초고층 건물의 연기제어 시스템 설계 (배연창과 차압연제연설비를 중점으로)

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1 초고층 건물의 연기제어 시스템 설계 (배연창과 차압연제연설비를 중점으로)
한국화재연구소 여 용주 초고층 건물의 연기제어 시스템 설계 (배연창과 차압연제연설비를 중점으로) 호서대학교 소방학과 한국화재연구소 여 용주 검토 : 교수/공학박사 박 용환

2 ♣ 목 차 초고층 건물의 화재 취약점 화재위치와 배연창이 연기의 유동에 미치는 영향 연돌효과가 차압제연설비에 미치는 영향
한국화재연구소 여 용주 ♣ 목 차 초고층 건물의 화재 취약점 화재위치와 배연창이 연기의 유동에 미치는 영향 연돌효과가 차압제연설비에 미치는 영향 연돌효과를 고려한 단일 제연구역의 높이 제한 기준 결론

3 한국화재연구소 www.fire119.pe.kr 여 용주 yeoyong@kornet.net
1. 초고층 건물의 화재 취약점

4 ♣ 초고층 건물의 화재 취약성 피난경로가 길어짐 - 피난시간의 증가
한국화재연구소 여 용주 ♣ 초고층 건물의 화재 취약성 피난경로가 길어짐 - 피난시간의 증가 고강도 콘크리트 사용 – 열에 약하여 폭열 현상 발생 및 구조체 붕괴 지상과 격리되어 거주 - 화재 시 거주자의 심리적 불안감 건물높이의 증대 (1) 연돌효과의 증대로 상층부 연기 및 화염전파의 가속화 ! (2) 연돌효과와 외기풍의 증대로 연기제어 설비의 실패 우려가 높음 ! (3) 화재진압이 어렵고 장시간 소요

5 ♣ 윈저타워 화재 사례 (106 m, 스페인 마드리드 2005년 2월)
한국화재연구소 여 용주 ♣ 윈저타워 화재 사례 (106 m, 스페인 마드리드 2005년 2월) 새로 증축한 피난계단은 전혀 손상 받지 않음 ! 발화 1시간만에 상층부 전체가 화염에 휩싸임. 건물 구조체의 붕괴 위의 예에서, 피난계단이 적절한 내화 및 방연성능을 가졌다면 ?

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♣ 화재사례를 통한 연기전파의 위험성 뉴욕맨하탄 초고층 아파트/미국 - 19층에서 출화하였으나 상층부 거주자 4명이 연기질식으로 사망 로열좀티엔호텔/태국 – 1층에서 출화 후 계단을 타고 연기와 화염이 전층으로 확대 1993 WTC/미국 – 지하주차장 폭탄테러로 방연설비기능정지, 최상층까지 연기전파로 사망자6명 부상자 1,000여명 80.09 MGM 그랜드호텔 라스베가스/미국 - 엘리베이터 샤프트를 통해 유입된 연기를 작동중인 공조설비가 객실로 연기를 유입, 객실창을 개방하였으나 연돌효과에 의해 오히려 객실로 다량의 연기를 유입시킴 상파울로 안드라우스 빌딩/브라질 – 2층에서 출화 후 건물전소, 사망자 16명중 11층에서 7명사망 대연각호텔/한국 – 2층에서 출화 후 계단을 타고 연기와 화염이 전층으로 확대 70.08 원뉴욕 프라자/미국– 공조설비에 의해 전층으로 연기확산

7 ♣ 초고층건물 인명안전의 절대적 조건 ☞ 대부분의 사망자와 부상자는 연기에 의한 질식이 주원인 !
한국화재연구소 여 용주 ♣ 초고층건물 인명안전의 절대적 조건 ☞ 대부분의 사망자와 부상자는 연기에 의한 질식이 주원인 ! ☞ 초고층 건물의 특성상, 피난시간 증가로 중기 화재 이후에도 건물 내 거주자가 여전히 존재할 수 있다. 따라서, ☞ 안전한 방연공간을 확보할 수 있는 건축구획과 제연시스템의 성능은 절대적으로 보장받아야 한다 !

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♣ 국내 초고층 빌딩 추진 현황

9 2. 화재위치와 배연창이 연기의 유동에 미치는 영향
한국화재연구소 여 용주 2. 화재위치와 배연창이 연기의 유동에 미치는 영향

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♣ 연기의 유동을 일으키는 초기 구동력 상부에 집중되는 화재자체의 부력은, 연기를 화재실 외부로 유출시키는 최초의 구동력이 된다.

