1. 서 론
최근 건축물이 고층화 및 복합화 되어 가면서 화재가 발생할 경우 재산적 피해뿐만 아니라 거주자의 안전이 중요하게 다뤄지고 있다. 1970년대 이후 가속화된 도시화 및 이로 인한 주택 문제를 해결하기 위해 공동주택이 많이 건설되었고 현재까지 절반 이상의 주거형태를 차지하고 있다. 공동주택 화재 시 어린 아이부터 노인까지 다양한 사람들이 거주하고 있기에 많은 인명피해가 발생할 수 있다. 따라서, 화재 발생 시 피난에 대한 부분이 가장 중요하게 고려될 필요가 있다. 화재 크기는 화재성장단계에서 시간의 제곱에 비례하여 빠르게 성장하기 때문에 재실자의 피난이 중요하다(Quintiere, 2004).
다중 구획 공간으로 구성된 건축물에서의 화재에 의한 연기는 피난에 악영향을 주는 요인 중 하나이다. 연기는 부력에 의해 천장으로 상승하고 유동이 있는 연기층을 형성하게 되며 천장 급류 효과로 인해 주위로 확산된다. 화재로 인한 연기와 유독가스는 화재가 발생한 구획의 압력을 높이게 되며 상대적으로 낮은 압력을 유지하는 외기와 주위의 구획공간, 상층부로 흐르게 된다(Quintiere, 2006). 이러한 연기의 거동은 건물의 피난 경로와 대피 경로의 안전성에 심각한 위협이 되며 대량의 인명 피해를 야기할 수 있다. Ryu et al. (2010)은 특별피난계단부속실 제연설비의 방연풍속 기류특성에 대해 FDS (Fire Dynamics Simulator)를 이용하여 연구하였고 Seo and Shin (2014)은 공동주택에서 화재 발생 시 화재 및 실내 개구부 크기가 방화문에서의 연기 누출 속도에 미치는 영향을 확인하기 위해 수치해석 연구를 수행하였다. 개구부 크기가 작을수록, 화재 크기가 커질수록 방화문 상부에서의 화재풍속이 커지는 것을 보여주었다. Lee and Kim (2015)은 FDS를 이용하여 공동주택에 설치되는 급기가압 제연설비 효율성에 대해 연구하였으며 Moon et al. (2013)은 화재 크기를 100 kW부터 600 kW까지 구분하여 댐퍼의 위치에 따라 방화문에서 부속실로 향하는 열 유동 및 연기유입 현상에 대하여 수치해석적 연구를 수행하였다.
공동주택은 아파트, 기숙사, 아파트, 다세대주택으로 분류되는데 이 중 아파트와 기숙사만이 특정소방대상물로 분류되고 있다(National Law Information Center, 2018). Park (2019)은 사망자가 발생한 공동주택 화재의 현황과 특성에 대한 연구를 수행하였는데, 공동주택 화재 중 아파트가 64.4%로 가장 높은 비율을 가지며 다세대주택이 24.0%로 두 번째로 높은 비율을 나타내었다. 기존의 연구들은 주로 아파트와 같은 공동주택 화재 및 설비들에 대해 집중되어 있으나, 다세대주택 화재와 관련한 연구는 거의 존재하지 않았으며 꽤 높은 비율로 다세대주택 화재가 발생하고 있기 때문에 다세대주택 화재에 대한 연구가 필요한 실정이다. 따라서 본 연구에서는 다세대주택에 화재가 발생하였을 때 피난에 영향을 미치는 인자들에 대해 수치해석적으로 연구를 수행하였다. CFAST (Consolidated Fire and Smoke Transport)를 이용한 수치해석 결과들은 소방시설 등의 성능위주설계 방법 및 기준 별표 1의 인명안전기준에 의해 분석되었다(National Law Information Center, 2018).
