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J. Korean Soc. Hazard Mitig. > Volume 16(3); 2016 > Article
발코니 확장 아파트의 피난 안전성 증진을 위한 대피공간의 배치 · 구조에 관한 연구

Abstract

The purpose of this study was to analyze the adaptability of plan-front positioning and the effectiveness of structural protecting abilityfor architects to design the emergency stay shelters in balcony expansion. The balcony expansion, as only a tool for the space expansionfrom the open space to closed space facing living rooms has not permitted due to the negative aspect in emergency evacuation. As the amendment of the building code facilitated the balcony expansion on condition that installation of one emergency stay shelter, however, it has proved that the balcony-expanded apartment is more possible in terms of easiness of burning spread of upper levelcomparing with apartments without balcony expansion. Therefore, the shelters located in plan-front balcony expansion area hasproved as being as a dangerous space for evacuators not to wait long until rescuer’s arrival so that they should be placed at the rear orside of plans surrounded by spandrels. Furthermore, it concludes that the structural protection standard for the shelter facing roomrequired by the existing code would be changed from fire resistant ability to smoke protecting standard.

요지

본 연구는 아파트 발코니의 거실 확장시 강제적으로 설치하는 대피공간의 배치 계획의 적정성과 방재기준의 효용성에 대한 신뢰성을 확인할 목적으로 수행되었다. 아파트 발코니 확장은 발코니를 거실, 침실 또는 주방 등의 공간용도로 확장하는 수단으로서 피난측면에서 부정적으로 작용하기 때문에 허용되지 않았으나, 2005년 2월 이후 방화구획과 방화문으로 이루어진 대피공간을 1개소 이상 설치하는 조건으로 발코니 확장이 허용되었다. 그로 인하여 발코니 확장아파트의 상층연소현상이 비확장 아파트와 비교하여 전면 창호를 통해 급격하게 확산되는 상황이 초래됨을 화재사례 및 전면부 가연물배치 형상을 통해 규명하였다. 발코니 확장 아파트에서 대피공간이 세대 전면부에 배치될 경우 하부층 세대 화재시 빠른 상층연소가 일어나므로 대피할 수 없는 위험 공간으로 변할 가능성이 크고, 특히 주 피난통로인 계단실이 연기에 의해 오염될 경우에는 피난불가상황이 초래된다. 따라서 외기와 면하는 곳에 설치되는 대피공간은 설계 시에 스팬드럴이 있는 아파트 후면부로 배치되어야만 상층연소에 의한 대피불가상황 초래를 막을 수 있는 것으로 결론지을 수 있다.

1. 서론

1.1 연구의 목적 및 목표

아파트에서 발코니의 거실확장이 합법화되어 발코니 확장아파트가 설계단계에서 도입됨과 동시에 이를 보완하기 위해 피난설비인 발코니 대피공간을 현행 법규상 강제하고 있다. 발코니 확장아파트의 하부층 세대화재시 상층연소에 따른 상부 세대 확산경로를 시뮬레이션하여 고유의 대피공간 확보가능여부를 도출하였다. 특히 계단실형 아파트의 세대화재시 상층으로의 연기확산에 따른 피난가능성을 정량적으로 분석하여, 계단실형 아파트에서 화재세대와 계단실을 공유하는 상층 세대 거주자의 피난안전성 확보를 위해 필요한 대피공간의 배치 및 성능에 관한 개선방안을 개발하는 데 연구의 목적을 둔다.

1.2 연구의 방법 및 절차

본 연구에서는 법령에서 강제하는 발코니 확장아파트에서 화재시 거주자가 대피하여야 할 대피공간의 배치·구조에 관한 개선방안을 개발하기 위해 다음과 같은 방법과 절차로 연구를 수행하였다.
첫째, 발코니가 확장된 고층아파트를 대상으로 전 후면의 창호배치와 구조를 분석하여 화재 발생에 따른 플륨과 연기의 전개 양상을 분석하였다.
둘째, 계단실 연기오염과 전면 파사드(facade) 유리창문을 통한 플륨(plume)·연기의 전개양상을 고려한 정량적 대피가능성을 도출하여 피난안전성을 제시하였다.
셋째, 법규상 강제하는 피난설비의 효용성을 비교분석하여 가장 효용성이 높은 대피공간에 대한 배치, 구조 및 성능에 관한 개선방안을 제시하였다.

