1. 서 론
현재까지 건축되어진 대다수의 임대아파트는 유효면적 활용을 높이기 위한 방안으로 해당 층 전 세대가 복도, 계단, 엘리베이터 등을 공용으로 사용하는 편복도형의 형태를 나타내고 있다. 반면 편복도형의 경우 구조적 특성상 복도에 창호가 없어 통풍, 채광이 유리하나 강풍과 동파문제, 호우문제와 폭설 등 복도 내부로 침투하여 주거환경 삶의 질을 저하시킬 수 있는 문제점을 나타내고 있다. 본 문제를 해결하는 방법의 일환으로 최근 일부 임대주택 리모델링 공사에서 편복도의 외부 벽체를 창호로 마감하는 형태로 설치하는 시공방안이 시도되고 있다. 그러나 이러한 시공방안의 경우 화재 시 화염 및 연기의 자연배출이 지연되거나 방해의 요인으로 지적되고 있는 실정이다. 2011년 9월 한국토지주택공사(LH)에서 실시한 ‘갓복도식 공동주택 복도 배연현상에 대한 전산해석 연구용역’ 결과에 따르면, 갓복도식 공동주택 복도면적의 32.5%가 상시 개방되도록 복도창호를 설치하면 창문의 개방효과가 있어 배연 및 피난에 적절한 것으로 확인되었다. 국토교통부 관계부서에서 화재 시 편복도형 아파트의 창호 32.5% 이상 상시 개방을 하면 연기 배출문제 유무에 따라 편복도로 볼 수 있다고 의견을 제시하였다. 32.5% 개방되어진 창호에만으로는 눈과 비 등의 침입을 막는 것이 어려워, 고정형 루버 설치 등을 통한 입주민들의 요구가 빈번하게 발생하고 있다. 따라서 32.5% 개방된 기존 편복도 형태의 창호에 루버를 설치하여 위험성을 확인하고자 한다.
편복도형 아파트에 관하여 다음과 같은 연구 결과를 제시하고 있었다. Kim 등(1)은 복도에 창호를 설치할 경우 해당 공간이 실내로 간주되어, 소방법령에 따라 제연설비 및 스프링클러 등 소방설비 설치 의무가 발생함을 지적하였다. 이에 따라 추가 비용이 불가피하므로, 개방형 편복도와 창호로 마감된 복도를 비교하여 연기 배출 안전성과 환기 성능 저하에 대한 사전 검토가 필요하다고 주장하였다. Kim(2)은 복도 벽체의 개방 방식에 따라 화재 및 피난 안전성, 자연환기 성능에 미치는 영향을 시뮬레이션을 통해 분석하였다. 특히, 벽체 상부만을 부분 개방하는 방식이 환기 성능 저해 없이 주거환경 개선과 피난 안전성 확보에 효과적인 대안이 될 수 있음을 제시하였다. Lee(3)는 편복도형 아파트의 복도 창호 개방 정도에 따른 피난 적정성을 분석하기 위해 수치해석을 수행하였다. 연구에서는 복도 창호의 개구율 변화가 화재 시 연기 확산 및 배연 성능에 미치는 영향을 비교하였으며, 개방 면적이 증가할수록 복도 내 온도 상승이 완화되고 연기층의 하강 속도가 늦춰지는 경향을 확인하였다. 또한, 일정 비율(약 30% 이상)의 개방면적을 확보할 경우, 복도 내 체류자의 안전 확보에 유의미한 효과가 있음을 제시하였다. 이러한 결과는 복도 개구부 설계 시 단순한 환기 기능뿐 아니라 피난 안전성 확보 측면에서도 개구율의 정량적 기준을 고려해야 함을 강조하였다.
Kwark(4)은 복도 외벽의 시공 방식 변경이 피난 안전성과 환기 성능에 미치는 영향을 분석하였다. 특히 화재 시 연기가 피난계단으로 유입되지 않는다는 전제하에, 각 층에서 계단실로의 직접 진입이 가능하도록 방화문 폐쇄 및 계단실 보호 유지 관리의 중요성을 강조하였다.
