3.1 시뮬레이션 모델

Fig. 2는 화재 시뮬레이션을 위해 가정한 화재 발생 위치 및 피난구를 나타낸 것이다. 화재가 발생한 위치(Fire source)는 프로토타입 요양병원의 2층으로 가정하였으며, 2개의 계단 (Route A와 B)과 엘리베이터를 피난구로 설정하였다. Fig. 3는 화재 시뮬레이션을 위한 FDS 모델을 나타낸 것이며, 화재 시뮬레이션은 800초를 수행하였고, 초기 온도는 20℃로 가정하였다. 이 연구에서는 선행 연구^[6]를 바탕으로 화재 시뮬레이션에 사용되는 메쉬(mesh)의 크기를 0.25 m $\times$ 0.25 m $\times$ 0.27 m로 설정하였다. 연료의 물성치는 SFPE(Society of Fire Protection Engineers) handbook^[11]에 제시된 값을 사용하였다. 가연물은 요양병원에 주로 배치되는 침대, 테이블 및 의자 등으로 가정하였으며, 각 가연물의 열방출율은 National Center for Forensic Science에서 제시하는 데이터베이스^[12]를 참조하였다. 시간에 따른 열방출율($Q$)은 t-squared 화재곡선을 모사하기 위하여 식 (1)을 이용하여 산정하였다.

여기서, $\alpha$는 화재 성장계수이며, $t$는 화재 지속시간이다. 일반적으로 화재 성장률은 ‘ultrafast’, ‘fast’, ‘medium’, ‘slow’로 구분할 수 있다. 이 연구에서는 가연물의 종류를 고려하여 화재 성장율을 ‘medium’으로 가정하였으며, 화재 성장계수($\alpha$)는 0.0117을 적용^[13]하였다. KFPA^[7]에서는 건물의 바닥면적을 고려하여 배연설비의 용량을 제시하고 있으며, 이를 바탕으로 프로토타입 요양병원에 요구되는 배연설비의 용량은 12.5 ㎥/sec이다. 따라서, 이 연구에서는 12.5 ㎥/sec의 용량을 갖는 배연설비가 모두 복도에 설치된 것으로 가정하였으며, 모든 구획의 문과 창문은 개방된 상태를 가정하였다.

Fig. 2 Locations of fire combustion and egress routes

Fig. 3 Fire simulation model (FDS)

3.2 시뮬레이션 결과

Fig. 4와 Fig. 5는 화재가 발생한 2층에서 각 화재구획의 화재 지속시간에 따른 연기 거동을 나타낸 것이다. Fig. 4에 나타낸 바와 같이 배연설비가 없는 경우, 화재 발생 후 100초가 경과한 시점에서 화재실이 연기로 가득 찼으며, 일부의 연기가 복도로 확산되었다. 화재 발생 후 212초가 경과한 시점에서는 복도 대부분의 지역으로 연기가 확산되었으며, Route A(Fig. 2 참조)가 연기로 가득 찬 것으로 나타났다. 화재 발생 후 273초가 경과한 시점에서는 Route B(Fig. 2 참조)와 엘리베이터가 모두 연기로 인하여 가시거리 확보가 불가능할 정도의 상황으로 진전되었다. Fig. 5는 배연설비가 설치된 경우의 연기 거동을 나타낸 것이며, 배연설비가 설치되지 않은 경우에 비해 연기의 확산이 크게 감소하는 것으로 나타났다. 배연설비가 설치된 경우, 화재 발생 후 212초가 경과한 시점에도 연기가 복도로 거의 확산되지 않았다. 그러나, 화재 발생 후 502초가 경과한 시점에는 엘리베이터가 연기로 인하여 가시거리 확보가 불가능한 것으로 나타났다.

Fig. 4 Smoke behavior at 2nd floor (without smoke exhaust system)

Fig. 5 Smoke behavior at 2nd floor (with smoke exhaust system)

