A Numerical Study for the Atrium Smoke Control by Fire Shutter and Evacuation

논 문]

50

방화셔터를 이용한 아트리움 제연과 피난안전에 관한 수치해석 연구 A Numerical Study for the Atrium Smoke Control

by Fire Shutter and Evacuation

전흥균^†·최영상·추홍록

Heung-Kyun Jeon

· Young-Sang Choi · Hong-Lok Choo

(2010. 6. 15. 접수/2010. 10. 8. 채택)

요 약

본 연구에서는 대구 D대학 기숙사 건물에 대해 2MW, 5MW 화재크기와 아트리움 방화셔터의 미설치 및 작동 경우의 4가지 화재시나리오를 구성하고, FDS(ver. 5.5.0)와 Pathfinder 2009 프로그램을 사용하 여 화재 및 피난시뮬레이션을 수행하였다. 화재피난영향평가를 통하여 방화셔터와 배연구의 아트리움 제 연 효과에 대한 성능을 확인하였고, 화재위험 및 피난안전을 분석하였다. 방화셔터의 작동은 연기 전파 방 지에 큰 효과가 있지만, 상부 배연구를 통한 배연량이 불충분하여 방화셔터의 유무에 관계없이 연기층은 바닥으로부터 약 2m 지점까지 하강하고, 본 연구에서 설정한 연기층 한계 높이 이하가 되었다. 또 방화 셔터 미설치, 5MW 화재크기의 경우, 온도보다 가시거리에 의한 화재위험 가능성이 더 크게 나타났고, 기 숙사 중·상부 층의 계단실 피난여유시간은 약 5초 이내로 매우 작았다. 지상 1층 주출입구까지 전체 피 난자의 순수 피난이동시간은 136초이다. 피난자의 더 안전한 피난을 위해 추가적인 보완조치가 필요하다 고 사료된다.

ABSTRACT

Four fire scenarios, as the cases of fire sizes of 2 MW and 5 MW, and no installation and activation of atrium fire shutter for dormitory building of Daegu ‘D college’, were developed and fire simula- tions were run using FDS (ver. 5.5.0) and Pathfinder 2009 programs. By assessing fire and evacuation, the effects of atrium fire shutter and vents on the smoke control of atrium were evaluated and this study also analyzed fire hazard and egress safety for occupants in the dormitory. Fire shutter’s pre- venting smoke transport around atrium was much effective, but smoke layer descended down the design limit of smoke height and kept about 2 m height from the atrium floor in all cases because flow rate through vents was not enough. For the case of 5 MW fire and no fire shutter, fire hazard was higher due to visibility than temperature and allowable egress time to stairwell was short less than 5 seconds for the occupants on the floors of 4F to 7F. For total occupants, egress time out of main doorway was calculated about 136 seconds. It is sure that additional systems improving the per- formance of smoke control need to be installed for more safe evacuation.

Key words : Atrium fire shutter, FDS and Pathfinder, Smoke control, Fire hazard, Safe evacuation

1. 서 론

고층오피스, 주상복합아파트, 대형할인마트 및 대학 교육용 건물 등 현대 건축물은 규모와 기능면에서 점 차 대형화, 고층화, 복합화 되고 있다.

이러한 건물은 실내구조가 매우 복잡하고 신소재 건

축자재의 사용이 늘고 있어 화재 발생 가능성이 매우 높고, 거주 밀도가 높아 피난의 혼잡과 장애 가능성이 높아 화재 시 막대한 재산 및 인명 피해가 우려된다.

따라서 고층 대형 건축물의 화재 및 피난안전성 확보 는 재산과 인명 피해 방지를 위해 매우 중요한 사안으 로 대두된다. 그러나 국내소방법기준은 이러한 건축물 에 대한 관련법 미비로 인해 화재 및 피난안전성 확보 를 위한 성능위주설계 업무에 어려움이 있다.

