Evaluation of Fire and Evacuation Safety in School Dormitories

승덕 전; 재영 이; 하성 공

doi:10.9798/KOSHAM.2024.24.4.139

Abstract

This study aims to prepare an optimal plan to secure evacuation safety in the event of a fire in a school dormitory. Accordingly, the available safe egress time (ASET) was calculated by applying human safety standards, such as an indoor temperature of 60 °C, a visual distance of 5 m, CO at 1,400 ppm, O₂ at 15% and CO₂ at 5%. Additionally, in the event of a fire, the required safe egress time (RSET) was calculated by applying factors such as detection, alarm, recognition, interpretation, the evacuation start of the occupants, training status, and the alarm facilities. An analysis of the ASET and RSET showed that in the event of a fire, it is necessary to secure various evacuation routes, in addition to the usual access route, to evacuate quickly by bypassing the fire occurrence point. Moreover, it was found that the ASET varied at each point inside the building, owing to the influences of toxic gases, oxygen, heat, visibility, and smoke resulting from the fire. In addition, in the event of a fire, evacuating along a planned evacuation route designed to minimize confusion and bottlenecks among students was effective for evacuation safety. Finally, it was found that evacuation safety can be secured by designating evacuation routes that are suitable for use in situations in which the location of the fire is unknown.

Keywords: Dormitory, Fire, Evacuation, ASET, RSET

요지

본 연구는 학교 기숙사에서 화재 발생 시 피난 안전성을 확보할 수 있는 최적의 방안을 마련하고자 하였다. 이에 따라 실내온도 60 °C, 가시거리 5 m, CO 1,400 ppm, O₂ 15%, CO₂ 5% 등의 인명안전기준을 적용하여 피난허용시간(ASET)을 산출하였다. 또한, 화재 발생 시 재실자의 감지, 경보, 인지, 해석, 피난개시 등과 훈련 상태, 경보설비 등을 적용하여 피난소요시간(RSET)을 산출하였다. 피난허용시간과 피난소요시간을 비교⋅분석한 결과, 화재 발생 시 화재발생지점을 우회하여 신속하게 대피하기 위해서는 평소 이동하는 출입로 외에도 다양한 피난로를 확보해야 한다는 결과를 얻었다. 또한, 화재로 인해 건물 내부의 각 위치마다 유독 가스, 산소, 열, 가시거리, 연기 등의 영향으로 피난허용시간이 차이가 나게 된다는 결과를 얻었다. 또한, 화재 발생 시 학생들 간의 혼선과 병목현상을 최소화하기 위해 계획된 피난로를 따라 피난하는 것이 피난안전성에 효과가 있다는 결과를 얻었다. 마지막으로 화재가 어느 곳에서 발생할 모르는 상황에서 화재 발생 위치에 맞는 피난로를 지정하여야 피난 안전성을 확보할 수 있다는 결과를 얻었다.

1. 서 론

1.1 연구의 필요성

국내 고등학교 이하 각급 학교에서 일어난 화재는 지난 10년간 1,292건이 발생하였으며 인명피해는 54명, 재산 피해는 84억 원으로 나타났다. 이중 고등학교에서는 393건(30.4%), 인명피해 9명(16.7%), 재산피해 13억 원(15.2%)으로 나타났다(National Fire Data System, 2024).

국가교육통계센터에 제시된 교육통계에 의하면 2023년 4월 1일 현재 국내 특수학교, 초등학교, 중학교, 고등학교 기숙사 중에서 고등학교가 88.6%를 차지하며, 실수는 94.3%, 면적으로는 94.2%, 수용인원은 95.3%를 차지하고 있다(Center for Educational Statistics, 2023).

그동안 기숙사에서 발생한 화재 발생 사례를 살펴보면, 2007년 4월 7일에 경남의 한 여자고등학교 기숙사에서 전기누전으로 불이나 50여명이 대피하고 3명의 학생이 유독가스를 마시고 병원에 입원하게 되었다(Gyeongnam Ilbo, 2007). 2019년 3월 26일에는 충북의 한 대학교 기숙사 방에서 불이나 침대가 불타고 50여명이 대피하였고, 동일 학교에서 2022년 3월 15일에도 기숙사 화재가 발생하여 안전불감증이 심각함을 보여주며 화재예방 대책마련이 시급함을 시사하고 있다(Daejon Ilbo, 2022). 2023년 11월 14일 전북의 한 여고 기숙사에서 취침 중에 전기콘센트 합선으로 화재가 발생하여 학생 30여명이 대피하였다(KBS News, 2023)

이와 같이 기숙사 화재가 빈번히 발생하고 있다. 기숙사에는 머리 인두기, 난방기구, 헤어드라이기 등 전열기를 많이 사용하고 있고, 여학생의 경우 각종 화장품, 다량의 의류, 헤어스프레이, 방향제 등도 많아 화재 시 유독가스로 인한 피해가 클 것으로 사료된다.

1.2 선행연구 분석

Chen et al. (2023)은 건물의 화재위험도를 파악하기 위해 ASET, RSET, FED 개념을 위험지수에 통합하는 방안을 제안하였다. 맵을 기반하여 화재 시나리오별 위험 지수 맵과 건물 전체에 대한 위험지수 시나리오 맵을 획득한 후, 각 영역의 위험지수와 화재 시나리오 별 위험지수 시나리오를 통합하는 방안을 제안하였다(Chen et al., 2023).

