가시화 특수 연구 2012. 10. 8 석사 1차 김남균.

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1 가시화 특수 연구 석사 1차 김남균

2 목 차 1 STACK EFFECT 발표는 다음과 같은 순서로 진행하겠습니다. 2 WIND EFFECT 3 내 풍 설 계

3 굴뚝효과 : 건축물의 내부와 외부 온도차이로 인해 공기가 유동하는 것
1. Stack effect Stack effect(굴뚝효과) 란? 굴뚝효과 : 건축물의 내부와 외부 온도차이로 인해 공기가 유동하는 것 건축물 내부의 온도가 외부보다 높고 밀도가 낮을 때 건물 내의 공기는 부력을 받아 이동하는데, 이를 '굴뚝효과' 또는 '연돌효과'라고 한다. - 수직 공간 내에서 공기가 움직이는 방향은 온도에 따라 달라지는데, 내부 온도가 외부온도보다 높으면 아래쪽에서 위쪽으로 흐르고 그와 반대가 되면 위쪽에서 아래쪽으로 흐른다. 건축물 바깥 공기가 실내의 공기보다 높을 때는 건물 내에서 공기가 위에 서 아래쪽으로 이동하게 되는데 이러한 하향 공기흐름을 '역굴뚝효과'라 고 한다. 주로 실내온도가 높고 실외온도가 낮은 겨울철에 일어나나 Wind Effect 에 의해 여름철에 발생하기도 한다.

4 1. Stack effect = g( - ) ( - )/ = 굴뚝효과를 발생시키는 압력차 [Pa]
g = 중력가속도 [m/s2] = 건물 높이 [m] = 중성대 높이 [m] = 공기밀도 [kg/m3] = 내부온도 [K] = 외부온도 [K]

5 1. Stack effect Case 1 - 건축물 하부층에 큰 개구부 존재
- 건축물 하부층에 큰 개구부 존재 - 층별 내부구획이 없으며 바닥에 하나 이상의 개구부 존재 - 내부온도가 외부온도 보다 높게 유지 - 실내의 절대압력이 외부의 절대압보다 높게 유지 - 수평방향의 압력 차이가 증가할수록 Stack effect를 발생시키는 외력 증가

6 1. Stack effect Case 2 Case 3 - 건물 외벽에 동일면적의 개구부 존재
- 바닥면에 일정한 누설면적이 존재 - 건물의 수직높이 중앙에 중성대 형성 - 최대 압력차에 의해 1층에서 유입되어 5층으로 상승하는 일방향 유동 형성 Case 3 - 바닥면의 기밀성이 높음 - 건물 외벽에 층마다 개구부 존재 - 각 층의 수직높이 중앙에 중성대 형성

7 1. Stack effect H = 건물의 높이 [m] A1 = 하부 개구부 면적 [m2] A2 = 상부 개구부 면적 [m2]
중성대 형성위치 차이의 원인 1. 누설지점의 위치 2. 누설면적비 -Ti/To는 실 내외 공기의 밀도 차를 고려하기 위해 적용 -온도 차가 증가할수록 압력 기울기와 압력 차도 증가함

8 1. Stack effect - 실내가 수직 샤프트와 복도로 격리 - 샤프트 내 수직기류 마찰손실 무시
- 실내가 수직 샤프트와 복도로 격리 - 샤프트 내 수직기류 마찰손실 무시 - 층의 샤프트 및 개구부는 저항이 큼 ∴ 구획된 벽체에 의해 유동저항이 증가하면 층간 압력차와 수직 샤프트 압력차가 증가 외벽에 대한 압력차 감소

9 1. Stack effect δPT = 총 굴뚝효과 [Pa] δPewT = 꼭대기의 실 내외 압력 차 [Pa]
δPewB = 바닥의 실 내외 압력 차 [Pa] δPfi = i 번째 층의 압력 차 [Pa] n = 총 층수 - 층별로 내부가 구획된 건물은 층별로 구획된 벽체에서 압력강하가 크게 발생 ∴ 총 Stack effect는 외벽에 대한 압력차의 합과 꼭대기, 바닥에서의 압력 차의 합

10 1. Stack effect = 열통풍계수 Aw = 외벽체의 누설면적 [m2] Av = 수직샤프트의 누설면적 [m2]
- 내부 벽체가 구획된 건물의 외벽체에서 발생되는 압력강하는 내벽체의 유동저항으로 인해 내부 벽체로 구획되지 않은 건물에서 발생하는 최대 압력차보다 작게 되며 이 비율을 열통풍계수라 함. 열통풍계수는 내부분리벽체의 기밀도에 대한 외벽체의 기밀도를 나타내는 것으로 Stack effect에 의한 압력차이를 해석하는 변수로 사용됨. 외벽체로부터 내부에 위치한 수직샤프트까지의 직렬유동을 발생하는 개방형 건물의 열통풍계수는 누설면적을 이용하여 계산할 수 있음.

