[논문]성능위주설계에서 화재위험성 예측 과정의 문제점 및 개선방안

이세명

doi:10.12812/ksms.2014.16.3.145

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Performance based design(PBD) is the method to make a fire safety design against them after predicting the factors of fire risk in a building. Therefore, predicting fire risk in a building is very important process in PBD. For predicting fire risk of a building, an engineer of PBD must consider vari...

Performance based design(PBD) is the method to make a fire safety design against them after predicting the factors of fire risk in a building. Therefore, predicting fire risk in a building is very important process in PBD. For predicting fire risk of a building, an engineer of PBD must consider various factors such as ignition location, ignition point, ignition source, first ignited item, second ignited item, flash over, the state of door and fire suppression system. But, it is difficult to trust fire safety capacity of the design because the process in Korea' PBD is unprofessional and unreasonable. This paper had surveyed some cases of PBD that had been made in Korea to find the problems of the process to predict fire risk. And it have proposed the improvements of process to predict fire risk of a building.

주제어

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문제 정의

우리나라는 2011년 7월 1일에 소방시설 등의 성능위주설계 방법 및 기준이 제정되고 대상건축물은 반드시 성능설계를 실시하도록 의무화함에 따라 성능설계 제도가 본격적으로 시행되었으나[2], 지금까지 수립된 성능설계의 화재위험 예측과정에서 전문성과 합리성이 결여되어 성능설계안의 화재안전성능을 확신할 수 없다는 비판이 제기되고 있다. 이러한 배경에 기초하여 본 연구는 국내 성능설계사례를 조사하여 화재위험 예측과정의 문제점을 분석하고 향후 개선방안을 제안하였다.

가설 설정

예를 들어, 스프링클러 설비가 정상적으로 작동된 경우 화재는 플래시 오버에 도달하기 전에 제어되거나 진압될 가능성이 높으므로 설계화재크기를 상대적으로 작게 선정하는 것이 가능해진다. 이와 관련하여 NFPA 101(Life Safety Code)에서는 성능설계를 수립하기 위해 빈도는 높으나 피해규모는 작은 상황, 빈도는 낮으나 피해규모가 큰 상황, 그리고 특수상황을 고려하여 최소 3개 이상의 화재시나리오를 선정하도록 권장하고 있고, 그 중에서 처음 두 종류의 시나리오는 소화설비가 설계된 대로 작동 될 것이라는 가정을 내포하고 있으며 세 번째는 소화설비에 문제가 발생되는 경우를 가정한 시나리오이다[6].

제안 방법

해외의 성능설계 관련 코드와 참고문헌에는 화재위험 예측과정에서 고려해야 할 사항들에 대해 기술하고 있으며 이들은 성능설계분야에서 널리 활용되고 있는 기술 참고문헌들이다. 문헌을 통해 살펴본 결과, [Table 1]과 같이 발화 장소 및 발화지점, 발화원, 최초 착화품목, 두 번째 착화품목, Flashover 발생여부, 출입문 상태, 소화설비 작동 등이 화재위험예측을 위한 중요한 고려사항 임을 확인할 수 있었고 이러한 요소들을 토대로 조사대상 사례들을 분석하였다.
6개의 설계화재시나리오를 선정하여 화재위험예측 및 평가를 수행하였다. 소방시설 등의 성능위주설계 방법 및 기준에는 가장 피해가 클 것으로 예상되는 최소 3개 이상의 시나리오를 선정하여 화재 및 피난시뮬레이션을 수행하도록 규정하고 있으나, 필요한 경우에 성능설계 엔지니어의 자발적 의사 또는 성능설계 심의 과정에서 심의위원의 요구에 의해 설계화재시나리오를 추가하였다. 이들 설계화재시나리오 중에서 대표적인 6개용도(오피스, 공동주택, 오피스텔, 판매시설, 숙박시설, 문화 및 집회시설)의 70개 설계화재시나리오를 선정하여 화재위험 예측요소별로 정리한 것이[Table 3]이다.

