서론
최근 인명 피해를 동반하는 화재에 대한 사회적 관심이 매우 높아가고 있다. 2009년부터 2014년까지 서울특별시에서 발생한 화재사고 가운데 전체 사상자와 장애인 사상자의 수(박경서, 20146)를 살펴보면, 전체 사상자수에서 사망자 비율은 14%임에 비해 장애인 사망자는 57%를 차지하여 화재로 인한 장애인 사망자가 일반인에 비해 4배 더 많아, 장애인이 거주하는 건축물의 경우 화재에 대한 대비가 더욱 강화되어야 함을 예상할 수 있다. 또한 ‘2016년도 화재통계분석’ 중요화재1) 현황(소방청 국가화재정보센터, 20168)을 살펴보면 학교에서 203건(58%)으로 가장 많은 화재가 발생하였고, 그 다음으로 기타 78건(22%), 관공서 39건(11%), 공공건물 22건(6%)등 순으로 나타났다. 이와 같이 일반화재를 제외한 중요화재 중 가장 많은 화재가 발생하는 학교에서 학교시설 이용자가 일반학생이 아닌 장애인의 경우에는 화재에 대한 대비는 매우 부족한 것이 현실이다. 특히 장애인 학교시설의 학생은 피난시 이동 상황에 신체의 어느 한 부분이 질병 또는 외상 등으로 정상인보다 저하된 신체적 특성을 가지는 재해약자(김종성 외, 20112)로 이들을 고려한 화재성능 기준 검토가 요구되지만 관련 데이터나 성능설계 검토가 아직까지 미흡한 실정이다. 더욱이 휠체어 및 목발을 사용하는 보행장애인의 경우 수직이동에 대해서는 한계가 있으며 피난시 엘리베이터 사용이 제한되어 경사로만을 이용해야하는 어려움이 있음에도 불구하고, ‘화재예방, 소방시설 설치, 유지 및 안전관리’에 관한 법률 시행령 제 15조의 3(성능위주설계를 하여야 하는 특정소방대상물의 범위)대상에는 포함되어 있지 않고 있다.
따라서 본 연구에서는 장애인 학교시설을 대상으로 소방시설의 성능위주 설계에서 적용되는 화재 및 피난시나리오 적용과 함께 장애인 특성에 따른 보행속도 차이가 인명안전기준을 만족하지 않는 인원수에 미치는 영향을 검토하여 장애인 학교시설의 설계시 또는 피난 훈련시 화재 안전성 확보를 위한 기초자료를 제시하고자 한다.
1)중요화재란 관공서, 학교, 정부미도정공장, 문화재, 지하철, 지하가, 공공건물, 공공시설, 이재민 100명이상 및 이와 유사한 장소에서 발생한 화재를 말함.연구 방법 및 범위
본 연구는 다음과 같이 진행한다.
첫째, 장애인 관련 보행속도에 대한 기존 문헌 고찰과 함께 장애인 학교 3개교를 선정하여 장애 학생들의 보행속도에 대한 실측 및 분석을 실시하고 둘째, 상기 대상 학교 중 1개교를 선정하여 ‘소방시설 등의 성능위주 설계 방법 및 기준’ [별표 1] 에 따라 4가지의 화재시나리오를 가정, NIST의 FDS를 엔진으로 하는 Pyrosim 화재시뮬레이션을 실시하여 해당 분석지점에서 온도와 가시거리, CO, CO2, O2 총 5항목의 인명안전기준을 초과하는 시간을 도출한다. 셋째, 기존의 연구결과와 본 연구에서 실측한 장애 학생의 보행속도를 토대로 5가지 피난시나리오를 상정하고, Pathfinder 프로그램을 이용한 피난시뮬레이션을 실시하여 화재 및 피난 시나리오별 인명안전기준을 만족하지 않는 인원수를 비교, 분석한다. 넷째, 이상의 화재와 피난 시뮬레이션 결과를 토대로 장애인 학교시설에서 보행속도 차이에 따른 화재안전성에 대한 문제점 분석 및 개선방향 설정을 위한 기초자료를 제시한다.
