실증실험을 통한 화재 시 건축물의 대피체계 영향성 분석
Demonstration of the Effect of Evacuation Systems in Buildings
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Abstract
건축물 화재 시 발생되는 인명피해는 다양한 원인에 따라 발생된다. 건축물 화재로 인한 사망 및 부상과 같은 사고의 원인으로 파악된 사항은 대피로의 원활한 활용불가와 관련된 사항이 가장 많았다. 화재로 인한 인명피해는 대상 건축물의 특성을 고려한 체계적인 대피체계를 마련하고, 화재발생위치에 따른 적절한 피난경로를 안내할 수 있다면 크게 줄일 수 있을 것이라 판단된다. 따라서 이 연구에서는 건축물 화재 시 인명피해 최소화를 위하여 건축물의 특성을 반영한 대피체계를 구축하였으며, 화재 시 적절한 대피경로를 재실자들에게 안내함으로써 신속하고 안전한 피난을 유도할 수 있도록 하였다. 제안된 대피체계 및 대피경로 안내시스템은 실제 건축물을 대상으로 다양한 연령대의 재실자를 구성하여 실증실험을 실시함으로써 활용성을 확보하였다.
Trans Abstract
In the event of a fire in a building, casualties are likely to occur due to various causes. The most common causes of fatalities and injuries due to building fires are related to the inability to use evacuation routes smoothly. The casualties caused by fires could be greatly reduced if a systematic evacuation system is prepared by considering the characteristics of the target building. Accordingly, an appropriate evacuation route can be established based on the location of the fire. Therefore, in this study, an evacuation system that reflects the characteristics of the building was established to minimize casualties in the event of a building fire. Further, to facilitate quick and safe evacuation, an appropriate evacuation route was provided to the occupants in the event of a building fire. The usability of the proposed evacuation system and evacuation route guidance system was verified through empirical experiments involving occupants of various age groups and real buildings.
1. 서 론
일반적으로 건축물은 화재발생 시 신속하고 안전한 인명의 대피에 소요되는 최소한의 시간 확보를 위하여 내화 및 소방설계를 반영하고 있다. 이를 위하여 설계단계에서 다양한 시나리오를 설정하여 피난시간을 예측하고, 건축물의 용도 및 규모에 따라 내화구조설계 및 방화구획설정을 실시하여 건축물의 시공이 이루어진다. 설계- 인허가- 시공- 준공의 과정을 통하여 건축물은 각각의 특성을 반영하여 화재안전성이 확보되었으나, 실제 건축물의 사용 중 설계단계에서 반영된 피난경로를 방해하는 요소 또는 일부 공간의 구획변경 등의 이유로 화재안전성이 상대적으로 저하될 수 있다는 문제점 있다. Fig. 1은 화재통계연감(NFA, 2022)에서 집계한 지난 2021년 국내에서 발생된 화재사고 희생자의 사망 및 부상의 원인을 나타낸 것이다. 건축물 화재에서 발생되는 희생자들은 대부분 연기(화염)으로 인한 피난불가, 출구 장애물, 출구위치 미인지, 출구 잠김, 출구 혼잡 등의 사유로 발생되었음을 확인할 수 있다. 희생자 발생원인의 경향성은 Table 1을 통하여 2021년 통계자료 뿐만 아니라 해당내용에 대한 통계가 이루어진 2014년 이후부터 지속적으로 나타나는 양상임을 확인할 수 있다.
Status of Casualties by Cause in Case of Fire (2021)
Status of Casualties by Cause in Case of Fire (2014~2020)
건축물 화재사고의 희생자는 다양한 원인을 통하여 발생되고 있으며, 모든 원인을 고려하여 정의하면 ‘대피로의 원활한 활용 불가’라고 표현할 수 있다. 이 연구에서는 화재 시 재실자의 안전하고 신속한 대피가 이루어질 수 있도록 저자에 의하여 기 개발된 건축물 화재 시 조기경보 및 대피체계(Kang and Kweon, 2021)의 활용성 및 영향성을 평가 및 분석하기 위하여 실증실험을 수행하고자 하였다. 실증실험에 사용된 대피체계는 Fig. 2와 같이 화재발생에 따른 각 위험단계(관심-주의-경계-심각)에 적절한 행동요령을 제시하고 있으며, 실증실험에서는 이와 같은 대피체계의 적용유무에 따라 안전피난경로 활용여부를 파악하고자 하였다. 또한, 실증실험에 참가한 모든 실험투입인원을 대상으로 다양한 문항의 설문을 통하여 실증실험에 적용된 대피체계의 활용성 및 영향성을 객관적으로 판단하고자 하였다.
