[논문]대피 및 인명피해 평가 프로그램 개발 및 적용사례

윤성욱; 이동호

doi:10.7474/tus.2011.21.4.274

초록
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대피 및 인명피해 시뮬레이션 기술은 성능위주 설계의 핵심 기술 중 하나이다. 기존 해외에서 개발된 프로그램들은 단순한 인명피해 계산 방식과 비주얼의 조악으로 한계성을 나타내고 있다. 본 연구에서 개발된 대피 및 인명피해 평가 프로그램은 기존의 프로그램의 한계점을 극복함과 동시에 다음의 관련 기술을 향상시키고 실제 사례에 적용하였다. 첫째, 피난계단 뿐만 아니라 엘리베이터를 이용하여 대피할 수 있는 알고리즘을 적용하였다. 둘째, 미국 표준연구소(NIST)의 화재해석 프로그램(FDS, Fire Dynamics Simulator)과 연계(Coupled)를 통해 화재에 의한 인명피해 발생여부 판단이 가능한 프로그램이다. 마지막으로 그래픽 전용 모듈을 적용하여 현실에 가까운 3차원 가상현실을 구현하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

Evacuation and Fatalities Simulation is one of the core technologies for performance based design. Recently, developed programs in foreign countries have limitations such as simple fatality calculation and coarse visual interface. This study developed an advanced evaluation program for evacuation an...

Evacuation and Fatalities Simulation is one of the core technologies for performance based design. Recently, developed programs in foreign countries have limitations such as simple fatality calculation and coarse visual interface. This study developed an advanced evaluation program for evacuation and fatalities to overcome limitations of existing programs and improve various applications, i.e., an evacuation algorithm using elevators as well as evacuation stairs. In addition, the evaluation program can let users make a decision of fatalities from fire by coupling with FDS (Fire Dynamics Simulator) from NIST and realizes three-dimensional virtual space using a graphic module.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

개발된 대피 및 인명피해 프로그램의 검증 및 적용성을 평가하기 위해 초고층 복합건물, 터널 등에서 대피 시뮬레이션을 수행하였으며 본고에서는 터널 및 지하 정거장에 적용한 사례에 대해서만 간략하게 소개하고자 한다.
위에서 언급된 한계점들을 극복함과 동시에 관련 기술을 향상시키고자 약 2년간의 산학연구를 수행하였기에 간략하게나마 본 고에 개발된 기술을 소개하고자 한다.

가설 설정

35 m, 높이 2 m인 대인용 대피통로가 있으며 특히, 750 m 간격으로는 차량용 대피통로가 위치하고 있는 것으로 하였다(그림 8). 화재는 대인용 대피통로 바로 앞에서 발생한 것으로 하였으며 화재가 발생하자마자 대피자 전원이 차량에서 탈출하여 화재 발생지점 후방 방향의 가장 가까운 피난통로 방향으로 대피하는 것으로 가정하였다. 이 때, 총 대피인원은 750 m의 해석구간 내에 들어갈 수 있는 차종별 최대 차량 수를 감안하여 결정하였는데, 이 때 운전자 및 탑승자를 포함하여 총 1260명이 대피하는 것으로 산정되었다.

제안 방법

2년간의 산학연구를 통해 대공간에서의 대피 및 화재에 의한 인명피해 예측 프로그램을 개발하였다. 기존 유사 프로그램의 장단점을 분석하여 장점을 계승함과 동시에 화연에 의한 속도저하 알고리즘, 엘리베이터 대피 알고리즘, 진보된 인명피해 알고리즘, 강력한 3차원 visualization 등으로 차별화하였다. 초고층 복합건물, 지하 정거장, 지하 쇼핑몰과 같은 대규모 구조물 방재계획 및 설계를 위해 개발 프로그램 단독 적용이 가능하며 다양한 시나리오의 분석이 필요한 정량적 화재 위험도 평가(Quantitative Risk Analysis) 수행 시에도 상당히 활용도가 높을 것으로 판단되다.
가용 대피시간과 소요 대피시간을 단순비교하는 방식에서는 재실자가 특정 위치에서 열 또는 유독성 가스에 순간적으로 노출되어 인명피해가 발생한다고 가정하고 있으나 실제로는 대피자가 열 또는 유독성 가스에 지속적으로 노출됨으로 인해 독성이 체내에 축적되어 사망에 이르는 경우가 더 많기 때문에 이러한 메커니즘을 고려한 방식이 더 합당하다. 따라서 개발된 프로그램에서는 기존 방식이 아닌 대피자 개개인 별로 열 및 유동가스 노출에 의한 데미지를 고려하는 방식을 새롭게 고안하여 기존의 방식보다는 보다 진보된 방식을 선택하도록 하였다.
또한 대피자의 움직임 모델은 대피자를 중심으로 주변에 미치는 힘을 아래와 같이 계산하여 본 프로그램에 적용하였다.
FED는 대피자가 일정시간동안 유해가스를 흡입함으로서 무기력 또는 치사상태에 도달하게 되는 복용분량 비로서 정의되는데 구체적으로 사망 판별 기준이 되는 FED 값은 문헌마다 다른 값을 적용하고 있으며 이에 대한 연구는 계속 진행 중에 있다. 본 프로그램에 적용된 FED 모델에 대한 구체적인 내용은 참고문헌에 잘 나와 있으므로 생략하도록 한다.
본격적인 대피 및 인명피해 프로그램 개발을 위해 다음과 같은 개발목표가 반영되도록 프로그래밍을 수행 하였다.
서론에서 언급한 바와 같이 초고층 복합건물, 대형 지하 정거장 등 대규모 구조물에서 총대피시간을 단축하고 노약자, 장애인 등의 대피를 원활하게 하기 위해 최근 국내외에서 대피용 엘리베이터의 적용이 고려되고 있는 점을 감안하여 피난 계단 뿐만 아니라 엘리베이터를 이용해서 대피를 시뮬레이션 할 수 있는 모델을 그림 4와 같이 적용하였다.

