김지훈
(Ji Hun Kim)
1
이경희
(Kyung Hee Lee)
2
이준기
(Jun Gi Lee)
3†
-
부산대학교 건축공학과 석사과정
(
Master Course, Department of Architectural Engineering, Pusan National University,
Pusan, 46241, Korea
)
-
부산대학교 건축공학과 교수
(
Professor, Department of Architectural Engineering, Pusan National University, Pusan,
46241, Korea
)
-
부산대학교 생산기술연구소 연수연구원
(
Researcher, Research Institute of Industrial Technology, Pusan National University,
Pusan, 46241, Korea
)
Copyright © 2016, Society of Air-Conditioning and Refrigeration Engineers of Korea
Key words
Fire Simulation(화재시뮬레이션), Evacuation Simulation(피난시뮬레이션), 피난안전성(Escape Safety), Underground shopping center(지하도상가)
기호설명
$Q$：
열방출율 [KW]
$D$：
화재반경특성
$\rho$：
주변공기밀도 [kg/m3]
$C_{p}$：
주변공기비열 [kJ/kg$\cdot$K]
$T$：
주변공기온도 [K]
$g$：
중력가속도 [9.8m/s2]
$\delta$：
격자 크기 (x, y, z축) [m]
1. 서 론
1.1 연구배경 및 목적
2000년대 이후 이루어진 도시 건축물의 초고층화 및 복합화가 건물 화재 및 재난 발생상황에서 대규모 인명피해를 유발하는 원인으로 작용함에 따라 국내에서는
건축물의 화재 안전확보를 위해 2011년 7월 ｢화재 예방, 소방시설 설치․유지 및 안전관리에 관한 법률｣ 제9조의 3 제2항에 의거 특정소방대상물을
대상으로 성능위주설계(Performance-Based Design, PBD) 시행을 의무화하였다. 성능위주설계는 화재 안전 달성을 위해 구체적 성능을
제시하고 공학적으로 평가하여 정량화된 안전성을 확보하는데 그 목적을 두고 있으며 이를 수행하기 위해 일반적으로 사용되는 방법이 피난안전성 평가이다.(1) 피난안전성 평가는 화재시뮬레이션 수행을 통해 피난허용시간(Available Safe Egress Time, ASET)을 도출하고 이를 피난시뮬레이션
내 대피자들의 피난완료 시간(Required Safe Egress Time, RSET)과 비교함으로써 이들의 안전성 여부를 판단하는 것이다.
그러나 현재 피난안전성 평가는 화재 발생 인접 영역으로의 연소 확대, 연기 및 유독가스가 대피자 이동경로 선택에 미치는 영향 등을 고려하지 않고 단순히
특정지점에서 측정된 시뮬레이션 결과값만을 비교하여 안전성 여부를 판단하는 실정이다. 이와 같은 문제들은 피난안전성 검증에 오류와 문제를 유발할 수
있는 요인으로 작용하고 있어 피난안전성 평가결과를 신뢰하는 것에 대한 문제가 제기된다.
특히 연기 및 유독가스가 대피자들의 피난동선에 미치는 영향과 관련하여, 화재 상황에서 대피자들은 패닉상태에 빠지게 되면, 본능적 인간행동특성에 따라
행동하게 된다. 이들은 연기 및 불꽃이 전파되는 방향을 향해 이동하지 않고(퇴피본능), 해당 위험으로부터 벗어나 밝은 곳을 향해 이동(지광본능)하는
등의 이동패턴을 보인다. 특히 퇴피본능은 이들의 피난경로 선택에 큰 영향을 미칠 수 있으며, 최종적으로 해당 공간 내에서의 사망자 수를 결정짓는 가장
중요한 요인으로 작용할 것으로 판단된다. 이와 같은 관점에서 불꽃, 연기 및 유독가스의 진행 상황을 대피자들의 이동경로 선택에 적정수준 반영한 후
피난안전성을 평가하는 것이 평가
결과에 대한 신뢰성을 향상시키는 방안이라 할 수 있는데, 이에 대한 연구가 부족한 실정이다.
