[논문]경부고속도로 지하차도 내화설계 기준 적용사례 - 경부고속도로 직선화공사 구간(동탄2 신도시) -

이춘주; 신교성; 최광수; 박철우

경부고속도로 지하차도 내화설계 기준 적용사례 - 경부고속도로 직선화공사 구간(동탄2 신도시) - 원문보기

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문제 정의

특히 동 구간의 경우 경부고속도로의 핵심구간이므로 화재로 인하여 구조물 본체가 손상되는 경우복구에 따른 교통통제로 발생되는 사회적 손실비용이 막대할 것으로 예상된다. 따라서 보수보강의 편의성 및 신속성, 그리고 터널 청소 등 일상의 유지관리 조건 등을 종합적으로 고려하여 내화보드 또는 내화스프레이 등의 별도의 내화대책을 수립하도록 제시하였다.
본 고에서는 도로터널 내화설계와 관련한 국내·외 규정을 소개하고 현재 추진중인 동탄2신도시 경부고속도로 직선화구간 지하차도의 내화설계 기준개발 및 적용사례를 소개하고자 한다.
본 사업구간의 지하차도는 도심지를 통과하는 철근콘크리트 지하박스 구조물이라는 특성과 경부고속도로 구간 중에서도 그 중요도가 가장 높다는 점 등을 고려하여 화재 시에도 구조물의 안정성을 확보할 수 있도록 내화성능을 확보하는 방안을 검토하였다.

가설 설정

수치해석의 단순화를 위하여 단면형상은 화원의 영향을 직접적으로 받는 풍도슬래브 하부 공간으로 한정하였고 화재로부터 온도 영향을 받지 않는 길이를 고려하여 초기모델은 45m로 가정하였다.

제안 방법

한국도로공사에서는 2009년 개정된 도로터널 방재시설 설치 및 관리지침(국토교통부)을 보다 강화하여 고속도로 터널 환기 및 방재기준을 수립하였다. 동 지침에 따른 지하차도 구간의 터널 등급은 2등급에 해당하나, 시설물의 중요도 등을 감안하여 1등급에 준하여 설계하였다.
상기 해석결과는 미국과 유럽의 주요국가에서 제시하는 설계화재강도 및 최대온도와도 유사한 수준임을 알 수 있었다. 따라서 국내₩외 내화설계 관련규정 등을 종합적으로 고려할 때 200MW의 설계화재강도와 1,200℃ 최대온도를 적용하도록 제시하였다.
유럽 각국의 규정 등은 화재 실물 실험을 통하여 화재강도, 시간-온도 곡선 등을 제시하고 있으나, 실물 실험에는 많은 비용이 소요되고 연구가 필요하다. 따라서 본 과업에서는 다양한 화재조건을 고려한 화재 시뮬레이션을 통하여 화재강도 및 시간-온도 곡선을 산출하고 해외규정 등을 참고하여 타당성을 검증하는 방법을 채택하였다.
연소물질의 종류 변화에 따른 화재강도 변화를 확인하기 위해 연소물질에 따른 해석을 시행하였다. 상기해석에서 적용된 연료는 일반적인 가솔린 종류인 Octane(C₈H₁₈)으로 연소열은 44.
지하차도 단면은 총 폭원 53m의 철근콘크리트 개선형 아치구조로 계획되었으며, 혼합방식의 제연시스템을 구축하여 상시에는 자연환기 시스템을 적용하고, 화재 시에는 풍도슬래브의 덕트를 활용하여 집중배연 하는 형식을 적용하였다.
한계온도 기준은 해외규정에서 제시하는 값들이 유사하므로 NFPA 502, ITA 규정 등을 참고하여 직접적으로 가열되는 경우 콘크리트 단면에는 폭렬이 발생되지 않도록 하고, 적극적인 내화대책을 강구하여 콘크리트 표면온도는 380℃, 보강철근의 온도는 250℃ 이하가 되도록 제시하였다.
화재 시뮬레이션은 다양한 조건을 고려하기 위하여 화재사고 차량의 크기, 화재사고 연계 차량 대수, 화재해석 대상 공간의 크기 및 화재 연소물질의 종류 등을 변수로 하여 해석을 수행하였다.

대상 데이터

대상구간은 연평균일교통량(AADT)이 약 16만대 이상으로 매우 높은 구간이며, 인근개발지역과의 연계성 등을 고려할 때 경부고속도로는 국내 고속도로 중에서도 가장 핵심적인 구간의 일부라고 할 수 있다.
연소물질의 종류 변화에 따른 화재강도 변화를 확인하기 위해 연소물질에 따른 해석을 시행하였다. 상기해석에서 적용된 연료는 일반적인 가솔린 종류인 Octane(C₈H₁₈)으로 연소열은 44.56MJ/kg이며, 비교 해석을 위해 적용하는 Decane(C₁₀H₂₂)은 연소열이 55.5MJ/kg으로 Octane에 비해 연소열이 약 24%증가된다. 해석결과 5,000L~7,500L까지는 화재강도가 약 10~30MW가 증가된 140~180MW 규모의 화재강도를 나타내었으나, 10,000L, 27,000L용량의 경우 최대 화재강도는 약 220MW 수준으로 주어진 단면 내에서는 더 이상 증가가 없는 것으로 분석되었다.

