ISSN: 1738-7167
DOI: http://dx.doi.org/10.7731/KIFSE.2015.29.3.013
업무용 고층건물 계단실의 보행속도에 관한 연구
정석환
†
· 윤명오서울시립대학교 재난과학과
Vertical Evacuation Speed in Stairwell of a High-rise Office Building
Suck-Hwan Joung
†
· Myong-Oh YoonDept. of Disaster Science, University of Seoul
(Received April 6, 2015; Revised May 21, 2015; Accepted June 12, 2015)
요 약
초고층 건축물의 수직성 증가는 더 긴 최소피난시간(Required Safety Egress Time, RSET)을 요구하게 된다. 초고층 건물에선 계단을 통한 수직이동이 피난경로 상의 대부분을 차지한다. 본 연구에서는 고층 건물에서 반복된 3번의 대피 훈련을 시행하고, 영상분석을 통해 피난경로 선택의 변화와 계단실 내 수직 보행속도–밀도의 함수관계를 분석했다. 또한 Pathfinder 피난시뮬레이션을 이용하여 단계적 피난의 방법에 따른 총 피난시간의 변화와 실제 훈련의 결과를 비교 분석 하였다. 그 결과 반복적 피난훈련과 교육을 통해 특정 계단 이용률이 6.3%에서 39.5% 개선되었고, 각 피난경로별 피난 시간도 단축됨을 확인하였다. 또한 계단실 내 수직 보행속도–밀도의 관계식이 기존의 연구결과와 매우 유사한 s = 1.004 − 0.288D로 확인되었다. 단계적 피난의 방법에 따라 전층 동시피난에 비해 총 피난시간이 25% 이상 변화할 수 있음을 확인할 수 있었다.
ABSTRACT
As building height is increased, more careful decisions about the required safe egress time is needed for evacuation.
This study analyzed the influence of three training sessions on the vertical speed of evacuation in the high rise building.
Evacuation experiments were done in a high-rise office building in Seoul, and we analyzed the vertical evacuation speed as a function of density using a camera. Controlled and uncontrolled total evacuation were compared using the Pathfinder simulation. The process of repeated training, changed the specific stair utilization rate from 6.3% to 39.5%. The vertical evacuation speed as a function of density was analyzed using the equation s = 1.004 − 0.288D, which is very similar to the equation used in a different study. The total evacuation time of the special controlled total evacuation was reduced by about 25% compared to the simultaneous evacuation.
Keywords : Evacuation drill, Egress time, High-rise building, Vertical speed, Pathfinder
1. 서 론
최근 도시화가 진행됨에 따라 초고층 건축물이 많이 건 설되고 있다. 이러한 초고층 건축물의 수직성은 화재나 재 난에 따른 피난의 효율성을 저하시켜 피난안정성에 대한 검증이 필요하다. 이에 국내에서는 2009년 이후 성능위주 소방설계를 도입하여 화재 시 건축물의 피난안정성에 대 한 검증 및 대책을 설계에 반영할 것을 요구하고 있다. 대 부분의 피난안전성 평가는 화재 시뮬레이션에서 확인된 유효안전시간(Available Safe Egress Time, ASET)과 피난 시뮬레이션 결과인 최소피난시간(Required Safety Egress Time, RSET)을 비교하여 검증하고 있다. 그러나 이러한
피난안정성 평가는 가상 화재층 피난에만 국한될 뿐 전층 피난의 상황에 대해서는 검증하지 않고 있는 실정이다.
국내의 경우 소방시설 설치유지 및 안전관리에 관한 법 률 제22조에 의해서 30층 이상 또는 120 m 이상의 고층건 축물 또는 연면적 200,000 m2이상의 건축물에 대해서는 피난훈련 실시를 요구하고 있으나 그 세부 실행방법 등에 대해서는 규정하고 있지 않다. 또한 재실자의 피난경로 선 택특성을 반영하기 보단 1개 층의 피난 시뮬레이션의 결 과에만 한정된 피난계획을 수립(1)할 뿐 아니라 소방훈련 또한 피난 훈련보다는 화재진압에 초점이 맞춰져 진행되 고 있다.
