지하주차장 성능위주설계의 피난안전성 평가 개선에 관한 연구

A Study on Improvement of Evacuation Safety Evaluation for Performance Based Design in Underground Parking Lot

Abstract

오늘날 인간의 삶의 질 향상과 다양한 욕구를 충족시키기 위한 건축물은 대형화, 고층화, 심층화, 복합화 되는 추세이며, 이에 따른 비정형화된 공간이 새롭게 창출되면서 성능위주설계대상도 증가하고 있다. 성능위주설계의 피난안전성 평가는 ASET과 RSET를 산정 비교하여 RSET이 ASET를 초과하지 않도록 하여야 한다. 그러나 지하 주차장과 같이 구획된 공간의 면적이 넓고 피난경로가 다양한 경우 현재 시행되고 있는 성능위주설계 평가 방법만으로 모든 피난경로에서 안전성을 확보하기 어려운 문제가 있다. 따라서 본 논문에서는 이러한 문제점을 극복하기 위해 현재 사용되고 있는 성능위주설계의 시뮬레이션 설정방법에 대해 먼저 고찰한 다음 지하 주차장을 대상으로 화재시뮬레이션 2가지와 피난시뮬레이션 3가지 경우를 각각 수행하여 6가지 경우에 대한 피난안전성 평가를 실시하고 비교 평가하여 문제점을 살펴보고 개선된 성능위주설계의 피난안전성 평가 방안을 제시한다.

Today, building constructions are becoming larger, higher, deeper, and complex to improve quality of human life and meet various needs. As a result, new design space for non - typically standardized space has been created, and targets for performance-based design are also becoming increased. An evacuation safety evaluation of performance-based design should be compared with ASET and RSET estimation so that the value of RSET does not exceed the value of ASET. However, there is a problem that it is difficult to secure the safety with using the performance-based design evaluation method currently in use, especially in case of the underground parking lot, because it has wide compartment area and various routes for evacuation. Therefore, in order to overcome these problems, this paper first investigates the simulation setting method of the performance-based design that is currently in use, and then conducts two fire simulations and three evacuation simulations for underground parking lots each time, so performs the evacuation safety evaluationin total six cases of situations. Here this paper analyzes the problem with comparative evaluation research and suggests the better solution for improved evacuation safety evaluation of performance-based design.

1. 서론

최근 급속한 경제성장과 대지의 한계성, 건설기술의 발달에 의해 건축물이 고층화, 지하 심층화, 대형화, 복합화되어감에 따라 새로운 공간 또는 비정형화된 공간이 창출되면서 관련법규에 의해 획일적으로 규정하고 있는 사양기준만으로는 충분한 안전을 확보하기 어려운 문제점이 나타나고 있다(1). 이에 국내에서는 화재안전, 소방시설 설치․유지 및 안전관리에 관한 법률 제15조의 3에 의해 일정규모 이상의 특정소방대상물에 대해 성능위주설계를 의무적으로 적용하도록 규정하고 있다. 성능위주설계는 화재안전의 목적을 달성하기 위해 구체적인 성능을 제시하고 과학적으로 평가하여 정량화된 안정성을 확보하여야 하는데 일반적으로 많이 사용되고 있는 방법이 피난안전성 평가이다. 성능위주설계의 피난안전성 평가는 화재시뮬레이션을 수행하여 피난허용시간(Available Safe Egress Time, ASET)을 산정하고 피난시뮬레이션을 수행하여 피난완료시간(Required Safe Egress Time, RSET)을 산정한 뒤 두 값을 비교하여 RSET이 ASET을 초과하지 않도록 하여야한다. 그러나 지하주차장과 같이 구획된 공간의 면적이 넓고 피난경로가 다양한 경우에는 현재 시행되고 있는 성능위주설계의 피난안전성 평가 방법만으로 모든 피난경로에서 안전성을 확보하기 어려워 성능위주설계가 만족되기 어려운 문제가 상존하고 있다.

