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문제 정의
- 본 연구에서는 단면적의 크기에 따른 대피 및 제연 특성을 파악하기 위해서 대단면(97 m2), 중단면(58 m2), 소단면(38 m2)의 터널을 대상으로 열기류의 풍속을 변수로 하여 화재해석을 수행하였으며 호흡선 높이의 유해가스평균농도 및 온도를 분석하였다.
- 본 연구에서는 터널내 열차 화재시 인명안전을 위해 보다 효과적인 제연 및 대피시나리오를 제시하기 위하여 제연풍속을 변수로 하여 복선터널단면(97 m2)과 단선터널 단면(58, 38 m2)에 대해서 풍속을 변수로 하여 화재해석 및 대피해석을 수행하여 화재특성 및 대피특성을 분석하였으며, 다음과 같은 결과를 얻었다.
- 이에 본 연구에서는 열차화재시 인명안전에 보다 효과적인 제연 및 대피시나리오를 제시하기 위해 제연풍속을 변수로 하여 복선터널단면과 단선터널 단면에 대해서 풍속을 변수로 하여 화재해석 및 대피해석을 수행하여 화재특성 및 대피특성을 분석하였다.
제안 방법
- 또한 ASET산정을 위한 화재시 유해가스 및 열환경에 대한 한계기준치는 건축물에 대한 성능설계기준에서 제시하는 한계값을 적용하였으며, Table 1과 같다 (NEMA, 2014).
- 또한 복사열손실은 30%로 고려하였으며, FDS에 의한 화재해석에 필요한 유해가스 발생량 산정을 위한 CO발생수율(Yco)과 Soot 발생수율은 호남고속철도의 정량적 안전성 평가기준 작성을 위해 실시한 목업 실험에서 도출된 0.161 kg/kgFuel, 0.189 kg/kgFuel를 적용하였다(Tunnelling and Underground Space Association, 2009).
- 복선터널과 단선터널에 대해서 열기류의 풍속을 변수로 하여 화재해석을 수행하여 유해가스농도 및 열환경 측면에서 화재특성을 분석하였으며, 대피해석을 수행하여 연기 및 유해가스의 한계농도를 기준으로 하는 ASET (Available Safety Egress Time: 유효대피시간) 과 대피자가 유해가스에 노출되는 정도를 FED (Fractional Effective Dose: 유효복용분량)로 분석하여 사망자수가 발생하는 시점을 기준으로 하는 ASET을 계산하여 대피특성을 분석하였다.
- 본 연구에서 화재해석은 FDS (Fire Dynamics Simulator)를 이용하여 수행하였고 해석 격자는 0.25(Width) × 0.25 (Height) × 0.5 m (Length)로 하였다 (NIST, 2010).
- 본 연구에서는 철도터널에서 열차 화재시 승객이 안전한 지역까지 탈출하는데 필요한 시간을 화재의 감지(td), 운행중인 열차와 통제센터간의 통신명령하달시간(ta), 열차가 정지하는데 소요되는 시간(ts), 경고방송시간(ti)으로 하였으며, 경고방송이후에 열차하차시간(to) 및 안전지역까지 이동하는 시간(te)을 대피시간으로 고려하였다(SFPE, 2003). 이들의 시간 관계는 Fig.
- 사망자수의 추정은 화재해석결과를 반영하여 시간에 따른 터널내 유해가스온도 및 열환경에 대한 터널 종방향 평균치를 DB로 구축하여 대피시간 및 위치에 따라서 유해환경에 노출되는 농도 및 온도 등을 동기화하여 구하였으며 대피속도 및 유해환경에 노출되는 정도를 계산하였다.
- 열차는 10량과 20량, 탑승인원은 열차정원 450명, 대피로폭은 0.8, 1.0, 1.2 m, 대피로 상에서 탈출방향은 양방향 및 단방향으로 설정하여 대피시간을 비교하였다.
- 열차하차시간은 대피로로 대피하는 경우와 본선을 이용하는 경우 등 하차하는 조건에 따라서 상당한 차이가 발생할 수 있으므로 해석조건을 Table 2와 같이 단측 대피(1 Walkway), 양측 대피(2 Walkway), 단측 대피와 본선대피(Walkway+main), 본선대피(Only main)로 구분하여 설정하였다.
대상 데이터
- 본 연구의 대상터널 단면적은 복선터널은 호남선을 기준으로 하여 대단면(97 m2)으로 하였으며, 단선터널은 단면적에 차이를 두어 중단면(58 m2), 소단면(38 m2)로 하였고 터널의 연장은 4 km로 하였다.
- 화재시 터널내 풍속은 0.5∼3.5 m/s로변화시켰으며 화재차량은 KTXII를 대상으로 하였다.
이론/모형
- 또한, 대피자가 차량을 하차하는 것은 경고방송이후에 이루어지는 것으로 하였으며, 차량에서 하차하는 시간은 대피로의 폭 및 대피방법에 따라서 달라지기 때문에 상용대피해석 프로그램인 Simulex를 이용하여 적용하였다(IES, 2004).
- 본 연구에서는 사망자별로 FED (FED: Fractional Effect Dose)값을 식 (2)로 구하고 등가사망자수 기준에 의해서 사망자를 추정하였다(SFPE, 2003).
성능/효과
- 1. 화재열차에서 하차시간은 대피로 폭이 0.8에서 1.2 m로 증가하면 편측으로 하차하는 경우에는 136초에서 99초로 양측 대피로로 하차하는 경우에는 110초에서 99초로 감소한다. 따라서 대피로 폭이 1.
