A Study on Required Safe Egress Time (RSET) Comparison and Error Calculation in Relation to Fire Room Range Set Conditions of Performance Based Fire Safety Designers

ISSN: 1738-7167

DOI: http://dx.doi.org/10.7731/KIFSE.2016.30.3.073

성능위주설계자들의 화재실 범위 설정 방식에 따른 소요피난안전시간(RSET) 비교 및 오차산정에 관한 연구

백소나 · 최준호*

^†

부경대학교 대학원, *부경대학교 소방공학과, **경북대학교 건축학부, ***한국소방산업기술원

A Study on Required Safe Egress Time (RSET) Comparison and Error Calculation in Relation to Fire Room Range Set

Conditions of Performance Based Fire Safety Designers

Sona Baek · Jun-Ho Choi*

^†

Graduate School, Pukyong National University

*Department of Fire Protection Engineering, Pukyong National University

**School of Architecture, Kyungpook National University

***Korea Fire Institute

(Received June 10, 2016; Revised June 18, 2016; Accepted June 18, 2016)

요 약

‘ 화재예방, 소방시설 설치유지 및 안전관리에 관한 법률’에 의하면 지하층 포함 30층 이상 고층 건축물에 대해 화재발 생에 따른 위험성을 사전에 과학적으로 평가하여 재난발생 시 인명피해 및 재산피해를 최소화시킬 수 있도록 성능위주 설계를 실시해야 한다. 이에 따라 설계자는 컴퓨터 시뮬레이션 모델링 등 과학적인 분석 기법을 활용하여 거주자의 화재 및 피난 안전성을 평가하고 있다. 이 때, 인명안전성 평가를 위해 가용피난안전시간(ASET)과 소요피난안전시간(RSET) 을 산정하게 되는데 RSET 중에서도 가장 중요한 ‘반응시간(Response Time)’을 산정함에 있어 우리나라 사람들에 대한 실측 데이터에 기반한 명확한 법적 기준이 제시되지 못하고 있는 것이 현실이다. 이에 ‘소방시설 등의 성능위주설계 방 법 및 기준, 별표1’을 토대로 설계자별로 각각 상이한 값을 선택, 입력하거나 일본건축센터의 ‘건축방재계획지침’에 따라 계산하고 있는 경향을 보이고 있다. 따라서 본 연구에서는 최근 5년간 부산지역에서 성능위주 설계대상으로 지정된 고층 특정소방대상물을 대상으로 총 6명의 설계자가 실시한 성능위주 설계안 13건을 중심으로 RSET의 계산방법에 대해 비 교 · 분석하였고, 특히 RSET 계산 시 결과값에 가장 큰 영향을 미치는 반응시간의 계산방법에 대한 결과를 비교하여 오 차값을 산정하였다.

ABSTRACT

The Installation, Maintence, and Safety Control of Fire-fighting Systems Act of South Korea regulates that over 30-sto- rey high-rise buildings including underground spaces should vitally perform the Performance-based Design to minimize property damage and personal injury as a fire risk assessment in advance. Therefore a PBD designer such as a fire safety professional engineer evaluate occupant’s life safety by a scientific methodology. In order to evaluate the life safety, fire safety designers calculate the Required Safety Egress Time (RSET) which does not have the legal criteria regarding the standard method of calculation yet. So this way has been showing different results depending upon the designer’s choice, knowledges and experiences. In this study, RSET calculation methods by six designers respectively were analysed from the thirteen reports of real performance based design projects conducted in Busan for a last five years. In particular, the Response Time calculation methods which have the most powerful effect for figuring the RSET are compared with the other designer’s to deduce an error value.

Keywords : Response time, Performance-based design (PBD), Required safe egress time (RSET), Fire room range, High- rise building, Evacuation simulation

†

Corresponding Author, E-Mail: [email protected]

†

TEL: +82-51-629-7830, FAX: +82-51-629-7078

1. 서 론

최근 급속한 경제성장, 건축기술의 발달에 의해 건축 물이 대형화, 고층화, 복합화 및 지하 심층화되어감에 따 라 새로운 공간 또는 비정형화된 공간이 창출되고 있다.

