[논문]고층건물 피난계단에서의 연돌효과 저감방안 연구

김정엽; 신현준

[국내논문] 고층건물 피난계단에서의 연돌효과 저감방안 연구
A Study on Reduction Method of Stack Effect at Stairwell of High-Rise Building 원문보기

한국화재소방학회 논문지= Fire science and engineering, v.25 no.5, 2011년, pp.14 - 20

김정엽 (한국건설기술연구원 화재안전연구실) , 신현준 (한국건설기술연구원 화재안전연구실)

초록
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건축물이 고층화되면서 피난을 위한 주요 시설인 피난계단에서는 수직적 구조로 인해 연돌효과의 영향이 크게 발생하고 있다. 동절기에 연돌효과로 인한 계단실의 압력상승으로 피난문을 열고 대피하는데 어려움이 있고, 피난계단의 연기안전을 위한 급기가압 제연시스템의 운전성능에 교란이 발생되기 때문에 피난계단에서의 연돌효과를 저감시켜야 더욱 안전한 대피환경을 제공할 수 있다. 본 연구에서는 고층 건물에서의 현장실험을 통해 피난계단에서의 연돌효과를 저감시킬 수 있는 방안을 도출하였고, 네트워크 모델을 사용한 수치해석을 수행하여 정량적이고 상세한 설계방안을 제시하였다. 현장실험 결과 피난계단의 저층부에서 피난계단으로 공기가 급기되고 고층부에서 피난계단의 외부로 공기가 배기되도록 공기의 흐름을 생성시켜 준다면 고층 건물의 피난계단에서의 연돌효과가 저감될 것으로 예측된다.

Abstract ▼ AI-Helper

As the height of the building increases, the stack effect in stairwell that is main facilities for evacuation becomes stronger. While the pressure rise in stairwell causes difficulties on opening the door for evacuation and has effect on smoke control system, reduction of stack effect will be necessary for providing more safe evacuation environment. The field experiments on pressure field in high-rise building are carried out to present reduction method of stack effect and the numerical analyses using network model are proceeded to design quantitatively the reduction method. As the air flow supplied from outside in lower stair and exhausted to outside in upper stair is formed in stairwell, the stack effect in stairwell is expected to be decreased.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구에서는 네트워크 모델의 수치해석기법을 사용하여 순환형 연돌효과 저감방안에 대한 해석을 수행하였다. 이를 위한 연구대상의 모델 건물은 Figure 8과 같이 지상 20층의 건물로서 피난계단과 송풍기, 수직 덕트를 포함하도록 하였다.
본 연구에서는 피난계단의 저층부에서 고층부로 공기의 흐름을 생성시키면 연돌효과가 감소된다는 현장실험의 결과를 공학적으로 적용하기 위하여 Figure 8과 같은 방안을 고안하였다. 구체적 내용은 그림에서와 같이 수직풍도와 송풍기를 이용하여 피난계단의 저층부에서 급기그릴을 통해 공기를 급기하고 고층부에서 배기그릴을 통해 배기하는 순환형 연돌효과 저감방안이다.
본 연구에서는 현장실험을 통해 피난계단에서의 연돌효과를 저감시킬 수 있는 유용한 방안을 도출하였고, 네트워크 모델을 사용한 수치해석을 수행하여 정량적이고 상세한 설계방안을 제시하였다.