Kim et al. (2022)은 연기의 방향을 고려하지 않은 상황에서는 대피자들이 연기의 이동 방향과 무관하게 피난을 실시하는 양상을 보인 반면, 연기의 방향을 고려한 상황에서는 대피자들이 연기의 확산 방향으로 피난을 하지 않지만 대피자들이 밀집하는 문제점이 발생하는 것으로 나타나. 연기의 방향을 고려한 합리적인 피난방법을 제시하였다(Kim et al., 2022).

Park et al. (2022)은 요양병원의 화재 및 피난 시뮬레이션을 실행한 결과 경사로, 승강기 및 대피공간을 모두 설치하는 경우에 비하여 다른 경우에는 피난소요시간이 대폭 증가하는 결과를 보여, 2층 이상의 모든 요양병원에 대하여 승강기, 경사로 및 대피공간 설치가 필요함을 제안하였다(Park et al., 2022).

Shin (2022)은 노인요양병원의 화재 안전성 평가지표를 개발하고, 지표의 효율성 검증을 위해 실제 노인요양병원을 대상으로 평가를 실시하고 화재 및 피난 시뮬레이션을 실시하여 피난 안전성 평가를 실시하여 화재 안전성 평가지표와 화재 안전계획 수립 방법론을 검증하였다(Shin, 2022).

Lee et al. (2021)은 고층 아파트로 피난 시뮬레이션을 실행하여 재실자들이 최소한의 시간으로 안전하게 대피시설로 대피하도록 최적의 피난계획을 제시하였다. 재실자의 인원수, 승강기의 사용 여부, 승강기의 속도 변화와 피난 계단 추가에 따른 SIP 대피 경로 수에 따라 시나리오를 구성하여 시뮬레이션을 진행하였다(Lee et al., 2021).

Wang et al. (2015)은 건물의 화재 안전 관리를 지원하기 위한 BIM (빌딩 정보 모델링) 기반 모델로 맵을 기반으로 대피 평가 모듈, 탈출 경로 계획 모듈, 안전교육 모듈, 장비 유지보수 모듈 등 4가지 모듈로 구성하였다. BIM이 3D 기하학적 데이터를 효과적으로 제공할 수 있으며 안전 관리 및 자산 관리를 지원하는 정보를 웹 기반 파일에 저장할 수 있다고 제안하였다(Wang et al., 2015).

1.3 연구의 차별성

화재 및 피난 안전성 관련 선행 연구에서는 지하철역 및 노인의료복지시설 등 공공장소, 노인요양병원 등 사회복지시설, 그리고 다중이용업소, 초고층 아파트 등에 대한 연구가 주를 이루고 있다. 하지만, 고등학교 이하 기숙사에 대한 피난허용시간과 피난소요시간을 비교⋅분석하여 화재 및 피난 안전성을 확보하는 연구는 미흡하다.

1.4 연구의 목적

이 연구에서는 ‘J’ 여자고등학교를 대상으로 기숙사에서의 화재 발생 시 화재 및 피난 안전성을 평가하고 이를 분석하여 기숙사의 안전성 방안을 마련하고자 한다. 또한, 화재 발생 시 학생들 간의 혼선과 병목현상을 최소화할 수 있도록 피난 시뮬레이션을 통하여 최적의 피난로를 설정하여 피난소요시간(RSET: Required Safe Egress Time)를 단축하여 피난허용시간(ASET: Available Safe Egress Time) 내에 재실자 모두가 안전하게 대피함으로써 피난 안전성을 확보하고자 한다.

2. 화재⋅피난 시뮬레이션 시나리오 작성 기준

본 연구에서는 소방청의 ‘소방시설 등 성능위주설계 평가 운영 표준 가이드라인(National Fire Agency, 2023)’에서 제시된 인명안전 기준 및 피난가능시간 기준을 적용하여 화재 및 피난 안전성 평가를 하였다.

2.1 화재 시뮬레이션의 시나리오 작성 기준

화재에 의한 재실자의 위험도 상승 요인은 일반적으로 열, 가시거리, 독성가스로 나눌 수 있다. 이러한 건축물 화재에 의한 재실자의 피난 시 국내에서 적용되는 인명안전기준은 소방청의 ‘소방시설 등 성능위주설계 평가 운영 표준 가이드라인(National Fire Agency, 2023)’을 따르며 그 내용은 Table 1과 같다.

Table 1

Occupant’s Safety Standards

Sort		Occupant’s safety standards
Respiratory limit line		1.8 m from the bottom
Heat		Below 60 °C
Visibility		Above 5 m
Toxicity	CO₂	Below 5%
	CO	Below 1,400 ppm
	O₂	Above 15%

본 연구에서는 인명안전기준을 토대로 화재 및 피난 시 피난 안전성을 평가하기 위해 대피자의 호흡한계선인 바닥으로부터 1.8 m 높이에서 열에 의한 허용온도 60 °C 이하, 가시거리 5 m 이상, CO 1,400 ppm 이하, O₂ 15% 이상, CO₂ 5% 이하를 인명안전기준으로 설정하여 화재에 대한 위험도를 평가하였다.

