도시화재 사례 조사 및 시뮬레이션을 이용한 위험성 평가
-시장지역을 중심으로 -
A Study on the Risk Assessment Using Simulation and Case Study of Urban Fire
- Focusing on Market -
신이철†·구인혁*·林吉彦**·大宮喜文***·권영진****
Yi-Chul Shin† · In-Hyuk Koo* · Yoshihiko Hayashi** · Yoshifumi Ohmiya*** · Young-Jin Kwon****
동경이과대학, *한국철도기술연구원, **일본건축연구소, ***동경이과대학, ****호서대학교 (2011. 1. 28. 접수/2011. 11. 21. 수정/2011. 12. 9. 채택)
요 약
우리나라는 경제성장과 더불어 건축물의 형태 및 용도, 재료가 다양해지고 첨단화 되고 있는 반면에 도 심 곳곳에 노후화된 건축물 밀집 지역들이 자리잡고 있다. 이러한 노후화된 도시는 재해로부터 상당히 취 약하며, 특히 화재 발생시 방내화성능이 신축 건물에 비하여 현저히 낮아 화재가 인근 건물로 확대 되어 도시화재로 발전 될 위험성이 높다. 따라서 본 연구는 도시화재위험성 평가시스템 구축을 위하여 도시화 재의 발생 위험성과 화재경계지구의 실태 및 우리나라 도시화재 사례의 전파과정을 살펴보고 일본 건축연 구소의 「도시화재 시뮬레이션 모델」에 불티의 비산 모델을 추가하여 구축된 평가 모델을 이용한 실화재 사례에 대한 위험성 평가를 실시 하고자 하였다.
ABSTRACT
As population grows and urban facilities are concentrated in specific areas due to recent urbaniza- tion and industrialization, cities have structures vulnerable to both natural and man-made disasters.
Most of these structures, whether buildings or residential houses, are left in a defenseless state if not given the appropriate check-up before they are built. The process of rapid urbanization without estab- lishing the proper urban fire risk assessment will surely lead to disasters. This phenomenon occurred during the process of rapid urbanization and maybe said the result of chaotic urban expansion where modern urban infrastructure is not yet equipped in the city. Under the said circumstances, propagation processes of Korean urban fire cases were investigated to establish fire risk assessment system. More- over, this paper explains the experiment performed for establishing urban risk assessment model. The said experiment was conducted using the new urban fire risk assessment model.
Key words : Urban fire, Fire risk assessment, Simulation
1.
서 론
최근 사회적 발전으로 건축물이 대형화·고층화 되 어가고 있으며, 구조 또한 복잡해지고 용도도 복합화 되고 있다. 이에 따라 화재발생시의 위험도가 높아지 고 있고 실제로 화재통계를 살펴보면 연 3만 건의 전
체 화재 건수 중 건축물 화재가 약 80 %의 비중을 차 지하고 있어 무분별한 경제성장으로 인한 건축물의 형 태변화가 화재에 무방비하게 작용하고 있는 것을 알 수 있다.
이러한 고층건물의 수직적 화재확대 위험성과 더불 어 최근에 사회적으로 도시방재에 대한 관심이 높아지 면서 노후화 된 건물 밀집지역, 공장, 시장 등 소방법 에서 화재경계지구로 지정되어 있는 도시에 대한 화재
†E-mail: [email protected]
위험성도 대두되고 있다. 이런 화재에 취약한 지역의 화재는 화재가 발생하여 인접 건물로의 전파가 쉽게 이루어지게 되며, 이로 인해 인명 및 재산 패해도 더 욱 커지게 된다.
