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고층건물 전체 피난훈련 시 계단실
정체 발생요인과 전파조건에 관한 연구

고층건물에서 대규모의 화재나 심각한 응급상황이 발생할 경우 건물에 있는 모든 사람은 일시에 대피를 시도해 계단실에 위험한 혼잡을 가져오게 된다. 하지만 자료수집이 충분하지 못해 실제 고층건물 계단실에 발생하는 정체 메커니즘의 큰 틀은 연구되지 못한 실정이다. 이에 본 연구는 25층 규모의 고층 사무소건물에서 실시한 피난훈련 상황을 녹화한 후 대피자의 행동을 기록․분석하여 계단실에서 발생하는 혼란의 원인, 정체의 전파와 감소를 검토하였다. 본 연구의 결과로 계단실에서 정체를 유발하는 3가지 원인과 정체 전파를 야기하는 계단과 계단참에서의 경계밀도를 규명하였다.

1. 도입

고층건축물에 대규모화재나 비상사태가 발생해 재실자 모두가 건물에서 대피해야 할 경우 일반적으로 재실자 모두가 동시에 대피를 시작한다면 계단실의 밀도는 높아지며 혼잡한 상태가 될 것이다. 피난자 개개인의 입장에서 보면 피난시간은 지체되고 보행환경 측면에서도 상호접촉 등의 신체적 영향뿐만 아니라 압박감 등의 심리적 영향이 발생할 우려가 있다. 그러나 이러한 현상 발생의 원인은 고층 건축물에서의 전체 피난 시의 실측 데이터가 적기 때문에 명확하게 밝혀지지는 않았다. 또한 계단실의 정체발생과 상태변화, 그리고 이러한 상태가 해소되는 메커니즘은 불분명한 것이 많고 단편적이어서 해명되지 않는다.
본 연구에서는 피난자 약 800명의 상황 하에서도 정체발생과 전파가 나타난 2013년 실시된 동일 고층건물에서의 건물 전체 피난훈련 조사를 대상으로, 합류해소 후의 정체 발생요인과 전파조건에 대해서 밝히는 것을 목적으로 한다.

우선, 본 논문에서 사용하는 용어를 다음과 같이 정의한다. ‘합류’는 위층에서 피난자가 계단실(통로 계단참)로 연속적으로 유입되고 이전에 유입된 다수의 피난자와 합쳐져 하나의 피난자의 흐름으로 되는 것을 말한다. 단, 소수의 피난자가 계단실로 단속적으로 유입되는 경우에는 합류로 간주하지 않는다. ‘정체’란 유동하고 있는 피난자의 일부가 멈추고 <그림 1a> 직후에 후속 대피자도 멈춘 상태 <그림 1b>를 말한다.

<그림 1> 정체의 정의와 사례

2. 피난훈련조사 개요

2.1 피난훈련 개요

피난훈련 조사를 실시한 대상건물은 도쿄에 있는 지상 25층의 고층건축물로 주된 용도는 사무소이다. 각 층의 층높이는 1~6층까지가 4.1m(2~3층은 4.4m), 7층 이상은 3.8m이다

<표 1> 층별 높이 , <그림 2> 계단실 세부 치수

계단의 구조는 반환 계단으로, 계단의 너비 1.2m이며 한단의 깊이와 평균높이는 280mm x 172mm이다. 또한, 계단실 출입구 문의 폭은 모두 1m이다 <그림 2>. 대피 훈련은 15층에 있는 주방에서 시작하여 건물의 재실자 모두가 대피하는 것으로 가정하였다. 대피방법은 순차적으로 하되, 각 단계별로 방재센터의 관내 방송에 의한 대피 개시 지시에 따라 각 실에서 대피가 시작되었다.