Evacuation System by Fire Hazad Stage (Kang and Kweon, 2021)
2. 실증피난실험
2.1 실험 대상 건축물
이 연구에서는 Fig. 3과 같이 두 개의 건축물을 대상으로 실증실험을 시행하였다. Fig. 3(a) 건물은 2층 및 3층을 대상으로 재실자를 배치하였으며, 2가지의 평면배치를 변수로 실증실험을 수행하였다. Fig. 3(b) 건물은 3~5층을 대상으로 재실자를 배치하였으며, 단일 평면으로 실증실험을 진행하였다. 모든 실험은 사전에 구성된 실험변수와 화재시나리오에 따라 진행되었으며, 화재시나리오에 따라 안전피난경로를 1층 대피 또는 옥상 대피로 설정하였다. 재실자들의 대피현황을 실시간으로 확인하기 위하여 건축물 내부 주요 피난경로와 1층 및 옥상 층 최종 대피위치에는 관찰카메라를 설치하였으며, 이를 통하여 모든 재실자의 대피경로, 시간 및 실시간 위치를 파악하여 실험결과분석을 수행하였다.
Set Up of Test Buildings
2.2 실험 시나리오 설정
건축물 화재 시 조기경보 및 대피체계(Kang and Kweon, 2021)의 활용성 및 영향성을 평가 및 분석하기 위하여 수행된 실증 피난실험은 대상 건축물 설정 및 실험 시나리오를 사전에 설정하여 수행되었다. 실험 시나리오는 재실자 구성, 화재시나리오 구성, 상황에 따른 안전 피난경로 설정 및 대피체계를 통하여 재실자에게 최적 피난경로를 안내하는 시스템의 구성 및 점검을 통하여 수립하였다.
2.2.1 재실자 구성
두 건축물을 대상으로 수행된 총 42회의 실험에 배치된 재실자는 모두 86인으로, 모든 실험에서 20~60대의 성인남녀를 대상으로 투입되었다. 건축물 A 및 B를 대상으로 배치된 재실자정보는 각각 Table 2와 같다.
Occupant Composition
Table 2와 같은 재실자 구성은 지난 2012년부터 2021년까지 화재장소별 화재발생 현황에 따르면, 주거시설에서 전체 화재발생 건수의 26.6% (NFA, 2022)를 차지하고 있었으며, 이와 같은 화재발생 빈도를 고려하여 다양한 주거형태에서 나타날 수 있는 가족구성을 고려하였다. 재실자 배치현황을 살펴보면, A 건축물의 경우 2~3대의 가족이 거주하는 주거공간을, B 건축물의 경우 비교적 젊은 재실자가 거주하는 원룸 또는 2~4인 가구형태를 대상으로 구성하였다. 모든 실험에 투입된 총 86인의 재실자는 모든 실험이 완료된 후 본 실험 및 기 개발된 화재 시 조기경보 및 대피체계 안내시스템에 대한 만족도 조사에도 참여하였으며, 그 결과에 따라 개발 기술에 대한 만족도 및 영향성 평가를 수행하였다.
2.2.2 화재 시나리오 및 대피체계 운영 변수
이 연구에서 수행된 실증 피난실험은 대상 건축물에서 최초 화재가 발생된 층(화재 시나리오)과 재실자의 재실 층을 고려하여 안전 피난경로를 설정하였다. 두 건축물을 대상으로 수립한 화재시나리오 및 대피체계 운영 변수는 Table 3과 같다.
