[논문]건물형 전통시장 화재발생시 피난안전성 확보를 위한 규모별 주요구조부 내화보강 연구

장혜민; 황정하

doi:10.7731/kifse.67ffe415

문제 정의

본 연구는 건물형 전통시장 화재발생시 피난안전성 확보를 위하여 시장규모별 건축물의 실내기온을 이용하여 주요구조부 온도를 도출하고 피난소요시간[RSET]과 비교하여 피난안전성을 평가한 후, 주요구조부의 피난안전성을 확보하기 위한 내화보강을 제안한 연구로 결과를 요약하면 다음과 같다.
본 연구는 건물형 전통시장 화재발생시를 대비하여, 구조안전성을 평가하고 시장규모별 내화보강 대안을 제시하여 주요구조부의 안전성을 확보하기 위한 연구로 방법 및 범위는 다음과 같다.
본 연구는 건물형 전통시장의 화재발생시 주요구조부가 고온의 환경에서 파괴의 가능성이 높으므로, 이용자의 안전을 확보하기 위하여 시장규모별 구조안전성을 평가하고 내화보강 대안을 제시하여 주요구조부의 안전성을 평가하였다.

가설 설정

식 (1)∼(2)을 이용하여 건물형 전통시장의 규모별 주요 구조부 온도변화는 Table 6과 같이 산출하였다. 구조체한계 온도는 내화성능관리기준에서 제시한 649 ℃로 하였으며, 구조체의 온도가 649 ℃를 초과하면 구조파괴가 발생 할 수 있으므로 안전이 확보되지 않는 것으로 가정 하였다. 소형시장은 62 s에 온도상승이 시작되어 157 s가 경과한 219 s에 구조체한계온도인 649 ℃에 도달하는 것으로 나타났고, 중형 시장은 183 s부터 온도상승이 시작되어 189 s 경과한 372 s에 구조체한계온도에 도달하며, 중대형시장은 456 s부터 온도가 상승하기 시작하여 111 s가 경과한 567 s에 구조체한계온도에 도달하고, 대형시장은 726 s부터 온도가 상승하여 765 s에 도달하는 것으로 나타났다.
2) 화재 시뮬레이션 FDS를 실시하기 위하여 건물형 전통시장의 규모에 따라 일반적인 형태를 선정하였다. 화재 시나리오는 화재발생은 1층 건축물의 중앙에서 발생하여 급격하게 연소 확대되는 상황이며, 점포마다 1.8 m 높이로 가연성의 상품이 적재되어 있는 것으로 가정하였다.
화재발생은 1층 건축물의 중앙부에서 발생하여 급격하게 연소 확대되는 상황으로, 건축물의 구조체는 콘크리트 구조체이며, 소형과 중형시장은 주요품목이 액세서리 및 잡화이고, 중대형과 대형시장은 주요품목이 포목류로 점포 마다 1.8 m 높이로 적재되어 있는 것으로 가정하였다. 실내 기온은 외벽과 기둥에서 0.

