[논문]터널 내 차량 화재에 따른 연기 확산 거동에 관한 연구

윤용균; 주은혜

doi:10.7474/tus.2012.22.5.365

터널 내 차량 화재에 따른 연기 확산 거동에 관한 연구
A Study on the Behaviour of Smoke Spread Caused by Vehicle Fire in a Road Tunnel 원문보기

터널과 지하공간: 한국암반공학회지 = Tunnel and underground space, v.22 no.5 = no.100, 2012년, pp.365 - 372

윤용균 (세명대학교 소방방재학과) , 주은혜 (세명대학교 대학원 소방방재공학과)

초록
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본 논문에서는 환기구의 존재, 환기구 설치 대수, 환기구 용량, 복수 화원의 존재가 도로터널에서 발생한 차량 화재에 의한 연기 온도 분포에 미치는 영향을 평가하였다. 6개의 시나리오를 가정하였으며 FDS를 이용하여 시나리오 해석을 실시하였다. 해석 결과 환기구의 설치 대수가 증가함에 따라 연기의 온도는 감소하는 것으로 나타났지만, 환기구의 설치 대수가 2대인 경우와 3대인 경우에 온도 감소 효과는 거의 같은 것으로 나타났다. 환기구의 설치 용량은 환기구의 설치 대수 보다 연기 온도 감소에 더 큰 영향을 주는 것으로 해석되었다. 환기구가 없는 시나리오 No. 1과 복수 화원을 갖는 시나리오 No. 6를 제외한 나머지 시나리오에 대해서 해석한 결과 화원 상부에서의 연기 온도는 모두 $400^{\circ}C$ 이하로 나타났는데, 이는 화원 상부 연기층에서 발생하는 복사에 의해 화원 주변 가연물의 착화가 어렵다는 것을 나타낸다.

Abstract ▼ AI-Helper

This paper aims to evaluate the effects that presence, installation number and capacity of ventilation vent and presence of multiple fire sources have on the behaviour of smoke temperature induced by vehicle fire in road tunnel. Six types of scenarios were assumed and FDS was ran to simulate them. As the number of ventilation vents increases, the smoke temperature are calculated to be reduced, but it is shown that effects exerted by two ventilation vents are almost similar to ones by three ventilation vents. Capacity of ventilation vent has a greater impact on the reduction of smoke temperature than installation number of ventilation vents. Smoke temperatures computed for all scenarios except for scenario No. 1 (without ventilation vent) and scenario No. 6 (with multiple fire sources) above fire source are analyzed to be under $400^{\circ}C$ and it means that the radiation of smoke layer above fire source doesn't induce the ignition of materials around fire source.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

도로터널 건설시 환기의 목적은 평상 시 오염 물질 배출로 제한되지만 화재가 발생하는 경우 유독한 연소 생성물의 배출뿐만 아니라 연기의 온도를 저하시켜 복사에 따른 2차 화재 확산을 방지하기 위한 것이다. 본 연구에서는 6가지 시나리오를 가정하여 환기구의 존재, 환기구 설치 대수, 환기구의 용량, 복수 화원의 존재가 연기의 온도 분포 거동에 미치는 영향을 수치해석적으로 평가하였다.
도로터널 건설시 환기의 목적은 평상 시 오염 물질 배출로 제한되지만 화재가 발생하는 경우 유독한 연소 생성물의 배출뿐만 아니라 연기의 온도를 저하시켜 복사에 따른 2차 화재 확산을 방지하기 위한 것이다. 본 연구에서는 6가지 시나리오를 가정하여 환기구의 존재, 환기구 설치 대수, 환기구의 용량, 복수 화원의 존재가 연기의 온도 분포 거동에 미치는 영향을 수치해석적으로 평가하였다. 연구를 통하여 얻어진 결론은 다음과 같다.
본 연구에서는 실물실험이나 모형실험을 통해 터널내 화재 확산 거동을 모사하는 것이 어렵기 때문에 조건을 다양하게 변화시키며 결과를 분석할 수 있는 수치 해석을 이용하여 해석을 실시하였다. 사용된 프로그램은 NIST에서 개발한 FDS(Fire Dynamics Simulator)를 기반으로 만들어진 PyroSim(Ver.