도시시설에서 발생하는 재해·재난 중 대부분이 화 재이며, 이러한 도시화재는 Figure 1과 같이 1666년 런 던 대화재를 시작으로 세계적으로 지진 및 산불 등에 의해서 발생되고 있다. 이 중에서 지진으로 인한 도시 화재의 피해사례는 이웃 일본의 1995년 고베 대지진의 경우를 보면 그 심각성을 알 수 있다. 또한 산불로 인 한 도시화재는 미국에서 매년 발생하고 있으며, 2009 년 호주 멜버른에서도 산불로 인한 대규모의 도시화재 가 발생하여 많은 피해를 가져왔다. 우리나라에서도 2005년 양양산불로 인하여 소중한 문화유산인 낙산사 가 소실되는 피해를 입었다. 이처럼 대규모의 피해가 발생할 수 있는 도시화재를 예방하고 그 피해를 줄이 기 위해서는 사전에 도시의 방재성능을 사전에 평가하 고 그에 대한 대비책을 마련해야 할 필요성이 제기되 고 있다. 그러나 현재 우리나라는 단독건물에 대한 연 구가 대부분으로 복수건물의 화재에 대한 연구 성과는 미비하고 또한 기존의 화재위험성 평가 방법은 통계적 인 자료에 의존하고 있고 복잡한 화재성상에 대한 공 학적인 평가 방법론이 마련되어 있지 않은 실정이다.
따라서 본 연구에서는 우리나라의 도시화재위험성 평가시스템 구축을 위하여 도시화재의 발생 위험성과 화재경계지구의 실태 및 우리나라 도시화재 사례의 전 파과정을 살펴보고 도시화재위험성 평가 모델을 구축 을 위하여 도시화재에 대하여 선구적인 연구를 진행중 인 일본건축연구소와의 공동실험을 통해 기존의 일본 건축연구소의 「도시화재 시뮬레이션 모델」에 불티의
비산 모델을 추가하여 구축된 평가 모델을 이용한 실 화재 사례에 대한 위험성 평가를 실시 하고자 하였다.
2.
우리나라의 도시화재 위험성
도시화재의 기본적인 메카니즘은 Figure 2와 같이 접 염, 복사, 대류, 비화로 이루어져 있으며, 최성기 화재 시 창문이나 문 등의 개구부로부터 분출된 화염은 인 접한 건물로 화재를 확산시키고 화재건물로부터 비화 된 불티는 바람을 타고 근접해 있는 건물로 화재를 확 산시켜 대규모 피해의 원인이 된다. 실제로 화재통계 자료를 살펴보면 Table 1과 같이 인근건물로의 연소 확 대 된 경우 타 경우에 비하여 화재건수는 낮으나 그로 인한 인명 및 재산피해가 큰 것으로 나타나 도시화재 가 얼마나 위험한지를 시사하고 있다.
우리나라에서 대규모 도시화재가 발생한 경우는 많 지 않으나 조선시대부터 각종 관가건물과 다수의 민가 건물이 도시화재에 의해 소실되는 피해를 입었다. 또 한 Figure 3과 같이 1953년 부산국제시장 화재와 더불 Figure 1. The case of the external main urban fire.
Figure 2. Mechanism of urban fire.
Table 1. Extent of Damage According to the Expanded Ranges of Fire (NEMA, 2008)
연소확대범위 화재 사망 부상 재산피해 발화지점만 연소 12,252 14 428 24,952,370 발화층만 연소 2,869 43 255 53,826,983 다수층 연소 203 3 68 8,422,825 발화건물 전체연소 1,492 58 91 56,310,791 인근 건물로 연소 828 25 108 120,864,188
Figure 3. The case of the internal main urban fire.
어 1960년 대구 서문시장에서도 대규모화재가 발생하 였다.
2.1 화재경계지구의 도시화재의 위험성
화재경계지구는 소방기본법 제 13조에 지정되어 있 는 지구로써 화재가 발생할 우려가 높거나 발생할 경 우 많은 피해가 발생할 것으로 예상되는 지역으로 도 시화재에 취약한 구조라고 할 수 있다. 우리나라의 화 재경계지구는 전국에 114개소가 지정되어 있으나 현실 적인 대책이 마련되어있지 않아 그 숫자가 좀처럼 줄 어들지 않고 있다. 화재경계지구를 용도별로 분류하면
Table 2에 나타낸 것처럼 시장지역이 84개소로 대부분
을 차지하고 있으며, 목조건물 밀집지역이 10개소로 높 게 나타났고, 지역별로 분류할 경우 서울, 경기 강원 순으로 나타났다(Figure 4).
