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문제 정의
- 본 연구에서는 국내 건축설비의 설비기준 등에 관한 규칙 제14조에서 규정하고 있는 배연창이 고층건물의 연돌효과 및 배연성능에 미치는 영향을 분석하기 위해 문헌연구, 현장측정 대상건물 선정 및 실험, 대상건물 모델링해석 및 배연창의 배연성능평가를 실시하였으며 연구의 범위 및 방법은 Figure 1과 같다.
제안 방법
- 연돌효과에 관한 연구는 주로 추운 겨울이 있는 북미지역이나 북유럽 등지에서 연구가 활발히 진행되어 왔는데 연구의 초점은 건축적인 측면, 설비적인 측면 및 소방방재적인 측면으로 구분할 수 있다. 먼저 건축 적인 측면은 1967년 Tamura와 Wilson1)이 세 개의 고층건물에 대한 압력분포 실측으로 TDC(Thermal Draft Coefficient)의 관계를 도입하여 외벽의 기밀도가 연돌 효과에 미치는 영향을 분석하였으며, 설비적인 측면으로 1991년 Tamblyn2)은 기계적 환기시스템을 통한 연돌효과 저감방안을 제안하였고 소방방재적인 측면에서 1995년 Klote3)가 화재 시 피난수단으로 비상용승강기피난시스템(EEES, Emergency Elevator Evacuation System)을 고안하여 연돌효과 및 외기 풍속에 의한 연기침입을 방지하기 위한 승강기제연시스템을 제안하였다. 그러나 국내의 연구는 1990년대부터 일부 연구자에 의해 건축 및 설비적인 측면에서 거주환경 개선을 위한 연구에 집중되어 있고 소방방재적인 측면에서는 최근부터 문헌연구, 현장실험, 모델링해석 등의 연구가 진행되고 있다.
- 모델링의 입력데이터는 현장에서 측정된 데이터(외기, 실내온도조건, 구획 및 규격 등)를 바탕으로 작업하였다. 여기서 출입문의 누설틈새는 국내 연구데이터8) 인 Table 4를 활용하였으며, 외벽기밀도는 ASHRAE 코드9)를 입력데이터로 사용하였다.
- 7m/s) 일 때 배연창에서의 질량유량을 나타낸 그래프이다. 배연창 개방 방식은 측정건물과 동일하게 화재층 및 직 상층의 배연창을 동시에 개방하는 2개층 개방방식과 화재층 배연창만을 단독으로 개방하는 1개층 개방방식으로 구분하여 적용하였으며 배연창 개방과 함께 거주자의 피난을 가정한 세대의 출입문은 간헐적으로 개방 되고 계단실과 부속실의 출입문은 상시 개방되는 조건으로 모델링 하였다.
- 본 연구에서는 현장실험을 통한 분석결과를 토대로 연기유동 해석프로그램인 미국 NIST사의 CONTAMW을 이용하여 모델링결과 및 실험결과의 비교분석을 통한 보정기밀도를 적용하여 이상적인 대상건물을 구현하고 배연창의 배연성능을 평가하였다.
- 본 연구에서의 배연창 개방방식은 측정건물과 같은 방식인 2개층 개방방식과 화재층만을 개방하는 1개층 개방방식으로 구분하여 분석하였으며 배연창 개방층에서는 재실자의 피난을 가정하여 세대의 출입문은 간헐적으로 개방되고 부속실과 계단실의 출입문은 상시 개방되는 조건으로 모델링을 하였다.
- 여기서 배연창 개방조건은 심야시간대 오피스텔의 특성상 세대 내의 배연창은 개방하지 못하고 화재 층 및 직상 층의 복도 양 끝에 설치된 4개의 배연창과 피난을 가정한 부속실 및 계단실의 문을 개방하여 절대 압력을 측정하였으며 하부 층 개방조건에서는 1층이 배연창 설치대상이 아니므로 2개 층의 배연창 개방면 적에 상당하는 유효면적의 출입문을 개방하여 절대압력을 측정하였다. 배연창에 대한 세부사항은 Table 3과 같다.
