A Study on the Analysis of Fire Risk by Fire and the Improvement of Evacuation Equipment for Apartment (About Existing 16 or Fewer Storey Apartment)

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공동주택의 화재위험성 분석 및 피난시설 개선에 관한 연구 (16 층 이하의 기존 공동주택을 중심으로)

A Study on the Analysis of Fire Risk by Fire and the Improvement of Evacuation Equipment for Apartment

(About Existing 16 or Fewer Storey Apartment)

민세홍^†·이재문*·사재천**·남중오***

Se-Hong Min^† · Jae-Moon Lee* · Jae-Cheon Sa** · Jung-O Nam***

경원대학교 공과대학 소방방재공학과, *(주)창우에프이엔씨,

**경원대학교 환경대학원 소방방재공학과, ***(주)크로텍 (2011. 9. 26. 접수/2011. 10. 26. 수정/2011. 12. 9. 채택)

요 약

본 연구에서는 기존 16층 이하 공동주택의 화재취약성 및 피난시설에 대한 문제점을 평가하기 위하여 공동주택에서 화재발생 빈도가 가장 높은 주방화재를 가정하여 CFD 모델링을 이용하여 화재위험성을 분 석하였다. 그 결과 주방에서 발생한 화재는 거실로 연소 확대되면서 빠르게 다른 침실로 연기가 확대되었 으며, 화재발생 세대 출입구에서 90초에 열에 의한 영향 온도인 60^oC를 넘는 것으로 분석되어 초기에 화재발생을 인지하고 피난이 이루어지지 않을 경우 피난출구가 막혀 큰 피해를 줄 수 있을 것으로 판단 된다. 그리고 기존 피난시설에 대한 문제점을 극복하기 위해 본 연구에서 제안된 피난대피시설의 경우 발 코니에 설치되어 있다가 외부로 돌출되는 형태로 온도 및 복사열유속에 의한 안전성 평가 결과 세대 내 의 다른 지점에 비해 안전성이 확보되는 것으로 분석되었다.

ABSTRACT

In this study, we assumed the kitchen fire raising the highest fire rate in apt. and analyzed the fire risk to use CFD in order to estimate the problem of evacuation equipment and the fire vulnerability of 16 or fewer storey apartment. Fire occurring in the kitchen is expended to the livingroom and other rooms. We analyzed that the temperature effected by heat was more than 60^oC after 90 sec in the entrance of apartment unit. If fire is early recognized by men and men don’t escape in time, it have too huge demage to block the exit. When the evacuation equipment suggested in this study was installed in order to solve the problem of evacuation equipment, we analyzed that it was estimated more than safe in safety evaluation by heat and heat flux.

Key words : Analysis of risk by fire, Evacuation equipment, Apartment fire, CFD Modeling

1.

서 론

우리나라에서 발생한 10년간(2002년~2011년)의 화재 건수를 분석한 통계자료에 의하면 전체 화재건수가 217,321건이 발생하였으며, 그 중 건축물 용도별로 보 면 주거가 53,055건으로 전체 화재건수 중 약 24.4 % 를 차지하여 다른 용도에 비해 가장 높은 비중을 차지

하였으며 특히, 주거부분 중 공동주택에서 발생한 화 재가 단독주택 화재(30,714건)건수 다음으로 19,835건 이 발생하여 37.4 %의 높은 비중을 차지하는 것으로 분석되었다.

공동주택의 발화요인별 화재 발생 현황을 살펴보면 부주의에 의한 요인이 가장 높았으며 다음은 전기적 요인, 기계적 요인 등이 차지했다.

부주의에 대한 내용 중에는 음식물 조리 중 화재가 전체 건수 중 50 %를 차지하였으며, 다음은 담배꽁초

†E-mail: [email protected]

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및 불씨에 의한 원인이 다음을 이었다.¹⁾

최근 부산 해운대 우신골든스위트 화재사고를 계기 로 초고층건축물(층수가 50층 이상이거나 높이가 200 m 이상) 및 고층건축물(16층 이상 다중이용건축물)에 대 한 안전대책 등의 법제화 추진 및 성능위주소방설계 시행 등 다양한 안전대책이 마련되고 있지만, 정작 화 재 발생 빈도가 높고 화재위험에 대한 방호시설이 부 족한 16층 이하의 기존 공동주택에 대한 화재위험성 연구 및 대책은 부족한 실정이다.

