1. 서 론
2. 대상 건물 비상대피시설 구역 설정
2.1 대상 건물 개요
2.2 비상대피시설 설정
2.3 비상대피시설 위치 및 구역 설정
3. 방호 설계 적용에 따른 고려사항 및 분석
3.1 방폭 설계 고려사항
3.2 화생방 설계 고려사항
3.3 기타 사항 설계 고려사항
3.4 방호설계 적용 추가사항 및 공사비 분석
4. 결 론
1. 서 론
최근 국내외에서 산업발전으로 인한 산업폭발 및 가스시설물의 폭발과 같은 안전 사고가 빈번하게 발생하고 있다. 국내의 경우 2019년 정부의 수소경제 발전을 위한 로드맵 발표 이후 수소연료의 사용 증가로 2016년 이전 연간 평균 1건이었던 수소가스 사고가 2016년 이후 점차 증가하는 추세를 보였다. 또한 산업통상자원부에서 발표한 ‘제 3차 가스안전관리 기본계획’(MOTIE, 2025)에서 연평균 가스 사고 건수는 감소하였지만 23년 사고감소 추세가 둔화되었으며, 이중 LPG 사고로 인한 인명피해가 20년 53.1 %에서 24년 69.6 %로 증가한다는 것을 확인 할 수 있다. 국외의 경우 레바논의 베이루트 항구 폭발사고(2020), 중국의 텐진 항 폭발(2015), 미국의 텍사스 비료 공장폭발(2013) 등 산업발전으로 인한 폭발사고가 빈번하게 발생하였다. 산업발전 외에도 2005년 북한의 핵무기 보유 선언 이후 핵폭탄과 미사일에 관련한 안보 우려가 높아지고 있으며, 국외의 경우 “러시아-우크라이나 전쟁(2014)”과 “이스라엘-하마스 전쟁(2023)” 등 최근 발생한 현대 전쟁사를 통해 민간인의 피해가 적지 않다는 것을 알 수 있다.
폭발사고 위험 증가 및 불안정한 국제 정세 등으로 인하여 민간 방호시설에 대한 필요성이 증가하고 있으며, 국외에서는 핀란드(Merihaka Shelter, Itäkeskus swimming pool), 노르웨이(GjøvikOlympic Cavern Hall), 스웨덴(Klara Shelter, Katarinaberget Shelter) 등 북유럽 국가들의 경우 이미 대규모 방호시설을 평시에는 체육시설이나 공공 주차장 등 다목적 시설로 활용하다 전시에 대피소로 활용하고 있다. 미국은 개인벙커를 뒷마당에 설치하며, 이스라엘의 경우 1990년대 초 이후에 건설된 모든 주택과 산업 건물에 대피소를 설치하도록 법적으로 규정하고 있다. 인근 국가인 일본의 경우 북한의 미사일 위험성이 커지며 최근 대피소를 계획하는 추세이며 건물 지하에 핵 대피소와 개인 방공호에 대한 인식이 널리 퍼져있다.
반면 국내의 경우 ‘민방위 업무지침’(MOIS, 2025)에 따라 각 지역마다 대피시설을 운영하고 있지만 식수, 식량, 전기, 통신 등 필요 기준에 비해 관리가 미비하여 단순 대피기능만 수행 가능한 실태이다. 또한 민간 방호시설에 대한 법적, 설계 기준이 미비하여, 한국방호시설학회가 ‘방호시설 기준 방폭시설 설계기준 및 예제(2025)’(KPFI, 2025)를 발간하기 전까지 민간시설 방호설계 시 군사시설에 대한 방호설계를 기준으로 설계되는 등 관리 및 법제적으로 많은 연구가 필요한 상황이다.
국내 방호시설의 필요성 증대로 인하여 본 논문에서는 민간시설에 방호설계 적용시 추가되는 고려사항을 파악하고, 민간시설에 방호설계가 상용화될 수 있도록 분석하는 것을 목적으로 하였다. 이에 따라 기존에 설계된 민간시설을 대상으로 방호설계 적용에 따른 분야별 추가 사항과 비용을 비교하여 분석하였으며, 이후 민간시설에 방호설계를 적용하기 위한 방향성을 고찰하였다.