Yakubu와 Sharples(5)는 루버(louver) 구조를 통과하는 공기 흐름 특성을 규명하기 위해 실험과 computational fluid dynamics (CFD) 해석을 병행한 연구를 수행하였다. 연구 결과, 루버의 기하학적 각도 변화가 공기 흐름 저항(airflow resistance)과 통과유량(flow rate)에 직접적인 영향을 미치며, 45° 각도에서 약 30~35% 수준의 유량 손실이 발생함을 확인하였다. 또한 실험 결과와 CFD 해석 결과가 잘 일치함을 통해, CFD를 활용한 루버 유동 해석이 실제 물리적 현상을 충분히 재현할 수 있음을 검증하였다.
본 연구는 편복도 형태의 공동주택에서 복도 측 개구부의 개방 조건에 따라 연기 배출 효과가 상이할 것으로 판단하고, 이에 따른 피난 안전성을 분석하였다. 구체적으로는 복도 측 개구부가 일부 개방된 경우, 상부 개방 공간에 루버를 설치한 경우, 상부 루버 설치와 함께 하부 창의 일부를 루버로 변경한 경우의 세 가지 조건을 대상으로 시뮬레이션을 통해 배연 성능에 미치는 영향을 검토하였다. 분석 대상은 임의로 선정한 3개 단지의 대표적인 아파트 구조 유형인 판상형, 절곡형, 타워형으로 구성하였으며, 각 구조 유형별로 다양한 루버 설치 조건을 적용하여 적정 개방률 확보 여부 및 그에 따른 피난 안전성을 정량적으로 평가하였다.
2. 연구방법
편복도형 아파트 복도에서 외부로 연기배출을 평가하기 위하여 national institute of standard technology (NIST)에서 개발된 화재분야의 전산유체역학 시뮬레이션 프로그램인 fire dynamics simulator (FDS) Ver 6를 사용하였다.
분석 대상은 공동주택 3개 단지를 선정하여, 실제 건축도면을 기반으로 아파트의 구조 유형을 판상형, 절곡형, 타워형으로 분류하였다. 구조 유형별로 판상형은 화재실의 개구부와 창호가 수평으로 있어 화재로 발생한 연기가 외부로 배연되기 쉬운 구조이며, 절곡형은 직각인 구조로 인하여 일부세대에 창호가 설치될 수 없어 세대수 대비 창호면적이 판상형보다 적다. 마지막으로 타워형의 경우 각 세대가 엘리베이터와 계단실을 품고 있는 구조로서 창호면적이 가장 적은 특징이 있다. 각 구조 유형별로 루버 미설치, 기본 설치, 40% 면적 추가 설치 및 하부 창호를 루버로 대체한 조건을 적용하여 Table 1과 같이 총 9개의 시나리오를 구성하였다.
Table 1
Classification of Scenarios According to Apartment Type and Louver Installation
Figure 1은 현재 설치되어 있는 창호의 모습이다. 붉은색 상자와 같이 하부 창호 상단 부분은 개방되어 있는 것을 볼 수 있다. Figure 2(a)는 상부 개방 부분에 루버를 설치한 것을 도식화 한 것이며 Figure 2(b)는 상부 루버를 설치한 면적을 제외한 하부 창호의 일부를 루버로 변경한 것을 도식화 한 것이다. 40% 면적 추가 설치한 시나리오는 하부창호의 면적을 기준으로 하였다.
Figure 1
Example of an opened section in the lower corridor window of a single-loaded corridor apartment.
