지하철역사에서의계단및개찰구군중흐름에관한연구 김명훈 김응식 조주호 호서대학교안전보건학과 (2008. 10. 1. 접수 / 2009. 6. 2. 채택 ) The Study of Crowd Movement in Stair and Turnstile of Subway Station Myeoung-Hun Kim Eung-Sik Kim Ju-Ho Cho Department of Safety and Health Engineering, Hoseo University (Received October 1, 2008 / Accepted June 2, 2009) Abstract : Most of subway stations are located underground and the number of passengers is far more than that of designed value, therefore the risk of accident is growing bigger and serious damage is expected in case of disaster. In Korea the period of evacuation study is short and numerical and experimental data of evacuation phenomena in subway station is rare. Many egress evaluation depend on foreign commercial S/Ws which are not yet proven its availability in special case such as subway station. In this paper outflow coefficients which are essential in egress evaluation are calculated at train door, stairway and turnstile at 3 most crowed subway stations. This numerical data can be used in prediction of egress evaluation and the result of other prediction methods can be verified with these experimental data. Key Words : underground, subway station, evacuation, outflow coefficient 1. 서론 * 1.1. 연구의배경및필요성 지하철의경우많은역사들이지하공간에위치하고있으며사람들이가장많이이용하는교통수단으로서, 사용인원이개통당시인 1980 년약 280 만명에서현재약 73,000 만명으로약 257 배의증가율을보이고있어화재및기타재난이발생한경우대형사고의위험성이존재한다. 실제로 2003 년 2 월대구지하철역화재사고, 2005 년 1 월광명역방화사고등과같은화재사고가발생하고있다. 2008 년 2 월에숭례문방화사고역시방화범이 지하철에방화를시도하려다인명피해때문에포기하였다 는진술로써알수있듯이지하철역사는위험에노출될수있다. 지하공간에서의화재가위험한이유는폐쇄공간이라는점과피난방향이상방향 ( 上方向 ) 인점, 상방향피난통로와연기의이동경로가동일한점, 이용자가불특정다수이며공간인식이충분하지못한점및화재발생시급격한연기의확산및빠른화재전파등의현상들이존재하기때문이다. To whom correspondence should be addressed. eskim@hoseo.edu 한철저한실험및검증에의한분석이우선하며그결과를바탕으로외국문헌 1-6) 이나상용프로그램 10-13) 의적용성을검토하여야한다. 이는문헌의결과값이동일한실험조건에서수행되었다는보장이없으며, 프로그램의알고리즘또한다양한입력변수를고려하지않기때문이다. 피난소요시간평가는안전대책을세우는데있어서필수적이고, 이중에서도유출계수의산정은가장중요한요소이다 1). 유출계수 (outflow coefficient) 란병목이존재하는곳에서통로의폭이결정되어있을때단위시간당단위길이를통과할수있는인원수를나타낸계수로서, 전체인원이병목구간을통과하는데소요되는시간을예측할수있기때문에피난시간평가를위해서는필수적변수이다. 따라서본논문에서는지하철역사관측을통하여전체피난시간평가에필요한각병목구간에서의유출현상을관측하고유출계수를계산하였다. 1.2. 연구범위지하철역사에서의재해발생시확실한대책을세우기위하여피난성능평가가전제되어야한다. 그러나국내에서는피난에관한연구의역사가짧고각종형태의데이터부족으로인해외국상용프 88
