[논문]도로터널 화재 시 외부 바람에 의한 연기거동 특성에 관한 실험적 연구

이성룡

doi:10.7474/tus.2014.24.4.308

[국내논문] 도로터널 화재 시 외부 바람에 의한 연기거동 특성에 관한 실험적 연구
An Experimental Study on Smoke Movement by the External Wind in Road Tunnel Fires 원문보기

터널과 지하공간: 한국암반공학회지 = Tunnel and underground space, v.24 no.4, 2014년, pp.308 - 315

이성룡 (중앙소방학교 소방과학연구실)

초록
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본 연구에서는 도로터널 화재 시 외부 바람에 의한 영향을 평가하기 위하여 축소모형 실험을 실시하였다. $1.1m{\times}0.5m{\times}50.4m$ 모형 터널에서 휘발유 4.5리터를 사용하여 실험을 실시하였다. 터널 내부의 온도, 산소와 일산화탄소 농도를 측정하였다. 외부 바람의 영향에 따라 연기의 출구 도달 시간에 차이를 보였다. 최성기 이후에는 외부 바람의 영향이 초기에 비하여 작은 것을 확인할 수 있었다. 화재로 인하여 발생한 일산화탄소가 1,500 ppm 이상 도달하여 피난자에게 치명적인 위해를 가할 수 있다.

Abstract ▼ AI-Helper

In this study, reduced scale experiments were carried out to evaluate the effect of external wind in a road tunnel fire. Experiments were conducted in a $1.1m{\times}0.5m{\times}50.4m$ tunnel. 4.5 litter gasoline was used as a fuel. Temperature, oxygen and carbon monoxide concentration were measured. Smoke reaching time to the tunnel exit was affected by the external wind. When a fire was fully developed, wind effect is reduced compared with the early stage of a fire. CO concentration was reached at more than 1,500 ppm.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구에서는 도로터널 화재 시 외부 바람에 의한 연기 거동 특성을 파악하기 위하여 축소모형 실험을 실시하였으며 결과를 다음과 같이 정리할 수 있다.
본 연구에서는 도로터널 화재 시 터널 외부 바람의 영향을 파악하고자 한다. 터널 화재 시 외부 바람의 풍속 변화에 따른 연기의 거동 특성과 터널 내부의 연기 거동 특성 파악을 통하여 터널 화재의 물리적 특성의 이해와 화재 진압 및 터널 설계자나 방재 전문가들에게 보다 유용한 이론적, 정성적인 자료를 제공하고자 한다.
본 연구에서는 도로터널 화재 시 터널 외부 바람의 영향을 파악하고자 한다. 터널 화재 시 외부 바람의 풍속 변화에 따른 연기의 거동 특성과 터널 내부의 연기 거동 특성 파악을 통하여 터널 화재의 물리적 특성의 이해와 화재 진압 및 터널 설계자나 방재 전문가들에게 보다 유용한 이론적, 정성적인 자료를 제공하고자 한다.

가설 설정

터널 천장은 열에 의한 변형을 방지하기 위하여 두께 3 mm의 철판을 사용하였다. 본 실험에서는 배연시스템이 작동하지 않는 경우를 상정하여 배연시스템에 대한 고려는 하지 않았다. 실험 모형터널을 Fig.
5리터를 사용하였으며 연소 시 증발된 연료의 양을 측정하였다. 증발된 연료가 모두 연소되는 것은 아니기 때문에 연소효율을 0.7로 가정하였다¹⁰⁾. 연료의 질량감소량을 이용하여 열방출율을 다음 식에 의하여 결정하였다¹¹⁾.

