본 연구에서는 장대 터널 화재시 발생되는 역기류를 제압하는 최적의 임계속도를 결정하기 위하여 제연설비를 가동시키는데 소요되는 시간, 피난자들의 대피시간 등에 대한 연구 자료들을 취합, 분석하였고, 이를 토대로 화재 시나리오를 설정하여 축소 모형실험을 실시하였다. 비상 환기시스템 가동시점을 분석한 결과, 화재 발생후 약 240초(약 4분)후 비상 환기시스템이 가동하게 되며, 제연팬 가동 후 4분 이내에 역기류를 제어할 수 있는 임계속도를 확보하는 것이 실제 터널에 적합한 시간 시나리오였다. 화재지점 주변의 역기류 분포를 분석하기위해 Froude 상사이론에 기초한 아크릴 재질의 축소비 1/50의 모형(직경 : 0.2m, 연장 : 20 m)을 제작하였고, Tetzner 식의 보정계수$(\beta)$를 변화시키며 화재지점 주변의 CO농도를 측정한 결과, 보정계수가 0.5인 경우에 피난허용시간 기준에 적합한 제연효과를 나타내었다.
본 연구에서는 장대 터널 화재시 발생되는 역기류를 제압하는 최적의 임계속도를 결정하기 위하여 제연설비를 가동시키는데 소요되는 시간, 피난자들의 대피시간 등에 대한 연구 자료들을 취합, 분석하였고, 이를 토대로 화재 시나리오를 설정하여 축소 모형실험을 실시하였다. 비상 환기시스템 가동시점을 분석한 결과, 화재 발생후 약 240초(약 4분)후 비상 환기시스템이 가동하게 되며, 제연팬 가동 후 4분 이내에 역기류를 제어할 수 있는 임계속도를 확보하는 것이 실제 터널에 적합한 시간 시나리오였다. 화재지점 주변의 역기류 분포를 분석하기위해 Froude 상사이론에 기초한 아크릴 재질의 축소비 1/50의 모형(직경 : 0.2m, 연장 : 20 m)을 제작하였고, Tetzner 식의 보정계수$(\beta)$를 변화시키며 화재지점 주변의 CO농도를 측정한 결과, 보정계수가 0.5인 경우에 피난허용시간 기준에 적합한 제연효과를 나타내었다.
In this study, scaled model tests were carried out to decide the optimal critical velocity, to prevent back layering in the case of fire in a long traffic tunnel. Realistic estimates were made for the time required for people to escape ken the tunnel and far the time required by the ventilation oper...
In this study, scaled model tests were carried out to decide the optimal critical velocity, to prevent back layering in the case of fire in a long traffic tunnel. Realistic estimates were made for the time required for people to escape ken the tunnel and far the time required by the ventilation operator to increase the system speed to full capacity. The analysis, predicts that the emergency ventilation will start about 240 seconds after the tunnel fire. It was also found that prevention of back layering would occur within 4 minutes after fan operation. To find out optimal critical velocity, a 1/50 scaled model tunnel(diameter : 0.2 m and length : 20 m) based on the Froude similarity technique was constructed. Changing $\beta$ values in the Tetzner's equation, smoke propagation was observed. From the experiment, it was concluded that using a $\beta$ value of 0.5 to prevent back layering successfully allowed time for safe evacuation.
In this study, scaled model tests were carried out to decide the optimal critical velocity, to prevent back layering in the case of fire in a long traffic tunnel. Realistic estimates were made for the time required for people to escape ken the tunnel and far the time required by the ventilation operator to increase the system speed to full capacity. The analysis, predicts that the emergency ventilation will start about 240 seconds after the tunnel fire. It was also found that prevention of back layering would occur within 4 minutes after fan operation. To find out optimal critical velocity, a 1/50 scaled model tunnel(diameter : 0.2 m and length : 20 m) based on the Froude similarity technique was constructed. Changing $\beta$ values in the Tetzner's equation, smoke propagation was observed. From the experiment, it was concluded that using a $\beta$ value of 0.5 to prevent back layering successfully allowed time for safe evacuation.