그러나 관련법규에 의해 일률적으로 규정하고 있는 기준 만으로는 충분한 안전을 확보할 수 없다는 사회적 합의 에 따라 2010년 이후 ‘소방시설공사업법 시행령’(이후

‘화재안전, 소방시설 설치 · 유지 및 안전관리에 관한 법 률’로 이관)에 의해 지하층 포함 30층 이상의 고층 건축 물에는 ‘성능위주설계’를 의무적으로 수행해야 함을 규 정하고 있다. 그에 따라 성능위주설계에서는 화재 및 피 난안전성을 평가하기 위해서 인구밀도가 높으며 피난 상 의 문제가 많다고 사료되는 층에서 발화한 것을 가정하 는 등 기본적으로 최악의 상황(worst case)을 가정하여 피난시간을 계산한다. 성능위주설계 수행 시 피난계산이란 소요피난안전시간(Required Safe Egress Time, RSET)을 과학적인 분석기법에 의해 산정함으로써 실시된다. 이 때, RSET은 감지시간(detection time)과 반응시간(response time), 피난행동시간(movement time)까지 총 3가지의 합으로 도출되며, 이 중 화재감지시간은 설계자에 의해 건축물에 설계된 화재감지기의 종류 및 위치를 고려하여 화재시뮬레이션을 수행함으로써 작동시간을 산정한다.

또한 피난행동시간은 출입문, 복도, 계단의 설치 및 폭, 재실자의 성비, 보행속도, 어깨너비 등 입력요소를 반영 한 피난 시뮬레이션에 의해 도출된다. 그러나 결정적으 로 피난행동의 시작을 지연시키는 ‘반응시간(response time)’에 대해서는 ‘소방시설 등의 성능위주설계 방법 및 기준’의 별표1에서 건물 내에서 활용할 수 있는 경보 설비에 따라 각 시설물별로 반응시간을 제시할 뿐, 계산 방법에 대한 명확한 법적기준이 존재하지 않는다. 그에 따라 설계자별로 반응시간 계산방식이 상이하게 나타나 고 있으며, 결과값 또한 큰 차이를 나타내고 있는 실정 이다.

따라서 본 연구에서는 부산시에서 30층 이상 고층 특정 소방대상물을 대상으로 실시된 성능위주 설계안 13건을 중심으로, 설계자의 화재실(발화실) 공간적 범위 설정 조 건을 분석하였다. 그리고 설계자별 범위설정에 따른 피난 안전시간 계산방식의 차이를 비교 · 분석하여 문제점을 도 출하고 이에 따른 개선방안을 제시하였다.

2. 소요피난안전시간(RSET)의 구성 및 법적기준

2.1 소요피난안전시간(RSET)의 구성요소

소요피난안전시간(RSET)은 건축물에서 화재가 발생하 는 순간부터 재실자가 이를 인지하고 반응하여 피난을 완 료하는 시점까지 걸리는 시간을 의미한다(Figure 1).

RSET = t_d+ t_a+ t_o+ t_i+ t_e… (1) 여기서,

t_d: 발화로부터 감지까지 소요시간, t_a: 감지로부터 재실자 통보까지 소요시간, t_o: 통보로부터 재실자의 의사결정까지 소요시간, t_i: 결정으로부터 피난 개시까지 소요시간, te: 피난 개시로부터 완료까지 소요시간

SFPE에서는 Equation 1과 같이 td~t_e의 5가지의 단계별 시간으로 분류되어 산정할 수 있다. 그리고 알림신고단계 (alert and cue), 인지단계(cognition), 의사결정단계(decision- making)를 통틀어 반응시간(response time)이라고 정의한 다. 즉, 화재발생 사실을 재실자가 인지하고 반응해 피난 개시까지 걸리는 시간을 의미한다. 또한 반응시간은 피난 개시를 지연시키는 매우 결정적인 요소로, 주로 해당 건축 물 내에서 제공되는 경보설비의 유형이나 거주자의 특성 에 따라 결정된다.