2. 발코니 확장으로 인한 피난취약성 분석

2.1 국내 아파트의 형태별 방재적 성능 비교분석

국내 아파트는 1960년대에 시작하여 1970년대부터 대도시를 중심으로 본격적으로 건립되었으며, 현재는 주거생활의 50~60%를 차지하고 있는 실정이다. 국내에서 건립된 아파트는 크게 2가지 형태의 구조인 판상형 아파트와 탑상형 아파트로 나뉜다. 판상형 아파트는 1동의 주호의 아파트가 한 곳을 바라보면서 일자형으로 배치된 형식을 말하며, 보통 남쪽방향을 향해 ‘—’자형으로 배치하므로 전면 파사드가 남쪽방향을 향하고 후면부 벽체는 계단실이나 복도로 연결되는 구조이다. 반면 탑상형 아파트는 몇 세대를 묶어 탑을 쌓듯이 ‘ㅁ’자 모양으로 위로 쭉 뻗은 아파트를 말하며, 전면 파사드가 사방을 향하고 후면부는 외기에 노출되지 않아 창문 없이 수직 코어와 접하는 구조이다.
한편 하나의 층에 셋 이상의 세대를 묶어 복도를 연결하고 모든 층의 세대가 공유하는 계단실이 있는 탑 모양의 ‘계단실형 탑상형 아파트’는, 계단실의 출입문을 통해 연기가 계단실 전체로 확산될 경우 많은 세대의 거주자가 대피할 수 없는 상황을 초래하므로 최악의 대피불가 상황이 일어나는 중대한 취약점을 가지고 있다.
또한 판상형 아파트는 계단의 공유 구조를 기반으로 계단실형과 복도형으로 분류 가능하다. ‘복도식 판상형 아파트’는 층의 모든 세대가 외기에 노출된 긴 복도를 공유하는 현관구조를 가진 아파트로서, 인접세대 또는 하부층 세대의 화재 발생으로 인한 복도 및 계단실의 연기 오염상황의 초래 가능성이 없는 구조이므로 방재적 측면에서는 취약점이 매우 적은 형태를 가지고 있다.
반면에 ‘계단실형 판상형 아파트’는 두 세대가 공유하는 현관로비에 수직계단실을 연결한 구조로, 전 가구를 남향으로 배치할 수 있고 맞통풍이 가능해 환기·채광이 유리하나, 외관이 단조롭고 조망권 확보가 쉽지 않은 특징을 가지는 형태이다. 따라서 방재적 측면에서는 외기에 개방되지 않은 현관로비를 인접세대와 공유하고 계단실은 동일라인의 모든 층 세대와 공유하고 있어, 세대 현관을 통한 연기누출에 의해 현관로비와 연결된 계단실의 출입문을 통해 연기가 계단실 전체로 확산될 경우 화재층 상층에 위치한 세대 거주자는 대피불가상황이 초래될 수 있는 구조이다.

2.2 발코니 확장에 따른 상층연소 위험성 분석

2.2.1 발코니 유무에 따른 전후면 구조형태 비교

국내에 건립되는 계단실형 아파트는 복도식, 계단식 또는 판상형, 탑상형을 포함한 거의 모든 구조가 철근콘크리트 재료를 사용한 벽식구조 형식을 채택하고 있다. 「건축법시행령」에 의해 인접세대간 경계벽은 내화구조의 벽체로 이루어지도록 규정되어 있고, 전면의 파사드와 후면부는 채광과 환기를 위한 창호를 배치한 벽체를 둔다.
일반적으로 아파트의 전면부에는 거실과 대형 침실을 배치하고 외기와 면하는 전면에는 대형유리창문으로 구성된 파사드 벽체를 두고, 벽체면에서 외부로 돌출되는 발코니를 배치하는 반면에 후면부나 측면부에는 주방, 작은 침실 등이 배치되어 일정 높이의 스팬드럴 벽체와 소형유리창문을 가진 구조로 설계된다. 물론 후면부의 침실에 외부로 돌출된 발코니를 가지고 있는 아파트도 일부 건립되고 있으나, 일정한 콘크리트 스팬드럴 벽체를 가진 발코니로 전면의 발코니 구조와는 구분되어 설계되고 있다.
2005년 2월에 전면 개정된 「건축법시행령」제16조에 의거발코니를 합법적으로 확장하였을 경우 발코니 슬래브 상부공간이 거실용도로 확장되므로 외부로 돌출된 발코니 슬래브가 가지는 상층연소 방지역할은 자연적으로 상실된다. 따라서 이를 보완할 목적으로 전면 파사드에 방화판을 설치하거나(기존의 사용 중인 아파트인 경우 해당) 발코니 한쪽에 면적 2 m2이상의 대피공간을 신설하도록 규정하여 피난성능의 향상을 도모하였다.
따라서 발코니 비확장 아파트의 전면 파사드 구조를 살펴보면 대형 침실과 거실이 위치한 상태에서 외기로 돌출한 발코니 슬래브를 설치하고 거실과의 경계벽을 대형유리창문으로 구획하고 있으며, 반대방향의 후면부는 주방과 중소형 침실을 배치한 상태에서 스팬드럴 벽체와 벽체 상부에 위치한 소형창문 구조로 설계되어 있는 반면(Fig. 2(a)Fig. 3 참조), 개정된 「건축법시행령」에 의거 발코니를 합법적으로 확장한 발코니 확장 아파트는 발코니 공간이 거실 또는 대형 침실의 일부공간으로 연장되어, 거실이나 침실이 스팬드럴이 없는 대형 유리가 부착된 창문에 의해 외기와 직접 면하는 구조를 가진다(Fig. 1(b)Fig. 3 참조).
Fig. 1
Comparison between a flat-type & a tower-type
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Fig. 2
Plan comparison between flat-type apartment unit with balcony & balcony-extended apartment unit(158 m2 type)
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Fig. 3
A 3D a-a’ section of a flat-type apartment unit with balconies in front side & spandrels at the back
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다만 발코니 확장 아파트는「건축법시행령」제16조에 의거하여 발코니의 일부공간을 방화구획한 후 방화문을 부착한대피공간을 배치하여야 하므로, 세대 전면이나 후면에 위치한 발코니의 일정 면적 이상을 벽체로 구획하여 거주자가 일시적으로 대피할 수 있는 대피공간을 배치하는 구조를 가진다(Fig. 2(b)Fig. 4).
Fig. 4
A 3D a-a’ section of a flat-type apartment unit with no balconies in front facade & spandrels at the back
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2.2.2 발코니 확장 아파트의 플륨·연기의 전개양상 비교분석

