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문제 정의
- 그러나 중(앙)복도에 관련하여 선행연구된 배연준의 ‘중앙코어형 초·고층건축물의 연기확산방지 및 피난 안전성 확보에 관한 연구’에서 초·고층건축물의 화재발생시 화재·연기 확산방지대책과 거주민의 인명안전측면에서 절대적으로 중요한 1차 안전구역인 중(앙)복도를 중점으로 한 연기차단 및 연기제어시스템(Smoke Control System)을 제시하고, 그 적용방안을 강구하는 연구에서 건축 및 설비적인 대응방법과 이를 혼용한 대응방법에 대해 다수의 방안을 제시했으며, 이를 화재분석용 프로그램으로 그 효과를 검증하였다[3]. 따라서 본 연구에서는 선행 연구된 중복도형 인텔리전트 빌딩 화재시 중(앙)복도를 통한 연기확산방지 및 연기제어시스템에 대한 추가 대응방안을 제안하고, 이를 화재분석용 프로그램인 FDS(Fire Dynamics Simulation)로 그 결과를 검증하고자 한다.
- 본 연구에서는 중복도형 인텔리전트 빌딩 화재시 중(앙)복도를 통한 연기확산방지 및 거주민의 피난안전성 확보를 위한 추가 대응방안으로 연구된 배연설비(배연창)와 제연설비(급기·가압설비)를 혼용한 방안을 제시하였다.
가설 설정
- 화재는 기준층 평면에서 좌측 하단의 오피스텔 객실 내부에서 담뱃불이 발화원이 되어 침대(Mattress)로 화원이 옮겨 붙은 후 서서히 성장해 화재크기로 발달하는 것으로 가정하였다. 이때 침대에서 발생한 화재크기는 미국의 NIST에서 실험한 여러 가지 물품 중에서 침대에 대한 화재실험결과를 추정하여 본 논문의 화재크기로 적용하였으며, 화재크기는 감소하지 않고 시뮬레이션 수행종료 때까지 일정하게 유지되는 것으로 가정하였다.
- 화재는 기준층 평면에서 좌측 하단의 오피스텔 객실 내부에서 담뱃불이 발화원이 되어 침대(Mattress)로 화원이 옮겨 붙은 후 서서히 성장해 화재크기로 발달하는 것으로 가정하였다. 이때 침대에서 발생한 화재크기는 미국의 NIST에서 실험한 여러 가지 물품 중에서 침대에 대한 화재실험결과를 추정하여 본 논문의 화재크기로 적용하였으며, 화재크기는 감소하지 않고 시뮬레이션 수행종료 때까지 일정하게 유지되는 것으로 가정하였다.
제안 방법
- Case Type별로 중요지점(Ⓐ∼Ⓓ 지점)의 측정 장치인 Device에 의하여 분석된 내용과 인명안전기준에서 정한 허용안전기준 값으로 비교한 내용을 Case Type별로 종합평가하여 [Table 7]에 나타내었으며, 집계된 내용은 각 중요지점에서의 온도, 가시거리, 그리고 CO와 CO2이다.
- 그러나 중(앙)복도에 관련하여 선행연구된 배연준의 ‘중앙코어형 초·고층건축물의 연기확산방지 및 피난 안전성 확보에 관한 연구’에서 초·고층건축물의 화재발생시 화재·연기 확산방지대책과 거주민의 인명안전측면에서 절대적으로 중요한 1차 안전구역인 중(앙)복도를 중점으로 한 연기차단 및 연기제어시스템(Smoke Control System)을 제시하고, 그 적용방안을 강구하는 연구에서 건축 및 설비적인 대응방법과 이를 혼용한 대응방법에 대해 다수의 방안을 제시했으며, 이를 화재분석용 프로그램으로 그 효과를 검증하였다[3].
- 대상공간인 오피스텔에 화재가 발생할 경우 화염 및 연기확산을 방지하여 거주민의 피난안전성을 확보하기 위해 추가 연구된 대응방안은 배연창설비와 중(앙)복도에 급기・가압하는 제연설비이다. 그리고 화재시뮬레이션 모델링을 위하여 각각 대응방안의 시설 및 기기 작동 시나리오를 Case Type별로 세분화하여 정리하였다.
