본 논문은 화재 시뮬레이션 프로그램(FDS)을 기반으로 만들어진 PyroSim 프로그램을 이용하여, 이중외피 구조를 중공층의 구획과 자연환기의 방법에 따라 4가지(박스형, 샤프트-박스형, 복도형, 전면형)로 분류하고, 각 구조의 화재 특성을 수치적으로 비교 분석하였다. 이를 위해 4층 건축물로 모델링하였으며, 동일한 제반 조건을 갖추고 이중외피 구조를 다르게 하였다. 또한 각 구조별 화재 특성을 확인하기 위해 연기 거동, 연기 밀도, 연기 감지장치, 가시거리를 비교 분석하였다. 그 결과, 박스형 이중외피 구조는 화재실외에는 크게 영향을 미치지 않았고, 복도형 이중외피 구조는 연기가 화재실 옆으로 이동하는 수평적인 영향이 크게 나타났다. 또한 샤프트-박스형 이중외피 구조는 샤프트를 통한 연기의 수직 상승 현상이 가장 빠르게 나타났고, 수직 상승된 연기가 차고 내려와 기타실에도 영향을 미쳤으며, 전면형 이중외피 구조도 연기의 수직 상승과 함께 기타 구획실에도 큰 영향을 미쳤다.
본 논문은 화재 시뮬레이션 프로그램(FDS)을 기반으로 만들어진 PyroSim 프로그램을 이용하여, 이중외피 구조를 중공층의 구획과 자연환기의 방법에 따라 4가지(박스형, 샤프트-박스형, 복도형, 전면형)로 분류하고, 각 구조의 화재 특성을 수치적으로 비교 분석하였다. 이를 위해 4층 건축물로 모델링하였으며, 동일한 제반 조건을 갖추고 이중외피 구조를 다르게 하였다. 또한 각 구조별 화재 특성을 확인하기 위해 연기 거동, 연기 밀도, 연기 감지장치, 가시거리를 비교 분석하였다. 그 결과, 박스형 이중외피 구조는 화재실외에는 크게 영향을 미치지 않았고, 복도형 이중외피 구조는 연기가 화재실 옆으로 이동하는 수평적인 영향이 크게 나타났다. 또한 샤프트-박스형 이중외피 구조는 샤프트를 통한 연기의 수직 상승 현상이 가장 빠르게 나타났고, 수직 상승된 연기가 차고 내려와 기타실에도 영향을 미쳤으며, 전면형 이중외피 구조도 연기의 수직 상승과 함께 기타 구획실에도 큰 영향을 미쳤다.
This study aims to address the fire characteristics of Double-skin facade using the Fire Dynamics Simulator (FDS). To end this, Double-skin facade was classified into the four structures, that is Box, Shaft-box, Corridor, Multistory, through PyroSim program which was based on FDS, and further each s...
This study aims to address the fire characteristics of Double-skin facade using the Fire Dynamics Simulator (FDS). To end this, Double-skin facade was classified into the four structures, that is Box, Shaft-box, Corridor, Multistory, through PyroSim program which was based on FDS, and further each structure of fire characteristics were analyzed numerically as well as comparatively in the current study. This study also examined smoke movement, smoke density, smoke detectors, and visibility in order to closely identify the each structure of fire characteristics. The results of the study discovered that the Box structure did not significantly affect smoke which was rising in the other rooms, except for the fire room whereas the Corridor structure had positive effects on Double-skin facade horizontally. In addition, the Shaft-box structure showed the fastest vertical movement by means of the shaft, on the other hand, rising smoke influenced the other rooms as well. The Multistory structure along with rising smoke had a great impact on the other divided rooms in a vertical way.
This study aims to address the fire characteristics of Double-skin facade using the Fire Dynamics Simulator (FDS). To end this, Double-skin facade was classified into the four structures, that is Box, Shaft-box, Corridor, Multistory, through PyroSim program which was based on FDS, and further each structure of fire characteristics were analyzed numerically as well as comparatively in the current study. This study also examined smoke movement, smoke density, smoke detectors, and visibility in order to closely identify the each structure of fire characteristics. The results of the study discovered that the Box structure did not significantly affect smoke which was rising in the other rooms, except for the fire room whereas the Corridor structure had positive effects on Double-skin facade horizontally. In addition, the Shaft-box structure showed the fastest vertical movement by means of the shaft, on the other hand, rising smoke influenced the other rooms as well. The Multistory structure along with rising smoke had a great impact on the other divided rooms in a vertical way.
