지하상가 출입구 방풍문 설치에 따른 피난안전해석
Evacuation Simulation for the Exit with a Windbreak Door in Underground Arcade
최영상†·전흥균·추홍록
Young-Sang Choi
†· Heung-Kyun Jeon · Hong-Lok Choo
대구보건대학소방안전관리과(2008. 9. 10.
접수/2009. 6. 19
채택)
요 약
지하상가는특성상출입구에문을설치할경우피난안전에미치는영향을더면밀하게분석할필요가 있다. 본연구에서는이미사용중에있는지하상가의출입구중일부출입구에문을설치하는경우에
대해 CFAST로화재시뮬레이션을수행하고그결과를 building EXODUS 피난시뮬레이션의위험인자로
활용하여화재위험을고려한피난해석을하였다. 지하상가의 6개출입구중에 2곳에문을설치할경우에 대해화재피난과일반피난으로나누어 1,088명에대해피난해석을하였다. 일반피난의경우는문설치에 따른영향이거의없었으나화재피난의경우는문설치로인해약 110초의피난지연이발생하였다. 또
자동문이설치된경우는자동문이열리지않을때가문설치전보다 670초피난지연이발생하였다. 따라
서자동문은화재감지기와연동하여개방된상태로정지하도록설치되어야하고, 문을설치할경우피난 안전을위해피난유도표시를보강하는것도필요하다.
ABSTRACT
This paper presents a study on the evacuation analysis in underground arcade. In this study, the effect of the exit with a windbreak door has been investigated by using evacuation simulation program (buildingEXODUS). Also, the simulation has included the impact of smoke, heat and toxic gases by fire simulation program (CFAST). The results were obtained for the conditions of without and with door of the two exit with 1,088 evacuation population. As a results, for non-fire evacuation, there was only a little difference of evacuation time for both conditions. However, for fire emergency evacua- tion, the evacuation time for the condition with door increased more 110 seconds than for the condi- tion without door. When the auto door not opened, the evacuation time was increased more 670 seconds than for the condition without door. Consequently, in case of fire, the automatic door should be operating by the signal of fire detector and keep open when the fire accidents. To lead the evacuees well to the escape route the luminaries for an emergency exit sign have to be reinforced to the wall and floor around the exit.
Keywords :Evacuation analysis, Windbreak door, BuildingEXODUS, CFAST, Evacuation time
1. 서 론
산업의 발달과경제성장은 인구의도시집중화를 초 래하여도심건물의고층화와지하공간의개발을가속 화시키는 결과를 초래하고 있다
.
특히지하공간은 화 재 발생 시 연기의 유동방향과 거주자의 피난방향이일치하는 경우가 대부분으로서 인명피해에대한 위험 성이더높은특성이있다
.
1)따라서신규로건설하는지하공간에서의인명안전을 확보하기위해서는지하공간에서의화재사례를바탕으 로소방방재시설의설치와 화재예방활동을 강화하고 평상시 소방방재시설의 효율적인 유지관리가 기본이 되어야한다2)
.
또한최신기술이나장비가구축되지않 아상대적으로화재안전에 취약한 기존의지하공간에†E-mail: [email protected]
점차증가하고있다
.
그러나지하상가는불특정다수인이이용하는시설이 기때문에 기존의개방된 출입구에문을설치하는경 우는 피난에상당한 지장을초래할 수있어서 실제로 문을 설치하기 위해서는 문 설치로 인명안전에 어떤 위험이예상되는지를분석하고그결과를바탕으로예 상되는 위험성을최소화하는 노력이필요하다
.
따라서 본 연구에서는 피난시뮬레이션 프로그램인
buildingEXODUS
를 이용하여현재 사용 중인 지하상가의피난안전을해석하였다
.
연구에서는대구지하철중앙로역의남북방향으로주 된 통로가 연결되어 있고
,
동서로 상가가 건설된J
지 하상가를 연구의 대상으로 하고,
실제로 출입문 설치 가필요하다고 요구되는 동편부분을 피난해석영역으 로하였다.
연구방법은 피난해석영역의특정위치에서의 화재를 가정하여화재시뮬레이션을통해화재위험을분석하고
,
그결과를 피난시뮬레이션의 위험인자로활용하여화 재위험이존재하는상태에서피난시뮬레이션을수행하 는것으로하였다
.