- 외기온도는 최근 10년간(1996년~2005년)의 기상데이터를 바탕으로 작성한 표준기상데이터의 겨울철(12월~2월) 서울지역 TAC(Technical Advisory Committee) 2.5%인 −11.1℃를 적용하였으며 외기풍속은 한국기후 표에 의한 서울지역 평균풍속 2.4m/s와 최대풍속 16.7m/ s로 구분하여 적용하였다.
대상 데이터
- 분석데이터는 배연창이 설치된 6층부터 39층까지 매층마다 개별적으로 화재조건을 지정하였을 때 개방된 배연창을 통해 유동되는 질량유량을 나타낸 것으로 화재층의 배연창 중 외기풍속의 영향을 가장 크게 받는 풍향방향에 위치한 배연창에서 유입/유출되는 질량유량을 분석에 사용하였다.
- 실험 시 측정시나리오는 Table 2와 같이 배연창의 개방조건에 따라 4개의 시나리오를 가지고 외기온도조건에 따라 각각 계단실, 부속실, 복도에서의 압력을 39층, 29층, 19층, 9층, 1층에서 절대압력계로 측정하였으며 실험계통은 Figure 3과 같다.
- 모델링의 입력데이터는 현장에서 측정된 데이터(외기, 실내온도조건, 구획 및 규격 등)를 바탕으로 작업하였다. 여기서 출입문의 누설틈새는 국내 연구데이터8) 인 Table 4를 활용하였으며, 외벽기밀도는 ASHRAE 코드9)를 입력데이터로 사용하였다. 분석결과에서 나타난 현장측정 및 시뮬레이션 결과의 차이는 일률적으로 적용한 외벽의 기밀도에서 기인한 것으로 판단되어 외벽의 기밀도를 보정한 보정기밀도를 적용하여 시뮬레이션 예측결과의 신뢰도를 높일 수 있었다.
- 연돌효과의 실험은 2008년 12월 빌딩 이용객이 적은 새벽시간대에 이루어졌으며 실내 및 외기온도조건은 Table 1과 같고 외기풍속은 1m/s 이하로 비교적 안정적일 때 측정하였다.
- 측정 건물은 최근 건립이 급증하고 있는 고층건물중 배연창이 설치된 서울소재 건물로서 지하 6층, 지상 40층, 높이 168m 규모로 지하 6층~지하 2층은 주차장, 지하 1층~5층은 판매시설, 6층~39층은 오피스텔, 40층은 판매시설로 운영되고 있는 주상복합 건물이다.
이론/모형
- 건물의 외벽에 작용하는 풍압계수로는 Table 7과 같이 벽면 전체를 평균압력값으로 산출한 평균풍압계수인 MacDonald 계수를 적용하였다. 여기서 바람을 받는 위치에 면한 벽의 풍압계수를 A, 바람이 불어오는 반대편에 면한 벽의 풍압계수를 B, 기타 측면에 면한 벽의 풍압계수는 C, D라고 한다.
- 본 장에서는 현장측정에서 나타난 측정한계(외기조건, 배연창개방조건 등)를 시뮬레이션을 통해 분석하기 위해 미국 NIST(National Institute of Standards and Technology)에서 개발되어 연돌효과 및 연기유동에 관한 많은 연구(Joetal., 2007; Khoukhial., 2006; Jacques, 1996; Lovatt and Wilson, 1994)에 사용되고 검증된 공기유동해석 프로그램인 CONTAMW을 사용하였으며, 본 프로그램 활용에 대한 제반 사항은 해당 매뉴얼을 따르도록 하였다.
- 7m/ s로 구분하여 적용하였다. 여기서 외기풍속은 건물의 지형에 따라 Table 6과 같이 입력되는 지형계수와 바람지수가 달라지는데 본 모델링에서는 서울도심에 있는 건물로서 Urban을 적용하였다.