이에 따라 본 연구는 Yakubu와 Sharples(5)의 연구에서 제시된 루버 각도별 공기 흐름 손실값(airflow loss rate)을 참고하여, 루버의 설치 각도를 45°로 설정하였다. 해당 연구에 따르면, 루버의 기하학적 각도에 따라 공기 흐름 손실률은 급격히 증가하며, 45°에서 약 34.2%의 흐름 손실이 발생한다(Table 2). 이는 환기 효율성과 외부 차단 기능 간의 균형을 고려할 때 실용적인 각도로 판단되었다. 따라서 본 실험에서는 복도 창호에 45° 각도의 루버를 적용하여 약 34.2%의 유량 손실(flow loss)이 발생하는 것으로 설정하였다.
Table 2
Airflow Resistance Values of Louver Systems (Flow Loss by Angle)
| Angle (°) | Flow Loss (%) |
|---|---|
| 15° | 4.8 |
| 30° | 13.1 |
| 45° | 34.2 |
| 60° | 56.5 |
Figures 3~5는 아파트 형태별 평면도를 기반으로 모델링 결과를 나타낸 것이다. 화재 위치의 경우 피난 출구인 비상계단 근처에 있는 세대에 설치하였다. 본 연구의 해석 영역은 화재실과 해당 층의 복도, 그리고 복도 외부 공간을 포함하도록 설정하였다. 화재실 내부의 창호는 폐쇄된 조건으로, 현관문은 개방된 상태로 설정하여 화재실에서 발생한 연기가 현관문을 통해 복도로 확산되고, 복도 창호를 경유하여 외부로 배출되는 과정을 Figure 6과 같이 모사하였다.
복도 내 연기 및 열 거동을 정량적으로 분석하기 위하여 복도 축을 따라 0.5 m 간격으로 측정 지점을 설정하였다. 각 지점에서는 화재 시 상부에 축적되는 연기층의 높이를 측정하는 layer height device와 1.8 m 호흡선 높이에 설치된 temperature device를 설정하여 동시에 측정하도록 하였으며, 이를 통해 시간 경과에 따른 거동 및 복도 전 구간에 걸친 분포 특성을 파악할 수 있도록 하였다.
2.1 화재위험성평가 조건
화재 조건은 피난 경로에 가장 큰 영향을 미치는 상황을 구현하기 위해, 각 단지 3층의 피난 출구에 인접한 세대에서 화재가 발생하는 시나리오로 설정하였다. 이는 복도 내 연기 확산이 피난 경로에 미치는 영향을 극대화하기 위한 조건이다. 화재는 총 600 s (10 min)간 지속되며, 최대 열방출률은 2,795.51 kW로 설정하였다. 이 화원의 경우 주거 침실공간에 옷걸이, 책상, 의자, 컴퓨터, 책장, 침대가 발화하였을 때를 가정하여 실험한 것으로 본 논문의 대상인 소형평수의 아파트에 적합하다고 판단되어 선정하였다. 그리고 reaction은 Polyurethane GM27로 선정하여 이에 따른 soot yield 값은 0.198로 설정하였다. 화재 성장 속도는 ‘빠른 화재(fast)’ 유형으로 분류되며, T2 곡선을 적용하여 600 s 시점에 최대 열방출률에 도달하도록 하였다(6).
본 시뮬레이션에 적용되는 격자크기는 화재실은 0.25 m, 환기구가 설치되는 복도의 경우 0.125 m로 설정하였다. 격자 크기는 화재 해석에서 널리 사용되는 NUREG-1824 가이드라인에서 제시하는 무차원 지표를 활용하였다. 이때 D*/δx 는 복도의 경우 11.6 화재실의 경우 5.8로 산정되었으며, 이는 가이드라인에서 제시하고 있는 4~16에 포함되는 값이다. 따라서 본 연구에서 채택한 격자는 연기층 형성과 열 축적을 모사하는데 충분하다고 할 수 있다(7,8).