본연구의목적은주된출입구두곳에문이설치될 경우 일반피난과화재피난으로 구분하여문을 설치한 경우와 설치하지않는경우
,
자동문이폐쇄되는경우,
인접출입구로피난을유도하는경우에대한피난해석 을수행하는데있다
.
2. 해석방법
2.1화재시뮬레이션
2.1.1
프로그램화재위험을분석하기위한시뮬레이션은
CFAST V6.0 [
미국 표준연구소(NIST)
에서 개발]
으로 수행하였으며상부의뜨거운공기층과하부의차가운공기층으로나 누어 각층에서 온도나 가스농도 등의 물리적 특성이
균일하다고가정하였다
.
3)2.1.2
화재시나리오Figure 1
은설계화재에사용된천소파의화재특성을나타 낸것이다
.
전체 화재시뮬레이션시간은900
초이다
.
Figure 4
의13
출입구 부근의 공조실에서 화재가 발생한것으로가정하고
,
해석의편의상공조실입구통 로중앙을 발화위치로 정했다.
천소파1
개가불타는것으로하여연기와유독성가스량을계산하며
,
화재 발생후스프링클러가작동하여소화된것으로가정한다.
13, 14
출입구의문설치로수평유동개구부(Horizontal
flow vent)
의면적이감소하는것을고려하여연기배출효과를 반영하고
, 13, 14, 15, 16
출입구의계단에서는외부로연기가배출된것으로가정하고
,
화재시는설비가갖추어져있는기계배연
(45,000m
3/hr)
을고려하였다.
2.2피난시뮬레이션
2.2.1
프로그램본연구에서는영국그리니치 대학 화재공학연구그
룹
(FSEG)
에서개발하여뉴욕지하철,
샌프란시스코 지하철
,
밀레니엄 돔과같은 대규모 공간의 피난해석에 사용한 피난시뮬레이션 프로그램인buildingEXODUS V4.0
을사용하였다.
4)화재의 위험성을 파악하기 위하여 화재시뮬레이션 프로그램인
CFAST
를 이용하여 온도와CO
의 발생데이터를 구하고 그 값들을
buildingEXODUS
의화재생성위험물자료
(Hazard data)
로활용하였다.
5)2.2.2
피난해석이론buildingEXODUS
모델은사람과 사람,
사람과 화재,
Figure 1. Design fire.
사람과건축구조와의관계를고려하여슈퍼마켓
,
병원,
극장
,
기차역,
공항터미널,
고층빌딩,
학교와같은건축 환경에서대규모거주자에대한피난과이동을시뮬레 이션하도록 설계된프로그램이다.
4)따라서방호공간으로부터열
,
연기,
유독가스와같은 위험인자를 극복하며피난하는사람의 피난경로를추적할수있으며
Figure 2
에나타낸것과같이모두6
가지의중요부속모델
(core sub-model)
로구성되어있다.
거주자모델
(Occupant sub-model)
은나이,
체중,
성별,
위치등
20
여개의거주자특성을고려할수있도록구성되어있고
,
이동모델(Movement sub-model)
은거주자가현재위치에서 최적의 인접위치로이동할 때추월 하기
,
옆으로가기와 같은물리적 이동을포함하여제 어한다.
위험성모델(Hazard sub-model)
은열,
연기,
유 독성가스,
출구의 개폐와 유용성등을 제어한다.
유독성모델
(Toxicity sub-model)
은위험성모델로부터제공되는유독성물질이 거주자에게미치는 영향을결정한다
.
피난행태모델
(Behaviour sub-model)
은거주구역의가장 가까운출구와익숙한출구를모두인식하는피난행동(global behaviour)
과현재상황에 대한거주자 개인의반응을결정하는피난행동
(local behaviour)
으로구성되어그결과를 이동모델의자료로연계시켜준다
.
피난해석을위한방호공간
(Enclosure)
의기하학적형태
(Geometry sub-model)
는CAD
도면을DXF
파일로바 꾸어서 직접 프로그램에 사용할 수 있다.
