1. 서론
국내 전철은 1971년 서울역에서 청량리역 구간을 최초로 개통하여 현재 총 29개 노선 800개 이상의 역사가 운영되고 있다.
또한 지하철 역사는 공간의 활용성 및 대량 인원의 신속하고 정확한 운송능력 등이 장점으로 국가적인 계획을 통해 지속적으로 운영이 확대되고 있다.
그러나 지하철 역사는 화재 발생시 구조적으로 상층방향으로의 피난경로를 선택하여야 하며 해당 피난경로가 화재시 발생하는 연기 및 위험 물질 등의 부력에 의해 이동하는 경로와 일치하는 경향이 크기 때문에 대량의 사상자가 발생할 가능성이 상존한다.
국내의 경우 2003년 2월 18일에 발생한 대구 도시철도 1호선 중앙로역 화재 이후 지하철의 화재 위험성에 대한 연구가 활발히 수행되었으며 철도안전법 및 철도시설 안전기준에 관한 규칙 등과 같이 제도적으로 보완되어 신축 역사 건설시 해당 안전기준을 적용하여 안전성을 향상시켰다.
그러나 기존 지하철 역사는 지하에 위치하는 구조물 및 건축물로서 지상 건축물과의 협의 및 비용상의 문제점으로 인해 최신의 설계 기준을 적용하여 안전성 향상 방안을 마련하는데에 어려움이 있다.
특히 노약자, 장애인 및 임산부와 같은 피난약자의 경우 장거리의 피난경로가 피난시의 피로도에 영향을 미치게 될 것으로 우려됨에 따라 안전을 확보하기 위한 필요 피난시간을 초과할 가능성이 높다.
따라서 본 연구에서는 피난약자의 안전성을 확보하기 위한 방안으로 기존 구획실을 활용하여 피난대피소를 구축하는 방안에 대해 연구한다.
구축되는 피난대피소는 기존 역사의 구조변경을 최소화하며 적절한 면적과 위치를 선정하며 화재방호설비를 계획하여 효과적인 피난성능 향상을 목표로 한다.
2. 국내외 피난대피소 관련 유사 기준 검토
국내의 경우 지하철에 적용하기 위한 피난대피소는 별도로 규정되어 있지 않으나 일반 건축물의 유사시설에 대한 시설기준이 있다.
국내 기준에 의한 비상시에 대피를 위한 시설 및 공간은 비상대피시설과 피난안전구역으로 구분되어 있다. 비상대피시설은 민방위 상황에서 외부로부터의 위험을 방호하기 위한 대피시설을 의미하고 피난안전구역은 건축법 등에서 표현된 화재상황에서 건축물 내부의 화재위험으로부터 보호 및 격리를 위한 시설을 의미한다.
본 연구의 피난대피소는 지하철역사 내부의 화재 발생시에 대한 해당 역사에서 재실하고 있는 인원을 위한 시설이므로 피난안전구역의 개념과 유사한 것으로 판단된다.
피난안전구역의 경우 국내 기준상으로 고층건축물에 적용되는 내용과 지하연계복합건축물에 적용되는 내용으로 구분될 수 있다.
지하역사에 적용되기 위해서는 고층건축물에 적용되는 피난안전구역보다는 지하연계 복합건축물에 적용되는 피난안전구역의 설비기준을 적용하는 것이 바람직한 것으로 판단된다.
국내 피난안전구역은 필요 면적 및 제⋅배연 설비뿐만 아니라 재실인원이 해당지점으로 대피시 체류 및 비상상황에 대처할 수 있도록 피난설비 및 소화활동설비 등을 구비하도록 규정되어 있다.
반면 미국의 경우 NFPA code로 역사에 대한 안전기준을 별도 규정하고 있으며 국내 피난안전구역과는 다르게 별도의 실을 마련한다는 개념보다는 화재로부터 안전한 지점까지의 피난 시간을 제한(6분 이내) 함으로써 피난 안전성을 확보하도록 규정되어 있다.
NFPA 130(2016)에서 기술된 안전한 지점(point of safety)은 거리적, 구조적, 화재분리, 별도의 설계기준에 의한 비상 환기시스템 또는 공학적 분석에 의해 결정된 화재로부터 영향을 받지 않는 지점으로 정의하고 있다.