- [Figure 4]는 대상공간의 화재모델링 작업과 시설별 설치위치 및 장비의 명칭을 나타낸 것이며, 또한 화염 및 연기를 효과적으로 차단하고 제어하기 위한 대책으로 건축 및 설비적인 대응방안인 배연창과 제연설비 등을 화재시나리오 Type별로 적용해 시뮬레이션을 수행하기 위한 필요 시설로 표현한 것이다. 또한 화재발생시 거주민 피난시 인명안전성을 평가하기 위한 데이터 측정 장치인 센서를 바닥에서 1.8 m 높이에 설치하였으며, 그 위치는 화재실의 출입문, 피난계단 등의 부근에 4개소를 배치 계획하였다.
- 시뮬레이션을 통해 수치 해석된 감지기의 작동시간은 25초에 화재실 감지기가 작동하였으며, 복도에 설치된 감지기(복도-A, B 구역)는 공용복도로 연기가 유입되지 않아 작동하지 않았다. 그 이유는 공용복도에 설치된 제연설비의 배출용 그릴에서 외부공기가 급기되고 개방된 출입문을 통해 화재실로 가압공기가 유입되면서 복도로의 연기가 유출되지 않아 감지기 부근의 실내공기의 연기농도가 연기감지기를 작동하기 위한 연기광학농도 이하로 시뮬레이션 종료 때까지 유지되었기 때문으로 판단되어진다.
- 본 연구에서는 중복도형 인텔리전트 빌딩 화재시 중(앙)복도를 통한 연기확산방지 및 거주민의 피난안전성 확보를 위한 추가 대응방안으로 연구된 배연설비(배연창)와 제연설비(급기·가압설비)를 혼용한 방안을 제시하였다. 제시된 Case Type별 대응방안의 효과를 분석・평가하기 위해 FDS 모델링에 적용해 화염과 연기의 거동을 분석한 결과 다음과 같은 결과를 얻을 수 있었다.
이론/모형
- 본 연구에서는 선행 연구된 중복도형 인텔리전트 빌딩 화재시 중(앙)복도를 통한 연기확산방지 및 거주자의 피난안전성 확보를 위한 연기차단 및 연기제어시스템에 대한 추가 대응방안을 제안하고, 적용 가능성에 대한 효과를 분석·검증하기 위해 CFD 기반의 화재전용시뮬레이션 프로그램인 FDS Ver. 5.5.3을 지원하는 PyroSim 2012를 이용하였다.
성능/효과
- 1) Case 5A 결과의 고찰 : 화재실의 측정지점에서 가시거리를 제외한 중요요소(온도, CO 및 CO2 농도 변화)는 인명안전기준에서 정한 허용안전기준 이하의 경미한 변화 값으로 시뮬레이션 종료 때까지 측정되었으며, 화재실 외의 측정지점에서는 중요요소의 측정값들이 분석되지 않았다.
- 1) 온도 변화 : 모든 측정지점에서 허용기준인 60 ℃에 도달하지 못하였으나, 화재실은 온도가 서서히 상승하지만 시뮬레이션 종료 때까지 40 ℃ 이하의 온도가 유지되었으며, 20 ℃ 내·외 온도변화의 등락폭을 나타내었다.
- 1) 온도 변화 : 화재가 발생하면서 화재거실의 온도는 급속도로 상승하면서 약 140초에 허용기준인 60 ℃에 도달하였다, 그 후 310초까지 온도가 급격히 상승하면서 약 185 ℃까지 상승하였으며, 시뮬레이션 종료 때까지 5 ℃ 내·외 온도변화의 등락폭이 유지되었다.
- 1) 중(앙)복도형 인텔리전트 빌딩 화재발생시 화재실에 배연창을 설치하는 경우가 공용복도에 배연창을 설치하는 경우보다 연기확산 방지효과가 더 우수한 것으로 분석되었다.
- 2) Case 5B 결과의 고찰 : 화재실의 측정지점에서 가시거리와 실내온도를 제외한 중요요소(CO 및 CO2 농도 변화)는 인명안전기준에서 정한 허용안전기준 이하의 변화 값으로 시뮬레이션 종료 때까지 측정되었으며, 화재실외의 측정지점에서는 중요요소의 측정값들이 분석되지 않았다. 그러나 화재실내에 발생한 연기는 공용복도로의 유출이 일시적으로 지연되는 성상을 보였으나, 시간이 경과하면서 연기가 복도로 유입되기 시작하였다.
