연구목적: 본 연구는 계단식 공동주택의 화재 시 차압 및 방연풍속 특성을 분석하고, 화재안전기준에서 제시하고 있는 방연풍속 기준의 실효성을 검증하는 것을 목적으로 한다. 연구방법: 실제 모델의 계단식 공동주택의 제연설계 및 거실의 창문 개방조건에 따른 방연풍속의 성능을 CONTAM 프로그램을 이용하여 분석하였다. 연구결과: 공동주택 제연설비의 차압성능은 만족하더라도, 방연풍속 성능은 거실창문의 개방조건에 따라 방연풍속의 성능이 나오지 않음을 알 수 있었다. 결론: 계단식 공동주택의 경우 화재안전기준에서 요구하는 '방연풍속' 기준에 대해 예외를 두는 방안의 검토가 필요하다.
본 연구에서는 공동주택 화재 시 부속실 가압 시스템의 방연풍속에 관하여 수치해석을 수행하였다. 수치해석을 통해 댐퍼의 급기량과 방화문에서의 방연풍속의 관계식을 선형적으로 나타내었고 국가화재안전기준인 방연풍속 0.7 m/s를 만족하는 댐퍼의 최소유량을 선정할 수 있었다. 댐퍼의 최소유량을 적용하여 댐퍼의 급기 방향과 설치 높이에 따라 방연속도를 분석하였다. 댐퍼의 급기 방향이 상향인 경우와 댐퍼가 높게 설치되었을 때 댐퍼의 급기 방향이 하향인 경우보다 방화문 상부에서 더 큰 방연풍속을 나타내었고 누출된 연기 농도가 더 낮은 것을 확인할 수 있었다. 따라서 방화문 상부에서 큰 방연풍속을 확보하는 것이 제연에 더 효율적일 것으로 판단된다.
부속실 가압시스템의 가장 중요한 역할은 건축물 내부에 화재가 발생 시 피난을 위하여 방화문이 개방 될 경우 균일한 방연풍속을 형성하여 연기의 침입을 방지하는 것이다. 이러한 설비의 성능확보를 위하여 균일한 방연풍속이 형성될 수 있도록 공기 공급 유니트를 배치하는 것이 중요하다. 본 연구에서는 대형건물에 설치되는 2개의 출입문을 갖는 부속실의 경우, 방연풍속이 균일하게 형성될 수 있는지 수치해석을 수행하였고, 나타난 문제점을 해결하기 위한 주요변수로 댐퍼의 위치 및 루버의 각도를 선정하고, 두 변수를 조정하여 균일한 방연풍속을 얻을 수 있는 해결책을 찾아보았다. 그 결과, 부속실의 댐퍼 위치의 중요성을 확인하였으며, 2개의 방화문이 존재할 경우 출입문 맞은편 중간 벽에 배치할 경우 성능에 있어서 좋은 결과를 얻을 수 있었다.
건축물 내부에 화재가 발생 시 재실자 피난 및 소방관의 소화활동에 직접적인 영향을 미치는 급기가압 제연설비는 방화문 비개방 시에는 차압에 의하여, 방화문 개방 시에는 방연풍속에 의하여 연기의 침입을 방지하는 것을 핵심 개념으로하고 있다. 이를 위해서는 특히 재실자 피난 시 방화문이 개방되는 경우 균일한 방연풍속이 형성될 수 있도록 공기 공급 유니트를 배치할 필요가 있다. 본 연구에서는 대형건물에 설치되는 다수의 출입문을 갖는 부속실의 경우, 방연풍속이 균일하게 형성될 수 있는지에 대하여 수치해석을 수행하였다. 부속실의 댐퍼위치가 한쪽으로 치우친 경우 방연풍속으로 연기의 침입을 막는 것이 아니라, 역류현상이 발생하여 방연성능에 영향을 미칠 수 있음을 확인하였다.
본 연구에서는 특별피난계단의 전실에 설치되는 부속실제연설비가 화재 시 발생한 연기가 부속실 내로 역류하지 않는 급기댐퍼의 적정한 설치위치를 알아보고자 하였으며, 이를 확인하기 위하여 FDS(Fire Dynamics Simulator)을 사용 하였다. 시뮬레이션 Case 총 15가지로 구분하고, 방연풍속은 총 64개의 지점에서 측정하는 시뮬레이션을 수행하였다. 시뮬레이션 결과 출입문 상부 및 하부에서 역 기류가 발행하는 Case가 있었으며, 대부분 출입문 하부에서의 연기 유입이 예상되는 경우가 많았다. 방연풍속은 측정 포인트 64점에서 관련기준에 단 한 곳도 미달하지 않고 만족하는 경우는 총 단 4가지 Case로서 매우 제한적인 것을 알 수 있었다. 그만큼 급기댐퍼의 위치 및 급기방향에 따라 부속실 제연설비의 성능이 다양하게 나타날 수 있다는 것이다. 본 연구를 바탕으로 앞으로 실물실험을 통하여 구체적인 자료가 입증되길 바라고, 더불어 부속실 제연설비의 성능을 개선하는 데 있어 도움이 되었으면 한다.
