신축 승선생활관의 화재 위험성 예측 및 개선방안에 관한 연구

1.1 연구배경 및 목적

국민안전처의 2014년 화재통계자료에 따르면 2014년 한해 발생한 화재 건수는 42,1435건이며 이로 인해 2,181명(사망자 325명, 부상자 1,856명)에 달하는 사상자와 4,053억 원의 재산피해가 발생한 것으로 나타났다[1]. 이러한 인명, 재산피해를 줄이기 위해서는 화재발생초기에 화재를 감지하여 경보함으로써 신속히 대응해야 한다. 특히 기숙사, 아파트와 같이 다수의 사람이 공동생활을 하는 곳에서 인명, 재산피해를 줄이기 위해서는 화재 발생초기에 화재를 감지하여 경보하는 화재감지 기술이 중요하다.

대학기숙사는 다수의 학생이 공동생활을 하며 실내에서 전열기 사용, 흡연, 취사 등으로 인한 전기, 담뱃불 화재와 같은 각종 화재의 위험률이 높으며[2], 유동인구도 많은 편이기 때문에 화재나 재난이 발생할 경우에 큰 인명피해를 볼 수 있다. 이러한 관점에서 대학기숙사에서 화재발생 시, 기숙사의 화재안전 및 피난에 대한 연구가 수행되어 왔다.

기존에 수행된 연구를 살펴보면, Jeong et al. [2]은 대학기숙사의 평면 형태별 피난 안전성 평가를 실시하여, 건축물의 피난 안전성 향상을 위한 기준마련 및 계획을 위한 기초자료를 제시하였다. Baek et al. [3]은 소방서와 근접성이 불리한 대학기숙사에서 화재모의 실험을 실시하였고, 화재발생 시 생기는 문제들에 초기에 대응하기 위하여 학생의용소방대도입을 제안하였다. Lee et al. [4]는 대학기숙사에 설치된 화재경보장치의 경보음 전달 실태를 조사하였고, 효과적인 경보음 전달을 위해 경보장치 음향적 조건을 검토하였다. 또한 Cho et al. [5]국가 간 기숙사에 관한 피난안전 규정을 정리 및 비교·분석한 결과를 토대로 피난시뮬레이션 프로그램을 활용하여 피난 성능 평가를 하여 이를 통해 우리나라의 피난 안전 규정에 맞는 기준을 제시하였다.

하지만 대학기숙사에서 화재발생 시 기숙사 내부에 설치된 화재감지기와 소방시설의 작동시간을 확인하여, 화재위험성을 예측하고 이에 따른 문제점을 해결하기 위해 개선방안을 제안한 연구는 찾아볼 수 없었다.

더욱이 최근 기숙사에는 학생들의 보안 및 안전성의 문제로 정맥인식시스템과 같이 생체인식시스템을 도입하여 특정인에게만 출입을 허용하는 특징을 가진다. 그리고 운영특성에 따라 남학생과 여학생 구역이 공존하는 경우 출입통제시스템을 사이에 두고 구역 간 출입을 제한하는 경우도 있다. 이 경우 화재와 같은 재난 발생으로 피난을 해야 하는 상황에서 출입통제시스템을 개폐할 수 없게 되면 다른 구역으로의 신속한 이동(피난)이 불가능해지기 때문에 대형 인명피해로 발전할 가능성이 있다.

따라서 본 연구는 국내 대학기숙사 중 하나를 대상으로 화재시뮬레이션을 수행하고 이를 통해 화재발생 시의 위험성을 예측하고 이에 따른 문제점을 분석하여 개선방안을 제시하는 것을 목적으로 한다.

1.2 연구범위 및 방법

본 연구는 대학기숙사에서 화재발생 시, 화재위험성 예측과 개선방안에 관한 연구로 연구범위와 방법을 요약하면 아래와 같이 3가지로 나눌 수 있다.

첫째, 대학기숙사의 화재안전감지기술 관련 법적기준과 화재위험성 평가기준을 조사하였다.

둘째, 국내 K대학의 신축 승선생활관을 대상으로 필드모델 화재시뮬레이션 프로그램인 FDS를 활용하였다. 화재발생 시 주요한 사상원인이 화상과 연기, 유독가스 흡입이라는 사실[6]에 근거하여, 연기로 인해 시야확보에 영향을 주는 온도, 가시거리, 일산화탄소 농도 값을 산출하고 화재 위험성을 분석하였다.

