[논문]국내 성능위주설계의 시행현황 분석 - 화재시나리오 및 시뮬레이션을 중심으로

안성호; 문선여; 류일현; 최준호; 황철홍

doi:10.14346/jkosos.2017.32.5.32

국내 성능위주설계의 시행현황 분석 - 화재시나리오 및 시뮬레이션을 중심으로
Analysis on the Implementation Status of Domestic PBD (Performance Based Design) - Focusing on the Fire Scenario and Simulation 원문보기

한국안전학회지 = Journal of the Korean Society of Safety, v.32 no.5, 2017년, pp.32 - 40

안성호 (대전대학교 소방방재학과) , 문선여 (대전대학교 소방방재학과) , 류일현 (대전대학교 소방방재학과) , 최준호 (부경대학교 소방공학과) , 황철홍 (대전대학교 소방방재학과)

Abstract ▼ AI-Helper

The current status of Performance-Based Design (PBD) implemented in 4 wide areas (Seoul, Gyeonggi, Incheon and Busan) over the past 5 years was reviewed with regard to the number of PBD implementation and target buildings. Then, detailed status related to fire scenarios, input information for fire simulation, and grid size were analyzed with the pre-review for the PBD. As a result, the domestic PBD was mainly applied to the mixed occupancy. In the fire simulations performed on the identical fire scenario and fire space, the maximum heat release rate (HRR) varied significantly depending on the PBD designer. Various combustibles were also considered for the identical fire source, and their combustion properties also showed considerable uncertainty. In addition, the applicability of accurate input information for predictive models of heat and smoke detectors was examined. Finally, the average grid size for the fire simulation using Fire Dynamics Simulator (FDS) was analyzed, and the improvement of PBD to minimize designer dependency was proposed.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

구체 적으로 화재시나리오에 따른 화재공간의 분류, 그리고 이에 따른 최대 열발생률, 화원 및 가연물의 종류 그리고 주요 연소물성에 대한 현황이 분석되었다. 또한 열 및 연기감지기 수치모델 입력정보에 대한 활용 현황이 검토되었다. 마지막으로 화재시뮬레이션을 위해 적용된 평균 격자크기 및 천장 방향의 격자크기에 대한 현황이 분석되었다.
또한 천장 높이방향으로의 격자 크기 선정이 갖는ASET의 불명확성을 언급하였다.
본 연구에서는 2011년 이후 국내에서 실시된 PBD의현황을 분석하고 화재시나리오 및 화재시뮬레이션을 중심으로 주요 문제점 및 개선방향을 제시함으로서, 국내 PBD의 신뢰성 강화를 위해 유용한 정보를 제공할 것으로 기대된다.
본 연구에서는 최근 5년간 4개의 광역(서울, 경기, 인천, 부산)에서 시행된 성능위주설계(PBD)를 대상으로 시행 횟수 및 주요 대상 건축물의 용도에 대한 현황을 검토하였다. 이후 화재공간에 따른 최대 열발생률, 화원 및 가연물의 종류 그리고 주요 연소물성에 대한 적용 현황을 분석하였다.
본 연구에서는 최근 5년간 상대적으로 많은 PBD 심의를 개최한 4개의 광역(서울, 경기, 인천, 부산)을 대상으로 대상 건축물의 용도를 포함한 PBD 시행현황을 검토하였다. 또한 PBD 심의를 위한 사전 검토서를 분석하여, 화재시나리오, 최대 열발생률, 화원 및 가연물의 종류 그리고 주요 연소물성에 대한 적용 현황을 분석하였다.
이때 가연물의 선택은 화재 시뮬레이션에서 연료의 성분, 연소열, CO 및 Soot yields의 입력정보와 직접적으로 연관된다. 우선 화원이 차량으로 선정되었을 때 적용되고 있는 가연물의 종류를 살펴보자. 대부분의 PBD 사전 검토서에서는 차량 화재의 주요 가연물을 차량 의자를 포함한 내장 재에 해당될 수 있는 폴리우레탄(polyurethane)을 적용하고 있으며, 일부 연료에 해당되는 옥탄이 적용되고 있다.