†E-mail: [email protected]

본 연구에서는 화재 및 피난안전성 확보를 위한 성 능위주설계와 관련하여 대구 D대학 기숙사 건물(이하

‘기숙사’로 표기)에 대한 화재시뮬레이션을 통하여 아 트리움에 설치된 방화셔터와 배연구의 아트리움 제연 효과에 대한 성능 확인과 더불어 화재피난영향평가를 통하여 화재위험 및 피난안전에 대해 분석하고자 한다.

본 연구와 관련된 연구로써 이영주¹⁾는 ‘사례를 중심 으로 본 최근 대형건축물의 방재 이슈’에서 E대학교 캠퍼스 센터와 S국제금융센터의 방재특성에 대하여 화 재 및 피난시뮬레이션을 실행하여 화재안전성을 확인 하였다. 또 Michael J. Ferriera 외 1인²⁾은 ‘Federal Building and Fire Safety Investigation of the World Trade Center Disaster: Smoke Management Systems’에 서 세계무역센터 테러 사고 시 건물 내 화재와 피난안 전과 관련하여 계단실 제연설비의 작동 여부와 성능에 관한 수치해석을 수행하였다. 또 향후 911테러 사고와 같은 대형 건물 화재 시 연기로부터 피난안전을 확보 하여 거주자의 인명피해를 최소화할 수 있도록 제연방 식에 대한 보완대책을 강구하였다.

상기 연구와 더불어 본 연구에서는 화재피난영향평 가를 통하여 화재위험 및 피난안전 분석기법의 수준을 제고시키고, 향후 시행될 화재피난영향평가제의 기준 마련과 원활한 제도 운영에 도움을 주고자 한다.

본 연구의 화재피난영향평가 대상 건물인 기숙사는 식당, 세탁실, 휴게실, 기계실, 사감실, 학생 방과 더불 어 건물 중앙에 아트리움 공간으로 구성된 지하 1층 지상 8층 규모의 건물이다. 화재피난시뮬레이션에 사 용한 프로그램은 FDS(ver. 5.5.0)³⁾와 Pathfinder 2009⁴⁾ 이다.

2. 자연배연 이론

열과 연기의 자연 배연이란 화재실내 창문 또는 설 계된 배연구를 통하여 고온의 연기 부력과 팽창에 의 한 외부로의 고온 연기의 제거와 더불어 외부로부터 신선한 공기가 유입되도록 하는 것을 말한다. 자연 배 연의 목적은 고온의 연기가 피난경로공간으로 전파되 는 것을 막아 화재위험으로부터 실내거주자가 안전하 게 피난 할 수 있도록 하고, 소방진압대원이 확보된 시 야를 통해 화재건물 내 진입과 화재 진압을 용이하게 할 수 있도록 하며, 화재 건물과 시설이 고온의 연기 에 장시간 노출 되는 것을 방지하여 인명과 재산 피해 를 최소화 할 수 있도록 하는 것이다.⁵⁾

본 연구의 아트리움 상부 벽면에 설치된 배연구를 통한 자연배연과 관련된 식은 미국 NFPA 204 기준⁶⁾

을 적용하였다. 먼저 화재 열기류의 질량유량 계산식 은 식(1)과 같다.

(1) 또 배연구를 통해 배출되는 연기의 질량유량 계산식 은 식(2)와 같다.

(2)

본 연구에서 아트리움 상부 배연구의 전체 면적은 11.52m²이고, 외기 유입구의 면적은 건물 주출입구의 면적으로써 4.0m²이다. 또 화재면적은 4m²이며, 열방 출율이 2MW와 5MW의 화재에 대하여 식(1)과 식(2) 를 사용하여 화재 열기류와 배연구의 질량유량을 계산 하였다.