2011년 예방소방행정 통계자료에 의하면 전국의 5층 이상의 공동주택이 약 120,410동이 있으며 그 중 16층 이하가 81,535동으로 전체의 68 %를 차지하고 있어 관 리되어야 할 대상은 상당히 많은 비중을 차지한다.²⁾

2005년 1월 이후 11층 이상의 건축물의 경우 전 층 에 스프링클러설비를 설치하도록 되어 있어 최근에 건 설되는 공동주택은 스프링클러설비가 설치되지만, 이 법이 개정되기 전에 지어진 공동주택은 자동소화설비 인 스프링클러설비가 없어 화재 발생 시 초기에 진화 되지 않아 대형화재로 이어지는 경우가 빈번하다.

이에 본 연구는 최근에 발생한 서울특별시 영등포구 여의도동 S아파트 화재사고에 대해 화재모델링 프로그 램을 사용하여 화재 위험성을 분석하고 16층 이하 공 동주택의 피난시설에 대한 문제점을 발췌하고 피난시 설에 대한 개선 방향을 제시하고자 한다.

2.

화재사례

화재사례는 Figure 1에 나타낸 것과 같이 2011년 8 월 여의도동 S아파트 3층에서 오후4시 16분경에 발생 하여 10여 분 만에 인근 소방서에서 긴급 출동하여 완 전히 진압되었지만, 화재가 발생한 세대 내부 132 m² 를 전소시키고 계단 및 외부 창호에도 그을림 등 피해 를 줬다.

인명피해 또한 5명의 사상자가 발생하였는데 그 중 7층의 재실자가 연기 흡입에 의해 중상을 입었으며, 4 명은 가벼운 피해를 당한 것으로 보고되었다.³⁾세대 내 에서 발생한 화재가 계단을 통해 상층부로 연기가 확 대되어 자칫 큰 사고로 이어질 수 있음을 확인할 수 있었다.

화재 발생 원인은 주방에서 튀김조리 중 부주의에 의한 식용유 과열로 추정되며 거실로 확대된 화재는 발코니 창문을 통해 화염이 외부로 분출되어 위층의 외부 창호까지 화염이 확대되었다.

Figure 2는 초기에 피난을 하지 못한 한 주민이 연 기를 피하려고 4층 창문 밖으로 나와 구조를 기다리고 있다. 코어형 아파트는 대부분 직통계단이 한 개소만 설치되어 있어 화재 초기에 피난이 이루어지지 않을 때 직통계단이 화재에 의해 발생한 연기에 오염이 되 어 피난통로가 차단되어 큰 인명 피해가 발생하는 사 례가 빈번하다.

또한, 2006년에는 서울 강남구 대치동 Y아파트에서 새벽에 화재가 발생하여 위층에 있던 주민 2명이 급히 대피하다 떨어져 숨지는 사고가 발생하였다. 이 화재 는 7층에서 발생한 화재에 의해 유독가스가 아파트 뒤 발코니를 통해 순식간에 8층으로 번져 아래층으로 대 피하던 재실자가 계단이 연기로 가득 차자 계단 창문 을 통해 외부로 피난하다 추락사한 사고이다.⁵⁾

공동주택은 발코니 확장이 합법화되고 일반건축물보 다 스펜드럴 길이가 짧아 화염이 외부로 분출 시 상층 부로 화재확대의 위험성이 높다. Figure 3은 발코니가 확장된 아파트의 창문을 통해 상층부로 확산된 화재사 례이다.

발코니 확장에 따른 피해 사례도 많이 발생하여 2010년 8월 부산 수영구의 H아파트에서는 발코니를 확장하였으나 대피공간의 부재로 불길을 피할 수 없 어 난간 아래로 피난하다가 추락사하는 사고가 발생 하였다.

Figure 1. Apartment fire.³⁾

Figure 2. The occupant escaping from the apartment hang on the exterior wall.⁴⁾

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3.

