한 스프링클러설비와 수막설비 설계 관련 연구를 진행하였다. Yeo\(^{(6)}\)는 공연장 화재 시 배연 성능에 영향을 미치는 설계 인자에 대한 연구를 수행한 바 있다. 해당 연구를 위하여 Yeo\(^{(6)}\)는 Consolidated Model of Fire Growth and Smoke Transport (CFAST)와 Fire Dynamics Simulator (FDS)를 이용하여 공연장 화재 시 연기 특성 및 거동을 분석하였으며, 이와 함께 축소 모형 실험을 수행하였다. 그러나 해당 연구\(^{(6)}\)에서 방화막 영향에 대한 연구는 수행되지 않았다. Lee\(^{(7)}\)는 대형 공연장의 화재위험요소를 조사하고 성능 기준적 설계방식을 적용, 제연설비의 설계안을 검토하여 설계안을 제시하였고, Jang et al.\(^{(8)}\)은 소방시설의 설치기준에 대해 국내 공연장들의 소방시설 실태를 근거로 보완방법을 제시하였다. Kim\(^{(9)}\)은 뮤지컬 공연장을 대상으로 특정 시나리오에 대하여 화재시뮬레이션과 피난시뮬레이션을 수행하였으며, 이를 통하여 공연장의 방화시스템 개선방안을 제안하였다. 그러나 기존 연구를 토대로 볼 때, 공연장 화재에 대한 연구가 아직도 미흡한 실정으로 판단되며, 공연장 화재 시 화재 현상 및 소방설비에 대한 세부적인 연구가 더욱 활발하게 수행되어야 할 것으로 판단된다. 또한, 앞서 언급한 바와 같이, 방화막이 공연장 화재 시 매우 중요한 역할을 하는 장치임에도 불구하고, 기존의 공연장 화재소방 관련 연구에서 방화막에 대한 연구를 찾아보기 힘들었다.

 화재 시 방화막 성능 관련하여 매우 제한적으로 연구가 수행된 바가 있다. Kwon\(^{(10)}\)은 FDS를 이용하여 공연장 화재시 스프링클러설비, 방화막, 배연구가 공연장 화재 현상에 미치는 영향을 평가하였다. 몇 가지 특정 시나리오에 대하여 시뮬레이션(simulation)을 수행하였고, 해당 연구를 통하여 방화막 만으로는 무대 화재 시 발생되는 연기가 객석으로 확산되는 것을 완벽하게 방지할 수 없었음을 보고하였다. 그러나 해당 연구\(^{(10)}\)에서도 방화막과 관련하여 다양한 관점에서 중점적으로 연구가 수행되지 않았고, 매우 제한적인 조건에서 평가가 이루어졌다.

 공연장 화재 시 방화막에 대한 영향을 평가하기 위해서 실제 공연장 화재 조건에서 실규모 방화막을 이용하여 실험을 수행하는 것은 현실적으로 불가능하다. 일반적으로, 실규모를 대상으로 화재 관련 연구를 수행하는 경우, 기존 연구\(^{(11-15)}\)에서와 같이, 실험적인 접근 대신 전산 시뮬레이션 기법을 이용하는 것이 대안이 될 수 있다. 따라서, 실규모 공연장을 대상으로 방화막 관련 화재 연구를 수행하는 경우, FDS와 같은 시뮬레이션 기법을 이용하여 연구를 수행하는 것이 시간적, 경제적인 면에서 매우 큰 장점을 가질 수 있으며, 고성능의 방화막 개발을 위해서는 이에 대한 연구가 필수적으로 수행되어야 한다.

 본 연구에서는 공연장 무대 내 화재 시 방화막과 강제배연구가 연기의 거동 및 객석으로의 확산에 미치는 영향에 대하여 FDS를 이용하여 평가하였다. 기존 연구\(^{(6)}\)를 토대로 대상 공연장, 계산방법 및 조건을 설정하였다. 배출량은 제연설비의 화재안전기준\(^{(16)}\)과 기존 연구\(^{(6)}\)를 토대로 결정하였으며, 강제 배연구가 있거나 없는 상황에 대해서 방화막이 설치되지 않은 경우, 방화막과 프로시니움 벽 사이 간격이 없는 경우 (즉, 간격이 0 m인 경우), 간격이 0.5 m인 경우에 대하여 계산을 수행하였다. 계산을 통하여 각 계산조건에서의 연기 거동 및 객석으로의 연기 확산에 대한 가시화를 수행하였고, 무대 공간 내 특정 지점에서 온도 및 Soot 질량분율 (Soot mass fraction), 방화막과 프로시니움벽 사이 간격을 통한 유입 및 유출 질량 유량을 비교 및 분석하여, 방화막과 강제 배연구가 연기 거동 및 객석으로의 확산에 미치는 영향을 검토하였다.