따라서 본 논문에서는 이러한 문제점을 해결하기 위해 현행 사용되고 있는 성능위주설계의 시뮬레이션 설정방법에 대해 먼저 고찰한 다음 일정규모이상인 지하주차장을 대상으로 화재시뮬레이션 2가지와 피난시뮬레이션 3가지 경우를 각각 수행하여 6가지 경우에 대한 피난안전성 평가를 실시하고 비교 평가하여 문제점을 살펴보고 개선된 성능위주설계의 피난안전성 평가 방안을 제시하고자 한다.

2. 연구의 목적 및 연구방법

2.1 연구의 목적

현재 현장에서 실질적으로 적용되고 있는 성능위주설계시뮬레이션 설정방법을 살펴보고, 지하주차장과 같이 구획된 공간의 면적이 넓고 피난경로가 다양한 건축물을 대상으로 현재 방식을 적용하였을 때의 문제점을 화재 및 피난시뮬레이션을 수행하여 도출한 다음 이 문제점을 해결하기 위한 피난시뮬레이션 시나리오를 제시하고 피난안전성 평가를 실시하여 성능위주설계의 피난안전성 평가 방안을 개선하는데 본 연구의 목적을 둔다.

2.2 연구의 범위 및 방법

상기 목적을 달성하기 위해 00광역시에 위치한 지하 4층지상 36층, 최고높이 121 m, 연면적 51,631 ㎡ 성능위주설계 대상물 중 4,067.43 ㎡의 지하 4층의 지하주차장을 대상으로 연구의 범위를 한정하며 개선된 성능위주설계 피난안전성 평가방안을 제시하기 위해 다음과 같은 방법으로 연구를 수행하였다.

첫째, 화재시나리오는 엔진과열로 인한 차량화재로 화재성장속도는 Fast이며 각 자동차는 화재발열량이 8,500 kW도달 후 지속되는 것으로 가정하고 발화가 일어난 후 약 3 min 30 s 후에 화재가 전파되어 차량 2대가 발화하는 Case1과 차량 1대만 발화하는 Case2의 2가지 경우로 화재시뮬레이션을 설정한다.

둘째, 피난시나리오는 화재층인 지하 4층을 기준으로 화재 근접부 한곳의 출입구를 폐쇄하고 피난 시 화재위험성(일반적으로 가시도가 제일 위험하게 나옴, 이후 가 시도)에 관계없이 폐쇄한 출입구를 제외한 모든 출입구를 사용하여 피난하는 경우를 Case1, 가시도가 떨어지는 출입구를 10 s전에 폐쇄하고 다른 출입구로 순차 피난하는 경우를 Case 2, 가시도가 떨어지기 직전인 1 s 전까지 해당 출입구를 이용하다가 가시도가 떨어지는 1 s 전부터 다른 출입구를 이용하여 순차 피난하는 경우를 Case3의 3가지 경우로 피난시뮬레이션을 설정한다. 셋째, 화재시뮬레이션 2가지와 피난시뮬레이션 3가지 경우를 각각 적용하여 6가지 경우에 대한 피난안전성 평가를 실시하고 비교 평가하여 문제점을 도출하고 개선된 성능위주설계 피난안전성 평가 방안을 제시한다.

3. 성능위주설계 시뮬레이션 설정방법

3.1 화재시뮬레이션 설정방법

3.1.1 화재성장속도 선정

화재 시뮬레이션에 사용되는 입력 데이터 중에서 가장 중요한 요소는 화재크기인 설계화재인데 대부분 시간에 따른 열방출율을 사용한다. 이러한 화재성장률은 연소 물질이외에도 발화원의 크기, 위치, 주변 환경 등 많은 인자들에 의해 결정되지만 이러한 모든 인자들을 적용할 수 없기 때문에 일반적으로 t2 화재 성장곡선을 주로 사용한다. t2화재는 단위면적당 방출되는 열량이 화재반경을 가지고 원의 형태로 퍼져가는 것으로 연소표면적인 연소공간이 화재반경의 제곱으로 증가함을 보여준다. t2 화재성장곡선은 초기 잠복시간을 무시하면 실험데이터와 일치하는 점이 많으므로 NFPA 72, NFPA 92B, NFPA 204 등에서 화재설계에 이용되고 있다. t2 화재성장 곡선과 수식은 Figure 1, 수식 1과 같으며 화재성장의 기울기인 화재강도계수는 Table 1과 같다(2-4).