아파트 전면부의 돌출된 발코니 슬래브와 후면부의 벽체 하단부 스팬드럴 벽체는, 화재 시 하부 세대의 창문을 통하여 분출되는 화염과 플륨이 상층세대로 확산되는 상층연소현상을 방지 또는 지연시키는 기능을 발휘하는 것으로 알려져 있다.
이 사실을 시뮬레이션하기 위해 저자가 한국생활환경학회지 제 13권 제4호에 발표한 “아파트 화재 시 발코니 유무에따른 연소성 평가”논문의 현장실험결과(pp. 329~330)를 토대로 발코니 확장아파트의 플륨 연기의 전개양상을 다음과 같이 정리하였다.
1) 발코니 비확장 아파트의 플륨·연기의 전개양상 분석
발코니 비확장 아파트의 전면 파사드는 발코니 슬래브가 전면부에 돌출되어 있는 상태에서 내부공간과 스팬드럴 없이 대형유리창문으로 경계면을 이루고 있고, 세대 후면부 벽체는 가로방향의 스팬드럴 벽체가 슬래브 상단에 위치하고 그 상부에 소형유리창문이 부착된 구조를 가진다. 이런 구조의 발코니 비확장 세대의 구획공간에서 화재가 발생하면, 돌출된 길이(Dw)의 발코니 슬래브로 인하여 하부 세대의 유리창을 통해 분출된 플륨과 연기로부터 방출되는 복사열이, 상층 세대의 대형유리창문에 도달하기 어려운 메커니즘을 가진다(Fig. 5).
Fig. 5
Ejected plume & smoke upward flow out a window breakage opening on apartment units with extruded balconies
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결과적으로 발코니 비확장 아파트 화재 시 하부에서 상승하는 플륨이나 연기에 의해 상층 세대의 유리면 파열에 의한 상층연소현상이 돌출된 발코니 슬래브로 인해 일어나지 않거나, 또는 상당한 시간 동안 지연되어 일어나는 것으로 도출되었다. 또한 후면부 벽체를 구성하는 소형유리창문을 통한 상층연소현상도 상부층 세대의 후면부에 위치한 스팬드럴 수직벽체에 의해 저지되는 것으로 도출되었다.
2) 발코니 확장 아파트의 플륨·연기의 전개양상 분석
발코니 확장 아파트와 같이 상자형 형태를 가진 구획공간은화재가 발생할 경우 3단계의 프로세스에 의해 구획내부에서 화염이 확산된다. 화염이 지속될 경우 화염상부에 필연적으로 형성되는 플륨과 연기가 아파트 전면 파사드를 구성하고 있는 유리창문을 통해 세대 외부로 분출되면서, 궁극적으로는 상층연소현상을 일으키는 전개양상으로 정리할 수 있다.
주방 또는 거실과 같은 아파트 구획공간에서 어떤 원인에 의해 화재가 발생하면, 화염이 연소를 수 분 동안 지속하여 일정 크기의 화원을 갖추는데 필요한 산소가 구획 공간 내부에 충분히 있는 상태이므로, 공간내의 화염의 기저에서 생성된 연기가 화염상부에서 형성되는 상승기류인 플륨을 타고 천장 하부에 도달하고, 더 이상 상승하지 못하는 연기는 천장하부 면을 따라 사방으로 급격히 확산하면서 천장 열류(ceiling jet)를 생성한다. 이 현상이 지속되면 일정한 두께를 가진 연기층을 천장하부에 형성하고, 연기층의 두께를 급격히 증가시키면서 연기가 개방된 개구부로 빠져나가는 것이 일반적이다. 만약 구획공간의 전면에 있는 파사드 개구부가 유리창문으로 막혀 있을 경우, 연기는 유리창에 막혀 외기로 빠져나가지 못하면서 구획공간 내부의 연기층 두께를 급격히 증가시킨다.
또한 연료지배형 확산단계의 화염은 화염상부에 플륨을 생성하지만 플륨 인근의 공기는 플륨의 하부로 연행(entrained)되어 플륨 자체의 온도를 떨어뜨리는 작용을 하면서 상대적으로 연기량을 증가시키는 역할을 한다. 이때 외기와 면하는 창문이 유리창으로 막혀있지 않고 개방되어 있다면 연기는 압력 차이에 의해 개방된 공간으로 즉시 빠져나가지만(Fig. 6), 외기와 면하는 벽체에 유리창문이 설치되어 있을 경우 연기의 흐름은 유리창에 가로막혀 빠져나가지 못하고 연기층의 두께를 증가시키면서 천장 아래로 계속 하강한다. 또한 연기층의 두께가 두꺼워질수록 플륨의 수직 길이는 점차적으로 줄어 들기 때문에 상대적으로 플륨의 수직 길이가 짧아져 플륨하부로 연행되는 공기량도 줄어든다. 결국 전후면의 유리창으로 인해 연기층의 두께는 두꺼워지면서 뜨거운 공기층이 구획공간 내부에 폭 넓게 형성되므로 화염확산속도가 커져 화원의 면적은 크게 증가된다(Fig. 7).
Fig. 6
Smoke flow from a fuel bed controlled fire through the open window on an apartment unit without balcony
