화재 및 피난시뮬레이션을 통한 요양병원의 피난 안전성 증대방안
Measures to Enhance the Evacuation Safety of Nursing Hospitals Through Fire and Evacuation Simulations
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Abstract
이 연구는 현재 운영중인 요양병원에 대하여 화재 및 피난시뮬레이션 프로그램을 이용하여 거주가능시간을 산정하고, 피난소요시간과 비교⋅분석하여 피난 안전성 증대방안을 제안하는 것을 목적으로 한다. 진료실 전열기구 취급부주의에 의한 화재를 가정한 화재시뮬레이션을 통하여 거주가능시간을 산정하였고, 현재 기준으로 2층 이상의 요양병원은 경사로 또는 승강기가 면제될 수 있는 현실을 반영한 피난시뮬레이션을 통하여 자력대피가 불가능한 환자가 포함된 요양병원 재실자의 피난소요시간을 거주가능시간과 비교⋅분석하였다. 이번 실험 대상 요양병원은 피난소요시간이 거주가능시간을 초과하여 피난안전성이 확보되지 않은 것으로 나타났다. 피난소요시간 분석은 자력대피 불가능자들이 경사로만을 이용하여 피난, 승강기만을 이용하여 피난, 경사로와 승강기를 모두 사용할 수 있는 경우를 순차적으로 비교⋅분석하였고, 이러한 세 가지 상황에서 대피공간을 추가로 설치하는 경우에 대하여 피난소요시간을 비교⋅분석하였다. 피난시뮬레이션 결과는 경사로, 승강기 및 대피공간을 모두 설치하는 경우에 비하여 다른 경우에는 피난소요시간이 대폭 증가하는 결과를 보여, 법령 개정을 통하여 2층 이상의 모든 요양병원에 대하여 승강기, 경사로 및 대피공간 설치가 필요한 결과를 보였다.
Trans Abstract
This study aimed to calculate the habitable time using a fire and evacuation simulation program for an in-operation nursing hospital, compare and analyze it with the required evacuation time, and suggest a plan to enhance evacuation safety. The habitable time was calculated through fire simulations by assuming that a fire was caused by the careless handling of heating appliances in a doctor’s office. The evacuation time required for the occupants of the nursing hospital, including those who could not evacuate themselves, was compared and analyzed with the habitable time through the evacuation simulation. In the simulation, nursing hospitals of two stories or higher were not mandated to install ramps or elevators, per the current standards. The evacuation time of the nursing hospital subjected to this experiment exceeded the habitable time; hence, evacuation safety was not ensured. Through evacuation time analysis, we sequentially compared and analyzed the cases where those who were unable to evacuate on their own would evacuate using only the ramp, or only the elevator, or both, the ramp and the elevator. Additionally, the cases in which additional evacuation spaces were installed were also analyzed for the three situations. The evacuation simulation results demonstrated that the evacuation time significantly increased in other instances compared with the cases where ramps, elevators, and evacuation spaces were all installed. The results indicate that all nursing hospitals that are two stories or higher should be required to install all ramps, elevators, and evacuation spaces by amending related laws.
1. 서 론
1.1 연구의 필요성
통계청은 국내 전체 인구 중 65세 이상 인구의 비중이 2012년 기준으로 11.5%에서 해마다 증가하여 2021년 16.5%에 이를 것으로 예측하였고(National Statistical Office KOSIS 100 Indicators, 2022), 2067년에는 46.5%까지 증가하는 것으로 예측하였다(National Statistical Office, 2022). 사회보장제도의 발달 및 과학기술의 발전으로 인하여 요양병원의 숫자도 2010년 867개에 비해 2019년 1,577개로 181.9% 증가하였다(Health Insurance Review and Assessment Service, 2020). 요양병원의 숫자가 기하급수적으로 증가하고 있는 현실에 비례하여 요양병원에서의 화재도 계속해서 발생하여 수많은 인명과 재산피해가 발생하고 있다. 2014년 전남 장성에서 발생한 효사랑요양병원 화재로 21명이 사망하고 8명의 부상자가 발생하였고, 2018년 경남 밀양시 세종병원에서 화재가 발생하여 의사 1명을 포함한 39명이 사망하고 151명의 부상자가 발생하였다(Fire Department, 2014; Fire Department, 2018). 대형화재가 발생하여 인명피해가 발생하는 상황에 맞춰 소방청에서는 국가화재안전기준을 개정하여 소방시설의 설치규정을 대폭으로 강화하는 등 소방 설비적인 측면의 대응 기준을 강화하고 있다. 하지만 소방 설비적인 측면보다는 건축적인 면에 대한 기준을 강화하는 모습은 보이지 않고 있다. 따라서, 이 연구에서는 전라북도 전주에서 운영중인 요양병원을 모델로 선정하여, 관련 법령에서 규정하고 있는 피난시설에 대한 규제 상황을 시나리오로 선정하고, 화재시뮬레이션을 통하여 ASET (Available Safe Egress Time: 허용피난시간 또는 거주가능시간)을 결정한 후, 피난시뮬레이션을 이용하여 RSET (Required Safe Egress Time: 필요피난시간 또는 피난소요시간)과 비교하는 실험을 통하여 요양병원의 안전한 피난 환경을 조성하고자 한다.