Test Variables (Fire Scenario and Evacuation System)
각 건축물에는 Table 2와 같이 재실자를 배치하였으며, 다양한 화재발생 층을 설정하였다. 실험변수는 3가지로 설정하였으며, 각각 일반적인 건축물에서 볼 수 있는 화재알람(실험변수 1.), 조기경보 및 대피체계 시스템이 개입되었으나 모든 재실자에게 화재가 발생된 층과 대피알림만 전달(실험변수 2.) 및 모든 재실자에게 화개가 밸생된 층과 안전 피난경로안내(실험변수 3.)이다. 실험변수 2 및 3의 경우 조기경보 및 대피체계가 적용되어 각 재실자의 스마트폰을 통하여 개별적으로 화재상황 및 관련정보가 전달되어 신속하고 안전한 피난이 이루어질 수 있도록 하였다(Kang and Kweon, 2021; KICT, 2021). 특히 실험변수 3에서 각재실자에게 전달되는 안전 피난경로는 매인 피난동선으로 활용되는 계단실을 통하여 화염과 연기가 유출되는 상황을 고려하여, 재실자가 위치한 층보다 아래 층에서 화재가 발생될 경우 해당 재실자는 옥상으로 대피하는 것으로 설정하였다(Kweon et al., 2021).
2.3 실험수행 및 결과분석
건축물 A 및 B를 대상으로 각각 재실자를 배치한 후 Table 3와 같은 변수를 두고 실험을 실시하였다. 각 건축물 별 재실자를 두 그룹으로 양일동안 각각 배치하여 동일한 실험을 진행하였으며, 총 42회의 실험을 실시하였다. 모든 재실자는 실시간 위치파악 및 피난경로 파악을 위하여 Fig. 4와 같이 번호표가 부여된 실험복을 입고 실험에 투입되었으며, 각 번호에는 해당재실자의 연령, 성별, 거주 층 등의 다양한 정보를 매칭하여 결과분석에 활용할 수 있도록 하였다.
Evacuation of the Occupants (Observation Camera)
Tables 4~9는 3가지의 실험변수로 A 및 B 건축물에서 각각 실시한 실험결과를 정리한 것으로써, 두 실험 모두 조기경보 및 대피체계 적용여부 및 재실자에게 전달되는 정보가 많을수록 안전 피난경로를 통한 피난이 이루어지는 것을 확인할 수 있다.
Test Result of ‘No Information’ (Building A) - Fire Location: 1st Floor
Test Result of ‘All Information’ (Building B) - Fire Location: 4th Floor
Tables 4~6은 A건축물을 대상으로 1층에서 화재가 발생한 시나리오를 적용하였으며, 해당 화재시나리오에 따라 2, 3층의 재실자는 모두 옥상층으로 대피하는 것이 안전 피난경로로 설정되었다.
Test Result of ‘All Information’ (Building A) - Fire Location: 1st Floor
다만, 결과에서 확인할 수 있듯이 ‘실험변수 1’에서 3층에 재실하고 있는 5인을 제외 하고 모든 재실자가 화재가 발생 된 1층으로 피난을 완료하였다. 이후 진행된 ‘실험변수 2’에서 3층에 재실하고 있는 50대 남성만 유일하게 1층으로 피난을 완료하였으며, ‘실험변수 3’에서는 모든 재실자가 안전 피난경로인 옥상대피를 완료할 수 있었다.
Tables 7~9는 B건축물을 대상으로 4층에서 화재가 발생한 시나리오를 적용하였으며, 해당 화재시나리오에 따라 3, 4층의 재실자(11인)는 1층으로, 5층의 재실자(7인)는 모두 옥상으로 대피하는 것이 안전 피난경로로 설정되었다. 그럼에도 불구하고, A건축물 실험과 유사하게 조기경보 및 대피체계가 개입되지 않은 ‘실험변수 1’에서 대부분 가장 가까운 경로로 대피를 하는 경향이 나타난 것을 확인할 수 있었으며, 실험변수 2 (Occupant ID 16: 50대 여성), 3의 경우에는 A건축물 실험경향과 유사하게 도출되었다.