가설 설정

Table 2는 PBD 사전 검토서를 대상으로 대표적인 화재시나리오에 의해 적용되는 화재공간에 따른 화원 종류를 분류한 것이다. 주차장 화재의 경우, 모든 PBD 사전 검토서에서는 차량에서 화재가 발생된 것으로 가정하였다. 그러나 오피스텔을 포함한 업무시설의 경우 에는 침대 > 책상 > 소파 > 싱크대 = 의자 > 냉장고의 순서대로 화원이 설정되고 있다.

제안 방법

본 연구에서는 최근 5년간 상대적으로 많은 PBD 심의를 개최한 4개의 광역(서울, 경기, 인천, 부산)을 대상으로 대상 건축물의 용도를 포함한 PBD 시행현황을 검토하였다. 또한 PBD 심의를 위한 사전 검토서를 분석하여, 화재시나리오, 최대 열발생률, 화원 및 가연물의 종류 그리고 주요 연소물성에 대한 적용 현황을 분석하였다. 또한 화재감지기 수치모델 입력정보 및 화재 시뮬레이션을 위해 적용된 평균 격자크기에 대한 현황을 제시되었다.
이후 화재공간에 따른 최대 열발생률, 화원 및 가연물의 종류 그리고 주요 연소물성에 대한 적용 현황을 분석하였다. 또한 화재 감지기 수치모델 입력정보에 대한 활용 현황을 검토하였다. 마지막으로 화재시뮬레이션을 위해 적용된 평균 격자크기에 대한 현황을 분석하였다.
또한 PBD 심의를 위한 사전 검토서를 분석하여, 화재시나리오, 최대 열발생률, 화원 및 가연물의 종류 그리고 주요 연소물성에 대한 적용 현황을 분석하였다. 또한 화재감지기 수치모델 입력정보 및 화재 시뮬레이션을 위해 적용된 평균 격자크기에 대한 현황을 제시되었다. 본 연구는 2011년 이후 최근까지 시행된 국내의 PBD의 현황 분석 그리고 화재시나리오 및 화재시뮬레이션을 중심으로 주요 문제점 및 개선방향을 제시함으로서, 국내 PBD의 신뢰성 강화를 위해 유용한 정보를 제공할 것으로 기대된다.
또한 화재 감지기 수치모델 입력정보에 대한 활용 현황을 검토하였다. 마지막으로 화재시뮬레이션을 위해 적용된 평균 격자크기에 대한 현황을 분석하였다. 주요 결론은 다음과 같다.
우선 최근 약 5년간(2011년 8월∼2016년 3월) 비교적 많은 횟수의 PBD 심의가 개최된 4개의 광역(서울, 경기, 인천, 부산)을 대상으로 하였다. 이 기 간 동안 총 155회의 PBD가 시행되었으며, 이를 통해 년도 및 지역별 시행 횟수, PBD에 참여한 설계회사별 비율 그리고 검토된 건축물의 용도에 대한 현황이 검토되었다.
본 연구에서는 최근 5년간 4개의 광역(서울, 경기, 인천, 부산)에서 시행된 성능위주설계(PBD)를 대상으로 시행 횟수 및 주요 대상 건축물의 용도에 대한 현황을 검토하였다. 이후 화재공간에 따른 최대 열발생률, 화원 및 가연물의 종류 그리고 주요 연소물성에 대한 적용 현황을 분석하였다. 또한 화재 감지기 수치모델 입력정보에 대한 활용 현황을 검토하였다.
은 PBD 또는 사전재해영향성 검토 심의를 받은 7개 건축물 사례를 중심으로, 화재 및 피난시뮬레 이션에서 입력정보의 표준화 필요성을 제안하였다. 주요 내용으로서, 화재공간에서 피난가능시간의 적용, 화원의 종류 및 크기, 화재 성장률, 화원의 위치 그리고 주차장 피난 인원수의 변화 등의 다양한 입력정보가 허용피난시간(available safe egress time, ASET)과 요구피난시간(required safe egress time, RSET)에 미치는 영향을 검토하였다. 이 연구는 화재 및 피난시뮬레이션 결과를 기반으로 하는 PBD의 화재안전성 평가결과가 설계자의 화재역학 및 수치해석 분야의 공학적 판단에 따라 크게 변화될 수 있다는 중요한 결과를 보여주고 있다.