한편 피난시뮬레이션 검증을 위한 대규모 피난실험도
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Corresponding Author, E-Mail: [email protected]
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TEL: +82-2-2210-2804, FAX: +82-2-3398-0165
극히 제한적으로 시행되고 있다(2). 국내 피난실험의 경우 공동주택 25%와 지하철 역사를 포함한 지하공간 16%로 집중되어 있으며, 업무시설에 대한 경우는 7% 정도에 그 치고 있다(3).
화재의 확산 및 대규모 재난 등의 발생으로 전층 피난이 요구되는 상황에서 인명안전의 확보와 재난 피해 경감을 위 해선 사전에 효율적 피난계획의 수립이 반드시 필요하다.
이에 본 연구에서는 동일 건물에서 3회 반복적으로 실 시된 전층 피난훈련에 대한 분석을 통해 훈련 차수에 따른 피난경로 선택의 변화와 그 영향 및 일반적 계단구조를 갖 지 않은 연구대상 건물의 계단실 내 수직 보행속도에 대해 기존 연구와 비교 검토를 통해 그 적정성을 검증하려 한다.
또한 전층 피난에 있어서 동시피난과 단계적 피난에 따른 총 피난시간의 변화를 실제 대피훈련 결과와 피난 시뮬레 이션 결과의 비교분석을 통해 단계적 피난의 필요성을 검 증하려 한다.
2. 연구대상 및 방법
2.1 건물의 형태 및 분석의 대상
연구 대상 건물의 형태는 지상 34층(156.15 m) 지하 7 층(35 m)으로 연면적은 122,630 m2이며, 층별 주요 용도 는 지하3~지하 7층은 주차장, 지하 2층~지상 8층은 판매 용, 9층~32층은 업무용으로 사용되고 있다. 기준층의 평면 도는 Figure 1과 같으며, 피난계단은 건물의 양쪽 측면에 각 1개소씩 2개로 구성되어 있다. 계단과 계단참의 구성은 일반적인 사각형 구성과 다르게 삼각형 형태와 정사각형 형태가 10층을 기준으로 양분되어 있으며, 각 층별 계단참 의 숫자는 9층이 7개이며, 업무용도로 쓰이는 층은 3개, 판매용으로 쓰이는 층은 6개로 구성되어 있다.
본 연구의 분석 대상은 업무용도로 사용되고 있는 지상 11층에서 지상 32층의 구간으로 Figure 1의 1번과 2번 계 단을 이용하여 피난하는 재실자를 대상으로 한다. 지상 9 층의 경우 관람집회 용도로 사용하는 관계로 3차례에 걸 친 대피훈련 시에는 재실 인원이 없는 상태였으며 10층의 경우 판매시설과 통하는 계단을 이용할 수 있기 때문에 본
연구를 위한 분석 대상에서는 제외하였다.
2.2 연구범위 및 방법 2.2.1 피난훈련 방법
현장 피난 대피훈련은 총 3회에 걸쳐서 시행하였으며, 각 훈련의 화재 발생층과 전층 피난을 위한 대피순서에 변 화를 주었다. 모든 피난자는 각 층의 복도 중앙에 설치한 방독면을 소지하고 피난하도록 하였다. 1차와 2차 훈련의 대피순서는 화재층과 직상층을 비상방송을 통해 대피시킨 후 45초 후에 최상부 5개 층을 피난시키고 45초 간격으로 다음 하부 5개 층을 피난시키는 방법으로 재실자 모두를 대피시켰다. 3차 훈련의 경우 화재층과 직상층을 동시에 피난시킨 후 그 상부 5개 층(19~23층) 그리고 다음 5개 층 (23~27층)으로 최상층까지 피난시킨 후 화재층 직하 층인 16층부터 5개 층 단위로 45초 간격으로 비상방송을 통한 피난유도방송을 실시하여 11층까지의 업무동 재실자 전원 을 지상 1층까지 대피시켰다.
대피훈련 실시에 대한 사전 통보는 1, 2차의 경우 각각 2일 전과 1일 전에 대피훈련 실시 중 발생될 수 있는 안전 사고에 관한 유의사항 전달을 통하여 재실자에게 암시하 여 주었다. 3차 훈련 전 각 층 4명씩 총 88명의 피난유도 요원을 선정하여 69명에 대하여 피난관련 기본 교육을 실 시하였다. 3차 훈련은 사전 예고 없이 불시에 실시하였다.