2.2 피난 시뮬레이션의 시나리오 작성 기준

소방청에서 제시한 ‘소방시설 등 성능위주설계 평가 운영 표준 가이드라인(National Fire Agency, 2023)’에 Table 2와 같이 피난지연시간에 대한 기준에 따라 피난지연시간을 제시하였다.

Table 2

Evacuation Delay Time (Units: Minutes)

Purpose	W1	W2	W3
Dormitory, Middle/high-rise Houses (Residents are familiar with the interior of the building, alarms and escape routes, and may be sleeping)	< 2	4	> 5
- W2: If you can provide a recorded voice message or an alert broadcast with a trained staff member

화재가 발생한 호실은 화재상황을 직접 인지할 수 있어 화재경보 이후에 발생하는 화재 해석, 피난 준비 행동 등에 대한 지연시간이 발생하지 않으므로 피난지연시간은 2분, 화재실 양옆 호실은 추가지연 30초를 추가한 2분 30초, 이외에 1층의 다른 재실자들은 30초를 추가하여 3분으로 설정하였다. 나머지 2층과 3층은 피난지연시간 기준에 따라서 4분으로 설정하였다.

3. 화재⋅피난 시나리오의 구성

3.1 연구 대상 건물의 구조

연구의 대상은 ‘J’ 여자고등학교 기숙사이며, 인접 건물인 정보과학관과 연결되어 서로 이동이 가능하게 설계되어 있다.

대상 건물은 Fig. 1과 같이, 지상 3층에 높이는 12.3 m, 연면적 1,174.95 m²이다. 각 층의 세부 구조는 지상 1층과 3층은 각각 2인 침실 2개, 4인 침실 5개 등 7개실로 구성되어 있다. 지상 2층은 4인 침실만 9실로 구성되어 있다.

Fig. 1

Dormitory Floor Plan Drawing

대상 건물인 기숙사의 출입구 및 피난로는 건물 서쪽으로 3층 높이의 정보과학관과 연결되어 있어 피난 시에는 기숙사와 정보과학관 출입구를 모두 사용할 수 있다. 학생들이 평상시에 출입하는 중앙현관은 건물 남동쪽에 있고 중앙 현관 근처로 1, 2, 3층을 연결하는 계단이 있어 주 피난로 역할을 한다. 서쪽에는 정보과학관과 연결된 출입문이 있다. 각층에 정보과학관과 연결된 출입문과 1층 자율학습실 외부출입문은 평상시에는 사용하지 않지만, 비상시에 추가 피난로로 활용할 수 있다.

학생들이 생활하고 있는 1층, 2층, 3층의 복도 너비는 양쪽에 침실이 있는 경우 2.7 m이고, 한쪽에만 침실이 있는 경우 2.15 m로, Table 3처럼 건축관련법령에서 명시하는 기준을 만족하고 있다(Korean Law Information Center, 2022b).

Table 3

Corridor Width and Conformity to Installation Criteria

Sort	Corridor with a living room on both sides	Other corridor
Criteria (multi-family housing)	Above 1.8 m	Above 1.2 m
Target building (dormitory)	2.7 m	2.15 m
Conformity	Fit	Fit

기숙사 계단은 층고 3 m, 계단 너비 152 cm, 단높이 18 cm, 단너비 29.5 cm, 계단참의 너비 171 cm이다. 정보과학관 계단은 층고 3 m, 계단 너비 196 cm, 단높이 15.6 cm, 단너비 29 cm, 계단참의 너비 380 cm이며 난간이 설치되어 있어 Table 4처럼 건축관계법령의 기준을 충족한다(Korean Law Information Center, 2022a).

Table 4

Conformity according to the Installation Criteria of Stair

Sort	Stair/landing width	Rise	Run
Criteria	Valid width 150 cm above	Below 18 cm	Above 26 cm
Dormitory stair	Stair width 152 cm Landing width 171 cm	18 cm	29.5 cm
Conformity	Fit	Fit	Fit

3.2 화재 시뮬레이션 시나리오 구성

본 연구에서는 Table 5와 같이 건축물에서의 화재 시 위험도가 가장 높을 것으로 예상되는 1층 중앙에 위치한 104호실에서 취침 중 머리 인두기의 과열로 침대에서 발화하여 화재가 확산된다.

Table 5

Fire Simulation Configuration

Sort	Detailed Configuration
Personnel	84 (1st 24, 2nd 36, and 3rd floor 24)
State	Good night’s sleep
Cause of fire	Hair iron overheat, bed mattress fire
Process of a fire	Fire on the bed in room 104 on the first floor
	• 1st ignition: Lower bed at the doorway
	• 2nd ignition: Upper bed after 30 seconds
	• 3rd ignition: 30 seconds later on the opposite upper bed
	• 4th ignition: Lower bed 30 seconds after the 3rd utterance
	• Fire spread to the 1st, 2nd, 3rd floors

화재는 기숙사 1층 중앙 104호실에서 화재가 발생한다. 104호실은 4인실로 되어 있는데 2층 침대가 2개 구비되어 있다. 출입구 쪽 하단 침대에서 발화하고, 최초 발화 30초 후 출입구 쪽 상단 침대로 화재가 확산되며, 다시 30초 후에는 반대편 상단 침대로 불이 확산되고, 다시 30초 후에는 그 아래의 하단 침대로 화재가 확산된다. 이로 인해 1층, 2층, 3층 순으로 연기, 열기, CO₂가 확산된다.