따라서 본 연구에서는 화재․피난시뮬레이션 수행을 통해 연기의 영향을 고려하지 않는 상황에서의 피난
안전성 평가 결과와 연기의 영향을 고려하여 이를 대피자 이동경로 선택에 반영하였을 때 나타나는 피난안전성 결과를 비교․분석함으로써 이동경로 선택 시
연기확산에 대한 영향을 충분히 반영할 필요성이 있음을 제고하는 것을 연구의 목적으로 한다.
1.2 연구방법
본 연구는 부산광역시에 위치한 부전몰 지하상가를 연구대상으로 선정한 후 ｢소방시설 등의 성능위주설계 방법 및 기준｣에서 제시하고 있는 인명안전 기준(온도
60℃ 이상, 가시거리 5 m 이하, 일산화탄소 1,400 ppm 이상 등) 중 대피자 사망에 가장 큰 영향을 미치는 가시거리를 기준으로 피난안전성
평가를 수행하였다.(2) 시뮬레이션 툴은 Pyrosim(화재시뮬레이션)과 PathFinder(피난시뮬레이션)를 사용하였으며 대피자 피난에 있어 연기 확산 반영 여부에 따른
결과 비교를 위해 지하도상가를 대상으로 대피자들 피난 방식을 두 가지 Case로 구분하였다.
Case 1은 단순히 대피자들이 연기의 영향을 고려하지 않고 시뮬레이션 내 설정된 탈출구(이하 출입계단)를 향해 이동하는 것으로 설정하였다. Case
2는 대피자들이 연기확산을 고려하여 피난을 수행하는 것으로서 피난 초기 대피자들은 지하도상가 내 모든 통로를 통해 피난을 진행하지만, 통로 내 연기유입
이후부터 해당경로를 향한 피난이 불가능하도록 설정하였다. 이를 위하여 Pyrosim을 통해 연기확산 경로 및 연기의 통로 유입시간을 파악한 후 해당
결과를 바탕으로 Pathfinder의 대피자들이 피난을 위해 사용하는 통로 중 연기가 유입되는 지점에 출입문을 설치하였다. 설치된 출입문은 연기 진입과
동시에 닫힐 수 있도록 Pyrosim에서의 통로 내 연기 유입시간을 Pathfinder의 Door 차단 및 개방 시간값에 입력하여 해당경로를 차단하고
대피자들이 연기를 피해 출입계단으로 이동하도록 하였다. 최종적으로 화재시뮬레이션 결과를 피난시뮬레이션 결과에 오버레이(Overlay) 하여 두 Case에서
나타나는 피난안전성 평가결과를 비교․분석하였다.
2. 연구대상 및 화재․피난 시나리오 설정에 따른 시뮬레이션 입력조건
2.1 연구대상
연구대상은 화재 시 연기 배출 어려움에 따른 가시성 감소와 폐쇄된 공간에서의 공황 및 방향감각 상실(3), 제한적 피난경로 및 출입구 인구밀집으로 인한 지상 대피시간 지연(4) 등의 원인으로 대형 인명피해를 유발할 수 있는 지하공간 중 연속된 점포배치와 물품 진열로 인해 화재 확산이 쉬우며, 의류와 화장품 등 가연성이 높은
물품들을 다량 취급하여 화재 위험성이 매우 높은 지하도상가로 선정하였다.(5) 연구대상으로 선정된 지하도상가는 부산광역시 부전동에 위치한 부전몰로 타 지하도상가와 비교하여 상가 총면적 대비 점포면적이 넓고, 복도 면적이 좁아
대피 시 복도에서의 정체가 우려되며, 특히 지상과 연결된 출입계단 수가 적어 전체적인 피난완료에 큰 어려움이 따를 것으로 판단된다. Table 1은 연구대상의 위치, 규모 및 시설현황을 나타낸 것으로 부전몰의 규모는 전체 길이 412 m, 전체 폭 20~30 m, 층고 5 m, 천정고 3 m이며,
시설현황은 점포 334개소, 출입계단 9개소, 전기실 1개소, 기계실 3개소인 것으로 조사되었다. 한편, 점포배치는 수평방향으로 뻗은 2개의 복도를
기준으로 위쪽과 아래쪽에 위치한 점포들이 연속적으로 이어져 있으며, 복도 폭의 경우 4.3 m, 출입계단 입구 통로의 폭은 각각 8.5 m, 4.2
m로 조사되었다.