대상 데이터

조사대상을 분석해 본 결과, 우리나라는 성능설계 시행 초기의 2건을 제외하고는 플래시 오버를 거쳐 최성기에 도달하는 상황을 전제로 설계화재크기를 선정하고 있어 플래시 오버와 관련해서는 보수적 설계가 이루어지고 있음을 알 수 있었다. 2건의 경우는 2011년 8월과 9월에 작성된 것으로서 스프링클러설비의 작동을 고려하여 화재크기를 작게 설정하였다.
본 논문의 연구를 위해 성능설계 시행 초기부터 최근까지 완료된 30건의 성능설계 보고서를 조사 분석하였다. [Table 2]에서 조사 대상은 2011년 7월부터 2011년 12월까지 7건, 2012 1월부터 2012년 6월까지 6건, 2012년 7월부터 2012년 12월까지 6건, 2013년 1월부터 2013년 6월까지 5건, 2013년 7월부터 2013년 12월까지 6건으로 작성 시기가 고르게 분포되어 있어서 기간의 편중됨 없이 화재위험 예측과정을 분석할 수가 있었다.
본 논문의 연구를 위해 성능설계 시행 초기부터 최근까지 완료된 30건의 성능설계 보고서를 조사 분석하였다. [Table 2]에서 조사 대상은 2011년 7월부터 2011년 12월까지 7건, 2012 1월부터 2012년 6월까지 6건, 2012년 7월부터 2012년 12월까지 6건, 2013년 1월부터 2013년 6월까지 5건, 2013년 7월부터 2013년 12월까지 6건으로 작성 시기가 고르게 분포되어 있어서 기간의 편중됨 없이 화재위험 예측과정을 분석할 수가 있었다.
조사를 위해 선정된 30건의 성능설계 대상 건축물의 설계화재시나리오는 총 107건이었으며 1건의 성능설계수립 시 약 3.6개의 설계화재시나리오를 선정하여 화재위험예측 및 평가를 수행하였다. 소방시설 등의 성능위주설계 방법 및 기준에는 가장 피해가 클 것으로 예상되는 최소 3개 이상의 시나리오를 선정하여 화재 및 피난시뮬레이션을 수행하도록 규정하고 있으나, 필요한 경우에 성능설계 엔지니어의 자발적 의사 또는 성능설계 심의 과정에서 심의위원의 요구에 의해 설계화재시나리오를 추가하였다.

성능/효과

70개 설계화재시나리오의 용도별 발화 장소 선정 빈도를 조사해 본 결과, [Figure 1]과 같이 오피스와 판매시설 그리고 숙박시설의 경우 각각 사무 공간, 판매장, 객실이 발화 장소로 가장 많이 선정되었으며 오피스텔은 주방(6건), 거실(4건), 침실(3건), 사무 공간(2건), 공동주택은 침실(4건), 거실(2건), 주방(1건), 그리고 문화 및 집회시설은 무대 부(3건), 객석(2건), 외부홀(2건)의 순으로 발화 장소가 비교적 고르게 선정되었다. 이것은 성능설계 엔지니어들이 해당 용도별 발화가능성이 높은 장소를 이와 같이 예측하고 있음을 의미하는 것이다.
때문에 발생 가능성이 높은 발화원의 위치와 실 내부 배치계획을 고려하여 발화지점을 선정하여야 신뢰할 수 있는 화재예측이 가능하다. 70개 조상대상에 대한 발화지점 선정 경향을 분석해 본 결과 크게 4개 지점 즉, 피난계단에 근접한 지점(P1), 내부 배치계획이 고려된 지점(P2), 실의 가운데 지점(P3), 피난계단에서 멀리 떨어진 지점(P4)을 발화지점으로 선정하고 있음을 확인할 수 있었다. 이 중에서 내부 배치계획(P2)을 고려하여 발화지점을 선정한 경우는 불과 3건에 불과하였고 피난계단에 근접한 지점(P1)을 발화지점으로 선정한 경우는 28건으로 이 중에서 22건이 오피스텔과 숙박시설이었다.
그리고 화재가 발생했을 때 재실 자가 문을 개방한 상태로 피난하거나 다수의 재실 자들에 의한 연속적 피난이 발생할 수 있다는점을 감안하여 판매시설, 오피스, 공동주택, 문화 및 집회시설의 경우 대부분 출입문을 개방한 상태로 화재위험예측·평가를 수행하고 있음을 확인할 수 있었다.
이에 반해 우리나라의 경우에는 성능설계 시행초기(2011년 08월·09월)에 작성된 2건의 성능설계 보고서 이외에는 대부분이 소화설비가 작동하지 않는 상황을 가정하여 화재위험성평가가 이루어지고 있음을 확인할 수 있었다.
하지만, 성능설계가 안전율이 높은 설계가 되기 위해서는 플래시 오버의 발생을 염두에 두고 설계화재의 크기를 선정할 필요가 있다. 조사대상을 분석해 본 결과, 우리나라는 성능설계 시행 초기의 2건을 제외하고는 플래시 오버를 거쳐 최성기에 도달하는 상황을 전제로 설계화재크기를 선정하고 있어 플래시 오버와 관련해서는 보수적 설계가 이루어지고 있음을 알 수 있었다. 2건의 경우는 2011년 8월과 9월에 작성된 것으로서 스프링클러설비의 작동을 고려하여 화재크기를 작게 설정하였다.
현행 성능설계의 화재위험 예측과정을 살펴본 결과, 발화원, 발화지점, 착화품목 등의 선정이 과학적인 자료와 통계에 근거하지 않고 성능설계 엔지니어의 직관과 다른 성능설계 보고서 내용을 그대로 적용하는 경우가 많음을 확인할 수 있었다. 화재위험예측이 합리적으로 이루어지기 위해서는 다음과 같은 개선이 필요하다.