2.2 화재 및 피난안전성평가 수행절차

일반적으로 성능위주설계 시 화재 및 피난안전성평가를 수행하기 위해 화재의 성상 및 인간의 행동을 수학적으로 모델링하고 있다. 이를 위해서는 주로 컴퓨터 시뮬레이션 을 수행하게 되는데 인명안전성에 대한 평가요소로 ASET (Available Safe Egress Time)과 RSET을 산정하고, ASET 의 값이 이 커야 화재발생에 따른 재실자의 인명안전이 보 장된다고 판단한다.

2.3 국내 · 외 법적기준

국내에서는 반응시간(response time)에 관한 적용기준을

‘소방시설 등의 성능위주설계 방법 및 기준’ 별표1에 Table 1과 같이 경보설비에 따라 다양한 시설물에 대한 반 응시간을 명시하였다. 반응시간에 관한 국내 기준은 British Standard (BS) DD240과 미국의 SFPE와 유사하다.

또한, 일본에서는 반응시간에 관한 적용기준을 일본건축 센터의 「건축방재계획지침」에 화재실과 비화재실로 구 분하여 계산식을 제시하고 있다. Equation 2는 화재실의 면적에 의해 반응시간을 산정하며, Equation 3은 Equation Figure 1. Composition of evacuation time.

2에 의해 도출된 반응시간의 2배를 적용한다.

(2) (3) 여기서,

aT_o: 화재실의 반응시간(s),

bT_o: 비화재실의 반응시간(s),

A₁: 화재실의 면적(m²)

3. 성능위주 설계자별 RSET 계산방식 조사 및 문제점 도출

3.1 성능위주 설계안의 대상범위

본 연구에서는 성능위주 설계자별 RSET의 계산방법을 비교하기 위해 부산시에서 2012년 이후에 실시된 성능위

a oT = 2 A₁

b oT = 2_aT_o

Table 1. Standard of response time in Korea (unit: min)

Usage W1 W2 W3

Office, commercial and industrial building, school, university (residents are awaken all the time and

familiar with internal building settings, emergency alert and exit) < 1 3 > 4 Shop, museum, leisure sports centre, other cultural facility (residents are always awaken but not familiar

with internal building settings, emergency alert and exit) < 2 3 > 6 Dormitory, mid/high-rise house (residents may be in sleep and familiar with internal building settings,

emergency alert and exit) < 2 4 > 5

Hotel, lodging (residents may be in sleep and not familiar with internal building settings, emergency alert

and exit) < 2 4 > 6

Hospital, sanatorium, other public accommodations (most residents need help from others) < 3 5 > 8

<note>

W1: the case where voice guide is available through broadcasting system of situation room such as building safety centre equipped with CCTV; or where trained staff can provide voice guidance recognizable by every resident in the corresponding space.

W2: the case where recorded voice message or warning broadcasting is available together with trained staff.

W3: the case where alert facility utilizing fire alarm is available together with non-trained staff.

Table 2. Calculation Method of Response Time According to Designer-specific

Designer Fire room response time at the same floor Non-fire room response time at the same floor

A

a. Japan’s ‘Guide for Plan of Disaster Prevention’

b. Detector operating time

→ Used more conservative data from both of them.

Detector operating time + Response time¹

B Detector operating time + Response time² Response Time¹

C

a. Japan’s ‘Guide for Plan of Disaster Prevention’

b. Detector operating time+response time (set arbitrarily)

→ Used more conservative data from both of them.

a. Japan’s ‘Guide for Plan of Disaster Prevention’

b. Detector operating time + Response time¹

→ Used more conservative data from both of them.

D Detector operating time + Response time² Detector operating time + Response time¹

E

a. Japan’s ‘Guide for Plan of Disaster Prevention’

b. Detector operating time

→ Used more conservative data from both of them.

Response Time¹

F

a.

Detector operating time + Response time¹

<note>

▷ A1: Area of room with fire outbreak, A₂: Area of total households with fire outbreak.

▷ Response time¹: Refers to the response time under the Appendix 1 (Table 1).