화재 위험성 분석

3.1 화재시뮬레이션 입력자료

본 연구에서는 수치해석에 의한 주방화재특성을 해 석하기 위하여 미국국립표준기술원(NIST)에서 개발된 FDS Ver. 5.4.3을 사용하여 고체가연물의 열전달, 열분 해 및 연소반응을 모사하였다.⁷⁾

주방의 화재 확산특성을 확인하기 위해 해석 모델 특성 정보는 Table 1과 같으며 전체 계산은 i7 3.0 GHz 의 CPU와 16 GB RAM, 64비트 운영체계 하에서 7개 의 영역을 이용한 병렬계산(MPI)을 통해 수행하였다.

화재 당시 상황을 근접하게 모사하기 위하여 아파트 건물구조는 건축도면을 기초하여 각 방의 크기와 위치 를 그대로 구성하였으며, 발화 장소와 창호 등의 개구

부 조건은 화재조사보고서를 근거로 하여 설정하였다.

Table 2는 화재해석에서 사용된 대표적인 물성치이 며 건축벽 재료의 열적 특성은 콘크리트로 설정하였으 며, 부분적으로 싱크대와 바닥은 목재로 적용하였으며 천정 부분은 석고보드로 설정하였다. Table 3은 가연물 에 대한 열적 특성을 설정한 표이다.

3.2 화재시나리오

화원의 설정을 위해서 실내가연물은 당시 현장에 배 치된 가연물과 동일하게 주방 쪽에는 가스레인지·싱 크대와 식탁을 배치하였으며, 거실에는 소파와 장식장 및 텔레비전을 배치하여 실제상황과 유사한 조건으로 설정하였다.

화재는 주방 가스레인지 위에 놓여 있는 pan의 기름 에서 최초 발화가 일어나는 것으로 가정하였으며, 화 재 발생 전 초기 주위 온도는 20^oC이며 화재실의 외 부 창문은 폭 1.7 m 개방된 상태이다.

화재 위험성을 분석하기 위한 측정점(Device)는 Figure 4~5와 같이 화재 세대 내 거실을 비롯한 각 방에 가시 거리(Visibility) 및 온도에 대하여 측정하였으며 수직 피난을 고려한 평가를 위하여 계단 참 부분에도 층별 로 Device를 설치하였다. 화재실의 최고온도를 측정하 기 위하여 주방 상부에는 온도측정점(Thermocouple)을 추가하였다.

Figure 3. Combustion is expanded by the externally venting flame.⁶⁾

Table 1. Model Conditions

구분 내용

Mesh size 820,377개(0.1 m × 0.1 m × 0.1 m Cell size) 7 Mesh

해석 시간 600초

대기 온도 21^oC

경계조건

바닥 나무

천장 석고보드

벽체 콘크리트

그 외 대기조건

열전대 Figure 5 참조

화원 4 inch Pan에서 (옥수수기름)Corn oil의 HRR max 100 kW 적용⁸⁾

Table 2. Material Input Data (Common)

구분 석고보드 콘크리트 철

Emissivity 0.85 1.0 0.8

Conductivity

(W/m/K) 0.48 1.0 45.8

Specific Heat

(kJ/kg/K) 0.84 0.88 0.46

Density

(kg/m³) 1,440 2,100 7,850

Table 3. Material Input Data (Combustibles)

구분 목재 패브릭 플라스틱

Emissivity 0.89 0.9 0.8

Conductivity (W/m/K) 0.1 0.1 0.2 Specific Heat

(kJ/kg/K) 1.5 1.0 1.5

Density (kg/m³) 450 100 1,500 Heat of Combustion

(kJ/kg) 18,000 15,000 25,000

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또한, 개선된 피난대피시설의 안전성을 검증하기 위 해 피난대피시설 입구와 윗층에 설치된 피난대피시설 바닥부분에서 온도와 복사열유속(Radiative Heat Flux) 을 측정하였다.

시뮬레이션 연산시간은 옥수수기름(Corn oil)이 충분 히 가열되어 발화가 일어난 시점을 기준으로 소방대에 의해서 화재가 진압된 시점까지를 기준으로 하여 600 초 연산시간을 산정하였다. 그리고 인명안전에 대한 평 가기준은 소방시설 등의 성능위주 설계 방법 및 기준 별표1의 인명안전기준을 적용하였다.

4.

결과분석

본 시뮬레이션 결과, 화재실 및 세대 내 거실들과 층 별 직통계단의 계단 참에서 피난 안전시간을 계산하기 위해 연기 및 열에 의한 영향을 분석하였으며, 발코니 에 설치된 피난대피 시설에 대한 영향성을 확인하기 위해서 온도 및 Radiative Heat Flux를 분석하였다.

