본 연구에서는 화재시나리오에 따른 터널구조물의 시공재료별 단면손실과 폭렬현상을 파악하고자 터널구조물 시공재료별로 시험체를 제작한 후 모의 화재시험을 수행하였다. 시공재료별로 화재시험을 수행한 결과, 모든 시공재료에서 RABT 화재곡선보다 RWS 화재곡선에서 단면손실이 다소 크게 발생하였다. 특히, RWS 화재곡선에서 나타나는 $1,200^{\circ}C$ 이상의 고온으로 인한 융해는 시공재료의 단면손실에 주요한 영향요인으로 작용하였다. 철근 보강 구조물은 무근 구조물에 비해 단면손실이 적은 것으로 나타났다. 숏크리트의 경우 화재 시나리오에 따른 단면손실의 차이가 가장 크게 발생하였다. 가열시험 도중에 가열면을 실시간 관찰한 결과, RABT에서의 재료 손상은 폭렬과 탈락에 의해 발생한 반면 RWS에서는 초기에는 RABT와 유사하나 가열개시후 약 50분 이후의 재료 손상은 폭렬과 탈락이 아닌 융해에 의한 것을 알 수 있었다.
본 연구에서는 화재시나리오에 따른 터널구조물의 시공재료별 단면손실과 폭렬현상을 파악하고자 터널구조물 시공재료별로 시험체를 제작한 후 모의 화재시험을 수행하였다. 시공재료별로 화재시험을 수행한 결과, 모든 시공재료에서 RABT 화재곡선보다 RWS 화재곡선에서 단면손실이 다소 크게 발생하였다. 특히, RWS 화재곡선에서 나타나는 $1,200^{\circ}C$ 이상의 고온으로 인한 융해는 시공재료의 단면손실에 주요한 영향요인으로 작용하였다. 철근 보강 구조물은 무근 구조물에 비해 단면손실이 적은 것으로 나타났다. 숏크리트의 경우 화재 시나리오에 따른 단면손실의 차이가 가장 크게 발생하였다. 가열시험 도중에 가열면을 실시간 관찰한 결과, RABT에서의 재료 손상은 폭렬과 탈락에 의해 발생한 반면 RWS에서는 초기에는 RABT와 유사하나 가열개시후 약 50분 이후의 재료 손상은 폭렬과 탈락이 아닌 융해에 의한 것을 알 수 있었다.
In this study, a series of fire tests was carried out to evaluate fire-induced damage to structural members in tunnels. From the tests, the loss amount of concrete materials under the RWS scenario was slightly bigger than under the RABT fire scenario. Especially under the RWS fire scenario where the...
In this study, a series of fire tests was carried out to evaluate fire-induced damage to structural members in tunnels. From the tests, the loss amount of concrete materials under the RWS scenario was slightly bigger than under the RABT fire scenario. Especially under the RWS fire scenario where the maximum temperature is over $1,200^{\circ}C$, the loss of concrete materials was mainly induced by melting. Generally, the loss of materials in reinforced concrete was slightly smaller than that in unreinforced concrete. Depending upon an applied fire scenario, fire-induced damage to shotcrete was quite different. From the realtime investigation of a specimen surface by a digital camcorder, it was proved that the material loss under the RABT fire scenario was mainly induced by spalling. However, it was also revealed that although fire-induced damage in the initial heating stage under the RWS was so close to that under the RABT, the material loss under the RWS at the later stage after 50 minutes elapsed since fire initiation was induced not by spalling but by melting.
In this study, a series of fire tests was carried out to evaluate fire-induced damage to structural members in tunnels. From the tests, the loss amount of concrete materials under the RWS scenario was slightly bigger than under the RABT fire scenario. Especially under the RWS fire scenario where the maximum temperature is over $1,200^{\circ}C$, the loss of concrete materials was mainly induced by melting. Generally, the loss of materials in reinforced concrete was slightly smaller than that in unreinforced concrete. Depending upon an applied fire scenario, fire-induced damage to shotcrete was quite different. From the realtime investigation of a specimen surface by a digital camcorder, it was proved that the material loss under the RABT fire scenario was mainly induced by spalling. However, it was also revealed that although fire-induced damage in the initial heating stage under the RWS was so close to that under the RABT, the material loss under the RWS at the later stage after 50 minutes elapsed since fire initiation was induced not by spalling but by melting.
