BIM을 활용한 건축물의 외벽 개구부 화재안전설계에 관한 연구 :(A) Study on the Performance Based Fire Safety Design of Exterior Wall Opening Using BIM

이병흔

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자료유형: 학위논문

저자정보: 이병흔 (호서대학교, 호서대학교 대학원)

지도교수: 권영진

발행연도: 2023

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이용수10

이 논문의 연구 히스토리 (3)

2023

BIM을 활용한 건축물의 외벽 개구부 화재안전설계에 관한 연구

이병흔 2023.01 학위논문

2019

업무시설의 화재성상예측을 위한 가연물 조사 및 화재하중 제안

이병흔 , 권영진 한국건축시공학회 학술발표대회 논문집 2019.01 학술대회자료

2018

BIM기반 건축물의 화재안전설계를 위한 화재하중 및 주요 가연물의 연소특성에 관한 연구

이병흔 소방방재학과 2018.01 학위논문

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본 연구는 BIM을 이용한 외벽 개구부 화재안전설계에 관한 것으로서 외벽을 통해 분출되는 화염의 확산범위 및 피해범위를 추정하기 위해 필요한 설계방법의 구축에 관한 연구를 수행한 것이다.또한 건축물의 설계단계에서 위험성을 평가하기 위해 BIM과 연동이 가능한 도구를 구축하여 설계용 저작도구와의 연동이 가능하도록 하였다. 이에 관한 연구내용은 다음과 같다.

(1) 구획 공간에서 분출화염이 발생하는 시점은 구획내 화재성상이 환기지배형으로 전환되는 시점이다. 즉, 분출화염의 발생은 구획 내 플래시오버의 발생과 동시에 일어난다고 가정할 수 있다. 따라서 건축물의 화재하중을 기준으로 화재성장률을 산정하고 플래시오버 발생을 위한 최소 열방출률을 계산해 대상 공간의 분출화염 발생시점을 계산하는 방법을 도출했다.

(2) 열응력 해석과 화재실험을 통해 구획 내 화재발생 이후 창호의 탈락이 발생하고 개방된 개구부를 통해 화염이 분출되는 것을 검증했다. 또한 이러한 창호의 탈락에는 창호 프레임의 연소특성이 큰 영향을 미치는 것으로 나타나 외벽 개구부 화재안전설계 프로세스에 이를 반영하였다.

(3) 분출 화염의 범위를 분석하는 국외 방법론을 적용하여 화염의 확산범위를 추정하고 이를 바탕으로 외벽 개구부 화재안전설계 지침을 구성하였다. 이를 위한 구획 공간에 대한 정보(화재하중밀도, 개구부 조건, 구획내 표면적, 벽체정보 등), 개구부의 개방에 소요되는 시간, 분출화염 발생시점, 분출화염에 의한 화재확산범위(수직 및 수평)를 이용해 계산이 이뤄지도록 지침 및 프로세스를 구축했다.

(4) BIM 저작도구와의 연계를 통해 설계단계에서 분출화염의 위험성을 평가할 수 있는 도구를 구축하였다. 구획공간의 물리정보를 활용하기 때문에 설계도면의 정보를 추가작업없이 활용할 수 있고, Case Study결과 추가 작업없이 제안된 프로세스와 동일한 수치를 얻을 수 있는 것을 검증했다.

This study is about the fire safety design of exterior wall openings using BIM. A study was conducted on the method necessary for the construction of a design method to estimate the spread range and damage range of flames ejected through the outer wall. In addition, to evaluate the risk in the design stage, a tool capable of interworking with BIM was established to enable interworking with design tools. The contents of the study for this purpose are as follows.

(1) The time when the ejected flame from the compartment space occurs is the process of converting the fire characteristics in the compartment into Ventilation control fires. Therefore, it may be assumed that the occurrence of the ejected flame occurs simultaneously with the flashover of the compartment space. Therefore, the method of calculating the fire growth rate based on the fire load of the building and the method of calculating the emission flame generation time using the minimum HRR for flashover to occur were reviewed.

(2) Thermal stress analysis and experiments were conducted to verify that the opening was opened by the drop of the window frame in the process of expanding the fire to the outside. As a result of the experiment, it was verified that the window was dropped depending on the material of the window frame. This was applied and reflected in the process with differences depending on the material of the window when the opening of the outer wall was opened.

