대규모 실내경기장의 성능위주 방재계획에 관한 연구
최 용 석†, 김 형 근, 이 규 일*
최용석건축환경연구소, *한국장애인개발원
A Study on Perfomance Based Evacuation Plan for a Large Indoor-Arena
Yong-Seok Choi
†, Hyung-Keun Kim, Kyoo-Il Lee
*ChoiYongSeok Architectural Environment Laboratory, Suwon 442-833, Korea
*
Korea Disabled People’s Development Institute, Seoul 150-917 Korea (Received August 4, 2011; revision received September 19, 2011)
ABSTRACT: In this study, it was analyzed by a numerical analysis that plan/design consi- derations for ensuring the spectator safety of large arena audiences in a fire emergency evacuation plan. The latest issue, the ‘performance-based design’, fire and evacuation plan is important. But nowadays ‘Specification-based design’ is in common. In evacuation simulation, congestion of exit and aisle is ignored because only evacuation time of large-space is mainly analyzed. In smoke flow,
‘smoke filling effect’ tends to be overrated. From now on, when design a field house, it is needed not ‘smoke filling effect’ and ‘large-space evacuation’ analysis, but analyzing ‘whole building evacuation time’ for ensuring fire evacuation safety of spectator.
Key words: Fire simulation(화재시뮬레이션), Evacuation(피난대피), Performance based design (성능위주설계), B.I.M.：Building Information Modeling(건물정보모델링)
†Corresponding author
Tel.: +82-31-232-9590; fax: +82-31-232-9591 E-mail address: [email protected]
기 호 설 명
t ：강하시간 [second]
C ：비열 [kJ/kgK]
A ：바닥면적 [㎡]
Q ：Reynolds 수,
H ：천장고 [m]
g ：중력가속도 [m/s
2] T ：대기온도 [K]
그리스 문자
ρ ：밀도 [kg/㎥]
하첨자
A ：공간면적(Area) a ：대기(air) s ：연기(smoke)
1. 서 론
1.1 연구의 목적
스포츠시설은 이미 2000년 이상 지어져 온 건축물
이다. 최근의 스포츠시설은 작게는 수천 명에서 많
게는 70,000여 명의 인원을 수용하는 규모로 계획되
고 있다. 최근 스포츠종목의 다양화와 레저산업의
발달로 인해 더욱 크고, 더욱 많은 인원을 수용할
수 있는 건축물이 계획되고 시공되고 있으며, 레저
산업의 지속적인 운영을 위해 많은 스포츠시설이
계절과 기상영향을 최소화하는 실내경기장으로 계 획되고 있다. 실내경기장이 일반적으로 많이 계획 되는 건축물이 아니기에 건축계획은 대부분 많은 검토와 예측, 기존사례들을 통해서 더 나은 건축물 이 되도록 하고 있다.
본 연구에서는 최근 계획된 실내 스포츠시설의 방 재계획에서 최근 실시되는 ‘화재의 성능위주설계’
(2011년 7월 1일부터 시행되는 설계방법으로 기존 의 사양위주 설계 외에 소방설계의 안정성을 입증 하는 설계방법이다. 성능위주 설계는 수치해석 시 뮬레이션 보고서 제출을 의무화하고 있지만 최근에 시행되어 사례가 많지 않다) 검증방법을 적용하여 관객들의 피난대피의 안전성에 대하여 검토하였다.
또한 향후 실내경기장의 방재계획에서 고려해야 할 사항과 검토방법을 제시하였다. 기존의 실내경기장 시설에 대한 연구들에서는 실내경기장의 체적이 매 우 크기 때문에 배연설비 시스템에 대해서 강제하고 있지 않다. 또한 구체적인 검토 없이 ‘축연효과’가 상당하다고 예측하며, 실제 화재사례와 실물실험이 거의 전무하여 현재의 계획/설계방법은 인명안전에 대한 신뢰성관점에서 매우 부실한 실정이다. 본 연 구는 최근의 설계계획안을 통해 방재안정성을 검토 하여 향후 계획될 실내 스포츠시설의 설계에서 방 재계획에 도움이 되고자 한다.
1.2 연구의 방법 및 절차
‘성능위주설계’의 검증방법에서 건축물의 ‘피난대 피’에 가장 불리한 시간은 ‘경기도중 발생된 화재’가 되며, 이 시기에 ‘피난대피행위’가 이루어지면 가장 많은 ‘정체’(시간지연)가 발생하게 된다. 노드링크 모 델의 B.I.M.(Building Information Mo-deling)에서 는 각각의 노드에 대한 유동계수가 매우 중요하며, 각각의 노드의 링크상황을 통하여 건축물의 공간정 보가 구축되게 된다. 건축물의 피난대피안정성을 검증하기위해 더 오랫동안 사용되어 온 Simulex의 경우에는 플로어필드모델(Floor-field Model)로 언 급되며, 공간에서의 ‘유동계수’는 따로 정의하지 않 는다.
