[논문]화재·피난시뮬레이션의 커플링방식별 인명안전성평가 결과 비교에 관한 연구

구현모; 오륜석; 안성호; 황철홍; 최준호

doi:10.7731/kifse.2019.33.1.121

화재·피난시뮬레이션의 커플링방식별 인명안전성평가 결과 비교에 관한 연구
A Study on Comparison of Life Safety Assessment Results according to Three Coupling Methods of Fire and Evacuation Simulation 원문보기

한국화재소방학회 논문지= Fire science and engineering, v.33 no.1, 2019년, pp.121 - 129

구현모 (한국소방안전원 경기북부지부) , 오륜석 (부경대학교 대학원) , 안성호 (부산해운대소방서 소방행정담당) , 황철홍 (대전대학교 소방방재학과) , 최준호 (부경대학교 소방공학과)

초록
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현재 우리나라에서는 성능위주설계 시 시뮬레이션을 통한 인명안전성평가를 의무적으로 수행해야한다. 일반적으로 시뮬레이션을 통한 인명안전성평가 방식에는 3가지 종류가 있다. (1)화재 피난시뮬레이션을 각각 독립수행하여 특정지점에서의 ASET과 RSET을 비교하는 논커플링방식(non-Coupling)과 (2)화재 피난시뮬레이션의 결과값의 화면을 겹쳐보는 세미커플링방식(semi-Coupling), (3)화재시뮬레이션의 결과인 화재의 영향을 피난시뮬레이션에서 연동하여 수행하는 커플링수행방식(Coupling)이다. 이 중 현재까지 국내 모든 설계자들은 논커플링방식을 사용해왔다. 논커플링방식은 특정지점에서 ASET과 RSET을 비교하는 방법인 만큼 특정지점의 위치를 설정하는 것이 중요하다. 하지만 특정지점위치설정에 대한 별다른 규정이 없어 설계자의 경험과 지식을 바탕으로 정해지고 있다. 즉, 설계자에 따라 특정지점의 수, 위치가 달라져 인명안전성평가의 결과가 달라질 수 있다는 것이다. 따라서 본 연구에서는 논커플링 방식, 세미커플링방식, 커플링수행방식 3가지의 방법으로 인명안전성평가를 진행하여 결과를 비교하여 그 차이점을 파악하고, 시뮬레이션 수행 방식에 있어 개선방안을 제안하고자 한다.

Abstract ▼ AI-Helper

In Korea, life safety assessment through simulation are mandatory in performance-based design. Generally, there are three types of methods for simulation-based life safety assessments: the non-coupling method that compares available safe egress time (ASET) and required safe egress time (RSET) at a specific point through conducting fire and assessment simulations independently; the semi-coupling method that compares fire and evacuation simulation results by overlaying the result screens; and the coupling method that compares the results of fire effect simulation to an evacuation simulation. Of these methods, all designers in South Korea have used the only non-coupling method. In the non-coupling method, it is important to determine the location of a specific point to compare ASET and RSET. However, without any defined regulation, setting the location is determined based on the designer's experience and knowledge. The number of specific locations and the locations themselves differ with each designer, which can produce contrasting results in a life safety assessment. Therefore, this study conducted a life safety assessment based on the three methods (non-coupling, semi-coupling and coupling) and compared each of the results. Furthermore this study suggests a improvement way in particular for the computer simulation.

주제어

표/그림 (18)

그림 Figure 1. Location of the specific points on the floor plan of the studio flat.
표 Table 1. Area and Household Numbers of the Studio Flat
표 Table 2. Fire and Evacuation Models used in this Study
표 Table 3. The Condition of Fire Simulation
표 Table 4. Fire Model vs. Mesh Configuration
표 Table 5. Age Ranges of Occupant's Generation
그림 Figure 2. Geometry and Agent Location Setup for Evacuation Simulation using Pathfinder
표 Table 6. The Proportion of Population by Gender and Age
표 Table 7. Generation vs. Average Height
표 Table 8. Generation vs. Average Shoulder Width
표 Table 9. Gender vs. Average Walking Speed
그림 Figure 3. Time (s) vs. heat release rate (HRR, ㎾).
표 Table 10. Number of Agents by Gender
표 Table 11. Response Time Set Value
표 Table 12. Results of Life Safety Assessments using Pyrosim and Pathfinder
표 Table 13. Results of Life Safety Assessments using Pyrosim and buildingEXODUS
그림 Figure 4. New areas where additional casualties occurs.
그림 Figure 5. A Scene of Fire and Evacuation Coupling Simulation (T=150 s, 18 agents finished).

