The Study of Outflow Rate of Stair and Turnstile in Subway Station - Comparison between Measurement and Simulation

지하철 역사에서 개찰구 및 계단 유출특성에 관한 연구 -

실측과 시뮬레이션의 비교

The Study of Outflow Rate of Stair and Turnstile in Subway Station - Comparison between Measurement and Simulation

김응식·조주호*·김명훈

^†

Eung-Sik Kim · Ju-Ho Cho

^*

· Myeoung-Hun Kim

^†

호서대학교 안전보건하기과

, *(

^주

)

^{소방하는사람들}

(2010. 3. 12.

접수

/2010. 6. 11.

채택

)

요 약

피난평가를위해서도면을이용한상용시뮬레이션의수행이일반화되고있다

.

안전대책수립에있어서 피난소요시간평가가중요한요소이며

,

피난동선상의각병목구간에서의유출계수는피난소요시간을결정 짓는가장중요한요소가된다

.

^{본논문은상용프로그램의검증을위하여대규모인원이대피하는지하}

역사에서

2

^{개의병목구간인계단및개찰구에서실측유출계수와}

2

^{가지상용프로그램의유출계수를비}

교하였다

.

비교결과계단과개찰구에서서로다른모드로시뮬레이션을수행해야함을확인하였다

.

유출 계수의경우상용프로그램의정확한이해없이시뮬레이션을수행하면실측치와큰차이가날수있었으 며이런차이를줄이기위해서는정확한입력조건을결정할수있어야한다

.

결론적으로상용프로그램의 사용은실측데이터와비교검토하는작업절차를걸쳐야만올바른평가가가능하다고사료된다

.

ABSTRACT

Recently commercial egress softwares are frequently used for the risk assessment. The estimation of evacuation time is an important procedure and the outflow coefficient in a bottleneck becomes the crucial factor for design of emergency planning. This paper compares the outflow coefficient of mea- surement with those of softwares in the bottlenecks of subway stations where masses of people move- ment is observed. Stairway and turnstile are the 2 bottleneck points along escape pathway. For the escape simulation it is recommended that 2 different modes be used in the programs for 2 kinds of bottleneck. The results of the comparison makes a big difference among them and some of differences can be reduced by correct design of input data. In conclusion the results of simulation should be examined thoroughly by procedure of comparisons with other results.

Key words:

Evacuation time, Outflow coefficient, Bottleneck, Subway station

1. 서 론

대부분의지하철 역사는 지하공간에위치하고있고 이용승객이 설계시점보다 많이증가한 상태이며불특 정 다수 인원이 동시간대에 집중되어지므로 화재 및 기타사고발생시대형인명피해의위험성이높다

.

^사

고예로

2003

년대구지하철

, 2005

년광명역 방화사고

가 있다

.

^{이의 대책을 세우기 위해서는건축구조물에}

대한피난성능평가가이루어져야하며현재개발되어 진재실자피난시뮬레이션을활용하여피난소요시간을 예측하는방법이많이사용되고있다

.

시뮬레이션의경 우사용자가구현하고자하는상황을 정확하게입력하 지못하면실제피난시간과많은차이를보이게되며 또한사용자가피난프로그램의 한계점을잘알고사 용하지못할경우올바른피난평가를수행할수없다

.

예를들어복잡한형태의피난로

,

^{대규모인원피난및}

지하철 역사의개찰구와 같은특수형태의구조에서는 기존상용프로그램의피난평가의한계점이존재하며

,

†

E-mail: [email protected]

피난에서가장 중요한 피난소요시간을결정짓는요소 인각병목구간에서의유출계수가실제와다르게산출 된다

.

따라서구조물의특성및대규모인원에따른유 출계수는 실험을 통한 측정과 여러 상용 프로그램의 비교검증이필요하다

.

본논문에서는지하철역사에서 재실자들의 피난에 영향을 주는 병목구간에 대한 유출특성을 대규모인원 이동관측실험을 통해측정 하여 분석하였고 이것을 상용 프로그램인

Simulex

와

Pathfinder

에서얻어진유출특성과비교분석함으로서

신뢰성및효용성을평가하였으며향후성능위주설계

(PBD)

를하기위한기초자료로사용될수있으리라사

료된다

.

