성능위주 방화설계 연구

이수경

서울산업대학교 안전공학과

A Study on the Performance Based Fire Safety Design

Su-Kyung Lee

Dept. of Safety Engineering, Seoul National University of Technology

서 론

산업 발전과 인구의 급격한 증가에 따라 건축물은 고층화 및 인텔리젼트화 되어가면서, 화재로 인한 인적·물적 손실은 계속적으로 증가하고 있다. 따라서 과거보다 구체적이고 근본적인 대책의 마련이 필요하게 되었다. 현재의 소방시설의 설계는 사양중심(Prescriptive Based)의 체계로 되어있다. 사양중심이란 법의 세부적인 지침과 기술고시에 의해서 설계하는 것을 의미한다. 이는 발생된 화재의 조사와 이에 의한 결과를 토대로 하여 경험적으로 이루어진 것이다. 그러나 근래에 들어 여러 과학 및 기술의 눈부신 성장과 함께 화재의 여러 가지 물리, 화학적 현상들이 규명되었으며, 최근에는 화재의 성장과 전파 등을 거의 정확하게 예측할 수 있는 단계에 이르렀다. 그러므로 종래의 화재에 대한 경험으로 이루어진 사양위주의 설계보다는 모델링(Modelling)과 시뮬레이션(Simulation) 등의 공학적인 기법들을 이용하는 새로운 체계가 필요했다.

이러한 때에 외국에서는 공학적 도구와 연구를 바탕으로 하는 성능위주(Performance Based)의 방화설계에 대한 연구가 시작되었다. 성능위주의 방화설계(Performance Based Fire Safety Design)는 기존에 개발된 화재거동과 연기이동 및 피난의 소프트웨어를 이용하여 소방대상물의 열분포(Heat Profile), 연기이동(Smoke Movement), 피난특성, 발생열량 및 내화도 등을 분석하므로서 소방대상물에 적합한 방화설계를 하는 것이다. 이는 소방시설의 고효율, 저비용화를 이룩할 수 있음을 의미한다.

본 고에서는 성능위주 화재안전 설계의 외국의 도입 현황, 적용 사례를 언급하면서 전반적인 성능위주의 방화설계의 개황을 언급하고자 한다.

PBSD(Performance Based Safety Design)의 서계적 흐름과 국내현황

1. 미국

성능기준의 도입과 동시에 통일연방코드의 작성을 지향한 작업을 ICC (International Code Council)가 추진하고 있다. 작업그룹은 성능규정과 사양규정을 작성하는 두 그룹으로 나뉘어 활동하며, 사양규정그룹은 3대 모델코드 중에서 가장 적절한 규정의 선정작업을 하고 있다. 기술적인 지원은 SFPE(Society of Fire protection Engineer)를 중심으로 한 FOCUS GROUP이 담당하고 있다. 최근 미국에서는 SFPE(Society of Fire Protection Engineering)를 중심으로 PBSD에 대한 연구가 활발하게 이루어지고 있다. SFPE는 □SFPE Engineering Guide to Performance-Based Fire Protection Analysis and Design of Buildings"라는 책자를 발간하였다[1]. 이 가이드에 따르면, 성능기준 설계에 대한 방법론을 설명하고 있다. 성능기준 화재안전 설계에 대한 논리적인 프레임을 제공하고 있으며, 다양한 건축물들과 서로 비슷한 구조물들에 대해 성능을 평가하도록 결정론적이고 확률론적인 접근법 모두를 이해시켜주고 있다.

2. 호주 [2]

BCA(Building Code of Australia)의 소개와 더불어 사양 법규들은 삭제되거나 BCA를 참조했던 개별정부의 건축 법률을 포함시켰다. BCA 90은 건축물 건설에 대한 건축 요구사항들을 최초로 호주 지방정부의 법률을 일괄적으로 제공하였다. BCA 96은 BCA 90에 대한 규정을 다시 제정하였고 처음으로 성능 요구사항을 첨가시켰다.

BCA의 역할은 국가적으로 일관적이고 수용가능한 주정부들이 그들의 빌딩 법률 시스템에 대하여 기본으로 활용할 수 있도록 기술적 빌딩 기준을 제공하는 것이다.