▷ Response time²: Use experimental data or of Japan’s ‘Guide for Plan of Disaster Prevention’; provided that, the condition of 30-second setting if _aT_o is shorter than 30 s is not considered.

a 0T = 2 A₂

a 0T = 2 A_{2 a 0}T = 2 A₂

a 0T = 2 A₂

a 0T = 2 A₂

a 0T = 2 A₂

주 설계안 13건을 대상으로 RSET의 계산방법을 분류하였 다. 단, 같은 설계자가 여러 건축물을 설계한 경우에는 가 장 최근에 실시된 설계안을 대상으로 하였다. 그에 따라 13건의 설계안에 대해 A~F까지, 6명의 설계자의 RSET 계산방법을 비교하였다. 특히, RSET 계산 시 산정결과에 가장 큰 비율을 차지하는 반응시간(Response Time)의 계 산방법을 중점적으로 분석하였다.

3.2 설계자별 RSET 계산방법 비교

부산지역에서 실시된 13건의 성능위주 설계안을 대상으 로 RSET의 계산방법을 분류한 결과는 Table 2와 같다. 분 석결과, 설계자들은 일반적으로 화재실과 비화재실을 나누 어 반응시간을 산정하였다. 또한, 설계자별로 일관된 계산 방법을 보이지 않고 서로 상이한 계산방법을 나타내었으 며, 이는 크게 ① ‘소방시설 등의 성능위주설계 방법 및 기 준’ ② 일본의 「건축방재계획지침」③ 실물 실험자료 ④ 화재감지기 작동 총 4가지 기준을 적용하여 반응시간을 산정하였다. 또한 설계자들은 위 4가지 기준을 비교하여 보수적인 데이터를 적용하는 설계자, 4가지 기준의 결과값 들의 합으로 적용하는 설계자 또는 4가지 기준 중 임의로 1가지 결과값을 적용하는 방식을 제각기 사용하였다. 즉, RSET 계산 시에 설계자가 계산방식을 결정하는 것에 따 라 상이한 결과를 나타낼 것이다. 그에 따라 같은 건축물 을 대상으로 설계를 수행하여도 설계자에 따라서 화재 및 피난인명안전성 평가의 결과가 차이를 나타나게 된다.

3.3 RSET 산정방식의 문제점

부산시 고층 건축물 성능위주 설계를 실시한 설계자들 중 76.9%가 일본의 「건축방재계획지침」을 적용하여 반 응시간을 산정하였다. 그 이유는 국내법에 화재실과 비화 재실을 구분하여 반응시간을 산정하는 식이 존재하지 않 기 때문으로 추정된다. 화재실에 있는 재실자는 화염을 보 는 등 시각적 영향과 연기, 열 등에 의한 환경적 영향으로 인해 비화재실에 있는 재실자보다 반드시 반응시간이 짧 다. 그러나 국내법에서는 Table 1과 같이 경보설비와 건물 의 용도에 따라서만 반응시간을 제시할 뿐 화재실과 비화 재실의 반응시간에 대해서 구분지어 산정해야 한다고 명 시되어 있지 않은 실정이다.

그리고 일본의 ‘건축방재계획지침’ 규정 산정기준에 따 라 화재실의 반응시간 산정 시 A1은 화재실의 면적을 적 용해야 하나, 대상 설계안 중 61.5%는 Figure 2와 같이 화 재실의 면적에 비화재실의 면적까지 포함하여 적용하였다.

Figure 2와 같이 일부 설계자는 단일 층 시뮬레이션 시 행 시 화재실과 비화재실을 명확히 구분하여 적용하지 않 았다. 이렇게 산정된 반응시간은 불필요하게 포함된 비화 재실의 면적만큼 더 길어져 오차를 발생하게 된다. 따라서 성능위주 설계를 수행하는 설계자는 일본건설성 지침을 고려하여 반응시간을 산정할 경우 A1의 수치를 명확히 설

정하여 화재실의 면적으로 적용하여야 한다. 또한 피난 시 뮬레이션 수행 시 재실자의 위치에 따라 산정 반응시간을 입력하여 각 포인트별로 정확한 RSET을 도출하여야 한다.

