1. 서 론
현대 사회는 도시에 인구가 집중되면서 건축물이 점차 대형화되는 추세이다. 특히 건물과 건물, 또는 건물과 지하 역사 등을 잇는 대형 인프라가 지속적으로 증가하고 있으며, 이는 생활에 큰 편리함을 제공한다. 그러나 화재의 측면으로 보았을 때 이러한 건축물은 많은 재실자가 동시에 이용하게 되면서 불가피하게 대형 군집을 형성하게 된다는 점, 지하 통로나 긴 복도형 공간에서는 연기가 외부로 배출되지 않고 수평 방향으로 빠르게 확산된다는 점 등 화재 시 연기에 의한 대형 피해에 대한 우려가 편리함과 함께 공존한다. 이러한 위험성을 해소하기 위해 많은 국가에서는 화재안전설계, 위험성 평가 등을 수행하고 있으며, 특히 연기 확산 특성을 지배하는 천장제트 성상을 정량화하기 위한 연구를 과거에서부터 수행해왔다. 여기서 천장제트란, 화재 시 화원의 상부에서 뿜어져 나오는 열기류인 화재플륨이 천장과 충돌한 후 방사형으로 확산하는 현상을 의미한다.
천장제트에 관한 연구는 대표적으로 Alpert(1)에 의해 수행되었다. Alpert(1)는 비고정형 천장 아래에서 방사형으로 확산되는 천장 제트의 온도와 속도의 수평 분포에 대해 정량화를 시도하였으며, 천장높이와 열방출률의 함수로서 유용한 상관관계를 제안하였다. Heskestad(2)는 시간에 따라 열 방출률이 증가하는 화원에서 발생하는 천장 제트의 연소 생성에 대한 온도, 속도 및 농도에 대해 분석하였으며, 일련의 이론적 관계를 제안하였다. 또한 Heskestad와 Delichatsios(3)는 천장제트의 최대 온도와 속도에 대한 무차원 상관관계를 제안하였다. 그러나 이러한 연구는 주벽의 영향을 무시한 상태로 진행되었기 때문에 통로나 복도와 같은 공간에서 발생되는 천장제트의 특성과 다른 유동 특성을 갖는다. 이에 Motevalli와 Marks(4), Li 등(5)의 연구자는 Alpert(1)의 이론을 확장하여 기하학적 형상이 복도와 유사한 공간을 흐르는 천장제트의 특성을 분석하기 위해 이론적 해법을 제시하였다. 이후 Oka와 Oka(6)는 Li 등(5)의 이론을 확장하여 도로터널을 흐르는 천장제트의 성상을 정량화하기 위한 연구를 수행하여 경험식을 제시하였다. 국내에서는 Park(7)에 의해 경사진 천장 아래를 흐르는 천장제트의 온도 특성에 대한 정량적 연구가 수행되었으며, Kim 등(8)에 의해 복도형 공간을 흐르는 천장제트의 온도를 규명하기 위한 연구가 수행되었지만, 여전히 국내에는 천장제트의 속도를 정량화 하기 위한 연구 사례는 없다. 특히 여러 연구자에 의해 벽의 영향이 있는 공간에서의 천장제트 성상을 규명하고자 하는 연구가 발전되었으나, 대부분 도로 터널을 대상으로 하고 있어 최근 증가되고 있는 대형 건축물의 통로 및 복도와 같은 공간에서는 검토되어진 바가 없다. 따라서 본 연구에서는 건축물 화재 시 피난경로로 사용되는 통로 또는 복도와 같은 공간을 흐르는 천장제트의 속도 특성에 대해 검토하는 것을 목적으로 한다. 단, 본 연구는 Kim 등(8)의 건축물 복도공간에서의 천장제트 온도 특성 분석 연구의 후속 연구로서 속도에 관해서만 논의하는 것으로 한다. 따라서 실대형 복도 공간의 천장제트 온도 측정 실험에 관한 자세한 내용은 Kim 등(8)의 논문을 참고하는 것으로 하고, 여기서는 속도를 정량화하기 위한 방법론에만 집중하는 것으로 한다.