셋째, 대학기숙사에서 화재발생 시, 화재안전성이 확보되지 않는 경우, 화재안전성능 향상을 목적으로 제연설비 설치를 제안하고 도입효과를 예측하였다.

2.1 기숙사의 화재감지기술 관련법규

기숙사에 적용되는 화재감지기술 관련법규는 국내 화재안전기준 중 『자동화재탐지설비의 화재안전기준』[7]과 『스프링클러설비의 화재안전기준』[8]에서 찾아볼 수 있다.

여기서 자동화재탐지설비란 감지기, 중계기, 수신기 등으로 구성된 설비를 말하며, 감지기는 화재발생 시 열, 연기 또는 불꽃을 감지하고 중계기를 거쳐 수신기에 신호를 전달하여 화재발생장소를 알리고, 소화설비에 작동 신호를 보내어 피난 및 소화 활동을 유도하는 것을 말한다.

자동화재탐지설비기준에는 자동화재탐지설비를 설치하여야 하는 특정 소방대상물들 중에 기숙사를 포함하고 있으며, 감지기 설치는 부착 높이에 따라 설치하도록 규정하고 있다. 설치 높이가 4m 미만인 경우에는 Table 1에 제시된 감지기를 사용하도록 하고 있으며 연기감지기는 계단·경사로, 복도(30m 미만의 것 제외), 엘리베이터 권상기실, 파이프 피트 및 덕트 기타 이와 유사한 장소, 천장 또는 반자의 높이가 15m 이상 20m 미만의 장소로 규정하고 있다. 이러한 기준에서 볼 때 기숙사의 화재감지기 설치 기준은 기숙사의 시설(거주, 교육 및 편의 시설)내의 가연물의 수량, 종류, 화재위험성 등 환경적 측면들을 반영하지 않은 채 화재감지기기준이 설정된 것을 확인해 볼 수 있다.

Table 1:

Installation Standards for Fire Detector

또한 스프링클러설비는 소방대상물의 화재를 자동으로 감지하여 소화 작업을 실시하는 자동식 물소화설비의 일종으로 화재가 발생하여 온도가 상승하면 화재감지장치가 작동하여 배관내의 가압수가 스프링클러헤드로 방사되어 소화 작업을 하는 설비이다. 스프링클러는 크게 폐쇄형스프링클러헤드와 개방형스프링클러헤드로 구분한다.

스프링클러 설치기준에서는 기숙사를 스프링클러 설치대상으로 지정하고 있으며, 설치 소방 대상물별로 기준헤드를 다르게 정해두고 설치를 하도록 한다. 폐쇄형스프링클러헤드를 사용하는 경우, 기숙사가 지하층을 제외한 층수가 10층 이하이고, 헤드의 부착높이가 8m 미만인 소방대상물이기 때문에 기준개수를 10개로 지정하고 있다. 그리고 모든 헤드에서 80L/min으로 방수된다는 가정하에 위의 기준이 적용된다. 개방형스프링클러헤드를 설치하는 경우, 사용하는 스프링클러의 수원은 최대 방수구역에 설치된 스프링클러헤드의 개수가 30개 이하일 경우에는 설치헤드수에 1.6㎥롤 곱한 양 이상이 되도록 규정하고 있다.

2.2 화재위험성 평가 기준

기숙사내 발화를 통해 생성되는 요소 중 인체에 해를 끼칠 수 있는 가장 위험한 요소로는 온도, 가시거리, 일산화탄소 농도 3가지가 있다. 온도는 대류와 복사에 의해 상승하며 재실자의 호흡을 방해하고 피부에 화상을 발생시킨다. 또한 화재발생으로 인해 생성된 연기는 피난 시의 시야 확보에 영향을 미쳐 재실자에게 심리적으로 위험을 느끼게 하고 일산화탄소 농도는 가스 질식과 같이 인체에 치명적인 영향을 준다. 이에 소방방재청에서는 Table 2에 제시된 인명안전 기준에 따라 화재위험성을 평가하고 있다[9]. 그리고 Table 3은 연기의 농도와 가시거리가 피난에 미치는 영향을 그리고 Table 4는 일산화탄소 농도에 따른 인간의 반응을 요약한 것이다.