- 2) 가시거리 변화 : 화재실을 제외한 모든 측정지점에서는 가시거리의 변화는 측정되지 않았으나, 화재실은 화재가 진행되면서 검은 연기가 서서히 상승하여 가시거리가 급격히 저하되었다. 또한 약 280초에 허용기준인 5 m 이하에 최초로 도달하였다.
- 2) 가시거리 변화 : 화재실을 제외한 모든 측정지점에서는 가시거리의 허용기준인 5 m에 도달하지 못하였으나, 화재실은 화재가 진행되면서 검은 연기가 생성되고 상승해 가시거리가 급격히 저하되었다. 약 110초에는 허용기준인 5 m 이하로 급격하게 가시거리가 저하되었으며, 이후 허용기준 값을 기점으로 큰 폭의 등락을 나타내었으며, 약 400초 이후에서는 허용기준인 5 m이하에서 소폭의 등락폭을 반복하면서 시뮬레이션 종료(600초)시까지 경미한 변화를 나타내었다.
- 2) 특히, 배연설비(배연창) 및 중(앙)복도에 급기·가압 제연설비를 각각 단독으로 적용하는 경우보다 이 두 설비를 혼용하여 적용한 방안이 중(앙)복도로의 연기의 유출 및 확산 방지효과가 우수한 것으로 분석되었다.
- 3) CO 변화 : 모든 지점에서 CO농도는 허용기준인 1,400 ppm 이상이 검출되지 않았으나, 화재실은 서서히 증가하여 시뮬레이션 종료(600초)시에는 1 ppm 이하인 경미한 농도의 변화 값을 나타내었다. 그 외의 지점은 시뮬레이션 종료 때까지 CO가 검출되지 않았다.
- 3) CO 변화 : 화재실을 제외한 모든 측정지점에서 CO 농도는 검출되지 않았으나, 화재실은 서서히 증가한 후 큰 폭의 등락을 반복하였으며, 시뮬레이션 종료(600초) 시에는 약 1,200 ppm 이하인 CO농도 값을 나타내었다.
- 3) 배연설비(배연창)의 적용유무와 적용시 설치 장소 및 위치가 중(앙)복도로의 연기유출 및 확산에 많은 영향을 미치는 것으로 분석되었으며, 이에 따른 국내의 법규적인 문제점과 보완대책이 시급함을 확인할 수 있었다.
- 4) CO2 변화 : 모든 지점에서 CO2 농도는 허용기준인 50,000(5%) ppm 이상이 검출되지 않았으나, 화재실은 서서히 증가하여 시뮬레이션 종료(600초)시에는 2,560 ppm이하인 경미한 농도의 변화 값을 나타내었다. 그 외의 지점은 시뮬레이션 종료 때까지 CO2가 검출되지 않았다.
- 4) CO2 변화 : 화재실을 제외한 모든 측정지점에서 CO2 농도는 검출되지 않았으나, 화재실은 서서히 증가하여 시뮬레이션 종료(600초)시에는 약 3,100 ppm 이하인 경미한 농도 값을 나타내었다.
- NIST에서 수행한 화재실험결과를 보면 화재가 서서히 성장하면서 진행되어 약 200초 지점에서는 100 kW에 도달하였으며, 곧 바로 급격히 성장하여 약 315초 지점에서는 1.1 MW급의 화재크기인 최대 열방출율(Heat Release Rate)를 나타내었다. 그리고 바로 급락하여 약 400초 지점에서는 100 kW로 감소해서 실험 종료까지 서서히 화재크기가 감소하는 현상을 나타내었다.
- 둘째, 피난방향과 연기의 방향이 서로 다른 역방향의 경우는 더욱 위험하다. 그 이유는 거주자가 피난행동시 연기가 확대되어오는 속을 뚫고 피난계단으로 진입해 대피해야 하며, 짙은 연기 속에서는 가시거리가 짧아져 피난구유도등의 식별과 피난계단의 출구를 찾기가 더욱 어려워지기 때문이다.