성능/효과
- (1) 배연창의 개방방식에 따른 배연성능을 분석하여 보면 화재층 및 직상층을 개방하는 2개층 개방방식보다 화재층만을 단독으로 개방하는 1개층 개방방식이 배연성능이 우수한 것으로 분석되었다. 배연창의 배연 범위는 평균풍속조건에서 2개층 개방방식은 계단실의 수직샤프트 높이 51% 이상층에서 배연성능을 보였으나 1개층 개방방식은 29% 이상층에서 배연성능을 보였으며, 배연능력은 2개층 개방방식보다 1개층 개방방식에서 유입되는 질량유량은 20% 정도 감소하였고 유출되는 질량유량은 100% 정도 증가하여 배연범위 뿐만 아니라 배연능력 모두 우수한 것으로 나타났는데, 이는 배연창의 개방이 많을수록 외벽의 기밀도가 낮아져 중성대가 개방층 가까이로 이동되고 배출되는 질량 유량이 분산되어 배연성능이 오히려 떨어지는 것으로 분석되었다.
- (2) 외기풍속이 배연창의 배연성능에 미치는 영향은 크게 나타났는데 외기풍속이 강할수록 배연창의 배연 성능이 떨어지는 것으로 분석되었다. 1개층 개방방식에서 무풍조건에서는 계단실의 수직샤프트 높이 21%이상층인 3층 이상층에서, 평균풍속 조건에서는 29%이상층인 6층 이상층에서 배연성능을 발휘하였는데 본 대상건물은 6층 이상층부터 배연창이 설치되어 있으므로 전층에 걸쳐 배연성능을 발휘하였으며 최대풍속 조건에서는 전층에서 외기가 유입되어 배연성능이 없는 것으로 분석되었다.
- (2) 외기풍속이 배연창의 배연성능에 미치는 영향은 크게 나타났는데 외기풍속이 강할수록 배연창의 배연 성능이 떨어지는 것으로 분석되었다. 1개층 개방방식에서 무풍조건에서는 계단실의 수직샤프트 높이 21%이상층인 3층 이상층에서, 평균풍속 조건에서는 29%이상층인 6층 이상층에서 배연성능을 발휘하였는데 본 대상건물은 6층 이상층부터 배연창이 설치되어 있으므로 전층에 걸쳐 배연성능을 발휘하였으며 최대풍속 조건에서는 전층에서 외기가 유입되어 배연성능이 없는 것으로 분석되었다.
- 1개층 개방방식에서는 무풍조건에서 계단실의 수직 샤프트 높이 21% 이상층인 3층 이상층에서, 평균풍속 조건에서는 29% 이상층인 6층 이상층에서 배연성능을 발휘하였는데 본 측정건물은 6층 이상층부터 배연창이 설치되어 있으므로 전층에 걸쳐 배연성능을 발휘하였으며 최대풍속 조건에서는 2개층 개방방식과 동일하게 외기의 유입으로 배연성능이 없는 것으로 분석되었다.
- 분석결과, 2개층 개방방식보다 1개층 개방방식에서 유입되는 질량유량은 20% 정도 감소하였고 유출되는 질량유량은 100% 정도 증가하여 배연범위 뿐만 아니라 배연능력 또한 1개층 개방방식이 우수한 것으로 판단된다. 그러므로 측정건물에 현재 적용 중인 2개층 배연창 개방방식은 평균풍속을 고려할 경우 계단실 수직 샤프트 높이 53% 정도인 16층 이상층의 배연창 개방만이 배연성능을 기대 할 수 있었으나, 1개층 개방방식을 적용할 경우 29% 이상 층인 6층 이상층 전층(6층~39층)의 배연창이 배연성능을 확보할 수 있을 것으로 판단된다.
- 다음으로 배연창 개방방식 및 외기풍속에 따른 배연 창의 배연영역을 분석하여 보면 Table 8에서 보는 바와 같이 2개층 개방방식은 무풍조건에서 계단실의 수직샤프트 높이 46% 이상층인 15층 이상층에서, 평균 풍속 조건에서는 51% 이상층인 18층 이상층에서 배연 성능을 발휘하였으나 최대풍속 조건에서는 전층에 걸쳐 배연성능을 기대할 수 없었다.