2. 유출계수의 정의 및 종류

유출계수란병목이존재하는곳에서통로의폭이결 정되어 있을때단위시간당 그폭을 통과할수있는 인원수를나타낸 계수^1,2)로서피난시간평가를 위해서 는필수적변수이다

.

지하철역사의경우병목이예상 되는 계단 및 개찰구에서 인원의 유출시간의 산정에 아래식

(1)

및식

(2)

의유출계수식이이용되었다

.

본연 구에서는지하철역사의계단

,

개찰구등과같이피난 에 영향을 주는 병목구간의 유출계수를 실제 측정에 의해서 산출하였으며

, Simulex

와

Pathfinder

의경우지 하철 역사의도면에 측정시와같은 인원수를배치시 켜 시뮬레이션을 수행함으로서 유출계수를 산출하여 실측값과 비교하였다

.

그이유는 전체피난 시간에서 가장 큰영향을 미치는 요소는병목구간이며 이를물 리적모델로표현하면유출계수의변수로수식화되기

때문이다

. SFPE Handbook

에서도대규모인원피난시

피난소요시간의계산을위하여수력모델을적용하는데 이의수식화를위하여유출계수를 사용하고있다

.

1)

^{계단유출계수}

[person/sec

^·

m]

1) -

계단유출계수

=

인원

/(

시간

×

계단폭

)

^1,2)

(1) 2)

개찰구 유출계수

[person/sec

·

n]

1) -

개찰구유출계수

=

인원

/(

시간

×

개찰구수

) (2)

3. 재실자 피난 시뮬레이션 3.1 Simulex

Edinburgh

대학에서개발한

Simulex

는현재 국내에

서가장 보편적으로사용되어지는 피난시뮬레이션이 며다수의 재실자가구조물내에 존재할경우 시뮬레 이션을 통하여피난소요시간을산출한다

.

3.2 Pathfinder

Thunderhead Engineering

^{에서 개발된}

Pathfinder

2009

는

Simulex

와같이 재실자의피난 시피난소요시

간을산출하며최근개발되어진상용프로그램이다

.

^재

실자의 움직임을

Steering

모드와 미국 소방기술사회

(SFPE)

에서제시한

SFPE

모드의두가지형태로모델

링할 수 있는 것이 특징이며 실행결과를

3D

로 출력 한다

.

³⁾

위의두가지모드선택시적용되어지는 알고리즘 이 다르며 지하철 역사와 같이 단일출구에서의 병목

(

계단

)

과동일선상에서의다중출구에서의병목

(

개찰구

)

에서는각기다른모드의적용이필요하다

.

이에본연 구에서는 각모드의알고리즘차이에 따라서 각재실 인원이 매 시간마다 주변의 셀을 검사하여 이동하는

Steering

모드를 개찰구에 적용하였으며

,

각 재실인원

에최단거리알고리즘이 적용된

SFPE

모드는 계단에 적용하여 시뮬레이션하였다

.

4. 유출계수 측정 방법 및 측정 역사

지하철역사에서각병목구간의실측유출계수측정 은지하철역사중유동인구가가장많은

A, B

역사내 에병목이예상되는계단및개찰구에서이루어졌으며 측정시간은 전체피난상황과 유사한 하차인원이가

장많은오전

7~10

시로선택하여데이터를 획득하여

유출계수를산출하였다

.

²⁾또한

A, B

역사의인원및구

조등의입력데이터를

Simulex

와

Pathfinder

에적용하

여피난시피난인원이병목구간을통과하는유출계수 를 산출하였으며 계단 및 개찰구에서의 실측 방법은 아래와같다

.

4.1

계단에서의실측방법²⁾

1)

전동차도착 후계단을 오르는 승객들의병목이

시작되는 순간부터병목이 종료되는순간까지의 시간 과유출되어지는전체인원을 계수하여측정하였다

.

