건설 기술 발전과 국토의 효율적인 활용으로 인하여 건설되고 있는 터널은 지하 공간과 같은 폐쇄 공간의 특성으로 화재 시발생하는 연기와 열은 인명 및 물적 피해에 영향을 주는 매우 큰 위험요소이다. 본 연구에서는 광케이블을 이용하여 온도 변화를 측정하는 화재 감지 시스템을 설치하여 감지기가 동작한 온도 변화 값 및 시간과 실 화재 실험과 동일한 조건으로 화재 시뮬레이션을 수행하여 온도센서의 온도 변화 값 및 시간을 비교, 분석하였다. 실험 결과 화재실험과 화재 시뮬레이션의 온도변화는 점화 후 1분 이내에 화재를 감지하여 신호를 경보하는 것으로 나타났으며, 화재 감지기와 시뮬레이션 온도 센서의 온도변화 특성은 터널 내부의 기류 속도와 밀접한 관계를 가지는 것으로 나타났다. 또한 터널 화재는 연기의 방향에 의해 피난과 소방대 진입에 영향을 미치므로 화재 지점과 화재 방향을 파악할 수 있어야 한다.
건설 기술 발전과 국토의 효율적인 활용으로 인하여 건설되고 있는 터널은 지하 공간과 같은 폐쇄 공간의 특성으로 화재 시발생하는 연기와 열은 인명 및 물적 피해에 영향을 주는 매우 큰 위험요소이다. 본 연구에서는 광케이블을 이용하여 온도 변화를 측정하는 화재 감지 시스템을 설치하여 감지기가 동작한 온도 변화 값 및 시간과 실 화재 실험과 동일한 조건으로 화재 시뮬레이션을 수행하여 온도센서의 온도 변화 값 및 시간을 비교, 분석하였다. 실험 결과 화재실험과 화재 시뮬레이션의 온도변화는 점화 후 1분 이내에 화재를 감지하여 신호를 경보하는 것으로 나타났으며, 화재 감지기와 시뮬레이션 온도 센서의 온도변화 특성은 터널 내부의 기류 속도와 밀접한 관계를 가지는 것으로 나타났다. 또한 터널 화재는 연기의 방향에 의해 피난과 소방대 진입에 영향을 미치므로 화재 지점과 화재 방향을 파악할 수 있어야 한다.
Due to the rapid development of construction technology with effective land utilization in this nation, many tunnels were and are being built across the country. However, the smoke and the heat generated from tunnel fire are the most important critical factors which may results in both massive perso...
Due to the rapid development of construction technology with effective land utilization in this nation, many tunnels were and are being built across the country. However, the smoke and the heat generated from tunnel fire are the most important critical factors which may results in both massive personal injury and property damage, especially, due to the closed surrounding of the tunnel. Considering this particular nature of the tunnels, this study aims to install a fire detection system using an optic fiber cable to measure the temperature changes, compare, and analyze the resulted values with the times of temperature changes of the sensor by performing fire simulations under the same condition as a real fire test. From the results, it has been found that the temperature sensor detects a fire occurrence and generates an alarm within one minute after ignition for both a real fire test and a fire simulation alike, and also that the characteristics of temperature changes of the sensor has close relations with the speeds of the currents inside the tunnel. In addition, considering the tunnel fires can affect the evacuation efficiency and the fire extinguishing activities of the fire brigade inside the tunnel, the temperature sensor must be able to search and find the locations and directions of the fires correctly.
Due to the rapid development of construction technology with effective land utilization in this nation, many tunnels were and are being built across the country. However, the smoke and the heat generated from tunnel fire are the most important critical factors which may results in both massive personal injury and property damage, especially, due to the closed surrounding of the tunnel. Considering this particular nature of the tunnels, this study aims to install a fire detection system using an optic fiber cable to measure the temperature changes, compare, and analyze the resulted values with the times of temperature changes of the sensor by performing fire simulations under the same condition as a real fire test. From the results, it has been found that the temperature sensor detects a fire occurrence and generates an alarm within one minute after ignition for both a real fire test and a fire simulation alike, and also that the characteristics of temperature changes of the sensor has close relations with the speeds of the currents inside the tunnel. In addition, considering the tunnel fires can affect the evacuation efficiency and the fire extinguishing activities of the fire brigade inside the tunnel, the temperature sensor must be able to search and find the locations and directions of the fires correctly.
