2.1 지진화재위험도 평가방법론

이전 연구(Kang et al., 2024)에서는 출화율 그리고 소실율 예측모델과 건축물 관련 데이터베이스(예: 건축물대장)를 연계한 평가방법론을 제시하였다. 해당 방법론은 Kato et al. (2006)에 의해 제시된 클러스터를 형성하여 평가지역의 출화건수 그리고 소실율을 산정하며, 이는 Fig. 1에 제시된 프로세스에 따라 평가지역의 지진화재위험도를 평가한다. 평가지역의 건축물대장(Building Registration Data)을 대상으로 Raw 데이터에 대한 전처리(데이터 역추적 방법론, Algorithm of Data Backtracking)를 수행하여 누락률이 0%인 건축물대장을 확보한다. 건축물의 간단 정보(사용승인일, 층수, 용도, 구조재료, 연면적 등)를 활용하여 건축물의 내화구조유형을 분류(내화구조유형 분류 방법론, Algorithm of Classifying Fire-resistant Structure Type)한다. 내화구조유형에 따른 화재확산거리(d_i)와 GIS 기반의 정보인 건축물간 인접거리(n_i)와 비교하여 클러스터를 형성한다. 이후, 출화율 및 소실율 예측모델을 활용하여 클러스터 기반의 출화건수와 소실건축물동수 그리고 소실면적을 산정한다. 이를 바탕으로, 지역단위의 소실율을 계산하고 이를 비교하여 지역단위의 지진화재위험도를 평가한다. 이에 대한 상세한 정보는 Kang et al. (2024)의 논문에서 찾아볼 수 있다. 해당 방법론은 복잡한 모델링 및 해석과정이 불필요하므로 기존 지진화재위험도 평가방법론 대비 신속한 위험도 평가가 가능하다.

Fig. 1

Summary of the Process of the Proposed FFE Risk Assessment (Kang et al., 2024) in Pohang City

2.2 지진화재위험도 평가방법론 적용 및 검증

본 논문에서 N과 S는 각각 포항시 북구(Northern) 그리고 남구(Southern)를 의미하며, ‘-’ 뒤의 글자는 각 지역에 위치한 행정구역을 의미한다. 예를 들어, 포항시 N-C는 포항시 북구에 위치한 행정구역 중 C 지역을 가리킨다.

이전 연구에서 제안된 지진화재위험도 평가방법론(Kang et al., 2024)은 2017년 11월, 지진이 발생했던 대한민국 포항시에 적용하였으며, Fig. 1은 지진화재위험도 평가방법론의 과정을 보여주고 있다. 출화율의 경우, 실제 출화건수와 예측된 출화건수를 비교(Actual number of ignitions = 4 vs Predicted number of ignitions = 3)하였다. 소실율 평가에서는 포항시 N-C 지역의 소실율이 4.82%로 가장 높은 위험도를 보였다. 또한, 위험도가 가장 높았던 포항시 N-C 지역을 대상으로 화재확산 시뮬레이션(MLIT, 2003b)을 수행하였으며, 이를 제안된 모델의 결과와 비교(Fire burned rate through proposed FFE methodology = 2.27% vs Fire burned rate through fire spread simulation = 2.49%)하였다. 두 개의 결과 사이의 오차는 약 8%로 나타났으며, 이를 바탕으로 제안된 평가방법론의 유효성을 검증하였다.

3.1 지역 특성-소실율 관계

기존의 지진화재위험도 평가방법론은 각 평가방법에 의해 도출된 지역단위의 소실율을 바탕으로, 상대적인 결과값이 높을수록 평가지역의 위험도가 높은 것으로 평가한다. 그러나, 지진화재는 건축물의 내화구조유형 그리고 밀집도와 같은 다양한 지역 특성에 영향을 받는다. 국토교통성(MLIT, 2003a)에 따르면 화재확산거리 (d_i) 그리고 건축물간 인접거리 (n_i)의 비교를 통해 형성된 클러스터를 활용하여 지역단위의 지진화재위험도를 평가한다. 또한, 화재확산 시뮬레이션을 수행하는 경우, 지역의 밀집도를 고려하여 대상 지역을 선정한다. 이때 밀집도가 낮은 경우 화재확산이 발생하지 않는다. 이러한 이유로, 지진화재위험도는 이러한 지역 특성을 반영하여 평가해야 할 필요가 있다. 그러나, 기존의 평가방식은 이러한 지역 특성을 고려하지 않는다.