특별히, ‘성능설계기준’에서는 시뮬레이션 응용 프 로그램에 대해서는 지정하고 있지 않으나, 일반적 으로 많이 사용되어지는 두 가지 응용 프로그램을 통하여 피난대피시간을 검증하였다. 이를 통하여 최 선의 건축 계획안이 도출 된 후, 이에 적절한 화재
모델을 선정하여 미국 NIST(National Institute of Standards and Technology)에서 개발한 FDS (Fire Dynamic Simulator)5.0 응용 프로그램을 이 용하여 화재시뮬레이션을 실행하였으며, 이를 통해 열기와 기류의 거동을 피난대피 시간과 비교검토 하였다.
최근 ‘성능위주설계’에서 열기의 기준을 60℃로 정 하였으며(소방방재청 고시 제2011-68호, ‘소방시설 등의 성능위주설계 방법 및 기준 고시 제정(안)’), 연기나 유해가스등의 다른 화재요인에 대하여는 가 장 위험한 부분을 통해 ‘검증’토록 하고 있다. 화재 시나리오에 대해서도 가장 위험한 시기에 대해서 언 급하고 있다. 가장 위험한 것은 ‘사망’과 ‘상해’, ‘재 산상의 피해’등의 여러 가지 요인이 있지만, 본 연 구에서는 많은 관객들의 인명안전성에 집중하였다.
1.3 선행연구의 사례
석호태 등은 ‘대규모 실내경기장의 제연방식에 따 른 제연성능 분석’의 연구
(1)에서 실내체적이 매우 큰 공간이라 할지라도 적절한 ‘제연시스템’이 채택 되지 않을 경우, 공간에서 관객들의 ‘안전’에 영향을 미칠 수 있음을 보였으며, 여러 가지 제연방식을 적 용하여 열과 연기의 시간에 따른 변화를 분석하였 다. 최동호 등은 ‘대규모 실내경기장의 소방방재설 비 적용현황 분석’의 연구
(2)에서 국내외 대규모 실 내경기장의 소방방재설비의 적용현황을 조사하였 고, 이 연구를 통해 국내의 많은 실내경기장에 ‘제 연설비’가 적용되지 않았음을 알 수 있었다. 석호태 등은 ‘대규모 실내경기장의 건축적 특성에 따른 피 난소요시간 예측에 관한 연구’
(3)에서 피난대피 응용 프로그램인 ‘BuildingE-XODUS’를 이용하여 출구 의 흐름과 유동계수를 건축적 특성요인으로 정하여 대규모 실내경기장의 피난대피시간 감소방안을 제 시하였다.
1.4 기존 실내경기장의 방재계획 사례
국내 대규모 실내경기장의 방재계획 적용 현황을
분석하기 위해 먼저 5개의 대상시설에 대하여 분석
을 진행하였다.
(2)먼저 광명돔은 2000년에 건립된
경륜장으로써 건축면적은 39,338 ㎡, 수용인원은 최
대 3만 명에 달한다. 광명돔경륜장은 지하 1층, 지
상 5층이고, 최대높이는 49.5 m, 대공간 최대직경은
333.3 m 규모의 대공간이다. 대공간 배연설비는 중 간기 환기 및 가변형 기류유인팬을 적용하여 화재 시 연기에 의한 피해를 고려하였다. 또한, 피난시뮬 레이션 수치해석 결과는 피난완료시간이 260초로 매 우 우수한 수준으로 알려져 있다.
강릉시에 설치된 강릉 피겨쇼트트랙 실내경기장 은 2006년에 계획된 경기장으로 건축면적 12,975 ㎡ 이고, 지하 1층, 지상 5층으로 최대높이 31.3 m의 실내 빙상경기장이다. 고정 및 가변좌석을 포함하 여 총 12,064석으로 피난시간 300초를 고려하여 계 획되었다. 선수와 운영자, VIP 3가지 동선을 분리하 여 별도의 진입동선을 계획하여 피난대피 시 유리 한 평면계획을 반영하였다. 또한, 2층 레벨에 대공 간 concourse를 계획하여 최단시간 내에 안전한 퇴 장 및 피난을 위해 충분한 여유의 통로개수와 폭을 확보하였다.