2. 대상 건물 비상대피시설 구역 설정
2.1 대상 건물 개요
본 논문에서는 공동주택 단지를 대상으로 방호설계를 적용하였다. 대상 건물은 주동 6개동 총 605세대의 단지이며, 지하에는 3개층의 지하주차장으로 구성되어 있다. 대상 건물은 방호시설기준(KPFI, 2025)에서 방호1등급으로 분류되며, 지하 3층(연면적 6,142.5 m2)에 방호설계를 계획하였다. 방호 1등급의 경우 Table 1과 같이 방폭에 대하여 15 m 거리에서 TNT 250 kg 폭발시 심한 손상 억제, 화생방에 대하여 1주간 오염방지, 방사능에 대하여 2주간 오염방지를 만족하여야 한다.
Table 1
Requirement level of protective facilities for buildings by protective
2.2 비상대피시설 설정
2.2.1 비상대피시설의 구성
대상 건물에서 방호설계가 적용되는 구역을 비상대피시설이라 지칭하였으며, 대상 건물과 같이 방호 1등급에 해당되는 경우 최대 2주동안 비상대피시설로서의 기능을 수행할 수 있어야 한다. 비상대피시설은 수용인원들이 보호장구를 착용하지 않고 활동할 수 있는 대피구역, 외부로부터 들어온 오염된 인원 및 장비를 제독하는 오염통제구역, 그리고 기계실로 구성된다. 기계실의 경우 가스입자여과기, 공조기, 급수탱크 등과 같이 오염되지 않아야하는 청정기계실과 비상발전기, 보일러, 경유탱크 등과 같이 오염이 가능한 오염기계실로 구분된다.
2.2.2 최소 비상대피시설 면적 산정
합리적인 비상대피시설을 적용하기 위해 수용인원 설정 후 수용인원 수에 적합한 구역을 계획하여야 한다. 수용인원에 비해 과도한 면적을 비상대피시설로 계획할 경우 방호시설에 필요한 설비가 과도하게 필요하며, 이로인해 총공사비가 증가되어 경제적이지 않은 설계가 된다.
대상 건물은 총 605세대이며, 건물이 위치해 있는 지역의 주민등록 인구 현황을 참고하여 세대별 인원을 2.7명으로 적용하였다. 비상상황 발생시 국방 동원 인력을 20 %로 가정하였으며, 수용인원을 605세대에 세대별 2.7명의 80 %로 약 1,300명으로 설정하였다. 설정된 수용인원에 대하여 비상대피시설의 구역별 면적을 고려하여 최소 면적을 계획할 수 있다. 본 논문에서는 1인당 대피구역 면적을 1.43 m2로 적용하였으며, 수용인원에 따른 대피구역을 비상대피시설의 약 70 %로 가정, 청정기계실과 오염기계실을 각각 비상대피시설의 약 14 %, 15 %로 가정하고 제독실(오염통제구역)을 60 m2의 오차범위 10 % 내외로 설정하였다. 이에따라 Table 2와 같이 대피구역 1,859 m2, 청정기계실 372 m2, 오염기계실 398 m2 그리고 제독실 54 m2로 총 2,683 m2를 최소 비상대피시설 면적으로 산정하였다. 이는 방호구역으로 설정한 지하 3층 주차장 면적인 6,143 m2 중 약 43.7 %를 비상대피시설로 사용하는 것이며, 비상대피시설 적용시 최소 비상대피시설 면적 이상으로 계획 할 수 있다.
Table 2
Area of emergency evacuation facility
2.3 비상대피시설 위치 및 구역 설정
대상건물 내 방호설계를 적용할 비상대피시설의 위치는 최하층인 지하3층의 주차장으로 설정하였다. 이는 외부의 폭발 및 오염된 공기로부터 효과적으로 방호 기능을 수행할 수 있으며, 평상시에 주차장으로 사용하고 비상시에 방호 구역을 구분하여 사용하기에 용이하다.