11 1. Stack effect (외벽체에서 발생하는 압력차) (수직샤프트를 둘러싼 벽체에서 발생하는 압력차)
엘리베이터 수직샤프트에 인접하여 로비가 위치할 경우 직렬유동이 발생하는 엘리베이터 로비벽체까지의 압력차는 벽체면적비를 골하여 계산할 수 있음 (Stack effect 관계식) l = 엘리베이터 로비구성 벽 e = 샤프트의 벽

12 1. Stack effect Stack effect로 인한 문제점 1) 각종 출입문과 엘리베이터에서의 문제점
- 외부로 통하는 출입문 개폐의 어려움(로비 출입문, 지하주차장 출입문) - 코어 부근 실로 통하는 출입문 개폐의 어려움(세대 현관문, 계단실 문) - 엘리베이터 카의 흔들림으로 인한 불안감 엘리베이터 문의 오작동 2) 침기와 누기에 따른 문제점 - 로비 공조 난방의 어려움 - 누기에 따른 결로의 문제 엘리베이터 문 및 각종 출입문에서 소음 발생 3) 화재 발생시의 문제점 유독성 연기와 화염이 각종 수직개구부인 계단과 엘리베이터 설비 샤프트, 공조덕트 등을 통해 급속하게 전층으로 확대 - 제연설비의 어려움 - 방화구획의 파괴

13 건축계획시의 Stack effect 방지대책
승강로 배치 : 건축물에 엘리베이터 승강로 반영 시 고층빌딩에서는 엘리베이터 홀을 주 출입구, 에스컬레이터, 지하통로와 어긋나게 배치 주 출입구 방풍실 및 회전문 설치 : 주 출입구에 방풍실 및 회전문을 설치하여 외부로부터 침기 되는 공기를 차단 승강로 내부에 공조시스템 적용 : 건물 내부와 승강로 내부의 온도 차가 클 경우 승강로에 공조 시스템을 적용하여 온도 차를 줄임으로 써 공기 유동을 최소화 함 층 별 엘리베이터 홀 밀폐 : 건물 각층 엘리베이터 홀에 자동 도어를 설치하여 승강로에서 유출입 되는 공기가 엘리베이터 홀을 통해 내부로 유출입되지 않도록 함 승강로 하부 댐퍼 설치 : 승강로 상하부에 댐퍼를 설치해 하부층 실내공기를 승강로로 유입시킴으로써 실내와 승강로의 압력차를 줄임

14 1. Stack effect Stack effect 개선 방안 ▶ 개구 형성법
그림 1. 겨울철 외부온도가 10℃일 때의 일반적인 경우 1층 : [Pa] 2층 : 19.8 [Pa] 최상층 : 29.7 [Pa] 중성대 : 34층 그림2. 승강로 벽에 거실 쪽으로 개구를 형성한 경우 1층 : [Pa] 2층 : 2.3 [Pa] 최상층 : 8.9 [Pa] 중성대 : 27층

15 1. Stack effect Stack effect 개선 방안 ▶ 승강로 가압을 통한 하층부 음압 제어 그림1. 겨울철 상황
외기온도 : -10 [℃] 내기온도 : 20 [℃] 승강기 내부 온도 : 5 [℃] 1층 : 62.2 [Pa] 2층~ : 20~32.6 [Pa] 그림2. 여름철 상황 외기온도 : 33 [℃] 내기온도 : 25 [℃] 승강기 내부 온도 : 29 [℃] 1층 : 81.2 [Pa] 2층~ : 16.4~18.5 [Pa]

16 1. Stack effect Stack effect 개선 방안 ▶샤프트 냉각법
샤프트 내 냉각을 통한 실 내외 간 온도 차이를 감소시켜 Stack effect의 크기(ΔP) 감소 ΔP를 조절하여 공기 유동량 감소

