Analysis for Fire Spread through Double Skin Facade System with FDS

화재시뮬레이션

(FDS)

Double Skin

Analysis for Fire Spread through Double Skin Facade System with FDS

허윤택·박창복·성준식·윤명오*

Yoon-Taek Huh · Chang-Bok Park · June-Shik Sung · Myong-O Yoon*

한방유비스(주), *서울시립대학교

(2009. 8. 17. 접수/2009. 10. 9. 채택)

요 약

본연구는 Double Skin System의화재전파위험성을전산유체역학모델인 FDS를이용하여평가하였 다. ^{화재모델링을구현하기위해오피스용도의단위구획공간을화재지역으로선정하였으며}, ^{화재시나리}

오는외창으로의연소확대위험분석을위하여일반적으로많이설치되는시스템조건들을 Case^로선정하

여분석하였다. 본연구의목적은일반적으로많이사용되는 Double Skin System의설치간격에따른 건물상층부로의화재확대위험성을평가하고, 이에따른방화대책등을수립하는데있다. 해석결과, 더블 스킨중간층간격이넓을수록상부층으로연소확대영향이작은것을확인할수있었으며, ^{중간층간격이} 1m ^{미만인경우는발화층상부} 2^{개층으로연소확대가예상되므로층간연소확대방지시스템이요구됨을}

알수있다.

ABSTRACT

This study is related with fire risk assessment for fire and smoke spread of double skin facade sys- tem by use of FDS (Fire Dynamics Simulator) which is a computational fluid dynamics (CFD) model of fire-driven fluid flow. For the study, fire scenario is intended to evaluate the impact of a fire spread for glazed office building. The major purpose of this study is to analyze the fire risk depending on the width of between inner skin and outer skin and to present fire prevention method regarding double skin facade system. The result of analysis presents fire spread more vertically as intermediate space becomes narrow. It is anticipated that fire can spread upper 2 stories above the fire floor if interme- diate space with not more than 1m width. Therefore, prevention of vertical fire spread is required.

Key words :Double skin facade system, FDS, Fire modeling, Fire spread, Intermediate space

1. ^{서 론}

최근들어건축물의형태가건축주의선호경향에맞 춰고층화및고급화됨에따라커튼월형태도다양화 되고기능적인면이강화되고있다.

이와같은추세에 따라최근에는건축물의외벽입 면계획에있어서친환경적인시스템을표방하는 Double skin facade system(이하 ‘더블스킨’이라 함)을 건물에 서의 냉난방 에너지 절감 효과와 자연환기, ^자연채광

효과 및차음효과 등을 높이기위한 방법으로적용이

늘고있다.

그러나 커튼월구조는 내화구조의 스팬드럴이 없는 구조로서화재시외벽을통한상층으로의연소확대방 지가어렵다는것은국내·외의많은화재사례에서 확 인되고있다. ^{더욱이더블스킨은커튼월구조외부에차}

양이있는중간층을두고강화유리의외창이덧붙여지 는형태이므로화재로인한화염이상층으로연소확대 될수있을것으로 추정된다.

특히 더블스킨의 종류 중 ‘^{샤프트 박스형}’^이나 ‘^다

층형’이적용된경우, 발생된화재가상당히진전된경 우에는설치상황에따라서상층으로의연소확대가가 속화될 우려가있다. 따라서 본연구에서는 CFD 화

†E-mail: [email protected]

재모델링인 FDS 프로그램에의한 Fire modeling을수 행하여더블스킨의중간층두께에따른연소확대형상 을 고찰해 보고자한다. 아울러 본연구의 이해를 돕 고자 일반적인 더블스킨공법 및 유리파괴 실험 결과 자료를 참고하여본논문에인용하였다.