지역 특성을 반영한 지진화재위험도 평가를 위하여, 이전 연구로부터 도출된 결과를 바탕으로 지역 특성-소실율 관계를 분석하였다. Fig. 2는 포항시를 대상으로 지역 특성(밀집도 그리고 내화구조유형)-소실율 관계를 보여준다. 여기서, 지역 특성과 소실율의 관계는 높은 소실율 결과(N-C and N-L regions in Pohang City)를 제외하고 분석되었다. Fig. 2(a)는 건축물의 밀집도와 소실율 사이의 트랜드를 보여주고 있다. 건축물의 밀집도가 증가할수록 소실율이 증가하는 경향을 보였다. Figs. 2(b)와 (c)는 각각 내화조의 분포비율-소실율 관계와 목조의 분포비율-소실율 관계를 보여준다. 해당 관계는 각각 건축물의 내화구조유형 중 내화조의 분포비율이 높을수록 그리고 목조의 분포비율이 낮을수록 소실율이 높아지는 경향을 보였다. 이를 분석한 결과, 건축물의 내화구조유형 중 내화조의 분포비율이 높은 지역은 포항시의 도심지역(밀집지역, high density area)에 위치한다. 그러나, 목조의 분포비율이 높은 지역은 도심이 아닌 외곽지역(low density area)에 위치한다. 이를 바탕으로, 지진화재위험도와 건축물의 밀집도 사이의 관계가 밀접함을 확인하였다. Fig. 3은 포항시의 도심지역과 외곽지역을 보여주고 있다.

Fig. 2

Relationship between Fire-burned Rate and Regional Characteristics

Fig. 3

Urban and Peripheral Area in Pohang

또한, 지역단위 건축물의 밀집도가 유사한 지역은 내화구조의 분포비율에 따라 지진화재에 대한 위험성이 달라지는 것을 확인하였다. 포항시 S-B 그리고 S-F (밀집도 = 약 0.9%)는 목조 분포비율이 높고, 내화조 분포비율이 낮은 S-B의 지진화재위험도가 높았던 것으로 평가되었다. 여기서, S-B의 내화조와 목조 분포비율 그리고 소실율은 각각 25.8%, 5.3% 그리고 0.11%로 나타났으며, S-F는 각각 23.0, 6.1% 그리고 0.02%로 산정되었다. 이는 지진화재위험도가 밀집도뿐만 아니라 내화구조유형의 분포비율에도 영향을 받고 있음을 나타낸다. 이러한 분석을 통하여 지진화재위험도는 지역 특성에 상당한 영향을 받고 있음을 확인할 수 있었다. 이러한 내용을 바탕으로 지역 특성을 반영한 평가방법이 기존의 평가방법보다 정확하고 실제 지역에 적합한 위험도 평가가 가능함을 시사한다.

3.2 지역특성 반영 위험지표

3.1장에서 언급한 바와 같이 지진화재위험도는 건축물의 내화구조유형의 분포비율 그리고 밀집도와 같은 지역 특성에 영향을 받는다. 그러나, 기존의 지진화재위험도 평가는 이러한 지역 특성을 고려하지 않으며, 소실율 결과를 기반으로 위험도를 평가한다. 이러한 한계를 극복하기 위하여, 본 연구에서는 지역단위 밀집도 그리고 내화구조유형(목조 그리고 내화조)의 분포비율에 따른 소실율 관계를 바탕으로 다음과 같이 지진화재위험도를 평가하는 위험지표인 I_R그리고I_T을 제시하였다.