(1)

여기서,   열방출율(HRR:kW)

 : 화재강도계수(kW/s2)

 : 발화 후 시간(s)

 : 지수(통상적으로 2)

Figure 1. Heat release rate due to time (t2).

Table 1. The Growth Rate of the Fire Intensity Classification

3.1.2 화재 열방출율과 화원의 선정

화재 열방출율은 성능설계를 위한 연소특성 Database인 미국소방기술사회(Society of Fire Protection Engineers, SFPE) Hand book 및 미국 표준기술연구원(National Institute of Standards and Technology, NIST) 등의 실물화재곡선 자료를 사용하여 선정하고 있으며, 화원의 선정은 화재 시뮬레이션 시 화재 위험도 도달에 가장 많은 영향을 미치는 요인인 온도와 연기발생량을 고려한 SFPE Handbook(5) 내 기재된 데이터를 기준으로 적용하고 있다.

3.2 피난시뮬레이션 설정방법

3.2.1 피난시간 지연기준

피난 중에 나타나는 재실자의 이동을 예측하는 것은 성능위주설계의 화재안전 분석방식에서 핵심적인 요소로 이것을 나타낼 수 있는 피난완료시간(RSET)은 건축물에서 화재가 발생하는 순간부터 재실자가 이를 인지하고 반응하여 피난을 완료하는 시점까지 걸리는 시간을 의미한다. 즉,피난완료시간은 화재인지를 감지하는 감지시간과 재실자가 화재발생 사실을 인지하고 반응해 피난개시까지 걸리는 시간인 지연시간 그리고 실제로 안전한 장소로 이동하는 시간인 이동시간으로 구성된다. 이 때 감지시간은 화재역학 및 화재시뮬레이션 등을 통해서 구하고 지연시간은 각 국의법규나 기준에서 정한 데이터나 수식을 적용하여 구하며, 이동시간은 피난시뮬레이션 또는 SFPE Handbook의 계산방법등으로 구한다. 이것을 그림으로 나타내면 Figure 2(6)와 같다.

(2)

여기서, td  발화로부터 감지까지의 소요시간

ta  감지로부터 재실자 통보까지의 소요시간

to  통보로부터 재실자의 의사결정까지의 소요시간

ti  결정으로부터 피난개시가지의 소요시간

te  피난개시로부터 완료까지의 소요시간

Figure 2. Composition of required safe egress time.

SFPE에서는 피난완료시간을 수식 (2)와 같이 td～te의 5가지 단계별 시간으로 분류하여 구하고 있으며 Figure 2와 같이 알람신호단계(Alert, cue), 인지단계(Cognition), 의사결정단계(Decision-making)를 통틀어 피난지연시간 또는 반응시간(Response time)이라고 정의하고 있다. 이 반응시간은 피난개시를 지연시키는 결정적인 요소로 주로 해당 건축물 내에서 제공되는 경보설비의 유형이나 거주자의 특성에 따라 결정된다. 국내에서의 반응시간에 관한 적용기준은British Standard (BS) DD240과 미국의 SFPE의 기준을 인용하여 ‘소방시설 등의 성능위주설계 방법 및 기준’ 별표 1에경보설비에 따라 다양한 시설물에 대한 반응시간(7)을 명시하고 있으며 이것을 나타내면 Table 2와 같다.

Table 2. Standard of Response Time in Korea

한편 일본에서는 반응시간에 관한 적용기준을 일본건축센터의 ‘건축방재계획지침’에 따라 화재실과 비화재실로 구분하여 계산식을 제시하고 있는데 이것을 나타내면 수식 (3), (4)와 같다. 수식 (3)은 화재실의 반응시간을 나타낸 것으로 화재실의 면적에 의해 반응시간을 산정하며 수식 (4)는 비화재실의 반응시간을 나타낸 것으로 수식 (3)에서 도출된 반응시간의 2배를 적용한다(8).