대상 데이터

해석을 하고자 하는 터널은 쉴드 TBM 굴착방식에 의한 Twin tube 형태의 하저터널로서 터널 중간부 약 750 m 구간에 대해 피난해석을 수행하였다(그림 6 및 7). 250 m 마다 터널과 터널 사이를 연결하는 폭 1.35 m, 높이 2 m인 대인용 대피통로가 있으며 특히, 750 m 간격으로는 차량용 대피통로가 위치하고 있는 것으로 하였다(그림 8). 화재는 대인용 대피통로 바로 앞에서 발생한 것으로 하였으며 화재가 발생하자마자 대피자 전원이 차량에서 탈출하여 화재 발생지점 후방 방향의 가장 가까운 피난통로 방향으로 대피하는 것으로 가정하였다.
다음은 경전철 운행을 위한 지하정거장에서의 대피 시뮬레이션을 수행한 사례이다. 그림 10에 나타난 것과같이 해석 대상이 된 지하정거장은 총 4층으로 구성되어 있으며 2개의 계단 및 2대의 에스컬레이터가 운행된다. 현재 지하정거장에서의 대피 계획 및 설계는 국토해양부 고시 제2010-715호 “도시철도 정거장 및 환승, 편의시설 보완 설계 지침⁴⁾”을 따르도록 되어 있는데 이 지침에서는 상행 또는 하행선에서 화재시 승강장으로 부터는 총 4분 이내, 승강장부터 외부까지는 총 6분 이내에 대피가 완료되도록 하고 있다.
화재는 대인용 대피통로 바로 앞에서 발생한 것으로 하였으며 화재가 발생하자마자 대피자 전원이 차량에서 탈출하여 화재 발생지점 후방 방향의 가장 가까운 피난통로 방향으로 대피하는 것으로 가정하였다. 이 때, 총 대피인원은 750 m의 해석구간 내에 들어갈 수 있는 차종별 최대 차량 수를 감안하여 결정하였는데, 이 때 운전자 및 탑승자를 포함하여 총 1260명이 대피하는 것으로 산정되었다.
해석을 하고자 하는 터널은 쉴드 TBM 굴착방식에 의한 Twin tube 형태의 하저터널로서 터널 중간부 약 750 m 구간에 대해 피난해석을 수행하였다(그림 6 및 7). 250 m 마다 터널과 터널 사이를 연결하는 폭 1.

성능/효과

개발된 프로그램으로 대피 시뮬레이션을 수행했을 때의 대피장면은 그림 11에 나타내었다. 대피해석을 수행해 본 결과, 지하정거장에서 대피하는데 소요되는 시간은 전 대피인원이 승강장(지하 4층)을 탈출하는데 2분 40초, 지하역사 전체를 탈출하는 데에는 총 5분 10초가 소요되는 것으로 해석되어 본 정거장의 대피설계가 기준을 만족하는 것으로 판단되었다.
현재 지하정거장에서의 대피 계획 및 설계는 국토해양부 고시 제2010-715호 “도시철도 정거장 및 환승, 편의시설 보완 설계 지침⁴⁾”을 따르도록 되어 있는데 이 지침에서는 상행 또는 하행선에서 화재시 승강장으로 부터는 총 4분 이내, 승강장부터 외부까지는 총 6분 이내에 대피가 완료되도록 하고 있다. 상기 지침에 따라 상행 열차에서 화재가 발생했을 경우 대피인원을 산정해 본 결과 상행으로부터는 317명, 하행으로부터는 186명이 대피가 필요하여 총 481명이 대피해야 되는 것으로 계산되었다. 개발된 프로그램으로 대피 시뮬레이션을 수행했을 때의 대피장면은 그림 11에 나타내었다.
총 대피인원이 대피하는데 걸린 시간은 약 5분 31초로 계산되었으며 이 결과 값은 영국에서 개발되었으며 국내에서 가장 많은 유저를 확보한 Simulex 를 이용하여 독립적으로 계산된 값과 약 5% 이내의 차이를 보였다. 이번에 개발된 프로그램에 적용된 대피 알고리즘과 Simulex에 적용된 알고리즘이 거의 유사한 점을 고려했을 때 개발된 프로그램의 결과가 유효함을 알 수 있다.
대피자들은 먼저 차량과 차량사이를 지나 피난통로가 위치한 벽면 쪽으로 이동한 뒤 벽면을 따라 피난통로 방향으로 이동하는 현상이 관찰되었다. 총 대피인원이 대피하는데 걸린 시간은 약 5분 31초로 계산되었으며 이 결과 값은 영국에서 개발되었으며 국내에서 가장 많은 유저를 확보한 Simulex 를 이용하여 독립적으로 계산된 값과 약 5% 이내의 차이를 보였다. 이번에 개발된 프로그램에 적용된 대피 알고리즘과 Simulex에 적용된 알고리즘이 거의 유사한 점을 고려했을 때 개발된 프로그램의 결과가 유효함을 알 수 있다.

