A Numerical Study on the Effects of Meteorological Conditions on Building Fires Using GIS and a CFD Model

GIS와 전산유체역학 모델을 이용한 기상 조건이 건물 화재에 미치는 영향 연구

Abstract

In this study, we investigated the effects of wind speed and direction on building fires using GIS and a CFD model. We conducted numerical simulations for a fire event that occurred at an apartment in Ulsan on October 8, 2020. For realistic simulations, we used the profiles of wind speeds and directions and temperatures predicted by the local data assimilation and prediction system (LDAPS). First, using the realistic boundary conditions, we conducted two numerical simulations (a control run, CNTL, considered the building fire and the other assumed the same conditions as CNTL except for the building fire). Then, we conducted the additional four simulations with the same conditions as CNTL except for the inflow wind speeds and direction. When the ignition point was located on the windward of the building, strong updraft induced by the fire had a wide impact on the building roof and downwind region. The evacuation floor (15th floor) played a role to spread fire to the downwind wall of the building. The weaker the wind speed, the narrower fire spread around the ignition point, but the higher the flame above the building reaches. When the ignition point was located on the downwind wall of the building, the flame didn't spread to the upwind wall of the building. The results showed that wind speed and direction were important for the flow and temperature (or flame) distribution around a firing building.

본 연구에서는 GIS와 CFD 모델을 이용하여 풍속과 풍향이 건물 화재에 미치는 영향을 조사하였다. 이를 위해, 2020년 10월 8일 울산의 한 아파트에서 발생한 화재 사고에 대한 수치 실험을 수행하였고, 현실적인 기상 조건을 반영하기 위하여 국지기상예보시스템(LDAPS)의 바람과 온위 자료를 초기·경계 자료로 사용하였다. 먼저, 현실적인 경계 조건을 사용하여 두 가지 수치 실험을 수행하였다(규준 실험에서는 건물 화재를 고려하고, 다른 실험에서는 건물 화재를 제외하고는 규준 실험과 동일한 기상 조건 이용). 그런 다음, 규준 실험과 유입 풍속과 방향이 다른 4개의 수치 실험을 추가로 수행하였다. 수치 실험 결과, 발화 지점이 건물 풍상측에 위치할 때에는 화재로 인한 강한 상승 기류가 건물 지붕과 풍하측 지역에 영향을 미쳤다. 또한, 대피층(15층)은 건물 풍상 측 벽면의 화재를 풍하측으로 확산시키는 역할을 했다. 유입 풍속이 약할수록 발화점 주변으로의 화재가 좁게 확산되었지만 건물 위로 화염이 도달하는 고도는 상승했다. 유입 풍향이 반대인 경우, 발화 지점이 풍하측에 위치할 때에는 화염이 건물 풍상 측으로 확산되지 않았다. 본 연구 결과는 풍속과 풍향이 화재가 발생한 건물 주변의 흐름과 온도(화염) 분포에 중요하다는 것을 보여준다.

1. 서론

도시 지역에 사회경제적 기반이 집중되고 인구가 급증하면서 고층 건축물이 급증하고 있다. 고층 건물에서 화재가 발생하는 경우, 화재 진압과 피난이 용이하지 않기 때문에 많은 인명피해를 발생시킬 수 있다(Back et al., 2010). 소방청이 발표한 통계에 따르면, 30층 이상 고층 건축물에서 발생한 화재 발생 건수는 2014년부터 2017년까지 매년 약 100건 이상 발생하고 있다(National Fire Agency, 2018). 30층 이상의 고층 건물은 일반 건물(30층 이하의 건물)에 비해 잠재적 화재 위험 요소가 많기 때문에, 화재 발생 위치를 예단하기 어렵고 화재가 발생하는 경우에는 화염이 빠르게 전파하여 대형 화재로 확산하기 쉽다. 건물 내부 공간별로 화재 하중과 발화 조건이 다양하다는 점, 건물의 구조적 틈새, 창문, 출입문이 많을수록 외부 바람 영향을 크게 받는다는 점, 굴뚝 효과(stack effect)로 인해 건물 위·아래로 화염이 빠르게 확대될 수 있다는 점, 플래시 오버(flash over) 발생 시에 높은 열과 압력에 의해 창문이 파괴되면서 급격하게 분출되는 화염과 연기가 수직 방향으로 전파된다는 점 등을 잠재적 화재 위험 요소로 들 수 있다.