경산실내체육관은 가장 최근에 신축된 대공간으 로서 2008년 12월에 준공되었다. 건축면적은 12,243
㎡이고, 좌석 수는 5,200여석이지만 최대수용인원은 7,000명에 달하며 지하 1층, 지상 3층으로 이루어져 있다. 경기장의 최대높이는 27.7 m에 달하며 최대 직경은 64.4 m×84.4 m이다. 성능위주 소화설비 반 영하여 계획되었고, 전동 창 개폐를 통한 연기배출 및 가변형 기류 유인팬을 설치하여 초기 화재 시 연 기에 의한 피해를 최소화 하였다. 대공간 피난시뮬 레이션은 135초로 분석되어 양방향 및 중앙부 출입 구 계획을 적용함으로써 매우 우수한 수준으로 알 려져 있다.
무주에 건립예정인 무주태권도 공원으로 2013년 준 공을 목표로 계획되었고, 건축면적 30,508 ㎡에 5,000 여석의 좌석을 배치하였고, 지하 2층, 지상 4층으로 구성되어 최대높이 25 m, 최대직경은 98 m×100 m 으로 계획되었다. 대공간 피난시뮬레이션 결과는 305 초로 분석되었다고 알려져 있다.
OO빙상경기장은 2011년 기본계획(안)으로써 연 면적 12,994 ㎡, 지하 1층, 지상 3층 규모로 총 3,304 명을 수용할 수 있는 빙상경기장으로 2014년 아시안 게임 경기장으로 사용될 예정의 건물이다. 방재계 획으로 피난대피를 위해 2층 레벨에 대공간 con- course를 계획하였고, 통로 폭 및 비상계단의 폭을 확대하여 원할한 피난이 가능하도록 계획에 반영하 였다.
기존의 실내경기장에서의 ‘피난대피시간’은 ‘대공 간피난대피시간’을 사용했는데, 피난대피시뮬레이션
에서 ‘대공간’만을 모델링하여 대공간의 출구까지만 재실자들이 도달하게 되는데 걸리는 시간을 언급하 고 있다. 이는 대공간에서 바로 외부로 나간 것으로 간주됨으로 실제 대공간과 외부통로에서의 ‘정체’가 무시됨으로서 일반적으로 10,000여 명이 3∼4분 이 내에 피난대피가 가능하다는 오해가 가능하다. 실 제로는 건축물 전체에 대한 피난대피시뮬레이션이 적용되지는 않은 것으로 판단된다.
2. 수치해석 분석의 개요
2.1 실내경기장의 방재계획
대규모 실내경기장의 방재계획의 특성은 소규모 일반건축물과 달리 일정면적단위의 방화구획 확정 이 불가능하다. 화재발생시 타 영역에의 화재 및 연 기의 확대를 한정하는 방화구획이 불가능함으로 대 공간 내부에서의 연기의 거동과 많은 인원의 원활 한 피난대피가 계획의 주안점이 된다. 연기제어의 방법은 기계적인 시스템을 일부 도입하는 경우가 있지만, 대부분의 경우 공간의 체적이 매우 큼으로 인해 ‘축연’이나 ‘자연배연’시스템을 채용하고 있다.
대부분의 계획안에 대해서 ‘피난대피시뮬레이션’이 실행되어 있으나, ‘(대공간)피난시간’이 검토된 경우 가 많다. 대부분의 경우에 ‘(대공간)피난시간’과 ‘(전 체)피난시간’이 정확히 명시되지 않아 전문가들이 아닌 경우 그 피난대피성능의 차이나 안전지대까지 의 거리, 관객들간의 정체에 대해서 정확히 파악되 지 못하는 실정이다.
본 연구의 분석대상의 OO실내경기장의 경우 초 기 현상설계 당선안이 적정한 피난시간 확보 및 방 재계획에 대한 고려가 미비하였다. 따라서 계획안 을 대상으로 성능설계위주의 실시설계과정에서 아 래와 같은 시뮬레이션을 적용 분석하여 적정한 피 난계획을 수립하였다.
2.2 OO실내경기장의 건축개요
2014년 준공예정인 OO실내경기장의 경우, 사양
설계기준인 건축법규 39조, 시행령 34조에 의거한
직통계단기준을 지켜서 적법한 개소의 계단을 설치
하였으나 직통계단의 크기가 작아서 관객들의 이동
에 정체가 심각하게 발생하였다(현행 건축법규에
의한 1차 설계안은 수직이동 및 대피용 계단 4개소
Table 1 Sectional plan of building
Section Sectional planVertical
Horizontal
Table 2 Floor plan of building
Floor Floor planB1
1
2
3
설치와 계단의 최소 폭 1.2 m를 적용하였다). 시행
령 38조에 의거하여 관람석에서의 출구를 설치하였 으며, 출구의 유효넓이 또한 기준이상으로 하였으 나 ‘정체현상’이 발생하였고, 심각한 피난대피지연 현상이 예측되었다(2차 설계안에서 최소폭을 1.8 m 로 확장하였다). 시행령 39조에는 2개소 이상의 외부 로의 출구를 두도록 하고 있는데, 본 대상 건축물은 6곳의 출구를 두고 있다(3차 설계안에서 2개소의 피난계단을 추가하였다). 시행령 48조에서는 계단의 폭을 1.2 m 이상으로 규정하고 있는데, 대부분의 초 기계획안이 이 항목에 의해서 ‘피난대피장애’가 발 생하는 것으로 판단된다. 건축물의 최종 설계안의 도면은 Table 1, Table 2와 같다.
