1. 서 론
건축법에 따르면, 건축물의 벽⋅복도⋅계단이나 그 밖의 설비 등의 전부 또는 일부를 공동으로 사용하는 각 세대가 하나의 건축물 안에서 각각 독립된 주거생활을 할 수 있는 주거시설을 공동주택이라 한다(MOLIT, 2024). 공동주택의 가장 대표적인 형태가 아파트이며, 국내 아파트 비율은 전체 주택 시장에서 높은 비중을 차지하고 있다(Lee, 2016). 최근 조사에 따르면, 주택 시장에서 아파트의 비율은 약 51%를 차지하고 있으며, 일부 지역에서는 87% 이상의 비율을 기록하기도 한다(Korean Statistical Information Service, 2021).
소방청의 통계연보(NFA, 2023a)에 따르면, 대표적인 공동주택인 아파트에 최근 5년간 발생한 화재는 총 14,112건이다. 아파트 화재는 연평균 2,886건이 발생하며, 매년 28명의 사망자가 발생하는 것을 알 수 있다. 특히, 2021년 이후 아파트 화재 발생 건수가 증가하여 심각한 사회적 이슈가 되고 있다(2021년 2,666건, 2022년 2,759건, 2023년 2,993건; Table 1 참조).
Table 1
Apartment Fire Statistics
2023년 서울의 한 아파트 3층에서 발생한 화재로 10층에 사는 거주자가 계단을 통해 옥상으로 대피하는 과정에서 연기에 질식하여 사망한 사고를 계기로 소방청에서는 아파트 화재 피난 지침을 강화하였다(National Disaster Safety Portal, 2023). 기존 지침은 화재 발생 시 대피가 우선이었으나, 변경된 지침은 상황에 따라 대피 또는 안전한 장소에서 대기하면서 구조요청을 하도록 하고 있다. 그러나 아파트 세대 내에서 화재 발생 시 상황 판단을 위해서는 화재로 발생하는 연기의 유동과 패턴, 확산 시간에 관한 자료를 거주자에게 제공하여야 하나 현재 공동주택 화재의 수평적 연기유동 관련된 실험 결과와 확산 시나리오에 관한 연구와 자료는 거의 없는 실정이다.
공동주택 화재는 피해가 크므로 많은 연구자가 관심을 두는 분야이다. Kim et al. (2009)은 4층 규모의 실제 공동주택에서 실물 화재 실험을 수행하여 화재 발생 후 연소 확산 경로, 플래시오버(Flashover) 도달시간, 상층으로의 화재 및 연기 전파 메커니즘을 체계적으로 파악하기 위한 연구를 수행하여, 축소 모형이나 시뮬레이션만으로는 설명하기 어려운 실제 화재 확산 경로를 객관적으로 제시하였다. Yoo et al. (2010)은 공동주택의 실제 거주 환경과 유사한 여건에서 실규모 화재 재현 실험을 수행하고 발화원과 화재 진행 특성을 확인하였다. 연구 결과를 바탕으로 화재 성장 속도, 유독가스 농도, 화재감식 역량, 대피 시간 제약 등에 관한 특성을 제시하였다.
Hong et al. (2006)은 고층 계단형 공동주택을 대상으로 화재 발생 시 거주자의 피난경로, 행동 특성과 연기 이동 패턴을 분석하고, 계단실⋅복도 구획화 및 제연팬 설치로 연기 침투 저지, 실제 피난 동선 훈련, 행동 지침 마련, 특히 연기 노출 상황에서의 초기 대응 훈련 강화의 필요성을 실험으로 제시하였다. Lee (2001)의 경우, 고층 공동주택을 대상으로 개구 특성에 따른 열⋅연기 유동에 관한 연구를 수행하여 개구의 개폐유형이 화재의 열 및 연기 유동에 영향을 끼치므로 유형에 따른 별도의 방화대책을 강화할 것을 제시하였다.
