[논문]공동주택 건축물 내 화재방호시스템이 피난안전성에 미치는 영향에 대한 수치해석적 연구

김학경; 최두찬; 이두희; 황현수; 김희문

doi:10.15683/kosdi.2022.3.31.038

[국내논문] 공동주택 건축물 내 화재방호시스템이 피난안전성에 미치는 영향에 대한 수치해석적 연구
A Numerical Analysis Study on the Influence of the Fire Protection System on Evacuation Safety in Apartment Houses 원문보기

한국재난정보학회논문집 = Journal of the Society of Disaster Information, v.18 no.1 = no.55, 2022년, pp.38 - 50

김학경 (KF UBIS Co., Ltd) , 최두찬 (KF UBIS Co., Ltd) , 이두희 (KF UBIS Co., Ltd) , 황현수 (KF UBIS Co., Ltd) , 김희문 (KF UBIS Co., Ltd)

초록
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연구목적: 본 연구는 방화관리자 및 건물 관계인이 피난안전성능 향상 계획 수립 시, 한정된 예산을 고려하여 피난안전성능 개선 항목 선정에 도움을 주는 수치해석 DB 구축 방향 수립이 목적이다. 연구방법: 직통계단형 아파트 1개동과 복도형 1개동을 선정하여 정량적 평가기법인 CFD기반 피난안전성평가를 수행하였다. 연구결과: 직통계단형 아파트는 방화구획 항목에서의 피난허용시간이 스프링클러설비 등 피난허용시간보다 약 130%이상 높게 나타났다. 결론: 방화관리자 및 건축물 관계인은 적법하게 유지관리하고 직통계단형 공동주택에서는 "주거세대 별도 방화구획"을 우선 적용하는 것이 피난안전성이 가장 개선되고, 층간 방화구획과 스프링클러설비를 상시 유지보수 및 강화하는 것이 효과적일 것으로 판단된다. 복도형 공동주택에서는 연기확산이 직통계단형 공동주택보다 제한적인 특성을 고려하여 소화설비의 유지보수가 우선되어야 할 것으로 사료된다.

Abstract ▼ AI-Helper

Purpose: The goal of this research is to create a numerical analytic database that may assist fire prevention managers and building officials in prioritizing items that need to be addressed in order to improve evacuation safety performance while working within a constrained budget and time frame. Method: It was carried out utilizing the CFD Tool, a quantitative evaluation approach, to assess evacuation safety. One direct staircase-type apartment houses and one corridor-type apartment were chosen to make it. Result: In the fire compartment category, Apartment A's evacuation time was around 130 percent longer than that of sprinkler facilities. Conclusion: Fire prevention managers and building officials feel that starting with a single level and implementing "dwelling unit separations" will increase evacuation safety, and that maintaining fire compartments and sprinkler systems at all times will be effective. Because of the limited characteristics of smoke propagation in corridor-type apartments compared to direct staircase-type flats, it is thought that fire extinguishing equipment should be addressed.

Keyword

표/그림 (10)

표 Table 1. Evacuation safety evaluation item
표 Table 2. Evacuation safety evaluation criteria
표 Table 3. Selection of buildings for evacuation safety evaluation
표 Table 4. Fire scenario for evacuation safety evaluation
표 Table 5. Result of evacuation safety evaluation before and after installation of fire compartment(by area)
표 Table 6. Result of evacuation safety evaluation before and after installation of vertical fire compartment
표 Table 7. Result of evacuation safety evaluation of dwelling unit separations(before and after)
표 Table 8. Result of evacuation safety evaluation before and after installation of sprinkler system
표 Table 9. Result of evacuation safety evaluation before and after installation of indoor hydrant system
표 Table 10. Result of evacuation safety evaluation before and after installation of indoor hydrant system

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구는 방화관리자 및 건물 관계인이 관계법령에 적합하게 화재방호시스템을 유지관리하고 있지만, 법률불소급 원칙에 따라 해당 건축물과 신규 건축물간 화재방호시스템 차이에서 발생하는 피난안전성의 괴리율을 감소시키고 피난안전성능을 향상시키고자 할 때, 아파트 장기수선충담금과 같은 한정된 예산 및 기간을 고려하여 피난안전성능 개선 필요항목 우선순위를 결정하는데 도움을 줄 수 있는 수치해석 DB 구축 방향을 수립하기 위한 사전연구가 목적이다.

