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J. Korean Soc. Hazard Mitig. > Volume 23(5); 2023 > Article
모듈러 교실의 출입문 유효너비가 피난시간에 미치는 영향

Abstract

The purpose of this study was to measure and analyze the change in evacuation time according to the effective clear width of the entrance door of a modular classroom using an evacuation simulation program. In order to measure the evacuation time in this manner, a scenario was constructed to analyze the change in evacuation time owing to the increase in the effective clear width of the entrance. On the one hand, an entrance door width exceeding 140 cm did not affect the evacuation time. On the other hand, the evacuation took the longest when the door width was much narrower (60 cm). As the effective clear width of the entrance to the modular classroom increases, the evacuation time decreases. If the modular classroom is occupied by many students, it is necessary to establish a separate rule for the effective clear width of the entrance in the Rule on the Standard for Evacuation and Fire Structure of Buildings.

요지

이 연구는 피난시뮬레이션 프로그램을 이용하여 모듈러교실의 출입문 유효너비에 따른 피난시간 변화를 측정하고 그 결과를 분석하는 것이 목적이다. 모듈러교실의 출입문 유효너비의 변화에 따른 피난시간 측정을 위해 「건축물의 피난⋅방화구조 등의 기준에 관한 규칙」에 따라 출입문 유효너비 증가에 따른 피난시간 변화 분석을 위해 시나리오를 구성하였다. 실험결과 모듈러교실의 출입문 유효너비가 140 cm를 초과하는 출입문의 너비는 피난시간에 영향을 미치지 않는 것으로 나타났다. 반면 출입문 유효너비가 좁은 60 cm에서 피난시간이 가장 오래 소요되었다. 모듈러 교실의 출입문 유효너비가 증가함에 따라 피난시간이 감소하는 결과가 도출되어 다수의 학생이 사용하는 모듈러 교실의 경우 「건축물의 피난⋅방화구조 등의 기준에 관한 규칙」에 출입문의 유효너비를 별도로 신설하는 규정이 필요한 때이다.