2. ^더블스킨 System 개요 및 원리

국내에서이중외피공법또는더블스킨파사드공법이

라불리는이시스템은 기존의외창(Facade)에하나의

외창을 추가한 Multi-layer의 개념을 도입한 시스템이

며외부에 대한환경부하를최소화 하면서 재생가능 한에너지원을활용하는환경친화적인시스템이다. 장 점으로는 건물외벽에 이중으로설치하는중간층(The

intermediate space)이여름철에는복사에너지를차단하

는효과를 보여주고반대로 겨울철은 태양복사에너지 를축적하여에너지손실을방지한다는점에서외부환 경변화에능동적으로대응할수있는점이다. 다만, 외 창의추가설치로공사비증가의단점이있지만건물전 체열손실의 40%를차지하는외피의기능을강화하여 장기적으로에너지절감효과를현저히늘릴수있다는 점에서 각광을받고있다.¹⁾

이러한더블스킨개념의시초는 1903년독일 Giengen

시의 장난감공장 Steiff factory로서, 이건물은 두겹의

유리사이에 25cm 공간을두어일사로얻은열에너지

를가두어추운기후에서유용하게활용할수있게하

였다. 이후 1978년 뉴욕에 건축된 Cannon design의

Hooker office building에비로소 Le corbusier의자연환 기 개념을활용한 이중외피가 적용되었다.²⁾ 1980년대 에들어서면서부터전세계적으로보급되기시작한더 블스킨구조는 현재까지기능적인면과 환경적인면을 고려하여지속적인 연구개발이이루어지고있다.

현재이슈화되고있는초고층건물에서도자연환기를 위한 창호의 개방이 가능하고, ^{차음성능 또한 기존의}

커튼월 공법과 비교해 월등히 향상된 새로운 커튼월 시스템을적용할수있다는것도또다른이유일것이 다. 국내에서도 K구청사옥, M산업연구소등더블스킨 공법을 사용한 건물들의 사례를 찾아볼 수는 있으나,

아직까지는국내기후환경의적합성에대한연구가미 흡하여폭넓게적용하기에는 어려운실정이다.

3. ^{구 성}

더블스킨의구성으로는대체적으로외부레이어(The outer layer), 중간층(The intermediate space), 내부레이 어(The inner layer)의세부분으로나눌수있다. 이중 외부레이어는외부환경에직접노출되어빗물이나바 람의 영향에 적응성이있는 구조가 필요하며, 안전을 고려해 주로강화유리나 접합유리를사용하는단층유 리가적용된다.

일반적으로외부 레이어에는자연환기를위한 통풍

구가있고, 여기에는개방식환기구(Permanent opening)

와개폐식환기구(Temporary opening) 두종류가있다.

이환기구들은자·수동으로제어가가능하다. 더블스 킨공법의핵심인중간층은블라인드가설치되어역시 자·수동으로 조작이 가능하다. 중간층은 환기구들의 개폐를제어함으로써자연환기가가능하게하지만, 각 각건물의방향과위치등에따라중간층에서발생하는

연돌효과(Stack effect)가현저히 다르게 발생할 수있

어방재적으로볼때철저한계획과사전조사가필요하다.

일반적으로중간층의너비는작게는 220mm에서크

게는 800mm까지다양하게적용되며, 대부분유지보수

를위한공간확보목적으로 600mm 이상이선호된다.

중간층의높이, 너비에따라성능의차이를보일수있 고또한화재시화염및연기의 연소확대크기도 차 이를보인다.

이러한성능및안정성을고려한 최적의설계를 위 해 외부에서 유입되는 공기의 방향과 양을 측정하는

CFD(Computational fluid dynamics, 전산유체역학)가사 용되기도한다. 본연구에서도 CFD에바탕을둔미국 립표준기술연구소에서개발한화재시뮬레이션프로그 램인 FDS를사용하여더블스킨구조에대한화재위험 도를분석하였다.

4. ^{종류와 특성}

더블스킨의종류는중간층의형태에따라구분된다.

Figure 1. Double skin facade.

중간층이 각 층별 그리고 수평으로 구분되면 박스형

(Box window), ^{수직으로만 구분될경우는 샤프트박스}

형(Shaft box), 수평 또는 층별로 구분될 경우는 복도

형(Corridor facades), ^{전체적으로 하나의 공간으로 구}

성될 경우의 다층형(Multi-story)으로 분류된다. 각 종

류에대한장단점은아래와같다.³⁾

4.1박스형(Box windows type)

성능적인면에서고층건물에유리하고, 각각독립적 으로 창호의 개폐나 블라인드의 제어가 가능하다. 그 러나 초기공사비가많이들며설계가 복잡하다는단 점이있다. 화재전파위험도는가장낮다.