2.3 최종 설계안의 피난대피 시뮬레이션 계획
계획원안의 경우, 사양설계위주의 계단의 폭과 개 수를 준수하여 설계되었으나 최초의 계획안에 대하 여 피난대피 시뮬레이션을 수행한 바, 관객 3300여 명의 전체피난대피종료시간은 19분에 달하였다. 정 체되는 구간에 대해서 계단의 폭을 넓히고, 추가되 는 외부 피난경로를 추가하는 등의 4차례에 걸친 설계개선의 결과 최종 피난시간은 10분정도로 예측 되었다. 빠를수록 좋은 것이 ‘피난대피시간’이지만, 기존의 설계안을 완벽하게 바꾸는 것이 불가능한 것이 설계의 현실이며, 계획/설계의 입장에서는 최 선의 설계안을 내는 것이 중요하다고 판단된다.
피난대피 수치해석에 사용된 응용 프로그램은 ‘Si- mulex’와 ‘buildingExodus’를 모두 활용하였다. 두 가지 응용 프로그램은 건축물의 공간정보를 모델링 하는 방식이 다르기 때문에 피난대피의 수치해석결 과 또한 정확히는 다르게 나타난다. 특히, ‘building
Exodus’의 경우, 건축공간의 모델링 방식에 따라서 피난대피시간은 매우 크게 차이가 날 수 있다. 현업 에서는 ‘피난대피시뮬레이션’에 대한 검증이 요구되 는 프로젝트들이 많이 있지만, 사용 응용 프로그램 에 따른 모델링 방식과 그 차이에 따른 ‘결과 값’의 차이가 현재에는 많이 인식되지 않고 있다. 국내에
‘피난대피 응용 프로그램’의 사용자가 많지 않고, 근
본적으로는 ‘성능위주설계’보다는 일반적인 건축물
을 검토하기 위한 ‘사양위주 설계’를 준수하였는가의
사항이 건축물의 인허가제도에서 ‘주요검토 사항’으
로 활용 되고 있기 때문이라 생각한다.
Simulex의 경우, CAD 기반의 도면에서 점과 선, 문자 등을 포함한 모든 입력요소를 하나의 공간 (floor-field)요소로 인식하고, 빈 공간을 모두 이동 가능한 공간으로서 단순하게 공간정보를 모델링하 게 된다. 각각의 층에 대하여 ‘계단’을 이용한 ‘링크’
가 부분적으로 사용되어 모델링이 매우 단순하며, 매우 직관적인 도면요소로 결과 값을 알 수 있다.
buildingExodus의 경우에는 공간의 모델링을 일정 한 규모의 사각형(node-0.5 m⨉0.5 m)으로 정하여 각각의 노드들에 ‘특성’(이동의 제한요소 및 이동속 도)을 줄 수 있다.
floor-field model에 비하여 node-link model의 경우 연산속도가 줄어든 연산 개수만큼 빠르게 되는 장점이 있지만, 공간요소인 도면을 통해 다시 층간 의 연결 외에 공간의 수치모델을 작성해야하는 번 거로움이 있다. 일반적으로 숙련된 엔지니어가 작 업을 할 경우에도 simulex에 비해 buildi-ngExodus 의 모델링이 최소 5배 이상의 모델링 시간이 소요 된다. 본 연구에서는 두 가지 응용 프로그램의 수치 모델링의 차이와 분석시간의 차이, 피난대피시나리 오의 적용성에 대해 추가적인 연구를 계획하여 동 일 계획안의 피난대피시뮬레이션을 수행하였다.
2.4 화재시뮬레이션의 개요
화재시뮬레이션은 피난대피시간의 유효성을 확 인하는 가장 명확한 방법이다. 간이 ‘연기강하식’을 통해서 공간의 체적을 통해 실내부에서의 피난안전 여부를 판단하게 된다. 여기서 공간의 구조를 각각 의 체적을 가진 몇 개의 존 모델(zone-model)로 구 축하여 연소반응과 위험물질의 확산, 열의 복사등 을 ‘실험식’과 ‘이론치’를 결합하여, 빠르게 컴퓨터 로 해석하는 화재시뮬레이션을 수행할 수 있다. 이 에 대한 식은 다음 식(1)～식(3)과 같다.