3. 화재 및 피난 시뮬레이션

3.1 화재 및 피난 모델

본 연구의 화재피난영향평가 대상 건물인 기숙사는 지하 1층에는 식당, 세탁실, 휴게실, 기계실과 지상 1 층에는 로비, 사감실과 남학생 방, 2층과 3층에는 남학 생 방, 4층에서 7층에는 여학생 방, 그리고 외국인 교 수 방, 8층에는 옥상계단실 등을 포함한 지하 1층 지 상 8층 규모이며, 건물 공간 중앙에는 아트리움으로 건 축된 건물이다. 아트리움 공간 상부 수직 벽면에는 창 이 설치되어 평상시에는 실내 환기를, 화재 시에는 자 연배연을 담당한다.

또 1층과 2층을 제외한 지하 1층과 지상 3층에서 7 층까지 전체 6개 층의 아트리움 4면 천장에는 방화셔 터가 설치되어 연기감지기와 연동하여 화재 시 건물 중앙의 아트리움 공간을 구획함으로써 화염 확산 및 연기 전파를 차단한다.

본 화재모델의 수치계산영역은 다중 격자계(multiple meshes systems)로 구성하였고, 격자크기는 가로, 세로, 높이가 각각 0.2m이며, 전체 계산영역의 격자수는 777,528개이다. 화재시뮬레이션은 Workstation급 컴퓨 터(DELL Precision 690)를 사용하여 수행하였다. 각 화 재모델별 계산 시간은 약 64시간이다. Figure 1은 화재 모델을 나타낸다.

피난모델의 재실자 분포는 기숙사 각 실에 2명씩이 며, 전체 재실자 수는 177명이다. Figure 2는 피난모델 을 나타낸다. 재실자 분포는 Table 1에 나타내었다.

m·_p = 0.071Q·

c(z_s − zo)^5/3

[ ]

× 1 + 0.027Q·

c(z_s − zo)^-5/3

[ ]

m·_v = C_{d v,} A_v 1 + C_{d v}²_, A_v²

C_{d i}²_,A_i² --- T_a

---T

⎝ ⎠⎛ ⎞

⎝ ⎠

⎜ ⎟

⎛ ⎞

---× 2ρa

2gd_s× T_a(T − Ta) T² ---

한국화재소방학회 논문지, 제24권 제5호, 2010년 3.2 화재 및 피난 시나리오

본 연구의 화재시나리오는 2가지 화재크기와 방화셔 터의 설치 유무로 전체 4가지 경우를 고려하였다. 설 계화재는 열방출률이 2MW와 5MW로써 발화(t = 0초) 에서 화재모의실험 종료시점(t = 600초)까지 일정하며, 아트리움 지하 1층 중앙 바닥에 위치한다.

연기감지기는 광전식 2종으로써 지하 1층 및 지상 3 층에서 7층까지 전체 6개 층의 아트리움 주위 통로 상

부 천장 아래에 각 층별로 4개씩 전체 24개가 설치되 었다. 본 연구에서는 Cleary model⁷⁾을 적용하였다.

방화셔터는 연기감지기의 작동과 연동되며, 본 연구 의 화재시뮬레이션 결과 최초 연기감지기 작동시점이 2MW와 5MW 화재 시 각각 약 10초와 8초임을 감안 하여 발화 후 20초에서 작동되도록 하였다. 또 1개의 연기감지기가 작동되면 아트리움 전체 방화셔터가 동 시에 작동되며, 방화셔터의 하강속도는 0.1m/s로 적용 하였다. 방화셔터가 바닥면까지 완전 하강 시 방화셔 터의 굴절부분 틈새로의 연기 전파는 없는 것으로 가 정하였다. 초기온도는 20^oC이고, 외부풍속은 0m/s를 적 용하였다.

본 연구의 피난시뮬레이션에 적용한 전체 재실자의 보행속도는 1.19m/s로 동일하며, 보행자 특성은 steering 모드를 적용하였다.⁸⁾ 재실자의 안전 피난은 지상 1층 주출입구를 통과하여 건물 외부로 피난 완료한 상태이 다. 또 피난 시간 계산 시 화재 위험특성과 피난 전 행 동특성은 고려하지 않았고, 재실자의 순수 피난이동시 간(∆ttrav)만을 계산하였다.

