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피난안전구역 설치 대상 건축물의 용도에 따른재실자 밀도는 건축물의 피난·방화구조 등에 관한 규칙 별표 1의 2에서 제시하고 있으며 세부내용은 Table 1과 같다. 계단실, 승강로, 복도 및 화장실은 사용 형태별 재실자 밀도의 산정에서 제외하고, 취사장·조리장의 사용 형태별 재실자 밀도는 9.30으로 본다.

본 연구에서는 면적 133 m²의 공간에 오피스텔의 재실자 밀도(9.3 m²/인)를 적용하여 층별 피난인원을 산정하였다. 그 결과, 층마다 15명을 층별 내부 피난인원으로 배치하여 전 층(32개층)의 480명에 대한 피난 시뮬레이션을 진행하였다.

재실자의 보행속도는 연령, 성별에 따라 다른 기준을 적용하여야 하며, 본 연구에서는 한국건설기술연구원에서 발표한「표준화재모델에 따른 화재확대방지 및 피난안전 설계 기술 개발」⁴⁾ 자료를 참고하여 Table 2와 같이 보행속도를 설정하였다.

계단을 통한 수직이동 시 보행속도 변화는 최준호⁵⁾ 등에 의한 선행연구에서 계단을 내려갈 때 0.6배, 올라갈 때 0.4배의 보정계수를 적용해야 함을 제시하고 있으나 시뮬레이션 툴이 EXODUS와 다르기 때문에, 본 논문에서는 프로그램 내부에 성별 및 연령에 따라 기본적으로 적용되어 있는 계단이동에 대한 보정비율을 적용하였다.

재실자의 연령 및 성별에 따라 피난능력이 다르기 때문에 재실자의 성별 및 연령 분포가 피난소요시간에 큰 영향을 주게 된다. 이에 통계청 등의 공신력 있는 통계자료를 참고하여 재실자의 연령 및 성별 분포를 설정한 후 그에 따른 연령별 분포비율과 키 분포비율을 Table 3, 4에 나타내었다.

본 논문에서는 건물의 각 층의 재실자가 피난계단을 통해서 지상 1층으로 이동하는 상황을 분석하였다. 이 경우, 경보방식에 따라 수직피난 중 피난시간의 지연원인 분석 등 전체적인 흐름을 분석하기 위해 대상건축물의 피난 안전층을 제외하여 내부의 피난인원의 피난완료 지점을 지상 1층 출구를 통한 건물 밖으로 설정하였다.

Table 6은 22~26층에서 발화층 아래(21층)까지의 피난시간을 나타낸 것이다. Case 2와 Case 3의 우선경보가 이루어지는 22~26층 부분에서 발화지점 아래층인 21층으로 향하는 각 층에서의 PET(Personal Evacuation Time)를 살펴보면 초기 22층에서부터는 모든 Case에서 유사한 차이를 나타내는 반면에 상층으로 올라갈수록 Case 1과 다른 Case 간의 피난시간의 격차가 더 커지는 경향이 나타나고 있다.

Case간 격차가 가장 크게 나타난 26층 재실자들의 피난시간을 살펴보면 우선경보가 일어난 Case 2 ~ Case 3의 경우 다소 편차가 있긴 하지만 71초 전후의 시간을 나타내었고, Case 1의 일제경보방식에서는 81초로 피난시간이 10초 가량 더 소요된 것으로 나타났다.

Table 7은 세부적인 원인 분석을 위해 각 층에서의 CWT(Cumulative Waiting Time), 피난 중 정체로 인한 지연시간을 나타낸 것이다. Case 1에서 다른 Case에 비하여 더 많은 정체시간이 발생하는 것을 확인할 수 있다. 특히, 26층의 경우 정체시간은 11.18초로 다른 Case들의 평균 정체시간인 3.13초 보다 약 8초 가량 더 많은 정체가 발생하였다.

이는 우선경보를 통해서 화재로 인한 위험지역의 재실자들의 체류·혼잡을 줄여 일제경보방식보다 더 빠르게 피난할 수 있다는 것을 나타낸다.

우선경보 전과 우선경보 후 계단실에서의 피난상황을 살펴보기 위하여 본 논문에서 실시한 우선경보 시나리오 중에 중간값에 해당하는 Case 2-60을 선정하여 살펴보았다.

