A Study on Securing Safety of Evacuation through Smoke Control in Case of Fire at the Central Corridor Type Intelligent Buildings

중복도형 인텔리전트빌딩 화재시 연기제어를 통한 피난안전성 확보에 관한 연구

민 세 홍

^* ·

^** ·

^***

*

· ^**

***

A Study on Securing Safety of Evacuation through Smoke Control in Case of Fire at the Central Corridor Type Intelligent

Buildings

Se Hong Min

^* ·

^** ·

^***

*

**

· ^***

Abstract

This study investigated the smoke blocking and control systems for the safety of residents evacuation and for the prevention of smoke spread through the central corridor in the event of central corridor type of intelligent building fire. We offered additional ways of utilizing smoke ventilators and intake ventilation equipment and utilized CFD-based fire simulation program(FDS Ver.5.5.3) in order to analyze the effect. As a result, many differences in the smoke block effect, depending on the application of smoke ventilator and location of installation, was found. In addition, the result was found that larger effect was showed not in the case of application of smoke ventilator in central corridor only but application in fire room. The reason is that the smoke leakage is blocked primarily as air is flowed in the fire room through open door by operation of intake smoke ventilator in the public corridor and secondarily, the smoke leakage to the public corridor could be blocked as fire and smoke were released to the opened smoke ventilator continuously. Especially, the effect was maximized through complex interactions by applying smoke ventilator and intake ventilation equipment in corridor together rather than applying smoke ventilator and intake ventilation equipment independently. The proposed measure through this study shall be considered from architectural plan as one of ways for blocking from smoke spread to the central corridor in the central corridor type of intelligent building. In addition, flaws on regulation shall be established and supplemented.

Keywords : FDS, Vertical & Horizontal Spread, Smoke Control System, Smoke & Heat Vent(Window Type)

†본 연구는 국민안전처 차세대핵심소방안전기술개발사업(“NEMA-차세대-2013-40”)의 연구비 지원으로 수행되었습니다.

†Corresponding Author : Yeon Jun Bea, R&D Center, Chief Research Engineer, HanBeak F&C Co, LTD., E-mail: [email protected]

Received March 16, 2015; Revision Received June 05, 2015; Accepted June 12, 2015.

1. 서 론

경제와 사회가 발전하면서 도시 집중화와 고밀도 현 상이 심화되고 있다. 이에 따라 제한된 토지이용의 방 법과 도시정비를 위한 대안으로 대도시의 건축물들도 대형화, 첨단화, 초·고층화되고 있으며, 현재도 대도시 를 중심으로 초·고층건축물이 계획되고 건설이 진행 되고 있다. 이런 결과로 화재안전성 및 거주자의 피난 안전성에 대한 위험도도 동시에 높아지고 있다.

국내에 건설되는 초·고층건축물의 대부분은 구조적 안전성, 이용자들의 이동 편리성, 건물기능의 유지·관 리의 편리성 등을 고려해, 이 모든 기능을 건물의 중앙 부에 집중·배치한 중심 Core 형태인 건축물들이 대부 분 차지하고 있으며, 특히 중복도형 건축물이 가장 많 은 건설 비중을 차지하고 있다[1]. 그러나 중복도형 건 축물은 여러 많은 장점이 있는 반면 화재발생시 많은 위험성을 내포하고 있다. 많은 위험성 중 인명에 많은 위험을 초래하는 주된 인자는 사실상 열과 연기이며, 이중에 거주민의 1차적 위험요소는 연기이다[2].

중복도형 초·고층건축물의 화재시 연기에 의한 주된 문제는 결국, 화재장소에서 1차안전구획인 복도로 연기 가 유출해 오염되면, 복도와 연결된 모든 피난경로는 전혀 사용할 수 없게 된다. 이러한 중앙복도에 승용승 강기 등이 설치·연결된 경우에는 연기가 이를 통해 상 부다층으로 확대되어 복도를 오염시키는 단점과 상층부 의 거주민의 피난행동장애, 다층의 동시 다발성 피난에 따른 피난시간 증가와 더불어 연기의 오염 층에 거주민 을 고립시키는 화재위험성을 내포하고 있다. 왜냐하면 건물내부에서 거주민이 유일하게 피난에 사용할 수 있 는 수단은 단, 2가지 유형이 전부이며, 그 첫째는 중복 도인 수평이동경로이고, 그 둘째는 피난계단 등과 같은 수직이동통로가 피난에 유일한 수단이기 때문이다[2].

대다수의 사람들은 이러한 1차 안전구획인 복도의 중 요성을 인식하지 못하고, 복도를 단순히 생활공간에서 수직이동경로인 계단과 승강기까지 이동·연결하는데 필 요한 통로에 불과한 것으로 인식하고 있을 뿐이다. 그러 나 복도는 화재발생시 거주자의 1차 피난안전공간뿐만 아니라 소방대원의 화재진압을 위한 중간 거점으로써 매 우 중요한 경로 및 공간임을 인식할 필요가 있다[3].

초·고층건축물에 대한 거주민의 화재·피난 안전성 의 확보를 위한 연기 확산 및 확대 방지에 대한 대 책·방안을 위해 국내에서는 많은 선행연구 및 논문 등이 발표되고, 이에 따른 장비개발 및 시스템들이 제 안되고 있다. 그러나 선행연구와 시스템 등의 제안은 거주민의 유일한 2가지 유형의 피난수단 중 1차 안전

구역인 복도가 아닌, 2차 안전구역인 수직이동경로인 특별피난계단에 대해 대부분 국한되고 한정되어있는 실정이다.