이에 따라 다음과 같이 피난 시뮬레이션 수행 후 각 포인트 에 인명안전기준을 고려한 화재 시뮬레이션 수행 결과를 적용시켜 화재 및 피난안전성 평가를 실시할 필요가 있다.

4. 성능위주 설계안의 RSET 계산결과 및 오차산정

4.1 성능위주 설계 대상지의 개요

앞서 제시한 개선방안을 실제 성능위주 설계안에 적용 시켜 피난안전시간의 계산결과의 차이를 비교하였다. 설계 Figure 2. Outline of ‘fire room’ and ‘fire room + non-fire room’.

Figure 3. Layout of targeted building by PBD.

안의 대상지는 Figure 3과 같으며, 공동주택 침실의 매트 리스에서 화재가 발생하는 일반적인 기준층 화재 시나리 오를 작성하였다. 또한, 설계안의 대상 공간의 기초 데이 터 개요는 Table 3과 같다.

4.2 RSET 계산결과 및 오차산정

우선 일본의 ‘건축방재계획지침’에서 제시한 산정기준에 따라 화재실의 반응시간 계산 시 A1을 오직 실제 화재가 발생한 실만의 면적으로 적용한 반응시간 계산식은 아래 식(4)~(5)와 같다. 그러나 수정안을 토대로 다시 계산한 결 과 화재실의 반응시간은 올바르게 적용하였을 때보다 약 2.4배의 오차가 발생하였다. 그러나 비화재실의 반응시간

은 대상 설계안의 설계자가 비화재실의 반응시간 계산 시 에 ‘소방시설 등의 성능위주설계 방법 및 기준, 별표 1’의 규정만을 고려하여 수정여부와 관계없이 차이를 나타내지 않았다.

(가) 단위세대 전체 바닥면적으로 계산할 경우, ‘화재실’

의 반응시간:

(4)

(나) 실제 화재실만의 바닥면적으로 계산할 경우, ‘화재 실’의 반응시간:

(5)

(다) 비화재실의 반응시간: 표1의 W1에 의거 120초로 설정함.

그리고 (가)~(다)를 토대로 설계자가 설정한 각 Point별 로 산정기준에 맞는 반응시간을 적용시킨 결과는 Table 4 와 같았다. 여기서 산정방식을 바꿔 계산한 결과 Point 1 에서 최초 설계보고서에 기록된 결과와는 달리 심각한 오 류를 보이는 것으로 나타났다.

5. 결 론

본 연구에서는 부산시에서 실시된 13건의 성능위주 설 계안을 대상으로 설계자별 소요피난안전시간(RSET) 계산 방법을 조사하였다. 그 결과, 국민안전처에서 규정하고 있 는 ‘소방시설 등의 성능위주설계 방법 및 기준’에 명확한 반응시간 계산방법이 존재하지 않은 상황으로 말미암아 설계자별로 제각각 상이한 계산방법이 혼재하고 있는 것 을 확인할 수 있었다. 그런데 여기서 알 수 있었던 가장 큰 문제점은 상이한 계산방식에 따라 거주자의 반응시간 과 RSET의 산정 결과 또한 달라지기 때문에 인명안전성 평가의 결과 자체를 뒤집을 수 있다는 것이었다.

설계자들은 반응시간(response time)을 계산하기 위해

① ‘소방시설 등의 성능위주설계 방법 및 기준’ ② 일본의

「건축방재계획지침」③ 실물 실험자료 ④ 화재감지기 작 동 총 4가지 기준 중 일반적으로 일본의 ‘건축방재계획지 침(1997)’의 계산식을 인용하여 산정하였다. 특히, 2000년 이후에 일본에서는 개정된 건축기준법의 피난관계규정에 의해 성능검증을 위한 ‘피난안전검증법’이 제시되어 사용 되고 있으나, 우리나라 설계자들은 1997년의 일본건설성 지침을 그대로 인용하여 사용하고 있는 것으로 나타났다.

뿐만 아니라, 일본건설성 지침에서 제시하고 있는 A1의 수치를 화재실의 면적으로 적용하지 않고 설계자의 이해 부족으로 임의로 설정하기도 해 인명안전성 평가결과에 대한 신뢰도를 떨어뜨렸다.