- 먼저, 5℃의 경우 무풍에서 중성대가 계단실 수직샤프트 높이의 28.1%에 형성되었으나 평균풍속에서는 28.4%, 최대풍속에서는 38.8%로 증가하였으며, −1℃의 경우 무풍에서 28.7%, 평균풍속에서 28.8%, 최대풍속에서 36.0%, −5℃의 경우 무풍에서 28.9%, 평균풍속에서 29.1%, 최대풍속에서 35.0%, −11.1℃의 경우 무풍에서 29.3%, 평균풍속에서 29.3%, 최대풍속에서 34.0%로 증가하는 것을 볼 수 있다.
- (1) 배연창의 개방방식에 따른 배연성능을 분석하여 보면 화재층 및 직상층을 개방하는 2개층 개방방식보다 화재층만을 단독으로 개방하는 1개층 개방방식이 배연성능이 우수한 것으로 분석되었다. 배연창의 배연 범위는 평균풍속조건에서 2개층 개방방식은 계단실의 수직샤프트 높이 51% 이상층에서 배연성능을 보였으나 1개층 개방방식은 29% 이상층에서 배연성능을 보였으며, 배연능력은 2개층 개방방식보다 1개층 개방방식에서 유입되는 질량유량은 20% 정도 감소하였고 유출되는 질량유량은 100% 정도 증가하여 배연범위 뿐만 아니라 배연능력 모두 우수한 것으로 나타났는데, 이는 배연창의 개방이 많을수록 외벽의 기밀도가 낮아져 중성대가 개방층 가까이로 이동되고 배출되는 질량 유량이 분산되어 배연성능이 오히려 떨어지는 것으로 분석되었다.
- 본 데이터의 분석 중 14층, 15층 화재조건에서 질량 유량의 유동폭이 크게 발생하였는데 이는 6층부터 15층까지 건물 중앙을 관통하는 중정(10.8m × 36m)에서의 상승기류가 개방된 배연창으로 유출되면서 발생되는 현상으로 판단되며 본 연구의 정성적인 평가에서는 의미를 부여하지 않았다.
- 본 연구에서의 배연창 배연성능 평가는 개방된 배연 창에서의 질량유량(Mass flow rate, kg/s)의 유동으로 분석하였는데 질량유량이 (+)는 외기가 실내로 유입되고 (−)는 실내공기가 대기로 배출되는데 이러한 공기의 유동은 화재발생 시 연기의 거동과 같아서 (+)는 외기가 실내 로 유입되어 배연성능을 기대 할 수 없고 (−)는 실내공기가 대기로 배출되어 배연성능이 있다고 분석하였다.
- 분석결과, 2개층 개방방식보다 1개층 개방방식에서 유입되는 질량유량은 20% 정도 감소하였고 유출되는 질량유량은 100% 정도 증가하여 배연범위 뿐만 아니라 배연능력 또한 1개층 개방방식이 우수한 것으로 판단된다. 그러므로 측정건물에 현재 적용 중인 2개층 배연창 개방방식은 평균풍속을 고려할 경우 계단실 수직 샤프트 높이 53% 정도인 16층 이상층의 배연창 개방만이 배연성능을 기대 할 수 있었으나, 1개층 개방방식을 적용할 경우 29% 이상 층인 6층 이상층 전층(6층~39층)의 배연창이 배연성능을 확보할 수 있을 것으로 판단된다.
- 여기서 출입문의 누설틈새는 국내 연구데이터8) 인 Table 4를 활용하였으며, 외벽기밀도는 ASHRAE 코드9)를 입력데이터로 사용하였다. 분석결과에서 나타난 현장측정 및 시뮬레이션 결과의 차이는 일률적으로 적용한 외벽의 기밀도에서 기인한 것으로 판단되어 외벽의 기밀도를 보정한 보정기밀도를 적용하여 시뮬레이션 예측결과의 신뢰도를 높일 수 있었다.
후속연구
- 또한, 배연창에 관한 연구는 국내·외 거의 전무하여 건물 내에서 발생되는 연돌효과와 외기 풍속이 개방된 배연창의 배연성능에 미치는 연구가 선행되어야 건축물 제연성능 및 피난안전성 확보가 이루어 질 것으로 판단된다.
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