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문제 정의
- 따라서 본 논문은 이러한 문제점을 개선하기 위해 광주광역시에서 수행되었던 성능위주설계 대상 건축물 중 주거 형태(공동주택, 오피스텔, 생활형 숙박시설)를 가지는 건축물에 대해 선행 조사하여 방화문의 개방 정도와 피난 지연 시간을 분석하였으며, 이것을 바탕으로 화재 및 피난 시뮬레이션을 진행한 다음 피난 안전성 평가를 수행하여 피난 안전성 확보 여부를 확인ㆍ판단하고 분석하여 개선방안을 제시하고자 한다.
- 본 연구의 결과에서 확인하였듯이 주거형태를 가지는 건축물의 피난 안전성 평가 시 보수적인 상황을 가정하기 위해 일반적으로 방화문 개방 시 전체개방과 1/4 개방을 사용하고 있으나 화재를 한정하여 피해를 최소화하고 안정성을 확보하려는 건축법의 방화구획 목적과 상반되는 것으로 방화문 개방에 대한 제고가 필요하다. 즉, 주거형태를 가지는 건축물에 피난 안전성 평가 수행 시 방화문의 차연성능 확보와 성능위주 설계의 고도화를 위해 방화문의 개방 정도에 누설 틈새를 적용하는 방안과 함께 피난 지연시간의 적용 중 W1을 만족시키기 위해 세대 내에 CCTV를 설치하는 것은 재실자의 사생활 보호를 침해하는 현실적으로 적용할 수 없는 기준이 되므로 피난 지연시간 W2의 적용을 함께 검토해 줄 것을 제안하고자 한다. 이것을 바탕으로 좀 더 정확한 피난 안정성 평가를 수행할 수 있고 Passive적인 시스템의 보강으로 안전성의 증대 또한 꾀할 수 있을 것으로 사료 된다.
가설 설정
- 화재 시뮬레이션 모델링 시 화재는 소방청 국가화재정보센터의 2018년 화재통계자료를 바탕으로 발화지점이 가장 많이 발생한 주방을 선택하여 두 가지 Type 모두 다 오른쪽 세대 싱크대에서 발생한 것으로 가정하였으며, 화원의 크기는 1 m × 1 m로 가정하였다. 열방출율은 2,363 ㎾로 ‘지하공간 환경개선 및 방재기술 연구사업’ 제1세부과제의 싱크대 화재 특성 평가 시험 결과를 인용하였다.
제안 방법
- 공동주택 A, B의 비화재실에서의 피난 개시시간은 감지기 작동시간과 피난 지연시간의 합으로 적용하였으며, 피난 지연시간은 ‘소방시설 등의 성능위주 설계 방법 및 기준’ 별표1의 피난 지연시간 기준(11)을 적용하였다. 이것을 나타내면 Table 6과 같다.
- 둘째, 방화문의 개방 정도(전체개방, 1/4 개방, 누설 틈새 적용)와 피난 지연시간을 W1과 W2로 적용하여 피난 안전성 평가를 실시한 결과는 다음과 같다.
- 피난 안전성 평가 시 세대 출입문을 개방할수록 보수적인 평가를 수행할 수 있으나 방화문은 닫힌 상태를 유지해야 하는 법규와 상호충돌하는 문제점이 있고, 주거형태를 가지는 건축물의 경우 사생활 침해로 거주공간 내 CCTV를 설치할 수 없고 훈련된 직원이 상주할 수 없으므로 W1을 적용하기 어려운 문제점이 있다. 따라서, 본 논문에서는 광주광역시 성능위주설계의 피난 안전성 평가를 조사하여, 방화문 개방 정도와 적용된 피난 지연시간을 파악한 후 그것을 바탕으로 시뮬레이션을 통한 피난 안전성 평가를 수행하여 방화문의 개방 정도와 피난 지연시간의 적용이 평가 결과에 어떠한 영향을 미치는지를 파악하였으며, 그 결과를 정리하면 다음과 같다.
- Available safe egress time (ASET)은 피난 허용 시간으로 화재로 인해 위험이 파급되기까지의 시간을 의미한다. 또한, 거주자가 인명안전기준에 도달하는 시간을 뜻하는 것으로 화재 시뮬레이션을 통해 측정한다.