2. 계산방법 및 조건

 본 연구에서는 기존의 Yeo\(^{(6)}\) 연구를 참고하여 공연장의 크기, 계산방법 및 조건을 설정하였다. Yeo\(^{(6)}\) 연구에서 언급한 대공연장을 대상으로, 강제 배연구가 있는 경우와 없는 경우에 대하여 방화막 설치 조건을 변화시켜 계산을 수행하였다.

 Figure 3에 본 연구에서 설정한 시뮬레이션 대상의 예(방화막과 강제 배연구가 모두 있는 경우)를 나타내었다. 계산 공간의 전체 크기는 폭 31 m, 깊이 40 m, 높이 40 m이며, 기존 연구\(^{(6)}\)를 토대로, 공연장 내 무대 크기는 폭 31 m, 깊이 34 m, 높이 32 m로 하였다. 무대 상부 벽과 무대와 객석의 경계를 이루고 있는 프로시니움 벽의 두께는 0.5 m로 설정하였으며, 무대 바닥으로부터 프로시니움 벽의 하단까지의 높이는 16 m로 설정하였다. 정확한 시뮬레이션을 위해서는 공연장 무대 내 재질의 구체적인 정보(예를 들면,열물성치, 연소열 등)를 입력데이터로 넣어주어야 한다. 하지만, 현재 그러한 정보를 수집하는데 현실적으로 한계가 있고, 본 연구는 공연장 무대 내 화재 시 무대에서 발생한 연기가 객석으로 확산되는데 방화막과 배연구가 미치는 영향을 상대적으로 비교하기 위한 선행적인 성격이므로, 본FDS 계산에서는 공연장 무대 내 재질에 대한 정보를 따로정의하지 않았다.

Figure 3. Simulation case with fire curtain under forced smoke ventilation (e.g., gap distance between fire curtain and proscenium wall: 0.5 m).

 방화막의 높이는 무대 바닥으로부터 16.5 m로 설정하였고, 따라서 방화막과 프로시니움 벽 간 겹치는 구간의 높이(Overlap height)는 0.5 m이다. 방화막의 영향을 파악하기 위해서, 방화막이 없는 경우, 방화막과 프로시니움 벽이 완전히 붙어있는 경우 (즉, 간격이 0 m), 무대 안쪽으로 방화막이 프로시니움 벽과 0.5 m 떨어져 있는 경우를 대상으로 하였다. Figure 3에는 방화막과 프로시니움 벽 사이 간격이 0.5 m인 경우를 나타내며, 이는 방화막의 현실적인 설치 조건 및 화재에 의한 방화막의 형상 변형에 의한 유격 등을 가정하여 설정하였다.

 한편, 강제 배연구의 영향을 파악하기 위하여 무대 위쪽 벽에 강제 배연구를 설정하였다. 강제 배연구의 크기는 가로 3 m, 세로 3 m로 하였다. 제연설비의 화재안전기준\(^{(16)}\)에 따르면, 예상제연구역이 바닥면적 400 m2 이상, 제연경계로 구획되고 수직거리가 3 m를 초과하는 경우, 예상제연구역이 직경 40 m 인 원의 범위 안에 있으면 배출량을 60,000 m3/hr 이상, 직경 40 m 인 원의 범위를 초과하면 배출량을 65,000 m3/hr 이상이 되도록 해야 한다. 이러한 기준과 기존 연구\(^{(6)}\)를 참고하여, 본 연구에서는 65,000 m3/hr (∼ 18.1m3/s)을 배출량으로 설정하였다. 강제 배연이 이루어지지 않는 경우에는 해당 설정을 제거하였다.