• I 단계  : 출화층과 그 위층 (15, 16, 17층) • II 단계 : 출화층 상층부 (18~25층) • III 단계 : 출화층 하층부 (2~14층)

대피 경로는 각 층에서 남북 계단 두 개 계통을 사용하여 1층 옥외 건물 앞 광장까지로 하였다. 피난 개시 시간은 과도한 합류가 발생되는 것을 피하기 위해 과거 데이터를 기본으로 설정하였다. Ⅱ, Ⅲ단계의 피난 개시는 Ⅰ단계의 대피방송 개시부터 2분 후와 7분 후로 했다. 또한, 이후에 나타나는 경과 시간은 Ⅰ단계의 대피방송 개시를 기점으로 했다.

2.2 훈련관측 방법

본 조사에서는 남북 계단 두 계통 중 남쪽 계단만을 관측대상으로 삼았다. 이해를 돕기 위하여 <그림 3>에 나타난 계단실의 각 부분의 용어를 구분하면 각층의 바닥과 레벨이 같고 출입문이 있는 계단참은 ‘통로계단참’, 층과 층 사이에 있는 출입문이 없는 계단참은 ‘중간계단참’이라고 한다.
또한, 중간계단참에서 내려오는 계단을 계단1, 오르는 계단을 계단2라 하고 계단1, 중간 계단참, 계단2를 합쳐 계단부라고 하며, 통로 계단참과 중간계단참, 계단 1과 계단 2를 합하여 단부라고 한다. 즉, 각 공간은 통로 계단참, 계단부(계단1.계단2, 중간 계단참)로 표현한다.

<표 2> 계단실 용어 설명

계단실내 훈련 참가자의 유동상황을 기록하기 위해서 1층부터 24층까지의 통로계단참을 위쪽에서 부각으로 촬영할 수 있도록 24대의 비디오카메라를 설치하였다. 계단부의 상황을 상세하게 기록하기 위해서 2~3층, 13~14층, 19~20층에 계단 1, 중간계단참, 계단 2를 위쪽에서 부각으로 촬영하도록 합계 9대의 비디오카메라를 추가로 설치하였다. 모든 비디오카메라의 시간은 표준시간으로 초단위로 맞추어 모든 영상이 동기화되도록 하였다. 분석에 있어서는 비디오 영상의 시각을 토대로 시계열의 유동상황을 파악했다.

2.3 실측데이터 분석조건

<그림 3> 유동상황 측정지점

유동계수, 밀도, 정체 및 그 전파 속도에 대해서는 아래의 조건에 따라 산출하였다. 유동계수의 측정 위치는 <그림 3a>에 나타나는 통로계단참에서의 3개의 단면(계단 1로부터의 유입 단면 A, 인접실로부터의 유입 단면 B. 계단 2로의 유출 단면 C)로 하고, 이하 A , B, C 단면이라고 한다. 더욱이 <그림 3b>에 나타내는 중간계단참에서의 2개의 단면(계단 2로부터의 유입 단면 D, 계단 1로의 유출단면 E)으로 하고, 이하 D, E 단면이라 칭한다. 유동계수의 산출은 각층 통로계단참의 비디오 영상을 통해 각 단면의 통과인원을 1초마다 육안으로 계산하고 그렇게 얻은 데이터의 10초간 이동 평균치로 했다.
밀도 산출에 있어서는 이 통과 인원수를 바탕으로 대상 공간의 유입통과 인원의 누적량에서 유출통과 인원의 누적량 차이로 공간 내 인원수를 산출하고, <그림 2>에 나타내는 계단실의 수평 투영 면적을 이용하여 밀도를 산출했다.
또한, 정체에 대해서는 각 단면의 위치에서 단속적인 멈춤 상태가 발생하고 해소된 시각을 바탕으로 산출했다. 정체 전파속도 산출을 위한 거리는 통로 계단참 및 중간계단참에서는 기존 연구에서도 일반적으로 이용되고 있는 단부의 중앙과 계단폭의 1/2를 내측 길이로 하는 ‘ㄷ’자로 묶은 거리로 하고, 단부에서는 계단코를 비스듬히 연결한 대각선으로 했다.

