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J. Korean Soc. Hazard Mitig. > Volume 16(2); 2016 > Article
설계안전율을 고려한 재실자밀도 구축방안에 관한 연구

Abstract

As the performance-based fire safety design is progressed for large scale structures, it is required to ensure reliability of basic information such as fire load and occupant load density in accordance with space use of structures. Among these, occupant load density as a factor involved with evacuation time requires accurate values in accordance with space use. However, as the current standard applies the foreign standard, it is required to verify whether it is appropriate to apply in Korea. Therefore, in this study, we attempted probabilistic approach on the risk of fire by performing calculation on design safety factor with the main focus on the fire statistics in Korea. As a results, we have verified the current standard of occupant load density and proposed introduction plan for design safety factor of the future.

요지

대규모 건축물에 대하여 성능위주 화재안전설계가 진행되면서, 건축물의 공간용도에 따른 화재하중 및 재실자밀도 등의 기초적인 자료의 신뢰성이 요구되고 있다. 이 중 재실자밀도는 피난시간에 관여하는 인자로서, 공간용도에 따른 정확한 값이 요구된다. 하지만 현 기준은 국외의 기준을 준용하고 있어, 국내에 적합한지에 대한 검증이 필요하다. 따라서 본 연구에서는 국내 화재통계를 중심으로 설계안전율의 계산을 수행함으로서, 화재위험에 대한 확률론적 접근을 시도하였다. 그 결과로서, 현재 재실자밀도 기준을 검증하고, 향후의 설계안전율 도입방안을 제시하였다.