제안 방법

가스의 농도 변화를 측정하기 위하여 호흡선 높이(16 cm)에 가스측정기를 설치하였다. 3대의 가스측정기(QRAE PLUS)를 화원으로부터 입구방향으로 9.0 m, 16.2 m, 23.4 m 떨어진 위치에 각각 설치하여 산소 및 이산화탄소 농도를 측정하였다.
Case 1과 Case 3의 경우 인위적인 유동을 발생시키지 않은 상태에서 실험이 실시되었으며, 터널 입구로부터 2 m 떨어진 위치에 유속계를 설치하여 실험 동안 유속 변화를 측정하였다. Case 2의 경우 외부 바람에 의한 영향을 평가하기 위하여 입구로부터 2m 떨어진 위치에 송풍기를 설치하고 터널 입구 중앙에 유속계를 설치하여 유속을 측정하였다.
가스의 농도 변화를 측정하기 위하여 호흡선 높이(16 cm)에 가스측정기를 설치하였다. 3대의 가스측정기(QRAE PLUS)를 화원으로부터 입구방향으로 9.
4 m 간격으로 열전대를 설치하였다. 또한 화원으로부터 6.6 m 떨어진 터널 입구방향 위치에 높이 방향(10 cm, 20 cm, 30 cm, 35 cm, 40 cm, 45 cm)으로 6개의 열전대를 설치하여 온도변화를 측정하였다.
본 연구에서는 배후령 터널 단면을 축소한 모형터널에서 실험을 실시하였다. 배후령 터널의 단면은 폭 11 m, 높이 5 m이다.
송풍기를 설치하지 않은 경우 터널 입구로부터 2 m 떨어진 위치에 유속계(testo 435)를 설치하여 터널 외부 유속을 측정하였다. 또한 외부 바람의 영향을 평가하기 위하여 터널 입구 쪽에 송풍기를 설치하여 인위적으로 외부 유동을 발생시켰다.
유용호 등은 터널 화재 시 국부제연설비인 에어커튼을 적용한 성능평가 실험을 수행하였다²⁾. 유지오 등은 도로터널 화재 시 열기류의 전파특성과 터널벽면에 미치는 열적특성을 수치해석적으로 고찰하였다³⁾.
열전대에서 발생된 신호는 데이터로거(GL820)를 통해 수집되었다. 총 28개의 열전대를 설치하여 실험동안 터널 내부 온도 변화를 측정 하였다. 터널 천장 아래 5 cm 떨어진 위치에 2.
터널 내부의 산소 및 일산화탄소 농도를 측정하기 위하여 화원으로부터 9.0 m, 16.2 m, 23.4 m 떨어진 위치의 바닥으로부터 16 cm 높이에 가스측정기를 설치하여 5초 간격으로 샘플링을 실시하였다. 시간경과에 따른 일산화탄소의 농도를 Fig.
터널 천장 아래 5 cm 떨어진 위치에 길이방향으로 열전대를 설치하여 온도를 측정하였다. 터널 내부 연기의 거동 및 입구에서의 연기 배출 모습을 Fig.
화원으로부터 6.6 m 떨어진 입구 방향 위치에 높이 방향으로 6개의 열전대를 설치하여 시간 경과에 따른 수직온도 변화를 측정하였으며 Fig. 10에 나타내었다.

대상 데이터

실험을 위하여 터널 중앙에 25 cm 정사각형 풀을 위치시킨 후 실험을 실시하였다. 가연물로는 휘발유 4.5리터를 사용하였으며 연소 시 증발된 연료의 양을 측정하였다. 증발된 연료가 모두 연소되는 것은 아니기 때문에 연소효율을 0.
버스 한 대의 열방출율은 약 20 MW이다¹²⁾. 본 실험의 열방출율을 실물터널 화재로 환산하면 버스 약 2대가 연소하는 화재에 해당한다.
실험 터널은 배후령 터널을 Froude 상사에 의해 1/10로 축소하였으며 크기는 1.1 m × 0.5 m × 50.4 m이다.
3에 나타내었다. 실험공간의 온도 측정을 위하여 소선 지름 0.6 mm의 K-타입 열전대를 사용하였다. 열전대의 측정범위는 -200℃~1,200℃이며 -20℃~120℃ 구간에서 ±2℃의 오차를 가진다.
열전대의 측정범위는 -200℃~1,200℃이며 -20℃~120℃ 구간에서 ±2℃의 오차를 가진다. 열전대에서 발생된 신호는 데이터로거(GL820)를 통해 수집되었다. 총 28개의 열전대를 설치하여 실험동안 터널 내부 온도 변화를 측정 하였다.
8에 나타내었다. 터널 입구에서 터널 출구 방향으로 평균 1.55 m/s의 바람이 유입되는 상태에서 실험을 실시하였다. 바람의 유입으로 인하여 터널 입구에서는 화재 발생 약 365초 후 연기가 도달하였다.
두께 5 mm의 철제 각파이프로 틀을 제작한 후 터널 벽체는 방화석고보드로 마감하였다. 터널 천장은 열에 의한 변형을 방지하기 위하여 두께 3 mm의 철판을 사용하였다. 본 실험에서는 배연시스템이 작동하지 않는 경우를 상정하여 배연시스템에 대한 고려는 하지 않았다.