이 연구에서 화재 상황은 지상 1층 104호실에서 머리 인두기 사용 후 방치에 따른 과열로 우레탄폼으로 구성된 침대에서 화재가 발생하고, 이후 30초 간격으로 104호실 내의 4개의 침대에 화재가 확산되는 것으로 가정하였다. 화재 시 최악의 시나리오를 가상하여 자동화재탐지설비 외에는 작동하지 않는 것으로 설정하였다.

화원인 매트리스의 메쉬 크기는 너무 작으면 시뮬레이션 계산량이 기하급수적으로 증가하여 계산 시간이 길어진다. 20 cm 메쉬는 적절한 계산 효율성을 제공하여 실용적인 시간 내에 시뮬레이션을 완료할 수 있게 해준다. 화재 전 초기온도는 일반적인 실내의 실온을 기준으로 25 °C를 적용하였다.

발화물질은 싱글침대로서 재질은 프로필렌이 주성분이다. CO 발생분율 및 연기발생분율은 일반적인 화재 상황에서 발생하는 CO 농도 및 연기발생량을 적용하기 위해 0.1 mol/mol과 0.02 mol/mol로 설정하였다. 이 값은 잠재적인 최악의 시나리오를 고려한 것으로 시뮬레이션을 수행 시 권장하는 값이다.

최대열방출량(HRR)은 박계원(Park, 2013)이 2회의 실험결과로 제시한 500 kW/m²와 Kim and David (2000)의 ‘Bed 1 - HAZARD Data’에서 제시한 527.4 kW/m²와의 중간 임의값으로 510 kW/m²를 적용하였다.

화재 시뮬레이션 수행을 위한 조건은 Table 6과 Fig. 2와 같이 프로필렌(PROPYLENE) 재질의 침대로 최대열방출율이 510 kW/m²이며 연소가 된 이후에 800초 정도 연소가 지속 되며, 최대열방출율에 도달하는 시간은 340초이며, 최대열방출율을 기록하며 연소는 100초간 지속된다(Natl Fire Protection Assn, 2021).

Table 6

Fire Simulation Conditions

Sort	Detailed conditions
The total floor area of a building	1,174.95 m² (1st floor 384.75 m², 2nd floor 384.75 m², 3rd floor 347.85 m²)
Fire room size	17.375 m² (3.85 m × 4.5 m)
Number of meshes	808,450 (mesh sizes 23.3 cm × 20 cm × 20 cm)
Initial temperature	25 ^oC
Ignition material	PROPYLENE
HRR	510 kW/m²
CO A=accrual rate	0.1 mol/mol
Smoke accrual rate	0.02 mol/mol
Detector	Smoke detector
Fire fighting facilities	Not working except the automatic fire detection facility, assuming the worst conditions

Fig. 2

HRR of Mattress

3.3 피난 시뮬레이션 시나리오 구성

3.3.1 재실자의 인원 배치

연구 대상인 기숙사는 숙박시설이 있는 특정소방대상물이며 침대가 있는 숙박시설이다. 학생들은 2층 침대 위 아래에 1인용 매트리스가 구비되어 있으며, 각 방은 2인이나 4인실이다. 1층과 3층에는 각각 2인실 2개와 4인실 5개로 24명이, 2층에는 4인실 9개로 총 84명이 생활하고 있다.

3.3.2 재실자의 입력변수

재실자의 보행속도, 어깨너비, 신장 등의 입력변수는 실제 학생들을 직접 측정한 결과값을 입력하였는데, Table 7과 같다.

Table 7

Physical Characteristics of an Occupant

Walking speed (m/s)	Shoulder width (cm)	Height (cm)
1.38	41.61	163.00

3.3.3 시나리오의 구성 및 피난소요시간 분석 기준

피난 시뮬레이션을 실행하기 위하여 피난 시나리오와 피난 지연시간을 설정하였고, 피난 시나리오는 시나리오1, 2-A, 2-B, 3-A, 3-B, 4-A, 4-B 등 7개의 시나리오로 설정하였는데 구체적인 내용은 Table 8과 같다.

Table 8

Evacuation Simulation Configuration

Scenario	Detailed conditions
1	[Evacuation Route Not Designated] evacuation of the dormitory’s central stairs
2-A	[Evacuation Route Not Designated] evacuation of the dormitory’s central stairs and the entrance to the 3rd floor of the Information Science Museum
2-B	[Evacuation Route Designated] Escape to Scenario 2-A, but occupants on the 3rd floor escape to the Information Science Museum entrance
3-A	[Evacuation Route Not Designated] evacuation of the dormitory’s central stairs and the entrance to the 2nd and 3rd floor of the Information Science Museum
3-B	[Evacuation Route Designated] Escape to Scenario 3-A, but occupants on the 2nd and 3rd floor escape to the Information Science Museum entrance
4-A	[Evacuation Route Not Designated] evacuation of the dormitory’s central stairs and the entrance to the 1st, 2nd and 3rd floor of the Information Science Museum
4-B	[Evacuation Route Designated] Escape to Scenario 3-A, but occupants on the 1st, 2nd and 3rd floor escape to the Information Science Museum entrance

4. 화재 및 피난 시뮬레이션의 실험 결과

4.1 화재 시뮬레이션의 실험 결과

실험 대상인 여자고등학교 기숙사 건물에 대하여 미국 Thunderhead Engineering사에서 개발한 PyroSim 2023 프로그램에 의한 화재 시뮬레이션을 수행하여 ASET을 도출하였다.