(1)
(2)
(3)
대표적인 것이 NIST에서 개발한 CFAST로 빠르
게 공간에서의 화재위험성을 예측할 수 있다. 최근 에는 컴퓨터의 연산속도향상과 Graphic Visual기능 의 발달에 힘입어, CFD(Computational Fluid Dy- namics：전산유체역학)를 이용한 수치해석이 많아 지고 있다. 범용의 CFD 응용 프로그램 대부분은 ‘열’
에 의한 ‘화재모델’을 탑재하고 있으며, 미국 NIST 에서는 화재시뮬레이션을 위한 CFD 응용 프로그램 인 FDS(Fire Dynamic Simulator)를 개발하여 보급 하고 있다. 본 연구에서는 FDS 응용 프로그램을 이 용하여 화재시뮬레이션을 수행하였다.
3. 수치해석의 결과 분석
3.1 피난대피 시뮬레이션의 결과 검토
피난대피 시뮬레이션을 위해서 각층에 재실자 3,310 명을 Table 3과 같이 배치하였다. Simulex의 경우 CAD도면을 통해 이동이 가능한 공간에 대해서 비 워두고 이동이 불가능한 부분은 도면요소를 남겨두 면 되며, 최종출구와 각층으로 연결되는 계단과 연 결링크부분을 모델링해주면 된다. buildingExodus 의 경우 사람들이 이동가능한 부분에는 연결되는 노드(Table 3의 녹색부분)를 만들어주고, 각각의 노 드는 어떤 노드로 연결되는지 링크를 해주어야 한 다. building-Exodus는 의자요소를 평면노드에 구 현할 수 있어서 의자장애물로 인한 시간지연과 의 자노드에 사람의 배치가 가능하지만, Simulex는 의 자라는 개념은 따로 존재하지 않아서 사람들을 배 치할 수 없는 방애물로 모델링하여야 한다. 계단부 분과 최종출구의 모델링은 Simulex와 유사하다.
재실자 조건을 같게 하여 피난대피시뮬레이션을 수행한 결과 Simulex의 경우 10분 10초의 피난대피 시간이 소요되었고, buildingExodus의 경우 10분 3 초의 피난시간이 소요되었다. 전체피난시간에서는 약 10초 정도의 차이를 보였다. Simulex의 경우 3명의 인원이 몇 번의 수정된 인원배치를 하였음에도 벽 과 계단등에 끼어서 움직이지 못하였고, building Exodus의 경우에는 시뮬레이션을 수행할 때 마다 약 5초 정도의 편차가 발생하였다. 다음 Table 4는 2층의 피난 상황을 나타낸 것이다.
전체피난대피시간의 소요시간을 놓고 볼 때에는
큰 시간차이가 없지만, 화재시뮬레이션을 통해 피
난대피인들의 안전성을 검토하기 위한 주요한 시점
(연기가 3층 바닥까지 도달한 시간, 2층 바닥까지
Table 3 Initial condition of evacuation simulation
Floor Simulex buildingExodus
B1
1
2
3
Table 4 Evacuation condition of 2
ndfloor
Time Evacuation condition
Simulex BuildingExodus
180
2층 피난대피 중 2층 피난대피 중
300
우측 하단 관람석 관람객 피난 완료 우측 관람석 관람객 피난 완료
480
2층 피난완료 계단 부분 정체
540
2층 피난완료 계단 부분 정체
Fig. 1 Constructed Flow field mesh model by FDS 5.0.
도달한 시간등)에서는 상당한 차이가 발생하였다.
피난대피가 시작된 후 180초가 지난 시점에 연기의 영향을 가장 먼저 받게 되는 3층 관객들의 대피시 간이 Simulex model의 결과 치와 buildingExodus model이 다르게 나타났다. 180초 3층 피난상황을 비 교해 보면, 계단부분에서의 정체로 인해 buildingEx- odus model에서는 3층 피난대피가 완료되지 않고 있다.
300초가 경과한 후 buildingExodus model에서는 3층 관객들의 피난대피가 VIP 관객석을 제외하고 완료된다(VIP 피난경로에는 방화구획, 제연구획이 반 영되었다). VIP 관객들의 피난대피 완료는 480초가 지나서야 가능한 것으로 예측되었는데, 그 이유는 11시 방향의 출구가 3층부터 1층의 최종 피난출구 까지 계단으로 이어지기 때문이다. 계단 내부에서의 정체가 피난대피의 마지막 시간까지 이어지게 된 다. 180초대와 300초대의 2층 피난상황을 보면, 정 체된 형상은 거의 비슷한 양상을 보이지만 3시 방 향 출구로의 이동상황을 보면, 동일 평면에서 수평 이동은 buildingExodus가 조금 더 빠르게 모사하는 것을 알 수 있다.
