[논문]이중외피 구조 건축물의 피난성능 개선에 관한 연구

구선환; 송영주

doi:10.7731/kifse.2017.31.1.098

이중외피 구조 건축물의 피난성능 개선에 관한 연구
Study Improvement of the Evacuation Performance in a Double-Skin Structure 원문보기

한국화재소방학회 논문지= Fire science and engineering, v.31 no.1, 2017년, pp.98 - 107

구선환 (동신대학교 대학원 소방학과) , 송영주 (동신대학교 소방행정학과)

초록
AI-Helper

본 논문은 피난 안전성 평가를 통해 이중외피 구조가 적용된 건축물에서의 피난 성능 개선방안을 제시하고자 한다. 이중외피 구조가 적용된 건축물은 화재 발생시 굴뚝효과로 인한 상층 연소확대 현상이 빠르고 그 특성이 각 구조별로 다른 특성을 갖고 있으며 설계 및 제도적 기준 또한 미비하여 일반 건축물에 비해 피난 안전성을 확보하기 어렵다. 따라서 본 논문에서는 10층의 단일 피난계단이 적용된 이중외피 건축물로 가상의 모델링을 구성하였으며, 피난 성능을 개선하기 위한 방안으로 피난 완료시점을 옥외로의 탈출까지로 변경하고, 각 구조별 위험도를 고려한 경보방식을 제안하였다. 그 결과 기존의 경보방식과 비교하여 박스형은 약 26.4%, 복도형은 약 29.1%, 샤프트-박스형은 약 23.4%, 전면형은 약 26.3%의 피난 성능이 개선되었고, 전층의 재실자의 안전을 확보 할 수 있었다.

Abstract ▼ AI-Helper

This study examined an effective way of measuring the evacuation performance in buildings, which are applied to a double skin facade through an evaluation of the escape safety. Buildings with a double skin facade appeared to have a faster combustion expansion speed for the upper floor if a fire occurs. Moreover, a double skin facade is more difficult to escape safely than a general building construction because of the limited design standards. Accordingly, this study suggested virtual modeling including single emergency stairs and alarm systems considering the risk in each structure of buildings. These results showed that box-type double skin, corridor access type, shaft-box type, and multistory facade systems showed a 26.4%, 29.1%, 23.4%, and 26.3% increase in evacuation performance, respectively, as well as securing the safety of occupants.

주제어

표/그림 (7)

그림 Figure 1. The types of Double-skin Facade structure and the structure.
표 Table 1. The Conditions of Simulation
표 Table 2. The Setting of Fire Simulation
표 Table 3. The Input Value of Pathfinder
그림 Figure 2. The effect of visibility to each structure.
표 Table 4. The Result of Evacuation Safety Assessment (unit : s)
표 Table 5. The Result of Evacuation Safety Assessment According to Improved be Fire Alarm System by Each Structure

AI 본문요약
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문제 정의

따라서 본 연구에서는 기존의 발화층 · 직상층 우선경보방식과 함께 화재 시 층별 위험 평가를 통해 다음과 같은 방법으로 경보방식을 제안하여 피난 성능을 개선하고자 한다.
따라서 이러한 문제점을 해결하기 위해 본 논문에서는 단일 피난 계단과 이중외피 구조가 적용된 10층 건축물로 모델링을 실시하여 옥외로의 탈출을 기준으로 피난 안전성 평가를 실시하여 위험도를 고려한 경보방식을 통해 피난성능 개선방안을 제시하고자 한다.
본 논문은 단일 피난계단이 설치된 10층 건축물로써 이중외피 구조가 적용된 건축물의 경우에 대하여 피난 안전성을 확보하기 위한 대책을 마련하고자 하였다. 또한 현재 획일화된 화재 경보방식의 한계와 피난계단의 방화문까지로 기준하는 피난 안전성 평가를 옥외로 기준점을 설정하여 전층의 재실자의 피난 안전성을 확보하고자 하였으며, 그 대책을 정리하면 다음과 같다.
본 논문은 단일 피난계단이 설치된 10층 건축물로써 이중외피 구조가 적용된 건축물의 경우에 대하여 피난 안전성을 확보하기 위한 대책을 마련하고자 하였다. 또한 현재 획일화된 화재 경보방식의 한계와 피난계단의 방화문까지로 기준하는 피난 안전성 평가를 옥외로 기준점을 설정하여 전층의 재실자의 피난 안전성을 확보하고자 하였으며, 그 대책을 정리하면 다음과 같다.
본 논문은 피난 안전성 평가를 통해 단일 피난계단이 설치된 10층 건축물에 이중외피 구조가 적용될 경우에 대한 피난 성능을 개선하고자 하였으며, 간략한 모델링을 통해 한계가 존재 한다. 그러나 본 연구를 통해 이중외피 구조 적용 시 피난성능 개선을 위한 효율적 경보방식의 적용방법과 합리적인 피난전략을 수립하기 위한 기초자료로서 모든 재실자의 안전을 확보하기 위한 자료로 이용되기 기대한다.