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문제 정의
본 연구는 터널 화재시 발생되는 역기류를 효과적으로 제어함으로써 터널의 실제 상황에 부합되는 합리적인 임계속도를 산출하는데 목표를 두었다. 차량 운전자와 제어실 운영자의 관점을 고려하여 터널 화재 발생 후 제연설비의 가동 시점과 적정한 임계속도를 구현하는데 걸리는 시간을 결정하였다.
혹은 화재 발생 후 전기 공급의 중단으로 인하여 화재설비가 가동되지 않거나, 비상팬의 역전 운행으로 인하여 더 큰 문제를 발생시키기도 한다. 본 연구에서는 화재 인지에 소요되는 시간을 감안하여 현실에 가장 가까운 화재 설비의 가동시간을 결정하기 위해 차량 운전자의 대피 시나리오와 제어실 운영자의 조정 시나리오 중 적합한 상황을 가정하여 종합적으로 함께 조합하여 분석하였다. 한편, 차량운전자로부터 제어실 운영자로 전달되는 화재 인지 수단에는 비상경보 비상 전화, 개인휴대전화, 화재감지기, CCTV 등이 있으나 CCTV의 경우는 터널 관리자의 시각적 인지에 소요되는 시간에 의존되므로 제외하였다.
Tetzner식이 실제 현상에 부합하는 것으로 보고하고 있다. 이에 본 연구에서는 합리적으로 임계속도를 고려하기 위하여 터널 화재 발생 후 제연설비를 가동시키는데 소요되는 시간, 피난자의 대피시간 등에 대한 연구 자료들을 취합, 정리하고, 이와 함께 Froude 상사를 기본으로 한 축소 모형실험(직경 : 0.2 m, 연장 : 20 m의 일방향 쌍굴 터널을 제작)을 실시하여 최적 임계속도 산출을 위해 D. Tetzner식의 보정계수(0) 값을 결정하는 것에 연구의 초점을 맞추었다.
최적의 임계속도를 결정하기 위하여 터널 화재시 비상 환기시스템이 작동하기까지 소요되는 시간과 피난자들이 안전하게 대피할 수 있는 시간과의 관계를 규명하는 것에 초점을 맞추었다. 앞서 언급한 바와 같이 비상 환기시스템이 작동되기까지의 시간은 4분으로 결정하였으며, 피난자들의 대피 가능시간을 결정하기 위해 문헌 조사를 실시하였다.
가설 설정
5 m(약 50 m) 떨어진 위치에 CO Prove (C3)를 설치하고 그 농도에 초점을 맞추어 역기류 분포를 해석하였다. 그림 5~8은 C3 위치에서의 CO농도 분포를 도시한 것으로서 화재발생 4분 후에 비상 환기시스템을 가동시키고, 가동 후 즉시 임계속도에 도달하는 것을 가정하여 실험하였다. 4가지 경우 모두 비슷한 양상을 보였으며 보정계수에 따라 CO 최고농도치의 변화가 나타났다.
제안 방법
1. 운전자 및 터널 관리자의 화재 인지에 소요되는 시간을 감안하여 현실에 가장 가까운 비상환기시스템 가동 시간을 문헌조사를 통해 결정하였다. 비상경보기의 경우 비상 환기시스템이 가동되는데 소요되는 시간은 약 230초 개인휴대전화를 사용하는 경우는 약 250초가 소요되었으며, 이러한 사실을 토대로 본 연구에서는 비상 환기시스템(Jet fan)의 가동시점을 4분(약 240초)으로 결정하였다.
1 분)로서 약 7초정도 초과하고 있음을 알 수 있다. D. Tetzner식의 보정계수(P)값이 0.5일 때 적정 피난시간에 초과된다는 결과에 주목하여 표 2와 같이 보정계수(。)값이 0.45, 0.55 인 경우로 나누어 추가 실험을 실시하였다. 추가 실험에 대한 결과는 그림 10에서와 같이 B값이 0.
