초고층건물 화재시 배연창 개방이 연돌효과 및 제연성능에 미치는 영향 (The) influence of natural smoke ventilators on the stack effect and smoke control in high-rise building fires원문보기
본 연구에서는 국내 건축관계법령에서 규정하고 있는 배연창이 초고층건물의 연돌효과 및 제연성능에 미치는 영향을 분석하기 위해 현장실험과 모델링 해석을 병행하였다. 현장실험은 배연창이 설치된 국내 초고층주상복합건물을 선정하여 겨울철 외기온도에 따라 정상조건 및 배연창 개방조건에서 연돌효과 와 압력분포를 측정·분석하였으며 모델링 해석에서는 이상적인 대상건물 구현을 위해 모델링결과 및 실험결과의 비교분석을 통한 보정기밀도를 적용하여 대상건물의 제연성능을 평가하였다. 최종적으로 초고층건물 배연창의 보편적인 제연성능 평가를 유도하기 위하여 기존 40층 건물 외에 동일한 구조의 80층, 120층 규모의 초고층건물에서 건물 층수, 배연창 개방방식 및 외벽 ...
본 연구에서는 국내 건축관계법령에서 규정하고 있는 배연창이 초고층건물의 연돌효과 및 제연성능에 미치는 영향을 분석하기 위해 현장실험과 모델링 해석을 병행하였다. 현장실험은 배연창이 설치된 국내 초고층주상복합건물을 선정하여 겨울철 외기온도에 따라 정상조건 및 배연창 개방조건에서 연돌효과 와 압력분포를 측정·분석하였으며 모델링 해석에서는 이상적인 대상건물 구현을 위해 모델링결과 및 실험결과의 비교분석을 통한 보정기밀도를 적용하여 대상건물의 제연성능을 평가하였다. 최종적으로 초고층건물 배연창의 보편적인 제연성능 평가를 유도하기 위하여 기존 40층 건물 외에 동일한 구조의 80층, 120층 규모의 초고층건물에서 건물 층수, 배연창 개방방식 및 외벽 기밀도가 배연창의 제연성능에 미치는 영향을 모델링 해석을 통해 분석하였으며 다음과 같은 결과를 얻었다. 1. 40층 초고층건물의 배연창에 대한 실험 및 해석결과 외기온도는 연돌효과에 의한 차압의 크기를 결정하고 외기풍속 및 외벽 기밀도는 중성대 위치형성에 영향이 있는데 이러한 건물 내에서 발생되는 연돌효과 및 외기풍속의 상호관계가 배연창의 제연성능을 결정하고 그에 따른 최대차압은 피난문의 개방력과 관련되는 중요한 인자임이 확인할 수 있었다. 2. 모델링 해석결과 외기온도 TAC 2.5%(11.1℃)에서 건물 층수에 따른 배연창의 제연성능은 40층, 80층, 120층 건물 모두 무풍조건에서는 계단실의 수직샤프트 높이 21%∼22%이상층, 평균풍속(2.4m/s)조건에서는 27%∼29%이상층부터 배연창의 배연성능이 나타나는 것으로 분석되었으며, 최대풍속(16.7m/s)조건에서는 40층, 80층 건물은 전 층에서 외기가 유입되어 배연성능을 기대 할 수 없었으나, 120층 건물에서는 72%이상층에서 제연성능을 확인 할 수 있었는데, 이는 건물 층수에 따라 증가한 연돌효과에 의한 차압이 외기 풍속에 의한 풍압보다 크게 작용하였기 때문으로 분석된다. 따라서 초고층건물에서의 배연창 설계는 단순한 사양위주설계(Prescriptive based design)가 아닌 성능위주설계(Performance based design)가 필요하다고 판단된다. 3. 배연창 개방방식에 따른 제연성능은 통상 화재층 배연창을 개방하는 1개층 개방방식과 화재층과 직상층의 배연창을 개방하는 2개층 개방방식 등이 현장여건에 따라 임의적으로 선택되고 있으나, 모델링을 통해 해석한 결과, 화재층 만을 개방하는 1개층 개방방식의 제연성능이 가장 우수한 것으로 분석되었는데 원인은 배연창의 개방층이 많아질수록 외벽의 개구율이 높아져 중성대가 개방층 가까이 이동되고 배출되는 질량유량이 분산되어 제연성능이 오히려 떨어지는 것으로 분석되었다. 4. 외벽 기밀도가 배연창의 제연성능에 미치는 영향은 기밀도가 높을수록 제연성능이 우수한 것으로 분석되었는데 Tight구조는 25%∼26%, Average구조는 28∼30%, Loose구조는 31%∼32%이상층에서 제연성능이 나타나는 것으로 분석되었다. 이는 외벽의 기밀도가 낮을수록 외기의 유입이 많아지고 중성대가 상승되어 연돌효과에 의한 제연성능이 떨어지는 것으로 분석되었다. 이상의 분석을 종합하면, 배연창의 제연성능은 건축물의 구조나 외벽기밀도 보다는 배연창 개방방식 및 외기조건에 더욱 많은 영향을 받는 것으로 분석되었는데, 배연창 개방방식은 화재층만을 개방하는 1개층 개방방식의 제연성능이 가장 우수하게 나타났으며 외기온도는 연돌효과에 의한 차압의 크기를 결정하고 외기풍속은 중성대 위치형성에 영향이 있는 것으로 분석되었다. 그러므로 외기온도 TAC 2.5%(11.1℃), 평균풍속(2.4m/s)조건에서 배연창은 계단실의 수직샤프트 높이 약 30%이상층에 설치하여야만 개방된 배연창에서 제연성능을 확보할 수 있는 것으로 분석되었으며 연돌효과 및 외기풍속은 고도에 따라 증가하므로 건물이 초고층화되어 갈수록 성능위주설계를 바탕으로 한 제연성능 평가가 수반되어야 할 것으로 판단된다.