(3)

(4)

여기서,  : 화재실의 반응시간(s), a는 천장높이로 6 m 미만 2, 6 m 이상 3

 : 비화재실의 반응시간(s)

 : 화재실의 면적(m2)

3.2.2 수용인원 산정기준

성능위주설계를 위해 ‘소방시설등의 성능위주설계방법및 기준’ 별표 1에서 화재 및 피난시뮬레이션의 시나리오 작성기준을 제시해 주고 있고 이에 따른 공간용도별 재실자 밀도에 따른 수용인원 산정기준(9)을 규정에 주고 있으며 이것을 나타내면 Table 3과 같다.

Table 3. Occupant Load Estimation by Space Usage

3.2.3 신체 지수 및 보행속도 산정기준

피난시뮬레이션에 적용되는 재실자의 신체지수는 통계청이나 Size Korea(한국인 인체치수조사)를 통해 적용되며어린이, 청소년, 성인, 노인으로 분류 후 남성과 여성으로 나누어 각각의 평균값을 적용한다. 현행 사용되는 인체치수조사는 어린이를 제외하고 제 7차 인체치수조사를 인용하고 어린이는 제 7차 인체치수조사에서 조사되지 않아 제6차 인체치수조사를 인용하며 재실자 비율은 국가통계를 통해 해당지역의 연령 및 성별인구 자료를 인용한다. 보행속도는 일본의 연구논문인 ‘Classification of behavioralability for evacuation’을 참고하여 0.8∼1.2 m/s를 인용하거나 한국건설기술연구원의 이전연구(10)에서 조사한 이동속도에 대한 표준속도의 제안을 인용하는데 이것을 나타내면 Table 4와 같다.

Table 4. Working Speed Published Korea Institute of Civil Engineering and Building Technology

3.3 기타시뮬레이션 설정방법

3.3.1 격자 설정

시뮬레이션을 통한 화재안전성 평가 시 결과의 정확성을 확보하기 위한 가장 중요한 요소 중 하나는 격자의 적절한 설정이다. 화재 시뮬레이션의 격자 크기는 FDS에서 사용되는 LES 모델의 GS와 SGS 모델에 직접적으로 연관되며, 격자의 크기에 따라 난류 및 연소모델의 정확도가 크게 변화한다.

일반적으로 FDS에 적용되는 격자 크기는 McCaffrey의 연구에 의한 수식(5)로 나타낼 수 있는데 특성화재직경 와 격자 크기인 와의 비율인 에 따라 모델링의 민감도를 조정할 수 있다. 의 값이 클수록 신뢰도가 높고정밀한 계산이 되지만 과도한 시간이 소요되므로 적절한 격자의 선정을 통해 신뢰성은 높지만 계산시간이 짧은 격자의 선정이 필요하다. 격자의 민감도 선정은 미국원자력규제위원회(NUREG)의 FDS V&V (검증 및 평가)보고서NUREG-1824(11)에서 의 값을 4에서 16으로 제시하고 있으며 일반적으로 의 값이 4∼10 사이(12)일 때 계산결과의 정확도와 적절한 소요시간을 모두 만족하는 것으로 하고 있다.

  ∞··∞· (5)

  

여기서,  : 특성화재직경,

∞ : 주변공기 밀도(1.204 kg/㎥)

 : 주변공기 비열(1.005 kJ/kg․K)

∞ : 주변공기 온도(293 K)

g : 중력가속도 (9.81 m/s& sup2;) : 열방출률 (kW)

4～16 : 무차원수, NUREG 1824(미국 원자력위원회)의 민감도 수용범위

   : 실제 적용된 격자 크기

3.3.2 감지기 설정

감지기 설정에 대한 데이터는 연기 및 열 감지기의 장치특성에 관한 실험 및 수치적 연구 논문인 ‘Measurement of the Device Properties of a Ionization Smoke Detector to Improve Predictive Performance of the Fire Modeling & rsquo; (13)과‘ Measurement of the Device Properties of Fixed Temperature Heat Detectors for the Fire Modeling’(14)의 결과를 일반적으로 인용하며 이것을 나타내면 Table 5, 6과 같다.