1.2 선행연구 분석 및 차별성
Jeon et al. (2018)은 FDS 및 Pathfinder를 이용한 노인의료복지시설의 피난시간 산정에서 소방시설의 작동 점검 등의 안전관리 및 적정한 보조인원수를 제시하였고, 거동이 불편한 환자의 배치 방식을 제시하였다.
Kim et al. (2008) 노인요양시설 피난계획 제도적 개선방안 연구에서 노인요양시설의 건축적 특성을 반영하여 불연화 및 난연화 계획의 강화, 노인요양시설의 특성을 반영한 안전구획의 설정 방안을 제안하였다. Park et al. (2022)은 피난시뮬레이션을 통한 요양병원의 피난 안전성 증대방안에서 Pathfinder를 이용하여 피난시뮬레이션을 수행하여 경사로, 계단의 필수 배치 및 대피공간 배치를 제안하였다. 각각의 선행연구에서는 요양병원의 화재시 재실자의 피난 불가로 인한 피해 예방을 위해 다양한 방안을 제시하였지만, 실험적 분석을 통한 근거제시가 미흡하며, 건축물 피난 규제에 대한 개선방안에 대한 방안이 미흡한 실정이다. Jeon et al. (2018)은 화재 및 피난시뮬레이션을 거쳤으나, 보조인원수 및 환자의 배치 기준의 제안에 치중하였으며, Kim et al. (2008)은 제도적인 연구를 통하여 경사로 및 승강기의 면제 규정의 제한을 제시하였으나 그에 대한 적절한 근거는 미비한 실정이다. Park et al. (2022)은 화재 상황을 고려한 화재시뮬레이션을 시행하지 않고, 화재가 발생한 상황을 가정해 임의의 지연시간을 부여 후 피난시뮬레이션만을 시행하여 화재시 실제 ASET내에 피난이 가능 여부에 대한 분석 없이 단순히 피난수단에 따른 피난소요시간의 비교⋅분석만을 통하여 제언을 하였다. 이 연구에서는 실제 운영중인 요양병원을 모델로 법령상 면제가 가능한 경사로, 승강기 및 대피공간을 면제 또는 설치하는 시나리오를 설정한 후, Pyrosim 프로그램을 이용해 화재시뮬레이션을 시행하여 ASET을 산정하고, Pathfinder 프로그램을 이용해 피난시뮬레이션 결과로 RSET을 산정, 실제 건물에서 화재가 발생하는 경우 재실자들이 안전하게 피난할 수 있는지를 비교⋅분석하여, 안전한 피난 방안을 제안하고자 한다.
2. 본 론
2.1 피난안전성 분석을 위한 이론적 고찰
현재 성능위주설계 대상이 되는 건축물은 피난안전성 확보를 위하여, 화재 및 피난시뮬레이션 분석해 피난안전성이 확보되지 않는 경우 피난설비를 추가하거나, 설계 변경으로 건축물의 구조를 변경하여 피난안전성을 확보하고 있다. 이 연구에서는 연구 대상이 되는 건축물이 성능위주설계 대상이 아니지만 성능위주설계 절차를 적용하여 피난안전성을 검토하고자 한다. 소방시설 성능위주의 설계 대상이 되는 건축물의 경우는 소방시설 등의 성능위주설계 방법 및 기준(이하 “성능위주설계 방법”이라 한다.)에서 정하고 있는 화재 및 피난시뮬레이션의 시나리오 작성 기준에서 화재시뮬레이션을 이용하여 ASET을 분석하고, 피난시뮬레이션을 이용하여 RSET과 비교하여 ASET이 RSET보다 크도록 건축구조를 조정하거나 설비를 강화하고 있다. ASET의 분석 방법은 화재시뮬레이션 프로그램을 통하여 실제 화재를 가정하여 화재를 발생시킨 후 시뮬레이션을 통하여 호흡(호흡한계선), 열(온도), 가시거리, 독성(CO, CO2) 및 O2을 분석하여 건축물 내부 거주자들이 화재발생시 건축물 내에서의 ASET을 분석한다. 피난시뮬레이션을 이용해 RSET의 분석을 통하여 재실자가 화재발생시 안전하게 거주 가능한 시간을 설정한 후 RSET이내에 피난이 완료 여부를 판단 한다. RSET은 화재가 발생한 공간에서의 화재 거동과는 상관없이, 감지가 감지하는 시간( Td), 감후 통보시간( Ta), 재실자가 화재를 인지하는 시간( To), 화재상황 인지부터 피난개시까지 소요시간( Ti), 재실자가 피난을 시작하여 안전한 장소까지 도달하는데 소요되는 시간( Te)의 합으로 구성되며 이를 계산식화하면 Table 1과 같으며, 도식화하면 Fig. 1과 같다.