발코니 확장과 화재 연기 확산의 연관성에 관련된 연구를 보면, Choi et al. (2024)은 발코니 확장으로 연기 체류 시간이 증가하여, 연기 확산 경로가 넓어져서 피난 통로의 기능이 약화되며, 가시거리 저하로 피난 여건이 나빠지는 등 발코니 확장의 위험성을 실험으로 분석하였다.
기존 연구들은 공동주택의 화재에 대한 위험성을 인식하고, 인적⋅물적 피해를 최소화하기 위한 예방 대책 수립에 필요한 자료를 제공하는 중요한 역할을 하였다. 또한 공동주택을 대상으로 한 실물화재 실험은 연기의 위험성과 유동 흐름을 분석하는데 효과적인 자료를 제시하였다. 그러나, 기존의 공동주택 실물화재 연구는 제한된 단일 장소를 대상으로 하고 계단실의 수직적 측면에서 연기의 유동 흐름을 연구한 한계를 갖고 있다. 특히, 최근 공동주택 화재피난 행동요령(NFA, 2023c)이 “무조건적인 대피”에서 “화재 상황을 살펴서 대피”하는 방법으로 변경되었으므로 화재 시 수평적 연기유동 흐름을 실물화재로 연구하는 것이 필요하나, 관련 연구는 부족한 실정이다. 공동주택 거주자가 대피 불가능 시 화염 및 연기로부터 떨어져 구조요청을 기다리는 것이 안전할 수 있도록 대피 자료와 시나리오를 제공하는 것이 필요하다.
따라서 본 연구에서는 아파트 세대 내 다양한 장소에서 화재가 발생한 시나리오를 가정하여 연기 유동과 패턴, 연기의 확산 시간을 분석하여 실내에서 대피하여 생존율을 높이는 방안을 연구하였다. 다만, 다양한 형태의 구조를 갖는 아파트 세대를 대상으로 실험을 수행하여 생존율을 높이는 방안을 연구하는 것이 필요하나, 현실적인 제약으로 최근 가장 많이 신규로 입주하는 형태의 아파트 한 세대의 구조를 고려하였다. 입주 예정 아파트 34평형 4 bay type 한 세대의 내부를 대상으로 주방, 거실, 안방에서 발생한 화재를 가정한 시나리오를 대상으로 화재 모의실험을 수행하고 시나리오에 따른 연기 감지와 성인 남성의 평균 호흡 위치에 설치된 감지기의 반응시간을 분석하였다. 또한, 실제 아파트에 상황을 재현하는 것이 어려우므로 연소 과정 없이 연기 발생기를 사용하여 감지기의 반응시간을 분석하였다.
2. 이론적 배경
2.1 아파트 화재 특성
Table 1에 2019년부터 2023년까지의 아파트 화재 발생현황을 분석하여 나타내었다(NFA, 2023a). 분석결과, 5년 동안 화재로 사망한 사람의 수는 174명이다. 화재 발생 원인으로 가장 높은 것은 부주의(49.5%)이며, 부주의로 발생한 화재 중에서도 음식물 조리 중에 발생한 화재가 3,188건(45.7%)으로 가장 많았고, 담배꽁초 1,390건(19.9%), 불씨 방치 704건(10.1%) 순으로 화재가 발생하였다. 화재장소는 주방, 침실, 거실 순으로 많이 발생하였다.
사망자 발생 유형을 보면, 대피 중에 발생한 사망자가 42명(24.1%)으로 가장 높으며, 원인은 연기흡입에 의한 사망이 전체 사망자의 71.2%(124명)로 가장 높게 나타났다. 특히, 아파트 화재 10건 중 9건은 발화지점만 연소가 된 화재로 14,112건의 아파트 화재 중 12,718건(90.1%)은 화재가 발생한 특정 장소(방, 거실 등)만 화재로 피해가 발생한 것을 알 수 있다. 발화지점만 연소된 화재에서 발생한 인명피해는 890명이며(전체의 50%)이다. 주목한 점은 발화지점에 한정된 비교적 작은 규모의 화재로 다른 층에서 대피하다 발생한 인명피해가 143명(15.8%)이며, 피해자의 약 90%는 연기흡입으로 피해를 받은 것이다(NFA, 2023a). 공동주택 화재의 연기 유동 특성으로 화재 규모는 작으나 연기흡입에 의한 인명피해가 많이 발생한 것이다(Park, 2019).