4.1.1 Device 측정 위치

CO₂, CO, O₂, 가시거리, 방출 열량을 측정하고자 Table 9 및 Fig. 3과 같이 기숙사 현관 출입구(P1), 정보과학관 현관 출입구(P2), 기숙사 1층 중앙계단 앞(P3), 기숙사 1층과 정보과학관 연결문 앞(P4)에 바닥에서 1.8 m 높이에 Device를 설치하였다.

Table 9

Device Measurement Location and Measurement Height

Sort	Measurement location	Measurement location
P1	The front door of a dormitory	1.8 m from the floor (respiratory limit line)
P2	The front door of the information science museum
P3	The front of the stairs on the first floor of the dormitory
P4	The front of the door connecting the dormitory and the information science museum on the first floor

Fig. 3

Fire Location and Device Location and Height (1st Floor)

4.1.2 연기 확산

ASET를 산정하기 위해서 Pyrosim을 활용하여 600초 동안 화재 시뮬레이션을 실시하였다.

1층 104호실 우측 하단 침대에서 화재가 발생하여 30초 간격으로 위 침대, 반대편 위 침대, 아래 침대로 화재가 확산되어 1층 전체에 확산되고, 2층, 3층으로 확산되었다. Fig. 4는 발화 후 600초 경과시 연기가 확산되는 상황이다.

Fig. 4

The Process of Spreading Smoke by Time Period after a Fire Breaks Out

4.1.3 이산화탄소(CO₂)의 ASET 결과

이산화탄소(CO₂)의 ASET은 P3에서 Fig. 5와 같이 204초에 인명안전기준인 5%를 초과하였고 P1에서는 285초, P4에서는 310초에 5%를 초과하였다. P2에서는 600초에도 5% 미만으로 분석되었다.

Fig. 5

Time to Reach 5% CO2 Concentration by Measurement Point

이는 P3로 피난자들은 이산화탄소(CO₂) 농도 5%의 ASET인 204초 이내에 피난을 완료해야 인명안전을 확보할 수 있다는 결과로 나타났다.

4.1.4 일산화탄소(CO) ASET 결과

일산화탄소(CO)의 ASET은 Fig. 6과 같이 P3에서 275초에 인명안전기준인 1,400 ppm을 초과하였고, P1, P2, P4에서는 600초에도 1,400 ppm 미만으로 분석되었다. 이는 주 피난로인 P3으로 피난하는 재실자들은 일산화탄소(CO) 농도 1,400 ppm의 ASET인 275초 이내에 피난을 완료해야 인명안전을 확보할 수 있다는 결과로 나타났다.

Fig. 6

Time to Reach CO Concentration of 1,400 ppm by Measurement Point

4.1.5 산소(O₂) ASET 결과

산소(O₂)의 ASET은 Fig. 7과 같이 P3에서 297초에 인명안전기준인 15%를 초과하였고, P1, P2, P4에서는 600초에도 산소(O₂) 농도가 15% 이상으로 분석되었다.

Fig. 7

O₂ Concentration Reaching 15% by Measurement Point

이는 주 피난로인 P3로 피난하는 재실자들은 산소(O₂) 농도 15%의 ASET인 297초 이내에 피난을 완료해야 인명안전을 확보할 수 있다는 결과로 나타났다.

4.1.6 가시거리(Visibi.lity) ASET 결과

가시거리(Visibility)의 ASET은 Fig. 8과 같이 P3에서 217초에 인명안전기준인 5 m를 초과하였고, P1에서는 298초, P4에서는 321초에 5 m를 초과한 것으로 분석되었다. P2에서는 600초에도 5 m 미만으로 분석되었다.

Fig. 8

Visibility Reaching 5 m by Measurement Point

이는 주 피난로인 P3로 피난하는 재실자들은 가시거리 5 m의 ASET인 217초 이내에 피난을 완료해야 인명안전을 확보할 수 있다는 결과로 나타났다.

4.1.7 실내온도(Temperature) 결과

실내온도의 ASET은 Fig. 9와 같이 P3에서 205초에 인명안전기준인 60 °C를 초과하였고, P1에서는 340초에 60 °C를 초과한 것으로 분석되었다. P2, P4에서는 600초에도 60 °C 미만으로 분석되었다.

Fig. 9

Indoor Temperature Reaching 60 °C by Measurement Point

이는 주 피난로인 P3로 피난하는 재실자들은 실내온도 60 °C의 ASET인 205초 이내에 피난을 완료해야 인명안전을 확보할 수 있음을 나타낸다.