그러나 국내 도시철도 정거장 및 환승⋅편의시설 보완 설계 지침(2013)에 의하면 6분 이내에 연기나 유독 가스로부터 안전한 외부출입구를 벗어나도록 명시되어 있어, 기 건설된 기존 다수의 역사가 해당 기준을 만족시킬 수 없는 것으로 나타났으며 기존역사는 이를 보완할 수 있는 방안을 마련해야 하는 것으로 판단된다.
Table 1은 국내외 지하철 역사 피난시간에 대한 기준이다.
Table 1
Available Safety Egress Time (ASET)
3. 피난대피소 운영방안 연구
3.1 피난대피소 필요면적 산정
기존 역사에서 필요한 피난대피소 면적산정은 피난약자로 제한하며, 국내 장애인 실태조사 결과(2014)를 기준으로 총 인원의 5%에 해당하는 인원이 해당 지점으로 대피하는 것으로 가정하였다.
본 연구에서는 수도권 지하철역사 총 98개에 대한 피난시간 분석 결과(2014)를 기준으로 피난대피소 필요여부 판단과 필요면적을 산정하며, 역사별 필요 면적 산정을 위한 인원수는 2031년도의 첨두시 수송수요 분석결과를 기준으로 양방향을 비교하여 많은 인원수를 적용하였다.
역사 인원수는 승하차, 환승, 재차, 승강장 및 대합실의 대기인원이 고려되었으며 피난 시간은 건설교통부(2013)에서 제시된 기준에 의해 계산되었다. Tables 2~3은 건설교통부에서 제시된 이동속도 및 대피 수용량이다.
Table 2
Movement Speed According to Evacuation Factor
| Evacuation factor | Movement speed |
|---|---|
| Horizontal (platform, waiting room, passage) | 60 m/min |
| Vertical (stairway, escalator-stopped) | 15 m/min |
| Vertical (escalator-operation) | 36 m/min |
Table 3
Specific Flow According to Evacuation Factor
위와 같이 고려된 인원 및 산정 기준으로 선행 연구된 수도권 지하철역사 피난시간 분석 결과는 Figs. 1~3과 같다. Fig. 1은 적용된 2031년 첨두시간의 역사 인원수이며 Figs. 2~3은 승강장 및 외부로의 피난완료시간이다.
첨두시간대 역사 인원수는 538 ~ 3,260명으로 역사별로 편차가 큰 것으로 나타났다. 지선의 경우 상대적으로 인원수가 적었으며 환승역사의 경우가 인원수가 많은 추세를 보였다.
피난안전구역에 대한 면적 산정시 피난인원당 필요면적은 국내의 경우 0.28 m2로 규정되어 있으며 NFPA 101(2015)에서는 수평 피난시 안전구역 면적산정 및 피난용 승강기 승강장 면적 산정 등에 인원당 면적을 동일한 0.28 m2로 규정하고 있다.
따라서 본 연구에서도 동일한 면적기준을 적용하여 다음 Eq. (1)의 방법으로 98개 역사 중 외부까지의 피난시간이 6분 이상인 역사에 대해 필요면적을 산정하였다.
Aevac: required area of evacuation shelter(m2)
Pevac: total number of persons(person)
Apersons: required area of per person(m2/person)
검토된 지하역사 중 외부로의 피난시간이 6분 이상인 역사는 총 26개소로 나타났으며 Eq. (1)을 기준으로 해당 역사에 대한 피난대피소 필요면적을 산정한 결과 역사별 21.36~43.62 m2가 필요한 것으로 분석되었다.
Fig. 4는 외부 피난시간이 6분을 초과하는 역사의 필요한 피난대피소 면적이다.
해당 필요면적은 평상시 기존시설로 사용하므로 이를 감안하여 실제 적용시에는 기존시설 용도의 장애물 및 추가적인 피난대피소 필요설비등의 면적이 제외된 순수한 바닥면적(net area)으로 계획하여야 한다.
3.2 피난대피소 필요 설비
피난대피소는 연기로부터의 안전성 확보를 위해 방화구획 및 제연설비를 통한 차압 유지를 계획해야한다. 또한 패닉방지 및 비상시 위험에 대응하기 위한 다양한 설비들이 필요하다.
피난대피소는 지하연계복합건축물에 적용되는 피난안전구역과 유사한 위치에 설치되므로 초고층 및 지하연계 복합건축물 재난관리에 관한 특별법 시행령에 의한 해당 시설에 설치되는 설비 중 Table 4와 같은 기존의 역사에 설치 가능한 설비를 적용해야 한다.