가설 설정

T_HC,mod 곡선은 기존의 T_Hydrocarbon곡선을 1300/1100만큼 증가시킨 것으로써 최고온도가 1,280℃에 이르며 프랑스에서 사용된다. TRWS 곡선은 네덜란드 Rijkswaterstaat 터널 곡선으로써 석유류를 적재한 대형 탱커(45,000 ℓ)의 화재를 모사한 것으로 화재 발생 60분 후에 최고온도가 1,350℃에 도달하고 열방출속도가 300MW인 최악의 화재 조건을 가정한다. T_RABT/ZTV 곡선은 독일에서 고안된 석유류 화재에 대한 곡선으로써 화재 발생 5분만에 1,200℃에 도달하는 것으로 나타난다(Lee and Ahn, 2006, Won et al.
3%로 예측되어 다른 터널에 비해 대형차의 이동 비율이 낮을 것으로 예상된다. Table 1, 2, 3에 제시된 각종 차량에 대한 설계화재 강도와 OO터널이 도심지에 설치되는 장대터널임을 고려하여 본 연구에서는 OO터널의 설계화재강도를 30 MW 로 가정하였다.
예비 해석 결과를 참조하여 본 해석에서는 화재 해석 시간을 1,000초, 해석 대상이 되는 터널의 길이는 1,100 m로 하였다. 또한 제트팬에 의한 환기 효과를 고려하기 위하여 화재 시나리오에 따라 수직 환기구가 설치되어 있는 것으로 가정하였다.
PyroSim 프로그램에서는 3차원 사변형 요소망을 구현할 수 있기 때문에 2/3차원 요소를 동시에 사용하여 요소망을 구성하는 것이 가능하다. 본 연구에서는 연장이 4.85 km로 예정된 OO터널을 해석대상으로 하였으며, 해석의 편이성을 위하여 종단경사는 0%로 가정하였다. 해석대상 터널 단면의 크기는 10×10(m)로 하였으며, 요소의 크기는 1.
Table 4에는 환기구의 유무, 환기구의 용량 변화, 복수 화원의 존재, 환기구 설치 대수의 변화를 고려한 6개의 시나리오가 표시되어 있다. 시나리오 No. 1은 환기구가 없는 경우, 시나리오 No. 2와 No. 3는 각기용량 180 m³/s와 220 m³/s의 환기구가 화원 직상부에 존재하는 경우, 시나리오 No. 4는 100 m 이격하여 2대의 환기구가 존재하는 경우, 시나리오 No. 5는 상호간에 100 m씩 이격하여 3대의 환기구가 존재하는 경우, 시나리오 No. 6는 추돌 사고에 의해 2대의 차량에 화재가 발생한 경우를 가정한 것이다.
3에 표시되어 있다. 화재 발생 전 주변 공기의 온도는 20℃ 로 가정하였다. 그림에서 주어진 해석 지점의 거리는 터널 입구로 부터의 이격거리를 나타낸다.

제안 방법

5) 이다. 건설 예정인 ○○터널을 대상으로 6가지의 시나리오를 가정하여 터널 내 차량 화재 시 환기구의 존재, 환기구의 용량, 환기구의 개수, 복수 화원의 존재가 연기의 온도 분포 거동에 미치는 영향을 평가하였다.
연기의 온도도 최대온도까지 상승한 후에는 온도가 일정하게 유지되다 하강하기 때문에 전 시간에 걸쳐 해석을 하는 것 보다는 최대온도에 이르는 시간만 해석시간으로 하는 것이 효과적이다. 연기의 유동이 미치는 영향 길이와 영향 시간을 결정하기 위하여 예비 해석을 실시하였다. 화원은 터널 입구에서 300 m 이격된 지점에 존재하는 것으로 하였다.
해석대상 터널 단면의 크기는 10×10(m)로 하였으며, 요소의 크기는 1.0×1.0×1.0(m)로 하여 요소망을 구축하였다(Fig. 2 참조).
환기구의 용량이 연기 온도 분포에 미치는 영향을 해석하기 위하여 Fig. 4(시나리오 No. 2)와 Fig. 5(시나리오 No. 3)를 비교하였다. 환기구의 용량이 180 m³/s에서 220 m³/s로 커짐에 따라 화원 직상부에서의 연기 온도는 320℃에서 200℃로 급격히 감소함을 알 수 있다.

