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

1. 소개
 
이번 연재에서는 2 회에 걸쳐 성능위주소방설계(performance based design, 이하 pbd)의 전형적인 절차를 따라 샘플(abc 라 지칭) 주상복합건축물을 대상으로 결정론적 분석방법에 따라 성능위주 화재영향평가를 수행한 예시를 소개 하기로 한다.
 
이 화재영향평가는 인명안전에 관한 성능평가에 한하며 절차는 [그림-1]에 준한다. 성능위주의 화재영향평가를 위해 화재 및 피난 컴퓨터 시뮬레이션을 수행하며 설정된 목표를 만족시키지 못하는 경우 대안 시뮬레이션을 통한 위험경감대책을 제시한다.
 
2. 프로젝트 영역정의
 
이 프로젝트의 영역은 현재 법규로 설계되어 신축될 주상복합건축물 abc 빌딩의 안전성을 성능위주의 화재영향평가 중 결정론적 방법으로 평가해보는 데 있다. 이 프로젝트의 수행 절차는 [그림-1]의 절차에 따르며 이 분석을 수행하기 위한 화재시뮬레이션 프로그램은 cfast를 피난 시뮬레이션 프로그램으로는 simulex를 사용한다.
 
[그림-1] 성능위주 화재영향평가 수행절차1)       

 
[그림-2] 거주층 빌딩 평면
 
 
프로젝트를 수행할 건축물에 관한 개요는 [표-1]에 정리되어 있고 건축 평면은 [그림-2]에 나타나 있다.
 
[표-1] abc 빌딩 건축개요
 


구분 내용
건축물 규모 지하2층 + 지상 37층, 4개 타워
면적 전체면적 95,542m2
 지상면적 69,722m2
 a type 세대 147.65m2, 거주인원 7명
사용용도 주차장 (b1~b2), 상업용도 (1f~2f), 주거용도 (3f~37f)
구조 철근콘크리트 구조
방화시스템 각 층 스프링클러, 연기감지기, 알람시스템

3. 목표규명
 
이 프로젝트의 화재안전을 위한 목표는 주거공간에서의 거주자의 인명안전에 있다. 따라서 화재로 인한 부상 및 생명의 손실을 최소화 하는데 목표가 있다.
 
현행 국내법규에서는 각 층과 각 세대간의 방화구획을 요구하고 있다. 프로젝트영역과 목표를 만족시키기 위한 목적으로, 스프링클러가 성능을 정상적으로 발휘할 때, 거주인원이 가장 많은 a type 세대 구성원들이 각 실에서 거주 가능할 수 있는 시간을 계단실까지 피난하는 데 걸리는 시간 보다 많이 확보하는데 있다.
 
4. 성능범위 선택
 
본 화재시뮬레이션 평가를 위한 성능범위는 보통 열에 의한 기준, 가시거리에 의한 기준, 그리고 독성에 의한 기준으로 평가하며 각 기준들은 [표-2]에 정리했다.
 
[표-2] 인명안전 화재영향평가를 위한 성능기준


목적 구분 성능기준
인명안전 열에 의한 기준 연기층높이가 2.1m 보다 높을때 상층부 온도 200℃
  연기층높이가 2.1m 보다 낮을때 상층부 온도 100℃
  복사열 2.5kw/m2
 가시거리
기준 od (optical density) 0.5[1/m]
  가시거리 2m
  연기층 높이 1.6+0.1*h*[m]
 독성기준 co 1400 ppm
  o2 15%
  co2 5%
* h는 바닥에서 천정까지의 높이
5. 화재시나리오 및 설계화재
 
화재시나리오개발을 하기 위해 미국 nfpa의 고층아파트의 화재통계자료를 조사하여 [표-3]에 가장 빈번한 화재장소와 그에 따른 인명 및 재산손실을 정리해 보았다. 결과를 분석하여 보면 화재건수는 부엌에서 가장 빈번하게 일어나나 인명손실이 가장 많이 일어나는 화재는 침실에서 일어나는 것을 알 수 있다.
 
건물전체의 화재 위험을 평가하기 위해서는 거주형태 유형 및 화재 발전특성에 따라 시나리오를 설정한 후 분석해야 하지만, 본 연구에서는 가장 위험하다고 판단되는 침실화재 시나리오를 선정하였다.
 
