Earticle

This study proposes a physics-informed surrogate framework for generating synthetic compartment fire time-series data in sensor-scarce building environments. The generator solves an energy-balance ODE with two-zone modeling, wall conduction, ventilation loss, and radiation loss. We validate 20 representative scenarios against real CFAST and FDS simulations, achieving MAE of 15.8°C against FDS volume-mean. Downstream ML benchmarks confirm data utility (R²=0.918 vs. R²=−346 for naive baselines).

본 연구에서는 CFAST를 이용하여 구획실 가스연료 화재실험에 대한 디자인 화재곡선(Design fire curves, DF)의 예측성능을 평가하였다. 평가된 디자인 화재곡선은 이전의 연구에서 제안된 2-stage DF, Ingason이 제안한 Quadratic DF와 Exponential DF이며, 예측성능 평가를 위해 각 디자인 화재곡선을 CFAST의 입력조건으로 하여 시뮬레이션을 수행하였다. 시뮬레이션결과와 실험결과의 비교를 통해 구획실 내부의 공간평균온도와 $O_2$, $CO_2$ 농도에 대해 전반적으로 2-stage DF > Quadratic DF > Exponential DF 순으로 실험결과를 합리적으로 예측하는 것을 확인하였다. CFAST 시뮬레이션 결과를 통해서도 실험에서 보이는 구획실 내 개구부측과 내측에서의 온도와 $O_2$ 및 $CO_2$ 농도 차이를 예측할 수 없음을 명확히 확인하였다. 또한 CFAST는 구획실 가스연료 화재의 CO 농도와 하층부의 공간평균온도에 대한 예측에 한계가 있음을 확인하였다.

In this study, the prediction performance of design fire curves (DF) was evaluated for gas fires in a compartment by using CFAST. The CFAST simulations adopted the 2-stage DF suggested by the previous study and the Quadratic and Exponential DF suggested by Ingason. It was found by comparing the simulation and experimental results that the overall prediction performance of the design fire cures for the spatially-averaged temperature and concentrations of $O_2$ and $CO_2$ was, from the most reasonable to the most inaccurate, 2-stage DF > Quadratic DF > Exponential DF. The CFAST simulation could not predict for the difference in the spatially-averaged temperature and concentrations of $O_2$ and $CO_2$ at door and inner side locations in a compartment. The CFAST simulations also showed a limitation in the prediction of the spatially-averaged temperature at lower layer and the concentration of CO.

최근 건축물이 대규모화 되어가고 건축 내장 재료로 쓰이는 물품의 종류가 다양해지고 있어서 화재의 발생 및 확산 형태도 예측하기가 더욱 복잡해졌으며 이로 인한 피해도 현격하게 증가하고 있는 실정이다. 이러한 변화 중에서도, 최근 발생하는 화재들은 막대한 재산상 손실뿐만 아니라 인명 피해를 초래하고 있다. 따라서, 미리 화재의 피해를 예측하기 위해서는 실제 규모의 화재실험을 하여야 하나, 막대한 비용이 필요하고 현실적으로 실험을 하는데 어려움이 많다. 그리하여 그에 대한 대안으로 컴퓨터를 이용한 화재 시뮬레이션과 실제를 모사하는 축소모형 실험 방법이 있으며 본 연구에서는 컴퓨터를 이용한 화재 시뮬레이션(CFAST)을 이용하여 공동주택의 배연설비 구축에 대한 적합성을 검토하였다.

Fire model shall be verified and validated to reliably predict the consequences of fires within its limitations. This study aims to predict pool fire phenomena with two rooms using CFAST and to compare CFAST simulation results with PRISME experimental data which can be applicable to the fire of nuclear power plant facility. Five different mass loss rate(MLR) are used in the simulation and the simulated results of specific quantities such as temperature, chemical composition are compared to the experimental data. From this study, the CFAST simulation results with the proper MLR show better similarity and trend with pool fire experimental data.

