Ⅰ. 서 론
1. 연구의 개요
건물화재로 인한 대규모 인원이 대피하고 화재로 인해 부상 또는 사망자가 발생하는 등 재난 상황이 많이 발생하고 있다. 고층 건물이나 다양한 생활이 가능한 복합시설물에서 화재가 발생했을 때 대피경로를 인지 하는 사람이나 인지하지 못하고 있는 사람 모두 화재로 인해 목숨의 위협을 받게 되며, 대규모 인명피해가 될 수 있어 국내에서는 화재대피훈련, 비상벨 등의 필요성이 대두되고 있다. 화재 발생 후 화재 현장에 대해 분석해보면 평소에 소방안전점검 실시 여부, 스프링클러 정상 작동 여부, 화재 발생 대피경로가 표기된 설계 도면의 시인성 등 위기 상황의 대처방안이 제대로 구축되어 있는지에 대한 의문점을 제기하게 된다. 건물에 대한 문제, 소방차의 골든타임 문제, 안전장치 여부 등 다양한 원인이 있으나 가장 핵심적인 부분은 대피 출 구 위치나 안전장비 위치 등이 설계된 건물 구조이다.
대부분 화재로 인한 인명피해의 원인은 질식사이며, 발화점으로부터 가장 가까운 곳에 있던 사람은 목숨 을 위협하는 유독가스의 위험성이 높아 안전장치가 제대로 작동되더라도 화재로 인한 높은 열과 유독가스로 사람들은 숨쉬기가 어려워 대피하지 못하고 목숨을 잃게 된다. 다양한 건물들이 구축되는 요즈음 시대에 화 재로 인한 인명피해와 재산 피해 등 화재피해액을 줄이기 위해서는 건물 특성과 보행 특성을 고려하여 열과 유독가스로부터 안전하고 빠르게 대피할 수 있는 대피경로가 필요할 것으로 판단된다. 특히, 화재 발생으로 생성되는 높은 열과 연기 속 유해 물질들의 배출 정도를 산정함으로써 대피가 필요한 최소시간을 분석하여 효율적인 대피계획이 이뤄져야 한다.
본 연구에서는 건물 구조물 내 화재 발생 시 긴급 상황에 대한 인지 여부와 화재 발화점으로부터 대피경 로의 안전성에 대한 시뮬레이션 분석을 수행하고자 한다. 이를 위해 사람 행태를 반영하여 분석이 가능한 VISWALK 모델과 화재 발생에 따른 발화점 구현이 가능한 Fire Dynamic Simulator(FDS) 모델을 활용하고자 한다. 건물 내 사람들이 화재를 인지하고 대피를 시작하는 시간을 분석하고 대피경로에 대해 인파가 밀집되 는 곳은 없는지 등 시뮬레이션을 통해 안전한 건물 설계를 위한 위험 요소들을 파악하고자 한다.
2. 연구의 방법론
화재 발생에 따른 사전 시나리오 시뮬레이션 분석을 위해 먼저 Micro(미시적) 측면의 보행자 분석이 가능 한 VISWALK 모델을 활용하여 건물 내 보행공간, 장애물, 층수 등 구조물 정보와 Social force model 기반 보 행자 행태를 구축하였다.
화재 발생 이벤트를 구현하기 위해 NIST(National Institute of Standards and Technology)에서 개발된 FDS 모 델을 활용하였으며, 화재 발화점에 대한 정보와 건물 구조물에 대한 정보가 VISWALK 모델과 연계하여 화 재 발생 상황을 구현하였다. FDS 모델은 화재의 진화를 설명하기 위해 건물의 구조물을 파악하고 화재로 인 한 연기와 열전달에 중점을 두어 수치적으로 시뮬레이션 분석이 가능한 모델이다.
VISWALK 모델에 구축된 FDS 모델을 통해 건물 구조물 내 화재 발생에 따른 대피 분석 시나리오를 구상 하여 시뮬레이션을 수행하였다.
Ⅱ. 이론적 고찰
건물마다 화재 발생 시 대피하는 상황, 위험한 상황 등이 각각 다르고 이에 대한 대책을 마련하기 위해 대 피 시뮬레이션 연구가 진행되고 있다. 다양한 건축물을 고려하여 대피 시뮬레이션 관련 연구를 검토하였다.