그러나 중(앙)복도에 관련하여 선행연구된 배연준의

‘중앙코어형 초·고층건축물의 연기확산방지 및 피난 안전성 확보에 관한 연구’에서 초·고층건축물의 화 재발생시 화재·연기 확산방지대책과 거주민의 인명안 전측면에서 절대적으로 중요한 1차 안전구역인 중(앙) 복도를 중점으로 한 연기차단 및 연기제어시스템 (Smoke Control System)을 제시하고, 그 적용방안을 강구하는 연구에서 건축 및 설비적인 대응방법과 이를 혼용한 대응방법에 대해 다수의 방안을 제시했으며, 이 를 화재분석용 프로그램으로 그 효과를 검증하였다[3].

따라서 본 연구에서는 선행 연구된 중복도형 인텔리전 트 빌딩 화재시 중(앙)복도를 통한 연기확산방지 및 연기제어시스템에 대한 추가 대응방안을 제안하고, 이 를 화재분석용 프로그램인 FDS(Fire Dynamics Simulation)로 그 결과를 검증하고자 한다.

2. 중복도형 건축물의 화재위험성

초·고층건축물에서의 연기는 특히 위험하다. 통상, 화염은 화재가 발생한 실에 가둘 수는 있지만, 연기는 인접한 공간이나 화재발생 장소로부터 멀리 떨어진 곳 까지 쉽게 확대된다. 연기는 복도, 계단 및 승강기와 같은 피난경로를 오염시켜 거주민의 원활한 피난행동 에 치명적인 문제를 일으킨다. 건축물 내의 거주민은 열에 의한 상해뿐만이 아니라 피난행동시에 흡입한 연 기의 원인으로 사망한다[2].

대체로 초·고층건축물은 연기확산에 의해 오염되는

시간은 거주자의 피난시간에 비해 매우 짧아, 그 위험성

은 건축물의 높이가 증가할수록 더욱 높아진다. 피난시

간은 거주자의 인원수와 행동특성, 건축물의 특성과 높

이 등에 따라 많은 차이를 나타낸다. 이와 같은 화재는

건물내부에서 화재가 진압되지 못한다면 연기의 제어가

늦어지게 되고, 그 결과 건축물 내부의 연기확산방지는

사실상 불가능하게 된다. 또한 화재현장에 출동한 소방

대의 건물 내로 진입이 곤란해 화재진압에 많은 어려움

이 있다.[3]. [Figure 1]은 건축물에서 화재발생시 거

주민의 피난동선과 연기확산경로를 표현한 것이다[4].

[Figure 1] Fire(smoke) spreading and evacuation route[4].

중복도형 건축물에 화재가 발생하면 거주자는 화재발생 장소에서 벗어나 1차 안전구역인 복도를 경유하여 2, 3 차 안전구역인 계단부속실과 계단실을 이용해 안전장소인 피난(피난안전구역) 층으로 피난한다. 그러나 화재실의 출입구가 개방되거나, 틈새가 발생하면 연기 자체가 갖는 부력과 건축물 내의 연돌효과 등에 의해 연기는 화재 실 외인 복도로 유출되고 화재 층 전체로 점차 확대된다.

중앙코어형식을 가진 건축물에 화재가 발생하여 연 기가 복도로 유출되면 피난하는 거주민에게 다음과 같 은 위험을 초래하게 된다[4].

첫째, 피난방향과 연기의 방향이 같은 순방향의 경우 는 연기의 유동속도와 거주자의 피난 속도는 비슷하다.

그러나 계단의 출입문에서 피난자의 정체현상으로 인 한 지체시간으로 연기에 노출될 가능성이 크며, 협소한 복도 폭이 연기유동의 덕트 역할로 자유공간의 연기유 동보다 빠르게 확산되어 피난 거주자에게 연기에 대한 위해(危害)를 가할 수 있다.

둘째, 피난방향과 연기의 방향이 서로 다른 역방향의 경우는 더욱 위험하다. 그 이유는 거주자가 피난행동시 연기가 확대되어오는 속을 뚫고 피난계단으로 진입해 대피해야 하며, 짙은 연기 속에서는 가시거리가 짧아져 피난구유도등의 식별과 피난계단의 출구를 찾기가 더 욱 어려워지기 때문이다. [Figure 2]는 중앙코어형식 의 건축물에서의 연기확산에 따른 거주자의 피난위험 성을 표현한 개념도이다.

[Figure 2] Evacuation risks caused by smoke spreading[4].

제연설비가 설치된 특별피난계단과 비상용승강기는 거주자의 수직피난과 소방대의 화재 층 진입에 효과적 인 역할을 수행할 것이다. 이는 제연설비가 제 기능과 장비의 신뢰성이 보장되어야만 가능한 것이다. 그러나 제연설비의 기능실험과 여러 보도 자료에 의하면, 제 기능을 수행하는데 기능 미달이거나 제 역할을 못하는 것으로 나타났다[4].

제연설비가 제 기능을 못하는 계단 및 승강기로 거 주민이 피난을 위해 개방한 출입문과 틈새로 연기가 계속적으로 유입된다면, 유입된 연기는 빠른 속도로 상 층부로 확대되고 화재 층에서 멀리 떨어진 상부의 다 른 층으로 연기가 이동하는 결과를 초래할 것이다. 그 결과 다른 층의 거주민에게 위해(危害)를 끼치게 된다.

수직피난 계단에 유입되어 상층부로 확산된 연기는 화 재발생 층이 아닌 다른 여러 층의 복도로 유출되면서 상층부 거주민에게 연기피해와 다층의 동시다발성 피 난행동을 유발하게 된다. 이미 오염된 계단은 거주민이 수직 피난경로로 이용할 수 없어, 사용가능한 피난경로 를 찾는데 많은 시간이 소요된다. 또한, 경우에 따라선 1개소만의 피난계단만을 사용해 거주자가 대피해야 하 기 때문에 피난시간은 더욱 길어지게 된다.

[Figure 3]은 수평이동 동선인 중(앙)복도와 계단실 과 승강기의 승강로를 통해 상층부로 연기와 화염이 확대되는 과정과 이들 피난시설이 연기로 오염되어 이 를 거주민이 피난에 사용할 수 없게 되는 피난 불가능 한 상황을 개념도로 나타낸 것이다.