제안 방법

1) D도시에 위치한 건물형 전통시장을 현장 조사하여 평면형태와 내부배치 유형을 시장규모별로 분류하고, 일반유형을 도출하여, 규모에 따르른 평균 면적과, 평균 점포개수 및 평균 점포면적을 도출하였다.
2) 건물형 전통시장 규모별 화재시뮬레이션(FDS)을 실시하여 실내기온 변화를 도출하고, 주요구조부 온도를 산출한 후, 구조한계온도 649 ℃을 기준으로 구조체한계시간(Structure Limted Temperature, SLT)을 도출하였다.
2) 화재 시뮬레이션 FDS를 실시하기 위하여 건물형 전통시장의 규모에 따라 일반적인 형태를 선정하였다. 화재 시나리오는 화재발생은 1층 건축물의 중앙에서 발생하여 급격하게 연소 확대되는 상황이며, 점포마다 1.
3) 주요구조부의 피난 안전성을 확보하고자 주요구조부인 기둥, 바닥 및 외벽에 내화 몰탈을 0.01∼0.035 m 도포한 후, 시간경과에 따른 구조체의 온도변화를 분석하였다. 소형시장과 중형시장의 경우 내화보강이 0.
3) 피난 시뮬레이션 프로그램인 Pathfinder ver. 2018을 이용하여 건물형 전통시장 규모에 따른 이용자의 피난소요시간(Required Safety Egress Time, RSET)을 도출하고 구조체 한계시간(SLT)과 비교하여 피난안전성을 분석하였다.
4) 건물형 전통시장 주요구조부에 내화몰탈 보강 [ALT-1∼3]: 0.01∼0.035 m을 실시한 후, 피난안전성 평가하였다.
건물형 전통시장 화재발생시 구조체의 안전성을 확보하고자 주요구조부인 기둥, 바닥 및 외벽에 내화 몰탈을 0.01∼0.035 m 도포하는 보강방안을 제시하고, 이를 구조체에 보강한 후, 시장규모별 주요구조부의 시간경과에 따른 구조체의 온도변화를 분석하였다. 내화몰탈의 열전도율과 비열은 Table 9를 이용하였다⁽¹³⁾.
고강도 콘크리트 기둥 보의 내화성능 관리기준에 따르면 내화성능 판단은 최고온도가 649 ℃를 초과하면 구조체가 안전하지 않는 것으로 간주한다. 건축물의 실내기온을 화재 시뮬레이션(FDS)을 통하여 도출하였으며 아래 온도구배 식 (1)∼(2)을 이용하여 건축물 주요구조부의 온도변화를 계산하였다. 외부온도는 2018년 평균온도인 12 ℃, 내부온도는 20 ℃, 구조체의 입력조건은 다음 Table 5와 같다.
건축물의 피난소요시간(Required Safe Egress Time, RSET)을 도출하기 위하여 피난시뮬레이션 프로그램인 Pathfinder를 실시하였다. 시장규모별 이용자 정보는 Table 7과 같이 D 도시 건물형 전통시장에서 조사된 이용자 밀도와[m²/인]연령대별 성별 비율을[%]^(10,11) 이용하였고, 연령대와 성별에 따라 보행속도를 적용하였다⁽¹²⁾.
8 m 높이로 적재되어 있는 것으로 가정하였다. 실내 기온은 외벽과 기둥에서 0.02 m 이격하고, 바닥부터 천정 사이를 0.2 m 간격으로 14등분하여 얻어진 기온 가운데 가장 높은 온도를 실내기온으로 설정하였다.

이론/모형

건축물의 피난소요시간(Required Safe Egress Time, RSET)을 도출하기 위하여 피난시뮬레이션 프로그램인 Pathfinder를 실시하였다. 시장규모별 이용자 정보는 Table 7과 같이 D 도시 건물형 전통시장에서 조사된 이용자 밀도와[m²/인]연령대별 성별 비율을[%]^(10,11) 이용하였고, 연령대와 성별에 따라 보행속도를 적용하였다⁽¹²⁾.