Ha(2013)은 재난 상황에서의 대피 시 대피자들의 신체 영역, 인지 영역, 대피경로, 대피 시 보행속도, 등의 개개인에 따라 다양한 대피 특성을 고려한 미시적(Microscopic) 범위의 보행자 대피 행동 모형을 개발하였다. C++ 기반으로 개발된 P-Sim 프로그램으로 시뮬레이션을 구현하여 대피에 대한 개개인의 평균 통행시간, 통 행속도 등을 확인할 수 있었다.
Kim et al.(2013)은 국내에서는 피난 시뮬레이션을 자체 개발하기보다는 외국의 툴에 의존하고 있어서 국 내의 실정에 맞지 않아 큰 한계를 가지고 있다고 하였다. 이 연구에서는 건축물의 특성, 재실자의 피난 능력 등 여러 특성을 종합적으로 검토하여 국내 특성에 부합하는 피난 시뮬레이션을 개발하기 위한 기초자료 및 연구의 방향을 제시하였다.
Shin et al.(2010)은 재난 상황 발생 시 인명피해를 줄이기 위해 진출입구 및 비상구의 개수 변화, 폭 변화, 위치 변화 등이 보행자 대피시간에 미치는 영향을 Social Force Model을 활용하여 그 결과를 분석하고 결과 에 따른 대책 향상 방안을 제시하였다. 이 연구에는 보행자의 최대 대피시간을 분석하였고 화재에 따른 유해 물질의 확산속도, 피해자 수 등은 고려하지 않았다.
Jang(2010)은 화재 시 대피경로를 위해 A* 알고리즘을 사용하여 밀집도, 연기 농도, 온도 등 변수에 의한 탈출속도를 계산하여 최적경로를 분석하였다. 또한 2D 시뮬레이션을 기반으로 한 소프트웨어들을 보완하여 일반 사용자들에게 가시적인 효과를 높이기 위해 윈도우 플랫폼에서 C++과 DirectX 9.0c를 사용하여 3D 시 뮬레이션을 구현하였다.
Chung(2016)은 실내 건축공간 구조에서의 화재양상과 온도분포를 고찰하기 위해 Computational Fluid Dynamics(CFD) 기반의 소프트웨어인 FDS 모델을 이용하여 시뮬레이션 연구를 수행하였다. 시뮬레이션 결과 로 화재 조건에 따른 실내 건축공간 구조에 대한 Information Building Technology(IBT) 설계와 화재양상의 예 측에 유용하다는 것을 알 수 있었다.
Oh et al.(2016)은 재난 인지 시간과 피난 경로에 대한 사전교육 등의 변수를 반영하는 4가지 시나리오를 개발하였다. 각각의 피난소요시간(RSET : Required Safe Egress Time)과 피난가능시간(ASET : Available Safe Egress Time)을 화재 시뮬레이션 소프트웨어 Pyrosim, 대피 시뮬레이션 소프트웨어 Pathfinder를 사용하여 대 학기숙사를 사례로 다중생활시설에서의 피난 안전성을 평가하고 개선하는 방안을 제시하였다.
Jung and Kim(2020)은 불특정다수가 이용하는 공공시설물에서의 화재 시 재실자에게 피난 안내를 제공하 는 시스템 개발을 위한 실험을 보여주었다. 화재 시 대피를 위한 최적경로 찾기에 활용될 수 있도록 공간 내 에서의 재실 인원을 구분하고 다수의 출구를 통해 피난하는 모습을 시뮬레이션으로 연출하였다.
기존 문헌을 검토한 결과, 화재나 재난 상황별 대피경로를 분석하기 위해 다양한 시뮬레이션을 활용하거 나 프로그램을 개발한 것을 확인하였다. 특히, 시뮬레이션을 통해 실내 공간에서 화재에 따른 발생 물질의 변수를 고려하여 보행자가 대피하기 위한 인지시간이나 대피시간을 산정하여 이용자에게 검증된 안전한 대 피경로를 제공할 필요성을 확인하였다.