- 또한, 시간이 계속적으로 진행되어도 전체복도로 연기의 유입 및 확산이 이루어지지 않고 복도-A구역의 일부에 국한되어 발생함으로서 공용복도(A구역 일부와 B구역 전체)가 청정공간을 확보함으로서 거주민의 피난시 피난여유시간 확보와 수평 및 수직 피난동선이 모두 확보됨을 확인할 수 있었다. 또한, 이 청정공간이 거주민의 임시 피난공간과 출동한 소방대의 임시휴식 및 대기 공간으로 활용될 수 있다는 것을 확인할 수 있었다.
- 시간이 계속적으로 진행되어도 복도로의 연기의 유입 및 확산이 이루어지지 않아 전체복도가 청정공간으로 확보됨으로서 거주민의 피난시 피난여유시간 확보와 모든 수평 및 수직피난 동선이 확보되는 것을 확인할 수 있었다. 또한, 이 청정공간이 거주민의 임시 피난공간과 출동한 소방대의 임시휴식 및 대기 공간으로 활용될 수 있다는 것을 확인할 수 있었다. [Figure 6]은 시뮬레이션을 통해 수치 해석된 연기확산 및 거동 상황을 캡처하여 시간대 별로 나타낸 것이다.
- 복도로 유입된 연기가 전체복도로 확산되지 못하고 공용복도의 일부지역(A구역)에 정체되는 연기거동의 양상을 보였다.
- 비화재세대의 모든 출입문은 화재세대 내에 설치한 연기감지기가 작동한 이후 약 60초에 모두 개방되었으며, 개방된 출입문을 통하여 복도-A 구역에 유출된 검은 연기가 인근세대 내로 유입된 후 세대 전체로 확산되어졌다. 화재세대의 출입문 개방에 의하여 공용복도로 유출된 연기는 개방된 비 화재세대와 공용복도(복도-A)로 빠르게 확산되는 연기거동을 보였으나, 전체 공용복도(복도-A/B 구역)에서 급기·가압하는 제연설비와 배연창설비가 작동 및 개방되면서 복도로 유입된 연기가 전체복도로 확산되지 못하고 공용복도 일부지역(A 구역)에 정체 및 옥외로 배출되어지는 연기거동의 양상을 보이고 있다.
- 오피스텔 거실에 화재가 발생하고 서서히 성장하면서 화재가 발생된 거실 내에 연기가 충만하기 시작한다. 세대 내에 설치한 연기감지기가 약 25초에 작동하고 30초(약 55초 때) 이후에 화재발생 거실의 출입문이 개방되었으며, 공용복도로 연기가 확산되지 못하도록 전체복도에 계획된 급기용 제연설비도 화재발생 이후 약 55초에 작동해 전체복도에 외부공기를 급기하기 시작하였다. 복도 전체에 급기가 시작되면서 화재실 내에 발생한 연기는 공용복도로의 유출은 일시적으로 지연되는 성상을 나타내었으나, 시간이 경과하면서 연기가 복도로 유입되기 시작하였으며, 시간이 경과할수록 더욱더 심하게 연기유입이 진행되었다.
- 시간이 계속적으로 진행되어도 복도로의 연기의 유입 및 확산이 이루어지지 않아 전체복도가 청정공간으로 확보됨으로서 거주민의 피난시 피난여유시간 확보와 모든 수평 및 수직피난 동선이 확보되는 것을 확인할 수 있었다. 또한, 이 청정공간이 거주민의 임시 피난공간과 출동한 소방대의 임시휴식 및 대기 공간으로 활용될 수 있다는 것을 확인할 수 있었다.
- 2) 가시거리 변화 : 화재실을 제외한 모든 측정지점에서는 가시거리의 허용기준인 5 m에 도달하지 못하였으나, 화재실은 화재가 진행되면서 검은 연기가 생성되고 상승해 가시거리가 급격히 저하되었다. 약 110초에는 허용기준인 5 m 이하로 급격하게 가시거리가 저하되었으며, 이후 허용기준 값을 기점으로 큰 폭의 등락을 나타내었으며, 약 400초 이후에서는 허용기준인 5 m이하에서 소폭의 등락폭을 반복하면서 시뮬레이션 종료(600초)시까지 경미한 변화를 나타내었다.
- 첫째, 피난방향과 연기의 방향이 같은 순방향의 경우는 연기의 유동속도와 거주자의 피난 속도는 비슷하다. 그러나 계단의 출입문에서 피난자의 정체현상으로 인한 지체시간으로 연기에 노출될 가능성이 크며, 협소한 복도 폭이 연기유동의 덕트 역할로 자유공간의 연기유동보다 빠르게 확산되어 피난 거주자에게 연기에 대한 위해(危害)를 가할 수 있다.