가연성 외장재로 덮여 있는 고층 건물은 화재가 발생하면 불씨가 외장재에 붙어 빠르게 건물 전체에 확산할 가능성이 높다(Min et al., 2009). 2010년 10월 1일에 발생한 부산 해운대 A 아파트 화재의 경우, 4층 재활용 분리 수거장에서 발화가 시작된 것으로 추정되고 알루미늄 패널 외장재에 의해 건물 외벽을 타고 연소가 계속 확대되어 30분 만에 38층 꼭대기까지 확산하였다. 2020년 10월 8일에 발생한 울산 B 아파트 화재 사고에서도 가연성 외장제에 의해 화재가 빠르게 확산되었다. 풍향, 풍속, 온도와 같은 기상 요인은 화재가 발생할 때 확산 면적, 확산 속도, 발화, 화재 거동과 같은 다양한 속성에 영향을 미친다(Agarwal et al., 2020; Keeley, 2009). 실효습도가 25%와 35%이하인 대기조건이 2일 이상 지속될 것으로 예상될 때 각각 건조경보와 건조주의보가 발령되는데, 이는 건조한 대기 조건 또한 화재의 발생 원인으로 작용할 수 있다는 것을 의미한다(Korea Forest Service, 2017).

고층건물 화재 시, 기상조건과 건물 특성으로 인해 다양한 화재 발생 상황에 놓일 수 있기 때문에, 기상 조건이 고층 건물 화재 발생 성상에 미치는 영향에 관한 연구가 필요하다. 현재 고층 건물 화재와 관련된 선행연구들은 주로 대피 시나리오와 건물 실내의 화재 발생과 관련된 연구들이 주로 이루어지고 있다. 화재 발생 재현에 대한 대부분의 연구는 미세 규모의 대기의 확산 특성 파악을 위해 전산유체역학(computational fluid dynamics, CFD) 모델을 이용하고 있다. Choi et al. (2012)은 WRFCFD 접합 모델을 이용하여 화재 발생 시 도시 지역 내의 오염 물질 확산 특성을 분석하였다. Min and Lee (2013)는 CFD 모델을 이용하여, 해운대 A 아파트 화재 사례를 대상으로 고층 건축물 외장재에 따른 화재를 재현하였다. Ryu et al. (2014)은 국가화재 정보시스템의 최근 5 년가 16개 시도별 화재조사데이터와 기상 데이터를 통합하여 의사결정트리 기반 화재 발생 확률 예측모델을 구축·평가하였다. Kang et al. (2002)은 CFD 모델을 이용하여 실내 화재 발생 시, 환기구 위치에 따른 연기 유동과 온도 분포를 분석하고 예측하였고 연기 유동에 따른 온도 분포도를 조사하여 온도분포를 고려한 내열재 배치를 제안하였다. Kim et al. (2013)은 CFD을 이용하여 인천터미널역 역사를 대상으로 화재 시나리오 분석을 수행하였고 객실 내 화재 상황을 가정하여, 온도, 가시 거리, 일산화탄소에 대한 위험도와 최적의 피난 경로를 분석하였다.

본 연구에서는 2020년 10월 8일 발생한 울산 B 아파트 화재를 대상으로 CFD 모델을 이용하여 대기가 건조하고 강풍이 부는 기상 조건에서 고층건물 화재 발생 시 주변 지역의 대기 흐름 분포를 조사하였다. 그리고 여러 기상 조건 시나리오를 가정하여 화재 발생을 재현한 후 주변 지역의 대기 흐름과 기온 분포를 비교하여 기상 조건이 화재에 미치는 영향을 분석하였다.

2. 연구방법

1) CFD 모델

본 연구에서 사용한 CFD모델은 Park et al. (2020a), Park et al. (2020b)과 동일하고, 3차원, 비압축, 비정수 흐름계를 가정한다. Reynolds Averaged Navier-Stokes (RANS) 방정식계에 기반한 이 모델은 엇갈림 격자계(staggered grid system)에서 유한체적법(finite volume method)과 Patankar (1980)이 제안한 SIMPLE (semi-implicit method for pressure-linked equation) 알고리즘을 이용한다. 이 알고리즘은 각 수치적분 단계에서 수평과 연직 속도를 가정된 압력장에서 계산한다. 그리고 압력-속도 연계 방정식을 풀이하여 압력 편차를 진단적으로 계산하고 수평과 연직 속도 성분은 압력보정을 통해 조정된다. 격자 크기 이하의 난류를 모수화하기 위해 작은 규모 난류를 큰 규모 난류와 수정된 점성으로 나타내는 RNG (renomalization group) k-ε 난류 종결 방법을 채용한다.