가설 설정

”에 기초하여 가정하였다.
(2) 화재 시 이중외피를 통해 상층부로 연소 확대 현상을 파악하기 위해 각 실의 문은 닫혀 있는 것으로 가정하고, 각 층의 내피 창문은 열려 있는 것으로 가정한다.
내피에는 한 실당 두 개의 창문이 있고 너비 2.5 m, 높이는 1 m로 구성하였으며, 위험상황을 위해 창문은 모두 개방된 것으로 가정한다. 또한 외피 밖으로 유출된 연기가 상층부로 이동하는 현상을 파악하기 위해 외피 밖으로 1.

제안 방법

”는 규정에 따라 본 연구에서의 계단은 피난계단으로 모델링 하였으며, 내화구조의 벽과 출입구는 최소 유효너비 0.9 m를 적용 하였고, 모델링된 구조는 거실의 바닥면적이 건축법 시행령 제 34조의 2의 직통계단 2개소 이상 설치기준인 업무용도 바닥면적 400 m2에 약간 부족한 396 m2로서 한 개의 직통계단으로 설치하였다.
(4) Devices를 통해 검출된 결과는 인명안전기준의 항목인 열에 의한 영향, 가시거리에 의한 영향, 독성에 의한 영향이 미치는 시간을 분석하여, 각 항목 중 가장 빠르게 기준에 도달하는 시간을 측정하여 피난허용 시간(ASET)을 도출한다.
복도형 이중외피 구조의 피난 허용 시간 측정결과 화재실을 제외하고는 화재 시뮬레이션을 완료하는 시간까지 그 영향이 나타나지 않았다. 따라서 피난 완료 시간인 600초를 기준으로 피난 허용 시간을 적용 하였다.
또한 사용목적에 따른 중공층의 너비 중 유지관리 측면에서 사람의 접근이 가능한 범위인 1,000 mm를 적용하여 중공층의 너비 조건을 같게 설정 하였으며, 이중외피의 공기 유입구와 출구는 선행된 연구를 참조하여 면적에 따라 기류량의 증가와 압력손실을 고려하여 0.2 m²/m를 적용하였다⁽⁷⁾.
5 m, 높이는 1 m로 구성하였으며, 위험상황을 위해 창문은 모두 개방된 것으로 가정한다. 또한 외피 밖으로 유출된 연기가 상층부로 이동하는 현상을 파악하기 위해 외피 밖으로 1.0 m의 개방공간을 구성하였다.
또한 지연시간은 본 연구의 모델링이 매우 단순하여 화재 시 피난인지가 매우 빠를 것으로 판단하고 소방시설 등의 성능위주설계 방법 및 기준 별표 1의 피난가능시간 기준인 “기숙사, 중/고층 주택(거주자는 건물의 내부, 경보, 탈출로에 익숙하고, 수면상태일 가능성 있음)”을 기준으로 W1인 120 초의 지연시간을 설정하였다.
샤프트-박스형 이중외피 구조에서의 경보방식은 우선경보방식과 함께 기존 우선경보방식으로는 피난 안전성을 확보하지 못하는 층에 발화층 동시경보를 제안하며, 이와 함께 9층과 10층은 옥상피난유도를 제안한다. 1층부터 6층은 기존의 우선경보방식에 의해 피난 안전성을 확보 하였으나, 7층부터 10층은 피난 안전성을 확보하지 못했다.
시나리오 : 각 이중외피 구조의 피난 안전성 평가를 옥외로의 완전한 퇴출시점으로 설정하여 기존의 발화층 · 직상층 우선경보방식의 문제점과 피난성능 개선방안을 제시하고자 하며, 시나리오 절차는 다음과 같다.