4.1.8 측정 지점별 ASET

Device 측정 지점으로 설정한 P1, P2, P3, P4에서의 CO₂, CO, O₂, 가시거리, 실내온도 및 방출된 열량 등의 측정 요소(Device)별 ASET은 Fig. 10과 같으며, 측정 지점별 ASET은 Table 10와 같다.

Fig. 10

Device ASET

Table 10

Evacuation Point ASET

Device criteria	P1	P2	P3	P4
CO₂ 5%	285s	600s	204s	310s
CO 1,400 ppm	600s over	600s over	275s	600s over
O₂ 15%	600s over	600s over	297s	600s over
Visibility 5 m	298s	600s over	217s	321s
Temperature 60 °C	340s	600s over	205s	600s over
ASET	285s (CO₂)	600s over	204s (CO₂)	310s (CO₂)

P1에서의 ASET은 이산화탄소 285초, 일산화탄소 600초 초과, 산소 600초 초과, 가시거리 298초, 실내온도 340초로 나타났다. 따라서 P1에서는 가장 짧은 시간인 285초 이내에 피난을 완료해야 인명안전을 확보할 수 있는 것으로 나타났다.

P2에서의 ASET은 이산화탄소, 일산화탄소, 산소, 가시거리, 실내온도 모두 600초를 초과하는 것으로 나타났다. 따라서 P2로 피난하는 것이 인명안전에 가장 적합한 것으로 나타났다.

P3에서의 ASET은 이산화탄소 204초, 일산화탄소 275초, 산소 297초, 가시거리 217초, 실내온도 205초로 나타났다. 따라서 P3에서는 가장 짧은 시간인 204초 이내에 피난을 완료해야 인명안전을 확보할 수 있는 것으로 나타났다.

P4에서의 ASET은 이산화탄소 310초, 일산화탄소 600초 초과, 산소 600초 초과, 가시거리 321초, 실내온도 600초 초과로 나타났다. 따라서 P4에서는 가장 짧은 시간인 310초 이내에 피난을 완료해야 인명안전을 확보할 수 있는 것으로 나타났다.

4.2 피난 시뮬레이션의 실험 결과

실험 대상인 ‘J’ 여자고등학교 기숙사생들을 대상으로 Pathfinder 프로그램에 의한 피난 시뮬레이션을 수행하였다.

이에 따라 P1, P2, P3, P4에서의 CO₂, CO, O₂, 가시거리, 실내온도에 대한 RSET을 도출하였고 ASET과 비교⋅분석하였다.

피난 시뮬레이션을 실행하기 위해 피난지연시간을 설정하였다. 피난지연시간은 화재 발생 장소인 1층 104호 4명은 발화 후 2분, 화재 발생 장소의 옆 호실인 103호와 105호 8명은 2분 30초, 1층의 남은 호실 12명은 3분, 2층 36명과 3층 24명은 4분으로 설정하였다.

4.2.1 시나리오 1의 결과

시나리오 1은 기숙사 중앙계단을 피난로로 이동하여 기숙사 중앙현관 출입구를 피난하도록 설정하여 피난 시뮬레이션을 실시하고 P1과 P3에서의 ASET과 비교⋅분석하였다.

시나리오 1은 Fig. 11과 같이 P3에서 84명 중 20명이 피난에 성공하고 64명은 피난에 실패하게 된다. 피난에 실패한 재실자들은 1층 4명(노랑색)과 2층 전체 36명(연두색)과 3층 전체 24명(파랑색)이 해당된다.

Fig. 11

Scenario 1 Evacuation Simulation

4.2.2 시나리오 2-A의 결과

시나리오 2-A는 기숙사 중앙계단을 지나 기숙사 중앙현관 출입구를 피난하고, 추가로 정보과학관으로 연결되는 3층 출입구를 지나 정보과학관 현관 출입구로 피난하도록 설정하여 피난 시뮬레이션을 실시하고 P1, P2, P3의 ASET과 비교⋅분석하였다.

시나리오 2-A에 대한 시뮬레이션 결과를 분석하면 84명 중 피난 성공 인원은 24명으로 P3로 204초에 20명이 피난하고, P2로 286.9초에 4명이 피난한다. 피난에 실패한 재실자들은 60명으로 1층 4명과 2층 전체 36명과 3층 전체 20명이 해당된다.

4.2.3 시나리오 2-B의 결과

시나리오 2-B는 기숙사 중앙계단을 지나 기숙사 중앙현관 출입구를 피난하고, 추가로 정보과학관으로 연결되는 3층 출입구를 지나 정보과학관 현관 출입구로 피난하도록 설정하였고, 3층 재실자 24명은 정보과학관 출입구로 피난하도록 피난로를 지정하여 피난 시뮬레이션을 실시하고 P1, P2, P3에서의 ASET과 비교⋅분석하였다.

시나리오 2-B에 대한 피난시뮬레이션 결과, 84명 중 피난 성공 인원은 48명으로 P3에서 RSET 311.8초에 24명과 P2에서 RSET 311.8초에 3층 전체 24명이다. 피난에 실패한 재실자들은 40명으로 1층 4명과 2층 전체 36명이 해당된다.