Table 4
Applications for Evacuation Shelter
피난대피소는 Table 4의 내부 설비 기준 뿐만 아니라 화재에 충분히 방호될 수 있도록 구조 및 시설에 관한 기준이 별도로 필요하며 이 중 제연 계획에 대해 연구를 수행하였다.
3.2.1 피난대피소 제연 계획
국내 화재안전기준에 의한 제연방식은 특정구간의 연기를 배출하는 방식(NFSC 501(2016), 거실제연)과 특정구간을 가압하여 해당지점으로 연기가 출입하지 못하게 하는 방식(NFSC 501A(2016), 부속실제연)으로 구분될 수 있다.
피난대피소는 용도상으로 거실에 속하지만 기능상으로는 차압 유지를 통한 대피소 내부로의 연기유입방지를 구현해야 하기 때문에 NFSC 501A의 급기가압 방식을 적용하는 것이 타당하다.
해당 기준에 의하면 방호구역과 연결되는 연결되는 거실이 스프링클러에 의해 방호되는 구역일 경우 12.5 Pa 이상을 유지하여야 하며 출입구가 개방되었을 때 0.7 m/s 이상의 방연풍속을 유지해야 한다.
미국은 NFPA 92(2015)에 제연에 대한 기준이 명시되어 있으며 차압기준은 스프링클러 방호구역의 경우 국내와 동일하게 12.5 Pa 이상을 유지하여야 하며 스프링클러 미설치시는 천장 높이에 따라 별도의 차압기준을 적용한다.
Table 5는 차압기준에 대한 국내와 미국의 비교표이다.
Table 5
Applications for Evacuation Shelter
| Division | Sprinklered | Ceiling height | Design pressure difference |
|---|---|---|---|
| Local (NFSC 501A) | YES | Any | 12.5 Pa |
| NO | Any | 40.0 Pa | |
| NFPA 92 | YES | Any | 12.5 Pa |
| NO | 2.745m | 25.0 Pa | |
| 4.575m | 35.0 Pa | ||
| 6.405m | 45.0 Pa |
Eq. (2)는 NFPA 92에서 화재시 제시된 높이에 따른 발생 차압 계산 방법이다.
ΔPH: pressure difference due to buoyancy of hot gases (Pa)
T0: absolute temperature of surroundings (K)
TF: absolute temperature of hot gases (K)
h: distance above neutral plane (m)
여기에서 T0는 20°C, TF는 927°C로 가정하며 h는 천장까지의 높이를 기준으로 2/3 지점을 적용하여 계산하며 해당 결과에 안전율을 고려하여 7.5 Pa을 추가하여 필요 차압을 산정한다.
Table 5의 국내외 기준을 고려할 때 피난대피소의 차압기준은 12.5 Pa 유지 및 문이 개방되었을 경우 0.7 m/s의 방연풍속을 유지하는 것이 타당하다.
피난대피소에서 필요한 차압의 유지를 위한 급기 풍량은 문과 벽, 바닥 및 천장의 누설틈새를 고려하여야 한다.
미국 SFPE(2016)이 제시한 차압을 유지하기 위한 급기 풍량은 다음의 Eq. (3)에 의해 계산된다.
V: volumetric flow through the path (m3/s)
C: flow coefficient, dimensionless
A: flow area (or leakage area)
ΔP: pressure difference across path (Pa)
ρ: gas density in flow path (kg/m3)
C는 형태에 의한 보정계수로 문이 닫힌 상태에서는 일반적으로 0.65를 적용하며 문이 열린 상태에서는 0.35를 적용한다. ρ는 공기 20°C의 밀도로 가정하여 1.2 kg/m3로 적용한다.
누설틈새는 문의 경우 국내 방화문 기준을 적용하여야 하므로 KS F 3109 문세트 시험기준인 차압 25 Pa일 경우 공기 누설량이 0.9 m3/min·m2 에 해당하는 누설틈새로 적용해야 하며, 벽은 방화구획인 점을 고려하여 문 및 창문의 틈새가 고려되지 않은 순수 벽에 대한 누설틈새를 산정해야 한다.
Table 6은 피난대피소의 누설틈새에 대한 제안 적용 기준이다.
Table 6
Leakage Area of Evacuation Shelter
| Division | Area Ratio (m2/m2, unit area) | Calculation method |
|---|---|---|
| Fire doors | 3.575×10-3 | width × height |
| Walls | 1.1×10-4 | perimeter × height |
| Floors | 5.2×10-5 | length × width |
Table 6의 방화문은 Eq. (3)에 의해 계산된 누설틈새이며, 벽 및 바닥은 NFPA 92(2015)에서 제시된 누설틈새 기준이다.
