국내외 유리 외장재에 대한 기준은 풍압 및 단열 성능에만 집중되어 있고, 화재 및 지진과 같은 재난에 대한 기준은 미비한 실정이다. 특히 초고층 건물의 화재 발생 시 유리 외장재의 파손으로 인한 상부층 화재 확산은 재산 및 인명 피해를 극대화한다. 따라서 유리 외장재의 파손으로 인한 화재 확산을 축소하기 위해서는 유리 외장재의 화재 취약성을 검토하고 파손 방지 기술 개발이 필요하다. 초고층 건물의 한정된 소방용수를 사용하여 효과적으로 파손을 막기 위해서는 유리 외장재의 파손 시점을 예측하고 원인 인자를 판단하는 것이 중요하다. 본 연구에서는 이중 유리 외장재의 열적 특성을 분석하기 위해 복사열 실험을 수행하고, 화염의 고온 고압에 직접적으로 노출이 되지 않았음에도 파단이 일어난 현상을 분석하기 위한 수치해석을 수행하였다. 구체적으로 ISO 9705 Room에 3장의 커튼월 유리 외장재를 설치하고, 방열판을 이용해서 유리 외장재를 복사열에 노출시키며 각 유리의 중요 위치에서 열전대를 이용하여 온도를 측정하였다. 최종적으로 현재 널리 사용되고 있는 이중 유리 외장재에 대한 화재 취약성을 분석하였다.
국내외 유리 외장재에 대한 기준은 풍압 및 단열 성능에만 집중되어 있고, 화재 및 지진과 같은 재난에 대한 기준은 미비한 실정이다. 특히 초고층 건물의 화재 발생 시 유리 외장재의 파손으로 인한 상부층 화재 확산은 재산 및 인명 피해를 극대화한다. 따라서 유리 외장재의 파손으로 인한 화재 확산을 축소하기 위해서는 유리 외장재의 화재 취약성을 검토하고 파손 방지 기술 개발이 필요하다. 초고층 건물의 한정된 소방용수를 사용하여 효과적으로 파손을 막기 위해서는 유리 외장재의 파손 시점을 예측하고 원인 인자를 판단하는 것이 중요하다. 본 연구에서는 이중 유리 외장재의 열적 특성을 분석하기 위해 복사열 실험을 수행하고, 화염의 고온 고압에 직접적으로 노출이 되지 않았음에도 파단이 일어난 현상을 분석하기 위한 수치해석을 수행하였다. 구체적으로 ISO 9705 Room에 3장의 커튼월 유리 외장재를 설치하고, 방열판을 이용해서 유리 외장재를 복사열에 노출시키며 각 유리의 중요 위치에서 열전대를 이용하여 온도를 측정하였다. 최종적으로 현재 널리 사용되고 있는 이중 유리 외장재에 대한 화재 취약성을 분석하였다.
National and international standards for curtain wall glass are focused on wind pressure and insulation performance, but disasters such as fires and earthquakes are not considered. Failure of curtain wall glass during a fire in a skyscraper increases the loss of lives and property due to the spread ...
National and international standards for curtain wall glass are focused on wind pressure and insulation performance, but disasters such as fires and earthquakes are not considered. Failure of curtain wall glass during a fire in a skyscraper increases the loss of lives and property due to the spread of fire. Therefore, the fire resistance of curtain wall glass should be investigated, and technology to prevent glass failure should be developed to prevent fire damage due to spreading fire. It is important to predict the starting point of cracks and the cause of glass failure to prevent it effectively using the limited water in a skyscraper. In this study, double glazed glass was exposed to a radiator in an experiment performed to analyze the thermal characteristics. The results show that glass that was not directly exposed to high temperature and pressure was broken. To identify this failure case, numerical analysis was performed. Three glass specimens were installed in an ISO 9705 room and exposed to radiation using a radiator, and a thermocouple was used to measure the temperature on the surface of the glass. Widely used double glazed glass was analyzed for weakness to fire.
National and international standards for curtain wall glass are focused on wind pressure and insulation performance, but disasters such as fires and earthquakes are not considered. Failure of curtain wall glass during a fire in a skyscraper increases the loss of lives and property due to the spread of fire. Therefore, the fire resistance of curtain wall glass should be investigated, and technology to prevent glass failure should be developed to prevent fire damage due to spreading fire. It is important to predict the starting point of cracks and the cause of glass failure to prevent it effectively using the limited water in a skyscraper. In this study, double glazed glass was exposed to a radiator in an experiment performed to analyze the thermal characteristics. The results show that glass that was not directly exposed to high temperature and pressure was broken. To identify this failure case, numerical analysis was performed. Three glass specimens were installed in an ISO 9705 room and exposed to radiation using a radiator, and a thermocouple was used to measure the temperature on the surface of the glass. Widely used double glazed glass was analyzed for weakness to fire.