3.3 제연성능과 화재안전기준

제연성능기준의 경우, 아트리움 중앙 바닥에서 발생 한 화재 연기가 아트리움 공간 상부 배연구를 통한 자 연배연과 동시에 방화셔터로 구획된 아트리움 공간 체 적에 자연 충만(natural smoke filling)에 의한 연기층 하강높이가 기 설정한 일정 높이를 유지하는지 여부와 배연구를 통한 배연량에 대한 이론 계산 값과 화재시 뮬레이션 결과 값을 비교하여 성능을 분석하였다. 본 연구에서는 연기층 한계 높이를 방화셔터가 설치되어 있지 않은 2층의 바닥에서 상부 2m 높이(지하 1층 바 닥에서 10m 높이)로 설정하였다.

화재안전기준의 경우, 피난안전에 영향을 크게 미치 Figure 1. Fire model (FDS).

Figure 2. Evacuation model (Pathfinder).

Table 1. Occupant Load in Dormitory (Unit: pers) Floor Man Woman Total

7F 2 18 20

6F - 26 26

5F - 26 26

4F - 26 26

3F 26 - 26

2F 26 - 26

1F 23 2 25

B1 - 2 2

Total 77 100 177

는 연기층의 온도와 가시거리 2가지를 고려하였고, 각 각 65^oC와 6m로 적용하였다. 각 건물 하부, 중간, 상 부 층의 화재위험을 알아보기 위하여 지하 1층, 지상 1층, 4층, 7층의 계단실로 연결되는 통로 입구 바닥면 의 1.5m 높이에서 2가지 화재위험요소를 측정하였다.

본 연구의 화재피난영향평가를 위해 적용한 제연성능 기준⁹⁾과 화재안전기준¹⁰⁾은 Table 2와 같다.

4. 결과 및 고찰

4.1 방화셔터와 배연구의 제연성능

화재크기가 2MW와 5MW의 경우 이론식에 의한 화 재 열기류의 질량유량( )은 각각 43.1kg/s와 55.1kg/

s이다. 실제 설치된 배연구의 질량유량 이론 계산 값 ( )은 각각 13.9kg/s와 18.9kg/s로 열기류의 발생량 에 비해 상당히 부족한 상태이다.

2MW와 5MW 화재에 대한 화재시뮬레이션 결과, 연 기층 높이가 10m인 시점에서 배연구를 통한 배연량 ( )은 방화셔터 미설치 경우 각각 20.0kg/s, 28.2kg/

s이고, 방화셔터 작동 경우 각각 18.6kg/s, 26.6kg/s이다.

이후 연기 층의 높이가 최대로 하강한 시점의 최대 배 연량( )은 방화셔터 미설치 경우 각각 27.1kg/s, 35.8kg/s이고, 방화셔터 작동 경우 각각 31.4kg/s, 39.6kg/

s이다. 화재크기가 큰 경우와 방화셔터가 작동한 경우 배연량이 약 8kg/s 정도 크게 나타났다. 화재초기에는 방화셔터 작동 경우보다 미설치 경우의 배연량이 크다.

이것은 화재초기 방화셔터의 차단으로 아트리움 주위 의 연기가 배연구로 배출하지 못하기 때문이다. 이후 화재가 진행됨에 따라 방화셔터 작동 경우가 미설치 경우보다 배연량이 더 크다. 이것은 방화셔터로 구획 된 아트리움 공간이 화재열기류의 유동 통로 역할과 함께 충만된 고온 연기층의 부력이 크게 작용하기 때 문이다. 배연구를 통한 배연량은 화재시뮬레이션 결과 값이 이론값 보다 크지만, 이론식의 열기류 질량유량 계산 값 보다는 크게 못 미치는 것으로 나타났다. 이 러한 결과는 Figure 4에서 나타난 바와 같이 연기층이 한계높이 아래로 하강한다는 것을 의미한다. Table 3은

각 경우의 질량유량을 나타낸다.