Table 6의 누설틈새를 적용하여 Eq. (3)에 의해 계산된 급기 풍량은 급기구를 통해 토출되는 풍량 기준이며 설계시 가압팬 등을 선정할 때는 배관의 마찰 및 덕트의 누설 등과 같은 변수가 고려되어야 한다.
또한 출입문 폐쇄여부에 따라 차압이나 방연풍속을 유지하기 위한 필요 풍량이 상이하므로 출입문에 출입문 개폐 감시장치 등을 설치하여 풍량과 연동될 수 있도록 조치해야 한다.
3.3 피난대피소 위치 선정
피난대피소는 기존 역사에 설치되는 특성으로 인해 기존 시설을 활용하여 평상시에는 타용도로 사용하며 비상시에 피난대피소 용도로 전환하여 사용할 수 있어야 한다.
또한 피난동선상 피난이 용이하며 해당 지점으로의 피난동선 형성으로 인해 기존 피난 동선이 방해받지 않는 지점으로 선정해야하며 승강장의 가장 먼 부분으로부터 6분 이내의 거리에 선정해야 한다.
본 연구에서의 피난대피소는 임시 피난을 위한 시설로서 구조시의 동선이 고려되어야 하므로 옥외 피난구와 최대한 가까운 위치로 선정해야 한다.
피난대피소는 피난약자를 위한 시설이므로 보행시간을 계산할 때 보행속도 등을 피난약자의 동특성을 기준으로 분석하였다.
지하역사 승강장 각 부분으로부터 개찰구 통과까지의 시간인 Fig. 2는 개찰구에서의 병목현상이 심하게 나타나며 피난약자의 인원수가 전체 인원의 5%인 것으로 가정하므로 해당 인원의 동특성 적용으로 인한 시간차이가 거의 발생하지 않을 것으로 판단되지만, 개찰구 이후 설치되는 피난대피소의 경우에는 해당 지점까지의 도달시간에 영향을 미칠 것으로 예상된다.
Fig. 2를 기준으로 개찰구를 통과하는 시간이 6분 이상인 4개의 역사는 반드시 개찰구 이전에 설치되어야 하며 최대한 화재의 영향이 미치지 않는 위치로 계획하여야 한다.
개찰구 이후 설치되는 피난대피소의 위치는 최악의 조건을 산정하기 위해 피난약자가 개찰구에서 동시에 피난하는 것으로 가정하며 Eqs. (4) ~ (6)에 의해 피난대피소까지의 피난시간을 계산한다.
여기에서 피난약자의 보행속도는 Studenski 등(2011)에 의해 1986년부터 2000년까지 연구된 65세 이상 34,485명의 평균보행속도(0.92 m/s)로 적용하며 F8는 1.32 pers/sec m, We 는 설계된 각각 문 폭에 0.3 m를 제외하여 적용하였다.
ts : evacuation time to shelter (sec)
tm : time to go to door (sec)
td :time to pass through the door (sec)
D: distance to door (m)
v: speed of week person in evacuation (m/s)
Pw: number of week person in evacuation (pers)
Fs: specific flow (pers/sec · m)
We: effective width (m)
Table 7은 Eqs. (4) ~ (6)에 의해 계산된 피난대피소 설치위치에 대한 분석결과이다.
Table 7
Evacuation Shelter Installation Location Analysis Result
Table 7은 나타난 바와 같이 0.9 m의 출입문이 설치되었을 경우 13개 역사에서 6분 이내에 피난약자가 도달할 수 없는 것으로 분석되었으며, 1.8 m의 출입문 설치시 모든 역사에서 6분 이내에 도달할 수 있는 것으로 나타났다.
그러나 Station 64의 경우 개찰구로 부터 피난대피소 출입구까지의 거리가 5.16 m 이내에 위치하여야 하므로 해당역사는 개찰구 이전에 설치하는 것이 적합한 것으로 판단된다.
분석된 개찰구로부터 피난대피소 출입구까지의 거리는 모든 개찰구로부터의 보행거리이며, 피난대피소의 위치가 모든 개찰구로부터의 보행거리를 만족할 수 없는 경우 피난대피소를 추가로 확보하여야 한다.
Table 7의 분석 결과는 피난시 병목현상과 충돌 및 구조적 특징이 반영된 동선 등이 고려되어 있지 않으므로 피난 시뮬레이션을 통해 피난대피소의 위치를 세부적으로 검토해야 한다.
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