Table 1은 훈련 일시, 사전 훈련 통보 여부 및 가상화재 위 치를 나타낸다.
2.2.2 보행거리
계단을 통한 피난 보행거리는 계단에서의 수직이동 보 행거리와 계단참에서의 수평이동 보행거리의 합산으로 구 해진다. 수직이동 보행거리는 Society of Fire Protection Engineers (SFPE) 핸드북의 계단구조에 따른 보정계수(4) 를 이용하여 산정할 수 없는 계단구조이기 때문에 챌판과 디딤판의 빗면 거리를 이용하여 산정하였다(5-8). 계단의 챌 판(Riser)은 165~175 mm로 층고에 따라 다양하게 설치되 어 있으며, 디딤판(Tread)은 270 mm로 업무용도로 쓰이는 기준층의 계단 경사도는 31.37o이다. Figure 2(c)에서 L이 계단 하나에 대한 보행거리이다.
계단참 내의 수평이동 보행거리는 Figure 2(a)~(b)와 같 이 계단실 내의 중심선을 이동하는 거리로 산정하였다. 이 렇게 구한 각 층의 수평 및 수직 보행거리를 모두 합하면 피난경로의 총 보행거리가 된다. 이와 같은 방법으로 계산
Table 1. The Date of Fire Drill and The Notification No The date and time Notification Virtual Fire Floor 1st 2014.11.05 13:27 2 times 27F 2nd 2014.12.11 13:57 2 times 20F 3rd 2015.01.23 10:30 No 17F Figure 1. Typical floor plan of the high-rise office building.
된 계단실 내부의 보행거리는 32층에서 피난층인 1층까지 633 m이다. 주요 비교 검토 구간인 1번 계단의 21층에서 11층까지의 보행거리는 150 m이다. 2번 계단의 22층에서 12층까지의 보행거리는 137 m이다.
2.2.3 계단실 내 수직 보행속도와 피난자 밀도
수직 보행속도를 측정하기 위한 영상분석 장치는 1, 2차 훈련은 4개, 3차는 6개를 설치하였다. 설치 위치는 1번 계 단의 11층과 21층 그리고 2번계단의 12층과 22층이며 3차 는 1, 2번 계단 출구에 각 1대를 추가하였다. 보행거리는 각각의 영상분석 장치가 계단실 내의 일정한 구간만을 관 찰할 수 있기 때문에 분석 가능한 부분에 대해서만 2.2.2 절의 산정방법에 따라 산정한다. 분석 가능부분의 계단실 면적을 수평투영면적으로 산정한다. 보행자가 보행거리의 시작부분을 통해할 때 수평투영면적 내의 보행자수를 측 정하여 보행자수/수평투영면적으로 밀도를 계산한다. 보행 거리의 시작부분에서 마지막 부분을 통과할 때까지의 시 간을 측정하여 보행거리/소요시간으로 보행속도를 측정한 다. 이와 같은 방법으로 4개의 영상자료에 대한 분석을 통 해 보행속도와 밀도의 관계를 분석한다. Figure 3은 훈련 중 기록된 영상화면이다.
2.2.4 연구 방법
본 연구에서는 대피 훈련 중 관측 된 계단 이용률의 변 화와 피난 속도의 변화를 분석하려 한다. 실제 훈련 중 수 직이동 경로인 계단실 내의 수직 보행속도를 영상 분석을 통해 관측하고 그 결과를 Pathfinder를 이용한 피난시뮬레 이션의 결과 및 SFPE에서 제시하는 수력학적 계산 방법 과 비교 분석하여 계단실 내의 군집이동에 의한 수직 보행
속도의 적정성 여부를 확인하려 한다. 또한 피난시뮬레이 션과 실제 피난 훈련 결과를 비교분석하여 단계적 피난의 필요성을 검증하려 한다.