AI 본문요약
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문제 정의

이에 본 연구에서는 인명안전성평가를 특정지점에서 ASET과 RSET을 비교하는 논커플링방식, 화재시뮬레이션의 결과를 피난시뮬레이션에 불러와 전체 지오메트리에서 시간의 흐름에 따라 인명안전기준 및 에이전트의 위치를 한눈에 파악이 가능한 세미커플링방식, 화재시뮬레이션의 결과 값이 피난시뮬레이션 구동 시 에이전트 피난에 영향을 주는 커플링방식 등 총 3가지 시뮬레이션 수행법에 따라 동일한 대상지 지오메트리를 토대로 동일한 시나리오와 시뮬레이션 입력조건 하에서 각각의 결과를 비교·분석하고, 향후 컴퓨터 시뮬레이션을 통한 인명안전성평가의 수행에 있어 개선할 사안을 제안하고자 한다.

가설 설정

앞서 대상지로 선정한 오피스텔 화재시나리오의 설정을 위해 본 연구에서는 해당 설계도서에 표기된 바와 같이 발화가능성이 높은 주방용 싱크대에 의한 화재로 가정하였고, 화원인 싱크대의 크기 또한 0.5 × 2.0 × 1.5 m로 지정 하였다.

제안 방법

특히 오피스텔에서는 Baek et al.⁽¹⁸⁾의 연구에 따라 화재가 발생한 세대(화재실)와 화재가 발생하지 않은 세대(비화재실)를 구분하여 반응시간을 적용하였다. 열감지기⁴⁾ 역할의 온도 DEVC가 74 ℃에 도달하는 시간은 42.
Pyrosim과 Pathfinder의 세미커플링방식에서는 논커플링방식과 같은 시뮬레이션 파일로 진행하였다. 그러나 Pathfinder에서 FDS의 결과를 오버레이할 수 있기 때문에 Slice 결과 범례구간의 기준값을 국내 인명안전기준에 따라 가시거리 최소 5 m, 온도 최대 60 ℃로 바꾸어 진행하였다.
⁽¹⁴⁾의 연구에 의거하여 2,400 ㎾로 설정하였다. 그러나 싱크대의 물질 조성비에 대한 데이터가 존재하지 않기 때문에 독성물질인 Polyurethane forms 중 독성물질의 함유량이 높아 싱크대 화재에 적용한 사례가 있는 물질인 Polyurethane forms-GM21를 적용하였다. 또한 화재성장속도는 Medium으로 설정하여, 300 s에 1055 ㎾까지 도달하게 하였다.
그리고 에이전트의 반응시간(Response time)은 화재시뮬레이션 수행 시 화원 위 층고에 맞게 설정한 온도 DEVC가 74 ℃에 도달하는 시간을 측정하여 적용하였다. 특히 오피스텔에서는 Baek et al.
본 연구에서 Pyrosim으로 수행한 화재시뮬레이션의 열 방출율 그래프는 Figure 3과 같다. 그리고 특정지점들에서의 ASET은 소방청고시 2017-1호 내 별표 1의 인명안전기준에 따라 온도 60 ℃ 이상, 가시거리 5 m 이하, 일산화탄소 1400 ppm 이상, 이산화탄소 5% 이상이 되는 시점을 기준으로 산출하였다. 그리고 피난시뮬레이션 상에서는 각 특정지점에 에이전트가 마지막으로 지나간 시점을 RSET이라고 도출하였다.
논커플링방식에서는 Point 1∼15까지의 특정지점 15곳을 설정하여 Pyrosim과 Pathfinder, Pyrosim과 buildingEXODUS 두 가지의 시뮬레이션 조합으로 인명안전성평가를 진행하였다.
논커플링방식을 통한 시뮬레이션 수행을 위해 Pyrosim과 Pathfinder, Pyrosim과 buildingEXODUS 두 가지의 시뮬레이션 조합으로 각각 진행하였다. 또한 Pathfinder (ver.
논커플링은 현재 국내 모든 설계자들이 사용하고 있는 방식으로 화재시뮬레이션과 피난시뮬레이션을 각각 수행하여 ‘특정지점’1)에서의 Available Safety Egress Time (ASET, 가용피난안전시간)과 Required Safety Egress Time (RSET, 소요피난안전시간)을 각각 도출하여 인명안전성평가를 진행한다.