 화원은 무대의 중앙에 위치시켰으며, 크기는 가로 2 m, 세로 2 m로 설정하였고, 연료는 폴리우레탄(Polyurethane)을 적용하였다. 열방출률 Heat Release Rate (HRR)의 경우, 기존 연구\(^{(6,9)}\)를 토대로 결정하였다. 공연장 화재에 대해 Yeo\(^{(6)}\)는 3 MW, 5 MW, 10 MW의 열방출률을 이용하였고, Kim\(^{(9)}\)은 10 MW의 열방출률을 설정하여 계산을 수행하였다. 이러한 기존 조건을 참고하여 본 연구에서는 10 MW의 열방출률을 이용하여 연구를 수행하였다. 화재 성장의 경우 Eq. (1)과 같은 t-squared fire model\(^{(17)}\)을 적용하였고, 성장 속도는 기존 연구\(^{(6)}\)와 같이 fast로 설정하였다.

\(\dot{Q}=\alpha t^2\) (1)

 여기서,\(\dot{Q}\)과 t는 각각 열방출률과 시간을 나타낸다. \(\alpha\)는 화재성장계수(Fire growth factor)로 본 연구에서는 화재성장속도로 fast를 적용하였으므로, 해당 값은 0.047 kW/s\(^2\)\(^{(17)}\)가된다. Figure 4에 본 연구에서 이용한 시간에 따른 열방출곡선(방화막과 강제 배연구가 모두 있는 경우)과 함께 이론적인 t-squared fire model에서 화재성장속도가 fast인 경우에 대한 곡선을 비교하여 나타내었다.

Figure 4. Heat release rate curve of fast case in t-squared fire model.

 무대 공간 내 연기의 거동을 파악하기 위하여 방화막으로부터 무대쪽으로 8.5 m, 한쪽 벽으로부터 15.5 m, 바닥으로부터 각각 높이 16 m (Point 1)와 4 m (Point 2) 떨어진 지점에서 온도와 Soot 질량분율을 측정하였다. 또한, 방화막과 프로시니움 벽이 0.5 m 간격으로 설치되어 있는 경우에 해당 위치를 통하여 유입 및 유출되는 질량 유량을 측정하였다. 총 시뮬레이션 시간은 기존 연구\(^{(6)}\)를 토대로 700 s로설정하였고, FDS의 경우 Ver. 6.5.3을 사용하였다.

3. 계산결과

3.1 방화막과 강제 배연구가 모두 없는 경우

 가장 극단적인 경우로 공연장 내에 방화막과 강제 배연구가 모두 설치되지 않은 경우가 존재할 수 있다. 이와 같은 조건에서의 계산결과를 Figure 5에 나타내었다. 무대 중앙의 화원으로부터 발생된 연기가 상승하여 무대 위쪽 벽에 도달하게 되고, 도달한 연기는 위쪽 벽을 따라 반경 방향으로 이동하였다. 이동한 연기가 측벽을 만나면 측벽을 따라 하강하였고, 위쪽 벽 아래에 점차 연기층이 형성되는 것이 관찰되었다. 이 경우, 연기가 측벽을 따라 하강하는 관계로 측벽 쪽에서의 연기층 하강 속도가 무대 중앙의 위쪽 벽 하부에 형성되는 연기층 하강 속도보다 빨랐다. 측벽을 따라 이동한 연기가 프로시니움 벽의 아래쪽에 도달하면 소량의 연기가 객석으로 확산되는 것을 관찰할 수 있었다. 시간이 지남에 따라 연기층이 무대의 상부를 채우면서 무대 중앙의 연기층이 하강, 즉, 연기층의 두께가 두꺼워지는 것을 관찰할 수 있었으며, 전체적인 연기층이 프로시니움 벽의 가장아래쪽에 도달하면, 다량의 연기가 프로시니움 벽을 넘어서객석으로 확산되기 시작하였다. 이후, 무대 내 연기층의 높이는 본 계산조건에서 크게 변하지 않았고, 연기층이 무대의 바닥까지는 도달하지 않은 것을 확인할 수 있었다.

Figure 5. Simulation results for the case without both of fire curtain and forced smoke ventilation.