후속연구

만약, 화재로부터의 안전을 확보하기 어려운 배치계획이 발견될 경우에는 성능설계 보고서의 제한사항 항목에 기재함으로써 준공 후 배치계획 수립 단계에서 배제되도록 하고, 더 나아가 건물용도 변경으로 화재위험성을 예측·평가할 경우에도 반영이 되도록 한다. 셋째, 자동식 소화설비(스프링클러설비 등)의 경우 보수적인 화재안전설계를위해 작동하지 않는 경우를 기본으로 하되, 피난한계시간(ASET)과 피난요구시간(RSET)의 차이가 크지 않을 경우에는 현재의 성능설계 결과의 높은 불확실성을 감안하여 자동식 소화설비 작동에 따른 효과도 함께 제출하도록 하여 성능설계 심의과정에서 종합적으로 고려할 필요가 있다. 넷째, 출입문의 경우에는 개방되어 화염 및 연기가 원활히 전파되는 조건을 기본으로 하되 상시 폐쇄상태를 유지할 것으로 예상되는 오피스텔과 숙박시설 객실의 주출입구는 상황에 따라 폐쇄상태로 화재위험 예측·평가를 수행하는 것을 인정해 줄 필요가 있다.
하지만, 성능설계의 기본 취지가 건축물의 화재위험성을 미리 예측·평가하고 그 위험성에 기반 하여 소방 설계를 한다는 측면에서 보았을 때, 현행과 같이 소화설비의 성능에 따른 설계의 융통성을 발휘할 여지가 없다면 성능위주 소방설계라는 이름에 걸맞지 않게 해당 건축물이 갖고 있는 화재위험성을 건축피난방화 설비에만 의존해서 해결해야 하는 모순이 발생하게 되고 이는 우리 스스로 성능설계에서 소방 설계의 역할을 축소시키는 결과를 초래할 수도 있다. 소화설비의 작동을 고려하지 않을 경우 비경제적으로 과도한 설계가 이루어질 수 있고 또 한편으로 소화설비를 고려하여 화재위험성을 평가하기에는 아직 우리의 기술력이 그것을 검증할 단계에 이르지 못한 상황임을 감안해 보았을 때 소화설비가 작동하지 않았을 경우와 정상적으로 작동하였을 경우에 대한 화재위험성평가 결과를 성능설계 보고서에 함께 제시하도록 하고 두 결과 값을 토대로 해당 설계안의 허용여부를 심의기관에서 합리적으로 결정하는 방안을 고려해 볼 필요가 있다.
예를 들어, 판매시설 매장과 오피스 업무공간의 Refrigerator, 오피스 화장실의 Dresser, 숙박시설 객실의 Two panel workstation, 문화 및 집회시설의 Love seat 등은 다소 현실성과 보편성이 떨어지는 착화물품을 선정한 사례들이다. 이러한 문제점이 발생하는 이유는 우리나라가 보유하고 있는 가연물의 실 화재 실험 자료가 많지 않아 우리와 생활패턴 및 가연물의 종류가 다른 외국의 자료를 참고하여야 하는 한계로 인해 발생하는 것이며, 앞으로 연구소 및 대학기관을 통해 점진적으로 우리나라의 실정에 맞는 실 화재 실험 자료를 구축해 나갈 필요가 있다. 그 전에 성능설계 엔지니어는 현재의 한계상황에서도 실제 화재상황에 가장 부합하는 착화물품의 선정과 관련 화재특성자료를 성능설계에 반영하려는 노력이 요구된다.
화재위험예측이 합리적으로 이루어지기 위해서는 다음과 같은 개선이 필요하다. 첫째, 용도별로 가장 빈도가 높거나 피해규모가 클 것으로 예상되는 발화원을 통계자료 등을 통해 규명하고 자료화할 필요가 있으며 그러한 자료를 토대로 설계단계에서 공간 내의 모든 가능한 가연물에 대한 조사가 이루어져야 한다. 둘째, 미래 공간의 배치계획에 대한 다양한 경우의 수를 고려한다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	성능설계란 무엇인가?	성능설계는 화재로 인한 인명 및 재산피해가 클 것으로 예상되는 초고층 복합 건축물에 대해 미래 발생가능한 화재위험요소를 미리 예측하여 화재안전설계를 수립하는 설계방법이다. 건축물이 안고 있는 다양하고 복잡한 잠재위험요소를 정확하게 파악하고 이에 대한 안전대책을 수립하는 문제는 매우 복잡하고 어려운 문제이다[1].
	성능위주 소방 설계제도의 도입 목적은?	하지만,초고층 건축물은 화재 및 각종 재난이 발생할 경우 기존의 소규모 건축물과 비교할 수 없을 정도로 대규모 인명 및 재산피해를 유발할 수 있다[15]. 이에 화재 등의 재난으로부터 건축물의 안전성을 높이기 위해서 화재 소방분야에서는 성능위주 소방 설계(이하 성능설계)제도를 도입하여 시행하고 있다.
	성능설계의 절차는?	성능설계는 다음과 같은 절차로 이루어진다. 첫 번째가 고객의 안전 목표에 따른 설계 목적의 설정, 두 번째로 화재시나리오와 설계화재의 개발, 세 번째로 설계안들의 개발 및 평가이다. 설계목적의 설정은 이해관계자의 최종목표(인명안전, 재산보호 등)에 대하여 구체적인 설계목표를 공학적 용어로서 구체화시키는 것이고, 화재시나리오의 개발은 건물 내의 발생 가능한 화재상황을 도출하여 그 화재의 발화로부터 화재성장 전단계를 구어적으로 기술하는 것이며, 설계화재의 개발은 선정된 설계화재시나리오를 토대로 차후 시험설계안 개발의 기준이 되는 화재성장곡선을 설정하는 것이다.