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문제 정의
따라서 본 연구에서는 화재 후 터널구조물의 안정성 평가와 신속한 보수 · 보강공법의 선정뿐만 아니라 내화대책 마련을 위한 기본 자료를 제시하기 위하여, 전세계적으로 가장 대표적으로 적용되고 있는 지하공간 화재 시나리오인 독일의 RABT(Richtlinien fur die Ausstattung und den Betrieb von Straßentunneln) 화재이력곡선 및 네덜란드의 RWS(RijksWaterStaat) 화재이력곡선에 의해 터널구조물의 시공재료별 화재손상 특성을 규명하고자 하였다.
본 연구에서는 터널구조물에 사용되는 주요 시공재료에 대해 RABT 화재이력곡선과 RWS 화재이력곡선에 따라 가열면으로부터의 거리에 따른 온도이력을 분석하여 각 시공재료별로 화재로 인한 단면 손실과 화재후 잔존부의 손상 여부를 추정하였다. 또한 모의 화재시험으로부터 얻어진 시공재료별 온도이력 특성을 정량화하여 실무에 활용할 수 있도록 시험 결과들을 도식화하고 모델로 구성하고자 하였다. 이상의 연구로부터 얻어진 주요 결과들을 요약하면 다음과 같다.
본 연구에서는 터널 시공법에 따른 각종 시공재료의 화재 손상특성을 규명하고자 NATM터널의 콘크리트 라이닝에 대한 무근 콘크리트(갱구부등 제외), 침매터널 또는 복개터널과 같은 박스구조물에 사용되는 철근 콘크리트, 쉴드터널에 적용되는 콘크리트 세그먼트 그리고 아직까지 국내에 적용사례는 없으나 양호한 지반조건에서 향후 적용 가능성이 높은 싱글쉘 터널공법에 대한 숏크리트에 대해서 화재 시험용 시험체를 제작하였다. 시험에 사용된 시험체의 크기는 1,400(가로)×1,000(세로)×500(높이)mm이며, 숏크리트 시험체의 경우는 외부 밑판의 크기는 위와 동일하며 숏크리트 부분의 크기는 1,000×600×300mm이다.
본 연구에서는 터널구조물에 사용되는 주요 시공재료에 대해 RABT 화재이력곡선과 RWS 화재이력곡선에 따라 가열면으로부터의 거리에 따른 온도이력을 분석하여 각 시공재료별로 화재로 인한 단면 손실과 화재후 잔존부의 손상 여부를 추정하였다. 또한 모의 화재시험으로부터 얻어진 시공재료별 온도이력 특성을 정량화하여 실무에 활용할 수 있도록 시험 결과들을 도식화하고 모델로 구성하고자 하였다.
앞선 모의 화재시험으로부터 얻어진 시공재료별 화재 손상 특성을 정량화하여 실무에 활용할 수 있도록 시험결과들을 도식화하고 모델로 구성하고자 하였다.
제안 방법
무근/철근 콘크리트의 강도는 일반적인 라이닝의 표준강도인 21~24MPa(재령 28일 기준)인 콘크리트를 사용하였고, 숏크리트는 21MPa(재령 28일 기준)이상의 숏크리트를 사용하였다(대한터널협회, 1999). 각 시공재료별 배합은 현장 배합시험 결과에 따라 조정되어 현장에서 사용하고 있는 현장 배합표를 사용하였다. 세그먼트 콘크리트의 경우는 강도를 제시하고 있는 특별한 시방기준이 없어서 세그먼트 콘크리트를 전문적으로 제작하는 업체에서 사용하는 배합을 따랐다.
4mm으로서, 충격에 강하며 외피의 절연효과가 우수하여 시험결과의 편차가 작다는 장점이 있다. 또한 시험체 타설로 인해 당초 설정한 열전대 위치가 변화되는 것을 방지하기 위하여 열전대 가이드를 몰드에 설치하였고, 열전대의 맨 끝부분에서 온도가 측정되므로 끝부분을 시험체의 중심에 맞추었다.