3.2 화재시뮬레이션의 결과검토
본 연구에서는 화재시뮬레이션을 미국 NIST에서 개발한 FDS5.0을 이용하였다. FDS5.0은 공개되어 누구나 사용할 수 있으며, 후처리는 smoke-view 라 는 응용 프로그램을 이용하여 빠르고 강력하게 처리 할 수 있다. 다른 상용 CFD 응용 프로그램에 비해 전처리과정에서 건축물의 공간정보를 통해 유동장 (Dynamic Field)을 만듦에 있어 trimmer mesh(육 면체로 이루어진 형태) 1가지만을 지원한다는 것이 단점으로 지적된다. 또한 유동장의 형태를 만드는 GUI(Graphic User Interface)를 제공하지 않기 때문 에 text기반의 수치적 공간모델을 구축하는 과정이 매우 어렵다. GUI 기반의 상용 응용 프로그램으로 PyroSim이 있으나 FDS5.0 Solver에서 trimmer mesh 만을 지원하기 때문에 원형이나 라운드형태, 경사 형태 등의 다양한 공간요소를 모델링하는 것이 어 려운 단점이 있다.
Fig. 1은 화재시뮬레이션을 위해 구축한 mesh 모 델이다. 지하를 제외한 1층, 2층, 3층을 각각 61 m ×
30 m × 6 m, 78 m × 57 m × 6 m, 78 m × 67 m × 6 m의 직사각형 체적으로 구성하였다. 2층에는 공기유입 구로 50 m × 1 m, 지붕에 인접한 벽면에서 자연배연
구로 1 m × 1 m의 창을 220개 열어놓은 것으로 가정 하였다. 화원의 크기에 대해서 아직은 국내에 정확 한 기준은 없다. 현재 화재하중의 선정에 대한 연구 가 진행 중(5)이며, 기존의 연구(1)에서는 5 Mw를 화재하중으로 선정하였기에 본 연구에서는 3 Mw, 5 Mw를 화재의 크기로 선정하여 수치해석을 수행 하였다(기존의 연구(1)에서의 대규모 실내경기장의 체적은 약 170,000 m
3이며, 본 연구 대상의 실내경 기장 체적은 약 69,012 m
3이다). 화원의 위치는 2층 객석으로 중앙에서 1시 방향에 위치하는 것으로 가 정하였다(Fig. 1 붉은 점 참조).
화재시뮬레이션은 유동장내에서의 기류운동을 Na- vier-Stroke 방정식에 의해 해석하게 되며, 화재의 경우 시간의 변화에 따른 공간내부로의 열에너지의 발산과 발산된 열류에 의한 기류흐름의 운동에너지 가 주된 기류의 원인이 된다. 화재의 크기와 기류는 주로 ‘열’에 의해 지배받게 됨으로 공간내부에서의 열 분포 및 기류는 화원의 크기가 매우 중요한 요 소가 된다. 향후, ‘성능위주설계’에서는 ‘적절한 화 원의 크기’가 이슈가 될 수 있을 것으로 판단된다.
Table 5를 통해 10분 동안의 실내경기장에서의 온 도분포의 변화를 보면, 3 Mw급의 화재가 일어났을 경우에는 현재설계의 자연환기 배기구가 충분히 적 절한 것으로 판단되며, 5 Mw급의 화재가 발생하게 되면 실내에 더 많은 배연구나 기계제연시스템이 추가로 필요할 것으로 판단된다.
3.3 관객들의 피난대피 안정성 검토
화재시뮬레이션 결과 화원의 크기가 3 Mw일 경
우, 실내경기장 상단에 자연환기구를 개폐한 조건
만으로 관객들의 안전한 대피를 위한 시간조건이
Table 5 Temperature of different fire load
Time Fire load
3 Mw 5 Mw
180
300
480
540
600
Fig. 2 Temperature of 5 Mw fire load at 180 sec.
Fig. 3 Temperature of 3 Mw fire load at 180 sec.
만족되는 것으로 판단되었다. 그러나 기존의 연구
(1)에서 정한 5 Mw급의 화재를 가정했을 경우, 180 초의 상황에서 3층의 관객들의 피난대피에 문제가 발생될 것으로 판단된다. 화재의 뜨거운 열기는 천 장부분으로 누적되며, 더운 열기의 온도차에 의한 부력으로 인해 천장 부분부터 더운 열기가 하강하 게 된다. 이를 위하여 최근 ‘성능기준설계’에서의 열 기의 안전조건으로 60℃가 고시되었다.