이러한 화재경계지구의 80 % 이상을 차지하는 시장 은 도심지 곳곳에 분포되어 있으며, 특히 주택가시장 의 경우 우리나라 시장의 대부분인 95 % 이상을 차지 하고 있고, 도심지 안에 대부분 위치하고 있어 화재시 위험도가 높다.
이러한 화재경계지구의 화재 사례는 1953년 부산 국 제시장 대화재가 대표적이며, 강풍으로 인하여 급속도
의 화재 확산으로 인해 2,366가구가 소실되고 이재민 수가 13,235명의 피해를 가져왔다. 이후 부산 국제시 장과 같은 노후화된 재래시장에서 지속적으로 화재가 발생해 현재는 Table 3과 같이 연평균 51건의 화재가 발생하고 있으며, 이로 인해 6.4명의 사상자가 발생하 는 것으로 조사되었다. 그 일례로 2005년 발생한 서문 시장, 모란시장, 통영시장 등의 화재는 시장의 특성상 다량의 가연물로 인하여 화재확산이 빠르게 진행되었 으며, 건물의 방화구획 설정이 미흡하여 화재확대를 차 단하는데 역부족 이였다. 또한 종로의 신진시장의 경 우 2008년도에 화재가 발생하였으나. 복구 작업 및 대 책마련이 되지 않아 2009년에는 더 큰 화재로 인하여 막대한 경제적 손실을 가져왔다.
3.
도시화재 전파과정 조사
서울시 종로구에 위치한 신진시장은 개설된지 약 60 년 된 노후화 된 시장으로서 그 규모는 Table 4와 같 다. 특히 신진시장의 경우 동일한 구역에서 2년간 연 속적으로 화재가 발생하여 Table 5와 같은 피해가 발 생하였다(Figure 5).
Table 2. The Fire Protect Area Status by Usage
구분 지정현황
시장지역 84
공장창고 밀집지역 03
목조건물 밀집지역 10
위험물 제조소등 밀집지역 00
석유화학 공단지역 03
소방시설 소방용수시설
소방출동로가 없는 지역 01
소방관서장 지정 13
Figure 4. Present status of fire protect areas by regions.
Table 3. The Statistics of Korean Market Fire 구분 화재
건수
인명피해 재산피해
(백만원)
계 사망 부상
1996 54 4 2 2 907
1997 45 1 0 4 1,637
1998 58 16 4 12 1,948
1999 83 4 1 3 1,378
2000 65 5 0 5 826
2001 49 4 0 4 575
2002 40 6 0 6 517
2003 48 5 0 5 654
2004 30 3 5 1 318
2005 47 11 2 10 19,643
2006 34 2 0 2 1,492
계 553 66 15 51 29,895
Table 4. An Outline for Shinjin Market 개설일시 토지
면적 건물
연면적 점포
연면적 시장 점포수 시장
상인 1952년 2650 m3 3400 m3 1671 m3 115 138명
Figure 6은 출화건물을 중심으로 각 방향의 화재전 파과정을 나타낸 것이다. 구체적인 전파과정을 보면 출 화건물에서 북쪽 방향으로는 건물 2층의 창으로부터 화염분출과 함께 지붕을 통해 연소가 확대되었다. 남 쪽 방향으로는 지붕을 통해 연소가 확대 되었다. 또한 동쪽 방향으로는 개구부에서 분출한 화염에 의해 길 건너편의 건물에 화재가 확대되었다. 서쪽 방향으로는 건물과 건물의 지붕이 서로 연결되어 있어 지붕을 통 해 직접적으로 화염이 전파, 확대되었다.
Table 6은 화재전파과정에 따른 피해건물 수를 나타
낸 것이다. 지붕을 통한 화염확대가 가장 큰 확대요인 인 것으로 나타났다. 반면, 개구부에서 지붕으로의 확 대는 1건에 불과하였는데 이는 건물 간 인동거리가 좁 아 화염이 지붕에 도달하기 전에 개구부를 통해 확대 되었기 때문인 것으로 판단된다.
