초고층건물의 성능위주설계의 질적향상과 피난안전성 확보를 위한 제연시스템에 대한 연구

국문 초록 (Abstract)

건축물의 첨단화, 초고층화, 지하공간화, 복합기능화의 추세에 따라 인간이 환경으로부터의 피해, 위험에 노출되는 경향이 심화되고 있다. 또한 건설기술의 발달과 건축재료의 양질화에 의해 도시의 밀집화가 계속 진전되어 초고층 건물들이 경쟁적으로 건설되고 있다.
초고층 건물의 건축과 더불어 위험성 증대라는 부정적 관점이 부각되어 대규모 재난에 대처하기 위한 성능위주설계법의 도입이 필요하여 2011년 7월 1일부터 특정대상물에 대해 성능위주설계가 의무적으로 시행토록 되었다.
성능위주설계가 2011년7월1일부터 시행된 이래 약 2년이 지난 상황이지만 다양한 문제점들이 발생되고 있다. 그리고 국내의 성능위주설계 관련 연구에서도 소방시스템과 연관지어 부분적으로 진행된 연구에 그치고 있어 성능위주설계의 전반적인 문제점에 대한 개선방안을 제시하지는 못하고 있는 실정이다. 이에 본 연구에서는 성능위주설계 과정에서 특히 문제가 되는 제연시스템 관련 상세 연구를 통해 초고층 건물의 제연시스템 설계에서 필요한 network based 제연설계 프로그램 개발, 실험을 통한 방화문의 각속도에 따른 폐쇄력 분석, 초고층 건물 화재시 연돌효과의 영향 저감을 위한 승강로가압 시스템의 기술적 개선방안 등을 제시하였다.
이러한 다양한 문제들의 해결방안을 본 연구에서 상세히 제시하기는 현실적으로 어려운 상황이므로 일부는 간략하게 요구되는 개선방향을 제시하였고, 제연설비 관련으로는 건물 전체에 대해 network based 제연시스템 설계를 할 수 있는 경제적인 프로그램 개발에 대한 결과를 제시하였으며, 방화문 개방과 관련하여서는 각속도에 따른 폐쇄력 분석 결과를 제시하여 피난시 사용상 문제점을 제거토록 하였고, 건물의 승강로 및 계단실 등 수직샤프트를 통한 연돌효과의 영향을 CONTAMW 3.0.1.1를 이용하여 시뮬레이션 분석 결과를 통해 연돌효과 저감 방안을 제시하였다. 상세연구의 결론을 요약하면 다음과 같다.
(1) network based 제연시스템 프로그램(CAU_ESCAP) 개발
본 연구를 통해 개발된 netwok based 제연 프로그램인 CAU_ESCAP는 각 노드간의 에너지 이동과 함께 화재를 시뮬레이션 할 수 있다. CAU_ESCAP은 건물내 연기이동을 분석함으로 이전의 프로그램인 ASCOS 와 COSMO에 의해 검증되었으며 경제적인 것으로 판명되었다.
(2) 방화문의 각속도 변화와 폐쇄 조건 분석
방화문의 크기와 폐쇄력의 관계를 분석한 결과 동일한 각속도와 차압에 대하여 방화문의 크기가 증가할수록 단위면적당 받는 힘의 증가로 최대 폐쇄력이 약 20 % 증가하였다. 임계각속도 이전에는 각속도의 크기에 비례하여 최대 폐쇄력이 증가하였지만 임계각속도 이상에서는 부속실의 차압 증가와 독립적으로 댐퍼의 작동 성능에 따라서 최대 폐쇄력이 일정하게 유지되는 것으로 판단된다. 이러한 결과는 제연시 스템을 설계하기 위한 실험 자료 구축에 활용이 가능할 것으로 판단된다.
(3) 승강로 가압의 적용 및 연돌효과 저감방안 연구
IBC에서 요구되는 승강로 가압에서의 차압범위인 25Pa-62Pa중 상부한계는 가압만으로는 그 범위를 넘어 만족시키기 어렵다. 따라서 설계관점에서 추가해야 할 사항은 승강기가 호출될 수 있는 층으로부터 외기로의 개방 경로를 요구하는 것일 것이다. 이러한 해결방법은 자동 개방형 루버나 자동문으로 시스템이 작동되는 개구부를 만드는 것으로 달성될 수 있다.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