4.1 열방출율

열방출율의 분석결과, Figure 6과 같은 결과를 도출 하였다.

4 inch Pan의 옥수수기름(Corn oil)에서 발화한 화재 는 178초에 1,055 kW를 넘어 빠른(Fast)에 가까운 중 간(Medium)급 화재로 성장하다가 시뮬레이션 연산시 간인 600초에는 약 4.4 MW까지 성장하는 화재 양상을 보였다.

Figure 7은 주방에서 시작된 화염이 상부에 설치된 싱크대로 연소 확대되면서 점차 거실 쪽으로 화염이 전파되는 성상을 나타낸다.

4.2 온도

온도에 의한 영향 분석결과, Figure 8~10과 같은 결 과를 도출하였다.

Figure 8은 화재세대의 호흡안전선(바닥에서 1.8 m) Figure 4. Multi-mesh and devices.

Figure 5. Position of device title.

Figure 6. Heat release rate.

Figure 7. Flame Spread in the kitchen (t = 178 sec).

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에서 온도그래프이며 이때 K1은 주방 상부의 온도를 나타내며, 400초에 1,000^oC까지 올라간 후 유지되는 것을 알 수 있었으며, R1~R4는 각각 210초, 220초, 160 초, 90초에 열에 의한 영향 온도인 60^oC를 넘는 것으 로 분석되었다.

Figure 9는 직통계단 내부의 온도분포를 나타내며, 화재 발생 층인 3층(S1)부터 최상부층인 12층(S11)까 지 분석하였으며 분석결과 열에 의한 영향은 3층부터 5층까지 영향을 받는 것으로 나타났으며 그 한계시간 은 각각 210초, 280초, 470초이다.

Figure 10은 발코니 부분과 피난대피시설 입구 부분

(바닥에서 1 m)에 대한 온도 그래프를 나타내며, 발코 니와 접해있는 E1의 경우 600초에 최고온도가 192ôC 까지 올라갔으나 외부에 노출된 피난대피시설 입구인 E3의 경우는 34ôC여서 온도차이가 많이 나는 것을 알 수 있었으며, 다만 화재실 발코니 상부인 E4의 경우는 259ôC까지 올라가는 것으로 분석되어 피난대피시설을 세대 내에 적용 시 이것에 대한 대책이 필요할 것으로 판단된다.

4.3 가시거리

Figure 11~13은 가시거리에 의한 영향을 분석결과이다.

Figure 11은 화재 세대 내의 가시거리의 변화를 나 타낸 그래프이며, R1~R4는 각각 허용가시거리 한계 5 m 미만에 210초, 220초, 180초, 160초에 도달하였다.

Figure 12~13은 직통계단에서 연기 침투에 의한 가

시거리 영향을 분석한 내용이며, 허용가시거리 한계 에 도달한 층은 3층부터 7층까지 영향을 미쳤으나 피 난은 상층에서 피난 층인 하층으로 이루어지므로 직 통계단을 통해 피난을 하려면 최소한 212초 이내에 3층 위에 있는 인원이 화재 층 아래로 피난이 완료되 어야 한다.

화재구조구급 상황보고서에 의하면 여의도동 OO아 Figure 8. Temperature (fire unit).

Figure 9. Temperature (staircase).

Figure 10. Temperature (balcony).

Figure 12. Visibility (staircase).

Figure 11. Visibility (fire unit).

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파트의 피난인원들도 계단실에 연기가 가득차서 옥상 으로 피난이 이루어졌다고 보고되어 있다. 옥상출구가 폐쇄되어 있을 경우 피난인원이 고립될 우려가 높을 것으로 판단된다.

4.4 복사열유속

피난대피시설에 미치는 열복사에 의한 영향 분석 결 과, Figure 14~15와 같은 결과를 도출하였다.

화재 세대의 거실부분에서는 복사열유속이 2.5 kW/

m²를 넘는 것으로 나타났지만, 발코니 부분에서의 최 대 복사열유속은 E4에서 580초에 1.4 kW/m²로 나타나 복사열에 의해 인명피해의 영향을 받는 2.5 kW/m²보다 낮은 것으로 분석되어 복사열유속에 대한 영향은 크지 않는 것으로 보인다.⁹⁾ 그 이유는 외부 발코니에서 실 외로 피난대피시설이 돌출되어 화원에 의해 직접적인 영향이 적었던 것으로 판단된다.

