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SUMMARY

목차

제1장 서론 16

1.1. 연구개발의 필요성 16

1.1.1. 초고층 건물의 수요 증가 예상 16

1.1.2. 현재 제연 기술 및 규격의 한계 16

1.1.3. 초고층 건축물 화재 특성과 피해 확대 예상 17

1.1.4. 초고층 건물의 최적 제연 시스템 기술 개발 요구. 18

1.1.5. 연구개발의 과학기술, 사회경제적 중요성 19

1.2. 연구개발의 목표 및 내용 23

1.2.1. 연구개발의 최종목표 23

1.2.2. 연차별 연구개발 목표 및 내용 23

제2장 국내·외 기술개발 현황 25

2.1. 국내 기술개발 현황 25

2.1.1. 국내기술동향 25

2.1.2. 국내 기술개발 수준 26

2.1.3. 국내 연구 인프라 수준 27

2.2. 국외 기술개발 현황 27

2.2 1. 국외 기술동향 27

2.2.2. 해외 기술예측 29

2.2.3. 해외 시장동향 30

2.2.4. 시장 예측 31

제3장 연구개발 수행 내용 및 결과 32

3.1. 1차년도 32

3.1.1. 초고층건축물 제연방식선정 및 제연시스템 평가분석 32

3.1.2. 초고층화재 특성연구 34

3.1.3. 실제 피난 실험을 통한 초고층 건축물의 피난특성 연구 40

3.2. 2차년도 43

3.2.1. 초고층 건축물 제연시스템 성능향상 기술 연구개발 43

3.2.2. 가압공기 유동 해석에 의한 송풍량 및 송풍기 배분설계기술 72

3.2.3. 급기댐퍼, 플랩댐퍼 등 주요 장치별 성능 향상 기술 84

3.2.4. 화재 감지기 및 자동제어 Network(방재실 등) 성능 향상 기술 89

3.2.5. 초고층 건축물 화재 피난 연구 90

3.2.6. 제연 시스템 주요 장치별 실증 실험을 위한 실험 모형 구축 95

3.3. 3차년도 105

3.3.1. 실증실험 분석/평가를 통한 제연시스템의 설계기술 및 주요장치별 성능향상기술 보완 105

3.3.2. 건축 구조적 적용을 위한 효과적 방안제시 116

3.3.3. 제연시스템 표준설계기준 및 규격서 개발 127

3.3.4. 표준설계 평가프로그램 개발 139

참고문헌 153

별도첨부자료 156

별첨 1. 제연설비 국내 법규현황 158

별첨 2. 제연설비 국외 법규현황 183

별첨 3. 제연댐퍼 관련 규정현황 194

별첨 4. 국내외 피난관련 법규 및 코드 201

별첨 5. 제연설비의 화재안전기준(NFSC 501) - 『제15조 피난안전구역 내 제연시스템의 설계기준』의 추가규정을 제안 - 210

별첨 6. 제연설비의 화재안전기준 해설 - 『제15조 피난안전구역 내 제연시스템의 설계기준』의 추가규정 관련내용 - 219

별첨 7. 제연해석프로그램(CAU_ESCAP)의 해석 기법 매뉴얼 223

1. 개요 225

2. 수행절차 225

3. 화재시나리오의 선정 225

4. 입력조건 설정 226

5. 제연해석 프로그램(CAU_ESCAP) 228

5.1. 이론적 배경 228

5.2. 해석 처리과정 229

6. 시뮬레이션 결과 232

7. 보고서 작성 233

별첨 8. 초고층 건축물 제연시스템 설계 가이드라인 234

1. 일반 사항 236

1.1. 목적 236

1.2. 적용범위 236

2. 제연시스템의 정의 237

2.1. 제연방식의 선정 237

2.2. 제연구역의 선정 238

3. 초고층 건축물 제연시스템 설계 239

3.1. 제연시스템 작동조건 239

3.2. 제연시스템 설계 및 평가 매뉴얼 239

연구결과 활용계획서 240

자체평가 의견서 250

참여기업 의견서 259

성과현황 및 성과증빙자료 262

1) 초고층 건물의 제연시스템에 영향을 미치는 연돌효과 연구[원문불량] 283

2) 연기발생으로 인한 시야장애가 초고층 공동주택 거주자의 피난계단실 진입시간과 피난경로에 미치는 영향 284

3) 피난실험을 통해 본 초고층 공동주택 거주자의 피난행동 및 반응에 관한 연구 285