4.2.4 시나리오 3-A의 결과

시나리오 3-A는 기숙사 중앙계단을 지나 기숙사 중앙현관으로 피난하고, 추가로 정보과학관으로 연결되는 2층과 3층 출입구를 지나 정보과학관 현관으로 피난하도록 설정하여 피난 시뮬레이션을 실시하고 P1, P2, P3에서의 ASET과 비교⋅분석하였다.

시나리오 3-A에 대한 피난 시뮬레이션 결과, 재84명 중 피난 성공 인원은 40명으로 P1에서 24명과 P2에서 16명이다. 피난에 실패한 인원은 44명으로 P3에서 2층 재실자 24명과 3층 재실자 20명은 RSET 288.7로 ASET 204.0초 보다 늦게 되어 피난에 실패하게 된다.

4.2.5 시나리오 3-B의 결과

시나리오 3-B는 기숙사 중앙계단을 지나 기숙사 중앙현관으로 피난하고, 추가로 정보과학관으로 연결되는 2층과 3층 출입구를 지나 정보과학관 현관으로 피난하도록 설정하였다. 특히 2층 36명과 3층 24명은 정보과학관 출입구로 피난하도록 피난로를 지정하여 피난 시뮬레이션을 실시하여 P1, P2, P3에서의 ASET과 비교⋅분석하였다.

시나리오 3-B에 대한 피난 시뮬레이션 결과, 재실자 84명 중 24명은 RSET 203.2초에 ASET 204.0초 보다 짧아 P3를 지나는 학생 모두가 피난에 성공하고, 나머지 60명은 P2로 피난하여 RSET 309.0초에 피난에 성공하였다.

4.2.6 시나리오 4-A의 결과

시나리오 4-A는 기숙사 중앙계단을 지나 기숙사 중앙현관 출입구를 피난하고, 추가로 정보과학관으로 연결되는 1층, 2층, 3층 연결통로를 모두 개방하여 정보과학관 현관 출입구로 피난하도록 설정하여 피난 시뮬레이션을 실시하여 P1, P2, P3, P4에서의 ASET과 비교⋅분석하였다.

시나리오 4-A에 대한 피난 시뮬레이션 결과, 84명 중 피난성공인원은 40명으로 P1으로 17명과 P2로 23명이다. 피난 실패 인원은 44명으로 P3지점에서 2층 재실자 24명(연두색)과 3층 재실자 20명(파랑색)은 RSET 288.4로 ASET 204.0초 보다 늦게 되어 피난에 실패하게 된다.

4.2.7 시나리오 4-B의 결과

시나리오 4-B는 기숙사 중앙계단을 지나 기숙사 중앙현관 출입구를 피난하고, 추가로 정보과학관으로 연결되는 1층, 2층, 3층 출입구를 모두 개방하여 정보과학관 현관 출입구로 피난하도록 설정하였다. 특히 1층 일부 12명, 2층 전체 36명, 3층 전체 24명은 정보과학관 출입구로 피난하도록 피난로를 지정하여 피난 시뮬레이션을 실시하고 P1, P2, P3, P4에서의 ASET과 비교⋅분석하였다.

시나리오 4-B에 대한 피난 시뮬레이션 결과, 재실자 84명중 12명은 P3지점에서 Fig. 12와 같이 ASET 204.0초 보다 빠른 RSET 189.0초에 통과하여 P1지점으로 피난에 성공하고, P2로 피난자 72명 전원은 RSET 309.0초에 피난에 성공하였다.

Fig. 12

Scenario 4-B Evacuation Simulation

5. 화재 및 피난 시뮬레이션의 분석

화재 시뮬레이션을 통한 Device 별 ASET와 피난 시뮬레이션을 통한 시나리오별 RSET을 Table 11과 같이 비교 분석하여 인명안전을 확보할 수 있는 최선의 피난방안을 도출하였다.

Table 11

Comparison of ASET and RSET by Scenario

			Scenario
Point	ASET	Analysis	1	2-A	2-B	3-A	3-B	4-A	4-B
P1	285 s	RSET	304.5	302.0	287.9	294.0	206.4	294.0	192.2
		S	56	55	55	53	24	46	12
		F	28	25	5	15	0	15	0
		E	×	×	×	×	○	×	○
P2	600 s	RSET		286.9	311.8	286.7	309.0	286.7	309.0
		S		4	24	16	60	23	72
		F		0	0	0	0	0	0
		E		○	○	○	○	○	○
P3	204 s	RSET	299.1	296.8	282.8	288.7	203.2	288.4	189.0
		S	20	20	24	24	24	17	12
		F	64	60	36	14	0	44	0
		E	×	×	×	×	○	×	○
P4	310 s	RSET						200.5	202.2
		S						7	12
		F						0	0
		E						○	○
RSET conformity			NO	NO	NO	NO	YES	NO	YES

※ S: Success, F: Failure, E: Evaluation

시나리오 1은 P1, P3 모두 ASET보다 RSET이 더 길어서 재실자 84명 중 20명이 피난에 성공하고 64명은 피난에 실패하였다. 이는 시나리오 중 가장 많은 인원이 피난에 실패하게 된다. P2, P4은 시나리오에서 피난로에 해당하지 않으므로 제외하였다.