본 연구의 화재시뮬레이션 결과 방화셔터의 작동 시 아트리움 공간 주위로의 연기 전파는 방화셔터 미설치 시 보다 현저히 감소하여 연기 전파 방지에 상당한 효 과가 있음을 확인할 수 있다. 그러나 방화셔터로 구획 된 아트리움 공간 내에 충만한 연기가 상부 배연구로 의 불충분한 배연으로 인해 연기층은 한계 높이 이하 로 하강하여 1층과 2층 통로로 부분적인 연기 전파 현 상이 나타났다. 따라서 연기층이 한계 높이 이하로 하 강하는 것을 방지하기 위해서는 배연량을 열기류 발생 량과 동일하게 하여야 한다. 이를 위해서는 배연구 면 적과 외기유입구의 면적 조정이 필요하다. 본 연구의 5MW 화재와 방화셔터 작동 경우에 대해 식(2)를 사 용하여 계산한 결과, 외기유입구 면적을 그대로 둔 경 우라면 배연구 면적은 약 3배 정도 증가시켜야 한다.

또 배연구 면적을 2배 정도 증가시키면, 외기유입구 면 적은 약 3배 정도 증가시켜야 한다. Figure 3과 Figure 4는 각각 배연구를 통한 질량유량과 아트리움 공간내 m·_p

m·_{v th,}

m·_{v 10m,}

m·_{v max,}

Table 2. Criteria for Smoke Control and Fire Safety Case Quantities Criteria Smoke

Control

Smoke layer height

2.0 m above floor at the 2 story

Fire Safety

Temperature 65^pC at 1.5 m above floor Visibility 6 m at 1.5 m above floor

Table 3. Flow Rates of Fire Plume and Vent Flow

Rate (kg/s)

No Fire Shutter Fire Shutter 2 MW 5 MW 2 MW 5 MW

43.1 55.1 43.1 55.1 13.9 18.9 13.9 18.9 20.0 28.2 18.6 26.6 27.1 35.8 31.4 39.6 m·_p

m·_{v th,} m·_{v 10m,} m·_{v max,}

Figure 3. Smoke flow rate through vent.

한국화재소방학회 논문지, 제24권 제5호, 2010년 의 연기층 높이를 나타내며, Figure 5는 5MW 화재에 대한 연기 전파를 나타낸다.

4.2 화재위험 분석 4.2.1 온도

화재크기가 2MW와 5MW의 경우에 대해 방화셔터 의 미설치 경우와 작동 경우의 화재시뮬레이션 결과 중 통로 온도를 Figure 6과 Figure 7에 나타내었다.

아트리움 방화셔터의 미설치, 화재크기가 2MW인 경 우 모든 층의 통로 온도는 화재안전기준(65^oC) 이하이 며, 중·상부 층의 온도는 하부 층의 온도보다 약 30^oC 정도 높다. 또 5MW인 경우 4층과 7층의 통로 온도는

발화 100초 후 화재안전기준 이상으로 증가하며, 중·

상부 층의 온도는 하부 층의 온도보다 약 50^oC 정도 높다. 따라서 화재크기가 증가할수록 아트리움을 통한 고온의 연기전파로 인해 중·상부 층의 통로 내 화재 위험이 클 것으로 사료된다.

아트리움 방화셔터의 작동 경우, 화재크기가 2MW 와 5MW 모두 상부 층과 하부 층의 온도 차이는 미작 동 경우 보다 더 낮으며, 두 경우 모두 화재안전기준 이하이다.

즉 방화셔터의 작동으로 아트리움 주위로의 연기 전 Figure 4. Smoke layer height in atrium.

Figure 6. Temperature (No fire shutter).

Figure 5. Smoke transport for 5 MW fire.