가설 설정

국가화재정보센터의 통계자료를 근거로 최근 5년간 생활공간 내 가장 화재발생사고가 많은 발화지점인 주방(싱크대 & 주방기구)과 공동주택 내 방화구획된 EPS실에서 가장 열방출률이 높은 케이블트레이를 화원으로 설정하였다. 또한 화원 위치는 피난완료지점인 직통계단 인근에 배치하여 Worst case를 가정하였다. 주방(싱크대 & 주방기구)의 열방출율과 화재성장률은 실물화재시험 데이터를 기반으로 2,363kW와 Fast-Growth를 적용하였으며, 케이블트레이의 열방출율과 화재성장률도 마찬가지로 실물화재시험 데이터를 기반으로 4,630kW와 Fast-Growth를 적용하였다.
공동주택 A는 지상14층 EPS실 전기 케이블트레이의 수직관통부 방화구획에 내화충전재 유무에 따른 층간 방화구획이 형성/미형성되는 시나리오를 가정하였으며, 공동주택 B에서는 지상4층 TPS실 통신케이블 트레이의 상층부 관통부에 층간 방화구획용 내화충전재 설치 전·후 환경에 대하여 Table 6과 같이 피난안전성평가 결과를 도출하였다.

제안 방법

주방(싱크대 & 주방기구)의 열방출율과 화재성장률은 실물화재시험 데이터를 기반으로 2,363kW와 Fast-Growth를 적용하였으며, 케이블트레이의 열방출율과 화재성장률도 마찬가지로 실물화재시험 데이터를 기반으로 4,630kW와 Fast-Growth를 적용하였다

대상 데이터

피난안전성평가를 수행할 대상 공간은 공동주택(아파트) 건축물로 설정하였으며, 아파트의 보편적인 세대평면 구성형태인 직통계단형 아파트 1개동(이하 “공동주택 A”라 한다)과 복도형 1개동(이하 “공동주택 B”라 한다)을 선정하여 국내 아파트 건축물의 방화관리자 및 건물 관계인이 최대한 용이하게 활용할 수 있도록 하였다
국가화재정보센터의 통계자료를 근거로 최근 5년간 생활공간 내 가장 화재발생사고가 많은 발화지점인 주방(싱크대 & 주방기구)과 공동주택 내 방화구획된 EPS실에서 가장 열방출률이 높은 케이블트레이를 화원으로 설정하였다
피난안전성평가를 수행할 대상 공간은 공동주택(아파트) 건축물로 설정하였으며, 아파트의 보편적인 세대평면 구성형태인 직통계단형 아파트 1개동(이하 “공동주택 A”라 한다)과 복도형 1개동(이하 “공동주택 B”라 한다)을 선정하여 국내 아파트 건축물의 방화관리자 및 건물 관계인이 최대한 용이하게 활용할 수 있도록 하였다. 대상 아파트의 층 수는 가장 최근 일자로 공개된 세움터의 2017년도 통계자료 기준으로 전국 128,471 동의 아파트 중 86,262동으로 약 67%를 차지하고 있는 5층 이상 15층 이하 구간 중 최대 층인 15층 규모로 선정하였다. 공동주택 A와 B의 개요 및 평면도는 아래 Table 3과 같다.
피난안전성평가 수행을 위해 필요한 화재시나리오를 도출하고자 화원의 종류 및 특성, 위치를 선정하였다. 발화지점 통계 조사 장소는 재실자가 상시 거주하고 있는 생활공간에서의 발화지점 화재통계데이터를 조사하였다. 국가화재정보센터의 통계자료를 근거로 최근 5년간 생활공간 내 가장 화재발생사고가 많은 발화지점인 주방(싱크대 & 주방기구)과 공동주택 내 방화구획된 EPS실에서 가장 열방출률이 높은 케이블트레이를 화원으로 설정하였다.