2. 복도 공간 속도 특성 분석을 위한 이론
2.1 개요
복도 또는 터널과 같이 천장제트의 흐름이 측벽의 영향을 받는 공간에서는 양쪽 벽의 영향과 공간의 기하학적 형태를 고려해야한다. 이에 Li 등(5)과 Delichatsios(9)는 화재플륨이 천장에 닿아 정체된 후 천장제트가 되어 천장하부를 타고 동심원 방향으로 흐르다가 측벽과 충돌하여 기류가 불안정한 상태를 밀도점프(density jump)라고 가정하였으며, 이와 같은 특성을 천장제트의 흐름을 해석하기 위한 하나의 변수로서 반영하였다. 또한 밀도점프가 발생하는 위치를 흐름의 형태가 변환되는 위치인 것으로 가정하였다. 여기서 밀도점프는 유체의 밀도가 급격하게 변화되어 흐름의 특성이 변화한다는 개념이다. 여기서는 난류에서 층류로 변화되는 영역을 뜻한다. 즉, 수평 복도 공간을 흐르는 천장제트의 특성은 영역을 나눈 상태로 해석되어야 한다.
이에 Oka와 Oka(6) 및 Delichatsios(9)는 이러한 형상의 공간을 흐르는 천장제트의 영역을 세 가지로 구분하였으며, 각 영역은 아래와 같이 정의된다(Figure 1).
Delichatsios(9)는 질량 및 에너지 보존법칙을 통해 터널의 Region 3에 대한 천장제트의 온도 특성을 분석하기 위해 이론적 상관관계를 제시하였으며, Li 등(5)은 Alpert의 이론을 확장하여 복도 공간의 천장제트 특성 분석을 위한 기초 이론을 제시하였다. 이후 Oka와 Oka(6)는 Delichatsios(9)의 근사 기법을 Region 1의 운동량 방정식에 적용하고, Li 등(5)의 이론을 적용하여 도로터널 천장제트 성상에 관한 물리 법칙을 분석하였으며, 이를 축소규모 실험과 실대형 터널 실험을 통해 검토하였다.
본 연구에서는 터널 내 천장제트의 속도 특성을 분석하기 위해 도출된 이론식을 활용하여 건축물 복도공간의 천장제트 속도 특성을 분석하고자 하였다. 단, Region 2의 경우 Region 3에 비해 매우 짧은 영역을 포함하고 있기 때문에 천장제트의 속도에 관한 충분한 데이터를 확보하기엔 어려움이 있었다. 따라서, 본 연구에서는 Region 2에 대해서는 이론적인 내용만 서술할 뿐 실험을 통한 자세한 분석은 수행하지는 않는 것으로 한다.
2.2 수평 복도 공간 천장제트 속도에 관한 기초 이론
터널, 복도 등 주벽의 영향을 고려해야하는 수평 공간에서는 천장제트 성상에 대한 보존 방정식을 새롭게 써야한다. 이에 Li 등(5)은 Alpert(1)에 의해 유도된 방정식에 측벽이 있는 복도공간을 상정하는 것을 목적으로, 공간의 기하학적 형상 계수B 등을 추가하여 기초 이론을 제시하였다. 또한 Oka와 Oka(6)는 Li 등(5)의 이론을 정리하여 도로터널 천장제트의 온도 및 속도 분포에 대한 이론을 정리하였다. 본 연구에서는 이해를 돕기 위해 Oka와 Oka(6)의 도로터널 천장제트 분석 이론에 대해 다시 정리하여 아래와 같이 서술하였다.