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Fig. 7
Smoke layer’s depth from a fuel bed controlled fire in the compartment blocked by glass windows in an apartment unit with disappeared balconies
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다만 구획공간의 전면 파사드에는 국토부에서 규정한 건축물의 에너지 절약 설계기준에 적합하게 단열성능을 확보한 창호를 발코니 가장자리에 설치하고, 유리창문에는 두께 5 mm의 유리 2매와 두께가 6 mm인 중공층으로 이루어진 복층유리가 끼워진 상태인데, 이 유리면은 외기의 온도보다 30°C(100K)정도 높은 연기층에 노출되어도 파열이 일어난다.
일단 유리 파열이 일어나면 초기에는 파열된 유리조각이 이탈되지 않고 고정프레임에 붙어 있지만, 점차 뜨거운 연기가 파열된 유리조각 사이에 형성된 틈을 통해 통과하면서 온도차이가 심해져, 유리조각이 고정 프레임에서 이탈되어 지상으로 떨어지는 상황이 발생한다.
이때 연기층의 온도가 600°C에 도달하면 구획 전체에 확산된 천장하부의 축적된 가스층에서 하부로 발산되는 복사열로 인해 구획내부에 산재된 다른 가연성 물질의 연소를 일시에 촉진시킨다. 이 현상을 플래쉬오버 단계(flashover stage)라하며 이 현상으로 인해 유리창문의 유리가 일시에 파열되는 상황이 초래된다(Fig. 8).
Fig. 8
Onset of flashover in a compartment blocked by a large glass window in front in an apartment unit with disappeared balconies
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유리의 파열로 인해 외기와 면하는 개방구가 형성되면 구획내부에 상존하는 충분한 가연물이 한꺼번에 연소되면서 화원면적이 커지고 연기층의 온도가 930°C까지 상승한다. 이때의 화재확산속도는 가연물의 소진율, 방출열량, 구획공간을 이탈하는 질량요소, 개방구의 형상 등에 따라 인입되는 공기량에 의해 좌우된다.
개방구의 상부를 통해 화염과 플륨이 외기로 분출되면서 상승하지만 개방구의 하부로는 외부 공기가 빠르게 인입되면서 화원면적을 크게 증가시키는 역할을 한다.
결과적으로 발코니확장 아파트에서는 전면 파사드의 개방구가 형성되면 연기와 뜨거운 가스층은 파열된 틈을 통해 외기로 급속히 분출되며, 분출된 연기는 아파트 전면부 파사드를 이루는 대형유리창문의 유리면을 따라 빠르게 상승하면서 돌출된 발코니 슬래브가 없는 상부 세대 유리창의 유리면 가열을 심화시켜 파열을 일으키고, 파열된 유리면으로 뜨거운 열기를 가진 연기를 침투시켜 상층 세대의 구획공간에 배치된 가연물을 착화시키는 상층연소 현상을 일으킨다(Fig. 9).
Fig. 9
Ejected flame & plume upward flow out a window breakage opening in a balcony extended apartment fire
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최근에 발생하고 있는 계단실형 발코니확장 아파트화재 사례를 세밀하게 분석하면, 아파트 전면 파사드를 이루는 전면의 대형유리면에 화재세대에서 분출되는 플륨과 연기가 주로 상승하는 경우가 대부분으로, 후면부의 벽체를 이루는 소형유리창문의 유리면 파열을 통한 플륨과 연기의 분출확산은 거의 일어나지 않는 것으로 조사되었다(Fig. 10).
Fig. 10
Picture showing the smoke & plume’s flow out of a extended balcony opening in real fire case of ○○ apartment
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결론적으로 발코니확장 아파트 세대의 화재 시 화재 세대상층에 위치한 세대의 전면 대형유리창을 통한 상층연소 확산현상에 의한 화재 전이 확률이 매우 높은 것으로 확인되었다. 반면에 후면부에 위치한 소형유리창문을 통한 상층연소확산현상은 세대 후면부 벽체 하부에 설치된 일자형 띠 형태의 스팬드럴 벽체에 의해 저지되는 것으로 도출되었다.