기존 지하3층에 앞서 산정한 최소 비상대피시설 면적과 방폭도어 위치의 적정성을 고려하여 구역을 Fig. 1(c)와 같이 설정하였으며, 기계실 인근에 방호를 위한 DA를 추가로 설치하였다. 방호 구역은 외부 출입경로를 고려하여 출입구 인근에 제독실(오염통제구역)을 계획하였으며, 표시된 방호구역은 실내에서도 방호문을 이용하여 구역을 구분할 수 있다. 이에 따라 대피구역 3,837 m2, 청정기계실 438 m2, 오염기계실 468 m2 그리고 제독실 58 m2로 총 4,801 m2를 비상대피시설 면적으로 산정하였다.
3. 방호 설계 적용에 따른 고려사항 및 분석
3.1 방폭 설계 고려사항
3.1.1 벽체 설계
지하구조물에 대한 방폭설계 시 폭탄의 제원, 구조물의 강도와 강성, 지하토질의 특징을 종합적으로 고려하여 방폭설계를 수행하여야 한다. 본 대상 건물의 방호시설(지하 3층) 벽체두께는 방호 1등급 수준인 심한 손상억제를 만족하도록 설계되어야 하며, Fig. 2의 Cr, Cd값은 식 (1)을 통해 계산된다.
또한 설계 시 사용된 변수는 Table 3과 같다. 여기서, w은 작약무게(kg), r은 폭발점과의 이격거리(m), L은 벽체 순높이(m), F와 K는 토질에 따른 변수, d는 벽체 혹은 슬래브의 유효깊이(m)이다.
Table 3
Design variable
| Explosive weight, w (kg) | Distance from explosion point, r (m) | Net wall height (m) | Soil prameter, K |
| 250 kg | 15 m | 3.75 m (Approximate) | 8,000 (Approximate) |
벽체 최소 두께 산정 결과, Fig. 2의 Cd값으로 부터 “① 미세한 균열지대(680 mm)”와 “② 가벼운 뒷면파쇄지역(490 mm)”의 중간값 중 안전율을 고려하여 최소 두께를 550 mm로 결정하였다. 기존 탄성설계된 지하3층 외벽의 경우 Fig. 3을 통해 300 mm~1,000 mm임을 알 수 있다. Fig. 3에서 점선으로 표시된 일부 외벽 구간은 방폭설계에서 요구되는 최소두께(550 mm)를 충족하지 못하므로, 최소두께인 550 mm 이상으로 벽체 두께를 증가시켜야한다.
방폭 설계시 벽체 최소 두께 산정 외에도 폭발하중에 대하여 구조부재가 연성적인 거동이 되도록 연성배근으로 설계하여야 하며, 폭발 시나리오에 따른 폭발하중 및 부재 단면 및 부재력 산정 등이 고려되어야 한다. 추가적으로 방호등급 및 벽체의 조건에 따라 목표 연성도를 만족하도록 Fig. 4(b), (c)와 같이 연성배근을 적용해야한다. 이는 기존의 토압에 대한 벽체 배근(Fig. 4(a))보다 폭발하중에 대한 벽체 배근이 더 복잡하고 소요철근량이 증가하게 되며, 시공성 및 경제성이 저하된다. 또한 폭발 하중 및 부재 설계의 경우 국방부의 설계 기준(MND, 2012)과 해외의 방폭설계 코드를 주로 적용하며, 방호시설기준(KPFI, 2025)에서는 UFC 3-340-02(U.S. DoD, 2013)를 상당 부분 참고하고 있다. 이에 벽체에 강섬유를 적용하는 바와 같이 연성배근을 대체할 수 있는 방안과 국내에 적합한 기준에 대하여 많은 구조실험과 연구가 필요한 실정이다.
