[논문]복층터널내 화재특성에 대한 실험적 연구

박진욱; 유용호; 김휘성; 박병직

doi:10.7731/kifse.2016.30.2.075

초록
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최근 도시의 거대화 및 과밀화의 영향으로 교통정체가 심해지고, 이로 인한 경제적 손실이 막대하게 증가하고 있는 실정이다. 따라서 대도시 공간의 효율적인 활용 방안으로 현재 국내외 도심지 터널이 복층터널로 계획되고 운영되는 추세이다. 그러나 복층터널의 경우 층고의 감소로 인해 터널 내부에서의 차량 화재시 일반 도로터널에 비해 더 많은 양의 연기 및 검탱이 발생될 것으로 예측되기 때문에 기존의 일반 도로터널을 대상으로 구축된 설계화재강도나 연기발생량을 적용하여 설계하고 운영하는 것은 바람직하지 않다. 따라서 본 연구에서는 복층터널 설계시 유용한 설계화재곡선 제시를 위한 연구의 일환으로 실규모 차량화재실험을 수행하여 복층터널내 화재 특성 데이터를 획득하고 분석하였다. 실험은 승용차 1대의 화재상황과 2대의 화재상황, 두 가지 상황을 구현하여 수행하였으며, 실험 결과로부터 화재강도는 승용차 1대에서는 최대 2.4MW, 승용차 2대에서는 최대 3.5MW가 나타났다.

Abstract ▼ AI-Helper

In the wake of expanding and overpopulating urban areas, traffic congestion has been worsening increasingly, causing huge economic losses. In a bid to effectively use the space of metropolitan areas, the construction and operation of a double deck tunnel has been on the rise. On the other hand, a lo...

In the wake of expanding and overpopulating urban areas, traffic congestion has been worsening increasingly, causing huge economic losses. In a bid to effectively use the space of metropolitan areas, the construction and operation of a double deck tunnel has been on the rise. On the other hand, a lower height of a double deck tunnel is expected to generate more smoke and soot in a fire than other usual tunnels. Therefore, it is undesirable to apply the standard for fire intensity or smoke generation, which were designed for existing road tunnels. A part of an effort to propose a design fire curve that is useful for double deck tunnel, is intended to obtain and analyze the fire characteristics in a double deck tunnel through a real scale fire test. The test was conducted according to the fire scenario with one passenger car and two passenger cars; the monitored fire intensity was a maximum of 2.4 MW and 3.5 MW, respectively.

주제어

표/그림 (10)

표 Table 1. Heat Release Rate and Smoke Production Rate^(2,4,5)
그림 Figure 1. Schematic diagram of vehicle fire test.
그림 Figure 2. Real scale vehicle fire test devices.
그림 Figure 3. Real scale vehicle fire test.
그림 Figure 4. Results of heat releases rate.
그림 Figure 5. Results of smoke production rate.
그림 Figure 6. Results of carbon monoxide.
그림 Figure 7. Results of carbon dioxide.
그림 Figure 8. Results of temperature for two passenger cars burned in tunnel.
그림 Figure 9. Smoke spreading in double deck tunnel.

AI 본문요약
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문제 정의

그런 이유로 본 연구에서는 복층터널 내 화재시 최적 제 · 배연을 위한 대배기구 시스템 및 내화 성능 향상 기술 개발을 위한 선행연구의 일환으로 복층터널내 실규모 차량화재실험을 수행하여 발생되는 화재특성을 분석하였으며, 그 결과로부터 열방출율, 연기발생량, CO, CO2, 온도 등을 측정하여 복층터널 내 화재특성 DB 구축을 위한 기초 데이터를 획득 하였다.
본 연구에서는 복층터널 내 대배기구 시스템 및 중간 슬래브 내화 성능 향상 기술 개발을 위한 선행연구의 일환으로 복층터널 내 차량화재를 구현한 실규모 차량화재실험을 수행하였으며, 그 결과는 다음과 같다.
본 연구에서는 복층터널 설계시 적합한 설계화재곡선 제시를 위해 복층터널 구조체를 제작하여 실제 복층터널에서 발생되는 차량화재를 모사하여 화재 실험을 수행하였다. 먼저, 일반도로 터널과는 달리 층고가 낮은 복층터널의 구조적 특성을 모사하기 위해 Figure 1에서 나타낸 바와 같이 높이 3.