3. 훈련관측 결과

3.1 각층 훈련참가자와 개단실내 인원 수

피난훈련에 참가한 사람은 1,966명이며 이 중 관측 대상인 남쪽 계단을 이용한 대피자(연령20~50대)는 807명이었다<표 3>. 층별로는 13층에서 103명, 11층에서 91명, 14층에서 75명으로 III단계에 대피자가 많았다.
반면 2층, 7층, 8층, 25층에서는 각 1명, 21층에서는 5명으로 매우 적었다. 또한 <그림 4>는 각층의 계단실 1개 층 인원을 더한 계단실 전체 인원수, <그림 5>는 단계별로 계단실 1개 층 내의 평균밀도를 나타낸다. 계단실 전체 인원수는 I단계 대피 방송 시작부터 738초 경과 후에 가장 많았다. 이때 1층에서 14층까지 계단 실내 대피자들이 차지하고 있다. 전체 대피자의 약 55%인 443명이 되었다. 계단실 1층 내의 평균 밀도로 보면 1.98명/㎡(표준편차SD=0.49)로 나타났다.

 <그림 4> 층별 계단실 내 누적 대피인원 <그림 5> 층별 계단실 내 평균 밀도

3.2 계단실내 정체발생과 전파현상

<그림 6>은 훈련 참가자가 B단면에서 통로계단참에 유입된 시각을 x축으로 하여 시계열로 나타낸 것이다. 그림 속의 우측으로 상승하는 굵은 선은 정체된 선두 위치, 굵은 점선은 정체가 해소된 위치를 나타내고 있다. 직사각형 파선은 대피 시작 단계와 대피 방송 시간의 범위를 나타낸다. 피난자가 많았던 11층에서 14층에는 B단면에서부터의 통로 계단참으로의 유입자와 A단면에서 상층 대피자와의 합류로 인하여 정체가 발생하고 위층으로 전파되는 현상이 경과시간 549초에서 5회 발생했다.
한편, 계단실 내의 인원이 최대가 되는 경과시간 738초에 가까워지면 합류가 대체로 해소되었으나, 대피자의 합류에 기인하지 않은 정체가 3회 확인됐다. 다음 절에서는 합류 해소 후의 정체에 대해 분석 결과를 나타낸다.

<표 3> 층별 대피 인원
<그림 6> 계단실 내 탈출 시간과 혼잡확대

3.3 합류해소 후 정체 발생과 전파

계단실에서 합류해소 후에 생긴 정체는 위층으로 전파되었다. 정체전파는 5층에서 14층까지가 1회, 2층부터 4층까지가 2회 발생했다.
<그림 7>은 각 층의 밀도 추이와 정체에 의한 정지, 밀도 상승, 정지 해소와 같은 전파상황을 나타낸 것이다. 그림 중 y축의 각 층 눈금 범위는 0.0~4.0명/㎡를 나타내고 있다. 다음으로 시계열에서 나타난 각 정체의 발생과 전파상황을 설명한다.

(1) 5층에서 14층까지의 정체전파
5층에서 14층까지의 통로계단참, 계단부에서의 정체의 전파상황을 <그림 7a>에 나타낸다. 경과시간 725초에 5층 계단부에서 정체가 발생하고, 14층 통로계단참까지 133초 만에 전파되었다. 정체는 5층의 B단면에서 통로계단참으로 2명이 유입되었을 때, 문이 열리는 것을 피해 5층 A단면의 대피자가 2초간 정지하면서 발생했다. 이 유입은 앞선 정의에 따라 합류로 간주하지 않는다. 이것을 계기로 6층 통로계단참의 선두가 정지했다.

