[논문]업무용 고층건물 계단실의 보행속도에 관한 연구

정석환; 윤명오

doi:10.7731/kifse.2015.29.3.013

초록
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초고층 건축물의 수직성 증가는 더 긴 최소피난시간(Required Safety Egress Time, RSET)을 요구하게 된다. 초고층건물에선 계단을 통한 수직이동이 피난경로 상의 대부분을 차지한다. 본 연구에서는 고층 건물에서 반복된 3번의 대피훈련을 시행하고, 영상분석을 통해 피난경로 선택의 변화와 계단실 내 수직 보행속도-밀도의 함수관계를 분석했다. 또한 Pathfinder 피난시뮬레이션을 이용하여 단계적 피난의 방법에 따른 총 피난시간의 변화와 실제 훈련의 결과를 비교 분석하였다. 그 결과 반복적 피난훈련과 교육을 통해 특정 계단 이용률이 6.3%에서 39.5% 개선되었고, 각 피난경로별 피난시간도 단축됨을 확인하였다. 또한 계단실 내 수직 보행속도-밀도의 관계식이 기존의 연구결과와 매우 유사한 s = 1.004 ? 0.288D로 확인되었다. 단계적 피난의 방법에 따라 전층 동시피난에 비해 총 피난시간이 25% 이상 변화할 수 있음을 확인할 수 있었다.

Abstract ▼ AI-Helper

As building height is increased, more careful decisions about the required safe egress time is needed for evacuation. This study analyzed the influence of three training sessions on the vertical speed of evacuation in the high rise building. Evacuation experiments were done in a high-rise office bui...

As building height is increased, more careful decisions about the required safe egress time is needed for evacuation. This study analyzed the influence of three training sessions on the vertical speed of evacuation in the high rise building. Evacuation experiments were done in a high-rise office building in Seoul, and we analyzed the vertical evacuation speed as a function of density using a camera. Controlled and uncontrolled total evacuation were compared using the Pathfinder simulation. The process of repeated training, changed the specific stair utilization rate from 6.3% to 39.5%. The vertical evacuation speed as a function of density was analyzed using the equation s = 1.004 ? 0.288D, which is very similar to the equation used in a different study. The total evacuation time of the special controlled total evacuation was reduced by about 25% compared to the simultaneous evacuation.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

이에 본 연구에서는 동일 건물에서 3회 반복적으로 실시된 전층 피난훈련에 대한 분석을 통해 훈련 차수에 따른 피난경로 선택의 변화와 그 영향 및 일반적 계단구조를 갖지 않은 연구대상 건물의 계단실 내 수직 보행속도에 대해 기존 연구와 비교 검토를 통해 그 적정성을 검증하려 한다. 또한 전층 피난에 있어서 동시피난과 단계적 피난에 따른 총 피난시간의 변화를 실제 대피훈련 결과와 피난 시뮬레이션 결과의 비교분석을 통해 단계적 피난의 필요성을 검증하려 한다.

제안 방법

대피훈련 실시에 대한 사전 통보는 1, 2차의 경우 각각 2일 전과 1일 전에 대피훈련 실시 중 발생될 수 있는 안전 사고에 관한 유의사항 전달을 통하여 재실자에게 암시하여 주었다. 3차 훈련 전 각 층 4명씩 총 88명의 피난유도 요원을 선정하여 69명에 대하여 피난관련 기본 교육을 실시하였다. 3차 훈련은 사전 예고 없이 불시에 실시하였다.
이에 본 연구에서는 동일 건물에서 3회 반복적으로 실시된 전층 피난훈련에 대한 분석을 통해 훈련 차수에 따른 피난경로 선택의 변화와 그 영향 및 일반적 계단구조를 갖지 않은 연구대상 건물의 계단실 내 수직 보행속도에 대해 기존 연구와 비교 검토를 통해 그 적정성을 검증하려 한다. 또한 전층 피난에 있어서 동시피난과 단계적 피난에 따른 총 피난시간의 변화를 실제 대피훈련 결과와 피난 시뮬레이션 결과의 비교분석을 통해 단계적 피난의 필요성을 검증하려 한다.
본 연구에서는 대피 훈련 중 관측 된 계단 이용률의 변화와 피난 속도의 변화를 분석하려 한다. 실제 훈련 중 수직이동 경로인 계단실 내의 수직 보행속도를 영상 분석을 통해 관측하고 그 결과를 Pathfinder를 이용한 피난시뮬레이션의 결과 및 SFPE에서 제시하는 수력학적 계산 방법과 비교 분석하여 계단실 내의 군집이동에 의한 수직 보행 속도의 적정성 여부를 확인하려 한다.
본 연구에서는 대피 훈련 중 관측 된 계단 이용률의 변화와 피난 속도의 변화를 분석하려 한다. 실제 훈련 중 수직이동 경로인 계단실 내의 수직 보행속도를 영상 분석을 통해 관측하고 그 결과를 Pathfinder를 이용한 피난시뮬레이션의 결과 및 SFPE에서 제시하는 수력학적 계산 방법과 비교 분석하여 계단실 내의 군집이동에 의한 수직 보행 속도의 적정성 여부를 확인하려 한다. 또한 피난시뮬레이션과 실제 피난 훈련 결과를 비교분석하여 단계적 피난의 필요성을 검증하려 한다.
현장 피난 대피훈련은 총 3회에 걸쳐서 시행하였으며, 각 훈련의 화재 발생층과 전층 피난을 위한 대피순서에 변화를 주었다. 모든 피난자는 각 층의 복도 중앙에 설치한 방독면을 소지하고 피난하도록 하였다.