1. 서 론

신도시의 형성으로 인해 발생한 과밀학급 문제의 해소 방안으로 모듈러 시스템을 활용하고 있다. 모듈러 교실은 교육부에서 2020년부터 본격적으로 학교에 도입되기 시작하였다(Kim, 2023). 기존 학교 공간의 구조상 노후화된 곳을 증개축함으로써 공간의 교체 및 교환이 빠르게 이루어져 오늘날 모듈러 시스템을 많이 도입하는 추세이다(Gong, 2022). 그러나 모듈러 교실은 화재 사각지대에 놓여있어 화재에 매우 취약하다는 문제가 제기되었다. 청주 내곡초등학교의 경우 모듈러 교실에 옥상이 없어 화재 등 재난 시 극도로 위험한 상황에 놓일 수 있는 구조적인 문제점이 대두되며 안전 확보를 위한 조치의 필요성을 인지하였다(Jang, 2021). 또한 현존하는 모듈러 교실의 약 70% 이상이 화재 시 연소확산을 막을 수 있는 스프링클러가 없는 상태이다. 현행 「소방시설 설치 및 관리에 관한 법률」상 스프링클러는 4층 이상인 건물을 대상으로 바닥면적이 1,000 m2 이상인 경우 4층부터 설치하도록 되어있다. 그러나 2023년 1월 1일 이후로 안정성을 강화하고자 모듈러 교실을 설계⋅발주할 때 의무적으로 간이스프링클러를 설치하도록 하였다(National Fire Agency, 2022). 또한 학교용 모듈러 교실은 임시 사용 목적으로 설치하여도 일반건물처럼 인허가를 받도록 규제를 강화하였다(Kim, 2023). 그러나 모듈러 교실은 학생을 위한 맞춤형 교실이 아니라 여전히 안전을 확보하는 데 어려움이 있다.
모듈러 교실을 이용하는 초등학교 저학년의 경우 화재에 대한 대응능력에 취약해 빠른 대피가 어렵다. 교실의 규모가 작은 만큼 피난층의 출입문이 좁고 대피로 설치가 어려우며, 조립식 건축물인 만큼 화재에 더 취약할 수 밖에 없다(Lee, 2022). 실제로 화재가 발생하였을 때 교사 및 학생들이 골든타임 안에 무사히 대피할 수 있을지에 대한 강한 의구심이 생긴다(Jeon, 2021). 특히 피난층의 출입문은 재실자가 안전구역으로 피난을 완료하기 위한 최종 관문의 역할을 하는데(You et al., 2018), 현재 출입문의 유효 폭의 측정 기준선이 없어 단순 폭을 측정기준으로 하는 경우가 대부분이다. 국토교통부에 따르면, 피난층의 출입문 유효너비란 장애 없이 통과할 수 있는 실제 너비, 안목치수 개념으로 보고 있다. 그러나 성능 위주 설계에서 장애물의 여부를 고려하지 않는 실정이다. 이에 화재로 인한 피해는 더 크게 발생한다(Im, 2020a). 이에 모듈러 교실의 화재 위험에 대한 피난 안전성을 평가해 볼 필요성이 있다고 판단한다.
Nam (2022)은 모듈러 교실을 설치할 시 「건축물의 피난⋅방화구조 등에 관한 규칙」에 적합한 구조를 갖도록 설계해야 하고, 「화재예방, 소방시설 설치⋅유지 및 안전관리에 관한 법률」에 따른 소방시설의 확보를 요구하였다. Jang and Lee (2022)은 모듈러 교실을 활용할 시 학생들의 실질적인 학습권 보장을 위한 차원에서 안전 확보를 위한 물리적 성능개선이 반드시 필요하다고 주장하였다. 또한, Lee (2021)는 출입구의 개 수가 피난에 큰 영향을 미치고, Im (2020b)은 짧은 거리를 대상으로 출구의 유효 폭의 기준을 적용하는 것만으로도 피난시간에서 큰 차이가 발생한다고 보고하였다. 즉, 모듈러 교실의 화재 발생 시 인명피해를 최소화하기 위해 출입문의 개수 및 유효너비의 증가 등 물리적 성능개선이 피난에 중요한 변수가 된다.
선행연구를 분석한 결과, 모듈러 교실의 안전 확보를 위해서는 건축물의 구조 및 소방시설 확보, 물리적 성능개선의 필요성 제시 등 안전사고에 대한 우려를 제시하였다. 그러나 화재 등 재난 발생시 위험한 상황으로부터 안전한 피난을 할 수 있는 시뮬레이션에 관한 연구는 이루어지지 않고 있다. 따라서 모듈러 교실의 화재 등 재난 발생 시 인명피해를 최소화하고 효율적으로 안전하게 대피하는 피난 방법을 모색할 수 있는 피난 시뮬레이션에 관한 연구가 필요하다고 사료된다. 특히 교육부에서 발표한 ‘미래학교 사업계획’에서 모듈러 시스템을 많이 도입하고 있는 추세로 볼 때 피난 시뮬레이션에 관한 연구는 의미가 있다.
이 연구에서는 모듈러 교실을 대상으로 화재 등 재난 발생 시 출입문의 유효너비의 크기가 피난시간의 변화에 어떤 영향을 미치고 있는지 피난 시뮬레이션을 통해 확인하고자 한다. 「건축물의 피난⋅방화구조 등의 기준에 관한 규칙」에 따르면 출입문의 유효너비는 0.9 m 이상으로 하고 피난의 방향으로 열 수 있을 것으로 규정하고 있다(National Law Information Center, 2022). 이를 기준으로 유효너비를 60~200 cm의 범위로 시나리오를 총 15개로 설정하였다. 모듈러 교실의 출입문의 유효너비 변화에 따른 피난 소요시간을 측정하여 이에 따른 피난 활동을 비교⋅분석하고 효율적인 피난 활동을 위한 유효너비를 모색하고자 한다.

2. 본 론

피난 시뮬레이션을 이용하여 화재 등 재난이 발생했을 때 모듈러 건축물 내의 학생들이 대피하는데 소요되는 피난시간을 파악함으로써 피난 안정성이 증대될 수 있도록 하고자 한다. 화재가 발생하였을 때 출입문의 유효너비가 얼마나 중요한 요인으로 작용하고 있는지를 파악하여 피난시간에 미치는 영향을 확인해 보고자 하였다. 학생들이 모듈러 교실에서 화재 발생 시 신속히 화재 영역에서 벗어나게 하는 데 도움을 주고자 한다. 이 연구에서는 Pathfinder Ver 2022.3.1207 시뮬레이션 프로그램을 사용하였다.