4) 지하공간 내 열감지기 성능에 따른 피난특성 연구 288

5) Characteristic features of the awareness on evacuation safety in high-rise apartment buildings by age and gender 289

6) Analysis on How Resident's Evacuation Speed Changes in a High-rise Apartment Building through Field Experiment 290

7) 초고층 건물의 제연영향요소에 따른 수직피난공간 압력분포 시뮬레이션 291

8) ANALYSIS ON OCCUPANTS' ESCAPE SPEED AND REASON OF BOTTLE-NECK OCCURRENCE THROUGH THE TRIAL EVACUATION EXPERIMENT AT A HIGH-RISE APARTMENT HOUSING 292

9) 시뮬레이션을 활용한 초고층 공동주택의 피난 모델링 : 현장 피난실험의 결과와 비교하여 293

10) 초고층 건축물의 수직적 피난방향에 따른 피난군집의 층간이동시간 및 보행속도 비교 294

11) 초고층 건축물의 피난 시뮬레이션 실행을 위한 피난자의 계단이동방향별 보행속도 보정계수 산정 295

12) 피난전용승강기를 이용한 초고층 건축물의 피난전략 296

13) Analysis of a Change in Upward Escape Walking Speed in a High-rise Building under Fire Condition 297

14) 초고층 건축물의 제연설비기준 개선방안 300

15) 초고층 건물 제연설비 개선방안에 대한 시뮬레이션 연구 301

16) 피난용 엘리베이터를 포함한 초고층 건축물 전용 피난 시뮬레이터 개발방안 304

17) 초고층 건물의 제연설비 개선방안 305

18) 초고층 건축물 제연 시스템 개발 306

19) 고층 아파트의 특별피난계단 방화문 관리실태 조사를 통한 피난안전성 향상방안에 관한 연구 307

20) 객차내 화재시 화재성장이 피난 특성에 미치는 영향에 관한 연구 308

21) 풍도 내 유동 교란과 자동차압 댐퍼의 성능 특성 기초 연구 310

22) 엘리베이터 이용을 고려한 초고층 건축물 전용 피난 시뮬레이터 개발방안 311

23) Predicting a Probability of Evacuation Congestion Occurrence relating to Elapsed Time and Vertical Section in a High-rise Building 312

24) Calculating and Verifying the Staircase-length for Evacuation Analysis 313

25) 초고층 건축물의 피난시간 결정인자에 대한 민감도 분석 316

26) 고층 아파트 재실자의 수직적 이동방향별 피난행동에 관한 통계적 해석연구 319

27) 재실자의 신체적 조건에 따른 초고층 건축물 피난시간의 통계적 해석 322

28) Enthalpy Equation을 이용한 고층 건물의 제연해석 323

29) 초고층 건축물의 개구부 개폐여부에 따른 연기확산 예측 및 연돌효과 저감방안 324

30) 웹 기반의 확률론적 시뮬레이션 모델을 활용한 피난계단 이동시간 추정기법 개발에 관한 연구 325

31) 초고층 화재시 연돌효과가 샤프트 내 연기유동에 미치는 영향에 대한 수치해석연구 326

32) Smoke Control in High-rise Building Considering with the Enthalpy Equation 327

33) Analysis of Stack Effect considering Methods of Smoke Control in a High-rise Building 328

34) Evacuation Dynamics in the Elevator: How Much Time Is Delayed with Occurrence of the Visibility Decline? 329