신진시장화재의 경우 Table 7에 나타낸 바와 같이 화 재발생 후 강풍에 의해 화재가 빠르게 확대되었고, 건 물 간 인동거리가 평균 0.5 m로 협소하였으며, 더욱이 건축물 대부분이 목조건물로 되어 있어 화염전파가 더 욱 용이하였다. 또한 노후화된 건물의 보온을 위해 건 물의 지붕을 서로 연결한 후, 지붕과 건물의 사이에 스 티로폼을 삽입한 구조로 되어 있어 화재가 빠르게 확 대 되었다.
또한 건물 간 방화구획이 미비 된 상태였으며, 좁은 골목으로 인해 소방대가 제 시간에 도착하여 소화활동 을 할 수 없었던 것도 화재가 확산 된 원인인 것으로 판단된다. 따라서 이러한 도시화재 위험지구에 대하여 복잡한 화재확대 현상을 예측할 수 있는 위험성 평가 방법의 구축이 필요하며, 이를 이용한 도시화재로의 확 대 저감대책을 마련해야 할 것으로 사료된다.
4.
불티의 발생량 측정 실험
4.1 실험 방법
화재안전공학의 분야는 건축물에서 화재가 발생하였 Figure 5. Shinjin market fire.
Table 5. Present Damage Condition of Shinjin Market by Fire
일 시 장 소 피해금액 화재원인
2009.
10.17
종로5번가
신진시장 점포13동(6동 붕괴),
2억2천만원 재산피해 원인불명 (전기합선추정)
Figure 6. Fire spread along with directions.
Table 6. Fire Spread Process of Shinjin Market
전 파 과 정 전파 건물 수
개구부에서 지붕으로 전파 1
지붕에서 지붕으로 전파 6
개구부에서 개구부로 전파 3
지붕에서 개구부로 전파 2
Table 7. Factors Contributing on Expansion of Fire in Shinjin Market
구 분 위 험 성
풍향/풍속 남동풍/6 m/s의 강풍 인동거리 평균 0.5 ｍ의 좁은 인동거리
지붕 노후된 건물,
지붕과 건물 사이에 스티로폼 삽입
건물구조 대부분 목조건물
방화구획 건물의 방화구획 미설치 소방 활동 좁은 골목으로 인해 소방대 진입 곤란
을 때 그것을 한정적으로 건물에 가두는 것이 가장 효 과적인 수단이고 초기 폭발 현상을 저감 또는 막을 수 있다고 보고 있다. 그러나 실제 화재에서는 가연물량 이나 소방시설의 오작동 등의 변수가 다수 존재하여 화재의 성상을 예측하는 것은 어렵다. 더욱이 건축물 이 밀집한 도시지역에서의 대규모 화재에 대한 예측은 더욱더 어렵다. 따라서 도시화재에 대하여 오랜 기간 연구를 지속해온 일본건축연구소의 도시화재시뮬레이 션 모델을 토대로 불티의 발생량 측정실험을 하여 한 국형 모델을 구축하고자 하였다.
일본건축연구소의 도시화재 시뮬레이션 모델의 경우 Figure 7과 같은 시나리오를 바탕으로 시뮬레이션레이 션 프로그램에 각각의 서브모델을 조합하여 전체의 시 뮬레이션 모델을 구축하고 있다.
일본건축연구소의 풍동시설 내에서 Table 8의 조건 으로 목재 Crib를 착화시켜 발생하는 불티가 바람의 영 향으로 비산하게 되고, 이때 각 풍속에 따라 Crib의 질 량감소 및 불티의 발생량을 파악하여 불티의 비산성상 을 평가하였다. 사용한 목재는 미송(美松)이며, Crib의 질량감소와 불티의 발생량과의 상관관계를 확인하기 위하여 로드셀을 설치하였다. 또한 불티의 발생량을 비
디오 해석을 통해 파악하기 위하여 CCD카메라를 설 치하였다(Figure 8).