대상 데이터

Table 3에서 보는 바와 같이 유조차를 포함한 위험물 적재 가능성이 높은 트럭의 통행 비율이 낮은 경우 대체적으로 설계 화재강도를 낮게 선정한다는 것을 알 수 있다. 본 연구에서 해석대상으로 선택한 OO터널의 경우 대형차 통행 비율은 5.52%, 유조차를 포함한 특수트럭 비율은 0.3%로 예측되어 다른 터널에 비해 대형차의 이동 비율이 낮을 것으로 예상된다. Table 1, 2, 3에 제시된 각종 차량에 대한 설계화재 강도와 OO터널이 도심지에 설치되는 장대터널임을 고려하여 본 연구에서는 OO터널의 설계화재강도를 30 MW 로 가정하였다.
본 연구에서는 실물실험이나 모형실험을 통해 터널내 화재 확산 거동을 모사하는 것이 어렵기 때문에 조건을 다양하게 변화시키며 결과를 분석할 수 있는 수치 해석을 이용하여 해석을 실시하였다. 사용된 프로그램은 NIST에서 개발한 FDS(Fire Dynamics Simulator)를 기반으로 만들어진 PyroSim(Ver. 5) 이다. 건설 예정인 ○○터널을 대상으로 6가지의 시나리오를 가정하여 터널 내 차량 화재 시 환기구의 존재, 환기구의 용량, 환기구의 개수, 복수 화원의 존재가 연기의 온도 분포 거동에 미치는 영향을 평가하였다.
예비 해석 결과를 참조하여 본 해석에서는 화재 해석 시간을 1,000초, 해석 대상이 되는 터널의 길이는 1,100 m로 하였다. 또한 제트팬에 의한 환기 효과를 고려하기 위하여 화재 시나리오에 따라 수직 환기구가 설치되어 있는 것으로 가정하였다.
연기의 유동이 미치는 영향 길이와 영향 시간을 결정하기 위하여 예비 해석을 실시하였다. 화원은 터널 입구에서 300 m 이격된 지점에 존재하는 것으로 하였다. Fig.