공동주택 화재로 발생한 인명피해를 줄이기 위해 소방대의 빠른 현장 도착 외에도 화재가 발생한 세대 거주자의 적절한 초기 대응이 중요하다(Park, 2020). 연기의 유동속도는 수평방향으로 0.5~1 m/s, 수직방향으로 2~3 m/s, 계단실 같은 수직적 공간에서는 3~5 m/s로 알려져 있다. 아파트와 같이 폐쇄적인 공간에서 연기 농도의 증가는 연기 입자에 의한 빛의 차폐효과로 거주자의 보행속도를 떨어뜨려 피난에 큰 지장을 주게 된다(Kim et al., 2022). 연기의 자극이 약한 경우 보행속도는 연기의 농도에 비례해서 높아지나, 연기의 자극이 강한 경우 보행속도는 급격히 저하된다. 건물 내부 평면구성에 매우 익숙한 아파트 거주자들이 연기 발생으로 시야가 차단되어 보행속도가 느려져 심각한 피난장애를 겪게 된다(Seo et al., 2008).
2.2 화재연기의 유동
화재로 발생한 열은 연기와 공기 온도를 상승 시키므로 실내는 실외보다 온도보다 높게 되며, 공기 비중이 작아진다. Fig. 1과 같이 더운 공기는 연기 기둥으로 상승하고 비중이 높은 외기는 소방대상물의 낮은 주변 대기로부터 많은 양의 공기를 연소가스 속으로 빨아들여 전체 무게와 체적을 증가시킨다(Peacock and Reneke, 2021). 화재 시 연기층이 하강하는 소요 시간은 다음 Eq. (1)과 같다.
여기서,t는 연기층이 하강하는 소요 시간, A는 구획실의 바닥면적, p는 화염의 둘레 길이, g는 중력가속도, y는 청결층의 수직거리 높이, h는 천장 또는 반자까지의 높이를 나타낸다. 본 연구는 화염 발생없이 연기 발생기로부터 연기의 확산을 분석하므로 Eq. (1)을 적용할 수 없으나, 식으로부터 아파트와 같은 공간의 개략적인 연기의 유동에 따른 부력 하강의 관계를 설명할 수 있다.
3. 실험방법 및 시나리오
3.1 실험대상 및 범위 선정
아파트 세대에서 화재 발생 시 연기의 유동과 패턴을 분석하기 위해 본 연구에서는 실제 아파트 한 세대를 대상으로 모의실험을 하였다. 실험 대상 아파트 세대의 평형과 타입을 선정하기 위해 최근 ○○시 아파트 입주 세대의 특성을 분석하였다. 26평(59 m2)형 19,455세대 중 4 bay type이 차지하는 비율은 10,917세대로 약 56%였고, 34평(84 m2)형 43,505세대 중 4 bay type은 31,105세대로 약 71%를 차지하였다(Korean Statistical Information Service, 2021). 따라서 본 연구에서는 새로 입주하는 34평형 4 bay type을 실험 대상으로 선정하였으며, 실험 대상의 평면은 Fig. 2와 같다.
3.2 측정방법 및 사용장비
실제 입주하는 34평형 4 bay type 아파트에서 연기 발생기를 활용한 모의실험으로 연기의 유동을 분석하였다. Fig. 3에 나타낸 바와 같이 2 m 간격으로 13개의 격자를 만들고 만나는 지점마다 성인 남성 평균의 호흡 위치에 감지기 14개(H1~H14)를 설치하였다. 또한, 호흡 위치에 설치된 감지기 위치와 천장 사이의 연기 유동의 차이를 분석하기 위해 천장감지기 4개(S1~S4)를 설치하였다.