초기 호주의 빌딩 코드는 1990(BCA 90)년에 나왔고, 호주내에 빌딩 규정을 통합하는 단계가 첫 번째였다.

BCA는 1996년에 성능기준 건축 코드로 재개발되었다. BCA는 목적, 기능적 일람표, 성능 요구사항과 건축 해법을 포함한 성능 기준 제도를 포함한다.

3. 스웨덴

Swedish Code는 성능기준적인 조항을 도입하여 개정되었다. 1994년에 나온 최근의 규정은 법률로 목적에 관한 부분을 기술, 기능요건과 그에 따른 성능요구와 적합간주 사양은 BBR94와 BKR94 2개의 문서에 정리되었다. 화재안전에 관련된 기술은 BBR94에 있다. BBR94의 기술에는 각 항목의 첫머리에 □총칙□이라는 절이 있어 여기에 기능요건이 간결하게 명시되어 있으며 계속해서 사양기준이 서술되어져 있다. 스웨덴의 규정은 영국의 실행코드와 뉴질랜드의 설계지침과 유사한 구조로 되어있으며, 기본적 요구사항, 계산방법과 이에 따른 예제, 불확실성, 한계 초과시 해결방안의 제안, 허용된 해결방안등이 수록되어있다. 스웨덴은 다른 많은 유럽의 나라들과 마찬가지로 소방대의 간부들이 공학적 계산들을 이해하고 평가할 수 있는 교육적 기초와 소방엔지니어와 같은 훈련을 모두 받았다는 이점이 있다.

4. 일본

일본건물표준법(BSL)은 1999년 6월 기능적인 부분을 가미해서 부분개정 되었다. 관련된 성능스케일들은 시행령에 포함되어질 것이며, 평가의 상세수단들은 아직 발표되지 않았다. 그러나 몇가지 제안들이 일본화재연구공학학회에의해 일본건축물 센터의 화재안전지침 개발을 위한 위원회의 활동과 일본건축사협회의 화재안전설계 소위원회의 자발적인 활동을 통해 만들어 졌다.

5. 국내 여건 분석

성능위주의 소방안전법에 대한 국외의 연구 및 관심과는 달리 국내에는 이에 대한 관심이 아직 부족한 상태이다. 특히 경제위기 등으로 인하여 그렇지 않아도 열악한 국내 소방분야의 발전이 더욱 더디어 지고 있는 실정이다.

현재 우리나라는 소방법체계의 사양위주의 설계 및 공사·감리가 이루어 지고 있으나, 소방법 제 32조(소방시설의 자체점검)1항의 단서 및 제65조의4(소방시설의 설계 및 감리)①항의 단서조항에 의하여 특수장소의 위치·구조·용도 또는 그 특수장소에 설치되는 소방시설의 공법 등이 특수한 경우로서 행정자치부령이 정하는 바에 의하여 소방안전기술위원회의 심의를 거친때는 그러하지 아니하다(`99.9.13일자 개정)로 개정되어 우리나라의 현행 법령상으로도 성능기준설계가 도입되었다고 볼 수 있다. 중앙소방기술위원회의 운영실적에 따르면 심의 대상 14건중 10건이 있으며 이중 1건은 규정화 되어 고시로 공표되었으며 9건은 수용되었다. 이처럼 우리나라도 점진적으로 성능위주설계로 변화하여 가는 것을 알 수 있다.

성능기준화재안전 설계 적용 사례

사례 1. [3]

미국의 라스베가스에 위치한 에펄탑 Ⅱ에 대해서 방화공학 전문가들이 성능위주의 방화설계를 한 것을 살펴보면 다음과 같다. 재실자의 피난에 도움이 되는 지연시간과 구조물의 기본요소들은 똑같은 화재 구획 안에서 지지대를 이루는 어떤 요소들이 얼마만큼의 내화성능을 지녀야 하는가에 초점을 두어 설계하였다. 가상화재 시나리오는 5가지를 가상하여 화재에 대한 가상 피해영향을 분석하였다. 그림 2는 에펠탑Ⅱ의 전경을 보여 주고 있다. 1층은 카지노, 2층은 레스토랑, 옥상은 전망대로 구성 되어 있다. 그림 3은 가상화재 시나리오들에 의한  시간이 지남에 따른 노출부의 최고온도를 나타내고 있다. 5가지 가상화재 시나리오에 의한 화재위험 분석, 열반응 분석, 성능 특성을 만족하는 내화도 및 내화시간 결정하여, 그림 4와 같은 각 구조물들의 내화시간이 산출되었다.