3. 결과 분석 및 고찰
3.1 계단이용률과 경로별 총 피난속도의 변화
대피 인원은 1차 755명, 2차 671명 그리고 3차 883명으 로 차이가 발생했다. 대피훈련의 실시를 사전 암시하는 통 보를 한 1차의 경우 755명이 훈련에 참여를 하였으나 2차 의 경우 671명으로 참여 인원이 감소하였다. 이에 비해 불 시에 실시한 3차 훈련의 경우 883명이 참여하여 1차 및 2 차에 비하여 참여인원이 17.0% 및 31.6% 증가하였다.
계단이용률의 변화를 분석한 결과 1차와 2차 훈련 시 22층 이상의 상층부 재실자들의 1번 계단 이용률은 1차 훈련 93.7%(297명), 2차 훈련 91.8%(269명)으로 나타타 일상적으로 사용하고 있는 계단이나 평소에 잘 알던 익숙 한 경로를 사용해 피난하려는 경향인 일상동선 지향성 특 성(9)이 강하게 관찰 되었다. 3차 훈련의 상층부 재실자의 계단 이용률은 1번과 2번 계단이 각각 60.5%와 39.5%로 1, 2차 훈련에 비해 크게 개선되었다. Table 2는 차수별 훈 련 참여인원과 계단 이용률의 변화를 나타낸다. 이와 같은 결과는 3차 훈련 2주 전 실시한 각 층 4명씩 총 88명의 피 난유도요원의 선정과 그 중 69명에 대한 피난 관련 기본 교육 실시의 결과로 보여 진다. 또한 계단 이용률의 변화 에 따라 Table 3과 같이 각 피난경로 별 피난시간의 단축 에도 영향을 미친 것으로 판단된다.
2차 훈련의 참여도 저하와 “화재대피훈련 실태조사 및 문제점 분석”(1)의 내용과 같은 훈련 시행 전 사전 대피를 Figure 2. Travel path for stairwell evacuation.
Figure 3. Snapshot of the evacuation drill.
방지하고 훈련의 효율성을 제고하기 위해서는 3차 훈련과 같이 사전 예고 없이 실시하는 것이 보다 효율적임을 확인 할 수 있었다. 또한 계단실 내의 밀도가 총 피난시간에 영 향을 미치기 때문에 이를 방지하기 위한 방재계획의 수립 과 재실자들에 대한 교육이 필요함을 확인할 수 있었다.
3.2 계단실 내 수직 보행속도와 밀도
모든 훈련 참여자의 보행속도를 측정할 수 없었기 때문 에 영상분석이 가능한 일부 인원에 대하여 샘플링을 실시 하였다. Table 4는 3차례 훈련에서 측정된 수직 보행속도 의 샘플링 수, 평균치와 표준편차를 보여주며 SFPE의 계 산방법에 따른 보행속도인 0.58 m/s보다는 측정된 수직보 행 속도의 평균치가 빨랐다. Figure 4는 샘플링 데이터에 대한 계단실내의 수직 보행속도와 밀도의 상관관계를 보 여준다. 계단 내 밀도가 0.54명/m2 이상인 데이터에 대한 수직 보행속도–밀도 회귀분석 결과는 S = 1.004 − 0.288D (m/s)이다.
대피 훈련 중 측정된 계단실 내의 평균 수직 보행속도는
0.67~0.69 m/s이고 표준편차는 0.16~0.19 m/s로 나타났다.
이는 SFPE의 수력학적 모델에 의한 피난속도 0.58 m/s보 다는 15~19% 빠른 수준이다. 다른 한편으로 J. Fruin의 계 단에서의 수직 보행속도(10,11) 중 30~50세의 범위 인 0.86 m/s보다는 느린 것이다. 다른 선행 연구와의 수직 보행속 도 비교는 Figure 5(12)에 정리되어 있다. 또한 Figure 6은 3차 훈련에 대해서 시간에 따른 보행속도와 밀도의 변화를 나타낸다. 본 연구 대상의 계단구조는 일반적인 구조와 다 른 삼각형 구조임에도 Pauls의 수직 보행속도-밀도의 관계
식(13,14)인 s = 1.08 − .29D와 측정값의 회귀분석식인 s =
1.004− 0.288D가 매우 일치함을 확인 할 수 있었다.