장애인 보행속도에 대한 기존 문헌 고찰 및 측정
‘초고층 건물의 화재 대피 시뮬레이터 개발에 관한 연구(박양수와 임동진, 20003)’에서 재실자 유형에 따라 수평보행속도와 수직(계단)보행속도를 제시하였으며, 이때 신체 장애인의 경우 보행속도는 0.8 m/s로 설정하였고, ‘지하공간에서의 장애인용 피난안전시설의 설치현황 및 개선에 관한 연구(서혁진 외, 20074)’에서 지체 장애인의 보조장치 사용에 따라 휠체어 보행속도는 0.87 m/s, 목발 사용시 보행속도는 0.78 m/s, 비장애 보행속도는 1.55 m/s로 제시한 바 있다. 또한 ‘대피시뮬레이션 시스템 개발을 위한 조사 연구(김응식, 20035)’에서 노인복지시설을 중심으로 이동시의 보행행태를 남녀 구분하고, 남자 노인의 지팡이 사용시 이동속도는 0.19 m/s, 여자노인의 지팡이 사용시 이동속도는 0.29 m/s, 여자 노인의 휠체어 사용시 이동속도는 0.11 m/s로 제시하였다. 또한 국외의 경우, Ulster 대학 Fire SERT 연구 그룹(Boyce et al., 199910)에서 장애인 155명을 장애에 따른 이동형태를 중점적으로 조사하여 자력보행이 가능한 장애인의 보행속도는 1.0 m/s, 보행장애 중 목발 사용 보행속도는 0.94 m/s, 휠체어는 전동과 수동으로 구분하여 각각 0.89 m/s와 0.69 m/s로, 이와 함께 보행장애가 없는 장애인의 보행속도는 1.25 m/s로 제시하였다.
이상의 보행속도에 대한 기존 연구 자료와 함께 본 연구에서는 경남에 소재하고 있는 특수학교 2개교(H학교와 E학교)와 특수학급 2학급을 포함한 일반학교 1개교(Y학교)를 선정하여, 장애 학생 48명과 비장애 학생 15명, 총 63명을 대상으로 보행속도를 실측하였다. 특히 장애 학생의 경우 보행장애가 없는 학생의 경우와 보행장애가 있는 즉, 휠체어 또는 목발을 사용하는 학생으로 구분하여 측정하였으며, 연령대는 장애, 비장애 학생 모두 고등학생이다. 보행속도는 교실내 Figure 1과 같이 10 m2 (2×5 m)로 구획하여 수평공간에서 1명씩 보행하며, 피시험자에게는 구획된 범위를 벗어나지 못하도록 사전교육을 실시하고 조사자가 타이머를 이용하여 측정하였다. 보행속도 결과는 Table 1과 같이 비장애 학생의 평균 보행속도는 1.18 m/s, 장애 학생 평균보행속도는 0.96 m/s로 나타났으며, 장애 학생 중 보행장애가 없는 장애 학생의 평균 보행속도는 0.97 m/s, 휠체어 사용 장애 학생의 평균 보행속도는 0.77 m/s로, 목발 사용 장애 학생의 평균 보행속도는 0.39 m/s로 측정되었다.
Table 1. Measure result of walking speed
따라서 기존 문헌의 보행속도와 본 연구에서 실측한 보행속도를 비교한 결과, 기존 문헌의 보행속도보다 실측한 보행속도가 전반적으로 더 느린 것으로 나타났다. 이에 본 연구에서 시뮬레이션 실행시 실측한 보행속도 데이터를 이용하여 일정한 보행속도를 적용한 경우와 정규분포곡선으로 난수를 발생시켜 다양한 보행속도를 적용한 경우를 비교, 분석하였다.
화재시뮬레이션 분석
보행속도 실측 3개 학교 중 H학교를 대상으로 화재 시뮬레이션을 실시하였다. H학교는 본관(BL1), 별관(BL2), 신관(BL3)과 체육관의 4개 건물이 ㅁ자 형태로 배치되어 있으며(Figure 2), 거주 인원은 Table 2와 같이 총 484명으로 학생은 312명과 교직원은 172명이며, 이 가운데 휠체어 및 목발을 사용하는 장애 학생은 각각 6명과 3명으로 구성하였다.