2) 실험 설계

본 연구에서는 CFD 모델의 지표 입력 자료를 생성하기 위하여 지리정보시스템(geographic information system, GIS) 자료를 이용하였다. 수치모의 영역의 크기는 화재가 발생한 울산 B 아파트를 중심으로 동서방향 으로 0.5 km, 남북방향으로 0.5 km, 연직 방향으로 0.54 km이다(Fig. 1a). 고층 건물을 상세하게 구축하기 위해서 수평과 연직해상도를 각각 5 m와 3 m로 설정하였다 (Fig. 1b). 울산 B 아파트 15층에는 화재 피난을 위해 사방이 뚫린 빈공간인 피난층이 있기 때문에 지표 입력자료에 이를 반영하였다. 대상 지역의 기상 특성 파악을 위해서, 대상 지역에서 가장 가까운(북동쪽으로 약 5.6 km 떨어진 지점에 위치) 울산 중구 약사동에 위치한 울산 종관기상관측소(ASOS 152) 자료를 이용하였고 2020년 10월 8일 18시부터 9일 15시까지 1시간 간격으로 관 측한 지상 관측 자료를 분석하였다. 화재가 발생한 시각은 2020년 10월 8일 23시 7분이고, 이때 부산, 울산, 경상남도 전역에 강풍주의보가 발효되었으며 북동풍 계열의 강한 바람이 나타났다. 본 연구에서는 현실적인 기상 조건을 반영하기 위하여 2020년 10월 8일 23시에 기상청 현업 예보 모델인 국지기상예보시스템(LDAPS)이 예측한 기상장(바람, 온위)을 초기와 경계 입력 자료로 사용하였다(Fig. 2). 난류운동에너지(k), 난류운동에너지 소멸율(ε)의 연직분포는 Apsley and Castro (1997)가 제안한 방법을 사용했고, 그 연직 분포는 다음과 같다.

Fig. 1. (a) A satellite image of the target area around the Ulsan B apartment and (b) a three-dimensional configuration of topography and buildings of the target area. The rectangle in blue thick line in (a) indicates the B apartment and red color in (b) represents the fire-occurring area. The fire started at the point in the bottom of the red area.

Fig. 2. Time series of the observed and predicted (a) wind speeds and (b) wind directions at the Ulsan ASOS (ASOS 152) during the simulation period.

\(k(z)=\frac{u_{*}^{2}}{c_{\mu}^{\frac{1}{2}}}\left(1-\frac{z}{\delta}\right)^{2}\)       (1)

\(\varepsilon(z)=\frac{c_{\mu}^{\frac{3}{4}} k^{\frac{3}{2}}}{\kappa Z}\)       (2)

여기서, u_*, δ (= 1000 m), z₀ (= 0.05 m), κ (= 0.4), θ는 각각 마찰 속도, 경계층 높이, 거칠기 길이, von Karman 상수, 풍향을 나타낸다. 화재 발생 상황을 재현하기 위해 벽면 온도를 1200°C로 설정하였고, 화재 진행 속도는 0.05 m s^–1로 설정하여 분당 건물 한층(3 m)을 이동하 는 것으로 가정하였다. 화재 발생 재현을 위해 가열한 벽면은 건물 북동쪽 벽면이다(Fig. 1a의 붉은색). CFD 모델은 1초 간격으로 3600초 동안 수치적분하였다.

3) 화재 시나리오

본 연구에서는 2020년 10월 8일에 발생한 울산 B 아파트 화재 사건을 대상으로 기상 조건에 따른 수치 실험을 수행하였다. 대상 건물은 지하 2층, 지상 33층인지 상 113 m인 주상복합 아파트이다. 외벽은 알루미늄 복합패널을 마감재로 사용하여 시공되었다. 단열재 시공을 위해서는 콘크리트 구조물과 알루미늄 복합패널 사이와 복합패널 모듈과 모듈 사이에 공간이 생기는데, 이 공간은 화재 시 화염을 확산시키는 역할을 한다(Korea Institute of Civil Engineering and Building Technology, 2021). 이 화재 사건은 2020년 10월 8일 23시에 3층 테라스에서 발화가 시작되어 초속 18.4 m인 강풍, 건물 외장재와 건물 외벽 구조로 인해 오전 1시 30분에 급속히 화염이 33층까지 확산하였고, 9일 14시 50분에 약 15시간 만에 완전히 진압되었다.