파가 차단되어 통로내의 화재위험은 낮게 나타났다. 따 라서 아트리움 방화셔터의 작동 경우, 재실자의 통로 피난 시 화재위험은 없을 것으로 사료된다. Figure 8은 5MW 화재에 대한 화재위험기준(65^oC) 이상의 온도분 포를 나타낸다.

4.2.2 가시거리

화재크기가 2MW와 5MW의 경우에 대해 방화셔터 의 미설치 경우와 작동 경우의 화재시뮬레이션 결과 중 연기밀도 및 통로 가시거리를 Figure 9, Figure 10.

Figure 11에 나타내었다.

아트리움 방화셔터의 미설치 경우, 화재크기가 2MW 와 5MW의 경우 4층과 7층 모두 통로 가시거리는 각 각 약 t = 80초와 t = 36초에 화재안전기준값(6m)에 도 달된다. 이후 t = 250초에 4m와 t = 280초에 2m로 유지 된다. 따라서 화재안전기준값에 도달되기 전에 해당 층 에서 대피하지 못할 경우 피난 시 시야장애로 인해 보 행속도가 감소하여 피난 소요시간이 증가함에 따라 화 재위험이 클 것으로 사료된다.

지하 1층의 가시거리는 연기가 아트리움 공간에 충 만할 때까지 일정하다가 이후 감소한다. 그러나 1층의 가시거리는 거의 변동 없이 일정하다. 이것은 1층 주 출입구로부터 유입된 외기가 아트리움 공간으로 유동 함에 따라 연기의 전파가 제한되기 때문이다. 이러한 유동 현상은 주출입구로의 피난 시 1층 통로와 로비에 Figure 9. Smoke density at 300 s for 5 MW (above 100 ppm).

Figure 7. Temperature (fire shutter).

Figure 8. Temperature at 300 s for 5 MW fire (above 65^oC).

한국화재소방학회 논문지, 제24권 제5호, 2010년 서 피난자의 가시거리 확보에 유리하게 작용할 것으로 사료된다.

아트리움 방화셔터의 작동, 화재크기가 5MW 경우 7층에서 방화셔터 작동 이전에 전파된 연기로 인해 가 시거리는 약 t = 40 초에 일시적으로 화재안전기준값 정도까지 감소하지만 이 후 점차 증가한다. 그러나 4 층에서의 가시거리는 약 t = 60초에 화재안전기준값 보 다 조금 낮은 값으로 감소하여 약 5분 동안 그 상태가 유지된다. 따라서 이 시간 동안 피난에 다소 어려움이 예상되나, 전반적으로 방화셔터의 작동으로 아트리움

주위로의 연기 전파가 차단됨에 따라 간접적 위험요소 인 가시거리로 인한 통로내의 화재위험은 크게 문제가 되지 않을 것으로 사료된다. Figure 9는 5MW 화재에 대한 100ppm 이상인 연기밀도의 분포를 나타낸다.

4.3 피난안전 분석

본 연구의 피난안전성 평가를 위하여 사용한 피난시 뮬레이션 프로그램은 Pathfinder 2009이다. Pathfinder 2009는 개체 위주(agent-based) 시뮬레이션 프로그램으 로써 피난자의 신체 및 행동 특성에 근거하여 피난완 Figure 10. Visibility (No fire shutter). Figure 11. Visibility (fire shutter).

료 시까지 개체별 독립적인 움직임에 의해 피난 시간 을 계산하며, 피난 시뮬레이션 결과를 3D 화면을 통해 시각적 효과와 더불어 피난안전 분석을 할 수 있다.

기숙사 건물의 피난 시뮬레이션 결과, 각 층별 통로 내의 체류자 수, 각 층의 계단실 출입구를 통과하는 유 동률을 각각 Figure 12와 Figure 13에 나타내었다.

Figure 12에서 피난 초기 피난자가 각 방에서 통로 로 나옴에 따라 각 층의 체류자 수는 증가하여 10초 이내에 최대로 되었다가 이후 계단실 출입구를 통해

Figure 12. Remaining occupants within each floor.