공동주택 아파트 화재에서 주로 발생하는 발화 장소인 주방, 침실, 거실을 선정하여(NFA, 2024) 실험을 진행하였다. 다만, 연기 유동 연구에 가장 중요한 실증방법은 아파트 내 실제 화재를 발생시키는 것이나, 현실적인 한계로 실제 아파트 한 세대 4 bay type을 대상으로 연기 발생기를 활용해서 모의실험을 진행하였다.
연기 발생기는 화염 없이도 연소 부산물과 유사한 크기의 입자를 생성하므로 화재 시 발생하는 가시도 저하, 감지기 반응, 연기 형성 등의 현상을 실험적으로 분석할 수 있는 장점을 갖고 있다. 그러나 연기 발생기는 화염의 열 방출, 온도 상승, 대류에 의한 기류 형성과 같은 실제 화재의 열역학적 특성을 구현하기 어렵다. 또한 사용된 인공 연기는 화학적 조성, 밀도, 입자 크기 분포 등에서 실제 연소생성물과 다르므로 실험 결과를 절대적 수치로 일반화하기에는 한계가 존재한다. 그러나, 연기 발생기 사용으로 감지기의 반응시간을 분석하여 연기의 확산 패턴을 분석할 수 있으므로 본 연구에서는 연기 발생기를 적용하였다.
사용된 연기 발생기(Z-3000)의 사양은 Fig. 4와 같다. 연기입자 생성 방식은 워터-베이스 액상을 가열해 미세 에어로졸로 만드는 방법이며, 성분은 정제수와 글리콜류(프로필렌글리콜, 트라이에틸렌글리콜 등)를 사용하였다. 장비 내부의 히터 블록에서 액상을 고온으로 증발시키고 노즐에서 주변 공기와 혼합하여 급랭(응축)한 후 µm급 미세한 액적으로 연기를 부유하는 방식으로 연기를 생성하였다. 부력 생성을 위한 기류 생성 과정을 보면, 펌프가 밀어낸 뜨거운 증기(안개)가 노즐에서 고속 분출되며 주변 공기를 빨아들이는 흡입 혼합이 발생하여 자체 상승하는 전진류가 형성되는 방식이 적용되었다. 사용된 연기 생성기는 대용량 출력을 하도록 설계되어 열적 부력 효과(가열된 플룸이 주변 공기보다 가벼워 위로 뜨는 효과)가 크며, 부력의 상승을 위해서 노즐 방향을 상단 천장 방향으로 향하도록 실험을 수행하였다. 장비 내부/히터 온도는 평균 작동 온도 약 250 ℃ (히터 블록 기준)이며, 분사된 연기는 노즐에서 나오며 주변 공기와 섞여 급격히 식기 때문에 일반적으로는 손이 닿는 거리(수십 cm)만 벗어나면 실온에 가까워진다. 실험일의 실외 온도는 29.2 ℃, 실내 37.1 ℃이다.
연기의 유동 형태 측정을 위해 아파트에 천장에 매립 설치되는 단독경보형 감지기 4개 외에도 성인 남성의 평균 호흡 위치에서의 연기 유동 형태를 측정하기 위해 별도로 스탠드 14개와 단독경보형 감지기 14개를 설치하였다. 사용된 단독경보형 감지기의 주요 제원은 Table 2와 같다. 감지기로부터 측정되는 데이터를 취득하기 위해 DAQ (Data acquisition)가 사용되었으며(Fig. 4), 연기감지기에 센서선을 납 용접으로 연결한 후 DAQ에 센서선을 연결하였다.
