[논문]초고층 건축물의 수직 구획화에 따른 급기가압제연시스템 성능평가에 관한 연구

배상환; 류형규; 이병석

doi:10.6110/kjacr.2014.26.7.343

초고층 건축물의 수직 구획화에 따른 급기가압제연시스템 성능평가에 관한 연구
A Study on the Smoke Control Performance Evaluation of High-rise Buildings under Smokeproof Enclosure Design Scenarios 원문보기

설비공학논문집 = Korean journal of air-conditioning and refrigeration engineering, v.26 no.7, 2014년, pp.343 - 350

배상환 (대림산업(주) 기술개발원) , 류형규 (대림산업(주) 기술개발원) , 이병석 (대림산업(주) 기술개발원)

Abstract ▼ AI-Helper

Regardless of the building design scenarios, evaluation of high-rise buildings required to have smoke-proof enclosures that are provided with a smoke management system. The goal of the smoke management system design is to make sure the pressure differentials at every story within the building fall within the allowable pressure range. If the minimum design pressure is not met, smoke may enter the stair. If the provided pressure is too great, it becomes difficult for occupants to open the doors, while attempting to egress. Ensuring that the pressure differential between the vestibule and the floor is within the prescribed range becomes challenging, due to natural effects on the building, such as the stack effect. In this research, smokeproof enclosure design scenarios were evaluated; and as a result, separation levels for compartmentation were deduced, in the balancing of pressurized-vestibule smoke control systems.

주제어

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문제 정의

이러한 배경에서, 초고층 건축물에서 수직연기확산에 영향인자가 큰 연돌현상과 연관하여 피난대피층 계획을 통한 수직 구획화를 통한 수직연기제어 효과를 검토하고 성능위주 설계를 위한 개선방안을 제시하고자 하였다.
이러한 배경에서, 초고층 건축물에서 수직연기확산에 영향인자가 큰 연돌현상과 연관하여 피난대피층과 연계하여 계단실 수직구획화를 통한 연기제어 효과를 검토하고 성능위주 설계를 위한 개선방안을 제시하고자 하였다.

가설 설정

(8) 방화문의 크기는 1.2 m(W)×2.1 m(H)로 가정하였다.
1) Scenario fails due to the maximum allowed pressure differential being exceeded at the noted levels.
6 m의 층고를 갖는 총 270 m 규모로 기준층의 면적은 60 m×60 m로 설정하였다. 건축적인 평면구성은 외기에 면하는 계단실 코어 및 실내에 위치하는 코어 등 2개의 코어로 구성되어 있으며, 중앙에는 6개의 승강기를 설치하는 것을 가정하였다.
실내온도 설정은 계절에 따라 동절기에는 20℃, 하절기에는 26℃로 설정하였고, 외부 온도조건은 -11.3℃로 가정하였으며, 건축물 외벽 및 지붕면에 작용하는 풍압은 Fig. 3과 같이 설정하였다.⁽⁷⁾

제안 방법

연돌현상 및 급기가압제연시스템의 공간별 압력차 발생은 부위별 기밀도에 따라 달라지며, 본 연구에서는 평가대상 건축물의 부위별 기밀성능을 Contam 모델에서 제공하는 부위별 누기율을 적용하였다(Table 4). 시뮬레이션 조건은 Table 5와 같다.
연돌현상은 실내외 온도차에 의해 발생되며, 화재로 인한 유동확산 방지를 위해서는 제연시스템의 용량 및 설계방안이 연돌현상에 의해 발생되는 층별, 공간별 압력차 이상으로 고려되어야 한다. 연돌현상은 건축물의 높이, 고도 및 실내외 온도조건에 따라 달라지며 본 연구에서는 이를 고려하여 모델링을 수행하였다.
외부 기상조건 중 바람에 의한 영향은 서울지역 지상데이터를 근거로 풍압에 의한 압력계수를 벽체 및 지붕면에 적용하였다.⁽⁷⁾
건축물에서 연돌현상 등에 의한 수직적 유동은 초고층 건축물에서 화재발생시 필수적으로 검토되어야 하는 영향인자이다. 이에 따라 본 연구에서는 연돌현상 등에 의한 초고층 건축물 수직유동특성 분석 및 수직적 연기확산 제어를 위해 네트워크 시뮬레이션 모델로 개발된 Contam 3.0을 활용하여 분석을 수행하였다. 평가대상 모델은 75층 규모의 초고층 건축물을 대상으로 피난 대피층과 연계하여 수직 구획화에 대한 급기 가압제연시스템의 압력분포 및 피난문의 개폐력을 평가기준으로 선정하였다.
그러나, 75층 건축물을 대상으로 개선방안으로 계단실 등을 최대 40층마다 분절하는 경우 연돌현상 발생량을 억제함으로써 급기가압 제연시스템의 실성능 확보가 가능한 것으로 분석되었다. 이에 따라 본 연구에서는 초고층 건축물의 연돌현상 등에 의한 수직 유동 제어 방안으로 다음과 같이 피난 대피층 과 연계한 수직구획화 방안을 제안하였다. 수직 구획화는 Fig.
초고층 건축물에서 연돌현상에 의한 공간별 압력차 발생을 고려한 급기가압제연시스템의 성능평가는 동절기와 하절기 환경조건을 고려하여 시뮬레이션을 수행 하였다. Fig.