참고문헌 (15)

Son Bong Se (2008), "The basic study on standardization of criteria to evaluate fire safety capacity in high-rise building", Fire Technology Research, pp. 32-33.
Lee Yang Ju, Ko Kyoung Chan, Park Woe Chul (2012), "A Study on Performance-Based Design Enforcement", Fire Science and Engineering, Vol. 26, No. 1, p. 68.

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Cho Ho Sung (2006), Performance Based Design", Gidari Publishing Group, pp 1-2, p 209, 248, 286.
ISO TR 13387-2 (1999), "Fire Safety engineering. Part 2. Design fire scenarios and design fires", ISO/TR 13387-2: 1999, pp. 1-16.
NFPA 72 (2010), "National Fire Alarm and Signaling Code", 2010 Edition, National Fire Protection Association, Quincy, MA, pp. 267-274.
Ron Cote, Gregory E. Harrington (2012), "Life Safety Code Handbook", 2012 Edition, National Fire Protection Association, Quincy, MA, pp. 96-103.
NFPA 5000 (2009), "Building Construction and Safety Code", 2009 Edition, National Fire Protection Association, Quincy, MA, pp. 75-76.
SFPE (2007) "SFPE Engineering Guide to Performanced-Based Fire Protection", Society of Fire Protection Engineers, Bethesda, MD, pp 72-77.
ICC (2006), "International Building Code. Sec. 909. 9. 2", Falls Church, VA: International Code Council.,Inc.
Hoglander. K, Sundstrom. B (1997), "Design Fires for Preflashover Fires-Characteristic Heat Release Rates of Building Contents", SP Report 1997:36, Boras, pp. 35-36.
Leif Staffansson (2010), "Selecting design fires. Appendix A.2", Department of Fire Safety Engineering and Systems Safety Lund University, Sweden.
Korea Ministry of Government Legislation(2014), "The regulation for evacuation and fire protection structure in building".
NFSC 501A(2013), "National fire safety code of smoke control system for stair hall and ancillary room of specific fire escape stair", National Emergency Management Agency.
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Lee Jung Il (2012), "The Way of Operatioans and Tactics For Disaster Plan of High-rise Buildings", Journal of the Korea Safety Management and Science, Vol. 14, No. 3, p. 77.

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