더미 높이 변화에 따른 실린더 타입 공기안전매트의 내부 유동특성 분석
Internal Fluid Characteristics of Cylinder-Type Air-Safety Cushion as a Function of Dummy-Drop Height
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Abstract
본 연구에서는 더미의 낙하 높이 변화에 따른 실린더식 공기안전매트 내부의 압력상승 상관관계를 분석하였다. 이를 위해서 DIN 14151-3의 가속감소시험(verzögerungswerte)에서 적용하고 있는 가속값과 머리상해범위(head injury criteria) 기준을 검토하였으며, 상태방정식을 사용하여 내부 압력 상승에 따른 부피 변화량을 산출하였다. 실린더식 공기안전매트는 가로 3.5 m × 세로 3.5 m × 높이 1.7 m인 시료를 사용하였으며, 낙하 높이 8 m, 12 m, 그리고 16 m에서 75 kg의 더미를 낙하하였을 때 실린더 내부의 압력 변화와 평균 부피 변화량을 분석하였다. 그 결과 낙하 높이 8 m~16 m인 경우 공기안전매트의 실린더 내부 압력은 약 7.3%~10.7%까지 증가하였으며, 평균 부피 변화량은 4.2%~10.1% 정도인 것으로 나타났다. 본 연구의 결과는 공기안전매트의 머리상해범위에 대한 가속값을 설계하기 위한 기초 실험 자료로 활용이 가능할 것으로 판단된다.
Trans Abstract
In this study, we analyzed the relationship between the internal pressure rise of a cylinder-type air-safety cushion and the drop height of a dummy. The volume change in relation to the increase in the internal pressure was evaluated using the ideal gas equation of state. A prototype cylinder-type air cushion with dimensions of 3.7 × 3.7 × 1.7 m3 was used in the experiments. A dummy weighing 75 kg was dropped from heights of 8, 12, and 16 m, and the internal pressure of the cylinder and the resulting volume reduction were analyzed. The internal pressure of the air safety mat increased by 7.3%~10.7%, while its volume decreased by 4.2%~10.1%. The results of this study can be applied as research data to evaluate the acceleration value for the head injury criterion for air safety cushions.
1. 서 론
공기안전매트(rescue cushion)는 피난자가 낙하면에 착지하였을 때 내부 공기의 압축과 배출을 통해 충격량을 흡수하는 장비로 고층 건물 등의 화재 시 소방대원의 접근이나 구조가 어려운 환경에서 피난자가 사용할 수 있는 피난기구류 중 하나이다(1,2). 공기안전매트의 설치는 수동 방식으로 피난자의 하중과 낙하 높이에 따라서 전달되는 충격량이 다르며, 낙하면에 과도한 반발력이 발생하게 되면 부상의 위험을 초래할 수 있다(3,4). 국내의 경우 최근 호텔 화재로 인해서 피난자가 8층 높이에서 공기안전매트로 뛰어 내렸으나 매트가 뒤집히면서 사망하는 사고가 발생하였으며, 일반적으로 낙하지점의 위치와 매트 규격 및 낙하 높이와 충격량 등에 따라서 공기안전매트의 뒤집힘 사고가 나타날 수 있는 것으로 조사되고 있다. 특히, 공기안전매트의 성능은 국내뿐만 아니라 해외의 경우 모두 약 5층 정도(15 m~16 m)의 낙하 높이로 제한하고 있다(5-7). 이러한 이유는 높이가 증가할수록 주변의 풍속과 낙하 방법 그리고 피난자의 하중 등에 따라서 낙하지점과 충격량이 달라질 수 있으며, 현재 양산되는 공기안전매트 구조로는 고층(6층 이상)에서의 안전성을 확보하기 어려운 것으로 판단된다. 이러한 문제점을 해결하기 위해서는 낙하 예상 지점을 예측할 수 있는 위치기반 자동 제어 기술 등을 적용하여 안전성과 신뢰성을 확보한 전반적인 설계 변경과 기술 개발이 필요하지만 구조 변경에 따른 제품의 안전성과 경제성 등 다양한 관점에서의 관심이 필요한 것으로 사료된다.