데이터처리

또한 외부 바람의 영향을 평가하기 위하여 터널 입구 쪽에 송풍기를 설치하여 인위적으로 외부 유동을 발생시켰다. 송풍기를 설치한 경우 실험 전 터널 입구에서 15분간 유속을 측정하여 평균풍속을 산출하였다.

성능/효과

이후 급격하게 일산화탄소 농도가 증가하였다. G1과 G2 위치에서는 일산화탄소의 농도가 거의 유사하게 증가하였으며 화재 발생 약 370초 후 농도가 1,500 ppm 이상 도달하였다. 본 실험에 사용된 가스측정기의 측정한계가 1,500 ppm이어서 이 이상 측정할 수 없었다.
바닥으로부터 16 cm 떨어진 높이에서 화재로 인하여 발생한 일산화탄소 농도가 화재 발생 약 120초 후부터 급격하게 증가하기 시작하였으며 화재 발생 495초 후 모든 위치에서 1,500 ppm 이상 도달하여 지속되었다.
8%로 감소하였다. 이 후 연료 소모에 따라 열방출율이 감소하면서 외부에서 유입되는 공기량 증가로 인하여 산소농도가 다시 점차적으로 증가하였다. G3 위치에서는 G1과 G2 위치와 비교하여 산소 농도 감소폭이 덜하였으며, 화재 발생 500초 후 산소 농도가 약 17.
8 m 떨어진 위치까지는 전체적으로 유사한 경향을 보였다. 전체적으로 화재 발생 초기 입구쪽으로 연기가 먼저 도달해 입구쪽이 온도가 높았으나 최성기에 도달하면서 동일 위치에서 출구쪽의 온도가 더 높았다. 최성기를 지난 후에는 양쪽 모두 유사한 값을 나타내었다.
55 m/s일 때 화재 발생 초기에는 외부 바람의 영향이 화재로 인한 부력 모멘텀보다 커서 연기의 이동을 지연시키는 역할을 하였다. 화원에서 멀어질수록 외부 바람에 의한 영향이 상대적으로 크고 입･출구 동일 위치에서 최대 약 68℃의 온도차를 보였다. 최성기 이후 화원 부근에서는 화재로 인한 부력 모멘텀이 증가하여 외부 바람의 영향이 초기에 비하여 작은 것을 확인할 수 있다.
G1과 G2 위치에서는 산소 농도가 유사하게 감소하였다. 화재 발생 500초 경과 후 G1 위치에서는 산소 농도가 약 14.4%, G2 위치에서는 약 13.8%로 감소하였다. 이 후 연료 소모에 따라 열방출율이 감소하면서 외부에서 유입되는 공기량 증가로 인하여 산소농도가 다시 점차적으로 증가하였다.
화재 발생 약 130초 후부터 산소 농도가 감소하기 시작하였다. 화재 발생 500초 후 화원으로부터 9.0 m 떨어진 위치에서는 산소 농도가 약 14.4%, 16.2 m 떨어진 위치에서는 약 13.8%로 감소하였다. 화원으로부터 23.
7%를 기록하였다. 화재 발생 900초 후 G1 위치에서는 약 19.4%, G2 위치에서는 19.5%, G3 위치에서는 20.3%를 기록하였다.
화재 발생 약 800초 후 일산화탄소의 농도가 1,500 ppm 이하로 측정되었다. 화재 발생 약 900초 후 일산화탄소의 농도가 G1 위치에서는 약 720 ppm, G2 위치에서는 약 705 ppm으로 감소하였다. G3 위치에서는 화재 발생 약 200초 후부터 G1, G2 위치보다는 일산화탄소 농도가 높게 측정되었다.
이후 약 90초간 일산화탄소 농도가 1,500 ppm 이상을 유지한 후 1,500 ppm 이하로 감소하였다. 화재 발생 약 900초 후 일산화탄소의 농도가 약 350 ppm으로 감소하였다.
터널 입구에서는 최대 약 65℃, 터널 출구에서는 약 80℃까지 온도가 증가하였다. 화재 시 터널 입구와 출구의 동일 위치에서 온도분포를 비교한 결과 화원으로부터 0.6 m 떨어진 위치에서 화재 발생 초기 입구쪽과 출구쪽이 유사한 경향을 보였으며, 최성기에는 출구쪽의 온도가 입구쪽보다 최대 약 70℃ 높았다. 600초 후부터 양쪽이 유사한 온도를 나타냈다.
7에 나타내었다. 화재로 인한 열기류가 천장을 따라 이동하면서 순차적으로 열전대의 온도가 증가하였으며 일정 온도를 유지한 후 연료 소모에 따라 온도가 점차적으로 감소하였다. 화원으로부터 0.