성능/효과

소형과 중형시장은 다양한 평면형태 가지고 있으며, 중대형과 대형시장은 사각형(Rec) 평면형태만으로 나타났다. 내부배치를 살펴보면 소형시장은 이용자의 접근성을 높이기 위한 외부점포형(Oss)만이 나타났으며, 중대형과 대형시장은 공간을 효과적으로 사용하기 위한 바둑판형(Chk)이 높은 비율로 나타났다. 그러나 중형시장은 다양한 내부배치 유형의 전통시장이 분포하고 있는 것으로 나타났다.
중대형시장은 온도상승시간이 기존 456 s보다 80 s 지연된 536 s로 나타났고, 구조체한계 온도 도달시간도 기존 536 s보다 73 s 지연된 640 s로 나타났다. 대형시장은 기존 726 s보다 35 s 지연된 761s로 나타났고, 구조체한계시간이 기존 765 s보다 45 s 지연된 810 s로 나타났다.
중대형시장은 온도상승시간이 기존 456 s에 비해 27 s가 지연된 483 s에 나타났고, 구조한계온도에 도달하는 시간도 기존 567 s 대비 26 s 지연된 593 s로 나타났다. 대형시장의 온도상승시간은 기존 726 s보다 11 s 지연된 737 s로 나타났고, 구조체한계온도에 도달하는 시간도 기존 765 s보다 8 s 지연된 773 s로 나타났다.
중대형시장은 온도상승시간이 기존 456 s에 비해 63 s 지연된 519 s로 나타났으며, 구조체한계온도에 도달하는 시간은 기존 567 s보다 61 s 지연된 628 s로 나타났다. 대형시장의 온도상승은 기존 726 s보다 25 s지연된 751 s로 나타났고, 구조체한계시간이 기존 765 s보다 28 s 지연된 793 s로 나타났다.
이를 D도시에 위치한 건물형 전통시장의 평면형태와 내부배치는, Table 1과 같이 나타났다. 소형과 중형시장은 다양한 평면형태 가지고 있으며, 중대형과 대형시장은 사각형(Rec) 평면형태만으로 나타났다. 내부배치를 살펴보면 소형시장은 이용자의 접근성을 높이기 위한 외부점포형(Oss)만이 나타났으며, 중대형과 대형시장은 공간을 효과적으로 사용하기 위한 바둑판형(Chk)이 높은 비율로 나타났다.
035 m 도포한 후, 시간경과에 따른 구조체의 온도변화를 분석하였다. 소형시장과 중형시장의 경우 내화보강이 0.025 m 이상하였을 때 구조안전성이 확보되는 것으로 나타났으며, 중대형시장과 대형시장은 0.035 m이상 내화 보강시 구조안전성이 확보되는 것으로 나타났다.
구조체한계 온도는 내화성능관리기준에서 제시한 649 ℃로 하였으며, 구조체의 온도가 649 ℃를 초과하면 구조파괴가 발생 할 수 있으므로 안전이 확보되지 않는 것으로 가정 하였다. 소형시장은 62 s에 온도상승이 시작되어 157 s가 경과한 219 s에 구조체한계온도인 649 ℃에 도달하는 것으로 나타났고, 중형 시장은 183 s부터 온도상승이 시작되어 189 s 경과한 372 s에 구조체한계온도에 도달하며, 중대형시장은 456 s부터 온도가 상승하기 시작하여 111 s가 경과한 567 s에 구조체한계온도에 도달하고, 대형시장은 726 s부터 온도가 상승하여 765 s에 도달하는 것으로 나타났다.
025 m 두께로 도포시 구조체의 온도변화는 Figure 5, Table 11과 같이 나타났다. 소형시장은 온도상승이 기존 62 s 대비 63 s 지연된 125 s로 나타났으며, 구조체한계온도에 도달하는 시간이 기존 219 s 대비 46 s 지연된 265 s로 나타났다. 중형시장은 온도상승이 기존 183 s보다 24 s 지연된 207 s로 나타났으며, 구조체한계온도에 도달하는 시간은 기존 372 s보다 32 s 지연된 404 s로 나타났다.