Ⅲ. 방법론
본 연구에서는 VISWALK 모델을 활용하여 보행자 행태를 구현하고 FDS 모델의 화재 변수를 화재 발화점 에 입력하여 화재 발생에 대한 시뮬레이션 분석에 활용하였다.
1. 보행 모델 구축
먼저 건물 내 실제 보행자 행태를 반영한 Social Force Model의 변수를 정의하여 시뮬레이션 네트워크를 구축하였다. Social Force Model 주요 변수로는 Tau(보행자 반응시간), Sociso(보행자 간 힘을 조절하는 요인), SocMean(두 보행자 간 사회적인 힘의 강도를 조절하는 요인) 등이 있으며, 보행자 밀도가 높을수록 보행자 간 충돌, 밀침과 같은 마찰이 발생하게 된다. 보행속도에 의한 자신의 추진력(driving force), 보행자 간, 보행 자와 장애물 간 마찰 효과(repulsive effects), 보행로 주변 환경에 의한 관심 효과(attractive effects)로 구분되며, 그 식은 다음과 같다.
여기서,
2. 화재 발화점 구축
화재 발생을 구현하기 위해 FDS 모델을 활용하여 화재 발화점(FDS Mesh)의 정보를 설정해야 한다. 화재 발화점은 직육면체로 설정하고 위치 계산식은 (2), 화재 발생으로 노출 정도를 계산하는 식은 (3)과 같다. 이 렇게 화재 발생 위치 정보나 화재 가스에 대한 표출 및 분석 정보가 포함된 파일(,fds file)을 구축하게 된다.
여기서,
3. 화재 가스 분석
건물에서 대피하는 동안 화재 발생에 따른 열이나 가스, 가스의 농도 등을 나타내는 FED(Fractional Effective Dose) 및 FIC(Fractional Irritant Concentration) 값을 계산하여 분석을 수행한다. FED의 Dose는 보행자 가 화재 가스와 같은 물질에 노출될 때 시간이 지남에 따라 축적되는 양을 말하며, 회복이 안되어 시간이 지 날수록 유지되거나 증가되는 수치이다. FIC의 Concentration은 보행자가 직면한 순간적인 물질의 농도로 회복 이 가능하여 몸에 축적되지 않는 것을 말한다. 즉, FIC 값은 시뮬레이션 실행 과정에서 증가하거나 감소할 수 있는 수치이다. FED 값을 통해 열이나 질식제(CO, CO2, HCN 및 O2 부족)에 대한 값이고 FIC 값은 자극 성 가스(HCI, HBr, HF)에 대한 농도이다. 화재 발생에 자극을 주는 물체에 대한 농도를 측정하는 FIC를 활용 하여 FED 값을 검증할 수 있다. FIC 식은 다음과 같다.
보행자 행태와 화재 발화점을 입력한 뒤 미시적 시뮬레이션을 통해 화재 발생 시 발생하는 유독가스에 대 한 가스의 자극성 가스 농도 비율과 사람이 반응할 수 있는 무력화 정도를 분석할 수 있다. 식 (4)와 같이 산 소, 일산화탄소 등 가스의 종류와 온도, 화재로 인해 발생하는 그을음 정도나 열확산 정도 등 화재 발생 관 련 지표를 산정하여 화재 가스의 위험성(농도)을 확인할 수 있다.
여기서,
-
FEDCO = 화재 가스 농도 계산을 위한 일산화탄소량
-
FEDCN = 화재 가스 농도 계산을 위한 시안량
-
= 화재 가스 농도 계산을 위한 질소산화물량
-
FLDirr = 화재 가스 발생에 따른 치명적인 치사량
-
= 이산화탄소의 열확산 정도(열기 방출 속도)
-
= 화재 가스 농도 계산을 위한 산소량
화재로 인해 발생되는 각 가스의 양은 아래와 같이 계산된다.