인명 안전 평가를 위한 측정 장치는 소방시설 등의 성능 위주설계방법 및 기준 별표 1의 인명안전기준의 호흡 한계선인 1.8 m의 높이에 설치하였으며, 인명안전 기준의 영향평가 기준을 측정하기 위해 열, 가시거리, CO, O₂, CO₂를 측정하기 위한 장치를 각 층마다 설치하였고, 그 위치는 각 실의 출입문 앞에 설치하였다. 화재를 감지하기 위한 감지기는 이온화식 연기감지기 2종을 자동화재탐지설비 및 시각경보장치의 화재안전기준(NFSC 203)의 연기감지기 설치기준을 준용하여 각 실에 2개씩 설치하였다.
인명안전기준의 열에 의한 영향, 가시거리에 의한 영향, 독성에 의한 영향을 평가 항목으로 하고, 평가 항목 중 가장 위험 기준에 빠르게 도달하는 항목별 시간으로 평가를 시행 하였다.
전면형 이중외피 구조의 경보방식은 샤프트-박스형 이중외피 구조와 같이 기존의 우선경보와 함께 발화층 동시 경보 및 옥상피난유도 경보를 실시하는 것을 제안한다.
화재는 1층의 Room 1의 정중앙에서 발생한 것으로 가정하였고, 화원의 크기는 1 m×1 m이며, 발열량은 Polyurethane의 발열량인 3,500 kW, 화재 성장은 medium으로 설정하였으며, 화재시 발연량이 높은 화재를 설계하므로써 연기에 의한 피해를 극대화 하도록 하였다.
8 m의 높이에 설치하였으며, 인명안전 기준의 영향평가 기준을 측정하기 위해 열, 가시거리, CO, O₂, CO₂를 측정하기 위한 장치를 각 층마다 설치하였고, 그 위치는 각 실의 출입문 앞에 설치하였다. 화재를 감지하기 위한 감지기는 이온화식 연기감지기 2종을 자동화재탐지설비 및 시각경보장치의 화재안전기준(NFSC 203)의 연기감지기 설치기준을 준용하여 각 실에 2개씩 설치하였다. 열, 가시거리, 독성 등의 평가기준은 소방시설 등의 성능위주설계방법 및 기준 별표 1의 인명안전 기준을 적용하였다.

대상 데이터

Fire Dynamics Simulator (FDS)는 전산유체역학(Computational Fluid Dynamics : CFD)모델을 통해 물리적 현상을 수학적으로 표현하고 해석함으로써 연기와 열등을 중심으로 유체의 흐름을 예측하며, 연속방정식, 운동량방정식, 에너지방정식, 상태방정식을 이용하여 행렬과 벡터를 이용해 해석된다^(8,9). 본 연구에 사용된 PyroSim2012는 FDS v5.5.3을 지원하며 FDS와 Smokeview 프로그램을 포함하고 있다.
본 연구의 수용인원은 소방시설 등의 성능위주설계 방법 및 기준 별표 1의 수용인원 산정기준의 업무용도를 기준으로 하였으며, 한 실당 면적은 198 m², 업무용도의 수용인원인 9.3 m²/인을 적용하여 한 실당 수용인원은 22명, 한 층당 수용인원은 44명, 건물 전체 수용인원은 440명을 적용하였다.
시뮬레이션 대상은 단일 피난계단에 이중외피 구조가 적용된 건축물로써 특별피난계단이 적용되지 않는 10층 건축물로 연면적은 4181.5 m²으로 모델링 하였으며, 이중외피 구조는 중공층의 구획과 자연환기 방법에 따라 4가지(박스형, 샤프트-박스형, 복도형, 전면형)로 분류하여 모델링 하였다.
이에 본 연구에서 실험한 모델링의 해석 공간은 24.4 m×20 m×32 m (15,616 m3)로 모델링하였고, 해석 공간내 셀의 치수와 크기는 0.2 m×0.2 m×0.2m (1,952,000개)로 Table 2와 같이 설정 하였다.