측정된 피난속도의 회귀식 s = 1.004 − 0.288D을 SFPE Table 3. Total Evacuation Time for Specific Egress Route
Drill 1st 2nd 3rd
Stairwell No. 1 2 1 2 1 2
Evacuation time to 12F (s) - 1,485 - 1,095 - 1,043 Evacuation time to 11F (s) 1,382 - 1,155 - 1,129 -
Evacuation time to 1F (s) - - - - 1,461 1,340
Table 2. The Number of Evacuation Persons and Stairwells Utilization Efficiency
Drill First Second Third
Stairwell No. Stairwell 1 Stairwell 2 Stairwell 1 Stairwell 2 Stairwell 1 Stairwell 2 Number of
pedestrians (persons)
22 floor
person 297 20 269 24 340 222
% 93.7% 6.3% 91.8% 8.2% 60.5% 39.5%
11 floor
person 492 263 422 249 478 405
% 65.2% 34.8% 62.9% 37.1% 54.1% 45.9%
Number of inflow persons in
the middle floor (persons) 195 243 153 225 138 183
Total pedestrians (persons) 755 671 883
Table 4. Vertical Walking Speed in Stairwell
Density (persons/m2) > 0.54 ≤ 0.54 Drill 1st 2nd 3rd 1st~3rd Sampling No. 31 33 49 36
Walking Speed
(m/s)
Average 0.69 0.68 0.67 0.93 Max 0.98 1.14 1.04 1.07 Min 0.45 0.41 0.39 0.70 Std 0.16 0.19 0.16 0.14 SFPE Method 0.58
Figure 4. Walking speed on stairs as a function of crowd density.
의 관련식인 로 변경하면 k = 1.083에 해당된다. 이 값을 계단 상수값에 해당하는 것으로 SFPE에선 제시한 계단구
조 이외에 대한 상수값의 적용에 대해 충분한 데이터가 존 재하지 않고 있음을 밝히고 있다(13). SFPE의 계산 상수값 은 Table 5로 측정 대상의 Riser = 167 mm와 Tread = 270 mm의 경우 k = 1.08~1.16의 범위 내로 선정할 수 있으며, 분석된 k값이 해당 범위 내에 있음을 확인할 수 있다. 특 별한 계단 구조를 가진 경우 k값을 보수적으로 적용해야 할 필요가 있으며, 본 연구의 결과를 기초 데이터의 하나 로 활용할 수 있을 것이다.
3.3 SFPE의 수력학적 모델에 의한 수직 보행 속도 SFPE에 제시된 피난시간의 계산 방법(13)은 피난 경로상 Figure 5. Comparison of current study stairwell descent
speed with literature values.
Figure 6. Plot of the vertical walking speed and density against time on the stairwells.
Table 5. Constants for Equation 1, Evacuation Time Exit route element k Corridor, Aisle, Ramp, Doorway 1.40
Stairs
Riser Tread
19.05 cm 25.40 cm 1.00 17.78 cm 27.94 cm 1.08 16.51 cm 30.48 cm 1.16 16.51 cm 33.02 cm 1.40
의 보행자 밀도가 0.54명/m2이하에서는 일정하며, 0.54~
3.6명/m2범위 내에서의 피난 속도의 결정은 아래 식(1)~
(3)을 활용하여 계산된다.
식(1)은 보행속도와 밀도의 관계식
s = k− 0.266kD (1)
식(2)는 비유동인구 관계식
Fs= (1− 0.266D)kD (2)
식(3)은 유동인구 관계식으로
Fc= FSWe (3)
여기서, s는 보행경로 상의 속도(m/s), k는 계단의 챌판과 디딤판 및 복도 등의 경로와 관련 된 상수, D는 밀도(명/
m2)이며 We는 유효 폭(m)이다.
상수 k는 Table 5과 같다.
계산 조건은 아래와 같다.
