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터널화재시 콘크리트 라이닝의 폭렬 및 화재손상에 관한 실험적 연구
An Experimental Study on Thermal Damage and Spalling of Concrete Lining in Tunnel Fire 원문보기

한국화재소방학회 논문지= Fire science and engineering, v.23 no.3, 2009년, pp.110 - 120  

김흥열 (한국건설기술연구원) ,  김형준 (한국건설기술연구원) ,  조경숙 (한국건설기술연구원) ,  이재승 (한남대학교) ,  권기혁 (서울시립대학교)

초록
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터널의 경우 타구조물에 비해 화재빈도가 상대적으로 높지는 않으나, 밀폐된 공간이라는 특성상 5분 이내 $1000^{\circ}C$ 이상으로 급격한 온도상승이 발생할 수 있으므로, 화재발생시 대형 인명피해 및 화재 후 막대한 보수 보강비용이 파생된다. 이러한 터널화재로 인한 구조적 손상을 규명하기 위해, KS F 2257-1과 EFNARC 규정에 부합하고 터널 콘크리트 라이닝의 화재손상평가가 가능한 가열로를 개발하였다. 개발된 가열로를 실증실험에 사용하여 터널화재 시나리오(ISO, $1^{\circ}C$/SEC, MHC, RWS)에서의 콘크리트 PC패널라이닝의 폭렬특성과 화재손상범위를 ITA기준을 적용하여 평가하였다. 실증실험결과 ISO 화재조건에서는 30mm, $1^{\circ}C$/SEC에서는 20mm, MHC에서는 100mm, RWS에서는 50mm로 화재손상범위가 평가되었으며, 폭렬깊이는 RWS와 MHC 화재조건에서 30mm가 발생하는 것으로 나타났다.

Abstract ▼ AI-Helper 아이콘AI-Helper

In tunnel, though the frequency of fire occurrence is relatively lower than other structures, the characteristics of sealed space tends to cause the temperature to rapidly rise to more than $1000^{\circ}C$ within 5minutes after fire, which might eventually lead to a large fire that usuall...

주제어

#Tunnel fire   #Heating ratio   #Spalling   #Fire damage range  

AI 본문요약
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문제 정의

  • MHC Fire 곡선은 Hydrocarbon의 가열비율을 조정한 곡선으로 급격한 초기 온도상승에서의 콘크리트 재료의 열 충격 효과를 분석하기 위한 화재 시나리오이므로, 본 연구에서는 콘크리트 폭렬현상을 규명하기 위하여 공극압력과 가열면의 깊이에 따른 온도분포현상을 분석하기 위해 적용하였다.
  • 본 연구에서는 콘크리트 터널라이닝의 화재강도에 따른 공극압력 · 폭렬깊이 · 깊이별 전열특성에 대한 실증실험을 통해 ITA 기준(콘크리트 한계온도: 380℃)에의거한 화재손상범위를 규명하였으며, 이러한 연구결과를 통해 다양한 화재시나리오에서의 터널라이닝의 손상정도를 규명하고자 하였다.
  • 가열로 내부 열전대는 R-TYPE으로 설치하였으며, 열전대의 구조는 연속 실험으로 인한 열전대의 오차범위 증가의 문제 해결을 위해 씨즈 열전대를 사용하였다. 열전대의 노내 설치위치는 KS 2257-1 및 EFNARC 기준에 적합하게 시험체 근처의 평균 내부온도를 적절히 나타낼 수 있도록 균등하게 설치하고자 하였다. 이를 위해 노내 열전대가 가열로 화염에 직접 노출되지 않도록 가열로의 벽 · 바닥 · 지붕으로부터 최소 450mm 이상을 이격하였으며, EFNARC(100 ± 5mm)와 KS F 2257-1(KS 규격: 100 ± 50mm)의 규격에 부합하는 시험체 가열면에서 102mm를 이격하여 설치하였다.
  • 이러한 터널화재시나리오의 화재강도를 실증실험에 적용하여, 콘크리트 터널라이닝의 폭렬영향성 및 화재손상 범위에 대한 비교를 수행하고자 하였다.
  • 이를 위해 실험변수인 화재시나리오를 분석하여 각 화재조건의 특성을 규명하고, 대상 실험체의 재료물성과 외력조건을 부여하는 가열로의 성능을 순차적으로 검증하였다. 이를 통해 실험대상 내부의 가열면에서의 깊이별 전열특성 및 압력특성을 규명하여 화재 강도에 따른 콘크리트의 화재손상 특성을 제시하고자 하였다.
  • 국토해양부에서 제시한 터널 설계기준에는 “재령 28일 강도가 21~24MPa인 콘크리트를 표준강도로 하는 것을 원칙으로 하고 있으나, 경우에 따라서는 그 이상인 고강도 콘크리트를 사용할 수 있다”7)고 규정하고 있다. 이에 본 연구에서는 상대적으로 폭렬 및 화재손상에 취약한 40MPa 강도의 배합설계로 시험체를 제작하여 실험을 수행하였다. 사용된 시멘트는 KS L52018) 포틀랜드 시멘트 규정에 적합한 국내산 조강 포틀랜드 시멘트 3종을 사용하였으며, 그에 따른 사용골재특성은 Table 1과 같다.
  • 이러한 연구의 일환으로 국내에서 수행된 연구로는 화재에 의한 터널구조물 시공재료의 손상평가(토목학회, 2006), 터널 화재로 인한 콘크리트 세그먼트의 손상특성규명(한국지반공학회, 2005)에서는 천장부위의 터널구조체의 손상에 대한 연구를 수행하였으며, 터널화재시 콘크리트에 매입된 강재의 열적손상평가(한국콘크리트학회, 2008)에서는 콘크리트 PC패널 라이닝을 부착하는 앵커에 대한 열적 손상정도를 규명하는 연구가 진행되었다. 이에 본 연구에서는 터널화재조건에서의 콘크리트 라이닝의 벽체부위의 화재손상범위와 폭렬깊이에 대한 연구를 진행하고자 한다.
  • 콘크리트 실험시편의 고온성상을 분석하기 위하여 가열로의 온도 오차범위를 KS F 2257-1 및 EFNARC(European Federation of Producers and Applicators of Specialist Products for Structures)11) 기준에 적합하게 가열성능의 신뢰성을 확보하고자 하였다. 다양한 화재시나리오 구현을 위해 온도조정은 99포인트까지 가능하게 하여 가열비 및 화재강도조정이 가능하고, 최대 온도는 1350℃ 이상 구현할 수 있게 내부에 내화재(Iso Wool Ceramic Fiber 1260 Board)로 피복하여 터널화재조건의 다양한 조건을 구현할 수 있게 제작하였다.
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질의응답

