[논문]중규모 도로터널의 제연경계벽 설치에 따른 연기확산특성

백두산; 이승철

doi:10.7731/kifse.2016.30.5.009

중규모 도로터널의 제연경계벽 설치에 따른 연기확산특성
Study of the Characteristics of Smoke Spread by an Installing Smoke Barrier in Medium Length Road Tunnel 원문보기

한국화재소방학회 논문지= Fire science and engineering, v.30 no.5, 2016년, pp.9 - 17

초록
AI-Helper

중규모 도로터널의 경우 제연설비 설치가 의무화 되어있지 않기 때문에 화재가 발생할 경우 이용객들이 많은 피해를 입을 수 있다. 따라서 본 연구에서는 연장 1,000 m 2차로 일방통행방식의 도로터널을 대상으로 3차원 수치해석, 정량적 위험도 평가를 통해 제연경계벽이 설치되지 않을 때와 설치간격이 100, 150, 200, 250 m일 때 화재에 의하여 발생되는 연기류 등이 시간에 따른 확산을 분석하였다. 그 결과 중규모 도로터널에 제연경계벽을 설치할 경우 설치하지 않은 경우보다 화재로부터 발생되는 고온의 공기와 독성가스의 확산이 지연되는 것을 확인할 수 있었다. 또한 수치해석 대상 중에서 제연경계벽의 설치간격이 100 m인 경우 화재로 인해 발생된 고온의 공기와 독성가스의 확산이 다른 경우보다 많이 지연되어 터널 이용객이 피난하는데 가장 적합한 것으로 나타났다.

Abstract ▼ AI-Helper

In the case of a medium length road tunnel, the installation of a smoke control facility is not mandatory so users can suffer considerable injuries if a fire breaks out. Therefore, this study analyzed the high-temperature air and toxic gas generated by fire proliferating with time when a smoke barrier is not installed and when the installation interval is 100, 150, 200, and 250 m through 3-dimensional numerical analysis, evacuation simulation, and Quantitative Risk Assessment Methodology targeting the medium length road tunnel. As a result, the diffusion of the high-temperature air and toxic gas occurring from the a fire was delayed when the smoke barrier was installed in a medium length road tunnel compared to that when it was not installed. In addition, when the installation interval of a smoke barrier was 100m and the numerical analysis target was 100m, the diffusion of high-temperature air and toxic gas generated by the fire was delayed more than in the other cases, which was most suitable for tunnel users to evacuate.

주제어

표/그림 (17)

그림 Figure 1. Schematic diagram of road tunnel.
표 Table 1. Case of Simulation
그림 Figure 2. Schematic diagram of boundary condition.
그림 Figure 3. Fire growth curve.
그림 Figure 4. Temperature in longitudinal section to grid system.
표 Table 2. Setting of Mesh Gird
표 Table 3. Number of Mesh According to Case
그림 Figure 5. Distribution of temperature contour.
그림 Figure 6. Distribution of CO contour.
그림 Figure 7. Distribution of soot contour.
그림 Figure 8. Temperature, CO and soot propagating distance.
그림 Figure 9. Picture of fire sourc.
표 Table 4. The Number of Cars and Capacity
그림 Figure 10. The number of people over time.
그림 Figure 12. Event tree for quantitative risk assessment methodology.
그림 Figure 11. The cumulative number of people over time.
그림 Figure 13. Quantitative risk assessment methodology F/N curves.

AI 본문요약
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문제 정의

따라서 본 연구에서는 중규모 도로터널에서 화재가 발생했을 때 화원으로부터 발생되는 연기의 확산지연을 위한 시설로서 제연경계벽의 적절성에 대해 3차원 수치해석과 정량적 위험도 평가를 통해 연구하였다.
본 연구에서는 중규모 도로터널에서의 제연경계벽의 적절성을 확인하기 위해 제연경계벽의 유 · 무와 제연경계벽의 설치 간격을 변화시켜 3차원 수치해석을 한 결과와 피난시뮬레이션 결과를 이용하여 정량적 위험도 평가를 한 결과 다음과 같은 결론을 얻었다.
화재시 인체에 영향을 미치는 유해가스는 일산화탄소(CO), 이산화탄소(CO₂), HCN, 산소저감률 등이 있으며, 본 연구에서는 일산화탄소와 열을 대상으로 인체에 미치는 영향을 분석하였다. 분석방법으로는 유효복용분량(Fractional Effective Dose, FED) 평가를 사용하였으며, CO에 의한 FED 평가방법은 식(11)을 통해 구할 수 있고 열에 의한 FED평가 방법은 식(12)을 통해 구할 수 있다.