공기안전매트의 안전성과 관련된 기존 연구사례로 Faraj 등(8,9)은 피난자의 체중과 낙하 속도 변화에 따라서 자기 조절형 공기안전매트를 설계하기 위한 연구를 수행하였다. 이를 위해서 공기안전매트 배출구 면적 등을 변화하여 동역학 수치 모델에 주요 인자와 DIN 14151-3의 가속 감속 시험에서 한계값을 만족하기 위한 설계 방안을 제시한 바 있다.
DIN 14151-3의 성능 기준에서는 충격 안전성을 확인하기 위해서 가속 감소시험(verzögerungswerte)을 적용하고 있으며, 낙하 높이 16 m에서 인체 모형 더미를 낙하하였을 때 신체 부위(머리, 가슴, 배)에 따라서 가속값이 최대 60 g~80 g의 값을 넘지 않도록 규정하고 있다(6). 이러한 근거는 1971년 Versace(10)가 자동차 에어백 등의 작동에 따른 인체 머리의 상해 범위(head injury criterion, HIC)에 대한 연구자료를 적용한 것으로 미국 도로교통안전청(national highway traffic safety administration, NHTSA)에서 Versace(10)가 제시한 상해 판단 기준을 적용하여 연령별 머리, 목, 흉부별 실험데이터를 기반으로 하여 HIC의 범위가 제시되어 있다(11).
HIC는 공기안전매트 뿐만 아니라 자동차나 항공기 등에서 공기 압축용 비상 장비를 사용하는 경우 충격에 대한 인체 상해를 판단하는 시험 기준으로 사용되고 있으며, 자동차 에어 쿠션의 경우 인체 부위별 HIC의 많은 실험자료가 구축되어 있다. 하지만, 공기안전매트의 경우 팬식과 실린더식에 따라서 공기층을 형성하는 구조가 다르며, HIC에 대한 가속값의 한계 범위와 압력 상승의 상관관계를 분석한 연구는 매우 부족한 상태이다. 특히, 시험용 더미 등에 의해서 낙하면에 가속값이 발생될 때 공기안전매트 내부의 압력 상승은 안전성 있는 매트의 재료 선정과 공기 배출 면적을 설계하는데 유용한 자료로 활용될 수 있는 것으로 판단된다.
본 연구에서는 Faraj 등(1)의 문헌을 참고하여 실린더식 공기안전매트를 시료로 선정하였으며, 시험용 더미를 사용하여 낙하 높이 변화에 따른 공기안전매트의 내부의 압력 상승과 배출구에서의 유속 변화를 분석하였으며, 향후 가속도계를 사용한 HIC의 상관관계를 도출하기 위한 기초 실험 자료를 구축하고자 한다.
2. 본 론
2.1 이론적 고찰
DIN 14151-3의 시험기준에서는 지연시간(△t) 3 ms 이하인 조건에서 공기안전매트의 가속값(a)을 제시하고 있으며, 임의 시간△t과 a를 측정하면 Versace가 제시한 식(1)의 머리상해범위(head injury criteria, HIC)의 산출이 가능하다(6,11).
여기서 a(t)는 중력가속도의 배수로 표시되는 합성 선형가속도(1 g = 9.81 m/s2)이며, t1과 t2는 HIC값이 최대가 되는 임의 순간(△t = t2 – t1)으로 평균 가속도(aavg)는 아래의 식과 같다.
식(1)과 식(2)에서 보듯이 HIC는 평균 가속도의 2.5 지수 승과 △t에 비례하기 때문에 HIC의 값이 높을수록 위험도는 증가하는 것을 의미한다. 하지만 HIC와 △t는 제품의 종류나 구조에 따라서 적용기준을 다르게 적용하고 있는 것으로 판단되며, 국내의 경우 자동차 안전기준에서는 HIC의 값을 1,000으로 하고 있으며, 미국 도로교통안전청(national highway traffic safety administration, NHTSA)에서는 △t가 15 ms인 경우 HIC를 연령별로 Table 1과 같이 한계 범위(criteria)를 설정하고 있다(11-13).