1. 서론

1.1 연구의 배경

최근 대규모의 건축물에 대한 화재안전설계는 성능위주설계를 중심으로 진행되고 있다. 이에 따라 고도의 화재·피난시뮬레이션 등을 이용한 설계가 요구되면서 국내 가연물량 및 피난인원 상정(Assumption)이 주요한 인자로서 부각되고 있다. 특히 피난인원은 피난시간에 관여하는 인자로서, 소요대피시간(RSET, Required Safety Egress Time)에서 당해 공간의 총 피난대상인원을 산출하거나 출구에 집중되는 군집보행속도 감소 및 유동계수에 밀접한 관계가 된다(Mizuno, et al., 2004).
즉, 피난경로 상의 계단과 복도의 피난용량을 정량적으로 산출하기 위한 인자로 볼 수 있으며, 산출을 위해 재실자밀도(Occupant Desity)가 이용되고 있다(Hwang and Youn, 2011).
재실자밀도는 1935년에 미국 BCC(Building Code Committee)와 NBS(National Bureau of Standards)에서 사무소공간 등에 대하여 조사되는 것이 초기의 연구이다(James A.M. and Tony C., 1996). 건축물 비상구 설계 및 시공을 위해 미국 애틀랜타GA, 그린빌SC, 그린즈버러NC, 로어노크VA, 워싱턴DC, 프레더릭 및 볼티모어MD 도시에 위치한 사무소, 호텔, 공장 및 학교 등의 건물들을 현장조사 하였다(Daniel and Lyman, 1935). 이 후 NFPA(National Fire Protection Association)의 Life Safety Code 등에 수용인원계수(Occupant Load Factor)를 규정하고, 현재에 이르기까지 IBC(International Building Code) 등에서 화재안전설계에 사용되고 있다(NFPA, 2003; Park and Hwang, 2014).
일본의 경우에서는 1959~1960년 사이에 오사카시립대학이 위치한 우에다(Ueda)시의 도심지구 백화점 6동을 조사한 것을 시작으로, 이 후 이벤트홀, 지하가, 병원에 대해 재실자밀도를 조사하였으며, 이를 통해 일본 건축기준법 시행령 제129조의2 및 국토교통성 고시 제1441호 피난안전검증법의 재실자밀도 정립에 기반이 되었다(Takeichi et al., 2003). 또한 이를 기반으로 일본화재학회에서는 조사위원회를 설립하고, 다양한 건축용도에 대해 재검증 및 새로운 용도 군에 대한 조사를 실시하였으며, 성능설계 및 화재안전설계에 활용되고 있다(JAFSE, 1991). 영국, 홍콩, 뉴질랜드 등의 국가에서도 유사한 건축물 용도·공간별로 구분하여, 재실자밀도를 규정하고 있으며, 화재안전을 위해 최대 수용인원을 제한하고 있다(KICT, 2014).
한국의 제도적인 측면에서의 재실자밀도는 소방시설 설치·유지 및 안전관리에 관한 법률 시행령 제15조에 의거, 별표4에 수용인원의 산정방법에 대하여 2004년 재·개정하여 현재에 이르기 까지 수용인원에 따른 소방시설 설치에 대한 규제를 하고 있다. 또한 성능위주설계 및 기타 화재안전에 관련한 규제로서는 건축물 피난·방화구조 등의 기준에 관한 규칙 제8조의 2에 의거, 별표1의 2 피난안전구역의 면적 산정기준, 초고층 및 지하연계 복합건축물 재난관리에 관한 특별법 시행령 제5조제1항제3호, 제12조제2항제1호 및 제14조제1항제2호에 의거, 동법 별표1에서의 용도별 거주밀도와 소방시설등의 성능위주 설계방법 및 기준(소방방재청 고시 제2013-10호)별표1에서 공간용도별 수용인원 산정기준에서 정하고 있다(KICT, 2014).
재실자밀도의 분석 및 조사에 대해서는 Yoon and Shin(1979)이 도시 집단주택단지내의 거주밀도에 대해 국내외 비교사례를 기술한 것이 초기의 연구가 되며, 이 연구에서는 일본, 홍콩, 미국과의 비교를 통해 거주밀도의 미흡함에 대해 기술하였다(Yoon and Shin, 1979). 화재·피난안전에 대해 본격적으로 진행된 것은 Kim et al. (1999)에 의해 사무소건물을 대상으로 조사와 피난시간예측 등이 이루어졌다(Kim et al.,1999). 이 후, 할인마트에 대해 Kim et al. (2001) 및 Seo et al. (2009)에 의해 조사되었으며, 재실자밀도와 더불어 할인마트의 쇼핑카트의 문제점에 대해서도 지적하였다(Kim et al.,2001; Seo et al., 2009). 또한 백화점, 주상복합건축물 및 사무소 등에 대한 조사 및 수용인원의 적정성 검증에 대한 연구가 진행되었다(Park, 2004; Lee et al., 2011; Hwang et al.,2011). 하지만 조사된 결과를 활용하여 제도적 방안을 구축하는 연구는 이루어지지 않았고, 기준마련을 위한 건축물 용도분류체계에 대해서만 진행되었다(Park and Hwang, 2014). 또한 제도적 방안을 구축하기 위해서는 조사된 결과를 정량적으로 이용할 수 있는 방안이 필요하며, 현재 규정되어 있는 수치의 검증이 필요하다.

1.2 연구의 목적 및 방법

본 연구에서는 성능위주설계를 위하여 국내 화재통계 분석을 통해 건축물 용도별 위험도를 평가하고, 그에 따른 설계안전율을 도입해 선행 조사된 결과의 활용 및 국내 제도적 측면에서의 적용방안에 대해 고찰한다. 또한 이에 따른 결과를 건축물의 재실자밀도 제도 적용의 기초자료로 활용하는 것에 목적이 있다.
이를 위해서 5년간 화재통계를 분석하고, 화재위험도에 따른 설계안전율을 도출하였다. 또한 재실자밀도의 지역별 특성 및 공간용도에 따른 설계안전율을 확인하여 설계안전율을 이용한 정립방법에 대한 정립방법 프로세스를 제안하였다. 특히 도출된 결과에 따른 향후 연구에 대해 기술한다.