지하철역사에서의계단및개찰구군중흐름에관한연구 로그램을기초로피난계획을수립하는실정이다. 또한국내자하철역사와같이동시간대많은인원이집중되어상방향으로피난하는외국의예를찾아보기힘들며, 더욱이역사피난실측데이터는전무한실정이다. 이에본연구에서는피난시가장유사하게피난상황을재현하기위하여하차승객이가장많은역사들중가장보편적인형태의승강장구조인 A 역 ( 하루이용객약 15 만명 ), B 역 ( 하루이용객약 20 만명 ) 및 C 역 ( 하루이용객약 8 만명 ) 14,15) 을선정하여병목이존재하는구간인전동차문, 개찰구, 계단에관측장비를설치하여피난평가에필요한데이터를취득하였으며, 이를바탕으로유출계수를산출하였다. 2. 이론적배경 2.1. 피난에영향을주는요소 실제화재및기타재난시피난에고려되어야할사항으로는개인별신체치수, 성별, 연령, 보행속도, 심리적인요인 16,17) 등의개인적특성치와화재발생시연기의농도, 연기의자극의정도등의화재성상그리고조명의밝기, 장애물의위치등의건축물의구조등이있다. 따라서피난형태는어느한가지요인에의하여결정되는것이아니라 Fig. 1 에서와같이구조물의특성, 개인의특성, 화재의성상등이함께연관성을갖고있다 18). 상용프로그램중 Simulex 는구조적특성만을고려하였으며 Exodus 는구조적특성및화재의성상을고려하였습니다. 본연구에서피난시발생되는병목구간에서의유출계수산정에는개인적특성이나화재의성상은고려되지않았다. 그러나이러한모든요인들을고려하여피난평가를하는것은사실상불가능한문제이며이는여 Fig. 2. Evacuation at bottleneck. 러관련분야연구자들사이에서아직논의되고있는중이다 5). 일반적으로전체피난시간은 Fig. 2 에서와같이병목의폭과이동거리에가장큰영향을받게되며이두변수로피난시간을예측하는알고리즘은가장일반적인방법으로통용되어왔다. 10-13,18,19) 본논문에서는전동차문, 계단, 개찰구등과같이피난에영향을주는병목구간을관측하였고이들은일반적으로알려진문 (Door) 에서의병목과다른유출계수를가지게된다. 2.2. 유출계수의정의및종류 유출계수란병목이존재하는곳에서통로의폭이결정되어있을때단위시간당그폭을통과할수있는인원수를나타낸계수 1,5) 로서피난시간평가를위해서는필수적변수이다. 지하철역사의경우전동차문에서의유출, 계단및개찰구에서인원의유출시간의산정에서유출계수가이용되었다. 본연구에서는지하철역사에서의병목구간인전동차문, 계단및개찰구에서의인원에따른유출을측정 분석하여유출계수를도출하였으며유출계수를산정하는방법은다음과같다. 1) 전동차문유출계수 [person/sec m] 전동차유출계수 = 인원 /( 시간 문폭 ) 1,5) (1) 2) 계단유출계수 [person/sec m] 계단유출계수 = 인원 /( 시간 계단폭 ) 1,5) (2) 3) 개찰구유출계수 [person/sec n] 개찰구유출계수 = 인원 /( 시간 개찰구수 ) (3) Fig. 1. The relation of evacuation behavior with various factors. 위의식 (3) 의개찰구유출계수는폭이일정한여러개의개찰구를통하여나오는유출계수가기존문헌 1-9) 에정의되어있지않으며모든역사의개찰구의폭이일정하여개찰구의개수가피난의시간 한국안전학회지, 제 24 권제 3 호, 2009 년 89
김명훈, 김응식, 조주호 을결정하기때문에본연구에서는개찰구수를측정하여유출계수를산출하는방법을사용하였다. 3. 연구방법및진행 3.1. 측정장소및측정장비 Fig. 3 은서울시내지하철역사중유동인구가가장많은 3 곳의시간대별유동인구를나타낸그림이다 14). 측정장소는유동인구가가장많은 A, B, C 지하철역사내에병목이예상되는전동차문, 계단및개찰구로선정하였다. 측정시간은하차인원이가장많은오전 7~10 시로선택하여데이터를획득하였으며이는출근시간에인원의유동이가장많으며한방향으로의이동이이루어져전체피난상황과가장유사하기때문이다. 3.2. 측정및분석방법 3.2.1. 분석을위한가정 NFPA 의 SFPE Handbook 1) 에서는비상시군중의흐름을예측하기위하여다음과같이가정하고있다. 1) 모든사람은동시에피난을개시한다. 2) 거주자의흐름은관련된사람들의의사결정으로인한개입이관련되어있지않다. 3) 관련된사람들의거의전부는집단이동을저해하는장애요소를갖고있지않다. 본연구에서는실제피난상황에서발생하는각각의현상들을모두재연할수없으므로실행불가능한실험조건들은발생하지않는것으로가정하였으며다음조건들과같다. 1) 피난시개인의상태및차이는고려하지않았다. 많은인원이피난시에개인의특성을측정하기가어렵다. 따라서노약자, 유아, 장애인은고려하지않는다. 2) 패닉및전도현상은존재하지않는다. 이와같은심리적인요인이나돌발적인상황에대한현상들은수치적으로모사가불가능하다. 하지만발생시에는대규모사상자가발생할수있다. 3) 개찰구의고장으로인한피난로의장애가발생하지않는다. 이는개찰구의고장은고장시점을판단할수없으므로돌발적인상황중의하나로보았다. 4) 조명은충분히밝으며연기하강은고려하지않는다. 3.2.2. 전동차지하철에서가장처음으로병목이생기는구간은전동차도착후문이개문되었을때이며, 하차를위한승객들이병목을이루고있는상태에서개문과동시에유출하기때문이다. 