방호공간의 전체내부공간은Figure 3
과 같이0.5m
의간격으로된 교점(node)
망(mesh of node)
으로채워지고,
교점들은호(arc)
로연결되어전체시스템을구성한다.
각각의node
는한명의 거주자가점유하는영역을 나타내며
arc
로연결된
node
를통해서 이동이나피난이 이루어진다.
Figure 2. BuildingEXDOUS sub-model interaction.
Figure 3. Node representation of a 1m × 1m enclosure.
Figure 4. Geometry for evacuation simulation.
문이설치되는출입구에서가능한먼곳까지를피난 해석영역으로포함시켜피난해석의신뢰성을높이고자
11
및12
출입구에서부터15
및16
출입구까지를피난해석범위로하였고
, 13
및14
출입구의계단과,
계단참도피난해석에모두고려하였다
. 2.2.4
거주자 배치(Population mode)
상가에서는 주인
1
명과 고객을 평균3
명으로 하여 점포 한 곳당4
명의 거주자(
피난대상자)
가 있다고 가 정하여200
명(50
개점포× 4
명)
으로하고,
통로에는혼 잡 정도를 높여서 단위 면적당1
명(1
명/m
2)
으로 하여888
명(
통로면적888m
2× 1
명/m
2)
으로 하여 총1,088
명 의거주자를가정하였다. Figure 4
에서통로와 상가에 표시된점들이 거주자를나타내며,
거주자는대부분이 쇼핑객으로보고연령층을20~40
대가80%,
기타가20%
의 비율로 하고
,
여자를60%,
남자를40%
의 비율로배정하였고
,
시뮬레이션에서는색깔을다르게하여거 주자를 구분하였다.
2.2.5
화재위험 및피난구역(Scenario mode)
앞에서 기술한화재시나리오를근거로 수행한 화재 시뮬레이션결과를피난시뮬레이션의위험인자
(Hazard
factor)
로사용하고, CFAST
의연기유동방향을따라위험지역
(Zone)
을모두16
개로세분하여 피난해석의정확성을 높이고자하였다
.
2.2.6
피난해석(Simulation mode)
동일한조건에서문을설치한경우와설치하지않은 경우에 대해일반피난과 화재피난으로 구분하여피난 시간을분석하였다
.
전체출입구11, 12, 13, 14, 15, 16
으로피난한피난인원과피난에소요된시간을분석하 였다
.
또문설치로 인한
13, 14
출입구의이용률 변화를분석하고
, 13
출입구에는 장애자용휠체어리프트가 설 치되어 있어 휠체어의 접근에 따라 자동문이 열리는3.1화재시뮬레이션결과
피난해석영역의중간부분으로서 해당되며화재발생 가능성이 높을 것으로 예상되는 공조 실에서 화재가 발생한 것으로 가정하고
,
해석의 편의상 공조실 입구 통로중앙을발화위치로설정하였다.
화재시뮬레이션 프로그램인
CFAST
에 포함되어 있 는기본데이터를이용하기 위해천소파1
개가 불타 는것으로하여연기와유독성가스량을구하여피난 시뮬레이션의위험인자입력값으로 활용하였다.
CFAST
의수평유동개구부(Horizontal flow vent)
를고 려할때13
과14
출입구에는문설치로Vent
의면적이 감소하는것을고려하여연기배출에미치는영향을반 영하고,
모든 출입구의 계단에서는 외부로 연기가 배 출되는것으로 하였다.
또한화재감지기의 신호가작동하면 실제로설비가
갖추어져 있는 기계배연
(45,000m
3/hr)
설비가 가동되어통로의연기를외부로 배기시키는것으로 고려하였다
.
Figure 5
는천장까지의높이가2.6m
인주통로(Zone
1)
에서화재발생 후시간에 따른 연기층의 높이변화를나타낸것이다
.
각각의화재시나리오(4
가지)
를비교하면화재발생 후
420~460
초사이에서1.88m
로 가장낮게 내려오다가 그이후 다시 높아진다
.
스프링클러Figure 5. Smoke layer height for Zone 1.
가작동된나머지경우가스프링클러가작동하지않는
경우
(no s/p no door)
보다연기층이더높게유지된다.