복도 내의 연기 흐름과 배연 거동이 주요 관심 대상이므로, 복도 구간에서 보다 높은 해상도의 격자를 적용하였다. 특히, 복도 상단에 설치되는 루버 주변의 유동 특성을 정확히 모사하기 위해 루버 개구부에 최소 3칸 이상의 격자를 할당할 수 있도록 격자 크기를 설정하였다. 이러한 이유로 복도 영역은 화재실보다 더 세밀한 격자를 적용하였다. 외기면은 ‘open’ 경계 조건을 부여하여 내부 연기가 자연적으로 외부로 배출될 수 있도록 하였으며, 루버 설치 유무에 따라 배연 경로의 저항 특성을 달리 적용하였다.
설비 운용 조건은 최악의 상황을 반영하여 제연설비 및 스프링클러는 작동하지 않는 것으로 설정하였으며, 또한, 화재실의 방화문 및 발코니 창은 개방된 상태로 설정하여 연기의 복도 유입 가능성을 고려하였다. 건축적 조건은 각 유형의 실제 설계 기준을 반영하여 복도 폭, 천장 높이 등 주요 구조 요소를 적용하였다.
연기배출성능의 평가지표로는 복도 내 연기 확산 정도를 판단하기 위한 연기층 높이와, 창호를 통해 외부로 배출되는 연기(soot)의 질량을 사용하였다. 이들 지표는 복도 내 0.5 m 간격으로 설정된 측정 지점을 기준으로 수집되었으며, 모든 시나리오에서 동일한 조건 하에 비교⋅분석을 수행하였다. 이를 통해 아파트 구조 유형 및 루버 설치 조건에 따른 연기 배출 성능과 피난 환경의 변화를 정량적으로 평가하였다.
3. 시뮬레이션 결과
본 연구는 편복도형 공동주택의 세 가지 구조유형(판상형, 절곡형, 타워형)에 대하여 복도 개구부의 루버 설치 조건(무설치, 기본 설치, 40% 추가설치)이 피난환경에 미치는 영향을 수치해석으로 평가하였다.
판상형의 연기층에 높이에 따른 위험성을 분석하였다. 루버를 설치하면 개구부에서 유동저항이 증가해 자연배연이 저해되므로 연기층 유지 높이가 낮아질 것으로 예측하였으나 루버를 설치하지 않았을 때 평균 1.711 m에서 루버를 설치하였을 때 평균 1.707 m로 측정되어 유의미한 차이가 나타나지 않았다. 루버 40% 추가설치에서는 총 개방면적 확대에 따라 저항 증가 효과가 상쇄⋅역전되며 연기층 높이의 평균값이 1.967 m로 유의하게 상승하였다. 최소값 역시 1.087 m에서 1.758 m 약 61.7% 상승해 저층부로의 연기 하강이 감소하였다. 온도에서도 유사한 경향성이 나타났다. 루버를 설치하였을 때 설치하지 않았을 때 보다 평균온도가 64.0 ℃에서 67.0 ℃로 4.5%로 증가하였으며, 하부창호를 루버로 변경하여 추가적인 루버를 설치한 시나리오에서는 43.8 ℃로 약 34.6% 감소하였다. 최대온도 역시 154.3에서 96.7 ℃로 저감되어, 복도 공간의 열 축적이 완화되었다. 연기층과 온도 측면의 안전성이 증가는 실효 개방면적 확대가 배연성능 전반의 개선됨을 확인할 수 있다.
Figure 7
Mean smoke layer height in the corridor of the single-loaded corridor apartment (Slab-type) according to louver installation conditions.
Figure 8
Temperature variation in the corridor of the single-loaded corridor apartment (Slab-type) according to louver installation conditions.
Figure 9
Mean smoke layer height in the corridor of the single-loaded corridor apartment (Bent-shaped slab type) according to louver installation conditions.
Figure 10
Temperature variation in the corridor of the single-loaded corridor apartment (Bent-shaped slab type) according to louver installation conditions.
Figure 11
Temperature variation in the corridor of the single-loaded corridor apartment (Tower-type) according to louver installation conditions.
Figure 12
Mean smoke layer height in the corridor of the single-loaded corridor apartment (Tower-type) according to louver installation conditions.