4.2샤프트박스형(Shaft box type)

전층의중간층이수직으로구획되므로건물높이에 따라연돌효과를최대한이용할수있다. 하지만층간 소음문제가생길수있고화재시에효율적으로대처 할수있는설계가필요하다.

4.3복도형(Corridor facades type)

각층별로중간층이구획되므로층별제어가가능하 여고층건물에서도적용할수있으나, 각실별소음차 단 문제가 발생할수 있고, 코너에서 강한바람이 발 생할 가능성이 높아계획단계부터적절한 검토가필 요하다.

4.4다층형(Multi-story type)

건물의한쪽벽을하나의중간층으로이용하기때문

에커튼월에사용되는 Stick system을이용하여저렴하

게시공이 가능하며, 주로중, 저층건물에 많이사용

된다. ^{건물의 최하부를공기주입구로사용하고}, ^최상

부를 공기 배출구로 사용한다. 그러나 중간층 내에서 소음차단문제가발생할수있으며화재에취약해이 에대한보완설계가필요하다.

4.5각타입에따른 화재 위험성

위에서언급한 4가지 종류의더블스킨에대한 화재 전파 위험성을분류하는 것은 방재상 매우 중요하다.

아래의표는각타입에대한화재전파위험성을위험 도에따라분류한자료이다.

5. 화재 시 유리 파손에 관한

실험 결과 소개

5.1배경

화재의 크기(열방출율)는 가용 산소량에의해 제한 된다. 대부분의산소는 개방문또는창문을통해실내 로유입되며, 환기설비와 건물의 틈새로 일부 소량이 유입된다. 그러나화재가진행되면서밀폐되었던창문 은균열이발생되어파손되기도, 그렇지않을수있다.

흔히화재의결과는창문의파손여부에따라크게달 라진다. 따라서화재 시유리가파손되는지, 파손되면 언제인지를예측하는것은아주중요한의미를갖는다.

일반적으로 더블스킨에 사용되는 강화유리는 열을

받아유리면온도가 290~380^oC에이르면 균열이발생

한다. 최초의 균열은 모서리 부분에서 발생되어 판유 리전체로 진행되지만, 이시점까지는 화재에 이용될 수있는환기에는아무런영향을미치지않는다. 하지 만유리면의온도가 300^oC 이상일경우스프링클러등 물에의한급랭파열이발생할수있다는이론도국내 실험논문에서소개되었다. 따라서이러한여러변수를 고려하여유리의파괴를예측하는것이무엇보다중요 하다고하겠다.

5.2유리파손이론

Keski-Rahkonen은최초로화재시유리의균열에관

한종합적인 이론적 해석을 제시하였다. 그는 화재에 노출된 유리면과창틀에의해보호된 유리사이의 온 도 차이가 균열을 조정하는데 중요한 역할을 한다는 것을 확인하였다. ^{그의 이론은 화재에 노출된 유리면}

Figure 2. Type of double skin.

Table 1. Fire Risk of Double Skin Facade Types

분류 박스형 샤프트박스형 복도형 다층형 위험도 낮음 낮음 중간 높음

과창틀에의해보호된유리사이의온도차이가 80^oC

가되면균열이발생되기시작한다는것을예견하였다.