그림2 . 에펠탑Ⅱ 전경  그림3 . 시간에 따른 온도분포  그림4. 시간에 따른 방화요구성능

에펠탑 Ⅱ의 PBSD적 허용 해법으로 첫째, 심한 화재로 화염 안에 둘러싸일 부분에 한 시간동안의 화재 저항을 하게끔 할것과 둘째, 열가소성 물질, 팽창되는 절연 보(EIFS), 혹은 외부 구조의 20ft내에 카지노 구조로 쓰이게 될 섬유 유리강화 플라스틱등의 사용금지, 셋째 외부 구조물에 위치한 모든 지붕에 최소한 2시간의 화재 저항성을 지니게 할 것, 넷째 NFPA 13에 근거한 스프링클러 설치, 다섯 번째, 충분한 물 공급을 위해 여유 있는 소화용수 또는 대체하는 물 확보등을 둘수 있다.

사례 2.

국내에서는 건축물의 설계 시 소방시설에 대한 고려가 잘 이루어지지 않고 있다. 이로 인한 문제점 중 천정 보의 깊이가 0.7m 에서 1.2m 정도가 되는 공간에서의 스프링클러 헤드의 설치위치에 대하여 논란이 있어 보가 있는 공간에서의 화재 시 스프링클러 반응시간 예측을 화재 모델링의 기법을 사용하여 이러한 공간에서의 스프링클러 설치 위치와 반응시간에 대하여 알아보았다.

·대상 선정

보가 있는 공간	1.2m(H)X0.6m(W)
대상구획의 크기	25m x 20m x 5m
개구부	10m x 3.8m(양쪽)
보의 간격	5m, 10m
보의 크기	1.2m(H) x 0.6m(W)

·화재의 설계와 시나리오

화재의 성장은 Ultra-fast Growth 조건으로 163.1초에 5MW에 도달하도록 설정 하였으며 연소면적은 1.3m2 이 기준이다.

·스프링클러 반응시간

	작동온도	주위온도
보에서 화원방향 측면헤드	87 sec	240.19℃
보 하부의 헤드	109 sec	235.88℃

보의 하부와 보의 화재방향측면에 위치된 스프링클러헤드의 반응시간은 22초 나타났다. 화재가 Ultra-fast Growth 조건에서  5MW에 도달하는 163.1초 이전에 모두 작동되어 스프링클러 헤드 설치 시에는 두 위치 모두 무방한 것으로 나타났다. 보의 깊이가 깊은 경우 0.45m 이하로 헤드의 감열부가 내려가도 충분한 시간에 작동하는 것으로 나타나 내화구조인 경우 0.45m이하로 내려서 설치하지 못하는 규정에 문제가 있었음을 알 수 있었다.

결 론

성능위주 방화설계에 대한 세계적인 현황과 국내외의 적용사례를 살펴보았다. 그러나, 현재 국내 소방법으로는 적용할 수 있는 코드 또는 기준이 없기 때문에 이 분야에 대한 활발한 연구가 요구되는 실정에 있다.

시설별 특수성 및 경비의 절감차원에서라도 우리나라의 현 법규도 코드화 또는 고시화가 필요하다. 소방안전기술위원회의 활성화와 국내 여건에 맞는 화재 시뮬레이션 S/W개발로 인한 자체적인 PBSD의 기준 제시와 이를 활용한 활동적인 연구와 실험을 통해 사양위주에서 탈피한 앞선 기술을 연구해 나가야 할 시기에 봉착해 있다.

참고문헌

1. SFPE, □SFPE Engineering Guide to Performance-Based Fire Protection Analysis and Design of Buildings" NFPA, 2000

2. NFPA, " 3re International Conference on Performance-Based Codes and Fire Safety Design Methods; Proceedings", Lund Univ. Sweden, 2000.

3. Edward Fixen, "Performance-Based Structual Fire Safety for Eiffel Tower Ⅱ", P15∼24, 1999.

4. James G. Quintiere, "Principles of Fire Behavior", Delmar Publishers, 1997