1. 서 론
1.1 연구 배경 및 목적
화재조사 수행 시 화재의 원인을 규명하기 위하여 발화 및 화재 확대 원인, 화재확산경로 등을 파악하게 된다(Park et al., 2018). 그 중 화재확산경로 추정은 다수의 사망자가 발생한 이유와 화재가 확대된 원인 등을 규명하기 위해 수행된다.
2017년 12월 21일 충청북도 제천시에 위치한 다중이용시설(이하 ‘제천스포츠센터’) 화재로 인하여 29명의 사망자와 40명의 부상자가 발생하였다. 이 화재는 1층 필로티 공간에서 시작되었고 수직관통부 및 단열재 등을 통해 상층부로 빠르게 확대되었다. 또한 동일한 구조인 2층과 3층에서 사망자 및 소손피해가 상이하게 발생해 일반적인 화재피해 형태와는 차이점이 나타났다.
화재 이후 전반적인 화재 원인, 화재확산경로 추정을 위하여 화재백서 및 합동조사 보고서 등이 작성되었다. 여기에서는 화재확산경로를 화물용 승강기, 계단실, EPS/PD 등으로 건축물 내의 모든 수직 관통부로 추정하고 있다. 그중 주 화재확산경로를 화물용 승강기로 추정하고 있다. 그러나 2층 화물용 승강기의 경우 상단 부분이 소손 될 뿐 내부로 화재가 확대된 연소 형태는 나타나지 않았다. 또한 재실자의 증언에 따르면 화재 발생 이후 약 10분이 경과한 시점에 주 출입구를 통한 피난을 할 수 없었다고 증언하였다.
더불어 Fig. 1과 같이 초기 화재 확대 및 내부 재실자 현황을 정리한 타임라인을 보게 되면 화재가 급격하게 확대되는 Benchmark Time 1을 기준으로 약 3분이 경과한 시점에 상층부 개구부에서 화염 및 연기가 분출되었다. 또한 2층 재실자의 통화기록을 바탕으로 재실자 사망시간은 Benchmark Time 1 기준으로 약 12분에서 19분이 경과한 시점으로 추정된다. 이는 화재가 외부로 분출되는 Benchmark Time 1 이전에 내부로 화재가 확대된 것으로 추정된다.
화재 당시 건축물 외벽을 비추고 있던 CCTV를 통해 외부로 분출된 화염은 높이는 3층까지 도달하였으며 건축물 내부 및 계단실 등의 소손 형태를 고려할 경우 1층에서 발생한 화재는 3층까지 확대가 된 것으로 추정된다. 전술한 내용으로 보았을 때 기존 백서에서 제시하는 화재확산경로인 화물용 승강기는 2층과 3층에서 피해가 상이하게 발생한 이유를 설명하지 못한다. 화재확산경로 추정을 통해 당시 상황을 파악하는 것은 유사한 화재를 방지하고 원인 규명을 위하여 정확하게 이루어져야 한다. 따라서 당시 건축물 내부로 화재가 확대되는 경로를 명확하게 재추정할 필요가 있을 것으로 판단된다.
이에 본 연구에서는 층별 피해 현황 조사 및 시뮬레이션 분석을 통해 당시 제천스포츠센터의 2층과 3층의 화재확산경로를 재추정하는 것을 목적으로 한다.
2. 화재확산경로 추정을 위한 층별 피해조사
2.1 건축물 개요 및 초기 화재 성상
제천스포츠센터는 지하 1층에서 지상 9층으로 1층을 주차장으로 사용하는 필로티 구조의 건축물이다. 2층과 3층은 목욕탕 및 찜질방 용도이며, 4층에서 7층은 헬스장 용도이고 8층과 9층은 음식점으로 사용되고 있다. 층별 세부 용도 및 바닥면적 등은 Table 1과 같다.