본 연구에서는 국내 건축관계법령에서 규정하고 있는 배연창이 초고층건물의 연돌효과 및 제연성능에 미치는 영향을 분석하기 위해 현장실험과 모델링 해석을 병행하였다. 현장실험은 배연창이 설치된 국내 초고층주상복합건물을 선정하여 겨울철 외기온도에 따라 정상조건 및 배연창 개방조건에서 연돌효과 와 압력분포를 측정·분석하였으며 모델링 해석에서는 이상적인 대상건물 구현을 위해 모델링결과 및 실험결과의 비교분석을 통한 보정기밀도를 적용하여 대상건물의 제연성능을 평가하였다. 최종적으로 초고층건물 배연창의 보편적인 제연성능 평가를 유도하기 위하여 기존 40층 건물 외에 동일한 구조의 80층, 120층 규모의 초고층건물에서 건물 층수, 배연창 개방방식 및 외벽 기밀도가 배연창의 제연성능에 미치는 영향을 모델링 해석을 통해 분석하였으며 다음과 같은 결과를 얻었다. 1. 40층 초고층건물의 배연창에 대한 실험 및 해석결과 외기온도는 연돌효과에 의한 차압의 크기를 결정하고 외기풍속 및 외벽 기밀도는 중성대 위치형성에 영향이 있는데 이러한 건물 내에서 발생되는 연돌효과 및 외기풍속의 상호관계가 배연창의 제연성능을 결정하고 그에 따른 최대차압은 피난문의 개방력과 관련되는 중요한 인자임이 확인할 수 있었다. 2. 모델링 해석결과 외기온도 TAC 2.5%(11.1℃)에서 건물 층수에 따른 배연창의 제연성능은 40층, 80층, 120층 건물 모두 무풍조건에서는 계단실의 수직샤프트 높이 21%∼22%이상층, 평균풍속(2.4m/s)조건에서는 27%∼29%이상층부터 배연창의 배연성능이 나타나는 것으로 분석되었으며, 최대풍속(16.7m/s)조건에서는 40층, 80층 건물은 전 층에서 외기가 유입되어 배연성능을 기대 할 수 없었으나, 120층 건물에서는 72%이상층에서 제연성능을 확인 할 수 있었는데, 이는 건물 층수에 따라 증가한 연돌효과에 의한 차압이 외기 풍속에 의한 풍압보다 크게 작용하였기 때문으로 분석된다. 따라서 초고층건물에서의 배연창 설계는 단순한 사양위주설계(Prescriptive based design)가 아닌 성능위주설계(Performance based design)가 필요하다고 판단된다. 3. 배연창 개방방식에 따른 제연성능은 통상 화재층 배연창을 개방하는 1개층 개방방식과 화재층과 직상층의 배연창을 개방하는 2개층 개방방식 등이 현장여건에 따라 임의적으로 선택되고 있으나, 모델링을 통해 해석한 결과, 화재층 만을 개방하는 1개층 개방방식의 제연성능이 가장 우수한 것으로 분석되었는데 원인은 배연창의 개방층이 많아질수록 외벽의 개구율이 높아져 중성대가 개방층 가까이 이동되고 배출되는 질량유량이 분산되어 제연성능이 오히려 떨어지는 것으로 분석되었다. 4. 외벽 기밀도가 배연창의 제연성능에 미치는 영향은 기밀도가 높을수록 제연성능이 우수한 것으로 분석되었는데 Tight구조는 25%∼26%, Average구조는 28∼30%, Loose구조는 31%∼32%이상층에서 제연성능이 나타나는 것으로 분석되었다. 이는 외벽의 기밀도가 낮을수록 외기의 유입이 많아지고 중성대가 상승되어 연돌효과에 의한 제연성능이 떨어지는 것으로 분석되었다. 이상의 분석을 종합하면, 배연창의 제연성능은 건축물의 구조나 외벽기밀도 보다는 배연창 개방방식 및 외기조건에 더욱 많은 영향을 받는 것으로 분석되었는데, 배연창 개방방식은 화재층만을 개방하는 1개층 개방방식의 제연성능이 가장 우수하게 나타났으며 외기온도는 연돌효과에 의한 차압의 크기를 결정하고 외기풍속은 중성대 위치형성에 영향이 있는 것으로 분석되었다. 그러므로 외기온도 TAC 2.5%(11.1℃), 평균풍속(2.4m/s)조건에서 배연창은 계단실의 수직샤프트 높이 약 30%이상층에 설치하여야만 개방된 배연창에서 제연성능을 확보할 수 있는 것으로 분석되었으며 연돌효과 및 외기풍속은 고도에 따라 증가하므로 건물이 초고층화되어 갈수록 성능위주설계를 바탕으로 한 제연성능 평가가 수반되어야 할 것으로 판단된다.