- 2. 화재시 터널내 유해가스의 농도는 시간이 경과하면 일정한 값에 수렴하며, 풍속이 증가하고 단면적이 증가하면 감소한다. 단면적 감소에 따른 농도의 증가는 단면적 97 m2을 기준으로 58 m2인 경우에는 평균 1.
- 3. 화재주변의 유해가스농도와 열환경에 대한 분석 결과, 대단면 터널의 경우에는 한계기준 보다 낮은 값을 보이고 있어 화재를 통과하는 대피가 가능한 것으로 나타나고 있으며 소단면 터널의 경우에는 화재초기에서 부터 한계기준을 초과하여 화재를 통과하는 대피가 불가능한 것으로 판단된다.
- 4. ASET을 분석한 결과, 현재 성능설계에서 제시하는 가시거리 5 m의 한계기준은 매우 낮은 값으로 화재가 성장하기 전 초기단계에서 한계기준을 초과하는 것으로 나타나고 있다.
- 5. 연기가 대피자를 덮치는 시점을 기준으로 하는 ASET 1과 등가사망자가 발생하는 시점을 기준으로 하는 ASET 2를 비교한 결과, ASET 2가 ASET 1보다 크며, ASET 1과 ASET 2의 차는 대단면 터널에서는 대피방법에 따라 629 (OP), 682 (RD), 중단면에서는 330 (OP), 365 (RD), 소단면에서는 150 (OP), 215 (RD)로 나타나고 있다. ASET 1과 ASET 2의 차이는 단면적이 클수록 증가하는 것으로 나타나고 있다.
- ASET 2는 단면적이 감소할수록 짧아지는 경향을 보이고 있으며, 소단면은 대단면보다 약 400초 정도 짧게 나타나고 있다. 이와 같은 경향은 ASET 2는 CO농도에 영향을 받기 때문이다.
- 8 m)에 18%정도 단축되는 것으로 나타났다. 또한 차량의 량수에 따른 비교 결과, 열차 10량의 경우에는 전체적으로 평균 6% 단축되며, 20량의 경우에는 단축효과가 거의 없는 것으로 분석되었다.
- 성능위주 설계기준에서 제시하고 있는 독성기준치및 허용가시거리 한계치에 대한 ASET분석을 수행하였으며, 독성가스, 가시거리, 온도 및 복사강도에 대한 ASET을 분석한 결과, 가시거리에 의한 ASET이 가장 짧은 것으로 나타났다.
- 이상의 검토에서 성능위주 설계기준에서 제시하는 한계기준을 적용하여 유효피난시간을 결정하는 경우, 연기농도에 의한 가시거리한계(5 m)를 적용하는 하는 경우에는 ASET을 과소하게 설정할 가능성이 높으며, CO농도를 기준(1,400 ppm)으로 하는 경우에는 ASET 을 과대하게 산정할 우려가 있는 것으로 판단된다.
- 이상의 검토에서 소단면의 경우에는 화재초기인 630초 이후에는 전체적으로 열차 측면부의 단면에서 성능설계기준에서 제시하고 있는 독성기준치 및 허용가시거리 한계치를 초과하고 있는 것으로 나타나고 있다. 따라서 소단면의 경우에는 화재를 통과하는 대피는 화재초기에서 부터 불가능한 것으로 판단된다.
- 이상의 결과에서 건설비용을 고려하면서 하차시간 단축으로 위해서는 대피로 폭을 1.2 m로 하여 편측에 설치하는 것이 가장 효과적이며, 하차시간 단축효과는 대피로와 본선으로 동시에 하차하는 것이 가장 큰 것으로 판단된다.
- 차량수에 따른 비교를 위해서 10량과 20량에서 하차시간을 비교하였으며, 하차한 후에 대피방향이 일 방향인 경우에는 하차방법에 따라서 크게 영향을 받지 않는 것으로 나타나고 있다.
- 터널내 농도는 해석시간이 2,400초에 도달하면 충분히 정상상태에 도달한 것으로 판단되며, 터널내 농도분포는 대단면 터널의 경우, 화재지점에서 급격하게 증가하여 화재하류 600 m구간에서 낮은 값을 보이다가 600 m지점에서 부터는 다시 증가하여 거의 일정한 값을 보이고 있다. 중단면과 소단면 터널의 경우에는 600 m이하구간에서 감소현상은 나타나지 않으나 거의 일정한 값에 수렴하는 경향은 동일하게 나타나고 있다.
- 하차한 대피자가 터널의 한쪽으로 대피하는 경우와 양방향으로 대피하는 경우에 하차시간을 비교한 결과, 양방향으로 대피시 하차시간 단축효과는 대피로 폭이 작은 경우(W=0.8 m)에 18%정도 단축되는 것으로 나타났다. 또한 차량의 량수에 따른 비교 결과, 열차 10량의 경우에는 전체적으로 평균 6% 단축되며, 20량의 경우에는 단축효과가 거의 없는 것으로 분석되었다.
후속연구
- 6. 이상의 검토에서 터널내 열차화재시 유효대피시간은 터널단면적에 크게 영향을 받으며, 화원 통과 하는 제연반대방향의 대피를 허용할지 여부는 터널 단면적에 따른 화재해석을 수행하여 한계기준에 대한 검토를 수행하여 결정되어야할 할 것으로 판단된다.
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