2.2.3 소결

발코니확장 아파트의 구획공간에서 화재가 발생하면 화재세대 전면에 설치된 대형유리창문의 파열된 유리 개방구를 통해 플륨과 연기가 분출되면서, 상층 세대의 전면 유리면과 플륨에 의해 상승하는 연기를 동반하는 열기류가 상층 세대의 전면부를 휘감아 올라가기 때문에 상층 세대의 전면 유리가 파열될 가능성이 커지므로 상층세대의 거실이나 침실공간으로의 상층연소현상이 발생될 가능성이 매우 높다.
따라서 발코니 확장에 따른 전면부 파사드에 대피공간 설치시 아래층 세대 화재 시 대피공간으로의 기능은 상당히 제약을 받을 수밖에 없다. 특히 뜨거운 열기류를 수반한 플륨과 연기가 상부층 세대가 배치된 수직라인 전면부 창호를 뒤덮는 상황이 초래될 가능성이 높기 때문에 대피공간으로 대피한 피난자가 외부 구조를 요청하여도 플륨과 연기가 전면부 파사드를 뒤덮는 상황이 초래되므로 외부로부터의 구조는 사실상 불가능한 것으로 도출되었다.

3. 발코니 확장 계단실 아파트의 거주자 대피가능성 분석

3.1 확장 발코니의 전면유리 통한 상층연소와 계단실 연기오염상황을 고려한 대피가능성 분석

발코니 확장 계단실형 아파트는 화재 시 유일한 피난통로인 수직계단실에 연기가 확산되어 화재층 상부층의 거주자가 피난하는데 어려움을 겪거나 심지어는 피난이 불가능한 상황이 초래되는 경우가 대부분이다. 화재 세대의 거주자가 현관문을 열고 대피하거나, 화재 세대의 플래쉬오버로 인하여 뜨거운 연기가 세대 현관에 설치된 방화문의 틈새를 통해 계단실로 연기가 누출될 가능성이 높다(Fig. 11).
Fig. 11
Spread direction of smoke leak out of both the entrance door’s gap & large window breakage opening
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화재 세대의 현관문이 개방되거나 문의 틈새를 통해 뜨거운 연기가 누출되면 일차적으로 인접세대와 공유하는 현관로비를 오염시키고, 시간이 경과하면서 계단실로의 연기침투가 연이어 일어나면 연기의 부력과 계단실이 가진 연돌효과로 인하여 계단실 상부로 급격히 상승한다. 계단실로 침투한 연기는 옥상층 천장에 도달 후 배연구가 없을 경우 천장하부에서 연기층을 형성하여 하부로 하강한다. 이로 인해 상부층 계단실 전체를 빠르게 오염시켜 화재세대와 계단실을 공유하는 상층 세대의 거주자의 대피가능성을 크게 떨어뜨리는 상황을 초래하는 경우가 아주 빈번하게 발생하는 것으로 조사되었다.
계단실 연기 오염과 전면 발코니 유리창을 뒤덮는 플륨과 연기확산이 병행하여 일어날 가능성이 있는 세대는 주로 계단실을 공유하는 계단실형 판상형 아파트와 타워형 아파트에 집중되어 있다. 이런 구조를 가진 공동주택의 화재시나리오를 기반으로 화재세대와 동일 수직라인에 위치하여 계단을 공유하는 상층 세대 거주자를 대상으로 한 피난가능성을 폴트트리 어낼러시스(fault tree analysis) 기법을 활용하여 정량적으로 산출하였다.
아파트의 세대 화재 시 주방화재가 다른 구획실 화재보다 빈번하게 발생하므로 다른 구획실 대비 발생률을 6:4 정도로 우세하게 설정하고, 화재발생 시 피난경로를 구성하고 있는 구역별, 즉 화재세대의 현관로비, 현관로비와 공유하는 계단실, 계단실과 연결된 상층세대 현관문, 상층세대의 전면 발코니로 구분하여, 해당구역별로 플륨 및 연기 오염이 일어날 확률을 가정하였다. 플륨 및 연기 오염이 일어날 것으로 확실하게 예측될 경우의 발생률을 90%로, 오염이 확실하게 일어날것으로 보는 경우의 발생률은 99%로 설정하였다. 피난경로의 구역별 연기오염 가능성을 기반으로 플륨·연기확산 시나리오를 설정한 후, 시나리오가 전개되는 피난경로의 연기오염 발생확률을 곱하여 오염발생 가능성을 정량적으로 산출하였다(Fig. 12). 시나리오별 오염 발생확률이 높을수록 대피가능성은 반비례하여 저하된다.
Fig. 12
Scenarios’probability based on evacuation evaluations in case of either a kitchen fire or other room fires
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Fig. 13
Breakable partition board b/w neighbour –hood units
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Fig. 14
Emergency stay shelter faced with open air in the corner of a balcony
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Fig. 15
Downward trap with rope ladder through lower unit
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3.2 발코니확장 계단실 아파트의 정량적 대피가능성 도출

