A Study on the Effectiveness to the Life Safety by Enlarging Smoke Vent Size and/or Sprinklered System

배연창 크기와 스프링클러 작동이 인명안전에 미치는 영향 연구

A Study on the Effectiveness to the Life Safety by Enlarging Smoke Vent Size and/or Sprinklered System

김학중

^†

·박용환*

Hak-Joong Kim

^†

· Yong-Hwan Park

^*

(

주

)

건일엠이씨

, *

호서대학교소방방재학과

(2010. 3. 2.

접수

/2010. 4. 9.

채택

)

요 약

최근건축물이대형화

,

복잡화되면서건축물내거주자의피난안전성이관심의초점이되고있다

.

국내 건축물은용도에따라관계법령에의한배연창또는기계적배연설비를설치하도록규정되어있다

.

^화재

시거주자의피난안전성을확보하기위하여화재실의제연이매우중요하다

.

^{본연구에서는배연창크기}

의변화와스프링클러설비의작동이화재실연기층높이와온도조건에미치는영향을화재시뮬레이션 프로그램인

CFAST

를이용하여평가하였다

.

연구결과배연창면적이증가할수록

5MW

화재크기이하 에서는연기층높이와온도에미치는효과가증가하나화재크기가

10MW

^{이상커지면배연창의면적과}

연기배출효과와의상관성이떨어진다

.

^{스프링클러설비가작동하고배연창이열릴경우에는화재크기와}

상관없이인명안전기준이만족되었다

.

법규에의한일률적인배연창면적의적용보다는건축물의용도및 규모에따라화재시나리오를선정하고시나리오에따른화재크기에따라적절한크기의배연창을적용하 여야하며실제실험이나시뮬레이션을통한검증이이루어져야한다

.

ABSTRACT

Recently, evacuation safety of a resident of building become the major concern, because building has been higher and more complicated. Buildings in Korea should install the natural smoke venting or mechanical smoke exhaust equipment according to the building law. The smoke control is the most important to guarantee the evacuation safety. This study evaluate the influence to the height and tem- perature of smoke layer by enlarging smoke vent size and operating sprinkler system using CFAST (Version 6). Smoke venting size is larger, the effect to height and temperature of smoke layer is increased in below 5 MW fire. But, the correlation of these is decreased in above 10 MW fire. The case that opened smoke vent and sprinklered are applied, life safety criteria are satisfied regardless of fire size. After design the fire scenario according to the service and size of building. Install the smoke vent suitable for the fire size and verify that by experiment or simulation.

Key words :

Life safety, Smoke venting, Sprinkler, CFAST

1. 서 론

최근건축물이대형화

,

복잡화됨에따라거주자의피 난안전성 확보가 주요 관심사로떠오르고 있다

.

^거주

자의 피난안전성 확보를 위하여 다양한 건축적

,

설비 적인방법이있다

.

^{거주자의피난안전성에큰영향을}

주는요인중의하나가화재시발생하는연기와화재

로인한 온도이다

.

화재구역에서 연기의 제어 방법에 는차단

,

^희석

,

^{배출등의여러가지방법이있으나이}

중배출에 의한연기제어가대공간 건축물에적용되 고있다

.

국내에서는배연창의최소규격만을 기준으로제시 하고있다

.

^즉

,

^{배연창이갖추어야하는제연성능에관}

한평가기준은제시하고있지 않다

.

¹⁾

또한

,

^{국내의경우배연창면적의합계가당해제연}

구역바닥면적의

1/100

이상이면다른설계기준 없이

†

E-mail: [email protected]

배연창을적용하고있으며이러한배연창은그성능을 보증할 수없다

.

²⁾

본연구에서는연기배출을위한배연창의국내법적 기준의 타당성을 검토하고배연창의크기가 증가함에 따라 연기배출 능력이어느정도 향상되는지와스프 링클러설비의작동여부가화재실의연기와온도에어 떠한영향을 미치는지규명하고자 한다

.

본 연구는

CFAST

프로그램을 사용하여화재실 조

건에따른배연창의배연효과와스프링클러설비의연 기및열기류생성억제효과를분석하였으며

.