본 시험에서는 시험체 제작시 시공재료별로 열전대를 미리 설치하고 시험체를 제작하였다. 무근콘크리트, 철근콘크리트, 세그먼트 시험체의 열전대는 시험체의 초기 가열면으로 부터 5, 10, 15, 20, 25, 30, 40cm 위치에 총 7개가 설치되었다. 그리고 숏크리트 시험체는 화재면으로부터 5cm 간격으로 총 6개가 설치되었다.
본 시험에서는 시험체 제작시 시공재료별로 열전대를 미리 설치하고 시험체를 제작하였다. 무근콘크리트, 철근콘크리트, 세그먼트 시험체의 열전대는 시험체의 초기 가열면으로 부터 5, 10, 15, 20, 25, 30, 40cm 위치에 총 7개가 설치되었다.
사용된 K-type 열전대(최대온도: 1,370℃, 신뢰도: 0.75% or ±2.5℃)는 제조시 KS규격에 따라 표준과학원의 표준센서를 통하여 검정된 제품을 사용하였고, 본 실험에서는 가열로내의 R-type 열전대(최대온도: 1,800℃, 신뢰도: 0.25% or ±1.5℃)를 통하여 검정하였다.
열전대가 설치된 시험체를 그림 8과 같이 거치한 후 각 열전대에서 측정되는 온도 자료를 1초 간격으로 저장하였으며, 폭렬 및 탈락 현상을 관찰하고자 가열로 후면의 관찰창에 디지털 캠코더를 설치한 뒤 시험 완료시까지 촬영하였다. 함수량의 영향을 최소화하고자 모두 재령 28일 이후에 양생된 시험체 들에 대하여 화재 시험을 실시하였다.
열전대가 설치된 시험체를 그림 8과 같이 거치한 후 각 열전대에서 측정되는 온도 자료를 1초 간격으로 저장하였으며, 폭렬 및 탈락 현상을 관찰하고자 가열로 후면의 관찰창에 디지털 캠코더를 설치한 뒤 시험 완료시까지 촬영하였다. 함수량의 영향을 최소화하고자 모두 재령 28일 이후에 양생된 시험체 들에 대하여 화재 시험을 실시하였다.
대상 데이터
무근/철근 콘크리트의 강도는 일반적인 라이닝의 표준강도인 21~24MPa(재령 28일 기준)인 콘크리트를 사용하였고, 숏크리트는 21MPa(재령 28일 기준)이상의 숏크리트를 사용하였다(대한터널협회, 1999). 각 시공재료별 배합은 현장 배합시험 결과에 따라 조정되어 현장에서 사용하고 있는 현장 배합표를 사용하였다.
본 연구에서는 RABT 및 RWS 화재이력곡선을 모사하기 위해 버너의 최대용량이 580,000 kcal/hr이고, 가로 1,100 mm, 세로 700mm, 높이 600mm인 수평 가열로를 제작 · 사용하였다. 사용된 가열로는 그림 2와 같으며, 우측의 제어판에서 가열로내의 온도를 조절할 수 있다.
본 연구에서는 터널 시공법에 따른 각종 시공재료의 화재 손상특성을 규명하고자 NATM터널의 콘크리트 라이닝에 대한 무근 콘크리트(갱구부등 제외), 침매터널 또는 복개터널과 같은 박스구조물에 사용되는 철근 콘크리트, 쉴드터널에 적용되는 콘크리트 세그먼트 그리고 아직까지 국내에 적용사례는 없으나 양호한 지반조건에서 향후 적용 가능성이 높은 싱글쉘 터널공법에 대한 숏크리트에 대해서 화재 시험용 시험체를 제작하였다. 시험에 사용된 시험체의 크기는 1,400(가로)×1,000(세로)×500(높이)mm이며, 숏크리트 시험체의 경우는 외부 밑판의 크기는 위와 동일하며 숏크리트 부분의 크기는 1,000×600×300mm이다. 이상과 같은 각 시공재료별 시험체의 배합설계는 표 1과 같다.
그리고 숏크리트 시험체는 화재면으로부터 5cm 간격으로 총 6개가 설치되었다. 시험에 사용된 열전대는 시즈 열전대(sheathed thermocouple)이다. 시즈 열전대는 외피가 스테인리스 재질(SUS316)이며 내부는 산화마그네슘으로 충진되어 있고 지름이 6.
