[논문]도로터널내 화재에 따른 터널구조체의 안정성 평가를 위한 시간-온도곡선의 적용

원종필; 최민정; 장창일; 이상우

doi:10.12652/ksce.2009.29.5a.551

초록
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본 연구는 도로터널 내 화재시 콘크리트 구조체의 내화성능을 평가하기 위한 기준을 제시하고자 실시하였다. 현재 국내에서는 지형특성 및 환경친화적인 도로건설로 도로 터널의 수가 빠른 속도로 증가하며, 터널연장이 길어짐에 따라 터널 내 화재사고가 갈수록 높아지고 있는 상황이다. 하지만 우리나라에서는 터널 화재에 대한 적합한 시간-온도 곡선을 규정하지 못하고 있는 실정이다. 따라서 본 연구에서는 국내 도로의 통행량, 차량 종류등을 고려한 열방출율을 기초로 외국에서 제시된 시간-온도 곡선을 검토해 보았으며 적합한 설계화재 모델을 적용하였다. 또한 적용된 도로터널의 설계화재모델에 따른 수치해석을 통하여 터널 구조체의 화재시 성능을 검토하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

This study is performed to apply a standard to evaluate fire protection assessment for tunnel structures when a fire breaks out in the road tunnel. Recently, a number of road tunnels have been rapidly increased and fire risk also multiplyed according to extend tunnel length, due to natural features ...

This study is performed to apply a standard to evaluate fire protection assessment for tunnel structures when a fire breaks out in the road tunnel. Recently, a number of road tunnels have been rapidly increased and fire risk also multiplyed according to extend tunnel length, due to natural features and environmentally-friendly road construction in Korea. But we have not yet been prescribed appropriate time-temperature curve for tunnel fire. Therefore, we presented fire design model and investigated time-temperature curve proposed by a foreign country considering traffic, a kinds of vehicles which are a basis of heat rate. At the end, Hydrocarbon modified curve applied as design fire model by using numerical analysis and presented design fire model and examined the effects of tunnel structures.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

따라서 본 연구는 도로터널 내에서 화재시 터널구조체의 내화성능을 평가하기 위한 국내의 표준 기준을 제시하고자 실시하였다. 이에 따라 국내 도로 터널의 차량별 통행량, 차량 종류 등을 고려한 열방출율과 외국에서 제시된 표준시간-온도 곡선을 검토한 후 측정된 최고온도와 화재지속시간에 기초하여 표준시간-온도곡선에 의한 내화성능평가 설계화제 모델을 적용제시하였다.

제안 방법

2. 수치해석을 통하여 도로터널내부 온도분포를 측정하기 위하여 천장부의 콘크리트라이닝부분을 100 mm 간격으로 3등분하였고, 숏크리트 부분은 천정으로부터 약 330 mm, 370 mm 떨어진 곳에서 각각의 온도분포를 측정하였다. 제안된 표준시간-온도곡선을 적용하였을 때 시간이 경과함에 따라 표면온도와 터널내구조체 부근의 온도가 점차 증가 하는 현상을 보였다.
도로터널내 화재시 구조체의 온도분포를 예측하기 위하여 수치해석을 실시하였다. 수치해석은 상용 유한요소프로그램인 Visual FEA를 사용하였으며 Modified hydrocarbon 곡선의 모델링을 위하여 그림 2와 같은 단면형상을 사용하여 온도분포해석을 실시하였다(Visual FEA).
본 연구에서는 국내 도로의 통행량, 차량 종류등을 고려한 열방출율을 기초로 하여 외국에서 제시된 시간-온도 곡선을 검토하여 우리나라 실정에 적합한 설계화재 모델을 적용하였다. 또한 적용된 도로터널의 설계화재모델에 따른 수치해석을 통하여 터널 구조체의 화재에 따른 구조체의 성능을 검토한 결과를 정리하면 다음과 같다.
따라서 본 연구는 도로터널 내에서 화재시 터널구조체의 내화성능을 평가하기 위한 국내의 표준 기준을 제시하고자 실시하였다. 이에 따라 국내 도로 터널의 차량별 통행량, 차량 종류 등을 고려한 열방출율과 외국에서 제시된 표준시간-온도 곡선을 검토한 후 측정된 최고온도와 화재지속시간에 기초하여 표준시간-온도곡선에 의한 내화성능평가 설계화제 모델을 적용제시하였다.

데이터처리

도로터널내 화재시 구조체의 온도분포를 예측하기 위하여 수치해석을 실시하였다. 수치해석은 상용 유한요소프로그램인 Visual FEA를 사용하였으며 Modified hydrocarbon 곡선의 모델링을 위하여 그림 2와 같은 단면형상을 사용하여 온도분포해석을 실시하였다(Visual FEA).