2. 수치해석방법
본 연구에서는 다세대주택의 화재 모델링을 위해 미국의 National Institute of Standards and Technology (NIST)에서 개발한 CFAST 및 FDS를 사용하였다. 화재 모델링은 세종시의 한 다세대주택을 대상으로 수행되었다. 1개 층의 다세대 주택을 모델링하였으며 Fig. 1에 나타내었다. 1개 층에는 총 7세대로 구성되어 있으며 각 세대는 거실과 방 2개, 화장실로 구성되어 있다. 세대 내 높이는 2.3 m이고 복도의 높이는 2.7 m이다. 모든 세대는 하나의 중앙 복도로 이어져 있고 화재 발생 시 유일한 피난 통로는 계단실이기 때문에 계단실 입구에서의 분석이 중요하게 고려되어야 한다.
시뮬레이션에서는 heptane을 사용하여 화재를 구현하였다. Heptane은 수많은 실험으로 검증된 연료로써 정확한 CO yield 값을 사용할 수 있고 경험적 상관식을 통해 정확한 열방출률(Heat release rate)을 가정할 수 있다. Heptane의 최대 열방출률은 Eq. (1)에 의해 계산된다(NRC, US, 2004).
여기서 Q̇p 는 최대 열방출률, ṁ” 는 연료 질량 감소율, ΔHc,eff 는 연료의 연소열, kβ 는 경험적 상관계수, D는 유효화원직경, Adike 는 화원의 면적이다. 본 연구에서는 heptane 연료를 사용하였고 그에 따라 ṁ”= 1.101, ΔHc,eff = 44600, kβ = 1.1을 사용하였다. 화재성장속도는 가장 빠르게 성장하는 ultrafast부터 가장 느리게 성장하는 slow까지 4가지를 고려하여 시뮬레이션을 수행하였고 화재성장계수는 Table 1과 같다. 화재성장계수는 Eq. (2)에 의해 계산된다.
Table 1
Input Parameters for the Fire Modeling Analysis
Kweon et al. (2009)는 다세대주택에서 발생할 수 있는 가구류를 대상으로 열방출률을 측정하였고 가구류 종류에 따라 최소 약 50 kW부터 최대 1 MW가 넘는 열방출률이 측정되었다. 따라서, 본 연구에서는 이러한 연구결과를 참고하여 다세대 주택에서 발생할 수 있는 최대 열방출률을 최소 200 kW부터 최대 1 MW까지 가정하여 시뮬레이션을 수행하였다. 화재가 전파되어 열방출률이 더 커지는 상황은 고려하지 않았다. 화재는 거주공간 거실에서 발생하는 것으로 가정하였고 화원의 위치는 Fig. 1에서 양쪽 끝의 집과(house 1, 3)와 계단실 입구 바로 앞의 집(house 2)에서 각각 발생하는 것으로 적용하였다. 화재 발생 후 다른 세대들의 문은 모두 닫혀있고 대피를 위해 화재 발생 공간의 문만 열려있는 것으로 가정하였다. 논문에서 사용된 인명안전기준은 Table 2와 같다(National Law Information Center, 2018).