연속 방정식:
운동량 보존 방정식:
에너지 보존 방정식:
이상기체 방정식:
여기서V는 특성 속도, h는 천장제트 두께, ∇은 특성 밀도 결함(density defect), S는 형상을 나타내는 매개변수, g는 중력가속도, v는 천장제트의 속도, ρ및ρ∞는 각각 천장제트의 밀도와 공기의 밀도를 나타낸다. 여기에 평균 특성을 대입하고, 열전달 및 유체 마찰 사이의 레이놀즈 비유 관계를 도입하면 위 식을 아래와 같은 형태로 무차원화 할 수 있다(1,4).
기호 상단부의 -표시는 무차원 양, 아래첨자o는 Region 2의 초기 위치를 의미한다. 또한Pr, St는 각각 프란틀 수와 스탠톤 수를 의미한다. 또한 식(5)~식(8)에서 사용된 무차원 수는 아래와 같다(5,6).
여기서, τw는 벽에서 발생하는 전단 응력, f는 마찰계수, Qc는 대류 열방출률, cp는 비열을 나타낸다. 또한 천장면의 온도는 대기 온도와 같다고 가정된다.
2.3 Region 2의 천장제트 속도 이론
위에서 설명된 기초 이론과 실험값을 사용하면, Region 2의 천장제트 평균속도와 두께를 도출할 수 있다. Region 3에 비해 Region 2는 범위가 상당히 짧기 때문에 천장면의 열 전달과 전단 응력을 무시할 수 있으며, 공기의 유입계수E는 일정하고, 형상 계수S는 0과 같다고 가정할 수 있다. 이에 식(5)에서 식(7)을 통해h̅, Ri및V̅에 관한 방정식은 각각 식(15)에서 식(17)과 같이 나타낼 수 있다(6,8).
여기서, Ri는 리차드슨 수, lb는 공간의 반 폭을 나타낸다.
Region 2는 Region 1 직후에 형성되기 때문에 Region 1에서 기원한다는 가정 하에 유추될 수 있다. Oka와 Oka(6)는 Delichatsios(9)의 운동량 방정식을 사용하였으며, 식(18)과 같이 쓸 수 있다(9).
여기서 q는 밀도점프에서의 유량비이며, F는 프루드 수(F2 = V2 = ∆h), r은 거리를 나타낸다. 식(18)은Rie = Rii관계를 적용한 경우(1)이며, 아래첨자i는 측벽과의 교차되는 지점에서의 양을 나타낸다. 특히 Li 등(5)은 화재플륨이 1차원 난류 영역(Region 2)으로 변환되는 모델을 아래와 같이 제시하였다.
이를 통해 Region 2의 초기 위치에서의 값은 식(19)에서 식(21)과 같이 나타낼 수 있으며,
천장제트 두께:
평균 속도:
여기서,
2.4 Region 3의 천장제트 속도 이론
Region 3은 밀도점프 후 Region 2 이후에 발생되는 비교적 긴 영역을 의미한다. 여기서, 밀도점프가 발생하는 위치는 무차원 형태로 나타낼 수 있으며, 식(24)와 같다.
아래첨자c는 Region 3이 시작되는 위치를 뜻한다. 층류와 난류를 구분하기 위해 사용될 수 있는 리차드슨 수(Ri)는 Region 3에서는 일정하고, 무차원 두께h̅c는 식(16)을 통해 식(25)와 같이 나타낼 수 있다.
또한 밀도점프의 위치x̅c은 식(26)과 같이 변경할 수 있으며,
x̅c에서의 속도V̅c는 식(16), 식(17), 식(20), 식(21), 식(24)를 통해 다음과 같이 나타낼 수 있다.
여기서는 천장제트가 층류 상태로 흐르기 때문에 공기의 유입은 무시할 수 있다. 또한 천장면에서의 전단응력과 천장제트의 두께가 일정하다면, 무차원 속도를 식(28)과 같이 나타낼 수 있다.
또한 식(25)에서 식(27)을 식(28)에 대입하면, Region 3에서의 속도에 대한 일반 특성을 식(29)로 표현할 수 있다.