본 연구에서는 실제역사화재 사고인 대구지하철화재사고를 참고하여 화재시뮬레이터의 경계조건으로 시뮬레이션을 수행 하였다. 화재시뮬레이션의 경우는 총 지하 3층의 역사 중 사망자가 가장 많이 발생한 지하3층 역사와 지하2층 대합실까지 모델링하여 시뮬레이션을 실시하였다. 화재시뮬레이터는 CFAST와 FLUENT를 이용하여 수행하였으며, CFAST의 경우는 총 29개의 Zone으로, 지하3층 역사 18개, 지하2층 역사 11개로 나누어 시뮬레이션 하였다. FLUENT의 경우는 총24개의 Zone으로 나누었으며, 지하승강장의 경우는 CFAST의 Zone과 동일하게 설정하였다. 2개의 시뮬레이터에서 나온 결과값들을 비교하여 지하역사 화재시 적용가능성 여부를 연구하였으며, 피난시뮬레이션인 EXODUS를 이용하여 각각의 화재시뮬레이션의 결과를 EXODUS의 HAZARD 경계조건으로 하여 피난 시뮬레이션을 진행 하였다. 화재영향의 적용은 CFAST의 경우 EXODUS로 자동적으로 화재 DATA가 Lode 되는 방식으로 하였으며, FLUENT의 경우는 화재시뮬레이션 OUT DATA값들이 EXODUS와 호환이 어려우므로 직접 결과값들을 수식으로 변환하여 EXODUS HAZARD에 적용하여 승객피난시뮬레이션을 수행하였다. 또한 이를 실제 대구지하철화재사고와 비교분석하였다.

The evacuation simulation study was performed with the boundary condition of a fire simulator, referring to Dae-gu Subway Fire Accident which was a real station fire. The subway station was modelled from B3F station building to B2F waiting room in fire simulation. Also, a fire simulation were performed with CFAST and FLUENT. In CFAST, the total 29 zones were divided into 18 station buildings in B3F and 11 station buildings in B2F. In FLUENT, the simulated space had the same establishment as zone of CFAST. The study focused on possibility for application of fire simulation in underground station by comparing the resulted values from two simulators. For application of fire effect, the fire data were loaded directly to EXODUS in the case of CFAST and performed a passenger evacuation simulation. In the case of FLUENT, Out Data values of a fire simulation were difficult to be compatible with EXODUS. Two resulted values of passenger evacuation simulation by fire simulation were compared with the Dae-gu Subway Fire Accident in reality.

본 연구에서는 화재 시뮬레이션에 사용하기 위해 제안된 기존의 디자인 화재곡선을 일부 수정한 디자인 화재곡선을 제안하였다. ISO 9705 구획실 내 형성된 헵탄과 옥탄 풀화재를 대상으로 기존에 제안된 1-stage 디자인 화재곡선과 수정된 2-stage 디자인 화재곡선을 입력조건으로 적용하여 FDS와 CFAST를 이용한 시뮬레이션을 수행하고 실험결과와 비교하였다. FDS와 CFAST 시뮬레이션 결과에서 온도와 $O_2$, $CO_2$ 농도에 대해서 전체적으로 2-stage 디자인 화재곡선이 1-stage 디자인 화재곡선보다 잘 예측하였으며, 특히 화재 초기 성장단계에서 온도에 대한 예측은 2-stage 디자인 화재곡선의 결과가 더 합리적임을 확인하였다. 구획실 내 온도변화에 대한 FDS와 CFAST 시뮬레이션 결과는 상층부에 대해서는 비교적 합리적으로 예측하였고 두 계산결과에 차이가 크지 않았지만 하층부에 대해서는 두 계산 모두 너무 낮게 예측하였으며 두 계산결과에도 차이가 크게 나타나는 것을 알 수 있었다.

In this study, the previous design fire curve for fire simulation was modified and re-suggested. Numerical simulations with the FDS and CFAST were performed for the n-heptane and n-octane pool fires in the ISO 9705 compartment to evaluate the prediction performances of the previous 1-stage and modified 2-stage design fire curves. The numerical results were compared with the experimental temperature and concentrations of $O_2$ and $CO_2$. The FDS and CFAST simulations with the 2-stage design fire curve showed better prediction performance for the variation of temperature and major species concentration than the simulations with 1-stage design fire curve. Especially, the simulations with the 2-stage design fire curve agreed with the experimental temperature more reasonably than the results with the 1-stage design fire curve. The FDS and CFAST simulations showed good prediction performance for the temperature in the upper layer of compartment and the results with the FDS and CFAST were similar to each other. However, the FDS and CFAST showed poor and different prediction performance for the temperature in the lower layer of compartment.

