아파트 火災時 外壁開口部와 발코니 形狀에 따른 延燒性狀의 評價

Abstract

주거양식의 변화에 따라 공동주택의 건립과 주상복합빌딩의 보급이 늘어나고 있으며, 그 규모는 고층화되어 가고 있다. 이러한 건물에서 화재가 출화되면 화재의 양상도 매우 복잡하고 피해 또한 매우 클 것으로 예상된다. 주거밀도가 높고 재실자의 피난과 소방관계자의 소방활동에 제한을 받는 고층 공동주택의 화재는 주거시설의 화재중 가장 위험한 것으로 판단된다. 단실에서 화재가 출화하여 성장함에 따라 외벽 개구부를 통하여 상부층으로의 연소(延燒)도 우려되는데, 외벽 개구부를 통한 연소(延燒)확대의 저지를 위한 규범적인 제한이 현행 법규에서는 잘 갖추어지지 않고 있다. 외벽 개구부를 통한 연소(延燒)확대의 저지는 재실자의 피난시간을 확보함과 동시에 상부층과 인접건물로의 연소(延燒)과정을 제어할 수 있는 시간을 확보해 주는 것으로, 본 논문에서는 모델실험과 현장실험 그리고 전산유체해석(CFD, Computational Fluid Dynamics)을 통하여 연소(延燒)확대 메카니즘을 살펴보고, 연소(延燒)저지를 위한 적절한 방안을 제시함과 동시에 성능기준 설계로의 대안을 모색한다. 제1장에서는 연구의 배경 및 필요성에 대하여 서술하고, 국내법에서 규정하고 있는 상층 연소(延燒)방지 관련 규정을 살펴보고 아울러 외국의 관련법규를 고찰한다. 또한 본장에서는 본 연구와 관련한 목적을 기술하며, 연구의 범위 및 방법을 결정한다. 제2장에서는 상층부 화재연소(延燒)방지를 위한 기존의 연구를 고찰하고, 화재실의 화재성상 즉 화재하중, 연소속도, 화염높이 등에 대하여 살펴보고, 연소(延燒)확대 현상과 그 화재성상에 대한 이론적 배경을 알아 본다. 아울러 개구부 분출화염에 대한 이론적 고찰을 행한다. 제3장에서는 1/4.5 축소모델을 통하여 에너지 방출량의 변화와 발코니 유무에 따른 변수의 조합으로 화재실 상부층으로의 연소(延燒)성상을 알아보고, 축소실험이 가지는 한계성과 그 적용성에 대하여 알아본다. 제4장에서는 실물모델 실험을 행하여 외벽 개구부 조건에 따른 화염의 분출성상을 알아보고, 또 발코니 길이의 변화에 의해 수직연소(延燒)를 방지할 수 있음을 고찰하고, 화재실 상부층에 나타나는 온도의 성상과 복사열의 강도 등을 고려하여 상층부 연소(延燒)방지를 위한 적정한 발코니의 길이를 파악한다. 제5장에서는 실제 아파트를 대상으로 발코니가 화재시 어떠한 역할을 하는지 검증하고자 하며, 발코니 확장시 즉 발코니가 없을 때와 발코니가 기존의 건물에 존치되어 있을 때의 두가지 경우에 대한 실험을 수행하여 화재시 상부연소성(延燒性에) 대한 문제점을 도출하고 그 해결방안을 찾아보고자 한다. 제6장에서는 수치해석에 대한 기본개념인 난류모델 시뮬레이션 모델에 대하여 알아본다. 미국 NIST (National Institute of Standards and Technology)가 개발하여 보편적으로 활용되고 있는 전산유체해석 도구를 사용하여 전산유체해석과 실물모델 실험에 의한 결과를 상호 비교하여 전산유체해석 적용에 대한 타당성을 검증한다. 또한 바람의 영향 등 외부영향에 따른 연소(延燒)성능을 판단할 수 있는 시뮬레이션을 행하여 화재모델(fire model)을 구현하고 결과를 분석, 도출하는 일련의 방법을 제시한다. 제7장은 결론으로서 현장실험, 실물모델실험과 CFD에서 행한 결과를 분석하였고, 아파트 화재시 연소(延燒)방지시설이 화재역학에 미치는 영향이 매우 큼을 인식하고, 그에 따른 제도적인 뒷받침을 이끌어 내고자 하였으며, 다음과 같은 결론을 얻었다. 1) 외벽개구부의 다양한 형태의 개방에 의한 화염의 분출성상에 대한 실험 결과, 수평으로 길게 개구부(1ㆍ2ㆍ3번 개구부)를 개방한 화재일 때의 화재실 상부층 온도는 856.6℃, 854℃, 826.7℃를 나타내는 등 온도측정점인 외벽의 대다수 장소에서 매우 높은 온도분포를 보여 화재실 상부층의 연소(延燒)위험성은 매우 큰 것으로 나타났다. 따라서 상부 연소성(延燒性)을 제어하는 발코니 등을 설치하지 않은 커튼월 같은 건축적인 수법은 방재학적으로 매우 위험하다 하겠다. 2) 공동주택을 모사한 실물모델실 외벽의 발코니 길이를 각각 0.15m의 간격으로 증가시킬 때, 화재실 직상부층의 외벽면 온도가 최고 708.4℃(B.L.=0m)에서 118.8℃(B.L.=0.9m)까지 낮아졌다. 이와 같이 적정한 길이를 갖는 발코니의 설치는 외벽의 온도를 저하시켜 상부층으로 전파되는 화재 연소성(延燒性)을 제어할 수 있음을 알 수 있었으며, 본 연구는 연소(延燒) 성상을 이해하는 적절한 기초자료로 활용될 수 있다. 3) 아파트 화재시 수직 연소(延燒)를 방지할 수 있는 적절한 수평부재의 길이는 복사열유속과 온도를 고려하면 0.7m이상으로 설정하는 것이 타당하다. 복사열유속과 착화시간의 상관성에서 고려할 때 재료의 특성에 따른 차이가 있겠지만 착화가 용이한 울카펫(wool carpet)으로 한정하면, 복사열유속이 20 kW/㎡ 이상이면서 그 지속시간이 70초에 근접하여 착화가 가능하게 되는 길이는 그림 4.35에 의해 L=0.6m가 되므로, 최소한 그 이상이 되어야 연소(延燒)현상을 제어할 수 있게 되기 때문이다. 4) 현행 법규에는 수직 연소(延燒)에 대하여만 강행규정으로 정하고 있으나 수평적 화재연소(延燒)도 충분히 고려하여야 되므로 이에 대한 제도적인 규정이 있어야 한다고 사료된다. 또한 이러한 연소(延燒)방지를 위하여 설치하는 수직/ 수평부재의 길이에 상호연관성을 두어, 수직부재를 많이 설치하면 수평부재 길이를 줄여 주는 등의 융통성을 고려한다. 5) CFD에 의한 값과 실험값을 상호 비교하여 검증을 하였고, 그 실험값과 CFD 해석값이 매우 근사함을 알았다. 