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문제 정의
- 본 연구는 초고층 주상복합건물에서 발생되는 연돌효과가 피난 및 연기확산에 미치는 영향을 알고자, 평상시와 배연창 개방 조건으로 구분하여 현장측정을 실시하여 다음과 같이 초고층빌딩의 압력분포 특성을 파악하였다.
제안 방법
- 다음과 같이 외기온도조건에 따라 배연창이 개방되지 않는 정상조건 및 배연창 개방조건으로 구분하여 압력을 측정하였다.
- 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 절대압력을 측정하였으며 하부 층 개방조건에서는 1층이 배연창 설치대상이 아니므로 2개 층의 배연창 개방면적에 상당하는 유효면적의 출입문을 개방하여 절대압력을 측정하였다. 배연창에 대한 세부사항은 Table 4와 같다.
- 현장측정은 2008년 12월 19일부터 23일까지 5일간 빌딩 이용객이 가장 적은 새벽시간대에 이루어졌다. 측정 시 외기 조건은 Table 1, 실내온도조건은 Table 2에 나타냈고, 주요 측정 장비의 세부사항은 Table 3과 같다.
대상 데이터
- 구조는 2개의 엘리베이터와 계단실이 있고 그 주위에 복도가 배치되어 있으며 외부와 면하여 전용공간이 배치된 중앙 코어방식의 건물로서 외벽은 커튼월(Curtain wall) 방식으로 되어 있다. 건축법(국토해양부, 2008)에 따른 배연창은 오피스텔이 있는 6층부터 39층까지는 설치되어 있으며 화재 발생시 화재층 및 직상층을 개방하는 방식으로 구성되어 있다.
- 중성대의 형성위치 또한 건물의 기밀도 및 개구비율 등에 따라 영향을 받는데, 본 연구대상인 빌딩에서는 1층 로비 3면에 분산된 출입구와 지하주차장 램프를 통한 외기 유입 등으로 저층부의 개구비율이 상대적으로 크게 나타나 지면에서 전체 빌딩 높이의 16% 전후의 높이에 위치한 6층 정도에서 중성대가 형성되었다. 이같이 낮게 형성되는 중성대는 최근 건립이 급증하고 있는 주상복합건물의 공통된 문제점으로 저층부에는 화재의 위험성이 상대적으로 높은 판매시설과 위락시설이, 중·상층부에는 주거시설이 배치되어 있다.
- 측정 대상 건물은 최근 건립이 급증하고 있는 초고층건물중 배연창이 설치된 지하6층, 지상40층, 높이168m 규모의 서울소재 주상복합건물로서, 지하6층~지하2층은 주차장, 지하 1층~5층은 판매시설, 6층~39층 오피스텔, 40층은 판매시설로 구성되어 있다.
성능/효과
- 1) 배연창이 개방되지 않는 정상조건에서 수직압력분포는 연돌효과에 의해 발생되는 차압에 의해 보통 결정되어진다. 그런데 수직샤프트의 길이가 길고, 24시간 냉난방이 이루어지는 용도특성으로 혹서기 심야시간대에 실내외 온도차에 의해 연돌효과가 크게 발생하였다.
- 2) 정상조건에서 수평압력분포는 중성대를 기준으로 위쪽은 실내압이 대기압보다 높아 실내공기가 빌딩 외부로 유출되고 아래쪽은 실내압이 대기압보다 낮아 외기가 실내로 유입되는 공기흐름을 나타내지만 건물 기밀도, 구획 및 난방기류 등에 의한 수평압력분포에도 영향을 미치는 것을 알 수 있었다. 수평압력분포는 대기와 수직샤프트의 온도차에 의해 발생되는 차압이 수평경로인 거실, 복도, 부속실 등의 구획에 분담되어 나타나는 압력분포로서, 대기온도 5℃의 경우, 연돌효과보다 난방기류에 의한 압력상승이 크게 작용하여 계단실의 압력이 낮게 나타났고, 대기온도 -5℃의 경우, 연돌효과가 강하게 작용하여 계단실의 압력을 상대적으로 높게 형성하는 것으로 판단된다.