이는화재발생후
459
초에스프링클러가작동되면서 이후 소화로 인해 연기발생량이 줄고,
배연이 지속되면서연기층의높이가 천장으로높아지기 때문이다
.
문이 설치된 경우와 문이 개방되지 않는 경우에도 스프링클러가작동하면주통로에서의연기층의높이 변화는 거의없는것으로확인되었다
.
이정도의연기층하강은 피난에심각한 영향을 미치지는않을것으 로판단되지만연기가발생하지않는일반피난에비해 화재피난에서는연기가 피난대상자의 피난속도에 직 접적인 영향을 미치게 되므로각각의 화재시나리오별 로 피난시뮬레이션을할 때위험요인으로
CFAST
결 과를사용하였다.
Figure 6
은13
출입구에설치된자동문이개방되지않은경우
(with s/p auto door not open)
에13
과14
출입구의입구
(Zone 10
과Zone 16)
에서연기층의변화를나타낸것이다
.
자동문이개방되지 않아연기배출이 원활하지않은
13
출입구의입구에서의연기층의높이가14
출입구입 구보다 더낮게나타난다.
이러한 결과는피난에직접 적인영향을미쳐피난자가피난출구의방향을변경하 는요인으로작용하게된다.
Figure 7
은통로의 주 통로에서의 온도분포를 나타낸것으로화재발생후약
410
초일때온도가133
oC
로최고치를보이지만그이후에는감소한다
.
이때주통로에서의온도분포는스프링클러가작동 한경우가그렇지않은경우에비해온도가더급격하 게 낮아지지만
,
문의 설치여부에는 거의 영향을 받지 않는것으로 나타났다.
이는화재공간에비해상대적으로화재시발생열량
이작기 때문인것으로 판단되고
,
동시에45,000m
3/hr
의기계배연설비의 작동으로인해출입구로배출되는
연기량 중에서문의 설치에 따른연기배출장애효과가 적기때문으로판단된다
.
이때문은피난시나리오에따라화재나 피난시정 상적으로 열려있거나 자동문만 고장으로열리지 않는 다고가정하여화재시뮬레이션을수행하였다
.
Figure 8
은주통로(Zone 1)
에서화재발생후시간에따른
CO
농도 변화를 나타낸 것으로 화재발생 후420~460
초사이에서675ppm
으로가장높다가그이후부터 감소하는분포를 나타낸다
.
일반피난에 비해 화 재피난에서는 연기나CO
농도가 피난대상자의 피난 속도나피난한계에영향을미치게되므로각각의화재 시나리오별로 피난시뮬레이션을 할 때 위험요인으로 연기와CO
농도분포를사용하였다.
각각의화재시나리오에서스프링클러가작동하지않
는경우
(no s/p no door)
와스프링클러가 작동된 모든경우와비교할때
CO
농도분포에큰차이가나타나지 는않는다.
다만문이개방되지않는경우에는다른경 우보다약간높은CO
농도를유지하면서시간이지남 에따라감소하는경향을 볼수있으나 그차이는 크 지않다.
Figure 6. Smoke layer height for Exit 13 and Exit 14.
Figure 8. CO concentration with the time elapsed for Zone 1.
Figure 7. Temperature with the time elapsed for Zone 1.
없는 경우는
393
명이,
문이 있는 경우407
명이 각각피난을완료하였고
, 5
분후에는문이없는경우가1,018
통로 전역에 연기가 확산되어 있고,
점선으로표시된 것과 같이 각 출입구로 분산되어 피난이 이루어지고Figure 10. Evacuation for door of Exit 13 not open.
Figure 9. Evacuation for door of Exit 13 and 14 open.
있음을 볼수있다
.
Figure 10
은13
출입구에설치된문의자동문이고장으로 열리지않은경우의 피난개시
1
분후의피난자분포를 나타낸것으로
11, 12, 15, 16
출입구에는큰변화가없으나
13
출입구를이용하던피난자가14
출입구 로집중되는현상이발생한다.
이는
Figure 6
에나타낸것과같이13
출입구의연기층이 바닥으로 더낮게 내려와피난자가연기를 피해
14
출입구 쪽으로 피난방향이나 피난출구를 변경하는현상
(Redirection)
4)이피난시뮬레이션에반영되었기때문으로 본다
.