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문제 정의
따라서 본 연구는 도로 터널에 설치하는 화재 감지시스템과 화재 시뮬레이션에서 온도 센서의 온도 변화 비교를 통하여 적정성을 판단하는데 목적이 있으며, A터널에 광케이블을 이용하여 온도 변화를 측정하는 광센서 아날로그 화재 감지 시스템을 설치하여 가연물을 연소시켜 화재 감지기가 시간에 따른 온도 감지 변화를 실험한 결과와 화재 모델링 프로그램인 FDS(fire dynamics simulator)를 이용하여 실 화재 실험과 동일한 조건으로 온도변화 및 시간을 확인하는 방법으로 비교, 분석하였다.
가설 설정
(1) 차량은 화재가 쉽게 확산될 수 있는 연료를 적재하고 있어 유류 화재의 화재 특성을 갖고 급속하게 확대되며 또한 차량 내부의 내장재를 연소시키면서 다량의 독성 가스를 발생하며, 엄청난 발열을 동반한다.(독일의 터널 기준 RABT(Richtlinien Ausstattung und den Betrieb von StraBentunbeln)에서는 차량 화재의 경우 5 MW(가솔린 20리터, 표면적 4)의 화재 하중으로 가정한다.)
제안 방법
광케이블을 이용한 화재 감지기의 온도 변화 특성을 연구하기 위하여 국토해양부 “도로터널 방재시설 설치지침”의 자동화재 탐지설비의 기준에 의하여 시험을 진행하였다. A 터널 내부 천정 면에 광케이블 아날로그 화재 감지시스템을 설치하고 화재수신기에서 Zone별로 온도 설정을 한 후 감시 상태에서 시험을 실시하였다(그림 1, 그림 2). 화원은 2개의 화조를 나란히 인접시켜 하행선 320 m지점에 1,000 mm 높이에 설치하고, 화조에 10 L의 연료를 넣은 후 점화시킨다.
A터널에 광케이블을 이용한 화재 감지시스템을 설치하여 화재 감지기가 동작한 온도 변화 값 및 시간, 실 화재 실험과 동일한 조건으로 화재 시뮬레이션을 수행하여 온도센서의 온도 변화 값 및 시간을 비교, 분석한 결과, 다음과 같은 결과가 도출되었다.
실 화재 실험에서 광케이블 아날로그 화재 감지 시스템의 화재 감지기는 공칭 작동온도에 도달하면 동작하는 정온식 기능과 온도 변화율로 동작하는 차동식 기능을 갖고 있어 두 기능의 화재 감지기의 동작 온도 값 및 시간을, 화재 시뮬레이션에서는 온도 센서의 온도 변화 값 및 시간을 비교, 분석하였다. 화조의 온도, 주위 풍속, 점화 후 화재감지기가 신호를 발할 때까지 시간을 측정하였으며, 광케이블 아날로그 화재 감지시스템은 점화 후 1분 이내에 화재 신호를 경보하여야 한다.
실 화재 실험에서 광케이블 아날로그 화재 감지 시스템의 화재 감지기는 공칭 작동온도에 도달하면 동작하는 정온식 기능과 온도 변화율로 동작하는 차동식 기능을 갖고 있어 두 기능의 화재 감지기의 동작 온도 값 및 시간을, 화재 시뮬레이션에서는 온도 센서의 온도 변화 값 및 시간을 비교, 분석하였다. 화조의 온도, 주위 풍속, 점화 후 화재감지기가 신호를 발할 때까지 시간을 측정하였으며, 광케이블 아날로그 화재 감지시스템은 점화 후 1분 이내에 화재 신호를 경보하여야 한다.