I_R은 내화조 중심 지역 특성 반영 소실율이며, 이는 제시된 Eq. (1)을 활용하여 계산된다. Eq. (1)은 평가지역의 내화조의 분포비율이 높을수록 소실율이 감소하는 반비례 관계와 밀집도가 높을수록 소실율이 증가하는 비례 관계를 모두 고려하였다. 반면, 또 다른 위험지표인 I_T는 목조 중심 지역 특성 반영 소실율을 의미하며, 이는 Eq. (2)를 통해 산정된다. Eq. (2)는 평가지역의 목조의 분포비율과 밀집도 모두 소실율과 모두 비례 관계임을 고려하여 제안되었다.

여기서, IR¯은 정규화된(Normalized) 내화조 중심 지역 특성 반영 소실율을, IT¯은 정규화된(Normalized) 목조 중심 지역 특성 반영 소실율을, D는 평가지역의 밀집도(평가지역의 면적 대비 포함된 건축면적의 총합)를, R은 평가지역의 내화조 분포비율(평가지역의 전체 건축물동수 대비 내화조 건축물동수)을, T는 평가지역의 목조 분포비율(평가지역의 전체 건축물동수 대비 목조 건축물동수)을, F는 평가지역의 지진화재위험도(이전 연구로부터 도출된 결과 중 소실된 연면적의 비율(Rate of Burned Total Floor Area))를 의미한다.

본 연구에서 제시한 위험지표 IR¯그리고IT¯는 지역단위 밀집도 그리고 내화구조유형의 분포비율을 고려하여 위험도를 평가하는 방식을 따른다. 이를 통해 기존의 방법론보다 정밀하게 지진화재위험도를 평가할 수 있다. 또한, 지역 특성을 반영함으로써 기존 평가방식보다 실질적인 위험 수준 평가가 가능함을 보여준다.

4.1 지역 특성 반영 지진화재위험도 평가

본 장에서는 지역 특성을 반영한 지진화재위험도 평가를 위하여, 본 연구에서 제시된 위험지표 IR¯그리고 IT¯를 대한민국 포항시를 대상으로 계산하였다. Table 1은 포항시의 지역 특성에 따른 IR¯그리고 IT¯결과를 요약하였다. 해당 표와 본문의 괄호에 포함된 숫자는 지역별 순위를 보여준다. Table 1의 지역 나열 순서는 포항시 남구(Southern) 그리고 북구(Northern)의 도심지역(밀집지역, High Density Area)부터 외곽지역(Low Density Area) 순으로 건축물의 밀집도를 반영하였다. 도심지역에 대한 기준은 포항시에서 제공하는 행정구역도를 바탕으로 결정되었다.

Table 1

Result of FFE Risk Assessment using the Proposed Risk Indicators

3.2장에서 언급한 바와 같이, IR¯그리고 IT¯은 지역 특성 중 밀집도에 상당한 영향을 받는다. 따라서, 본 연구에서는 밀집도에 따른 IR¯그리고 IT¯결과를 확인하기 위하여 도심지역과 외곽지역으로 구분하였다. 도심지역의 경우, 지역단위의 평균 밀집도, 최대값 그리고 최소값은 각각 18.53%, 66.0% 그리고 5.7%로 나타났다. 이 중, 밀집도가 66.0% (1)로 가장 높았던 포항시 S-A의 IR¯결과는 0.596 (2)으로 산정되었으며, 해당 지역의 내화조의 분포비율은 11.2% (15)로 나타났다. 동일 지역에 대한 IT¯결과는 0.017 (3)으로 나타났으며, 목조의 분포비율은 0.5% (27)로 조사되었다. 타지역 대비 포항시 S-A 지역은 높은 밀집도로 인해 건축물의 내화유형 분포율과 관계없이 높은 IR¯과 IT¯의 결과로 평가되었다. 도심지역 중 밀집도가 5.7% (16)로 가장 낮은 포항시 N-I의 경우, IR¯그리고 IT¯결과는 각각 0.006 (10) 그리고 0.006 (6)으로 평가되었다. 동일 지역의 내화조와 목조의 분포비율은 17.9% (9) 그리고 12.3% (13)으로 나타났다. 해당 지역은 포항시 S-A (가장 높은 밀집도)에 비하여 밀집도는 낮지만, 높은 목조 분포비율을 보유하므로, 비교적 높은 소실율로 평가되었다.