Figure 11
은문을설치한상태에서화재가발생하고5
분후연기의확산정도와피난자의분포를나타낸것 으로주통로와각출입구에연기가모두확산되어있고
13, 14, 16
출입구 계단부분에만피난자가 분포되어있음을볼수있다
.
시뮬레이션결과에서는
5
분동안에858
명이피난을 완료한것으로 나타났다.
Figure 12
는13
출입구에설치된자동문이 열리지않은경우피난개시
5
분후의피난자분포를나타낸것이다.
13
출입구를이용하는피난자는없고, 14
출입구로피난자가몰려있음을볼수있다
.
시뮬레이션결과763
명이피난하여
Figure 11
에서나타낸858
명과비교할때피난지연이발생하고있음을알수있다
.
Figure 11. Evacuation after 5 minute for door of Exit 13 and 14 open.
Figure 12. Evacuation after 5 minute for auto door of Exit 13 not open.
각각의화재시나리오별로피난통로에서의연기층높 이나
CO
농도가인명에심각한위험을초래할정도는되지 않아 피난시간의 지연만 발생할 뿐 인명피해는 발생하지않는것으로나타났다
.
그러나 화재시나리오가 달라질 경우 피난위험성에 대한추가적인연구가더필요하다고생각한다
.
Figure 13
은 피난시뮬레이션의 신뢰도를 높이기 위해거주자배치
(Population mode)
단계에서무작위배치(Randomise)
기능을이용하여피난자의초기위치를임의로 변화시키면서
5
회 반복시뮬레이션을 한 결과를나타낸 것으로 어느경우에나 매우유사한 결과를얻 을수있었다
.
Figure 14
는Figure 13
에나타낸5
회반복시뮬레이션 결과를평균한값으로13
출입구의자동문이열리지않는 경우
1,088
명이모두 피난을 완료하는데 약1,200
초
(20
분)
가소요되어자동문이열리지않는경우가피 난에가장큰영향을미치는 것으로나타났다.
따라서자동문은화재감지기와연동하여화재시개 방된상태로 정지하도록설치되어야한다
.
또한
Figure 6
에나타낸것과같이자동문이개방되지않아연기배출이원활하지않은
13
출입구의입구에 서의 연기 층의 높이가 맞은편의14
출입구 입구보다더낮게나타나므로
13
번출입구 천장에설치되는피난구유도등은연기가축적되어피난유도기능이저하될 우려가크므로통로바닥이나벽면하부에피난유도표시 를보강하는것도필요하다
.
피난개시후약
250
초까지는피난자수가급격하게증가하지만그이후부터는매우완만한증가세를보이 고있다
.
Figure 15
는화재피난중13
출입구의자동문이개방되지 않는 경우에 대한 피난소요 시간
(sec)
당 피난자수를 나타내는 유동율
(Total flow rate: occupants/sec)
분포이다
.
Figure 14
에서설명한바와같이피난개시후약250
초까지는 유동율이
10~20(occ/s)
정도를 보이다가그이후에는 약
2~3(occ/s)
정도로 낮아져일정하게 유지됨을알수있다
.
이는
14
출입구로집중된피난자로인해피난시간이 늘어나기때문4)으로14
출입구로피난자가집중되지않Figure 14. Mean evacuation time and people.
Table 1. Exit Usage (Number of Occupants) for Each Scenario
Scenarios
with s/p with Door
(Nearest Exit)
with s/p Auto Door
Not Open (Nearest
Exit)
with s/p Auto Door
Not Open (Exit 15)
Exit 11 214 214 214
Exit 12 226 226 226
Exit 13 274 48 48
Exit 14 175 401 273
Exit 15 20 20 136
Exit 16 179 179 191
Total 1,088 1,088 1,088
Evacuation
Time (s) 640 1,200 780
도록하는방법이 요구된다
.
Table 1
은 화재시나리오마다 출입구별로 피난한 평균피난자수
(Number of occupants)
를나타낸것이다.
