[논문]외장재 설치 공간의 화재확산 차단에 관한 연구

민세홍; 윤정은; 김미숙

doi:10.12812/ksms.2012.14.2.083

Abstract ▼ AI-Helper

In this study, FDS fire simulation experiments and measured wind speed by applying the exterior installation portion for blocking the spread of the fire was investigated. As a result, aluminum composite panels installed in the lower and the upper part of the panel to remove all the lower side, and t...

In this study, FDS fire simulation experiments and measured wind speed by applying the exterior installation portion for blocking the spread of the fire was investigated. As a result, aluminum composite panels installed in the lower and the upper part of the panel to remove all the lower side, and then the maximum wind speed 0.24 m/s and the upper side 0.58 m/s were measured. In the FDS, the measured wind speed difference air currents are approximately 3.7 times in 12 seconds, the occurrence of 17 seconds early moment wind 2.2 m/s was measured from. Before and after the fire occurred in early of the air velocity about 39 seconds was 3.5 times difference. Such air currents caused by the temperature of the building but also by the building height was found. Turbulent flame of fire by expanding the vertical extent of damage become greatly important factor. Therefore, through the exterior installation portion of the block that can delay the spread of fire is expected that this should be taken.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구는 건물외벽에 설치하는 외장재와 구조물간의 특성상 발생하는 공간에 대한 화재확산 차단에 대한 요인 분석에 관한 연구로서 풍속측정 현장실험을 수행함과 동시에 이에 대해 FDS를 이용한 화재시뮬레이션을 수행하였다. 연구 결과, 다음과 같은 결론을 도출하였다.
본 연구는 외장재를 건물 외벽에 고정하는 구조물에 의해 발생한 공간으로 인해 화재 시 빠른 수직확산이 발생하는 인자인 연돌효과와 바람의 영향 등이 미치는 영향을 분석·연구하였다.
[1][2] 건물과 건물사이는 바람이 강한 해안가라는 지리적 특성으로 인해 굴뚝과 같이 화재가 급속히 확산되어 이 부분은 완전히 전소되었다. 본 연구에서는 이러한 고층빌딩에 사용된 알루미늄복합패널의 화재시 연소확대의 원인을 건물 외벽에 고정하는 외장재의 설치 공간의 연돌효과와 바람의 영향 등에 관하여 연구하고자 한다.

제안 방법

측정은 하단부분에서 하단부분의 알루미늄복합패널의 한판을 제거하고 이를 기준으로 8개의 개소에 대해 풍속을 측정하였으며, 상층부분의 알루미늄복합패널을 제거하고 다시 하단부분의 측정이 이루어졌다. 또한, 상층부의 측정은 세 개소를 측정하였다. Figure 7과 Figure 8에 나타낸 바와 같이 풍속측정을 하고 있다.
국외에서는 YANG Dong(2012)이 KLOTE의 모델링 프로그램을 사용하여 샤프트 공간에서의 연돌효과의 영향을 분석하였다[7]. 본 연구에서 적용한 FDS 모델링과는 다른 모델링 프로그램을 적용하여 연돌효과의 영향을 분석하였다.
실험은 알루미늄복합패널 하단부분을 제거하고 풍속을 측정하였으며, 상단부분의 제거 후에 풍속을 다시 측정하여 풍속에 따른 연돌효과 여부를 판단하였다. 풍속의 측정은 30초 동안 측정한 결과 값의 평균값으로 하였다.
본 연구는 외장재를 건물 외벽에 고정하는 구조물에 의해 발생한 공간으로 인해 화재 시 빠른 수직확산이 발생하는 인자인 연돌효과와 바람의 영향 등이 미치는 영향을 분석·연구하였다. 이를 위하여 풍속측정실험과 FDS를 이용한 시뮬레이션으로 모사하여 화재의 위험성을 확인하였다.
측정은 하단부분에서 하단부분의 알루미늄복합패널의 한판을 제거하고 이를 기준으로 8개의 개소에 대해 풍속을 측정하였으며, 상층부분의 알루미늄복합패널을 제거하고 다시 하단부분의 측정이 이루어졌다. 또한, 상층부의 측정은 세 개소를 측정하였다.
측정 건물은 부천시 오정구 소재의 철근콘크리트 건물로서 지하 2층, 지상 7층, 높이 24 m 규모의 사무소 건축물이며, 외벽의 외장재가 알루미늄복합패널로 되어있다. 풍속의 측정은 알루미늄복합패널 하단부분을 제거하고 측정하며, 상단부분의 제거 후에 다시 측정하여 외장재 설치부분의 풍속을 측정하고자 하였다.
현장 실험에 의해 측정된 내용을 모사하기 위하여 전산유체역학인 CFD(Computational Fluid Dynamics)프로그램 중 하나인 화재시뮬레이션FDS(Fire Dynamics Simulator)를 이용하여 외장재와 외벽사이를 통해 상승되는 바람의 속도를 측정하는 시뮬레이션을 구현하였다.