일치하였다. 따라서 co농도의 시간대별 변화를 검토하여 연기의 전파를 추정하였다. 국내의 경우 한국도로공사의 고속도로 터널환기시설 설계기준에 고속도로 터널의 적정 CO농도로 차량속도 10 kn血일 때 100 ppm으로 설정하여 적용하고 있다".
국내의 경우 한국도로공사의 고속도로 터널환기시설 설계기준에 고속도로 터널의 적정 CO농도로 차량속도 10 kn血일 때 100 ppm으로 설정하여 적용하고 있다". 또한, 미국의 국가안전 기준인 NFPA(National Fire Protection Association) 502에서는 화재 발생 후 피난자들이 대피하는 동안(약 30분) 800 ppm을 초과해서는 안된다고 규정하고 있다” 그러므로 본 연구에서는 최악의 상황을 고려하여, CO농도 100 ppm까지를 피난자들의 대피가능 농도기준치로 설정하고, 차량 운전자들이 화재발생 사실을 유관으로 관측이 어려운 지점, 즉, 화재로부터 약 50m 이격된 위치를 기준으로 하여 적용하였다. 화재 지점으로부터 47.
운전자 및 터널 관리자의 화재 인지에 소요되는 시간을 감안하여 현실에 가장 가까운 비상환기시스템 가동 시간을 문헌조사를 통해 결정하였다. 비상경보기의 경우 비상 환기시스템이 가동되는데 소요되는 시간은 약 230초 개인휴대전화를 사용하는 경우는 약 250초가 소요되었으며, 이러한 사실을 토대로 본 연구에서는 비상 환기시스템(Jet fan)의 가동시점을 4분(약 240초)으로 결정하였다.
것에 초점을 맞추었다. 앞서 언급한 바와 같이 비상 환기시스템이 작동되기까지의 시간은 4분으로 결정하였으며, 피난자들의 대피 가능시간을 결정하기 위해 문헌 조사를 실시하였다.
비상 환기시스템이 가동되는데 소요되는 시간을 분석해 본 결과 비상경보기는 약 230초, 개인휴대전화는 약 250초의 시간이 소요되었다. 이러한 사실을 토대로 본 연구에서는 비상 환기시스템(Jet fan)의 가동시점을 약 4분(약 240초)으로 결정하였다.
차량 운전자와 제어실 운영자의 관점을 고려하여 터널 화재 발생 후 제연설비의 가동 시점과 적정한 임계속도를 구현하는데 걸리는 시간을 결정하였다. 이와 함께 Froude 상사를 기본으로 한 축소 모형실험을 실시하였다. 결론을 요약하면 다음과 같다.
제어실 운영자의 경우는 그림 4와 같이 화재 발생 후터널 운영자가 감지하는데 소요되는 시간(warning time), 화재 감지로부터 위험의 정도를 인지하는 시간(reaction time), 화재 인지로부터 어떤 행동을 취할 것인지 결정하는 시간edecision time), 행동을 취하는 ^(movement time)으로 나누어 생각할 수 있으며, 결국, 위의 두 가지 관점에서의 화재 시나리오를 작성하여 현실에 가장 부합되는 상황을 만들었다.
제작 모형은 그림 1과 같이 일방향 쌍굴 터널에 최대한으로 근사하도록 기하학적 형상을 모사하였으며, 터널부분은 실제 터널 단면의 1/50로 축소하고 길이 20 m, 단면직경 0.2 이의 아크릴 원관에 노면에 상당하는 아크릴판을 삽입하여 단면을 실제의 터널 기준 단면 과거의 동일하게 하였다. 단 실험 여건상 실제 터널 내화 재시 화재지점부터 입구까지 차량이 정체되어있는 형상은 구현하지 못하여 차량으로 인한 항력의 영향은 고려되지 못하였다.