Test Result of ‘No Information’ (Building B) - Fire Location: 4th Floor
화재에 대한 아무런 정보도 없이 화재알람만 울리는 환경에서 대다수의 재실자는 성별과 연령에 대한 경향성 없이 건축물 밖으로 대피하려는 경향(A건축물)을 나타내거나, 거주하는 곳과 가까운 출구로 대피하는 경향(B건축물)이 나타나는 것을 확인할 수 있었다.
Table 5의 9번 재실자와 Table 8의 16번 재실자는 각각 안전 피난경로와 반대의 방향으로 대피를 실시한 유일한 재실자로써, 실험 종료 진행된 설문과는 별도로 인터뷰를 진행하였다. 인터뷰 결과 두 재실자는 조기경보 및 대피체계 시스템을 통하여 화재발생 층수를 전달받았으나, 급박한 상황에서 판단하기가 어려웠으며 각각 1층을 통한 건축물 밖으로 대피하는 것이 안전하다고 판단한 경우와 재실자가 위치한 곳에서 가장 가까운 옥상으로 대피를 진행하는 것이 동선을 최소화 할 수 있어 안전하다고 판단한 것으로 확인되었다.
Test Result of ‘Few Information’ (Building A) - Fire Location: 1st Floor
Test Result of ‘Few Information’ (Building B) - Fire Location: 4th F loor
다양한 변수를 설정하여 실험을 진행하였으며, 공통적으로 모든 실험변수 3에서는 조기경보 및 대피체계 시스템에서 안내한 안전 피난경로에 따라 올바른 피난을 진행한 것으로 나타났다. 이와 같은 결과는 건축물 화재에 대응하기 위하여 마련된 조기경보 및 대피체계가 신속하며 효과적으로 인명의 대피를 유도할 수 있다는 것을 입증하고 있다. 반면에, 실험변수 1과 2의 결과를 함께 고려하면, 대다수의 일반적인 사람들은 건축물 화재 시 안전한 대피경로 선택에 어려움이 있다는 것을 확인할 수 있었다.
이 연구에서는 실증실험과 실험참가자를 대상으로 설문을 통하여 화재 시 조기경보 및 대피체계의 활용성 및 영향성평가를 수행하였다. 설문문항은 총 41개로 구성되었으며, 모든 문항은 제안된 시스템의 우수성, 유용성 및 활용성 등을 평가할 수 있도록 구성되었다. Fig. 5와 같이 실제 화재상황에서도 사용의향이 있다는 응답이 약 92%로 파악되었으며, 특히 화재인지 및 대피경로에 대한 안내에 대한 만족도가 크게 나타난 것을 확인할 수 있었다. 또한, 건축물 화재발생 시 해당 시스템을 활용하였을 때 화재안전강화에 기여할 수 있다는 응답이 약 86%로 도출되었으며, 이는 앞서 언급한 바와 같이 초기 화재 인지(화재발생, 발생위치)와 이에 따른 안전 피난경로 활용을 통한 위험구간 우회가능성에 대한 만족도가 크게 나타난 것을 확인할 수 있었다.
Results of Survey
설문 문항과는 별개로 일부 응답자의 경우에는 이 연구를 통하여 진행된 화재상황에 대한 화재인지 및 대피와 같은 교육 또는 훈련과 같은 절차를 처음으로 경험하였으며, 체계적인 절차가 마련되어 실제 주거하고 있는 건축물을 대상으로 이루어지길 희망한다는 의견을 제시하기도 하였다.
국내에서는 20년 이상 된 노후건축물이 전체 건축물의 약 59.6% (MOLIT, 2022)로 집계되었다. 이는 대다수의 국내 건축물이 실험변수 1과 같은 상황으로, 화재발생 시 별도의 안내 없이 화재알람, 인접 재실자의 육성, 화염 및 연기발생 인지를 통하여 화재상황을 파악할 수 있을 것으로 판단된다. 일반적으로 건축물 화재발생 시 초기 5분이 지나면 급격한 화재확산이 발생될 가능성이 크기 때문에 해당 시간을 골든타임이라 명명하고 있다. 이는 화재발생 초기에 신속한 대피가 이루어지지 않으면, 화염과 연기의 확산으로 재실자의 안전한 대피가 어려워 질수 있음을 반증하고 있는 사안이다. 따라서 기존 노후건축물을 대상으로 해당 건축물의 특성이 적절히 반영된 조기경보 및 대피체계의 마련이 필요할 것으로 판단된다.