17 바람효과 : 건축물의 내부와 외부 온도차이로 인해 공기가 유동하는 것
2. Wind effect wind effect(바람효과) 란? 바람효과 : 건축물의 내부와 외부 온도차이로 인해 공기가 유동하는 것 자연현상을 발생하는 바람은 초고층 건축물에 풍압을 형성하는데 이를 Wind Effect(바람효과)라 함. -바람효과는 건축물 구조를 위해 고려되어야 할 뿐만 아니라 빌딩내부에 불필요한 공기의 유출입과 공기이동을 유발시키기도 함. 풍압은 자연환기 측면에서 효과적으로 사용되기도 하지만 강제환기를 수 행하는 공조시스템에 대해서는 역기능을 제공할 수 있으므로 환기용 개구 부를 외벽체에 설치파는 경우 풍압계수와 풍압분포를 고려해야 함.

18 2. Wind effect 바람의 유체역학 특성 바람은 균등한 흐림이 아닌 풍속 및 풍향의 변동 등의 난류 특성을 가지 는 유체임. - 바람의 일차적 영향으로 건물은 바람의 난류 특성에 의하여 진동하게 되 며 건축물 배후의 흐름도 주기적으로 변함 배후 흐름의 변동으로 변동 풍압력이 발생하여 또다시 건물에 진동을 발 생시키고 이것은 바람의 난류 특성에 의한 진동과 더불어 발생함. 위와 같은 복잡한 거동으로 인해 바람에 의한 건물의 반응은 예측하기 어 려우며 풍력이 변동하는 원인으로는 바람의 난류, 후류의 와발생,건축물 자체 진동 등이 있음.

19 2. Wind effect Vh = 높이 h에서의 평균풍속 [m/sec] Vg = 고도차에 따른 평균풍속 [m/sec]
hg = 고도차 [m] α = 평균속도지수 지형 고도 차 hg [m] 평균속도지수 α 대양,사막 250 0.11 낮은 덤불 300 0.15 소도시 400 0.25 대도시 500 0.36

20 2. Wind effect - 건물의 전면으로 다가오는 바람에 의해 건물의 배면에 후류 (마찰 등으로 인하여 구조물 후방 부근을 따라서 생기는 유체의 흐름)가 형성 - 전면과 배면의 하부에 정체영역 형성

21 2. Wind effect 빌딩에 걸친 풍압계수는 국소풍압을 빌딩높이에서 풍속으로 구한 속도수두로 풍압을 나눈 무차원 계수
Pv = 속도 수두 [Pa] ρ = 공기 밀도 [kg/m3] Cp = 국소 풍압계수 Pw = 국소 풍압 [Pa] Vh = 빌딩 높이에서의 풍속 [m/s] 빌딩에 걸친 풍압계수는 국소풍압을 빌딩높이에서 풍속으로 구한 속도수두로 풍압을 나눈 무차원 계수 - 기상학적인 풍속과 풍압계수를 알고 있으면 바람방향 전면의 풍압 계산가능

22 2. Wind effect 풍압에 의해 형성되는 실내외의 압력차이로 실내로 유입되는 유량은 외벽체의 기밀도에 따라 변화됨
P = 압력 [Pa] A = 누설구 면적 [m2] i = 내부 w = 전면 l = 배면 풍압에 의해 형성되는 실내외의 압력차이로 실내로 유입되는 유량은 외벽체의 기밀도에 따라 변화됨 ∴ 풍압과 실내의 압력차이는 건물의 전면과 배면의 면적을 고려하여 계산할 수 있음

23 2. Wind effect 기류이동방향 : 45º 누설면적비 : 1.0 전면 및 배면 벽체의 표면압력의 평균값으로 유지
기류이동방향 : 0º 누설면적비 : 1/3 전면 및 배면 벽체의 표면압력의 90%만큼 감소

24 2. Wind effect 풍하중 응답의 조절 질량, 강성, 감쇠의 조절 - 건축물의 질량을 증가시키면 고유진동수는 감소하고 무차원 충속을 증가시켜 입력 풍하중의 에너지와 변위가 증가하게 됨. - 질량의 증가로 가속도를 감소시킬 수 있지만 건물의 질량을 증가시키는 일은 쉬운일이 아니며 지진하중의 중가를 토래함. - 강성이 작아서 건물이 장주기화 되면 풍직각방향이 풍방향보다 더 큰 횡하중을 일으킴. - 감쇠의 조절은 가속도 반응을 가장 효과적으로 제어할 수 있는 방법으로 가속도는 감쇠의 제곱근에 반비례 함.