[표-3] 미국 고층아파트 주요화재발생장소에 따른 화재건수 및


인명ㆍ재산피해의 연 평균값 - (1994∼1998년)
주요화재장소 화재건수 인명손실 재산손실
(in millions)
부엌 5,110 (58.7%) 7 (14.9%) $6.0 (19.7%)
침실 800 (9.2%) 16 (35.6%) $8.0 (26.5%)
거실 410 (4.7%) 12 (27.6%) $6.2 (20.4%)
감지기 및 스프링클러의 작동에 따른 결과 값을 비교하기 위하여 [그림-3]과 같은 event tree 분석으로 4개의 화재시나리오를 개발한다.
 
[그림-3] event tree 분석    

 
    [그림-4] 구석에 배치된 매트리스 hrr

 
 

침실화재를 설계하기 위하여 이 연구에서는 방 한쪽 구석에 배치된 침대에서 화재가 발생한 것으로 가정하고, 열방출율(heat release rate, hrr)로 표현되는 화재성장을 [그림-4]의 매트리스 화재와 같이 설정 하였다.
 
이 매트리스화재의 성장 그래프는 nist에서 실험한 실물화재로 화재크기 hrr이 최대 1.1 mw까지 성장하는 실험 자료이다. 이는 화재가 시간의 자승 즉 t2로 성장한다고 가정할 때 medium growth 화재에 해당되는 성장률 이다.
 
6. 시험설계 개발
 
시험설계를 위한 우리의 관심영역 공간은 피난통로로 사용되는 공간 즉 [그림-2]에서의 3개의 실로 보며 각 실의 치수 및 건축물의 재료는 [표-4]에 정리했다.
 
[표-4] 각 실의 치수 및 건축재료


실 치수 재료
실-a (침실) 3.5m*3.0m*2.7m 벽: 콘크리트, 천정: gypsum
바닥: plywood
실-b (부엌, 내부복도, 거실) 4.9m*12m*2.7m   "
실-c (복도, 홀) 3.0m*10m*3.0m 벽ㆍ천정ㆍ바닥: 콘크리트
화재는 실-a에서 시작한다고 보았다. 이는 실-a가 침실 중에서 피난을 할 수 있는 출입구와 가장 근접하여 있으므로 피난영향에 미치는 최악의 상황이 연출 될 수 있기 때문이다. 발화가 유발된 곳은 침대, 컴퓨터, 의자, 휴지통 등으로 가정한다.
 
7. 시험설계 평가
 
화재시뮬레이션을 수행하기 위하여 몇 가지의 가정을 하였으며 내용은 다음과 같다.
 
- 모든 문과 창문은 오픈 되어 있다. (환기지배형 화재 가정)
- 각방의 스프링클러는 3.2m 간격으로 배치되어있다.
- 상온은 20℃ 이며 연기감지기 작동온도는 상온보다 12℃ 높게 설정되어있다.
- 스프링클러 작동온도는 72℃, rti=260 (m*s)1/2
 
화재시뮬레이션에 관한 결과 즉 설정된 각 실에서의 거주가능 시간은 스프링클러 작동할 때와 미 작동할 때 각각 기준의 최소 값을 채택하여 [표-5]에 정리했으며 이러한 결과들이 각 실에서 거주가 가능한 시간인 것이다.
 
[표-5] 거주가능 시간


분류 스프링클러 작동 시  스프링클러 미 작동 시
 실-a 실-b 실-c 실-a 실-b 실-c
열에 의한 기준 140초 - - 140초 - -
가시거리 기준 30초 145초 200초 30초 145초 200초
독성기준 - - - 255초 330초 -
시뮬레이션 결과에 따르면 연기감지기는 31초에 스프링클러는 200초에 작동한다.
 
스프링클러가 작동 시 화재는 최대 450kw의 크기까지, 스프링클러 미 작동 시에는 3mw의 크기까지 성장하였으며 화재전파는 일어나지 않는 것으로 판단된다. 이 시뮬레이션의 결과를 살펴보면 설정된 시나리오에 따른 화재크기 및 스프링클러의 작동 여부를 떠나 거주가능 시간이 같은 것을 알 수 있다.
 
이는 스프링클러가 설치 되어있음에도 불구하고 그 성능을 효과적으로 발휘 하지 않음으로 스프링클러가 화재위험의 경감에 아무런 영향을 미치지 못하는 것을 의미한다. 따라서 설계의 변경이 요구된다.
 
다음호에서는 피난 시뮬레이션의 실시, 그에 따른 화재 시뮬레이션 결과와의 비교, 대안수정설계 개발 및 평가, 결론 등으로 소개하기로 한다.

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