이론/모형

화재 시뮬레이션 프로그램은 피난 안전성 평가 시 화재로 인한 위험에 도달하는 시간을 측정하는 계측도구로써 피난허용시간을 측정하는데 이용된다. 본 논문에서 사용된 화재 시뮬레이션 프로그램은 PyroSim 프로그램으로 Thunderhead 사에서 개발한 FDS를 쉽게 구성할 수 있는 전처리 프로그램을 이용하였다. Fire Dynamics Simulator (FDS)는 전산유체역학(Computational Fluid Dynamics : CFD)모델을 통해 물리적 현상을 수학적으로 표현하고 해석함으로써 연기와 열등을 중심으로 유체의 흐름을 예측하며, 연속방정식, 운동량방정식, 에너지방정식, 상태방정식을 이용하여 행렬과 벡터를 이용해 해석된다^(8,9).
본 실험의 수용인원의 보행속도는 한국건설기술연구원에서 2009년 12월에 발표한 표준화재 모델에 따른 화재확대방지 및 피난안전 설계 기술계발의 표 7.3.10의 이동속도 대한 표준속도 제안을 통해 설정하였다⁽¹¹⁾.
. 본 연구에서는 Pathfinder 2016을 사용하여 피난시간을 분석하였다.
본 연구의 격자 민감도는 미국 원자력 규제 위원회(NUREG)의 FDS V&V(검증 및 평가)보고서 NUREG-1824를 통해 적정범위를 (식 2)를 통해 적용 가능한 그리드의 한계 값을 구하였다.
열, 가시거리, 독성 등의 평가기준은 소방시설 등의 성능위주설계방법 및 기준 별표 1의 인명안전 기준을 적용하였다.