제안 방법

2) 한편 주거용 고층건물이 증가하면서 주거형의 건축·설비적 특성을 가지는 국내 건물을 대상으로 연돌효과에 의한 영향이 실제 측정과 시뮬레이션을 통해 규명되었다.
를 −20 ℃(253 K), −10 ℃(263 K), 0 ℃(273 K), 10 ℃(283 K)로 하여 실내외 온도차를 변하게 하였다. 각각의 실내외 온도차에 대하여 순환형 연돌효과 저감방안의 송풍기 풍량, Q_f을 0.0 m³/s에서 5.0 m³/s 까지 달리해가며 20층 계단에서 생성되는 압력을 도출하였다. 20층 계단에서의 압력차, ∆P_20F는 20층 계단의 압력과 실외압력의 차이를 의미한다.
본 연구에서는 31층 규모의 고층 건물에서의 현장실험을 통해 피난계단에서의 연돌효과를 저감시킬 수 있는 방안을 도출하였고, 정량적인 설계방안의 제시를 위하여 네트워크 모델을 사용한 수치해석을 수행한 결과 다음과 같은 결론을 얻었다.
본 연구에서는 연돌효과가 크게 발생하는 동절기에 Figure 1과 같이 31층의 고층 건물을 대상으로 피난계단(Stair)의 저층에서 고층까지 일정간격으로 압력센서를 설치하였으며, 저층인 3층과 고층인 30층은 피난계단과 연결된 부속실(Lobby), 거실(Accommodation)에서도 압력을 동시에 계측할 수 있도록 하였다. Figure 2는 피난계단에서 형성되는 압력을 측정하기 위해 피난계단에 설치한 압력계를 보여주고 있다.
실험조건은 Table 1과 같이 전층의 피난문을 닫은 상태(CASE1), 1층의 피난계단과 부속실의 피난문을 개방한 상태(CASE2) 및 1층과 31층의 피난계단, 부속실 피난문을 개방한 상태(CASE3)에서 각 측정위치의 압력변화를 계측하였다. CASE2와 CASE3과 같이 피난계단과 부속실의 피난문을 개방하면 계단실과 계단실 외부사이에 공기가 흐르는 유로가 형성되고 각 층의 실간 압력조건에 따라 계단실 쪽으로 공기가 흐르거나 계단실에서 계단실 외부로 공기가 배출된다.
Figure 4는 CASE1에서 CASE2의 실험조건으로 변경하면서 시간에 따른 압력분포를 보여주고 있다. 즉 약 1,350초에서 1층의 거실과 피난계단을 연결하는 2개의 피난문을 개방하면서 각 위치에서의 변화되는 압력을 도시하였다. 그림에서와 같이 피난계단의 각 층에서 압력이 문을 개방하면서 상승하고 있음을 알 수 있다.
해석을 위한 온도조건으로는 실내온도, Ti를 20 ℃로 설정하고 실외온도, To를 −20 ℃(253 K), −10 ℃(263 K), 0 ℃(273 K), 10 ℃(283 K)로 하여 실내외 온도차를 변하게 하였다.
현장실험을 통해 업무시설로 사용되고 있는 지상 39층의 건물을 대상으로 연돌효과에 의한 압력변화가 측정·분석되었으며 연돌효과로 인한 문제점 및 이의 보완조치가 검토되었고,1) 고층건물에서의 연돌효과에 영향을 미치는 건축적 인자들이 선정되어 네트워크 모델의 시뮬레이션이 수행되고 인자들의 영향이 정량적으로 평가되었다.

대상 데이터

본 연구에서는 네트워크 모델의 수치해석기법을 사용하여 순환형 연돌효과 저감방안에 대한 해석을 수행하였다. 이를 위한 연구대상의 모델 건물은 Figure 8과 같이 지상 20층의 건물로서 피난계단과 송풍기, 수직 덕트를 포함하도록 하였다. 해석프로그램은 미국 NIST에서 개발한 CONTAMW2.

이론/모형

이를 위한 연구대상의 모델 건물은 Figure 8과 같이 지상 20층의 건물로서 피난계단과 송풍기, 수직 덕트를 포함하도록 하였다. 해석프로그램은 미국 NIST에서 개발한 CONTAMW2.4를 사용하였다.⁶⁾