(a) Smoke spreading through corridor

(b) Smoke spreading through shaft [Figure 3] Smoke spreading through elevator

shaft[4].

3. 초·고층 건축물의 화재사례

초·고층건축물의 화재는 대부분 우선 화재경보나

스프링클러설비의 미 작동으로 인한 늦은 초기대응으

로 거주자들이 피난기회를 잃어 인명 및 재산피해가

발생한다. 특히, 인명피해가 발생한 이유는 방화구획

미설치, 방화문의 열림으로 인한 제연시스템의 기능상

실, 중(앙)복도로 유출된 연기의 피난계단실 및 승강기 샤프트를 통한 연기확대로 인해 피난 도중 질식사한 경우가 가장 큰 비중을 차지한 것으로 나타났다. 또한, 상층부의 인원을 모두 지상 층으로 대피하기 위해서는 피난계단 등 건물의 자체적인 동선에 한계가 있었다.

초·고층건축물은 그 수가 그다지 많은 것은 아니지만, 최근 대도시를 중심으로 그 수가 급격하고 활발히 계 획되고 건립이 진행되고 있다. 그러나 아직까진 화재의 발생건수는 다른 건축물에 비해 그다지 많은 편은 아 니지만 그 발생건수는 증가하고 있는 실정이다.

초고층 건축물에서 화재가 발생하면 대부분 많은 사 상자가 발생한다. 지금까지 발생한 1971년 대연각호텔 화재와 MGM그랜드호텔 화재 등 국내·외의 주요 초 고층 건축물의 화재사례를 살펴보면 큰 인명피해와 재 산피해를 유발한 주요 원인을 확인할 수 있다.

4. 국내의 제연설비 관련기준

국내의 소방법과 건축법에서는 건물의 사용용도와 높 이, 층수가 일정규모 이상인 건축물의 거실과 수직이동 경로인 피난계단, 비상용승강기 및 피난용 승강기에 한 해 일정한 규모이상의 부속실을 별도로 추가설치하고, 이에 대해 연기가 유입되지 못하도록 전용의 급기·가압 제연설비와 배연설비를 적용토록 규정하고 있을 뿐이다.

그러나 중(앙)복도에 대한 연기유입 방지 및 방호 대책에 대해 특별하게 규정하지 않고 있다. 최소 적용 기준 조차도 마련되어 있지 못한 실정이다[7].

건축법규 상에는 건축물의 규모와 사용용도에 따른 피난설비로 규정하고 있으나, 소방법규 상에는 거실의 규모와 사용용도에 따라 그 설치대상을 선정하고 소화 활동상 필요한 설비로서 더 구체적으로 규정하고 있다.

제연설비 관련 규정은 건축법 시행령 제51조에 규정 하고 있으며, 소방시설설치·유지 및 안전관리에 관한 법률 시행령 제15조 [별표5]에서 규정하고 있다. 또한, 건축법령 중 건축물의 설비기준 등에 관한 규칙으로서 배연설비(배연창)에 대한 설치규정을 세부적으로 각각 규정하고 있다[8]∼[10].

5. 화재 시뮬레이션 수행 및 분석

본 연구에서는 선행 연구된 중복도형 인텔리전트 빌 딩 화재시 중(앙)복도를 통한 연기확산방지 및 거주자 의 피난안전성 확보를 위한 연기차단 및 연기제어시스

템에 대한 추가 대응방안을 제안하고, 적용 가능성에 대한 효과를 분석·검증하기 위해 CFD 기반의 화재전 용시뮬레이션 프로그램인 FDS Ver. 5.5.3을 지원하는 PyroSim 2012를 이용하였다. 중(앙)복도를 통한 연 기차단 및 연기제어시스템에 대한 추가 대응방안은 배 연설비(배연창)를 활용하는 방안으로 그에 따른 세부 적용사항은 다음과 같다.

1) 화재실의 배연창과 중(앙)복도에 급기·가압 제연 설비를 활용한 방안(중앙복도에 배연창 미적용)

2) 화재실이 아닌 중(앙)복도의 배연창과 급기·가압 제연설비를 활용한 방안(화재실내 배연창 미적용)

5.2 시뮬레이션 모델링을 위한 입력자료 5.2.1 대상공간의 화재 모델링

[Figure 4]는 대상공간의 화재모델링 작업과 시설별 설치위치 및 장비의 명칭을 나타낸 것이며, 또한 화염 및 연기를 효과적으로 차단하고 제어하기 위한 대책으 로 건축 및 설비적인 대응방안인 배연창과 제연설비 등을 화재시나리오 Type별로 적용해 시뮬레이션을 수 행하기 위한 필요 시설로 표현한 것이다. 또한 화재발 생시 거주민 피난시 인명안전성을 평가하기 위한 데이 터 측정 장치인 센서를 바닥에서 1.8 m 높이에 설치하 였으며, 그 위치는 화재실의 출입문, 피난계단 등의 부 근에 4개소를 배치 계획하였다.

[Figure 4] Fire modeling of the room.

5.2.2 대상공간의 화원크기(HRR) 선정

화재는 기준층 평면에서 좌측 하단의 오피스텔 객실

내부에서 담뱃불이 발화원이 되어 침대(Mattress)로 화

원이 옮겨 붙은 후 서서히 성장해 화재크기로 발달하는

것으로 가정하였다. 이때 침대에서 발생한 화재크기는

미국의 NIST에서 실험한 여러 가지 물품 중에서 침대

에 대한 화재실험결과를 추정하여 본 논문의 화재크기 로 적용하였으며, 화재크기는 감소하지 않고 시뮬레이션 수행종료 때까지 일정하게 유지되는 것으로 가정하였다.