2. 설계안전율 산정방법

현장조사는 조사의 환경, 장소, 시기 등에 큰 영향을 받는다. 실제로 Sanctis et al. (2014)가 할인마트에 대해 분석한 바에 의하면, 평일과 주말, 계절, 휴일(크리스마스, 부활절 등) 및 할인시기 등에 따라 인원의 변화가 심하고, 더욱이 규모(소매점, 대형마트, 백화점 등)에 따라 다르게 분포된다고 기술하고 있다(Sanctis et al., 2014).
하지만 실제로 모든 건축물의 재실자 수가 변화하는 것은 아니며, 정원(Fixed number)의 형태, 즉 일정(Steady), 변화(Changing), 없음(Absence)에 따라 구분될 수 있다. 정원의 형태에 대해 Table 1에 나타내었다. 이 중 정원이 변화 및 없음의 공간이 최대 수용인원을 정하여 제도화하기 어려운 부분에 포함되며, 정원이 일정한 경우는 최대 수용인원을 추정할 수 있는 근거가 명확하다. Fig. 1은 정원형태에 따른 시간별 최대 수용인원과 빈도에 따른 최대 수용인원을 나타낸 개념도이다(JAFSE, 1991). 이 중 정원이 변화 및 없음의 공간은 최대 재실자이용 빈도를 추정하여도 특수한 상황에 따라 더 많은 수용인원이 요구된다.
Table 1
Use of Building according to Property of Fixed People Number
Classification Use buildings
Steady Apartments, Lodgings, Office, School, Private educational institute, Labo-ratories, Factories, etc.
Changing Fixed seat; but that can stand space (The-atre, Movie theater, Wedding hall, etc.), Hospital, Library, Church, Public hall, etc.
Absence Museum, Zoo, Botanical Garden, Retail stores, Department Stores, Bus and Air ter-minals, Casino, Multiplex available prem-ises, etc.
Fig. 1
Frequency and Occupant Numbers according to Fixed People Number
KOSHAM_16_02_027_fig_1.gif
이와 같은 상황으로 살펴보면, 현장조사를 통해 도출된 재실자의 최대수용인원을 각 건축물에 적용하게 된다면 피난용량을 과대 설계하게 됨으로서 공간·경제적으로 건축주에게 큰 부담을 초래할 수 있다. 따라서 기준 값을 설정할 때는 최대 값의 몇 %를 고려하여야 하는가가 주요한 요소가 된다. 여기서, 위험도평가 기준으로 고려하면 화재발생빈도 f가 10-6미만의 확률이라고 하면 안전하다고 보는 기준을 참고(NFPA, 2002; Shin et al., 2012)하여, 해당시설의 연간 출화율이 N(n/yr·nb) 이라고 한다면, 피난이 필요한 화재의 발생은 N’로,Eq. (1)과 같다.
(1)
N' = abN
여기서, a는 재실자가 체류하는 시간(거주시간) 내에 화재가 발생하는 비율(‒), b는 전소・반소이상의 화재가 발생되는 비율(‒)이다. 또한, nb는 건축물 수(Number of buildings)를 의미한다.
또한 건축물별 최대 화재발생확률(‒)을 αp라고 하면 Eq.(2)와 같이 나타낼 수 있으며, Eq. (3)과 같이 설계안전율 αd를 도출할 수 있다.
(2)
αp<106N'
(3)
αd=1αp

3. 최대 재실자밀도의 선행연구 결과분석

국내 선행연구에 대한 조사는 재실자밀도 실태조사 또는 정원 고정인 건축물 용도에서 직원 수 등을 조사한 결과를 사용하였다. 이에 따라 선행 조사된 건축물은 총 4가지의 용도군으로 분류되며, Table 2와 같다. 본 연구에서 조사한 선행연구는 최대 재실자밀도로 산출되는 값을 인용하며, 용도는 주거(Residential), 업무(Business), 상업(Mercantile), 문화 및 집회시설(Assembly)로 구분된다. 최대 재실자밀도는 조사된 건축물 중 표준편차가 0.2 이하의 부분에 한해서 도출하였으며, 그 이상이 되는 결과는 최빈값을 인용하는 것으로 정하였다. 이는 재실자밀도 정립을 위해 측정의 오류를 제거하기 위함이며, 단위는 pers./m2로 하였다.
Table 2
A Results of Occupants Density by Previous Studies
Residential(R) Business(B) Mercantile(M) Assembly(A)
Apartment Office hotel Offices Discount Stores Department Stores Shopping Center Movie Theater Sky Art Aquarium Museum
Occupant Density (m2/pers.) *39.12 *38.87 **6.77 ***2.77 ****4.71 ***2.05 ***0.21 *1.64 *1.05 *0.65
*64.50 **9.07 ***2.16 ****2.34 ***2.34 ***0.20
***2.37 ****4.08 ***1.13 *0.58
***2.60 ****5.14
****4.36
****3.81
분석 결과, 재실자밀도는 각 용도군 별 주거시설의 아파트, 오피스텔의 경우 38.87~64.50로 나타났으며, 업무시설에서의 사무실은 6.77~9.07의 범위였다. 또한 상업시설의 대형할인점은 2.16~2.77, 백화점은 2.34~5.14, 쇼핑센터는 2.05~1.13으로 나타났다. 문화 및 집회시설의 경우, 영화상영관 0.20~0.58, 스카이아트 1.64, 수족관 1.05, 박물관 0.65로 나타났다.