2)

위의

1)

을이용하여유출계수식을 산출하였다

. 4.2

개찰구에서의실측방법²⁾

1)

^{계단에서올라온승객이개찰구를통과한시간부}

터마지막 승객이통과한 시간과개찰구를통하여 유 출되어지는전체인원을계수하여측정하였다

.

2)

개찰구에서의변수인개찰구개수와

1)

의측정결 과로각개찰구당인원별 유출계수를산출하였다

.

피난소요시간의 예측에 사용된

A

역사와

B

역사의 구조는

Figure 1

^과같이

‘

^섬식

’

^{승강장구조}

(A

^역사

)

^와

‘

상대식

’

승강장구조

(B

역사

)

로이루어져있다

. 5. 실제측정 및 피난모델의 비교·분석 5.1

계단분석결과

지하철역사에서의피난은일반적인피난과달리아 래에서 위로향해지는 병목구간이므로계단은 피난에 있어서 큰영향을 미친다

.

본연구에서는 계단에서의 실측 유출계수를 산출하였으며 이를

Simulex

와

Pathfinder

^{의시뮬레이션결과와 비교하였다}

.

Figure 2

는 섬식 승강장 계단에서의 유출특성을

Simulex

^와

Pathfinder

^로

Simulation

^{하는그림이다}

.

Figure 3

의

a), b)

는각각상대식인

A

역사와 섬식인

B

역사계단에서의실측과

Simulex, Pathfinder Simulation

의 결과로 산출된 유출계수의 비교를 나타낸다

.

계단

에서의 비교 결과 상대식 역사의 경우

Simulex

와

Pathfinder

모두 차이를 보여주고 있으며 적은 인원수

에서는 약

2

배

,

대규모 인원에서는 약

1.25

배정도의 피난시간이 길어진다

.

^{섬식역사의 경우적은 인원에}

서는차이가존재하지만대규모인원에서는실측유출 계수와근소한 차이를보인다

.

섬식역사가상대식역사보다유출계수가약간작은 것을알수있으며이는 두역사의 승강장구조에 따 라상대식

4

개

,

섬식

2

개로계단의 개수가 다르며 계

단의폭또한상대식

2.8m,

섬식

2.9m

로다르다

.

따라

서상대식역사의 경우각계단유출인원이 최대

250

명

,

^{섬식 역사의 경우최대}

850

^{명으로서 상대식 승강}

장의계단에서는인원이분산되며섬식승강장의계단 에서는인원이집중되어높은밀도의이동이이루어지 기때문으로사료된다

.

Figure 4

는섬식승강장에서의총

6

개모드에서의유

출계수를 비교한그래프이다

.

○실제측정유출계수 Figure 1.

Two kinds of platform type.

Figure 2.

Simulation models on the stairs of island platform

in subway station.

^{Figure 3.}

Comparison of outflow coefficients at the stairs

in subway station.

○

Simulex

의

Occupant Type-SFPE

모드

○

Simulex

^의

Occupant Type-Commuter

^모드

○

Pathfinder - Steering

모드

○

Pathfinder - SFPE (0.5per/m

²

)

모드

○

Pathfinder - SFPE (2.9per/m

²

)

모드

그림에서알수있듯이각각의 모드마다 실측과차 이가 보였다

.

^{유출계수는 실측치와 비교 시입력조건}

에따라약

0.5~2

배정도의크기를갖는다

. Simulex

및

Pathfinder

^의경우

SFPE

^{모드에서실측치에근접한경}

향의그래프를 얻을수있었다

.

실측데이터가참값이 라는 보장은없지만 실제측정데이터를기반으로하 지않는시뮬레이션 수행은측정 데이터와많은차이 를 보일수있다고 사료된다

.

또한사용자가 어떤모 드를 선택하느냐에따라서 그결과는전혀 다른평가 에도달할수있음을 알수있다

.

5.2

개찰구분석결과

지하철 역사에서 또 다른 병목이 일어나는 구간은 개찰구이다

.

이는승객들이계단을오른후여러개의 좁은 출구가 존재하는 개찰구 앞에서 장애물을 밀고 나가기 위해병목이 생성된다

.