대상 데이터

측정 건물은 부천시 오정구 소재의 철근콘크리트 건물로서 지하 2층, 지상 7층, 높이 24 m 규모의 사무소 건축물이며, 외벽의 외장재가 알루미늄복합패널로 되어있다. 풍속의 측정은 알루미늄복합패널 하단부분을 제거하고 측정하며, 상단부분의 제거 후에 다시 측정하여 외장재 설치부분의 풍속을 측정하고자 하였다.

데이터처리

실험은 알루미늄복합패널 하단부분을 제거하고 풍속을 측정하였으며, 상단부분의 제거 후에 풍속을 다시 측정하여 풍속에 따른 연돌효과 여부를 판단하였다. 풍속의 측정은 30초 동안 측정한 결과 값의 평균값으로 하였다. Figure 5와 Figure 6에 알루미늄복합패널 제거작업을 하고 있다.

이론/모형

외장재와 외벽사이의 틈새가 80 mm에 불과하여 이를 정확히 모사하기 위하여 셀 하나의 크기는 20 mm로 구현하였으며, 나비에 스토크스 방정식을 사용한 수치해석 없이 난류 유동을 해석하는 모델인 DNS(Direct Numerical Simulator)를 적용하여 60초 동안 연산하였다.

성능/효과

1) 풍속측정 실험결과, 알루미늄복합패널의 설치된 부분의 풍속이 하부와 상부의 패널의 모두 제거했을 때 최대풍속이 0.24 m/s(하부 측), 0.58 m/s(상부 측)의 평균값을 나타내었다.
2) FDS에 의한 시뮬레이션 결과, 기류변화를 측정한 결과 12초에 약 3.7배 정도 차이가 발생하였으며, 17초에는 순간풍속이 2.2 m/s까지 올라갔다.
3) 또한, 화재발생 전과 화재발생 후의 기류속도 차이를 확인한 결과, 39초에 약 3.5배 차이가 발생하는 것으로 분석되었다.
또한, Point 2지점에서 화재발생 전과 화재발생후의 기류속도 차이를 확인한 결과, 39초에 약 3.5배 차이가 발생하는 것으로 분석되었다. 이와 같은 기류속도의 차이는 온도차에 의해서도 발생하지만 건축물의 높이에 의해서도 큰 영향이 미치는 것을 알 수 있었다.
Figure 11은 화재가 발생할 때를 가정하여 기류속도 변화를 측정한 그래프이다. 외장재의 화재발생을 가정하기 위하여 외장재 안쪽에 1,000 ℃의 온도를 발생시켜 기류변화를 측정한 결과, 12초에 약 3.7배 정도 차이가 발생하였으며, 17초에는 순간풍속이 2.2 m/s까지 상승했다.
측정결과, 8초에 기류속도가 최대 차이가 발생하여 약 3.4배 정도를 보였으며, 평균 1.4배 차이가 보임을 알 수 있었으며, 이 결과로 건축물의 높이에 따라 수직으로 상승하는 기류가 증가함을 알 수 있었다.
풍속측정 실험결과, 알루미늄복합패널이 설치된 공간하부와 상부의 패널을 모두 제거했을 때 최대풍속이 0.24 m/s(하부 측), 0.58 m/s(상부 측)의 평균값을 확인할 수 있었다. 풍속측정 결과 값은 Table 1∼Table 3에 나타낸 바와 같다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	건물 화재에서 연기의 구동력은 어떤 것들이 있는가?	건물 화재에서 연기의 구동력은 연돌효과(Stack effect), 부력(Buoyancy), 바람의 영향(Wind effect), 공조시스템(Ventilation), 엘리베이터의 피스톤 효과(Elevator piston effect) 등을 들 수 있는데 초고층 건물 화재에서는 연돌효과, 부력 및 바람의 영향이 상대적으로 크게 작용한다. 외장재 설치 공간의 화재확산 또한 이러한 연돌효과와 부력, 바람의 영향에 의하여 빠르게 확산됨을 알 수 있다.