- 3) 배연창 개방에 따른 계단실의 압력분포는 외기의 유입으로 차압은 증가하고, 중성대는 배연창의 개방한 층 쪽으로 이동하는 특성을 확인할 수 있었다. 대기온도 -5℃이고 38, 39층의 배연창을 개방조건은 1층에서 -126 Pa의 최대 차압이 발생하였으며, 1층 개방조건에서는 40층에서 159 Pa의 최대 차압이 발생하였다.
- 38, 39층의 배연창 개방조건에서의 1층 부속실문 개방력은 130 N정도, 1층의 개방조건에서의 39층 부속실문 개방력은 140 N정도로 국가화재안전기준(NFSC501A, 2007)에서의 110 N이하를 초과하는 것으로 나타났다. 또한, 피난을 위해 부속실과 계단실문이 동시에 개방할 경우 연돌효과에 의한 공기흐름으로 계단실문이 완전히 닫히지 않아 연기 및 화재 확산이 이루어 질 수 있음을 예측할 수 있었다.
- 또한, 수평피난경로인 거실, 복도, 부속실 그리고 계단실에서 발생되는 압력분포 분석결과, 중성대를 기준으로 위쪽은 실내압이 대기압보다 높아 실내공기가 대기로 유출되고 아래쪽은 실내압이 대기압보다 낮아 대기가 실내로 유입되는 기류흐름을 가지는 것을 알 수 있었다. 이것은 각 층별 거실, 복도, 부속실 그리고 계단실까지의 수평적 압력분포에 따라 형성되는 기류흐름에 의한 것으로서 각 층에서 발생되는 연돌효과로 인해 발생되는 차압형성으로 인해 공기흐름을 발생시키기 때문인 것으로 분석된다.
- 38, 39층의 배연창 개방조건에서의 1층 부속실문 개방력은 130 N정도, 1층의 개방조건에서의 39층 부속실문 개방력은 140 N정도로 국가화재안전기준(NFSC501A, 2007)에서의 110 N이하를 초과하는 것으로 나타났다. 또한, 피난을 위해 부속실과 계단실문이 동시에 개방할 경우 연돌효과에 의한 공기흐름으로 계단실문이 완전히 닫히지 않아 연기 및 화재 확산이 이루어 질 수 있음을 예측할 수 있었다.
- 5는 배연창 개방에 따른 계단실과 빌딩외부와의 차압을 나타낸 것으로서 대기온도 변화에 따라 차압은 증가하고 중성대는 배연창 개방 층 쪽으로 이동하는 압력분포 특성을 볼 수 있다. 측정시나리오에서 상부 층인 38, 39층의 배연창 개방조건은 이하 전 층의 계단실 압력이 부압(Negative pressure)영역으로 형성되고 하부 층인 1층 개방조건에서는 이상 전 층의 계단실 압력이 양압(Positive pressure)영역으로 형성되는 것을 확인할 수 있었다. 이러한 압력분포는 화재발생 시 연기의 거동과 밀접한 관계가 있어서 하부 층에서 배연창이 개방될 경우 연기의 부력이나 팽창력보다 연돌효과에 의한 유입기류가 강하게 작용하거나, 개방된 배연창으로 외기 바람이 유입될 경우 수직 샤프트로 유입된 연기는 강력한 연돌효과가 구동력이 되어 상부층을 연기로 오염시킬 수 있으며 상층부에서는 연돌효과에 의한 차압으로 피난 시 계단실 문의 개방장애를 가져올 수 있다.
후속연구
- 4) 연돌효과 평가는 재실자의 안전에 직결된 중요한 사항이므로 국내 건축 환경에 맞는 현장측정과 실험을 통한 데이터베이스 구축 및 유체흐름의 종합적인 분석과 예측을 위한 시뮬레이션 등 지속적인 연구가 이루어 져야할 것으로 판단된다.
- 여기서 보통 복도를 1차 안전구역, 부속실을 2차 안전구역 그리고 계단실을 3차 안전구역이라고 불리어진다. 화재발생 시 이러한 안전구역들을 통한 피난동선이 연기의 확산경로와 동일하여 피난시간이 상대적으로 긴 초고층건물에서 재실자의 안전한 피난과 최적 제연시스템 설계를 위해서는 건물의 압력분포 특성분석을 통하여 이루어져야 할 것이다.
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