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ISSN : 1229-6783(Print)
ISSN : 2288-1484(Online)
Journal of the Korea Safety Management & Science Vol.26 No.3 pp.71-82
DOI : http://dx.doi.org/10.12812/ksms.2024.26.3.071

The Necessity of Introducing Fire Point Notification Displays in Complex Buildings to Reduce Required Safe Escape Time(RSET)

Jusung Kim*, Jongkwen Ha**, Hasung Kong***
*Graduate Student, Dept. of Fire and Disaster Prevention, Woosuk University.
**Graduate Student, Dept. of Fire and Disaster Prevention, Woosuk University.
***Professor, Fire and Disaster Prevention, Woosuk University.
†Corresponding Author : Hasung Kong, Professor, Department of Fire and Disaster Prevention, WOOSUK UNIVERSITY, 443, Samrye-ro, Samrye-eup, Wanju-gun, Jeollabuk-do, E-mail:
August 20, 2024 September 12, 2024 September 25, 2024

Abstract

In modern society, buildings are becoming more complex, and the population is becoming more densely populated. Such large buildings require a variety of evacuation measures, as there is a high possibility of large-scale human casualties due to increased evacuation distance and evacuation time in the event of a fire. Strobe light and exit sign light are used as important evacuation equipment to provide early warning and evacuation directions. In this thesis, we conducted a fire simulation assuming that a fire occurrence point notification function and a strobe light function were added to equipment such as visual alarms and evacuation guidance, and compared and analyzed the difference in evacuation completion time with existing equipment. The scenarios for the simulation were divided into “general fire situations” and “fire location and evacuation exit guidance situation” and the differences in evacuation completion time in the event of a fire were compared and analyzed for each floor from the 1st floor to the 3rd floor. The maximum travel distance to complete evacuation in the case of a fire on the first floor decreased by 80.6 m and the evacuation completion time decreased by 329.4 seconds, and the maximum travel distance to complete evacuation in the case of a second-floor fire decreased by 28.5 m and the evacuation completion time by 438.8 seconds. During the fire on the third floor, the maximum distance decreased until evacuation was completed to 3.4 m, and the evacuation completion time was reduced by 355.6 seconds. It is expected that if the congestion level of evacuation routes is reduced by utilizing the congestion level of evacuation exits when fire alarm systems and evacuation equipment are activated, the evacuation completion time will be further shortened and evacuations will be carried out quickly and safely.
RSET, Strobe Light, A fire simulation, Exit Sign light, Fire point notification displays

RSET 감소를 위한 복합건축물의 화재발생지점 알림표시등 도입 필요성

김주성*, 하정권**, 공하성***
*우석대학교 일반대학원 소방방재학과 박사과정
**우석대학교 일반대학원 소방방재학과 석사과정
***우석대학교 소방방재학과 교수