2.1 건축물의 구조

피난 시뮬레이션의 대상으로 선정한 건물은 전라북도에 위치한 A초등학교 건물로 건축면적 518.4 m2, 연면적 1,555.2 m2의 규모로 지상 3층의 구조로 되어있다. 지상 1층은 식생활관과 3학년 9반, 10반 교실로 사용하고 있으며, 지상 2층은 3학년 1반부터 4반까지 교실과 화장실, 교사연구실로 구성되어 있고, 지상 3층은 3학년 5반부터 8반까지 교실과 화장실, 상담실로 사용하고 있다. 연구 대상으로 설정한 건물의 층별 평면도는 Fig. 1과 같다.
Fig. 1
Floor Plan
kosham-2023-23-5-63gf1.jpg

2.2 수용인원 산정 및 재실자 배치

이 연구에서 모델링을 실시한 학교의 경우 3학년 학생들이 모듈러 교실을 사용하는 중으로 남학생이 136명, 여학생이 145명으로 총 학생의 수는 281명이며, 교직원의 경우 각 교실 담임선생님 10명과 1층에 위치한 식생활관에 영양교사 1명과 조리종사원 14명, 3층에 위치한 상담실에 상담교사 1명이 근무하는 것으로 설정하여 총 교직원의 수는 26명으로 산정하였다. 수용인원 산정에 따른 재실자 배치 결과는 Table 1과 같다.
Table 1
Calculation of Capacity and Placement of Occupants
Category Teaching Staff Student
Teacher Nutrition Teacher Cooking staff Administrative office mana-ger
M F F F M M F
1F 1 1 1 14 26 30
2F 2 2 56 56
3F 2 2 1 54 59
Tot-al 5 5 1 14 1 136 145

2.3 입력변수 및 입력값

이 연구에서 분석도구로 사용한 Pathfinder의 피난시뮬레이션에 주요 변수로 작용하는 재실자의 신체적 특징은 보행속도, 위팔사이너비, 키 등이 있다(Thunderhead (USA), Pathfinder, 2023). 위팔사이너비와 키는 성별 연령별 표준체형을 준용하여 한국인 인체 치수 조사 신체사이즈를 반영하였으며 교직원의 경우 20대 이상의 평균값을 적용하였고(Statistics Korea, 2022), 보행속도는 성인 평균 보행속도인 1.49 m/s를 적용하였다(Park et al., 2007). 학생의 경우 질병관리청에서 발표한 소아청소년 성장도표를 이용하여 키와 위팔사이너비를 입력하였고, 보행속도는 청소년 평균 보행속도인 1.3 m/s를 적용하였다(Korea Centers for Disease Control and Prevention, 2017). 입력변수 및 입력 값을 정리한 결과는 Table 2와 같다.
Table 2
Physical Characteristics of the Occupant
Category Input Value
Gait speed (m/s) Student 1.3
Teacher 1.49
Shoulder width (cm) Student M 36.8
F 33.7
Teacher M 49.5
F 44.3
Height (cm) Student M 133.2
F 153.8
Teacher M 173.9
F 160.4

2.4 시나리오의 구성

「건축물의 피난⋅방화구조 등의 기준에 관한 규칙」에 따르면 출입문의 유효너비는 90 cm 이상으로 할 것으로 규정하고 있다. Yang (2022)의 연구에서는 출입문의 유효너비가 일정 너비인 140 cm 이상이 되면 피난시간이 단축되지 않는다고 하였다. 이 연구에서는 90 cm를 기준으로 출입문이 완전히 개방되지 않는 상황 등을 가정하여 출입문의 유효너비가 60 cm인 상황에서부터 선행연구와의 비교 연구를 위해 출입문의 유효너비가 140 cm를 초과하는 상황을 가정하여 200 cm까지 확대하였을 때 피난 양상을 비교⋅분석하고자 한다. 출입문 유효너비에 따른 시나리오 구성 결과는 Table 3과 같다.
Table 3
Configuration of the Scenario
Scenario Door Width Occupants
1 60 cm Teacher 26
Student 281
Total 307
2 70 cm
3 80 cm
4 90 cm
5 100 cm
6 110 cm
7 120 cm
8 130 cm
9 140 cm
10 150 cm
11 160 cm
12 170 cm
13 180 cm
14 190 cm
15 200 cm