According to the tendency of ultra-modernization, ultra-high rise building, underground construction, and complex functionization of buildings, the vulnerability of human being to be exposed to the consequencies or risk from environment seems gradually increasing. Especially ultra-high rise buildings are competitively built by the progress of the congestion in large cities due to the state of art technology for construction and the quality enhancement of building materials.
Because problems of increasing risk is highlighted in the course of construction of ultra-high rise building, the researchers are focused to reduce the risk by responding to a large scale disasters through performance based design. This is why the regulation for the performance based design on 2011.07.01 has been made to support the procedure.
Although two years are lapsed since the commencement of PBD in Korea , there are various problems in the implementation of the procedure in technical aspect. In this aspects this study focuses on enhancing the quality of the performance based design such as development of network base smoke control system program, analysis of door closing force based on variation of angle velocity and improvement of pressurization method of vertical shafts to be affected by stack effect.
Additional specific studies related to smoke control system are summarized as below.
(1) Development of network based smoke control program :
A new network-based smoke control program, CAU_ESCAP, which is able to simulate a fire with energy transfer between each node has been developed in this study. CAU_ESCAP has been validated with previous programs, ASCOS and COSMO by analyzing the smoke movement in the building and found economical than previously developed program.
(2) Analysis of the effect of angular velocity of fire door and on the closing force :
As a result of analysis on the relation between size of fire door and closing force, it is found that, when angular velocity and differential pressure are identical, maximum closing force has been increased about 20% . In the regions prior to the critical angular velocity, maximum closing force has been increased in proportional to the angular velocity. However in the region above critical angular velocity, maximum closing force has been maintained as fixed, regardless of the increase of differential pressure of vestibule.
(3) Study for hoistway pressurization and How to reduce stack effect :
With regard to the range of differential pressure, 25Pa - 62Pa, which is required by IBC, it is difficult to satisfy the upper range(62Pa) only by the pressurization. Hence the additional consideration in providing an opening route to outdoor at the elevator call-up floors such as refuge floor, top floor and ground floor is required. It would be achieved by provision of auto-opening rouver or auto-door system.

목차 (Table of Contents)

• 제1장 서론 1
• 1.1 연구의 배경 및 목적 1
• 1.2 연구의 범위 및 방법 2
• 1.2.1 연구의 범위 2
• 1.2.2 연구 방법 5
• 1.3 국내 외 연구현황 7
• 1.3.1 국내 연구현황 7
• 1.3.2 국외 연구현황 9
• 제2장 초고층건물 성능위주설계의 절차 및 이론적 배경 13
• 2.1 초고층건물 성능위주설계의 필요성 13
• 2.2 성능위주설계 절차 15
• 2.3 초고층건물의 화재시나리오 개발 16
• 2.4 설계화재의 개발 17
• 2.5 시험설계의 선정 20
• 2.6 화재시뮬레이션 21
• 2.6.1 FDS에 의한 분석 21
• 2.7 피난시뮬레이션 28
• 2.7.1 Simulex에 의한 분석 28
• 2.7.2 building Exodus에 의한 분석 31
• 2.7.3 Pathfinder에 의한 분석 35
• 제3장 성능위주설계의 문제점 분석 및 피난안전성 확보를 위한 연구주제 선정 40
• 3.1 성능위주설계 실행 과정상의 문제점 40
• 3.1.1 화재시나리오 선정 40
• 3.1.2 스프링클러 작동 시나리오 41
• 3.1.3 제연설비 작동 시나리오 43
• 3.1.4 방화문 개방 및 폐쇄 시나리오 45
• 3.1.5 사용 프로그램의 신뢰성 47
• 3.2 피난안전성 확보를 위한 연구주제 선정 60
• 제4장 성능위주설계의 질적 향상을 위한 제연시스템 관련 연구 64
• 4.1 제연설비 신뢰성 확보 위한 network-based 프로그램 개발 64
• 4.1.1 연구의 필요성 64
• 4.1.2 CAU_ESCAP의 이론적 배경 65
• 4.1.3 CAU_ESCAP의 수치 알고리즘 68
• 4.1.4 CAU_ESCAP의 검증 71
• 4.1.5 결과 및 고찰 78
• 4.1.6 방연풍속 측정 실험 84
• 4.1.7 연구의 소결 90
• 4.2 방화문의 각속도 변화와 폐쇄 조건 분석 91
• 4.2.1 연구의 필요성 91
• 4.2.2 본 론 94
• 4.2.3 연구의 소결 100
• 4.3 승강로 가압의 적용 및 연돌효과 저감방안 연구 101
• 4.3.1 연돌효과 저감방안 101
• 4.3.2 승강로 가압에 의한 피난용승강기의 방호 107
• 제5장 결론 125
• 참고문헌 129
• 국문초록 136
• Abstract 138