대상 데이터

본 연구의 분석 대상은 업무용도로 사용되고 있는 지상 11층에서 지상 32층의 구간으로 Figure 1의 1번과 2번 계단을 이용하여 피난하는 재실자를 대상으로 한다. 지상 9층의 경우 관람집회 용도로 사용하는 관계로 3차례에 걸친 대피훈련 시에는 재실 인원이 없는 상태였으며 10층의 경우 판매시설과 통하는 계단을 이용할 수 있기 때문에 본 연구를 위한 분석 대상에서는 제외하였다.
연구 대상 건물의 형태는 지상 34층(156.15 m) 지하 7층(35 m)으로 연면적은 122,630 m²이며, 층별 주요 용도는 지하3~지하 7층은 주차장, 지하 2층~지상 8층은 판매용, 9층~32층은 업무용으로 사용되고 있다. 기준층의 평면도는 Figure 1과 같으며, 피난계단은 건물의 양쪽 측면에 각 1개소씩 2개로 구성되어 있다.

이론/모형

계단을 통한 피난 보행거리는 계단에서의 수직이동 보행거리와 계단참에서의 수평이동 보행거리의 합산으로 구해진다. 수직이동 보행거리는 Society of Fire Protection Engineers (SFPE) 핸드북의 계단구조에 따른 보정계수⁽⁴⁾를 이용하여 산정할 수 없는 계단구조이기 때문에 챌판과 디딤판의 빗면 거리를 이용하여 산정하였다^(5-8). 계단의 챌판(Riser)은 165~175 mm로 층고에 따라 다양하게 설치되어 있으며, 디딤판(Tread)은 270 mm로 업무용도로 쓰이는 기준층의 계단 경사도는 31.
피난시뮬레이션은 pathfinder 2014 버전을 사용하였다. 재실인원은 훈련 전 상주인원 분포 비율로 피난 대피훈련에 참여한 인원을 분산배치 하였다.
2 m/s로 설정하였으며, 피난행동특성은 pathfinder에서 제공하는 steering mode를 적용하였다. 훈련 중 피난자는 각층 복도에 설치된 방독면을 소지하고 피난하였기 때문에 pathfinder에서 제공하는 Goto Waypoint 기능을 적용하였다. 단계적 피난의 경우는 5개 층 단위로 45초간의 간격을 두고 피난을 개시하도록 하여 대피 훈련과 동일한 조건이 되도록 하였다.