Calculation Formula for RSET
Schematic of ASET and RSET (Seo et al., 2020)
2.2 건축물의 구조
OO요양병원은 전북 전주시에서 위치한 요양병원으로 2007년에 건축하여 현재까지 운영 중이다. 건축물의 규모는 지하 1층과 지상 10층으로 구성되어 있으며, 지하 1층에는 기계실, 1층은 일반인 진료실, 건강검진실 등으로 이용되고 있다. 2층은 재활병실 및 입원실로 이용하고 있으며, 3층은 중환자실과 요양병원 입원실이 있으며, 4층부터 8층까지는 요양병원 전용으로 입원실로 사용되고 있다. 나머지 9층, 10층은 일반인들이 이용하지 않고, 직원이 이용하는 사무실, 회의실 및 식당 등이 있다. 건축물의 계단 부분은 별도 방화구획 되어있고, 각 층은 층간과 거실 사이에 성능인증을 받은 방화셔터로 층별 방화구획 되어있다. 층간 높이는 1층과 2층 3.9 m, 나머지 층간 높이는 3.6 m이다. 계단은 2개가 있으며 1개는 건물 내부를 통하여 피난층으로 통하는 출입구로 이동하며, 1개는 층별 방화문 밖의 직통계단이며, 층간 중간 부분에 계단참이 있다. 1개의 계단 폭이 2 m, 길이는 3.9 m, 다른 하나의 계단 폭은 1.2 m, 길이는 2.9 m이다. 승강기는 4대가 설치되어 있으며, 건축물의 높이가 31 m가 넘어 4대 중 3대는 비상용승강기, 1대는 일반 승용 승강기로, 비상용승강기 3대 중 2대는 동시에 2개의 침대 운반이 가능한 승강기로, 문 폭은 1.1~1.3 m이고, 나머지 승강기는 승객 전용으로 1대의 침대가 이용이 가능한 승강기이다. 건축물 연면적은 13,564.01 m2이고, 바닥면적은 2,004.89 m2이다. 지상으로 통하는 출입구는 4개소이며, 출입구의 폭은 건물 정면의 것은 2.4 m, 좌측은 0.9 m, 우측은 1.2 m이며, 후면은 1.2 m이다. 지하 1층부터 8층까지는 계단과 침대 운반이 가능한 승강기로 연결되어 있고, 9층, 10층은 직원 전용 승강기와 별도의 계단이 설치되어 있다.
2.3 화재시뮬레이션 시나리오 구성
이 연구에서 사용한 화재시뮬레이션 프로그램은 미국 Thunderhead Engineering사에서 개발한 Pyrosim프로그램을 이용하였다. Pyrosim 프로그램은 미국 표준기술연구소(National Institute of Standards and Technology)에서 개발한 FDS를 기반으로 한 실물화재 시뮬레이션 프로그램이다.
이 논문에서 화재상황은 지상 1층 진료실에서 관계자가 병원에서 사용을 금하고 있는 전열기구인 전기장판 사용 중 과열로 금속프레임에 우레탄폼과 플라스틱 코팅천으로 구성된 소파에서 화재가 발생한 것으로 가정하였다. 1층의 화재 시 감지기 작동에 의하여 방화셔터로 각 층별 방화구획되어 1층 화재상황에 대해서 분석하였으며 화재시뮬레이션 수행을 위한 조건은 Table 2로 정리하였다. 폴리우레탄 재질의 소파는 최대열방출율이 270.4 kW/m2이며 연소가 된 이후에 800초 가량 연소가 지속되며, 최대열방출율에 도달하는 시간은 260초이며, 최대열방출율을 기록하며 연소는 200초간 지속되는 특성을 갖고 있으며 그에 대한 그래프와 열방출률 자료는 Fig. 2로 정리하였다(Dinenno, 2008).
Conditions to Perform Fire Simulation
Analysis of Combustible’s Heat Release Rate
Pyrosim 프로그램은 Device를 설치하는 경우 원하는 장소 또는 지점에서의 독성가스, 가시거리 및 방출된 열량을 측정할 수 있다. 이 연구에서는 성능위주설계방법에서 정하고 있는 기준 및 측정요소를 바탕으로 Device를 설치하였으며 그 위치는 Table 3 및 Fig. 3과 같다.
Device Element and Location
Fire Location and Device Location
성능위주설계기준에서 인명안전기준은 바닥으로부터 1.8 m 높이를 호흡한계선으로 정하였으며, 열에 의한 영향은 60 ℃를 넘지 않아야 하며, 가시거리는 기타시설인 병원시설로 5 m 이상, 독성에 의한 영향으로는 CO 1,400 ppm 이하, CO2 농도는 5% 이하이며, O2 농도는 15% 이상을 기준으로 한다. 이러한 기준을 적용하여 화재시뮬레이션은 1층 외래진료실에서 화재가 발생한 것을 가정하여 화재발생 진료실 상부에 화재감지기를 설치하고 감지기 작동시간을 분석하였으며 그 기준은 Table 4와 같다.