대상 데이터

연기감지기의 경우 역시 열감지기와 유사한 경향을 보이고 있다. 본 연구 진은 국내 다양한 열 및 연기감지기를 대상으로 화재 시뮬레이션 입력인자를 실험적으로 측정하였으며, 화재시뮬레이션을 통한 감지기의 작동시간에 대한 검증 연구를 수행한 바 있다^12-15) . 이들 연구를 통해 FDS에제공되는 기본값이 적용된 경우, 감지기는 실제보다 매우 빠른 시간에 작동되며, 이는 결과적으로 짧은 RSET의 산정으로 부정확한 화재안전성 평가결과를 제공함을 확인하였다.
우선 최근 약 5년간(2011년 8월∼2016년 3월) 비교적 많은 횟수의 PBD 심의가 개최된 4개의 광역(서울, 경기, 인천, 부산)을 대상으로 하였다.
이때 검토된 화재시나리오는 총 139개이다. 참고로 PBD 설계 회사의 폐업 및 보완 등으로 인하여 자료 확보가 어려운 60개의 사전 검토서는 제외되었다.
이후 PBD 심의를 위해 설계회사에서 제출된 총 95 개의 사전 검토서를 대상으로 화재시나리오 및 화재시 뮬레이션 입력인자에 대한 적용 현황이 분석되었다.
1에서와 동일하게 약 5년간 시행된 PBD에 참여한 회사를 광역별로 분류한 것이다. 참여한 회사는 총 16개이며, PBD 시행 횟수 기준으로 상위 5개의 회사와 이외의 11개 회사로 분류하였다. 그 결과, 서울과 경기 지역에서는 상위 5개의 회사가 각각 63%와 70%로 매우 높은 비율을 차지하고 있다.