초록

1. 서 론 

 현대사회는 대형 판매시설, 다목적 복합건축물의 증가에 따라 건축물의 복잡도가 커지고 인구 밀집화가 심화되고 있다. 2022년 기준 11층 이상 고층건물은 248,000동으로 전년대비 21~30층(4.9%), 31~49층(9.4%), 50층 이상(2.6%) 증가하였다.[1] 이러한 인구 밀집화가 높은 대형 건축물의 특징은 화재발생시 피난거리 및 피난시간 증가에 따른 대규모 인명 피해 발생 가능성이 크기 때문에 효율적인 피난대책 마련이 필요하다. 
 법률적인 측면에서는 ｢고층건축물의 화재안전성능기준(NFPC 604)｣ 및 ｢초고층 및 지하연계 복합건축물 재난관리에 관한 특별법｣을 통해서 안전대책을 강구하고 있으며 일반적으로는 성능위주설계를 통한 피난안전성평가를 통해서 화재 시 재실자의 안전을 정량적으로 판단하고 있다. 그러나 건축물의 고층화, 복합화에 따라 화재 피해는 증가하고 있으며, 특히 피해 원인 중 발화 장소의 연기나 화염으로 인한 피난불가에 따른 사망자 비율이 24.3%를 차지했다[2]. 피난시간의 지연을 초래하는 요인으로는 보고·지휘체계의 문제, 피난계단의 연기유입에 따른 피난시간지연, 피난계단 조명 소등을 주요 장애요인으로 분석하였다[3].
 기존의 선행연구를 분석하면 이정수,권흥순(2013)[4]은 한국인의 신체적 특성이 반영된 피난 속도 데이터베이스를 기반으로 한국형 재실자 피난부하모델을 구축하는데 필요한 정보를 제공하였으며 서동길,김미선,구선환,송영주(2020)[5]은 방화문 개방정도와 그에 따른 피난지연시간이 피난 안정성평가에 미치는 영향을 파악하였다. 이재훈,원천봉,최진석,윤영수(2021)[6]는 피난 시뮬레이션을 통해 아파트 피난계단과 피난 안전층의 확보 필요성에 대해 제시하였다. Qing Deng, Bo Zhang, Zheng Zhou, Hongyu Deng, Liang Zhou, Zhengqing Zhou and Huiling Jiang(2022)[7]은 피난 출구의 혼잡 상황 예측을 통한 대피시간 추정 모델을 제안하였다. 임승혁,최승복,최돈묵(2021)[8]은 효과적인 피난을 위한 보행거리 및 출구 폭에 대한 기준 정립 및 피난시간 계산 기준을 제공하였다. 최창준(2021)[9]은 계단의 단 높이와 경사로의 기울기 변화에 따른 피난소요시간을 제시하였다. 
 기존 연구에서는 건축물의 경사로 기울기, 피난 계단 및 출구 폭, 방화문 개방정도 등 구조물 자체의 특징에 따른 피난소요시간 감소 방안을 제시하거나 인체특성에 따른 피난모델에 관해 연구하였으나 피난 설비 개선을 통한 피난시간지연 최소화 방안에 대한 연구는 미흡하다.
 이 논문에서는 피난시간지연을 최소화 할 수 있는 방안으로 ｢소방시설 설치 및 관리에 관한 법률｣에서 규정하고 있는 경보설비 및 피난구조설비[10] 중 시각경보기에는 화재 알림표시등 기능을 추가하고 피난유도등 설비에는 화재 알림표시등 과 피난방향 지시장치(이하 “화재발생지점 알림표시등”이라 한다)를 추가하여 설비 개선을 통해 현재의 단순한 출구 안내 역할이 아닌 화재발생지점으로부터 안전한 대피 방향을 재실자에게 알림으로써 그에 따른 피난소요시간 및 이동거리의 차이점을 비교 분석하고자 한다.
 이를 통해 개선된 시각경보기 및 피난유도등 설비의 중요성을 강조하고, 보다 안전하고 효율적인 시설물 관리 방안을 모색하는 데에도 기여할 것으로 본다.   
 

2. 본 론 

2.1 시뮬레이션 프로그램 

 이 연구에서는 피난시뮬레이션 프로그램으로 Thunderhead Engineering의 Pathfinder를 사용하였다. Pathfinder는 건축물 내에서 인간의 행동을 모델링하고, 잠재적으로 위험한 상황에서 효과적인 대피 경로를 계획하고 시험할 수 있는 도구로 성능위주설계에서 피난허용시간(ASET: Available safe escape time), 피난소요시간(RSET: Required safe escape time) 비교를 위해 범용적으로 사용되고 있다. 
 피난소요시간에 영향을 미칠 수 있는 인자는 여러 요소가 존재한다. “SFPE 방화공학 핸드북”에서 RSET은 화재감지시간, 통보 및 의사결정시간, 피난개시시간, 피난완료시간의 합으로 정의하고 있으며 RSET 계산식은 식(1)과 같다. 
 
  RSET = td + ta + to + ti + te (1) 
 
  td: 발화로부터 감지까지의 소요시간
  ta: 감지로부터 재실자 통보까지의 소요시간
  to: 통보로부터 재실자의 의사결정까지의 소요시간
  ti: 결정으로부터 피난개시 까지의 소요시간
  te: 피난개시로부터 완료까지의 소요시간 
 
 이 논문에서는 RSET 계산을 위해 화재 인지 후 피난완료까지 시간을 비교하기 위해 te만을 적용하는 것으로 한다. 
 