Life Safety Standard of Performance - Based Design Method
2.4 피난시뮬레이션 시나리오 구성
2.4.1 선행연구와의 시나리오 차이
이 연구는 피난시뮬레이션을 이용한 요양병원 피난 안전성 증대 방안과 관련된 선행연구(Park et al., 2022)의 추가 연구이다. 선행연구에서는 화재시뮬레이션 없이 요양병원에서 화재상황을 가정하여 가상의 지연시간을 부여한 후 피난수단을 달리하여 RSET의 요소 중 피난소요시간만을 비교⋅분석하여 결론을 도출하였다. 이 연구에서는 선행연구에 추가하여 화재시뮬레이션을 시행하였으며, 피난시뮬레이션의 경우는 재실자의 규모, 시나리오 등은 선행연구와 동일한 조건에서 수행하였으나, RSET의 정확한 분석을 위하여 선행연구에서는 임의의 지연시간을 부여한 후 피난소요시간을 분석한 것과 달리, 이 연구에서 화재시뮬레이션을 바탕으로 화재발생 장소에서는 지연시간 없이 즉시 피난, 1층, 직상층 및 지하층의 경우는 연기감지기가 작동하는 시간을 지연시간으로 두고 나머지 층의 경우는 우선경보 방식에 의하여 별도로 지연시간을 포함하여 계산하였다.
2.4.2 피난시뮬레이션 프로그램
피난시뮬레이션은 같은 회사에서 개발한 Pathfinder 프로그램을 이용하였다. Pathfinder 프로그램 또한 FDS를 기반으로 하는 피난시뮬레이션 프로그램으로 현재 국내에서는 Building Exodus, Simulex 등 다양한 프로그램들이 사용되고 있지만 피난약자가 이용하는 침대, 휠체어, 승강기 및 경사로를 모두 표현할 수 있는 Pathfinder 프로그램을 이용하였다.
2.4.3 수용인원의 산정
시뮬레이션 분석을 위한 인원 배치는 성능위주설계 방법 별표 1. 화재 및 피난시뮬레이션의 시나리오 작성 기준, 병원측에서 허가받은 인원 및 실제 근무 인원수를 적용하였다. 불특정 다수가 이용하는 경우는 수용인원 산정기준 22.3 m2/인을 기준으로(National Legal Information Center, 2021a) 그 대상이 되는 1중에서 물리치료실, 진료실, 건강검진실 등은 1층은 57명을, 2층 입원실을 제외한 물리치료실 등은 31명을 배치하였다. 2층의 나머지 부분인 입원실과 나머지 층의 입원실은 병원에서 허가받은 인원수를 적용하였고, 직원의 수는 병원에서 제시한 실제 인원수로 배치하였다. 그에 대한 현황은 Table 5 및 Fig. 4로 정리 및 표현하였다.
○○Nursing Hospitals Capacity (Park et al., 2022)
○○Nursing Hospitals Staffing Status
직원 배치현황은 의사, 간호사, 조무사, 행정직원, 물리치료사, 시설관리원 등 총 104명이 근무하고 있으며 배치현황은 Table 6과 같다. 이용객은 일반인이 이용하는 1층 전체와 2층 입원실을 제외한 건강검진실, 외래진료실 등에서 계산된 수용인원 1층 57명, 2층 31명에 대하여 전라북도 2020년 인구통계에서 차지하는 20대에서 50대까지 인구를 합하여, 각각 연령대 인구가 차지하는 비율을 계산하여 연령⋅성별로 배치하였다(Statistics Korea, 2021). 3층 중환자실은 18병상으로 허가받아 운영되며 자력대피가 불가능한 상황을 반영하여, 침대에 누워 조력자의 도움을 받아야만 피난이 가능한 18명을 배치하였으며, 2층 입원실과 3층 이상의 입원환자는 2020년 전라북도 인구통계 중 65세 이상 인구 비율을 고려하여 성별로 구분하여 배치하였으며, 배치현황은 Table 7과 같다.
○○Nursing Hospitals Staffing Status (Park et al., 2022)
○○Nursing Hospitals User Arrangement (Park et al., 2022)
2.4.4 재실자의 입력값
피난시뮬레이션을 위한 재실자의 입력변수 연령, 성별로 구분하여 입력하였고, 입원환자는 60세 이상으로 성별로 구분하였다. 자력대피가 불가능한 침대피난자의 경우 침대의 규격을 동일하게 하였으며, 조력자의 도움을 받아야만 피난하는 것으로 입력하였다. 보행속도는 부산광역시 소방본부 소방시설 등의 성능위주설계 평가 가이드라인 및 소방청 피난약자시설 대피공간 등 설치 및 안전관리 가이드을 기준으로 입력하였으며 Table 8과 같이 정리하였다(Busan Fire and Disaster Headquarters, 2020; Fire Department, 2021).
