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.

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.

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.

｢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.

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.

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.

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.

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.