3.1.2 상세해석
“3.1.1 최소 벽체 두께 산정”에서와 같이 수계산을 통한 지하외벽을 설계한 이후 상세해석을 통한 안전성 평가가 가능하다. 상세해석은 Fig. 4와 같이 폭발로 인한 부재의 파괴 시 요소의 분리 이후 시물레이션을 볼 수 있는 프로그램으로 계획할 수 있다. 현재 구조설계에서 일반적으로 사용하고 있는 유한요소법(FEM) 프로그램의 경우 노드를 기반으로 요소를 연결 하지만 응용요소법(AEM) 프로그램의 경우 면 사이에 스프링을 기반으로 요소를 연결하여 해석을 수행한다. 응용요소법(AEM)은 지진, 폭파, 충돌, 붕괴 등과 같은 동역학적인 하중으로 인한 요소의 붕괴 과정을 상세하게 모사하여 해석할 수 있으며, 대표적으로 ELS(Extreme Loading for Structures)(ASI, 2021) 프로그램으로 상세해석이 가능하다. 본 논문에서 방호설계가 적용된 지하 주차장은 ELS 프로그램을 통해 Fig. 6과 같이 모델링할 수 있으며, 구조부재, 지반, 폭발하중 등을 설정하여 Fig. 5와 같이 방폭 시뮬레이션을 볼 수 있다. 앞서 언급한 바와 같이 상세해석을 구조 부재의 설계에 활용할 수 있으며, 지반의 물성치, 이질제의 접합면에서의 마찰, 구조부재의 명확한 설계 산정식 등 활발한 연구가 이루어지면 보다 정밀한 상세해석을 기대할 수 있다.
3.2 화생방 설계 고려사항
3.2.1 DA 및 공기 청정 설비
화생방 방호시설은 내부 인원 및 장비 등을 보호하기 위하여 외부 폭풍압(충격파, 폭풍파) 및 공기 오염으로부터 내부 인원과 장비를 보호하는 기능이 필요하다. 화생방 방호설비 중 폭풍압을 차단하는 방폭밸브는 방호시설환기(급기, 배기) 기능을 하는 DA구역에 설치되어 외부로부터 발생한 폭풍압이 내부로 인입되는 것을 저감한다. 방폭밸브 종류로는 급기용, 배기용, 위생용 및 연도용으로 구성되어 있다. 또한, 가스입자여과기는 화학, 생물학 및 방사능 오염물질에 의해 오염된 외부 공기를 여과하여 실내에 청정한 공기를 공급하는 역할을 한다. 여과된 청정 공기는 양압 시스템에 의하여 방호시설 내부를 가압하여 외부의 오염 공기가 실내로 유입되는 현상을 방지한다.
양압시스템 가압 방식은 공조기와 가압송풍기 또는 가압송풍기 단독 운영으로 유지가 가능하며, 이때 청정구역의 양압 유지 및 오염통제구역 차압을 유지하기 위해서 역류방지밸브가 적용된다. 역류방지밸브 종류는 역류방지밸브 및 방폭겸용 역류방지밸브로 구성된다. 일반적으로 화생방 양압 시스템에 적용되는 최소 공기량과 양압은 Table 4, Table 5와 같이 유지한다.
Table 4
Minimum airflow rates applied to the CBRN positive pressure system
| Zone | Minimum airflow rate |
| Peacetime | 25 m3/h per Person |
| Conventional warfare | 25 m3/h per Person |
| CBRN (Chemical, Biological, Radiological, Nuclear) | 17 m3/h per Person |
| Simple shelter | 10 m3/h per Person |
Table 5
Minimum positive pressure maintained by the CBRN system
| Zone | Positive pressure |
| Clean Zone | 250 Pa |
| Airlock (AL) | 210 Pa |
| Vapor hazard Area (VHA) | 170 Pa |
| Liquid hazard Area (LHA) | 125 Pa |
| Anteroom | 80 Pa |
3.2.2 제독실(CCA, Contamination Control Area)
비상 상황 발생시 외부 오염이 발생하기 전에는 일반 출입구를 통해 대피가 가능하지만, 외부가 이미 화생방 오염물질에 의해 오염된 상황이라면 제독실을 경유하여 대피하여야 한다. 제독실은 이처럼 외부 오염시 외부로부터 내부로 진입하는 기능과 실내 대피자가 내부에서 외부로 퇴출하는 두가지 통로의 기능을 한다.