 (a)5-14층 (b) 2-4층 <그림 7> 밀도와 혼잡확대

그 후, 6층 통로계단참으로부터 13층 통로계단참까지 순서대로 각 공간선두(통로계단참 C단면, 계단부 A단면)의 정지 후, 위층에서 피난자가 영역내로 유입되어 영역 내 밀도가 증가하면 대체로 최고치에 이른 직후에 공간상류 측의 선두가 정지했다. 이 피크 값의 상승은 그다지 크지는 않지만 피난자의 속도저하의 원인이 되는 사소한 계기로 인해 정지되는 듯하다. 이는 계단실내의 유동량이 불안정한 상태를 나타내는 것으로 생각된다. 또한 14층 통로계단참에서는 13층 계단부가 정지하자 아래층이 정지되어 있는 상황을 피난자가 눈으로 보고 정지했다. 이것은 피난자들이 계단에서 기다리는 것을 피하기 위해 정지한 것으로 보인다. 또한, 14층에서는 위층에서 오는 피난자가 맨 마지막에 이르러 정체연장이 해소되었다. 통로계단참과 계단부의 정지 시간은 발생 직후에는 2초간이었으나 위층으로 전파됨에 따라 길어져 각 층에서 평균 8.33초(SD=3.82) 후에 해소하였다.

(2) 2층에서 4층까지의 정체전파
2층에서 3층까지의 통로계단참, 계단1, 중간계단참, 계단2와 3층에서 4층까지의 통로계단참, 계단부에서의 정체의 전파상황은 <그림 7b>과 같다. 정체는 2회가 발생하고 경과시간 956초에 1차 정체가 발생하여 2층 통로계단참에서 3층 통로계단참까지 24초간 전파되었다. 이어 1,135초에 두 번째 정체가 발생하여 2층 통로계단참에서 4층 통로계단참까지 34초간 전파되었다. 이와 함께 정체는 2층 계단참의 선두가 정지하면서 발생했다. 첫 번째 정체는 내측을 보행하는 피난자가 바깥쪽 피난자와 보조를 맞추면서 고의로 2초간 정지한 데 따른 것이었다. 2차 정체는 3초 동안 2층 승강장 맨 앞이 멈춰서면서 발생했다. 그 후 2층 계단참에서부터 4층 계단참까지 순서대로 공간 내(통로계단참, 계단1, 중간계단참, 계단2)의 밀도가 증가하면 대체로 최고치에 이른 직후에 영역 상류 측의 선두가 정지되었다.
1차 정체 연장은 3층 계단 맨 앞이 정지하자 4층 계단 맨 앞이 정지하지 않고 해소되었다. 2차 정체에서는 4층 계단 맨 앞이 정지하자 4층 승강장도 정지했는데, 위층 피난자들이 맨 마지막에 와서야 풀렸다. 통로계단참과 계단부의 정지 시간은 평균 2.71초(SD=1.73)로 짧고 정지 직후에 해소되었다.

3.4 정체 전파속도

층에서 정지한 시각부터 그 상류 측에서 정지한 시각차를 이용하여 상층으로의 정체전파속도를 산출했다. <그림 8a>에 나타낸 5층부터 14층까지의 통로계단참, 계단부 간의 정체 전파 속도는 전체 평균 0.83m/s(SD=0.21)(평균 16초 간격)였다. 정체 발생 직후 5층과 해소된 13층 계단부의 정체 전파 속도는 약 2.1m/s로 높아지고 있으나 평균적으로 통로계단참에서 0.41m/s(SD=0.11), 계단부에서 1.16m/s(SD=0.51)가 되었다.
한편, <그림 8b>에 나타난 2층 통로계단참에서 3층 통로계단참까지의 위층으로의 정체 전파 속도는 2회 정체를 평균적으로 할 때 평균 0.88m/s(SD=0.34)였다. 또한, 통로계단참이 평균 0.74m/s(SD = 0.15), 단부가 평균 1.00m/s(SD = 0.46)로 되어 5층에서 14층의 전파 속도와 마찬가지로 단부의 정체 전파 속도가 빠른 결과를 보였다.