성능/효과

1) 피난계단의 모든층의 피난문이 닫혀져 있을 때 저층인 3층에서는 부속실에서 피난계단방향으로 피난문에 약 21 Pa의 압력이 작용하고 고층인 30층에서는 피난계단에서 부속실방향으로 약 23 Pa, 부속실에서 거실방향으로 약 27 Pa의 압력이 작용이 작용한다.
2) 1층의 피난문이 개방되면서 30층의 피난계단에서 부속실방향으로 작용하는 압력이 약 23 Pa에서 약 38 Pa로 상승한다. 한편 1층의 피난문과 31층 피난문이 함께 개방되면 30층의 피난계단에서 부속실방향으로 작용하는 압력이 약 7 Pa로 크게 하강한다.
3) 1층의 피난문만 개방되면 고층 피난계단에서의 연돌효과에 의한 압력 상승폭이 커지고, 1층과 31층의 피난문이 동시에 개방되면 고층 피난계단에서의 압력 상승폭이 적어진다.
4) 피난계단의 저층부에서 피난계단으로 공기가 급기되고, 고층부에서 피난계단의 외부로 공기가 배기되도록 공기의 흐름을 생성시켜 준다면 고층 건물의 피난계단에서의 연돌효과가 저감될 것으로 예측된다.
5) 수직풍도와 송풍기를 이용하여 피난계단의 저층부에서 급기그릴을 통해 공기를 급기하고 고층부에서 배기그릴을 통해 배기하는 순환형 연돌효과 저감방안이 제시되었다.
6) 네트워크 모델의 수치해석을 통해 실내외 온도차, 건물 높이, 송풍기 풍량 등 설계인자가 반영된 순환형 연돌효과 저감방안의 연돌효과 저감량이 정량적으로 계산되었다.
CASE1의 경우 저층인 3층에서는 “피난계단 압력 < 부속실 압력 < 거실 압력”의 순으로 압력이 형성되고, 고층인 30층에서는 “피난계단 압력 > 부속실 압력 > 거실 압력”의 크기로 실내압력이 형성된다. 이러한 측정결과로부터 피난계단 내 연돌효과의 영향으로 저층에서는 거실로부터 피난계단으로 공기흐름이 형성되고 이러한 공기가 고층으로 상승하여 고층에서는 피난계단에서 부속실로 그리고 부속실에서 거실로 유동이 형성되는 것을 알 수 있다. 대상 건물에서는 피난문이 전부 닫혀져 있는 상태에서 연돌효과로 인해 30층에서는 피난계단과 부속실간 차압이 약 23 Pa 정도 형성되고 있다.
그림에서와 같이 ∆P_20F 실내외 온도차가 적을수록 20층 계단에서의 압력이 감소하며 송풍기 풍량이 증가할수록 역시 ∆P_20F가 낮아진다. 즉 실내외 온도가 적을수록 건물 내 작용하는 연돌효과가 줄어들며 순환형 연돌효과 저감방안의 송풍기 풍량이 증가할수록 연돌효과에 대한 저감 능력이 커지는 것을 알 수 있다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	피난계단에서 연돌효과를 저감시켜야 하는 이유는?	건축물이 고층화되면서 피난을 위한 주요 시설인 피난계단에서는 수직적 구조로 인해 연돌효과의 영향이 크게 발생하고 있다. 동절기에 연돌효과로 인한 계단실의 압력상승으로 피난문을 열고 대피하는데 어려움이 있고, 피난계단의 연기안전을 위한 급기가압 제연시스템의 운전성능에 교란이 발생되기 때문에 피난계단에서의 연돌효과를 저감시켜야 더욱 안전한 대피환경을 제공할 수 있다. 본 연구에서는 고층 건물에서의 현장실험을 통해 피난계단에서의 연돌효과를 저감시킬 수 있는 방안을 도출하였고, 네트워크 모델을 사용한 수치해석을 수행하여 정량적이고 상세한 설계방안을 제시하였다.
	본 고에서 제안하는 연돌효과를 저감시킬 수 있는 방안은?	본 연구에서는 고층 건물에서의 현장실험을 통해 피난계단에서의 연돌효과를 저감시킬 수 있는 방안을 도출하였고, 네트워크 모델을 사용한 수치해석을 수행하여 정량적이고 상세한 설계방안을 제시하였다. 현장실험 결과 피난계단의 저층부에서 피난계단으로 공기가 급기되고 고층부에서 피난계단의 외부로 공기가 배기되도록 공기의 흐름을 생성시켜 준다면 고층 건물의 피난계단에서의 연돌효과가 저감될 것으로 예측된다.

참고문헌 (6)

조재훈, 양인호, 여명석, 김광우, "사례연구를 통한 고층건물에서의 연돌효과 실측 및 저감방안", 대한건축학회논문집(계획계), Vol.18, No.7, pp.169-176(2002).

상세보기
양인호, 여명석, 조재훈, 김광우, "고층건물에서의 연돌효과 시뮬레이션", 설비공학논문집, Vol.14, No.6, pp.456-467(2002).

원문보기 상세보기
이광호, 김상인, 박용후, 문장수, 손장열, "초고층주상복합아파트의 기밀 성능 및 연돌 효과 특성에 관한 연구", 대한건축학회논문집(계획계), Vol.21, No.12, pp.279-286(2005).

상세보기
조재훈, "고층 주거건물에서의 압력분포 시뮬레이션 및 압력차 문제 해결", 대한건축학회논문집(계획계), Vol.21, No.11, pp.269-276(2005).

상세보기
김정엽, "연돌효과가 급기가압 제연시스템에 미치는 영향에 대한 현장실험", 한국화재소방학회논문집, Vol.22, No.3, pp.194-200(2008).
NIST, CONTAMW 2.4 User Guide and Program Documentation(2008).

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