2020년 10월 5일 9시 일본 오키나와 동남쪽에서 태풍 찬홈(CHAN-HOM)이 발생하면서 화재 발생 당일 일본 가고시마 남동쪽 해상에서 최성기를 맞아 울산에는 북동풍이 지배적이었고 강풍주의보가 발표된 상태였다. 기상청에 따르면 강풍주의보는 육상에서 풍속이 14 m s^–1 이상이거나 순간 풍속이 20 m s^–1 이상이 예상될 때 발효된다. 풍속은 화재의 규모 확대에 많은 영향을 미치는데, 풍속이 강할 때에는 바람 방향의 연소속도가 빠르고 연소 면적이 확대된다. 도시 지역에서 화재가 발생했을 경우, 건물 창문, 출입문 등의 개구부로 분출된 화염이 인근 건물로 확산되어 피해 규모가 증가할 수 있다(Shin et al., 2011). 대상지역 또한 화재가 발생했을 당시 강풍으로 인해 불씨가 왕복 10차로가 넘는 도로 건너편에 있는 대형마트 옥상까지 번졌다.

화재가 발생하지 않은 경우(no fire, NF)와 기상 조건에 따른 화재 발생 시나리오를 구성하기 위해, 화재 발생 시 국지기상예보시스템(LDAPS)을 초기와 경계 입력자료로 사용한 경우를 규준 실험(control run, CNTL) 으로 설정하였다. 풍속이 화재 발생에 미치는 영향을 조사하기 위해, 실제 풍속의 75%, 50%, 25% 수준의 풍속을 갖는 경우를 고려하였다. 강풍주의보가 발령되었을 당시 화재가 발생하였기 때문에 풍속을 감소시켜 주변 지역 대기 흐름과 기온 분포를 분석하였다. 화재 발생지점이 풍상측에 위치하였기 때문에, 추가로 발화 지점이 풍하측에 위치해 있을 때의 대기 흐름과 기온 분포 분석을 위해 풍향이 반대풍향인 경우에 대해서도 조사하였다(Table 1). 건물 화재 사고 재현 시, 건물 외장재와 건물 외벽 내부 구조도 중요하게 고려되어야 할 사항이지만 본 연구에서는 기상 조건이 화재 사고에 미치는 영향을 조사하고자 한다.

Table 1. Summary of the simulation cases considered in this study

3. 결과와 토의

1) 화재 발생 유무에 따른 상세 흐름 변화 분석 (NF, CNTL)

화재 발생 유무에 따른 대기 흐름 변화를 조사하기 위해, 화재가 발생하지 않은 경우(NF)와 발생한 경우 (CNTL)의 상세 흐름을 분석하였다(Fig. 3). Fig. 3a와 4a는 NF와 CNTL의 z = 10.5 m 수평 흐름 유선장과 풍속 분포를 나타낸다. NF 경우는 북동쪽에서 유입된 강한 흐름에 의해 전체적으로 북동풍 계열의 흐름이 나타났다. 대상 지역의 북쪽에는 비교적 낮은 층수의 건물들이 밀집되어 있어 건물 마찰에 의해 전체적으로 약한 흐름이 나타났다(Fig. 3a). 대상 지역의 남동쪽에는 왕복 10차선 도로(ⓐ in Fig. 3a)가 위치하는데, 북동쪽에서 유입된 흐름이 그대로 유입되면서 강한 바람이 유지되는 바람길이 형성되었다. 또한, 북동쪽에 유입된 흐름이 화재가 발생한 고층건물에 부딪히면서 흐름이 분리되면서 건물 풍하측에서 재순환 영역이 나타났다(ⓑ in Fig.3a). 연직 바람 분포를 분석한 결과(Fig. 3b), 건물에 부딪힌 흐름은 건물 풍상측 약 750 m 높이에서 분리되면서 하층에서는 하강류, 상층에서는 상승류가 발생하였다. 건물 풍하측에서는 재순환 영역에 의한 상승류가 발생하였다. 피난층인 건물 15층은 빈공간으로 흐름이 그대로 유입되면서 15층 부근의 하강류가 약해진 것을 확인할 수 있다(ⓒ in Fig. 3b).