Table 2. Number of student, teacher, staff of subject school for simulation (unit: persons)
| Type | Students | Teacher & staff | Total | ||||
| Kindergarten | Elemental | Middle | High | Major | |||
| Occupants | 3 | 82 | 61 | 110 | 56 | 172 | 484 |
| with a wheelchair | - | 2 | 2 | 2 | - | - | 6 |
| with crutches | - | 1 | 1 | 1 | - | - | 3 |
화재 시나리오는 Table 3과 같이 4가지로 정하였으며, 발화 장소는 일반교실, 조리실, 도서관과 함께 휠체어 이동시의 주 피난로인 경사로를 대상으로 선정하였다. 인명안전기준(소방시설 등의 성능위주설계 방법 및 기준, 20171)의 충족 여부를 확인하기 위해 Figure 2와 같이 각 건물의 출구와 각 층별 계단실, 경사로 등 총 22개소에 대해 열 평가항목인 온도와 연기 평가항목인 가시거리 및 독성 평가항목인 CO, CO2, O2의 해당 센서를 호흡한계선인 1.8 m 높이에 설치하였다. 시뮬레이션 실행시 소화설비는 작동하지 않고, 창문과 문 등 개구부는 열려있는 것으로 가정하였다.
Table 3. Composition of fire scenario
또한 성능위주 설계시 소요피난안전시간(Required Safe Egress Time, RSET)은 열, 연기 감지기에 의한 감지시간(detection time)과 재실자의 반응시간(response time)2) 및 실제 피난시 소요되는 행동시간(movement time)까지 총 3가지의 합으로 도출되며(백소나 외, 20161), 본 연구에서는 감지시간 및 반응시간을 피난개시시간으로 학교용도의 W2인 180초를 피난완료시간 계산시 적용하였다(소방시설 등의 성능위주설계 방법 및 기준, 20179).
Table 4는 화재시나리오 4가지에 따른 각 센서 위치별 인명안전기준 초과시의 시간을 나타낸 것으로 인명안전기준 5가지 항목 중에서 독성 평가항목인 CO, CO2, O2는 2개 지점을 제외하고는 인명안전기준을 만족하는 것으로 나타났으나, 열 평가항목의 미충족 지점수는 7개소, 가시거리 평가항목의 미충족 지점수는 21개소로 크게 증가하여 나타났다. 이 중 가시거리 평가항목을 살펴보면(Table 5 참조), F1은 56초에 화재실(BL2-F)에서 연기가 가득차고, 120초에 별관 출구(BL2-E2)에까지 연기가 가득차 피난시 어려움을 예상할 수 있다. F2의 경우 본관 조리실(BL1-F)에서 화재가 발생하나 본관과 별관 사이가 분리되어 있어 화재실인 조리실을 제외하고는 화재로 인한 피해가 적은 것으로 나타났다. 또한 F3의 경우, 신관 3층 계단실(BL3-S23)은 피난개시시간인 180초보다 빠른 172초에 연기가 가득차 피난에 어려움이 예상되므로 피난시 이동을 자제하거나 해당 계단실을 폐쇄되어야 할 것으로 사료된다. F4는 1층 경사로(BL2-R1(F))에서 199초로 나타났고, 3층 경사로(BL2-R3)는 103초로 연기의 상승작용으로 인하여 화재실인 1층(BL2-R1(F)) 보다 3층 경사로(BL2-R3)에서 먼저 연기가 확산됨을 확인할 수 있으며, 옆 건물인 신관 2층 계단실(BL3-S23)에도 238초에 연기가 확산되어 피난시 이동에 어려움이 있을 것으로 예측되었다.