NIST에서 수행한 화재실험결과를 보면 화재가 서서 히 성장하면서 진행되어 약 200초 지점에서는 100 kW에 도달하였으며, 곧 바로 급격히 성장하여 약 315 초 지점에서는 1.1 MW급의 화재크기인 최대 열방출율 (Heat Release Rate)를 나타내었다. 그리고 바로 급락 하여 약 400초 지점에서는 100 kW로 감소해서 실험 종료까지 서서히 화재크기가 감소하는 현상을 나타내었 다. 이때의 화재성장속도를 보면 Medium급의 성장속도 를 보이고 있다. <Table 1>은 NIST의 화재실험의 시 간에 따른 화재성장곡선 그래프를 나타낸 것이다[11].

<Table 1> NIST Experimental Data and Fire Size

Item Contents

HRR Graph

NIST experiment Simulation

5.2.3 모델링의 기본입력 데이터

<Table 2>는 대상공간의 화재시뮬레이션 모델링과 데이터 입력시 적용한 기본데이터를 나타낸 것이며, 또 한 오피스텔의 객실 출입문과 공용복도에 설치된 각 시 설(배연창) 및 기기(배출댐퍼 등)의 작동을 실행하기 위한 가장 기본적은 시나리오의 설정을 나타낸 것이다.

<Table 2> Basic Scenario and Input Data

Item Contents

Input Data

Ignition

source Mattress fire

HRR and Fire growth

rate

1.1. MW(BFRL Fire Experiment Results - Corner Mattress)/ Medium

Reactant material

Polyurethane (C=6.3, H=7.1, O=2.1, N=1.0,

Soot Yield = 0.1)

Temperatu re/humidity

Temperature 20 ℃, Relative humidity 40%

Grid 103,600 (Multi Mesh, Grid size: 0.2 ∼ 0.3 )

Sim time 600 sec

Devices ⦁4ea.(gate, specific fire escape stairs-1,2 door, fire door)

Detector

⦁a smoke detector at the room

⦁Three analog detector at corridor (Divided corridor as two zones) extractor

grille ⦁Air extractor grille : 4 ea.(corridor)

Air flow volume

⦁7,500 CHM/ea(35% increased than standard)

Natural Smoke Ventilators

⦁The room : 1 m × 1.2 m = 1 ea.

⦁Corridor : A-zone : 1 m × 1.2 m

= 1 ea.

B-zone : 1 m × 1.2 m = 1 ea.

5.2.4 각 시설 및 기기의 동작 시나리오

대상공간인 오피스텔에 화재가 발생할 경우 화염 및 연기확산을 방지하여 거주민의 피난안전성을 확보하기 위해 추가 연구된 대응방안은 배연창설비와 중(앙)복도 에 급기・가압하는 제연설비이다. 그리고 화재시뮬레이 션 모델링을 위하여 각각 대응방안의 시설 및 기기 작 동 시나리오를 Case Type별로 세분화하여 정리하였다.

<Table 3>은 각 Case Type별로 시설들의 설치유

무와 제연그릴의 개별풍량 및 설치수량을 정리하고, 화

재실 및 공용복도의 감지기가 동작할 경우 적용되는

배연창의 개방과 급기/배기 제연그릴의 수량을 정리해

서 나타낸 것이다.

<Table 3> Operation Quantity of Applicated Equipments

Case

Detector activated

Venting grilles (Air volume/quantity)

Natural Smoke Ventilators installation

Activated quantity of venting grilles(ea) Corridor-A Corridor-B No. Ty

pe Air

suppl y

Exhau st

Air suppl y

Exhau st

5 A

Room detector activate

7,500

(cmh/ea) ○

Room 2 - 2 -

Corridor detector activate

4 ea - - - - -

B

Room detector activate

7,500

(cmh/ea) - 2 2

Corridor detector

activate 4 ea ○

Corridor - - - -

※ Remarks: - : No, ○ : applicated and set as scenario

또한, <Table 4>는 감지기 동작시 Case Type별로 배연창 및 제연기기의 동작여부와 제연방식을 정리하 였으며, 그 제연기기의 작동에 따른 제연설비의 적용풍 량을 Case의 Type별로 정리하여 나타낸 것이다.

<Table 4> Operation Schedule of Applicated Equipments and Device

Case

Detector activated

Natural Smoke Ventilat ors installati

on

Venting grilles for common use corridor

Air flow volume (CMH)

Venting type

No Ty

pe

A-zone B-zone

S E S E

5 A

Room ○ ○ × ○ ×

S : 30,000

Whole corridor

air supply Corridor-

A × ○ × ○ ×

Corridor-

B × ○ × ○ ×

B

Room × ○ × ○ ×

S : 30,000

Whole corridor

air supply Corridor-

A ○ ○ × ○ ×

Corridor-

B ○ ○ × ○ ×

※ Remarks: - : No, ○ : applicated and set as scenario, × : non- scenario set, S : air supply, E : exhaust

5.2.4 제연설비 및 출입문의 세부 동작 시나리오

화재시뮬레이션 모델링에 적용한 제연설비의 시설 및 장비의 동작에 필요한 시간을 세부 스케줄로 설정 하여 아래 같이 정리하였다.

-화재실 출입문(개방) : 화재실 연기감지기가 동작 하고 30초 후에 출입문 개방(화재실 거주민 피난 개시 시간 고려)

-비화재실 출입문(개방) : 화재실 연기감지기가 동 작하고 60초 후 출입문 개방(비화재실 거주민 피난 개 시시간 고려)

-공용복도 제연설비(A, B구역) : 화재실 연기감지 기가 동작하고 30초 후에 배출용(급기모드) Fan 동작, 배출그릴에서 급기 시작(급기풍량 : 7,500 CMH × 2 개소 = 15,000 CMH)

-송풍기(A, B구역) : 복도의 유입공기의 배출용(급 기모드) Fan 사용(급기풍량 : 7,500 CMH × 2대 = 15,000 CMH)

5.2.5 제연설비 및 배연창의 작동 Flow Chart

화재시뮬레이션 모델링에 적용한 제연설비 관련 시 설 및 장비와 배연창의 동작 스케줄을 화재발생 후 감 지기의 동작에서부터 제연에 필요한 시설과 댐퍼의 제 어사항 및 제연 Fan과 배연창의 동작에 대한 흐름을 세부적으로 정리・표현하여 [Figure 5]에 Flow Chart 로 나타내었다.

