집 중 기획
류성호
(주)건일엠이씨 점검부문 사장 공학박사/기술사 [email protected]
서 론
건축공간과 토지이용의 제한 등으로 인하여 건축물이 초고층화, 복합 화, 대규모화되어 감에 따라 대규모의 복잡한 공간형상을 가진 구조물이 출현되고 있다. 건축공간의 이러한 경향으로부터 화재 시 인명안전대책은 점점 더 어려운 상황에 직면하고, 화재로 인한 인명피해는 지속적으로 증 가하고 있는 추세이다.
화재에 의한 인명피해는 대부분 시야의 제한, 인명의 질식, 구조 활동 의 제약 등을 초래하는 연기에 의해 발생된다. 따라서 피해 저감을 위해 서는 화재의 성상, 연기의 전파, 피난자의 행동 등에 대한 공학적 지식을 확립하여 이를 토대로 방화. 피난경로, 제연설비 등의 화재안전설계, 피 난설계 등이 이루어져야 한다.
기존의 소방법, 건축법 등 현행 법규 적용만으로는 합리적 화재안전 성을 확보할 수 없는 유형의 공간이 점차 증가함에 따라 새로운 건축물이 나 신기술이 발생할 때마다 법규를 개정하는 방식으로 즉각적인 대응이 이루어져야 하나, 법 절차상 그 개정이 변화하는 환경에 부응하여 유연하 게 이루어지기 어렵다.
2015. 1. 10. 경기도 의정부 대봉그린아파트 화재사 고를 계기로 건축물의 화재안전성능 확보를 위한 성 능위주 설계사례를 소개하며, 아파트에도 성능위주 설계가 조속히 도입되기를 제안하고자 한다.
화재안전성 확보를 위한
성능위주 설계사례
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이러한 문제점을 해결하기 위해서 건축물의 화 재안전성능에 대해 과학적인 판단능력과 신뢰성 높은 화재안전성 판단의 융통성과 합리성을 부여 하는 제도 운영의 필요성이 절실하게 되었다.
이에 이러한 특수한 건축물에 대하여 법규 중 심의 소방설계에 유연성을 부여하며, 화재안전성 능 및 피난 시뮬레이션을 통하여 화재성상을 정확 히 예측하고 대책을 세워 과학적이고 합리적인 최 적의 소방 시스템을 구축하기 위해 일정규모 이상 의 건축물을 대상으로 2011년 7월 1일부터 성능위 주 설계를 시행 운영하고 있다. 하지만 안타깝게도 화재가 지속적으로 발생하고 있는 아파트의 경우 에는 성능위주 설계 제도를 제외하고 있다.
이에 성능위주 설계사례 분석을 통해 PBD의 활 성화 필요성을 재차 강조함으로써 아파트도 더 안 전하고 성공적인 설계를 위해 성능위주 설계 범위 에 포함하기를 제안하고자 한다.
성능위주 설계 기준
표 1은 성능위주 설계를 하여야 하는 특정소방 대상물을 나타내고 있다.
표 2는 성능위주 설계의 성능기준을 나타내고 있다.
처리기준
성능위주 설계는 건축심의 신청하기 전과 건축 허가 신청하기 전에 보고서를 제출하여야 하며, 연 면적이 10% 이상 증가 등 변경사유가 발생되면 변 경 신고서를 제출하여야 한다. 성능위주 설계에 대 한 심의 결정을 통보한 경우, 심의 결정된 사항대로 건축허가 등의 동의를 한 것으로 본다.
성능위주 설계사례
본 건축물은 도시환경정비구역에 위치하고 있으 며, 건축 규모는 표 3과 같이 지하 7층, 지상 25층으
<표 1> 성능위주 설계 대상 범위
구 분 대 상
연면적 20만㎡ 이상인 특정소방대상물 다만, 아파트는 제외한다.
건축물의 높이
100 m 이상인 특정소방대상물
지하층을 포함한 30층 이상인 특정소방대상물 다만, 아파트는 제외한다.