Table 4. Results of expected elapsed time results exceeding the life safety standards at each branch according to 4 fire scenarios
Table 5. Comparison of the same time fire spread by 4 fire scenarios
| F1 | F2 | F3 | F4 |
 | |||
피난 시뮬레이션 분석
피난시뮬레이션시 보행속도 차이에 따른 화재 안전성 검토를 위해 5가지 피난 시나리오(E1~E5)를 Table 6과 같이 작성하였다. 피난시나리오 E1은 학생들의 보행속도를 모두 비장애 학생의 보행속도 1.18 m/s로 가정하였고, 피난시나리오 E2는 학생들의 보행속도를 모두 장애 학생의 보행속도로 0.96 m/s3)로 가정하였다. 피난시나리오 E3은 피난 시나리오 E2와 달리 본 연구에서 실측된 (Table 1) 장애 학생 보행속도 데이터(n=48)의 평균과 표준편차, 최대, 최소값을 이용하여 정규 분포를 작성하고, 여기에 312명의 학생 수만큼 난수를 발생시켜 각각의 보행속도를 결정하였다. 시나리오 E4는 장애 학생 중 보행장애를 고려한 경우로, 312명의 학생 중 보행장애가 없는 303명의 장애 학생 보행속도를 0.97 m/s로 설정하고 나머지 보행장애가 있는 9명중 휠체어를 사용하는 6명의 학생의 보행속도는 0.77 m/s, 목발을 사용하는 3명의 학생들의 보행속도는 0.39 m/s로 설정하였다. 또한 시나리오 E5는 장애 학생 중 보행장애가 없는 장애 학생 303명에 대해서는 측정 보행속도 데이터(n=42)를 이용한 정규분포와 난수발생의 적용을 통해 각각 다른 보행속도를 적용하였고, 보행장애가 있는 학생 중 휠체어를 사용하는 학생 6명에 대해서도 실측 보행속도 데이터(n=5)를 이용한 정규분포와 난수 발생을 통해 보행속도를 적용하였다. 단, 목발을 사용하는 장애 학생(3명)의 경우 실측 데이터수의 한계로 일정한 보행속도 0.39 m/s를 적용하였다. 한편, 교직원의 보행속도는 한국건설기술연구원(유용호, 20097)에서 제안한 표준 이동속도 중 다소 보수적인 값인 여자 평균보행속도 1.1 m/s을 적용하였다.
Table 6. Composition of evacuation scenario
Figure 3의 (a)는 실측한 데이터의 평균과 표준편차, 최대 및 최소값을 이용하여 정규 분포화하고 난수를 발생시켜 장애 학생들 각각의 보행속도를 적용하는 Pathfinder의 입력화면이며, (b)는 피난시나리오 E5를 적용한 각각의 장애 학생들 보행속도 결과이다.
Table 7는 피난개시시간을 180초로, 상기 5가지 피난시나리오에서 설정한 보행속도 적용시 재실자 전원이 모두 피난을 완료하는데 소요되는 시간을 나타낸 것이다. 모든 학생을 비장애 평균 보행속도로 일정하게 설정한 E1은 326초로 가장 빠르게 피난이 완료되었으며, 모든 학생을 장애 평균 보행속도로 일정하게 설정한 E2의 경우 356초로 E1에 비해 30초가 더 소요되었다. 또한 모든 학생을 장애 학생으로 설정하여 정규분포와 난수를 발생시켜 적용한 E3의 경우는 378초로 E2 대비 23초가 더 소요되는 것으로 나타났다. 보행장애를 고려한 경우, 보행장애가 없는 학생과 보행장애 중 휠체어 및 목발 사용 학생의 보행속도를 일정하게 설정한 E4와 목발을 제외한 보행장애가 없는 학생과 보행장애 중 휠체어 사용 학생의 보행속도를 정규분포로 난수를 발생시켜 적용한 E5의 피난 완료시간은 419초로 동일하게 나타나, E1 대비 93초, E2 대비 63초로 피난을 완료하는데 필요한 시간이 가장 많이 소요되었다.
Table 7. Results of evacuation simulation
화재 인명안전기준에 의한 결과 분석
4가지 화재시나리오와 5가지 피난시나리오에 대해 인명안전기준을 초과하여 실제 탈출이 가능하지 않을 것으로 예상되는 인원수의 분석 결과는 Table 8과 Figure 4 같이 나타났으며, 이에 대한 내용을 정리하면 다음과 같다.