4. 설계안전율 계산

설계안전율의 계산은 출화율 N, 거주시간내 화재가 발생할 확률 a, 전소·반소가 이상의 화재가 발생될 확률 b를 근거로, 피난이 필요한 화재의 발생 N을 계산한다. 이 후 화재 위험빈도가 10-6가 되는 것을 가정하여, 화재의 최대발생확률과의 관계로서 계산한다. 또한 본 연구에서는 재실자밀도에 대해 선행연구된 용도에 대해서만 분석하는 것으로 한정한다.
국내의 건축물 용도·시간·화재크기별 통계분석을 통한 재실자밀도의 설계안전율의 계산은 통계청 국가통계포털(KOSIS, www.kiosis.kr) 및 국민안전처 국가화재정보센터(NFDS, www.nfds.go.kr)을 이용하여 산출하였다. KOSIS에서는 용도별 건축물 현황(2005~2014)의 자료를 인용하였으며, 주거용, 상업용, 문교사회용의 용도 건축물 수(nb)에 대하여 Table 3과 같이 나타내었다. 여기서, 건축물 수의 자료는 2015년 자료의 표본은 도출되지 않아 2015년의 결과는 전년도의 결과를 준용하는 것으로 가정한다.
Table 3
Number of Buildings by Years and Uses
Uses Residential Business, Mercantile Assembly
Years
2011 4,529,464 1,142,766 170,284
2012 4,516,392 1,138,401 175,142
2013 4,529,040 1,156,624 179,482
2014 4,544,277 1,174,891 182,913
화재출화율의 산정은 인구 1만명당 화재건수로 나타내는 경우도 있지만, 본 연구에서는 건축물 수에 따른 비율로서 산출하는 것으로 한다(FDMA, 2014). 또한 연도·용도별 화재건수를 Fig. 2에 나타낸다.
Fig. 2
Number of Fires by Building Uses
KOSHAM_16_02_027_fig_2.gif

4.1 피난이 필요한 화재발생 비율 N’ 계산

4.1.1 거주 시간내 화재가 발생할 비율 a 계산

거주 시간내 화재발생 비율의 계산은 용도마다 다르게 분포한다. 예를 들어, 주거용도는 거주자가 24시간 상주하거나 출퇴근이 정해져 있는 주거의 경우는 수면을 취하는 용도로서 사용될 수도 있다.
이에 본 연구에서는 주거용도는 출퇴근을 고려하여, 피난이 필요한 시간을 23:00~09:00, 17:00~23:00에 거주하는 하는 것으로 가정하였으며, 업무 및 상업용도의 경우는 평균 출근시간(9시)과 판매용도 등의 마감시간 등을 고려하여, 09:00~23:00로 정하였다. 또한 집회용도는 영화관 등과 같은 특별한 용도를 제외하고는 대부분 09:00~19:00로 진행되고 있어, 이를 준용하였다. 이에 따른 거주시간 내 화재발생 비율 aTable 4에 나타내었다. 주거용도, 업무/상업용도, 집회용도는 각각 0.575236, 0.686339, 0.529181의 비율이 도출되었다.
Table 4
Fires Ratio within Residence Time, a
Use Residential Business, Mercantile Assembly
Yr Fires (n) (17H~09H) Total Fires (n) Ratio, a (−) Fires (n) (09H~23H) Total Fires (n) Ratio, a (−) Fires (n) (09H~19H) Total Fires (n) Ratio, a (−)
2011 5,771 10,105 0.571103 1,501 2,274 0.660070 201 391 0.514066
2012 5,876 10,181 0.577154 1,552 2,258 0.687334 192 389 0.493573
2013 5,785 10,133 0.570907 1,430 2,066 0.692159 182 332 0.548193
2014 6,055 10,371 0.583840 1,539 2,188 0.703382 176 321 0.548287
2015 6,376 11,124 0.573175 1,549 2,249 0.688751 188 347 0.541787
Mean 5,973 10,383 0.575236 1,514 2,207 0.686339 188 356 0.529181