운수시설 연면적 3만㎡ 이상인 철도 및 도시철도시설, 공항시설
영화상영관 하나의 건축물에 영화상영관이 10개 이상
<표 2> 인명안전 기준
구 분 성능기준 비고
호흡 한계선 1.8 m 열에 의한
영향 60℃ 이하 인체 호흡 한계선 기준
가시거리에 의한 영향
용도 허용가시 거리 한계 기타시설 5 m 집회시설 판매시설 10 m
단, 고휘도 유도등, 바 닥유도등, 축광유도표 지 설치 시, 집회시설 및 판매시설은 7 m로 완화적용 가능
독성에 의한 영향
성분 독성 기준치 CO 1,400 ppm
이하 O2 15% 이하 CO2 5% 이하
기타, 독성가스는 실 험결과에 따른 기준치 를 적용 가능
<표 3> 설계개요
구 분 내 용
사 업 명 S구역 도시환경정비사업
지 역 일반상업지역, 중심미관지구, 도시환경정비구역 높 이 110.7 m
대지면적 4,117.20 ㎡ 건축면적 2,468.19 ㎡ 연 면 적 67,127.66 ㎡ 건축규모 지하 7층, 지상 25층
주요용도 숙박시설, 운동시설, 근린생활시설 구 조 철골철근 CONCRETE조
로 건물높이가 110.7 m, 연면적은 67,127.66 ㎡이다.
부지 및 도로계획
소방차량 진입 동선은 그림 1과 같이 유사시 건 축물 4면에서 접근이 가능하도록 계획하였다.
화재안전계획의 기본방침
건물 용도의 특성, 거주자의 수용능력, 위험에 노출된 사람의 수, 이용할 수 있는 소방시설, 건물이 나 구조물의 건축 높이와 형태 및 모든 거주자에게 적합한 안전을 마련하는 데 필요한 다른 요인을 고 려하여, 각각의 건물이나 구조물에 적합한 종류, 수, 위치 및 수용능력의 피난로 및 방호장치를 갖추어 야 한다.
모든 건물이나 구조물에는 피난로가 설치, 유지 관리되고 있어 건물이나 구조물이 사용되고 있을 때는 언제라도 자유롭고, 방해받지 않는 피난로를 제공할 수 있어야 한다. 또한, 건물 내부로부터의 자 유로운 피난을 막을 수 있는 자물쇠 등의 장애물이 설치되어서는 안 된다. 피난로는 보행이 어려운 거 주자에게 알맞은 안전을 보장하기에 필요한 정도로 접근 가능해야 한다.
모든 피난통로는 눈에 잘 띄어야 하며 피난통로
에 이르는 모든 경로는 육체적, 정신적으로 문제가 없도록 모든 거주자가 피난방향을 쉽게 알 수 있도 록 보기 쉽게 표시되어야 한다. 모든 피난로는 그 전 체가 안전한 장소로 가는 길이 명확하게 표시될 수 있도록 배치되고, 표시되어야 한다. 피난통로 또는 피난통로로 가기 위한 길은 아니지만, 피난통로와 혼동될 가능성이 있는 문이나 통로는 거주자가 올 바른 피난통로와 혼동하지 않도록 배치되고, 표시 되어야 한다. 화재 시 거주자가 잘못하여 막다른 통 로로 들어가지 않도록 모든 노력을 기울여야 한다.
화재가 발생하였을 때 거주자에게 적절한 경고 기능을 할 수 없는 규모, 배치 또는 용도의 모든 건물 이나 구조물 내에는 사용자에게 화재의 발생을 알리 기 위한 화재경보시설이 설치되어 있어야 한다.
2개의 피난로는 긴급 상황 시 둘 다 사용할 수 없게 될 가능성을 최소화할 수 있도록 배치되어야 한다.
모든 피난계단, 피난 경사로 및 건물의 층 사이 에 있는 기타 수직 개구부는 필요한 경우 적절하게 밀폐되거나 방호되어 피난로를 사용하는 동안 거 주자에게 안전을 제공할 수 있어야 하며, 거주자가 피난통로로 들어가기 전에 수직 개구부를 통해 연 기 또는 화재가 확산되는 것을 방지해야 한다.
