FDS를 이용한 승강로의 연기확산에 관한 연구 = A Study on Smoke Propagation in Elevator Shafts Using FDS

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

This study aims to analyze the effect of variations in elevator shaft size on smoke propagation in high-rise buildings and to provide design-based evidence for securing evacuation safety within elevator lobbies. High-rise buildings have become a representative architectural form for efficient land use in dense urban environments; however, during a fire, vertical smoke movement through elevator shafts poses a significant threat to human safety.
To investigate this phenomenon, fire simulations were conducted using the Fire Dynamics Simulator (FDS), a computational fluid dynamics (CFD)-based program. Both single and parallel elevator shafts were modeled to reflect realistic building geometry and boundary conditions. Key parameters, including shaft cross-sectional area and leakage gap size, were systematically varied to examine their effects on smoke propagation and the Available Safe Egress Time (ASET). All simulations were performed under identical fire growth rate (t² fire), ventilation, and fuel composition conditions to ensure comparative consistency.
For the single-shaft configuration, the analysis revealed that changes in shaft size did not exhibit a simple linear relationship with ASET. At lower levels, smoke infiltration had a relatively greater influence, whereas at upper levels, the dilution effect from increased shaft volume produced nonlinear characteristics.
Beyond a certain threshold, enlargement of the shaft cross-section was found to be a dominant factor affecting the improvement of evacuation time.
In the parallel-shaft configuration, although the total cross-sectional area was larger, the leakage area was also approximately twice that of the single-shaft model, resulting in generally shorter ASET values. Comparative analysis of width (W) and depth (D) variations indicated that width expansion had a limited effect on ASET improvement, whereas increasing the shaft depth effectively delayed smoke propagation to upper floors.
Finally, when the leakage gap area of the parallel-shaft model was reduced by half, the ASET improved significantly by approximately 58–65%, demonstrating that the reduced evacuation performance of parallel shafts is primarily governed by the extent of air leakage.
These results confirm that the shaft cross-sectional size, elevator
arrangement, and leakage gap conditions are decisive factors influencing smoke propagation behavior in high-rise buildings. This study provides practical data for determining the appropriate shaft dimensions and for establishing smoke control and pressurization strategies in the design of elevator shafts.
Furthermore, it is expected to serve as a foundational reference for improving evacuation safety performance in performance-based fire design (PBD)
applications for high-rise buildings.

국문 초록 (Abstract)

본 연구는 고층 건축물에서 승강로의 크기 변화가 화재 시 연기 확산에 미치는 영향을 분석하고, 이를 통해 엘리베이터 승강장에서의 피난 안전성 확보를 위한 설계적 근거를 제시하고자 하였다. 고층 건축물은 한정된 도시 공간을 효율적으로 활용하기 위한 대표적인 형태이지만, 화재 발생 시 승강로를 통한 연기의 수직 확산은 인명 안전에 중대한 위험 요인으로 작용한다.
이를 위해 전산유체역학(CFD) 기반의 화재 시뮬레이션 프로그램인 FDS(Fire Dynamics Simulator)를 활용하여, 실제 건축물의 형상과 조건을 반영한 단독형 및 병렬형 승강로를 모델링하였다. 또한 승강로의 단면적, 누설틈새 크기 등을 주요 변수로 설정하여 각 조건의 변화가 연기 확산 및 피난 가능 시간(ASET)에 미치는 영향을 분석하였다. 시뮬레이션은 화재성장속도(t² 화재), 환기조건, 연료조성비를 동일하게 적용하여 변수별 비교가 가능하도록 수행하였다.
단독형 승강로의 피난 가능 시간을 살펴보면 승강로의 규모 확대가 단순 선형적 증가를 보이는 것이 아니라 저층부에서는 연기 유입의 상대적 영향이 크고, 고층부로 갈수록 체적 증가에 따른 희석효과가 작용하는 비선형적인 특성을 보여주었다. 일정 규모 이상이 되면 승강로 단면 확대가 피난 가능 시간 확보에 직접적인 영향인자가 되는 것을 확인하였다.
병렬형 승강로의 경우 단독형 승강로보다 단면적이 크지만 누설틈새 면적도 2배로 증가함에 따라 전체적으로 단독형보다 피난 가능 시간 확보에 불리한 양상이 나타났다. 병렬형에서는 폭(W), 깊이(D)의 변화에 따른 비교분석을 하였다. 폭 확장은 피난 가능 시간 증가의 영향에 제한적이었으나 깊이 확장은 승강로 상부의 연기 확산을 지연시키는데 효과적인 영향인자로 확인되었다.
마지막으로 누설틈새 면적을 절반으로 줄인 병렬형 구조를 기존 모델과 비교하였을 때 피난 가능 시간이 58~65% 이상의 큰 폭으로 향상되었다. 이는 병렬형 승강로 구조의 피난 성능 저하가 누설틈새의 증가의 요인에 지배되는 것을 의미한다.
이와 같은 분석 결과를 통해 승강로 단면의 크기, 승강기 배치 형식 및 누설틈새 조건은 고층 건축물의 연기 확산 특성에 결정적인 영향을 미치는 주요 인자임을 확인하였다. 본 연구는 고층 건축물 승강로 설계 시 연기 거동을 고려한 적정 규모 및 제연 설비 보완 계획 수립에 실질적 근거를 제시할 수 있으며, 향후 고층 건축물의 성능위주설계의 피난 안전성 개선에 기초자료로 활용될 수 있을 것으로 기대된다.

목차 (Table of Contents)

• Ⅰ. 서론 1
• 1.1 연구의 배경 및 목적 1
• 1.2 연구의 내용 및 방법 3
• 1.3 선행연구의 고찰 - 4
• Ⅱ. 이론적 고찰 6
• 2.1 연기 특성 6
• 2.1.1 연기의 발생과 확산 6
• 2.1.2 연기의 유동 7
• 2.1.3 연기 제어 방법 - 10
• 2.2 승강기 관련 국내외 법규 및 기준 11
• 2.2.1 국내 승강기 관련 법규 - 11
• 2.2.2 국외 승강기 관련 법규 - 13
• Ⅲ. 시뮬레이션 분석 방법 15
• 3.1 시뮬레이션 분석 도구 - 15
• 3.1.1 시뮬레이션의 종류 - 15
• 3.1.2 Pyrosim 프로그램 - 17
• 3.1.3 피난 가능 시간 측정 기준 18
• 3.2 시뮬레이션 모델 개요 - 19
• 3.2.1 시뮬레이션 모델 설정 19
• 3.2.2 화재 시나리오 설정 29
• 3.2.3 화원 설정 30
• Ⅳ. 시뮬레이션 결과 및 분석 35
• 4.1 단독형 승강로 연기 거동 35
• 4.2 병렬형 승강로 연기 거동 42
• 4.2.1 폭 변화에 따른 연기 거동 - 47
• 4.2.2 깊이 변화에 따른 연기 거동 - 50
• 4.2.3 단독형과 병렬형 승강로의 비교 - 53
• 4.3 누설틈새 변화에 따른 연기 거동 54
• Ⅴ. 결론 - 56
• 참고문헌 - 58
• Abstract - 60