시나리오 2-A, 2-B, 3-A는 모두 P3에서 ASET보다 RSET이 더 길어서 인명안전을 확보할 수 없는 것으로 나타나 피난에 부적합하다는 것을 확인할 수 있었다. 즉 재실자 84명 중 시나리오 2-A에서는 60명, 시나리오 2-B에서는 36명, 시나리오 3-A에서는 14명이 피난에 실패하여 인명안전을 확보할 수 없게 되었다.

시나리오 3-B는 P1, P2, P3 모두 ASET보다 RSET이 더 짧아서 인명안전을 확보할 수 있는 것으로 나타나 피난에 적합한 것으로 확인되었다.

시나리오 4-A는 P3에서 ASET보다 RSET이 더 길어서 재실자 84명 중 44명이 인명안전을 확보할 수 없는 것으로 나타나 피난에 부적합한 것으로 나타났다.

시나리오 4-B는 P1, P2, P3, P4 모두 ASET보다 RSET이 더 짧아서 인명안전을 확보할 수 있는 것으로 나타나 피난에 적합한 것으로 도출되었다.

결론적으로 시나리오 3-B와 4-B가 화재시 인명안전을 확보할 수 있는 방안임을 확인할 수 있다. 이는 ASET이 가장 빠를 수 밖에 없는 화재 발생 지점으로 피난하는 인원수를 줄일 수 있도록 피난로를 지정하고 ASET이 좀 더 확보된 피난로로 피난을 유도한 결과라고 할 수 있다.

또한, 시나리오 3-B와 4-B의 RSET을 비교하면, P1에서 시나리오 4-B가 192.2초로 시나리오 3-B의 206.4초보다 14.2초가 빠르며, P3에서 시나리오 4-B가 189.0초로 시나리오 3-B의 203.2초보다 14.2초가 빠르게 나타나고 있어, 가장 적합한 피난 시나리오는 시나리오 4-B임을 확인할 수 있었다.

6. 결론 및 고찰

이 연구를 통하여 학교 기숙사에서의 화재 발생 시 화재 및 피난 안전성을 분석하여 기숙사 화재로 인한 피난 안전성 확보 방안을 제시하고자 한다.

이에 따라 열에 의한 영향은 허용온도 60 °C 이하, 가시거리 5 m 이내, CO 1,400 ppm 이하, O₂ 15% 이상, CO₂ 5% 이하를 인명안전기준으로 설정하여 화재 시뮬레이션을 실시하고 ASET을 산출하였다.

또한, 화재 발생 시 재실자의 감지, 경보, 인지, 해석, 피난개시, 훈련정도, 경보설비 등을 적용하여 소방청에서 제시한 ‘소방시설 등 성능위주설계 평가 운영 표준 가이드라인’에 따라 피난지연시간을 적용하고 피난 시뮬레이션을 실시하여 RSET을 산출하였다.

7가지의 피난 시나리오를 설정하고 ASET과 RSET을 비교⋅분석한 결과는 다음과 같다.

첫째, 기숙사생들은 피난시에 관성에 따라 중앙현관 출입구로 피난하다보니 RSET이 ASET보다 크게 되어 기숙사생 절반 이상이 피난에 실패한 것으로 확인되었다. 인명안전을 확보하기 위해서는 화재발생위치를 고려하여 ASET이 최대인 출입구와 RSET이 최소인 출입구를 찾아 최선의 피난시나리오를 마련하여야 할 것이다.

둘째, 실제로 화재가 발생하면 주변 상황에 대한 인지능력이 약화되어 객관적 판단보다는 앞서 가는 학생들을 무조건 따라가는 경향때문에 병목현상이 발생하여 RSET이 증가하고 피난에 실패하게 됨을 확인할 수 있었다. RSET을 단축하기 위한 피난 계획을 수립하고 화재대피훈련시 실제상황이라는 생각으로 임하도록 하는 교육이 필요하다고 사료된다.

셋째, 이 연구 대상의 기숙사와 같이 대부분의 학교 기숙사는 100명 이내의 소규모로 건물면적이 작아 소방시설에 맞는 양방향 피난로가 확보되지 않는 경우가 많다. 따라서 어떤 경우에도 양방향 피난이 가능하도록 건축구조를 개선할 필요가 있다.

넷째, CO₂와 실내온도의 ASET이 가장 빠르고, 가시거리의 ASET도 비교적 짧게 나타나고 있음을 확인할 수 있었다. 이는 매트리스 화재만을 가정한 것으로 개인물품을 포함한 화재 피해를 예상한다면 그 피해는 이보다 훨씬 클 것으로 사료된다. 따라서 전열기 사용 자제, 개인용품 최소화, 실내 청결 상태 유지 등이 필요하며, 이를 체계적이고 안정적인 유지관리를 위해서 주기적인 안전 점검 및 안전교육이 이루어져야 할 것이다.

마지막으로, 이 연구에서는 피난자의 개인별 신체적, 정신적 차이를 고려하지 않았다. 기숙사생 개인의 건강체력의 차이, 학년별 구성, 정신적 측면 등을 고려하여 학생배치계획을 수립한다면 RSET를 좀더 줄여 인명안전을 높일 수 있을 것이다.

학교 기숙사의 화재 및 피난 안전성 평가