그림 4에서 그림 5는 각 시공재료별로 시험체의 제작에 사용된 몰드와 철근배근 및 열전대 설치사진이다. 철근콘크리트 시험체의 철근배근은 철근배근에 대한 세부적인 별도의 시방기준 등이 없어서 몇몇 터널현장의 설계도서를 조사하였고 모사하고자 하는 천장부 철근배근을 조사한 결과, 유사한 형태로 배근되어 있어 조사자료 중 하나인 부산 지하철 3호선 2단계 2공구 토목공사(2003)의 철근 상세도를 참고로 하였다. 이때 사용한 주철근은 D25와 D16이며 스트럽으로는 D13을 사용하였다(그림 5).
이론/모형
이때 사용한 주철근은 D25와 D16이며 스트럽으로는 D13을 사용하였다(그림 5). 세그먼트 시험체의 철근배근은 세그먼트 제작업체에서 제공한 시공 도면을 참고로 하였다. 토피고에 따라 약간의 차이는 있지만 대부분 H19와 H13의 철근으로 배근되어 있다(그림 6).
성능/효과
그림 15(a)와 같이 RABT에 의한 화재시험에서는 폭렬과 탈락에 의해 숏크리트의 단면손실이 거의 발생하지 않았으며, 가열면으로부터 5cm 떨어진 지점의 최대 온도도 500℃정도이고 10cm 떨어진 지점에서도 최대 200℃ 정도로서 숏크리트의 손상은 가열면으로부터 5-10cm 사이에 국한되는 것으로 나타났다. 그러나 그림 15(b)와 같이 RWS에 의한 화재시험에서는 가열면으로부터 20cm 떨어진 지점까지 숏크리트가 손실되었으며 온도 증가도 급격히 상승하는 것으로 나타났다.
그림 15(a)와 같이 RABT에 의한 화재시험에서는 폭렬과 탈락에 의해 숏크리트의 단면손실이 거의 발생하지 않았으며, 가열면으로부터 5cm 떨어진 지점의 최대 온도도 500℃정도이고 10cm 떨어진 지점에서도 최대 200℃ 정도로서 숏크리트의 손상은 가열면으로부터 5-10cm 사이에 국한되는 것으로 나타났다. 그러나 그림 15(b)와 같이 RWS에 의한 화재시험에서는 가열면으로부터 20cm 떨어진 지점까지 숏크리트가 손실되었으며 온도 증가도 급격히 상승하는 것으로 나타났다. 또한 가열면으로부터 25cm 떨어진 지점의 최대 온도도 약 500℃로 측정되어 잔존부에서도 상당한 손상이 예상되었다.
1. 무근 콘크리트의 경우, RABT 화재시나리오에서는 폭렬과 탈락에 의한 단면손실이 가열면으로부터 10cm지점까지 발생하였고 15cm 지점까지 300℃ 이상의 온도에 도달하여 상당한 재료적인 손상이 발생했을 것으로 예측되었다. 반면 RWS 화재시나리오에서는 RABT의 경우와 비교하여 상대적으로 단면손실이 5cm 정도 크게 나타났지만 1,200℃이상의 고온으로 인해 융해가 발생하여 가열면으로부터 5cm 떨어진 지점을 제외하고는 RABT에 비해 온 도구배가 다소 낮게 나타났다.
2. 철근 콘크리트와 콘크리트 세그먼트의 경우, RABT 화재 시나리오에서는 단면손실이 가열면으로부터 5~10cm 지점까지 발생하였고, RWS 화재시나리오에서는 약 10cm 지점까지 발생하였다. 화재 종료후 잔존부에서는 가열면으로부터 최대 15cm 지점까지 재료적인 손상이 발생한 것으로 예측되었다.
3. 숏크리트의 경우, RABT 화재이력곡선에서는 폭렬과 탈락에 의해 단면손실이 거의 발생하지 않은 반면 RWS 화재 이력곡선에서는 약 20cm이상의 단면 손실이 발생하였다. 이것은 화재강도에 따라 화재로 인한 숏크리트의 손상 메커니즘이 달라지기 때문인 것으로 판단된다.