^본연구

의결과는향후성능위주설계및피난안전성평가에활 용가능하리라판단된다

.

2. 본 론

2.1배연창관련 국내법적기준

현재국내 건축물에는용도에 따라건축관계법령에 의한배연창또는소방관계법령에의한기계식제연설 비를설치하도록규정하고있다

.

국내에서규정하고있 는 배연창 관련 기준은

6

층이상의 건축물로서 문화 및집회시설

,

종교시설

,

판매시설

,

운수시설

,

의료시설

,

교육연구시설중연구소

,

노유자시설중아동관련시설·

노인복지시설

,

수련시설중유스호스텔

,

운동시설

,

업무 시설

,

숙박시설

,

위락시설

,

관광휴게시설 및장례식장 의거실에는 피난층을제외하고배연설비를설치하도 록 규정하고 있으며

,

배연창 설치와 관련된 세부사항 은다음과같이정하고 있다

.

³⁾

(1)

건축물에방화구획이 설치된 경우에는그 구획 마다

1

개소이상의배연창을설치하되

,

배연창의상변 과천장또는반자로부터수직거리가

0.9

미터이내일 것

.

다만

,

반자높이가바닥으로부터

3

미터이상인경우 에는배연창의하변이바닥으로부터

2.1

미터이상의위 치에놓이도록설치하여야한다

.

(2)

배연창의유효면적은

Figure 1

의산정기준에의 하여 산정된면적이

1

제곱미터이상으로써 그면적의 합계가당해건축물의바닥면적

(

방화구획이설치된경 우에는그구획된부분의바닥면적

)

의

100

분의

1

이상 일 것

.

이경우 바닥면적의산정에 있어서 거실 바닥 면적의

20

^분의

1

^{이상으로환기창을설치한거실의면}

적은이에산입하지아니한다

.

(3)

^{배연구는연기감지기또는열감지기에의하여자}

동으로 열 수있는구조로 하되

,

손으로도열고 닫을 수있도록하여야 한다

.

(4)

배연구는예비전원에의하여열수있도록하여 야한다

.

(5)

^{기계식배연설비를하는경우에는}

(1)

^내지

(4)

^의

규정에불구하고소방관계법령의규정에적합하여야한다

.

2.2시뮬레이션도구

본연구에사용하는시뮬레이션도구인

CFAST(Version 6)

는 미국의

NIST(National Institute of Standard and

Technology)

^{에서 개발한 프로그램으로 화재가 발생한}

구역의연기

,

유해가스

,

온도분포

,

개구부유동등을표

현할수있는

Two - Zone Model

^이다

.

^{존모델은구획}

실을

2

개의경계층으로단순하게표현하여보존방정식 을구역별로 적용한다

.

적용되는모델링 방정식은 보 통미분방정식

(Ordinary differential equation)

이며 밀도 와내부에너지에 대한관계식과이상기체의 상태방정 식

,

질량보존및 에너지보존법칙을 이용하여유도되 고

2

개의 경계층에서질량과 엔탈피의축적으로 이루 어지는압력

,

경계층의높이

,

온도등이시간경과에따 Figure 1.

Efficient area of natural smoke vent.

라예측된다

.

⁴⁾

CFAST

^{의결과물은화재시 구획내부의상태를평가}

할수있도록각경계층의온도

,

천정

,

벽

,

바닥온도

,

연기 가시거리

,

가스의 농도

,

스프링클러의 작동시간

,

개구부의유동등을포함하며구획의체적크기가

1m

³

부터

1,000m

³까지 사용이가능하고모델결과값이실

제실험값의

10~25%

범위내에서만족하는비교적정

확한예측이 가능한프로그램이다

.

2.3분석대상건축물및가정사항

(1)

화재실

: 18m × 18m × 3m

(2)

화재실바닥면적

: 324m

²

(3)

배연창수량

: 4

개

(

화재실벽마다

1

개

) (4)

배연창규격

: 0.81m × 1m(

개당

)

(5)

배연창총유효면적

: 3.24m

²

, 6.48m

^2,

, 9.72m

²

(6)

화재크기

: 3.5MW, 5MW, 10MW, 15MW

(7)

화재성장속도

: Ultra Fast

(8)

배연창작동시간

: 110

초

(9)

스프링클러

RTI: 100

2.4인명안전을위한성능기준

일반적으로 피난안전성평가에적용되는 인명안전기

준은

Table 1

과같다

.