성능/효과

1) 반복적 피난 대피훈련과 피난유도요원의 활용으로 계단 이용률이 1번 계단 : 2번 계단 = 65.2% : 34.8%에서 54.1% : 45.9%로 크게 향상됨을 확인 할 수 있었다. 교육 훈련을 통한 일상동선 지향형 특성의 피난본능에 따른 피난경로의 선택을 방지하여 총 피난시간이 단축됨을 확인 하였다.
2) 계단실 내의 평균 수직 보행속도는 0.67~069 m/s이었으며, 표준편차는 0.16~0.19 m/s로 SFPE에 의한 수력학적 계산 결과인 0.58 m/s보다 빠름을 확인 할 수 있었다.
3) 삼각형 형태의 계단참 구조와 Riser = 167 mm와 Tread = 270 mm의 구조의 계단실에서 측정된 수직 보행속도-밀도의 관계식은 s = 1.004 − 0.288D로 측정되었으며, SFPE 와 Pauls등의 관련식과 매우 유사한 크기를 가짐을 확인할 수 있었다.
4) 일반적인 계단구조가 아닌 본 연구의 대상의 계단구조에 따른 수직 보행속도 상수값은 k = 1.082로 분석되었으며, 이 값은 SFPE에서 제시한 상수값의 범위 내에 있음을 확인 할 수 있었다.
5) 건물 전층 피난방법으로 단계적 피난을 적용함에 있어서 화재의 양상 뿐 아니라 피난 대피 방법에 따른 계단실 내 밀도 변화가 총 피난시간에 영향을 크게 미치기 때문에 이를 피난시뮬레이션으로 확인한 바, 전층 동시 피난에 비해 화재층 직상층 이후에 최상층부터 5개 층 단위로 단계적 피난을 유도한 경우가 전층 동시 피난의 총 피난시간 1,387초에 비해 1,028초로 크게 단축됨을 확인하였다.
9%로 크게 향상됨을 확인 할 수 있었다. 교육 훈련을 통한 일상동선 지향형 특성의 피난본능에 따른 피난경로의 선택을 방지하여 총 피난시간이 단축됨을 확인 하였다.

후속연구

본 연구의 결과는 1개의 업무용 대상물에 대한 3차례 훈련의 결과만을 분석한 것으로 추후 보다 다양한 계단 구조 및 계단실 내 피난자 밀도가 높은 조건에 대한 수직 보행 속도와 다양한 단계적 피난 방법에 따른 총 피난시간의 변화에 대한 추가 연구가 필요할 것으로 보인다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	Pathfinder 피난시뮬레이션의 결과는 어떠한가?	또한 Pathfinder 피난시뮬레이션을 이용하여 단계적 피난의 방법에 따른 총 피난시간의 변화와 실제 훈련의 결과를 비교 분석하였다. 그 결과 반복적 피난훈련과 교육을 통해 특정 계단 이용률이 6.3%에서 39.5% 개선되었고, 각 피난경로별 피난시간도 단축됨을 확인하였다. 또한 계단실 내 수직 보행속도-밀도의 관계식이 기존의 연구결과와 매우 유사한 s = 1.
	초고층 건축물의 수직성 증가는 무엇을 요구하는가?	초고층 건축물의 수직성 증가는 더 긴 최소피난시간(Required Safety Egress Time, RSET)을 요구하게 된다. 초고층건물에선 계단을 통한 수직이동이 피난경로 상의 대부분을 차지한다.

참고문헌 (16)

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R. D. Peacock, B. L. Hoskins and E. D. Kuligowski "Overall and Local Movement Speeds During Fire Drill Evacuations in Building up to 31 Stories", Safety Science, Vol. 50, pp. 1655-1664 (2012).

상세보기
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원문보기 상세보기
J. H. Choi and W. H. Hong "A Suggestion on a New Correction Coefficient for SIMULEX Egress Model to Predict Agent's Stair Travel Time in a High-rise Building", Journal of the Architectural Institute of Korea, Vol. 293, pp. 139285-292 (2013).
J. H. Choi and W. H. Hong "A Development of Occupant's Vertical Travel Time Prediction Model from Highrise Building's Experimental Data", Journal of the Architectural Institute of Korea, Vol. 289, pp. 375-382 (2012).
R. D. Peacock, "Stairwell Evacuation from Building: What We Know We Don't Know", NIST Technical Note 1624.
NFPA, SFPE, "The SFPE Handbook of Fire Protection Engineer", 3rd Edition, pp 3-367-380 (2002).
L. Yang, P. Rao, K. Zhu, S. Liu and X. Zhan "Observation Study of Pedestrian Flow Staircases with Different Dimensions Under Normal and Emergency Conditions", Safety Science, Vol. 50, pp. 1173-1179 (2012).

상세보기
H. J. Shin, J. H. Choi and W. H. Hong, "Guidelines on Performance-based Egress Design Criteria Considering the Risk Factors of a High-rise Building", Journal of the Architectural Institute of Korea, Vol. 249, pp. 139-147 (2009).
NFPA 101, "Life Safety Code", p. 101-92 (2009).

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