Input to Simulation (Size Korea, 2021)
2.4.5 시나리오의 구성 및 RSET 분석
｢의료법 시행규칙｣에서 경사로와 승강기 중, 한 가지 면제가 가능하여 승강기가 면제된 상황을 가정하여 자력 대피 불가능자가 경사로만을 또는 승강기만을 이용하여 피난하는 것과 2015년 9월부터 시행하고 있는 요양병원등 피난약자시설에 계단이나 피난기구를 이용하여 피난층까지 수직으로 피난할 능력이 부족한 노인이나 장애인 등을 위하여 대피공간을 설치하도록 ｢건축법 시행령｣이 개정된 부분을 반영하였다(National Legal Information Center, 2021b). 대피공간 면적 기준은 입원환자 50%를 기준으로 1인당 0.28 m2를 확보하게 되어있고, 대피공간에는 입원환자의 50%만 피난하고 나머지는 계단과 경사로를 이용하여 피난하도록 설정하였다.
시뮬레이션 설정은 요양병원 화재로 발생할 수 있는 최악의 상황을 가정하여 이용객과 직원의 최대수인 764명이 재실하고 있는 상황에서 화재가 발생하여 피난하는 상황을 설정하였다.
시나리오의 구성은 중환자실을 제외한 이용객 및 직원의 경우 화재시 승강기 이용이 금하고 있는 상황을 고려 계단과 경사로를 이용하여 피난하는 것으로 설정하였고, 자력대피가 불가능한 침대피난자의 경우 피난수단을 달리하는 경우 RSET 비교를 위하여 침대피난자와 조력자만 승강기를 사용하도록 설정하였으며, 침대피난자가 경사로만 이용하는 경우, 승강기만 이용하는 경우, 경사로와 승강기를 모두 이용하는 경우 및 이와 같은 3가지 각각의 상황에서 대피공간을 설치하여 피난하는 경우 총 6가지 경우로 설정하였으며 Table 9로 정리하였으며, 화재시뮬레이션에서 분석한 ASET과 비교하여 피난안전성 확보 여부를 분석하였다. 화재 및 피난시뮬레이션 시나리오에 따른 화재의 위치 및 피난 설정 등 조건은 Table 10으로 정리하였다.
Scenario (Park et al., 2022)
Life Safety Standards of Performance-Based Design Method
3. 결과 및 분석
3.1 화재시뮬레이션 결과
실험 대상이 되는 요양병원에서 화재시 200초까지 화재시뮬레이션 결과를 통하여 Device 4개소의 독성가스(CO, CO2), O2, 열(온도), 가시거리 및 연기층의 높이를 측정한 분석 결과는 Fig. 5와 같다.
Fire Simulation Analysis Graph
Table 11에서 화재시뮬레이션을 통하여 독성가스(CO2, CO), O2, 가시거리 및 온도를 분석한 결과는 먼저 CO2의 경우 Device 2에서만 177.61초에 기준치인 5% 이하로 분석되었고 나머지 Device의 경우 인명안전기준을 충족하였다. CO의 경우 Device 4개소에서 모두 인명안전기준을 충족하는 결과를 보였으며, O2 경우는 CO2와 마찬가지로 Device 2에서만 183.60초에 15% 미만인 결과를 나타내었으며 나머지 Device에서는 인명안전기준을 충족하였다. 가시거리는 인명안전기준인 5 m 이하가 되는 경우가 네 곳의 Device 모두에서 발생하였으며, 이 중에서 가장 짧은 시각은 Device 2에서 53.22초의 분석결과가 나타났다. 온도의 경우 60 ℃를 초과하는 경우는 네 곳의 Device 모두에서 나타났으며, Device 2에서 가장 짧은 98.41초의 분석결과가 나타났다. 인명안전기준에는 포함되지 않지만, 대피의 원활함을 위해 분석한 연기의 높이 1.8 m 도달시간은 Device 2에서 55.80초로 가장 짧게 분석되었다. 이와 같은 결과를 통하여 이번 실험의 화재로 인하여 산정한 ASET은 가시거리의 영향에 의하여 53.22초로 분석되었으며 ASET 도달시 화재시뮬레이션의 결과는 Fig. 6과 같이 나타내었다.
ASET Calculation Status Based on Life Safety Standards of Performance Based Design Method
Fire Simulation Status Upon Reaching ASET
이와 같은 ASET의 결과로 전체 2개의 계단 중 뒤편에 있는 계단의 경우 1층의 방화문을 통하여 밖으로 나가서 외부로 나갈 수 있는 직통계단으로 되어있어 ASET이 아무리 짧더라도 2층 이상 재실자들의 피난에 영향을 미치지 않지만, 좌측 계단의 경우 계단 전면에 방화셔터가 있고, 방화셔터에 설치된 문를 통하여 앞쪽 및 좌측 출입구로 피난하는 구조로 되어있어 피난안전성에 커다란 문제의 요인으로 작용할 수 있는 결과를 보였다.