11 ♣ 화재위치와 배연창의 개방에 따른 건물 내 연기의 유동
한국화재연구소 여 용주 ♣ 화재위치와 배연창의 개방에 따른 건물 내 연기의 유동 <국내 배연창 설치기준 > 6층이상의 대부분의 건물에는 피난층을 제외하고 모든층의 거실에 배연창을 설치하도록 요구. 배연구를 통한 연기배출이 가능 화재실 상부의 연기오염 화재실 아래층은 연기오염 없음 배연구가 열려도 연기배출 안됨 < 저층부에서 화재발생 > < 상층부에서 화재발생 >

12 ♣ 화재위치에 배연창의 개방 시 건물 내 압력분포
한국화재연구소 여 용주 ♣ 화재위치에 배연창의 개방 시 건물 내 압력분포 화재 자체로 발생한 연돌효과가 연기를 유동시키고 있음 ! 중성대 압력차가 작다 압력차가 작다 압력차가 크다 중성대 < 저층부에서 화재발생 > < 상층부에서 화재발생 >

13 ♣ 화재위치와 배연창 개방에 대한 건물 내 연기의 유동 시뮬레이션 분석
한국화재연구소 여 용주 ♣ 화재위치와 배연창 개방에 대한 건물 내 연기의 유동 시뮬레이션 분석 < 상층부에서 화재발생 > < 저층부에서 화재발생 >

14 ♣ 화재위치와 배연창 개방에 대한 건물 내 압력분포 선도
한국화재연구소 여 용주 ♣ 화재위치와 배연창 개방에 대한 건물 내 압력분포 선도 초기에는 화재자체의 부력으로 수직샤프트에 연기가 유입되지만, 유입된 고온연기는, 건물내의 압력차를 형성시켜, 결국, 지속적으로 연기유입을 발생시키는 원동력으로 작용하게 된다. 저층부 화재 시 연돌효과는 더욱 커진다 ! (-) (+) (-) (+) < 상층부(좌)와 저층부(우) 화재발생 시 수직샤프트와 옥내사이의 압력차 >

15 ♣ 겨울철 연돌효과 비교 화재로부터 발생하는 건물 내 압력패턴과 겨울철 연돌효과로 발생하는 압력패턴은 거의 동일하다.
한국화재연구소 여 용주 ♣ 겨울철 연돌효과 비교 화재로부터 발생하는 건물 내 압력패턴과 겨울철 연돌효과로 발생하는 압력패턴은 거의 동일하다. 겨울철 연돌효과는, 연기의 유입을 더욱 쉽게 하고 ! 연기의 전파를 더욱 가속화 시키는 주범이 된다 ! (-) (+) (-) (+) (-) (+) < 상층부(좌)와 저층부(가운데) 화재발생 시와 겨울철 연돌효과(우)로 인한 수직샤프트와 옥내사이의 압력차 >

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♣ 연돌효과 이론 30m 중성대

17 ♣ 연돌효과 이론 < 상부에만 개구부 존재 시 > < 실제 건물에서의 압력 분포 >
한국화재연구소 여 용주 ♣ 연돌효과 이론 < 상부에만 개구부 존재 시 > < 실제 건물에서의 압력 분포 >

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3. 연돌효과가 차압제연설비에 미치는 영향

19 ♣ 초고층 건물 가압 시 연돌효과가 미치는 영향 < 가압 전 > < 가압 후 예측1 >
한국화재연구소 여 용주 ♣ 초고층 건물 가압 시 연돌효과가 미치는 영향 일부 상층부에는 허용압력차를 초과하게 되는 문제 발생 ! 이미 옥내보다 압력이 높게 형성되어 있다 상층부는 초기압력차+가압력이 더해진 압력차 중성대 옥내보다 압력이 낮다 중성대 가압하였음에도 옥내보다 압력이 낮은 문제 발생 ! (-) (+) (-) (+) (-) (+) < 가압 전 > < 가압 후 예측1 > < 가압 후 예측 2 >

20 ♣ 초고층 건물에서 연돌효과에 의한 저층부 설계압력차 부족으로 인한 제연실패
한국화재연구소 여 용주 ♣ 초고층 건물에서 연돌효과에 의한 저층부 설계압력차 부족으로 인한 제연실패 (-) (+) < 가압 후 예측1 >

21 ♣ 초고층 건물에서 연돌효과로 인하여 고층부 과압 발생에 따른 피난구 개방의 어려움
한국화재연구소 여 용주 ♣ 초고층 건물에서 연돌효과로 인하여 고층부 과압 발생에 따른 피난구 개방의 어려움 일부 상층부에는 허용압력차를 초과하게 되는 문제 발생 ! 상층부 피난 시 피난구 허용 개방력(110 N)초과 (+) < 가압 예측 2 >

22 ♣ CONTAMW을 통한 350 m 초고층 건물의 연돌효과 분석
한국화재연구소 여 용주 ♣ CONTAMW을 통한 350 m 초고층 건물의 연돌효과 분석 건물층수 : 100층 높이 : 350 m 구조 : 특별피난계단, 비상용 승강장 겸용 부속실 옥내온도 : 20 ℃ 부속실, 계단실, 승강로 온도 : 10 ℃ 외기온도 : -10 ℃ 최대허용압력차 : 85 Pa (피난구의 크기 2.1 x 0.9m 기준으로 계산) 100층 -10℃ 350 m 세대 세대 부속실 계단실 승강로