캐나다 국립연구위원회(NRCC)는 유리를 방호하는 스프링클러를 개발하는연구를 수행하면서이 연구의 일부로 스프링클러가 설치되지않은상태에서의 실험 이 다수 수행되었다. 일반적인상업용 건물에서 주로

사용되는 6mm 두께의 강화유리를 실험실 화재에 노

출시키는실험에서다음의결과를 얻었다. 강화유리는 초기에균열이발생함과동시에산산조각이났지만, 초 기의 균열은 상당히 높은 온도에서 발생하였다. 화재

에노출된 표면의 온도는 290~380^oC였고, 비노출면은

이보다 100^oC 정도낮았다. 영국 LPC(Loss prevention

council)의실화재연구에서는 6mm의두께를 가진이

중창문일경우 600^oC에도달시유리가파쇠되는결 론을얻었다.⁴⁾또한국내논문에의하면스프링클러를 설치할 경우수막에 의해 유리가열면이 300^oC 이상 일때급랭파열이발생하는것으로나타났다. 반대로,

유리면의온도가 300^oC 이내일 경우에는수막을 유리 면에급속히접촉시켜도유리면의급랭파열이일어나 지않음을발견하였다.⁵⁾

5.3정리

언제유리에 균열이 발생하는지를예측하는 이론들 이있지만 사실상실제 화재에서 언제유리가 파손될 것인지를 예측하는것은 매우 어렵다. 캐나다 국립연

구위원회(NRCC)에서발표한 보고서의결론에서는유

리의 표면온도 290~380^oC를 파손의 하한치로서 보고

있다. 강화유리의파괴는창문의크기, 창틀의종류, 유 리두께, 유리의결함과수직적인온도구배와같은인 자들이 영향을미치는것으로볼수있다. 강화유리의 파괴온도를고려할경우, 스프링클러와같은소화설비 와의관계도중요하다. 국내실험논문에서강화유리표 면온도가 300^oC ^{이상일경우수막에 의한유리파손이}

발생하는것으로나타났다. 대다수건물의가연물이창 호바로인근에설치되어있어가연물옆유리면의온 도는 300^oC 이상으로예상되며, 가연물상부에스프링 클러가 설치되는 것을 감안하면스프링클러의 작동에 의한영향으로화원인근의살수에의한유리파괴가 능성에 대한고려도중요하다.

6. 더블스킨 연소확대 위험 평가

6.1목적

본연구의목적은 가상화재대상의 오피스내부화 재발생시커튼월파괴에따른더블스킨중간층거리

에따라상층으로의연소확대위험성을 CFD 프로그램 인 FDS^{를이용하여그결과를도출한다}.

6.2해석프로그램

본연구의 화재시뮬레이션 프로그램은 미국 NIST

산하 건축화재연구소 BFRL에서 개발된 화재 CFD

프로그램인 FDS(Fire dynamics simulator) 5.3을이용하 였다.^6-8)

6.3시뮬레이션대상공간

더블스킨건축물의상층연소확대위험영향을 해석 하기위해가상화재사무실을발화실로설정하였다.

가상화재공간은면적 100m², 높이 3m의단위 오피 스를기준으로한층당 3개의사무실을수평배치하 고, 발화 기준층을포함하여 상층 8개층의 가상 공간 을설정하였다. 화재는 부력에 의해 상층부로확산되 므로모델링구현범위는기준층이하층은제외하였다.

화재 시뮬레이션을 수행하기 위하여 화원의 근거는

NIST 실험데이터인약 6.7MW의 Three panel workstation

으로적용하였고 이는전형적인오피스의화재하중으 로볼수있다. 실질적으로스프링클러가설치된 일반

오피스 공간은열방출율 5MW 이하로예상되므로 적

용한 HRR은적용가능한 Fire size라고판단된다.

이중외피는 4장에서언급한 화재전파에가장 취약

한구조를가진다층형(Multi-story type)으로설정하였

고, 이중외피의중간폭을 600mm, 800mm, 1,000mm 3

가지케이스와일반적인 단일외피커튼월구조로 나누

어총 4가지 Case로분석하였다. 또한연소확대 형상

Figure 3. Smokeview for FDS modeling.

구현을 위한커튼월(유리) 파괴허용 온도는 5장의 내 용을 참고하여 300^oC^{로가정하여 적용하였다}. ^실질적

인창문의파괴온도는유리의재질과환경요건에따라 차이가 있다. 따라서 본연구의목적은상층연소확대 위험성의정량적평가이므로, 연소확대에영향을미치 는유리벽의파괴모양을구현하기위한방법으로서커 튼월파괴온도를가정하는 것이필요하다.