성능위주설계 방법에서는 일반적인 화재시나리오 1개, 그 외 가장 위험한 시나리오를 반영하여 3가지 이상의 시나리오로 실험을 하도록 하고 있다. 이 논문에서는 Thunderhead Engineering사에서 제공하는 HRR자료 중 요양병원 화재 상황의 가정에 적합한 화점의 재료를 선정하여 HRR이 낮은 것부터 시뮬레이션을 시행하였다. HRR이 15 KW인 쓰레기통(폴리에틸렌, 우유팩) 화재 및 67.6 KW인 라운지 의자(나무 프레임, 라텍스 폼/면 충전재, 플라스틱 코팅 패브릭)의 경우는 800초를 분석하였으나 분석시간 동안 인명안전기준 요소 중 어떠한 요소도 인명안전기준에 벗어나지 않는 결과가 나타났다. 이 논문에서 화재시뮬레이션 대상으로 선정한 HRR 270.4 KW의 소파(금속 프레임, 우레탄 폼화재)의 경우 ASET이 53.22초로 분석되었고, HRR이 1,009.6 KW인 매트리스(Corner BFRL Data)의 경우 ASET이 불과 17.8초로 급속도로 성장하는 화재로 인명안전기준의 분석이 무의미하게 되어 4개의 실험결과 중 소파 화재를 가정하여 분석하게 되었다.
3.2 피난시뮬레이션 결과
화재시뮬레이션을 통하여 나타난 Td (감지시간)은 14.24초로 분석되었다. 이에 따라 Ta (통보시간) 1층 화재실의 재실자는 발화 즉시 피난하는 것으로 설정하였으며, 나머지 지하1층, 1층, 2층, 3층의 재시자는 감지기 동작과 동시에 피난하도록 설정하였고, 나머지 층의 재실자는 감지기 작동후 추가로 60초의 지연 후 피난개시하도록 설정하였다. To (인지시간)과 Ti (개시시간)은 통보 즉시 수행하는 것으로 가정하였으며, 피난가능시간 기준을 적용하여 해당시설은 요양병원으로 훈련된 간호사, 간호조무사 등이 화재상황 발생시 본연의 임무에 적극적으로 대응하고 피난 경로를 숙지하고 있는 점을 고려하였다.
우선 화재시뮬레이션에서 분석한 ASET인 53.22초를 기준으로 모든 층의 피난경로가 되는 좌측 계단에서의 피난안전성 분석을 위해 1층에서 화재발생시 층별 방화구획되어 다른 층으로 확산되지 않는다는 조건을 가정한 1층에서만의 피난안전성을 분석한 결과는 Fig. 7 및 Table 12와 같다.
Evacuation Simulation Status Upon Reaching ASET
Occupant’s Evacuation Status After Reaching the ASET on the 1st Floor
1층 단독으로 화재시뮬레이션 및 피난시뮬레이션을 실행한 결과는 ASET 53.22초, RSET 76.80초로 분석되어 재실자 89명 중 77명이 피난하지 못하는 결과를 보였으며, 추가적으로 피난하는데 23.58초가 필요한 것으로 나타났다. 이 연구의 대상이 되는 건축물은 성능위주설계 대상이 아닌 사양위주의 설계 대상 건축물이다. 성능위주의 설계 대상이 된다면 추가적으로 피난 대책을 수립하여 피난안전성을 강화하였겠지만 성능위주의 설계 대상에 포함되지 않아 이러한 결과를 나타나게 된 것이다. 나머지 층에 대한 피난안전성 검토 결과는 Table 13과 Fig. 8로 정리하였다. Fig. 8의 경우는 432.0초의 시나리오 별 피난시뮬레이션의 결과를 나타내었다. 시나리오 6의 피난시뮬레이션 결과인 RSET 432.0가 최 단시간으로 분석되었고, 동일 시간대에 다른 시나리오에서 피난이 지연되는 상황을 비교하기 위함이다.
RSET Analysis by Scenario, etc
Analysis Graph of Evacuation Situation and the Bottleneck on the 3rd Floor at 432 Seconds of Each Scenario
Table 13 및 Fig. 8의 (a-1), (a-2)에서 시나리오 1은 자력대피 불가능자들이 경사로만을 이용하여 피난하는 과정을 분석하였다. 피난개시 초기부터 135초까지는 자력대피 불가능자들이 경사로를 이용하여 원활하게 피난을 하였으나, 135초 이후 재실자들이 경사로에 몰리면서 3층 좌측 경사로 앞부분에 병목현상이 발생하였다. 병목현상 약 490초간 유지되었으며, 재실자의 군집밀도는 최고 0.9 명/m2를 보였으며, 군집 이동속도는 최고 1.95 m/s, 최저 0.02 m/s를 보였고, 순간 최대 22명이 집중되는 결과를 보였다. RSET은 805.5초로 가장 많은 시간이 소요되었다.
Table 13 및 Fig. 8의 (b-1), (b-2)에서 시나리오 2는 자력대피 불가능자들이 승강기만을 이용하여 피난하는 과정을 분석한 것으로 화재초기부터 재실자들이 2개의 계단과 비상구를 이용해 빠르게 피난을 하였으나, 110초 이후 자력대피 불가능자들과 재실자들이 3층 좌측 계단 앞부분과 승강기 입구에서 집중되며 병목현상이 발생하였다. 병목현상은 약 135초간 유지되었으며, 재실자의 군집밀도는 최고 0.6 명/m2를 기록했고, 재실자 군집 이동속도는 최저 0.04 m/s, 최고 1.57 m/s를 보였고, 순간 최대 15명이 집중되는 결과를 보였다. RSET은 시나리오 1보다 118.7초가 감소하여 686.8초가 소요되었다.