3.2 방화막이 없고 강제 배연구가 있는 경우

 Figure 6에 방화막이 없고, 강제 배연구가 있는 경우에 대한 계산결과를 나타내었다. 무대 중앙의 화원으로부터 발생한 연기가 상승하여 무대 상부에 있는 강제 배연구로일부 배출되었고, 강제 배연구로 배출되지 못한 일부 연기는 무대 상부 벽을 따라 반경 방향으로 이동하였다. 이후의 연기 거동은 Figure 5의 경우와 유사하였다. 65,000 m3/hr(∼ 18.1 m3/s)의 배출량으로 연기를 배출하고 있음에도 불구하고, 이 배출량이 무대에서 객석으로의 연기 확산을 막을 만큼 충분하지 않을 수 있음을 알 수 있었고, 이러한 결과는 Yeo\(^{(6)}\)의 계산결과와 동일하다. Yeo\(^{(6)}\)의 연구에서도방화막이 없고 강제 배연구가 있는 경우에 대해서 FDS와 CFAST를 이용하여 계산을 수행하였다. 본 연구와 Yeo\(^{(6)}\)연구 간 시뮬레이션 방법 및 조건이 정확하게 일치하지 않기 때문에 무대에서의 연기가 객석으로 확산되는 시점에 대한 결과를 직접적으로 비교하는 것은 한계가 있다. 그러나 두 연구결과에서 전체적인 연기 거동이 서로 유사하고, 강제 배연구 조건이 동일할 때 두 연구결과 모두에서 무대에서 객석으로 연기 확산이 일어나고 있다는 점이 동일하게 관찰되었다.

Figure 6. Simulation results for the case without the fire curtain under the forced smoke ventilation.

3.3 방화막이 있고 강제 배연구가 없는 경우

 앞서 언급한 바와 같이 65,000 m3/hr (∼18.1 m\(^3\)/s) 배출량의 강제 배연구가 있음에도 불구하고, 본 계산 조건하에서는 무대 화재 시 객석으로의 연기 확산을 완벽히 방지할 수 없었다. 이러한 상황에서 방화막이 객석으로의 연기 확산을막거나 지연시킬 수 있는 효과적인 수단이 될 수 있다.

 Figure 7에 강제 배연구가 없고, 방화막이 설치된 경우에 대한 계산 결과를 나타내었다. 방화막과 프로시니움 벽과의 간격은 0 m로 설정하였다. 이는 방화막이 프로시니움벽과 붙어 있는 상태로 무대와 객석이 완전히 구분된 상황을 의미한다. 이 조건은 방화막을 프로시니움 벽에 유격이 없도록 설치가 가능하고, 화재 시 방화막의 변형이 일어난다 하더라도 이로 인해 방화막이 프로시니움 벽과 유격이 발생하지 않은 경우를 나타낸다. 예상한 바와 같이 무대 내에서 발생한 연기가 객석으로 전혀 확산되지 않았고, 시간이 지남에 따라 무대 내 연기층이 하강하여 무대 공간을 연기가 가득 채우는 결과를 나타냈다.

Figure 7. Simulation results for the case with fire curtain but without smoke ventilation (gap distance between fire curtain and proscenium wall: 0 m).

 그러나 방화막을 프로시니움 벽과 간격이 없도록 설치하는 것이 불가능할 수 있고, 화재 시 방화막의 변형에 의해 방화막과 프로시니움 벽 사이 유격이 발생될 수 있다. 이러한 현실적인 면을 고려할 때 방화막과 프로시니움 벽 사이 간격이 존재할 때의 연구가 수행되어야 한다.

 Figure 8에 강제 배연구가 없고, 방화막과 프로시니움 벽 사이의 간격이 0.5 m 인 경우에 대한 계산결과를 나타내었다. 방화막의 위치는 프로시니움 벽을 기준으로 무대 쪽으로 설치된 것으로 가정하였다. 화재 초기의 현상은 방화막이 없는 Figure 5의 경우와 유사하다. 무대 중앙의 화원으로부터 생성된 연기가 상승하여 상부 벽에 도달하였고, 이후 상부 벽을 따라 측벽 쪽으로 이동하였다. 이후, 측벽을 만난 연기는 측벽을 따라 하강하였고 프로시니움 벽과 방화막 사이 간격을 통해 소량의 연기가 객석으로 확산되기 시작하였다. 시간이 지남에 따라 무대 중앙의 위쪽 공간에점차적으로 연기가 채워지면서 연기층의 높이가 하강하는 것을 관찰할 수 있었다. 흥미로운 점은, 방화막이 없는 Figure 5의 경우 하강하는 연기층이 무대 바닥까지는 도달하지 않았고, 연기층의 높이가 프로시니움 벽의 하단보다 약간 낮은 곳에 위치하였지만, 방화막이 있는 본 조건에서는 Figure 8에 나타낸 바와 같이 연기층이 방화막과 프로시니움 벽 사이 간격을 지나서도 지속적으로 하강하여 무대의 바닥까지 도달하는 것으로 관찰되었고, 발생한 연기에 의해 무대 공간 전체가 채워지는 모습을 보였다. 이는 방화막과 프로시니움 벽 사이의 간격을 통하여 연기가 객석으로 확산되기는 하지만, 해당 간격에서의 유동 저항 때문에객석으로의 연기 확산이 억제되기 때문으로 판단된다.