대상 데이터

평가대상 모델은 75층 규모의 가상의 초고층 건축물로서 서울에 위치(해발고도 87 m)하는 것으로 가정하였고, 각층은 3.6 m의 층고를 갖는 총 270 m 규모로 기준층의 면적은 60 m×60 m로 설정하였다.
0을 활용하여 분석을 수행하였다. 평가대상 모델은 75층 규모의 초고층 건축물을 대상으로 피난 대피층과 연계하여 수직 구획화에 대한 급기 가압제연시스템의 압력분포 및 피난문의 개폐력을 평가기준으로 선정하였다.

성능/효과

1) 급기가압제연시스템 가동 조건에서 하절기 연돌 현상을 고려한 공간별 압력 및 부속실 차압 시뮬레이션 결과, 외기온보다 상대적으로 낮은 실내온도로 인해 하절기 고층부에서 저층부보다 상대적으로 낮은 압력분포를 나타냈으며, 실내외 온도차가 동절기보다 크지 않아 연돌현상 발생량이 크지 않음에 따라 모든 분석조건에서 부속실 급기가압제연시스템 설계차압 형성이 가능한 것으로 분석되었다.
2) 반면, 동절기에는 하절기와 달리 실내외 온도차가 크게 형성되어 연돌현상 발생량이 매우 큰 것으로 나타났고, 이에 따라 급기가압제연시스템의 설계차압유지에 큰 영향을 미치는 것으로 분석되었다.
3) 75층 규모의 초고층 건축물을 대상으로 계단실이 구획이 계획되지 않은 조건에 대해 동절기 환경 조건에서 시뮬레이션 결과, 급기가압제연시스템 가동시 40층 이상에서는 설계차압 60 Pa을 초과 하는 것으로 산출되었다.
4) 반면, 40층에서 계단실을 수직적으로 분절한 경우와 25층 및 50층에서 계단실을 수직 분절한 경우 모든 층에서 40～60 Pa의 차압형성이 가능한 것으로 분석되었다.
5) 연돌현상 등에 의한 유동발생량 제어를 위해서는 시뮬레이션 결과 40층마다 수직 구확화를 계획하는 경우 급기가압제연시스템의 실성능 확보가 가능한 것으로 나타났으나 우리나라에서는 건축법 시행령 제34조에서 초고층 건축물에는 피난층 또는 지상으로 통하는 직통계단과 직접 연결되는 피난안전구역을 지상층으로 부터 최대 30개 층마다 설치하도록 규정하고 있는 점을 감안하여 본 연구에서는 피난대피층과 연계하여 매 30층마다 수직 구획화 방안을 제안하였다.
그러나, 75층 건축물을 대상으로 개선방안으로 계단실 등을 최대 40층마다 분절하는 경우 연돌현상 발생량을 억제함으로써 급기가압 제연시스템의 실성능 확보가 가능한 것으로 분석되었다. 이에 따라 본 연구에서는 초고층 건축물의 연돌현상 등에 의한 수직 유동 제어 방안으로 다음과 같이 피난 대피층 과 연계한 수직구획화 방안을 제안하였다.
동절기에는 하절기와 달리 실내외 온도차가 크게 형성됨에 따라 연돌현상 발생량은 매우 큰 것으로 나타났으며, 이에 따라 급기가압제연 시스템의 설계차압 유지에 큰 영향을 미치는 것으로 분석되었다. 동절기 설계조건별 해석 결과는 Fig.
연돌현상 등에 의한 유동발생량 제어를 위해서는 시뮬레이션 결과 40층마다 수직 구획화를 계획하는 경우, 급기가압제연시스템의 실성능 확보가 가능한 것으로 나타났으나 우리나라에서는 건축법시행령 제34조에서 초고층 건축물에는 피난층 또는 지상으로 통하는 직통계단과 직접 연결되는 피난안전구역을 지상층으로 부터 최대 30개 층마다 설치하도록 규정하고 있는 점을 고려하여 다음과 같이 피난 대피층과 연계하여 매 30층마다 수직적 분절을 반영하는 것이 바람직한 것으로 사료되며, 이를 통해 화재 시 수직적 연기확산 방지 및 평상시 연돌현상에 의해 발생되는 제반 문제점 개선에도 기여할 것으로 사료된다.
이상의 결과를 요약하면, 우리나라와 같이 동절기 실내외 온도차가 크게 발생되는 지역에서 급기가압 제연시스템을 적용한 초고층 건축물의 경우 연돌현상에 의해 고층부에서 과도한 압력이 형성되어 피난문 개방의 문제 등이 발생될 수 있는 것으로 나타났고, 개선방안으로 계단실 등을 최대 40층마다 분절하는 경우 연돌현상 발생량을 억제함으로써 급기가압 제연시스템의 실성능 확보가 가능한 것으로 분석되었다.
그림에서 볼 수 있듯이, 외기온보다 상대적으로 낮은 실내온도로 인해 하절기 연돌현상은 고층부가 저층부보다 상대적으로 낮은 압력분포를 나타내고 있으며, 실내외 온도차가 동절기보다 크지 않아 연돌현상 발생량이 크지 않음을 알 수 있다. 이에 따라 분석조건 모두에서 부속실 급기가압제연시스템 설계차압 형성(40～60 Pa)이 가능한 것으로 분석되었다.