25 2. Wind effect 풍하중 응답의 조절 부가적 감쇠기구 - 제진장치를 설치하여 건축물의 감쇠비를 높이는 방법
공기역학적 디자인 - 건축물 모서리의 기하학적 형상에 의한 효과 : 건축물 모서리의 수정은 기본 형상에 비해 풍방향 및 풍직각방향의 반응이 상당히 감소한다고 알려져 있음.

26 2. Wind effect 풍하중 응답의 조절 - 건물 높이에 따른 단면적 감소에 의한 효과 : 높이에 따라 평면이 달라지거나 최상층 평면적이 줄어드는 초고층 건축물에서 풍직각 반응에 대한 성능이 향상됨. (Tapering Effect)

27 2. Wind effect 풍하중 응답의 조절 - 개구부의 추가 : 건물을 완전히 관통하는 개구부 특히 건물 상부에 위치하는 경우는 와려진에 의한 힘과 그로 인한 풍직각의 동적 반응을 상당히 감소 시킴. 그러나 개구부가 하부에 위치하면 이러한 유 효성은 사라지며 개구부의 삽입과 다른 수정들로 인하여 만약 공진 진동ㅅ와 일치하게 된다면 거주 성에 안좋은 영향을 미칠 수 있음.

28 3. 내풍설계 내풍설계란? - 건축물에 미치는 바람의 작용에 대하여 안전상 혹은 사용상 지장을 초래하지 않도록 구조 뼈대나 각부 구조를 설계하는 작업 내풍설계 시 검토 항목 건설지점의 바람의 특성 - 풍속 기대치, 풍속의 연직분포, 난류 강도, 난류 스케일 - 필요한 경우 국소적인 지형의 영향 설계 기준 - 설계용 재현기간, 설계 풍속에 대한 허용응력, 허용변형 건축물에 작용하는 풍력, 풍압력의 특성 - 풍방향 풍직각방향, 비틈림의 풍력, 풍압력, 실내압 건축물의 규모, 구조특성과 바람의 특성과의 상호작용 풍진동에 대한 거주 성능 구조골조나 부재의 피로손상

29 3. 내풍설계 내풍설계 방법

30 3. 내풍설계 국내 현황 내풍설계를 위한 기본 풍속도는 풍속의 간격이 5m/s로 되어있어 풍속간
격차가 커 특정지역의 경우 풍하중에 대한 과다설계가 우려됨. 풍방향의 풍하중 산정방법은 해석적으로 규정하고 있으나 풍직각방향과 비틀림방향에 대한 풍하중은 실험적 수단에 의해 평가하고 있음. 구조물의 중요도, 구조, 층수, 규모에 상관없이 동일한 방법으로 평가하고 있어 규모가 작은 건축물의 경우 필요 이상의 설계기간이 필요함. 일반적 풍하중은 풍방향, 풍직각방향, 비틀림방향에 대해 동시에 복잡하게 작용하지만 국내 풍하중 기준은 이러한 상호작용을 고려한 하중 조합방법을 제시하고 있지 못함. 해외기준의 경우 풍동실험에 의한 동적해석이 필요한 건축물을 명확히 구분하고 있으나 국내 풍하중 기준은 그 한계가 모호하게 언급되고 있음. 해외 대부분의 기준은 풍향에 대한 영향을 고려하고 있으나 국내 풍하중 기준에서는 전 풍향에 대하여 동일한 확률의 풍향 빈도를 사용하고 있음.

31 3. 내풍설계 건설교통부 제정 풍하중 산정식 P = Cf․Gf․qz․A (1) qz = (1/2)․ρ․Vz2 (2)
Vz = V0․Kzr․Kzt․Iw (3) Cf : 풍력계수, Gf : 가스트영향계수, qz　: 설계속도압,　 A : 수압면적, ρ　: 공기밀도, Vz : 높이 z에 있어서의 설계풍속, V0 : 기본풍속, Kzr : 풍속의 고도분포계수, Kzt : 지형에 의한 풍속할증계수, Iw : 중요도계수