화재현상은 동일하게 반복해서 재현하기가 곤란하므로 컴퓨터를 이용하여 화재모델을 구현하고 결과를 분석, 도출하는 일련의 방법을 사용하고, 이를 통하여 규범기준의 한계를 탈피하여 성능기준 설계로 지향해야 한다.; With the changes of styles of residences, construction of apartments and distribution of commercial-residential buildings are increasing, while they are inclined to being skyscrapers. In the event that a fire starts in these kinds of buildings, the fire behaviour will be very complex and it is expected that its damages will also be vast. It is assumed that skyscraper apartments will be in most danger due to its high residential density and limitations on evacuation and fire fighting activities. Fires that start within a compartment can grow and spread to upper levels by passing through openings on the outer walls, but standard restrictions for preventing fire spread through openings on the outer walls are not well equipped in current laws. Preventing fiire spread through outer walls can ensure time to evacuate and also time to control the spread of fire to upper levels and surrounding buildings. Thus, this study examines the fire spreading mechanism through on-site experiments, mock-up model tests, scale model tests and Computational Fluid Dynamics, and presents appropriate schemes to prevent the spread of fire, while searching for an alternative to performance standard designs. Chapter 1 describes the background and need for research, examines the regulations for preventing fire spread to upper levels as defined in domestic laws, while studying the related laws in foreign countries. Furthermore, this chapter explains the objectives related to this study and also determines the range and methods for research. Chapter 2 deals with past studies for preventing fires from spreading to upper levels and also examines the behaviour of the fires in the fire rooms; namely, fire load, burning rate, fire temperature, etc. This also studies the theoretical backgrounds for fire spreading and fire behaviour. In addition, a theoretical observation on the eruptive flames in openings is also performed. Chapter 3 uses a 1/4.5 scale model to examine the spread of fire to upper levels through combinations of variables according to Heat Release Rates changes and whether there are balconies or not. Also, the limitations and applicability of reduced-scale tests are examined. Chapter 4 takes a look at the eruption behaviour of flames according to the conditions of the exteriot wall openings through mock-up model experiments and examines whether vertical fire spread can be prevented by changing the length of the balcony. In addition, the appropriate length of the balcony for preventing fire spread to upper levels taking into account the growth of temperature and raditive heat flux in upper levels of the fire rooms were identified. Chapter 5 verifies the role of balconies during fires in actual apartments and searches to find issues and solutions for fire spreading to upper levels by testing two different cases: when balconies do not exist and when balconies are installed in existing buildings. Chapter 6 examines the turbulence simulation model, which is the basic concept for numeric analysis. Using the Computational Fluid Dynamics tool, which was developed by the US NIST and is typically utilized, the Computational Fluid Dynamics and the results from mock-up model tests were compared to verify the feasibility for applying the computational fluid definition. Furthermore, by performing