Figure 14. Flow rate of stairway.

Figure 15. Remaining and exited occupants.

Figure 13. Flow rate through stairwell door.

나감으로써 체류자 수가 감소한다.

Figure 13에 나타난 바와 같이 피난대피 층인 지상 1층을 제외한 나머지 층의 체류시간은 재실자 수에 따 라 차이가 있으나 대략 30초 이내이다. 1층 체류자 수 는 초기 비슷한 양상을 보이다가 약 40초 이후 상부 층의 피난자가 1층 계단실 문을 통하여 1층 로비로 빠 져나옴에 따라 다시 증가한다. 이후 약 110초부터 다 시 감소한다.

Figure 14는 각 층의 계단실내에서 피난자의 유동률 을 나타낸다. 1층에서의 유동률은 약 4명에서 5명 정

한국화재소방학회 논문지, 제24권 제5호, 2010년 도이며, 4층과 7층에서의 유동률은 약 5명에서 8명 정 도이다. 이러한 변동 현상은 1층을 제외한 각 층에서 유입된 피난자가 계단실 하부 층으로 내려옴에 따라 피난자 수가 점점 증가함과 동시에 계단실 출입구 계 단참에서 계단실내 피난자와 각 층의 통로에서 체류된 피난자의 상호 충돌로 인해 계단실내에서 간헐적인 정 체와 지체가 반복됨에 따라 피난자 보행속도가 감소하 였기 때문이다.

Figure 15는 피난시간 동안의 체류자 수와 전체 누적 피난자 수를 나타낸다. 단위시간당 피난자 수는 약 1.3 명/s로 누적피난자 수는 거의 일정하게 증가한다. 177 명의 전체 피난자가 피난완료하는 시간은 136초이다.

Figure 16은 시간대별 피난시뮬레이션 장면을 나타낸다.

본 연구의 화재위험분석결과 전체 시간 동안 계단실 의 화재위험은 없는 것으로 확인되었다. 이에 피난안 전 구획된 각 층의 계단실로 대피하는 경우 1층 피난 대피 장소까지 안전하게 피난하는 것으로 제한하여 피 난안전성을 분석하였다.

아트리움 방화셔터의 미설치 경우, 4층과 7층의 화 재위험은 2MW 화재크기의 경우 가시거리에 의한 화 재위험만 존재하며, 화재위험 도래시간은 약 80초이다.

5MW 화재크기의 경우 온도 및 가시거리의 화재위험 도래시간은 약 85초와 36초이다. 발화시점에서 가시거 리의 화재위험 도래시간인 피난허용시간(ASET), 발화 시점에서 피난완료 시간인 피난요구시간(RSET), 피난 자의 화재인지시간(∆trec)과 화재반응시간(∆tres)의 합인 피난자의 피난 전 행동시간(∆tpre), 피난개시에서 전체 피난자의 피난 완료하는 시간인 순수 피난이동시간 (∆ttrav), 최초 경보설비 작동시간(∆ta, 최초 감지기 작동 시간(∆td) 즉시 피난한다고 가정)과의 관계를 고려하면, 피난여유시간(tallow)은 식(3)으로 계산된다. 계산된 피난 여유시간은 Table 4에 나타내었다. Table 4에 나타난 각 경우의 피난여유시간을 보면 가시거리에 의한 위험 이 온도에 의한 위험보다 크다는 것을 확인할 수 있다.

실제 화재 시 피난자의 피난전 행동시간과 전체 피 난 상황을 감안한 안전율을 고려하면, 화재크기가 5MW 경우 중·상부 층의 피난자는 계단실로 대피하기 전 에 연기의 시야장애로 인해 피난에 상당한 어려움이 예상된다. 반면 아트리움 방화셔터의 작동 경우 앞 절 의 화재시뮬레이션 결과 화재위험은 없다. 따라서 피 난자의 피난안전에는 큰 문제가 없을 것으로 사료된다.