Fig. 3. (a) The x-y plane streamlines and wind vectors with the contours of horizontal wind speeds at z = 10.5 m and (b) the x-z plane streamlines with the contours of vertical wind speeds along \(\overline{AB}\) in (a) the NF.

CNTL 경우, 전체적인 흐름 분포는 NF와 유사하게 나타났다(Fig. 4a). 연직 바람 분포를 분석한 결과(Fig. 4b), 화재가 발생한 건물 풍상측 벽면 근처에서 벽면가 열로 강해진 부력에 의해 건물 풍상측 벽면 근처에 강한 상승류가 발생하였고, 이로 인해 하층 하강류가 약해졌다. 상승류가 15층에 위치한 피난층으로 유입되면서 피난층 주변으로 약한 하강류가 발생하였다(ⓒ in Fig. 4b). 화재가 발생한 지점(ⓓ in Figs. 3b and 4b)에서 동북 동풍(75°, 풍속: 1.48 m s^–1)이 나타났다. NF의 경우, 같은 지점에서 남서풍(224°, 풍속: 1.38 m s^–1)이 나타났고, CNTL과 비교했을 때, 풍속차는 크지 않았지만 풍향은 약 146° 차이가 났다. 또한 NF에 비해 기온이 약 33°C (NF: 15.8°C, CNTL: 48.7°C) 높게 나타났다. CNTL 경우의 연직 기온 분포를 분석하였다(Fig. 5). 초기 유입류 기온은 10.5 m 고도에서 약 16°C(평균: 13.7°C)이다. 화재가 발생한 건물 벽면 근처의 기온은 유입류 기온의 2배 이상으로 나타났고(최고 기온: 122.4°C), 건물 옥상에서 부터 약 30 m, 건물 풍하측으로 약 70 m까지 고온영역 이 분포하였다. 피난층으로 흐름이 유입되면서 이로 인해 건물 풍하측의 피난층 벽면에서도 높은 기온이 분포하였다(ⓔ in Fig. 5). CNTL 경우에 대해, 고도별(z = 10.5 m, 52.5 m, 118.5 m) 기온 분포를 분석하여 화재 발생이 주변 지역의 기온 분포에 미치는 영향을 조사하였다 (Fig. 6). 10.5 m 고도에서는 화재 발생 지점에서 북쪽으로 약 25 m까지 고온 영역이 나타났다(Fig. 6a). 피난층 고도(z = 52.5 m)에서는 피난층으로 유입된 흐름에 의해 남서쪽으로 약 114 m(ⓕ in Fig. 6b)까지 고온 영역이 분포하였고 하층(z = 10.5 m)에 비해 높은 기온이 나타났다. 118.5 m 고도에서는 풍상측 벽면 가열로 인해 발생한 강한 상승류로 인해 열이 확산되면서 남서쪽으로 약 357 m(ⓖ in Fig. 6c)까지 고온 영역이 분포하였다. 고 도가 높아질수록 고온 영역이 넓어진 것을 확인할 수 있다.

Fig. 4. (a) The x-y plane streamlines and wind vectors with the contours of horizontal wind speeds at z = 10.5 m and (b) the x-z plane streamlines with the contours of vertical wind speeds along \(\overline{C D}\) in (a) the CNTL.

Fig. 5. Contours of temperatures on the x-z plane along \(\overline{C D}\) in Fig. 4b.

Fig. 6. Contours of temperatures on the x-y plane at z = (a) 10.5 m, (b) 52.5 m, and (c) 118.5 m.

화재 발생지점이 건물 풍상측에 위치하는 경우, 건물에 의해 분리된 흐름과 화재 발생 지점에서 형성된 강한 상승류에 의해 건물 옥상과 풍하측으로 광범위한 영향을 미치는 것을 확인하였다. 또한, 화재 발생 시 피난을 위한 구역이 오히려 화재를 반대편 건물 벽면으로 확산시키는데 일조할 수 있다는 사실을 확인하였다.

