3.1 오피스텔 모델링

Fig. 1은 오피스텔 모델의 평면도를 나타낸다. 오피스텔은 중앙 코어(Center core)형으로 대부분 고층의 오피스텔은 경제적 이유로 이러한 계획을 채택하고 있다. 화재 발생에 따른 피난 문과 계단은 코어의 양측 끝단에 위치하며 출입문 앞에 디바이스(Device)를 설치하여 산소, 이산화탄소, 일산화탄소, 온도, 가시거리를 측정하였다. 한편, 소방설비 시스템에 의한 방재 계획은 건축물의 형태, 구조 등의 개별적인 특성에 의해 달라질 수 있으므로 고려하지 않았다. 오피스텔 모델에 대한 상세조건은 Table 2에 나타내었다.

Fig. 1 Floor plan of officetel model.

3.2 화재 및 피난 시뮬레이션 조건

화재 시뮬레이션은 건축물에 화재 발생 시 온도, 가시도, 일산화탄소, 이산화탄소, 산소의 허용한계시간을 파악하기 위해 Pyrosim 소프트웨어를 사용하였다. 화재 시나리오 설정은 소방청에서 제공하는 최근 5년간 화재통계자료⁽⁸⁾에 근거하였다. 화재 시나리오는 화재 발생유형이 가장 높은 음식물 요리 도중 가스 취급 부주의에 의한 화재로 결정하였으며 화재 감지기와 경보기는 화재 발생 후 30초 시점에 작동하는 것으로 설정하였다. 화재 발생에 대한 세부조건은 Table 3과 같이 설정하였다.

화재 시뮬레이션 Pyrosim에서 해석한 화재 상황에 대한 피난 양상과 시간을 예측하기 위해 Pathfinder 소프트웨어를 사용하였다. 입력조건은 재실자가 탈출로에 익숙하다는 전제하에 반응시간을 2분으로 설정하였으며 화재 감지 후 모든 재실자가 피난계단으로 탈출하도록 설정하였다. 피난 지연시간은 건축물이 방재센터의 설비가 갖춰진 통제실이 있다고 가정하여 120초로 설정하였다. 대피 인원수는 소방시설 등의 성능위주 설계방법 및 기준의 업무용도에 근거하여 173명으로 산정하였다. 구성인원 비율 및 신체특성은 Table 4와 같다.

한국과 선진국에서는 건축물에서 화재발생에 따른 피난 안전성 확보를 위해 건축계획의 관점에서 (1) 피난 통로의 폭, (2) 피난 문의 폭, (3) 피난계단의 배치에 따라 규정을 분류하고 있다. 따라서, 본 연구에서는 세 가지 유형의 건축계획 요소에 대한 화재 양상과 재실자의 피난 시간을 예측하고자 Case study를 수행하였다.

Table 5는 Case study 조건을 나타낸다. 피난 통로의 폭은 현재 규정을 기준(1.8 m)으로 1.4 m부터 3.0 m까지 0.2 m 간격으로 설정하였다. 피난 문의 폭은 0.8 m부터 1.6 m까지 0.1 m 간격으로 결정하였다. 한편, 계단의 배치는 미국 화재 안전법규 NFPA 101의 대각선 법칙을 참조하여 (1) 대각배치, (2) 단변배치, (3) 중앙 집중배치, (4) 중앙 이격배치의 네 가지 형태로 구분하였다.

4.1 피난 완료 기준 설정

화재발생에 따른 재실자의 안전한 피난은 RSET(Require safe egress time)이 ASET(Available safe egress time)보다 짧아야 한다. RSET과 ASET에 대한 안전한 피난의 성립은 식(1)과 같이 나타낼 수 있다. RSET은 감지시간($t_{d}$), 경보시간($t_{a}$), 지연시간($t_{p}$), 대피시간($t_{t}$)을 통해 식(2)와 같이 계산할 수 있다. 피난이 경과한 후에도 여유시간(Risk interval)이 존재해야 안전한 피난이 성립된다.

본 연구에서는 Case study에 따른 RSET과 ASET의 결과를 영역(Zone)을 통해 나타내었으며 Zone 1, Zone 2, Zone 3으로 구성하였다. Zone 1은 재실자가 피난을 완료하지 못한 상태($ASET-RSET<0$)이고, Zone 2는 재실자가 피난을 완료한 상태($ASET-RSET >0$)를 나타낸다. Zone 2는 스프링클러(Sprinkler)가 작동하지 않는 최악의 상황에서 건축계획적 요소만으로 재실자 모두가 피난에 성공할 수 있는 영역을 의미한다. 한편, Zone 3은 $ASET-RSET$ 값의 감소량이 전체 감소율 대비 4% 미만이 되는 시점을 나타낸다.