35) 피난용 엘리베이터의 유동계수 산정을 통한 피난 소요시간 산출 모델 개발 330

36) Air tightness measurement with transient methods using sudden expansion from a compressed chamber 331

37) 제연 설비 구축을 위한 누설 면적 측정 방법 및 시스템(국내특허 출원) 332

38) 에너지전달을 고려한 제연해석프로그램(CAU_ESCAP) 333

39) 제연 설비 구축을 위한 누설면적 측정 방법 및 시스템 (국제특허 출원 준비중) 334

보고서 배포결과 336

표 1.1. 초고층 건물 신축 예정 및 내역 16

표 1.2. 층수에 따른 방재 시스템 17

표 1.3. 연차별 연구개발 내용 및 범위 23

표 2.1. 연기거동 예측 및 연기제어 기술개발 업체 현황 25

표 2.2. 연기거동 예측 및 연기제어 기술개발 국내 전문가 및 연구기관 25

표 2.3. 국내 연기제어 관련 제·배연기준 26

표 2.4. 국내 연구 인프라 수준 27

표 2.5. 연기 제어시스템의 설계방안 28

표 2.6. 연기거동 예측 및 제어기술 29

표 2.7. 초고층 복합빌딩의 연기제어시스템 설치현황 31

표 3.1. 초기 입력 조건 36

표 3.2. 입력 조건 37

표 3.3. 초고층 건축물 화재시나리오 47

표 3.4. 노드 간 누설면적 및 해석 조건 48

표 3.5. 화재시나리오 및 출입문 개폐 조건에 따른 송풍량 58

표 3.6. 대상건물의 도면 및 해석 조건 59

표 3.7. 피난안전구역과 건물간의 차압(Pa) 59

표 3.8. 제연량 해석에 의한 건물 내 온도분포(℃) 60

표 3.9. 각 구역 간 공기의 유동량(liter/sec) 60

표 3.10. 대상건물에 대한 시뮬레이션 외기 조건 61

표 3.11. 시뮬레이션 설정 조건 62

표 3.12. 시뮬레이션 분석조건 개요 63

표 3.13. 시뮬레이션 1 층별 신선외기 급기량 64

표 3.14. 시뮬레이션 2 재료 별 제연용량 65

표 3.15. 시뮬레이션 5 제연용량 68

표 3.16. 개선방안 시뮬레이션 입력조건 69

표 3.17. 개선방안 시뮬레이션의 제연용량 개요 70

표 3.18. Case 1 : 계단실 문 밀폐 시 부속실의 연기 거동 분석 74

표 3.19. Case 2 : 계단실 문 개방 시 부속실의 연기 거동 분석 74

표 3.20. 엘리베이터 작동 시 유동 해석조건 83

표 3.21. 압력 측정 결과 86

표 3.22. 현장실험과 시뮬레이션 실험 간의 입력조건 비교 (1) 91

표 3.23. 현장실험과 시뮬레이션 실험 간의 입력조건 비교 (2) 91

표 3.24. 현장실험과 BuildingEXODUS의 입력값 비교 92

표 3.25. 현장실험과 고·중·저층부 피난군집의 PET 93

표 3.26. buildingEXODUS의 고·중·저층부 피난군집의 PET 93

표 3.27. 모형실험장치의 평가항목 96

표 3.28. 성능시험 분석 데이터에 의한 주요장치별 개선안 104

표 3.29. 해석 모델 조건 109

표 3.30. 송풍 유량에 따른 댐퍼 위치별 압력에 대한 실험값과 해석값 비교 112

표 3.31. 대피공간의 예 121

표 3.32. Boundary Conditions 133

표 3.33. 각 노드 간 누설면적 138

표 3.34. 해석 조건 138

표 3.35. CASE별 방연풍속 139

표 3.36. Initial conditions of each simulation cases 143

표 3.37. 각 실간 누설면적 149

표 3.38. 경우에 따른 댐퍼누설면적 및 가압방식 149

그림 2.1. CFD기반 연기확산 해석 27

그림 3.1. 댐퍼 성능 실험 장치 개략도 33

그림 3.2. 댐퍼 성능 실험 장치 33