Accurately predicting evacuation time in a ventilated main control room (MCR) during fire emergencies is crucial for ensuring the safety of personnel at nuclear power plants. This study proposes to use neural networks alongside consolidated fire and smoke transport (CFAST) simulations to serve as a surrogate model for physics-based simulation tools. Our neural networks can promptly predict the evacuation time in MCRs, proving to be a valuable asset in fire emergencies and eliminating the need for time-consuming rollouts of the CFAST simulations. The CFAST model simulates fire and evacuation scenarios in a ventilated MCR with variations in input parameters such as door conditions, ventilation flow rate, leakage area, and fire propagation time. Target output parameters, such as hot gas layer temperature (HGLT), heat flux (HF), and optical density (OD), are used alongside standardized evacuation variables to train a machine learning model for predicting evacuation time. The findings suggest that high ventilation flow rates help to dilute smoke and discharge hot gas, leading to lower target output parameters and quicker evacuation. Standardized evacuation variables exceed the required abandonment criteria for all door conditions, indicating the importance of proper evacuation procedures. The results show that neural networks can generate evacuation times close to those obtained from CFAST simulations.

A cabinet fire in the Motor Control Center (MCC) of a switchgear room in a nuclear power plant can cause severe equipment damage, potentially leading to critical system failures and posing significant safety risks. This study explores the use of neural networks and Consolidated Fire and Smoke Transport (CFAST) simulations as alternatives to traditional physics-based modeling tools. The proposed neural network is designed to rapidly predict cable and cabinet damage times without relying on the time-intensive CFAST simulations. The CFAST model simulates fire scenarios in a closed switchgear room, using key input parameters such as room dimensions (width, depth, height for rooms 1 and 2), air exchange rate, and ambient temperature. Target outputs include the surface temperature and heat flux of cables and cabinets, which serve as training data for a machine learning model to predict damage times. Results indicate that room 1's height has the greatest impact on cable and cabinet damage, with taller rooms experiencing faster deterioration. The neural network's predictions closely align with CFAST simulation results, demonstrating both accuracy and efficiency in fire damage assessment.

본 연구에서는 급격히 증가하고 있는 다중이용업소의 화재사고에 대한 화재특성을 분석함으로써 화재로 인한 피해를 최소화하는데 목적이 있다. 이를 위해서 화재사고에 대한 검증된 분석 프로그램인 CFAST를 이용하여 공동주택에 대한 화재 시뮬레이션을 수행하여 기존의 연구결과와 비교하여 본 연구의 분석에 대한 타당성을 입증하였다. 이를 토대로 다중이용업소의 대표적인 노래방과 고시원에 대한 화재 특성을 분석하여 화재사고 시 대처방안을 수립하여 화재에 대한 안전도를 높이는 데 기여할 수 있을 것이라 판단된다.

This study has purpose of minimizing damage from fire incident as analyzing the fire characteristic about fire incident of multi-use hostels, which is increasing recently. For this, CFAST, a verified analysis program for the fire incident was employed to prove the logicality of the study by comparing with a established result of the research work and working the fire simulation for an apartment house. On the basis of this, the study will help to improve safety of fire by analyzing the fire characteristic of Karaoke and Gosiwon which are typical model of multi-use hostels and by establishing how to deal with the fire incident.

본 논문에서는 화재 모델 CFAST를 사용하여 원자력발전소에 있는 8개 펌프실의 화재 안전 수준을 평가해 보고, 그 결과를 조건부 노심손상확률에 반영하여 분석해 보았다. 분석 대상 구역은 원자력발전소 일차보조건물에 위치한 고압안전주입 펌프실 A/B,저압안전주입 펌프실 A/B, 격납건물 살수 펌프실 A/B 및 모터구동 보조급수 펌프실 A/B 총 8곳이었다. 각 화재구역의 상부층 가스 온도를 분석하였으며, 분석 결과를 바탕으로 상부층에 위치한 케이블의 손상 유무를 파악하였다. 분석 결과에 의하면 총 8개 화재구역의 상부층 케이블은 건전성을 유지하는 것으로 확인되었다. 케이블의 건전성 평가 결과를 바탕으로 각 화재구역의 조건부 노심손상확률을 평가한 결과, 기존의 보수적인 가정 하에 수행된 화재위험도분석 결과보다 약 2배정도 감소하는 보다 현실적이고 불확실성이 감소한 결과를 도출할 수 있었다.