본 연구에서는 개찰구 유출계수를산출하였으며이를

Simulex

와

Pathfinder

의 결과와 비교하였다

.

Simulex

와

Pathfinder

에서는삼발이를표현하지못하

기때문에 보다정확한 비교를위해 개찰구에서의유 출계수 산출은 각 유출인원이 개찰구에 검표를 받고

삼발이를 밀고나오는 시간

(

약

0.4

초

)

을제외한 시간으 로유출계수를산출하여비교하였다

.

Figure 5

는

B

역사의

Pathfinder

와

Simulex

의

Simulation

모델을 나타낸 그림이다

.

아래

Figure 6

은각 지하철

역사의

4

개의개찰구도면이다

.

Figure 7

^은

A

^{역사 각 위치 개찰구에서의 실측과}

Simulex, Pathfinder

의시뮬레이션결과로 산출된 유출

계수의비교를 나타낸다

. A

^{역사에서는최대 약}

600

^명

이개찰구를통하여유출되었으며이는병목현상이해 Figure 4.

Comparison of outflow coefficients of the stair

in island platform.

Figure 5.

Simulation models at turnstiles in B subway station.

Figure 6.

Each location of turnstiles.

소되지않은상황에서전동차가도착하여병목이계속 유지되었기때문이다

.

A

역사의

1

번 위치와

2

번 위치 모두

Simulex

와

Pathfinder

^{의결과가실측과차이를보였으며인원에따}

른 유출계수의변화 특징도 크게다름을 알수 있다

.

이는

Figure 8

^{에서와 같이 시뮬레이션상에서는 현실}

과는 다르게 한쪽 방향의 출구로만 인원이 편중되는

현상을 보이고이로인해 발생한시간적 차이가 유출 계수를낮아지게하기때문이다

.

개찰구에서는

SFPE

모 드를적용하면현실과다른오랜피난시간이소요된다

.

Figure 6

의

B-1

과같이다른세경우보다면적과동

선의여유가충분한경우시뮬레이션과실측치의경향 이유사하게나타났다

.

Figure 9

는

B

역사 각 위치 개찰구에서의 실측과

Simulex, Pathfinder

의결과로 산출된유출계수를 비교

하였다

. B

^{역사에서는최대약}

1600

^{명이개찰구를통하}

여유출되었으며이는병목현상이해소되지않은상황 에서전동차가연속으로도착하여병목이계속유지되 었기때문이다

. 1

번위치에서는두모델의시뮬레이션 결과모두실측데이터와유사한경향을보이고있으나

2

번위치의 경우 두 피난모델 모두 실측 유출계수와 많은 차이를 보이고 있다

. 1

번위치의 구조는 면적과 동선의 여유가 충분하며

, 2

번위치의 구조는 각 병목 Figure 7.

Comparison outflow of coefficients at turnstiles

in A subway station.

Figure 8.

Simulations at turnstiles in A subway station.

Figure 9.

Comparison of outflow coefficients of at turnstiles

in B subway station.

구간사이의면적이좁아두개의구간이연속병목을 이루게된다

.

^또한

A

^{역사와마찬가지로시뮬레이션수}

행시피난인원이편중되어지는현상이 관측되었다

. 6. 결론 및 고찰

본연구의결론은 다음과같다

.

1.

^{지하철역사계단에서의유출계수분석결과상대}

식

(A

역사

)

의경우

Simulex

와

Pathfinder

모두실측치와 차이를보여주고있으며적은인원수에서는약

2

^배

,

^대

규모인원에서는 약

1.25

배 정도의 피난시간이 길어지 는 것으로 나타났다

.

섬식

(B

역사

)

의 경우 적은인원에 서는 차이가 존재하지만대규모 인원에서는실측치와 근소한 차이를보였다

.

2.

상대식승강장인

A

역사의경우각계단유출인원

이최대

250

명

,

섬식승강장인

B

역사의경우최대

850

명이유출되었다

.

이는각승강장의구조에따른인원 의분산및집중을 나타내며

,

상대식승강장인

A

역사 의유출계수가섬식승강장인

B

역사계단에서의유출 계수보다 높은 것으로 나타났다

.