2) 화재 발생 시 기상 조건에 따른 상세 흐름 분석

(1) 유입류 풍속 변화 시나리오(SC01, SC02, SC03)

풍속이 화재 발생에 미치는 영향을 조사하기 위해, 실제 유입류 풍속의 75%(SC01), 50%(SC02), 25%(SC03) 수준의 풍속을 고려한 수치 실험을 수행하였다. Fig. 7 은 SC01, SC02, SC03의 10.5 m 고도 수평 흐름 유선장과 풍속 분포를 나타낸다. SC01와 SC02의 경우, CNTL과 비교하여 전체적인 풍속은 약해졌지만 CNTL과 유사하게 북동풍 계열의 흐름이 나타나고 대상 지역 북쪽의 낮은 건물들에 의해 약한 흐름이 나타났다(Figs. 7a and 7b). 북동쪽에서 유입된 흐름이 화재가 발생한 고층건물에 의해 분리되면서 건물 풍하측에 재순환 영역(ⓑ in Figs. 7a and 7b)이 나타났다. SC01의 경우, 대상 지역 남동쪽에 위치한 도로를 따라 강한 흐름이 나타나는 바람길이 형성되었지만, SC02는 비교적 약한 흐름이 형성되었다(ⓐ in Figs. 7a and 7b). SC03의 경우, 유입류 풍속이 실제 유입류 풍속의 25% 수준으로 감소하면서 전체적인 흐름 분포가 SC01, SC02와 상이하게 나타났다(Fig. 7c). 대상 지역 남동쪽 도로(ⓐ in Fig. 7c)에 바람길이 형성되지 않았고, 화재가 발생한 건물 풍하측(ⓑ in Fig. 7c)에 재순환 영역이 나타나지 않았다. 이는 실제 유입류의 25% 수준의 흐름이 유입되면서 대상 지역의 북동쪽에 위치한 낮은 건물들(① in Fig. 7c)에 의한 마찰로 흐름이 전체적으로 더 약해졌기 때문이다.

Fig. 7. The x-y plane streamlines and wind vectors with the contours of horizontal wind speeds at z = 10.5 m in (a) SC01, (b) SC02, and (c) SC03 cases.

연직 바람 분포를 분석한 결과(Fig. 8), 유입류 풍속이 약해질수록 건물 풍상측 하층에서 하강류가 약해지고, 화재가 발생한 건물벽면과 상층에서 상승류가 강해졌다. SC01의 경우에는 CNTL에 비해 전체적으로 연직 풍속은 약해졌지만 유사한 흐름 분포가 나타났고, 피난층 주변으로 유입되는 흐름 분포도 유사하게 나타났다(Fig. 8a). SC02는 피난층으로 유입되는 흐름이 약해지면서 건물 풍상측 피난층 높이의 하강류가 약해졌다(ⓒ in Fig. 8b). SC03의 경우, 화재가 발생한 건물 풍상측 벽면 에서 SC01과 SC02에 비해 강한 상승류가 나타났고, 건물 옥상에서 50 m 높이까지 강한 상승류가 발생하였다(Fig. 8c). 화재가 발생한 지점(ⓓ in Fig. 8)에서 풍향은 동북동풍 ~ 북동풍이 나타났다(SC01: 68.3°/1.32 m s^–1, SC02: 54.2°/1.08 m s–1, SC03: 38.3°/0.87 m s^–1). 화재가 발생한 지점에서 기온은 유입류 풍속이 감소할수록 낮아졌다(SC01: 43.5°C, SC02: 37.5°C, SC03: 32.2°C). 이는 유입류 풍속이 약해질수록 화재가 발생한 건물 풍상측 하층(ⓓ in Fig. 8)에서 하강류가 약해지고 상승류가 강해지면서 화재가 상층으로 확산되면서 화재 발생 지점의 기온이 낮아진 것으로 분석된다.

Fig. 8. The x-z plane streamlines with the contours of vertical wind speeds along (a) \(\overline{EF}\), (c) \(\overline{GH}\), and (e) \(\overline{IJ}\) in Fig. 7.

연직 기온 분포의 경우(Fig. 9), 유입류 풍속이 약해질수록 건물 풍하측 벽면(ⓔ in Fig. 9)에서 고온 영역이 좁아졌다. SC01과 SC02의 경우에는 건물 풍하측 벽면(ⓔ in Fig. 9)에서 피난층에 의한 화재 확산으로 높은 기온이 분포하지만 CNTL에 비해 기온이 낮았다. SC03의 경우, 건물 풍하측 벽면(ⓔ in Fig. 9c)에서는 고온 영역이 뚜렷하게 나타나지는 않았다. 이는 피난층으로 유입되는 흐름이 약해지고 피난층을 통한 화재 확산이 약해졌기 때문이다. SC03 경우, 건물 옥상 위로 발생한 강한 상승류에 의해 건물 옥상에서 50 m 높이까지 높은 기온이 분포하였다.