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문제 정의
따라서 본 연구는 화재 시뮬레이션 프로그램(FDS)을 기반으로 만들어진 PyroSim을 이용하여, 앞서 선행되었던 커튼월 구조와 일반 건축물의 화재 특성을 파악한 “화재 시뮬레이션(FDS)을 이용한 커튼월 이중외피 구조의 화재 확산에 관한 연구”에서 연구의 범위를 확대시켜 동일한 제반 조건과 이중외피 구조부를 중공층의 구획과 자연환기의 방법에 따라 4가지 구조(박스형, 샤프트-박스형, 복도형, 전면형)로 나누어 각 구조별로 연기 거동, 연기 밀도, 연기 감지장치, 가시거리를 통하여 화재 시 특성을 수치적으로 비교 분석하고자 한다.
본 논문은 화재 시뮬레이션(FDS)를 통하여 이중외피 구조를 종류별로 구분하여 화재 시 발생하는 위험성과 특성에 대하여 연구해 보았다. 동일한 제반 조건과 각 구조별 특성을 모두 갖추려 했지만 실제 건축물과는 분명한 차이가 발생할 것이다.
발화원은 1층, Room 1의 정중앙에서 발화한 것으로 가정하였다. 정중앙으로 발화점을 설정한 이유는 화재 시 연소 생성물의 고른 분포와 확산을 통해 정확한 결과 데이터를 얻기 위해서이다. 발열량은 Polyurethane의 발열량을적용하였으며, 그 값은 3,000 kW로 설정하였고, 시뮬레이션 시간은 1,200 s, 셀수는 656,000개, 셀 하나의 크기는 0.
가설 설정
발화원은 1층, Room 1의 정중앙에서 발화한 것으로 가정하였다. 정중앙으로 발화점을 설정한 이유는 화재 시 연소 생성물의 고른 분포와 확산을 통해 정확한 결과 데이터를 얻기 위해서이다.
제안 방법
이를 위해 화재 시뮬레이션 프로그램(Fire Dynamics Simulator: FDS)을 기반으로 사용자가 편리하게 이용할 수 있도록 만들어진 PyroSim 프로그램을 이용하여 가상의 4층 건축물로 모델링 한 후 동일한 제반 조건을 갖추고, 이중외피 구조의 중 공층 부분을 4가지로 나누어 실험하였다. 각 구조별 화재 특성은 연기 거동, 연기 밀도, 연기 감지장치, 가시거리를 통해 비교 분석하였다.
이다. 기본적인 건축물의 모양은 동일하지만, 이중외피 구조 부분은 중공층의 구획과 환기 방법에 따라 크게 4가지(박스형, 샤프트-박스형, 복도형, 전면형)로 분류하여 실험하였으며, 건축물의 크기는 가로 20 m, 세로 14.8 m(중공층 0.8 m 포함), 높이 12 n(4층)로 구성하였다. 내피에는 한 실 당 두 개의 창문이 있고, 길이는 3 m, 높이는 1.
본 논문에서는 각 구조의 구획실별 가시거리를 건물내 미숙지자의 피난 한계농도에 해당하는 약 5m를 기준으로 어느 실에서 가장 빠르게 도달하는 시간으로 그 실의 위험성을 분석해 보았고, 그 결과는 Figure 6과 같다.
본 논문은 이중외피 구조를 중공층의 구획과 자연환기의 방법에 따라 4가지(박스형, 샤프트-박스형, 복도형, 전면형)로 구분하여 화재 시 발생하는 연기에 의한 특성을각 각 수치적으로 비교 분석하였다. 이를 위해 화재 시뮬레이션 프로그램(Fire Dynamics Simulator: FDS)을 기반으로 사용자가 편리하게 이용할 수 있도록 만들어진 PyroSim 프로그램을 이용하여 가상의 4층 건축물로 모델링 한 후 동일한 제반 조건을 갖추고, 이중외피 구조의 중 공층 부분을 4가지로 나누어 실험하였다.
본 논문은 이중외피 구조를 중공층의 구획과 자연환기의 방법에 따라 4가지(박스형, 샤프트-박스형, 복도형, 전면형)로 구분하여 화재 시 발생하는 연기에 의한 특성을각 각 수치적으로 비교 분석하였다. 이를 위해 화재 시뮬레이션 프로그램(Fire Dynamics Simulator: FDS)을 기반으로 사용자가 편리하게 이용할 수 있도록 만들어진 PyroSim 프로그램을 이용하여 가상의 4층 건축물로 모델링 한 후 동일한 제반 조건을 갖추고, 이중외피 구조의 중 공층 부분을 4가지로 나누어 실험하였다. 각 구조별 화재 특성은 연기 거동, 연기 밀도, 연기 감지장치, 가시거리를 통해 비교 분석하였다.
이중외피 구조의 각 구조별(박스형, 샤프트-박스형, 복도형, 전면형) 연기 거동, 연기 밀도, 연기 감지장치, 가시거리를 수치적으로 측정하여 화재 특성을 평가한다.