Table 5. Measured Device Properties for a Ionization Smoke Detector

Table 6. Measured Device Properties for the Fixed Temperature Heat Detectors

3.3.3 인명안전 기준

화재에 의한 재실자의 위험 상승 요인에는 열, 가시거리, 독성가스 등이 있는데, 재실자의 피난 시 국내에서 적용되는 기준은 소방시설 등의 성능위주 설계 방법 및 기준 별표 1의 화재 및 피난 시뮬레이션 시나리오 작성 기준의 인명안전기준(15)으로 이것을 나타내면 Table 7과 같다. 즉, 재실자의 피난 안전성을 평가하기 위해 호흡한계선인 바닥으로부터 1.8 m 평면에 열, 가시거리, 독성가스에 의한 위험도 증가를 시간에 따라 위치별로 분석하고, 분석된 위험도는 인명안전기준에서 제시된 내용과 비교하여 허용기준치를 초과할 경우 해당 위치는 위험한 지역으로 판단하게 되고 그 시간을 해당 위치에 대한 피난허용시간으로 판단한다.

Table 7. Life Safety Standards

4. 성능위주설계 시뮬레이션 수행평가

4.1 화재시뮬레이션 모델링

화재시뮬레이션 모델링은 엔진과열로 인한 차량화재로각 자동차는 화재발열량이 최대 열방출율에 도달 후 지속되는 것으로 가정하고 최초 발화가 일어난 후 약 3 min 30s 후에 화재가 전파되어 차량 2대가 발화하는 좀 더 가혹한 조건인 Case1과 차량 1대만 발화하는 일반적인 조건인 Case 2의 2가지 경우에 대해서 모의실험을 하였다. 두 조건다 동일한 제반조건을 가지며 기본적인 건축물의 평면 모양도 동일하다. 시뮬레이션 대상물은 00광역시에 위치한 성능위주설계 대상 건축물의 지하 4층 주차장을 모델로 선정하였으며 적용된 연면적은 4,067.43 m2이고 피단계단 수는 10개 이다. 발화원은 화재 시 연소생성물의 고른 분포와확산을 통해 정확한 결과 데이터를 얻을 수 있고 피난 시 가장 가혹하다고 할 수 있는 피난계단 P05의 좌측 하단부에서 발화한 것으로 가정하였다. 열 방출율은 Van 차량을 적용하여 8,500 kW를 선정하였으며 화재성장속도는 위험성이 높은 Fast의 값으로 설정하였고, 시뮬레이션 시간은 600 s, 격자 수는 1,469,871개, 격자 하나의 크기는 0.2 m & times; 0.2 m × 0.2 m 로 설정 하였다. 또한 가시거리, 온도, 연기농도를 측정하기 위한 장치들은 각 출입구의 높이 1.8 m에설치하였으며 이것을 나타내면 Table 8과 같다.

Table 8. The Conditions of Fire Simulation

4.2 화재시뮬레이션 결과분석

화재시뮬레이션을 통하여 시간의 경과에 따른 가시거리 분포, 온도분포, CO2, CO, O2의 농도분포 결과를 도출하였으며 각 결과 그래프에 한계선을 표시하여 피난 허용시간을 계산하였다. Table 9는 Case1, 2에 대한 시뮬레이션 결과 중 가시거리, 온도, CO의 농도를 나타낸 것으로 먼저 각 그래프를 비교하여 보면 가시거리 분포가 가장 짧은 시간에 피난 허용시간에 도달함을 알 수 있으며 상대적으로 CO 농도가 가장 느리게 피난허용한계에 도달함을 알 수 있다. 각각의 위험요소에 대한 피난허용시간을 산출하여 비교하면 모든 출입구에서 가시거리의 피난허용시간이 가장 짧으므로 피난허용시간(ASET)은 가시거리의 피난 허용시간으로 설정할 수 있다. 화재시뮬레이션 Case1, 2에 대해서 각 출입구 별 피난허용시간을 나타내면 Table 10과 같다.