Natural smoke ventilator is one of domestic prescriptive methods to be used to exhaust smoke in case of fire in a high-rise buildings. The goal of this study is to evaluate the stack effect and the smoke exhaust performance in high-rise buildings with the opening of natural smoke ventilators using c...
Natural smoke ventilator is one of domestic prescriptive methods to be used to exhaust smoke in case of fire in a high-rise buildings. The goal of this study is to evaluate the stack effect and the smoke exhaust performance in high-rise buildings with the opening of natural smoke ventilators using computer aided modeling technology, thus to estimate its effectiveness as a tool of smoke exhaust. At first, a domestic high-rise building with natural smoke ventilators was selected for this study and the pressure differential was measured to analyze the stack effect with the closure or the opening of natural smoke ventilators. Computer modeling based on experimentally measured data was carried out to estimate effectiveness of natural smoke ventilators in high-rise buildings using CONTAMW program developed by NIST-USA. An appropriate compensation technique for the air tightness of the modeled building was implemented to increase the modeling accuracy by comparing computational results with experimental data. Other input variables in the computer model were based upon outside air temperatures of Seoul TAC 2.5%, wind velocities of average and maximum speed. This compensated model was used to predict the pressure differentials, the position of neutral plane and mass flow rates upon opening of natural smoke ventilators at fire in high-rise buildings of 40F, 80F and 120F. The results of this study were summarized as follows. 1. Experimental measurement 1) Differential pressure due to stack effect for the normal state of the 40F test building was experimentally measured and shown to be very close to the analytical expectation. Neutral plane of the building was found to be located near 6th floor, 28.8% of the height of vertical stairway shaft due to the relatively large openings at the bottom of the building. Decrease in outdoor temperature strongly changed its stack effect to increase maximum differential pressure. 2) Both experimental and computational results showed that neutral plane moved toward the openings of the building upon opening natural smoke ventilators. The movement of the neutral plane changed the pressure distribution of the building and may cause frequent failure of the door openings due to the large pressure differential. The opening of ventilators of the top floor at outdoor temperature of -5 ℃ needed door opening force of 130N in the elevator lobby on the first floor. The opening of ventilators of the bottom floor at outdoor temperature of -5 ℃ needed the door opening force of 140N in the elevator lobby on the 39th floor. These forces exceeded maximum door opening force of 110N in the National Fire Safety Code. 2. Modeling & wall tightness compensation for the test building 1) Based on the experimental data modeling of the building using CONTAMW was carried out and showed that neutral plane of the real building was located between at 28.2% of the vertical shaft height for Tight wall and at 29.1% for Average tight wall. 2) To provide a more precise prediction for the building model, a compensated wall tightness of was obtained from the repeated computer simulations. 3. Performance estimation of natural smoke ventilators 1) It was estimated that smoke exhaust performance of natural smoke ventilator only existed for more than 29% floor height of the stairway shaft with the conditions of outdoor temperature of TAC 2.5%(11.1℃) and wind velocity of 2.4m/s. With maximum wind velocity of 16.7 m/s, little smoke exhaust performance was expected for 40F and 80F building. In 120F building only more than 72% floor height of the building had smoke exhaust performance. This results mainly caused by the stack effect provide the necessity of performance based design rather than simple prescriptive design in high-rise buildings. 2) Regarding the opening mode of natural smoke ventilators at fire the performance of smoke exhaust was more efficient with the one-floor opening of rather than the multi-floor opening of natural smoke ventilators due to the movement of neutral plane toward the openings. 3) The air tightness of the exterior wall had some impact on the smoke control efficiency of natural smoke ventilators with the increase of building height. In 40F building little effect was found and in 80F building the variation was 3F, in 120F building the variation was 5F. It should be noted that in ultra-high-rise buildings air tightness of the exterior wall strongly affects smoke control efficiency of natural smoke ventilators. 4) According to the comprehensive modeling analysis it was concluded that smoke control efficiency of natural smoke ventilators in high-rise buildings was more affected by outdoor climatic conditions and building height rather than air tightness or opening mode. Natural smoke ventilators installed on approximately more than 30% floor height of the building can have smoke exhaust performance at fire with conditions of outdoor temperature of TAC 2.5%(11.1℃) and average wind velocity of 2.4m/s regardless of air tightness of exterior wall and building height. With extreme climatic conditions additional performance based analysis on the smoke control efficiency of natural smoke ventilators is needed for high-rise building fires.