성능/효과

Table 5에서와 같이 기존의 우선경보방식 적용 시 3층부터 10층까지 피난 안전성을 확보하지 못하는 것으로 나타났고, 이 층에 대해 발화층과 동시 경보를 실시하였으며, 그 결과 10층을 제외한 층에서 피난 안전성을 확보할 수 있었다. 따라서 10층은 발화층과 동시 경보와 함께 옥상으로 유도하였고, 그 결과 모든층에서 피난 안전성을 확보 할 수 있었으며, 기존의 방식에 비해 피난성능이 약 26.
그 결과, 9층, 10층의 RSET이 각 각 249초와 232로 나타났으며, 모든층에서 피난 안전성을 확보 할 수 있었고, 기존의 우선경보방식과 비교하여 피난 성능이 약 23.4% 개선되는 것으로 나타났다.
기존의 우선경보방식 적용 시 발화층 · 직상층, 6층과 7층에서 피난 안전성을 확보하는 것으로 나타났으나 3층, 4층, 5층, 8층, 9층, 10층은 피난 안전성을 확보하지 못하는 것으로 나타났다.
기존의 우선경보방식과 제시된 방식을 비교한 결과 박스형 이중외피 구조는 피난 성능이 약 26.4% 개선 되었고, 복도형 이중외피 구조는 약 29.1%, 샤프트-박스형 이중외피 구조는 약 23.4%, 전면형 이중외피 구조는 약 26.3%의 피난 성능이 개선되었다.
단일 피난계단이 적용된 10층의 이중외피 구조에서 기존 우선경보방식을 적용하여 피난 안전성 평가를 실시한 결과 모든 구조에서 전층에 대해 피난 안전성을 확보하지 못하는 것으로 나타났다. 따라서 본 연구에서는 기존의 발화층 · 직상층 우선경보방식과 함께 화재 시 층별 위험 평가를 통해 다음과 같은 방법으로 경보방식을 제안하여 피난 성능을 개선하고자 한다.
Table 5에서와 같이 기존의 우선경보방식 적용 시 3층부터 10층까지 피난 안전성을 확보하지 못하는 것으로 나타났고, 이 층에 대해 발화층과 동시 경보를 실시하였으며, 그 결과 10층을 제외한 층에서 피난 안전성을 확보할 수 있었다. 따라서 10층은 발화층과 동시 경보와 함께 옥상으로 유도하였고, 그 결과 모든층에서 피난 안전성을 확보 할 수 있었으며, 기존의 방식에 비해 피난성능이 약 26.3% 개선되었다.
현재 적용하고 있는 우선경보방식 적용 시 3층부터 10층은 피난 안전성 확보가 어려운 것으로 Table 5에서와 같이 파악되었다. 따라서 피난 안전성 확보가 어려운 층에 대해 발화층의 화재 감지기 작동 시 발화층 동시 경보하는 방식을 채택한 결과 모든 재실자의 건물 밖 퇴출시간은 558초로 나타났으며, 기존의 우선경보방식을 적용하였을 때인 759초에 비교하여 201 초가 빠른 피난시간을 나타내었고, 피난 성능이 약 26.4% 개선되는 것으로 나타났다.
기존의 우선경보방식 적용 시 발화층 · 직상층, 6층과 7층에서 피난 안전성을 확보하는 것으로 나타났으나 3층, 4층, 5층, 8층, 9층, 10층은 피난 안전성을 확보하지 못하는 것으로 나타났다. 따라서 피난 안전성을 확보하지 못하는 층에 발화층 동시 경보하는 방식을 실시한 결과 Table 5에서와 같이 기존의 우선경보방식과 비교하여 261초 빠른 피난완료 시간을 나타내었으며, 피난 성능은 약 29.1% 개선되는 것으로 나타났다.
본 연구의 격자 민감도는 미국 원자력 규제 위원회(NUREG)의 FDS V&V(검증 및 평가)보고서 NUREG-1824를 통해 적정범위를 (식 2)를 통해 적용 가능한 그리드의 한계 값을 구하였다. 따라서 한계 값 사이의 값인 한 변에 0.2 m를 적용하여 민감도에 적용해 본 결과 7.91로 적절한 그리드 값으로 나타났다. 이에 본 연구에서 실험한 모델링의 해석 공간은 24.
따라서 단일 피난계단이 적용된 10층의 건축물에 이중외피 구조를 설치할 경우 기존의 우선경보방식의 적용으로는 전체 재실자의 안전을 확보하지 못하는 것으로 나타났다.
실험결과 열에 의한 영향과 독성에 의한 영향은 기준치를 초과하지 않았고, 모든 구조에서 가시거리에 의해서만 영향이 평가 되었다. 따라서 FDS를 통한 피난허용시간은 가시거리에 의해 적용하였고, Table 4의 Detector time에 반영되었다.
1층부터 6층은 기존의 우선경보방식에 의해 피난 안전성을 확보 하였으나, 7층부터 10층은 피난 안전성을 확보하지 못했다. 이러한 문제점을 개선하기 위해 7층부터 10층은 발화층의 감지기 작동 시 경보를개시하였으나, 9층 10층의 RSET는 각각 319초와 329초로 ASET보다 큰 것으로 나타나 피난 안전성 확보가 어려운 것으로 나타났다. 따라서, 9층, 10층은 상기의 경보방식으로는 피난 안전성 확보가 어려우므로 피난경로를 옥상으로 유도하였다.
FDS의 결과 값은 해석공간의 격자 크기에 따라 달라질 수 있다. 즉 격자 크기가 작아 조밀할수록 신뢰도가 높은 결과 값을 도출해 낼 수 있으나 과도한 시간이 소요되고, 일정 격자 이상일 경우 결과 값의 차이가 근소하므로 격자의 적절한 민감도를 통해 신뢰도가 높은 결과 값과 시간 소요를 줄일 수 있다.
피난 완료 시점을 옥외로 기준하여 피난 안전성 평가를 실시 한 결과, 박스형 이중외피와 전면형 이중외피는 발화 층과 직상층을 제외한 모든층에서 피난 안전성을 확보하지 못하는 것으로 나타났으며, 샤프트-박스형 이중외피 구조는 7층에서 10층까지 피난 안전성을 확보하지 못하였고, 복도형 이중외피 구조는 3층, 4층, 5층, 8층, 9층, 10층에서 피난 안전성을 확보하지 못하는 것으로 나타났다. 따라서 단일 피난계단이 적용된 10층의 건축물에 이중외피 구조를 설치할 경우 기존의 우선경보방식의 적용으로는 전체 재실자의 안전을 확보하지 못하는 것으로 나타났다.
화재 및 피난 시뮬레이션을 통해 건축물의 구조 형태에 따른 연소 확대 위험성을 파악하여 위험성이 높은 층 및 구획을 선별하여 발화층과 동시에 경보하는 방안을 통해 피난 성능을 개선 할 수 있다.