3.1에서 산출된 시나리오 발생률을 종합적으로 분석하면 총 14개의 화재확산시나리오 중 아파트 후면 또는 중앙부에 위치한 계단실의 연기오염과 전면 발코니의 플륨·연기 확산이중복되어 일어나는 상황으로 인한 대피불가능 시나리오는 총4개로서 발생률을 합산한 결과 80.18%를 나타내고, 후면 계단실의 연기오염이 일어난 반면 전면 유리창을 통한 플륨·연기의 확산이 일어나지 않아 전면 발코니로의 대피가 가능한시나리오는 4개로 발생률의 합산결과 0.82%에 지나지 않아거의 발생하지 않을 것으로 밝혀졌다. 반대로 전면 유리창을통한 플륨·연기의 확산은 일어났으나 후면 계단실의 연기오염이 일어나지 않아 계단실을 통해 대피 가능한 시나리오를모아 합산한 결과 총 6개로 발생률 합계가 19.0%로 산출되었다. 결과적으로 아래층의 세대에서 화재발생 시 화재 세대와계단실을 공유하는 상부 수직라인에 위치한 상부층 세대는 약 20%만이 대피가 가능하고 나머지 80%는 대피가 불가능한 것으로 도출되었다(Table 1).
Table 1
Probability of each collection of evacuation scenarios based on plume & smoke propagation through the openings
desc. evacuation evaluation probability(%)
value sub-total total
scenarios of impossible evacuations through stair & balcony S1 smoke contamination of stairwell & balcony/upper floor occupants being unable to evacuate 47.63 48.11 80.18
S3 0.48
S8 31.75 32.07
S10 0.32
scenarios of possible evacuations through balcony only S2 smoke contamination of stair well, but clear balcony /upper floor occupants being able to evacuate in the balcony 0.48 0.49 0.82
S4 0.01
S9 0.32 0.33
S11 0.01
scenarios of possible evacuations through stair & balcony S5 smoke clear of both stair well & balcony/upper floor occupants being able to evacuate through the stair 5.35 11.40 19.00
S6 0.05
S7 6.00
S12 3.57 7.60
S13 0.03
S14 4.00

4. 법규상 강제하는 피난설비 설치 아파트의 피난성능 비교 분석

4.1 피난설비 구비법령 적용기간별 아파트 통계 분석

국내 아파트 설계 시 구비하여야 할 피난시설은 현관 로비, 복도, 수직계단을 들 수 있으며, 발코니도 방재적 측면에서는 피난시설의 일종으로 간주한다. 이외에 현재 아파트에서 구비하여야 할 피난설비는 세대간 발코니 경계벽 피난구, 발코니대피공간, 발코니 슬래브 하향식 피난사다리 등으로「주택건설촉진법」과「건축법시행령」의 개정에 의해 추가되었다.
「주택건설촉진법」제16조가 개정된 1992년 10월 이전의 사용승인 아파트에는 피난설비가 전혀 구비되지 않았지만, 개정 이후부터 「건축법시행령」제16조에 의거 발코니 확장이 합법화된 2005년 11월까지는 세대간 발코니 경계벽 피난구가 설치되어 건립되었으며, 그 이후부터는 발코니 거실확장이 합법화됨에 따라 피난취약성을 보완하기 위해 외부와 면하는 발코니 대피공간(emergency stay shelter faced with open air)을 구비하여야만 사용승인을 받을 수 있었다. 추가로 대피공간을 설치할 수 없는 아파트에서는 대피공간 대신 발코니 슬래브 하향식 피난사다리설비를 2010년 2월 개정된「건축법시행령」제46조제5항에 의거하여 대체되고 있다.
그러므로 1992년 10월 이전에 사용 승인된 아파트는 피난설비가 전무한 상태로 건립되었고,「주택건설촉진법」이 개정된 1992년 10월부터 2005년 1월까지의 사용 승인된 아파트는 세대간 발코니 경계벽 피난구와 같이 인접세대로만 대피 가능한 피난설비를 구비하였으며, 2005년 2월 2일 이후에 사용승인된 아파트에서 비로소 피난성능이 비교적 뛰어난 발코니 대피공간이 설치되었다.
상기와 같이 피난설비를 의무적으로 구비하도록 규정하고 있는 법령의 제정 시점을 기준으로 건립된 아파트는 시기별로 다른 피난설비를 구비하고 있는 실정이다. 이로 인해 아파트별로 구비된 피난설비가 달라 피난성능 또한 차이가 발생하고 있다. 다시 말하면 대피공간을 구비한 아파트가 세대간 발코니 경계벽 피난구를 가진 아파트보다 피난성능이 우수하며, 세대간 발코니 경계벽 피난구조차도 구비하지 않은 아파트도 상당히 많은 것으로 조사되었다.
특히 피난설비를 구비하도록 제정한 시점인 1992년 10월 이전에 사용승인된 아파트가 국내에서 제일 많은 것으로 알려진 지자체인 강남구를 대상으로 조사하였다. 조사결과 강남구는 국내에서 제일 먼저 대규모 아파트단지가 조성된 지역으로 고층 아파트가 일찍이 건립되어 1970년대 이후 1992년10월 이전까지 지어진 아파트가 많은 지역으로 알려져 있다.수십 년에 걸쳐서 아파트 단지가 건립되었기에 건립 연도별로 각기 다른 법령이 제정되어 법령별 기준에 적합한 피난설비를 구비하고 있는 것으로 조사된 바, 구비된 피난설비 별로 아파트 세대를 집계한 결과 Table 2와 같이 분석되었다.
Table 2
Status of apartment houses by each type of evacuation equipment in Gangnam-Gu, Seoul (2014. 12. 31, Disaster and Safety Division of Gangnam-GU Office)
Desc.\Year Before 1992.10 From 1992.10 to 2005.01 From 2005.02 to 2014.12 Remarks
Type of evacuati-on equipme-nt None Breakable partition door or board b/w next units in balcony Emergency shelter faced with open air in balcony Trap ladder not yet installed in balcony
Apt. houses 67,847 (56.5) 33,412 (27.8) 18,846 (15.7) 120,105 (100.0)
Adapted code - Korean residential code Korean building code Gangnam-gu, Seoul
2014년 12월 31일 현재 강남구의 아파트 세대수는 총 120,105 세대로, 피난설비 의무화 법령이 제정된 1992년 2월 이전에 사용승인 받은 세대는 67,847세대로 조사되어 전체의 56.5%를 차지하고 있는 것으로 분석되었다. 따라서 강남구에서 56.5%를 넘는 세대는 피난설비가 전무한 상태에서 발코니의 거실확장이 이루어졌으며, 1992년 10월부터 2005년 1월까지 허가된 133,412 세대에서도 피난성능이 상대적으로 떨어지는 세대간 발코니 경계벽 피난구가 구비된 상태로 발코니 거실확장이 이루어진 것으로 분석되었다.
즉 2005년 2월 이후에 건립되어 피난성능이 비교적 우수한외기와 면하는 발코니 대피공간이 구비된 상태에서 발코니거실확장이 이루어진 18,846 세대(15.7%)를 제외한 잔여세대101,259 세대(84.3%)는 피난에 매우 취약한 것으로 도출되었다. 강남구의 통계분석을 통하여 도출된 결과를 기준으로 볼 때 2005년 2월 이전에 건립된 아파트가 많이 들어서 있는 지자체일 경우, 다소의 차이는 있을지 모르지만 피난에 매우 취약한 아파트를 상당수 보유하고 있을 것으로 판단된다.