여기서,
식(29)의 형태는 다소 복잡하기 때문에 분석을 위해 식(30)과 같이 단순화될 필요가 있다. 이에 통한 실험 결과의 분석 방법은 4.2절에서 설명하는 것으로 한다.
다만, 여기서 각 계수의 값은 실험을 통해 결정되었으며, St는 Kim 등(8)의 결과를 사용하였다.
3. 복도공간 천장제트 속도 측정 실험 및 시뮬레이션
3.1 실험 개요
실험은 주벽의 영향을 고려하여 천장제트의 흐름 특성을 분석하기 위해 수행되었다. 실험체는 가로 × 세로 × 높이가 각각 5 m × 25 m × 5 m 규격으로 제작되었다. 또한 실험체의 주요 구조는 철판으로 구성되었으며, 화원 pool이 있는 전면부는 구조물이 화염에 의해 손상되는 것을 방지하기 위해 glass wool로 보강하였다. 화원과 가까운 부분은 폐쇄하여 기류가 유입되지 못하게 하였으며, 반대쪽은 열기류가 체류되지 않도록 개방된 상태로 두었다. 화원으로는 충분한 열을 방출하지만, 반복 실험에 용이한 에탄올(C2H6O)을 사용하였다(8,11).
또한 열방출률을 산정하기 위해 연료를 담은 그릇을 전자 저울(AND, GF-20K)에 올려놓고 1 s 간격으로 중량을 기록하였다. 화원의 바로 위에서부터 개방된 방향으로 2.5 m 간격으로 열전대(thermocouples)를 설치하여 온도 데이터를 수집하였으며, 각 지점에서 수평 방향으로 1 m 간격으로 추가 열전대를 설치하였다. 열전대의 높이는 천장 아래 0.05 m 지점이었으며, 데이터는 0.5 s 간격으로 측정하였다.
그러나 실대형 실험에서는 원하는 만큼의 속도 데이터를 수집하는 것이 사실상 불가능하여 시뮬레이션을 사용하기로 하였다. 속도 데이터의 수집 방법에 관해서는 뒤에서 서술하기로 하며, 실험 결과는 열방출률 산정 및 시뮬레이션 모델링의 타당성 분석에만 사용되기 때문에 여기서는 실험에 대해서는 간단하게 서술하기로 한다. 실험에 대한 자세한 내용은 본 연구의 일환인 Kim 등(8)의 연구를 참고하는 것으로 한다.
3.2 실험 조건
본 실험에서는 천장의 높이 및 화원의 면적을 변화시킨 9가지 Case를 실험 조건으로 설정하였다. 천장의 높이는 화원의 높이를 조정하여 화원과 천장 사이의 높이를 1.5 m, 3.0 m, 4.5 m로 변경시키는 방법으로 조정하였으며, 열방출률을 변화하기 위해 화원 그릇의 면적 A를 각 0.1 m2, 0.2 m2, 0.4 m2로 조정하였다. 또한 각 조건에서 실험 시간을 10 min으로 유지하기 위해 화원의 면적 0.1 m2당 2 L의 연료를 주입하였다.
3.3 시뮬레이션 개요
본 연구에서는 수평 복도공간을 흐르는 천장제트의 속도 데이터를 수집하기 위해 화재 시뮬레이션을 사용하였다. 사용된 계산 tool은 NIST에서 개발한 fire dynamic simulator (FDS)이다. 해당 tool에 대한 자세한 설명은 여러 논문 및 보고서(12-15)에 많이 소개되어 있다. 따라서 여기서는 생략하는 것으로 한다.