Table 1
Building Scale and Structure
화재 원인은 1층 주차장 천장 내부의 전기합선으로 추정되며 최초 화재 발견 시간은 15:48경이다. 건물관리인이 초기소화를 시도했으나 실패하였고, 소방서 최초 신고 시간은 15:53경으로 최초 화재가 발견된 후 5분이 경과한 시점이다(Lee, 2018c). 화재 당시 CCTV를 확인한 결과 최초 화재신고 후 약 2분이 경과한 15:55경 검은색 연기가 외부로 급격하게 분출되었으며, Fig. 2와 같이 15:57경 화염은 1층 주차장 3면으로 분출되었다.
소방대가 도착한 시간은 16:00경이며 소방대가 도착할 당시 화재는 최성기 상태로 도달한 것으로 추정된다(Lee, 2019).
2.2 층별 피해 현황 및 화재확산경로 추정
2층과 3층의 연소 형태를 고려한 화재확산경로를 추정하기 위해서 현장 조사, 화재백서 및 보고서 등을 통해 화재 확대 원인 등의 문제점을 파악할 필요가 있다. 따라서 현장 조사, 화재백서, 합동조사 종합보고서 및 제천스포츠센터 관련 논문(Lee, 2018a, 2018b) 등을 활용하여 층별 피해 현황을 조사하고 화재확산경로에 대하여 가설을 설정하고자 한다. 층별 피해 현황은 전술한 타임라인에 따라 1층에서 발생한 화재가 직접적으로 영향을 미쳤을 것으로 판단되는 3층까지 조사하였다.
2.2.1 1층 피해 현황
화재 원인으로는 1층 주차장 천장 내부의 전기합선으로 추정되며 화재는 천장 내부의 보온재 및 SMC 천장재를 통해 확대되었다. 이후 보온재가 용융되어 주차된 차량으로 떨어지면서 차량으로 화재가 확대되었다. 차량으로 확대된 화재는 건축물 외부로는 가연성 외장재인 드라이비트를 통해 수직으로 확대되었다.
건축물 내부로는 주차장과 주 출입구의 방화구획 미비로 1층 로비까지 화재가 확대되었다. 1층의 경우 전소하였으며 화물용 승강기, 계단실 및 EPS/PD 등의 방화구획 미비로 화재가 수직으로 확대된 것으로 추정된다.
1층 주 계단의 경우 Fig. 3과 같이 방화문이 설치되어 있지 않아 1층 내부로 확대된 화재는 주 계단을 통해 상층부로 확대된 것으로 추정된다(Lee, 2018a). 화물용 승강기의 경우 전소하였으며 피난계단은 방화문이 개방되어 있어 화염이 외부로 분출되는 형태가 나타났다.
2.2.2 2층 피해 현황
2층은 연기로 인한 그을음 피해가 컸으며 전체 사망자 29명 중 19명이 2층에서 발생하였다. 2층 주 계단 방화문의 경우 Fig. 4와 같이 매립형 방화 문이 설치되어 있었고 일정 온도 이상의 열이 노출되면 방화문이 작동하는 구조이다. 주 계단 1층에 방화문이 설치되지 않아 2층 내부로 열 및 연기가 내부로 유입된 것으로 추정되며 방화문이 작동하기 전까지 내부로 열 및 연기가 유입된 것으로 추정된다. 이에 따라 다수의 사망자가 2층 주 계단 앞 로비에서 발견되었다.
화물용 승강기의 경우 합판에 타일을 붙인 형태로 샤프트와 내부를 구획하고 있어 화재로 인해 발생한 열로 소실되어 열 및 연기가 내부로 유입된 것으로 추정된다. 그리고 EPS/PD의 방화구획 미비로 인해 내부로 연기가 유입된 것으로 추정되며 탕 내부의 그을음의 경우 연기와 수증기가 결합하여 탕 내부로 떨어진 것으로 사료된다. 피난계단의 경우 Fig. 5와 같이 다른 물건을 비치하는 용도로 사용함에 따라 피난계단을 인식하기 어려웠을 것으로 추정된다. 또한 2층 탕 내부에 사용된 통유리는 각각 5 mm, 7 mm의 강화유리 두 장과 강화유리 사이의 공기층 10 mm로 되어 있어 내부에서 쉽게 파괴하기 어려웠을 것으로 추정된다(Lee, 2018a). 실제 2층 내부 재실자의 통화기록에 따라 탕 내부 유리창을 파괴하려고 하였으나 실패한 것으로 나타났다. 2층의 경우 유리창이 파괴되지 않아 연기 배출이 어려웠고 피난계단을 다른 용도로 사용함에 따라 피난계단을 인식하기 어려워 다수의 인명피해가 발생한 것으로 판단된다.