This paper evaluates the fire safety level of eight pump rooms in the nuclear power plant using a fire model, CFAST We estimate the Conditional Core Damage Probability (CCDP) of each room based on the analyzed results of CFAST Eight rooms located on the primary auxiliary building of the nuclear power plant are high pressure safety injection pump room A/B, low pressure safety injection pump room Am. containment sprdy pump room A/B, and motor-driven auxiliary feed water pump room A/B. The upper layer gas temperature of each room is estimated and the integrity of cable is reviewed. Based on the results, the integrity of the cable located at the upper part of compartment is maintained without thermal damage. The Conditional Core Damage Probability Is reduced to half of the old values. Accordingly, the fire safety assessment for eight pump rooms using the fire model will be capable of reducing the uncertainty and to develop a more realistic model.

본 논문에서는 NIST에서 개발한 CFAST 화재 모델링 코드를 사용하여 원자력발전소 펌프실 화재를 모의하였다. 급기 제한, 최소 산소 농도(Lower Oxygen Limit), 복사열 방출비율(Radiative Fraction), 방화문 개방 정도 등의 CFAST 입력 변수 변화에 따라 화재 성장 변화를 분석하였다. 분석 결과에 의하면 본 화재구역에서의 화재는 환기 지배형 화재이므로 급기 제한 및 최소 산소 농도 10%로 설정하는 것이 타당한 것으로 판단되며, 복사열 방출에 따라 상부층 가스 온도는 큰 변화가 없는 것을 알 수 있었다. 화재가 발생한 화재구역 내 펌프를 제외하고는 상부에 위치한 케이블은 모두 건전성을 유지하는 것으로 나타났으며, CCDP(Conditional CDP)를 평가한 결과 9.25E-07로, 화재위험도분석보다 현실적이고 불확실성이 감소한 결과를 도출할 수 있었다.

This paper describes the result of the pump room fire analysis of the nuclear power plant using CFAST fire modeling code developed by NIST. The sensitivity studies are performed over the input parameters of CFAST: the constrained or unconstrained fire, Lower Oxygen Limit (LOL), Radiative Fraction (RF), and the opening ratio of the fire doors. According to the results, a pump room fire is the ventilation-controlled fire, so it is adequate that the value of LOL is 10% which is also the default value. It is anlayzed that the Radiative Fraction does not affect the temperature of the upper gas layer. It is appeared that the integrity of the cable located at the upper layer is maintained except for the safety pump at the fire area and the Conditional Core Damage Probability (CCDP) is 9.25E-07. It seems that CCDP result is more realistic and less uncertain than that of Fire Hazard Analysis (FHA).

사회 다변화 및 급속한 경제성장과 도시밀집화로 인하여, 화재의 발생으로 인하여 막대한 인명피해 및 대규모의 재산상의 피해가 지속적으로 발생하고 있다. 이러한 화재의 피해를 예측하기 위해서는 실제 규모의 화재실험이 매우 유용하지만, 막대한 비용과 현실적 제약조건으로 인하여 실제 실험에는 많은 어려움이 따른다. 따라서 막대한 예산이 소요되는 실제규모의 화재실험의 대체방법으로 실제를 모사하는 축소모형 화재모의실험 및 컴퓨터를 이용한 화재 시뮬레이션 기법이 널리 이용되고 있다. 본 논문에서는 범용 컴퓨터를 이용한 화재 시뮬레이션 기법(CFAST)을 이용하여 수직 공간 구성을 가지는 단독주택의 화재 성상을 검토하였다. 시뮬레이션 모델로는 단독주택을 대상건물로 하여 2층으로 수직 공간을 가지는 단독주택 건물에 대한 모의 화재 시뮬레이션을 수행 하였다. 화재 시뮬레이션 결과는 각 구획실별 온도, 일산화탄소량, 공기 중 산소량 등을 도출하여 기존 이론에 의한 화재성장 그래프와 시뮬레이션 데이터를 비교하여 정확도를 검토하였다. 본 논문에서는 두가지의 시나리오를 작성하여 화재 시뮬레이션 프로그램의 결과 값을 분석하였다. (1) 시나리오 1 : 화재시뮬레이션 대상건물 1층 거실(2번방)에서 스프링클러 미 설치시 화재가 발생한 경우를 가정하여 수평방향인 3번방과 수직방향인 7번방의 화재 확산 피해정도를 살펴보고, 화재 그래프의 이론값과 실험값의 차이를 비교하여 그 정합성을 검토하였다. 발화물질은 Curtain, TV set, Sofa, Table으로 하며 시간은 60초 간격으로 총 3600초(1시간)를 분석 하였고, 발화지점의 온도, 일산화탄소, 공기중 산소 농도를 분석하였다. (2) 시나리오 2 : 시나리오 1과 동일한 화재발현 조건으로 스프링클러가 설치되어 있을 때 화재 발생 했을 경우, 수평방향인 3번방과 수직방향인 7번방의 화재 확산 피해를 시나리오 1과 비교 검토 하였다. 기존 이론에 의한 화재 성장 그래프와 이번 시뮬레이션 결과값을 토대로 만든 그래프 형태를 비교해보면 두 그래프의 형태가 비슷한 형태를 나타내어 Flash Over 현상과 Back Draft 현상이 이론값과 같은 경향을 나타내고 있음을 확인 할 수 있었다. 따라서, 본 논문에서 수행한 화재 시뮬레이션 기법으로 건축물의 실제 화재시의 피해정도를 예측하는 데 유용하게 활용될 것으로 판단된다.