Table 1. Location, size, and facility status of Bujeon mall
|
Location
|
B737 Jungang-daero, Busanjin-gu, Busan (Bujeon-dong)
|
|
Scale
|
Length : 412 m, Width : 20~30 m, Floor height : 5 m, Ceiling height : 3.3 m
|
|
Facility status
|
Store : 334 place, Entrance stair : 9 place, Electric room : 1 place,
Machine room : 3 place, Restroom 2 place, Fountain 2 place, Square : 2 place
|
2.2 화재시뮬레이션 입력조건
화재 시나리오는 화재 및 피난시뮬레이션의 시나리오 작성기준에서 제시하는 시나리오1에 따라 건물용도, 사용자 중심의 일반적인 화재로 가정하였다. 화재
발생지점은 Fig. 1과 같이 지상과 연결된 다수의 출입계단으로 연기가 빠르게 도달할 수 있는 지하도상가 중앙에 위치한 점포로 설정하였다.
Fig. 1 Initial ignition point by case.
또한, 해당 지하도상가는 다수의 점포가 의류매장으로 이용되고 있어 최초 발화물은 매장 내 의류이며 이후 화재가 성장함에 따라 매장 전체가 화염에
휩싸이는 상황으로 가정하였다. 화재성장속도는 경계면으로 정의되는 화염속도, 전체 면적에 걸친 질량유속 등 점화 과정에 의해 좌우되며, 화재의 성장과정을
나타내는 요소로서 $Q = at^{2}$에 따라 발화 이후부터 시간의 제곱에 비례하여 성장한다.
(6) 여기서 $Q$는 열방출율, $a$는 각 물질의 화재
형태에 따른 상수(화재성장속도 계수), $t$는 발화 이후부터의 시간을 나타내며 성장속도를 결정하는 화재성장
속도 계수의 경우 화재가 1055 KW에 도달하는 시간을 기준으로
Table 2와 같이 Slow, Medium, Fast, Ultra fast 총 4가지로 분류하고 있다.
(7)
Table 2. Classification of fire growth rate
|
Fire Growth Rate
|
Growth Time( $t_{a}$)
|
Coefficient of Fire growth rate( $a$ )
|
|
Range(s)
|
Application(s)
|
|
Slow
|
400< $t_{a}$ ≤600
|
600
|
$a$ ≤0.0066
|
|
Medium
|
150< $t_{a}$ ≤400
|
300
|
0.0066< $a$ ≤0.0469
|
|
Fast
|
75< $t_{a}$ ≤150
|
150
|
0.0469< $a$ ≤0.1876
|
|
Ultra-Fast
|
$t_{a}$ ≤75
|
75
|
$a$ > 0.1876
|
본 연구에서는 실물실험을 통해 얻은 옷가게 열방출율 DB를 참고하여 열방출율을 7896 KW로 설정하였으며
(8), 화재성장속도는 화재 성장을 촉진할 수 있는 요인인 다량의 가연물이 연속적으로 배치된 점과 지하공간의 특성(수평으로 길게 늘어선 형태, 밀폐된 공간,
환기지배형, Rollover 등)을 고려하여 Fast로 설정하여, 화재 발생 $t$=410s 이후 7896 KW의 열을 방출하도록 하였다.
화재시뮬레이션의 격자 크기는 시뮬레이션 계산 정도에 영향을 미치는 요소로 식(1)과 같이 열방출율을 통해 화재반경특성($D$)에 대한 계산이 이루어지며(9), 이에 따른 민감도해석은 식(2)와 같이 그 적정범위를 5에서 10 사이로 판단하고 있다(10).