• 재실인원: 3차 훈련의 재실인원인 883명
• 계단의 k값: 계단의 Riser = .78 cm Tread = 27.94 cm 로 가장 유사한 k = 1.08 적용
SFPE 피난계산에 따른 결과는 Table 6과 같으며 계단실 내의 수직 보행속도는 0.58 m/s로 계산되었다. 이 값은 Table 4에 나타낸 훈련 중의 수직 보행속도의 평균값인
Table 6. Calculated Value by SFPE Method
Result Corridor Doorway Stairwell Evacuation speed (m/s) 1.23 0.98
≤
0.58 Specific Flow (person/s/m) 0.55 1.30≤1.01
Calculated flow (person/s) 1.22 1.13 ≤0.96 Density (person/m2) 0.45 -≤1.75
Table 7. Evacuation Time for a Case-specific Simulation and 3rd Drill Case Occupants
(persons)
The way of
analysis The way of evacuation Evacuation time (s)
1 755 Simulation Evacuation at the same time
0,930
2 755 Simulation Evacuation at the same time with goto waypoint*
0,938
3 883 Simulation Evacuation at the same time 1,387
4 883 Simulation Evacuation from the top five floors of the building 1,028 5 883 Simulation Evacuation from the top five floors of the fire floor 1,078 3rd Drill 883 Measurement Evacuation from the top five floors of the building with the gas mask 1,461
* A Goto Waypoint action specifies that an occupant should go toward a specific point.
Figure 7. Change of evacuated occupants with time.
0.67~0.69 m/s보다 느린 것이다.
3.4 피난시뮬레이션의 결과
피난시뮬레이션은 pathfinder 2014 버전을 사용하였다.
재실인원은 훈련 전 상주인원 분포 비율로 피난 대피훈련 에 참여한 인원을 분산배치 하였다. 보행속도는 1.0~1.2 m/s로 설정하였으며, 피난행동특성은 pathfinder에서 제공 하는 steering mode를 적용하였다. 훈련 중 피난자는 각 층 복도에 설치된 방독면을 소지하고 피난하였기 때문에 pathfinder에서 제공하는 Goto Waypoint 기능을 적용하였 다. 단계적 피난의 경우는 5개 층 단위로 45초간의 간격을 두고 피난을 개시하도록 하여 대피 훈련과 동일한 조건이 되도록 하였다. Table 7은 각각의 피난시뮬레이션 조건을 나타내고 있다.
Figure 7(a)는 방독면 소지에 따른 총 피난시간의 증감을
관찰하기 위한 것으로 시뮬레이션 Case 1과 2에 해당하며, 총 피난시간은 930초에서 938로 단지 8초 증가하였다. 이는 본 연구대상과 같은 낮은 수용인원 밀도(6682 m2/1443명
= 4.63 m2/명)에서는 거실 및 복도에서의 정체가 발생되지 않거나 짧기 때문에 계단실 내의 보행속도가 총 피난시간 을 결정하기 때문인 것으로 추정된다.
Figure 7(b)는 피난시간에 따른 누적 피난인원을 시뮬레 이션의 결과(Case 3~5)와 측정 된 3차 훈련(measured value)의 결과로 3차 훈련이 1,461초로 가장 늦었다. 본 연 구에서는 각층의 복도 이외에는 수평피난이 없는 조건이 고, SFPE 계산 결과 계단 출입구에서의 정체가 0.09명/s로 낮은 수준이기 때문에 수직 보행속도는 Figure 7(b)의 기 울기에 비례한다 할 수 있다. 때문에 3차 훈련이 가장 늦 은 총 피난시간을 보인 것은 수직 보행속도가 느린 것이 아니라 피난지연시간 때문으로 추정된다. 이와 같은 결과 로 볼 때 피난훈련에서 중요한 것은 계단실 내의 수직 보 행속도의 향상보다는 피난지연시간의 단축에 초점을 맞추 어야 할 것으로 판단된다.
3.5 단계적 피난의 필요성
Figure 7(b)의 결과를 보면 다른 단계적 피난이 적용된 훈련과 피난시뮬레이션의 조건보다도 Case 3의 전층 동시 피난이 가장 완만한 누적피난인원 증가속도를 보인다. 단 계적 피난 방법에 따른 총 피난시간의 변화를 분석한 결과 화재층과 직상층 다음에 최상층부터 아래로 피난한 Case 4가 화재층과 직상층의 상부로 5개 층씩 피난시킨 Case 5 에 비하여 총 피난시간이 50초 단축되었다. 또한 Case 3의 동시피난보다는 359초 단축되었다. 이것은 Figure 4와 같 이 피난의 방법에 따른 계단실 내의 밀도 변화에 의한 수 직 보행속도의 변화에 기인한 것이다. 그러므로 총 피난시 간의 단축을 위해서는 화재의 확산 양상뿐 아니라 훈련과 피난시뮬레이션을 통해 계단실 내의 피난자 밀도를 적정 수준으로 유지할 수 있는 피난 방안 모색을 통해 피해경감 대책을 수립하는 것이 필요하다 할 수 있다.