본연구에서는

Table 1

의인명안

전기준중에서피난자의호흡선공기온도와연기층높 이를대상으로분석한다

.

피난 안전성평가에서는 인명안전기준에 도달 하는 시간이중요하다

.

피난시뮬레이션을통하여필요한피 난시간을구하고 화재 시뮬레이션을통하여 인명안전 기준에도달하는시간을구한다음이두시간을비교 하여 피난시간보다 인명안전기준에 도달하는 시간이

더길경우안전성이확보된다고평가할 수있다

.

피난시간의경우건축물의수동적

(Passive)

^설비에따

라변화가 크다

.

동일한 조건일 때피난 계단이나피 난로의 수량이많고폭이 넓을경우피난시간은 감소 하고피난 계단이나피난로의수량이 적고폭이 좁을 경우피난시간이증가하게된다

.

그러므로 배연창이나 스프링클러와 같은 능동적

(Active)

설비를통하여인명안전기준에도달하는 시간

을증가시키는것이 피난안전성을 확보하는데중요한 역할을하게된다

.

2.5수행방법

배연창의배연효과에 대한 검증을 위해

3.5MW

화 재의 경우배연창 개

/

폐상태에서 각각

1

회시뮬레이 션을수행하였으며

,

스프링클러작동에대한효과를검 증하기위해스프링클러작동과미작동상태에서각각

1

회의시뮬레이션을수행하였다

.

3.5MW

화재를제외한

5MW, 10MW, 15MW

화재크

기에서는화재시배연창이열리는상태를기준으로스 프링클러의작동과 미작동 상태에서각각

1

회씩 시뮬 레이션을수행하고배연창면적증가에대한영향을파 악하기위하여배연창면적을

2

배

, 3

배증가시켜시뮬 레이션을 수행하였다

.

2.6수행결과

2.6.1 3.5MW

화재

3.5MW

화재크기는소파에서발생한화재의열방출

율로⁶⁾대부분의피난안전성평가에적용되는화재의크 기이다

.

시뮬레이션 수행결과는

Figure 2

와

Figure 3

에나타나있다

.

화재실의호흡선 공기온도는스프링클러가 작동하 지않고배연창이열려있는경우에

160

^o

C

까지증가하 였고스프링클러가작동하고배연창이닫혀있는경우

m sec

⋅

Table 1.

Criteria for the Life Safety

^5,6)

구분 항목 성능기준

열 복사열

2.5kW/m

²이하

호흡선

(1.8m)

^공기온도

65

^o

C

^이하

연기 가시거리확보

13m

^이상

(Unfamiliar) 4m

이상

(familiar)

연기층높이

1.8m

이상

독성

CO 1,400ppm

^이하

HCN 80ppm

이하

COHb 30%

이하

O

2

12%

^이상

CO

2

5%

이하 Figure 2.

Temp. of lower layer at 3.5 MW fire.

40

^o

C

^{까지 증가였다}

.

^{이는 배연창에의한 열의 방출효}

과보다스프링클러 작동에의한 열기류의제어효과 가 크다는 것을 나타내는것으로 판단된다

.

스프링클 러가 작동하였을 경우에는 배연창 개

/

폐와 관계없이

40

^o

C

이하의온도를 유지하였다

.

화재실의연기층의 높이의 경우는스프링클러가 작 동하지않고배연창이닫혀있을경우바닥까지연기로 충만하게되고 스프링클러가 작동하고 배연창이열려 있는경우

2m

^{이상을지속적으로유지한다}

.

^스프링클

러가 작동하지 않고 배연창이 열리는 경우 연기층의

높이가

0.7m

이상을유지하므로써호흡선의공기온도

와상반되게배연창이닫혀있는경우대비 열리는경 우더안전하다

.