소형시장은 온도상승이 기존 62 s 대비 80 s 지연된 142 s로 나타났으며, 구조체한계온도에 도달하는 시간도 기존 372 s보다 42 s 지연된 414 s로 나타났다. 중대형시장은 온도상승시간이 기존 456 s보다 80 s 지연된 536 s로 나타났고, 구조체한계 온도 도달시간도 기존 536 s보다 73 s 지연된 640 s로 나타났다.
01 m 두께 내화몰탈 도포 시, 구조체의 온도변화는 Figure 4, Table 10과 같이 나타났다. 소형시장은 온도상승이 기존 62 s에 비해 89 s로 온도상승시간이 27 s 지연되었으며, 구조체 한계온도도 기존 219 s보다 23 s 지연된 242 s로 나타났다. 중형시장은 온도상승이 기존 183 s에 비해 11 s 지연된 194 s로 나타났으며, 구조체한계온도에 도달하는 시간도 기존 372 s보다 3 s 지연된 375 s로 나타났다.
시뮬레이션을 실시하여 Table 8과 같이 시장 규모별 피난소요시간(RSET)을 구조체한계시간(Structure Limit Time, SLT)과 비교하였을 때, 피난소요시간(RSET)이 구조체한계시간(SLT)보다 크게 나타나 화재발생시 피난안전성이 확보되지 않음을 알 수 있다. 이는 화재발생시 이용자의 피난이 완료되기 전에 건물형 전통시장 주요구조부의 붕괴가 발생할 가능성이 있는 것으로 여겨지므로, 내화보강을 실시하여 건축물의 안전이 확보되어져야 한다.
시장규모별 피난안전성을 살펴보면, 점포수가 100 개 미만인 소형시장은 기존 구조체한계시간[SLT]과 피난소요시간[RSET]을 비교하였을 때 주요구조부에 내화몰탈 0.01 m 보강한 [ALT-1]의 경우 구조체한계시간이 23 s 지연되었으나, 구조체의 안전성이 확보되지 않는 것으로 나타났다. 주요구조부에 내화몰탈 0.
점포수가 1,000 개 미만인 대형시장은 기존 구조체한계 시간[SLT]과 피난소요시간[RSET]을 비교하였을 때 주요구조부에 내화몰탈 0.01 m 보강한 [ALT-1]의 경우 구조체한계시간이 8 s 지연되었고, 주요구조부에 내화몰탈 0.025 m 보강한 [ALT-2]의 경우 구조체한계시간이 28 s가 지연되었으나, 구조체의 안전성이 확보되지 않는 것으로 나타났다. 주요구조부에 내화몰탈 0.
점포수가 1,000개 미만인 중대형시장은 기존 구조체한계 시간[SLT]과 피난소요시간[RSET]을 비교하였을 때, 주요 구조부에 내화몰탈 0.01 m 보강한 [ALT-1]의 경우 구조체 한계시간이 26 s 지연되었고, 주요구조부에 내화몰탈 0.025 m 보강한 [ALT-2]의 경우 구조체한계시간이 61 s가 지연되었으나, 구조체의 안전성이 확보되지 않는 것으로 나타났다. 구조부에 내화몰탈 0.
점포수가 500개 미만인 중형시장은 기존 구조체한계시간[SLT]과 피난소요시간[RSET]을 비교하였을 때 주요구조부에 내화몰탈 0.01 m 보강한 [ALT-1]의 경우 구조체한계 시간이 23 s 지연되었으나, 구조체의 안전성이 확보되지 않는 것으로 나타났다. 주요구조부에 내화몰탈 0.
01 m 보강한 [ALT-1]의 경우 구조체한계 시간이 23 s 지연되었으나, 구조체의 안전성이 확보되지 않는 것으로 나타났다. 주요구조부에 내화몰탈 0.025 m 보강한 [ALT-2]의 경우 구조체한계시간이 32 s가 지연되었고, 구조부에 내화몰탈 0.035 m 보강한 [ALT-3]은 42 s 지연되어, [ALT-2] 0.025 m, [ALT-3] 0.035 m 보강시 구조안전성이 확보되는 것으로 나타났다.
025 m 보강한 [ALT-2]의 경우 구조체한계시간이 28 s가 지연되었으나, 구조체의 안전성이 확보되지 않는 것으로 나타났다. 주요구조부에 내화몰탈 0.035 m 보강한 [ALT-3]은 45 s 지연되어, [ALT-3] 0.035 m 보강시 구조안전성이 확보되는 것으로 나타났다.