임계속도를 산출하는데 목표를 두었다. 차량 운전자와 제어실 운영자의 관점을 고려하여 터널 화재 발생 후 제연설비의 가동 시점과 적정한 임계속도를 구현하는데 걸리는 시간을 결정하였다. 이와 함께 Froude 상사를 기본으로 한 축소 모형실험을 실시하였다.
터널 내 화재의 시나리오는 크게 차량 운전자의 경우와 터널 중앙제어실의 운영자의 경우 두 부분으로 나눌 수 있다. 차량 운전자의 경우는 그림 3에서와 같이 차량 내부에서 화재를 인지하며 있는 시간(time in the car), 화재 인지 후 차량 밖으로 나와 탈출구로 향하기까지의 시간(hesitation time), 차량에서 터널 탈출구로 탈출하는데 걸리는 시간(walking time)으로 나누었다.
측정은 터널내 화재시 발생한 연기의 거동특성에 따른 역기류를 확인하기 위하여 CO 농도를 대상으로 하였으며, 터널천장부에 연료의 불완전 연소로 발생하는 일산화탄소(CO)의 농도를 측정하기 위한 CO probe를 그림 2에서와 같이 설치하였다.
현재 고속도로 방재시스템 설계의 기준이 되고 있는 20MW 화재 강도를 적용하여 실험하였으며, 임계속도는 표 1과 같이 Tetzner 식의 보정계수를 변화시켜 4가지 경우로 나누어 실험하였다.
단 실험 여건상 실제 터널 내화 재시 화재지점부터 입구까지 차량이 정체되어있는 형상은 구현하지 못하여 차량으로 인한 항력의 영향은 고려되지 못하였다. 화원 부분은 아크릴 원형관의 변형을 방지하기 위하여 특수 유리로 제작하였고 실제 화재를 일으켜 스모크의 전파형태를 관찰할 수 있었다. 화재 초기에는 스모크가 터널 천정부에 집중적으로 분포하며, 점차적으로 터널 하부로 전파된다.
또한, 미국의 국가안전 기준인 NFPA(National Fire Protection Association) 502에서는 화재 발생 후 피난자들이 대피하는 동안(약 30분) 800 ppm을 초과해서는 안된다고 규정하고 있다” 그러므로 본 연구에서는 최악의 상황을 고려하여, CO농도 100 ppm까지를 피난자들의 대피가능 농도기준치로 설정하고, 차량 운전자들이 화재발생 사실을 유관으로 관측이 어려운 지점, 즉, 화재로부터 약 50m 이격된 위치를 기준으로 하여 적용하였다. 화재 지점으로부터 47.5 m(약 50 m) 떨어진 위치에 CO Prove (C3)를 설치하고 그 농도에 초점을 맞추어 역기류 분포를 해석하였다. 그림 5~8은 C3 위치에서의 CO농도 분포를 도시한 것으로서 화재발생 4분 후에 비상 환기시스템을 가동시키고, 가동 후 즉시 임계속도에 도달하는 것을 가정하여 실험하였다.
대상 데이터
또한, 화원은 직경이 7.5 cm인 pool식 버너를 사용하였다. Pool식 버너란 수평연료표면에서 연료가 자연 연소되는 버너로서, pool식 버너에서의 연소는 낮은 초기모멘텀 확산화염(diffiision flame)이라는 것과 부력효과에 의해 영향을 많이 받는다는 특징을 가짐으로써 실제 화재에서 나타나는 차량의 연소를 비교적 유사하게 모사할 수 있는 장점이 있다.
Pool식 버너란 수평연료표면에서 연료가 자연 연소되는 버너로서, pool식 버너에서의 연소는 낮은 초기모멘텀 확산화염(diffiision flame)이라는 것과 부력효과에 의해 영향을 많이 받는다는 특징을 가짐으로써 실제 화재에서 나타나는 차량의 연소를 비교적 유사하게 모사할 수 있는 장점이 있다. 연료로는 가솔린을 사용하였으며, pool 화재의 경우 발열량은 식 4에 의하여 결정된다(O. Megret, O. Vauquelin, 2000). 또한, 연료의 연소효율은 증발된 연료가 모두 연소가 되는 것은 아니라는 가정 하에 0.