Table 2
Experimental Measurement Tool
소방청의 소방시설등 성능위주설계 평가 운영 표준가이드라인에 따르면, 인명 안전기준으로 호흡 한계선을 바닥으로부터 180 cm 높이로 하고 있다(NFA, 2023b). 호흡 한계선은 인명안전을 위하여 설계 시 준수할 기준을 의미한다. 본 연구에서는 호흡 한계선을 호흡 위치 감지기 위치로 사용하지 않고, 성인 남성의 평균 키를 반영하여 실제 호흡 위치에서 연기를 측정하였다. 대한민국 평균 남성 키 174 cm를 고려하여 호흡 최상단부인 코의 위치인 159 cm 높이이며, 해당 위치에 단독경보형 감지기를 스탠드에 부착하여 호흡 위치 감지기를 제작하였다. 또한, 실제 아파트 내 구획별로 설치되는 천장 연기감지기 위치에 천장 감지기 4개를 설치하였다. 단, 대피공간(센서 H14 설치)의 경우, 방화문을 닫을 경우 오랜 실험 시간이 소요되므로 방화문을 닫지 않고 실험을 수행하였다. 또한, 실험 시 모든 방문은 개방된 상태이며, 개구부는 모두 폐쇄딘 상태로 실험을 실시하였다. 방문과 개구부의 제원은 Table 3과 같다.
3.3 실험 시나리오
모의실험은 Fig. 5와 같이 화점의 위치에 따라서 각 구획별 연기 도달 순서를 측정하기 위하여 4가지 상황을 설정하여 시나리오를 설정하였다. 시나리오 1은 주방에서 화재가 발생한 상황을 가정한 것으로 연기의 유동을 천장감지기를 활용하여 측정(Fig. 5(a))하였다. 시나리오 2는 주방에서 화재가 발생한 상황이며, 연기가 호흡 위치에 도달하는 시간을 호흡 위치 감지기를 활용하여 측정하였다(Fig. 5(b)). 시나리오 3은 안방에서 화재가 발생한 상황에 관한 시나리오이며, 연기가 호흡 위치에 도달하는 시간을 호흡 위치 감지기를 활용하여 측정하였다(Fig. 5(c)). 시나리오 4는 거실에서 화재가 발생한 상황을 가정한 시나리오이며, 연기가 호흡 위치에 도달하는 시간을 호흡 위치 감지기를 활용하여 측정하였다(Fig. 5(d)).
4. 실험결과 및 고찰
4.1 시나리오 1
시나리오 1은 대상 아파트 천장 높이에 위치한 단독경보형 감지기를 활용하여 화재를 감지하고 개략적인 연기 유동 형태를 파악하는 것이다. 다만, 시나리오 1 실험은 시나리오 2~4 실험을 위한 사전 실험의 성격을 갖고 있어서 천장 위치에 설치된 감지기에 DAQ를 연결하지 않고, 육안을 통해 감지기의 알람 발생을 확인하여 연기의 유동 형태를 확인하였다. 주방에서 연기 발생기를 작동하였을 때, 천장 감지기의 작동 순서는 거실(S3), 방2 (S2), 방1 (S1), 안방(S4)으로 측정되었다(Fig. 8). 즉, 화점이 위치한 주방에서 가까운 순서로 작동되었고, 연기는 천장면을 따라 수평적으로 이동한 후, 구조물의 장애물을 만나 하강 후 역방향으로 다시 이동하는 양상을 보였다.
4.2 시나리오 2
시나리오 2에 대한 호흡 위치 감지기의 전압 출력을 측정하고, 측정결과로부터 감지기의 알람 경보 경보가 울린 시간과 순서를 분석하였다. 시나리오 2를 대상으로 주요 측정 감지기의 측정시간에 따른 전압변화를 측정한 결과는 Fig. 9와 같다. 사용된 감지기는 광전식 3종으로 연기농도 15% 이상에서 작동하는 센서로 내부 저항 변화에 따라 전압변화가 50 mV일 때 작동하는 센서이다. 따라서, 그림에서 측정 전압값이 최초 50 mV에 도달할 때가 감지기 알람이 작동한 시간을 의미한다.