동일한 제반 조건을 갖고 있는 기본적인 건축물의 모양은 동일하다. 하지만 이중외피 구조 부분은 중공층의 구획과 환기 방법에 따라 크게 4가지(박스형, 샤프트-박스형, 복도형, 전면형)로 분류하여 실험하였다.
대상 데이터
발열량은 Polyurethane의 발열량을적용하였으며, 그 값은 3,000 kW로 설정하였고, 시뮬레이션 시간은 1,200 s, 셀수는 656,000개, 셀 하나의 크기는 0.2 m × 0.2 m × 0.15 m로 설정하였다.
시뮬레이션 대상물은 가상의 건축물로 지상 4층 건물이며, 연면적은 1,184 m2이다. 기본적인 건축물의 모양은 동일하지만, 이중외피 구조 부분은 중공층의 구획과 환기 방법에 따라 크게 4가지(박스형, 샤프트-박스형, 복도형, 전면형)로 분류하여 실험하였으며, 건축물의 크기는 가로 20 m, 세로 14.
이론/모형
본 연구에 사용된 PyroSim 2012는 FDS v5.5.3을 지원하며 FDS와 Smokeview 프로그램을 포함하고 있다.
성능/효과
(2) 샤프트-박스형 이중외피 구조는 박스형의 변형 형태로 수 개층에 걸친 샤프트와 박스형이 교차되어진 형태로써, 화재 시 발생되는 연기가 샤프트를 통해 최상층으로 가장 빠르게 상승하는 특징과 최상층에 가장 높은 연기량을 나타내었다. 이는 전면형과 비교하여 보아도 매우 높은 수치였다.
(4) 전면형 이중외피 구조의 경우 각 실과 층이 공간의 구분이 없이 하나의 유닛으로 된 특징을 갖고 있는 구조로 화재 시 최상층으로의 연기 상승현상이 나타났다. 샤프트박스형 이중외피 구조와 비교하여 상승되는 연기의 양과 속도는 양간 적거나 느렸지만, 최상층으로 상승된 연기는 중공층을 통해 최상층에서부터 차고 내려와 최하층부까지 크게 영향을 미치는 것으로 나타났다.
Room 2의 2층에서 7번째로 연기 밀도 증가량을 나타내었으며, 1,200 s 일 때 약 3.12 × 10−3 kg/m3로 최대값을 나타내었고, 마지막으로 Room 2의 1층에서 1,200 s 일 때 약 3.36 × 10−4 kg/m3으로 가장 낮은 밀도를 나타내었다.
Room 2의 4층은 최대값으로 보았을 경우 1,200 s 일 때약 5.06 × 10−3 kg/m3로 화재실을 제외한 두 번째 높은 연기 밀도를 나타내었지만, Room 1의 3층과 4층에 비해 연기 증가 속도가 적어 평균값으로는 네 번째로 높은 양을 나타내었다.
기타 실의 경우 Room 2의 3층에서도 약 200 s 일 때 94 %/m, 400 s 일 때 약 100 %/m의 수치를 나타내고 있고, Room 2의 2층에서도 약 1,000 s 이후에 약 95 %/m 이상의 수치를 나타내고 있는 것으로 보아 샤프트를 통한 연기가 타 실에도 매우 위험하게 작용하는 것으로 나타났다.
이는 전면형과 비교하여 보아도 매우 높은 수치였다. 또한 샤프트를 통해 상승한 연기가 최상층에 도달한 후 그 샤프트를 통해 하층부는 물론 다른 실까지 크게 영향을 나타내었는데, 전면형과 비교하여 상층부에서더 많은 연기가 밀집되는 현상을 나타내었다. 샤프트-박스 형의 설계시 화재 발생 후 샤프트의 중공층에 대한 수평 또는 수직 구획을 통해 상층부로의 연기 및 화재 확산을 막을 수 있는 설계와 대책이 필요하다.
화재 발생 후 연기 거동은 화재실의 상층부로가 아니라 화재실의 바로 옆의 Room 2의 1층으로 이동하는 현상을 파악 할 수 있다. 또한 시간이 흐를수록 상층부로 연기의 수직 이동은 크게 영향을 미치지 않는 것으로 보이며, 연기의 수평 이동에 의한 동일 층에 가장 큰 영향을 미치는 것을 볼 수 있다.
박스형 이중외피 구조의 연기 감지장치를 통한 특성을 파악해 보면 화재실의 경우 화재 시작 약 50 s 만에 약 94 %/m, 약 100 s 이후에는 약 100 %/m를 나타내어 화재 시작과 동시에 매우 위험함을 알 수 있었다. 화재실을 제외하고는 Room 1의 2층에서 약 350 s 이후에 급격히 증가하여 1,200 s 일 때 약 98 %/m로 나타났으며, Room 1의 3층에서는 약 450 s 이후 증가한 연기는 1,200 s 일 때 약 65 %/m, 4층에서는 약 500 s 이후에 증가하여 1,200 s 일 때 약 58 %/m로 나타났다.