2.2 실험 모델 

 실험모델을 위한 건축물은 전체 4층으로 각 층 면적은 1층 근린생활시설(660.69㎡)[Figure 2(a)], 2층 운동시설(665.09㎡)[Figure 2(b)], 3층 운동시설과 근린생활시설(655.09㎡)[Figure 2(c)], 4층 다가구주택 (361.30㎡) [Figure 2(d)]으로 구성되어 있으며 다음과 같이 호실을 구분하였다. 1층은 일반음식점(101호~105호), 2층은 스크린골프연습장(201호~204호)과 당구장(205호), 3층은 헬스장(301호) 과 사무실(302호), 4층은 방4개와 거실1개로 구분된 다가구주택 2가구(401~402호)로 구획된 복합건축물이다.
 실험모델에서 화재 시 중앙계단과 우측계단을 이용하여 대피하는 재실자의 위험성을 비교하기 위해 화재발생지점은 1층 103호, 2층 204호, 3층 301호로 하였다. 화재층은 3개 층으로 구성하였으며 각 층별로 화재발생지점 알림표시등을 적용한 경우와 그렇지 않은 경우로 나누어 시뮬레이션 하였다. 활용된 실험모델은 [Figure 1]과 같다.   
 
 

2.3 입력변수 및 입력값 

2.3.1 신체치수 

 신장과 어깨너비는 통계청의 한국인의 인체치수조사 보고서를 참고하였다.[11] 
 

2.3.2 이동속도 

 이동속도는 부산소방재난본부, 성능위주설계 평가 가이드라인을 인용하였다.[12] 
 

2.3.3 밀집현상 

 밀집 현상을 해결하기 위한 감소계수(reduction factor)는 0.7로 설정하고 에이전트 행동에 대하여는 돌발행동을 하지 않는 것으로 한다. 
 

2.3.4 피난시간

 RSET 계산식은 식(1)과 같으며, 본 논문에서는 te만을 적용하는 것으로 한다.
 피난 시뮬레이션 분석을 위한 입력변수 및 입력 값은 다음과 같이 설정하였다.
 재실자 성인 남성은 신장 1.73m, 이동속도 1.2m/s, 어깨너비 39.95cm, 성인 여성은 신장 1.59m, 이동속도 1.1m/s, 어깨너비 35.8cm, 어린이는 신장 1.3m, 이동속도 1.0m/s, 어깨너비 28.4cm, 노인은 신장 1.65m, 이동속도 0.7m/s, 어깨너비 37.9cm로 설정하였다.   
 
 
 건축물 수용인원은 ｢소방시설 설치 및 관리에 관한 법률｣[13]에 따라 1층 근린생활시설은 3㎡/인, 2층과 3층 운동시설은 4.6㎡/인을 적용하고 4층은 주거용도로서 ｢초고층 및 지하연계 복합건축물 재난관리에 관한 특별법 시행령｣[14]에 따라 세대별 방의개수 + 1을 적용하여 가구당 6명을 적용하였다.
 이에 따른 층별 재실자수는 1층 근린생활시설 134명(3㎡/인), 2층 운동시설 80명(4.6㎡/인), 3층 운동시설 110명(4.6㎡/인), 4층 다가구 주택 2가구 12명(가구당 6명)으로 총 재실자수는 336명으로 하였다. 이해를 돕기 위해 재실자 배치도를 [Figure 3]과 같이 정면도와 입체도로 구분하여 표현하였다.   
 
 
 
 피난가능시간 기준<Table 3>은 ｢소방시설 등의 성능위주설계 방법 및 기준｣[15]에서 건축물 용도에 맞는 경보 방법으로 W1, W3로 구분하며 각각의 의미는 다음과 같다. W1은 방재센터 등 CCTV 설비가 갖춰진 통제실의 방송을 통해 육성 지침을 제공 할 수 있는 경우 또는 훈련된 직원에 의하여 해당 공간 내의 모든 거주자들이 인지할 수 있는 육성지침을 제공할 수 있는 경우로써 이 논문에서는 화재발생지점 알람표시등을 적용한 경우로 시각경보기와 피난유도등의 알림표시등을 통해 화재발생위치 및 피난 출구 안내가 이루어지는 것으로 가정하고 해당 화재상황에서는 W1을 적용하였다. W3은 화재발생지점 알람표시등을 적용하지 않은 경우로 화재경보신호를 이용한 경보설비와 함께 비 훈련 직원을 활용할 경우를 의미한다.   
 