시나리오 2의 측정결과로부터 화재 경보가 울린 순서와 시간을 분석하였으며, 결과를 Fig. 10과 Table 4에 나타내었다. 주방 화재인 시나리오 2의 경우, 호흡 위치 감지기 작동 순서는 거실, 주방, 방2, 현관, 방1, 화장실, 안방, 대피공간 순으로 작동했다. 주방 화재로 가장 먼저 거실에서 130초에 알림이 작동하며, 방2 420초, 현관 710초, 방1 840초, 안방 980초, 대피공간 1,030초에 알림이 작동하였다. 즉, 현관으로 대피할 경우 약 710초의 시간이 확보되며, 안방으로 대피할 경우 호흡 위치에 연기 도달까지 980초의 시간이 확보된 것을 알 수 있다.
Table 4
Breathing Limit Line Detector Operation Sequence (Scenario 2)
주방에서 발생한 화재 시 점화원을 소화하지 못하고 현관을 통한 대피와 안방 앞 대피공간으로 피난이 불가능하여 실내에 남을 경우, 안방, 현관 옆 화장실, 현관 앞 방으로 대피하는 것이 화재에 대한 인명 피해를 막을 수 있을 것으로 판단된다. 연기는 천장면을 타고 순방향으로 진행되었고 벽 등의 장애물을 만나면 아래로 굴절되어 되돌아와서 층층이 축적된 것으로 분석된다. 발생된 연기는 ‘화점과 가까울수록’, ‘벽과 문틀 등 장애요인이 없을수록’, ‘구획이 되지 않을수록’의 호흡 위치에 우선적으로 발생되는 것으로 판단된다.
4.3 시나리오 3
시나리오 3의 화재 경보가 울린 순서와 시간을 분석하였으며, 결과를 Fig. 11과 Table 5에 나타내었다. 안방에서 발생한 화재를 가정한 시나리오 3의 실험 결과인 호흡 위치에 설치된 감지기 작동 순서를 분석하면, 감지기는 안방, 주방, 거실, 대피공간, 화장실, 방1, 현관, 방2 순으로 작동했다. 안방에서 발생한 화재로 주방 알람 490초, 거실 760초, 방1 1,120초, 방2 1,330초에 알람이 작동한 것으로부터 방2로 대피할 수 있는 시간은 약 1,330초 정도인 것을 알 수 있다. 주방에서 발생한 화재에서는 천장면을 따라 퍼지는 연기 유동이 발생한 것과 다르게, 안방 같이 구획된 실에서 발생된 연기는 우선 화점 상층부터 채운 뒤 외부로 연기 유출이 시작되었다. 이후 연기 발생기 자체 분출 압력으로 안방 출입문 밖으로 나간 연기는 주방과 거실의 구획 부분 중 끝단에서 주방, 거실의 호흡 위치를 채우고 화점 바로 옆인 대피공간의 호흡 위치에 채워지는 것으로 분석되었다.
Table 5
Breathing Limit Line Detector Operation Sequence (Scenario 3)
4.4 시나리오 4
Table 6과 Fig. 12는 시나리오 4에 대한 실험 결과를 나타낸다. 거실에서 화재 발생으로 호흡 위치에 설치된 감지기의 작동 순서는 주방(110초), 거실(400초), 화장실(470초), 현관(530초), 안방(640초), 방2 (820초), 방1 (940초), 대피공간(1,070초) 순으로 분석되었다. 거실에서 화재 발생 시 대피공간으로 대피할 경우 호흡 위치에 연기 도달까지 약 1,070초의 시간이 확보되므로 대피공간 대피 후 방화문을 닫을 경우 화재에 대한 인명 피해를 막을 수 있을 것으로 판단된다. 거실에서 발생한 화재 연기의 패턴을 보면, 연기는 연기 발생기 자체분출 압력에 따라 천장면을 타고 순방향으로 진행되었으며, 벽 등의 장애물을 만나면 아래로 굴절되어 되돌아와서 층층이 축적되는 것으로 분석된다.