FDS 시뮬레이션의 180초 상황으로 체육관 내부 의 온도분포를 검토해 보면 Fig. 2, Fig. 3과 같다. 3 Mw급 화재가 발생한 경우, 연기의 열기가 180초가 지난시점에 관객들의 안전에 위협이 되는 상황이 아닌 것으로 판단된다. 하지만, 천장의 온도분포를 검토해 볼 때에 열 감지방식의 화재경보기가 설치 되었다면 180초가 지난 상황에도 화재를 자동으로 검출하지는 못할 것으로 판단된다. 대공간이기 때 문에 화재경보기의 방식과 설치위치, 공간내부에서 의 온도설정과 관련된 부분의 소방설비 계획의 분 야에도 유용한 데이터로 ‘성능위주설계’의 기초자료 로의 검토가 가능할 것으로 판단된다. Table 4의 피 난대피상황을 보면(simulex model의 180초 상황은
피난대피완료), 3층에서 2층으로 이어지는 3층 남측 객석 계단에서 정체가 발생하여 피난대피가 진행 중인 것을 알 수 있다. 또한 북측 VIP 객석의 관객 들은 제연/방화구획내부에 진입하였으나 2층에서 1 층 최종 피난대피출구까지 이어지는 계단 내부의 정체로 인해서 계단입구에서 정체가 일어나고 있음 을 알 수 있다. 180초까지의 상황에서는 Simulex model의 피난대피의 경우에는 5 Mw급의 화재가 발생하여도 인명피해 없이 피난대피가 진행 중이지 만, buildingExodus model에서는 3층에서 이미 인명 피해가 발생하는 것으로 판단된다. Fig. 4, Fig. 5은 300초가 지난 시점에서 실내의 온도분포를 나타낸 것 이다. 연기의 열기가 300초가 지난시점에서는 5 Mw 급 화재가 발생한 경우 관객들의 안전에 위협이 되는 상황으로 판단된다. 300초가 지난 시점에 Simulex model에서의 피난대피는 2층에서 진행 중이다(Ta- ble 4 참조).
3 Mw급 화재에서는 simulex model, buildingEx-
odus model 모두 관객들에게 영향을 미치지 않지
만, 5 Mw급 화재에서는 Simulex model의 경우라
할지라도 300초가 지난 시점에 많은 피난대피인원
의 안전에 위협을 준다.
Fig. 4 Temperature of 5 Mw fire load at 300 sec.
Fig. 5 Temperature of 3 Mw fire load at 300 sec.
현재의 설계안에 의해 자연배기구 220 ㎡를 통해 배연이 일어나고 있다하여도, 화재의 크기가 5 Mw 급이라면 Fig. 4의 300초 시점의 실내기류온도와 Table 4의 피난대피상황을 통해 많은 인원의 ‘피난 대피안전성’에 위협을 받게 되는 것을 예측할 수 있 다. 본 설계안에서 5 Mw급의 화재를 상정한다면, 추 가로 기계적 ‘제연설비’가 갖춰지거나 ‘자연환기구’
의 면적증가가 필요하지만 현재 ‘제연설비’는 실내 경기장에 의무적으로 설치해야하는 설비는 아니다.
4. 대규모 실내경기장의 방재계획 고찰
본 연구에서는 대규모 실내경기장의 방재계획에 대해서 최근 이슈가 되고 있는 ‘성능위주설계’ 방법 을 통하여 관객들의 피난대피안전성에 대하여 수치 해석을 수행하였다. 실제 지어지지 않은 건축물에 대해서 ‘성능예측’을 하는 것과 실시설계 과정 중에
‘성능기준’을 위해 설계변경을 하는 것은 횟수가 많 아질수록 경제적 부담이 커지는 일이다. 그러다보 니, 실제 피난대피에 걸리는 현실적인 시뮬레이션 보다는 매우 애매한 ‘(대공간)피난시간’과 같은 개 념(‘거실 피난시간’의 개념)이 널리 사용되고 있는
데, 명확히 ‘거실피난시간’과 ‘전체피난시간’이라는 개념을 구분하여 사용할 필요가 있다.
‘(대공간)피난시간’은 실제 시뮬레이션이 특정 공간 만을 대상으로 함으로 인해 피난대피 인원들이 ‘출 구’에 도달하게 되면, 연산의 대상이 아닌 것으로 산정되며 공간을 차지하지 않고 사라지는 것으로 연산된다. 실제로는 출구 앞에 누적되어 있는 사람 들이 뒤따르는 피난 대피관객에게 영향을 주지만,
‘대공간피난시간’에서는 이들은 고려하지 않게 되고 현실적이지 않은 ‘피난대피시간’을 통해서 ‘안전한 건축물’이 되기 쉽다. 대규모 실내경기장에서 명확 한 제연구획이 이뤄지지 않은 경우가 상당함으로 대공간의 출구도달시간까지를 ‘피난시간’으로 산정 하는 것은 적절치 못한 시뮬레이션이 된다((1)출구 에 나간후의 정체무시, (2)출구 이후의 제연 및 방 화구획문제).
