1. 피난시간계산/피난시뮬레이션
 
이번 연재에서는 지난호 에서 언급했던 바와 같이 피난시간을 예측하는 것으로 시작하기로 한다. 피난시간을 계산하는 방법으로 널리 쓰이는 것은 다음의 두 가지가 있다.
 
수계산(hand calculation)에 의한 방법과 소프트웨어를 이용한 시뮬레이션을 수행하는 방법이 그것이다. 물론 피난 시간을 계산하는 것은 화재에 반응하고 대응하는 인간의 행동은 매우 다양할 수 있고, 또한 거주자의 구성에 따라 천차만별일 수 있기 때문에 그 신뢰도가 의문시 되는 경우도 많다. 이러한 불확실성을 극복하기 위해서 현재 관련분야의 연구가 국제적으로 수행되고 있다.
 
2. 피난시간계산 (sfpe 핸드북에 소개되어 있는 방법)
 
<피난시간(egress time) 계산>
 
rset= td + ta + to + ti + te
 
td : 화재가 감지되는데 걸리는 시간
ta : 화재가 감지되어서부터 거주자들이 인지하는데 걸리는 시간
to : 화재가 난 것을 인지했을 때부터 거주자들이 행동을 취할 때까지 걸리는 시간
ti : 행동을 취하기로 결정한 때부터 피난을 시작하는 데까지 걸린 시간
te : 피난 시작에서부터 끝날 때까지 걸리는 시간
 
* 안전피난시간(required safe egress time, rset)
 
여기서 td는 화재시뮬레이션에 의해 계산 되며 ta, to, ti의 세 항을 모두 더한 시간은 피난지연시간으로 관련서적이나 전문가의 판단에 따라야 한다. 마지막으로 te에 관한 계산 방법은 hydraulic flow calculation에 의해 계산되며 sfpe 핸드북 등에 예시와 함께 자세히 나와 있다.
 
수계산에 의해 피난시간을 계산할 때에는 모든 사람들이 동시에 피난을 시작하고, 판단미숙으로 인한 피난시간의 지연은 배제하며 피난시간을 지연시키게 하는 장애자가 없다는 가정하에 수행한다.

이론적인 계산에 의한 피난시간으로부터 실제 피난 시간은 다음과 같은 개념으로 계산 된다.
 
tae = tmee
tae : 실제 피난 시간
tme :  계산에 의한 피난 시간
e : 피난효율
 
피난효율 요소에 영향을 끼치는 사항에 대한 예를 들면 비상대응요원 등에 의한 피난관리 미숙에 따른 지연 가능성, 피난흐름이 합류되는 지점에서의 흐름 방해현상 발생, 개개인의 판단의 상이성에 따른 의견충돌, 불균형한 비상구의 사용(한쪽으로 몰리는 현상) 등이 있을 수 있다.
 
3. 피난시뮬레이션
 
피난 시뮬레이션도 sfpe hand calculation 과 마찬가지로 모델링을 통해 얻는 결과는 실제 이동시간 te 이다.
 
rset= td + ta + to + ti + te
td : 화재가 감지되는데 걸리는 시간
ta : 화재가 감지되어서부터 거주자들이 인지하는데 걸리는 시간
to : 화재가 난 것을 인지했을 때부터 거주자들이 행동을 취할 때까지 걸리는 시간
ti : 행동을 취하기로 결정한 때부터 피난을 시작하는 데까지 걸린 시간
te : 피난 시작에서부터 끝날 때까지 걸리는 시간
 
여기에서는 피난시뮬레이션 프로그램 중 현재 국내에서 널리 사용되고 있는simulex에 관한 내용을 정리해 보기로 한다.
 
1) simulex 일반사항
 
simulex는 2d 시뮬레이션 프로그램으로서 대형 또는 구조가 복잡한 건축물에서 많은 사람들이 피난하는 현상을 시뮬레이션 해 볼 수 있다. simulex는 여러 개의 건축평면과 평면간을 연결하는 계단을 사용하여 3d model 시뮬레이션을 가능하게 한다.
 
사용자가 건물의 외부로 나가는 최종 출구를 정의하면, simulex는 프로그램 로직에 의한 판단으로 자동적으로 재실자의 보행거리 및 피난경로를 계산한다. 재실자는 한 사람씩 입력할 수도 있고 그룹으로 지정해서 입력할 수도 있다. 건물 내 재실자의 수가 결정되면, 잠정적인 피난 루트가 계산되고, 시뮬레이션이 수행된다. 사용자는 거주인원이 피난하는 양상을 스크린상에서 볼 수 있고, 관심 있는 부분을 확대(zoom in)하여 볼 수도 있다.
 