제독실은 화생방 전실(ESA), 액체오염구역(LHA), 기체오염구역(VHA) 및 공기폐쇄실(AL)로 구성되며 단계별 개념에 따른 행동절차를 준수하여야 한다. 단계별 개념은 Fig. 7과 같이 6단계의 개념 및 행동절차가 요구된다. 1단계(화생방 전실 입구)는 피복 및 신발 등 오염 여부를 확인한다. 2단계(ESA)는 소지품 제독, 보관 및 방독면 등을 제독한다. 3단계(LHA)는 방독면 보호두건 말아올림, 피복 및 피부 제독을 한다. 4단계(VHA)는 방독면 탈착 및 인체 샤워 단계이다. 5단계(AL)는 에어 샤워를 한다. 6단계(피복지급실)는 인체 잔여 오염 검사, 신규 피복 지급 및 착의를 한다.
3.3 기타 사항 설계 고려사항
3.3.1 저수조 및 공조기
민간 방호시설의 방호기간동안 내부 인원 생존과 활동 유지를 위해서는 급수시설(저수조)과 공기청정시설(공조기)이 필수적으로 요구된다. 저수조는 대피 기간 동안 오염되지 않고 급수를 수용 인원들에게 공급하는 것을 목적으로 한다. 공조기의 경우 평상시 실내에 공기를 급기, 환기 및 배기하며 온도, 습도 및 청정도를 조절해 내부 공기를 쾌적하게 유지하는 설비이다. 비상시 공조 시스템은 방폭 밸브와 가스입자여과기를 통해 화생방 위협에 대응하며, 양압시스템을 유지하여 외부 오염 공기의 유입을 방지하고 내부 환경을 안전하게 유지함을 목적으로 한다.
저수조와 공조기의 용량은 수용인원과 방호등급에 따른 대피기간을 고려하여 산정된다. 본 논문의 경우 수용인원 1,300명의 대피기간(화생방 1주, 방사능 2주)을 고려하여 저수조와 공조기의 크기를 산정하였으며, 산정된 저수조의 크기는 450 ton(20 m×10 m×3 m 규모)이며, 공조기의 크기는 9.0 m×7.7 m×4.0 m로 결정하였다.
3.3.2 EMP
공동주택 지하 방호시설은 핵 및 비핵 고출력 전자기파(EMP)를 비롯한 누설 전자기파에 대하여 최소한의 기능을 유지하기 위한 EMP 방호가 필요하다. 정부나 군사시설의 EMP방호는 높은 수준의 요구성능이 필요하지만, 현실적으로 공동주택은 동등한 수준의 방호 등급을 적용하기는 제한되는 사항이 많다. 이에 민간시설에서는 대부분 EMP공격에 대한 직접적인 영향을 받을 가능성이 적지만 핵공격 및 군사시설 인근에 위치할 경우 EMP방호에 대한 설계가 필요할 수 있으므로 선택적으로 적용할 수 있을 것이다. 방호시설기준(KPFI, 2025)에서는 전자파에 대하여 등급별로 구분하였으며, 특등급은 60 dB, 1등급은 40 dB의 전자파 요구성능을 제시하였다.
민간 방호시설 내부 인원을 생존시키기 위해서는 전력이 필요하며 비상시 상용 전원 차단에 대비하여 비상발전기가 설치되어야 한다. 민간 방호시설 비상발전기는 EMP 상황 발생에 대한 방사성 방호(건축적, 기계적 및 구조적 POE) 및 전도성 방호(도전선 선로 등 전기적 POE) EMP 방호 대책이 필요하다. 비상발전기의 최소 전력은 화생방 양압시스템 운전, 내부 조명 전력 및 생존에 필수적인 설비 등을 운영 가능한 수준으로 결정되어야 한다고 판단 된다.
3.3.3 방폭도어
화생방 도어는 방폭문과 가스차단문이 있으며, 폭풍압(충격파, 폭압) 및 공기를 차단하여 시설 내부의 인원과 장비를 보호하는 역할을 수행한다. 방폭문은 공기 밀폐기능이 없는 일반 방폭문(탄약고 등)과 구분되어 사용된다. 방폭문은 강재형, 철근콘크리트형 및 통철판형 등으로 구성되고, 슬라이딩 문보다는 스윙문으로 사용되며 폭압조건에 따라 요구되는 방호수준으로 제작 할 수 있다. 방폭문은 방호시설 인원 및 출입 동선 등에 따라 외부에서 내부로 출입되는 출입구(주출입구, 장비반입구, 점검구, 제독실 (외부, ESA) 및 비상탈출구 등)에 설치한다.
