1. 서론
현대의 지하철은 도심지역의 필수적인 교통수단으로 자리매김하였다. 지하철을 이용하는 승객은 1978년 서울지하철 1호선이 개통된 이래 지속적으로 증가하여 2015년에는 27억명을 넘어섰으며 추가적으로 지하역사가 증설됨에 따라 지하철 이용자 수는 늘어날 전망이다(Seoul Statistics, 2015). 지하공간의 지하철역사 활용은 포화된 지상 중심지역과 연결하여보다 효율적으로 사용할 수 있는 장점이 있다. 그러나 무창층인 밀폐된 공간은 화재가 발생하였을 경우 지상보다 피해가 크므로 화재시 대피안전을 확보하기 위한 방안이 필요하다. 2003년 대구 지하철 중앙로역 방화사건은 지하공간에서의 화재 위험성과 화재 연기의 제연 필요성을 알리는 경종이 되었고 사고 이후 지하공간의 안전은 개선되었다. 대구 지하철 사고 이후 전동차량의 좌석과 벽 내부의 내장재는 불연재로 전면 교체되었으며 최근에는 지하승강장 역사에 대한 안전기준이 강화되어 지하역사의 경우 복도·통로 중앙부분 바닥에 유도등을 설치하도록 하고 있다(NFSC 303, 2014).
그러나 현재 대피해석은 가시도 저하에 따른 보행속도 저하를 적절히 고려하지 못하고 있으며, 안전성 분석을 통해 추가적으로 제시하는 방재대책의 효과를 명확히 평가하지 못하는 실정이다. 지하공간에서는 유도등의 설치를 법적으로 요구하고 있으나 화재시 유도등의 성능을 평가하지 못한다. 연기에 의한 보행속도 저하를 고려하지 않을 경우에는 대피소요시간이 과소평가 될 수 있으며, 유도등이 설치되었을 때의 효과를 반영하지 않을 경우에는 보수적인 대피시간 평가 도출로 시설이 증대될 가능성이 있다.
인간의 피난에 관한 연구가 시작된 초기에는 인간의 감정 및 행동과 같은 인적요소 보다는 물리적 특성 또는 물리적 공간에 대한 접근 방식이 주를 이루었다(Predtetschenski et al.,1971). 그러나 성능위주 기반의 접근 방식은 근본적으로 인간생명 보호가 목적이기 때문에 인간의 행동을 분석하고 예측하는 연구가 주된 관심사가 되었다(Kostas et al., 2014). Helbing(2000)이 인간의 보행 동적 특성 모델을 제시한 이후 피난 모델에 관한 연구는 지속되어 왔으며 Fridolf(2013)는 터널 내에서의 비상구 선택과 보행선택에 대해서 연구한 바 있다.
이에 본 연구에서는 소멸계수에 따른 보행속도 가시도 저하모델을 적용하고 복도통로유도등의 효과 평가를 위한 시뮬레이션을 수행하였으며, 이를 통해 보다 현실적인 대피 시간을 산출하고자 하였다.
2. 화재안전기준
2.1 유도등 및 유도표지의 화재안전기준
국내 소방시설 설치·유지 및 안전관리에 관한 법률 제9조에서는 유도등과 유도표지 및 피난유도선등을 정하는 규정에 따라 설치하고 유지·관리 하도록 하고 있다. 유도등이란 화재시에 피난을 유도하기 위한 등으로써 정상상태에서는 상용전원에 따라 켜지고 상용전원이 정전되는 경우에는 비상전원으로 자동전환되어 켜지는 등으로 정의된다(NFSC 303). 유도등은 종류에 따라 피난구유도등, 통로유도등, 복도통로유도등, 거실통로유도등, 계단통로유도등, 객석유도등, 피난구유도표지, 통로유도표지, 피난유도선 등으로 구분되며 설치되는 위치에 따라 용어를 달리 한다. 복도통로 유도등은 복도에 설치되는 등으로써 구부러진 모퉁이 및 보행거리 20 m마다 설치되고 바닥으로부터 높이 1 m이하의 위치에 설치하며, 지하역사의 경우에는 복도·통로 중앙부분의 바닥에 설치하도록 하고 있다.