이는집중으로 인한 밀도의 증가에기인한다고사료된다

.

3.

지하철 역사 개찰구에서의 분석결과

A

역사와

B

역사 모두 각 병목구간 사이의 면적이나 이동거리가 짧은구조인경우실측과차이가나타났다

.

이는시뮬 레이션 수행시피난인원이양측면 개찰구로집중되 는 현상을 보이며

,

인원이 증가함에따라서 병목구간 유출시간이길어지기때문이다

.

반면각병목구간사 이의면적이나이동거리가충분한구조

(B-1

위치

)

에서 는실측과유사한 경향을보이는 것으로나타났다

.

4.

지하철의경우계단에서는

SFPE

모드가개찰구일

경우는

Steering

모드가 실측치의 범위에 들어왔음을

확인 하였다

.

따라서

Simulation

의 경우

SFPE

모드와

Steering

^{모드를 구간에따라적용해야 하지만현재}

S/

W

의특성상이러한모드의전환이가능한상용프로그 램이존재하지않아특정구조물에서의전체피난시간 소요시간산출에있어서 한계점을드러내고있다

.

5.

본논문의 결과는 프로그램에 실제 상황과 동일 한최적의입력조건을가지고시뮬레이션한결과이며

,

그렇지 못한경우해석 결과가신뢰수준에 못미치게 된다

.

따라서 실측이나 신뢰성 있는 데이터와의 비교 를통해신뢰성을검증하여야한다

.

6.

지하철 역사의경우계단과개찰구에서유출계수 를 비교한 결과

,

^{상용프로그램의 정확한 이해 없이}

Simulation

을 수행할 경우 실제 피난 시 상황에 맞는

피난시간을 얻기 어렵다

.

따라서 이를 실측 데이터와 비교검증하는작업절차를 걸쳐야만올바른 피난시간 평가가 이루어질수 있다고 사료된다

.

더욱이

PBD

의 적용을 염두에둘경우엄격한 검증이 필요하다고사 료되어진다

.

참고문헌

1. “SFPE Handbook of Fire Protection Engineering”, 3rd Edition Chap. 3-12, 13.

2.

김명훈

,

김응식

,

조주호

, “

지하철역사에서의계단및 개찰구 군중흐름에 관한 연구

”,

한국안전학회지

, Vol.24, No.3, p.88(2009).

3. Pathfinder Technical Reference.

4.

김응식

,

이정수

, “

초등학교공간구성형식에따른피 난행태 특성 분석

”,

대한건축학회 논문집

, Vol.16, No.7, pp.3-12(2000. 7).

5.

^김응식

,

^이정수

,

^김수영

, “

^{초등학교현장실험을통한}

피난특성분석

”,

한국화재·소방학회춘계학술논문 발표회논문집

, p.185(2003).

6.

이수경

,

정용기

,

고한목

, “

최신건축방화

”,

도서출판 의제

, p.200(1998).

7.

김응식

,

백상현

, “

대피시뮬레이션프로그램에대한고

찰

”, 99

한국산업안전학회춘계학술논문발표회논문

집

, pp.33-38(1999. 6).

8.

호서대학교·보건복지부

,

^{대피시뮬레이션시스템개}

발을위한조사연구

, -

유치원및어린이집을대상으 로

-(2001).

9.

호서대학교·보건복지부

,

대피시뮬레이션시스템개 발을위한조사연구

, -

^{노인복지시설을대상으로}

-(2003).

10.

김응식

,

이정수

,

김수영

,

이필호

,

유희권

, “

한국노인 의보행속도연구

”,

한국화재소방학회추계학술논

문발표회논문집

, p.407(2003).

11.

^조주호

, “

^{지하철지하공간화재시피난시뮬레이션기}

법을통한심층역사의피난에관한연구

”,

고려대학 교석사학위논문

(2006).

12.

충남대학교·보건복지부

,

대피시뮬레이션시스템개 발을위한조사연구

, -

^{종합병원을대상으로}

-(2005).

13. “Simulex User Manual”, Intergrated Environmental

Solutions Ltd, p.39(2001).