성능/효과
2. 국내 터널의 피난연락갱 기준 간격이 250 m인 점을 감안하여볼 때, 피난시간을 4분, 피난 속도를 1.0 m/s로 적용하는 것이 실제 상황에 가장 부합된다. 그 결과 화재 발생 8분 후, 즉, 제연팬 가동 후 4분 이내에역기류를 제어할 수 있는 상기 속도가 실제 터널에 적합한 최적 임계속도(Critical velocity)7]- 된다.
3. 보정계수毎)의 값에 따라 적정 CO기준치(100 ppm)에 도달하는 시간을 볼 때, 0=0.2의 경우 452초 伊0.3의 경우 459초 片0.4의 경우 466초 P=0.5의 경우 487초가 경과된 후 모든 경우가 기준치(100 ppm이흐卜)에 부합되었다. 한편, 제연설비 가동시점을 기준으로 살펴보면, 212.
그림 5~8은 C3 위치에서의 CO농도 분포를 도시한 것으로서 화재발생 4분 후에 비상 환기시스템을 가동시키고, 가동 후 즉시 임계속도에 도달하는 것을 가정하여 실험하였다. 4가지 경우 모두 비슷한 양상을 보였으며 보정계수에 따라 CO 최고농도치의 변화가 나타났다. 화재 발생 후 330초에서 360초 사이에 170-200 ppm으로 최고 농도치에 도달하였으며, 그 이후로부터 CO농도가 감소되는 현상이 나타났다.
CO의 농도는 연기의 거동과 비례적으로 증가한다고 생각하여, 실험해본 결과 터널 후방에서 센서에 의해 co가 감지되는 시점과 관측된 연기의 도달시점은 거의 일치하였다. 따라서 co농도의 시간대별 변화를 검토하여 연기의 전파를 추정하였다.
그러나 약 400초(제연설비 가동 160초 후)이후부터는 점차 그 분포가 안정화 되면서 보정계수에 따라 적절하게 역기류가 제어되고 있다. D.Tetzner식의 보정계수Q3)값이 0.2, 0.3, 0.4의 경우는 모두 적정 피난시간(화재발생 8분 후)을 만족하며, 伊0.5 인 경우는 487초(약 8.1 분)로서 약 7초정도 초과하고 있음을 알 수 있다. D.
결국 터널 관리사무소에서 화재를 인지하는데 필요한 시간은 240초 정도가 될 것이며, 119센터로부터 화재 지점과 규모를 인지하였으므로 화재설비를 가동하는데 걸리는 시간은 약 10초가 된다. 결론적으로 개인 휴대전화를 이용할 경우 화재 설비를 가동하기까지 소요되는 총 시간은 120초+120초+10초=250초가 필요하다고 판단된다.
또한 화재 발생 지점을 파악(Td(o))하는데 30초 비상 환기 시스템을 가동(Tm(o))하는데 약 10초면 충분 할 것이다. 결론적으로 비상경보기에 의한 화재설비(Jet fan)의 가동까지 소요되는 시간을 120초+60초+50초=230초로 예상된다.
제어실 운영자는 비상전화를 이용하여 화재의 규모와 발생지점을 파악하게 되므로 비상경보기를 이용한 경우(50초)에 비해 약 40초를 절약할 수 있을 것으로 판단된다. 결론적으로 비상전화에 의한 화재설비 가동까지 소요되는 시간은 120초+230초+10초=360초가 예상된다.
0 m/s로 가정한다면 추정된 약 4분의 시간은 대피시간으로 실제 상황에 부합된다고 판단된다. 그 결과 최적의 임계속도는 화재 발생 8분 후, 즉 제연팬 가동 후 약 4분 이내에 역기류를 제어할 수 있어야 한다는 결론을 얻게 되었다.