Figure 4는 이중외피의 구조별 연기 밀도를 나타낸 것이다. 박스형 이중외피 구조의 연기 밀도를 분석해 보면 화재실인 Room 1의 1층에서 화재 시작 약 100 s까지 매우 빠른 속도로 높아졌고, 약 150 s에서 연기 밀도가 급격히 낮아진 이후, 다시 연기 밀도가 증가하였으며, 다른 실과 비교하여 화재 시작과 동시에 연기 밀도가 가장 빠르고 높게 나타났다.
샤프트-박스형 이중외피 구조의 연기 거동을 분석해 보았을 때, 샤프트를 통한 연기의 수직 이동 현상이 매우 빠르게 일어났음을 파악 할 수 있었다. 또한 화재 시작과 동시에 샤프트를 통해서 연기가 이동했다.
(4) 전면형 이중외피 구조의 경우 각 실과 층이 공간의 구분이 없이 하나의 유닛으로 된 특징을 갖고 있는 구조로 화재 시 최상층으로의 연기 상승현상이 나타났다. 샤프트박스형 이중외피 구조와 비교하여 상승되는 연기의 양과 속도는 양간 적거나 느렸지만, 최상층으로 상승된 연기는 중공층을 통해 최상층에서부터 차고 내려와 최하층부까지 크게 영향을 미치는 것으로 나타났다.
또한 화재 시작과 동시에 샤프트를 통해서 연기가 이동했다. 시간이 흐를수록 최상층에서부터 연기가 차고 내려오는 현상을 파악할 수있었고, 샤프트-박스형 이중외피 구조의 경우 샤프트로 통한 연기 이동이 최상층으로 가장 빠르게 이동 한다는 것을알 수 있었다. 또한 Room 2에서도 최상층부터 연기가 차고 내려오는 현상을 볼 수 있었으며, 샤프트를 통한 연기 이동이 화재실의 상층부의 층뿐만 아니라 기타층에도 큰 피해를 주는 것으로 나타났다.
(3) 복도형 이중외피 구조는 구획이 수평으로 구획되어 있는 특징을 갖고 있다. 이는 화재 시 발생하는 특징에 크게 영향을 미쳐, 화재 시 발생하는 연기가 수직으로 이동 하는 것에 비해 매우 많은 양이 수평적으로 이동하여 화재실의 바로 옆 실인 Room 2의 1층에 매우 큰 영향을 미치는 것으로 나타났다.
전면형 이중외피 구조는 상층부로의 연기의 확산이 매우 빠른편이며, 또한 중공층을 통한 연기의 확산이 다른 구조와 비교하여 매우 넓은 범위에 영향을 미치는 것으로 나타났다.
전면형 이중외피 구조의 연기 밀도 특성을 파악해 본 결과 단연 화재실이 가장 빠른 수치 상승과 함께 높은 수치를 나타내었고, 다른 구조와는 다르게 각 실별로 최대값과 평균값의 순위에서 차이를 보이고 있다.
42 × 10−5 kg/m3으로 나타났다. 최고값을 비교 하여 보았을 때 먼저 화재실 옆실에 가장 큰 피해를 미치며, 이후 최상층으로 이동한 연기가 서서히 차고 내려오는 현상을 나타내었지만 화재실과 같은 층의 연기 밀도보다 현저히 낮은 수치를 나타내는 것으로 보아 수평적인 피해 확대가 가장 큰 것을 확인 할 수 있다.
화재 시작 후 가장 높은 밀도를 나타낸 곳은 화재실이었으며, 시뮬레이션 종료 시간인 1,200 s에서 2.04 × 10−2 kg/m3의 밀도를 나타내었다.
후속연구
동일한 제반 조건과 각 구조별 특성을 모두 갖추려 했지만 실제 건축물과는 분명한 차이가 발생할 것이다. 그러나 본 연구를 통해 이중외피 구조에서 화재가 발생할 경우 각 구조마다 그 특성이 확연히 구별되고 있고, 그에 대한 설계 시 고려사항이나 연소방지 대책 또는 피난 대책 등을 수립하기위한 자료로 활용될 수 있을 것이며, 화재 시 발생할 수 있는 문제점을 파악하는데 충분한 자료로 활용될 것이라고 사료된다.
다른 구조의 경우 중공층을 통해 상승한 연기가 최상층에서 먼저 차고 내려오는 현상과 상반된 결과가 나타났으며, Room 2의 모든실에서는 화재로 인한 특별한 영향은 없었다. 박스형에서의 화재 시 최상층이 아닌 직상층에 가장 큰 영향을 미쳤으므로 향후 박스형 이중외피 구조의 건축물을 제작할 경우 직상층에 소화와 안전을 위한 대책이 마련되어야 할 것이다.
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