2) 특징
 
가. 2d program 임.

나. 피난시간을 계산하기 위해서는 해당 건축물의 cad 파일이 있어야만 작업할 수 있으며, 만약 없을 경우, 도면을 cad화 하는 작업이 선행되어야 한다.

다. 시뮬레이션에서 계산되는 피난시간은 총 피난소요시간이 아니며, 해당 실에서 피난을 개시한 후부터 측정된 시간이기 때문에, 총 피난소요시간을 계산하기 위해서는 피난개시소요시간(pre-movement time)을 조사하여 합산해야 한다.

라. 논문발표자료에 의하면, simulex에 의한 계산값은 피난훈련 등의 결과와 비교해 볼 때 실제적인 피난시간과의 오차가 적은 것으로 판명되고 있어 신뢰성 있는 프로그램으로 인정되고 있다.
 
3) simulex 의 실행절차는 다은과 같다.
 
가. 건축평면도면 정리 작업

나. 건축평면도면 simulex 프로그램으로 불러오기.

다. 안전구역으로 연결되는 최종 exit 입력

라. 건축평면을 수직으로 연결하는 계단실 입력

마. 지정한 계단실을 건축평면에 연결(link)함

바. 시뮬레이션 시 필요한 distance map 작성

사. 거주자밀도(occupant load) 사항 입력하기

아. simulation 수행 및 결과분석
 
4) 가정 및 이론
 
simulex는 피난지역의 구획(geometry)과 사람의 이동 방법에 대하여 다음과 같이 가정한다.
 
가. 모든 거주인원은 정상이며, 상호간의 보행속도에 저해를 받지 않는다.

나. 보행속도는 사람과의 간격이 조밀해 질수록 감소하게 된다.

다. 각 사람은 distance map을 따라서 출구로 향하도록 되어 있다.

라. 앞지르기, 몸의 회전, 측면으로 걸어가기 및 뒤로 밀리기 등이 포함되어 있다.
 
5) 보행속도
 
그림1> 보행속도 그래프
 

사람의 보행속도는 앞 사람들과의 접근거리에 따라 달라진다.

위의 그림1>에서 보여주는 바와 같이 다른 사람 앞에 있는 사람은 뒤에 위치한 사람의 보행속도를 줄이는 요인이 된다. 사람간의 거리는 사람 몸의 중심간 거리로 표현된다.

계단에서의 속도는 수평에서의 속도와 비교하면 줄어들게 되는데, 계단을 내려갈 때의 속도는 수평속도의 0.5배로 간주했으며, 계단을 올라가는 것은 수평보행속도의 0.35배를 적용하였다. 보통사람의 수평보행속도는 0.8~1.7m/s 범위 내에서 random하게 선택되어 시뮬레이션 하게 된다.
 
4. 위험의 평가 및 비교
 
화재시뮬레이션 및 피난계산 혹은 피난시뮬레이션에 의한 결과값을 time-line 분석에 의한 방법으로 평가하여 설정한 성능기준에 따른 거주가능 시간이 총 피난시간 보다 많이 확보되면 거주인원은 화재위험에 대해 안전하다고 평가하며, 거주가능시간이 총 피난시간보다 적으면 거주가능 시간 이후에 대피하는 거주인원은 위험에 처하는 것으로 간주한다.
 
[그림 2] time-line 분석의 예
 

 
5. 위험경감대책
 
위험 경감 대책은 주로 체류가능 시간 연장 혹은 피난 시간 단축에 관련되며 아래와 같은 목록에 대한 위험 경감을 고려한다. 즉 피난시간을 절감하는 방법 혹은 체류가능 시간을 늘려주는 방법을 고려하여 시뮬레이션의 수행을 다시 한 후 효과적인 방법을 채택하여 결과에 반영한다.
 
1. 피난 시간 절감에 관련된 방안
 
가. 거주 밀도 하향 조정

나. 피난구 수 증가

다. 피난구 및 피난계단 폭 확대

라. 피난거리 단축

마. 탐지 및 경보 시간 단축

바. 비상훈련에 의한 대피시간의 단축
 
2. 체류가능 시간 연장에 관련된 방안
 
가. 연기 밀 열 피해를 감소시키는 설비의 설치를 고려

나. 가연성 물질의 종류 및 사용량 제한

다. 고정식 자동 소화설비의 설치

라. 화재 대상실의 실의 구조 변경

마. 감지설비의 초기설정 값 변경 (반응온도, rti등)
 

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