Table 6
Breathing Limit Line Detector Operation Sequence (Scenario 4)
4.5 연기의 유동 흐름
주방에서 화재 발생 시 천장 감지기 알람 실험인 시나리오 1과 호흡 위치에 설치된 감지기 알람 실험인 시나리오 2의 결과를 활용하여 연기의 유동 흐름을 분석하였으며, 결과를 Fig. 13에 나타내었다. 천장 감지기 알람으로부터 연기는 화점 기준 천장 면을 타고 가까운 거리부터 순차적으로 확산되는 것을 알 수 있다. 호흡 위치 감지기 결과로부터 연기는 초기에 천장면을 타고 순방향으로 진행되었으며(천장감지기 동일), 벽 등의 장애물을 만나면 아래로 굴절되어 되돌아와서 층층이 축적됨을 알 수 있다. 발생 연기는 ‘화점과 가까울수록’, ‘벽과 문틀 등 장애요인이 없을수록’, ‘구획이 되지 않을수록’의 우선적으로 호흡 위치에 채워짐을 알 수 있다. 따라서 아파트 화재 발생에 가장 많은 비중을 차지하는 주방에서 발생한 화재 시, 4 bay 아파트 구조 상 안방보다 현관 쪽 복도를 통한 방2, 방1에 연기의 확산이 용이한 것을 알 수 있다.
4.6 결과 분석
본 연구에서는 화점의 위치를 주방, 거실, 안방에서 발생한 상황으로 연기 발생기를 활용한 입주 예정 실제 4 bay 아파트 한 세대를 대상으로 아파트 화재 시 연기 유동 모의실험 상황별 시나리오 결과를 분석하였다. 육안 측정과 감지기 알람을 분석한 결과, Fig. 14와 같이 연기의 유동은 발화지점에서 천장면을 따라 수평적으로 이동한 후, 구조적 장애물에 의해 굴절되고 다시 역방향으로 유동하며 층층이 쌓이는 양상을 나타내었다. 호흡 위치의 감지기 작동 순서도 동일하게 나타나는 결과를 확인하였으며, 구획된 공간의 구조와 위치, 개방성 여부에 따라 도달 시간이 달라지는 결과를 모두 확인하였다.
실험 대상 아파트 세대인 34평형 4 bay type에서 화재가 발생하여 세대 밖 대피(현관을 통한 대피와 안방 앞 대피공간으로 대피)가 불가능한 상황에서 거주자가 대피할 수 있는 공간을 분석하면, 주방에서 화재가 발생할 때에는 안방, 현관 옆 화장실, 현관 앞 방으로 대피하는 것이 거주자의 생존율을 높이는 방법으로 분석되었다. 안방에서 화재 발생시에는 현관 앞의 방(방2)으로 대피하는 것이 생존율을 높이는 방법이며, 거실에서 화재 발생시에는 현관 화장실 옆 방(방1)으로 대피하는 것이 효과적인 방법으로 분석되었다.
대피공간은 방화문, 내화구조 벽체로 구획되어 있어 외부의 화염 및 연기 유입을 최소화되게 설계되어 안전한 공간이다. 모의실험을 통해 대피공간의 방화문을 개방한 상황에서도 공간적인 위치의 특징으로 실험 대상 아파트 세대에서도 대피공간은 다른 공간보다 연기 도달이 평균 2~4분 지연되는 효과가 나타난 것으로 분석되었다. 따라서, 아파트 내부 공간에서 대피공간의 위치가 구조 시 골든타임 확보에 효과적인 방안이 될 수 있는 것으로 판단되며, 실제 다양한 구조의 아파트를 설계 및 시공함에 있어 실험 또는 해석으로 대피공간의 위치를 결정하는 것이 바람직하다.