Age-Specific HIC Criteria of NHTSA
Figure 1은 실린더 타입의 공기안전매트에 더미가 떨어지는 개략도를 나타낸 것으로 실험 과정은 크게 3단계로 구분할 수 있다. 그림에서 보듯이 1단계는 설치 상태로 실린더에 팽창된 공기압에 의해서 공기안전매트가 정상상태(steady) 조건을 형성하고 있으며, 2단계는 낙하면에 더미가 충격을 가하면서 배출면적(open area)으로 내부 공기가 빠져나가고 부피가 감소되는 과도상태(unsteady) 그리고 3단계는 시험이 끝난 후 더미가 올려진 정상상태(steady)이다. 따라서, HIC는 공기안전매트의 압력 상승에 비례하게 되며, 본 연구에서는 더미의 낙하 높이 변화에 따른 공기안전매트 내부 유동 특성을 분석해 보고자 한다.
Schematic diagram of the experiment process of dummy test.
낙하 시험 과정에서 공기안전매트 내부의 온도 변화가 없다고 가정하였을 때 상태방정식을 사용하면 공기안전매트와 더미의 충격과정에서 변화되는 부피(V2)는 다음과 같이 표현할 수 있다.
여기서 V1, P1, P2 그리고 △m은 각각 공기안전매트 내부 초기 부피, 초기 압력, 더미 충격과정동안의 압력 그리고 내부 부피 변화에 의한 질량 감소량을 의미하며, 낙하면에 충격이 가해지는 동안 공기안전매트 내부의 부피가 시간에 따라서 지속적으로 변하기 때문에 △m은 식(4)의 질량유량(ṁ) 관계로 정리할 수 있다.
여기서 t1과 t2는 1단계 정상 조건에서 2단계 비정상 조건이 시작되는 시간과 3단계 정상조건이 시작되기 이전의 시간을 각각 의미하며, 밀도와 배출구 면적이 일정한 경우 공기안전매트 내부의 질량 감소는 실시간 유속을 측정하여 산출할 수 있다.
2.2 실험장치 구성
DIN 14151-3에서 공기안전매트 낙하면에 더미가 최대 충격을 가속하는 시간은 3 ms 정도로 정하고 있다. 따라서 정확한 계측을 위해서는 아날로그 형태의 연속 신호를 디지털 형태의 이산신호로 변환할 때 정보의 손실없이 샘플링 속도를 설정하여 에일리어싱(aliasing) 현상이 나타나지 않도록 해야 하며, 식(5)의 Nyquist의 샘플링 이론을 고려하여 측정 결과를 분석하였다(14).
여기서 fs와 fmax는 각각 초당 샘플링 개수와 신호에 포함된 가장 높은 주파수를 의미하며, 선행 실험 결과 샘플링 100 /s에서 측정이 어려운 것을 확인하여 본 연구에서는 1,000 /s로 하여 Table 2와 같은 센서와 규격을 사용하여 실험 장치를 구성하였다.
Specification of Sample and Sensors for Drop Height Experiments
Figure 2는 실린더 타입의 공기안전매트 시료에 대해서 낙하지점에 따른 실험장치 구성 계략도를 보여주고 있으며, 75 kg의 더미를 사용하여 낙하높이 8 m, 12 m, 16 m에 대해서 낙하면 중앙부와 모서리에 대해서 총 9가지 경우에 대해서 2회 반복시험 결과를 분석하였다. Table 3은 본 연구에서 수행한 실험 조건을 나타낸 것으로 모서리 낙하면 중앙부 16 m의 경우(Test 06) 배출부(open area)센서가 이탈 되는 현상 등으로 인해서 측정 결과를 제외하였다.
Schematic diagram and pictures of the experiment method and sensor installation.