- 열방출율은 2,363 ㎾로 ‘지하공간 환경개선 및 방재기술 연구사업’ 제1세부과제의 싱크대 화재 특성 평가 시험 결과를 인용하였다. 또한, 연소물질은 싱크대 구성물질 중 인명안전기준에 가장 먼저 도달하는 가시거리에 영향이 가장 큰 SOOT_yield를 기준으로 발연량이 다른 물질에 비해 매우 높은 물질에 속하는 Polyurethane-GM29을 선정하였으며, 해석공간의 mesh 크기는 0.2 × 0.2 × 0.2 m로 해석공간의 적정성 검사를 수행한 후 모델링 하였다. 화재 시뮬레이션 모델링 입력값을 나타내면 Table 2와 같다.
- 본 논문의 실험모델은 형태는 유사하나 크기가 다른 두 가지 Type으로 실제 성능위주설계가 실시된 공동주택 2곳을 선정하여 수행하였다. 여기에서 방화문의 개방 정도는 가장 가혹한 상태를 가정한 전체개방인 경우와 서울특별시 성능위주설계 심의 가이드라인(12)에서 제시된 1/4 개방인 경우 그리고 ‘건축물 방화구조 규칙’ 제14조에서 규정한 갑종 방화문은 언제나 닫힌 상태를 유지하거나 화재로 인한 연기 또는 불꽃을 감지하여 자동적으로 닫히는 구조이어야 한다 라는 법규에 따른 닫힌 상태에서의 누설틈새를 각각 적용하였고 피난 지연시간은 W1, W2를 적용해 피난 안전성 평가에 미치는 영향을 파악하고자 하였다.
- 화재로 인한 영향과 감지시간을 측정하기 위해 감지기와 측정장치를 설치하였으며, 감지기는 정온식감지기를 주방 상부에 설치하였고, 연기감지기를 거실에 설치하여 감지시간을 측정하였다. 인명안전기준에 도달하는 시간을 측정하기 위해 방화문에 감지장치를 설치하였고, 최종 피난 완료시점인 계단 입구에도 감지장치를 설치하였다. 감지장치와 측정장치의 설치 위치는 Table 3과 같다.
- 이러한 과정은 먼저 화재 모델링을 수행한 후 화재 가혹도만 고려하는 결정론적 방법과 위험의 빈도 및 크기를 예측한 후 수치화하는 위험론적 방법을 통해 이루어진다. 일반적인 건축물의 경우 결정론적 방법을 통해 이루어지며 본 연구 또한 결정론적 방법을 통해 연구가 수행되었다. 본 연구에서 사용된 화재 시뮬레이션 프로그램은 Field Model 중 하나인 FDS Version 6.
- 6 m2/인)(8)을 적용하였으며, 공동 주택 A는 12명(각 세대당 6명), 공동주택 B는 16명(각 세대당 8명)으로 배치하였다. 재실자 비율은 광주광역시의 연령 및 성별인구 자료를 인용하였으며, 신체치수는 광주광역시의 인체치수 조사를 통해 입력하였고, 보행속도는 한국건설기술연구원에서 2009년에 발표한 ‘표준화재 모델에 따른 화재 확대방지 및 피난안전 설계 기술개발’(9)의 이동속도 제안을 인용하였다. 이것을 나타내면 Table 5와 같다.
- 피난 개시시간은 화재 인지 후 피난을 시작할 때까지의 시간을 의미하며, 화재실과 비화재실로 나누어 피난 개시시간을 적용하였다. 화재실의 경우 ‘일본건축방재계획지침’의 바닥면적을 통해 산출한 값과 감지기가 작동하는 시간을 비교하여 둘 중 큰 값을 적용하였으며, 30 s 미만일 경우 30 s로 적용하였다(10).
- 화재로 인한 영향과 감지시간을 측정하기 위해 감지기와 측정장치를 설치하였으며, 감지기는 정온식감지기를 주방 상부에 설치하였고, 연기감지기를 거실에 설치하여 감지시간을 측정하였다. 인명안전기준에 도달하는 시간을 측정하기 위해 방화문에 감지장치를 설치하였고, 최종 피난 완료시점인 계단 입구에도 감지장치를 설치하였다.
대상 데이터
- 본 논문에서 수행된 피난 안전성 평가는 실제 현장에서 수행되고 있는 피난 안전성 평가와 같은 방식으로 진행하였으며 피난 안전성 평가 대상은 실험모델의 형태는 유사하나 크기가 다른 두 가지 Type으로 실제 성능위주설계를 실시한 건축물 중 공동주택 2곳을 선정하여 공동주택 A와 공동주택 B로 나누어 실시하였다. 두 가지 Type 모두 판상형의 형태로 공동주택 A의 경우 84 Type으로 전용면적 84.