3.5 정체 시 피크 밀도

정체의 생성은 밀도의 상승에 기인한 것으로 판단하고, 이를 통해 정체가 일어날 수 있는 계단실내의 각 공간의 밀도 하한 값을 파악하기 위해 공간 상류 측의 선두가 정지했을 때의 피크 값의 밀도를 산출하였다. 5층부터 14층까지의 정체 전파의 최고밀도는 <표4 a>에 나타낸다. 이 관측 결과는 마지막 꼬리부분이며, 대피자가 계단에서 기다리는 것을 피하기 위해 정지한 것으로 생각되는 13층의 계단부를 제외하면 6층의 통로계단참에서 2.11명/㎡, 5층 계단부에서 2.33 명/㎡가 최소가 되며, 이것이 하한치가 되었다.
또한, 2층부터 4층까지의 정체의 전파에 대해서 피크치의 밀도는 <표3 b>와 같다. 이 관측 결과 중 13층과 동일한 이유로 4층 계단부를 제외하면 2층 통로계단참에서 1.98명/㎡, 2층 계단1에서 2.75명/㎡, 중간계단참 1.88명/㎡, 계단2에서 2.75명/㎡가 최소치가 되며, 이를 하한치로 하였다. 또한 통로계단참과 중간계단참에 대해서는 내측 정체가 먼저 계단부로 전파되고 그 사이 바깥쪽에서는 유동할 수 있도록 밀도가 올라가지 않고 정지했다.

 (a) 5-14층 (b)2-3층 <그림 8> 혼잡전파속도

3.6 통로계단참과 계단부의 밀도와 유동계수와의 관계

계단실내의 정체가 상층의 유동량에 미치는 영향을 파악하기 위해 통로계단참과 계단부의 밀도, 그 공간상류 측의 유동계수의 관계는 <그림 9>와 같다. 초당 밀도와 그 공간 상류 측(통로계단참 A단면, 계단부 C단면)의 유동계수의 동시각 값을 표시하였다. 이곳에서 정체가 전파된 5층에서 14층까지 중 대피자 1명과 직하층에서의 합류 영향이 작을 것이라고 생각되는 7층 계단부터 9층 통로계단참까지를 표시하여 모든 유동시간을 대상으로 하였다.
또한, 본 연구에서는 어떤 공간의 밀도와 그 공간의 하류 측의 유동량 관계를 나타내는 것은 아니지만 기존 연구 Pauls에 의한 계단실내에서의 식: N = 1.26ρ - 0.33ρ2를 참고로 원점을 통과하는 2차 곡선에서 최소 제곱법으로 근사치를 구하고 N: 유동계수(인/m/s), ρ: 밀도(인/㎡)로 하여 밀도와 유동계수의 관계를 식(1)~(4)에 나타내어 <그림 9a~d>에 각각 실선으로 나타냈다.

 N = 1.39ρ - 0.53ρ2 N = 0.85ρ - 0.21ρ2 N = 1.41ρ - 0.54ρ2 N = 1.03ρ - 0.31ρ2 식(1) 식(2) 식(3) 식(4)
 <그림 9> 7-9층 밀도와 유동량의 관계 <그림 10> 2-3층 밀도와 유동량의 관계

여기에서 식(1)~(4)을 ρ로 미분하여 dN/dp=0이 되는 극대치를 구하면, 8층과 9층의 통로계단참은 각 밀도가 함께 1.31명/㎡, 각 유동계수가 0.92명/m/s, 0.91명/m/s를 경계로 유동계수가 감소하고 있는 반면, 7층에서 8층과 8층에서 9층 계단부에서는 각 밀도가 1.65명/㎡, 2.02명/㎡, 유동계수가 모두 0.85명/m/s를 경계로 유동계수가 감소하고 있다.