이론/모형

본 연구는 정량적 평가기법인 CFD Tool을 활용한 피난안전성평가방법을 통하여 수행하였다.
본 연구에서는 피난허용시간과 피난소요시간을 측정하기 위한 CFD Tool을 각각 선정하여 활용하였다.
공동주택 A와 공동주택 B의 복도 내 옥내소화전 설치 전·후 환경에 대하여 피난안전성평가를 수행한 후, 옥내소화전설비가 피난허용시간 개선에 미치는 영향에 대하여 Table 9와 같이 도출하였다. 옥내소화전 작동시간은 피난시뮬레이션을 통하여 화재실 내 재실자가 화재를 인지한 후, 옥내소화전설비까지 도착하는데 소요되는 시간과 해당 설비 호스를 다시 발화지점까지 끌고 가는데 소요되는 시간을 측정한 후 Time Delay를 통하여 적용하였다.

성능/효과

공동주택 A 피난안전성평가를 수행한 결과, 면적별 방화구획용 방화셔터 불량 시 피난허용시간은 최단 173초(Point 1)/최대 233초(Point 4)로 측정되었으며, 설치 및 유지관리 양호 시 피난허용시간은 최소 206초(Point 1)/최대 800초로 측정되었다. 공동주택 B 수행결과는 방화셔터 불량 시 피난허용시간은 최단 186초(Point 1)/최대 254초(Point 2)로 나타났으며, 설치 및 유지관리 양호 시 최단 피난허용시간은 Point 1지점에서 186초로 불량 시 최단 피난허용시간과 동일하나 최대 피난허용시간은 800초로 측정되어 발화원 인근을 제외한 공간에서는 재실자의 피난안전성이 크게 향상되는 결과가 나타났다.
공동주택 A 피난안전성평가를 수행한 결과, 면적별 방화구획용 방화셔터 불량 시 피난허용시간은 최단 173초(Point 1)/최대 233초(Point 4)로 측정되었으며, 설치 및 유지관리 양호 시 피난허용시간은 최소 206초(Point 1)/최대 800초로 측정되었다. 공동주택 B 수행결과는 방화셔터 불량 시 피난허용시간은 최단 186초(Point 1)/최대 254초(Point 2)로 나타났으며, 설치 및 유지관리 양호 시 최단 피난허용시간은 Point 1지점에서 186초로 불량 시 최단 피난허용시간과 동일하나 최대 피난허용시간은 800초로 측정되어 발화원 인근을 제외한 공간에서는 재실자의 피난안전성이 크게 향상되는 결과가 나타났다.
공동주택 A에 대한 피난안전성평가를 수행한 결과, 주거세대별 별도 방화구획이 미설치되어 주거세대별 출입구가 모두 개방된 상태에서 피난허용시간이 최단 39초(Point 1)/최대 108초(Point 4)로 측정되었으며, 출입구를 방화문으로 설치하여 별도 방화구획을 설치한 후에는 모든 Point에서 피난허용시간이 800초로 측정되었다.
공동주택 B에 대한 피난안전성평가를 수행한 결과, 주거세대별 별도 방화구획이 미설치된 상태에서는 피난허용시간이 최단 35초(Point 1)/최대 800초(Point 2 영역 복도에서 외기로 농연 자연배출)로 측정되었으며, 주거세대별 별도 방화구획을 설치한 후에는 화재실(Point 1)을 제외한 Point에서 피난허용시간이 800초로 측정되었다.
공동주택 A 피난안전성평가를 수행한 결과, 스프링클러설비의 설치 및 유지관리가 불량하여 미작동되는 경우에는 피난허용시간이 최단 33초(Point 1)/최대 108초(Point 4)로 측정되었으며 설치와 유지관리가 양호하여 정상작동되는 경우에는 피난허용시간이 최단 75초(Point 1)/최대 800초로 측정되었다. Point 1영역은 스프링클러가 작동하여 화재를 진압하기 전, 이미 발생된 농연이 폐쇄된 공간 내에 계속 체류하게 되어 크게 개선되지 않았다.
공동주택 B 피난안전성평가 결과에서는 스프링클러설비가 미작동될 시 피난허용시간이 최단 35초(Point 1)/최대 800초로 측정되었으며, 정상작동된 경우에는 피난허용시간이 최단 768초(Point 1)/최대 800초로 나타났다. 스프링클러설비 설치 전에도 일부 영역에서 피난허용시간이 800초로 측정된 원인은 복도형 공동주택 특성상 복도가 외기에 개방되어있는 구조여서 연기가 외부로 자연배출되어 Point 1영역에만 연기가 축적되는 것으로 판단되며, 설치 후에도 최단 피난허용시간의 개선효과가 없는 이유는 공동주택 A와 동일한 원인으로 판단된다.