소형시장은 온도상승이 기존 62 s 대비 80 s 지연된 142 s로 나타났으며, 구조체한계온도에 도달하는 시간도 기존 372 s보다 42 s 지연된 414 s로 나타났다. 중대형시장은 온도상승시간이 기존 456 s보다 80 s 지연된 536 s로 나타났고, 구조체한계 온도 도달시간도 기존 536 s보다 73 s 지연된 640 s로 나타났다. 대형시장은 기존 726 s보다 35 s 지연된 761s로 나타났고, 구조체한계시간이 기존 765 s보다 45 s 지연된 810 s로 나타났다.
중대형시장은 온도상승시간이 기존 456 s에 비해 27 s가 지연된 483 s에 나타났고, 구조한계온도에 도달하는 시간도 기존 567 s 대비 26 s 지연된 593 s로 나타났다. 대형시장의 온도상승시간은 기존 726 s보다 11 s 지연된 737 s로 나타났고, 구조체한계온도에 도달하는 시간도 기존 765 s보다 8 s 지연된 773 s로 나타났다.
중형시장은 온도상승이 기존 183 s보다 24 s 지연된 207 s로 나타났으며, 구조체한계온도에 도달하는 시간은 기존 372 s보다 32 s 지연된 404 s로 나타났다. 중대형시장은 온도상승시간이 기존 456 s에 비해 63 s 지연된 519 s로 나타났으며, 구조체한계온도에 도달하는 시간은 기존 567 s보다 61 s 지연된 628 s로 나타났다. 대형시장의 온도상승은 기존 726 s보다 25 s지연된 751 s로 나타났고, 구조체한계시간이 기존 765 s보다 28 s 지연된 793 s로 나타났다.
소형시장은 온도상승이 기존 62 s에 비해 89 s로 온도상승시간이 27 s 지연되었으며, 구조체 한계온도도 기존 219 s보다 23 s 지연된 242 s로 나타났다. 중형시장은 온도상승이 기존 183 s에 비해 11 s 지연된 194 s로 나타났으며, 구조체한계온도에 도달하는 시간도 기존 372 s보다 3 s 지연된 375 s로 나타났다.
건물형 전통시장의 평면형태와 내부배치를 분류한 Table 2를 근거로 시장규모별 다수의 형태와 배치를 일반적인 형태로 간주하여, 대상건축물의 평면형태와 내부배치는 Table 3의 상단과 같이 선정하여 화재 시뮬레이션을 실시하였다. 평균 점포면적 비율은 바둑판형을 가진 중대형과 대형시장이 높게 나타났으며, 중형시장이 가장 낮은 것으로 나타났는데 이는 공간활용의 효율이 낮은 절각형의 평면형태를 가진 것으로 나타났다. 점포의 평균면적은 소형시장이 가장 크고, 중대형시장이 가장 작은 것으로 나타났다.
화재발생시 시장 규모별 실내기온의 변화는 Figure 3 및 Table 4와 같이, 규모가 작은 소형시장의 기온상승이 가장 빠르게 나타났으며, 규모가 큰 중대형과 대형시장은 화재가 건물 중앙에서 발생하여 실내기온에 서서히 영향을 주는 것으로 나타났다.
화재시뮬레이션을 통해 실내기온을 도출한 후, 열전달 방정식을 이용하여 주요구조부 온도를 산출하고, 피난 시뮬레이션을 이용하여 도출한 피난소요시간(RSET)과 구조 한계온도 649 ℃에 도달하는 구조체한계시간(SLT)과 비교하여 피난안전성을 평가하였을 때, 피난소요시간(RSET)이 구조체한계시간(SLT)보다 크게 나타나 화재발생시 피난안전성이 확보되지 않았으므로, 내화보강을 실시하여야 하는 것으로 판단된다.

후속연구

연구를 통하여 건물형 전통시장에 화재가 빈번히 발생할 우려가 예상되며 이를 성능위주소방설계를 반영한 주요 구조부 내화 보강이 적용되어야 할 것으로 판단된다.

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