성능/효과

1. 터널내 승용차나 소형차량 같은 경우는 ISO 834의 시간- 온도곡선의 기준을 초과하지는 않지만 유류와 같은 위험 물질을 수송하는 차량은 그 수송물질에 따라서 약 1000~1200 ℃까지 온도가 상승하게 된다. 이에 도로터널의 차량통행류와 터널사고빈도수와 국도에서는 화물차의 구성 비율이 주행거리에 비해 구성 비율이 높아 도로 터널설계시에는 LPG차량이나 화물수송차량 등을 대상으로 고려한 결과 Modified hydrocarbon 곡선이 국내 도로터널 화재시의 설계화재곡선으로 가장 적합하다고 할 수있다.
3. 콘크리트라이닝과 숏크리트는 약 600℃의 온도에서 기능을 상실하게 되는데 화재발생후 20~40분 안에 이 온도에 도달하게 된다. 그러므로 그에 알맞은 내화 대책을 도입하여 콘크리트라이닝과 숏크리트 부근이 최대 600 ℃에 노출되지 않도록 내화대책을 수립하는 것이 필요할 것이다.
콘크리트라이닝(두께 300 mm)의 천정부분으로부터 내부로 100 mm지점에서는 20분 후에 약 600℃에 도달하였다. 또한 콘크리트 라이닝의 200 mm, 300 mm 지점도 화재시작 20분 후 약 5분 간격으로 650℃에 도달하여 콘크리트라이닝 천정부근에서의 폭렬은 화재발생 후 5분 이내에 모두 발생하며 화재로 인한 피해 가능성을 예측할 수 있었다. 방수층의 고온 노출시 녹는점은 150℃이고 락볼트의 녹는점은 약 500~600℃이므로 방수층의 경우 화재 발생시 초기 5분 이내에 녹기 시작할 것이며 락볼트는 암반부근의 온도가 300℃ 이하로 추정되므로 화재의 영향에는 노출되지 않을 것이다.
유류 등과 같은 위험물질을 수송하는 차량등의 구성비율의 증가와 이에 대한 제한이 미흡한 국내 터널의 경우 그 수송물질에 따라서 화재 발생 후심한 경우 약 1000~1200 ℃까지 온도가 상승하게 되며 2시간 이상 지속하게 된다(Haukur and Anders, 2005). 이에 도로터널의 차량통행류와 터널사고빈도수를 고려해보면 승용차의 비율이 많지만 화물차의 경우 주행거리에 비해 구성비율이 높고 그 수가 증가함에 따라 연소물질에 따라 다소 차이는 있겠지만 처음 5분이내에 약100MW(1000~1200 ℃) 정도의 열방출율을 내며 약 2시간 이상 지속되는 것을 볼 수 있었다. 하지만 국내에서는 보통화물차와 대형화물차에 비해서 풀 트레일러의 비율은 극히 적기 때문에 5~300MW의 열방출율을 나타내는 RABT와 RWS의 설계는 터널설계시 과잉설계로 사료된다.
터널내 승용차나 소형차량 같은 경우는 ISO 834의 시간- 온도곡선의 기준을 초과하지는 않지만 유류와 같은 위험 물질을 수송하는 차량은 그 수송물질에 따라서 약 1000~1200 ℃까지 온도가 상승하게 된다. 이에 도로터널의 차량통행류와 터널사고빈도수와 국도에서는 화물차의 구성 비율이 주행거리에 비해 구성 비율이 높아 도로 터널설계시에는 LPG차량이나 화물수송차량 등을 대상으로 고려한 결과 Modified hydrocarbon 곡선이 국내 도로터널 화재시의 설계화재곡선으로 가장 적합하다고 할 수있다.
수치해석을 통하여 도로터널내부 온도분포를 측정하기 위하여 천장부의 콘크리트라이닝부분을 100 mm 간격으로 3등분하였고, 숏크리트 부분은 천정으로부터 약 330 mm, 370 mm 떨어진 곳에서 각각의 온도분포를 측정하였다. 제안된 표준시간-온도곡선을 적용하였을 때 시간이 경과함에 따라 표면온도와 터널내구조체 부근의 온도가 점차 증가 하는 현상을 보였다.
해석시작 후 시간이 경과하면서 구조체 표면온도와 내부 부근의 온도가 점차 증가하는 현상을 보였다. 그림 3과 같이 5분 경과후 노란색으로 나타난 터널 천정부의 표면온도는 약 521.