한편, 제어실 운영자의 관점에서 판단하여 보면 비상경보를 듣고(Tw(o)), 인지하는 것(Tr(o))은 거의 동시에 이루어지며, 숙련된 관리자의 경우라면 최소 10초 이내에는 화재를 인지할 수 있다고 판단된다. 또한 화재 발생 지점을 파악(Td(o))하는데 30초 비상 환기 시스템을 가동(Tm(o))하는데 약 10초면 충분 할 것이다. 결론적으로 비상경보기에 의한 화재설비(Jet fan)의 가동까지 소요되는 시간을 120초+60초+50초=230초로 예상된다.
이는역기류의 전파 이후 4분후에 발생되는 임계풍속으로 인한 역기류 제어효과를 통하여 C3위치(화재지점으로부터 약 50 m)에서의 스모크 집중현상에 기 인된다. 비상 환기시스템(제연팬)이 가동되는 시점으로 판단할 때 약 97~127초(약 2분) 후에 CO 최고농도에 도달하고 그 이후 서서히 농도가 감소하는 것으로 나타났다.
또한 우리나라의 휴대폰 보급률이 세계 1위로서 약 3400만여 명이라는 휴대폰 인구를 감안하였을 때, 개인 휴대전화의 사용은 비상환기시스템을 가동시키는데 매우 큰 역할을 할 수 있을 것이다. 비상 환기시스템이 가동되는데 소요되는 시간을 분석해 본 결과 비상경보기는 약 230초, 개인휴대전화는 약 250초의 시간이 소요되었다. 이러한 사실을 토대로 본 연구에서는 비상 환기시스템(Jet fan)의 가동시점을 약 4분(약 240초)으로 결정하였다.
그리고 비상전화는 200 m 이내의 간격으로 설치되기 때문에 차량 운전자의 걷기 속도가 1 m/s라고 가정하면, 소요시간은 200초가 되며, 화재 상황을 제어실 운영자에게 설명하는데 30초가 걸린다고 가정하여 비상 전화를 통해 제어실 운영자에게 화재사고를 인지시키는데 걸리는 총 소요 시간은 230초가 된다. 제어실 운영자는 비상전화를 이용하여 화재의 규모와 발생지점을 파악하게 되므로 비상경보기를 이용한 경우(50초)에 비해 약 40초를 절약할 수 있을 것으로 판단된다. 결론적으로 비상전화에 의한 화재설비 가동까지 소요되는 시간은 120초+230초+10초=360초가 예상된다.
4가지 경우 모두 비슷한 양상을 보였으며 보정계수에 따라 CO 최고농도치의 변화가 나타났다. 화재 발생 후 330초에서 360초 사이에 170-200 ppm으로 최고 농도치에 도달하였으며, 그 이후로부터 CO농도가 감소되는 현상이 나타났다. 이는역기류의 전파 이후 4분후에 발생되는 임계풍속으로 인한 역기류 제어효과를 통하여 C3위치(화재지점으로부터 약 50 m)에서의 스모크 집중현상에 기 인된다.
98 ppm으로 CO적정 기준치에 부합되고 있다. 화재 발생 후 제연팬 가동시점을 기준으로 본 결과 각각 212.2초 219.2초 226초 247.5초로서 약 4 분 내에 역기류를 효과적으로 제어하고 있다. 250-400 초 구간의 경우 보정계수에 따라 일정하게 변화하지 않음을 볼 수 있는데 이는 화재지점으로부터 발생되는 역기류와 터널 입구에서 유입되는 임계속도가 충돌하면서 불규칙한 기류가 발생되어 불안정한 CO 농도분포를 나타낸 것으로 판단된다.
후속연구
5. 본 연구에서는 비상환기시스템 가동시점의 결정을 위하여 문헌조사를 통한 자료들의 수집 및 분석을 이용하였으나, 향후에는 확률적 분포 모델의 적용을 통한 시뮬레이션으로 피난자들의 피난상황을 시각적으로 분석하여야 할 것으로 판단된다.
참고문헌 (11)
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