공동주택 A는 면적별 방화구획, 층간 방화구획, 주거세대별 별도 방화구획 항목에서의 피난허용시간이 스프링클러설비 등 수계소화설비를 통한 피난허용시간보다 약 130%이상 높게 나타났다. 다만 내부 벽체와 복도 등 공간구성에 따른 건축적 특성으로 인하여 방화구획이 불량한 경우에도 일부 영역에서 재실자가 피난이 가능한 것으로 평가되었으나 수계소화설비 불량으로 인한 미작동 시나리오 평가에서는 모든 전체 영역에서 재실자가 모두 피난에 실패한 것으로 해석되었다.
본 연구를 시작하기 전 피난허용시간은 소화설비의 설치 및 유지관리와의 관계성이 매우 큰 것으로 보아 특수한 공간을 제외하고는 어느 평면에서도 소화설비가 피난안전성에 미치는 영향도가 동일한 순서로 나타날 것으로 추측하였다. 그러나 화재시나리오별 피난안전성평가를 수행한 결과, 국내 공동주택의 대표적인 공간 특성인 직통계단형과 복도 등 공간 특성에 따라 소화설비가 피난안전성에 미치는 영향력이 서로 상이하게 나타났다.
본 연구를 시작하기 전 피난허용시간은 소화설비의 설치 및 유지관리와의 관계성이 매우 큰 것으로 보아 특수한 공간을 제외하고는 어느 평면에서도 소화설비가 피난안전성에 미치는 영향도가 동일한 순서로 나타날 것으로 추측하였다. 그러나 화재시나리오별 피난안전성평가를 수행한 결과, 국내 공동주택의 대표적인 공간 특성인 직통계단형과 복도 등 공간 특성에 따라 소화설비가 피난안전성에 미치는 영향력이 서로 상이하게 나타났다.
방화관리자 및 건축물 관계인은 해당 건축물의 화재방호시스템이 소방법과 건축법 등 적용된 관계법령에 적합하게 유지되도록 관리하는 것이 법적 의무사항이며 이보다 피난안전성을 효과적으로 개선시키고자 할 때, 직통계단형 공동주택에서는 일반적으로 주거세대를 구획하고 있는 벽체들이 내화구조인 내력벽으로 구성된 점을 고려하여 출입구를 방화문으로 설치한 “주거세대 별도 방화구획”을 우선하여 적용하는 것이 피난안전성 개선효과가 가장 클 것으로 판단된다
직통계단형 공동주택 A는 특별피난계단실이 아닌 피난계단실 설치 대상에 해당됨에 따라, 연기를 배출하거나 제어할 수 있는 수단인 특별피난계단 부속실 제연설비가 설치되지 않았다. 연기제어 수단 부재와 중앙 복도를 여러 세대가 공유하는 공간적 특성에 따라 연기 거동 및 확산을 제어할 수 있는 화재방호시스템 설치 및 유지관리 상태가 양호할수록 피난허용시간 개선효과가 큰 것으로 판단된다. 복도형 공동주택 B에서는 공동주택 A와 달리 연기의 수평 확산에 한해서는 외기를 통한 자연 배출 효과로 인하여 직접적인 화재를 진압할 수 있는 소화설비일수록 피난허용시간의 개선 효과가 큰 것으로 판단된다.
복도형 공동주택 B에서는 공동주택 A와 달리 연기의 수평 확산에 한해서는 외기를 통한 자연 배출 효과로 인하여 직접적인 화재를 진압할 수 있는 소화설비일수록 피난허용시간의 개선 효과가 큰 것으로 판단된다. 따라서 일반 업무용/상업용 건축물과 달리 직통계단형 공동주택은 방화구획이 피난안전성에 미치는 영향도가 높은 것으로 판단되며, 복도가 외기에 직접 면하고 있는 복도형 공동주택에서는 소화설비가 피난안전성에 미치는 영향도가 높은 것으로 판단된다.
상기 서술한 바에 따라 피난안전성평가를 수행한 결과, 공동주택 A는 옥내소화전설비 불량 시나리오에서는 피난허용시간이 최단 39초(Point 1)/최대 108초(Point 4)로 측정되었으며 설치 및 유지관리가 양호한 경우에는 최단 73초(Point 1)/최대 800초로 측정되었다. 공동주택 B에서는 피난허용시간이 옥내소화전설비 불량 시 최단 35초(Point 1)/최대 800초의 측정되어 화재실로부터 먼 세대는 복도를 통한 자연배출로 인해 Point 2에서만 800초 이상의 피난허용시간이 나타났지만, 설치 및 유지관리가 양호한 경우에는 최단 피난허용시간은 35초(Point 1)이지만 그 외 Point 영역에서는 피난허용시간이 최단 725초(Point 4)/최대 800초(Point 2, 3)로 측정되어 전반적으로 해당 층의 피난안전성이 크게 향상된 결과가 도출되었다.