2.2.3 3층 피해 현황
3층은 내부가 전소하였으며 1명의 사망자가 발생하였다. 3층의 경우 Fig. 6과 같이 주 계단 방화문이 개방되어 있었던 것으로 추정되며 열 및 연기가 내부로 유입됨에 따라 내부로 화재가 확대된 것으로 추정된다. 3층 피난계단 앞의 경우 이발소로 사용되고 있었으며 방화문은 개방되어 있었다. 이는 이발소 직원의 피난 유도를 통해 3층 재실자들이 피난계단을 통해 피난하는 과정에서 방화문이 개방된 것으로 추정된다(Lee, 2018b). 또한 2층과 유사하게 EPS/PD 등의 방화구획 미비로 열 및 연기가 내부로 유입된 것으로 추정되며 Fig. 7과 같다. 화물용 승강기의 경우 전소하였으며 내부로 화재가 확산된 것으로 추정된다.
2.2.4 화재확산경로 추정
다수의 인명피해 및 재산피해가 발생한 저층부의 피해 현황을 조사한 결과 추정되는 화재확산경로는 Table 2와 같다.
Table 2
Prediction of Fire Spread Path
1층의 경우 주 계단 및 화물용 승강기 등의 방화구획이 미비하였으며 피난계단은 방화문이 개방되어 있어 화염이 외부로 분출되는 형태가 나타남에 따라 1층에서 상층부로 화재가 확대될 수 있는 경로는 화물용 승강기, 주 계단, 피난계단인 것으로 추정된다.
2층에서는 화물용 승강기의 상단 부분이 소손되어 내부로 열 및 연기가 내부로 유입된 것으로 추정된다. 주 계단의 방화문의 경우 화재로 인해 발생한 열 및 연기에 노출됨에 따라 일정 시간이 경과한 후 작동하였다. 하지만 2층 방화문의 경우 건물 내부 방향에 해당하는 방화문 표면에 그을음이 발생함에 따라 일정 시간 동안 열 및 연기가 2층 내부로 유입된 것으로 추정된다. 피난계단의 방화문은 폐쇄되어 있었다.
3층의 경우 주 계단 방화문이 개방되어 있었고 화물용 승강기는 전소하였고 내부로 열 및 연기가 유입된 것으로 추정된다. 피난계단 방화문의 경우 내부 재실자가 피난하는 과정에서 개방된 것으로 추정된다.
따라서 화재확산경로는 다음과 같이 4가지로 설정하였다. 첫 번째 화물용 승강기를 통해 화재가 확대되는 경우, 두 번째 주 계단과 피난계단을 통해 화재가 확대되는 경우, 세 번째 피난계단을 통해 화재가 확대되는 경우, 네 번째 주 계단을 통해 화재가 확대되는 경우로 가설을 세웠다.
이에 화재시뮬레이션을 통해 앞서 전술한 화재확산경로로 화재가 확대되는 연소 형태와 화재사례를 비교하여 화재확산경로에 대하여 재추정하고자 한다.
3. 화재시뮬레이션과 화재사례 비교를 통한화재확산경로 재추정
3.1 화재시뮬레이션 입력 조건
화재시뮬레이션은 NIST (National Institute of Standards and Technology)에서 개발한 FDS (Fire Dynamics Simulator)를 활용하였다. 화재시뮬레이션을 통한 화재확산경로를 검토하기 위하여 실제 화재사례와 유사하게 화재모델링을 구성할 필요가 있다. 이에 화재사례 조사를 통해 화원을 설정하였으며 건축도면을 참조하여 내장재 등을 고려하여 내부로의 화재 확대를 확인하였다.