제안 방법

그러나 구성한 상황과 동일하게 실험에서 발화시키는 것은 현실적으로 한계가 있기 때문에 두 가지 경우 모두 조수석 시트를 째고 작은 솜뭉치를 넣어 점화시켰다. 그리고 안전을 위해 차량의 창문을 모두 열어둔 상태로 실험을 진행하였으며, 폭발의 위험이 있는 빳데리 및 연료통의 연료, 타이어의 공기 등을 모두 제거하였다. 실험은 착화 후 약 40분간 진행하였으며, 화재가 최전성기를 지나 하향세를 보이기 시작하고 난 후 약 20분이 지났을 시점에 소화시켰다.
등의 데이터를 측정한다. 또한, Figure 1의 구조체 내부 개략도에서 나타낸 것과 같이 열전대를 구조체의 닫힌 끝단으로부터 거리 5 m 간경으로 천장에서 높이 0.5 m 간격으로 5개씩 총 10개를 설치하여 내부 온도 변화를 측정하였다. 여기서, 열전대는 K-type을 사용하였다.
본 연구에서 수행된 실험에서는 승용차 1대가 연소되는 경우와 승용차 2대가 연소되는 두 가지 경우를 구현하였으며, 화재의 크기를 나타내는 가장 기본적인 물리량인 열방출율(HRR)과 터널화재에서 가장 큰 위험요소라 할 수 있는 연기발생량(SPR)을 측정하여 화재규모를 판단하고 자하였으며, 그 결과를 Figure 4와 Figure 5에 도시하였다.
그리고 안전을 위해 차량의 창문을 모두 열어둔 상태로 실험을 진행하였으며, 폭발의 위험이 있는 빳데리 및 연료통의 연료, 타이어의 공기 등을 모두 제거하였다. 실험은 착화 후 약 40분간 진행하였으며, 화재가 최전성기를 지나 하향세를 보이기 시작하고 난 후 약 20분이 지났을 시점에 소화시켰다.

대상 데이터

본 연구에서는 복층터널 설계시 적합한 설계화재곡선 제시를 위해 복층터널 구조체를 제작하여 실제 복층터널에서 발생되는 차량화재를 모사하여 화재 실험을 수행하였다. 먼저, 일반도로 터널과는 달리 층고가 낮은 복층터널의 구조적 특성을 모사하기 위해 Figure 1에서 나타낸 바와 같이 높이 3.5 m, 넓이 8 m, 길이 15 m의 제원으로 구조체를 제작하였다. Figure 2의 사진과 같이 구조체는 한쪽만 열려있는 형태로 발생한 연기가 제연될 수 있도록 열린 끝단 바로 위에 집진설비를 위치시켰고, 화원이 되는 자동차는 터널 구조체의 닫힌 끝단에 위치시켰다.
실험에 사용된 집진설비는 최대 용량 10 MW로, 제연되는 공기를 포집하여 광센서 및 가스분석기를 통해 열방출율(Heat release rate), 연기발생량(Smoke production rate), CO, CO₂ 등의 데이터를 측정한다. 또한, Figure 1의 구조체 내부 개략도에서 나타낸 것과 같이 열전대를 구조체의 닫힌 끝단으로부터 거리 5 m 간경으로 천장에서 높이 0.
차량화재실험에 화원이 되는 자동차는 2,000 cc급 중형 자동차로 총 3대를 사용하였다. 실험은 총 두가지 경우로 수행되었는데, 첫 번째는 Figure 3의 (a)와 같이 운행 중 차체 결함에 의해 승용차 한 대에서 화재가 발생되는 경우와 두 번째는 Figure 3의 (b)와 같이 운행 중 두 대의 승용차가 추돌한 후 발생되는 화재를 구현하였다.