2.2 대피 안전성 분석 기준
지하 승강장은 지상공간과 비교하였을 때 창이 없는 것이 특징으로 일조, 채광, 자연환기 및 조망에 어려움이 있고, 화재시에는 피난, 구조 및 소방활동에 지장을 준다(KIFSE, 2013). 특히 화재시의 연기는 미세한 입자와 함께 유독가스를 포함하고 있어 피난자의 대피를 저해하는 주요 요인으로 작용한다. 이러한 위험성으로 인해 신설되는 연면적 3만 제곱미터 이상의 지하 승강장은 성능위주설계를 하도록 하는 특정소방대상물로 지정하고 있다. 성능위주설계는 건축물 심의단계부터 화재안전성능과 피난 성능을 평가함으로써 건축물의 특성을 반영하여 효율적인 소방시스템을 달성하고자 하는 설계이다. 인명안전기준에서는 화재안전성능을 검증하기 위하여 화재 시 열에 의한 영향, 가시거리에 의한 영향, 독성에 의한 영향으로 나누어 평가하고 있다. 지하역사의 화재 및 대피 안전성을 평가하는 방법은 크게 두 가지로 분류할 수 있다.
하나는 승강장과 외부탈출 시간을 구분하여 각 각 4 분과 6분 이내에 공간내에 재실자가 모두 대피하는지 여부를 확인하는 것으로 Table 1과 같이 국내를 비롯한 미국과 영국에서 사용되고 있다. 다른 하나는 피난에 필요한 최소 시간(RSET: Required Safe Egress Time)이 (ASET: Available Safe Egree Time)이하가 되는지를 검토하는 방법으로, RSET에는 대피하는 사람과 관련된 조건(성별, 연령, 보행속도, 이용객 수 등)이변수로 고려되며 AEST에서는 화재시나리오(화원의 크기, 화재위치, 환기조건, 건축물의 크기 등)가 해석을 위한 조건으로 적용된다. 국내의 경우 ASET은 호흡선 높이인 1.8 m 높이에서 열에 의한 영향, 가시거리에 의한 영향, 독성에 의한 영향으로 구분하여 평가하도록 하고 있다(Department of state, 2012). 성능기준 중 가시거리에 의한 영향의 경우에는 기타시설인 경우 5 m, 집회 및 판매시설인 경우 10 m로 허용가시거리 한계를 두고 유도등을 설치하는 경우에는 집회 및 판매시설은 7 m로 적용가능토록 하고 있다. 이와같은 방법으로 시뮬레이션을 통하여 ASET과 REST을 비교하여 지하역사의안전성을 평가하는 한편 별도로 Table 1에 제시된 시간을 충족하도록 요구하고 있다.
Table 1
Evacuation Time Platform Design Guidelines
| Division | Korea | UK | USA |
|---|---|---|---|
| Standard of platform | MLIT (2013) | SCAG (2011) | NFPA 130 (2014) |
| Platform | 4 min | 4 min | 4 min |
| Outdoor | 6 min | 6 min | 6 min |
| Safety zone | - | Allow | Allow |
3. 시뮬레이션
3.1 시뮬레이션 조건
3.1.1 Simulex
Simulex는 1995년 개발된 대표적인 피난 전용 대피시뮬레이션으로 Edinburgh 대학의 Thompsom (1995)에 의해 개발되었다. CAD(Computer Aided Design) 파일을 직접 삽입하여 사용가능한 편의성으로 국내외에서 안전성 평가에 주로 사용되고 있으며, 본 연구에서는 Artisoc 시뮬레이션과의 비교 검증을 위해 사용하였다.
3.1.2 Artisoc
Artisoc은 일본의 구조계획연구소에서 개발된 프로그램으로써 에이전트의 동적 명령을 프로그래밍 언어로 작성한다. Arisoc은 식 (1)과 같은 Helbing(2001)의 동역학 모델을 사용하여 보행자의 운동을 나타내며, 국내에서는 분산대피를 적용한 대피 시뮬레이션으로 사용된 바 있다(Jang et al., 2012).