훈련의 차수, 가상화재의 위치 및 통보방식의 변화 등에 따라 계단실 내의 밀도는 변화되며 이에 따라 보행속도가 변화되는 것은 본 연구 뿐 아니라 기존의 선행연구에서도 쉽게 확인할 수 있다. 그럼에도 불구하고 국내 초고층 건 축물의 자동화재탐지설비 경보시스템은 화재층을 포함한 5개 층 경보를 원칙으로 하고 있을 뿐 전체 피난에 대한 규정은 없다. BS 9999:2008 등 영국의 관련 기준에 따르 면 단계적 피난을 위한 조건으로 영국의 경우 방호된 계단 실 또는 차압시스템 및 모든 층의 구획, 30 m 이상인 경우 스프링클러와 적절한 화재 경보 시스템의 설치 등을 요구 하고 있다(15). 미국의 NFPA 101 9.6.3.6에 따르면 단계적 통보의 경우 화재의 영향을 받는 지역의 점유자들에게 우 선적으로 통보가 되도록 한다. 즉 발화층, 발화층의 직상 층 및 직하층에 우선 통보 한 후, 화재성장에 따른 선택적
통보 순서에 따라 피난을 행하도록 규정하고 있다(16). 이러 한 조건은 국내의 초고층 건축물에는 모두 적용 가능한 조 건이다. 정기적 대피 훈련과 피난 시뮬레이션 분석 등을 통해 총 피난시간을 단축하는 단계적 피난 절차를 수립한 다면 효율적인 재난피해경감 방안으로 적용 가능할 것으 로 판단된다.
5. 결 론
본 연구를 통해 실제 피난 훈련과정에서의 계단실 내 수 직 보행속도와 Pathfinder를 이용한 피난시뮬레이션 그리 고 SFPE의 수력학적 피난속도 계산을 비교 검토한 결과 다음과 같은 결론을 얻을 수 있었다.
1) 반복적 피난 대피훈련과 피난유도요원의 활용으로 계 단 이용률이 1번 계단 : 2번 계단 = 65.2% : 34.8%에서 54.1% : 45.9%로 크게 향상됨을 확인 할 수 있었다. 교육 훈련을 통한 일상동선 지향형 특성 의 피난본능에 따른 피 난경로의 선택을 방지하여 총 피난시간이 단축됨을 확인 하였다.
2) 계단실 내의 평균 수직 보행속도는 0.67~069 m/s이었 으며, 표준편차는 0.16~0.19 m/s로 SFPE에 의한 수력학적 계산 결과인 0.58 m/s보다 빠름을 확인 할 수 있었다.
3) 삼각형 형태의 계단참 구조와 Riser = 167 mm와 Tread
= 270 mm의 구조의 계단실에서 측정된 수직 보행속도-밀 도의 관계식은 s = 1.004 − 0.288D로 측정되었으며, SFPE 와 Pauls등의 관련식과 매우 유사한 크기를 가짐을 확인할 수 있었다.
4) 일반적인 계단구조가 아닌 본 연구의 대상의 계단구 조에 따른 수직 보행속도 상수값은 k = 1.082로 분석되었 으며, 이 값은 SFPE에서 제시한 상수값의 범위 내에 있음 을 확인 할 수 있었다.
5) 건물 전층 피난방법으로 단계적 피난을 적용함에 있 어서 화재의 양상 뿐 아니라 피난 대피 방법에 따른 계단 실 내 밀도 변화가 총 피난시간에 영향을 크게 미치기 때 문에 이를 피난시뮬레이션으로 확인한 바, 전층 동시 피난 에 비해 화재층 직상층 이후에 최상층부터 5개 층 단위로 단계적 피난을 유도한 경우가 전층 동시 피난의 총 피난시 간 1,387초에 비해 1,028초로 크게 단축됨을 확인하였다.