또한, 화재시뮬레이션을 통한 화재해석 시 시뮬레이션 결과에 대한 신뢰성을 확보하기 위해서 가연물의 연료조성비 및 CO Yield와 Soot Yield
등의 정보가 요구되며, 본 연구에서 화재 발생지점을 의류 매점으로 선정함에 따라, 현재 의류 제조에 가장 많이 이용되고 있는 재료인 폴리에스터(Polyester)에
대한 값을
Table 3과 같이 적용하였다.
(11)
Table 3. Normalized parameter and fuel composition ratio
|
HRR
|
Fire radius Characteristic
|
Grid Size
|
Responsiveness
|
Suit
|
|
7896KW
|
2.19
|
0.3
|
7.3
|
○
|
|
Fuel Composition
|
Polyester(C=1.00, H=1.40, O=0.22, CO Yield=0.07, Soot Yield=0.091)
|
2.3 피난시뮬레이션 입력조건
피난 시나리오는 두 가지 Case 모두 화재 발생 이후 점포 내 설치된 연기감지기의 작동(화재 발생으로부터 30초 후)으로 화재경보가 울림과 동시에
대피자들이 피난을 시작하는 것으로 설정하였다. 대피자 수 산정은 “초고층 및 지하연계 건축물의 재난관리에 관한 특별법”에서 제시하는 용도별 재실자밀도(매장
1 ㎡/명, 통로 2 ㎡/명)를 참고할 경우 점포 내 3,051명, 복도 867명으로 산정된다. 그러나 실제 지하상가 내 인원들이 점포보다 복도에
더 많이 있는 점을 고려하여 점포 내 인원의 일부를 점포 인근 통로 측에 위치하도록 설정하였다. 시뮬레이션 내 대피자들의 보행속도 및 신장은 “표준화재모델에
따른 화재확대방지 및 피난안전설계 기술 개발”에서 제시하고 있는 한국 재실자의 성별 및 연령별 보행속도와 평균 신장을 참고하여 모든 대피자의 특성을
신장 172 cm, 보행속도 1.2 m/s로 설정하였다.(12)
3. 시뮬레이션 결과분석
결과분석 범위는 모델 전체 구역이 아닌 복도 및 통로를 따라 확산하는 연기의 영향으로 대피자들의 확보 가시거리가 인명안전 기준(바닥으로부터 1.8
m를 기준으로 가시거리 5 m 이상 확보) 이하로 떨어져 사망자가 발생하는 Zone B에 한하는 것으로 하였다.
Fig. 2는 화재 발생 80초 후 Case 별 피난 상황을 나타낸 것으로 Case 1에서 연기가 복도 좌․우측을 따라 확산한 후 통로 A로 유입되고 있음에도
불구하고 일부 대피자들은 연기확산구역을 향해 피난하는 모습을 보였으며 화재 발생 90초경 화재발생지점 인근에서 가시거리 감소로 인해 5명(복도 좌측→우측이동
인원 3명, 복도 우측→좌측이동 인원 2명)이 사망하는 것으로 나타났다. 반면, Case 2에서의 대피자들은 복도에 설치된 문이 닫힘에 따라 화재
발생지점을 기준으로 우측에 위치한 인원은 우측 복도, 좌측에 위치한 인원은 좌측 복도를 통해 피난을 수행하였다. 또한, 통로 A로 연기가 유입 시
통로 A에 설치된 문이 닫힘으로써 대피자들은 연기를 피해 피난하는 것을 확인할 수 있었으며 이로 인해 해당 구역에서의 사망자는 발생하지 않는 것으로
나타났다.
Fig. 2 Evacuation situation around 80sec by case.
Fig. 3은 화재 발생 100초 후 Case 별 피난 상황을 나타낸 것으로 Case 1의 경우 일부 대피자들(화재가 발생한 점포를 기준으로 좌측에 위치했던
인원, 연기가 유입된 통로 A를 통과한 인원)은 복도 통과 시 연기와 함께 이동하는 것으로 나타났다. 이때 해당 복도에서의 가시거리는 5 m 이상이므로
사망자가 발생하지 않는 것으로 판단할 수 있으나, 해당 인원 중 일부는
Fig. 2에서 이미 사망한 인원이므로 이후 전체 사망자 수 산정 시 이를 고려할 필요가 있다. 반면 Case 2의 경우 Zone B의 인원들은 연기에 노출되지
않은 채 복도와 통로 B를 따라 피난을 진행하였으며, 사망자 또한 발생하지 않는 것으로 확인되었다.