외곽지역의 경우, 지역단위의 평균 밀집도, 최대값 그리고 최소값은 각각 1.7%, 9.1% 그리고 0.1%로 나타났다. 이 중, 밀집도가 9.1%로 가장 높았던 포항시 S-I의 IR¯결과는 0.001 (15)로 산정되었으며, IT¯결과는 0.001 (10)로 평가되었다. 해당 지역의 내화조와 목조의 분포비율은 각각 22.6% (7)와 8.7% (17)로 나타났다. 외곽지역 중 밀집도가 0.1%로 가장 낮았던 포항시 N-M (가장 낮은 밀집도)의 IR¯과 IT¯의 결과는 동일하게 0 (29)으로 평가되었다. 해당 지역 내 내화조의 분포비율은 1.1% (29)로 포항시의 모든 지역 중 가장 낮은 것으로 나타났으며, 목조의 분포비율은 40.4% (2)로 조사되었다.

밀집도에 따른 지역 특성을 반영한 지표를 비교했을 때 IR¯과 IT¯의 결과는 밀집도가 높은 지역일수록 지진화재에 대해 위험한 지역으로 평가하는 경향을 보였다. 그러나, 앞서 언급된 포항시 N-I 그리고 S-I와 같이 밀집도의 차이가 크지 않은 지역은 내화구조유형의 분포비율에 따라 위험도가 달라지는 것을 확인하였다. 이를 바탕으로, 지진화재위험도는 지역 특성(밀집도 그리고 내화구조유형)에 영향을 받고 있음을 검증하였다.

포항시를 대상으로 새롭게 제시된 위험지표 IR¯그리고 IT¯을 적용한 결과, 지역단위의 내화구조유형의 분포비율에 따라 위험순위가 달라지는 것을 확인하였다. 이에 대한 예시로, IR¯그리고 IT¯결과에 따른 위험순위가 각각 2-3위로 평가된 포항시 S-A 그리고 N-L의 결과를 분석하였다. 포항시 N-L의 IR¯그리고 IT¯결과는 각각 0.360 (3) 그리고 0.081 (2)로 산정되었으며, 포항시 N-L의 지역 특성은 다음과 같다. 포항시 N-L은 도심지역에 위치하며, 동일 지역의 밀집도는 35.0% (2)로 나타났다. 이는 S-A 다음으로 높은 지역으로 평가되었다. 해당 지역의 내화조 그리고 목조의 분포비율은 각각 17.8% (10) 그리고 2.6% (22)로 나타났다. 이러한 내용을 바탕으로, 포항시 N-C는 밀집도 그리고 내화구조유형 모두 지진화재에 위험한 특성을 갖고 있음을 확인하였다. 해당 사례를 통하여 지진화재위험도는 지역 특성(밀집도 그리고 내화구조유형)에 따라 결과의 차이가 발생할 수 있음을 확인하였다.

4.2 지진화재위험도 평가결과 비교

본 장에서는 본 연구에서 제시된 위험지표 IR¯그리고 IT¯이 기존의 평가방법론보다 합리적임을 검증하기 위하여, 이전 연구(Kang et al., 2024)로부터 도출된 지진화재위험도 평가결과(소실율)와 비교하였다.

Table 1에 제시된 포항시의 지역단위 소실율 과 IR¯그리고 IT¯ (Table 1의 IR¯그리고 IT¯참고)의 위험순위를 비교하였으며, 지역 특성에 따라 평가결과가 달라지는 것을 확인하였다. 두 개의 평가결과 모두 가장 위험한 지역으로 선정된 포항시 N-C, S-A 그리고 N-L을 비교하였다. 이전 연구에서는 소실율이 4.82% (1)로 가장 높았던 포항시 N-C가 가장 위험한 지역으로 선정되었다. 이어서, 본 연구에서도 IR¯그리고 IT¯의 결과가 모두 1 (1)로 가장 높았던 포항시 N-C의 지진화재위험도가 가장 높은 것으로 평가되었다.