4.2 법령에서 강제하는 피난설비별 효용성 분석

4.2.1 세대간 경계벽 피난구 또는 경량칸막이 설비

세대간 경계벽 피난구 및 구조 경량칸막이 설비는 「주택건설기준 등에 관한 규정」제14조 제6항에 따라 1992년 10월에 국내에 최초로 도입·시행되었으며, 세대내 화재 발생 시 현관문을 통한 탈출이 불가능한 경우 인접세대로 대피하는 데 사용하는 비상탈출용 대피설비이다.
이 설비는 발코니를 공유하는 인접세대와의 경계벽에 개방가능한 피난구를 설치하거나, 경계벽의 일부 또는 전부를 파괴하기 쉬운 경량구조로 설치하여 주로 세대 내 화재 발생 시현관문을 통한 탈출이 불가능한 경우 이웃 세대로 대피한다는 시나리오에 적합하도록 계획되었다. 따라서 계단실을 공유하는 수직라인에 위치한 상층세대가 하층의 세대 화재로 인해 현관로비와 연결된 피난계단실이 오염되어 대피가 불가능한 시나리오에는 전혀 효용성이 없는 단점을 가지고 있다.
이 피난설비는 발코니 경계벽 전면공간을 창고로 개조하여 물건을 적재할 수 있도록 허용하고 있어, 자력에 의한 파쇄가 불가능한 구조로 변경할 경우 이를 통한 인접 세대로의 대피가 사실상 불가능한 것으로 조사되었다.
이 설비는 「건축법 시행령」제46조 제4항 및 5항에 의해 의무적으로 구비해야 하는 외기와 면하는 대피공간을 대체 가능한 대체설비의 하나로서 인정하고 있지만, 효용성은 대피공간과 비교할 수 없을 정도로 대피안전성능이 떨어진다.