Natural smoke ventilator is one of domestic prescriptive methods to be used to exhaust smoke in case of fire in a high-rise buildings. The goal of this study is to evaluate the stack effect and the smoke exhaust performance in high-rise buildings with the opening of natural smoke ventilators using computer aided modeling technology, thus to estimate its effectiveness as a tool of smoke exhaust. At first, a domestic high-rise building with natural smoke ventilators was selected for this study and the pressure differential was measured to analyze the stack effect with the closure or the opening of natural smoke ventilators. Computer modeling based on experimentally measured data was carried out to estimate effectiveness of natural smoke ventilators in high-rise buildings using CONTAMW program developed by NIST-USA. An appropriate compensation technique for the air tightness of the modeled building was implemented to increase the modeling accuracy by comparing computational results with experimental data. Other input variables in the computer model were based upon outside air temperatures of Seoul TAC 2.5%, wind velocities of average and maximum speed. This compensated model was used to predict the pressure differentials, the position of neutral plane and mass flow rates upon opening of natural smoke ventilators at fire in high-rise buildings of 40F, 80F and 120F. The results of this study were summarized as follows. 1. Experimental measurement 1) Differential pressure due to stack effect for the normal state of the 40F test building was experimentally measured and shown to be very close to the analytical expectation. Neutral plane of the building was found to be located near 6th floor, 28.8% of the height of vertical stairway shaft due to the relatively large openings at the bottom of the building. Decrease in outdoor temperature strongly changed its stack effect to increase maximum differential pressure. 2) Both experimental and computational results showed that neutral plane moved toward the openings of the building upon opening natural smoke ventilators. The movement of the neutral plane changed the pressure distribution of the building and may cause frequent failure of the door openings due to the large pressure differential. The opening of ventilators of the top floor at outdoor temperature of -5 ℃ needed door opening force of 130N in the elevator lobby on the first floor. The opening of ventilators of the bottom floor at outdoor temperature of -5 ℃ needed the door opening force of 140N in the elevator lobby on the 39th floor. These forces exceeded maximum door opening force of 110N in the National Fire Safety Code. 2. Modeling & wall tightness compensation for the test building 1) Based on the experimental data modeling of the building using CONTAMW was carried out and showed that neutral plane of the real building was located between at 28.2% of the vertical shaft height for Tight wall and at 29.1% for Average tight wall. 2) To provide a more precise prediction for the building model, a compensated wall tightness of was obtained from the repeated computer simulations. 3. Performance estimation of natural smoke ventilators 1) It was estimated that smoke exhaust performance of natural smoke ventilator only existed for more than 29% floor height of the stairway shaft with the conditions of outdoor temperature of TAC 2.5%(11.1℃) and wind velocity of 2.4m/s. With maximum wind velocity of 16.7 m/s, little smoke exhaust performance was expected for 40F and 80F building. In 120F building only more than 72% floor height of the building had smoke exhaust performance. This results mainly caused by the stack effect provide the necessity of performance based design rather than simple prescriptive design in high-rise buildings. 2) Regarding the opening mode of natural smoke ventilators at fire the performance of smoke exhaust was more efficient with the one-floor opening of rather than the multi-floor opening of natural smoke ventilators due to the movement of neutral plane toward the openings. 3) The air tightness of the exterior wall had some impact on the smoke control efficiency of natural smoke ventilators with the increase of building height. In 40F building little effect was found and in 80F building the variation was 3F, in 120F building the variation was 5F. It should be noted that in ultra-high-rise buildings air tightness of the exterior wall strongly affects smoke control efficiency of natural smoke ventilators. 4) According to the comprehensive modeling analysis it was concluded that smoke control efficiency of natural smoke ventilators in high-rise buildings was more affected by outdoor climatic conditions and building height rather than air tightness or opening mode. Natural smoke ventilators installed on approximately more than 30% floor height of the building can have smoke exhaust performance at fire with conditions of outdoor temperature of TAC 2.5%(11.1℃) and average wind velocity of 2.4m/s regardless of air tightness of exterior wall and building height. With extreme climatic conditions additional performance based analysis on the smoke control efficiency of natural smoke ventilators is needed for high-rise building fires.
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