4. 시뮬레이션 분석
화재 발생 시 사람이 반응할 수 있는 최소 안전 수치를 고려하여 인지하였을 때 대피 여부를 파악하기 위해 시뮬레이션 분석을 수행하였다. 시뮬레이션 내 보행 행태는 일반적인 보행자 행태를 반영한 Social Force Model이 적용된 VISWALK 모델을 활용하였다. 또한, FDS Guide를 고려하여 FED 유독가스(Asphyxiant gas) 최소 안전 수치는 0.2, 열기(Convective heat) 최소 안전 수치는 0.25, FIC 최대값은 0.3으로 설정하여 분석하였다.
Ⅳ. Case Study
1. Simulation 분석 내용
1) 대피시작시간 시나리오 비교
건물 내 동일한 규모의 공간을 대상으로 시뮬레이션 네트워크를 구축하였으며, 5분 이내로 대피할 수 있 는 공간이다. 시뮬레이션 구동 시 바로 화재가 발생하게 하였고 2번 공간에서 화재가 발생하였을 경우 화재 를 인지하여 바로 대피할 경우(5초), 시간이 지난 뒤 대피할 경우(20초), 공간별 무작위로 대피를 시작할 경 우(5~30초)로 구분하여 시나리오를 설정하였다. 시나리오별로 출구까지 대피하는 시간을 분석해보았다.
시뮬레이션 분석결과, 화재를 가장 빠르게 인지한 5초 시나리오가 평균 대피시간이 약 83초로 짧았으며, 공간별 대피를 시작한 시나리오가 약 96초, 20초 시나리오가 약 99초로 분석되었다. 경로 3과 6처럼 공간별 문과 출구가 가까운 공간일수록 대피시간이 빠르게 산정되었다. 공간별 대피 인지시간이 주어진 경우 오른 쪽 출구에 가까운 문과 공간에 있는 경로 3과 6의 대피시간이 가장 빨랐으나 왼쪽 출구에 가까운 문이 있는 경로 1, 2, 4, 5의 경우 인파가 몰려 대피시간이 증가했으며, 화재를 빠르게 인지한 경로 2와 5 대비 인지하기 어려운 경로 1과 4는 가장 늦게 대피하는 것으로 분석되었다.
<Table 1>
Comparison of evacuation times by evacuation start time scenario
| Division | Start evacuating at the same time | Evacuation by space (5~30 sec) | |
|---|---|---|---|
| 5 sec | 20 sec | ||
| Path 1(Space 1 Start) | 94.49 sec | 115.58 sec | 108.53 sec |
| Path 2(Space 2 Start) | 94.34 sec | 106.37 sec | 82.22 sec |
| Path 3(Space 3 Start) | 58.50 sec | 71.51 sec | 74.08 sec |
| Path 4(Space 4 Start) | 92.24 sec | 110.99 sec | 118.71 sec |
| Path 5(Space 5 Start) | 95.52 sec | 114.92 sec | 99.01 sec |
| Path 6(Space 6 Start) | 62.51 sec | 75.07 sec | 77.47 sec |
| Average | 82.93 sec (1min 38sec) | 99.07 sec (1min 65sec) | 95.73 sec (1min 56sec) |
2) 시나리오별 화재 가스 선정
시나리오별 시뮬레이션 분석으로 발생된 화재 가스 중 인체에 영향을 크게 주는 유독가스와 열기를 비교 해 보았다. 유독가스(Asphyxiant gas)의 경우 일정 시간 동안 인체에 유해한 가스를 흡입함으로써 부족한 산 소량을 계산한 가스량(ppm)이며, 열기(Convective heat)는 화재로 인해 발생한 복사열(2.5kW/m2) 영역에서의 열기 시간(분)이다. FED와 FIC 수치 모두 1에 가까울수록 농도가 높아서 인체에 해로운 것으로 알 수 있다.
시뮬레이션 네트워크에서 대피를 늦게 할수록 유독가스(Asphyxiant gas)와 열기(Convective heat) 수치가 증 가하는 것으로 분석되었으며, 보행자가 대피할 수 있는 최소 무능력화(Incapacitation) 요인보다는 수치가 낮 게 분석되었다. FED의 유독가스(Asphyxiant gas)와 열기(Convective heat)를 FIC 기준과 비교하였을 때, 유독가 스(Asphyxiant gas)의 경우 수치가 작아 영향이 작으나 열기(Convective heat)의 경우 수치가 높아 열기로 인해 위험해질 수 있는 상황으로 분석되었다.