Table 9. The Analysis of Fire Simulation Result

Table 10. Available Safe Egress Time in Each Entrance

4.3 피난시뮬레이션 모델링

피난 시뮬레이션은 National Fire Agency (2017)의 소방시설 등의 성능위주 설계 방법 및 기준에 따라 조건을 설정하였다. 수용인원 산정 시 면적은 사람이 피난을 하기 위하여 순수하게 이용할 수 있는 주차장만을 고려한 면적 산출근거자료의 면적(Fan Room, Core, 창고 등의 면적 제외)을 기준으로 산정하여 3,134.33 m2을 적용하였고 재실자 밀도는 주차장에 대한 국내 기준이 없어 미국의 International Building Code (IBC), Section 1004 Occupant Load, Table 1004.1.2 Maximum Floor Area Allowances Per Occupant 기준(16)인 18.56 (m2/person)을 적용한 것과 영국의 Approved Document B, Appendix C : Methods of measurement(17)의 주차대수 당 2인을 적용한 것 중 큰 값을 기준으로 산정하여 169명을 적용하였다. 지연시간 산정 시 지하 주차장은 면적은 넓지만 단일 구획으로 볼 수 있으므로 일본건축방재지침의 화재실 기준을 적용한 것과 화재시뮬레이션의 연기감지기 작동시간을 적용한 것 중 비교해서 큰 값인 112 s를 적용하였으며 이것을 나타내면 Table 11과 같다.

Table 11. The Conditions of Evacuation Simulation

4.4 피난 시나리오

피난시나리오는 화재층인 지하 4층을 기준으로 화재 근접부 한곳의 출입구인 P05 피난계단을 폐쇄한 상태에서 일부 출입구가 피난허용시간에 도달했음에도 불구하고 위험에 노출된 출입구를 포함한 모든 출입구를 사용하여 피난하는 피난 시뮬레이션 수행 시 현재 일반적으로 사용되는 방법인 Case1과 이러한 위험성을 개선하기 위해 가 시도가 떨어지는 출입구를 10 s 전에 폐쇄하고 다른 출입구를 이용하여 순차 피난하는 경우를 Case2, 가시도가 떨어지기 직전인 1 s 전까지 해당 출입구를 이용하다가 가시도가 떨어지는 1 s 전부터 다른 출입구를 이용하여 순차 피난하는 경우인 Case3의 3가지 경우에 대해서 모의실험을 하였다.

4.5 피난시뮬레이션 결과분석

지하 4층 주차장의 수평피난동선을 나타내면 Table 12와 같고 화재시뮬레이션 Case1에 대해 피난동선에 따른 피난시나리오별 각 출입구의 피난인원수와 ASET, RSET을 나타내면 Table 13과 같다.

Table 12. Evacuation Routes of the Forth Basement Parking Lot

Table 13. The Number of Evacuees and ASET, RSET

피난개시는 피난지연시간인 112 s 뒤에 시작하게 되는데Case 1의 경우 피난동선 4번인 7번 출입구에서 피난 허용시간이 131 s로, 피난을 시작한 뒤 19 s 뒤면 위험에 도달하게 되고 7번 출입구를 통해서 피난하는 총 인원수 46명 중 15명만이 위험에 도달하기 전에 피난을 하고 나머지 31명은 위험에 도달한 상태에서 피난을 하여 166 s에 피난이 완료되므로 피난안전성이 확보되지 않는 것으로 나타났다.