성능/효과

- 열방출율은 승용차 1대와 2대 각각 최대 발열량 2.4 MW와 3.5 MW가 발생되며, 최대 연기발생량은 각각 73 m²/s와 120 m²/s가 나타났다. 열방출율은 일반적으로 보고 되고 있는 중형 자동차의 발열량인 3 MW~5 MW에 비해 낮게 발생되었다.
- 유독가스농도인 일산화탄소는 승용차 1대와 2대, 각각 최대 140 ppm과 260 ppm이 발생되었으며, 이산화탄소는 각각 0.35%와 0.65%가 나타났다. 터널이 아닌 개방형 중형승용차 연소실험(일산화탄소 130 ppm, 이산화탄소 0.
- 내부 온도는 화원과 인접한 천장부에서 착화 후 약 900초가 되는 시점에 최고 520 ºC까지 상승하였고, 반면에 화원과 약 5m가 떨어지고, 천장부로부터 2 m 떨어진 지점에서는 최고 75 °C로 비교적 낮은 온도가 측정된다. 이 결과로부터 터널내 연층 두께가 약 1.5 m임을 예측할 수 있으며, 점화시부터 소화시까지 그 이상의 연층하강은 발생하지 않았다. 그러나 복층터널 구조체 규모의 한계점으로인해 연기거동 거리가 10 m 밖에 되지 않음을 감안하면, 추후 실제 터널연장을 모사할 수 있는 수치해석적 연구와 병행하여 결과를 분석할 필요가 있다고 판단된다.
65%가 나타났다. 터널이 아닌 개방형 중형승용차 연소실험(일산화탄소 130 ppm, 이산화탄소 0.25%)과 비교하면 높은 수치가 측정되었으며, 이러한 현상은 긴 연장으로 인해 반밀폐구조의 특성을 가진 실제 터널에서는 더욱 심해질 것으로 예상된다.
화원과 인접해 있는 TC6~10에서는 설치된 높이에 상관없이 전술한 것과 유사한 경향으로 최대온도 범위 260°C~520°C를 나타냈고, 화원으로부터 약 5 m 떨어진 거리에 설치된 TC1~5에서는 최대온도범위 330°C~75°C가 발생되었다.