성능/효과

95개의 사전 검토서에 고려된 총 319개의 화재시나리오를 확인한 결과, 주차장(parking lot)은 24%를 차지하며, 오피스텔을 포함한 업무시설(business facilities, 21%), 판매시설(sales facilities, 14%), 공동주택 (residential facilities, 12%), 근린생활시설(neighborhood living facilities, 10%), 숙박시설(accommodation, 6%), 문화 및 집회시설(culture assembly facilities, 5%) 그리고 부대시설 및 창고 등(subsidiary facilities & storage etc, 8%)의 순서를 보이고 있다.
또한 모든 사전 검토서에는 최종 격자크기의 선정을 위한 민감도 분석결과가 제시되지 않았다. 결론적으로 향후 화재시뮬레이션 결과에 대한 사용자 의존도를 최소화시키기 위한 가장 기본적인 접근방법으로서, 적절한 격자 크기 선정을 위한 주의가 요구됨을 알 수 있다.
참고로 PBD 설계 회사의 폐업 및 보완 등으로 인하여 자료 확보가 어려운 60개의 사전 검토서는 제외되었다. 구체 적으로 화재시나리오에 따른 화재공간의 분류, 그리고 이에 따른 최대 열발생률, 화원 및 가연물의 종류 그리고 주요 연소물성에 대한 현황이 분석되었다. 또한 열 및 연기감지기 수치모델 입력정보에 대한 활용 현황이 검토되었다.
이와 같은 경향은 업무 시설, 판매시설, 공동주택 및 근린생활시설의 적용 값에도 유사하게 확인할 수 있다. 그 결과 불명확한 가연물 정보의 활용 및 특정 문헌정보의 인용에 따라 화재 시뮬레이션을 통해 예측된 CO 및 Soot의 발생량은 큰 차이를 보일 수 있다. 이는 최종 호흡 한계선에서의 임계 CO 및 가시도에 도달하는 시간인 ASET이 설계자의 선택에 따라 크게 의존하게 되는 주요 원인이 된다.
대부분의 PBD 사전 검토서에서는 차량 화재의 주요 가연물을 차량 의자를 포함한 내장 재에 해당될 수 있는 폴리우레탄(polyurethane)을 적용하고 있으며, 일부 연료에 해당되는 옥탄이 적용되고 있다. 또한 FDS에서 연료의 기본 값으로 설정되고 있는 프로판을 사용하거나, 가연물 종류를 명시하지 않는 사전 검토서 또한 다수 확인되었다. 침대, 의류, 냉장고 및 진열대가 화원으로 적용된 경우, 가연물은 주로 폴리우레탄이 적용되고 있다.
또한 열 및 연기감지기 수치모델 입력정보에 대한 활용 현황이 검토되었다. 마지막으로 화재시뮬레이션을 위해 적용된 평균 격자크기 및 천장 방향의 격자크기에 대한 현황이 분석되었다.
주요 내용으로서, 화재공간에서 피난가능시간의 적용, 화원의 종류 및 크기, 화재 성장률, 화원의 위치 그리고 주차장 피난 인원수의 변화 등의 다양한 입력정보가 허용피난시간(available safe egress time, ASET)과 요구피난시간(required safe egress time, RSET)에 미치는 영향을 검토하였다. 이 연구는 화재 및 피난시뮬레이션 결과를 기반으로 하는 PBD의 화재안전성 평가결과가 설계자의 화재역학 및 수치해석 분야의 공학적 판단에 따라 크게 변화될 수 있다는 중요한 결과를 보여주고 있다. 그럼에도 불구하고 제한된 검토 대상으로 인하여, 각 지방의 소방본부에 의해 독립적으로 운영되는 PBD 시행현황의 일반화 및 통계적 의미를 갖을 수 있는 화재 및 피난시뮬레이션 입력정보에 대한 불확실성을 도출하기에는 한계가 있다.
본 연구 진은 국내 다양한 열 및 연기감지기를 대상으로 화재 시뮬레이션 입력인자를 실험적으로 측정하였으며, 화재시뮬레이션을 통한 감지기의 작동시간에 대한 검증 연구를 수행한 바 있다^12-15) . 이들 연구를 통해 FDS에제공되는 기본값이 적용된 경우, 감지기는 실제보다 매우 빠른 시간에 작동되며, 이는 결과적으로 짧은 RSET의 산정으로 부정확한 화재안전성 평가결과를 제공함을 확인하였다. 결과적으로 보다 정확한 감지기의 작동시간 예측을 위해서는 국내에 적용되는 감지기에 해당되는 작동인자가 고려된 화재시뮬레이션 수행이 이루어져야 할 것이다.