5. 결 론
본 연구는 최근 입주 아파트에서 가장 많이 채택되는 구조의 아파트 한 세대를 대상으로 주방, 안방, 거실에서 화재 발생시 연기의 유동 패턴과 확산 시간을 실험적으로 분석하였다. 연기 발생기를 활용한 연기를 발생시키고, 호흡 위치에서의 감지기의 알람 시간과 연기의 확산 패턴을 분석한 결과, 다음과 같은 결론을 도출하였다.
첫째, 실험 대상 아파트 세대에서 연기의 확산 패턴을 분석한 결과, 최초 발화지점에서 발생한 연기는 천장면을 따라 화점의 반대편으로 이동 후 장애물이 존재하는 곳까지 수평적 순방향으로 흐른 뒤 벽과 기둥 등 장애요인이 있는 곳에서 하강하는 것으로 분석되었다. 연기는 하강 후 수평적 역방향으로 이동 후 다시 개방된 공간으로 흐른 뒤에 되돌아오는 반복적인 패턴을 나타내었다. 따라서, 발생된 연기는 ‘화점과 가까울수록’, ‘벽과 문틀 등 장애요인이 없을수록’, ‘구획이 되지 않을수록’의 호흡 위치에 확산하는 것으로 판단된다.
둘째, 주방에서 발생한 화재의 경우(시나리오 2), 현관으로 대피할 경우 약 12분의 시간이 확보되며, 안방 앞의 대피공간으로 대피할 경우 호흡 위치에 연기 도달까지 약 17분의 시간이 확보된 것을 알 수 있다. 거실에서 발생한 화재(시나리오 4)에서도 대피공간으로 대피할 경우 호흡 위치에 연기 도달까지 약 18분의 시간이 확보된 것으로 분석되었다. 그러나, 현관을 통한 대피와 대피공간으로 대피가 불가능한 경우, 주방에서 발생한 화재 시에는 안방, 현관 앞 방으로 대피하고, 거실에서 발생한 화재 시에는 현관 화장실 옆 방으로 대피하고 구조를 기다리는 것이 거주자의 생존율을 높이는 방법으로 판단된다.
셋째, 안방에서 화재가 발생할 때(시나리오 3) 호흡 위치에 설치된 감지기의 알람 시간을 분석하면, 현관으로 대피할 수 있는 시간은 약 21분, 현관 앞 방으로 대피할 수 있는 시간은 약 22 정도로 분석되었다. 따라서, 실험 대상 아파트와 유사한 구조를 갖는 세대에서 세대 밖 대피가 불가능할 경우에는 현관 앞 방으로 대피한 후 문을 닫고 인명구조를 기다리는 것이 거주자의 생존율을 높이는 방법으로 판단된다.
본 연구는 실제 아파트 한 세대를 대상으로 연기 발생기를 활용한 모의실험을 수행하여 아파트 내부의 화재 발생 시 연기의 유동 패턴과 확산 시간을 분석하였다. 다만, 연기 발생기를 사용한 모의실험은 화염의 열 방출, 온도 상승, 대류에 의한 기류 형성과 같은 열역학적 특성을 포함하지 않으며, 사용된 인공 연기는 화학적 조성, 밀도, 입자 크기 분포 등에서 실제 연소생성물과 다르므로 연기의 확산 패턴은 실제 화재와 차이를 보일 수 있으므로 감지기 반응 결과를 절대적 수치로 일반화하는데에는 한계가 존재한다. 또한, 안방 앞에 대피공간이 존재하며, 현관문 앞에 방 2개가 존재하는 최근 선호되는 4 Bay 아파트 세대만을 대상으로 실험을 수행하였으므로 본 연구의 결과가 전체 아파트 세대를 대상으로 한 결과로 일반화될 수 없는 한계가 존재한다. 향후 다양한 형태의 아파트 타입에 대한 추가적인 실물 화재실험과 화재시뮬레이션을 수행하면, 일반화된 결과를 도출할 수 있으며 효과적인 실내 화재 대피 기준을 제시할 수 있을 것으로 판단된다.
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