Case2의 경우 피난동선 4번인 7번 출입구를 통해 피난하는 인원수는 5명으로 가시도가 떨어지기 10 s 전인 121 s에출입구를 폐쇄하여 Case1에 비해서 피난인원이 41명이 줄어든 대신 7번 출입구 폐쇄에 따른 다른 출입구로의 순차이동으로 피난동선 1,3에 위치한 출입구 1번과 6번은 2명씩 늘어나고 피난동선 2에 위치한 출입구 3번은 3명이 늘어나며 피난동선 5에 위치한 출입구 9번에서는 34명이 늘어났다. 이 때 피난동선 1∼4에 위치한 출입구에서는 위험도달 10 s 전에 피난이 완료되는데 비해 피난동선 5번에 위치한 9번 출입구에서는 병목현상으로 인해 위험도달 10 s전(171 s)까지 피난이 완료되지 못해 피난을 완료하지 못한2명의 인원이 근접 출입구인 6번 출입구를 통해서 피난을 하여 피난완료시간이 193 s로 Case1에 비해 49 s 늘어났다. 하지만, 가장 오래시간이 걸린 6번 출입구를 포함해서 모든 피난동선에서 피난허용시간에 도달하기 전에 모두 피난이 완료되므로 모든 출입구에서 피난안전성을 확보하는 것으로 나타났다. Case3의 경우 피난동선 4번인 7번 출입구를 통해 피난하는 인원수는 14명으로 가시도가 떨어지기 직전인 130 s에 출입구를 폐쇄하여 Case1에 비해서 피난인원이 32명으로 줄어든 대신 7번 출입구 폐쇄에 따른 다른 출입구로의 순차이동 시 Case2와는 다르게 병목현상이 없어 피난동선 1∼3에 위치한 출입구에서의 피난인원은 변동이 없으며 피난동선 5에 위치한 출입구 9번에서만 32명이 늘어났다. 즉, 7번 출입구 폐쇄 시 늘어난 32명의 인원과처음부터 9번 출입구를 이용하여 피난하는 인원 5명을 포함해서 37명이 9번 출입구를 통해서 피난을 하며 피난완료시간이 176 s로 Case1에 비해 55 s 늘어나지만 가장 오래시간이 걸린 9번 출입구를 포함해서 모든 피난동선에서 피난 허용시간에 도달하기 전에 모두 피난이 완료되므로 Case 2와 마찬가지로 모든 출입구에서 피난안전성을 확보하는 것으로 나타났다. 이것을 나타내면 Table 14와 같다.

Table 14. The Number of Evacuees at P07, P09 Entrance by Evacuation Simulation Scenario

4.6 피난안전성 평가

지하 4층의 주차장을 대상으로 발열량 8,500 kW의 자동차 1대가 발화하는 Case2와 3 min 30 s 이후에 화재가 전파되어 발화하는 Case1의 화재시뮬레이션 2가지와 화재 근접부 한 곳의 출입구를 폐쇄하고 화재위험성에 도달한 출입구를 포함한 모든 출입구를 사용하여 피난하는 Case1과 가 시도가 떨어지는 출입구를 10 s 전에 폐쇄하고 그 출입구를 통과하지 못한 피난 인원을 다른 출입구로 순차 이동시켜 피난하는 Case2와 가시도가 떨어지지 직전인 1 s 전까지 출입구를 이용하다가 가시도가 떨어지는 출입구를 1 s전에 폐쇄하고 그 출입구를 통과하지 못한 피난인원을 다른 출입구로 순차 이동시켜 피난하는 Case3의 시뮬레이션 3가지 경우를 각각 적용하여 6가지 경우에 대해 피난안전성 평가를 실시한 결과를 나타내면 Table 15와 같다. 피난안정성 평가 결과 화재시뮬레이션 Case1, 2 에 대해 피난시뮬레이션 Case1의 경우 피난동선 4번인 7번, 8번 출입구에서 피난 안전성 확보가 되지 않는 것으로 나타났다. 그러나 이를 개선한 피난 시뮬레이션 Case2, 3의 경우 가장 취약한 7번, 8번 출입구에서도 피난 안정성이 확보되는 것으로 나타났다.