<Table 2>
Comparison of FED and FIC considering Incapacitation with safety factors
| Division | Incapacitation with safety factors | FED | FIC | ||
|---|---|---|---|---|---|
| asphyxiant gas | convective heat | ||||
| Start evacuating at the same time | 5 sec | 0.242 | 0.009 | 0.129 | 0.063 |
| 20 sec | 0.363 | 0.017 | 0.213 | 0.071 | |
| Evacuation by space (5~30sec) | 0.222 | 0.008 | 0.098 | 0.057 | |
Ⅴ. 결 론
도심부 내 다양한 초고층 건물이 존재하며, 화재로 인한 인명 피해를 줄이기 위해 화재 관련 장비 점검 및 화재 위험 요인 개선을 추진 중에 있다. 그러나, 아무리 화재 관련 장비 점검 및 위험 요인 개선을 하더라도 체계적인 개선방안을 찾기 어렵다. 특히, 인명피해의 근본적인 원인인 화재로 인한 가스 발생으로 숨쉬기가 어렵고 시각적으로 유독가스로 인해 통행에 방해를 받아 대피경로를 인지한다 하더라도 제대로 된 대피를 하지 못하는 실정이다. 따라서 건물 설계 시, 보행자의 안전을 위해 실제 보행자 행태를 고려하고 건물 특성 에 맞춘 다양한 대피계획을 수립해야 한다.
본 연구에서는 VISWALK와 FDS 시뮬레이션 모델을 활용하여 동시에 대피할 때와 공간별로 구분하여 대 피할 때를 비교하여 분석하였다. 화재를 인지하여 대피를 빠르게 할수록 대피시간이 감소하였고 화재로 인 해 발생하는 유독가스와 열기로 인해 보행자의 대피할 능력이 무능력해지는 수치에 가까워 화재에 대한 위 험성을 확인할 수 있었다. 특히, 벽과 장애물로 인해 화재를 인지하지 못할 경우, 초기 대피시간이 지연되며 출구까지 최단 경로로 대피하는 인파로 대피시간이 더욱 지체되는 것을 확인할 수 있었다. 다만, 본 연구에 서는 일반적인 보행 행태를 반영하여 교통약자와 같이 피난 능력이 부족하거나 군집에 의한 대피 능력이 저 하되는 보행자 행태를 모두 반영하지 못한 한계가 있다. 이에 개개인의 피난 능력 및 군집에 따른 보행 특성 변화를 고려한 대피 시나리오 분석이 필요한 것으로 판단된다.
본 연구의 시뮬레이션 네트워크는 실제 건물이 아닌 Test 하기 위한 가상의 네트워크로써 화재로 인해 발 생되는 유독가스와 열기가 건물 내 공간에 따라 대피하는 보행자에게 영향을 주는지를 확인하였다. 건물 설 계 시, 실제 보행자 행태를 고려하고 실제 건물 내 통로 폭, 층 개수 등 다양한 공간구조에 맞는 대피시간 확 보가 필요하다고 판단하였다. 또한, 안전한 대피시간 확보를 위해 화재 안내방송 등 화재 발생에 대한 빠른 인지로 동시에 빠르게 대피할 수 있도록 해야 하며, 대피가 지체되지 않도록 인파가 몰리는 지점을 분석하여 최적의 대피경로 수립이 필요할 것으로 판단되었다.
안전한 화재 대피를 위해서는 가상환경인 시뮬레이션을 통해 건물의 벽 두께, 층 개수, 층고, 공간마다의 특성 등 실제 건물과 유사하게 구축하여 안전성을 검증할 필요성이 있다. 또한, 화재 발생 위험이 있는 가연 성 물질들을 추가 구축한 사전 시뮬레이션 분석으로 안전성을 확보한 건물 설계가 필요할 것으로 판단된다. 뿐만아니라 보행자의 통행속도가 화재로 인한 유독가스로 보행자의 대피 최대 속도를 지나쳐 속도가 느려지 는 등 실제 화재 현장을 고려한 시뮬레이션 분석이 필요한 것으로 판단되었다.