본 연구에서는 실제 성능위주설계를 수행한 특정소방대상물 1개소를 대상지로 설정하여 한 대상지에서 논커플링방식(Pyrosim과 Pathfinder, Pyrosim과 buildingEXODUS), 세미커플링방식(Pyrosim과 Pathfinder), 커플링방식(Smartfire와 buildingEXODUS) 총 3가지의 방식으로 성능위주설계의 인명안전성평가를 진행하였다.
본 연구에서는 앞서 언급한 3가지 화재·피난시뮬레이션 수행방식에 따라 화재시뮬레이션 툴과 피난시뮬레이션 툴로 Table 2와 같은 소프트웨어들을 사용하였다.
본 절에서는 앞서 언급한 피난시뮬레이션 툴인 Pathfinder와 buildingEXODUS를 대상으로 해당 설계도서에 나타난 동일한 시나리오를 토대로 두 가지 프로그램 모두 입력값을 똑같이 설정하였다. 대상 건축물 거주자들은 한국건설기술연구원⁽¹⁵⁾의 연구결과에 따라 연령을 Table 5와 같이 4가지 그룹으로 구분하였다.
화재 시뮬레이션의 결과값이라 할 수 있는 ASET과 피난 시뮬레이션의 결과값이라 할 수 있는 RSET을 각각 도출한다. 이후 도출된 ASET과 RSET을 설계자가 직접 비교, 판단하여 인명안전성평가를 수행한다. 이러한 방식은 설계자가 자신의 지식과 경험을 기반으로 설정한 특정지점에서만 ASET과 REST을 비교하기 때문에 에이전트의 전체 피난동선상에서 발생하는 크리티컬한 이벤트(critical events)²⁾들의 반영이 불가능하다.
화재 및 피난시뮬레이션의 시나리오 작성 기준’에 따라 시나리오 1에 나타나있는 “건물용도, 사용자 중심의 일반적인 화재를 가정”에 의거, 대상물 내 업무시설(오피스텔)에서 화재가 발생하는 것을 시나리오로 설정하였다.
의 연구에서 확인한 바와 같이, 국내 모든 설계자가 사용하는 논커플링방식에서는 설계자가 특정 지점을 지정한 후, 화재 및 피난시뮬레이션을 독립적으로 수행한다. 화재 시뮬레이션의 결과값이라 할 수 있는 ASET과 피난 시뮬레이션의 결과값이라 할 수 있는 RSET을 각각 도출한다. 이후 도출된 ASET과 RSET을 설계자가 직접 비교, 판단하여 인명안전성평가를 수행한다.

대상 데이터

따라서 Smartfire에서와 Pyrosim과의 격자는 다르게 설정하였다. Smartfire에서 해당 오피스텔의 격자는 X축 261개, Y축 100개 Z축 18개 총 469,800개로 설정하였다. Pyrosim과 Smartfire 각각의 격자 구성은 Table 4와 같았다.
에 따라 Table 6과 같이 각각 다른 성별 연령별 에이전트 비율을 적용하였다. 그리고 에이전트의 신체특성은 국가기술표준원⁽¹⁷⁾의 한국인 인체치수조사(Size Korea) 통계 보고서를 인용하였다. 적용한 연령별 신장은 Table 7, 연령별 어깨너비는 Table 8과 같았다.
대상지로 설정한 오피스텔 기준층의 세대수 및 면적은 Table 1과 같이 총 13세대 중 12세대는 40.0 m²으로 면적과 구조가 같았으며, 나머지 1세대는 26.9 m²으로 다른 세대들보다 면적이 작았다. 한편 해당층의 층고는 모두 3.
본 연구에서는 과거 B도시지역에서 실제 진행되었던 성능위주설계 소방대상물 가운데 1개소를 무작위로 선정하여 해당 건축도면 등 지오메트리 정보를 인용하였다. 또한 소방청고시 제2017-1호의 「소방시설 등의 성능위주설계 방법 및 기준」의 ‘별표1.
본 연구에서는 특정지점(point)들을 설정해야 하는 논커플링방식을 진행하기 위하여 대상지에 특정지점을 Figure 1과 같이 화재가 발생하지 않은 세대의 최종출입구(Point 1∼9, Point 11∼13) 12곳, 화재가 발생한 세대의 최종출입구(Point 10) 1곳, 계단실 전실입구(Point 14∼15) 2곳 총 15 곳을 선정하였다.