Figure 16. Evacuation simulation.

Table 4. Allowable Evacuation Time into Stairwell for No Fire Shutter (Unit: s)

Floor

Parameter B1 1F 4F 7F

∆ttrav 16 N/R 27 23 RSET 2 MW 26 N/R 37 33 5 MW 24 N/R 35 31 ASET

(Temperature)

2 MW N/R N/R N/R N/R 5 MW N/R N/R 85 85 ASET

(Visibility)

2 MW N/R N/R 80 80 5 MW N/R N/R 36 36

∆tallow

(Temperature)

2 MW N/R N/R N/R N/R 5 MW N/R N/R 50 54

∆tallow

(Visibility)

2 MW N/R N/R 43 47 5 MW N/R N/R 1 5

∆tallow= ASET− RSET

∆t

∆t

∆t

∆t

5. 결 론

본 연구에서는 대구 D대학 기숙사 건물에 대해 2MW, 5MW 화재크기와 방화셔터의 미설치 및 작동 경우의 4가지 화재시나리오를 구성하고, FDS(ver. 5.5.0)와 Pathfinder 2009 프로그램을 사용하여 화재피난시뮬레 이션을 수행하였다. 화재피난영향평가를 통하여 기숙 사 아트리움에 설치된 방화셔터와 배연구의 아트리움 제연 효과에 대한 성능 확인과 화재위험 및 피난안전 을 분석한 결과 다음과 같은 결론을 얻었다.

(1) 방화셔터 작동 경우, 아트리움 주위로의 연기 전 파가 차단됨으로써 화재위험 방지에 큰 효과가 있었다.

그러나 상부 배연구를 통한 배연량이 불충분하여 방화 셔터의 유무에 관계없이 아트리움 내의 연기층은 바닥 으로부터 약 2m 지점까지 하강하여 한계 높이 이하가 되었다.

(2) 방화셔터 미설치, 화재크기가 2MW인 경우, 온 도에 의한 화재위험은 없었고 가시거리에 의한 화재위 험 도달시간은 t = 80초이다. 화재크기가 5MW의 경우, 건물 중·상부 층에 대해 화재위험도달시간은 온도와 가시거리 각각 약 85초와 36초로써 온도보다는 가시거 리에 의한 화재위험이 더 크게 나타났다. 그리고 피난 자에 대한 계단실 피난여유시간은 약 5초 이내로 매우 작게 나타났다.

(3) 지상 1층 주출입구까지 전체 피난자의 순수 피 난이동시간은 136초이며, 전체 피난자의 1층 건물 주 출입구까지 피난 대피할 경우, 계단실까지의 피난시간 에 비해 약 110초 이상 증가하게 된다.

본 연구의 화재위험 분석 결과, 방화셔터가 작동하 는 경우 연기의 온도가 낮아 화재위험은 거의 없으나, 일부 공간에서 일시적으로 화재안전기준값 보다 낮은 가시거리로 인해 피난에 다소 어려움이 예상된다. 피 난자의 더 안전한 피난을 위해 추가적인 보완조치가 필요하다고 사료된다.

감사의 글

이 논문은 2009년 대구보건대학 교내학술연구비 지 원으로 수행되었습니다.

기호표시

A_i : air inlet area[m²] A_v : vent area[m²] C_d : discharge coefficient d_s : smoke layer depth[m]

g : gravitational acceleration[m/s²] : mass flow rate in the plume[kg/s]

: mass flow rate through vent[kg/s]

: convective heat release rate[kW]

T : smoke layer temperature[K]

T_a : ambient temperature[K]

z_o : height of virtual origin of plume[m]

z_s : interface height of smoke layer[m]

ρa : ambient density[kg/m³]

참고문헌

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9. NFPA, “NFPA 92B Standard for Smoke Management Systems in Malls, Atria, and Large Spaces 2005 Edition”, NFPA, p.6(2005).

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