후속연구

이들 연구를 통해 FDS에제공되는 기본값이 적용된 경우, 감지기는 실제보다 매우 빠른 시간에 작동되며, 이는 결과적으로 짧은 RSET의 산정으로 부정확한 화재안전성 평가결과를 제공함을 확인하였다. 결과적으로 보다 정확한 감지기의 작동시간 예측을 위해서는 국내에 적용되는 감지기에 해당되는 작동인자가 고려된 화재시뮬레이션 수행이 이루어져야 할 것이다.
이 결과는 PBD의 신뢰성 확보를 위한 화재분야의 연구 대상에 대한 우선순위를 제공한다. 보다 현실적인 화재시나리오의 개발, 용도별 화재공간에 대한 화재하중 및 최대 열발생률 DB를 위한 실물 화재실험, 더 나아가 화재시뮬레이션을 위한 입력인자 DB 구축을 위한 화원 및 가연물 선정에 대한 대상 정보를 제공할 수 있다. 참고로 특정 화재공간의 시뮬레이션의 수행을 위해서는 화원 및 가연물의 종류, 화재성장률과 최대 열발생률, 연소열, CO 및 Soot yields 등에 대한 정보가 요구된다.
또한 화재감지기 수치모델 입력정보 및 화재 시뮬레이션을 위해 적용된 평균 격자크기에 대한 현황을 제시되었다. 본 연구는 2011년 이후 최근까지 시행된 국내의 PBD의 현황 분석 그리고 화재시나리오 및 화재시뮬레이션을 중심으로 주요 문제점 및 개선방향을 제시함으로서, 국내 PBD의 신뢰성 강화를 위해 유용한 정보를 제공할 것으로 기대된다.
또한 Lee 등⁵⁾ 은 화재 및 피난시뮬레이션을 이용한 화재안전 성능평가의 문제점을 제시하고, 개선방향에 관한 구체 적인 내용을 체계적으로 제시하였다. 이들 연구들은 주로 PBD에 참여하는 소방전문가의 직접적인 의견 및 설문조사를 통해 제안된 내용으로 구성되었으며, 향후 PBD의 개선방향 및 전략을 수립하는데 매우 유용할 것으로 기대된다. 그러나 국내 PBD의 문제점 및 개선방향에 대한 보다 구체적이고 명확한 정보를 도출하기 위해서는, 2011년 이후 현재까지 국내에서 수행된 PBD 시행 결과를 기반으로 하는 객관적인 현황 분석이 우선 되어야 할 것이다.
2 m 이하의 크기가 적용 되고 있으나, 그 이상의 크기가 적용된 사례도 상당히 많음을 확인할 수 있다. 이에 화재시뮬레이션을 이용한 보다 정확한 ASET의 산정을 위해서는 호흡 한계선 근처의 연층 하강속도 및 천장방향의 격자 크기로 인한 불확실성도 추가적으로 고려되어야 할 것이다.
이 결과로부터 상위 5개의 회사가 국내 PBD의 큰 비중을 차지하고 있음을 알 수 있다. 향후 국내 PBD에 대한 기술 표준화의 효율성 관점에서 소수 회사에 의해 주도되는 현재의 상황은 긍정적인 측면이 있으나, 다양한 화재 위험성 및 건축물의 특성을 고려한 최적설계의 방법론에 대한 획일화의 우려도 동시에 존재한다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	최근 건축물의 고층화, 복합화 및 대형화에 따른 화재 예방 및 피해규모의 최소화를 위하여 국내에서 무엇이 시행되고 있나?	최근 건축물의 고층화, 복합화 및 대형화에 따른 화재 예방 및 피해규모의 최소화를 위하여, 국내에서는 2011 년 7월부터 개정된 ｢소방시설공사업법｣을 근거로 소방안전에 대한 성능위주설계(performance-based design, PBD)가 시행되고 있다. 기존의 획일적이고 일률적인 법규위주설계(prescriptive-based design)의 한계를 극복하기 위하여, PBD에서는 특정소방대상물의 용도, 구조, 수용 인원, 가연물의 종류 및 양 등을 고려하여 공학기반의 화재안전 성능평가기법이 적용되고 있다.
	PBD의 현실적인 어려움은?	그러나 화재안전의 목적과 설계목표의 이해를 시작으로 화재발생 및 성장과 관련된 화재의 특성평가 그리고 최종 정량적 근거에 의한 화재안전성 평가를 요구하는 PBD에서는 시행 초기부터 현재까지 다양한 문제점들이 인식되고 있다. 구체적으로 PBD 대상 및 대안설계와 관련된 법체계의 정비, 화재 및 피난시뮬레이션의 신뢰성 확보 방안, 성능위주설계의 검증방법 부재, 제연설비 및 수계소화설비를 포함한 소방시스템의 문제점, 피난용 승강기의 활용방안 부재 그리고 심의위원 선정 문제 및 복잡한 PBD 행정절차의 등이 최적화된 화재안전설계를 궁극적인 목표로 하는 PBD의 현실적인 어려움으로 언급되고 있다1) .
	폴리우레탄의 특징은?	폴리우레탄은 우레탄 결합으로 주요 구성요소를 가지는 사슬 모양의 고분자 화합물을 총칭하는 용어이다. 따라서 가공방법 및 사용용도에 따라 매우 다양한 화학식을 갖고 있으며, Table 3에서와 같이 유연성(flexible)이 있는 폼(foam) 형태로는 GM21, GM23, GM27, GM29 등이 존재한다11) . 그 결과 화재시뮬레이 션의 주요 입력인자인 연소열, CO 및 Soot yields 역시 다양한 값을 갖으며, 주요 가연물로 폴리우레탄을 선정하더라도 실제 적용되는 연소물성은 PBD 설계자의 임의 선택에 의해 이루어진다 할 수 있다.

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표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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