핵심어 질문 논문에서 추출한 답변
도로터널 화재사고의 주요요인의 변화는 어떠한가? 터널의 건설은 점점 장대화 되어가고 있으며, 도로의 설계속도의 향상에 따른 차량의 사용빈도 또한 증가하고 있는 추세이다. 이러한 상황에 의해 도로터널 화재사고의 주요요인은 이전에는 발생한 가스와 열이 그 주원인이 되었으나, 기술의 발달에 따른 대형화와 차량증가 및 화물의 다양화로 인해 차량 화재하중의 영향성이 화재의 영역에 포함 되었다. 이로 인하여 터널 내화설계 시 예상되었던 화재모델의 추정치 보다더 급격한 온도의 변화가 발생하게 되었고, 예상보다 더 오랜 기간 동안 화재가 지속되는 현상이 유발되어 대형재난 참사 및 천문학적인 복구비용이 파생하게 되었다.
터널 건설의 추세는 어떠한가? 터널의 건설은 점점 장대화 되어가고 있으며, 도로의 설계속도의 향상에 따른 차량의 사용빈도 또한 증가하고 있는 추세이다. 이러한 상황에 의해 도로터널 화재사고의 주요요인은 이전에는 발생한 가스와 열이 그 주원인이 되었으나, 기술의 발달에 따른 대형화와 차량증가 및 화물의 다양화로 인해 차량 화재하중의 영향성이 화재의 영역에 포함 되었다.
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참고문헌 (12)

  1. 국토해양부, 터널구조물 내화설계 요소기술개발 5차년도 최종보고서, 한국건설기술연구원, pp.15-21(2008) 

  2. 김형준, 한상훈, 최승관, '화재시 콘크리트요소 폭렬 영향성 고찰', 한국화재소방학회 논문지, Vol.21, No.2, pp.1-6(2007) 

  3. ITA Working Group No.6, 'Guidelines for Structural Fire Resistance for Road Tunnels', International Tunnelling Association, ITA, pp.36-41(2004) 

  4. World Road Association (PIARC), 'PIARC Proposal on Design Criteria for Resistance to Fire for Road Tunnel Structures', Paris, Revision 1(2002) 

  5. 한국표준협회, '건축 구조부재의 내화시험 방법 - 일반요구사항(KS F 2257-1)', 한국산업규격, pp.3-13(1999) 

  6. Heikki Kukko and Hemming Paroll, 'Moisture Measutment in Concrete Constructions exposed to Temperature and Moisture Variation', Nordic concrete Federation Mini-Seminar, p.4(1997) 

  7. 국토해양부, '터널설계기준', 국토해양부(2007) 

  8. 한국표준협회, '포틀랜드 시멘트(KS L 5201)', 한국산업규격, pp.1-8(2006) 

  9. ASTM, 'Standard Test Method for Total Evaporable Moisture Content of Aggregate by Drying', ASTM C 566, pp.1-3(2004) 

  10. E J Rolle etc, 'Measurement of Moisture Content in Concrete using Relative Humidity Technique', 21st conference on our world in concrete & structures, p.206(1996) 

  11. EFNARC, Specificationa and Guidelines for Testing of Passive Fire Protection for concrete Tunnels Linings, pp.15-27(2006) 

  12. 한국건설기술연구원, '고강도 콘크리트 구조물의 폭렬저감 및 거동 안전성 평가와 예측모델연구', GS건설, p.135(2007) 

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