Experiment Conditions of Drop Height for 75 kg Weighted Dummy
2.3 실험결과 분석
Figure 3은 본 연구에서 수행한 실린더 타입의 공기안전매트와 센서의 설치 및 실험 과정을 나타낸 결과이다. 그림에서 보듯이 실린더 타입은 약 60 kPa의 압축된 공기가 채워져 있으며, 개구부 면적(open arae)은 직경 10 mm로 총 24개로 구성되어 있다. 따라서 높이 8 m, 12 m, 16 m에 대해서 Test 01~Test 03은 실린더 내부의 압력, Test 04~Test 06은 1개의 개구부 면적 유속 그리고 Test 07~Test 09는 낙하지점이 모서리일 때의 압력을 측정한 결과이다.
A picture of experiment results of drop height for 75 kg weighted dummy.
Figure 4는 Test 01~Test 03의 결과로 그림에서 보듯이 높이 8 m~16 m까지 최대 압력이 64.4 kPa~66.4 kPa 정도로 증가하는 것을 확인할 수 있다. 더미가 낙하한 이후 내부의 압력이 약 61.5 kPa 정도를 유지하는 이유는 더미가 공기안전매트에 있기 때문이며, 본 연구에서 사용한 시료는 72 kg의 더미 하중에 대해서 약(1.5~2.0) kPa 정도의 공기압 상승을 일으키는 것으로 판단된다.
Effects of drop heights on inside tube pressure increase (Test 01~Test 03).
Figure 5는 Test 02의 결과를 낙하가 진행되는 시간 간격인 약 9.8 s~10.5 s까지를 확대한 결과이다. 본 연구에서는 DIN 14151-3의 가속감소 시험에서 가속도계를 사용하지 않았으나, 압력이 가속값과 비례하는 것을 고려하였을 때 압력(P)와 시간간격(△t)은 상해기준을 판단하는데 중요한 인자인 것을 확인할 수 있다. 하지만 보다 정확한 관계를 분석하기 위해서는 가속값과 공기안전매트의 압력변화 그리고 지연시간의 관계를 분석하기 위한 실험이 필요한 것으로 판단된다.
The results of unsteady pressure region at drop hight with h = 12 m (Test 02).
Figure 6은 Test 04~Test 05의 결과를 나타낸 것으로 1개의 배출구 압력을 측정한 값결과이다. 높이 16 m에서 측정한 Test 06의 경우 센서의 이탈 현상 등이 반복되었으며, 본 연구에서 사용한 bi-directional probe에 의한 유속 측정 방법의 경우 충격 과정에서 차압의 측정값 변동이 심하게 발생하였다. 따라서 향후 공기안전매트 실험장치 구성에 대한 보완이 필요한 것으로 판단되며, 높이 16 m를 제외한 압력 측정값을 분석하였다. 그림에서 보듯이 배출구에서는 압력 상승이 높이 8 m에서는 0.6 kPa 그리고 높이 12 m에서는 1.2 kPa 정도 발생하여 실린더 내부의 압력변화보다는 낮은 것을 확인할 수 있다. 그 이유는 본 연구에서 사용한 공기안전매트의 경우 총 24개의 개구부 면적이 있기 때문에 배출 유량이 실린더 내부의 압력 상승보다 낮은 것으로 판단된다.
Effects of drop heights on pressure increase of open area (Test 04~Test 05).
Figure 7은 Test 07~Test 09의 결과를 나타낸 것으로 공기안전매트 낙하면의 모서리 지점에 더미를 낙하하였을 때 실린더 내부의 압력 측정 결과이다. 그림에서 보듯이 낙하 높이와 상관없이 최대 압력 값은 약 63.5 kPa~64.2 kPa 정도로 측정되었으며, 실험이 종료된 이후 72 kg의 더미 하중에 의해서 실린더 내부 압력은 약(1.5~2.0) kPa 정도로 상승하여 유지되는 것을 확인할 수 있다. 하지만 낙하 높이와 압력 변화의 상관관계는 더미의 무게와 높이 변화 등을 고려한 추가 실험 결과를 분석할 필요가 있는 것으로 판단된다.
Effects of drop heights on inside tube pressure increase (Test 07~Test 09).