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문제 정의
따라서 유리 외장재의 열적 특성 및 파손 원인을 분석하여 스프링클러의 작동 조건 및 패턴에 반영하여 최적화 살수 패턴을 구성해야한다. 따라서 본 연구는 이중 유리 외장재의 열적 특성과 파손 취약성을 분석하는 것이 목적이다.
이를 위하여 본 연구는 유리 커튼월 건축물의 층간 화재확산 방지를 위한 수막시스템 개발의 초기 연구 단계로써, 이중 유리 외장재의 파손 특성을 분석하였다. 초고층 건물의 경우 스프링클러의 소방용수 양이 제한되어 있기 때문에, 한정된 소방용수를 효과적으로 사용해야 유리 외장재가 파손에 이르는 시간을 늦출 수 있다.
제안 방법
본 연구는 커튼월 이중 유리 외장재의 열적 특성 및 파단을 분석하여 스프링클러의 작동 및 패턴에 반영하기 위하여 실험과 수치해석 연구를 수행하였다. 실험에서 유리외장재는 일반적으로 알려진 온도(7-9)보다 약 100 oC 이상 낮은 온도에서 균열이 발생하였다.
본 연구에서는 유리 외장재 파손 분석을 위해서 유리 파손에 영향을 미치는 온도 측정하기 위해 유리 외장재를 복사열에 노출시키고 열전대(Thermocouple)를 설치하여 유리 커튼월의 온도를 측정하였다. 사용되어진 열전대는 Ktype 열전대로 허용 오차는 2.
실제 실험에서 사용한 방열판은 코일로 구성되어 있는데 복사열은 코일의 크기 및 형상 위치에 따라 온도결과에 영향을 받는다. 하지만 실험을 통해 유리 표면의 온도값을 알고 있기 때문에 복사열 효과를 줄 수 있도록 단순육면체로 방열판을 모델링하였고, 실험에서 측정된 온도값과 열전달 해석을 통해 계산된 유리 표면 온도가 일치하는 구간에서 열응력 해석을 수행하였다. 이중 유리는 유리와 알루미늄 간봉과 함께 구성하여 수치 모델을 생성하였다.
대상 데이터
본 연구에서 사용된 실증 실험 공간은 IS0 9705 규격과 동일한 가로 3.6 m, 너비 2.4 m, 높이 2.4 m의 철재 구조물로서 Figure 1과 같다. 유리 외장재의 열적 특성 분석을 위하여 한쪽 벽면에는 3개의 유리 외장재를 설치하였다.
본 연구에서는 초고층 건물에 널리 사용되는 이중 유리외장재를 대상으로 복사열전달 실험을 수행하였다. 이중유리 복사열 실험에서 기존에 단일 유리에서 수행되어진 온도보다 약 100 oC 낮은 온도에서 유리에 균열이 발생하는 결과는 이중 유리 외장재의 심각한 화재 취약성을 보여준다.
이중 유리는 유리와 알루미늄 간봉과 함께 구성하여 수치 모델을 생성하였다. 수치모델은 Figure 5와 같으며 93219개의 요소와72336개의 노드가 사용되었다.
두 유리 사이의 간극은 12 mm이고 최종적으로 완성된 이중 유리의 두께는 24 mm이다. 실제 건축물에서는 다양한 재료로 커튼월 프레임이 구성되지만 본 연구에서는 차후 실험을 위해 내구성이 높은 철판을 이용하였다.
유리의 크기가 파손에 미치는 영향을 분석하기 위하여 유리 외장재는 850 × 850 mm의 유리 2장과 850 × 1910 mm 유리1장을 사용하여 구성하였다. 유리 외장재는 현재 국내 초고층 건축물에서 주로 사용되고 있는 Low-E 유리를 사용하였으며 실제 현장에서 시공되는 Low-E 이중(DoubleGlazed) 유리를 실험에 사용하였다. 일반적으로 이중 유리는 단열 성능 향상 및 결로 방지를 위해 유리 사이에 알루미늄 간봉으로 두 장의 유리를 접합하고 실리콘으로 마감이 되어 있다.