- 초·고층건축물의 화재는 대부분 우선 화재경보나 스프링클러설비의 미 작동으로 인한 늦은 초기대응으로 거주자들이 피난기회를 잃어 인명 및 재산피해가 발생한다. 특히, 인명피해가 발생한 이유는 방화구획 미설치, 방화문의 열림으로 인한 제연시스템의 기능상실, 중(앙)복도로 유출된 연기의 피난계단실 및 승강기 샤프트를 통한 연기확대로 인해 피난 도중 질식사한 경우가 가장 큰 비중을 차지한 것으로 나타났다. 또한, 상층부의 인원을 모두 지상 층으로 대피하기 위해서는 피난계단 등 건물의 자체적인 동선에 한계가 있었다.
- 그 이유는 복도-B 구역에 설치된 배출용 그릴에서 외부공기가 급기되면서 감지기 부근의 실내공기의 연기농도가 연기감지기를 작동하기 위한 연기광학농도 이하로 시뮬레이션 종료 때까지 유지되었기 때문으로 판단된다. 화재실의 출입문 개방은 감지기가 초기화재를 감지한 이후인 약 55초에 이루어졌으며, 비화재실의 출입문은 약 85초에 개방되었다.
- 그 이유는 공용복도에 설치된 제연설비의 배출용 그릴에서 외부공기가 급기되고 개방된 출입문을 통해 화재실로 가압공기가 유입되면서 복도로의 연기가 유출되지 않아 감지기 부근의 실내공기의 연기농도가 연기감지기를 작동하기 위한 연기광학농도 이하로 시뮬레이션 종료 때까지 유지되었기 때문으로 판단되어진다. 화재실의 출입문과 배연창 개방은 감지기가 초기화재를 감지한 이후인 약 55초에 이루어졌으며, 비화재실의 출입문은 약 85초에 개방되었다. 감지기의 동작과 출입문 및 배연창의 개방 시간을 정리하여 [Table 5]에 나타내었다.
후속연구
- 5) 본 연구를 통해 제시된 다양한 대응방안들이 초·고층건축물 중 중앙코어형의 건축물에서 공용복도로의 연기확산방지를 위한 하나의 제연방식으로서 건축계획단계에서부터 최우선으로 고려되어 거주민의 피난안전성이 확보되어야할 것이다.
- 대상공간인 오피스텔에 화재가 발생할 경우 화염 및 연기확산을 방지하여 거주민의 피난안전성을 확보하기 위해 추가 연구된 대응방안은 배연창설비와 중(앙)복도에 급기・가압하는 제연설비이다. 그리고 화재시뮬레이션 모델링을 위하여 각각 대응방안의 시설 및 기기 작동 시나리오를 Case Type별로 세분화하여 정리하였다.
- 5) 본 연구를 통해 제시된 다양한 대응방안들이 초·고층건축물 중 중앙코어형의 건축물에서 공용복도로의 연기확산방지를 위한 하나의 제연방식으로서 건축계획단계에서부터 최우선으로 고려되어 거주민의 피난안전성이 확보되어야할 것이다. 또한, 법규적인 문제점 및 안전기준들이 시급히 보완되고, 신설되어 중(앙) 복도형 초·고층건물 등에서 화염과 연기로 인한 인명 및 재산 피해가 최소화되도록 노력해야 할 것이다.
- 제연설비가 설치된 특별피난계단과 비상용승강기는 거주자의 수직피난과 소방대의 화재 층 진입에 효과적인 역할을 수행할 것이다. 이는 제연설비가 제 기능과 장비의 신뢰성이 보장되어야만 가능한 것이다.
- 제연설비가 제 기능을 못하는 계단 및 승강기로 거주민이 피난을 위해 개방한 출입문과 틈새로 연기가 계속적으로 유입된다면, 유입된 연기는 빠른 속도로 상층부로 확대되고 화재 층에서 멀리 떨어진 상부의 다른 층으로 연기가 이동하는 결과를 초래할 것이다. 그 결과 다른 층의 거주민에게 위해(危害)를 끼치게 된다.
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