피난대피시간의 시뮬레이션 응용프로그램에 따른 대피시간의 차이는 Simulex model과 building-Ex- odus model에서 다르게 나타났다. 평면에서의 이동 은 buildingExodus의 node-link model이 더 빠르게 나타났으며, 계단의 수직이동에 있어서는 Simulex 의 floor-field model이 더 빠르게 나타났다. 전체피 난시간은 거의 비슷하게 나타났다. 이것은 노드와 노드의 연결에 있어 대각선 방향에서의 연결특성에 따른 차이로 판단되지만, 아직 국내의 피난대피 응 용 프로그램의 개발에 대한 명확한 이동거리의 B.I.M.
model의 연구가 부족하여, 향후 추가로 연구되어야 할 부분이라 생각한다. buildingExodus의 경우에는 변수 값(재실자의 특성)을 달리 줄 수 있는데, 본 연구와는 별도로 대상 공간 내에 같은 수의 인원을
‘Random’(무작위)으로 배치해 본 결과 관객들이 모 두 객석부에 배치된 경우보다 약 20% 정도 빠른 전 체피난대피시간이 산출되었다. 또한 전체 피난대피 인의 약 20%를 50∼80세의 노인으로 배치한 경우 전체피난대피시간은 약 2배 정도로 늘어났다.
공간모델의 이동부분에 대해서는 ‘무장애인증제 도’와 관련하여 몇몇 연구들이 진행되고 있는데, 건 축 법규상의 ‘장애인시설’의 의무조항에 의거한 공 간의 수치분석 또한 가능할 것으로 판단되었다. 장 애인의 이동에 따른 피난대피시간의 증감요인이 추 후에는 ‘성능위주설계’의 요인이 될 수 있다. 아울 러, 시뮬레이션의 조건에 따라 ‘결과 값’이 상당히 달라질 수 있음으로 보다 안전한 설계를 위해서는
‘시뮬레이션’의 조건에 대한 부분들이 좀 더 구체화
되고, 그 결과를 검증할 수 있는 전문 인력의 공급
도 시급한 실정이다.
5. 결 론
실내경기장 관객들의 피난안전성을 확보하기 위 해서는 초기 건축계획 과정에 화재 및 피난대피시 뮬레이션을 통해 피난 적정성을 병행 검토할 필요 가 있다.
(1) 관객들의 이동측면에서 현행 사양위주설계의 계단 및 통로기준으로는 피난안전성을 확보하기가 매우 어려운 실정이다. 피난대피 시뮬레이션의 활 용측면에서 보면 ‘(대공간)피난시간’이 널리 사용되 고 있다. 실내경기장의 경우에는 재실인원이 매우 많기 때문에 피난대피 시뮬레이션 대상 공간에서 나간다고 하더라도 문 또는 계단의 공간에 정체 되 는 인원이 많아서 ‘전체피난시간’의 검토를 의무화 할 필요가 있다.
(2) 화재의 제연측면에서는 실의 체적이 과다하 게 평가되어 ‘축연효과’과 광범위하게 받아들여지는 경향이 있다. 이것은 ‘화재의 규모’에 관련되는 바,
‘성능위주설계’ 방법이 객관성을 갖기 위해서는 ‘화 재하중’에 대한 명확한 규정이 필요하다. 특히, 선행 연구
(1)의 5 Mw급 화재를 적용한 것과 3 Mw급 화 재의 결과 값을 비교할 경우, ‘축연효과’의 측면에서 는 초대형 실내경기장보다 중대규모나 중소규모의 실내경기장이 훨씬 더 화재 시 위험할 수 있을 것으 로 판단된다. 실내경기장의 경우에는 무대부의 바 닥면적기준이 아닌 ‘성능위주설계’로 의무화할 필요 성이 있을 것으로 판단된다.
(3) 해외의 실내경기장의 경우 축연효과가 널리 사용되는데, 이는 실내경기장이 돔 형태로 설계되 어 경기장 상층부에 상당한 축연공간이 형성된 경 우에 해당한다. 최근 우리나라에서는 경제성과 구 조적 안정성, 디자인적 측면에서 실내 경기장이 돔 형태가 아닌 평지붕 형태로 계획되는 경우가 대부 분이다. 이 경우 축연효과가 이루어지기가 매우 어 려워진다. 따라서 초기 계획안에서 구조 및 디자인 검토 단계에서도 방재측면에서의 검토도 같이 진행 되는 것이 필요할 것으로 판단된다.
후 기
본 연구는 최용석건축환경연구소의 자체 연구비 집행으로 수행한 연구과제입니다.
참고문헌