Fig. 9. Contours of temperatures on the x-z plane along (a) \(\overline{EF}\), (c) \(\overline{GH}\), and (e) \(\overline{IJ}\) in Fig. 7.

고도별 기온 분포를 분석한 결과, 10.5 m 고도에서는 SC01, SC02, SC03 모두 CNTL에 비해 높은 기온이 분포하지 않았다(Figs. 10a, 10d, and 10g). 52.5 m와 118.5 m 고도에서는 유입류 풍속이 약해지면서 화재 발생 지점 남서쪽으로 고온 영역이 좁아졌다. SC03 경우, 화재가 발생한 건물 주변 지역에는 화재 발생의 영향을 크지 않았다(Figs. 10g, 10h, and 10i).

Fig. 10. Contours of temperatures on the x-y plane at z = 10.5 m (left panel), 52.5 m (middle panel), and 118.5 m (right panel) in the SC01 [(a), (b), and (c)], SC02 [(d), (e), and (f)], and SC03 [(g), (h), and (i)] cases.

결론적으로, 건물 화재 발생 시 바람이 약한 기상 조건일수록 화재가 발생한 지점의 주변 지역으로 화재가 확산될 가능성은 작아졌다. 그러나 화재 발생 건물 벽면의 상승류가 강해지면서 건물 벽면, 옥상과 상층 대기에 화재 영향이 광범위하게 미치는 것을 확인하였다.

(2) 유입류 풍향 변화 시나리오(SC04)

풍향이 화재 발생에 미치는 영향을 조사하기 위해, 실제 유입류 풍향의 반대 풍향을 고려한 수치 실험을 수행하였다. Fig. 11은 SC04 경우의 10.5 m 고도 수평 흐름 유선장과 풍속 분포를 나타낸다. SC04의 경우(남서풍), 전체적인 흐름 방향은 CNTL과 반대이지만, 대상 지역 남동쪽에 위치한 도로(ⓐ in Fig. 11)에 강한 흐름이 유입 되면서 형성된 바람길과 북쪽에 밀집한 건물에 의한 약 한 흐름은 CNTL과 유사하였다. 남서쪽에서 유입된 강한 흐름이 화재 발생 건물에 부딪히면서 흐름이 분리되고 화재 발생 건물의 북동쪽으로 돌아가는 흐름이 유입되었다. 이로 인해 화재 발생 지점(ⓙ in Fig. 11)에서는 북동풍(58.8°, 풍속: 0.85 m s–1)이 수치 모의되었다.

Fig. 11. The x-y plane streamlines and wind vectors with the contours of horizontal wind speeds at z = 10.5 m in the SC04 case.

연직 바람과 기온 분포의 경우(Fig. 12), 남서쪽에서 유입된 흐름이 화재 발생 건물에 부딪히면서 풍상측 벽면 하층(ⓗ in Fig. 12a)에 강한 하강류가 나타났다. 화재 발생 건물의 풍하측 벽면에서는 화재로 인한 강한 상승류가 발생하였고, 건물 풍하측으로 약 60 m (ⓘ in Fig. 12a) 지점까지 강한 상승류가 나타났다. CNTL의 경우에는 화재 발생 벽면 부근의 강한 상승류가 나타나고, 북동풍에 의해 건물 옥상을 넘어가는 흐름이 나타났지만, SC04의 경우에는 남서쪽에 유입된 강한 흐름에 의해 건물 풍하측에서 발생한 강한 상승류가 건물 옥상을 넘지 못하면서 화재가 풍상측으로 확산되는 것을 막아주는 형상이 나타났다. 이로 인해 풍하측 약 50 m까지 고온 영역이 나타났고, 건물 풍상측에서는 고온 영역이 뚜렷하지 않았다.

Fig. 12. The x-z plane (a) streamlines with the contours of vertical wind speeds and (b) temperatures along the \(\overline{KL}\) in Fig. 11.

고도별 수평 기온 분포를 분석한 결과, 화재 발생 지점 풍하측(북동쪽)에 고온이 분포하였고, 풍상측(남서 쪽)에는 고온 영역이 나타나지 않았다(Fig. 13).

Fig. 13. Contours of temperatures on the x-y plane at z = (a) 10.5 m, (b) 52.5 m, and (c) 118.5 m in the SC04 case.

화재 발생지점이 풍하측에 위치하는 경우에는 화재가 반대편 건물로 확산되는 것은 나타나지 않음을 확인할 수 있다.