(3) The fire safety design process and guidelines for the opening of the outer wall were constructed by applying the method of analyzing the range of the ejected flame. Information on the compartment space (fire load density, opening, surface area, wall information, etc.) can be used to calculate the time required to open the opening, the generation time of the ejected flame, and the range of fire spread (vertical and horizontal) by the ejected flame.

(4) Through linkage with BIM authoring tools, a tool capable of evaluating the risk of ejected flames in the design stage was established. Since the physical information of the compartment space is utilized, the information in the design drawing can be added and used as it is. As a result of the Case Study, the same value as Hand Calculation can be obtained without additional work.

#BIM #화재안전설계 #화재하중 #Flashover #외벽 개구부 #분출화염 #설계지침

Ⅰ. 서 론 1
1. 연구의 배경 및 목적 1
2. 연구의 방법 및 구성 11
Ⅱ. 외벽 개구부 화재안전설계를 위한 문헌 조사 15
1. 초기 화재성장률 산정을 위한 문헌 조사 15
가. 화재하중에 관한 이론 및 문헌 조사 15
나. 화재하중 기반 화재성장률 예측에 관한 문헌 조사 24
2. 플래시오버 예측에 관한 이론 및 문헌 조사 26
3. 개구부 화재안전설계 방법에 관한 문헌 조사 31
가. 화재 차단대에 관한 문헌 31
나. 창호의 비 차열 성능에 관한 각국의 기준 35
4. 분출화염 범위 예측에 관한 문헌 조사 40
5. BIM을 적용한 화재위험성평가에 관한 문헌 조사 45
Ⅲ. 분출화염 발생 예측을 위한 플래시오버 계산 49
1. 개 요 49
2. 가연물 특성을 고려한 설계화재조건 검토 50
가. 국내 건축물 용도별 가연물 조사 50
나. 용도별 건축물의 화재하중 밀도 도출 56
다. 국내외 화재하중밀도 비교 66
라. 화재하중 밀도 기반 화재성장률 도출 68
3. 플래시오버 발생 한계 열 방출률 예측식 72
가. 열량 손실 계산을 위한 기존 실험데이터 정리 74
나. 과거 문헌조사를 통한 변수 분석 78
다. 계수를 적용한 예측식 검토 83
4. 화재하중을 적용한 구획 내 플래시오버 발생 예측 89
5. 소 결 94
Ⅳ. 고온에 노출된 창호 프레임의 탈락 시점 검토 96
1. 개 요 96
2. 온도에 따른 재료특성시험 97
가. 인장강도 시험 97
나. 재료의 온도별 열적특성 110
3. 열응력 해석을 위한 시뮬레이션 분석 115
가. 시뮬레이션 기본 구동 조건 115
나. 고온 조건에서의 응력-변형률 계산 117
4. 외벽 창호의 화재실험을 통한 창호 프레임의 방화성능 필요성 검토 127
가. Cone Calorimeter(KS F ISO 5660-1) 127
나. Single Burning Items(BS EN 13823) 135
5. 창호 실물 화재실험(KS F 2845) 144
가. 실험 방법 144
나. 실험 결과 148
6. 소 결 158
Ⅴ. 외벽 개구부 화재안전설계 프로세스 도출 160
1. 개 요 160
2. 개구부를 통한 분출 열기류 축상 온도 및 착화 위험성 평가 방법 161
가. 축상 온도 예측 방법 161
나. 개구분출화염의 궤도 산정 및 길이 167
다. 개구분출화염의 궤도의 수직 및 수평거리 168
라. 수열부의 형태계수 산정 168
3. 개구부 상단 외벽 착화 여부 평가 170
4. 실제 화재사례를 적용한 화재확대범위 추정 172
가. Case Study 172
나. 화재 사례 기반 분출화염 발생 시점 계산 178
다. 수평 이격거리에 따른 수열부의 복사열 계산 183
라. 상층부 화재확대 범위 계산 186
5. 외벽 개구부 화재안전설계 프로세스 187
6. 소 결 188
Ⅵ. BIM기반 외벽개구부 화재위험성평가 Tool 개발 190
1. 개 요 190
2. BIM을 이용한 공간정보 해석방법 검토 191
가. 프로그램의 지향점 191
나. 프로그램의 흐름도 193
나. 물리정보 해석방법 198
3. BIM기반 Tool의 사용 방법 202
4. 적용성 검토를 위한 Case Study 208
5. 소 결 209
Ⅶ. 결 론 210
참고문헌 212
Abstract 223
Appendix A. BIM기반 Tool Code 226
Appendix B. 외벽 개구부 화재안전설계 지침 242

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