Fig. 3 Evacuation situation around 100sec by case.
Fig. 4는 화재 발생 127초 후 Case 별 피난 상황을 나타낸 것으로 Case 1에서 연기와 함께 복도를 이동했던 인원들의 경우 보행속도가 연기의 확산속도보다
빨라 연기를 벗어나 피난을 진행하는 것으로 나타났다. Case 2의 경우 연기가 통로 B로 유입되어 설치된 문이 닫힘에 따라 해당 통로를 이용하던
인원들은 방향을 전환하여 연기확산 방향을 피해 피난하는 것을 확인할 수 있다. 이로 인해 통로 B에서 복도로 유입되는 인원과 복도 통과 인원들 사이에
충돌이 발생하게 되어 Case 1과 달리 해당 지점에서 정체가 발생하는 것으로 나타났다.
Fig. 4 Evacuation situation around 127sec by case.
Fig. 5는 화재 발생 172초 후 Case 별 피난 상황을 나타낸 것으로 Case 1에서 연기가 5, 7번 계단 입구 부근까지 확산함에 따라 해당 지점에서
21명의 사망자가 발생한다. 그러나 이 중 3명(복도 좌측→우측)의 인원은
Fig. 2에서 이미 사망하였으므로 총 18명의 사망자가 발생한 것으로 판단하였다. 또한, 복도 우측 및 통로 C를 향한 연기의 확산에도 불구하고 우측 복도
및 통로 C를 따라 연기 확산구역으로 인원들이 진입하는 양상을 보였으며 이로 인해 최종적인 사망자 수는 총 32명으로 집계되었다. 반면, Case
2의 경우 연기가 5, 7번 계단 입구 부근까지 확산함에 따라 해당 지점에서 38명의 사망자가 발생하였다. 그러나 대피자들은 복도 우측 및 통로 C를
향해 확산하는 연기를 피해 복도 우측 및 6, 8번 계단을 향해 피난을 수행함으로써 추가적인 사망자가 발생하지 않는 것으로 확인되었다.
Fig. 5 Evacuation situation around 172sec by case.
4. 결 론
본 연구는 지하공간 및 상가(商街)적 특성으로 인해 높은 화재 위험성을 지닌 지하도상가를 대상으로 화재․피난시뮬레이션을 수행함으로써 연기의 영향을
고려하지 않은 상황에서의 피난안전성 평가결과와 연기의 영향을 고려하여 이를 대피자 이동경로 선택에 반영하였을 때 나타나는 피난안전성 평가결과(사망자
수 및 사망자 발생구역)를 비교․분석하였으며 이를 통해 도출한 결론은 다음과 같다.
(1) 연기의 영향을 고려하지 않은 상황에서의 피난안전성 평가결과, 대피자들은 연기의 이동 방향과 무관하게 피난시뮬레이션 내 이동경로를 따라 출입계단으로
피난하므로 피난개시 초기에 화재 발생지점 인근에서 사망자가 발생한다. 그러나 사망으로 판정된 대피자들이 지속적으로 피난을 수행하므로 이후 전체 사망자
수 산정 시 해당 인원을 제외할 필요성이 있다. 또한, 사망자가 다수 발생하는 출입계단 인근 구간으로의 지속적인 연기확산에도 불구하고 대피자들은 해당
구역으로 진입하여 추가적인 사망자가 발생한다. 전체 사망자 수는 32명으로 확인되며, Case 1의 경우 시뮬레이션 결과분석 과정에서 대피자들은 연기확산
방향을 향해 지속적으로 이동하는 양상을 보이므로 연기의 영향을 고려하지 않은 피난안전성 평가는 신뢰성이 다소 떨어지는 방법인 것으로 판단된다.