따라서 화재안전계획의 궁극적인 목표는 화재 로 인한 인명 및 재산상의 손실을 최소화하고, 시 뮬레이션을 사용한 화재안전성평가를 통하여 화재 시 건물 내 재실인원의 안전한 피난이 가능한지를 해석하고 그 대책을 마련하는 것이다.
건축물의 화재안전계획이란 인명안전과 재산 보호 등 건축물의 안전을 확보할 목적으로 건축물 뿐만 아니라 건축설비 및 그것들을 유지관리하는 모든 사항을 포함하는 종합적인 계획을 뜻하며, 이 건축물의 화재안전계획은 관련 법규에 기초하여야 하지만 효과적인 건축방재 계획은 건축물의 안전 에 관련된 방재요소를 보다 종합적이고 유기적인
[그림 1] 소방차량 진입동선
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계획이 필요하다.
이에 전체 시스템 속에서 재실자의 안전을 보장 하기 위해 어디에 중점을 두는가, 어떤 실패가 일어 날 수 있는가를 고려하여 어떤 요소에 어떠한 성능 을 부여할 것인지 방안을 명확히 하여 계획을 하는 것이 가장 중요하며 이에 따라 크게 2가지 관점인 능동적 시스템과 수동적 시스템으로 계획하여 진행 되어야 한다.
능동적 시스템은 적극적으로 화재에 대응한다 는 점에서 스프링클러 설비를 비롯한 대다수 소방 시설이 여기에 해당하며, 수동적 시스템은 방화구 획 등 건축물 그 자체의 구조적 배려에 의한 안전대 책이 주류를 이루고 있다. 이 두 가지 시스템은 개별 적으로 접근하는 것이 아니라 방재의 기본은 수동 적 시스템에 두고 능동적 시스템으로 성능을 보완 하는 방안이 가장 바람직하다.
화재안전성능 비교표
표 4는 기존 소방법 기준에 의한 소방설계와 성능위주 소방설계에 대한 비교표이다.
화재 및 피난 시뮬레이션
화재 시뮬레이션은 FDS를 사용하였으며, FDS (Fire Dynamics Simulator)는 미국 NIST(National Institute of Standards and Technology)산하 건축화
재연구소 BFRL(Building and Fire Research)에서 개 발된 화재 CFD(Computational Fluid Dynamics)프 로그램으로 후처리 결과가 뛰어나 화재 분석 시 많
<표 4> 화재안전 성능 비교표 소방
시설 종류 소방시설 법규 기준설계
성능
위주설계 내 용
소화설비
소화기구 ○ • 화재안전기준
옥내소화전 ○ • 수원 40분 확보 SPRINKLER ○ • 수원 40분 확보
물분무등
소화설비 ○ • 화재안전기준
경보설비
비상방송설비 ○ • 발화층과 직상 3개층에 우선경보 후 60초간 직상 3개층씩 경보
자동화재탐지설비 ○ • Loop Back System• 아날로그 감지기 설치 자동화재속보설비 ○ • 화재안전기준
시각경보기 ○ • 화재안전기준 GAS누설경보기 ○ • 화재안전기준
피난 설비
피난기구 ○ • 화재안전기준
유도등 설비 ○ • 피난유도선 : 계단실 추가 설치
비상조명등 ○ • 60분 용량의 배터리식으 로 방재센터, 발전기실 설치
자동폐쇄장치 ○ • 화재안전기준
소화활동 설비
제연설비 ○ • 계단실, 부속실 동시 가압
• 미압조절 플램 댐퍼 설치 방식 연결송수관설비 ○ • 화재안전기준
비상콘센트설비 ○ • 화재안전기준 무선통신 보조설비 ○ • 전층 설치, 지하층 소화
용수 설비 상수도소화전 ○ • 화재안전기준
[그림 2] FDS 구현사례
이 이용되고 있다. 화재로 인해 일어나는 유체유동 에 대한 CFD 모델로서 낮은 속도로 열에 의해 발생 하는 유체유동에 적당한 Navier-Stokes 방정식을 화재에서 나오는 연기와 열전달에 대한 중요성과 함께 수식형태로 해석한다.