4.2 피난 통로의 폭

Fig. 2는 피난 통로의 폭에 따른 ASET과 RSET을 나타낸다. 피난 통로의 폭에 따른 ASET과 RSET의 상세 값은 Table 6에 나타내었다. 피난 통로의 폭이 증가할수록 화재 확산속도가 감소하여 ASET이 증가하였다. 또한, 재실자가 피난할 때 병목현상을 일부 해소할 수 있어 RSET이 감소하는 경향을 나타냈다. 건축 규정에 근거한 피난 통로의 폭은 1.8 m(Case 3) 조건으로 Door 1과 Door 2의 $ASET-RSET$ 값은 -2.1, -3.9로 계산되었다. 건축 규정에 근거하여 피난 통로의 폭을 결정할 경우 재실자는 전원 피난이 불가하였다.

한편, 피난 통로의 폭이 건축 규정보다 11% 증가하여 2.0 m 이상 확보된다면 $ASET-RSET$의 값이 양수로 전환되어 재실자 전원이 피난할 수 있었다. 중앙 코어형 오피스텔에서 피난 통로의 폭이 증가함에 따라 재실자의 피난 시간을 더 많이 확보할 수 있었다. 그러나, 피난 통로의 폭이 2배 이상 넓어져도 ASET의 시간은 크게 증가하지 않으므로 실제 피난 상황에서는 한계점이 있을 것으로 판단된다.

Fig. 2 Fire and evacuation pattern under width of corridor condition.

4.3 피난 문의 폭

Fig. 3은 피난 문의 폭에 따른 ASET과 RSET을 나타낸다. 피난 문의 폭에 따른 ASET과 RSET의 상세 값은 Table 7에 나타내었다. 피난 문의 폭이 넓어 짐에 따라 ASET과 RSET은 감소하는 추세를 나타냈다. 특히, 피난 문의 폭이 성인 남성 어깨너비의 3배(1.2m) 정도를 확보할 때 건축 규정(0.9 m) 대비 RSET을 10초 이상 감소할 수 있었다. 한편, 건축 규정에 근거한 피난 문의 조건에서 Door 1과 Door 2의 $ASET-RSET$ 값은 -2.3, -3.9로 계산되었으며 재실자는 피난이 불가하였다.

피난 문의 폭이 1.0 m 이상일 때 Door 1과 Door 2는 $ASET-RSET$ 값이 양수로 확인되었다. 피난 문의 폭이 1.2 m 이상 확보되면 피난 완료 후 여유시간을 10초 이상 가질 수 있었다. 피난 안전성과 함께 건축물의 경제성을 고려할 때 피난 통로보다 피난 문의 폭이 더 효과적인 것으로 사료된다.

Fig. 3 Fire and evacuation pattern under width of exit condition.

Fig. 4 Fire and evacuation pattern under arrangement of exit condition.

4.4 피난계단 배치

화재 발생 위치는 같지만, 피난계단 배치의 변화에 따라 ASET을 측정할 수 있는 디바이스의 위치가 변경되고 ASET은 화재 발생 위치에 따라 영향을 받으므로 유의미한 ASET 계산이 불가하다. 따라서, 피난계단 배치의 경우 피난 시뮬레이션을 통한 RSET 값만 계산하였다.

Fig. 4는 피난계단 배치에 따른 피난 양상을 나타낸다. Door 1과 Door 2의 RSET 값은 Table 8에 나타내었다. (1) 중앙이격배치, (2) 대각배치, (3) 단변배치, (4) 중앙집중배치 순으로 RSET이 단축되었으며 계단의 출입구 평균 통과속도가 증가하여 재실자 밀도가 감소하였다. 중앙집중배치는 모든 방(Room)으로부터의 거리가 일정하므로 근접한 두 개의 계단 출입구와 가까운 방의 인원이 먼저 대피가 이루어지는 순차적 피난이 가능하다. 특히, 중앙이격배치가 다른 배치보다 피난 인원의 병목현상을 적게 발생시켰다.