전동차에서의측정및분석방법은다음과같다. 1) 전동차문이열리기시작한시점부터유출되는인원수를매초당측정한다. 2) 관측장비에기록되어진각전동차별데이터를분석하여각전동차별유출계수를산출한다. 3.2.3. 계단지하역사에서의피난은일반적인피난과달리아래에서위로향해지므로계단은피난에있어서큰영향을미칠수있는구간중하나이다. 전동차에서많은인원이하차후모두계단으로이동하므로병목이발생한다. 지하철역사에서의계단로의개수는승강장의구조에따라다르며대표적으로 섬식 승강장 (Island Platform) 과 상대식 승강장 (Side Platform)(Fig. 5) 이있다. Fig. 3. The numbers of passenger in subway stations according to time flow. Fig. 4. Door outflow analysis process. 90 Journal of the KOSOS, Vol. 24, No. 3, 2009
지하철 역사에서의 계단 및 개찰구 군중흐름에 관한 연구 (a) Island Platform (b) Side Platform Fig. 5. Two kinds of platform type. 본 연구에서는 사람이 가장 많이 유동하는 A, B, C역사를 선정하여 섬식 및 상대식 구조의 계 단병목에 대한 유출특성 및 유출계수를 산출하였 다. 단, 복잡한 구조의 심층역사와 환승역은 고려 하지 않았다. 계단에서의 실험 및 분석 방법은 다 음과 같다. 1) 전동차 도착 후 계단을 오르는 승객들의 병 목이 시작되는 순간부터 병목이 종료되는 순간까 지의 시간과 유출되어지는 전체 인원을 계수하여 측정하였다. 2) 위의 1)을 이용하여 유출계수식을 산출하였다 3) Fig. 6의 처음 두 개의 그림에서 계단의 개수 를 설정 후 설정 계단 안의 인원수를 측정하여 밀 도를 결정한다. 4) Fig. 6의 마지막 두 개의 그림에서와 같이 기준인원이 구간을 통과할 때까지의 시간을 동영 상 편집기를 이용하여 측정한다. 5) 과정 3)과 4)에서 밀도 및 속도를 산출하였으 며 이를 이용하여 유출인원을 유추할 수 있다. Fig. 7. Turnstile outflow analysis process. 3.2.4. 개찰구 지하철 역사에서 또 다른 병목이 일어나는 구간 은 개찰구이다. 이는 승객들이 계단을 오른 후 검 표를 하기위하여 개찰구 앞에 정지하며, 검표 후 유출 시에도 삼발이를 미는 시간이 소요되기 때문 이다. 개찰구는 삼발이 와 센서식 의 두 가지 형 태가 있으며 A, B, C 역사에서의 유출계수를 산출 하였다. 개찰구에서의 측정 및 분석 방법은 다음과 같다. 1) 계단에서 올라온 승객이 개찰구를 통과한 시 간부터 마지막 승객이 통과한 시간과 개찰구를 통 하여 유출되어지는 전체 인원을 계수하여 측정하 였다. 2) 개찰구에서의 변수인 개찰구 개수와 1)의 측 정 결과로 각 개찰구당 인원별 유출계수를 산출하 였다. 4. 분석결과 4.1. 전동차 분석결과 Fig. 8은 전동차의 유출 인원수와 유출계수간의 관계그래프이다. 위의 그림에서 확인할 수 있듯이 전동차 내부에 하차인원의 밀도가 높을수록 유출 계수가 증가함을 알 수 있으며 전동차유출계수 산 정식은 다음과 같다. y = 0.55Ln(x) + 0.0349 Fig. 6. Stairway outflow analysis process. 한국안전학회지, 제24권 제3호, 2009년 (4) 사용 예는 아래와 같다. 지하철에 객차당 약 430 명이 탑승하고 있는 상태에서 피난을 시작한다고 하고 전동차의 문 하나로 나오는 인원은 약 54명 91
김명훈, 김응식, 조주호 Fig. 8. Outflow coefficient of train door. (430/8) 이며이인원을식 (4) 에대입하여유출계수를산출하고식 (1) 에대입하여피난시간을산출할수있다. 이경우약 19 초가예상된다. 4.2. 계단분석결과 4.2.1. 유출계수 Fig. 9 는실험대상역사로선정한 A, B, C 역사에서하차하여유출되는약 13,000 여명을대상으로측정한각역사계단의인원수별유출계수비교에관한그림이다. Fig. 11. Outflow coefficient of stairway at separated platform. 위의 Fig. 10 은승강장의형태별로나누어서비교해놓은그림이다. 그림에서 섬식 승강장형태의유출계수가상대식의유출계수보다낮은것을알수있다. 이는승강장의구조상섬식과상대식이계단로의개수및계단으로유도하는통로의폭이다르기때문에섬식에서의병목이상대식보다심하게나타난다. 또한 Fig. 11 에서섬식승강장의계단로한곳의최대유출인원이약 900 명까지관찰되었으며인원이늘어날수록포화되는경향을보여주고있다. 