Table 2:

Criteria for human safety

Table 3:

Situation according to the optical density and the visibility

Table 4:

Human symptoms according to the carbon monoxide concentration

3.1 시뮬레이션 대상건물 개요

이 연구의 시뮬레이션 대상건물은 2016년 3월에 준공한 K대학교 신축 승선생활관이다. 승선생활관의 경우 일반적인 대학기숙사의 특징뿐 아니라 해상의 특수한 생활 여건과 환경에서 선박의 안전 및 효율적인 관리에 필요한 인성을 기르기 위하여 인원점검, 집합훈련과 같이 다수의 학생들이 동시에 행동하는 특징을 가진다. 또한 운영특성상 남학생과 여학생 사생실이 한 층에 배치되어 있지만 사생활을 보호하기 위해 남학생구역과 여학생구역을 출입통제시스템을 사이에 두고 나누고 있으며 평소엔 열리지 않고, 비상시에만 개폐가 가능하도록 설계되어 있다. 평소에는 열리지 않는 특징 때문에 성별이 다른 학생들은 다른 구역의 구조를 파악하기 힘들며, 관리 권한자에게만 출입이 허용하도록 되어 있다. 이러한 특징으로 인해 화재와 같은 재난 발생 시, 일반 학생이 출입통제시스템을 열고 피난을 하는 것은 쉽지 않을 것으로 예상된다.¹⁾Figure 1과 Table 5에 신축 승선생활관의 조감도 및 전반적인 개요이다.

Table 5:

Overview of the college dormitory1)

Figure 1:

Aerial view of the college dormitory

3.2 화재시뮬레이션 개요

3.2.2 화재시뮬레이션의 시나리오 및 입력조건

화재시뮬레이션은 신축 중인 승선생활관 도면에 기초하여 입력값을 설정하였다. Figure 2에 화재시뮬레이션 해석공간 및 설치된 소방설비를 나타내었다. 승선생활관 각 학생실에는 1개의 열감지기와 3개의 스프링클러가 설치되어있고, 각 층에는 이들을 포함하여 188개의 열감지기와 947개의 스프링클러, 그리고 24개의 연기감지기가 설치되어있다.

Figure 2:

Floor plan of the college dormitory

그리고 Table 6에 화재시뮬레이션을 위한 화재발생조건을 나타내었으며, 화재시뮬레이션의 시나리오 및 상세 입력조건은 아래와 같이 요약하였다.

Table 6:

The condition of fire simulation

첫째, 입구인 1층을 제외하고 승선생활관 2~5층은 구조와 위치가 똑같기 때문에 화재시뮬레이션의 해석공간을 4층으로 하고 시뮬레이션을 실시하였다.

둘째, 화재발생 시간대는 야간시간대로 화재가 발생한 곳을 제외하고 모든 학생실, 공용실 그리고 피난계단으로 통하는 문은 모두 닫혀 있으며, 출입통제시스템은 화재발생 후 감지기와 연동되어 특정인의 정맥인식 없이도 문을 밀면 열 수 있도록 설계되어 있지만, 오랜 기간 사용하지 않아 문이 작동하지 않는 최악의 상황으로 설정하였다.

셋째, 화재발생 위치는 Figure2에 표시한 다림질실로 선정하였다. 이는 다림질실의 위치가 피난계단을 마주하고 있으며, 3방향 복도의 교차점에 있어 화재발생 시, 마주하고 있는 피단계단 하나를 사용할 수 없을 뿐만 아니라 복도에도 영향을 미칠 수 있기 때문이다. 또한 다림질실에서는 전기화재로 인해 나무로 구성된 다리미대와 위의 커버가 불에 타는 것으로 시나리오를 구성하였다.

3.3 화재시뮬레이션 결과

앞에서 구성한 시나리오를 토대로 화재시뮬레이션을 실시하여 승선생활관의 화재발생 시, 화재감지기와 스프링클러 작동시간을 파악하였으며, 화재위험성을 예측하기 위하여 온도, 가시거리, 일산화탄소 농도 결과 값을 도출하였다.

3.3.1 화재감지기와 스프링클러 작동시간

Figure 3에 승선생활관 복도에 설치되어 있는 연기 및 열감지기 그리고 다림질실 및 다림질실 앞 복도의 스프링클러를 표기하였다.

Figure 3:

Locations of fire detectors and sprinkler on 4th floor at college dormitory

다림질실에서 화재발생 시, Figure 4에 나타낸 것과 같이 복도의 설치된 18개의 연기 및 열감지기 중 ⑪번 연기감지기가 발화 후 65초 뒤 최초로 작동하였으며, 연기감지기 작동 13초 뒤인 78초에 ㉖번 스프링클러가 그리고 35초 뒤인 100초에 ⑯번 열감지기와 작동하였다.