유리 외장재의 열적 특성 분석을 위하여 한쪽 벽면에는 3개의 유리 외장재를 설치하였다. 유리의 크기가 파손에 미치는 영향을 분석하기 위하여 유리 외장재는 850 × 850 mm의 유리 2장과 850 × 1910 mm 유리1장을 사용하여 구성하였다. 유리 외장재는 현재 국내 초고층 건축물에서 주로 사용되고 있는 Low-E 유리를 사용하였으며 실제 현장에서 시공되는 Low-E 이중(DoubleGlazed) 유리를 실험에 사용하였다.
데이터처리
기존의 연구들에서 유리의 파손은 약 330~380 oC에 도달하거나 화염 노출면과 비노출면의 온도 차이가 높은 구간에서 균열이 발생한다고 알려져 있다(7-9). 따라서 낮은 온도에서 파단이 일어난 실험 결과를 검증하기 위해 ANSYS 14.0 APDL을 이용한 수치해석을 통해 실험 결과를 검증하였다. 실험에 사용된 Low-E유리는 일반 유리에 금속 또는 금속 산화물을 코팅함으로써 낮은 방사율 및 복사능을 높인 유리를 말한다.
성능/효과
이중유리 복사열 실험에서 기존에 단일 유리에서 수행되어진 온도보다 약 100 oC 낮은 온도에서 유리에 균열이 발생하는 결과는 이중 유리 외장재의 심각한 화재 취약성을 보여준다. 실험 결과를 검증하기 위하여 수치해석을 통해 이중유리는 낮은 온도에서도 유리에 파단을 초래할 수 있는 상당한 열응력이 발생함을 확인하였다. 따라서 단열 효과를 위해 초고층 건물에 널리 사용되어지는 이중 유리는 단일유리에 비해 화재 확산에 취약하며 화재 발생 시 심각한 인명 및 재산 피해를 초래할 수 있다.
우선적으로 본 연구를 통해 이중 유리 전면에 수막을 형성하지 않고 알루미늄 간봉과 연결되어 있는 부분에 집중적으로 수막을 형성시킨다면 적은 양의 소방용수로 이중유리의 파손을 늦출 수 있다고 예측된다. 이외에도 알루미늄과 연결된 부분이 화염에 직접적으로 노출되지 않도록 프레임 내부 공간으로 이동시키는 방법도 고려되어진다.
본 연구에서는 초고층 건물에 널리 사용되는 이중 유리외장재를 대상으로 복사열전달 실험을 수행하였다. 이중유리 복사열 실험에서 기존에 단일 유리에서 수행되어진 온도보다 약 100 oC 낮은 온도에서 유리에 균열이 발생하는 결과는 이중 유리 외장재의 심각한 화재 취약성을 보여준다. 실험 결과를 검증하기 위하여 수치해석을 통해 이중유리는 낮은 온도에서도 유리에 파단을 초래할 수 있는 상당한 열응력이 발생함을 확인하였다.
후속연구
따라서 화재 확산을 막기 위해서는 유리 외장재에 수막을 형성하여 유리 파손을 방지하는 기술을 개발하는 연구를 수행하고 있다. 하지만 초고층 건물의 경우 한정된 소방용수를 가지고 있기 때문에 파단에 이르는 시간을 최대한 늦추기 위해서는 수막 살수 패턴이 최적화된 작동 조건이 필요하다.
하지만 초고층 건물의 경우 한정된 소방용수를 가지고 있기 때문에 파단에 이르는 시간을 최대한 늦추기 위해서는 수막 살수 패턴이 최적화된 작동 조건이 필요하다. 본 연구에서 수행한 실험 결과 및 수치해석은 향후 수막 살수 최적화에 사용되어질 예정이다.
이외에도 알루미늄과 연결된 부분이 화염에 직접적으로 노출되지 않도록 프레임 내부 공간으로 이동시키는 방법도 고려되어진다. 향후 수막설비를 구성한 실험 모델을 통해서 이중 유리를 직접적으로 화염에 노출시키고, 수막 패턴 및 작동 시간에 따른 유리 외장재 파손에 따른 화재 확산을 분석할 예정이다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
국내외 유리 외장재에 대한 기준은 어떤 실정인가?
국내외 유리 외장재에 대한 기준은 풍압 및 단열 성능에만 집중되어 있고, 화재 및 지진과 같은 재난에 대한 기준은 미비한 실정이다. 특히 초고층 건물의 화재 발생 시 유리 외장재의 파손으로 인한 상부층 화재 확산은 재산 및 인명 피해를 극대화한다.
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