성능/효과

1. 화원 직상부에 환기구가 없는 경우와 용량 180 m³/s 의 환기구가 1대, 2대, 3대 있는 경우의 연기 최고 온도는 각기 440, 320, 245, 230(℃)로 나타나 환기구가 존재하는 경우 연기 온도 감소에 효과가 큰 것으로 나타났으나, 환기구가 2개 이상이 되는 경우 연기 온도 감소 효과 증대는 크지 않으며 특히 화원에서 200 m 이상 이격된 지점에서는 환기구의 설치 대수를 2대에서 3대로 증가시켜도 온도 감소 효과는 없는 것으로 나타났다.
2. 환기구의 용량이 연기 온도 감소에 미치는 영향을 평가한 결과 용량이 각기 180 m³/s, 220 m³/s인 경우 화원 직상부에서의 연기 온도는 320, 200(℃)로 나타나 용량을 증가시키는 경우 환기구를 설치하는 것과 유사한 온도 감소 효과가 발생하는 것으로 나타났다. 또한 화원 직상부에 존재하는 연기층의 온도를 감소시키기 위해서는 용량이 작은 환기구를 다수 설치하는 것 보다 용량이 큰 환기구 1대를 설치하는 것이 효과적인 것으로 평가되었다.
3. 복수 화원의 존재가 연기 온도에 미치는 영향을 평가한 결과 화원 직상부에서의 연기 온도가 620℃ 까지 상승되어 화원이 1개 있는 경우의 2배 정도로 나타나 화원 부근의 화재 피해가 커질 것으로 예상되었으나, 화원으로부터 출구쪽으로 600 m 이상 이격된 지점에서는 화원이 1개인 경우와 차이가 별로 없는 것으로 나타났다.
4. 연기층의 복사에 의해 화염의 직접적인 접촉없이도 발화가 되기 위해서는 연기층의 온도가 400℃이상이 되어야 된다는 점을 고려하면 환기구가 없는 경우와 복수 화원이 있는 경우를 제외하고는 화원 직상부에 존재하는 연기층의 복사에 의해 화원 부근에 존재하는 가연물의 발화는 없을 것으로 예상된다.
500∼1000(m) 지점에서의 연기 온도 분포 양상을 보면 수직환기구가 없는 경우 1,000초가 경과할 때까지 온도가 계속적으로 증가하는 것으로 나타나지만 수직환기구가 있는 경우 900초부터 감소하는 것으로 나타나 환기구가 온도의 감소뿐만 아니라 연기가 영향을 미치는 시간도 감소시키는 것을 알 수 있다.
환기구의 용량이 연기 온도 감소에 미치는 영향을 평가한 결과 용량이 각기 180 m³/s, 220 m³/s인 경우 화원 직상부에서의 연기 온도는 320, 200(℃)로 나타나 용량을 증가시키는 경우 환기구를 설치하는 것과 유사한 온도 감소 효과가 발생하는 것으로 나타났다. 또한 화원 직상부에 존재하는 연기층의 온도를 감소시키기 위해서는 용량이 작은 환기구를 다수 설치하는 것 보다 용량이 큰 환기구 1대를 설치하는 것이 효과적인 것으로 평가되었다.
최고온도 도달 시간을 비교해 보면 풍속이 있는 경우 화원 상부에서는 600초 만에 최고 온도에 도달하지만 500∼1100(m) 지점에서는 1,000초가 경과되어야 최고온도에 도달하는 것으로 나타났다.
환기구의 설치 대수가 연기의 온도에 미치는 영향을 평가하기 위하여 Fig. 4(시나리오 No. 2), Fig. 6(시나리오 No. 4), Fig. 7(시나리오 No. 5)를 비교한 결과 환기구의 설치대수가 1대 → 2대 → 3대로 증가함에 따라 화원 직상부에서의 최고 온도는 320℃ → 245℃ → 230℃로 감소하는 것으로 나타나 환기구의 설치 대수가 증가함에 따라 연기 확산 피해를 감소시킬 수 있음을 알 수 있다.