 
 

2.4 시나리오 구성 

 시뮬레이션은 [Figure1] 시나리오 흐름도에 따라 <Table 4>와 같이 구성하였다. 1층에서 3층까지 층별로 “화재발생지점 알림표시등이 없는 경우(일반적 화재상황)”과 “화재발생지점 알림표시등이 있는 경우(화재위치와 피난출구 안내 상황)”으로 구분하여 시뮬레이션을 진행하며 “일반적 화재상황”은 W3을 적용하여 1층 근린생활시설은 300초, 2층과 3층 운동시설은 420초, 4층 주택은 420초로 설정하고 “화재위치와 피난출구 안내 상황”는 W1을 적용하여 1층 근린생활시설은 30초, 2층과 3층 운동시설은 60초, 4층 주택은 60초로 설정 후 각 상황에서의 피난소요시간 및 이동거리를 비교 분석하였다. 
 
 

2.4.1 1층 화재 시 피난 시나리오 

 ① 시나리오 1-1
 화재 발생위치는 1층 103호(Figure2(a) 1층 빗금 부분)에서 발생하는 것으로 가정하고 피난완료 시 시간 및 이동거리를 측정하였다. 시뮬레이션 결과 피난소요시간은 최대 677.5초<Table 5>, 재실자 피난이동거리는 최대 164.3m<Table 6> 이동 후 대피가 완료되었다. 이 시나리오에서는 화재발생지점 바로 옆 복도 통로를 이용하는 재실자[Figure 4]와, 1층에서 2층으로 이어지는 계단 및 계단참에 있는 재실자[Figure 5], 2층에서 3층으로 이어지는 계단 및 계단참에 있는 재실자[Figure 6], 2층에서 3층으로 이어지는 계단 및 계단참에 있는 재실자[Figure 7]가 화재발생지점 쪽 중앙 계단 대피로를 이용하는 재실자이다. 이 재실자들은 400초에서 600초 사이에 밀집하여 있어 다수의 재실자들이 연기, 화염에 의한 인명피해 가능성이 있다.   
 
 
 
 
 
 
 
 ② 시나리오 1-2
 화재 발생위치는 시나리오 1-1과 동일하며, 화재 시 시각경보기를 통한 화재위치 알림 후 2층부터는 화재발생지점으로 통한 중앙 통로를 통제하고 우측 계단으로 피난 방향을 안내하는 유도등 설비의 작동을 가정하고 피난소요시간 및 이동거리를 정하였다. 피난소요시간은 최대 348.1초<Table 7>, 피난이동거리는 최대 83.7m<Table 8> 이동 후 대피가 완료되었다. 시나리오 1-1에 비해 화재발생지점의 출구를 통제함에 따라 층별 이동거리는 늘어났다. [Figure 8]는 화재발생 지점이 아닌 우측 계단을 이용하여 대피하는 재실자수를 보여주고 있으며, [Figure 9]에서는 화재발생지점 쪽 중앙 계단 대피로를 이용하는 재실자가 없음을 나타내고 있다.   
 
 
 
 
 시나리오 1-1과 시나리오 1-2를 비교 분석한 결과 피난소요시간은 329.4초, 최대 이동거리는 80.6m 감소하였다. 또한 시나리오 1-1에서는 화재발생지점 쪽 중앙 계단 대피로를 이용하는 재실자가 400초에서 600초 사이에 밀집하고 있어 다수의 재실자들이 연기, 화염에 의한 인명피해 가능성이 있으나 시나리오 1-2는 화재발생지점 쪽 중앙 계단 대피로를 이용하는 재실자가 없어 인명피해가 적음을 알 수 있었다. 
 