<표 4> 상층공간에서 멈추기 전 최대 밀도

다음으로 <표 4a>에 나타낸 공간의 상류 측의 선두를 정지시킨 피크 밀도 중 7층의 계단부에서 9층 통로계단참으로 <그림 9>에 나타낸다. 그림의 화살표는 피크 이후의 대략적인 시계열 변화를 나타내고 있다. 이 중 최소치로 통로계단참에서는 8층에서 2.40명/㎡, 계단부에서는 7층에서 2.38명/㎡가 된 직후에 공간 상류 측의 선두가 정지해 유동계수는 0.20명/m/s 이하까지 감소했다. 그 후, 공간 하류 측의 정체가 해소되어 밀도는 2.00명/㎡ 가까이 감소하였으나, 유동계수는 다시 대략 1.00명/m/s 까지 증가했다.

3.7 계단부내 밀도와 유동계수와의 관계

좀 더 상세히 살펴보면, 계단실내의 정체가 상층의 유동량에 미치는 영향을 파악하기 위해 통로계단참, 계단부내(계단1, 중간계단참, 계단2)의 밀도와 그 지역 상류 측(순서로 A단면, E단면, D단면, C단면)의 유동계수의 관계는 <그림 10>과 같다. 이 그림은 짧은 정체의 전파가 보였던 2층 계단부내 각 공간에 대해서 설명해준다. 또한, 2층에 대해서도 대피자 1명과 합류의 영향이 작기 때문에 모든 유동시간을 대상으로 하였다. 더불어, 식 (1)~(4)과 마찬가지로 밀도와 유동계수의 관계는 식 (5)~(8)과 같으며, <그림 10a~d>에 각각 실선과 같다.

 N = 0.64ρ - 0.11ρ2 N = 1.09ρ - 0.33ρ2 N = 0.37ρ - 0.15ρ2 N = 1.19ρ - 0.39ρ2 식(5) 식(6) 식(7) 식(8)

여기에서 식(5)~(8)를 ρ로 미분하고 dN/dp=0이 되는 극대치를 구하면 통로계단참과 중간계단참에서는 각각 밀도가 1.53명/㎡, 1.63명/㎡, 유동계수가 0.91명/m/s, 0.89명/m/s를 경계로 유동계수가 감소하고 있는 것에 비해, 계단1과 계단2에서는 각각 밀도가 2.47명/㎡, 2.9명/㎡, 유동계수가 0.90명/m/s, 0.94명/m/s를 경계로 유동계수가 약간 감소하고 있다.
다음으로, <표 4b>에 나타낸 공간 상류 측의 선두를 정지시킨 피크밀도 중 관측한 2회의 정체는 <그림 10>과 같다. 이 중 최소치에 대하여 이하에 기술하겠다. 그림 속의 화살표는 피크 이후의 대략적인 시계열 변화를 나타낸다. 2층 통로계단참에서는 1.98명/㎡, 계단1에서는 2.75명/㎡, 중간계단참에서는 1.88명/㎡, 계단2에서는 2.75명/㎡가 된 직후에 공간상류 측의 선두가 정지했다. 또한, 정체 전파 후 각 공간에서는 공간하류 측의 정체가 해소되고, 밀도는 2.00명/㎡(그 중 위층 통로계단참은 1.00명/㎡) 가까이 줄어들었다. 더불어, 유동계수는 정지시간이 약 3초로 짧기 때문에 10초간의 이동평균의 영향으로 3.6절에서 언급한 0.20명/m/s 이하까지 감소하지 않았다. 그 후, 유동계수는 다시 1.00명/m/s 가까이 증가했다.

3.8 정체발생, 해소 시 밀도, 유동계수와의 관계

정체의 발생과 해소 시의 조건을 파악하기 위해 정체가 발생한 2층과 해소된 3층 계단부의 밀도와 그 공간 상류 측의 유동계수의 관계를 표시하고, 3.5절에서 얻은 계단부에서의 정체 전파 시 피크 밀도의 하한값 2.33명/㎡를 이용하여 검증한다. 1층과 3층의 계단부는 <그림 11>에 나타낸다. 식(1)~(8)과 마찬가지로 밀도와 유동계수의 관계를 식(9)에 나타내어 <그림 11a, b>에 각각 실선으로 나타냈다.