그림 3.3. 프로토타입 송풍 덕트의 사진 34

그림 3.4. 프로그램 순서도 36

그림 3.5. 건물 구조도 36

그림 3.6. floor와 엘리베이터 실 사이의 연기 유량 37

그림 3.7. 연기전파 흐름도 37

그림 3.8. 엘리베이터 구조물 내부 압력 분포 39

그림 3.9. 각 시간대의 층별 압력 분포 39

그림 3.10. 엘리베이터 구조물 내부 압력 분포 39

그림 3.11. 각 시간대의 층별 압력 분포 39

그림 3.12. 피난 실험 41

그림 3.13. 연기가 발생한 상황 41

그림 3.14. 남자 피실험자의 상황별 피난속도 (15명) 41

그림 3.15. 각 노드에 적용되는 유동의 종류 44

그림 3.16. 해석에 적용된 건축물의 구조 48

그림 3.17. 부속실 유입/출 유량 및 실간 차압(case 1, Fire Scenario 1) 49

그림 3.18. 부속실 유입/출 유량 및 실간 차압(case 2, Fire Scenario 1) 50

그림 3.19. 부속실 유입/출 유량 및 실간 차압(case 3, Fire Scenario 1) 51

그림 3.20. 부속실 유입/출 유량 및 실간 차압(case 4, Fire Scenario 1) 51

그림 3.21. 송풍량 추가시 부속실 유입/출 유량 및 실간 차압(case 4, Fire Scenario 1) 52

그림 3.22. 부속실 유입/출 유량 및 실간 차압(case 1, Fire Scenario 2〈20층〉) 53

그림 3.23. 부속실 유입/출 유량 및 실간 차압(case 2, Fire Scenario 2〈20층〉) 53

그림 3.24. 부속실 유입/출 유량 및 실간 차압(case 3, Fire Scenario 2〈20층〉) 53

그림 3.25. 부속실 유입/출 유량 및 실간 차압(case 4, Fire Scenario 2〈20층〉) 54

그림 3.26. 부속실 유입/출 유량 및 실간 차압(case 1, Fire Scenario 2〈21층〉) 54

그림 3.27. 부속실 유입/출 유량 및 실간 차압(case 2, Fire Scenario 2〈21층〉) 55

그림 3.28. 부속실 유입/출 유량 및 실간 차압(case 3, Fire Scenario 2〈21층〉) 55

그림 3.29. 부속실 유입/출 유량 및 실간 차압(case 4, Fire Scenario 2〈21층〉) 55

그림 3.30. 부속실 유입/출 유량 및 실간 차압(case 1, Fire Scenario 3) 56

그림 3.31. 부속실 유입/출 유량 및 실간 차압(case 2, Fire Scenario 3) 56

그림 3.32. 부속실 유입/출 유량 및 실간 차압(case 3, Fire Scenario 3) 57

그림 3.33. 부속실 유입/출 유량 및 실간 차압(case 4, Fire Scenario 3) 57

그림 3.34. 시뮬레이션 기준 평면 62

그림 3.35. 시뮬레이션 기준 평면의 코어형태 62

그림 3.36. 시뮬레이션 1 실별 압력분포 64

그림 3.37. 시뮬레이션 2 재료별 외벽 차압분포 64

그림 3.38. 배연방식별 옥내공간 압력분포 65

그림 3.39. 배연방식별 계단실 압력분포 66

그림 3.40. 배연방식별 부속실 압력분포 66

그림 3.41. 배연방식별 제연용량 비교 66

그림 3.42. 실별압력분포(100m) 67

그림 3.43. 실별압력분포(200m) 67

그림 3.44. 실별압력분포(300m) 67

그림 3.45. 실별압력분포(500m) 67

그림 3.46. 시뮬레이션 5 실별 압력분포 68

그림 3.47. 개선방안 시뮬레이션 제연용량 70

그림 3.48. 개선방안 시뮬레이션의 피난문 차압분포 71

그림 3.49. Geometry 73

그림 3.50. Grid System 73