4. 모의 화재시험 결과에서 얻어진 가열면으로부터의 거리와 가열시간에 따른 온도변화를 회귀분석한 결과, 음지수함수와 Boltzmann함수로 근사시킬 수 있음을 알 수 있었다. 이상과 같이 본 연구에서 제시한 온도이력 자료는 CFD해석을 수행하지 못할 경우에도 화재 경과시간과 가열면으로부터의 거리에 따른 시공재료 내부의 온도를 추정하는데 유용하게 활용할 수 있을 것으로 판단된다.
즉, 가열로 내부 온도가 약 1,200℃ 정도인 시점에서 단면손실이 발생한 5cm 지점에서는 RABT와 비슷한 현상이 나타나서 폭렬과 탈락에 의해 콘크리트가 손실되지만, 그 이후의 경과시간에서는 융해에 의해 콘크리트가 손실되기 때문에 온도 상승구배가 나소 낮게 나타난 것으로 판단된다. 그림 10에서와 같이 화재 시험후 가열면의 상태를 조사한 결과에서도 RABT에서 융해가 발생한 지점은 육안으로 관찰하기 어려웠으나, RWS에서는 가열면 전체가 융해가된 후 자연냉각이 되면서 다시 굳어진 것을 쉽게 확인할 수 있었다.
이것은 가열면으로부터 약 8cm(철근 피복두께) 떨어진 지점에 위치한 철근을 손상시키는데 상당한 열량이 소모되어 이로 인해 무근 콘크리트와 비교하여 상대적으로 철근 콘크리트의 단면 손실이 적게 발생한 것으로 판단된다. 또한 무근 콘크리트에 대한 시험결과와 마찬가지로 RWS에 의한 화재시험후 가열면은 최대 1,350℃의 고온으로 인한 융해가 발생하여 RABT보다 큰 손상이 발생되었으며 콘크리트의 손실량도 더 크게 나타난 것을 확인할 수 있었다(그림 13 및 그림 14). 일반적으로 고강도 콘크리트일수록 폭렬 및 탈락이 더 크게 나타나는 것으로 알려져 있다.
반면 RWS에서는 일반적으로 콘크리트의 융해가 발생하는 1,200℃이상의 온도가 약 2시간 동안 지속되기 때문에 수증기압에 의한 손상이 발생하지 않더라도 그림 16(b)와 같이 융해에 의해 지속적인 단면 손실이 발생하는 것을 알 수 있다. 이상과 같이 최대온도가 1,200℃이하의 화재 온도에서는 숏크리트의 단면 손실은 크지 않은 것으로 볼 수 있으나, 재료의 융해가 발생되는 1,200℃이상의 화재가 발생할 경우에는 일반 콘크리트 재료보다도 매우 취약함을 알 수 있다.
그러나 RWS에서는 가열개시후 약 50-60분 사이에 콘크리트 및 숏크리트 재료의 융해가 관찰되었다. 즉, RWS에서 가열개시후 약 50-60분 이후에는 1,200℃ 이상의 고온이 장시간 유지됨으로 인해 화재로 인한 재료의 단면 손실은 폭렬과 탈락이 아닌 융해에 발생하는 것을 증명할 수 있었다.
즉, 1,200℃이하에서는 폭렬의 주된 요인인 수증기압이 외부로 발산될 수 있는 내부 공극이나 초기 균열들이 콘크리트보다 숏크리트에서 비교적 잘 발달되어 있어 단면 손실이 크게 나타나지 않은 것으로 고려된다. 하지만 융해가 발생하는 1,200℃이상의 화재 온도가 발생할 경우에는 콘크리트 재료보다 단면 손실이 오히려 더욱 크게 나타나 숏크리트가 융해에 매우 취약할 수 있음을 알 수 있었다.
후속연구
5. 본 실험결과 자료를 바탕으로 터널구조물의 안정성을 판단할 수 있는 해석적 연구가 진행되어야 하며, 추가적인 실험을 통하여 터널구조물 시공재료의 내화성능에 대한 데이터베이스를 구축해야 할 것이다. 또한 재료의 화재손상 특성과 해석적 연구를 통하여 터널구조물의 내화설계에 대한 연구가 필요하며, 경제성과 시공성이 확보된 내화재료의 개발이 요구된다.