2.6.2 5MW

화재

5MW

화재크기에의한시뮬레이션수행결과는

Figure

4

와

Figure 5

에나타나있다

.

화재실의호흡선공기온

도는 스프링클러가 작동하지않고배연창이열려있는 경우에

170

^o

C

까지증가하였고 스프링클러가작동하고

배연창이 열려있는 경우

40

^o

C

^{에 머무른다}

.

^{배연창 면}

적을

2

배 증가시킬 경우

120

^o

C, 3

배 증가시킬 경우

95

^o

C

까지증가한다

.

화재실의연기층의높이의경우는 스프링클러가 작 동하지 않고 배연창이 열려있는 경우 거의 바닥까지 연기로 충만하게되고스프링클러가 작동하고배연창

이열려있는 경우

1.8m

^{이상을 지속적으로 유지한다}

.

스프링클러미작동시배연창면적을

2

배증가시킬경

우

0.5m, 3

^{배증가시킬 경우}

1m

^{의연기층 높이에 다}

다른다

.

이는

5MW

화재에서는 스프링클러 미 작동시에도

배연창 면적을증가시켜 호흡선 공기온도를 낮출수 있고연기층의높이도증가시킬수있다는것을보여 준다

.

2.6.3 10MW

화재

10MW

화재크기에 의한 시뮬레이션 수행 결과는

Figure 6

과

Figure 7

에나타나있다

.

화재실의호흡선공기 온도는스프링클러가 작동하 Figure 5.

Height of lower layer at 5 MW fire.

Figure 3.

Height of lower layer at 3.5 MW fire.

Figure 4.

Temp. of lower layer at 5 MW fire.

^{Figure 6.}

Temp. of lower layer at 10 MW fire.

지않고배연창이 열려있는경우에

220

^o

C

^{까지증가하}

였고 스프링클러가 작동하고배연창이 열려있는경우

50

^o

C

이하에머무른다

.

배연창면적을

2

배증가시킬경

우

210

^o

C, 3

배증가시킬경우

170

^o

C

까지증가한다

.

화재실의연기층의 높이의 경우는스프링클러가 작 동하지 않고 배연창이 열려있는 경우 거의 바닥까지 연기로 충만하게 되고 스프링클러가작동하고 배연창

이 열려있는경우

1.8m

이상을지속적으로 유지한다

.

스프링클러미작동시배연창면적을

2

^{배증가시킬경}

우에도 배연창 면적을증가시키지 않을때와거의동

일한 높이를 유지하고

3

배 증가시킬경우

0.5m

의연

기층높이를 유지한다

.

이는

10MW

화재에서는스프링클러미작동시에배

연창면적을증가시켜도호흡선공기온도와연기층의

높이에미치는영향이

5MW

화재보다작아짐을알수

있다

.

2.6.4 15MW

화재

15MW

화재크기에 의한 시뮬레이션 수행 결과는

Figure 8

^과

Figure 9

^{에나타나있다}

.

화재실의호흡선공기 온도는스프링클러가 작동하 지않고배연창이열려있는경우에

230

^o

C

이상으로증 가하였고 스프링클러가 작동하고 배연창이 열려있는 경우

50

^o

C

이하에 머무른다

.

배연창 면적을

2

배

, 3

배 증가시킬 경우에도

230

^o

C

이상으로증가한다

.

화재실의연기층의높이의경우는 스프링클러가 작 동하지 않고 배연창이 열려있는 경우 거의 바닥까지 연기로 충만하게되고스프링클러가 작동하고배연창

이열려있는 경우

1.8m

이상을 지속적으로 유지한다

.

스프링클러미작동시배연창면적을

2

배

, 3

배증가시 킬경우에도 배연창면적을 증가시키지않을 때와거 의동일한높이를유지하고있다

.

이는

15MW

화재에서는스프링클러미작동시에배

연창면적을증가시켜도호흡선공기온도와연기층의 높이에미치는 영향이거의없음을 보여주고있다

.

2.7결과분석

3.5MW

화재에서는배연창이열리는경우연기층의

높이는증가시켰으나호흡선공기온도는오히려증가 시키는상반된결과를보여주었다

.