5.

관계법규

5.1 특별피난계단 설치기준

건축법 시행령 제 35조에 따라 특별피난계단의 설치 기준을 보면 공동주택은 16층 이상일 경우에만 해당하 며, 5층 이상은 피난계단을 설치하여야 하나 5층 이상 의 층의 바닥면적을 매 200 m² 이내마다 방화구획이 되어 있는 경우에는 피난계단 설치 대상에서 제외할 수 있어, 이러한 이유로 16층 이하 대부분의 아파트는 직통계단에 갑종방화문이 설치되어 있지 않아 세대 내 의 화재가 외부로 확대되면 직통계단은 굴뚝효과에 의 해 피난시설로서의 역할이 어려워진다.

Figure 16은 16층 이하의 공동주택으로 직통계단 부

분에 방화문이 설치되지 않아 피난계단의 기능이 어려 운 사례이다.

코어형 공동주택은 특별피난계단이 아니면 부속실에 가압이 형성되지 않아 화재가 발생한 세대는 온도가 상승하여 발생한 연기가 외부로 확산되면 계단실로 침 입의 우려가 커서 상층부에 있는 재실자의 피난이 차 단된다.

Figure 13. Visibility X-Z (t = 212 sec).

Figure 14. Radiative heat flux.

Figure 15. Radiative heat flux (t = 600 sec). Figure 16. Fire doors aren’t installed in stairs.

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5.2 스프링클러설비 설치기준

스프링클러설비의 신뢰성에 관련된 내용 중 미국의 DOE(Department of Energy)에 의하면 29년간 스프링 클러설비가 작동한 결과를 분석해 보면 스프링클러설 비가 설치된 건물에서 화재 때문에 재산손실은 스프링 클러설비가 미설치된 건물에서 발생한 화재손실의 1/5 이였으며, 스프링클러설비가 설치된 건물의 화재 중

98 % 이상이 스프링클러설비에 의해 화재를 제어 또는

진압되었다는 발표가 있다.¹⁰⁾이러한 근거는 화재진압 을 위한 스프링클러설비의 신뢰성을 바로 보여주는 예 이나 현행 소방시설 설치기준을 보면 공동주택은 11층 이상일 경우에만 전 층 스프링클러설비의 설치가 해당 되며, 이 기준 또한 2005년 1월 이전에는 16층 이상의 공동주택이 해당되었으며, 이 경우도 16층 이상만 설 치하도록 되어있어 스프링클러설비에 의해 보호되지 않는 아파트가 대부분이다.

5.3 피난설비의 설치기준

소방시설 설치유지 및 안전관리에 관한 법률 시행령 별표4에 의하면 특정소방대상물의 모든 층에 적합하게 설치되어야 하며, 지상 1층·지상 2층 및 11층 이상의 층은 설치대상에서 제외된다.¹¹⁾

Table 4는 피난기구의 화재안전기준 제 4조 1항과 관 련된 피난기구의 적응성을 나타내며, 대부분 공동주택 은 피난기구로 완강기를 설치하고 있다.

6.

피난시설의 개선

공동주택에 적용하기 위하여 피난시설에 대한 많은 연구 및 개발이 이루어지고 있다. 소방방재신문에 의 하면 지난 30년간 발코니를 활용한 피난기구와 관련된 실용신안을 포함한 특허 출원이 총 379건으로 최근 급 증하고 있는 추세이다. 하지만 보안상의 문제점 및 실 효성 등에 의문이 제기되어 많은 연구 개발품들이 현 장에 적용되는 사례는 부족한 현실이다.¹²⁾

대부분 공동주택에 적용되고 있는 완강기는 지지대 와 밧줄이 별도로 보관되어 긴급사항시 손쉽게 사용이 어려우며, 노약자와 어린이의 사용에 대한 제약이 많 이 따른다.

Figure 17은 완강기 벨트 보관함의 잘못된 관리 실 태를 보여주는 사례이다.