이에 본 연구에서는 성능위주설계 대상물 중 1개의 시

a oT = 2 A₂ = 2 86.3 = 18.57 s

a oT = 2 A₁ = 2 14.5 = 7.62 s

Table 4. Safety Assessment Result of Modification Point if ‘fire area’ includes WHOLE

HOUSEHOLDS on the same floor

1

ASET RSET

97.0 s (due to invisibility)

Detector Operating Time (25.0 s) + Response Time (18.57 s) + Walking Time

(13.4 s) = 56.97 s Life Safety Assessment Result : SAFE

2

ASET RSET

254.0 s (due to invisibility)

Response Time (120.0 s) + Walking Time (13.4 s) =

133.4 s Life Safety Assessment Result : SAFE Point if ‘fire area’ includes the only FIRE

HOUSEHOLD

1

ASET RSET

97.0 s (due to invisibility)

Response Time (120.0 s) + Walking Time (13.4 s) =

133.4 s Life Safety Assessment Result : UNSAFE

2

ASET RSET

254.0 s (due to invisibility)

Response Time (120.0 s) + Walking Time (13.4 s) =

133.4 s Life Safety Assessment Result : SAFE Table 3. Outline of Targeted Building

Title Descriptions

Scenario Scenario 1, 27-storey apartment Ignition point Mattress in bedroom

The size of fire 2.0 MW, Medium rate Capacity 10 persons (172.6 m²) Fire room area 14.5 m²

나리오에 대한 오류를 바로 잡아 수정계산하였다. 그 결과 화재실에서의 반응시간은 수정 전과 비교해 약 2.4배의 차 이를 나타내었는데, 화재실의 반응시간을 각 Point에 적용 시킨 결과, 인명안전성 평가 결과가 불안전하다고 나타나 설계도서에 작성된 결과와는 다르게 재실자들이 ASET 안 에 대피하기가 사실상 불가능해 매우 위험한 것으로 나타 났다.

감사의 글

이 논문은 2013년도 정부(미래창조과학부)의 재원으로 한국연구재단 기초연구사업의 지원을 받아 수행되었음(과 제번호: NRF-2013R1A1A1010798) 또한 이 연구는 국민 안전처가 출연하는 소방안전 및 119구조 · 구급기술연구 개발사업의 연구비 지원으로 수행되었음(과제번호: NEMA- 차세대-2014-53).

첨 언

본 논문은 2015년도에 개최된 아시아도시환경학회 국제 학술회의에서 발표된 원고[9]의 일부를 수정 · 보완 및 발 전시킨 후속연구임.

References

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book of Fire Protection Engineering (2008).

2. H. S. Hwang, J. H. Choi and W. H. Hong, “Simulation Modelling of High-rise Apartment Evacuation Scenario Comparing with Full-scale Experiment’s”, Journal of the Architectural Institute of Korea, Vol. 25, No. 9, pp. 125- 132 (2009).

3. Ministry of Public Safety and Security of Republic of Korea, “Performance Based Design Methods and Stan- dards on Fire-Fighting System Installation Act”, Annex 1 (2016).

4. H. S. Cho, “Performance-based Design” (2006).

5. The Building Center of Japan, “Building Disaster Pre- vention Planning Guidelines” (1997).

6. I. K. Kwon, “Safety of Architecture” (2012).

7. H. S. Hwang, “Fire Safety Feature for Super High Rise Building by Performance Based Design”, Architecture, Architectural Institute of Korea, Vol. 53, No. 8, pp. 61-64 (2009).

8. J. S. Tubbs and B. J. Meacham, “Egress Design Solu- tion”, WILEY (2007).

9. S. Baek, J. H. Choi and W. H. Hong, “A Comparative Case Study on Response Time Error according to Designer- specific Methodology for Fire Room Range Settings:

Focusing on Performance-based Design References of Busan High-rise Building Projects”, Conference Proceed- ing of Asia Institute of Urban Environment, pp. 397-402 (2015).