Table 4는 Figure 4와 Figure 6의 결과로부터 낙하 높이 변화에 따른 튜브 내부의 압력 상승값(Ptube,2)과 배출구에서의 압력비(PArea,1/PArea,2) 그리고 질량 감소량(△m)을 산출하여 나타낸 결과이다. 본 연구에서 사용한 시료의 배출구는 총 24개로 1개에서 측정한 질량유량이 24개 모두 동일한 것으로 가정하였다. 높이 16 m에서의 PArea,1/PArea,2는 선형 보간법을 적용하였으며, △m은 Test 04와 Test 05의 압력 데이터를 동압으로 가정한 후 식(4)에 의해서 과도 영역 구간의 값을 산출하였다.
The Summary of the Analysis Results of Dummy Drop Experiments
Figure 8은 공기안전매트 내부 초기 공기의 무게(m1)가 20 kg 정도일 때 더미의 낙하 높이 변화에 따라서 Table 4와 식(3)을 사용하여 과도 영역에서 평균 부피 변화량과 실린더 내부 압력을 나타낸 결과이다. 높이 8 m~16 m 구간에서 공기안전매트 실린더 내부의 압력 증가는 약 7.3%~10.7% 정도 측정되었으며, 초기의 공기 무게는 실린더가 차지하는 부피와 매트 두께 비율을 고려하여 약 16.9 m3가 공기로 채워져 있는 상태를 가정한 후 상태방정식에 의해서 산출하였다. 그 결과 높이 8 m~16 m 구간에서 공기안전매트의 평균 부피 변화량은 최소 4.2%에서 최대 10.1% 정도인 것으로 나타났다. 또한, 더미의 충격에 대한 인체 안전성을 분석하기 위해서는 향후 가속값을 고려한 식(1)의 HIC와 상관관계 분석이 필요한 것으로 판단된다.
The results decreased volume and increased pressure of cylinder type air cushion for drop height from 8 m to 16 m.
3. 결 론
본 연구에서는 실린더 타입의 공기안전매트와 75 kg의 시험용 더미를 사용하여 낙하 높이 변화에 따른 내부 압력 상승과 부피 변화에 대한 상관관계를 분석하였다. 이를 위해서 (W) 3.5 m × (D) 3.5 m × (H) 1.7 m 크기의 공기안전매트 시료에 대해서 더미의 높이가 8 m, 12 m 그리고 16 m인 각각의 경우 실린더 내부 압력과 배출구 1개에 대한 부피 감소량을 분석하였으며, 아래와 같은 결과를 도출하였다.
첫째, 공기안전매트의 낙하 실험은 샘플링 1,000 /s로 하여 물리량을 측하였으며, 매우 짧은 시간 동안 물리량이 변하는 실험의 경우 Nyquist 이론을 검토하여 샘플링 크기를 산정할 필요가 있는 것으로 판단된다. 특히, 양방향 유속계(Bi-directional probe)는 매트의 충격으로 인한 변동 등으로 인해서 사용이 어려운 것을 확인하였으며, 본 연구의 경우 압력센서로 대체하여 부피 감소량을 환산하였다.
둘째, 낙하면의 모서리 실험에서는 낙하 높이와 상관없이 동일한 결과가 측정되었으나 모서리 낙하실험에 따른 압력 상승의 정확한 결과를 도출하기 위해서는 더미의 무게와 낙하 높이 변화에 대한 추가 실험이 필요한 것으로 판단된다.
셋째, 낙하면이 중앙인 경우 75 kg의 더미에 대해서 낙하 높이 8 m~16 m일 때 공기안전매트 실린더 내부 압력은 초기 60 kPa에서 약 7.3%~9.2% 정도로 증가하였으며, 평균 부피 변화량은 최소 4.2%에서 최대 10.1% 정도인 것으로 나타났다. 본 연구에서 도출된 결과는 공기안전매트의 가속감소 성능을 향상시키기 위한 설계 방안을 도출하는데 유용한 기초 실험 자료로 판단된다.
후 기
본 연구는 2025년도 경일대학교 교내연구와 소방청 연구비 지원(RS-2025-02633967)에 의해 수행되었으며, 관계제위께 감사드립니다.