3. 결과 및 고찰
3.1 CFAST와 FDS의 고온연기층 및 연기층 높이 비교
Fig. 2는 CFAST와 FDS 해석 결과 중 화재 발생공간의 고온 연기층 온도와 계단실 앞쪽 공간에서의 연기층 높이를 비교한 것이다. 고온 연기층 온도는 4가지 화재성장곡선에 따라 최대 온도까지 도달하는 시간은 다르지만 1 MW의 최대 열방출률에 도달한 후 CFAST와 FDS 모두에서 일정한 온도를 나타내게 된다. 600 s 이후에 평균온도는 FDS의 경우 약 630 °C이고 CFAST의 경우 약 580 °C이며 CFAST는 FDS에 비해 약 9% 낮게 예측하고 있다. 연기층 높이는 화재성장속도에 따라 하강하는 시점이 다르지만 CFAST와 FDS 모두 짧은 시간에 급격히 하강하게 된다. CFAST의 경우 약 300초 부근에서 연기층 높이가 거의 바닥까지 도달했다가 다시 상승하였지만 FDS에서는 이러한 경향이 나타나지 않았다. FDS에서는 특정 위치에 대해서 연기층 높이를 측정하기 때문에 복도 앞 구획 전체에 대한 연기층 높이를 반영하고 있지 않지만 CFAST는 하나의 zone에 대해 해석을 수행하기 때문에 구획전체의 연기층 높이를 보여주고 있다. 하지만, CFAST와 FDS 모두 화재크기가 일정한 600초 이후 구간에서는 약 1.0 m 연기층 높이를 나타내고 있다. McGrattan et al. (2014)은 CFAST와 FDS 화재 모델에 대해 실험결과와 비교분석하여 모델에 대한 검증에 대한 결과를 NUREG-1824 보고서로 작성하였다. 자연환기 조건에서 고온 연기층 온도는 FDS의 경우 실험결과와 2% 오차로 잘 일치하였고 CFAST의 경우 동일한 실험결과에 비해 약 20% 정도의 차이를 나타내었다. 연기층 높이의 경우 FDS는 4%, CFAST는 1%의 오차로 모두 실험결과를 잘 예측하였다. FDS 모델의 예측 성능은 현재까지 많이 검증되었고 본 연구의 다세대주택 화재 시뮬레이션의 CFAST 결과들은 FDS의 결과와 대부분 큰 차이를 나타내고 있지 않기 때문에 CFAST의 결과값에 대한 신뢰성이 검증된 것으로 판단하였다.
3.2 화재크기 및 화재성장속도의 영향
Fig. 3은 계단실 입구 앞에서 측정한 연기층 높이, 1.8 m에서의 고온 연기층 온도, 이산화탄소, 일산화탄소 농도를 인명안전기준에 의거하여 분석한 것이다. 본 연구에서는 연기층 높이가 1.8 m까지 도달하는데 걸리는 시간은 tH, 1.8 m 높이에서 온도가 60 °C를 넘게되는 시간을 tT로 정의하였다. 우선 계단실 앞쪽 공간의 고온 연기층은 화재로 인해 온도가 빠르게 상승하게 되었으며 뜨거운 연기층은 빠르게 하강하게 된다. 연기층이 1.8 m를 내려오는 순간부터 Fig. 3(b)와 같이 급격하게 온도가 상승하게 되었고 따라서 tH와 tT는 동일한 값을 나타내게 된다. Figs. 3(c)와 (d)는 계단실 입구앞에서의 연기농도를 나타낸 것이다. 우선 heptane의 경우 CO yield는 0.012이고 soot yield는 0.042이다. 모든 경우에서 인명안전기준을 넘지 않고 있음을 볼 수 있다(Hurley et al., 2015). pool 화재의 경우 완전 연소가 잘되는 것으로 알려져있으며 Kweon et al. (2009) 등의 실험결과에 따르면 가구류에 따라 가스농도가 인명안전 기준치를 넘게 측정된 품목들이 존재한다. 따라서 현재 시뮬레이션에서는 독성가스의 인명안전기준을 넘지 않았지만, 가스 농도와 관련하여 실제 주택에서 사용되는 제품들이 연소되었을 때 배출되는 값을 적용한 경우에 대해 추가 분석이 필요하다고 판단된다. Fig. 4는 최대 열방출률 크기에 따라서 tH를 보여준다. tH는 멱함수(Power law)를 따라 감소하며 화재성장속도에 따라 경향이 크게 달라진다. slow의 경우 화재가 천천히 성장하기 때문에 최대 열방출률에 따라 tH가 큰 차이를 나타내지 않았고 최대 열방출률이 0.2 MW에서 1.0 MW로 5배 증가하는 동안 tH는 약 20초 정도 감소하였다. 하지만, 화재가 빠르게 성장하는 ultrafast의 경우 최대 열방출률이 0.2 MW에서 1.0 MW로 증가하는 동안 tH는 약 절반으로 감소하게 된다. 화재크기가 작은 영역보다는 화재크기가 큰 영역에서 화재성장속도에 의해 tH가 크게 영향을 받는 것을 볼 수 있다.