후속연구

앞으로도 동･서간을 관통하는 도로나 철도를 신설하는 경우 우리나라 산맥의 분포 특성에 따라 장대터널을 건설할 가능성이 높고, 한･일 해저터널(연장 : 220 km), 한･중 해저터널(연장 : 198∼374 km)과 같은 초장대 터널(Shin, 2011)에 대한 타당성도 논의되고 있어 장대 터널 화재 발생에 따른 화재 확산 및 연소 생성물의 유동에 대한 연구가 지속적으로 요구된다.
또한 장대터널의 경우 단순히 설계 지침을 준용하는 것만으로는 적합한 방재설비를 설치하는 것이 어렵다. 적절한 방재시설을 설치하기 위해서는 터널의 자연적 조건과 설계 조건을 고려한 화재 및 연기의 확산 거동에 대한 수치해석적인 연구가 필요하다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	터널 내 차량 화재 발생에 따른 인명 및 재산 피해를 방지하기위한 국내의 지침은?	터널 내 차량 화재 발생에 따른 인명 및 재산 피해를 방지하기 위해서는 적절한 방재시설을 설치하여 소방대원이 도착하기에 앞서 피난 및 초동 대응을 할 수 있도록 해야 한다. 현재 국내 도로 터널 설계 시 방재시설을 설계하는 경우 국토해양부에서 2009년에 제정한 ‘도로터널 방재시설 설치 및 관리지침’을 준용하고 있으며, 도로 터널에 설치하는 소방시설에 대한 설치기준과 유지 및 안전관리에 관한 사항은 소방방재청에서 제정한‘도로터널의 화재안전기준’을 따르도록 되어 있다. 2009년 이후에 설계된 도로 터널은 설계 지침에 따라 어느정도의 방재시설을 갖추고 있지만 그 이전에 건설된 터널은 방재시설을 임의로 설계함에 따라 화재에 취약한 경우가 많다.
	터널을 굴착하는 경우가 많아지는 이유는?	행복도시, 혁신도시, 기업도시 등과 같은 신도시 건설과 기존 도시 경계의 확대에 의한 도시 내 도로와 도시간 연결 도로의 건설이 점증함에 따라 터널 건설이 증가하고 있고, 도로가 산악지역을 통과하는 경우 자연환경 파괴를 최소화하기 위하여 절개 사면을 형성하는 것보다는 터널을 굴착하는 경우도 많아지고 있다. 국내 도로 터널 현황을 보면 2010년을 기준으로 하여 연장이1 km 이상이 되는 터널의 개수는 254개소이고 총연장은 448 km로 장대터널의 연장이 전체 터널 연장의 약 46%를 차지하고 있는 것으로 나타나고 있다(MLTM, 2011).
	터널 공간이 화재에 취약한 이유는?	터널 공간은 반 밀폐 공간으로 터널 내에서 차량 화재가 발생하는 경우 방연, 방화구획이 없으므로 대류․복사에 의한 화재 확산이 빨라 빠른 시간 내에 화재 진압을 하는 것이 쉽지 않고, 화재 시 발생한 연소 생성물로 인해 가시거리가 짧아져 대피 인원의 피난을 어렵게 하며 연기로 인한 질식으로 인해 인명피해가 발생할 수 있다. 터널 화재는 터널 라이닝과 숏크리트와 같은 지보재 뿐만 아니라 암반 자체에 열적 손상을 일으켜 터널 자체의 안정성에 심각한 영향을 미치기도 한다(Hertz and Sorensen, 2005, Chang et al.

참고문헌 (15)

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Kim, H.Y., H.J. Kim, K.S. Cho, J.S. Lee and K.H. Kwan, An experimental study on thermal damage and spalling of concrete lining in tunnel fire, J. of Korean Institute of Fire Sci. & Eng. 23.3. 110-120.
Hertz, K.D. and L.S. Sorensen, 2005, Test method for spalling of fire exposed concrete, Fire Safety J. 40, 466-476.

상세보기
Lacroix, D. and A. Haack, 2004, PIARC design criteria for resistance to fire for road tunnel structures, In Joint Issue ITA/PIARC Route-Roads on Fire Safety in Tunnels, 64-71.
Lee, J.S. and T.S. Ahn, 2006, Needs of fireproofing for tunnel, J. of KSMI 10.6, 6-11.
Lonnermark, A., 2005, On the characteristics of fires in tunnels, Ph D. Thesis, Lund University, 3-11.
MLTM, 2009, Guideline for installation of safety facility in road tunnel, 70.
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NFPA, 2011, NFPA 502 : Standard for road tunnels, bridges, and other limited access highways, NFPA, 24-29.
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OO E & C, 2010, Design report for OO tunnel.
Quintiere, J.G, 1998, Principles of fire behavior, Delmar Publishers, 60-62.
Shin, H.S., 2011, Major technical challenges for construction of submarine tunnel, Proc. 2011 KSRM Fall Symposium, KSRM, 35-43.
Thunderhead Eng., 2010, PyroSim User Mannual, Thunderhead Eng., 7.
Won, J.P., M.J. Choi, C.I. Jang and S.W. Lee, 2009, Applied time-temperature curve for safety evaluation in the road tunnel by fire, J. of KSCE 29.5A, 551-555.

저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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