대상 데이터
A 터널의 총연장은 1,234 m, 높이는 6.73 m, 폭은 9.495 m이다. 화재 실험 및 화재 시뮬레이션의 조건은 표 6과 같다.
이론/모형
광케이블을 이용한 화재 감지기의 온도 변화 특성을 연구하기 위하여 국토해양부 “도로터널 방재시설 설치지침”의 자동화재 탐지설비의 기준에 의하여 시험을 진행하였다.
성능/효과
(2) 반 밀폐적인 구조를 가진 터널은 일반 도로가 갖는 위험 요소보다 더 많은 위험 요소를 내포하고 있으며, 화재 시 효과적인 제연에 어려움이 있고 고온의 온도 상승과 함께 유독성 연기로 인하여 호흡과 시야의 장애 및 심리적인 공포감이 초래되는 구조를 지니고 있다.
(2) 차량의 전소 화재는 고온의 많은 열량을 발생시켜, 강한 자연풍으로 인하여 인접 차량에 신속히 전파되며 통제 불능의 화재로 발달하여 인명과 재산의 손상을 초래한다.
(2) 터널 화재 상황의 발전 단계는 화재 초기에 터널 내에 도로 이용자만 존재하기 때문에 대피자 스스로 상황을 판단하여 피난, 조기 진화 등 대응 조치를 하여야 한다.
(3) 이산화탄소 : 이산화탄소 역시 사람의 의식을 잃게 만드는 질식 가스로 15%까지의 농도 감소에는 큰 변화가 없으나 9.6% 이하가 되면 의식을 잃게 된다.
(3) 터널에서의 화재는 통행자의 생명을 위협할 뿐만 아니라 구조물이나 각종 설비 및 차량의 손상을 초래 할 수 있으며 오랜 시간 동안 통행 불능 상태를 초래한다.
(4) 터널은 지형에 따라 자연 대류나 강제 환기로 인해 항상 빠른 기류의 흐름이 있어 연기가 한쪽 방향으로 신속히 확산한다. 이러한 기류로 인해 천정에 부착된 감지기가 정확한 발화 지점을 감지하게 어렵게 한다.
1) 일반적으로 화재가 발생 시 주변 사람들은 모두 피난하지 않고 일부는 현장에 남아 화재 상황을 지켜본다는 것이다.
1) 터널에서 실시한 실 화재실험과 화재 시뮬레이션의 온도 변화는 점화 후 감지기의 감도시험에 적합하게 1분 이내에 화재 신호를 경보하는 것으로 나타났다.
2) 천정 면에 설치된 화재 감지기와 온도 센서의 온도 변화 특성은 터널 내부의 기류속도에 밀접한 관계를 가지는 것으로 나타났다.
2) 화재 현장에 있는 사람들이 연기에 접했을 때 연기 속을 통과하여 피난 할 것인지는 군중 심리에 의한 주변 사람들의 거동에 영향을 받게 된다.
3) 연기의 방향에 의해 피난과 소방대 진입에 영향을 미치므로 화재 발생 지점과 화재 진행 방향을 파악할 수 있는 감지기가 필요할 것으로 나타났다.
3) 터널 화재 시 강한 열과 짙은 연기 그리고 독성에 노출되어 불안, 초조, 공포 등으로 인하여 피난 의지를 상실하게 된다.
실 화재 실험에서 화재 감지기의 온도변화에 따른 동작 시간은 표 7과 같이 분석되었으며 차동식 분포형 감지기 및 정온식 감지기의 동작 시간은 1차, 2차 실험 결과 점화 후 1분 이내에 동작하는 것으로 평가되었다. 또한 화재 시뮬레이션에서의 온도 센서 동작 시간은 화재 수신기의 최대 동작시간 5sec를 추가 계산하여 평가한 결과 화재 시뮬레이션에서도 1분 이내에 동작하는 것으로 평가되었다(그림 3, 그림 4, 그림 5).
