[논문]도로터널 화재시 연기의 전파특성과 구조체에 미치는 영향에 관한 수치 해석적 연구

유지오; 오병칠; 김효규

doi:10.9711/ktaj.2013.15.3.289

[국내논문] 도로터널 화재시 연기의 전파특성과 구조체에 미치는 영향에 관한 수치 해석적 연구
A numerical study on the characteristics of the smoke movement and the effects of structure in road tunnel fire 원문보기

Journal of Korean Tunnelling and Underground Space Association = 한국터널지하공간학회논문집, v.15 no.3, 2013년, pp.289 - 300

유지오 (신흥대학교 건축설비과) , 오병칠 (신흥대학교 건축설비과) , 김효규 (주성지엔비(주))

초록
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본 연구에서는 도로터널 화재해석에 적용하는 화재성장곡선을 적용하여 도로터널 화재시 열기류의 전파특성과 터널벽면에 미치는 열적특성을 수치 해석적으로 고찰하였다. 최대화재강도는 20, 100 MW로 하였으며, 터널내 풍속은 2.5 m/s로 유지하는 경우와 열부력에 의한 풍속으로 하는 경우에 대해서 터널연장 및 경사도에 따른 연기의 전파특성을 분석하고 열기류가 벽체에 미치는 영향을 평가하기 위해서 벽체표면온도와 벽체표면 열전달계수를 분석하였다. 터널내 열기류는 풍속을 2.5 m/s로 하는 경우에 벽체의 냉각효과에 의해서 일정거리 이후에는 급격하게 하강하여 하류까지 동일한 양상으로 흐르는 특성을 보이고 있으며, 벽체표면의 최대온도는 화재강도가 100 MW일 경우에 최대 $615^{\circ}C$까지 상승하고 있으며, 표면온도가 $380^{\circ}C$를 초과하는 면적은 아주 작은 것으로 나타나고 있다. 벽체의 표면열전달계수는 화재강도 및 터널내 풍속에 따라서 변하며 약 $13{\sim}23W/m^{\circ}C$의 범위에 있는 것으로 나타났다.

Abstract ▼ AI-Helper

This study numerically considered the characteristic of smoke movement and the effect of hot smoke gas on tunnel wall surface temperature during road tunnel fire under boundary condition of fire growth curve that is applied to fire analysis in road tunnels. The maximum heat release rate were 20 MW and 100 MW and tunnel air velocities were 2.5 m/s and velocity induced by thermal buoyancy respectively, also the cooling effect of tunnel wall was considered. As results, when tunnel air velocity was constant at 2.5 m/s during tunnel fire, due to the cooling effect of tunnel wall, the smoke layer was rapidly descent after some distance and it flowed the same patterns at the downstream. When heat release rate was 100 MW (and jet fan was not installed), the maximum temperature of tunnel wall surface has risen up to $615^{\circ}C$. The heat transfer coefficient of tunnel wall surface was varied from 13 to $23W/m^2^{\circ}C$ approximately.

주제어

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문제 정의

본 연구에서는 터널화재시 제․배연을 수행하는 상태에서 열기류 및 연기의 이동특성과 열기류가 콘크리트 구조체에 미치는 영향을 평가할 목적으로 현재 터널에 대한 화재해석시 적용하는 화재성장곡선을 적용하여 다양한 제원의 터널에 대해서 비정상상태의 화재시뮬레이션을 수행하여 터널내 풍속, 온도 및 유해가스 농도를 해석하고, 이를 통해 화재연기의 전파 특성 및 콘크리트 라이닝 표면에서의 온도와 벽체표면 열전달계수에 대한 고찰을 수행한 결과, 다음과 같은 결과를 얻었다.
본 절에서는 화재시 터널벽체표면에서의 온도 및 열전달 특성을 검토하였다.
이에 본 연구에서는 제·배연을 수행하는 상태에서 열기류 및 연기의 이동특성과 열기류가 콘크리트구조체에 미치는 영향을 평가하고자 한다.

제안 방법

◦ 터널벽면 경계조건 : 대류열전달을 모사하기 위해서 라이닝 두께를 0.5 m로 모델링하고 표면 대류열전달이 발생하는 것으로 하였다.
5 m/s로 일정한 경우와 열부력에 의해 형성되는 풍속으로 하였다. 또한, 터널 벽체에서의 냉각효과를 고려하기 위해서 터널 라이닝을 모사하여 벽체에서 대류열전달이 발생하는 것으로 하였으며, 지중온도는 15℃로 등온조건으로 하였다. 해석모델을 요약하면 다음과 같으며, 해석은 Fluent(Version 6.
본 검토에서 최대화재강도는 20 MW와 100 MW로 하였으며, 터널내 풍속은 2.5 m/s로 일정한 경우와 열부력에 의해 형성되는 풍속으로 하였다. 또한, 터널 벽체에서의 냉각효과를 고려하기 위해서 터널 라이닝을 모사하여 벽체에서 대류열전달이 발생하는 것으로 하였으며, 지중온도는 15℃로 등온조건으로 하였다.
이에 본 연구에서는 제·배연을 수행하는 상태에서 열기류 및 연기의 이동특성과 열기류가 콘크리트구조체에 미치는 영향을 평가하고자 한다. 이를 위해서 현재 터널에 대한 화재해석시 적용하는 화재성장곡선을 적용하여 다양한 제원의 터널에 대해서 비정상상태의 화재시뮬레이션을 수행하여 터널내 풍속, 온도 및 유해가스 농도를 해석하였으며, 이를 통해 화재연기의 전파특성을 구명하고 콘크리트 라이닝 표면에서의 온도 및 열전달 계수를 고찰하여 구조체에 미치는 영향을 분석하였다.