후속연구

본 논문은 피난 안전성 평가를 통해 단일 피난계단이 설치된 10층 건축물에 이중외피 구조가 적용될 경우에 대한 피난 성능을 개선하고자 하였으며, 간략한 모델링을 통해 한계가 존재 한다. 그러나 본 연구를 통해 이중외피 구조 적용 시 피난성능 개선을 위한 효율적 경보방식의 적용방법과 합리적인 피난전략을 수립하기 위한 기초자료로서 모든 재실자의 안전을 확보하기 위한 자료로 이용되기 기대한다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	이중외피 구조란 무엇인가?	이중외피 구조는 외피(내측)에 외피(외측)가 덧대어진 구조로 구조상 외측 외피는 외부환경 부하와 근접해 있어 외부환경부하를 완충하는 역할을 하며, 자연채광, 조망확보, 외부소음 차단 등의 기능을 하게 된다. 또한 이중외피 구조의 설치 목적은 건축물의 냉 · 난방 부하를 최소화하는데 있으며, 계절마다 환경 변화에 따라 유기적인 시스템을 적용하고, 건축물의 미적 아름다움을 향상시키는 역할을 한다(1).
	이중외피 구조의 단점은 무엇인가?	현대의 건축물은 환경 오염을 줄이고 에너지를 절약하기 위해 고효율 에너지 설비의 사용과 함께 주변 자연 환경을 이용한 친환경 에너지 사용 전략을 목표로 발전하고 있으며, 그 가운데 이중외피 구조가 에너지 절약형 건축물로써 각광을 받고 있다. 그러나 이중외피 구조는 화재 발생시 중공층을 통한 굴뚝효과로 인해 상층 연소확대의 위험성이 높으며, 각 구조별 연소확대 특성이 달라 재실자의 피난 안전성을 확보하기 어렵다. 그리고 현재 사용하고 있는 우선경보 방식은 화재시 굴뚝효과나 기타의 연소확대의 위험성을 고려하지 않은 발화층과 직상층만 경보하는 방식으로 재실자의 안전을 확보하는데 한계가 있다.
	이중외피 구조 중에서 박스형 이중외피 구조의 장점은 무엇인가?	하나의 이중외피가 소규모 또는 하나의 창문에 구성되는 형태로 실 하나에서 단독 환기가 가능하고 환기를 위해 하나의 이중외피 마다 상부에 배출구과 하부에 유입구가 설치되며, 이를 통해 중공층의 기류 순환을 돕는다. 또한 이중외피 하나가 작은 범위를 구획함으로써 시공이 용이하고, 사생활 보호와 외부 및 층간 소음 또는 냄새확산을 차단하는 면에서 타 구조에 비해 유리하다.

참고문헌 (16)

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National Fire Service Academy, "Fire Science", National Fire Service Academy, Korea (2009).

저자의 다른 논문 :

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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