절곡형은 루버 설치 시 연기층 평균 높이를 1.846 m에서 1.771 m로 4.1% 낮아졌다. 이는 공간구조가 절곡(유선) 특성상 개구부에 추가 저항이 부가될 때 흐름의 연속성이 더 크게 손상되기 쉬운 구조적 취약성을 시사한다. 또한, 하부 창호의 일부 추가 루버를 설치한 시나리오에서는 연기층의 높이가 1.913 m로 3.6% 상승한 것으로 나타났다. 온도에 대해서는 루버 설치에 따라 설치 전 평균 47.9 ℃에서 루버설치 후 평균 52.0 ℃로 약 8.6% 증가하였고, 루버 40% 추가설치에서는 42.1 ℃로 12.1% 감소하여 개방 면적 증가를 통해 루버설치에 따른 저항 증가 효과를 상쇄할 수 있음을 확인하였다.
타워형은 루버 설치 시 연기층 평균 높이를 1.392 m에서 1.335 m로 4.1% 낮아졌다. 이는 개구부 면적이 적은 타워형이 루버설치에 따른 저항 상승으로 인해 연기층 높이가 더 낮아져 위험성이 증가할 수 있음을 시사한다. 또한, 하부 창호의 일부 추가 루버를 설치한 시나리오에서는 연기층의 높이가 1.559 m로 12.6% 상승한 것으로 나타났다. 연기층의 높이가 개선되었지만 타 시나리오에 비해 상대적으로 낮은 연기층의 높이가 측정되었다. 온도에 대해서는 루버 설치에 따라 설치 전 평균 147.8 ℃에서 루버설치 후 평균 147.1 ℃로 유의미한 차이가 나타나지 않았으며, 루버 40% 추가설치에서는 평균 120.5 ℃로 18.5% 감소하는 것을 확인할 수 있었다.
Table 3은 각 시나리오별 마지막 1 min간의 평균 연기층 높이와 평균 온도를 비교한 결과를 나타낸다. 판상형의 경우, 루버 미설치(S1-1) 조건에서 평균 연기층 높이 1.573 m, 평균 온도 105.16 ℃로 나타났으며, 루버 설치(S1-2) 시 환기 저항 증가로 인해 연기층 높이는 1.470 m로 감소하고 온도는 115.77 ℃로 상승하였다. 반면 하부 창호 일부를 루버로 추가 변경한 조건(S1-3)에서는 연기층 높이가 1.850 m로 증가하고 평균 온도는 64.44 ℃로 낮아져 배연성능이 현저히 개선되었다. 절곡형에서는 루버 설치(S2-2) 시 연기층 높이는 소폭 감소하고 온도는 거의 일정하였으나, 하부 루버 추가 설치(S2-3) 시 연기층 높이가 증가하고 온도가 낮아지며 열축적이 완화되었다. 타워형의 경우 루버 미설치(S3-1) 조건에서 높은 온도(267.76 ℃)와 낮은 연기층 높이(1.093 m)가 확인되었다. 루버 설치(S3-2) 시에는 연기층 높이가 더 낮아졌으나, 하부 루버 추가 설치(S3-3) 시 연기층 높이가 1.354 m로 증가하고 온도가 209.35 ℃로 낮아져 제한적이나마 개선 효과가 나타났다. 따라서 단순 루버 설치는 복도 내 유동 저항을 증가시켜 배연성능을 저하시킬 수 있으나, 하부 루버 추가 설치를 통해 개구 면적을 확장하면 복도 내 열축적을 완화하고 연기층의 안정성을 확보할 수 있음을 확인하였다.