[Figure 5] Operation flow chart of case 5A and 5B.

6. Case 5A의 시뮬레이션 수행결과 분석

시뮬레이션을 통해 수치 해석된 감지기의 작동시간

은 25초에 화재실 감지기가 작동하였으며, 복도에 설

치된 감지기(복도-A, B 구역)는 공용복도로 연기가

유입되지 않아 작동하지 않았다. 그 이유는 공용복도에

설치된 제연설비의 배출용 그릴에서 외부공기가 급기 되고 개방된 출입문을 통해 화재실로 가압공기가 유입 되면서 복도로의 연기가 유출되지 않아 감지기 부근의 실내공기의 연기농도가 연기감지기를 작동하기 위한 연기광학농도 이하로 시뮬레이션 종료 때까지 유지되 었기 때문으로 판단되어진다. 화재실의 출입문과 배연 창 개방은 감지기가 초기화재를 감지한 이후인 약 55 초에 이루어졌으며, 비화재실의 출입문은 약 85초에 개방되었다. 감지기의 동작과 출입문 및 배연창의 개방 시간을 정리하여 <Table 5>에 나타내었다.

<Table 5> Operation Time of Detector and Door

Item Location Operation

time Remarks

Detector

Room 25 sec. ⦁After fire occurs

A-zone - ⦁No(Venting system activated)

B-zone - ⦁No(Venting system activated)

Door

Room 55 sec. ⦁After 30 sec. detector activated non fired

room 85 sec. ⦁After 60 sec. detector activated Fire door

(compartment corridor)

- ⦁No fire door installed

Natural Smoke Ventilator

Room 55 sec. ⦁After 30 sec. detector activated Corridor

(A/B zone) - ⦁No Natural Smoke Ventilators

6.2 연기의 확산 및 거동 분석

오피스텔 거실에 화재가 발생하고 서서히 성장하면서 화재가 발생된 거실 내에 연기가 충만하기 시작한다.

세대 내에 설치한 연기감지기가 약 25초에 작동하고 30초(약 55초 때) 이후에 화재발생 거실의 출입문과 배연창이 개방되었으며, 또한 화재실내에서 공용복도로 연기가 확산되지 못하도록 전체복도에 계획된 급기용 제연설비도 화재발생 이후 약 55초에 작동해 전체복도 에 외부공기를 급기하기 시작했다. 복도전체에 급기가 시작되면서 화재실내의 연기는 공용복도로 유출되지 못 하는 양상을 시뮬레이션 종료 때까지 나타내었다.

그 이유는 공용복도에 설치된 제연설비의 배출용 그릴 에서 외부공기가 급기 되고, 개방된 출입문을 통해 화재실 로 공급된 가압 공기가 1차적으로 복도로의 연기유입을 차단하였으며, 화재실에 설치된 배연창이 개방되면서 화재 실에서 발생한 연기를 2차적으로 개방된 배연창을 통해 지속적으로 옥외로 배출함으로서 복도로의 연기 유입 및 확산이 방지되는 차단효과가 발생한 것으로 판단되어진다.

시간이 계속적으로 진행되어도 복도로의 연기의 유 입 및 확산이 이루어지지 않아 전체복도가 청정공간으 로 확보됨으로서 거주민의 피난시 피난여유시간 확보 와 모든 수평 및 수직피난 동선이 확보되는 것을 확인 할 수 있었다. 또한, 이 청정공간이 거주민의 임시 피 난공간과 출동한 소방대의 임시휴식 및 대기 공간으로 활용될 수 있다는 것을 확인할 수 있었다. [Figure 6]

은 시뮬레이션을 통해 수치 해석된 연기확산 및 거동 상황을 캡처하여 시간대 별로 나타낸 것이다.

Im ag e

Time 50 sec. 100 sec.

Im ag e

Time 200 sec. 300 sec.

Im ag e

Time 400 sec. 600 sec.

(Simulation end)

[Figure 6] Change of smoke spreading over time.

6.3 측정 장치에 의한 수치해석 결과분석

모델링 작업시 선정한 중요지점(화재실, 피난계단 2 개소, 복도방화구획 설치 지점)별 측정 장치에 의해 수 집된 중요 요소별 결과 데이터를 시간변화에 따른 결 과 그래프로 정리하여 [Figure 7]에 나타내었다. 중요 요소 및 장소별로 시간변화에 따른 결과 그래프의 주 요내용을 살펴보면 다음과 같다.

1) 온도 변화 : 모든 측정지점에서 허용기준인 60

℃에 도달하지 못하였으나, 화재실은 온도가 서서히 상 승하지만 시뮬레이션 종료 때까지 40 ℃ 이하의 온도 가 유지되었으며, 20 ℃ 내·외 온도변화의 등락폭을 나타내었다. 또한 520초 시간에는 최고온도인 약 40

℃까지 상승하였다. 그러나 그 외의 지점에서는 시뮬레 이션 종료 때까지 온도변화가 발생하지 않았다.

ᅦ

Gr ap h

Changes in temperature of

indoor air Changes in visibility

Gr ap h

Changes in CO Changes in CO

[Figure 7] Analysis graphs about important factors.

2) 가시거리 변화 : 화재실을 제외한 모든 측정지점에 서는 가시거리의 변화는 측정되지 않았으나, 화재실은 화 재가 진행되면서 검은 연기가 서서히 상승하여 가시거리 가 급격히 저하되었다. 또한 약 280초에 허용기준인 5 m 이하에 최초로 도달하였다. 이후 허용기준 값을 기점으로 큰 폭의 등락을 나타내었으며, 약 400초 이후에서는 허용 기준인 5 m 이하에서 소폭의 등락폭을 반복하면서 시뮬 레이션 종료(600초)시까지 경미한 변화를 나타내었다.