3. 결과 및 분석

피난 개시시간은 모델링을 실시한 모듈러 교실 건물이 초등학교 3학년 교실로 사용되는 점을 토대로 초등학교 교장 선생님들의 자문 의견을 반영하여 300초 이후로 설정하였다. 주요 분석구간은 출입문 유효너비의 증감에 따라 병목현상이 발생할 것으로 예상되는 1층의 출입문 인근 부근을 설정하였다.

3.1 피난시간 분석 결과

피난시간 비교⋅분석을 위해 설정한 시나리오를 토대로 실험을 진행한 결과 출입문의 유효너비를 60 cm로 설정한 시나리오 1의 피난시간이 535.18초인 반면 출입문의 유효너비를 200 cm로 설정한 시나리오 15의 경우 526.6초의 시간이 소요되는 것으로 나타났다. 이러한 시간 차이는 산술적으로 8.58초의 차이로 큰 차이가 발생하지 않는 것으로 보일 수 있으나 시나리오 15의 피난시간 526.6초를 기준으로 할 경우 피난시간이 가장 길게 소요된 시나리오 1에서 14명이 피난을 실시하지 못했다는 점을 감안할 때 유의미한 차이라 할 수 있을 것이다.
미국화재예방협회(National Fire Protection Association)에서 제시하는 NFPA 101에서는 피난능력(Evacuation Capability)을 3분 이하의 경우 신속한, 3분 초과 13분 이하의 경우 지연된, 13분 초과의 경우 부적합한 것으로 판단하고 있다. 이 연구에서 피난개시시간으로 설정한 300초를 제외하고 살펴볼 경우 모든 시나리오에서 3분을 초과하여 신속한 피난이 이루어지지 못하고 있다는 점을 확인할 수 있다. 피난개시시간인 300초와 NFPA 101에서 신속한 기준으로 제시하고 있는 180초를 더한 480초에서의 피난상황을 살펴볼 경우 피난시간이 가장 길게 소요된 시나리오 1의 경우 66명이 피난을 완료하지 못한 것으로 나타났으며 나머지 시나리오의 경우에도 피난을 실시하지 못한 인원이 약 60명에 다다르는 것으로 나타났다.
Table 4는 시나리오에 따른 피난실시 결과이다.
Table 4
Evacuation Results
Scenario 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15
Required time to evacuate (sec) 535.18 530.23 532.68 532.6 529.28 530.15 528.58 528.4 525.63 530.4 531.33 528.05 527.83 529.65 526.6
Difference between scenario 15 and evacuation time (sec) 8.58 3.63 6.08 6 2.68 3.55 1.98 1.8 0.97 3.8 4.73 1.45 1.23 3.05 -
Number of persons unable to evacuate at 480 sec (persons) 66 64 63 65 61 59 61 57 58 58 61 62 61 59 59