4.1.2 전소·반소 이상이 되는 화재비율 b 계산

전소 또는 반소 이상이 되는 화재 비율 b는 다수 층 연소, 발화건물 전체 연소, 인근 건물로 연소 3가지의 항목에 대해 분석하였다. 발화지점만 연소, 발화층만 연소하는 것은 반소화재의 크기에 비해 미미하기 때문에 제외하였다. 계산 결과를 Table 5에 나타낸다. 주거용도, 업무/상업용도, 집회용도는 각각 0.133314, 0.055732, 0.111798으로 계산되었다.
Table 5
Fires Ratio (Burnout or Half Burnout over), b
Use Residential Business, Mercantile Assembly
Yr #1 #2 #3 Total #1 #2 #3 Total #1 #2 #3 Total
2011 84 1,138 264 1,486 36 50 28 114 6 27 9 42
2012 97 1,065 271 1,433 32 45 38 115 9 30 6 45
2013 111 943 253 1,307 27 52 44 123 3 30 6 39
2014 100 1,003 261 1,364 33 46 49 128 3 25 6 34
2015 102 975 254 1,331 42 48 45 135 4 26 9 39
Mean 99 1,025 261 1,384 34 48 41 123 5 28 7 40
Cal. 10,383* Ratio, b 0.133314 2,207* Ratio, b 0.055732 356* Ratio, b 0.111798

Note. #1 Burned multi-floors, #2 Burned down total destruction, #3 Burned spread to adjacent building,

* Number of fires (Mean 5 years)

4.1.3 연간 출화율 N 계산

연간 출화율은 연별 화재건수에서 해당시설 수를 나눈 값을 사용하였다. 현재 KOSIS의 자료에서는 2014년까지의 자료를 제공하고 있어, 4년간 평균으로 계산하였다. 그 결과를 Table 6에 나타낸다. 연평균 출화율 N은 주거용도, 업무/상업용도, 집회용도는 각각 0.002251, 0.001905, 0.002030으로 나타났다.
Table 6
Annual Fires Ratio, N
Use Residential Business, Mercantile Assembly
Yr Fires Buildings Ratio, N Fires Buildings Ratio, N Fires Buildings Ratio, N
2011 10,105 4,529,464 0.002231 2,274 1,142,766 0.001990 391 170,284 0.002296
2012 10,181 4,516,392 0.002254 2,258 1,138,401 0.001983 389 175,142 0.002221
2013 10,133 4,529,040 0.002237 2,066 1,156,624 0.001786 332 179,482 0.001850
2014 10,371 4,544,277 0.002282 2,188 1,174,891 0.001862 321 182,913 0.001755
Mean 10,198 4,529,793 0.002251 2.197 1,153,171 0.001905 358 176,955 0.002030