23 ♣ CONTAMW를 통한 분석결과 상기의 조건에서 제연설비가 가동된다면 ?
한국화재연구소 여 용주 ♣ CONTAMW를 통한 분석결과 1,2층 문개방은 과압 형성층이 더 많아 지게 되는 결과를 초래 최대차압한계선(85 Pa/110N) 문개방에 따른 중성대 위치의 변화 98,99층 문 개방은 저층부로의 연기유입 가속화 상기의 조건에서 제연설비가 가동된다면 ?

24 ♣ 그렇다면, 하나의 단일 수직 제연구역의 유효한 높이는 ?
한국화재연구소 여 용주 ♣ 그렇다면, 하나의 단일 수직 제연구역의 유효한 높이는 ? 샤프트구획 ? m 적정 제한 높이? 적정 제한 높이?

25 4. 연돌효과를 고려한 단일 제연구역 높이 제한 기준
한국화재연구소 여 용주 4. 연돌효과를 고려한 단일 제연구역 높이 제한 기준

26 ♣ 제연설비 설계를 위한 계단실 수직높이 관련기준
한국화재연구소 여 용주 ♣ 제연설비 설계를 위한 계단실 수직높이 관련기준 국내 - 관련규정 없음 ! 미국(NFPA) – 계단실의 높이가 100 ft(약 30 m) 를 초과할 경우에는 설계 분석을 통하여 성능을 검증할 것. 영국(BS 5588) – 별도의 규정은 없으나, 컴퓨터 시뮬레이션을 통하여 설계할 경우, 다음의 일반조건을 감안하여 분석하도록 하고 있다. 바닥에서 천정까지의 최대 높이 : 4 m 외부 온도 : -10 ℃ 건물내부 온도 : 21 ℃ 지면에서 10 m높이의 풍속 : 20 m/s 화재실의 부력 : 10 Pa

27 ♣ 대피층(Refuge Area)에 관한 관련기준
한국화재연구소 여 용주 ♣ 대피층(Refuge Area)에 관한 관련기준 국내 : 관련규정 없음 ! 선진국 : 20 ~ 25층마다 설치 홍콩 : 20~25층마다 설치 중국 (고층건축물에 대한 방화규정GB ) : 100 m가 넘는 건물은15층마다 설치 WTC빌딩의 경우에는, 24~32층마다 설치하고, 계단실을 별도로 12 ~ 16층마다 분리함. < WTC빌딩의 구획 예 >

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♣ 공학적분석에 의한 방법 미국의 ASHRAE에서 발간한 “ PRINCIPLE OF SMOKE MANAGEMENT ”에서는 계단실의 높이제한에 관하여 다음과 같은 공식을 제공하고 있다. 식의 조건은, 층간 누설은 없는 것으로 가정하였으며, 전층의 문이 닫힌 상태에서의 누설 조건이다.

29 ♣ 공학적분석에 의한 방법 예제에서와 같은 조건에서 차압제연이 가능한 계단실의 한계높이는 52.4 m인 것을 의미한다. Ex)
한국화재연구소 여 용주 ♣ 공학적분석에 의한 방법 Ex) 예제에서와 같은 조건에서 차압제연이 가능한 계단실의 한계높이는 52.4 m인 것을 의미한다.

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♣ 공학적분석에 의한 방법 예제와 같은 조건의 건물을 통하여 CONTAMW에 의해 분석한 결과 수계산 결과와 매우 유사한 결과를 얻을 수 있었다. 층고 3 m, 18층 건물 최소설계차압 12.5 Pa을 달성하기 위한 급기량은 CMS였으며, 이때의 평상시 차압은 38 Pa이었다. 최대설계차압85 Pa 연돌효과가 없는 상태에서 가압한 경우 38 Pa 최소설계차압12.5 Pa

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5. 결론

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초고층 건물에서는, 저층부에 설치된 배연창은 화재 시 연기의 배출이 어려울 뿐만 아니라 오히려 건물내부로 연기의 역류를 조장하므로, 배연창의 설치위치는 공학적 분석을 통하여 중성대 상부층으로 제한하거나, 압력차에 의해 자동으로 열리거나 닫히는 구조로 하여야 한다. 초고층 건물에서의 연돌효과는 매우 커, 저층부에서는 유효한 압력차를 얻기 어렵고, 상층부에서는 과압이 발생하는 문제점이 발생하므로, 공학적 분석기법 또는 외국의 관련기준을 근거하여 단일제연구역의 수직높이를 일정높이 이하로 제한할 필요가 있다.

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감사 합니다 ^^