화원의 조건은 화재가 급격하게 확대되는 원인인 SMC (Sheet Molding Compound) 천장재와 주차된 차량으로 가정하였다. 화재 초기 건축물을 비추고 있던 CCTV를 통해 천장재가 연소하면서 건축물 3면으로 화염이 분출되는 형태가 나타났으며 실제 화재사례와 유사한 열 방출율을 고려하기 위하여 실험 데이터 값(Huh et al., 2021)을 사용하였다. 1층 주차장에는 내부에 15대 외부에 1대의 차량이 주차되어 있었다. 외부에 주차된 차량은 건축물 내부로의 화재 확대에 영향이 적을 것으로 사료됨에 따라 내부에 주차된 차량 15대에 대하여 화원을 설정하였다. 차량의 종류 및 크기에 따라 열 방출율이 상이하기 때문에 차량 화재실험(Kang et al., 2014)을 통한 데이터 값을 사용하였다. 화원의 연소면적은 주차장 바닥면적으로 산정하였고 차량과 SMC 천장재는 동시에 착화가 발생하는 것으로 가정하였다. 계산 과정에 사용된 열 방출율은실제 화재사례에서 나타날 수 있는 화재 확대 위험성을 확인하기 위하여 실험 결과에서 측정된 최대 열 방출율 값을 사용하였으며 Table 3과 같다.
Table 3
Combustible Material Input Condition
Notation
Cp: Specific Heat of Air (1.005 kJ/kg⋅K)
D*: Dimensionless Fire Diameter (m)
g: Gravitational Acceleration (9.81 m/s2)
Q*: Heat Release Rate (kW)
T∞: Air Temperature (293 K)
ρ∞: Air Density (1.204 kg/m3)
내부로의 화재 확대를 확인하기 위하여 건축물 도면을 참조하였으며 바닥 내장재에 사용된 재료를 참조하였다. 바닥 내장재에 사용된 재료는 압출법보온판(XPS : Extruded Polystyrene) 1호(T50)이며물성치는 Table 4와 같다(Zhang et al., 2013). FDS 격자 크기는 Eq. (1)에 따라 D*/dx 는 4~16으로 제안하고 있다(McGrattan et al., 2022). D* 는 6.962로 계산되었고 이를 격자 크기로 환산하면 0.4352 m로 계산된다. 하지만 제천스포츠센터 모델링 크기를 고려하여 가로, 세로, 높이의 동일한 격자 크기를 산정하기 위하여 0.4 m로 격자를 설정하였다.
Table 4
Extruded Polystyrene Properties
| Detail | Calculation |
|---|---|
| Density | 36.0 kg/m3 |
| Specific heat | 1.4 kJ/(kg⋅K) |
| Conductivity | 0.028 W/(m⋅K) |
| Ignition temperature | 360 °C |
| Mass loss | 12.4 g/m2 |
화재 당시 건축물 외부를 비추고 있던 CCTV를 통해 화재 발생 이후 약 10분이 경과한 시점 최성기에 도달함에 따라 시뮬레이션 구동 후 약 10분이 경과한 시점에 최대 열방출율(HRR)에 도달하는 것으로 가정하였고 Table 5와 같다.
Table 5
Fire Dynamics Simulator Setting Conditions
3.2 화재시뮬레이션을 이용한 가설 검증
3.2.1 화물용 승강기를 통한 화재확산
화물용 승강기를 통해 화재가 확대되는 것을 확인하기 위하여 화물용 승강기의 내부온도 및 내장재의 열 방출율을 측정하였다. 측정 위치는 Fig. 8과 같으며 온도 측정 위치는 해당 층 바닥 높이에서 1.8 m이다.