Figure 8. Simulation results for the case with fire curtain but without smoke ventilation (gap distance between fire curtain and proscenium wall: 0.5 m).

3.4 방화막과 강제 배연구가 모두 설치된 경우

 이번에는 방화막과 강제 배연구가 모두 있는 경우에 대하여 계산을 수행하였다. 방화막과 프로시니움 벽과의 간격이 0 m일 때, 본 논문에는 나타내지 않았지만 Figure 7과 같이, 무대 내에서 발생한 연기는 객석으로 전혀 확산되지 않았다.

 Figure 9에 동일한 강제 배출량 조건에서 방화막과 프로시니움 벽 사이의 간격은 0.5 m, 방화막의 위치는 프로시니움 벽을 기준으로 무대쪽으로 설치된 경우의 계산결과를 나타내었다. 전체적인 연기 거동은 Figure 8과 유사하지만 동일 시간대 (예를 들면 약 300 s 이후)를 비교하여 볼 때, 강제 배연구가 없는 Figure 8에 비해 강제 배연구가 있는 Figure 9에서 방화막과 프로시니움 벽 사이 간격을 통하여 확산되는 연기의 양이 적음을 가시적으로 확인할 수 있었다.

Figure 9. Simulation results for the case with fire curtain under the forced smoke ventilation (gap distance between fire curtain and proscenium wall: 0.5 m).

3.5 방화막과 강제 배연구의 영향 분석

 본 계산결과를 토대로 볼 때, 방화막이 완벽하게 설치된다면 (즉, 방화막이 프로시니움 벽에 유격없이 밀착되어 설치되고, 화재가 일어난 경우에도 방화막의 변형 등에 의하여 간격이 전혀 생기지 않는 경우), 방화막은 무대에서 객석으로의 연기 확산을 완벽하게 방지할 수 있을 것으로 판단된다.

 한편, 방화막이 없는 경우 (Figure 5와 Figure 6), 강제 배연구의 존재 여부와는 상관없이 연기가 무대 바닥까지는 도달하지 않았다. 반면, 유사한 조건에서 방화막이 있고 방화막과 프로시니움 벽 사이 간격이 존재하는 경우 (Figure 8과 Figure 9), 무대 공간 내 연기층은 지속적으로 하강하고 무대 바닥까지 도달하여 연기가 무대 공간 전체를 채우는 것으로 나타났다. 좀 더 세부적인 분석을 위하여 방화막(프로시니움 벽과 간격 0.5 m)과 강제 배연구의 설치 조건에 대해, Figure 3의 Point 1과 Point 2에서의 온도 및 Soot질량분율을 Figure 10과 Figure 11에 각각 나타내었다.

Figure 10. Dependency of temperature and soot mass fraction on fire curtain and forced smoke ventilation at Point 1.

Figure 11. Dependency of temperature and soot mass fraction on fire curtain and forced smoke ventilation at Point 2.

 무대 바닥으로부터 16 m 떨어진 Point 1에서 시간에 따른 온도 변화의 경우 (Figure 10(a)), 강제 배연구가 있는 경우와 없는 경우에서 모두 약 250 s 근방 이후 온도가 상승하는 것을 관찰할 수 있다. 그러나 방화막이 있는 경우, 지속적으로 온도가 증가하지만, 방화막이 없는 경우, 온도가 상승하다가 일정 온도로 수렴하는 것처럼 관찰되었다. 각방화막 조건에서, 강제 배연구가 없는 경우가 있는 경우에 비하여 온도가 다소 높은 것처럼 관찰되었으나, 그 차이가 크지는 않았다. 시간에 따른 Soot 질량분율 변화의 경우, Figure 10(b)에 나타낸 바와 같이, 해당 위치에서의 온도 변화와 유사한 경향을 나타냈다.