Table 3
Average Smoke Layer Height and Temperature During Final One Minute
Table 4에 나타난 결과를 요약하면 다음과 같다. 루버 미설치 조건에 비해 단순 루버 설치 시 복도 내 고온 상태가 더 길게 유지되어 배연성능이 저하되었으나, 하부 창호의 일부를 루버로 추가 변경한 경우에는 시뮬레이션 유지시간 5 min간 60 ℃ 초과하는 시간비율이 크게 감소하였다. 판상형과 절곡형에서는 각각 46.8%와 27.8%에서 17.8%와 9.3%로 감소하여 배연효율 개선이 뚜렷하게 나타났고, 타워형에서도 69.9%에서 65.9%로 다소 완화되는 경향을 보였다. 타워형의 경우 복도가 엘리베이터실과 계단실을 품고 있는 구조로서 세대수 대비 창호의 면적이 가장 작은 특징이 있다. 이에 따라 타 시나리오보다 배연성능이 좋지 못한 것으로 판단된다.
Table 4
Ratio of Duration Exceeding 60 ℃ for Each Scenario
| Scenario ID | Ratio of Time Exceeding 60 ℃ (%) |
|---|---|
| S 1-1 | 46.8 |
| S 1-2 | 52.6 |
| S 1-3 | 17.8 |
| S 2-1 | 27.8 |
| S 2-2 | 40.9 |
| S 2-3 | 9.3 |
| S 3-1 | 69.9 |
| S 3-2 | 70.4 |
| S 3-3 | 65.9 |
종합적으로 루버의 단순 설치가 환기 저항을 증가시켜 복도 내 열축적을 유발하는 반면, 하부 루버 추가 설치를 통해 개구면적을 확장하면 환기성능이 향상되어 고온 지속시간을 단축시킬 수 있음을 의미한다.
4. 결 론
본 연구는 편복도형 아파트 복도 창호에 루버를 다양한 방식으로 설치할 경우, 화재 시 연기 배출 성능과 피난 안전성에 미치는 영향을 정량적으로 분석하였다. 이를 위해 3개 유형의 판상형, 절곡형, 타워형 아파트 구조를 대상으로, 루버 미설치, 루버 설치, 루버 면적 40% 추가 설치, 하부 창호 루버 변경 등 다양한 시나리오를 설정하고, fire dynamics simulator (FDS)를 활용하여 시뮬레이션을 수행하였다.
분석 결과, 루버가 설치된 경우 모든 구조 유형에서 일정 수준의 연기 배출이 가능하였으나, 루버의 구조적 특성상 유량 저항이 발생하여 연기층의 하강 속도가 다소 빨라지고, 연기 배출량도 미설치 대비 유사하거나 소폭 감소하는 경향이 확인되었다. 이는 루버 기본 설치만으로는 자연배연 조건에 비해 일부 불리한 피난 환경을 초래할 수 있음을 확인하였다.
반면, 루버를 설치하지 않는 것과 같은 효과를 확보하기 위해서는 상부루버 설치 이후 하부 창에 루버 면적을 40% 추가 설치하는 방식이 모든 구조 유형에서 연기 배출 성능이 유의미하게 향상되었으며, 최대 28.8%의 연기 배출량 증가가 관측되었다. 이러한 방안은 연기층 하강 속도를 완화하고, 연기 체류 시간을 단축시키는 데 효과적이었다.
이러한 결과는 루버가 단순한 차양이나 외관 요소를 넘어, 적절한 구조적 보완과 설계⋅유지관리 방안이 병행될 경우, 화재 시 연기 배출을 유도하고 피난 안전성을 확보하는 효과적인 수단이 될 수 있음을 보여준다.
따라서 편복도형 공동주택의 리모델링 또는 신축 시에는 루버 설치로 인한 연기 배출 성능 변화뿐만 아니라, 거주자의 생활 편의성 및 미관과의 균형을 종합적으로 고려한 계획 수립이 필요하다. 본 연구에서 제시한 루버 설치 및 개방면 확대 방안은 화재 안전 확보를 위한 실효성 있는 설계 대안으로 활용 가능하며, 향후 관련 법규 정비 및 정책 수립 시 기초자료로 제공될 수 있을 것이다.
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