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

1. 소개
 
이번 연재에서는 전호에 이어서 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, 성능위주의 화재영향평가를 위해 화재 및 피난 컴퓨터 시뮬레이션을 수행하며 설정된 목표를 만족시키지 못하는 경우 대안 시뮬레이션을 통한 위험경감대책을 제시한다.

2. 피난시뮬레이션 및 결과분석
 
피난 시뮬레이션을 수행하기 위해 다음과 같은 몇 가지 가정을 한다.
 
- 거주자는 모두 정상인이다.

- 연기감지기와 알람설비는 연동되어 있다.

- 연기감지기 작동 시 피난을 시작하기까지의 반응시간은 60초, 스프링클러만 작동 시 반응시간은 스프링클러작동 시간과 150초 중 작은 값, 연기감지기 스프링클러 모두 미 작동 시 반응시간은 스프링클러만 작동하는 반응시간 + 30초
 
- 화재가 발생하는 장소의 재실자에 대한 감지시간은 0초 반응시간은 10초
피난 시뮬레이션은 simulex 프로그램을 사용하였으며 거주자의 배치와 입력 자료는 [그림-1]와 [표-1]에 정리되어 있고 총 피난 시간은 다음과 같이 정의한다.
 
t피난시간=t감지시간+t반응시간+t이동시간
 

simulex에 의한 시뮬레이션 결과, 총 이동시간은 29초이고, 화재 시뮬레이션에 의한 연기 감지기의 감지시간과 가정에 따르는 반응시간 및 총 피난 시간은 [표-7]과 같다.

[표-1] case별 총 피난시간

전호에서의 화재 시뮬레이션의 결과 값과 피난 시뮬레이션의 결과 값을 시간 경과에 따라 분석 비교하여 보면 다음 [표-2]과 같이 정리된다.
 
[표-2] case별 총 사망인원

결과 값을 분석해 보면 이 상황은 설정한 목적, 즉 스프링클러가 작동 할 때 모든 거주자의 안전을 보장한다는 목적에 만족하지 못하므로 설계의 수정이 필요하다.
 
또한, 설정한 설계화재가 초기에 빠른 성장과 많은 연기량으로 인해 미처 스프링클러가 작동하기도 전에 각 실의 거주가 불가능한 조건에 이르게 했다. 이는 스프링클러가 작동여부에 관계없이 화재 시뮬레이션에 의한 거주가능시간이 같다는 것을 보면 알 수 있다.

3. 수정 설계 개발 및 평가
 
안전한 설계의 목적을 만족시키기 위해 화재 시나리오 중 스프링클러의 성능 기준 중에서 rti(response time index)와 스프링클러 작동 온도를 변경하여 3가지 수정 설계 안으로 화재영향평가를 재 수행 하였다.
 
스프링클러는 반응센서에 따라 반응속도에 차이가 발생하며, 이때 반응특성을 결정짓는 인자를 rti라고 한다. 일반적인 스프링클러에서 설정되는 rti값의 범위는 100∼400m1/2s1/2 범위를 가지고 있으며, 25∼55m1/2s1/2사이의 rti값을 갖는 스프링클러는 빠른 반응을 보이는 스프링클러라고 볼 수 있다. 기존 설계안과 수정설계안들의 수정된 조건들은 [표-3]에 정리하였으며 그에 따른 화재 시뮬레이션의 결과는 [표-4]에 정리 비교 하였다.
 
[표-3] 기존설계안과 수정설계안 스프링클러 설정 조건

*ta: 스프링클러 작동온도
 
top down 방식의 성능위주의 소방설계 적용의 경우에는, 거주가능시간을 증가해 줄 수 있는 대안뿐 아니라, 피난시간을 줄일 수 있는 예를 들면 피난동선단축, 계단이나 비상구 같은 피난구 폭 증가, 혹은 피난계단 증설 등의 방안과 그에 대한 효율성을 피난 시뮬레이션을 통해 증명하고 설계에 반영할 수 있는 대안도 강구하여야 하나 이 연구에서는 다루지 않기로 한다.
 
[표-4] 기존설계안과 수정설계안 화재시뮬레이션 결과

* td: 연기감지기 감지시간(초), ts: 스프링클러 작동시간(초), hrrmax: 최대화재크기
 
수정된 설계안에 따른 거주가능 시간의 결과 값은 [표-5]에 기존 설계안과 비교하여 정리했다.


[표-5] 거주가능 시간 총 피난 대피시간은 피난시뮬레이션 과정에 나온 방법과 동일하며, 수정 설계안 화재시뮬레이션의 결과 값에 따른 피난 출발시점 및 총 피난시간과 사망자 수를 함께 정리하여 [표-6]에 정리하였다.
 

 
[표-6] 기존설계안 및 수정설계안의 피난출발시점, 총 피난시간 & 사망자수
위의 결과를 보면 기존설계안 및 수정설계안03은 이 프로젝트에서 설정한 목적에 맞지 않다는 것을 볼 수 있으며 스프링클러의 성능 효율이 화재에 제대로 대응하지 못하고 있다는 것을 알 수가 있다.
 
반면 수정설계안01 과 수정설계안02는 설정한 목적을 만족하고 있다. 수정설계안01은 각 실의 거주가능시간을 증가 시키지는 못하나 case03의 경우 스프링클러의 빠른 반응에 의해 피난출발시점의 시간을 감소시켜 프로젝트의 목적을 충족시킨다.
 
반면 수정설계안02의 경우에서는 거주가능시간을 효율적으로 증가시키고, 또한 피난출발시점 역시 효과적으로 감소시켜 프로젝트의 설정 목적을 충족시킨다. 따라서 이 프로젝트의 목적을 위해 수정설계안02를 선택하는 것이 이 건축물의 인명안전성을 합리적 증대시키는 방안이라고 판단된다.

또 다른 결과로 이 프로젝트에서 설정한 화재에 대한 스프링클러의 작동속도는 기본 설정 값 중 작동온도 보다는 rti 값에 더 민감하게 반응 한다는 것을 알 수가 있다.
 
4. 결론
 
case study를 통해 성능위주의 화재영향평가를 건축물 인명안전 목적으로 기준화하여 실무에 적용하기 위한 검증의 차원으로 주상복합건축물의 계획 설계안을 화재영향평가 방법 중 결정론적 분석방법의 절차에 따라 수행해 보았으며, 다음과 같은 결과를 얻어 낼 수가 있었다.
 
1. case study를 통해 스프링클러의 설정 값에 따라 단지 스프링클러의 설치와 작동 여부만으로는 인명안전에 효과적일 수가 없을 수도 있다는 것을 알 수 있었다.
 
2. case study에서 설정된 화재 시나리오와 화재의 크기에 대해서는 스프링클러의 rti값이 스프링클러의 작동온도보다 민감한 인명안전인자임을 알 수 있었다.
 
3. 본 case의 화재 시나리오는 간단하게 하나의 시나리오만으로 검토했다. 하지만 건축물 화재영향평가를 제대로 수행하기 위해서는 여러 가지 다른 시나리오에 대한 검토가 필요하며, 문제점이 도출되었을 때 그에 따른 대안과 위험경감대책이 필요하다.
 

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