3) CO 변화 : 모든 지점에서 CO농도는 허용기준인 1,400 ppm 이상이 검출되지 않았으나, 화재실은 서서 히 증가하여 시뮬레이션 종료(600초)시에는 1 ppm 이 하인 경미한 농도의 변화 값을 나타내었다. 그 외의 지 점은 시뮬레이션 종료 때까지 CO가 검출되지 않았다.

4) CO2 변화 : 모든 지점에서 CO2 농도는 허용기준인 50,000(5%) ppm 이상이 검출되지 않았으나, 화재실은 서서히 증가하여 시뮬레이션 종료(600초)시에는 2,560 ppm이하인 경미한 농도의 변화 값을 나타내었다. 그 외의 지점은 시뮬레이션 종료 때까지 CO2가 검출되지 않았다.

7. Case 5B의 시뮬레이션 수행결과 분석

시뮬레이션을 통해 수치 해석된 감지기의 작동시간 은 25초에 화재실 감지기가 작동하였으며, 복도에 설 치된 감지기(복도-A)는 공용복도로 유입된 연기에 의 해 102초에 동작하였다. 그러나 B 구역의 복도감지기 는 작동하지 않았다.

그 이유는 복도-B 구역에 설치된 배출용 그릴에서 외부공기가 급기되면서 감지기 부근의 실내공기의 연

기농도가 연기감지기를 작동하기 위한 연기광학농도 이하로 시뮬레이션 종료 때까지 유지되었기 때문으로 판단된다. 화재실의 출입문 개방은 감지기가 초기화재 를 감지한 이후인 약 55초에 이루어졌으며, 비화재실 의 출입문은 약 85초에 개방되었다.

그리고 공용복도에 설치된 배연창은 복도 감지기가 동작하고 30초 이후인 약 132초에 개방되었다.

감지기의 동작과 출입문 및 복도 배연창의 개방시간을 정리하여 <Table 6>에 나타내었다.

<Table 6> Operation Time of Detector and Door

Item Location Oper ation time

Remarks

De te ct o r

Room 25

sec. ⦁After fire occurs

A-zone 102

sec. ⦁Activated by smoke inflow B-zone - ⦁No(Venting system activated)

D oor

Room 55

sec. ⦁After 30 sec. detector activated Non fired

room 85

sec. ⦁After 60 sec. detector activated Fire door

(compartm ent corridor)

- ⦁No fire door installed

SC W

Room - ⦁No Natural Smoke Ventilators installed

Corridor (A/B Zone)

132

sec. ⦁After 30 sec. detector activated SCW : Smoke Control WIndow

7.2 연기의 확산 및 거동 분석

오피스텔 거실에 화재가 발생하고 서서히 성장하 면서 화재가 발생된 거실 내에 연기가 충만하기 시작한다. 세대 내에 설치한 연기감지기가 약 25 초에 작동하고 30초(약 55초 때) 이후에 화재발 생 거실의 출입문이 개방되었으며, 공용복도로 연 기가 확산되지 못하도록 전체복도에 계획된 급기 용 제연설비도 화재발생 이후 약 55초에 작동해 전체복도에 외부공기를 급기하기 시작하였다. 복도 전체에 급기가 시작되면서 화재실 내에 발생한 연 기는 공용복도로의 유출은 일시적으로 지연되는 성상을 나타내었으나, 시간이 경과하면서 연기가 복도로 유입되기 시작하였으며, 시간이 경과할수록 더욱더 심하게 연기유입이 진행되었다.

비화재세대의 모든 출입문은 화재세대 내에 설치한 연

기감지기가 작동한 이후 약 60초에 모두 개방되었으며,

개방된 출입문을 통하여 복도-A 구역에 유출된 검은 연

기가 인근세대 내로 유입된 후 세대 전체로 확산되어졌

다. 화재세대의 출입문 개방에 의하여 공용복도로 유출된

연기는 개방된 비 화재세대와 공용복도(복도-A)로 빠르 게 확산되는 연기거동을 보였으나, 전체 공용복도(복도 -A/B 구역)에서 급기·가압하는 제연설비와 배연창설비 가 작동 및 개방되면서 복도로 유입된 연기가 전체복도로 확산되지 못하고 공용복도 일부지역(A 구역)에 정체 및 옥외로 배출되어지는 연기거동의 양상을 보이고 있다.

그 이유는 공용복도에 설치된 제연설비의 배출용 그릴 에서 외부공기가 급기되고, 개방된 출입문을 통해 화재실 로 공급된 가압 공기가 1차적으로 복도로의 연기유입을 지연시켰으며, 공용복도에 설치된 배연창이 개방되면서 복도에 유입된 연기를 2차적으로 개방된 배연창을 통해 지속적으로 옥외로 배출함으로서 전체 복도로의 연기확산 이 방지되는 차단효과가 발생한 것으로 판단되어진다.

또한, 시간이 계속적으로 진행되어도 전체복도로 연 기의 유입 및 확산이 이루어지지 않고 복도-A구역의 일부에 국한되어 발생함으로서 공용복도(A구역 일부와 B구역 전체)가 청정공간을 확보함으로서 거주민의 피난 시 피난여유시간 확보와 수평 및 수직 피난동선이 모두 확보됨을 확인할 수 있었다. 또한, 이 청정공간이 거주 민의 임시 피난공간과 출동한 소방대의 임시휴식 및 대 기 공간으로 활용될 수 있다는 것을 확인할 수 있었다.

[Figure 8]은 시뮬레이션을 통해 수치해석된 연기확 산 및 거동상황을 캡처하여 시간대 별로 나타낸 것이다.

Im ag e

Time 50 sec. 100 sec.

Im ag e

Time 200 sec. 300 sec.