데이터처리

그 결과, Figure 4와 같이 화재발생 약 121 s 후 논커플링방식에서 위험지점으로 판정한 Point 12와 Point 13을 제외한 또 다른 지점에서 ASET보다 RSET이 커져 3명의 사망자가 추가적으로 더 발생하는 것으로 나타났다. 해당 추가 사망자 3명의 판단방법은 세미커플링의 결과값이라 할 수 있는 시뮬레이션 비디오 분석을 통해 이루어졌다. Figure 4를 참고하면 추가적으로 “사망자 발생구역”이 생성되는 것을 확인할 수 있었는데 이에 따라 해당 구역을 통과하게 되는 에이전트 3명을 사망한 것으로 판단하였다.

이론/모형

또한 격자의 설정 시 Pyrosim은 기하학적 구조가 격자에 맞추어진다. 따라서 Pyrosim의 격자는 열방출율에 따라 산정이 되는 McCaffery의 적정그리드 산정 방정식에 따라 그리드의 범위를 구하여 설정하였다. 본 해당 오피스텔 지오메트리에서는 0.
논커플링방식을 통한 시뮬레이션 수행을 위해 Pyrosim과 Pathfinder, Pyrosim과 buildingEXODUS 두 가지의 시뮬레이션 조합으로 각각 진행하였다. 또한 Pathfinder (ver. 2016.1.1006)는 2014년 이후 버전으로 FDS 결과를 오버레이할 수 있게 제공해주므로 Pyrosim (ver. 2016.2.0922, FDS ver.6.4.0)을 세미커플링에 함께 사용하였으며, 커플링을 위해서는 Smartfire (ver. 4.3)와 buildingEXODUS (ver.6.3)을 사용하였다. 한편, 세미커플링이나 커플링방식에서는 논커플링방식에서 피난시뮬레이션의 결과를 불러오는 이른바 ‘import’의 형식을 취하므로 별도의 화재시뮬레이션 수행절차가 필요하지 않다.