실 화재 실험에서 화재 감지기의 온도변화에 따른 동작 시간은 표 7과 같이 분석되었으며 차동식 분포형 감지기 및 정온식 감지기의 동작 시간은 1차, 2차 실험 결과 점화 후 1분 이내에 동작하는 것으로 평가되었다. 또한 화재 시뮬레이션에서의 온도 센서 동작 시간은 화재 수신기의 최대 동작시간 5sec를 추가 계산하여 평가한 결과 화재 시뮬레이션에서도 1분 이내에 동작하는 것으로 평가되었다(그림 3, 그림 4, 그림 5).
후속연구
본 연구의 실험 결과를 토대로 화재 발생을 정확히 감지할 수 있는 통합감지시스템과 종합적인 훈련 프로그램 개발에 대한 연구가 필요할 것으로 판단된다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
정온식 감지기란 무엇인가?
정온식 감지기는 주위온도가 일정 온도에 도달하는 경우 동작하는 감지기로써 공칭작동온도는 60°C에서 150°C까지의 범위로 하되, 60°C에서 80°C인 것은 5°C 간격으로, 80°C 이상인 것은 10°C 간격으로 하며 작동시험은 공칭 작동온도의 125%가 되는 온도이고 풍속이 1 m/s인 수직 기류에 투입하는 경우 표 2에 정하는 시간 이내에 작동하여야 한다.
터널의 폐쇄 공간의 특성과 더불어 화재 시 발생하는 열과 연기로 인해 어떠한 피해가 있을 수 있는가?
터널은 입구와 출구가 외기와 연결이 되어 있지만 일정 길이 이상의 터널의 경우 통로가 한정되고 지하공간과 같은 폐쇄 공간의 특성을 갖기 때문에 화재 시 발생하는 연기와 열은 인명 및 물적 피해에 영향을 주는 매우 큰 위험요소이다. 열과 연기로 인하여 가시거리 감소, 독성가스의 확산 및 급격한 온도 상승, 산소 농도가 감소하여 통행자의 안전에 큰 위험이 된다. 또한 구조물, 각종 설비 및 차량의 손상을 일으키며 결과적으로 오랜 시간 동안 통행 불능 상태로 되어 이로 인한 경제적인 피해가 매우 크다 하겠다.
차동식 분포형 감지기란 무엇인가?
차동식 분포형 감지기는 주위온도가 일정 상승률 이상이 되는 경우에 동작하는 감지기로써 감도시험은 공기관식의 감도시험법에 의하여 시험을 진행하며, 종별로 표 1의 공기관 자체의 온도 상승률 t1 및 t2 의 값에 따라 표 1의 시험에 적합하여야 하며, 공기관 중 검출부로부터 가장 먼 거리에 있는 20 m의 부분이 t1°C/min의 직선적인 비율로 상승하는 경우 1분 이내에 작동하여야 한다. 또한 공기관 전체가 t2°C/ min의 직선적인 비율로 상승하는 경우 15분 이내에 작동하지 아니하여야 한다.
참고문헌 (9)
국토해양부 (2009) 도로터널 방재시설 설치 및 관리지침, 국토해양부 예규 제100호.
김효규, 이경우 (2004) 국내도로 터널 내 발생 교통사고, 화재사고 및 터널 특성 관계 연구, 터널기술, (사)한국터널공학회 논문집, 제6권, 제3호, pp. 199-211.
노형기 (2005) 도로 터널의 화재감지 성능 확보 방안에 관한 연구, 석사학위논문, 경기대학교.
소방방재청 (2005) 대구 달성터널 차량화재 조사보고서.
소방방재청 (2009) 감지기의 형식승인 및 검정기술기준(KOFEIS 0301), 소방방제청 고시 제2009-4호.
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