- 본 논문의 실험모델은 형태는 유사하나 크기가 다른 두 가지 Type으로 실제 성능위주설계가 실시된 공동주택 2곳을 선정하여 수행하였다. 여기에서 방화문의 개방 정도는 가장 가혹한 상태를 가정한 전체개방인 경우와 서울특별시 성능위주설계 심의 가이드라인(12)에서 제시된 1/4 개방인 경우 그리고 ‘건축물 방화구조 규칙’ 제14조에서 규정한 갑종 방화문은 언제나 닫힌 상태를 유지하거나 화재로 인한 연기 또는 불꽃을 감지하여 자동적으로 닫히는 구조이어야 한다 라는 법규에 따른 닫힌 상태에서의 누설틈새를 각각 적용하였고 피난 지연시간은 W1, W2를 적용해 피난 안전성 평가에 미치는 영향을 파악하고자 하였다.
- 선행 조사한 대상 건축물은 광주광역시에서 진행되었던 성능위주설계 대상 건축물로 2018년 6월까지 총 17건이 수행되었다. 이중 주거형태를 가지는 건축물인 공동주택과 생활형 숙박시설은 13건으로 성능위주설계 대상 건축물의 약 76.
이론/모형
- 일반적인 건축물의 경우 결정론적 방법을 통해 이루어지며 본 연구 또한 결정론적 방법을 통해 연구가 수행되었다. 본 연구에서 사용된 화재 시뮬레이션 프로그램은 Field Model 중 하나인 FDS Version 6.6.0을 사용하였고 피난 시뮬레이션 프로그램은 Pathfinder를 사용하였다.
- 출입문의 틈새 면적은 ‘특별피난계단의 계단실 및 부속실 제연설비의 화재안전기준(NFSC 501A)’의 12조(누설틈새의 면적 등)의 기준을 적용하고, 방화문의 크기는 가로 1 m, 세로 2.1 m이며 감지기 동작 시까지 방화문은 닫힌 상태를 유지하며 피난을 위하여 개방 되는 시간 이후 방화문은 닫히는 것으로 시뮬레이션을 수행하였다. 이때 누설틈새는 가압공간으로 열리는 문(피난방향으로 열리는 문)으로 이것을 계산해서 나타내면 수식 (1)과 같다.
성능/효과
- 1) 실시된 성능위주설계는 총 17건으로 공동주택은 10건, 생활형 숙박시설은 3건으로 총 13으로 약 76.5%가 주거형태를 가지는 건축물이며 매우 높은 비중을 차지하고 있다.
- 1) 피난 허용시간을 비교한 결과 전체개방이 가장 빠른 시간을 나타내었고, 1/4 개방이 그 뒤를 이었으며, 누설 틈새를 적용한 경우가 가장 늦게 나타났다. 또한, 전체개방과 1/4 개방은 약 20 s 내외에서의 차를 보였으나 누설 틈새는 1/4 개방에 비해서도 약 350 s 이상의 차를 나타내었다.
- 2) 주거형태를 가지는 건축물 13건의 피난 안전성 평가의 방화문 개방 정도 분석해 본 결과 닫힘이 9건(약 69.2%)으로 가장 많았으며, 1/4 개방이 2건(약 15.4%), 피난 시 순간 개방 후 다시 닫히는 경우가 2건(약 15.4%)으로 나타났다. 닫힘으로 수행된 총 9건 중 누설 틈새를 적용한 경우가 7건(약 77.
- 2) 피난 지연시간(W1, W2)을 각각 적용하여 피난 안전성 평가를 수행한 결과 공동주택 A에서 세대 내 방화문을 전체 개방 및 1/4 개방하는 경우에는 W1과 W2 모두 피난 안전성을 확보하지 못하는 것으로 나타났고, 공동주택 B를 1/4 개방을 하였을 경우 W1에서만 피난 안전성이 확보되었으며, W2는 피난 안전성을 확보하지 못하는 것으로 나타났다. 그러나, 누설 틈새를 적용한 경우에는 W1과 W2모두 피난 안전성을 확보하는 것으로 나타났다.
- 3) 비화재실의 피난 지연시간의 적용을 파악해 본 결과 총 13건 중 W1이 8건(약 61.5%), W2가 5건(약 38.5%)으로 파악되었으며, W3를 적용한 경우는 없었다.
- ASET과 RSET를 비교하는 피난 안전성 평가의 결과는 ASET이 RSET 보다 클 때 안전성이 확보되는데, 그 차가 클수록 안전도는 높아진다. 그러나 이와 반대일 경우 피난 안전성을 확보할 수 없으며, 건축적인 대책과 설비적인 대책 등을 수정 보완ㆍ추가하여 피난 안전성 평가를 재수행 함으로써 안전성을 확보하여야 한다.