 무대 바닥으로부터 4 m 떨어진 Point 2에서 시간에 따른 온도와 Soot 질량분율 변화의 그래프를 Figure 11에 나타내었다. 이는 Point 1에 비해 무대 바닥에 가까운 위치이다. 방화막이 있는 경우, 온도가 약 300 s 부근에서부터 점차 증가하는 경향을 보였다. Soot 질량분율의 경우, 비슷한 시점으로부터 변화가 감지되었고, 약 600 s 부근 이후에 급격하게 증가하는 경향을 보였다. 반면, 방화막이 없는 경우, 온도와 Soot 질량분율은 전체 시뮬레이션 시간에 걸쳐큰 변화없이 거의 일정한 수치를 보였다. 이러한 차이가 나타나는 이유는, 방화막이 있는 경우 해당 위치까지 연기층이 하강하지만 (Figure 8과 Figure 9), 방화막이 없는 경우에는 무대 공간 내 형성되는 연기층의 높이가 해당 측정 위치보다 높기 때문이다 (Figure 5와 Figure 6). 방화막이 있는 경우, 강제 배연구가 없는 경우가 있는 경우에 비하여 온도 및 Soot 질량분율이 다소 큰 것으로 확인되었다.

 가시화 결과 및 Figure 10과 Figure 11을 토대로 볼 때, 방화막이 설치된 경우 방화막과 프로시니움 벽 사이 간격이 존재하더라도, 그 간격에서의 유동 저항에 의해 객석으로의 연기 확산은 방해받고, 따라서 객석으로 확산되지 못한 연기가 지속적으로 하강하여 무대 공간을 채우는 것으로 판단된다. 즉, 방화막이 무대에서 발생한 연기가 객석으로 확산하는 것을 억제하는 역할을 할 수 있음을 확인하였다.

 또한, 동일한 방화막 설치 조건에서, 강제 배연구가 없는 경우 (Figure 8)에 비하여 강제 배연구가 있는 경우 (Figure 9)에 객석으로의 연기 확산이 적게 일어나는 것처럼 가시화 결과 나타났다. Figure 12에 방화막이 설치되어 있을 때, 방화막과 프로시니움 벽 사이 간격을 통해 유입 및 유출되는 질량유량에 강제 배연구가 미치는 영향에 대한 그래프를 나타내었다. 유입 질량유량의 경우, 강제 배연구가 있을 때 초기에 큰 값을 나타내다가 점차 감소하는 경향을 보였고, 전체적으로, 강제 배연구가 있는 경우가 없는 경우에 비하여 해당 간격을 통하여 많은 질량 유량이 유입된 것으로 계산되었다. 반면, 유출 질량 유량의 경우, 그 반대의 경향이 나타났다. 강제 배연구가 있는 경우, 약 300 s 근방까지는 거의 유출이 일어나지 않다가 그 이후부터 유출이 증가하는 경향을 보였다. 전체적으로 강제 배연구가 없는 경우가 있는 경우에 비해 큰 유출량을 나타냈으며, 이러한 결과는 Figure 8과 Figure 9에서 가시적으로 제시한 해석 결과와도 연관성이 있다고 판단된다.

Figure 12. Effect of forced smoke ventilation on mass flow variations of inflow and outflow through gap between fire curtain and proscenium wall.

 한편, 65,000 m\(^3\)/hr (∼18.1 m\(^3\)/s) 배출량의 강제 배연구를 설치하였음에도 불구하고, 방화막의 유무에 상관없이 무대로부터 객석으로 연기 확산이 일어난 것으로 파악되었다. 이는 해당 배출량이 본 계산조건에 대해 무대 화재 시 객석으로의 연기 유출을 완전히 막기에는 부족할 수 있음을 의미하고, 이러한 결과는 기존 Yeo(6)의 계산결과와 일치한다. 이러한 결과를 토대로 볼 때, 공연장 화재 시 배출량 기준에 대한 세부적인 검토가 필요할 수 있다.