그림 2는 FDS 구현사례이다.
유효안전피난시간(ASET) 측정
표 5는 지상 3~4층 대회의실의 화재 시뮬레션
<표 5> 대회의실 화재 시뮬레이션 결과
대상공간 3~4층 대회의실 시나리오 6
화원의 크기 4 MW
화재성장속도 Fast growth fire
격자수 4,374,000개
시뮬레이션 수행
그래프
시간에 따른 온도 변화 그래프 시간에 따른 가시거리 변화 그래프
허용피난시간
출 구 피난 허용시간
Temperature(60℃) Visibility(5 m) CO(1400 ppm)
Exit 1 - 6분 52.0초 -
Exit 2 - 5분 28.0초 -
Exit 3 - - -
Exit 4 - - -
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결과로서 허용피난시간은 가시거리에 따른 영향 으로 Exit 2에서 5분 28초가 측정되었다.
표 6은 지상 10층 식당가, 객실의 화재 시뮬레
이션 결과로서 허용피난시간은 온도에 따른 영향 으로 Exit 1에서 5분 54초가 측정되었다.
표 7은 지상 22층 객실의 화재 시뮬레이션 결과
<표 6> 식당가, 객실 화재 시뮬레이션 결과
대상공간 10층 식당가, 객실 시나리오 1
화원의 크기 3 MW
화재성장속도 Medium growth fire
격자수 2,025,000개
시뮬레이션 수행
그래프
시간에 따른 온도 변화 그래프 시간에 따른 가시거리 변화 그래프
허용피난시간
출 구 피난 허용시간
Temperature(60℃) Visibility(5 m) CO(1400 ppm)
Exit 1 5분 54.0초 6분 10.0초 -
Exit 2 - - -
<표 7> 객실 화재 시뮬레이션 결과
대상공간 22층 객실 시나리오 2
화원의 크기 2 MW
화재성장속도 Fast growth fire
격자수 3,149,280개
시뮬레이션 수행
그래프
시간에 따른 온도 변화 그래프 시간에 따른 가시거리 변화 그래프
허용피난시간
출 구 피난 허용시간
Temperature(60℃) Visibility(5 m) CO(1400 ppm)
Exit 1 - - -
Exit 2 - - -
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로서 허용피난시간은 화재 시뮬레이션 시간인 15분 동안 인명안전기준 이하로 측정되지 않았다.
피난 시뮬레이션
피난 시뮬레이션 툴은 Pathfinder를 사용하였
다. Pathfinder는 미국의 Thunderhead Engineering 에서 대형건물, 복합건물에서 대규모의 피난인원 을 모델링하는 소프트웨어로 개발하였으며 다른 피난 시뮬레이션에 비해 2D나 3D시각화가 용이하 며 FDS의 모델링을 그대로 사용할 수 있는 등의 장 점이 있다(그림 3).
<표 8> 대회의실 피난 시뮬레이션 결과
수용인원산정 좌석수
업무용도(9.3 ㎡/人) x 1.2 428명
피난 지연시간 180 sec
피난 출구 Exit 1(0.95 m)+Exit 2(0.95 m)+Exit 3(0.95 m) = 2.85 m
시뮬레이션 수행
그래프
시간에 따른 출구별 피난인원 시간에 따른 재실자 수
허용피난시간
출 구 피난 완료시간 피난 인원 수 피난 출구 유효폭
Exit 1 5분 11.0초 199명 0.95 m
Exit 2 5분 17.8초 189명 0.95 m
Exit 3 3분 19.0초 23명 0.95 m
Exit 4 4분 32.0초 17명 0.95 m
[그림 3] 피난 시뮬레이션 구동사례
<표 9> 지상 10층 피난 시뮬레이션 결과
수용인원산정 2층 이상의 판매지역(3.7 ㎡/인) 주방(9.3 ㎡/인)
HOTEL(18.6 ㎡/인) x 1.2 236명
피난 지연시간 식당 180 sec
객실 240 sec
피난 출구 Exit 1(0.95 m)+Exit 2(0.95 m) = 1.9 m
시뮬레이션 수행
그래프
시간에 따른 출구별 피난인원 시간에 따른 재실자 수
허용피난시간
출 구 피난 완료시간 피난 인원 수 피난 출구 유효폭
Exit 1 4분 40.0초 61명 0.95 m
Exit 2 5분 32.3초 175명 0.95 m
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필요안전 피난시간 측정
표 8은 지상 3~4층 대회의실의 피난 시뮬레이 션 결과로서 필요안전 피난시간은 Exit 2에서 5분
17.8초가 측정되었다.