이론/모형

또한, 터널 벽체에서의 냉각효과를 고려하기 위해서 터널 라이닝을 모사하여 벽체에서 대류열전달이 발생하는 것으로 하였으며, 지중온도는 15℃로 등온조건으로 하였다. 해석모델을 요약하면 다음과 같으며, 해석은 Fluent(Version 6.3)를 사용하였다.

성능/효과

1. 터널 화재시 터널내 풍속을 일정하게 유지하는 경우는 본 연구 범위에서는 터널연장 및 경사도의 차이가 연기 및 열기류의 이동특성은 미치는 영향은 거의 없는 것으로 판단된다.
2. 터널 화재시 일정한 풍속(2.5m/s)으로 제연하는경우, 열기류는 화재강도 20MW일 경우는 화재지점에서 약 300m, 화재강도가 100MW인 경우에는 약 500～600m지점에서부터 성층화가 교란되어 연기가 전체단면으로 확산되는 현상을 보이고 있으며, 성층화가 교란된 이후에는 터널 상층부와 하층부의 CO농도 및 온도차가 거의 없는 것으로 나타나고 있다.
3. 터널연장이 2,000m이고 경사도가 2.0%인 경우, 자연환기조건에서 화재시 열부력에 의한 터널내 풍속은 20 MW에서는 720s를 초과한 이후에는 터널단면 풍속이 2.5 m/s를 초과하여 최대 3.2m/s 도달하며, 100MW에서는 500s이후부터 급격히 증가하여 최대 4.5m/s까지 증가한 것으로 분석되었다.
4. 자연환기시에는 경사도가 2.0%인 경우, 화재가 완전히 성장한 후에는 풍속증가로 인한 냉각효과와 회석효과로 인하여 온도 및 CO농도가 일정한 풍속(2.5 m/s)로 제연하는 경우보다 낮아지는 경향을 보이며, 풍속이 아주 작은 경사도 0.3%인 경우에는 증대하는 경향을 보이고 있다. 따라서, 화재시 터널내 온도 및 CO농도는 터널내 풍속에 영향을 크게 받는 것으로 판단된다.
5. 터널내 풍속을 2.5m/s로 하는 경우에 벽체표면온도는 화재강도가 20MW일때는 최대 85℃정도,100MW일때는 최고 407.8℃정도로 나타났다.
6. 또한, 자연환기시에는 경사도에 영향을 받는 터널 내 풍속에 따라 냉각효과의 차이가 크기 때문에 벽체표면에서의 최대온도는 경사도에 따라서 차이가 있으나, 터널내 풍속이 가장 낮을 것으로 예상되는 0.3%경사에서 최대풍속은 약 0.7 m/s정도에도달하며, 벽체표면의 최고온도는 최고 615℃까지 상승하며, 약 20 m구간에서 380℃를 초과할 것으로 예측되었다.
7. 벽체표면에서의 평균열전달계수는 터널내 풍속 및 화재강도에 따른 온도변화에 영향을 받는 것으로 나타나고 있으며, 터널내 풍속을 2.5m/s로 일정하게 유지하는 경우에는 연기가 전파한 전구간에 대한 시간 평균값은 13.6W/m²℃(20 MW), 16.5W/m²℃(100MW)정도로 평가된다.
호흡선 높이에서 평균농도는 화재부근에서는 단면 전체평균값보다 약간 작은 값을 보이나, 화재지점에서 이격거리가 증가하면 거의 동일한 값을 보이는 것으로 나타나고 있다. 따라서 화재강도가 20 MW일 때 CO평균농도는 최대 500 ppm으로 예측되며, 호흡선 농도와 단면평균 농도는 차이가 거의 없는 것으로 분석되었다.
따라서, 화재강도가 20 MW이고 터널입구에서 풍속을 임계풍속(2.5 m/s)으로 유지하는 경우에는 터널 연장에 관계없이 화원으로부터 약 300 m이상 이격한 지점부터는 성층화가 교란되어 상층부와 하층부의 연기농도의 차이는 거의 발생하지 않는 것으로 분석된다.
화재가 최성기에 도달한 상태인 750 s, 900 s일때 호흡선에서 온도는 각각 570 m, 750 m이후에는 60℃ 이하로 나타나고 있다. 또한 CO농도는 성층화가 어느 정도 유지되는 것으로 볼 수 있는 750 s정도까지는 호흡선에서의 농도가 단면평균농도 보다 상당히 낮게 나타나고 있으며, 화재연기가 터널내 전체로 확산된것으로 판단되는 900 s이후에는 단면평균농도와 호흡 선에서의 평균농도가 크게 차이나지 않는 것으로 나타나고 있으며, 단면평균농도가 900 s에서 약 400ppm정도로 일정한 기류를 유지하는 경우보다 약 100ppm정도의 낮은 값을 보이고 있다.
전술한 벽면표면 최대온도에 대한 검토에서 화재강도가 100 MW인 경우에는 극히, 일부 구간에서 ITA의도로터널의 구조체에 대한 화재저항에 대한 가이드라인(ITA, 2004)에서 제시하고 있는 380℃를 초과하는 것으로 나타나고 있다. 또한 벽체표면의 열전달계수는 터널내 풍속이 2.5 m/s일 때 화재강도에 따라서 차이가 있으며, 화재강도가 20, 100 MW인 경우에는 각각 13.6, 16.5(100MW, s=2.0%)W/m²℃, 23.0(100MW,s=0.3%) W/m²℃로 분석되었다.
또한, 연기가 터널전체에 확산되는 750s와 900s일 때 벽면 열전달계수는 10∼16 W/m2℃ 정도의 값을 보이고 있으며, 전구간에 대한 시간평균은 13.6W/m2℃정도로 분석되었다.