3.3 화재위치 및 복도 창문의 영향
Fig. 5는 화재가 발생한 위치가 다를 때 계단실 입구 영역에서 화재성장계수에 따라 tH를 분석한 것이다. tH는 화재성장계수에 따라 멱함수(Power low)로 감소하게 된다. House 2는 계단실 바로 앞에 위치한 세대지만 대부분의 화재성장계수에서 tH가 가장 큰 것을 볼 수 있다. 화재가 발생한 공간으로부터 연기층은 복도의 천장을 타고 확산되는데 복도를 타고 흐르는 연기층은 복도 끝 쪽에 도달하면서 서서히 차면서 하강하기 때문에 가장 가까운 곳에서 화재가 발생한 경우에서 가장 늦게 연기층 높이 기준을 초과한 것으로 보인다. 동일한 이유로 계단실 입구 영역과 가장 먼 곳에 화재가 발생한 경우에서 tH가 가장 낮았다.
Fig. 6은 복도의 창문 개폐유무에 따라 연기층 온도와 연기층 높이를 비교한 것이다. 연기층 온도는 창문이 모두 닫혀있을 때 화재 발생 후 20분 동안 계속 상승하는 반면에 창문이 모두 열려있는 경우에서는 300초 이후부터 약 24 °C로 일정해진다. 연기층 높이 또한 창문이 모두 닫혀있는 경우에는 약 1.0 m 까지 하강하지만 창문이 모두 열려있는 경우에는 약 2.6 m까지 밖에 내려오지 않는다. Fig. 7은 창문의 개폐유무에 따른 smokeview를 나타낸 것인데, 창문이 모두 닫힌 경우 house 1 출입문으로 나온 연기층은 복도의 천장을 타고 이동하면서 지속적으로 쌓여지는 반면 창문이 모두 열려있는 경우 출입문과 가장 가까운 창문에서부터 열연기가 누출된다. 또한, 출입문과 가까울수록 큰 속도로 연기가 누출되고 외부의 낮은 온도의 공기가 유입되며 출입문과 멀어질수록 유출입 속도는 점점 감소하게 된다. 이는 고온 연기에 의한 내외부 압력차에 의한 것으로 보여진다. 결과적으로 외기와 통할 수 있는 창문은 고온 연기 배출 및 연기층이 쌓이지 않는데 큰 영향을 미치게 된다.
4. 결 론
본 연구에서는 CFAST를 이용하여 다세대주택에서 화재가 발생하는 경우 피난에 미치는 인자들에 관하여 수치해석적인 연구를 수행하였다. CFAST의 결과를 검증하기 위해 동일한 조건의 FDS 결과와 비교하였고 화재발생공간의 고온 연기층 온도와 계단실 출입구 영역의 연기층 높이는 FDS 결과와 잘 일치하였다. 고온 연기층 온도와 연기층 높이의 인명안전기준을 초과하는 시간은 화재크기에 따라 멱함수로 감소하였고 화재성장속도는 화재크기가 작은 영역보다는 큰 영역에서 더 큰 영향을 미치는 것을 분석하였다. 악조건을 가정한 현재의 시뮬레이션 조건에서는 독성가스의 인명안전기준을 초과하지 않았다. 화재가 발생한 위치는 계단실 출입구와 먼 쪽에서 화재가 발생하였을 때 더 빠르게 고온 연기층 온도와 연기층 높이의 인명안전기준을 초과하였고 복도의 창문은 고온 연기층 배출 및 상대적으로 차가운 외기의 공기 유입으로 인해 복도 내 온도 감소 및 연기층 높이 상승에 큰 영향을 미치는 것을 볼 수 있었다. 수치적으로 분석된 이러한 피난에 영향을 주는 인자들은 다세대주택 성능위주설계에 참조할 수 있는 자료로 활용될 것으로 기대된다.
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