Fig. 6은 Fig. 2에 나타낸 각 피난구 위치에서 배연설비가 없는 경우 화재 지속시간에 따른 가시거리, 일산화탄소. 이산화탄소, 산소, 온도 변화를 나타낸 것이며, 각 그래프에는 인명안전기준 값을 붉은색 점선으로 나타내었다. 즉, 그래프에서 각각의 값들과 점선이 만나는 시점이 각 요소별 ASET이 된다. Fig. 6(a)는 화재 지속시간에 따른 가시거리를 평가한 결과이며, Route A(212초), Route B(263초), 엘리베이터(273초)의 순서로 인명안전기준 값에 도달하였다. 따라서, 이 연구에서는 배연설비가 없는 경우 가시거리에 대한 피난허용시간을 212초로 결정하였다. Fig. 6(b)는 일산화탄소를 평가한 결과이며, Route A(460초), Route B(611초), 엘리베이터(670초)의 순서로 인명안전기준 값에 도달하였다. Figs. 6(c)와 (e)는 이산화탄소와 온도를 평가한 결과이며, 각각 700초, 750초에서 Route A가 인명안전기준 값에 도달하였다. Fig. 6(d)는 산소를 평가한 결과이며, 해석종료 시점까지 산소는 인명안전기준 값에 도달하지 않는 것으로 나타났다. 5개의 주요 인자에 대한 시뮬레이션 결과로부터 배열설비가 없는 경우에는 ASET이 212초로 산정되었다.

Fig. 6 Analysis results without smoke exhaust system

Fig. 7은 배연설비가 있는 경우의 시뮬레이션 결과를 나타낸 것이다. Fig. 7(a)는 화재 지속시간에 따른 가시거리를 평가한 결과이며, 엘리베이터(502초), Route B(564초), Route A (653초)의 순서로 인명안전기준 값에 도달하였다. Figs. 7(b)~(e)에 나타낸 바와 같이 해석이 종료되는 시점까지 일산화탄소, 이산화탄소, 산소, 온도는 인명안전기준 값에 도달하지 않았다. 5개의 주요 인자에 대한 시뮬레이션 결과로부터 배연설비가 있는 경우에는 ASET이 502초로 산정되었다.

Fig. 7 Analysis results with smoke exhaust system

Table 1은 배연설비 유무에 따른 각 요소의 ASET 산정 결과를 정리하여 나타낸 것이다. 화재지속시간에 따른 가시거리, 일산화탄소, 이산화탄소, 산소, 온도를 평가한 결과 재실자의 피난허용시간은 배연설비의 유무와 관계없이 가시거리의 감소에 의해 결정되었다. 또한, 배연설비가 없는 경우에 비해 배연설비가 갖춰진 경우 2배 이상의 피난허용시간을 확보할 수 있는 것으로 나타났다.

4.1 시뮬레이션 모델

Fig. 8은 피난 시뮬레이션을 위한 Pathfinder 모델을 나타낸 것이다. 피난 시뮬레이션을 위해서는 피난자의 수, 피난자의 속도, 피난자의 폭, 피난 준비시간이 입력되어야 한다. 노인복지법 시행규칙^[14]에서는 환자 1명당 최소 23.6 ㎡의 면적을 확보하도록 규정하고 있다. 따라서, 프로토타입 요양병원의 면적을 고려하여 환자의 수는 150명으로 가정하였다. 환자의 중증도는 환자의 건강 상태에 따라 의료최고도, 의료고도 , 의료중도, 의료경도 및 선택적 입원군으로 분류된다. 이 연구에서는 선행 연구^[6]를 바탕으로 환자의 중증도 비율 및 중증도에 따른 환자의 수를 Table 2와 같이 가정하였다. 한편, 피난자의 피난형태는 환자의 중증도를 기반으로 분류하였다. 즉, 화재발생 시 중증도가 선택적 입원군인 41명의 환자의 경우 걸어서 스스로 피난을 수행할 수 있다고 가정하였으며, 중증도가 의료경도인 34명의 환자는 휠체어를 통해 스스로 피난을 수행할 수 있다고 가정하였다. 또한, 화재발생 시 피난유도자의 도움을 받아 휠체어를 통해 피난을 수행하는 환자의 수는 59명으로 가정하였으며, 이는 의료중도인 환자 모두와 의료고도인 환자 일부를 고려한 것이다. 스스로 거동이 불가능하여 피난유도자의 도움을 받아 침대를 통해 피난을 수행하는 환자의 수는 총 16명으로 가정하였다.