Table 13 및 Fig. 8의 (c-1), (c-2)에서 시나리오 3은 승강기와 경사로가 설치되어 자력대피 불가능자들이 승강기 또는 경사로를 선택하여 이용하여 피난하는 과정을 분석한 것으로 화재발생 순간부터 160초 경까지는 원활히 피난이 되었으나, 마찬가지로 3층 침대를 이용하여 피난하는 재실자들이 3층 좌측 계단에서 경사로를 이용하는 순간마다 병목현상 2회 발생하였다. 초기 100초, 이후 90초가량 2회에 걸쳐 발생하였으며, 재실자의 군집밀도는 최고 0.56 명/m2를 기록했고, 재실자 군집 이동속도는 최저 0.01 m/s, 최고 1.1 m/s를 기록했고, 순간 최대 14명이 집중되는 결과를 보였다. RSET은 시나리오 1보다 154.5초가 감소하여 651.0초가 소요되었다.
Table 13 및 Fig. 8의 (d-1), (d-2)에서 시나리오 4는 자력대피 불가능자들이 승강기만을 이용하여 피난하고, 입원실이 있는 2층부터 8층까지 대피공간이 마련되어 입원환자의 절반인 277명이 대피공간으로 피난하고 나머지 재실자들은 계단을 이용하여 피난하는 과정을 분석한 것으로 화재발생 순간부터 165초경까지는 원활히 피난이 되었으나, 3층 침대를 이용하여 피난하는 재실자들이 3층 좌측 승강기를 이용하는 순간부터 병목현상이 발생하여 150초간 유지되었다. 재실자의 군집밀도는 최고 0.70 명/m2를 기록했고, 재실자 군집 이동속도는 최저 0.01 m/s, 최고 1.72 m/s를 기록했고, 순간 최대 16명이 집중되는 결과를 보였다. RSET은 시나리오 1보다 244.3초가 감소하여 561.2초가 소요되었다.
Table 13 및 Fig. 8의 (e-1), (e-2)에서 시나리오 5는 자력대피 불가능자들이 경사로만을 이용하여 피난하고 입원실이 있는 2층부터 8층까지 대피공간이 마련된 상태의 피난 과정을 분석한 것으로 화재발생 순간부터 135초경까지는 원활히 피난이 되었으나, 3층 침대를 이용하여 피난하는 재실자들이 3층 좌측 경사로를 이용하는 순간부터 병목현상이 발생하여 230초 동안 유지되었다.
재실자의 군집밀도는 최고 0.70 명/m2를 기록했고, 재실자 군집 이동속도는 최저 0.03 m/s, 최고 1.92 m/s를 기록했고, 순간 최대 17명이 집중되는 결과를 보였다. RSET은 시나리오 1보다 264.7초가 감소하여 540.8초가 소요되었다.
Table 13 및 Fig. 8의 (f-1), (f-2)에서 시나리오 6은 자력대피 불가능자들이 승강기 또는 경사로를 선택하여 피난하고 입원실이 있는 2층부터 8층까지 대피공간이 마련된 상태의 피난과정을 분석한 것으로 화재발생 순간부터 135초경까지는 원활히 피난이 되었으나, 3층 침대를 이용하여 피난하는 재실자들이 3층 좌측 경사로 및 승강기를 이용하는 순간부터 병목현상이 발생하여 90초 동안 유지되었다. 재실자의 군집밀도는 최고 0.44 명/m2를 기록했고, 재실자 군집 이동속도는 최저 0.23 m/s, 최고 2.40 m/s를 기록했고, 순간 최대 11명이 집중되는 결과를 보였다. RSET은 시나리오 1보다 373.5초가 감소하여 432.0초가 소요되었다.
3.3 실험결과에 따른 제언
지금까지 화재 및 피난시뮬레이션 결과를 비교⋅분석한 개선 방향에 대한 제언은 다음과 같다.
첫째, 경사로만 또는 승강기만을 설치하여 피난하는 경우 RSET이 최고 805.5초에서 승강기와 경사로를 모두 설치하는 경우 REST이 651.0초로 분석되어 19.18% 단축되는 결과를 보이므로, 화재 등 재난상황 발생시 보행이 불가한 침대 피난자 및 휠체어 피난자 등의 피난약자의 원활한 피난을 위하여 ｢의료법 시행규칙｣ [별표 3]에서 규정하고 있는 요양병원 시설기준을 개정하여 2층 이상의 요양병원에는 경사로와 승강기를 모두 설치하도록 법령 개정이 필요하다.
둘째, 승강기와 경사로 모두 설치하였을 경우의 RSET이 651.0초에서 대피공간을 추가로 설치하는 경우 RSET이 432.0초로 33.6% 단축되는 결과를 보이므로, 신축 또는 용도변경 시만 적용하도록 요양병원 등 피난약자 시설에 설치하는 대피공간을 소급 적용하여 요양병원 피난안전성을 확보해야 한다.