 공연장 무대에서 화재 시 객석으로의 연기 확산은 방화막의 높이, 설치 간격, 설치 위치 등 뿐만 아니라, 배연 방식, 배출량 등에 의해서 영향 받을 수 있다. 그리고, 본 연구에서는 화원 및 배연구의 위치를 중앙으로 가정하여 연구를 수행하였으나, 무대 내 화재가 다양한 위치에서 발생할 수 있고, 강제 배연구도 다양한 위치에 설치될 수 있다. 또한, 본 연구에서는 방화막과 강제 배연구가 설치된 경우에 화재 시 모두 정상 작동하는 것으로 가정하고 연구를 수행하였으나, 화재감지에 따른 해당 설비의 작동까지 고려한 폭넓은 시뮬레이션이 수행될 필요가 있다. 한편, 더욱현실적이고 정확한 공연장 내 화재시뮬레이션을 위해서는 공연장 화재와 연관된 정확하고 다양한 데이터가 확보되어야 하고 이러한 데이터를 입력하여 계산이 수행되어야 한다. 현재 이와 관련한 가용 정보가 매우 제한적인 것으로 파악되므로, 폭넓은 실험을 통한 관련 데이터 구축이 필요하다. 본 연구에서는 방화막과 강제 배연구가 공연장 내 무대 화재 시 무대 내 연기 거동 및 객석으로의 연기 확산에 미치는 영향에 대하여 선행적이고 정성적인 검토를 수행하였다. 본 연구결과를 토대로, 다양한 공연장 화재조건 하에서 방화막과 배연구가 객석으로의 연기 확산 거동에 미치는 영향에 대한 정량화를 위한 세부 연구가 요구되며, 추후이러한 연구가 수행될 예정이다.

4. 결론

 본 연구에는 공연장 화재 시 방화막과 강제 배연구가 무대에서 발생된 연기의 거동 및 객석으로의 확산에 미치는 영향에 대하여 FDS를 이용하여 검토하였다. 기존 연구를 토대로, 무대의 크기는 폭 31 m, 깊이 34 m, 높이 32 m이며, 열방출률은 10 MW, 화재성장속도는 fast라 가정하였다. 방화막의 높이는 16.5 m로 하였고, 강제 배연구의 배출량은 65,000 m\(^3\)/hr (∼18.1 m\(^3\)/s)로 설정하였다. 방화막과 강제배연구가 모두 설치된 경우, 둘 중 하나만 설치된 경우, 모두 설치되지 않은 경우에 대하여 계산을 수행하였고, 방화막이 있는 경우에는 간격이 0 m (방화막과 프로시니움 벽과 밀착된 경우)와 0.5 m인 경우를 대상으로 하였다. 주요 연구결과를 아래에 정리하였다.

(1) 방화막과 프로시니움 벽 사이의 간격이 전혀 존재하지 않는 경우에는 강제 배연구의 설치여부와는 관계없이 방화막이 무대에서 객석으로의 연기 확산을 완벽하게 막을 수 있었다.

(2) 강제 배연구의 존재와는 상관없이, 방화막이 프로시니움 벽과 0.5 m 간격으로 있는 경우가 방화막이 없는 경우에 비해 무대 내 더 낮은 높이까지 연기층이 하강함을 확인할 수 있었다. 이는 방화막과 프로시니움 벽 사이 간격에 의한 유동 저항 때문에 무대 화재에서 발생한 연기가객석으로 확산되지 못하고 무대 공간을 채우는 것으로 판단된다. 즉, 방화막이 객석으로의 연기 확산을 저지할 수 있는 효과가 있는 것으로 판단된다.

(3) 방화막이 프로시니움 벽과 간격 0.5 m로 설치된 경우, 강제 배연구가 있을 때가 없을 때에 비해 유입 질량 유량은 많고 유출 질량 유량은 작은 것으로 평가되었으며, 방화막과 강제 배연구가 함께 있을 때에 객석으로의 연기 확산을 효과적으로 줄일 수 있을 것으로 판단된다.

(4) 65,000 m\(^3\)/hr (∼18.1 m\(^3\)/s)의 배출량은 방화막이 설치되어 있으나 유격이 존재한다면 객석으로의 연기 확산을 막는데 부족할 수 있음을 확인하였다.