화재피난시 지정출구
(Target exit)
를 최근거리출구(Nearest exit)
로할때문을설치한경우(with s/p with
door)
와13
출입구의자동문이열리지않는경우(with s/
p auto door not open)
를비교하면다른출입구의피난자수는 변화가 없지만
13
출입구는274
명에서48
명으 로 급격하게 줄고, 14
출입구는175
명에서401
명으로 늘어나면서피난지연이발생하여 총피난시간은1,200
초가소요되었다
.
따라서
14
출입구로 집중되는 피난자를 피난자수가 적게나타난 다른출입구로 유도하는 방법이 필요3)하 다고본다.
본연구에서는화재발생위치에서동편의
13, 14, 15, 16
출입구를 이용하는 피난자에게15
출입구를 이용(Target exit: Exit 15)
하여 피난하도록유도한 경우는총피난시간이
780
초로나타나 피난시간을상당히줄 일수있음을알수있다.
15
출입구를이용하도록유도하는방법으로는상가주 인들이직접안내를하는방법과13
출입구에안내표시 를 하는방법,
그리고15
출입구 쪽으로의 피난유도표 시를더보강하는방법들이있을수있다.
Figure 16
은 출입구별로 피난자를 분산시키기 위해화재발생위치를기준으로동편의
13, 14, 15, 16
출입구 를이용하는피난자에게 피난시뮬레이션의Population
mode
에서Target exit
로15
출입구를지정한 경우의피난해석 결과와
Target exit
를Nearest exit
로한경우의 피난시간을비교한 것이다.
Table 1
에서 비교한것과같이Target exit
로15
출입구를지정한경우의총피난시간이
780
초로줄어든것 을알수있다.
3.2.3
피난시뮬레이션결과요약Table 2
는문이 설치된 경우와 설치되지않은 경우에대해일반피난과화재피난의피난시간을나타낸것 이다
.
일반피난의경우문설치가 피난에거의영향을 미 치지않음을알수있다
.
그러나 일반피난
(360
초)
의 경우와 화재피난의 문을 설치한경우(640
초)
를비교하면280
초(4
분20
초)
피난 이지연됨을알수있다.
특히
13
출입구에는장애자용휠체어리프트가설치되 어있어자동문이설치됨에따라화재시자동문이개방되지않을경우는출입구의폭이
5.4m
에서1.87m
로급격히 감소함에 따라 피난시간이
1,200
초(20
분)
까지 소요되어 피난에 매우심각한영향을 미친다고볼수 있다.
이문제점을보완하기위해
13, 14, 15, 16
출입구를이용하는피난자를 대상으로
Target exit
로15
출입구를지정한경우는총피난시간이
780
초(13
분)
까지줄어들 어어느정도는 피난시간을단축시킬수있는것으로 나타났다.
4. 결 론
J
지하상가에서냉난방비용절감을위해외부와기류 순환이특별히심각한13
과14
출입구에방풍용문설 치를검토하면서 불특정다수인이이용하는시설의 특 성상문설치가 피난안전에미치는 영향을분석할 필 요가있었다.
Figure 16. Comparisons of evacuation time for target exit 15 and nearest exit.
Table 2. Summary of Evacuation Time
시나리오(Target Exit) 피난시간(sec) 비고
문설치전(Nearest Exit) 360 일반피난
(평상시)
문설치후(Nearest Exit) 380
문설치전(Nearest Exit) 530
(화재피난화재상황 가정)
문설치후(Nearest Exit) 640
문설치후(13출입구 자동문 미개방시)
(Nearest Exit) 1,200
문설치후(13출입구
자동문미개방시)
(Exit 15) 780
2.
문설치전의피난소요시간은일반피난(360
초)
보 다화재피난(530
초)
이170
초정도길어져화재로인한 피난지연이발생함을알수있다.
3.
화재피난의경우피난소요시간은문설치전(530
초
)
보다문설치후(640
초)
가110
초증가하여문의설 치가피난에 지연을미침을알수있다.
4.
화재피난의경우13
번출입구의 자동문 고장시(1,200
초)
는문설치전(530
초)
과비교하여670
초,
문을 설치 한경우(640
초)
보다560
초피난시간이 증가하여13
번자동문의폐쇄가피난시간지연에가장큰영향을 미치는 것으로나타났다.
5. 13
번출입구의자동문이폐쇄된경우(1,200
초)
가장인접한
15
번출입구로피난을 유도할때피난시간지