N = 0.85ρ - 0.20ρ2식 (9)
N = 0.89ρ - 0.23ρ2식 (10)

여기에서 식(9)(10)을 ρ로 미분하고 dN/dp=0이 되는 극대치를 구하면 1층과 3층 계단부에서는 각 밀도가 1.95명/㎡, 2.08명/㎡, 각 유동계수가 0.87명/m/s, 0.88명/m/s를 경계로 유동계수가 감소했으며, 1층과 3층에서 같은 경향이 나타난다.

<그림 11> 1-3층 밀도와 유동량의 관계

정체의 발생은 앞서 언급했듯이 2층 통로계단참에서 두 번 발생했다. 1차 정체 발생은 고의로 정지한데 따른 것이다. 이 때, 1층 계단부의 밀도는 1.86명/㎡이며, 하한값 2.33명/㎡ 미만이었다<그림 11b>. 한편, 2차 정체 발생은 1층 계단부 밀도가 2.41명/㎡가 되었을 때에 일어나고 있으며, 하한값 2.33명/㎡를 상회하였다.
또한, 정체 해소에 대해서는 1차 정체에서는 3층 계단부의 선두에서 정지하자 4층 통로계단참 맨 앞은 정지하지 않고 해소했다. 이 때 3층 계단부의 밀도는 2.25명/㎡이며, 하한값 2.33명/㎡ 미만으로 되어 있었다<그림 11a>.

한편, 2차 정체에서는 3층 계단부가 2.34명/㎡가 되었을 때 4층으로 전파되었으며, 근소하게 하한치 2.33명/㎡를 초과하였다.

4. 고찰

본 연구에서는 훈련관측결과에 근거하여 합류 해소 후 정체의 발생과 전파 조건에 대하여 밝혔다. 합류 해소 후의 정체는 주로 세 가지 우발적인 정지 요인에 의해 발생하고 있으며, 발생한 정체가 전파되는 조건으로 각 공간의 밀도와 공간 상류 측의 유동계수 관계가 나타나며, 통로계단참 단부에서는 차이가 나타났다. 세부적인 내용은 다음과 같다.

(1) 합류해소 후 정체발생요인
정체는 주로 세 가지 우발적인 요인에 의해 2초간 정도의 짧은 정지에 의해 발생한다. 그 첫 번째 요인은 열린 문을 피하려고 단부의 선두가 일시적으로 정지된 데 따른 것이다. 두 번째 요인은 내측을 보행하는 대피자가 외측 대피자와 보조를 맞추기 위해 고의로 정지한 것이다. 세 번째 요인은 계단부의 밀도가 2.33명/㎡이상으로 되었을 때, 공간 상류 측 통로계단참의 선두가 우발적으로 정지한 것에 의해서이다. 이것은 통로계단참에서 단부로 내려갈 때의 동작이 늦어진 것으로 나타나고 있으며, 대피자간 거리가 너무 막히지 않도록 조정하고 있는 것이 원인이라고 추정된다.