simulations for assessing the performance of spread of fires due to external factors such as wind, a fire model was created. Chapter 7 is the conclusion and analyzes the results from the on-site tests, mock-up model experiments and CFD, from which we became aware that the fire spreading prevention facilities of apartments had a large affect on fire mechanics. Through this, it was attempted to create a systemized support for this and the following conclusions were made. 1) According to tests results for the eruption behavior of flames by different types of openings in the exterior walls, when it is a fire in which windows (windows 1, 2 and 3) are laid horizontally, the temperature in the upper level of where the fire is was 856.6℃, 854℃, 826.7℃, showing that there were very high temperatures for all measuring points across the outer wall, and representing that there is a very high risk of fires spreading to upper levels. Therefore, construction methods such as curtain walls, which do not have balconies to control fires spreading to upper levels is very dangerous from a prevention aspect of disaster. 2) When the length of balconies on the exterior walls of mock-up models that represent apartment houses were increased in 0.15m increments, the temperature of the outer walls on the directly above levels decreased from a maximum of 708.4℃ (B.L.=0m) to 118.8℃ (B.L.=0.9m). Likewise, installation of balconies with appropriate lengths reduce the temperatures of outside walls and we can confirm that they control fires from spreading to upper levels. Thus, this study can be utilized as suitable base information for understanding the spread of fires. 3) The appropriate length of horizontal sidings to prevent vertical fire spread in apartments should be set at more than 0.7m when taking into consideration the raditive heat flux and the temperature. When taking into account the correlation of the radiative heat flux and ignition time, there may be differences depending on the type of materials. However, when limited to wool carpets that are easily ignited, the radiative heat flux is 20 kW/㎡ or higher and the time that the fire continues is approximately 70 seconds. Thus, the length that can be ignited according to the figure is B.L.=0.6m, and the fire spread can only be controlled if it is at least this much. 4) Current laws only designate enforcement ordinances for vertical fire spread. However, horizontal fire spread must also be sufficiently considered in order, and thus a systematic regulation is needed. In addition, by placing an interrelatedness of the length of vertical/horizontal materials for preventing fire spread, when a large number of vertical materials are installed, the length of horizontal materials decrease. 5) By verification according to test values and CFD, it has become certain that the test values and CFD values were very close. Because it is difficult to repeat fires identically, fire models were made using computers and their results were analyzed. Using the resulting series of methods, the standard limitations must be aim at a performance based design.