Table 15. A Evacuation Safety Assessment for Fire Simulation Scenario

5. 결론

본 논문은 지하주차장과 같이 구획된 공간의 면적이 넓고 피난경로가 다양한 건축물을 대상으로 화재시뮬레이션 2가지에 대해 피난시뮬레이션의 문제점을 도출하고 이 문제점을 해결하기 위한 피난시뮬레이션 시나리오를 제안하며 피난안전성평가를 실시하여 개선된 성능위주설계의 피난안전성 평가 방안을 제시한다. 이것을 정리하면 다음과 같다.

1) 현재 일반적으로 사용되고 있는 방법인 가시도가 떨어진 출입구를 통해서도 피난이 계속 진행되는 피난시뮬레이션 Case1의 경우 피난동선 4번인 7번 출입구에서 ASET이 131 s로, 피난을 시작한 뒤 19 s 뒤면 위험에 도달하게 되므로 7번 출입구를 통해서 피난하는 총 인원수 46명 중 15명만이 위험이 도달하기 전에 피난을 하고 나머지 31명은 위험이 도달한 상태에서 피난을 하여 166 s에 피난이 완료되므로 RSET이 ASET를 초과하여 피난안전성이 확보되지 않는 것으로 나타났다.

2) 가시도가 떨어지는 출입구를 10 s 전에 폐쇄하고 그출입구를 통과하지 못한 피난 인원을 다른 출입구로 순차이동시켜 피난하는 Case2의 경우 피난동선 1∼4에 위치한 출입구에서는 위험도달 10 s 전에 피난이 완료되는데 비해 피난동선 5번에 위치한 9번 출입구에서는 병목현상으로 인해 위험도달 10 s전인 171 s까지 피난이 완료되지 못해 피난을 완료하지 못한 2명의 인원이 근접 출입구인 6번 출입구를 통해서 피난을 하여 피난완료시간이 193 s로 Case 1에 비해 49 s 늘어났다. 하지만, 가장 오래시간이 걸린 6번 출입구를 포함해서 모든 피난동선에서 피난허용시간에 도달하기 전에 모두 피난이 완료되므로 모든 출입구에서 피난안전성을 확보하는 것으로 나타났다.

3) 가시도가 떨어지지 직전인 1 s 전까지 출입구를 이용하다가 가시도가 떨어지는 출입구를 1 s 전에 폐쇄하고 그출입구를 통과하지 못한 피난인원을 다른 출입구로 순차이동시켜 피난하는 Case3의 경우 Case2와는 다르게 병목현상이 없어 37명의 인원이 9번 출입구를 통해서 피난을 하며 피난완료시간이 176 s로 Case1에 비해 55 s 늘어나지만 가장 오래시간이 걸린 9번 출입구를 포함해서 모든 피난동선에서 피난허용시간에 도달하기 전에 모두 피난이 완료되므로 모든 출입구에서 피난안전성을 확보하는 것으로 나타났다.

4) 상기에서 살펴본바와 같이 동일한 대상물과 구조를 가지더라도 피난시뮬레이션의 피난 조건을 다르게 할 경우 서로 상반된 결과를 유추할 수 있으므로 향후 성능위주설계 피난안전성 평가 방식을 결정할 때는 가시도가 떨어진출입구를 통해서 피난이 계속 진행되는 방식 보다는 가 시도가 떨어지기 10 s 전이나 1 s 전에 출입구를 폐쇄하고 그출입구를 통과하지 못한 피난인원은 다른 출입구로 순차이동시켜 피난시키는 방식을 적용하는 것이 좀 더 합리적이라고 생각된다.

본 논문은 시뮬레이션을 통해 성능위주설계의 피난안전성 평가방안을 제시하였다. 동일한 제반조건과 각 구조별 특성을 모두 갖추려고 했지만 실제 건축물과는 분명한 차이가 있을 것이다. 그러나 본 연구를 통해 피난조건을 다르게 할 경우 안전성이 확보되지 않는 다는 것을 알 수 있고, 기획이나 설계단계에서 보다 합리적인 성능위주설계의 피난안정성 평가 방안으로 활용될 수 있으며 보다 더 정확한 피난대책 수립 자료로도 활용될 수 있을 것이라 사료된다.