그림 3.51. Smoke mass fraction (contour) 75

그림 3.52. Smoke mass fraction (y축 단면) 75

그림 3.53. Smoke mass fraction (z축 단면) 76

그림 3.54. Pathline 76

그림 3.55. Vector 76

그림 3.56. Velocity (y축 단면) 77

그림 3.57. Smoke mass fraction (contour) 78

그림 3.58. Smoke mass fraction (y축 단면) 78

그림 3.59. Smoke mass fraction (z축 단면) 79

그림 3.60. Pathline 80

그림 3.61. Vector 80

그림 3.62. Velocity (y축 단면) 80

그림 3.63. 실험 개략도 및 실험 장치 81

그림 3.64. 각 층에서 측정한 압력 변화 82

그림 3.65. 형상 단면도 82

그림 3.66. 3차원 격자 82

그림 3.67. 엘리베이터 유동시 승강로 내부의 압력 변화 83

그림 3.68. 실험 data와 simulation 결과 비교 83

그림 3.69. 다중 옥내에 대한 차압 측정 방법 86

그림 3.70. 거실 및 부속공간의 압력관 결선에 해당하는 등가 저항 회로 87

그림 3.71. 댐퍼 작동 시간 88

그림 3.72. 대상 건축물의 피난동선 (평면과 단면) 90

그림 3.73. CCTV에 기록된 재실자들의 피난행동 91

그림 3.74. 시간경과에 따른 누적 피난자수 (현장피난실험 vs. Simulex vs. buildingEXODUS) 92

그림 3.75. 동일층 출발자들의 층간이동 평균 소요시간 (현장실험 vs. buildingEXODUS) 94

그림 3.76. 연기발생에 의한 계단실 오염과 재실자의 피난행동 측정실험 95

그림 3.77. 댐퍼 성능 평가 실험 장치 96

그림 3.78. 덕트 내부 압력 변화와 차압에 따른 댐퍼 작동 유량 97

그림 3.79. 제연 댐퍼 설치 및 사진 99

그림 3.80. 다양한 출구 형상에 따른 유속 분포 99

그림 3.81. 방연 풍량 및 댐퍼 누설량 100

그림 3.82. 부속실 누설량 측정 장치 102

그림 3.83. 부속실 압력 변화 및 검증 103

그림 3.84. 피난구역 부속실의 제연시스템 성능 평가를 위한 시스템 105

그림 3.85. 모형 실험 장치 개략도 (빗금 영역 : 제어부, Channel, Waterroom, Room : 측정부) 107

그림 3.86. Simulink를 이용한 해석 모델 구축 107

그림 3.87. 자동 차압 댐퍼 작동 여부 및 창문 개방 여부에 따른 1차원적 공기 유동의 개념도 108

그림 3.88. 창문 개방 면적에 따른 방연 풍량을 만족을 위한 (a) 부속실 압력 (b) 송품 유량 변화 109

그림 3.89. 다중 덕트 실험 결과 110

그림 3.90. 자동 댐퍼 작동시 출입문 개방 및 창문 개방여부에 따른 덕트(C), 부속실(W), 옥내(R) 차압 변화 111

그림 3.91. 자동 댐퍼 미작동시 누설 유량에 의한 압력 상승 효과 111

그림 3.92. 옥내 누설 면적 변화(A1＝7.85e-5m2)에 따른 부속실 압력 (W2)의 실험값과 해석값 비교 113

그림 3.93. 송풍덕트와 부속실의 압력차에 따른 송풍 유량의 실험값(2차년도 결과)과 해석값에 대한 비교 114

그림 3.94. 3차년도 댐퍼 성능 평가장치 (a) 개념도 (b) 실제 사진 115

그림 3.95. 유효 누설 면적 측정을 위한 실험 장치 및 개략도 117

그림 3.96. 정상 상태 방법 결과 117

그림 3.97. 과도 상태 방법 결과 118

그림 3.98. (a) 정상 상태 법과 미분법의 상관관계 (b) 정상 상태 법과 적분법의 상관관계 118

그림 3.99. 계단실 내 휠체어 공간 120