피난시작 30초가 경과한 시점에서의 시뮬레이션 결과를 살펴보면, 22~24층까지는 Case 1과 Case 2-60이 큰 차이를 나타내지 않았으나, 25~26층의 피난계단에서 인원수의 차이가 발생했다. 우선경보로 인해 27층 이상의 층에서는 22~26층(우선경보층)보다 60초 이후에 경보를 알려 피난을 시작하지 않았기 때문이다. 그 결과, 일제경보방식의 경우 Case 2-60의 우선경보방식에 비하여 25~26층의 재실자가 전부 피난계단으로 이동하기 전 상층부 일부 재실자가 피난계단을 통해 먼저 내려오고 있어 피난이 조금 더 지연되고 있는 것을 확인하였다.

피난시작 90초 경과 후, Case 1에서의 다수의 피난인원이 계단실을 통해 지속적인 피난을 진행하고 있는 반면 Case 2-60의 경우 22~23층의 계단실 내 피난인원이 없고 24층에서부터 조금씩 피난을 하고 있는 피난인원의 모습이 확인되었다. 피난시작 90초 이후 22~26층에서 관측되는 피난인원은 27층 이상 층에 최초 배치된 재실자들의 피난모습이며, 우선경보방식의 경우 우선경보 상층부의 피난인원들이 피난을 늦게 시작함으로 인해 오히려 피난계단이 비어 있는 비효율적인 구간이 나타나는 현상을 확인하였다.

Table 8은 27층 이상 층에서 발화층 아래(21층)까지의 피난시간을 나타낸 것이다. 우선경보의 상층부인 27층에서부터는 우선경보층에서의 결과와 역전되는 현상이 나타나 26층까지 가장 오랜 피난시간이 소요되는 일제경보방식인 Case 1에서 다른 Case 2 ~ Case 3의 경보방식보다 더 빠른 시간 내에 피난을 완료하는 결과를 나타내었다.

Case별 피난시간(PET)의 최고값은 Case 1과 Case 2의 경우에는 최상층인 32층에서 Case 3의 경우는 교차로 우선경보가 이루어지는 32층 아래층인 31층에서 나타났다. Case별 최고값에 대한 결과를 비교해보면 경보방식별 피난시간이 가장 효율적인 경보방식은 Case 1, Case 3, Case 2 순으로 나타났고, 경보시간의 효율성은 우선경보방식과 교차경보방식 둘 다 30초, 60초, 90초 순으로 경보시간의 차이가 짧을수록 더 효율적이라는 동일한 결과를 나타내었다. 전체적인 차이는 Case에 따라 작게는 19초에서 최대 81초까지 피난시간에 대비하여 상당히 큰 범위에서의 편차를 나타내고 있다.

Table 9는 27층 이상 층에서 발화층 아래(21층)까지의 정체시간을 나타낸 것이다. 각 층에서의 피난 중 정체시간(CWT)을 살펴보면 여전히 Case 1에서 다른 Case에 비하여 더 많은 정체시간이 발생한다는 것을 확인할 수 있는데, 정체시간이 더 많았음에도 불구하고 Case 1에서 더 빠른 시간 내에 피난을 완료할 수 있었던 이유는 정체로 인한 영향보다 경보시간의 차이에 의하여 더 늦게 피난을 시작하여 생기는 영향이 더 큰 것으로 볼 수 있다. 그 결과 경보시간의 차이가 더 길어질수록 피난시간도 더 길어지는 것을 확인할 수 있다.

건물 전체에 층별로 고르게 배치된 480명의 재실자가 건물 1층의 출구를 통해 건물 밖으로 최종피난을 완료하는데 소요되는 시간은 Case 1의 일제경보방식에서 7분 5초로 가장 빠른 시간 내에 피난을 완료하였다. 이후에 Case 3의 교차경보방식과 Case 2의 우선경보방식의 순으로 빠르게 피난을 완료하였고, 경보시간의 차이는 30초, 60초, 90초의 순으로 피난경보시간이 짧을수록 최종피난완료시간이 더 짧아지는 결과가 나타났다. 피난에 최장시간이 소요된 Case 2-90의 경우는 8분 35초로 Case 1과 1분 30초의 시간 차이를 나타내었다.