Table 8. Estimated number of people not to meet by life safety code (unit : persons)
모든 학생을 비장애 학생의 일정한 보행속도(1.18 m/s)로 설정한 E1과 모든 학생을 장애 학생의 일정한 보행속도(0.96 m/s)를 적용한 E2를 비교한 결과, 예상한 바와 같이 모든 화재에서 E1보다 E2에서 인명안전기준을 만족하지 못하는 인원이 동일하거나 다소 높은 것으로 나타났으며, 그 인명차이는 F1화재에서 3명으로 가장 크게 나타나 보행속도가 느린 장애 학생들이 화재에 취약함을 확인할 수가 있었다. 또한, 모든 학생을 장애 학생으로 가정하되, 일정한 보행속도(0.96 m/s)로 가정한 E2와 정규 분포내에서 난수를 발생시켜 장애 학생들의 각각의 보행속도를 적용한 E3의 경우에는, E2보다 E3가 인명안전기준을 만족하지 못하는 인원이 더 많은 것으로 나타났으며, 그 인원의 차이는 F1 화재에서 9명, F3 화재는 3명, F4 화재에는 1명으로 나타났다. 특히 F1화재에서 가장 큰 인원 차이를 보이고 있어 일정한 보행속도를 적용하기보다 정규분포를 가정하고 난수를 발생하여 보행속도를 적용하는 것이 화재로 인한 피해인원을 검토시 더 타당한 것으로 예상된다. 장애 학생 중 보행장애가 있는 9명의 보행속도를 휠체어(0.77 m/s), 목발(0.39 m/s)로 구분하여 일정한 보행속도로 적용한 E4와 정규분포 곡선과 난수를 이용하여 보행속도를 적용한 E5(단, 목발은 일정 보행속도)를 비교한 결과, E4보다 E5에서 인명안전기준을 만족하지 못하는 인원이 더 많은 나타나며 그 인원의 차이는 F1 화재에서는 4명, F2 화재에서는 1명, F4에서는 5명으로 나타났다. 가장 많은 인원의 차이가 나타나는 화재는 보행장애 학생들의 주 피난로인 경사로에서 발생한 F4화재인 것으로 나타났다.
결론
본 연구를 통하여 도출된 주요 결과를 정리하면 다음과 같다.
(1)고등학교 재학 중인 장애 학생과 비장애 학생을 대상으로 보행속도를 실측하였으며 장애 학생은 보행장애가 없는 경우와 보행장애가 있는 경우로 구분하였고, 보행장애는 보다 더 세분하여 휠체어 또는 목발을 사용하는 경우로 구분하여 측정하였다. 그 결과, 비장애 학생의 평균보행속도의 실측값은 1.18 m/s(기존 문헌은 1.55 m/s), 전체 장애 학생들의 평균 보행속도는 0.96 m/s(기존 문헌은 1.25 m/s), 장애 학생 중 휠체어를 사용하는 학생의 평균 보행속도는 0.77 m/s(기존 문헌은 전동 휠체어는 0.89 m/s, 수동 휠체어는 0.69 m/s), 목발을 사용하는 학생의 평균 보행속도는 0.39 m/s(기존문헌은 0.94 m/s)로 나타나 기존 문헌의 보행속도보다 전반적으로 더 느린 것으로 나타났다.
(2)화재시나리오에 따른 각 센서 중 가시거리에 의한 평가항목 기준으로 살펴보면, 화재실 중 가장 빠른 연기 확산은 화재시나리오 F1으로 56초에 연기가 가득차고 있었으며, 화재시나리오 F4의 경우, 연기의 상승작용으로 인하여 화재실인 1층 보다 3층 경사로에서 먼저 연기가 확산됨을 확인할 수 있었다. 이와 같이 화재는 발화장소와 발화되는 층별 위치, 화재건물과 주변 건물의 배치에 따라 각 출구와 계단실, 경사로에 미치는 영향이 다르게 나타나며 일부 계단실이나 경사로, 출구 등이 폐쇄되어야 하는 경우가 발생하므로 이를 가정한 다양한 화재시나리오를 작성하여 검토하는 것이 요구된다.
(3)피난시나리오와 인명안전기준을 적용하여 검토한 결과, 일정 보행속도를 적용한 피난시나리오 E2와 E4 보다 보행속도를 분포화시켜 적용한 피난시나리오 E3, E5가 피난완료시간이 더 소요(E3가 E2보다 23초 더 소요)되거나 또한 인명안전기준을 만족하지 못하는 인원이 더 많은 것(E5가 E4보다 5명 더 많음)으로 나타났다.
(4)따라서, 화재 및 피난안전성 검토시 보행속도를 일정하게 적용하기 보다는 기존 자료와 측정 데이터를 기반으로 구해진 보행속도를 분포화시켜 적용하는 방안이 실제 피난상황을 보다 정확히 반영할 수 있을 것으로 사료된다.
이와 함께 본 연구에서는 장애 학생들을 대상으로 보행속도 측정시 이동조건이 제한적이며 보행장애 유형의 피험자 수에서도 한계가 있어 추가 보행속도 실측을 통한 데이터 확보가 요구된다.