후속연구

마지막으로 본 연구를 바탕으로 추후 특별피난계단실 및 부속실제연설비가 설치되는 지상16층 이상의 고층형 공동주택과 단일 층 CFD 해석이 아닌 3개 층 이상의 복합 모델링 기반 피난안전성평가 수행으로 다양한 요소들을 고려하여 공동주택의 피난안전성 향상에 도움이 될 수 있는 수치해석 DB를 구축하고자 한다.

참고문헌 (7)

Busan Metropolitan City Fire & Disaster Headquarters (2020). Performance-based Design Evaluation guidelines for Firefighting Systems, etc. Busan Metropolitan City Fire & Disaster Headquarters, Busan, Republic of Korea.
Choi, D.-C., Kim, H.-K., Ko, M.-H., Kim, I.-T., Hwang, H.-S. (2020). "Survey on Existing High-Rise Building Fire Safety Assessment Based on Fire Compartment and Fire Protection System Maintenance." Journal of Fire Science and Engineering, Vol. 34, No. 6, pp. 72-78.
Kim, H.-K. (2020). Fire Safety Assessment Method of Existing Apartment Houses by CFD Simulation. M.E, University of Seoul, Republic of Korea.
Ministry of Land, Infrastructure and Transport (2021). Building Act.
National Fire Agency (2021). Act on Fire Prevention and Installation, Maintenance, and Safety Control of Firefighting Systems.
National Fire Agency (2021). Fire Statistical Yearbook, National Fire Agency, 11-1661000-000011-10, Seoul, Republic of Korea.
National Fire Agency (2021). Performance-based Design Methods and Standards for firefighting Systems, etc.

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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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