성능/효과

5000L~10,000L 용량까지는 용량이 증가함에 따라 화재강도는 130MW~210MW로 급격히 증가하였으나 10,000L~27,000L는 약 210~220MW 규모로 수렴하는 것으로 나타났다. 구조물 내부의 온도는 용량이 증가함에 따라 미세하게 증가하기는 하였으나 특별히 고려할 만한 수준은 아니었으며 약 1,200℃ 정도에 수렴하는 것을 알 수 있었다.
5000L~10,000L 용량까지는 용량이 증가함에 따라 화재강도는 130MW~210MW로 급격히 증가하였으나 10,000L~27,000L는 약 210~220MW 규모로 수렴하는 것으로 나타났다. 구조물 내부의 온도는 용량이 증가함에 따라 미세하게 증가하기는 하였으나 특별히 고려할 만한 수준은 아니었으며 약 1,200℃ 정도에 수렴하는 것을 알 수 있었다. 다만 용량이 증가함에 따라 화재 지속시간은 증가하였다.
해석의 경계조건 중 대상공간의 크기에 따른 민감도를 확인하기 위해 대상구간의 연장을 45m에서90m로 증가시켜 10,000L 용량으로 해석한 결과, 최대 화재강도는 연장 45m인 경우와 거의 유사한약 210MW로 예측되었다. 따라서 과업에서 적용한 45m의 해석모델은 적용의 문제점은 없는 것으로 확인되었다.
상기 해석결과는 미국과 유럽의 주요국가에서 제시하는 설계화재강도 및 최대온도와도 유사한 수준임을 알 수 있었다. 따라서 국내₩외 내화설계 관련규정 등을 종합적으로 고려할 때 200MW의 설계화재강도와 1,200℃ 최대온도를 적용하도록 제시하였다.
이상의 해석결과를 종합할 때, 본 과업의 대상구간인 경부고속도로 지하차도의 주어진 단면조건 하에서 여러 가지 경우의 위험물 종류와 용량에 대하여 발생할 수 있는 화재강도는 약 220MW로 예측되었으며, 이때 발생되는 최대 온도는 약 1,200℃ 정도임을 알 수 있었다.
5MJ/kg으로 Octane에 비해 연소열이 약 24%증가된다. 해석결과 5,000L~7,500L까지는 화재강도가 약 10~30MW가 증가된 140~180MW 규모의 화재강도를 나타내었으나, 10,000L, 27,000L용량의 경우 최대 화재강도는 약 220MW 수준으로 주어진 단면 내에서는 더 이상 증가가 없는 것으로 분석되었다.
해석의 경계조건 중 대상공간의 크기에 따른 민감도를 확인하기 위해 대상구간의 연장을 45m에서90m로 증가시켜 10,000L 용량으로 해석한 결과, 최대 화재강도는 연장 45m인 경우와 거의 유사한약 210MW로 예측되었다. 따라서 과업에서 적용한 45m의 해석모델은 적용의 문제점은 없는 것으로 확인되었다.
화재사고 연계 차량대수를 변수로 하여 해석한 결과, 최대 화재강도는 약 200~220MW로 예측되었으며 대수 증가의 영향은 미미한 것으로 나타났다. 그러나 차량 크기에 따른 해석결과와 동일하게 화재지속시간은 증가되었다.

후속연구

최근 정부 및 지자체 등의 도로정책은 도심지 구간의 지하공간을 적극적으로 활용하는 방향으로 추진되고 있으므로 향후 장대지하도로 및 터널의 수요는 지속적으로 증가할 것이며 이와 더불어 위험물수송차량 이용률 역시 증가할 것으로 예상된다.
향후 내화설계를 위한 기준 등을 개발할 때에는 고속도로, 대심도 지하도로 및 도심지 통과구간 지하차도의 특성 등을 면밀히 분석하여 대상시설물의 단면제원, 기하구조, 교통량 및 위험차량 혼입률 등을 정량적으로 고려할 수 있는 화재위험도 분석 알고리즘 개발에 대한 보다 심도있는 연구가 필요할 것으로 판단된다.

핵심어

질문

논문에서 추출한 답변

내화설계는 무엇에 대한 고려가 필요한가?

방재의 경우 화재 시나리오별 정량적인위험도를 평가하고, 제연시스템 규모를 결정하기 위하여 차량 종류에 따른 열방출률(HRR)1)을 정의하고, 이에 상응하여 발생되는 연기량을 처리할 수 있는 제연시스템을 구축하도록 하고 있다. 반면 내화설계는 화재에 노출된 구조부재가 시간에 따른 온도변화에 대하여 구조체의 안정성을 확보하도록 하는것으로 화염원의 열방출률(HRR)에 따른 최대온도가 얼마나 지속되는가에 대한 고려가 필요하다.

도심지를 통과하는 지하도로의 장점은 무엇인가?

도심지를 통과하는 지하도로는 포화된 간선도로망의 교통수요를 분산할 수 있고 노선 인근지역의 소음피해 등 환경피해를 최소화 할 수 있다. 또한 지상 공간 활용이 용이한 이점이 있으므로 수요는 지속적으로 증가하고 있는 추세이다. 특히 최근 개발되는 신도시는 계획단계에서 도심부를 관통하는 주요도로를 지하화하여 상부공간을 녹지로 활용하거나 상업지구로 활용하고 있다.

터널에서 화재가 발생하는것을 막기 위해 어떤 조치가 진행중인가?

터널에서 화재가 발생하는 경우 폐쇄적인 공간 특성에 따른 다수의 인명피해 및 구조물 손상 복구에 따른 교통차단 등 많은 사회적비용 손실을 유발한다. 이러한 이유로 해외에서는 터널의 화재로부터 인명과 시설물을 보호하기 위해 다양한 연구가 진행되어 왔으며, 최근 유럽, 미국 등의 주요국가에서는 방재 및 내화 성능을 확보하기 위하여 설계기준을 보다 강화하고 있다.

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