Fig. 8 Simulation model for egress (Pathfinder)

Table 3과 4는 각각 요양병원에 재실하고 있는 피난유도자와 환자의 피난특성을 나타낸 것이다. 환자와 피난유도자의 이동속도 및 폭은 피난 유형에 따라 다르며, 선행 연구^[6]를 참조하여 결정하였다. 휠체어 또는 침대를 통해 피난하는 환자의 경우에는 보조기구 착용시간 15초와 25초를 각각 고려하였다. 노인복지법 시행규칙^[14]에서는 환자 150명을 기준으로 최소 의사 1명, 간호사 6명, 물리치료사 또는 사회복지사 2명, 요양보호사 60명을 이상을 고용하도록 명시하고 있으며, 화재 발생 시 이들 모두는 환자의 피난을 돕는 피난유도자로 설정될 수 있다. 일반적으로 요양병원에서는 직원들이 교대근무를 수행하며, 야간근무상황에서는 직원들의 숫자가 더욱 적어진다. 따라서 이 연구에서는 직원들의 숫자를 야간 근무 인원을 고려한 25명(Case A), 주간 근무 인원을 고려한 35명(Case B), 전체 직원을 근무 인원으로 고려한 75명(Case C)인 경우에 대하여 시뮬레이션을 수행하였다. Table 5는 각각의 경우(Cases A, B, C)에 따른 직원들의 유형 및 숫자를 나타낸 것이며, 근무 직원들은 각각 1층과 2층에 약 절반씩 재실하는 것으로 가정하였다.

화재가 발생한 후 환자와 피난유도자가 피난을 시작하기까지는 일정시간이 요구된다. 여기에는 화재를 인지하는데 걸리는 시간, 화재 발생 상황을 전파하는데 걸리는 시간, 화재 상황 파악 후 움직이는데 필요한 시간 등이 포함된다. 따라서 CCTV가 갖춰진 통제실로부터 방송설비를 통해 화재를 발견하고, 화재 발생 상황을 전파하여 즉각적인 피난이 이루어진다면 피난지연시간은 매우 감소할 수 있다. 그러나 방송설비, CCTV, 화재 상황에 대하여 훈련된 직원이 부족한 경우 피난지연시간은 크게 증가할 수 있으며, 이는 RSET을 증가시키는 요인이 된다. BSI^[15]와 MPSS^[16]에서는 건물 용도별 피난지연시간을 제시하고 있으며, CCTV, 화재 상황에 대한 직원들의 숙련도에 따라 피난지연시간을 W1(180초 이하), W2 (300초), W3(480초 이상)으로 분류하고 있다. 이 연구에서는 요양병원의 피난지연시간을 W1 상태를 가정하고, 피난지연시간을 0초, 60초, 120초, 180초로 각각 설정한 경우에 대하여 시뮬레이션을 수행하였다.

4.2 시뮬레이션 결과

Fig. 9는 피난지연시간을 변수로 시간에 따른 생존자 수를 나타낸 것이며, 모든 사람이 피난을 완료한 시점을 각 변수의 RSET으로 산정하였다. 피난유도자의 수가 25명인 Case에서는 피난지연시간이 0인 경우 REST이 155초로 나타났다. 그래프에서 생존자수가 감소하는 경우가 일부 발생하였는데, 이는 피난유도자가 환자를 도와 피난을 완료한 후 추가적으로 환자를 피난시키기 위하여 다시 건물 안으로 들어가기 때문이다. 피난지연시간이 60초, 120초, 180초인 경우에는 피난지연시간에 따라서 각 결과가 오프셋 되는 형태를 나타내었다. 피난유도자의 수가 각각 35명(Case B), 75명(Case C)인 경우, RSET은 각각 72초, 61초로 나타났다. Fig. 10은 피난지연시간이 0초인 경우 Case A, B, C의 그래프를 비교하여 나타낸 것이다. 피난지연자의 수가 증가함에 따라 각 그래프의 기울기가 증가하였으며, 이는 동일 시점에서 생존자 수가 상대적으로 빠르게 증가함을 의미한다. 화재 발생 후 50초가 경과한 시점에서 피난유도자의 수가 25명, 35명, 75명인 경우(Case A, B, C)의 생존자의 수는 각각 73, 81, 109명으로 나타났다. Table 6과 7은 각 변수별로 RSET을 산정한 결과를 나타낸 것이다. 피난유도자의 수가 증가하는 경우 RSET은 감소하며, 피난지연시간이 증가하는 경우 RSET은 증가하는 것으로 나타났다. 한편, 피난유도자의 수가 35명인 경우와 75명인 경우에서 시간에 따른 RSET은 11초 정도의 작은 차이를 나타내었다. 이는 환자의 수가 일정한 상황에서 피난유도자의 수만 증가하는 경우, 전체 피난자의 수가 증가하기 때문이다. 즉, 피난유도자의 수가 증가할수록 피난의 속도는 증가하지만, 모든 재실자가 피난을 완료하기까지의 시간은 유사할 수 있음을 의미한다.

Fig. 9 Analysis results (number of survivors)

Fig. 10 Analysis results compared to egress guides