본 연구의 결과는 1개의 업무용 대상물에 대한 3차례 훈 련의 결과만을 분석한 것으로 추후 보다 다양한 계단 구조 및 계단실 내 피난자 밀도가 높은 조건에 대한 수직 보행 속도와 다양한 단계적 피난 방법에 따른 총 피난시간의 변 화에 대한 추가 연구가 필요할 것으로 보인다.
References
1. A. R. Kim and E. K. Hwang, “A Study on the Analysis of Supply of Fire Evacuation Experiments”, Journal of
the Architectural Institute of Korea, Vol. 34, No. 2, pp.
157-158 (2014).
2. J. H. Choi and W. H. Hong, “Two-way Evacuation Mod- elling and Human Behaviour Analysis from a Full-scale High-rise Apartment Data-set”, Journal of the Architec- tural Institute of Korea, Vol. 300, pp. 233-240 (2013).
3. S. J. Woo and E. K. Hwang, “Study on Improvement of Evacuation Experiment Design Factors through Analysis of Evacuation Experiments from Building in Korea”, J.
Korea Soc. Hazard Mitig., Vol. 14, No. 3, pp. 219-225 (2014).
4. “Fire Protection Handbook”, Nineteenth Edition, pp. 4- 33~55 (2003).
5. J. H Klote and J. A Milke, “Principles of Smoke Man- agement”, American Society of Heating, Refrigerating and Air-Conditioning Engineers, Inc., pp. 49-62 (2002).
6. Z. H. Fang, W. G. Song, Z. J. Li, W. T. Lv, J. Ma and X.
Xiao, “Experimental Study Evacuation Process in a Stair- well of a High-rise Building”, Building and Environ- ment, Vol. 47, pp. 316-321 (2012).
7. R. D. Peacock, B. L. Hoskins and E. D. Kuligowski
“Overall and Local Movement Speeds During Fire Drill Evacuations in Building up to 31 Stories”, Safety Sci- ence, Vol. 50, pp. 1655-1664 (2012).
8. A. J. Blair “The Effect of Stair Width on Occupant Speed and Flow of High Rise Builds”, Master of Sci- ence, pp. 27 (2010).
9. E. B. Lee, S. H. Shin, Y. J. You, S. D. Chi and J. I. Kim,
“The Rule-based Agent Modeling and Simulation consid- ering the Evacuation Behavior Characteristics on the Pas- senger Ship Fire”, Journal of the Korea Society for Simulation, Vol. 20, No. 3, pp. 111-117 (2011).
10. J. H. Choi and W. H. Hong “A Suggestion on a New Correction Coefficient for SIMULEX Egress Model to Predict Agent’s Stair Travel Time in a High-rise Build- ing”, Journal of the Architectural Institute of Korea, Vol.
293, pp. 139285-292 (2013).
11. J. H. Choi and W. H. Hong “A Development of Occu- pant’s Vertical Travel Time Prediction Model from High- rise Building’s Experimental Data”, Journal of the Archi- tectural Institute of Korea, Vol. 289, pp. 375-382 (2012).
12. R. D. Peacock, “Stairwell Evacuation from Building:
What We Know We Don’t Know”, NIST Technical Note 1624.
13. NFPA, SFPE, “The SFPE Handbook of Fire Protection Engineer”, 3rd Edition, pp 3-367~380 (2002).
14. L. Yang, P. Rao, K. Zhu, S. Liu and X. Zhan “Observa- tion Study of Pedestrian Flow Staircases with Different Dimensions Under Normal and Emergency Conditions”, Safety Science, Vol. 50, pp. 1173-1179 (2012).
15. H. J. Shin, J. H. Choi and W. H. Hong, “Guidelines on Performance-based Egress Design Criteria Considering the Risk Factors of a High-rise Building”, Journal of the Architectural Institute of Korea, Vol. 249, pp. 139-147 (2009).
16. NFPA 101, “Life Safety Code”, p. 101-92 (2009).