2.4.2 2층 화재 시 피난 시나리오 

 ① 시나리오 2-1
 화재 발생위치는 2층 204호(Figure 2(b) 2층 빗금 부분)에서 발생하는 것으로 가정하고 피난완료 시간 및 이동거리를 측정하였다. 
 시뮬레이션 결과 피난소요시간은 최대 708.4초<Table 9>, 피난이동거리는 최대 109.1m <Table 10> 이동 후 대피가 완료되었다. [Figure 10]는 400초에서 500초 사이에 화재발생지점 인근 복도에 있는 재실자가 60명을 초과하고 있음을 보여주고 있다. 또한 [Figure 11]과 [Figure 12]에서는 화재발생지점 쪽 중앙 계단 대피로를 이용하는 재실자 분포도와 시간대가 시나리오 1-1과 비슷하게 400초에서 600초 사이에 밀집하여  다수의 재실자들이 연기, 화염에 노출될 가능성이 있음을 보여주고 있다.   
 
 
 
 
 
 ② 시나리오 2-2
 화재 발생위치는 시나리오 2-1과 동일하며 화재 시 시각경보기를 통한 화재 위치 알림 후 3층부터는 중앙통로를 통제하고 우측 계단으로 피난 방향을 안내하는 유도등 설비의 작동을 가정하고 피난완료 시간 및 이동거리를 측정하였다.
 피난소요시간은 최대 269.6초<Table 11>, 피난이동거리는 80.6m<Table 12> 이동 후 대피가 완료되었다. 화재발생지점의 출구를 통제하였으나 층별 이동거리는 시나리오 2-1과 비교하여 수치상으로는 미미한 차이를 보였으며 [Figure 13]은 100초 이내에 화재발생지점에서 모두 대피한 재실자수를 나타내고 있으며,[Figure 14]는 화재발생지점 쪽 중앙 계단 대피로를 이용하는 재실자가 없음을 보여주고 있다.   
 
 
 
 
 시나리오 2-1과 시나리오 2-2를 비교 분석한 결과 피난소요시간은 438.8초, 최대 이동거리는 28.5m 감소하였다. 또한 1층 화재 시 피난 시나리오와 비슷한 결과로 화재발생지점 알림표시등이 없는 경우 시나리오 2-1에서는 400초에서 600초 사이에 다수의 재실자들이 화재발생지점 쪽 중앙 계단 대피로에 밀집하고 있어 연기, 화염에 의한 인명피해 가능성이 있으나 화재발생지점 알림표시등이 있는 시나리오 2-2에서는 화재발생지점 쪽 중앙 계단 대피로를 이용하는 재실자가 없어 인명피해 가능성이 낮음을 알 수 있었다.
 

2.4.3 3층 화재 시 피난 시나리오 

 ① 시나리오 3-1
 화재 발생위치는 3층 301호(Figure2(c) 3층 빗금 부분)에서 발생하는 것으로 가정하고 피난완료 시간 및 이동거리를 측정하였다. 
 피난소요시간은 최대 582.9초<Table 13>, 피난이동거리는 최대 87.3m<Table 14> 이동 후 대피가 완료되었다. [Figure 15]은 400초에서 500초 사이에 화재발생지점 인근 복도에 있는 재실자가 50명을 초과하고 있음을 보여주고 있으며, [Figure 16]은 3층에서 4층으로 이어지는 계단과 계단참에 있는 재실자 분포도이며, [Figure 17]은 4층 재실자들의 피난 경로를 노란색으로 나타냈다.   
 
 
 
 
 ② 시나리오 3-2
 화재 발생위치는 시나리오 3-1과 동일하며 화재 시 시각경보기를 통한 화재 위치 알림 후 4층부터는 중앙통로를 통제하고 화재발생지점 알림표시등의 작동을 가정하고 피난완료 시간 및 이동거리를 측정하였다.
 피난소요시간은 최대 227.3초<Table 15>, 피난이동거리는 최대 83.9m<Table 16> 이동 후 대피가 완료되었다. [Figure 18]은 150초 이내에 화재발생지점에서 모두 대피한 재실자수를 나태내고 있으며, [Figure 19]는 화재발생지점 쪽 중앙 계단 대피로를 이용하는 재실자가 없음을 나타내고 있다. 또한 [Figure 20]은  우측 계단을 이용하고 있는 4층 재실자들의 피난 경로를 노란색으로 나타냈다.     
 