상대식승강장유출계수식 y = 0.192ln(x) + 0.078 (5) 섬식승강장유출계수식 y = 0.213ln(x) - 0.136 (6) Fig. 9. Outflow coefficients of stairway at A, B, C station. Fig. 10. Outflow coefficients of stairway according to platform type. 일예로서 1,000 명이피난시에계단에서소요되는시간은섬식승강장약 5 분 5 초, 상대식승강장약 4 분 44 초로예측할수있다. 본연구에서의계단의인원별유출계수식은로그함수꼴로표현하였다. NFPA 의 SFPE Handbook 1) 에서는계단을내려가는인원들에대한유출계수식을지수식으로근사하였으나본연구에서는계단을오르는인원들에대한유출계수산정식을분석하였으며로그형태의그래프가가장잘근사하는것을확인하였다. Fig. 12 의 (a) 는상향계단에서의밀도별속도그래프이고 (b) 는인원수별유출계수이다. 이두그래프를사용하여밀도와유출계수의상관관계를유도할수있다. 예를들어 (a) 의 x 점 ( 밀도 1.54 명 /m 2, 이동속도 0.52m/s, 계단분석방법 3) 번항참고 ) 에서두점을곱하게되면유출계수가되고구해진유 92 Journal of the KOSOS, Vol. 24, No. 3, 2009
지하철역사에서의계단및개찰구군중흐름에관한연구 (a) Walking velocity of stairway according to density 유출계수에대한그래프이다. A, B 역사는삼발이형태의개찰구이며 C 역사는센서형태의개찰구이다. A, B, C 역사모두유사한유출경향을보였으며센서식이삼발이식보다약간빠르게유출되는경향을볼수있다. 이는개찰구의작동방식의차이에기인하여수동형태의삼발이식이자동형태의센서식보다유출에영향을많이주기때문이라사료되어진다. 삼발이형태의 A, B 역사의각개찰구당피난인원이약 50 명이상인경우유출경향이일치함을볼수있으며이는삼발이식의개찰구에서병목이이루어진상황에서각개찰구당유출계수가 0.39[ 명 /s*m] 임을알수있다. 하지만센서식개찰구의경우심한병목이예상되었던출근시간에도삼발이식개찰구와는다르게병목이발생하는역이존재하지않았고이로인하여데이터를제한적범위에서밖에획득할수없었다. 개찰구에서의유출계수산정식은다음과같다. y = 0.1067Ln(x) - 0.0757 (7) (b) Outflow coefficient of stairway according to number of passengers Fig. 12. Correlation of density and outflow coefficient. 출계수에서 (b) 의 y 점을찾아인원수를얻을수있다. 결과적으로 50 명이유출할때밀도및속도를알수있다. 4.3. 개찰구분석결과 Fig. 13 은 A, B, C 역사의개찰구에서총 40,000 명을대상으로측정하여분석한각개찰구에서의 각개찰구별유출계수식은계단유출계수식과마찬가지로여러가지형태의추세선중결정계수가가장높은로그형태의함수로나타내었다. 일예로삼발이식개찰구 10 개로 1,000 명이피난시에개찰구에서소요되는시간은약 4 분 1 초로예측할수있다. 4.3.1. 계단부터의동선거리에따른개찰구유출인원분석 Fig. 14 는각개찰구에서인원수별유출계수이다. A 역 -1 의그래프는계단에서개찰구까지의동선이짧고대기면적이좁아바로병목이발생하여유 Fig. 13. Outflow coefficients of turnstiles at A, B, C station. Fig. 14. Outflow coefficients of various turnstiles. 한국안전학회지, 제 24 권제 3 호, 2009 년 93
김명훈, 김응식, 조주호 출계수가높은추이를보인다. B 역 -2 의개찰구의경우계단에서개찰구까지의동선이 X 자형태로교차되어흐름에방해를받아유출계수가작아진다. 이와같이개찰구에서도각각의형태에따라조금씩다른유출계수를갖게되는것을확인할수있었다. 5. 결론 본연구에서는지하철역사에서재난발생시피난에소요되는시간에가장큰영향을줄수있는전동차문, 계단, 개찰구등의병목을선정하여각구간에서의유출계수를산출하였으며결론은다음과같다. 1) 전동차문, 계단, 개찰구에서의피난인원별유출계수를구하였다. 인원이늘어날수록값이증가하다가포화하는경향을보이고있으며로그함수꼴로가장잘근사되었다. 또한이들의비교를통하여최종병목구간을확인할수있다. 2) 전동차문에서유출되는인원에대한유출계수를구함으로써객차당재실인원에따른유출시간을예측할수있다. 3) 계단에서의유출계수는승강장형태에따른계단로의개수와구조에영향을받으며섬식과상대식중섬식의유출계수가작았다. 4) 계단유출계수, 밀도및계단을오르는이동속도의상관관계를분석하였다. 5) 개찰구유출계수는센서식, 삼발이식모두유사한경향을보였으며센서식의유출계수가삼발이식에비하여높게관측되었다. 