가스차단문은 철근콘크리트 또는 철재 형식으로 구성되며, 낮은 수준의 폭풍압 차단 및 오염 공기를 차단한다. 가스차단문은 방호시설 내부 오염구역과 청정구역 사이, 제독실 내부(LHA,VHA, AL) 및 기타 오염 차단이 필요한 위치에 설치되어 내부 구역 간의 오염 확산을 방지하는데 사용된다.
3.4 방호설계 적용 추가사항 및 공사비 분석
민간시설에 방호설계를 적용할 경우 벽체 최소두께 확보로 인한 외벽 물량 증가, 특수 설비(화생방 설계를 위한 방폭밸브, 환기 시스템, 양압 시스템, 제독실 설비와 EMP설계를 위한 비상발전기, 방사성 및 전도성 EMP 차폐 설비) 설치, 방폭도어 설치 및 기존 설비와의 분리 등이 추가되게 된다. 특히 수용인원이 방호기간 동안 대피가 가능하도록 환경을 조성할 수 있는 설비 분야에서 추가되는 비용이 상당하며, 수용인원 및 방호기간 설정에 따라 설비 비용이 차이가 크게 발생할 수 있다. 또한 EMP 설계에 따른 EMP 차폐시설 설치에 대한 비용이 크게 발생하게 된다.
이에 따라 대상 건물에 방호설계를 적용할 경우 기존 설계에 대한 총 공사비 대비 약 6 %의 공사비가 증가하는 것으로 예상된다. 그러나 앞서 언급한 바와 같이 민간시설 방호설계 시 EMP 차폐시설의 경우 군사시설과 다르게 EMP 공격에 직접적으로 노출될 확률이 높지 않으며, EMP 방호에 대한 높은 수준의 요구성능이 필요하지 않다. 따라서 EMP 방호의 적용 여부는 경제성과 실효성을 고려하여 전문가와의 협의를 통해 결정하는 것이 효과적일 수 있다. 만약 EMP 방호를 제외하였을 경우에는 총 공사비는 약 3~5 %가 증가하는 것으로 예상된다.
4. 결 론
방호설계 필요성이 증가됨에 따라 기존의 민간시설을 대상으로 방호시설학회에서 발간한 방호설계기준을 기반으로 하여 방호설계를 적용해보았다. 방호설계시 고려될 사항들을 보면, 앞서 언급한 Table 1과 같이 설계기준에서 제시한 방호등급에 적합한 방호수준을 만족하기 위해 전반적인 계획 및 수용인원에 따른 비상대피시설의 규모가 산정되어야 하며, 폭파에 대한 안정성 및 시뮬레이션, 그리고 필요한 다양한 설비장비 등 각각의 전문 분야별로 방호설계시 고려해야하는 사항들을 구분할 수 있다.
설정한 대상 건물에 방호설계를 적용할 경우 전체 공사비는 EMP미포함시 약 3~5 % 가량 증가하며, EMP 방호를 포함하면 약 6 % 가량 증가될 것으로 추산되었다. 이는 대상 건물의 규모에 따른 총 공사비를 고려하면 경제성 측면에서 부담이 될 수 있을 것으로 사료되지만, 신축설계시 방호설계 적용 구역을 편의시설, 체육관 등 수익 발생 가능한 시설로 사용할 수 있으며, 민간시설에 방호설계 적용이 일상화되면 설비비용이 감소하여 전체 공사비의 증가율이 현저히 적어질 것으로 기대할 수 있다. 이에 민간시설에 적절하게 적용할 수 있는 완화된 방호설계 기준 및 민간 방호시설에 대한 다양한 분야에서의 지속적인 연구가 필요하며, 향후 민간 방호시설의 제도화 및 설계 표준화에 대한 접근을 기대한다.