화재시뮬레이션 결과 2층의 경우 화물용 승강기를 통해 내부로 화재가 확대되는 것으로 나타났으며 Fig. 9와 같다. 하지만 Fig. 10과 같이 현장 사진에서는 화물용 승강기의 상단 부분이 소손된 흔적은 있지만 내부로 화재가 확대되는 흔적이 나타나지 않았다.
화물용 승강기의 샤프트 내부온도를 확인한 결과 화재 발생 이후 약 10분이 경과한 시점 1층 화물용 승강기의 내부온도는 약 347 ℃까지 상승하였다. 2층 화물용 승강기의 내부온도는 화재 발생 이후 약 11분이 경과한 시점에 약 304 ℃까지 상승하였다. 화물용 승강기의 방화구획 미비에 따라 열 및 연기가 화물용 승강기의 샤프트를 통해 수직으로 확대되는 것으로 나타났다. 1층과 2층의 화물용 승강기의 내부온도는 Fig. 11과 같다.
내부로의 화재 확대는 시점을 검토한 결과 2층 내장재 착화시간은 화재 발생 이후 약 828초(약 13분)이며 최대 열 방출율은 약 132 kW로 나타났다. 3층의 경우 화재 발생 이후 약 932초(약 15분)이 경과한 시점에 착화가 발생하였으며 최대 열 방출율은 약 664 kW로 나타났다. 2층과 3층 내장재의 열 방출율은 Fig. 12와 같다.
시뮬레이션 결과와 화재사례를 비교한 결과 실제 화재사례와 유사하지 않았다.
3.2.2 주 계단과 피난계단을 통한 화재확산
화재사례 조사 결과 2층 주 계단 방화문의 경우 일정 시간이 경과한 후에 작동한 것으로 추정되며 피난계단의 방화문 또한 닫혀있는 것으로 조사됨에 따라 시뮬레이션 구동에서는 모두 폐쇄된 것으로 가정하여 3층 내부로의 화재 확대 여부를 확인했다. 주 계단과 피난계단의 샤프트 온도 및 내장재 열 방출율 측정 범위는 Fig. 13과 같다. 온도 측정 위치는 3층 바닥 높이 기준으로 1.8 m에서 측정하였다.
화재시뮬레이션 결과 주 계단과 피난계단에서 모두 착화가 발생하여 탈의실 및 휴게실로 화재가 확대되는 연소형태가 나타났으며 Fig. 14와 같다. 하지만 Fig. 15와 같이 3층 휴게실 벽면의 그을음을 고려할 경우 내부로 화재가 확대되기보다 연기 및 열이 유입된 것으로 추정된다.
계단실 샤프트의 내부온도를 확인한 결과 화재 발생 이후 약 10분이 경과한 시점 3층 주 계단 내부온도는 약 469 ℃까지 상승하였으며, 피난계단 3층 내부온도는 약 260 ℃까지 상승하였다. 1층 주 출입구를 통해 화재가 내부로 확대됨에 따라 주 출입구와 가까운 주 계단의 내부온도가 먼저 상승한 것으로 사료된다. 계단실 내부온도는 Fig. 16과 같다.
내부로의 화재 확대를 시점을 확인한 결과 3층 주 계단 내장재 착화시간은 약 1,072초(약 17분)으로 나타났으며 피난계단 착화시간은 약 1,136초(약 18분)으로 나타났다. 3층 내장재 열 방출율은 Fig. 17과 같다. 시뮬레이션과 화재사례를 비교한 결과 3층 휴게실을 소손형태가 다르게 나타남에 따라 화재사례와 유사하지 않았다.
3.2.3 피난계단을 통한 화재확산
피난계단을 통해 내부로 화재가 확대되는 것을 확인하기 위하여 피난계단의 샤프트 온도 및 내장재 열 방출율 측정하였으며 범위는 Fig. 18과 같다. 온도 측정 위치는 3층 바닥 높이 기준으로 1.8 m 위치에서 측정하였다.
화재시뮬레이션 결과 피난계단 앞 내장재에서 착화가 발생하여 내부로 확대되는 연소 형태가 나타났으며 Fig. 19와 같다. 하지만 Fig. 20과 피난계단 앞 이발소의 이발용 의자 및 가운 등에서 직접적인 화염에 노출되지 않은 것으로 판단된다.