4.2.2 외기와 면하는 발코니 대피공간

외기와 면하는 대피공간은 2005년 2월에 전면 개정된 「건축법 시행령」제46조 제4항에 따라 공동주택 중 아파트로서4층 이상인 층의 각 세대가 2개 이상의 직통계단을 사용할 수 없는 경우에, 화열과 연기 등으로부터 방호 가능한 구조를 가진 피난시설로서 주로 발코니를 확장할 경우 피난성능을 증진시킬 목적으로 적용되었다.
이 시설은 세대 내 화재발생 시 현관문을 통한 탈출이 불가능한 경우뿐 아니라, 하부층 세대 화재발생에 따라 필연적으로 발생하는 공유 피난계단의 연기오염상황 발생에 따른 계단실 대피가 불가능한 시나리오에도 대응할 수 있도록 고안되었다. 이 피난시설의 큰 장점은 정상적인 대피가 불가능할 경우 일정시간 동안 대피 가능한 시설로 구조대가 도착할 때까지 대기할 수 있을 정도의 대피안전성능을 가지도록 규정하였다.
그러나 2.2.3에서 언급하였듯이 대피공간은 아랫세대 화재로 인하여 상승하는 플륨과 연기에 직접 노출될 수 있는 구조적인 취약점을 가지는 아파트 전면부에 배치되지 않아야 하며, 후면부에 배치되도록 유도하여야 할 필요가 있다.
대피공간의 법적 대피안전성능이 방화구획과 방화문 설치로 한정되어 있어, 피난자가 일정시간(소방대 구조가능시간최대 30분) 동안 대기하면서 외부구조를 기다리기에는 연기차단성능이 부족하여, 연기침투를 방지하기 위한 별도의 성능구비가 추가되어야 할 것이다.

4.2.3 하향식 피난사다리 설비

하향식 피난사다리는「건축법 시행령」제46조 제5항에 따라 2014년 8월에 도입, 시행된 피난시설로서 세대내 화재 발생 시 아랫세대로 대피하는데 사용하는 대피설비이다. 이 설비는 아랫세대와의 층간방화구획 슬래브에 개방 가능한 하향식 피난구(내화성능 1시간의 덮개, 사다리, 경보시스템을 포함)를 설치하여, 세대내 화재 발생 시 현관문을 통한 탈출이 불가능한 경우 아랫세대로 대피하는데 사용하는 비상탈출설비이다.
그러나 이 피난설비는 세대간 경계벽 피난구와 같이 하부층세대의 화재 시 화재 세대를 통과하여 피난층으로 내려가야하므로 대피공간과 비교하여 대피안전성능이 상당히 떨어질 뿐 아니라, 세대간 프라이버시 침해가능성이 높아 설치 효용성이 낮다는 취약점을 가지고 있다.

5. 결론

5.1 대피공간의 배치 개선방안 도출

발코니 비확장 아파트에서는 하부에서 상승하는 플륨과 연기에 상층 세대가 노출되어도 발코니 슬래브 돌출길이로 인해 복사열 도달거리가 멀어 착화가 이루어지지 않거나 지연되는 성능을 확보하고 있는 반면, 발코니 거실확장 아파트는 거실의 외부유리 창문이 하부에서 상승하는 플륨과 연기에 직접 노출되어 복사열 도달거리가 짧아 상층연소가 일어날 가능성이 매우 높은 것으로 도출되었다.
그러나 후면부의 경우 발코니 비확장 아파트와 확장 아파트가 동일한 스팬드럴 벽체를 가지고 있고, 후면부로의 상층연소현상은 일어나기 어려울 것으로 도출되었다. 특히 주방이나 거실의 화재가 환기지배형 화염확산단계로 진행되어 전후면 유리창의 유리면이 전부 파열 되어도 화염은 유입 공기량이 많은 전면부 대형유리면 파열구멍으로 향하는 것으로 확인되었다.
따라서 상층연소의 가능성이 매우 높은 발코니 확장 아파트에서는 전면부 파사드에 대피공간을 배치할 경우 피난자의 안전을 확보할 수 없기에, 대피공간을 전면부 파사드에 배치하는 것은 지양되어야 한다.

5.2 대피공간보다 효용성이 큰 개선방안 제시

5.1에서 확인된 바와 같이 상층연소 현상이 필연적으로 발생하는 발코니 거실확장 아파트는 대피공간의 배치를 전면부 파사드가 아닌 후면부 스팬드럴 벽체를 공유하는 공간에 배치하여야 한다. 그러나 후면부에 배치된 대피공간도 구조상 연기침투에 매우 취약하므로 이를 근본적으로 개선할 수 있는 방안이 강구되어야 피난안전성을 획기적으로 개선하는 것이 가능하다.
대피공간의 역할을 하면서 연기 침투를 완벽하게 막을 수 있는 공간을 후면부에 위치한 작은방을 활용하여 겸용하는 방안은, 대피안전성을 크게 높이면서 저비용으로 피난안전구역을 확보할 수 있는 장점을 가진다.
이 방안은 차폐가 가능한 방연문을 후면부에 위치한 작은방 출입문에 설치하여 평상시에도 사용하면서 비상시에는 대피공간으로 전환하여 사용하는 방안으로, 차열성능과 차연성능을 동시에 확보하도록 보완되어야 한다.
따라서 일정한 실에 구획벽체와 출입문을 연기침투를 방지하면서 일정시간의 내화성능(15분)을 가진 방연문 성능기준에 적합하게 설치하여 작은방을 설계하면 가족 전체 구성원이 대피하여 외부 구조대가 구조하는데 소요되는 시간(약 30분) 동안 안전하게 대기할 수 있을 것이다.
결론적으로 이를 적용하기 위해서는 건축법 시행령에서 규정하고 있는 대피공간을 성능 설계기준으로 변경하여 대피안전구역의 성능이 확보될 경우, 대피공간의 대체방안으로 적용할 수 있도록 건축법 개정이 필요하다.

References

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