모델링은 실험 모형과 유사하게 모사되었으며, 자세한 정보는 Table 1과 같다. 실험에서 온도 데이터를 수집한 위치와 동일하게 수직⋅수평 열전대를 설치하여 모델링 결과의 타당성을 검토하였으며, 타당성 검토 후 더욱 넓은 범위에서의 속도 데이터를 수집하기 위해 10 m 연장된 공간인 35 m로 공간을 수정하였다. 한쪽 면이 완전히 개방되어 있기 때문에 공간의 길이가 10 m 증가한다고 해서 속도 데이터에 대한 차이는 유의미하지 않았다. 또한 시뮬레이션의 격자는 moderate로 설정하였으며, 그 결과 cell의 크기는 0.07 × 0.07 × 0.07로서 총 1,960,408개로 설정되었다. 해당 격자 설정의 타당성은 다음 절에서 실험 결과와 비교되었다. 결론적으로 속도 데이터 수집을 위해 모델링된 공간은 Figure 2와 같다.
Table 1
Simulation Overview
3.4 열방출률 산정
열방출률Qf는 식(34)를 통해 도출되었다. 중량 손실률 ṁ은 전자저울을 통해 1 s 간격으로 측정된 에탄올의 중량 감소율을 사용하였으며, 연소열∆Hc는 에탄올의 연소열에 해당하는 24.6 kJ/g을 사용하여 계산되었다(16).
계산 결과, Qf는 화원의 면적에 비례하여 증가하는 것으로 나타났다. 일반적으로 화재의 성장은Q = αtn의 관계식으로 표현되며, 여기서, α는 화재 성장 계수, n은 지수이다. n = 2일 경우 시간이 지남에 따라 성장하는 화재로 여겨지며, n = 0일 경우 화재의 크기가 시간과 관계없이 일정하다는 것을 의미한다(15). 다시 말해, n의 값이 0에 가까울수록 화재는 정상상태에 가까워진다고 할 수 있다. 본 연구에서는 계산의 용이성을 위해 준정상상태의 화원을 사용하였다. Figure 3은 화원 면적이 다를 경우 시간에 따른 열방출률을 계산한 결과이다. 화원의 면적과 관계없이 200 s~300 s 구간이 비교적 일정하게 유지되었다. 해당 구간에서는 화원 면적이 각각 A = 0.1 m2, 0.2 m2, 0.4 m2일 때, n의 값은 각 0.15, 0.09, 0.05로 나타났다. 화원의 열방출률이 완전히 일정하지는 않았지만, 해당 구간이 0과 가장 가까우므로 준정상상태에 상당히 근접한 것으로 판단하였다. 따라서 각 화원 면적에 대한 열방출률은 70 kW, 150 kW, 330 kW로 설정되었다(16). 또한 실험 결과를 통해 도출된 열방출률 조건을 custom으로 입력하여 시뮬레이션을 모델링하였다. 결과는 Figure 4와 같다.
3.5 시뮬레이션 타당성 분석
시뮬레이션을 사용하여 데이터를 수집하기 위해서는 실제 실험 환경과 일치하다는 어느 정도의 신뢰성이 요구된다. 신뢰성을 검증하기 위해서는 여러 가지 방법론이 있으나, 본 연구에서는 실대형 실험에서 도출된 천장제트의 수직⋅수평 온도 데이터와 비교를 통해 타당성을 검토하였다. 여기서 수평 온도란, 화원의 직상부를 영점으로 두고, 그 위치에서부터 수평 방향으로 2.5 m 간격으로 설치된 열전대를 통해 수집된 온도 데이터를 의미하며, 수직 온도란, 화원에서 방출되는 복사열의 영향을 받지 않는 6.5 m 지점에 설치된 수직 열전대 트리를 통해 수집된 온도 데이터를 의미한다.