3. 결 론
지난 10년 동안 국내에서 평균 약 4만여 건 이상의 화재사고가 발생되고 있으며, 그 중에서 약 25%에 해당되는 연 평균 1만 여건의 화재사고가 주거시설에서 발생되고 있다(NFA, 2022). 화재사고로 인한 인명피해(사망) 현황은 화재사고가 가장 많이 발생되는 주거시설에서 지난 10년 동안 1,883명으로 집계되었으며, 이는 전체 화재사고로 인한 사망자의 약 61%에 해당된다.
다양한 인명피해의 원인을 분석한 결과, ‘대피로의 원활한 활용 불가’가 대표적인 원인으로 파악되었다. 관련하여 이 연구에서 수행된 실증 실험과 설문 및 인터뷰를 통하여 ‘대피로의 원활한 활용 불가’가 나타나는 원인은 다음과 같이 크게 두 가지로 정리할 수 있었다.
첫 번째는 건축물의 비상구 및 피난통로에 대한 관리미흡 등의 원인과 두 번째로 재실자의 화재상황인지(화재발생 위치, 화재발생 시간 등)부족이다. 이러한 문제점을 해소하기 위하여 조기경보 및 대피체계가 저자에 의하여 제안되었으며, 이 연구에서는 실증 피난실험, 참가자 설문조사 및 인터뷰를 통하여 제안된 시스템의 활용성과 건축물 화재사고에 대한 영향성 분석을 수행하였다. 그 결과, 다음과 같은 결론을 도출할 수 있었다.
실내 흡연 및 음식조리 등으로 발생되는 가정 내 연기로 인하여 화재경보기의 오작동이 매우 빈번하게 발생하고 있으며, 이로 인하여 대다수의 사람들이 화재알람을 무시하는 경향이 나타나고 있다. 이는 실제 화재발생 시 재실자의 화재상황인지 시간이 늦어질 수 있으며, 늦어진 시간동안 급격하게 확산된 화염 및 연기로 인하여 대피가 불가능한 상황에 놓일 수 있다.
다양한 변수를 적용한 실증 피난실험을 통하여 대상 건축물의 특성을 반영한 조기경보 및 대피체계는 재실자의 신속한 화재상황인지 및 안전 피난경로를 안내할 수 있어 신속하고 안전한 피난을 유도할 수 있었다.
총 42회의 실증 피난실험을 수행하는 과정에서 모든 참가자는 각기 다른 변수의 실험 상황임에도 불구하고 횟수가 증가(A 건축물: 1인당 9회, B건축물: 1인당 12회 반복 수행)함에 따라 연령과 성병 등에 무관하게 화재상황에 대한인지 및 대피체계 시스템에 의하여 전달된 행동요령을 보다 신속하게 수행하는 것을 확인하였다. 이를 통하여 일반 주거건축물을 대상으로 일정횟수 이상 반복교육이 이루어진다면 화재로 인한 인명피해를 최소화 할 수 있을 것으로 판단된다. 또한, 현재 소방훈련 등이 의무화되지 않은 특정 건축물을 대상으로 교육 또는 훈련의 필요성을 확인할 수 있었다.
실증 피난실험 참가자의 설문 및 인터뷰결과에 따라 저자에 의하여 개발된 건축물 화재 시 조기경보 및 대피체계의 활용성 및 인명피해 절감 효과에 대한 영향성이 우수한 것으로 확인되었다.
다만, 건축물 화재상황에 대하여 상대적으로 취약할 수 있는 재난약자를 대상으로 최적화된 조기경보 및 대피체계에 대한 추가적인 연구가 이루어져야 할 것으로 판단된다.
감사의 글
본 연구는 과학기술정보통신부 한국건설기술연구원 연구운영비지원(주요사업)사업으로 수행되었습니다(과제번호 20220237-001, 국민 생활안전 전주기 화재안전 통합관리체계 구축 연구(2/2)).