3.2 군집밀도 분석 결과

주요 분석구간으로 설정한 1층 출입구 인근 부근의 군집밀도를 분석한 결과 출입문의 유효너비를 60 cm로 설정한 시나리오 1의 경우 최고 군집밀도는 1.33명/m2이었으며 최고 군집밀도와 비슷한 군집밀도가 약 40초 지속되는 것으로 나타났으며, 피난 개시시간인 300초 이후 평균 군집밀도는 0.44명/m2으로 나타났다. 출입문이 가장 넓은 시나리오 15의 경우 최고 군집밀도 0.36명/m2, 평균 군집밀도 0.16명/m2 으로 출입문의 유효너비가 가장 좁은 시나리오 1에 비해 큰 폭으로 감소하는 결과가 나타났다. 군집밀도의 추세를 살펴보면 출입문의 유효너비가 비교적 넓은 시나리오 12~15의 경우 군집밀도의 증감이 큰 폭으로 발생하지 않는 반면 출입문의 유효너비가 비교적 좁은 시나리오 1~5의 경우 군집밀도가 큰 폭으로 증가하였다가 피난이 이루어짐에 따라 감소하는 추세를 나타낸다. 출입문의 유효너비가 가장 좁은 시나리오 1의 경우 군집밀도가 330초 이후 급격히 증가하여 약 370초까지 병목현상이 발생하였다가 감소하는 추세를 나타냈으며, 시나리오 2의 경우 최고 군집밀도 0.91명/m2을 기록한 341초의 10초 이후 군집밀도가 0.16명/m2으로, 시나리오 3의 경우 최고 군집밀도 0.82명/m2을 기록한 340초의 10초 이후인 350초의 군집밀도가 0.1명/m2으로, 시나리오 4의 경우 최고 군집밀도 0.78명/m2을 기록한 340초의 10초 이후 군집밀도가 0.27명/m2으로, 시나리오 5의 경우 최고 군집밀도 0.65명/m2을 기록한 340초의 10초 이후인 350초의 군집밀도가 0.3명/m2으로 병목현상의 지속없이 빠르게 감소하는 추세를 나타냈다. 피난구의 유효 너비가 넓은 시나리오 13, 14, 15의 경우 최고 군집밀도는 각각 0.28명/m2, 0.33명/m2, 0.36명/m2을 기록하여 피난구의 유효너비가 좁은 시나리오 1~3과 비교할 때 원활하게 피난이 이루어졌음을 확인할 수 있었다. 주요 분석구간에 대해 피난 개시시간인 300초 이후의 군집밀도를 분석한 결과는 Fig. 2와 같다.
Fig. 2
Trends in Cluster Density in Major Bottlenecks
kosham-2023-23-5-63gf2.jpg

3.3 혼잡시간 합계 및 이동거리 분석 결과

모듈러 교실 출입문 유효너비에 따른 피난시간 분석을 위해 피난시뮬레이션을 실시한 결과 피난을 실시하는 주변 인원들로 인해 원래 보행속도보다 피난이 더디게 진행된 혼잡시간 합계에 대한 분석결과는 다음과 같다. 혼잡시간 합계 최대값의 경우 유효폭을 90 cm로 설정한 시나리오 4의 최대값이 169.23초로 가장 높은 결과를 나타내기는 했지만 피난시간이 가장 많이 소요된 시나리오 1의 결과가 163.48초로 나타난 반면 피난구의 유효너비가 가장 넓은 시나리오 15의 경우 157.875초로 나타나 출입문 유효너비에 따라 혼잡시간 합계가 감소하는 결과를 확인할 수 있었다. 재실자들의 이동거리를 분석한 결과 시나리오 1의 경우 최대 이동거리 98.11 m, 평균 이동거리 56.07 m로 나타난 반면 시나리오 15의 경우 최대 이동거리 94.69 m, 평균 이동거리 53.54 m로 감소하는 결과를 확인할 수 있었다. 이러한 결과는 출입문 유효너비에 따라 군집밀도가 증가함에 따라 다른 피난자와의 부딪힘, 길을 찾기 위한 배회 등이 영향을 미친 것으로 판단된다. 재실자의 혼잡시간 합계, 이동거리를 정리한 결과는 Table 5와 같다.
Table 5
Result of Occupant’S Total Congestion Time and Travel Distance
Scenario Maximum congestion time total (sec) Travel distance (m)
Max Min Ave
1 163.48 98.11 9.828 56.07
2 157.48 94.35 9.814 55.52
3 167.5 97.22 9.801 55.04
4 169.23 94.92 9.79 54.62
5 165.23 98.02 9.769 54.31
6 160.85 96.71 9.782 54.04
7 151.43 95.26 9.771 53.94
8 153.73 95.13 9.76 53.83
9 155.05 92.5 9.75 53.72
10 166.45 91.88 9.74 53.64
11 161.075 92.12 9.73 53.61
12 159.175 92.03 9.73 53.62
13 161.9 94.27 9.72 53.61
14 156.1 93.77 9.71 53.49
15 157.875 94.69 9.70 53.54
피난시뮬레이션 결과를 비교⋅분석한 내용과 「건축물의 피난⋅방화구조 등의 기준에 관한 규칙」에 따라 출입문의 유효너비는 90 cm 이상으로 할 것으로 규정하고 있다는 점을 토대로 다수의 학생이 사용하는 모듈러 교실에 대한 출입문 유효너비에 대한 규정의 신설이 필요함을 제안하고자 한다.