4. 요약 및 결론

본 연구에서는 GIS와 CFD 모델을 이용하여 기상조건이 건물 화재에 미치는 영향을 조사하였다. 이를 위하여, 2020년 10월 8일에 발생한 울산의 한 아파트 화재 사례를 대상으로 선정하였다. 실제 기상 조건을 이용하기 위해, 기상청의 현업 예보 모델 중 하나인 국지기상 예보시스템(LDAPS)의 풍속과 온위를 CFD 모델의 초기·경계 자료로 사용하였다.

화재 발생 유무에 따른 대기 흐름 변화를 조사하기 위해, 화재가 발생하지 않은 경우(NF)와 화재가 발생한 경우(CNTL)에 대한 수치 실험을 수행하였다. 화재 발생으로 인해 건물 풍상측 벽면 근처에서는 강한 상승류가 발생하였고 하층 인접 지역의 하강류가 약해졌다. 또한 건물 15층 높이에 위치한 피난층으로 화재가 건물 풍하측 벽면까지 확산되었다. 화재 발생으로 인해 고도가 높아질수록 고온 영역이 풍하측으로 넓게 확산되는 것을 확인하였다.

풍속과 풍향이 화재 발생 건물 주위의 흐름과 화염 확산에 미치는 영향을 조사하기 위한 민감도 실험을 수행하였다. 10.5 m 고도의 수평 흐름 분포를 분석한 결과, 풍속이 CNTL의 75%(SC01)와 50%(SC02)인 경우에는 CNTL과 유사한 흐름 분포가 나타났다. 그러나 풍속이 CNTL의 25%(SC03)인 경우에는 CNTL과의 분포 차이가 크게 나타났다. 연직 바람 분포를 조사한 결과, 유입류 풍속이 약해질수록 건물 풍상측 하층의 하강류가 약해지고 화재 발생 건물 벽면과 상층의 상승류는 오히려 강해졌다. 기온 분포는 유입류 풍속이 약해질수록 피난층으로 유입되는 흐름에 의한 화재 확산이 약해지면서 건물 풍하측의 고온 분포 영역도 좁아졌다. 풍향이 화재 발생에 미치는 영향을 조사하기 위해, 실제 유입류와 반대 풍향(남서풍)을 고려한 수치 실험(SC04)을 수행하였다. 수평 흐름 분포의 경우, CNTL과 대체적으로 반대 방향의 흐름 분포가 나타났지만 대상 지역 남동쪽에 위치한 바람길과 북쪽 건물 밀집 지역에서 약한 흐름 분포는 CNTL과 유사하였다. 연직 바람과 기온 분포의 경우, 화재 발생 건물의 풍하측 벽면 화재로 인한 강한 상승류가 발생하고 건물 풍하측으로 60 m까지 강한 상승류가 나타났다. 또한 남서쪽에서 유입된 강한 흐름이 건물 풍하측에서 발생한 강한 상승류를 건물 옥상을 넘어가지 못하게 막아주면서 화재가 건물 풍상측으로 확산되는 것을 억제하였다. 건물 화재 발생 시, 바람이 약한 기상 조건일수록 화재가 발생한 지점 주변 지역으로 화재가 확산될 가능성은 낮아지지만, 화재 발생 건물 벽면, 건물 상층 대기에는 오히려 넓은 범위까지 영향을 미쳤다. 또한 화재 발생지점이 건물 풍하측에 위치한 경우에는 화재가 건물 반대편으로 확산되는 것이 억제되었다.

본 연구는 건물 화재가 주변 흐름과 기온 분포에 미치는 영향이나 풍속이나 풍향 등의 기상 조건이 화재 확산에 미치는 영향을 조사하는데, GIS와 CFD 모델이 유용하게 활용될 수 있음을 보여준다. 그러나 본 연구는 건물 화재 발생과 확장에 중요하게 작용하는 건물 외장재와 구조물 재료의 영향을 고려하지 않은 한계가 있다. 향후, GIS와 CFD 모델을 이용하여 화염 확산 경로와 피해 예상 지역을 예측하고 평가할 수 있을 것으로 판단되고, 이를 활용하여 화재 발생 시 화재 이동 경로를 비롯한 화재 시 배출되는 유해물질의 확산에 의한 영향을 평가하여 피해를 최소화하는데 매우 중요한 수단이 될 것으로 기대된다.