Figure 5는 천장높이 3 m인 경우 열방출률이 70 kW, 150 kW 및 330 kW인 조건에서 실험과 시뮬레이션의 온도 분포 결과를 비교한 것이다. 비교 결과, 수평 온도 분포는 모든 경우에서 실험값과 시뮬레이션값이 대체로 일치하였다. 반면, 수직온도 분포는 실험값이 소폭 높게 측정되었다. 이것은 시뮬레이션 상 기본 공기의 설정 온도가 20 °C로서, 시뮬레이션의 기본값에 비해 실험 당시의 주변 공기의 온도가 높기 때문엔 것으로 판단된다. 또한 시뮬레이션에서는 바람의 영향이 배제되어 실험에 비해 낮은 부분까지 연기가 하강하지 않았기 때문일 것으로 판단된다. 따라서 화원의 크기와 관계 없이 속도 데이터 수집을 위해 모델링 된 해당 시뮬레이션은 실제 실험 환경과 유사하다고 볼 수 있다. 그러나 본 연구는 시뮬레이션을 사용하여 데이터를 추출하는 방법을 사용하였기 때문에 실험과 가장 일치하고, 충분한 온도 값을 포함하는 경우의 데이터를 사용하는 것이 타당할 것으로 판단하였다. 따라서 본 연구에서는 천장높이가 3 m일 경우, 150 kW인 경우의 시뮬레이션 데이터를 분석을 위해 사용하였다.
3.6 천장제트 속도 데이터 수집 결과
복도 천장에 수직인 속도 분포는 각 위치에서 수치해석을 통해 도출된 데이터로서, 준정상상태로 생각되는 200～300 s 사이의 속도 결과의 평균치를 분석에 사용하였다. Figure 6은 열방출률이 150 kW일 경우 각각의 거리에서의 수직 평균 속도 분포를 나타낸 것이다. 천장제트의 속도는 무차원 거리에 반비례하였으며, x/H = 0.84, 1.66에서 속도가 가장 빠르게 나타났다. 또한 복도의 바닥을 향해 속도가 빠르게 감소하는 형상을 보였다. 반면, x/H > 1.66 이상부터는 천장면에서부터 약 25 mm 이격된 부분까지 속도가 서서히 감소하는 경향을 보였으며, 이후 복도의 바닥을 향해 감쇠하는 경향을 보였다. 또한 시뮬레이션에서 구현하지 못한 천장면의 마찰력을 감안한다면, 천장에서부터 약 25 mm 정도의 위치에서 약 1.15 m/s의 최대 속도를 보이는 것으로 나타났다.
4. 복도공간 천장제트 속도 감쇠 특성 분석
본 연구는 대형 건축물 내부에 빈번하게 존재하는 공간인 대형 통로⋅복도 공간을 대상으로 하여, 벽의 영향을 받는 공간에서의 천장제트의 속도에 대해 논의되었다. 이를 분석하기 위해서는 위에서 설명된 이론에 따라 천장제트의 두께, 속도, 공간 형태 등의 정보가 요구된다. 따라서 본 장에서는 Region 3에서의 천장제트 속도를 도출하기 위해 아래와 같이 분석을 진행하였다. 다만, 건축물의 공간은 매우 다양하기 때문에, 모든 분석의 결과는 기하학적 비율 등의 무차원 형태로 나타내었다.
4.1 천장제트의 두께
기존 연구(5,6)에 따르면 유속 및 온도의 두께를 추정할 때 top-hat 분포를 사용하여 Region 3의 천장 제트 내 속도 분포를 근사화하고, 화원 위치로부터의 거리를 기준으로 한 속도 분포를 통해 천장제트의 두께 변화를 유추하는 방식을 사용한다. 그러나 본 연구는 시뮬레이션을 활용하였기 때문에 천장면에서의 마찰력이 무시되었다는 점, 속도 및 온도 구배의 다양성이 무시되었다는 점 등의 한계가 분명하다. 그 결과 Figures 6, 7에서 볼 수 있듯이 속도 및 온도의 분포가 천장면의 마찰력에 의해 감소하는 경향을 보이지 않고 천장면과 가까울수록 높게 분포하는 것을 알 수 있다. 이것은 top-hat 분포를 따르지 않는다고 볼 수 있다. 그러나 최대 속도 및 온도 분포의 근사치를 도출할 수 있으며, 운동량 경계층의 두께를 유추할 수 있다. 따라서, 기존의 방법과 동일하게 천장제트의 두께를 산정하는 것으로 한다.