11에 결과를 수록하였다. 하절기 및 동절기 평가대상 건축물에 대해 연돌현상을 고려한 조건에서 급기가압제연시스템에 대한 시뮬레이션 결과 하절기에는 공간별 압력차의 영향이 크지 않은 것으로 나타나 급기가압제연시스템의 성능에 문제가 없는 것으로 분석되었으나, 동절기에는 수직적 분절을 하지 않거나 50층 1개소에서 수직적 분절을 계획하는 경우 설정차압유지가 어려운 것으로 나타났으며, 40층 이내에서 수직적 분절을 계획하는 경우 설정 차압 40～60 Pa 유지가 가능한 것으로 분석되었다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	초고층 건물은 어떠한 이점이 있는가?	현대 도시는 고층화, 고밀도화와 지하공간을 이용한 복합화를 추구하면서 그 구조와 형태가 다양하게 변화하고 있다. 특히, 초고층 건물은 많은 인구가 밀접되고 불특정 다수인이 이동 및 거주하는 공간으로 경제적 활성화가 되는 반면, 그 반대급부로 화재와 같은 재난시 그에 따른 대응과 안전성 확보 및 피난에 많은 어려움이 있다.(1)
	초고층 건물의 물리적 특성은 어떠한 측면에서 타 건축물에 비해 불리한가?	초고층빌딩의 물리적 특성은 공간의 수직적 분포로 인하여 화재확산에 있어서 타 건축물에 비하여 불리하며, 이러한 재난을 예방하기 위하여 국가 화재안전기준에서는 안전한 피난 동선을 확보하기 위하여 제연설비에 대한 구체적인 설계기준이 마련되어 있으나, 연돌효과를 고려할 경우초고층 건축물의 가압시스템의 압력제어 기능이 어려움에 부딪치게 된다.(2)
	초고층 건물은 어떠한 측면에서 어려움이 있느가?	현대 도시는 고층화, 고밀도화와 지하공간을 이용한 복합화를 추구하면서 그 구조와 형태가 다양하게 변화하고 있다. 특히, 초고층 건물은 많은 인구가 밀접되고 불특정 다수인이 이동 및 거주하는 공간으로 경제적 활성화가 되는 반면, 그 반대급부로 화재와 같은 재난시 그에 따른 대응과 안전성 확보 및 피난에 많은 어려움이 있다.(1)

참고문헌 (8)

Bae, S. H., 2013, A study of vertical airflow and smoke control technique for high-rise building, Daelim Technical Review.
SFPE, 2012, Guidelines for designing fire safety in very tall buildings, SFPE, pp. 51-52.
Wild, J. A., 2000, Smoke control by pressurization, Flakt Woods, 2000, p. 6.
NFPA, 2009, NFPA 101 : Life safety code, NFPA, Quincy, Massachusetts.
Walton, G. N. and Dols, W. S., 2010, CONTAM user guide and program documentation, NISTIR 7251, National Institute of Standards and Technology, Gaithersburg, Maryland.
Jo, J. H. and Yeo, M. S., 2004, Field measurement and evaluation of impacts of stack effect in high-rise buildings; case study, Proceedings, 7th International Symposium on Building and Urban Environmental Engineering.
Klote, J. H. and Milke, J. A., 2002, Principles of smoke management, ASHRAE, Inc., Atlanta, pp. 63-78.
Korean Building Fire Protection, 2012, Regulation of the standards of egress and fire protection construction in buildings (RSEFPCB), 2012 ed., Korean Building Fire Protection.

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표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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