후속연구

초고층 복합건물, 지하 정거장, 지하 쇼핑몰과 같은 대규모 구조물 방재계획 및 설계를 위해 개발 프로그램 단독 적용이 가능하며 다양한 시나리오의 분석이 필요한 정량적 화재 위험도 평가(Quantitative Risk Analysis) 수행 시에도 상당히 활용도가 높을 것으로 판단되다. 이미 세계적 수준에 뒤지지 않는 것으로 판단되나 향후 지속적인 연구활동을 통해 동 분야 국내 기술 발전에 이바지 할 수 있을 것으로 판단된다.
기존 유사 프로그램의 장단점을 분석하여 장점을 계승함과 동시에 화연에 의한 속도저하 알고리즘, 엘리베이터 대피 알고리즘, 진보된 인명피해 알고리즘, 강력한 3차원 visualization 등으로 차별화하였다. 초고층 복합건물, 지하 정거장, 지하 쇼핑몰과 같은 대규모 구조물 방재계획 및 설계를 위해 개발 프로그램 단독 적용이 가능하며 다양한 시나리오의 분석이 필요한 정량적 화재 위험도 평가(Quantitative Risk Analysis) 수행 시에도 상당히 활용도가 높을 것으로 판단되다. 이미 세계적 수준에 뒤지지 않는 것으로 판단되나 향후 지속적인 연구활동을 통해 동 분야 국내 기술 발전에 이바지 할 수 있을 것으로 판단된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	가용 대피시간(ASET)과 소요 대피시간(RSET)을 단순 비교하는 방식의 장점은?	이상에서 설명한 가용 대피시간(ASET)과 소요 대피시간(RSET)을 단순 비교하는 방식은 이해하기 쉽고 계산이 간편한 장점이 있으나 실제 현실에서 화연에 의해 인명피해가 발생하는 과정 등을 고려해 볼 때 문제가 있다. 가용 대피시간과 소요 대피시간을 단순비교하는 방식에서는 재실자가 특정 위치에서 열 또는 유독성 가스에 순간적으로 노출되어 인명피해가 발생한다고 가정하고 있으나 실제로는 대피자가 열 또는 유독성 가스에 지속적으로 노출됨으로 인해 독성이 체내에 축적되어 사망에 이르는 경우가 더 많기 때문에 이러한 메커니즘을 고려한 방식이 더 합당하다.
	구조물에서의 화재시 대피 안전성을 평가하는 가장 보편적인 방법은?	본격적인 개발 프로그램 소개에 앞서 구조물에서의 대피 안전성 평가에 대한 개념 이해가 필요하다. 구조물에서의 화재시 대피 안전성을 평가하는 데에는 몇가지 방법들이 있지만 가장 보편적인 방법은 재실자가 안전지역(또는 최종대피장소)까지 대피하는데 소요되는 최소한의 시간인 소요 대피시간(Required Safe Egress Time, RSET)과 화재로부터 발생한 화연이 안전지역 (또는 최종대피장소)까지 확산된 후 화연의 온도 또는 독성가스가 위험수준까지 이르는데 걸리는 시간, 즉 대피자가 안전지역으로 안전하게 대피하는데까지 확보 가능한 시간을 의미하는 가용 대피시간(Available Safe Egress Time, ASET)을 서로 비교하는 것이다. 소요 대피시간(RSET)와 가용 대피시간(ASET)을 좀 더 자세히 들여다보면, 소요 대피시간(RSET)은 재실자들의 성별, 연령 등의 특성에 따른 보행속도, 신체 크기 및 안전지역까지의 대피거리 등과 밀접한 연관성을 가지고 있고 가용 대피시간(ASET)은 화연의 확산 및 하강 속도, 플래시오버 발생시간 등과 밀접한 관련이 있음을 알 수 있다.

참고문헌 (4)

Thompson, P.A. and Marchant, E.W. Testing and Application of the Computer Model 'Simulex', Fire Safety Journal 24, 1995, pp. 149-166.

상세보기
National Fire Protection Engineers (NFPE), Handbook of Fire Protection Engineering, 3rd Edition, 2008.
Klote. J.H. and Milke J.A. Principles of Smoke Management, American Society of Heating, Refrigerating and Air-Conditioning Engineers (ASHRAE), 2002, pp. 36.
국토해양부, "도시철도 정거장 및 환승, 편의시설 보완 설계 지침", 국토해양부 고시 제2010-715호.

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