공동주택은 취사 및 수면을 할 수 있는 용도상 특성 때문에 화재 시 즉시 대피하지 못할 때 유독가스 및 화염에 의해서 세대 내에 고립되어 인명 피해로 이어 질 수 있으며, 또한 특별피난계단의 경우도 평상시 채 광 문제 등을 이유로 유지관리가 잘 이루어지지 않고 개방된 상태로 있어 저층부에서 화재가 발생할 때 계 단이 오염되어 이용할 수 없는 경우가 빈번하게 발생 하여 대체의 피난수단이 필요하다.

최근에 지어지는 공동주택의 경우 직통계단 2개소가 안 될 경우 대피공간을 설치하도록 하고 있으나, 기존 아파트의 경우 대피공간의 설치가 구조상 불가능한 경 Table 4. Applicability of Evacuation Equipment

대상 2층 3층 4층 이상

10층 이하

공동 주택

미끄럼대, 피 난사다리, 구 조대, 완강기, 피난교, 피난 용트랩, 공기 안전매트

미끄럼대, 피난교, 피난사다리, 구조 대, 완강기, 피난 용트랩, 공기안전 매트, 간이완강기, 피난밧줄

피난사다리, 구조대, 완 강기, 피난 교, 간이완 강기, 공기 안전매트

Figure 17. Automatic descending life line.

Figure 18. Evacuation facility drawing.

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우가 대부분이다.

이러한 문제점들을 해결하기 위해서 Figure 18은 기 존 공동주택 발코니에 설치가 쉬우며, 평상시는 접혀 있는 상태로 있다가 화재 시에 One touch로 피난대피 공간이 확보되어 피난이 용이할 것으로 판단된다. 기 존의 완강기는 피난재해 약자가 사용하기 어려운 구조 이나 이 피난대피 시설은 누구나 손쉽게 사용할 수 있 으며 고정식 설비로서 유사 시 신속하게 이용할 수 있 는 장점이 있다.

또한, 피난대피시설 내부에 사다리가 설치되어 있고 아래층과 연동하여 최종적으로는 피난 층까지 피난할 수 있도록 설계되어있다. Figure 19는 화재 발생 시 생 성되는 독성가스를 차단하고 고온의 열 및 복사열에 견디도록 출입문을 단열 처리하여 설치되어 있으며, 건 축물 외부로 돌출되어서 열적 영향에도 차단되는 이점 을 가지고 있다.

7.

결 론

기존 공동주택의 화재 위험성 및 피난에 대한 문제 점과 개선방향을 연구하기 위하여 화재사례를 화재시 뮬레이션 실시한 결과, 다음과 같은 결론을 도출할 수 있었다.

1) 조리 중 부주의에 의한 화재 발생 시 세대 내에 거주한계시간은 90초에 열에 의한 영향 온도인 60^oC 를 초과하는 것으로 나와 조기에 화재 발생을 감시할 수 있는 적응성이 높은 감지기의 설치가 요구된다.

2) 계단에서의 화재위험성 측정결과 열에 의한 영향 이 210초, 가시거리에 의한 영향이 212초에 거주한계

시간에 도달하는 것으로 나타났다.

3) 스프링클러설비가 설치되어 있지 않은 16층 이하 의 공동주택의 경우 용도특성상 초기에 피난이 이루어 지지 않을 경우 피난통로 확보가 곤란하여 기존 아파 트에 대한 피난시설에 대한 연구가 요구된다.

4) 특히, 2005년 7월 1일 이전에 지어진 공동주택은 소방법 상 스프링클러설비를 설치해야 하는 의무 규정 이 없어 대부분의 공동주택에 스프링클러설비가 설치 되어 있지 않으므로 이에 대한 소방시설에 대한 대책 마련이 시급하다.

5) 본 연구에서는 공동주택 구획공간에서 화재발생 시 발코니에 설치된 피난대피시설에 대하여 복사열유 속을 측정 분석한 결과 최대 복사열유속이 E4에서 580 초에 1.4 kW/m²로 복사열에 의해 인명피해의 영향을 받는 2.5 kW/m²보다 낮은 것으로 나타났으며, 그 이유 는 대피시설이 외부에 설치되어 있고, 화재발생의 우 려가 높은 장소와도 상단거리가 이격되어 있어 복사열 유속에 대한 영향이 적었던 것으로 여겨지며, 기존 건 물에 적용 시 시뮬레이션에 의한 분석을 통해 최적의 위치 선정이 필요한 것으로 판단된다.