- CO와 CO2에 의한 영향은 시뮬레이션 종료시간인 600 s까지 나타나지 않았으나 O2에 의한 영향이 591 s로 나타났다. Point 2(비화재실 방화문)에서 측정한 결과 가시거리에 의한 영향이 가장 빠르게 나타나 175 s로 측정되었으며, 나머지 항목은 시뮬레이션 종료시간까지 영향이 나타나지 않았다. Point 3(피난계단)에서도 가시거리에 의한 영향이 가장 빠르게 나타나 185 s로 측정되었으며, 나머지 항목은 600 s까지 측정되지 않았다.
- Table 8은 세대 내 방화문을 1/4만 개방하였을 경우 피난 허용시간을 측정한 것이다. 공동주택 A의 Point 1(화재실 방화문)에서 측정한 결과 가시거리에 의한 영향이 95 s로나타났으며, 열에 의한 영향이 198 s, CO가 582 s, CO2가 576 s, O2가 567 s로 나타났다. Point 2(비화재실 방화문)의 경우도 가시거리에 의한 영향이 가장 빠르게 나타나 146 s로 측정되었고, 열에 의한 영향이 588 s로 측정되었으며, 나머지 항목은 시뮬레이션 종료시간인 600 s가 되어서도 측정되지 않았다.
- 공동주택 A의 Point 1(화재실 방화문)에서 피난 허용시간을 측정할 결과 가시거리에 의한 영향이 W1과 W2에서 93 s로 가장 빠르게 나타났으며, 다음으로는 온도에 의한 영향이 W1과 W2에서 197 s로 동일하게 나타났다. 나머지 항목은 W1과 W2 모두 약 550 s 이상의 시간을 나타내어 비교적 낮은 영향을 나타내는 것으로 나타났다.
- 공동주택 B(113형)의 세대 입구 방화문을 전체개방한 후 인명안전기준에 도달하는 피난 허용시간을 측정한 결과, Point 1(화재실 방화문)에서 가시거리에 의한 영향이 가장 빠르게 나타나 120 s로 측정되었고, 열에 의한 영향이 512 s에 도달하는 것으로 나타났으며, 나머지 항목은 600 s까지 측정되지 않았다. Point 2(비화재실 방화문)에서는 가시거리에 의한 영향이 162 s로 나타났으며, 나머지 항목 또한 600 s까지 측정되지 않았다.
- 공동주택 B의 Point 1(화재실 방화문)에서 누설 틈새를 적용하여 피난 허용시간을 측정한 결과 W1과 W2에서 가시거리에 의한 영향이 114 s로 가장 빠르게 나타났으며, 그 다음으로 열에 의한 영향으로 W1이 256 s, W2는 244 s로 나타났다. 또한, O2에 의한 영향이 W1에서 587 s, W2에서 586 s로 나타났으며, 나머지 항목에서는 시뮬레이션 종료 시간까지 영향이 나타나지 않았다.
- 즉, 화재실 거주자만 안전한 피난이 가능한 것으로 나타났으며, 비화재실의 거주자는 피난 안전성을 확보하지 못하는 것으로 나타났다. 그러나 누설 틈새를 적용한 결과는 피난 지연시간 W1, W2에 관계없이 피난 안전성을 확보하는 것으로 나타났다.
- 둘째, 공동주택 A, B에서 피난 허용시간인 ASET을 고찰한 결과 두 가지 형태 모두 전체개방이 가장 빠른 시간을 나타내었고, 1/4 개방이 그 뒤를 이었으며, 누설 틈새를 적용한 경우가 가장 늦게 나타났다. 또한, 전체개방과 1/4 개방은 약 20 s 내외에서의 차를 보였으나 누설 틈새는 1/4개방에 비해서도 약 350 s 이상의 차를 나타내었다.
- 는 572 s로 나타났다. 또한 Point 2(비화재실 방화문)에서의 측정결과 가시거리에 의한 영향이 가장 빠르게 나타나 135 s로 측정되었으며, 다음으로는 열에 의한 영향이 571 s로 나타났고, 기타 항목에서는 시뮬레이션 종료 시간인 600 s까지 인명 안전기준에 도달하지 않았다. Point 3(피난계단)에서의 측정한 결과 또한 가시거리에 의한 영향이 가장 빠르게 나타나 152 s로 측정되었고, 다음으로는 열에 의한 영향이 두 번째로 나타나 583 s로 측정되었다.