셋째, 앞선 두 가지 상황에서 수직방향으로 자력대피가 불가능한 환자의 입원실이 2층 이상에 있어 RSET이 길어져 인명안전기준에 부합하지 못하므로, 자력대피가 불가능한 환자가 입원한 요양병원은 입원실의 층수를 제한하여, 수평 피난할 수 있도록 법령의 개정이 필요하다.
넷째, 실험의 결과에서 ASET 이내에 2층 이상의 자력대피 불가능환자들이 승강기나 경사로를 이용한 후 1층 거실을 경유하여 피난해야 하는 위험한 대피상황이 발생하므로 2층 이상의 요양병원에 설치하는 계단은 옥내를 경유하지 않고, 피난층으로 직접 통하는 피난계단 또는 특별피난계단을 2개 이상 설치하고, 그중 1개 이상은 경사로를 설치하도록 건축물의 피난⋅방화 구조 등의 기준에 관한 규칙의 개정이 필요하다.
4. 결 론
이 연구는 요양병원의 피난안전성을 분석하기 위하여 소방시설 등의 성능위주설계 방법 및 기준에서 정하고 있는 시나리오 작성 기준을 적용한 화재 및 피난시뮬레이션을 실험한 것이다. 특히 현재 관련법령에서 규제 완화로 승강기 또는 경사로가 면제되고 있는 현실을 반영하였고, 요양병원과 같은 피난약자시설에 계단이나 피난기구를 이용하여 피난층까지 수직으로 피난할 능력이 부족한 노인이나 장애인을 위하여 대피공간을 설치할 경우에 대하여 자력대피가 불가능한 인원들의 피난수단을 달리하여 그에 따른 시뮬레이션 결과를 비교⋅분석하였다. 각각의 실험을 통해 도출한 결과는 다음과 같다.
(1) 화재시뮬레이션을 통한 ASET을 분석하여 피난시뮬레이션 결과를 분석한 결과 연구 대상이 되는 요양병원은 피난안전성이 충족되지 않는 결과를 보였다.
(2) 경사로만을 이용하거나, 승강기만을 이용하여 피난하는 경우보다 경사로와 승강기를 모두 설치하여 피난하는 경우 재실자의 피난안전성이 향상되는 결과를 보였다.
(3) 현재 신축 또는 용도변경의 경우에만 적용하고 있는 대피공간을 소급하여 설치하는 경우 재실자의 피난안전성이 향상되는 결과를 보였다.
승강기, 경사로 및 대피공간 모든 것을 이용하여 피난하는 시나리오가 RSET이 432초로 가장 적게 소요되었으며, 다른 상황과 비교하여 최대 373.5초가 단축되는 결과를 보였다. 또한 대피공간이 없더라도 승강기와 경사로를 함께 설치하여 피난하는 경우는 승강기와 경사로 중 하나만 설치하는 경우와 비교하여 RSET이 최대 154.5초 단축되는 결과를 보였다.
이 연구에서는 소방청 성능위주설계 가이드라인을 적용하여 중환자를 제외한 노인들이 자력대피가 가능하다는 가정하에 일정한 속도로 이동할 수 있다는 설정을 하였고, 피난시뮬레이션 프로그램의 특성상 피난기구의 사용을 고려하지 못하였으며, 화재 시 이용을 금지하고 있는 승강기를 자력대피 불가능자의 피난수단으로 사용하는 시나리오를 구성하는 실험이었고, 1개 요양병원에 대한 실험을 분석하여 결론에 도출하였다는 한계를 보였다.
하지만 실험의 결과에서 나타났듯이 각 시나리오에서 최대 375.5초의 RSET이 단축되는 결과를 보였으며, 대피공간이 설치되지 않은 경우에도 경사로와 승강기 모두 설치하였을 때와 비교하여 RSET이 154.5초 단축되는 결과를 보여, 향후 요양병원 관련 법령 개정에 활용할 수 있는 근거를 마련했다는 점에서 의미 있는 실험이 될 수 있다고 할 것이다.
이번 연구에서는 1층에서 화재발생시 방화셔터의 작동으로 인하여 방화구획되어 나머지 층으로 연소확대가 되지 않는 조건에 실시한 연구로 향후 방화셔터 미작동으로 연소확대 상황을 연구하고, 그에 따른 피난 상황을 분석하는 추가적인 연구가 필요할 것이다. 또한 현재 성능위주의 설계 대상에 건축물의 높이, 연면적 등 규모를 고려한 대상과 철도시설, 공항시설, 영화상영관 등 대규모 다중이용시설만이 포함되어 있고 재난약자의 거주시설은 포함되지 않는 것이 현실이다. 재난약자가 다수 거주하고 있는 요양병원 중 11층 이상 또는 연면적 1만 m2 이상 등의 대규모 요양병원에 대하여 화재 및 피난 시물레이션 연구를 통하여 재난약자들의 피난안전성 연구하고 이를 통하여, 대규모 요양병원 등이 성능위주의 설계 대상에 포함될 수 있도록 하는 연구가 필요할 것이다.