성능/효과

Pathfinder와 buildingEXODUS를 통해 도출된 RSET값은 다르지만, 두 가지의 시뮬레이션 조합 모두 Point 12, Point 13에서 ASET 보다 RSET이 크게 도출되었고, 확인결과 각각 약 5명, 약 4명의 사망자가 발생하는 것으로 나타났으며 그 외의 특정지점들에서는 모두 ASET이 RSET보다 크므로 안전하다고 판단되었다. Figure 1, Table 12, 및 Table 13을 보면 Point 14가 화재발생지점과 더 가까움에도 불구하고 Point 12, Point 13 보다 ASET이 더 큰 것을 확인할 수 있었는데 화재시뮬레이션 확인 결과, 화원으로부터 발생한 연기가 천장으로 상승하고, 천장에 축적된 연기가 천장을 따라서 복도로 확산된 후에 복도의 끝쪽부터(Point 12, Point 13 부근) 연기층이 하강하기 때문이었다.
8 m 높이에서 가시거리가 확보되지 않더라도 독성가스가 없다거나 또는 어느 수준의 노출시간 이하 동안에는 사망 등 에이전트의 피난에 위협을 가하지 않는다는 것을 전제로 하고 있기 때문이다⁽¹⁹⁾. buildingEXODUS의 시뮬레이션 결과 출력문서를 살펴보면, 에어전트별 독성가스의 흡입량이 없다는 것 또한 알 수 있었다. 만약 화원의 정보를 입력할 때 독성물질 정보를 알고 반영하였다면 유독가스에 의한 사망자가 발생할 수는 있으리라 예측되나 설계자가 현실적으로 발화원의 화학·독성물질조성정보를 알기가 쉽지 않은 현실에서 사실상 이를 반영하여 실제 에이전트의 독성물질 흡입량 등 해저드 정보를 입력하기에는 불가능한 실정이다.
논커플링방식에서는 Point 1∼15까지의 특정지점 15곳을 설정하여 Pyrosim과 Pathfinder, Pyrosim과 buildingEXODUS 두 가지의 시뮬레이션 조합으로 인명안전성평가를 진행하였다. 그 결과 두 가지의 시뮬레이션 조합 모두 2곳의 지점 Point 12, Point 13에서 RSET이 가시거리로 도출된 ASET보다 크게 도출되어 각각 약 5명, 약 4명의 사망자가 발생하는 것으로 나타났다.
그 결과, Figure 4와 같이 화재발생 약 121 s 후 논커플링방식에서 위험지점으로 판정한 Point 12와 Point 13을 제외한 또 다른 지점에서 ASET보다 RSET이 커져 3명의 사망자가 추가적으로 더 발생하는 것으로 나타났다. 해당 추가 사망자 3명의 판단방법은 세미커플링의 결과값이라 할 수 있는 시뮬레이션 비디오 분석을 통해 이루어졌다.
8 s가 되는 시점에 RSET이 ASET보다 높은 지점이 도출되어 3명의 사망자가 추가적으로 더 발생하는 것으로 나타났다. 그러나 논커플링에서 간과했었던 추가 사망자를 찾아냄에 따라 논커플링 방식에서 사용하는 특정포인트 설정위치의 적절성 및 화원이나 해저드 구간을 통과하는 에이전트의 발생여부에 대한 검증 또한 적어도 세미커플링방식을 통해 이루어져야 한다는 사실을 확인하였다.
세미커플링방식에서는 논커플링방식에서 지정한 특정지점 15곳 이외의 1개소 구역에서 121.8 s가 되는 시점에 RSET이 ASET보다 높은 지점이 도출되어 3명의 사망자가 추가적으로 더 발생하는 것으로 나타났다. 그러나 논커플링에서 간과했었던 추가 사망자를 찾아냄에 따라 논커플링 방식에서 사용하는 특정포인트 설정위치의 적절성 및 화원이나 해저드 구간을 통과하는 에이전트의 발생여부에 대한 검증 또한 적어도 세미커플링방식을 통해 이루어져야 한다는 사실을 확인하였다.
화재가 발생하지 않은 세대의 에이전트에 대한 반응시간은 소방청고시 2017-1호에 의거, 대상 건축물에 방재센터 등 CCTV설비가 갖춰진 통제실이 있고, 방송을 통해 육성 지침을 제공 할 수 있다고 판단하여 동 고시 별표 1의 업무시설 피난개시 지연시간 중 ‘W1’를 적용한 102.44 s로 설정하였다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	논커플링방식에서 중요한 요소는?	이 중 현재까지 국내 모든 설계자들은 논커플링방식을 사용해왔다. 논커플링방식은 특정지점에서 ASET과 RSET을 비교하는 방법인 만큼 특정지점의 위치를 설정하는 것이 중요하다. 하지만 특정지점위치설정에 대한 별다른 규정이 없어 설계자의 경험과 지식을 바탕으로 정해지고 있다.
	성능위주설계란?	우리나라에서는 2009년 이후 건축허가를 신청하는 대통령령으로 정하는 특정소방대상물에 대해 그 용도, 위치, 구조, 수용인원, 가연물의 종류 및 양 등을 고려하여 해당 건축물의 안전성을 평가하는 성능위주설계(Performance Based Design, PBD)를 도입하였으며, 이를 법제화하여 당시 ｢소방시설공사업법｣에 명시하였다. 또한 2011년 7월 1일 당시 소방방재청고시 제2011-68호 ｢소방시설등의 성능위주 설계 방법 및 기준｣ 이 최초 공표된 이후 설계자인 소방기술사들은 동 고시 별표1의 ｢화재 및 피난시뮬레이션의 시나리오 작성기준｣에 의거 인명안전성평가(Life Safety Assessment)를 수행해오고 있다.
	인명안전성평가를 위한 실물 실험이 사실상 유일한 평가방법인 이유는?	이러한 이유로 인해 성능위주설계 시 인명안전성평가는 컴퓨터 시뮬레이션을 이용하는 경우가 일반적이다. 그리고 현재까지 컴퓨터 시뮬레이션을 통한 분석 방법을 대체할더 효율적이고 합리적인 대안이 없기 때문에 사실상 현존하는 유일한 평가방법이라 판단해도 무방하다.

참고문헌 (19)

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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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