6) 지하철역사구조에따라개찰구및계단의유출계수가다소차이가있음을확인하였다. 7) 구해진유출계수를사용하여전체피난시간을예측할수있다. 참고문헌 1) SFPE Handbook of Fire Protection Engineering, 3rd Edition Chap.3.12~13. 2) 이수경, 정용기, 고한목, 최신건축방화, 도서출판의제, p. 200, 1998. 3) J.L. Pauls, International Life Safety and Egress Seminar, Maryland, November 1981: Summary of Presentations and Discussion, F. Safety J., 5, pp. 213, 1983. 4) J.L. Pauls, Development of Knowledge about Means of Egress, Fire Tech., Vol. 20, No. 2, pp. 28, 1984. 5) K. Togawa, Report No. 14, Building Research Institute, Tokyo, 1955. 6) J.L. Pauls, Effective-Width Model for Crowd Evacuation Flow on Stairs, Proceedings of 6th International Fire Protection Engineering Seminar, Karlsruhe, Germany, pp. 295~306. 1982. 7) J.L. Pauls and B.K. Jones, Building Evacuation: Research Methods and Case Studies, in Fires and Human Behaviour, John Wiley and Sons, New York, pp. 227~249, 1980. 8) J.L. Pauls, The 7-11 stair: Should It Be Required for Residential Construction? (Rebuttal to National Association of Home Builders), The Building Official and Code Administrator, May-June 1985, pp. 16~35. The Building Official and Code Administrator, 26 (May-June 1985). 9) Council on Tall Buildings and Urban Habitat Committee 8A, Fire Safety in Tall Building, Mc Graw-Hill inc, 1992. 10) Simulex User Manual, p. 39, Intergrated Environmental Solutions Ltd, 2001. 11) Peter Thompson, Modelling Evacuation in Multistory Buildings with Simulex, Fire Engineering journal, 1996.11. 12) building EXODUS User Guide and Technical Manual. 13) Evacuation model for merging traffic flows in multiroom and multi-storey buildings, Fire Safety Science Proceedings of the 4-th International Symposium, IAFSS, Ottawa, Ont., pp. 625~632, 1994. 14) 서울메트로 (www.seoulmetro.co.kr). 15) 서울특별시도시철도공사 (www.smrt.co.kr). 16) 長田泰公, 건축환경심리, 도서출판국제, pp. 154, 1992. 17) 윤승진, 재실자의피난형태모델링에관한연구, 호서대학교산업안전공학과석사논문, 1999. 2. 18) Bryan. J.L., Human Behavior in Fire the Development and maturity of a Scholarly Study Area, Human Behavior in Fire, 1998. 19) 김응식, 백상현, 대피시뮬레이션프로그램에대한고찰, 99 한국산업안전학회춘계학술논문발표회논문집, pp. 33~38, 1999. 6. 20) 김응식, 이정수, 초등학교공간구성형식에따른피난행태특성분석, 대한건축학회논문집, 제 16 권, 제 7 호, pp. 3~12, 2000. 7. 94 Journal of the KOSOS, Vol. 24, No. 3, 2009
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