본 실험결과 자료를 바탕으로 터널구조물의 안정성을 판단할 수 있는 해석적 연구가 진행되어야 하며, 추가적인 실험을 통하여 터널구조물 시공재료의 내화성능에 대한 데이터베이스를 구축해야 할 것이다. 또한 재료의 화재손상 특성과 해석적 연구를 통하여 터널구조물의 내화설계에 대한 연구가 필요하며, 경제성과 시공성이 확보된 내화재료의 개발이 요구된다.
모의 화재시험 결과에서 얻어진 가열면으로부터의 거리와 가열시간에 따른 온도변화를 회귀분석한 결과, 음지수함수와 Boltzmann함수로 근사시킬 수 있음을 알 수 있었다. 이상과 같이 본 연구에서 제시한 온도이력 자료는 CFD해석을 수행하지 못할 경우에도 화재 경과시간과 가열면으로부터의 거리에 따른 시공재료 내부의 온도를 추정하는데 유용하게 활용할 수 있을 것으로 판단된다.
화재에 의한 손상이 상당히 진전된 약 100분 이후의 온도변화는 서로 큰 차이를 보이지 않았다. 이와 같은 도표를 화재 시험에서 얻어진 각 시공재료에 대한 임계 온도수준과 연관시킨다면, CFD(Computational Fluid Dynamics) 해석을 수행하지 못할 경우에도 화재 경과 시간과 가열면으로부터의 거리에 따른 시공재료 내부의 온도를 추정하는데 유용하게 활용할 수 있을 것으로 판단된다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
Khoury(2002)는 화재에 의한 구조물의 영향이 무엇에 좌우된다고 하였는가?
Khoury(2002)는 화재에 의한 구조물의 영향은 구조물에 작용한 화재의 특성에 좌우된다고 하였다. 이러한 화재의 특성은 구조물 표면에 작용한 화재의 시간-온도곡선으로 표현될 수 있으며, 발생한 화재의 주된 특성으로는 가열속도, 최대온도, 화재지속시간 및 냉각시간 등을 들 수 있다.
철근콘크리트 시험체에 사용한 주철근은 무엇인가?
철근콘크리트 시험체의 철근배근은 철근배근에 대한 세부적인 별도의 시방기준 등이 없어서 몇몇 터널현장의 설계도서를 조사 하였고 모사하고자 하는 천장부 철근배근을 조사한 결과, 유사한 형태로 배근되어 있어 조사자료 중 하나인 부산 지하철 3호선 2단계 2공구 토목공사(2003)의 철근 상세도를 참고로 하였다. 이때 사용한 주철근은 D25와 D16이며 스트럽으로는 D13을 사용하였다(그림 5). 세그먼트 시험체의 철근배근은 세그먼트 제작업체에서 제공한 시공 도면을 참고로 하였다.
발생한 화재의 주된 특성은 무엇인가?
Khoury(2002)는 화재에 의한 구조물의 영향은 구조물에 작용한 화재의 특성에 좌우된다고 하였다. 이러한 화재의 특성은 구조물 표면에 작용한 화재의 시간-온도곡선으로 표현될 수 있으며, 발생한 화재의 주된 특성으로는 가열속도, 최대온도, 화재지속시간 및 냉각시간 등을 들 수 있다.
참고문헌 (12)
대구지하철공사(2003) 대구지하철 1호선 중앙로역 정밀안전진단보고서
대한터널협회(1999) 터널표준시방서
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박해균, 이승복, 이명섭, 김재권(2003) 쉴드터널 콘크리트 세그먼트의 내화특성 연구. 2003년도 정기학술대회 논문집, 대한토목학회, pp. 4801-4804
부산교통공단(2003) 부산 지하철 3호선 2단계 2공구 토목공사보고서
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Dorgarten, R.W., Balthaus, H., Dahl, J., and Billig, B. (2004) Fireresistant Tunnel Construction: Results of Fire Behaviour Tests and Criteria of Application. Proc. of ITA-AITES 2004, Paper No. B06
Haack, A. (1998) Fire Protection in Traffic Tunnels: General Aspects and Results of the EUREKA Project. Tunnelling and Underground Space Technology, Vol. 13, No.4, pp. 377-381
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