4. 결 론

이 연구는 피난 시뮬레이션을 이용하여 모듈러 교실에서 화재 발생 시 출입문 유효너비에 따른 피난시간을 비교⋅분석한 것이다. 「건축물의 피난⋅방화구조 등의 기준에 관한 규칙」에 따라 출입문의 유효너비는 90 cm 이상으로 할 것으로 규정하고 있다는 점에서 착안하여 모듈러 교실의 출입문 유효너비 변화에 따른 피난상황에 대해 피난시뮬레이션을 실시하였다. 모듈러 교실의 출입문 유효너비 변화에 따른 실험을 통해 도출한 결과는 다음과 같다.
  • (1) 출입문의 유효너비를 60 cm로 설정한 시나리오 1의 피난시간이 535.18초인 반면 출입문의 유효너비를 200 cm로 설정한 시나리오 15의 피난시간은 526.6초로 9.55초의 차이가 발생하였다. 시나리오 15의 피난시간 526.6초를 기준으로 할 경우 피난시간이 가장 길게 소요된 시나리오 1에서 14명이 피난을 실시하지 못했다는 점을 감안할 때 유의미한 차이라 할 수 있을 것이다.

  • (2) NFPA 101에 제시하는 피난능력(Evacuation Capability)을 기준으로 판단한 결과 이 연구에서 피난개시시간으로 설정한 300초를 제외하고 살펴볼 경우 모든 시나리오에서 3분을 초과하여 신속한 피난이 이루어지지 못하고 있다는 점을 확인할 수 있다. 피난개시시간인 300초와 NFPA 101에서 신속한 기준으로 제시하고 있는 180초를 더한 480초에서의 피난상황을 살펴볼 경우 시나리오 1의 경우 66명이 피난을 완료하지 못한 것으로 나타났으며 나머지 시나리오의 경우에도 피난을 실시하지 못한 인원이 약 60명에 다다르는 것으로 나타났다.

  • (3) 주요 분석구간으로 설정한 1층 출입구 인근 부근의 군집밀도를 분석한 결과 출입문의 유효너비를 60 cm로 설정한 시나리오 1의 경우 최고 군집밀도 1.33명/m2, 평균 군집밀도 0.44명/m2인 반면 출입문의 너비가 가장 넓은 시나리오 15의 경우 최고 군집밀도 0.36명/m2, 평균 군집밀도 0.16명/m2으로 큰 폭으로 감소하는 결과가 나타났다.

  • (4) 재실자들의 이동거리를 분석한 결과 시나리오 1의 경우 최대 이동거리 98.11 m, 평균 이동거리 56.07 m로 나타난 반면 시나리오 15의 경우 최대 이동거리 94.69 m, 평균 이동거리 53.54 m로 감소하는 결과를 확인할 수 있었다.

이 연구는 각 교실에서의 피난출구폭, 복도의 폭, 계단 출입문 폭, 계단폭 등 최종 피난출구까지 연결되는 피난로에 대해 명확히 정의하지 않아 변수로 설정하지 못했다는 점과 정략정인 방법이나 도구를 이용하여 분석을 실시하지 못했다는 점, 연구의 확산을 기반으로 한 한계시간을 고려하지 못했다는 점에서 한계를 가지고 있다. 하지만 모듈러 교실의 출입문 유효너비가 증가함에 따라 피난시간이 감소하는 결과가 도출되어 다수의 학생이 사용하는 모듈러 교실의 경우 「건축물의 피난⋅방화구조 등의 기준에 관한 규칙」에 출입문의 유효너비를 별도로 신설 규정하는 근거를 마련했다는 점에서 의미가 있다고 할 수 있다.
향후 이 연구에서 실시한 모듈러 교실을 대상으로 화재 시뮬레이션 분석을 이용해 연구의 확산을 기반으로 한 한계시간 등올 고려한 ASET (Available Safety Escape Time)을 산정하여 REST (Required Safety Escape Time)과 비교하는 피난 안전성에 대한 분석이 필요할 것이다.

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