이는피난안전성평 가시하나의인명안전기준을적용하여평가하는것보 다 두 개 이상의 인명안전기준을 적용하여 평가하는 Figure 9.

Height of lower layer at 15 MW fire.

Figure 7.

Height of lower layer at 10 MW fire.

Figure 8.

Temp. of lower layer at 15 MW fire.

Table 2.

Temperature of Lower Layer by Enlarging Smoke Vent Size

구분 기본

배연창

2

^배

배연창

3

^배

05MW

_공기 배연창

온도

(

^o

C)

170 115 98

10MW 200 200 160

15MW 230 230 230

것이보다정확한평가가이루어진다는것을나타낸다

.

Table 2

와

Table 3

에나타난 것처럼

5MW

화재에서

는배연창크기의증가가호흡선공기온도와연기층의

높이에 영향을 크게주지만

, 10MW

이상의 화재에서

는배연창 크기의증가가 호흡선 공기온도와 연기층 의 높이에 미치는 영향이 미미했다

.

이는 화재규모에 따라배연창크기의증가만으로는호흡선공기온도와 연기층의높이를조절할 수없다는 것을나타낸다

.

배연창이열리고 스프링클러설비도 작동하는경우 에는 국내 법규 기준의 배연창 크기만으로도 호흡선 공기온도와연기층의높이를안전하게확보하였다

.

이 는스프링클러설비의동작으로화재를제어

(Fire control)

하여 화재실의온도와 연기발생량을감소시켰음을 나 타낸다

.

3. 결 론

배연창 크기의변화와 스프링클러설비의 작동여부 가화재실 연기층높이와 온도조건에 미치는 영향을 화재시뮬레이션프로그램인

CFAST

프로그램을이용 하여평가한 결과다음과같은결론을 도출하였다

.

(1)

배연창 크기를 법적인 기준에 따라 바닥면적의

1/100

로설치하였을경우

3.5MW

화재에서도연기층의

높이가

0.7m

로인명안전기준을만족하지못하였다

.

(2)

배연창에의해연기가배출되고스프링클러설비 가작동한경우에는화재의크기에관계없이인명안전 기준을만족하여 피난안전성이확보되었다

.

이는건축 물에서배연창의크기증가보다스프링클러설비의설 치및작동이매우중요하며

,

스프링클러설비의작동

이배연창의 개방보다연기및열기류 제어에효과가 크다는것을보여준다

.

(3) 10MW

이상의 화재에서는 배연창의 크기를 증

가시켜도 인명안전기준에 미치는 영향이 미미하므로 건축물의용도및규모에따라배연창의크기증가외 에다른방안을적용하여야한다

.

(4)

건축물에법규에 의해일률적으로

1/100

크기의 배연창을 적용하기보다는 화재크기별로 인명안전기준

을 만족하는 시간이 연기높이 기준으로

100sec

에서

200sec

^{로 크게상이하므로 화재시나리오에 따른 예상}

화재크기와재실자의 피난소요시간에따라배연창 크 기가결정되어야하고배연효과에대한검증과정이필 요하다

.

(5)

스프링클러설비가 작동하고 배연창이 닫혀있을 경우 연기층의 온도상승은 인명기준이하로 제어되나 연기층의높이는스프링클러설비미설치시와동일하였 다

.

연기층의높이와호흡선공기온도측면에서동시 에인명안전기준을만족시키기 위해서는배연창의면 적확대와 스프링클러설치가 동시에이루어져야한다

.

참고문헌

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임채현

, “

초고층건물화재시배연창개방이연돌효

과및제연성능에미치는영향

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호서대학교대학원 박사학위논문

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^추홍록

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^{수직배연구의자연배연성}

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, Vol.22, No.4, p.2(2008).

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제

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1

항

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Table 3.

Height of Lower Layer by Enlarging Smoke Vent Size

구분 기본

배연창

2

배

배연창

3

배

05MW

_연기층 배연창 높이

(m)

0.2 0.5 1

10MW 0.2 0.22 0.4

15MW 0.1 0.1 0.2