후속연구

55 m/s 로 증가했을 때 연기의 터널 입구 도달시간은 약 6분으로 증가하였다. 따라서 입구로 유입되는 바람의 영향을 고려하여 터널 입구 차량 진입 차단 계획을 수립하고 시행하여야 할 것이다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	배후령 터널에는 어떤 최첨단 기술이 도입되었는가?	2012년 3월 30일 개통한 배후령 터널은 총 연장 5,057 m로 국내 최장 도로터널이다. 배후령 터널에는 화재 발생 시 전 터널의 어느 구간에서나 배기구를 이용하여 연기를 배출할 수 있는 국내 최초 횡류식 환기시스템, 역주행이나 낙하물･보행자･차량사고 등을 자동 감지하는 CCTV, 국내 처음으로 본터널 옆으로 차량 1대 정도가지날 수 있는 피난대피용 보조터널 조성 등 최첨단 기술이 도입되었다.
	본 논문에서 수행한, 도로터널 화재 시 외부 바람에 의한 영향을 평가하기 위한 축소모형 실험을 실시한 결과는 어떠한가?	5리터를 사용하여 실험을 실시하였다. 터널 내부의 온도, 산소와 일산화탄소 농도를 측정하였다. 외부 바람의 영향에 따라 연기의 출구 도달 시간에 차이를 보였다. 최성기 이후에는 외부 바람의 영향이 초기에 비하여 작은 것을 확인할 수 있었다. 화재로 인하여 발생한 일산화탄소가 1,500 ppm 이상 도달하여 피난자에게 치명적인 위해를 가할 수 있다.
	우리나라에 설치된 터널의 특징은 무엇인가?	2012년 기준 총 1,578개소의 도로터널이 운영 중에있으며, 총연장은 1,148.9 km이다. 이 중 775개소가 고속국도에 건설되어 있으며 총 연장은 606 km이고 일반국도에는 421개소가 설치 운영 중이다. 대부분의 터널은 1 km 미만이지만, 도로 터널 중 38개소가 1 km 이상인 장대터널이며 최근 건설되는 터널들은 점차 장대화되고 있는 추세이다1).

참고문헌 (12)

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원문보기 상세보기
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Fire and Smoke Control in Road Tunnels, 1999, PIARC.

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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