여기서, v i o ( t ) e i o ( t ) τ i − 1 v i o ( t ) e i o ( t ) v i o ( t ) τ i − 1 ∑ f i j s o c ( t ) ∑ f i j a t ( t )
3.1.3 공간 모델링 조건
승강장은 열차를 가운데 두고 마주보는 형태의 상대식 승강장과 열차 사이에 존재하는 섬식 승강장으로 구분할 수 있으며 본 연구에서는 중앙에 계단이 있는 섬식 승강장을 대상으로 시뮬레이션 하였다. 섬식 승강장의 경우에는 중앙에 기둥이 존재하는 것이 많으나 복도통로 유도등은 기둥을 중심으로 좌우 위치하고 대피자도 좌우 경로로 대피를 수행하기 때문에 본 시뮬레이션 조건에서는 기둥을 배제하였고, 해석 공간의 크기는 Fig. 1과 같이 섬식 승강장의 절반 크기인 가로 100 m, 세로 10 m로 하였다. 유도등은 지하역사로 가정하여 현행 기준에서 요구하는 20 m 간격으로 중앙에 배치하였다. 또한 해당 공간의 가로 1~50 m 범위에 무작위로 인원 100 명을 배치하여 중앙의 계단으로 대피하는 것을 조건으로 하였다.
3.2 소멸계수에 따른 보행속도 적용
일반적으로 연기에 의한 시각장해는 연기의 농도에 의해 좌우되며, 연기의 농도는 소멸계수(Extinction coefficient)로 표시할 수 있다. 소멸계수와 가시거리의 상관관계는 Lambertbeer의 법칙에 의해 식 (2)로 나타낼 수 있다(SFPE, 2005).
여기서, Cs는 소멸계수, L은 광원과 수광체 간의 거리(m), I0는 연기가 없을 때의 빛의 세기(Lux), I는 연기를 통과한 빛의 세기(Lux)이다.
입사된 빛(I0)은 대기중에 방해요소가 없다면 빛의 강도가 감소하지 않고 투과되어 식 (2)에 따라 소멸계수는 0에 가까워진다. 연기와 같이 빛의 진행을 방해하는 경우에는 소멸계수가 로그함수 형태로 증가한다.
화재시 연기가 확산되면 발생된 연기로 인하여 대피하는 사람이 육안으로 확인할 수 있는 가시거리는 저하되고 이는 보행속도의 감소로 이어진다. 본 연구에서는 가시도 변화에 따른 대피성능을 비교하기 위해 공간 내에 소멸계수가 0.2, 0.3, 0.4, 0.5, 0.6, 0.7, 0.8, 0.9 [/m]로 일정하게 유지 될 때로 나누어 시뮬레이션을 수행하였다.
Table 2는 식 (2)를 이용하여 투과율이 95%, 85%, 75%일 때의 가시거리를 계산하여 나타낸 것이다. 같은 소멸계수라 하더라도 가시거리는 투과율에 따라 크게 달라지는 것을 확인할 수 있다.
Table 2
Visibility according to extinction coefficient
피난시 인간의 보행속도는 가시도에 큰 영향을 받는다. 이와 관련하여 Jin et al.(1985)은 자극성 연기(Irritant smoke)와 비자극성 연기(Non-irritant smoke) 상황에서 인간의 피난보행속도와 관련한 연구를 수행하여 투과율이 75%인 조건에서 소멸계수에 따른 보행속도를 실험하였다.
Fig. 2는 Jin et al.(1985)의 연구에 따른 결과를 그래프로 나 타낸 것으로 자극성 연기와 비자극성 연기에 사람이 노출된 경우에 보행속도가 감소한다. 특히 자극성 연기는 비자극성 연기에 비해 보행속도가 크게 감소하는 것을 알 수 있다.
3.3 유도등에 의한 효과 적용
가시거리는 관측자의 위치에서 보이는 위치까지의 거리를 나타내며 보이는 위치에 존재하는 대상물의 종류에 따라 달라진다. 대상물이 반사형 표지인 경우에 가시거리는 식 (3)과 같이 나타낼 수 있으며, 발광형 유도표지의 경우에는 식 (4)와 같이 나타낼 수 있다(Jin et al., 1985) 지하역사 복도에 설치된 복도통로유도등은 발광형 유도표지이므로 식에 따르면 5~10 범위에 있으며 본 연구에서는 위 범위의 평균값인 7.5로 적용하여 가시거리를 계산하였다.
여기서 Cs는 소멸계수, L은 광원과 수광체 간의 거리(m)이다.
식 (4)를 이용하여 유도등이 존재하는 경우의 가시거리를 계산 하면 Table 3과 같다. 이에 따르면 투과율 75% 조건에서는 Cs가 0.9 [/m]에서 0.2 [/m]까지 순차적으로 변화함에 따라 발광형 유도등의 관측범위는 8.3~37.5 [m]로 변화하는 것으로 나타난다.