4.2 설계안전율의 계산

피난이 필요한 화재발생 비율 N’을 고려하여, 통해 설계안전율을 계산한다. Table 7a, b, N의 각각 결과에 따른 설계안전율을 도출한 것이다. 설계안전율은 주거, 업무/상업, 집회용도 각각 99.4%, 98.6%, 99.1%로 계산되었다. 모든 용도에 설계안전율은 99% 정도 채용하도록 도출되었으며, 이는 화재안전설계 측면에서 위험성이 상당히 높은 것으로 판단된다. 한편, 본 연구에서 진행되는 설계안전율은 단일 건축물에 대하여 조사된 통계 값이 아니기 때문에 거시적으로 표현되는 한계가 존재한다. 따라서 이러한 한계점을 포함하여 본 연구에서는 주거용도에 대하여 지역별 설계안전율을 비교하였다. 그 결과를 Fig. 3에 나타냈다.
Table 7
Calculation of Design Safety Ratio, αD
a b N N’ αp αD=1−αp
Residential 0.575236 0.133314 0.002251 0.000173 0.005793 0.994207
Business, Mercantile 0.686339 0.055732 0.001905 0.000073 0.013723 0.986277
Assembly 0.529181 0.111798 0.002030 0.000120 0.008327 0.991673
Fig. 3
Fires Occurrence Ratio by Regional Groups
KOSHAM_16_02_027_fig_3.gif
화재가 발생되는 건축물은 규모나 용도가 동일하더라도 사용하고 있는 지역의 특성에 따라 다르게 분포되고 있으며, 특히 충청남도(0.997)와 제주특별자치시(0.970))의 결과가 최대와 최소의 값을 보이고 있다. 이와 같이 재실자밀도의 설계안전율은 제도를 정립하는데 있어서는 다양한 측면의 인자를 고려해야 하며, 특히 해당 건물의 사용자 특성과 정확한 화재통계자료가 지원되어야 할 것으로 판단된다. 따라서 재실자밀도 정립방법 프로세스를 Fig. 4와 같이 제안한다.
Fig. 4
Process of Construction Method for Occupant Load Density
KOSHAM_16_02_027_fig_4.gif
재실자밀도를 정립하기 위해 다양한 변수가 존재하게 된다. 평균적인 재실자의 수를 규정하더라도 갑자기 다수의 재실인원이 증가하는 상황이 발생하면, 피난용량은 반드시 한계에 도달하게 된다. 이에 따라 정립방법 프로세스에서는 정원분류, 설계안전율, 지역별 화재통계의 3가지 주요인자를 제안하였다. 또한 본 연구에서 진행한 화재통계적인 측면에서 살펴보면 연간 화재사고 건수의 오차범위가 대부분 작게 분포되고 있고, 특별한 화재가 발생하지 않는 한 화재안전 측면에서의 위험비율은 측정이 가능하다. 또한 지역별로 설계안전율의 차등적용을 통해 탄력적인 제도개선이 가능할 것으로 판단된다.

5. 결론 및 향후 연구방향

본 연구는 재실자밀도의 제도적 정립방안을 고찰하기 위한 것으로 화재통계를 통해 설계안전율에 대해 분석하고, 정원유형 및 지역별 특성에 대해서 분석하였다. 그 결과에 대한 내용을 다음과 같이 나타낸다.
  • 1) 선행연구된 재실자밀도는 주거용도(38.87~64.50), 업무용도(6.77~9.07), 상업용도(2.16~2.77), 문화 및 집회용도(0.20~1.64)로 나타났다. 동일한 용도군에 속하더라도 다양하게 분포되는 것을 확인하였다.

  • 2) 5년간 화재통계 분석을 통해 재실자밀도의 설계안전율을 분석한 결과, 주거용도, 업무/상업용도, 집회용도는 각각 99.4%, 98.6%, 99.1%로 도출되었다. 이는 대부분 99% 정도를 채용해야 된다는 결과로서, 상당히 높은 설계안전율로 확인된다. 다양한 변수에 의해 다르게 해석될 수 있는 부분이 있지만 화재통계를 통해 계산된 설계안전율의 적용방법을 제안함으로서 지역별, 사용용도별로 차등 구분할 수 있을 것으로 사료된다. 또한 이러한 결과에 대하여 프로세스를 제안함으로서, 향후의 제도적인 측면에서의 적용방법에 대한 기초적인 자료로 활용될 수 있을 것으로 판단된다. 반면 현재부분에서의 도입은 다양한 사례분석이 이루어진 후에 가능할 것으로 판단되며, 향후의 연구에서는 사례분석에 대한 검토가 반드시 이루어져야 할 것으로 판단된다.

감사의 글

본 연구는 국토교통부 도시건축연구사업의 연구비지원(15AUDP-B100356-01)에 의해 수행되었습니다.

References

1. Daniel, C.R, and Lyman, J.B (1935). Design and Construction of Building Exits. United States Government Printing Office Washington. National Bureau of Standards Miscellaneous Publication M151, Oct 10). p 13-25.

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