최근 공동주택은 보편적인 도시주거 유형으로 자리매김 하고 있지만, 성장 위주의 경제 산업 정책에 따른 안전의식미약, 사회구조개편에 따른 급격한 증가, 생활환경 변화와 에너지 사용 증가 등 화재 유발인자의 다양화로 인해 인적 물적 피해가 증가하고 있는 실정이다. 특히 다른 건물들과는 달리 공동주택의 거주자가 유아, 노인, 신체장애자 등 다양한 인적 구성의 형태로 이루어져 있어서 화재 발생 건수에 비해 인명피해가 월등히 높은 편이다. 공동주택에서의 화재에 대한 위험성을 인식하고, 그에 대한 인적 물적 피해를 최소화하기 위한 대책 마련이 시급하다. 본 논문은 CFAST(Consolidated Model of Fire Growth and Smoke Transport)를 사용하여 공동주택을 대상으로 실물 화재 실험을 실시하고 공간화재에서의 화재 성상을 파악하여 화재 시 개구부의 개폐 여부에 따라 발생되는 산소와 이산화탄소의 농도와 온도가 인체에 미치는 영향에 대해 알아본다. 개구부를 개방 했을 경우에 외부창문의 개폐 여부에 상관없이 모든 방의 온도 분포가 뚜렷하게 나타났지만 개구부를 폐쇄 할 경우에는 발화지점인 거실의 온도 분포만 나타났다. Flashover현상과 Back Draft현상은 개구부의 개폐여부에 상관없이 외부 창문을 폐쇄 했을 경우에 나타났지만 특히 모든 개구부와 외부창문을 폐쇄 했을 경우에 더욱 뚜렷하게 나타났다. 각 실은 점화 후 4분경에 최고 온도를 보였으며 다른 방에 비해 발화지점인 거실의 온도가 가장 높게 나타났다. 온도에 의해서는 두 가지 영향이 일어날 수 있는데, 하나는 비교적 장시간에 걸쳐 발생하는 열응력이고, 다른 하나는 짧은 시간에 발생할 수 있는 화상이다. 만약 피부온도가 $45^{\circ}C$에 이르면 인체는 고통을 느끼게 되며, 이보다 더 높은 온도에서는 깊은 피부조직까지 손상을 줄 수 있다. 움직이지 않는 사람에 대한 고통 유발 임계온도는 약 $200^{\circ}C$이며, 인체는 땀의 발산으로 온도에 대한 내성이 증가하지만 이체가 장시간 열을 받으면 사망에 이를 수 있다. 결론적으로 공동 주택을 대상으로 CFAST를 이용해 분석한 결과 플래쉬오버 현상으로 인해 화재가 성장하여 급격히 온도가 상승하다가, 산소 부족으로 인해 화재가 성장하지 않고 온도가 떨어지는 것을 알 수 있다. 화재 시 온도, 산소, 이산화탄소를 고려하였을 때 약 3분 이내에 대피해야 온도 및 가스로 인한 피해를 줄일 수 있을 것으로 판단된다.