유입된 공기가 배출될 때 중앙코어형 건축물이나 지하층처럼 밀폐된 공간의 경우 옥내에 부압이 형성되며 제연구역과 과도한 압력차이로 출입문 개방에 필요한 힘을 초과하는 등 많은 문제들을 야기할 수 있다. 유입공기 배출댐퍼가 적용된 ◯◯오피스텔을 사례로 실제 TAB(Testing, Aejuwting, Balancing)를 수행하여 유입공기 배출에 따른 영향과 제연성능의 개선방안을 알아보고자 하였다. 유입공기 배출댐퍼를 순차적으로 개방해 가며 차압 및 방연풍속 등의 변화를 기록한 결과 밀폐된 복도에서 유입 공기 배출댐퍼가 개방되면 복도에 부압이 형성되고 제연구역에 과도한 압력이 발생하여 출입문 개방에 필요한 힘을 초과하였다. 유입공기 배출댐퍼 개방 층수를 증가시켜 TAB를 수행한 결과 3개층 까지 개방하여도 방연풍속이 확보되었다.
본 연구는 국내 고층건물 특별피난계단의 부속실에 설치되는 급기가압 제연시스템에서 화재 발생 시 피난을 위하여 출입문이 개방되었을 경우 형성되는 방연풍속의 특성을 FDS를 이용하여 해석하였고, 해석 결과를 분산분석으로 기류의 특성에 따른 측정 방안을 분석하고자 한다. 부속실과 같은 구획공간의 설계 조건에서 급기댐퍼에서 토출되는 보충량은 심한 와류를 형성하고 형성된 와류의 범위 안에 출입문이 존재할 경우 비정상적인 기체의 유동이 출입문지점에 발생한다는 것을 선행연구를 통하여 확인할 수 있었다. 국가화재안전기준 NFSC 501A에서 방연풍속을 측정할 때에는 출입문의 개방에 따른 개구부를 대칭적으로 균등 분할하는 10 이상의 지점에서 측정하는 풍속의 평균치로 할 것으로 정하고 있으나 이러한 조건에서는 출입구 상부 지점에 기류의 유입 현상을 파악하기 어렵고 풍속의 편차가 심하기 때문에 측정점을 공기조화설비의 시험조정 평가 기술기준에서 제시하는 64점 이상으로 세분화하여 측정하여야 할 것이다.
본 연구에서는 기존 급기가압 제연의 성능평가를 수행하였고, 이를 기반으로 급기가압제연댐퍼의 기류방향에 따른 방연풍속 확보가 곤란한 점에 착안하여 무지향성 제연댐퍼시스템을 개발하였다. 개발된 무지향성 제연댐퍼를 대상으로 Mockup 실험을 수행한 결과 화재실 출입문과 제연댐퍼의 설치위치와 상관없이 방연풍속 확보가 가능하여 급기가압제연시스템의 성능개선효과가 매우 큰 것으로 나타났다.
본 연구는 국내 고층건물 특별피난계단 부속실에 급기가압 제연시스템이 설치되어 있음에도 불구하고 화재 발생 시 피난을 위하여 출입문이 개방되었을 경우 형성되는 방연풍속의 기류가 거실 방향으로 정상적으로 형성되지 않고 부속실로 역류되는 사실을 설치 현장의 실측과 CFD기반 시뮬레이션을 통하여 확인하였다. 그 내용을 보면 방연풍속의 기류 특성은 부속실의 면적이 작을 경우 심하게 출입문 상부로 기류가 역류되었다. 시뮬레이션 결과 급기댐퍼의 날개각도가 45도 상향인 경우는 출입문 하단부에 일부 역기류 현상이 발생하였지만 상단부에서는 기류분포가 양호하였다. 부속실 면적이 $4m^2$인 경우는 출입문에서 거실방향으로 정상적인 기류 분포를 보였다. 이러한 상황에서 부속실 면적이 작게 설계될 경우 성능위주 설계를 실시하여야 한다.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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