▲삼성건설 건축기전팀/기술기획파트 권순평 과장(소방기술사/미국소방기술사)

1. 결정론적 방법(deterministic analysis)
이번 연재부터는 현재 실제 pbd가 어떤 과정으로 주로 수행되고 있는지에 관하여 살펴보기로 하겠다.

이전 연재에서 기술했듯이 현재 pbd는 대부분 확률의 개념을 다루지 않는 결정론적 분석방법(deterministic method)에 의해 수행되고 있다. 그러면 결정론적 분석방법에 의한 pbd에 대해 구체적으로 언급해 보기로 한다.
 
결정론적 분석 방법에 의한 pbd 에서는 어떤 대상물에 대해서 하나 혹은 그 이상의 예상되는 화재 형태 및 크기, 즉 설계화재시나리오에 의하여 예상되는 화재의 심각도(fire severity) 및 고려되는 방화시스템(fire protection system)의 성능 등을 분석하게 된다. 만약 여러 개의 화재시나리오가 고려되었을 경우는, 각각 독립적으로 분석된 후에 최종적으로 최악의 시나리오(worst case fire scenario)를 방호할 수 있는 대책을 세워야 한다.
 
결정론적 분석에서 대표적으로 사용되는 기법 중 하나인 타임라인(time line) 분석 방법은 다음 그림1과 같은 절차로 수행된다. 그림1은 time line 분석 방법의 개념에 관한 그림이다.  이 그림에 의한 총 피난 시간은 다음과 같이 표현된다.
 
tescape = tdetection + tdelay + ttravel
 
여기서 화재 역학 및 시뮬레이션 등을 통해 구할 수 있는 감지시스템의 감지시간 (tdetection)과 재실자 들이 화재에 반응하여 피난을 개시할 때까지의 지연 행위가 고려된 시간(주로 전문가들의 의견 혹은 신뢰성 있는 서적에 의해 가정됨) (tdelay), 그리고 피난시뮬레이션 혹은 sfpe handbook의 계산방법(hand calculation)등으로 구한 이동시간 (ttravel)의 합으로 구한 총 피난 시간 tescape 이 화재시뮬레이션의 결과를 통해 나온 거주가 불가능상태에 도달 하 는 시간 tcritical 보다 적은 경우에는 화재로부터 안전하게 대피할 것으로 가정하고 반대의 경우 즉, tcritical 보다 많은 시간이 걸리는 경우 안전하게 피난하지 못한 것으로 간주한다.
 

초기 설계가 성공하려면 각각의 성능기준(performance criteria)이 설계화재시나리오의 위험성과 비교하여 만족스러운 안전한 결과를 도출하여야 한다. 이때에 주의해야 할 점으로는 화재 시 발생할 수 있는 여러 가지 불확실성에 대한 고려가 있어야 한다는 것이다. 불확실성을 유발하는 요인에는 여러 가지가 있겠지만 대표적인 것들로서 시뮬레이션 시 고려한 건물자재와 실제로 설치된 자재와의 차이, 설계와 비교한 시공의 불일치, 시간의 경과에 따른 방화 시스템 및 부속품의 변화 그리고 긴급한 상황 발생 시 인간 행동을 예측하기 어려운 점 등이 있을 수 있다.
 
2. 성능기준(performance criteria) 선택
 
어떤 pbd 프로젝트의 목표와 범위가 결정되면 그 다음에는 성능평가를 위한 성능기준의 선택이 중요하다. 성능기준은 고려되는 방화시스템이 화재위험 대비에 적정한가를 평가하는 데 사용된다.
 
성능 기준에는 여러 가지가 상황에 맞게 사용될 수 있지만 대표적인 것들로서 화염의 온도(flame temperature), 연기층의 온도(upper or low layer temperature), 연기의 농도(smoke concentration) 혹은 연기의 높이(smoke layer height), 복사열의 세기(radiation heat) 등이 있다.

성능기준을 설정하고 비교 분석할 때에는 역설적인 언급이 되겠지만 완벽한 화재 안전 환경을 만드는 일은 현실적으로 매우 어렵다는 것을 인식하여야 하며 또한 화재 위험을 낮추기 위해서는 거의 예외 없이 투자금액이 비례적으로 상승한다는 사실을 알고 있어야 한다.
 
즉 비용과 안전은 거의 반비례 관계에 있는 것이다. 이점을 인식해야만 안전을 추구하는 엔지니어와 투자자간의 화재안전 목표의 합의점을 찾는데 있어서 많은 논쟁이 줄어들 것이다. 다음 표들은 여러 신뢰성 있는 서적에서 제시하는 건축물에서의 인명안전 성능기준의 범위에 관한 내용들을 정리한 예이다.
 