32 3. 내풍설계 설계기본풍속 56개 지점을 대상 풍속의 고도분포계수 지표면 조도구분
․대도시 중심부에서 10층 이상의 대규모 고층건축물이 밀집해 있는 지역 ․높이 3.5m 정도의 주택과 같은 건축물이 밀집해있는 지역, 중층건축물이 산재해있는 지역 ․높이 1.5~10m 정도의 장애물이 산재해있는 지역, 저층건축물이 산재해있는 지역 ․장애물이 거의 없고 주변장애물의 평균높이가 1.5m 이하인 지역, 해안 초원 비행장 풍속의 고도분포 계수 ( Z =지상높이, Zq =기준경고풍고도, a =연직분포지수) 풍속할증계수 ․할증계수를 5%~60%정도까지 선별적으로 사용하게 함 중요도계수 ․건축물에 따라 설계용 재현기간을 정한 후, 재현기간 100년 기대풍속을 기준으로 하였을 때 건축물의 설계용 재현기간에 따른 기대풍속의 비율로써 중요도 계수를 정의하여 사용하도록 함 가스트영향계수 ․공진효과의 크고 작음에 따라 2가지 방법으로 구분하여 세분화 함

33 3. 내풍설계 국내외 내풍설계 기준 -10분평균풍속 등 현실에 맞지 않는 미비한 방풍설계기준 -정적설계에 의한 설계
대한민국 미국 유럽 일본 방풍 설계 기준 -10분평균풍속 등 현실에 맞지 않는 미비한 방풍설계기준 -정적설계에 의한 설계 -3초 동풍속 적용을 통한 안전율 확보 -보다 정확한 내풍설계 가능 -순간속도의 변화폭이 매우 큰 바람의 특성에 대한 안전한 설계값 획득 가능 -50년간의 풍속과 풍력에 대학 기록을 토대로 실질적 모델링 -풍도와 풍속, 풍력에 대한 수치적 값 보유 -설계용 속도압을 중요도 계수와 지역계수 등의 계수를 활용 지역에 맞는 설계가 가능 -10년간 풍압력진동 빌딩 풍등에 관한 실측조사를 통한 풍하중 산정

34 3. 내풍설계 국외 내풍설계의 시사점 동적 힘에 대하여 구조물에 대한 풍압력의 현재 상태를 계산
미국 유럽 일본 시사점 -3초 돌풍속의 적용은 고층 건축물의 집중군에 있어서 안전율 확보에 유리함 -국내 기상 자료의 부족으로 무리한 국내 도입 볻는 국내 사정에 적합한 대안이 요구 됨 동적 힘에 대하여 구조물에 대한 풍압력의 현재 상태를 계산 지난 15년 사이 많은 정규 스테일 측량에 따른 모델에 의해 검증됨 국내 기준에 비하여 실제적인 방법을 제시하고 있음 -기준, 규준, 지침의 꾸준한 정비로 건축물의 강풍 피해가 감소 추세를 보임 -지붕마감재를 중심으로 외장재 피해의 감소는 둔함 -안전성에 관계된 건물의 성능에 관심이 필요

35 3. 내풍설계 국내 내풍설계기준 개선 방안 1) 급격한 변화를 고려한 지표면 조도구분 및 설계기본풍속 을 설정
1) 급격한 변화를 고려한 지표면 조도구분 및 설계기본풍속 을 설정 2) 우리나라의 상황과 지정학적 영향 고려 3) 건축물의 용도, 사회성, 경제성 및 중요성을 고려 4) 고층건축물, 장스팬의 현수교나 공기막지붕 등 경량이며 세장한 건축물에 대한 동적인 영향에 대한 고려 5) 풍동실험의 필요성 6) 풍압은 바람을 받는 수압면의 위치에 따라 달라지므로 건 축물 본체를 설계하기 위한 풍하중과 외장재 등 건축물의 일부분을 설계하기 위한 풍하중을 구분. 7) 우리나라 실정에 맞는 내풍설계 기법의 확립이 필요.

36 4. 참고문헌 George T.Tamura, Smoke Movement and Control in High-rise Buildings J.S. Kim, E.P. Lee, Study on the Method of Stack Effect Mitigation by the Elevator Shaft Pressurization at High-rise Buildings, 2011 J.H. Lee, H.W. Lim, J.E. Song, J.H. Lee, D.S. Song, A study on the quantitative characteristics of countermeasures on stack effect in High-rise Buildings, 2009 소방방재청, 내풍설계기준 설정 및 운영에 관한 세부사항, 2004 김영문, 윤성원, 정영배, 건축물의 내풍설계, 2002 김영문, 풍하중에 대한 고층건물의 내풍설계, 2005 사단법인 대한건축학회, 건축물의 풍하중 및 지진하중, 2007 선우원일, 양성배, 정광량, 초고층 건축물에서 바람의 영향