시뮬레이션 결과 화재 발생 이후 약 10분이 경과한 시점 3층 피난계단 내부온도는 약 401 ℃로 나타났으며 3층 피난계단 이발소의 내부온도는 약 394 ℃로 나타났다. 3층 피난계단 및 내부온도는 Fig. 21과 같다.
3층 피난계단 내장재 착화시간은 약 656초(약 10분)으로 나타났으며 최대 열 방출율은 약 354 kW로 나타났다. 3층 피난계단 내장재 열 방출율은 Fig. 22와 같다. 현장 사진과 시뮬레이션을 비교한 결과 화재사례와 유사하지 않았다.
3.2.4 주 계단을 통한 화재확산
주 계단의 경우 1층에 방화문이 설치되지 않아 화재가 상층부로 확대된 것으로 추정됨에 따라 1층과 3층 주 계단 계단실의 온도를 측정하였으며 3층 주 계단 앞 내장재의 열 방출율 측정하여 내부로 화재가 확대되는지 확인하였다. 측정 범위는 Fig. 23과 같다. 온도 측정 위치는 바닥 높이 기준으로 1.8 m 위치에서 측정하였다.
화재시뮬레이션 결과 주 계단에서 신발장을 거쳐 내부로 화재가 확대되는 연소 형태가 나타났으며 Fig. 24와 같다. 실제 화재사례의 경우 주 계단 앞 신발장의 연소 형태는 Fig. 25와 같으며 주 계단에서 내부로 화재가 확대되는 연소 형태가 나타났다.
3층 주계단 내장재의 착화시간을 검토한 결과 화재 발생 이후 약 10분이 경과한 시점 1층 주 계단 내부온도는 약 612 ℃로 나타났으며 3층 주 계단 내부온도는 약 492 ℃로 나타났다. 주 계단 내부온도는 Fig. 26과 같다. 3층 주 계단 내장재 착화시간은 화재 발생 이후 약 1,072초(약 17분)로 나타났으며 최대 열 방출율은 약 227 kW이다. 3층 내장재 열 방출율은 Fig. 27과 같다.
3층 내부로화재가 확대됨에 따라 3층 내부온도는 약 320 ℃까지 상승하였다.
시뮬레이션에 나타나는 화재확산경로와 실제 화재사례에 나타난 연소형태가 유사하게 나타남에 따라 주 계단을 통해 화재가 확대된 것으로 판단된다.
4. 결 론
본 연구에서는 화재로 인한 피해가 상이하게 발생하였던 2층과 3층을 대상으로 화재확산경로를 추정하기 위하여 층별 피해를 조사하였다. 이를 통해 도출된 가설을 바탕으로 화재확산경로에 대하여 재추정하였으며 결과는 다음과 같다.
(1) 타임라인에 따라 화재가 대형화되기 전에 상층부로 화재가 확대됨에 따라 층별 피해 현황을 조사하였다. 화물용 승강기의 경우 합판으로 샤프트와 내부를 구획하고 있어 화재로 인해 소실되었으며 주 계단의 경우 방화문이 설치되지 않았다. 피난계단 방화문의 경우 개방되어 화염이 외부로 분출되는 형태가 나타남에 따라 상층부로 화재가 확대되는 경로는 화물용 승강기, 계단실로 나타났다.
(2) 층별 피해조사를 바탕으로 화재확산경로 가설을 추론했으며 화재시뮬레이션과 화재사례의 소손형태를 비교했다. 그 결과 주 계단을 통한 화재확산이 실제 소손피해와 유사하게 나타남에 따라 주 계단이 화재확산경로인 것으로 판단된다.
이에 따라 화재확산경로 등을 추정하여 화재원인을 규명할 시 NFPA에서 제시하고 있는 연역적 조사기법을 활용하면 보다 정확한 조사를 수행할 수 있을 것으로 판단된다.
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