6.4시나리오

6.4.1 ^시나리오-1

설정된기준사무실의커튼월파괴온도(300^oC)를기 준으로 커튼월파괴면적및파괴시간을평가한다.

6.4.2 시나리오-2

시나리오1에서도출한 내피의 파괴시간을시나리오

2^{에적용하여더블스킨의간격}(600mm, 800mm, 1,000mm.

단일외피)에따라총 4개 Case를분석한다(더블스킨내

피온도 300^oC 도달분석).

6.5 결과

6.5.1 시나리오-1

(1) 모델링조건

본논문에서화재구역(기준오피스)내의 Fire source

면적은 1m², 높이는 0.8m로설정하였다. 커튼월 파괴

이전 시점에서의환기조건을 고려하기 위하여 화재실

내부의 개구부는 0.9m × 2m로 설정하고 Vent 속성을

Open으로 설정하여 충분한 공기가 유입되게 하였다.

본 시뮬레이션에서 적용된 물성치 및 모델링 조건은

Table 2와같다.

(2) 화재실커튼월예상파괴면적및시간

화재실의외창파괴면적및시간을분석하기위하여 가상화원인 Three panel workstation을 외벽창호에 근 접하게 배치하여모델링하였다.

FDS ^격자를 0.2m × 0.2m^{로설정하였고}, ^{벽체온도를}

평가하여 300^oC 이상의격자면적을합산하여유리파 괴면적을분석하였다.

유리파괴예상시간은 300^oC 이상의커튼월최대면 적형성시간을적용하여 상층부로의연소가 확대되는 것으로가정하였다.

6.5.2 시나리오-2

(1) ^열방출율(Heat release rate) ^결과

본연구에 적용한 가연물 연소 특성은 Three panel

workstation^의 Peak HRR(6.7MW)^{을이용하여최대화}

재강도에서화재강도손실없이유지되는 Worst case로 적용하였다.⁹⁾

시뮬레이션결과, 가상화재실은연소속도에비해산 소가부족한전형적인구획화재특성인환기지배형화 재의형태를 보이다가커튼월이파괴되는 529초지점 Figure 4. Flow diagram of the simulation.

Table 2. Condition of Fire Room and Input Data

항목 수치

계산시간 900^초

화재실크기(Mesh 1) 10m × 10m × 3m

화재면크기 1m²

HRR 6.7MW

더블스킨크기(Mesh 2)

(중간층 1m인경우) 1.4m × 30m × 24m

화재실 Opening 2m²

더블스킨해석공간

Opening(Mesh 2) ^{해석공간경계면}Vent “Open”

더블스킨유리물성치 비열: 0.84kJ/kg/K

열전도도: 0.76W/m/K

밀도: 2,700kg/m³

Table 3. The Result of Breaking Glazing Area Depending on Time

분류 유리파괴예상면적 유리파괴예상시간

시나리오 1 4.36m² 529^초

Figure 5. Breaking glazing area analysis.

에서산소유입으로인하여급격한화재성장을보이며,

550^{초후에는 일정한} HRR ^{곡선의 특성을 보이는 것}

으로분석되었다.

(2) ^{더블스킨중간층 너비에따른연소확대분석}

본시뮬레이션에서설정한 내부커튼월의파괴온도 인 300^oC까지 도달하는높이를 분석하여, 바닥으로부 터높이를측정하여다음과같은결과를 도출하였다.

단일외피의경우는발화층의직상층높이인 6m 정 도까지 연소확대가되었고, 1m 이하의중간층 너비에 서는 발화층 상부 2^{개 층까지 연소 확대되는 것으로}

나타났다.

(3) 더블스킨중간층너비에따른 최고온도분석

본시뮬레이션에서케이스별로최대고온층온도분 석을한결과다음과같은결과를도출하였다. 화재실

의온도가 약 1,000^oC ^{정도의 최고온도인상부공기층}

이존재하였으며, 커튼월중간층의경우는케이스별로 Figure 6. Heat release rate curve.