3%인터널에서 벽체표면온도 및 열전달계수를 나타낸 것으로 이 경우, 화재지점은 1000 m지점이다. 화재지점에서는 벽체표면온도는 최고 615℃까지 상승하는 것으로 나타나고 있으며, 약 20 m구간에서 380℃를 초과하는 것으로 나타나고 있으며, 연기가 전파하는 구간에서 벽면열전달계수는 시간경과에 따라서 일정한 경향을 보이지 않고 있으며, 화원에서 거리가 멀어질수록 감소하는 경향을 보이고 있으나, 전체 평균값은 23.0W/m²℃정도로 나타나고 있다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	우리나라의 도로터널 수 및 총연장은 어떠한가?	2010년 통계를 기준으로 우리나라의 도로터널은 1,382튜브로 총연장은 974.7 km에 달하고 있으며(국토교통부, 2010), 이는 운행중인 차량중 약 2.4%정도가 터널내를 운행하고 있다는 결과이다.
	기존 환기 및 방재분야에서 터널화재에 대한 연구의 한계점은?	환기 및 방재분야에서 터널화재에 대한 연구는 대피자의 안전확보를 위한 제․배연시설의 시설용량 산정을 위한 연구나 화재역학적인 측면에서 화재시 온도 및 유해가스의 이동특성 등에 관한 연구가 대부분이며, 구조물의 내화성능에 관련한 연구는 각 기준에서 정의된 온도-시간 이력에 따라 구조체가 고온에 노출되었을 때 구조체가 하중을 지지할 수 있는 시간 및 콘크리트의 폭열 등 화재온도에 따른 콘크리트의 거동 및 내화대책에 대한 연구가 많이 수행되고 있다.(장수호, 2008) 따라서, 터널에서 화재가 발생하고제연또는 배연을 수행하는 조건, 즉 터널내 기류가 존재하고 벽체에서의 대류열전달을 고려한 실제상황에서 열기류가 구조체에 미치는 영향에 대한 평가는 적정하게 이루어지지 못하고 있는 실정이다.
	운행중차량의 화재건수의 발생현황은 어떠한가?	4%정도가 터널내를 운행하고 있다는 결과이다. 또한, 운행중차량의 화재건수는 2007～2011년의 통계(소방방재청, 2013)에 의하면 년간 평균 약 3,993건으로 주행거리계를 고려할 때, 우리나라 전체터널에서 매년 120건 정도의 화재가 발생한다는 것을 의미하는 것으로 도로터널에서 차량화재빈도는 상당히 높은 것으로 평가된다. 192명의 사망자와 약 6,481억원의 경제적인 손실이 발생한 대구지하철 중앙로역 화재참사, 최종복구까지 8개월이 소요된 구마고속도로 달성2터널 화재사고(지하공간 환경개선 및 방재기술 연구단,2004), 외국의 경우, 터널 복구에 1.

참고문헌 (7)

MLIT (2010), http://stat.molt.go.kr/portal/cate/statview.do, "Road bridge and Tunnel, Seoul.
Center for Underground Fire and Environmental Research (2004), Report of Daegu Subway Fire Investigation & Research, Kyungppok National Univ., Civil Environmental LAB.
Minister of the Interior, Ministry of Equipment, Transportation and Housing (1999), TASK FORCE FOR TECHNICAL INVESTIGATION OF THE 24 MARCH 1999 FIRE IN THE MONT BLANC VEHICULAR TUNNEL, French
NEMA, National Fire Data system (2013), http://nfds.go.kr/fr_base_001.jsf, Seoul
MLIT (2009), Design and Management for Road Tunnel Fire Protection, MLIT, Seoul.
Chang, S.H., Choi, S.W., Yoon, T. (2008), "Change of material properties of underground structures by fire", Infrastructure safety 32, 2008 winter, pp. 32-63.
International Tunnelling Association (2004), Guidelines for structural fire resistance for road tunnels, Working Group No. 6, ITA.

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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