그림 3.100. 대피장소로 사용되는 피난계단 (NEPA 101 Section 7.2) 122

그림 3.101. 접근 가능한 피난로로써의 피난계단(IBC 2006 1007.3) 122

그림 3.102. 대피공간까지의 분리된 보행거리 123

그림 3.103. 접근이 가능한 엘리베이터가 요구되는 경우 125

그림 3.104. 피난시 사용되는 엘리베이터의 종류 126

그림 3.105. Local Elevator 조닝계획(좌)과 Express Elevator 조닝계획(우) 127

그림 3.106. 화염원(좌) 및 화재실 문 누설면적(우)에서의 연기속도 130

그림 3.107. 격자생성(좌) 및 해석조건(우) 131

그림 3.108. 수치해석 결과 131

그림 3.109. Geometry 133

그림 3.110. Grid system 133

그림 3.111. 유량에 따른 Smoke의 Mass Fraction 134

그림 3.112. 유량에 따른 Smoke의 Mass Fraction 134

그림 3.113. 유량에 따른 Smoke의 Mass Fraction 135

그림 3.114. 화재실 문 위치와 그 위치에서의 송풍량에 따른 차압 비교 136

그림 3.115. 해석대상의 형상 137

그림 3.116. CASE별 smoke의 유동 해석결과 139

그림 3.117. CAU_ESCAP의 해석 구성도 141

그림 3.118. 해석 대상건물의 개략도 및 이론식의 적용방법 144

그림 3.119. Pressure difference between building and stair or outside for case1 144

그림 3.120. Pressure difference between building and stair or outside for case2 and case 3 calculated by ASCOS. 145

그림 3.121. Pressure difference between building and stair or outside for case 2 & 3 calculated by CAU_ESCAP. 146

그림 3.122. Temperature distributions for case 3 calculated by CAU_ESCAP. 147

그림 3.123. 제연해석 대상 건물의 개략도 148

그림 3.124. 제연댐퍼의 누설면적에 따른 건축물 내 차압분포 150

그림 3.125. 제연시스템의 가압방식에 따른 건축물 내 차압분포 151

그림 3.126. 초고층 건축물 내 제연설비의 표준설계 평가매뉴얼 152

I. 연구제목

초고층 건축물 제연시스템 개발

II. 연구목적

1. 초고층 건축물의 수요가 증가하는 추세임.

2. 현재 제연 기술 및 규격 적용 시 적정 제연기능을 발휘가 부적합함.

3. 초고층건축물 화재특성으로 인한 대규모 인명 및 재산피해가 예상됨.

4. 초고층 화재, 피난 시나리오와 연계된 최적의 제연시스템 기술개발 필요

III. 연구내용

1. 1차년도(2008.07.01. - 2009.06.30.)

가. 제연방식 선정 및 제연시스템 분석/평가

나. 초고충 건축물 화재시나리오 구축

다. 초고충 피난/구조 시나리오 구축

2. 2차년도(2009.07.01. - 2010.06.30.)

가. 초고층 건축물 제연시스템 성능향상기술 연구개발

나. 제연시스템 주요 장치별 실증실험을 위한 모형구축

3. 3차년도(2010.07.01. - 2011.06.30.)

가. 실증실험 분석평가를 통한 제연시스템의 설계기술 및 주요장치별 성능향상기술 보완

나. 제연시스템의 표준설계기준 개발 및 표준설계평가프로그램

IV. 주요 연구성과

1. 에너지전달을 고려한 제연해석프로그램(CAU_ESCAP)개발

2. 제연설비구축을 위한 누설면적 측정방법 및 시스템 개발

3. "피난안전구역 제연시스템의 설비기준" 제시