후속연구

5 m임을 예측할 수 있으며, 점화시부터 소화시까지 그 이상의 연층하강은 발생하지 않았다. 그러나 복층터널 구조체 규모의 한계점으로인해 연기거동 거리가 10 m 밖에 되지 않음을 감안하면, 추후 실제 터널연장을 모사할 수 있는 수치해석적 연구와 병행하여 결과를 분석할 필요가 있다고 판단된다.
그러나 이 결과는 복층터널 구조체가 15 m임을 감안하면, 실제 연기거동 거리가 10 m 밖에 되지 않는 한계점을 가진다. 따라서, 본 실험에서 얻어진 실측 데이터가 반영된 수치해석적 연구를 통해 실제 길이의 복층터널 공간에서 발생되는 연층하강현상에 대한 해석이 반드시 필요할 것으로 판단된다.
본문에서 제시한 실험은 국내에서는 유일하게 복층터널을 구현하여 수행한 차량화재실험으로 복층터널내 화재특성 DB 구축을 목적으로 수행되었으며, 일반적으로 층고가 낮아 소형 화물차까지 통행이 가능하다고 추측한다면, 추후 승합차 및 소형화물차 화재의 추가적인 실험을 통해 복층터널에 적합한 설계화재곡선을 제시할 수 있는 유용한 기초 연구 자료가 될 것이라 판단된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	열방출율이란 무엇인가?	본 연구에서 수행된 실험에서는 승용차 1대가 연소되는 경우와 승용차 2대가 연소되는 두 가지 경우를 구현하였으며, 화재의 크기를 나타내는 가장 기본적인 물리량인 열방출율(HRR)과 터널화재에서 가장 큰 위험요소라 할 수 있는 연기발생량(SPR)을 측정하여 화재규모를 판단하고자하였으며, 그 결과를 Figure 4와 Figure 5에 도시하였다.
	화재 시 터널의 문제점은 무엇인가?	터널은 반밀폐구조라는 특수성으로 인해 터널내에서 화재가 발생할 경우, 기류의 확산이 제한되어 화재연기로 인해 가시거리가 감소하게 되고, 유독성 가스의 확산 및 공기온도의 급격한 상승 그리고 산소농도의 감소를 초래하여 통행자의 생명을 위협할 뿐만 아니라 구조물이나 각종설비 및 차량의 손상을 유발하는 치명적 문제점을 가진다(1,2). 복층터널의 경우에는 일반도로터널에 비해 층고가 낮은 구조적 특수성으로 인해 화재시 발생하는 위험성은 더 크게 나타나며, 화재 특성 또한 일반도로터널과 상이하게 발생될 것이다.
	해외 유럽 및 선진국에서는 교통 집중과 정체로 인한 문제들을 해결하기 위해 어떻게 하고 있는가?	서울 및 수도권에서 교통 집중과 정체로 인해 연간 수조원의 경제적 손실이 발생되고 있으며, 그 손실량은 매년 증가하고 있는 추세이다. 이러한 문제의 해결방안으로 유럽 등 선진국에서는 대도시 교통체증을 해소함과 동시에 지상 녹지공간 확보를 위한 도심지 대심도 지하도로 건설을 진행하고 있으며, 동시에 프랑스 A86 East 터널과 중국Fuxing 터널 그리고 말레이시아의 SMART 터널 등과 같이 지하도로를 복층터널로 건설함으로써 굴착단면적 최소화 및 시공성 개선 등의 종합적인 이점을 가지게 되어 경제성, 안정성 및 시공성이 우수한 선진 지하도로 계획을 수립하고 있다(1). 이에 따라 현재 국내에서도 여러 지하도로 및 도로터널을 대심도 복층터널 적용이 검토되고 있다.

참고문헌 (7)

J. O. Yoo, H. J. Shin and C. H. Nam, "The Study of Ventilation System During Fire in Road Tunnel with Bidirectional or Congested Unidirectional Traffic", Proc. Summer Conference of the Society of Air-Conditioning and Refrigerating Engineers of Korea, pp. 474-479 (2008).
Y. J. Ko, "A Study of the Heat Release Rate of Tunnel Fires and the Interaction between Suppression and Longitudinal Air Flows in Tunnels", Ottawa-Carleton Institute of Civil and Environmental Engineering, Ottawa, Canada (2011).
H. G. Kim and C. W. Lee, "A Study on the Relationship Among Traffic Accidents, Fire Occurrences and Tunnel Characteristics in Local Road Tunnels", Journal of Korean Tunnelling and Underground Space Association, Vol. 6, No. 3, pp. 199-211 (2004).
J. O. Yoo, "A Study on the Introduction of Road Tunnel Ventilation System Design and Management Plan", Journal of KOSHAM, Vol. 10, No. 3, pp. 43-50 (2010).
A. Haack, "Ventilation for Fire and Smoke Control: Recommended Design Fires", 99 PIARC CD Reports.
M. K. Cheong, M. J. Spearpoint and C. M. Fleischmann, "Design Fires for Vehicles in Road Tunnels", Proceedings of the International Symposium, 7th International Conference on Performance-Based Codes and Fire Safety Design Methods, pp. 229-240 (2008).
I. Haukur and L. Anders, "Recent Achievement Regarding Measuring of Time-Heat and Time-Temperature Development in Tunnels", Proceedings of the International Symposium, Safe & Reliable Tunnels. Innovative European Achievements, pp. 87-96 (2004).

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