Im ag e

Time 400 sec. 600 sec.

(Simulation end)

[Figure 8] Change of smoke spreading over time.

7.3 측정 장치에 의한 수치해석 결과분석

모델링 작업시 선정한 중요지점(화재실, 피난계단 2

개소, 복도방화구획 설치 지점)별 측정 장치에 의해 수 집된 중요 요소별 결과 데이터를 시간변화에 따른 결 과 그래프로 정리하여 [Figure 9]에 나타내었다. 중요 요소 및 장소별로 시간변화에 따른 결과 그래프의 주 요내용을 살펴보면 다음과 같다.

Gr ap h

Changes in temperature of

indoor air Changes in visibility

Gr ap h

Changes in CO Changes in CO

[Figure 9] Analysis graphs about important factors.

1) 온도 변화 : 화재가 발생하면서 화재거실의 온도 는 급속도로 상승하면서 약 140초에 허용기준인 60

℃에 도달하였다, 그 후 310초까지 온도가 급격히 상 승하면서 약 185 ℃까지 상승하였으며, 시뮬레이션 종 료 때까지 5 ℃ 내·외 온도변화의 등락폭이 유지되었 다. 그러나 그 외의 지점에서는 시뮬레이션 종료 때까 지 온도변화가 발생하지 않았다.

2) 가시거리 변화 : 화재실을 제외한 모든 측정지점 에서는 가시거리의 허용기준인 5 m에 도달하지 못하 였으나, 화재실은 화재가 진행되면서 검은 연기가 생성 되고 상승해 가시거리가 급격히 저하되었다. 약 110초 에는 허용기준인 5 m 이하로 급격하게 가시거리가 저 하되었으며, 이후 허용기준 값을 기점으로 큰 폭의 등 락을 나타내었으며, 약 400초 이후에서는 허용기준인 5 m이하에서 소폭의 등락폭을 반복하면서 시뮬레이션 종료(600초)시까지 경미한 변화를 나타내었다.

3) CO 변화 : 화재실을 제외한 모든 측정지점에서 CO 농도는 검출되지 않았으나, 화재실은 서서히 증가한 후 큰 폭의 등락을 반복하였으며, 시뮬레이션 종료(600초) 시에는 약 1,200 ppm 이하인 CO농도 값을 나타내었다.

4) CO2 변화 : 화재실을 제외한 모든 측정지점에서

CO2 농도는 검출되지 않았으나, 화재실은 서서히 증가

하여 시뮬레이션 종료(600초)시에는 약 3,100 ppm

이하인 경미한 농도 값을 나타내었다.

8. 화재시뮬레이션 수행결과의 고찰

<Table 7> Evaluation of Asset from Significant Location

Safety Standards (important materials)

Case Room

(Ⓐ point) Escape stair-1 (Ⓑ point)

Compartm ent corridor (Ⓒ point)

Escape stair-2

(Ⓓ point) Venting type No. Ty

pe Time (sec)

Time (sec)

Time (sec)

Time (sec) Temperat

ure (60 ℃)

5

A NA NA NA NA

Whole corrid or air suppl

y type

B 140 NA NA NA

visibility

(5 m) 5 A 280 NA NA NA

B 110 NA NA NA

CO (1,400

ppm) 5

A NA NA NA NA

B NA NA NA NA

CO2 (under 5

％ ) 5

A NA NA NA NA

B NA NA NA NA

NA : No Applicable

Case Type별로 중요지점(Ⓐ∼Ⓓ 지점)의 측정 장치인 Device에 의하여 분석된 내용과 인명안전기준에서 정한 허용안전기준 값으로 비교한 내용을 Case Type별로 종 합평가하여 <Table 7>에 나타내었으며, 집계된 내용은 각 중요지점에서의 온도, 가시거리, 그리고 CO와 CO2이 다. 그리고 화재시뮬레이션 수행에 의하여 분석된 내용을 Case Type별로 세부적으로 정리하면 다음과 같다.

1) Case 5A 결과의 고찰 : 화재실의 측정지점에서 가시거리를 제외한 중요요소(온도, CO 및 CO2 농도 변화)는 인명안전기준에서 정한 허용안전기준 이하의 경미한 변화 값으로 시뮬레이션 종료 때까지 측정되었 으며, 화재실 외의 측정지점에서는 중요요소의 측정값 들이 분석되지 않았다.

그 이유는 세대의 출입구와 배연창이 개방되고, 공용 복도에 설치된 제연설비의 배출용 그릴에서 외부의 신 선한 공기가 급기·가압되어, 개방된 출입문을 통해 화 재실로 공급된 가압 공기가 1차적으로 공용복도로의 연 기유출을 차단하였기 때문이다. 또한 2차적으로 화재실 에 설치된 배연창이 개방되면서 화재실에서 발생한 화 염 및 연기를 개방된 창호를 통해 지속적으로 옥외로 배출함으로서 공용복도로의 화염 및 연기 확산을 방지 할 수 있는 차단효과가 발생된 것으로 판단되어진다.

2) Case 5B 결과의 고찰 : 화재실의 측정지점에서 가시거리와 실내온도를 제외한 중요요소(CO 및 CO2 농 도 변화)는 인명안전기준에서 정한 허용안전기준 이하의 변화 값으로 시뮬레이션 종료 때까지 측정되었으며, 화 재실외의 측정지점에서는 중요요소의 측정값들이 분석되

지 않았다. 그러나 화재실내에 발생한 연기는 공용복도 로의 유출이 일시적으로 지연되는 성상을 보였으나, 시 간이 경과하면서 연기가 복도로 유입되기 시작하였다.

복도로 유입된 연기가 전체복도로 확산되지 못하고 공용복도의 일부지역(A구역)에 정체되는 연기거동의 양상을 보였다.