Table 3
Visibility of Guide Lights according to Extinction Coefficient
본 시뮬레이션에서는 유도등의 가시거리 범위 내에 있는 대피자들은 20 m 간격으로 설치된 발광형유도등을 중심으로 계산된 가시거리의 보행속도를 가지는 것으로 설정하였으며, 유도등의 가시거리 범위 밖에 있는 대피자들은 앞선 절에서 설명한 Jin et al.(1985)의 소멸계수에 따른 보행속도를 적용하였다.
4. 시뮬레이션 결과
4.1 Simulex와 Artisoc 대피 시간 비교 분석
대피시뮬레이션으로 주로 사용되고 있는 IES사의 Simulex와 본 연구에서 사용한 Artisoc간의 시간에 따른 피난자의 수를 비교하였다.
Fig. 3은 두 시뮬레이션을 비교한 것으로 보행속도를 동일하게 1.1 [m/s]로 설정한 상태에서 인원배치를 무작위로 하여 10회 반복 수행한 결과이다.
본 시뮬레이션 공간 조건에서 Simulex와 Artisoc의 최종대피시간은 104(±1)초로 거의 유사한 피난 패턴을 보인다.
4.2 소멸계수 및 복도통로유도등 적용 결과 분석
유도등이 없는 경우 각 소멸계수에 따른 초기대피시간과 최종대피시간을 나타내면 Fig. 4와 같다. 소멸계수가 증가할수록 초기대피시간과 최종대피시간이 증가하여 소멸계수가 0.2[/m]일 때와 0.9 [/m]일 때의 최종 대피 시간의 차이는 86 초로 1.85배 증가하는 것으로 나타났다.
복도통로유도등이 있는 경우 각 소멸계수에 따른 초기대피시간과 최종대피시간을 나타내면 Fig. 5와 같다.
복도통로유도등 효과가 적용된 경우에는 대피시간의 차이가 소멸계수 0.5 [/m]까지 10 초 이내로 소폭 증가할 뿐이지만 0.9 [/m] 조건에서는 159 초로 0.2 [/m] 대비 56 초 증가한 값을 가지는 것으로 나타났다.
Artisoc 프로그램에 가시거리에 따른 보행속도를 적용하여 최종 대피하는데 까지 걸리는 시간을 산출하여 나타내면 Table 4와 같다.
Table 4
Compare of the Final Evacuation Time
유도등이 존재하는 경우 소멸계수의 값 0.2~0.3 [/m] 구간에서는 유도등의 가시거리 범위가 설치간격 20 m를 넘으므로 최종 대피 시간이 차이는 없는 것으로 나타나고 있으며 소멸계수 값이 0.4 [/m] 이상으로 증가함에 따라 최종대피시간의 격차가 커지는 것을 확인할 수 있다.
본 연구에서의 시뮬레이션 조건 중 소멸계수 0.9 [/m]에서의 대피시간은 유도등이 없는 경우 190 초, 유도등이 있는 경우 159 초로 유도등이 있는 경우의 대피시간이 유도등이 없는 경우보다 19% 빠른 것으로 나타났다.
5. 결론
본 연구에서는 실험연구를 바탕으로 정립된 가시도 저하 모델을 대피피난시뮬레이션에 적용하여 유도등의 유무에 따른 대피시간의 차이를 시뮬레이션으로 모사하였으며 이를 통해 다음과 같은 결과를 얻었다.
1. 본 시뮬레이션 조건에서 소멸계수가 0.9 [/m]일 때 최종 대피시간은 190 초로 가시도가 고려되지 않은 경우보다 약 1.85 배 늦은 피난 시간을 나타내었다.
2. 본 시뮬레이션에서 유도등 효과를 적용한 경우 소멸계수가 0.9 [/m]일 때 최종 대피시간은 159초로 유도등이 없는 경우보다 30 초 가량 빠른 대피가 가능한 것으로 나타났다.
3. 대피를 수행하는데 있어서 가시도의 적용 유무, 유도등 효과의 적용 유무는 피난 시간 차이에 영향을 미치므로 보다 정확한 현실세계 모사를 위해서는 유도등 효과를 적용하는 것이 타당하다.
4. 본 연구는 화재시 연기의 부력현상을 고려하지 않고 전공간을 동일한 소멸계수로 적용한 한계성을 지니므로, 화재해석 데이터와 연계한 해석이 필요할 것으로 보인다.
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