Fig. 4는 경보방식에 따른 최종피난완료시간 차이에 대한 원인분석을 위해 Cumulative Simulation 데이터를 활용하여 나타낸 것으로, 경보의 대표적인 사례인 Case 1, Case 2-60, Case 3-60에 대하여 살펴보았다. 시간에 따른 피난완료 인원에 대한 Case별 차이는 시뮬레이션이 진행되는 초기 180초에 결정이 되며, 이후에는 3개의 Case가 전부 일정한 속도로 피난인원을 배출하고 있는 것을 확인할 수 있다.

Fig. 4 
Result of cumulative simulation according to alert method

피난인원이 피난계단으로 운집하여 피난에 대한 정체가 일정규모 이상으로 발생한다면 경보방식이 다르더라도 출구로 피난을 할 수 있는 인원의 수는 한정되어 있기 때문에 초기에 인원배출이 되지 않는다면 피난이 완료되는 시간은 그만큼 더 지연될 수밖에 없다. 따라서 초기에 많은 인원을 피난시키는 것이 전체적인 피난완료시간을 줄이는데 더 효과적이라고 볼 수 있다.

Fig. 5는 피난인원의 배출흐름을 Time Span Simulation 그래프를 통해 10초의 시간간격으로 나타낸 것이다. 180초 이후 10초 간격으로 10~15명의 인원이 유사한 폭으로 피난을 완료하는 모습을 볼 수 있다. 또한 초기에 Case 1, Case 3-60, Case 2-60 순으로 더 많은 인원을 피난시키고 있어 빠른 시간 내 효율적으로 피난을 완료하고 있는 모습을 확인할 수 있다. 경보시간의 시간차이 역시 시간차이가 더 짧을수록 초기에 더 많은 인원을 피난시킬 수 있어 효과적인 피난을 할 수 있다고 분석된다.

Fig. 5 
Result of time span simulation according to alert method

1) 우선경보 5개층(22~26층)에서의 피난 효율성 분석

Table 10은 22~26층에서 지상1층 출구까지의 피난시간을 나타낸 것이다. 우선경보 5개층에서의 최종 피난완료시간은 Case 2에서 전반적으로 다른 Case에 비하여 20~30초 가량 더 소요되는 결과가 나타났지만 Case 1과 3에서는 큰 차이 없이 유사한 결과가 도출되었다.

2) 우선경보 하층부(16~21층)에서의 피난 효율성 분석

Table 11은 16~21층에서 지상1층 출구까지의 피난시간을 나타낸 것이다. 우선경보의 경우 Case 1에 비하여 Case 2, 3에서 많게는 143초 가량의 차이를 보이며 피난이 지연되고 있는 것을 확인할 수 있다. 이는 Case 1 에서의 최종피난완료시간의 절반에 가까운 시간으로 상당히 큰 차이를 나타내고 있다.

큰 격차를 보이는 원인은 앞서 상층부인 우선경보 5개층에서의 피난이 Case 1과 큰 차이가 없었다는 결과와 연관시켜 보았을 때, 우선경보과정에서 우선경보층의 피난인원과 그 하층부의 피난 인원의 피난순서가 뒤바뀌게 되면서 지상 1층까지의 최종피난완료시간 또한 역전되는 현상이 나타는 것으로 보인다. 또한 경보시간의 차이에 따라 시간차이가 길어질수록 더 낮은 하층부의 피난인원과 피난순서가 바뀌는 결과가 나타났다.

3) 우선경보 상층부(27~32층)에서의 피난 효율성 분석

Table 12는 27층 이상 층에서 지상1층 출구까지의 피난시간을 나타낸 것이다. 이 경우 역시 Case 1에서 Case 2, 3보다 더 빠르게 피난을 완료하는 결과가 나타났고, 그 편차는 20~90초 가량으로 나타났다.

Case 3에서 다시 교차로 우선경보를 발하는 32층에서는 우선경보층과 유사하게 하층부의 피난인원과 피난순서가 바뀌어 더 빠르게 피난을 완료하는 결과가 나타났다.