그 이유는 공용복도에 설치된 제연설비의 배출용 그릴 에서 외부공기가 급기되고, 개방된 출입문을 통해 화재실 로 공급된 가압 공기가 1차적으로 복도로의 연기유출을 지연시켰으며, 공용복도에 설치된 배연창이 개방되면서 복도에 유입된 연기를 2차적으로 개방된 배연창을 통해 지속적으로 옥외로 배출함으로서 전체복도로의 연기확산 이 방지되는 차단효과가 발생한 것으로 판단되어진다.

9. 결론

본 연구에서는 중복도형 인텔리전트 빌딩 화재시 중 (앙)복도를 통한 연기확산방지 및 거주민의 피난안전성 확보를 위한 추가 대응방안으로 연구된 배연설비(배연 창)와 제연설비(급기·가압설비)를 혼용한 방안을 제시 하였다. 제시된 Case Type별 대응방안의 효과를 분석・

평가하기 위해 FDS 모델링에 적용해 화염과 연기의 거 동을 분석한 결과 다음과 같은 결과를 얻을 수 있었다.

1) 중(앙)복도형 인텔리전트 빌딩 화재발생시 화재실에 배연창을 설치하는 경우가 공용복도에 배연창을 설치하는 경 우보다 연기확산 방지효과가 더 우수한 것으로 분석되었다.

2) 특히, 배연설비(배연창) 및 중(앙)복도에 급기·가 압 제연설비를 각각 단독으로 적용하는 경우보다 이 두 설비를 혼용하여 적용한 방안이 중(앙)복도로의 연기의 유출 및 확산 방지효과가 우수한 것으로 분석되었다.

3) 배연설비(배연창)의 적용유무와 적용시 설치 장소 및 위치가 중(앙)복도로의 연기유출 및 확산에 많은 영 향을 미치는 것으로 분석되었으며, 이에 따른 국내의 법 규적인 문제점과 보완대책이 시급함을 확인할 수 있었다.

4) 국내의 법규적인 문제점으로 그 첫째는 배연설비 (배연창)로서 방화구획이 설치된 경우 그 구획마다 1 개소 이상의 배연창을 설치하고, 배연창 면적은 최소 1

㎡ 이상으로서 그 면적의 합계가 당해건축물의 바닥면

적 1/100 이상으로 설치토록 규정한 것이다. 이는 1개

의 방화구획으로 형성된 개방공간의 건축물에 적합한

규정이며, 중복도형 인텔리전트 빌딩처럼 1개소의 방

화구획 된 공간 내에서 여러 공간 및 거실로 구획된

건축물인 경우, 배연창이 설치되지 않는 공간이나 거실

이 발생할 것이다. 이 공간 및 거실에서 화재가 발생할

경우에는 큰 인명피해로 이어질 것이다. 그 둘째는 중 (앙)복도에 대한 제연설비의 적용에 대한 법규적인 규 정 및 기준이 마련되어있지 않다.

5) 본 연구를 통해 제시된 다양한 대응방안들이 초·고층건축물 중 중앙코어형의 건축물에서 공용복도 로의 연기확산방지를 위한 하나의 제연방식으로서 건 축계획단계에서부터 최우선으로 고려되어 거주민의 피 난안전성이 확보되어야할 것이다. 또한, 법규적인 문제 점 및 안전기준들이 시급히 보완되고, 신설되어 중(앙) 복도형 초·고층건물 등에서 화염과 연기로 인한 인명 및 재산 피해가 최소화되도록 노력해야 할 것이다.

10. References

[1] Y.J. Bae and S.K Lee, (2009), “A Study Evacuation Appropriateness for the Residential Building by Simulation(FDS, Simulex)”, Journal of Korean Association for Organization Studies, 52. pp. 1∼2.

[2] S.U. Kim, (2005), “Building smoke control system”, Journal of Korea Association of Air Conditioning Refrigerating and Sanitary Engineers, Vol. 22, No. 8, pp. 78∼91.

[3] S. H . M in, (2012) “ A Study on the Evacuation Risk of Sim ultaneous Fires from Exterior” , Journal of K orean Institute of Fire Science & Engineering, Vol. 26, N o. 4, pp. 48- 54.

[4] Y.J. Bae, (2012), “A Study on Preventing Spread of Smoke and Securing Safety of Evacuation in Central Core Type High-Rise Buildings”, The Graduate School of Gachon University. pp. 1∼35.

[5] National Emergency Management Agency, “Next Generation Fire Protection & Safety Core Technology Development Program(Performance evaluation and DB construction on medium-scale vertical fire)”, pp. 313∼423(2010).

[6] National Emergency Management Agency, “The report on the model for the prevention and reduction of spread of extensive demage in high-rise & complex building areas”, (2010).

[7] J.S. Kim, (2001), “A Study on the Design method of Presurization System for Smoke

Control”, The Graduate School of Kyonggi University. pp. 1∼35.

[8] NFSC 501, National Fire Safety Codes of Smoke Control System” National Emergency Management Agency (2012).

[9] http://www.nema.go.kr

[10] http://www.moleg.go.kr/main.html

[11] http://www.fire.nist.gov/fire/fires/kiosk/kisk.html

저 자 소 개

민 세 홍

가천대학교 공과대학 소방방재공 학과 교수. 단국대학교 공학박사 취득. 소방방재청 중앙소방기술 심의위원 및 화재조사전문위원, 각 시도 설계자문위원, 한국소방 산업기술원 평가위원 등

관심분야 : 화재모델링(CFD), 성능설계, 연소시험 등

이 재 문

서영대학교 소방안전과 겸임교 수. 가천대학교 대학원 재학중.

가천대학교 화재·소방과학연구 센터 선임연구원, 등

관심분야 : 화재모델링(CFD), 성능설계, 위험성평가 등

배 연 준

한백 F&C R&D센터 이사. 가천 대학교 공학석사취득. 가천대학교 화재·소방과학연구센터 선임연 구원, 등

관심분야 : 화재모델링(CFD), 성

능설계, 사전재난영향성평가 등