Figure 4:

Activation time of fire detectors and sprinkler

3.3.2 온도 및 일산화탄소 농도

복도 방향으로 개방된 다림질실에서 화재발생 시, 가장 위험할 것으로 예측되는 복도에 Figure 5에서 보는 것과 10개의 가상측정점을 두고 온도와 일산화탄소 농도를 예측하였다. Figure 6과 Figure 7에서 볼 수 있듯이 화재발생 후, 온도의 경우 241초에 허용기준인 60℃에 도달하였으며, 일산화탄소 농도는 248초에 허용기준인 1,400ppm에 도달하였다. 온도 및 일산화탄소 농도 결과만 볼 때는 화재가 발생하고 4분 이내에 피난을 완료해야 인명피해가 발생하지 않을 것으로 해석된다.

Figure 5:

Measuring points of cadet dormitory

Figure 6:

Temperature at the each points

Figure 7:

CO concentration at the each points

3.3.3 가시거리

Figure 5에 나타낸 각 측정지점에서 허용가시거리기준인 5m에 도달하는 시간을 Figure 8에 나타내었다. 다림질실과 가까운 위치 특성상 Figure 5의 ③번 위치에서 화재가 발생하고 66초 뒤, 제일 먼저 허용가시거리기준에 도달하는 것을 확인해 볼 수 있었다. 이는 ③번 위치 부근에 있는 학생들은 화재가 발생하고 적어도 1분 이내에 피난을 개시해야 시야 확보에 전혀 영향을 받지 않는다는 의미이다. 66초는 연기감지기가 작동하고 불과 1초 뒤이기 때문에, 야간에 화재가 발생하여 피난개시시간이 조금이라도 지연된다면 ③번 위치 부근의 학생들은 가시거리 미확보로 인한 위험이 클 것으로 예상되었다.

Figure 8:

Time to reach the limit visibility value

Figure 9는 허용가시도 값에 도달하는 시간을 기준으로 하여 구간 Ⓐ-Ⓑ (Figure 5의 ①-⑤ 방향)의 연기가 확산 되는 모습을 입면으로 나타낸 것이다. 앞에서 언급하였듯이, 3방향의 복도가 교차하는 위치 특성상 T위치 주변에 거주하는 학생들은 감지기가 작동하고 지연시간 없이 피난을 개시해야 한다. 그리고 출입통제시스템이 설치된 문을 사용할 수 없다면, 출입통제시스템과 가까이 있는 Ⓑ지역의 학생들은 다른 피난 계단을 사용 하기 위하여 복도 반대편인 Ⓐ지역 까지 가야 하기 때문에 K위치의 학생이 피난에 있어 가장 취약할 것으로 예측된다.

Figure 9:

Visualization of the smoke layer (Ⓐ -Ⓑ Section)

Figure 10은 화재가 발생하고, 출입통제시스템이 설치된 문을 사용할 수 없을시, 가장 위험할 것으로 예상되는 K위치에 있는 학생의 관점에서 피난 환경을 나타낸 것이다. L.Bryan[12]의 연구에 따르면 일반적으로 교육이 잘 되어있는 사람의 피난개시 지연시간이 최대 2분 이내라고 언급하고 있으며, 이 점을 고려했을 때 K위치에 있는 학생은 연기감지기가 65초에 작동하고, 피난개시 지연시간을 2분으로 본다면, 185초에 피난을 개시할 수 있게 되는데, 이때는 이미 복도에 가득찬 연기로 인하여 가시거리를 확보할 수 없어 피난하는데 상당한 어려움이 있을 것으로 예상된다.

Figure 10:

The viewpoint of the evacuation environment at Ⓑ position(From Ⓑ to Ⓐ )

Figure 11은 허용가시도 값에 도달하는 시간을 기준으로 하여 화재가 발생한 다림질실에서 수직구간인 Ⓒ-Ⓓ구간(Figure 5의 ③-⑩ 방향)의 연기가 확산 되는 모습을 단면으로 나타낸 것이다. 구간 Ⓐ-Ⓑ에 비하여 연기확산이 느리게 진행되지만, Ⓒ-Ⓓ구간의 학생들 또한 피난개시 시간이 지연된다면, 복도에 가득 찬 연기로 인해 피난이 어려울 것으로 예상한다.

Figure 11:

Visualization of the smoke layer (Ⓒ -Ⓓ Section)