후속연구

콘크리트라이닝과 숏크리트는 약 600℃의 온도에서 기능을 상실하게 되는데 화재발생후 20~40분 안에 이 온도에 도달하게 된다. 그러므로 그에 알맞은 내화 대책을 도입하여 콘크리트라이닝과 숏크리트 부근이 최대 600 ℃에 노출되지 않도록 내화대책을 수립하는 것이 필요할 것이다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	건축 구조물의 내화성능 평가는 무엇에 의해 규정되어 실시되는가?	하지만 이러한 요구사항에도 불구하고 우리나라는 터널 화재에 따른 터널 구조체의 안정성 확보를 고려한 적합한 시간-온도 곡선을 규정하지 못하고 있는 실정이다. 건축 구조물의 내화성능 평가는 ISO 834 표준시간-온도곡선에 의해 규정되어 실시·평가되고 있지만 도로터널에서의 실제 위험성을 적절히 수용하지 못할 수 있다고 할 수 있다(임경국, 윤성배, 2007).
	터널에서의 대형화재가 발생한 해외 사례는?	이러한 현상은 콘크리트가 고강도화 될수록그 피해 정도가 심각해 진다. 영국과 프랑스의 해협을 횡단 하는 영·불 해협 터널(Euro Tunnel) 및 이탈리아의 MontBlanc 터널의 대형화재는 해당국에 수많은 인명피해와 구조 체의 손상으로 인하여 물적·인적자원의 막대한 경제적 비 용손실을 초래하였다(장수호 등 2007).
	일본에서는 터널 화재에 대한 경각심이 높아져 어떤 대응책을 시행하는가?	이런 재해로부터 인명피해와 재산을 보호하기 위해 많은 연구들이 20세기 후반에 유럽과 미국, 일본에서 있었다. 일본에서는 터널 화재에 대한 경각심이 높아져 이미 여러 터널에 있어 내화 공법을 채택 또는 시공에 적용하고 있다(박경환, 2005; 박해균 등, 2006). 국내에서는 급속한 경제성장과 더불어 1960년대부터 국토의 균형적인 발전에 따라 도로 망이 확충되었다.

참고문헌 (15)

국토해양부(2007) 주요통계.
박경환(2005) 터널화재 설계강도 기준 및 영향요인에 관한 연구, 석사학위논문, 서울시립대학교, pp. 1-7.
박해균, 원종필, 장수호(2006) 최근 터널 콘크리트 내화대책 연구동향, 한국구조물진단학회논문집, 한국구조물진단학회, 제10권 제6호, pp. 22-32.
유지오, 김윤선, 김치경, 이동호(2002) 터널사고 조사연구, pp. 191-196.
장수호, 최순욱, 권종욱, 김상환, 배규진(2007) 화재 후 터널구조물 시공재료의 역학적 특성변화, 한국터널공학회 논문집, 한국터널공학회, 제9권 제2호, pp. 157-169.

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임경국, 윤성배(2007) 도로터널 화재에 안전한가?, 터널공학회 일반기사, 한국터널공학회, pp. 131-139.
Det Norske Veritas, ERS (1998) Transport of Dangerous Goods Through Road Tunnels, Technical Report of Mission 1, 2, Paris OECD and PIARC.
Ingason, H., Gustavsson, S., and Dahlberg, M. (1994) Heat release rate measurements in tunnel fires, SP report 1994:08, SP Swedish National Testing and Research Institute, Boras, Sweden.
PIARC (1999) Fire and smoke control in road tunnels, Report of the WG 6 of the Road Tunnels Committee of the PIARC.
Haak, A. (1998) Fire Protection in Traffic Tunnels, General Aspects and Results of the EUREKA Project, Tunnelling and Underground Space Technology, Vol. 13, No. 3, pp. 377-381.

상세보기
Koichi, Ono (2002) Fire safety to concrete structure, Concrete Journal, Vol. 30, No. 7, pp. 10-15.
Magret, O. and Vauquelin, O. (2000) A model to evaluate tunnel fire characteristics, Fire Safety Journal, Vol. 34, No. 4, pp. 393-401.

상세보기
Haukur Ingason and Anders Lonnermark (2005) Heat release rates from heavy goods vehicle trailer fires in tunnels, Fire safety journal 40, pp. 646-668.

상세보기
Peng, G.F., Yang, W.W., Liu, Y.F., Bian, S.H., and Zaho, L.H. (2006) Explosive spalling and residual mechanical properties of fiber-toughened high-performance concrete subjected to high temperatures, Cement & Concrete Research, Available online 26, pp. 1-5.
Visual FEA, (주)사이텍이엔씨, www.sy-tec.co.kr, 서울 광진구 자양동 796.

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