4.2 실험 결과
실험 개시로부터 CCD 카메라에 의한 촬영을 실시 하여 비디오 해석으로 불티의 발생량을 파악하였다. 본 실험의 결과 풍속, Crib의 체적, 질량조건이 클수록 불 티의 발생량도 증가한다는 것을 정량적으로 파악할 수 있었다. 또한 풍속이 증가 할수록 불티의 발생량이 최 대점에 도달하는 시점이 빨라지는 것을 확인하였다. 이 를 모델화 하여 일본건축연구소 모델에 적용하였다.
5.
도시화재위험성 평가
건축물화재 중 시장화재는 일반적인 건축물화재와 달리 가연물의 비율이 높고 노후화된 건물이 밀집되어 Figure 7. Urban fire scenario.
Table 8. The Summary of the Experiment
구분 Crib Size 실험회수 풍속
1 90 cm 1 3.7 m/s
2 45 cm 2 1.5 m/s
3 45 cm 3 3.7 m/s
4 45 cm 2 5.5 m/s
5 60 cm 3 1.5 m/s
6 60 cm 3 3.7 m/s
7 60 cm 3 5.5 m/s
Figure 10. Results of scattering phenomena experiment.
Figure 8. The picture of the wind tunnel facilities in BRI.
Figure 9. Scattering phenomena experiment.
있으며 방화구획 또한 설정되어 있지 않아 화재가 발 생 시 대형화재로 확대될 위험성이 높다. 따라서 앞서 화재전파과정을 조사한 신진시장을 대상으로 도시화재 위험성 평가를 구축된 시뮬레이션 모델을 이용하여 실 시하였다. Table 9, Figure 11은 시뮬레이션의 개요이다.
시뮬레이션 평가 수행결과는 Figure 12와 같으며 시 뮬레이션은 22분 후의 결과이며, 실제화재에서는 약 한 시간 후의 피해결과이다. 그러나 실제 화재에서 소방 대원이 현장에 도착했을 때 목조건물밀집지역의 특성 상 나타낸 바와 같이 인근 건물로 화재 확산이 빠르게 진행된 상태였으며, 피해를 최소화하기 위하여 화재건 물에 대한 소화활동보다는 인근건물로의 화재 확대를 방지시키기 위한 소화활동을 한 것으로 보고되었다. 따 라서 초기 확대 이후 화재전파가 진행되지 않은 것으 로 판단되므로 화재전파 결과가 시뮬레이션의 초기 화 재확대 성상과 일치한다. Figure 13은 20분 단위의 시 뮬레이션 결과를 나타낸 것으로 시뮬레이션에서도 실 제화재와 동일하게 지붕으로의 화재확산과 개구분출화
염에 의한 확산이 주요한 원인으로 확인되었다.
6.
결 론
기존의 일본건축연구소의 도시화재 시뮬레이션 모델 에는 연소요인으로 복사전열, 대류전열 등의 영향이 적 용되어 있었다. 본 실험에서는 나목조(裸木造) 가옥에 있어 붕괴까지의 불티 발생 속도를 실험에 근거하여 정식화 한 결과 기존의 연구 성과와 더불어 불티를 고 려한 새로운 도시화재 시뮬레이션 모델을 구축하였다.
향후 불티의 비산성상에 대한 다양한 실험을 통하여 모델 개선과 모델 검증이 필요할 것으로 판단된다. 또 한 도시화재에 대한 실규모 실험 및 모형실험을 지속 적으로 실시하여 분출화염의 길이 및 화염의 경사각 등의 새로운 모델화가 필요하다. 또한 용도별 화재하 중의 정확성을 확보하기 위하여 대대적인 조사가 필요 할 것으로 판단된다.
감사의 글
본 연구는 2009년도 소방방재청 국제공동연구인 『도 시화재의 물리적 연소성상예측모델의 개발과 이를 이 용한 화재리스크 평가기법의 개발』 지원에 의하여 수 행하였으며 관계자께 감사드립니다.
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구분 구획구조 구획
용도 개구부 지진 피해 해석
시간 발화 지점 풍향/
풍속 시장신진 목조
구획 상업 시설 보통
유리 피해
없음 120분 임의설정 6 m/s
Figure 11. Simulation overview by shinjin market.
Figure 12. Risk assessment of urban fire of shinjin market.
Figure 13. Assessment results of urban fire simulation.
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