표 9는 지상 10층 식당, 객실의 피난 시뮬레이 션 결과로서 필요안전 피난시간은 Exit 1에서 4분 40초가 측정되었다.
<표 10> 22층 피난 시뮬레이션 결과
수용인원산정 HOTEL(㎡/인) x 1.2 53명
피난 지연시간 발화실 60 sec
비발화실 240 sec
피난 출구 Exit 1(0.95 m)+Exit 2(0.95 m) = 1.9 m
시뮬레이션 수행
그래프
시간에 따른 출구별 피난인원 시간에 따른 재실자 수
허용피난시간
출 구 피난 완료시간 피난 인원 수 피난 출구 유효폭
Exit 1 4분 32.0초 25명 0.95 m
Exit 2 4분 33.0초 28명 0.95 m
표 10은 지상 22층 호텔객실의 피난 시뮬레이 션 결과로서 필요안전 피난시간은 Exit 1에서 4분 32 초가 측정되었다.
표 11은 상기 3개소에서 수행한 화재 및 피난 시뮬레이션을 이용한 피난안전성 평가 결과이다.
필요안전 피난시간보다 유효안전 피난시간이 크 므로 피난안전성이 확보되었다고 판단할 수 있다.
상기 시뮬레이션은 자동식 소화설비가 작동하 지 않은 것을 가정으로 실행하였다. 이러한 점에서 비추어 볼 때 스프링클러 설비 등의 초기소화설비 가 정상 작동하면 피난허용시간이 늘어남으로써 피 난이 더욱 유리해질 것으로 생각한다. 각 시설별로 대상공간을 선정하여 안전성을 검증해 본 결과 피 난통로의 확보, 피난출구의 배치 및 용량은 안전성 을 확보한 것으로 검증되었다. 하지만 이런 결과는 가상 시뮬레이션이기 때문에 실제 화재 시에는 많 은 변수가 일어날 수 있다. 그러므로 시뮬레이션 결 과에 만족하지 않고 확실한 방화구획과 소화설비시
스템의 유지관리, 직원들의 철저한 안전교육과 재 실자들의 성숙된 안전의식을 통해 비로소 안전성을 확보할 수 있다.
결 론
2011년 7월 1일부터 성능위주 설계가 진행되면 서 일부 시행착오도 있었지만, 사용자에게는 보다 안전한 건축물 설계가 제공되었다고 본다.
따라서 이를 보다 더 활성화하기 위해서는 시뮬 레이션의 공학적인 검증을 객관화할 수 있는 데이 터베이스와 함께 경제적 효과 실현을 위해 화재안 전기준이나 건축법을 일부 완화시킬 수 있는 성능 위주 설계로 발전되어야 한다.
또한, 아파트의 대형화재가 지속적으로 발생하 고 인명피해가 많은 점을 감안할 때 공동주택의 화 재안전성능을 확보하기 위해서는 아파트를 포함하 도록 성능위주 설계범위를 확대하여야 한다.
<표 11> 피난안전성 평가결과
구 분 피난 완료시간(RSET) 피난 허용시간(ASET) 피난 안전성
3~4층 연회장 사무실
Exit 1 5분 11.0초 6분 52초 OK
Exit 2 5분 17.8초 5분 28초 OK
Exit 3 3분 19.0초 - OK
Exit 4 4분 32.0초 - OK
10층 식당 객실
Exit 1 4분 40.0초 5분 54초 OK
Exit 2 5분 32.3초 - OK
22층 객실
Exit 1 4분 32.0초 - OK
Exit 2 4분 33.0초 - OK