- 둘째, 공동주택 A, B에서 피난 허용시간인 ASET을 고찰한 결과 두 가지 형태 모두 전체개방이 가장 빠른 시간을 나타내었고, 1/4 개방이 그 뒤를 이었으며, 누설 틈새를 적용한 경우가 가장 늦게 나타났다. 또한, 전체개방과 1/4 개방은 약 20 s 내외에서의 차를 보였으나 누설 틈새는 1/4개방에 비해서도 약 350 s 이상의 차를 나타내었다.
- 둘째, 공동주택 A, B에서 피난 허용시간인 ASET을 고찰한 결과 두 가지 형태 모두 전체개방이 가장 빠른 시간을 나타내었고, 1/4 개방이 그 뒤를 이었으며, 누설 틈새를 적용한 경우가 가장 늦게 나타났다. 또한, 전체개방과 1/4 개방은 약 20 s 내외에서의 차를 보였으나 누설 틈새는 1/4개방에 비해서도 약 350 s 이상의 차를 나타내었다.
- 셋째, 공동주택 A, B에서 피난 지연시간(W1, W2)을 각각 적용하여 피난 안전성 평가를 수행한 결과 세대 내 방화문을 전체 개방하는 경우에는 W1과 W2 모두 피난 안전성을 확보하지 못하는 것으로 나타났고, 1/4 개방하는 경우에는 공동주택 B에서만 W1이 피난 안전성을 확보하는 것으로 나타났으며 W2의 경우 모두 피난 안전성을 확보하지 못하는 것으로 나타났다. 그러나, 누설 틈새를 적용한 경우에는 두 가지 형태에서 W1과 W2 모두 피난 안전성을 확보하는 것으로 나타났다.
- 그러나, 누설 틈새를 적용한 경우에는 두 가지 형태에서 W1과 W2 모두 피난 안전성을 확보하는 것으로 나타났다. 즉, 방화문 개방 정도가 전체개방 및 1/4 개방 상태에서 사생활 침해 등을 고려하여 피난 지연시간 W2를 적용한 경우에는 피난 안전성을 모두 확보하기 어려운 것으로 나타났으며, 누설 틈새를 적용한 경우에만 피난 지연시간 W2를 적용해도 피난 안전성이 확보되는 것으로 나타났다. 따라서 주거형태를 가지는 건축물이 성능위주설계 대상이 될 때 피난 안전성 평가 수행 시 CCTV 설치 등으로 사생활 침해 등의 우려가 있는 국내 현실을 반영하여 피난 지연시간은 W1보다는 W2의 적용을 검토할 필요가 있다고 사료 된다.
- 그러나 Point 2, 3에서는 피난 지연시간 W1, W2 모두 피난 안전성을 확보하지 못하는 것으로 나타났다. 즉, 화재실 거주자만 안전한 피난이 가능한 것으로 나타났으며, 비화재실의 거주자는 피난 안전성을 확보하지 못하는 것으로 나타났다. 그러나 누설 틈새를 적용한 결과는 피난 지연시간 W1, W2에 관계없이 피난 안전성을 확보하는 것으로 나타났다.
후속연구
- 이것을 바탕으로 좀 더 정확한 피난 안정성 평가를 수행할 수 있고 Passive적인 시스템의 보강으로 안전성의 증대 또한 꾀할 수 있을 것으로 사료 된다. 본 연구는 피난 안전성 평가 시 수행되는 방화문의 개방 정도와 법으로 규정된 피난 지연시간의 적용에 대한 적절함을 파악하기 위한 논문이므로 향후 성능위주설계 시 국내 현실에 적합하고 정확한 평가를 수행하기 위한 기초자료로 활용될 수 있기를 기대한다.
- 즉, 주거형태를 가지는 건축물에 피난 안전성 평가 수행 시 방화문의 차연성능 확보와 성능위주 설계의 고도화를 위해 방화문의 개방 정도에 누설 틈새를 적용하는 방안과 함께 피난 지연시간의 적용 중 W1을 만족시키기 위해 세대 내에 CCTV를 설치하는 것은 재실자의 사생활 보호를 침해하는 현실적으로 적용할 수 없는 기준이 되므로 피난 지연시간 W2의 적용을 함께 검토해 줄 것을 제안하고자 한다. 이것을 바탕으로 좀 더 정확한 피난 안정성 평가를 수행할 수 있고 Passive적인 시스템의 보강으로 안전성의 증대 또한 꾀할 수 있을 것으로 사료 된다. 본 연구는 피난 안전성 평가 시 수행되는 방화문의 개방 정도와 법으로 규정된 피난 지연시간의 적용에 대한 적절함을 파악하기 위한 논문이므로 향후 성능위주설계 시 국내 현실에 적합하고 정확한 평가를 수행하기 위한 기초자료로 활용될 수 있기를 기대한다.
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