(2) 발생한 정체 전파조건
각 공간의 밀도와 공간상류 측의 유동계수 관계에 따라 발생한 정체의 전파가 일어날 수 있는 조건이 다음과 같이 밝혀졌다.
계단실내에서는 대피 시작 후 밀도가 통로계단참 1.31명/㎡, 계단부에서는 1.65명/㎡(단부에서는 2.47명/㎡, 중간계단참에서는 1.63명/㎡), 각 유동계수가 모두 대략적으로 0.87명/m/s를 경계로 유동계수가 감소하고 있다. 또한, 정체가 전파되는 피크 밀도의 하한치로서 통로계단참에서는 1.98명/㎡, 계단에서는 2.33명/㎡(단부에서는 2.75명/㎡, 중간계단참에서는 1.88명/㎡) 이상이 되면 공간상류 측의 선두가 정지되었다. 정지 시간은 발생 직후에는 2초간으로 짧지만 평균 8.33초 후에 해소되었고, 정체가 반복하여 상층으로 전파되었다. 정체 전파는 하한치에 못 미칠 경우 해소되었다.
이와 같이, 통로계단참과 단부에서는 밀도와 유동계수의 관계가 다르다. 통로계단참에 비해 단부의 밀도가 높아지고 있는데, 이것은 단부에서는 2열로 정렬되어 있기 때문에 계단 폭에 대한 공간이 작기 때문이라고 생각된다. 또한, 공간 상류측이 최대 유동량이 되는 밀도 이하에서는 단부는 통로계단참에 비해 밀도의 증가에 대해서 유동량이 오르기 어려워진다. 이에 대해서는 과거 연구에서도 보고된 바 있다. 착지면이 넓고 평탄한 통로계단참에 비해 단부는 내려가기 어려운 점이 차이점으로 추측된다. 더불어, 공간상류 측이 최대 유동량이 되는 밀도를 초과하면 공간하류 측이 정지되는 경우에는 밀도가 상승하여 정체가 공간 상류 쪽으로 전파되고 있다. 이 때 정체의 전파 속도는 통로계단참(0.74m/s)에 비해 단부(1.00m/s)가 빠르고, 앞서 언급한 밀도의 차이로 인해 통로계단참과 단부가 다른 정체의 전파 성상을 갖는 것으로 생각된다.

5. 결론

본 연구에서는 도쿄에 위치한 25층 고층사무소건물에서 실시된 전관 대피 훈련에서 약 800명의 피난자를 관측한 결과를 분석하여 합류 해소 후 계단 실내에서 발생한 정체 발생 요인과 전파 조건에 대해 고찰하였다. 분석 결과로부터 얻은 지식은 다음과 같다.

(1) 합류 해소 후의 정체 발생에 대해서는 우발적인 요인으로서 ①열린 문을 피하려고 한 단부 선두의 일시 정지, ②고의 일시 정지, ③계단부의 밀도가 2.33명/㎡ 이상이 되었을 때의 공간 상류 측의 통로계단참에서 발생한 우발적인 정지가 그 한 원인이 된다.

(2) 발생한 정체가 전파되는 조건으로서 상류로부터의 유동계수가 0.87명/m/s가 되고, 밀도가 통로계단참에서는 1.31명/㎡, 계단부에서는 1.65명/㎡(단부에서는 2.47명/㎡, 중간계단참에서는 1.63명/㎡) 이상이 되면 유동량이 감소하고, 하한치로 해서 통로계단참에서는 1.98명/㎡, 계단에서는 2.33명/㎡(단부에서는 2.75명/㎡, 중간계단참에서는 1.88명/㎡) 이상으로 증가하면 각 공간의 선두가 정지되어 있다.

또한, 정체 전파는 이 하한치에 미치지 않을 경우 지연 없이 해소된다. 이 때 정체의 전파 속도는 통로계단참에서 0.74m/s, 단부에서는 1.00m/s가 된다. 실제 비상시 대피와 비교하면 보행환경이 다를 수 있기 때문에 보다 대피하기 쉬운 조건에서의 데이터로 생각된다.

한편, 고층 건축물의 연속된 계단 내 정체 발생과 전파가 일어나는 조건을 실제 환경 속에서 살펴볼 수 있는 귀중한 기회라고 생각된다. 그러므로 기초 데이터로서 대피 시뮬레이션 등에서의 활용이 기대된다. 하지만 현실 상황에서는 우발적인 요인도 있기 때문에 계속해서 전관 피난훈련의 실측조사를 실시하여 데이터 수집이나 경험을 축적할 필요가 있다.

※ 출처 : 일본화재학회논문집 Vol.69 No.3 p7~16

번역|김윤정. 한국소방안전원 정책연구소 연구원
대표저자|히로유키 가도쿠라(門倉 博之)

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