 
 
 시나리오 3-1과 시나리오 3-2를 비교 분석한 결과 시나리오 3-2에서 피난소요시간은 355.6초, 이동거리는 3.4m 감소 하였다. 화재발생지점 알림표시등이 없는 경우 시나리오 3-1에서는 400초에서 500초 사이에 화재발생지점 인근 복도에 있는 재실자가 50명을 초과하여 화재로부터 안전하지 않음을 나타내고 있으며, 화재발생지점 알림표시등이 있는  시나리오 3-2에서는 화재발생지점 쪽 중앙 계단 대피로를 이용하는 재실자가 없고 150초 이내에 인근 재실자가 모두 대피하여 인명피해 가능성이 낮음을 알 수 있었다.   
 

3. 결 론 

 피난소요시간 단축을 위해 시각경보기에는 화재발생지점 알림표시등을 추가하고 피난유도등은 화재발생지점 알림표시등과 피난 방향 지시 장치를 개선하여 화재 시 재실자들이 이를 통해 대피방향을 인지 후 안전한 출구로 피난이 이루어지는 것으로 가정하고 이 논문에서는 화재시뮬레이션을 적용하여 화재발생지점 이외의 출입구를 이용하여 대피할 수 있도록 입력변수를 조절하였다. 
 화재발생지점 알림표시등을 사용하는 경우와  그렇지 않은 경우 피난소요시간의 변화는 다음과 같다.
 1층 화재 시 최대 피난소요시간은 48.6%, 최대 피난이동거리는 49.1% 감소하였으며 2층 화재 시 최대 피난소요시간은 61.9%, 최대 피난이동거리는 26.1% 감소하였다. 3층 화재 시 최대 피난소요시간은 61.0%, 최대 피난이동거리는 3.89% 감소하였다.
 화재성장곡선에서는 5분에서 8분을 플래시오버 발생구간으로 표시하고 있다. 이에 따라 국내의 경우 구조 골든타임을 5분으로 정의하였다[16]. 그러나 일반적 화재상황에서는 [Figure 4], [Figure 10], [Figure 15]에서와 같이 6분이 지난 시점에서도 많은 재실자가 화재발생구역 지점에 남아 있어 연기나 화염, 유독가스 등으로 인한 인명피해 가능성을 예측할 수 있다. 반면 “화재발생지점 알림표시등”이 적용된 경우 대부분 재실자가 5분 이내에 대피하였으며 5분을 초과한 경우에도 화재발생지점 이외의 출구를 통해 대피가 이루어지는 것을 확인할 수 있었다.
 화재 시 재실자의 불안감 및 공포에 따른 인지능력 감소로 인해 피난시간의 지연이 발생할 가능성을 고려한다면 화재 시 화재발생지점 과 피난 방향을 유도하는 설비를 사용하는 경우 보다 신속한 대피와 대응 속도의 향상을 가져 올 수 있으며 대피자의 심리적 안정감을 높일 수 있을 것으로 판단된다.
 이 논문에서는 화재발생지점을 표시해 주는 시각경보기와 안전한 대피방향을 유도해 주는 피난유도등 설비의 기능이 피난소요시간에 미치는 영향과 그에 따른 도입 필요성을 살펴보았다. 이러한 설비가 유효하게 화재 발생 위치와 피난 방향 지시 정보를 사용하기 위해서는 수신기나 중계기의 개선이 함께 이루어져야 할 것으로 생각되며 CCTV[17]등 다른 장비들과 연계할 경우 좀 더 정확하고 신속한 대피경로 파악이 가능할 것으로 보인다. 또한 화재발생지점 출구를 이용하지 않음으로써 발생하는 피난 출구의 혼잡도 상황을 예측하고 이를 낮추기 위한 대책이 추가적으로 필요할 것으로 판단된다. 또한 이 논문에서는 4층 건축물에서의 피난소요시간을 분석하였으나 고층 건축물에서의 피난소요시간에 미치는 영향 또한 추가적인 연구가 필요할 것으로 보이며 화재 전파 속도나 연기방출량 등 피난 소요시간에 영향을 미칠 수 있는 다양한 변수들을 고려한 연구 또한 병행해야 할 것 으로 판단된다. 

Figure

Table

Reference

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