Table 4. Vertical Fire Spread Range

분류 더블스킨

중간층간격 발화층바닥으로부터 상부연소확대거리

Case1 600mm 7.8m

Case2 800mm 7m

Case3 1,000mm 6.4m

Case4 단일외피 6m

Figure 7. Case 1 600mm.

Figure 10. Case 4 No double skin.

Figure 9. Case 3 1,000mm.

Figure 8. Case 2 800mm.

820^oC~870^oC^{까지의영역으로최고온도 영역이존재하}

였다. 그러나이값은화재 plume에의한순간적인온

도상승값으로 대부분영역의 온도는위의 값보다작

았다. 더블스킨중간층의 plume 전파영역은부력과외

부환기조건에 따라 급속도로상부로전파되어 열축척 이어려울것으로예상된다. 따라서본연구에서는중 간층의 유리면표면온도를 300^oC ^{기준으로상부연소}

확대영향을 평가하였다.

8. ^{결 론}

본논문에서는 Double skin system의상층연소확대 위험성을평가하기위해서일반오피스가상화재시나 리오를 구성하고, 전산유체역학모델인 FDS를 이용하 여분석하였다.

시뮬레이션 모델링 결과, 단일외피 및 더블스킨중

간층간격이 800mm~1,000mm일경우, 스팬드럴을바

닥기준으로약 1m 높이로 설치하면, 발화층 및그직 상층경보방식의단계적경보방식에의해재실자의피 난안전성이 확보될수있을 것으로예상되나, 600mm

의경우는 스팬드럴설치시에도 발화층으로부터 2개 층이상연소확대가발생한다.

따라서 중간층 간격에 따라 스팬드럴 설치와 함께 윈도우 스프링클러설비설치와 같은보완이 필요하다 고판단된다.

상기의화재시나리오를이용하여다음과같은결론

을얻을수있었다.

(1) ^{더블스킨중간층간격이커튼월상부층으로의연}

소확대에 미치는영향이크다.

(2) ^{화재공간 더블스킨파괴면적을 분석한결과발}

화후 529초에 4.36m²로나타났다.

(3) 더블스킨이 없는단일 외피(일반적인 커튼월)의 경우발화층및그직상층까지연소확대가된다.

(4) 중간층간격이 1m일경우, 발화층및그직상층

이연소확대된다.

(5) ^{중간층간격} 1m^{이미만인 경우}, ^{발화층 상부} 2

개층(총 3개층)까지연소확대된다.

(6) 중간층 간격이 800mm 이상의 경우, 1m 이상의

스팬드럴을설치하면연소확대를방지할수있다.

(7) 중간층간격이 600mm 이하의경우, 스팬드럴설

치및윈도우스프링클러 등을함께고려하는방화대 책이필요하다.

참고문헌

1. 윤병희, “더블스킨공법에대해”, 이엠건축사자료실, No.27(2006).

2. 김광우, “이중외피시스템의개요와국내외현황”, 대

한건축학회지, Vol.47, No.9(2003).

3. Harris Poirazis, “Double Skin Facades for Office Buildings”, pp.68-69.

4. Dr. Vytenis Babrauska, “화재시유리의파손에관한 고찰”, 위험관리정보 123호(1997).

5. 박형주, 지남용, “구획화재시국부복사에노출된유 리면의수막접촉에따른급냉파열특성에관한실험 적연구”, 한국화재소방학회논문지, Vol.17, No.4, pp.124-130(2003).

6. NIST, FDS, “(Fire Dynamics Simulator) User’s Guide and Technical Guide”(2009).

7. NIST, “User’s guide for Smokeview”(2009).

8. Thunderhead engineering, “Pyrosim user Manual”

(2008).

9. NIST, Fire on the web(http://www.fire.nist.gov/fire/

fires/fires.html).

10. SFPE, SFPE handbook of fire protection, 3rd edition(2002).

Table 5. Maximum Temperature Analysis

분류 더블스킨

중간층간격 최대고온층 온도분석(^oC)

Case1 600mm ^화재실 1,020

중간층 820

Case2 800mm ^화재실 1,020

중간층 820

Case3 1,000mm ^화재실 1,000

중간층 870

Case4 단일외피 화재실 1,000

외부 720