	건물외벽에 설치하는 외장재와 구조물간의 특성상 발생하는 공간에 대한 화재확산 차단에 대한 요인 분석에 관한 연구의 결과는 어떻게 나타나는가?	1) 풍속측정 실험결과, 알루미늄복합패널의 설치된 부분의 풍속이 하부와 상부의 패널의 모두 제거했을때 최대풍속이 0.24 m/s(하부 측), 0.58 m/s(상부 측)의 평균값을 나타내었다. 2) FDS에 의한 시뮬레이션 결과, 기류변화를 측정한 결과 12초에 약 3.7배 정도 차이가 발생하였으며, 17초에는 순간풍속이 2.2 m/s까지 올라갔다. 3) 또한, 화재발생 전과 화재발생 후의 기류속도 차이를 확인한 결과, 39초에 약 3.5배 차이가 발생하는 것으로 분석되었다. 4) 좁은 틈을 빠져나온 기류가 옥상의 바람과 섞이면서 심한 난류가 발생되고 있다. 이 난류는 화재 시 수직화염 면을 확대시켜서 피해 범위를 크게 하는 중요한 요인이 됨을 알 수 있었다.
	연돌효과란 무엇인가?	연돌효과는 건물 내·외부간의 온도차로 인하여 발생하는 실내공기의 부력이 수직방향으로 이동하는 현상으로 온도차와 높이와의 함수이다. 초고층 건물에서 계단실, 엘리베이터 샤프트, 전기 및 설비 피트(Pit) 등과 수직 샤프트는 구조적으로 일반건물에 비해 높이가 높아 화재 발생 시 연돌효과가 크게 발생하여 연기확산 및 피난 장애를 유발하는 주된 위험인자가 된다.

참고문헌 (10)

민세홍, 윤정은, "FDS를 이용한 외장재의 수직 확산 화재의 모델링에 관한 연구", 대한안전경영과학회지 논문지, Vol. 11, No. 2, (2009) : 77-85.
민세홍, 윤정은, 선주석, 정상호, 채창훈, 김석준, "외벽방호 스프링클러시스템 구성에 관한 연구", 한국화재소방학회 논문지, Vol. 26, No. 1, (2012) : 102-112.
임현우, "고층 사무소 건물의 사용 단계에서 연돌 효과 발생 특성의 검토방법 및 대응방안의 제안" 성균관대 대학원 석사학위논문 (2010).
박동률, "고층건물에서 연돌효과의 영향요인 분석 및 저감방안에 대한 연구" 성균관대 대학원 석사 학위논문 (2009).
김진수, "초고층 건물에 나타나는 연돌효과" 한국화재소방학회 논문지, Vol. 3, No. 1, (2007) : 14-20.
김정엽, "연돌효과가 급기가압 제연시스템에 미치는 영향에 대한 현장실험", 한국화재소방학회 논문지, Vol. 22, No. 3, (2008) : 194-200.
YANG Dong(？？), LI Baizhan(李百？), DU Tao (杜？), LI Nan(李楠), "Analytical models for evaluating buoyan cydriven ventilation due to stack effect in a shaft considering heat transfer from shaft interior boundaries", JOURNAL-CENTRAL SOUTH UNIVERSITY OF TECHNOLOGY , Vol. 19 No. 3, (2012) : 651-656.

상세보기
Klote J. H. and Mike J. A. "Principles of Smoke Management ch 5 Effective Areas and Smoke Movement", ASHRAE, (2002).
Klote J. H. "The SFPE handbook of Fire Protection Engineering ch 12 Smoke Control", SFPE, (2002) : 274-277.
MacDonald, A. J, "Wind Loading on Buildings", Newyork, Wiley, (1975).

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