(2) 연기의 영향을 고려한 상황에서의 피난안전성 평가결과, 피난 초기 대피자들은 연기확산 방향을 피해 이동하므로 동일 시간대(화재 발생 80s 후)에서의
Case 1과 달리 사망자가 발생하지 않으며, 이후 다수의 사망자가 발생하는 출입계단 인근 구간에 진입하기 전까지 대피자들은 추가적인 사망자 없이
연기의 확산 방향을 피해 피난을 수행한다. Case 2 또한, Case 1과 동일 구간에서 다수의 사망자가 발생하나 연기가 해당 구역 주변으로 확산하자
대피자들은 연기를 피해 다른 출입계단으로 이동하므로 추가적인 사망자가 발생하지 않는다. 그러나 Case 2에서의 전체 사망자 수는 38명으로 Case
1과 비교하여 더 많은 것으로 나타나며 이는 인위적인 피난경로 설정으로 인해 해당 구역으로 대피자들이 밀집하여 발생한 결과로 여겨진다.
연기의 확산방향을 고려하지 않은 채 단순히 출구를 향해 대피자들이 비정상적인 피난을 수행하는 Case 1과 달리 Case 2의 경우 시뮬레이션 결과분석
과정에서 연기확산 방향을 피해 대피자들이 이동하는 양상을 보이므로 피난안전성 평가의 신뢰성 향상 측면에 있어 합리적인 방법인 것으로 판단된다.
후 기
이 연구는 부산대학교 기본연구지원사업(2년)에 의하여 연구되었음.
References
Song Y. J., Kong I. C., Kim H. J., 2019, A Study on Improvement of Evacuation Safety
Evaluation for Performance Based Design in Underground Parking Lot, Fire Science and
Engineering, Vol. 33, No. 2, pp. 86-97
Kim J. H., Lee J. G., Lee K. H., 2020, A Study on the Change of ASET and RSET According
to Installation of Platform Screendoor(PSD) by Type of Subway Platform, Korean Journal
of Air-Conditioning and Refrigeration Engineering, Vol. 32, No. 8, pp. 377-385
Helbing D., Johansson A., Al-Abideen H. Z., 2007, Dynamics of Crowd Disasters: An
Empirical Study, Physical Review E, 046109, Vol. 75
Haghani M., Sarvi M., 2016, Human Exit Choice in Crowded Built Environments: Investigating
Underlying Behavioural Differences between Normal Egress and Emergency Evacuations,
Fire Safety Journal, Vol. 85, pp. 1-9
Park K. J., 2017, A Study on the Evacuation Performance Evaluation of Underground
Streets Using Simulation, Master Thesis, The University of Seoul
Heakstad G., Delichatsios M. A., 1977, Environments of Fire Detectors-Phase 1: Effect
of Fire Size, Ceiling Height, and Material, Vol. 2, Analysis”, NBS-GCR-77-95, National
Bureau of Standards, Gaithersburg, MD
Quintiere J. G., , Principle of Fire Behavior, National Fire Alarm and Signaling Code,
nfpa-72, National Fire Protection Association.
Yoo Y. H., Shin. H. J., Kim H. R., Hwang E. K., Ahn C. S., Kwon O. S., Yun H.
J., Im Y. S., 2009, Development of Fire Spread Prevention and Escape Safety Design
Technique According to Standard Fire Model, Korea Institute of Construction Technology
Baum H. R., McCaffrey H. R. H. R., 1989, Fire Induced Flow Field - Theory and Experiment.
In Fire Safety Science-Proceedings of the Second International Symposium, International
Association for Fire Safety Science, pp. 129-148
NUREG-1824, Verification and Validation of Selected Fire Models for Nuclear Power
Plant Applications, Main Report., U.S. Nuclear Regulatory Commission Office of Nuclear
Regulatory Research, Vol. 1
Korean Fire Protection Association, 2008, The SFPE Handbook of Fire Protection Engineering
Yoo Y. H., Shin H. J., Kim H. Y., Hwang E. K., Ahn C. S., Kwon O. S., Yoon H. J.,
Im Y. S., 2009, Development of Fire Spread Prevention and Escape Safety Design Technique
According to Standard Fire Model, Korea Institute Of Construction Technology(KICT),
pp. 131-141