천장제트의 두께는 운동량 경계층의 두께와 각 위치(x/H)에서의 속도가Vmax의 절반으로 감소하는 지점까지의 거리의 합을 통해 표현할 수 있다(6). 여기서, 운동량 경계층의 두께는 속도가 0으로부터 상승하는 지점에서Vmax까지의 두께를 의미한다. 따라서, Figure 8과 같이 Region 3의 천장제트의 두께를 평균화하여 무차원 높이 hv/H로 나타낼 수 있다. 본 연구에서 도출된 Region 3의 속도 두께hv는 거의 일정한 것으로 나타났으며, hv/H는 0.2283으로 결정되었다. 무차원 천장제트의 두께v/H와 식(30)의 계수dv는h v H = − 1 3 d v ( H l b ) 1 / 3
4.2 Region 3에서의 속도 분포 분석 방법 및 결과
Region 3 속도는 식(29)를 통해 분석되어야 한다. 그러나 식이 복잡하기 때문에 편의상 식을 간단한 형태로 변형하였다. 식을 간단하게 하기 위해V max g H / Q * 1 / 3 = Y , 2 − 2 / 3 exp [ 1 3 S t { a + b ( l b H ) 4 / 3 } ] = c , − b 3 = d
Figure 9는V max g H / Q * 1 / 3 c ( l b H ) − 1 / 3 d S t ( l b H ) 1 / 3 ( x H , l b H )
단, 여기서 무차원 열방출률Q*은 식(36)과 같다.
4.3 고찰
건축물의 통로 및 복도 등과 같이 천장제트가 벽의 영향을 받아 긴 거리를 이동하는 공간에서는 현재 널리 사용되고 있는 Alpert(1)의 식의 사용이 어렵다는 지적이 있다. 따라서, 이러한 공간에서의 연기 확산 성상을 명확하게 이해하기 위해서는 벽의 영향이 고려되어야 한다. 또한 건축물의 규모는 매우 다양하기 때문에, 화재 공학에서는 건축물의 규모를 천장과 계산 위치 거리의 비율로 나타내고, 대상이 되는 값을 무차원화하는 것이 유리하다. 이렇게 도출된 식을 국내 화재안전설계를 위한 기초자료로 활용되기 위해서는 명확한 검토 과정이 요구된다. 따라서 본 연구에서는 도출된 식을 기존 도로터널 형상을 기반으로 도출된 Oka와 Oka(6)의 식 및 Li 등(5)의 복도 화재 실험 결과와 비교하여 유효성을 평가하였다.
결과는 Figure 10에 나타낸 바와 같다. 식(35) 및 Oka와 Oka(6)의 방정식의 전체적인 경향은 무차원 거리x/H가 증가함에 따라 무차원 속도V max / g H / Q * 1 / 3
즉, 식(35)는 기존 Oka와 Oka(6)의 식보다 더 높은 영역에서 천장제트의 속도를 예측하는 것으로 보이지만, x/H < 10 규모의 복도 공간에 한정한다면 이는 실험 결과와 더 높은 정합성을 보인다고 할 수 있다. 이것은 실험 공간과 환기 상태에서 발생한 차이일 것으로 생각된다. Oka와 Oka(6)는 양쪽 면이 개방된 도로터널 공간에서 실험을 진행하였지만, 본 연구는 한쪽 면을 폐쇄한 건축물의 복도 공간을 상정하였다. 따라서 설계 시 연기의 확산 속도를 계산하는 경우, 대상 공간의 형태와 환기 시나리오를 명확하게 설정하는 등의 방식으로 식의 사용이 고려되어야 할 것으로 생각된다.
PDF Links
PubReader
ePub Link
Full text via DOI
Download Citation