위의 표의 경우도 자세히 살펴보면 상식적인 결과가 많이 포함되어 있음을  알 수 있다. 예를 들어 시계(visibility)에 의한 영향에서 일반크기 대상물의 시계한도가 대공간 시계한도보다 적을 수 있는 것, 즉 다시 말하면 대공간이 화재안전 상 더 긴 시계거리를 확보해야 하는 것은 어찌 생각해 보면 당연한 것이다. 화재 시 일반 가정집보다 체육관 등의 대공간 건물에서 더 긴 시계가 확보되어야 하는 것은 자명한 예측임이 분명하다.

다음으로 [표2]는 실제 적용될 수 있는 pbd의 목표규명 방법 및 이해 당사자 또는 설계의 목적과 성능기준 등에 대해 어떻게 접근해 나갈지에 대한 가이드를 보여주고 있다.
 

 
3. 화재요소에 따라 시간 별 인간에게 미치는 영향
 
성능기준(performance criteria)을 결정하기 위하여 인간에게 영향을 미치는 요소들의 시간에 따른 현상을 정리 보기로 한다. 아래는 시간에 따라 각 요소들이 인간에게 어떤 반응의 형태로 나타나게 되는지 보여주는 도표로서 성능기준을 결정하는데 참고자료가 된다.
 



 
4. 화재시나리오/설계화재/시험설계 개발
 
pbd에 있어서 화재시나리오는 화재의 심각한 결과를 유추할 수 있는 주요한 요소들의 상관관계를 밝혀 내는 데 주안점을 맞추어야 한다. 그 요소들로는 방화시스템, 점화원, 주된 연료의 특성과 형태, 공조시스템, 거주자의 특성과 위치, 그리고 건물을 지탱하는 구조물의 조건 등에 관한 것들이 있을 수 있다. 건축물의 화재영향평가 및 성능위주설계 시, nfpa 에서는 8개 정도의 시나리오를 고려하는 것을 장려하고 있으며 설계 목적과 범위에 따라 전문가 판단에 의해 어느 정도 까지는 감소된 시나리오를 적용할 수 있는 것으로 기술하고 있다.

화재시나리오를 개발하고 결정하는 절차는 그림2 와 같이 한다.
 

 
화재시나리오 작성 시에는 예상되는 화재시나리오를 중심으로 가장 피해 정도가 클 것으로 생각되는 worst case와 가장 빈번하게 일어날 것으로 예상되는 사고에 대해서 가장 우선적으로 고려하여야 한다. 시나리오 작성시에는 최소한 이 두 가지 경우는 기본으로 고려하여야 하며 이 두 가지 경우 외의 시나리오들에 대해서는 발주자, 보험사 또는 수행 프로젝트의 목적에 맞게 여러 가지 요소들을 신중하게 고려하여 전문가들의 판단에 의해 취사 선택 되어야 한다. 참고로 nfpa 101 과 nfpa 5000 에서는 8가지의 화재시나리오를 요구하고 있으며 이들에 관한 내용은 다음 연재 시 자세히 설명하기로 한다.

선정한 화재시나리오에는 점화원의 형태, 초기에 점화되는 연료의 유형, 화재의 위치, 출입문과 창문의 초기상태와 시간에 따른 변화상태, 공조시스템, 인테리어 및 마감재료유형, 거주자특성, 화재진압시스템, 소방관서정보 등의 여러 요소 들이 고려되어야 한다. 요약하면 화재시나리오는 다음과 같은 3가지 특성 즉 화재특성, 빌딩 특성, 거주자 특성을 반드시 포함해야 한다.

먼저 화재특성은 주로 화재의 시작과 성장단계에 관한 내용을 포함해야 한다. 주요 내용으로는 점화원, 성장단계, 플래쉬오버, 성숙단계 그리고 소멸단계 등으로 나눌 수 있다.

빌딩특성은 빌딩의 구조적인 특성과, 관련빌딩환경 등의 내용을 포함해야 한다. 이러한 빌딩특성들은 거주자의 피난 및 화재의 성장과 전파 그리고 연소물질의 이동 등에 영향을 미친다. 포함되어야 할 내용으로는 건축적 특성, 구조적 주요요소, 방화설비시스템, 빌딩 서비스/프로세스, 소방서의 대응 특성 등이 있다.

다음으로 거주자의 특성은 화재 시 예상되는 대응상태 등에 관한 사항을 정의하며 거주인원 수, 빌딩의 거주자 분포상황, 기민도 (수면상태 혹은 깨어있는 상태 등), 능동적 참여예상상황, 물리적/정신적 피난능력, 빌딩에 대한 친밀도(일반오피스 혹은 불특정다수 이용건물 차이 등) 등을 들 수 있다.

다음 연재에서는 pbd 수행 절차에 대해 계속 언급하기로 한다.

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