반면, 포항시 S-A 그리고 N-L의 위험순위를 비교하였을 때, 두 개의 평가결과 사이의 차이가 발생한 것을 확인하였다. 이전 연구로부터 제시된 평가결과는 포항시 S-A 그리고 N-L의 소실율은 각각 0.89% (3) 그리고 1.61% (2)로 산정되었다. 해당 평가방식에 따라, 포항시 N-L의 위험도가 S-A보다 더 높은 것으로 평가되었다. 그러나, 동일 지역에 대한 IR¯결과는 각각 0.596 (2) 그리고 0.360 (3)으로 산정되었으며, IT¯결과는 각각 0.017 (3) 그리고 0.081 (2)로 나타났다. 이러한 차이는 고려하는 지역 특성에 따라 평가결과가 달라질 수 있음을 보여준다. 그러나, 이전 연구로부터 도출된 결과는 지역 특성을 모두 고려하지 않은 평가방식을 따르므로, 본 연구로부터 도출된 결과와 상반된 결과를 보였다.

밀집도가 유사한 지역(0.9%의 밀집도를 보유한 S-B & S-F)에 대하여, 이전 연구로부터 도출된 포항시 S-B 그리고 S-F의 소실율은 각각 0.11% (10) 그리고 0.02% (20)로 평가되었다. 그러나, 본 연구로부터 제안된 위험지표를 활용한 지진화재위험도 평가결과는 다음과 같다. 포항시 S-B의 IR¯그리고 IT¯결과는 모두 0.002 (순위는 각각 12위 그리고 9위)로 산정되었다. 또한, 포항시 S-F의 IR¯그리고 IT¯결과는 모두 0.000 (순위는 23위 그리고 21위)로 나타났다. 두 지역의 지역 특성은 다음과 같다. 포항시 S-B의 내화조 및 목조의 분포비율은 각각 5.3% (21) 그리고 25.8% (7)로 나타났으며, S-F의 경우 각각 6.1% (20) 그리고 23.0% (9)로 나타났다. 이를 바탕으로, 두 지역의 특성을 비교하였을 때, 화재에 취약한 목조의 분포 비율이 다소 높은(즉, 내화조의 분포 비율이 낮음) 포항시 S-B가 S-F보다 지진화재에 취약한 것으로 예측되었다.

전체적으로 본 연구에서 제시한 위험지표(IR¯그리고 IT¯)를 활용한 평가결과는 소실율 기반의 기존 평가방식과 상이한 결과를 보였다. 이는 새롭게 제안된 위험지표가 화재에 영향을 미칠 수 있는 지역 특성을 복합적으로 고려했기 때문이다. 기존의 평가방식은 소실율 예측모델을 통해 산정된 소실율을 바탕으로 지역단위의 지진화재위험도 비교는 가능하지만, 지역 특성이 모두 고려되지 않았기 때문에 실제 화재 위험도가 높거나 낮은 지역임에도 불구하고 결과가 과소 또는 과대평가될 가능성이 있다. 그러나, 본 연구에서 제안된 위험지표는 지역단위의 소실율과 화재에 영향을 미치는 지역 특성(건축물의 밀집도와 내화구조유형) 사이의 관계를 분석한 결과를 바탕으로 제안되었으며, 포항시를 대상으로 적용한 결과 중점적으로 고려되는 지역 특성에 따라 위험도가 달라지는 것을 확인하였다. 이에 따라, 본 연구에서 제안된 위험지표는 기존의 평가방식보다 지역 특성을 잘 반영하고 있음을 알 수 있으며, 기존의 위험지표(소실율)과 새로운 위험지표IR¯ (그리고 IT¯)의 비교를 통하여 지진화재에 대한 사전 대응을 목적으로 합리적인 의사결정을 위하여 지역 특성을 고려한 지진화재위험도 평가가 필요함을 검증하였다.