가설 설정

본 연구에서는 전체 해석영역에 대하여 터널 내 유동은 3차원, 비정상상태, 비압축성, 난류유동이라 가정하였고, CO와 Soot는 공기의 유동에 따라 확산하도록 하였다. 또한 전체 해석영역에 대해서 지배방정식을 유한체적법(FVM, Finite Volume Method)과 비엇갈린 격자계(non-staggered grid system)방법⁽⁶⁾으로 이산화하였다.
화재차량 탑승자들은 초기진화를 시도하였으나 실패하여 화재발생 20초 후 피난을 개시하였고, 화재차량 반경 30 m 미만의 차량은 화재가 발생한 것을 직접 목격하여 화재발생 20초 후 피난을 개시했다. 화재차량 반경 30 m 이상 100 m 미만의 차량은 피난을 하는 터널 이용객들을 목격하고 피난하는 것으로 가정하여 화재발생 30초 후 피난을 개시했다. 화재차량 반경 100 m이상의 거리에 있는 차량에 탑승한 이용객은 화재발생 60초 후 터널 내부에 있는 자동화재탐지설비를 통해 화재발생여부를 인지하게 되어 피난을 개시하는 것으로 하였다.

제안 방법

Seike et al.⁽³⁾은 CFD를 통해 자연환기 방식을 도입한 터널에서 제연경계벽의 폭에 따라 화재로부터 발생되는 연기류의 이차유동에 대하여 연구하였으며, NPRH (The Number of People Requiring)을 통해 터널 내 피난객이 입는 피해를 정량적으로 나타내었다. Hu et al.
Hu et al.⁽⁴⁾은 화재로부터 발생하는 연기, 이산화탄소, 열기류를 차단하는 에어커튼을 이용하여 모형 및 시뮬레이션 연구를 하였다. 국내의 경우 최준석 등⁽⁵⁾이 가솔린 풀과 1500 cc 승용차를 이용한 실물터널 화재실험을 통해 위험도를 평가하였지만 터널 내 화재로부터 발생하는 연기의 확산을 차단 또는 지연시키는 연구는 미비한 실정이다.
CO와 Soot의 발생량은 화재시간 및 발열량과 관계 없이 고정된 값으로 각각 0.001245 kg/m3· s, 0.001619kg/m3 · s가 되도록 하였다.
분석방법으로는 유효복용분량(Fractional Effective Dose, FED) 평가를 사용하였으며, CO에 의한 FED 평가방법은 식(11)을 통해 구할 수 있고 열에 의한 FED평가 방법은 식(12)을 통해 구할 수 있다. 각 피난객 별로 이 두가지 값을 시간에 따라 피난 완료할 때까지 더하여 0.3을 초과하는 경우 사망한 것으로 판정하였다.
3차원 수치해석에서는 생성된 격자의 수와 배치에 따라 그 수렴된 해가 다를 수 있다. 따라서 적절한 격자시스템을 선정하기 위해 정상상태 해석에서 Case 2를 대상으로 기본 격자크기를 Table 2에 나타낸바와 같이 1.0 m, 0.8 m, 0.6 m, 0.4 m, 0.3 m로 점차 축소해가며 격자시스템을 생성하였다. 그 결과 M-1은 약 17만개, M-2는 약 27만개, M-3은 약 60만개, M-4는 186만개, M-5는 422만개가 생성되었다.
초기조건은 공기온도 15 ℃, CO 및 Soot의 농도를 0으로 하였다. 또한 경계조건은 Figure 2에 나타낸 바와 같이 계산의 효율을 높이기 위해 터널 중앙 횡단면과 종단면에 대칭조건을 부여하였으며, 터널 출구부분에는 압력조건으로 대기압을 부여하였고, 온도조건은 15 ℃, 농도조건은 CO 및 Soot의 농도를 0으로 하였다. 터널 바닥과 벽면에는 점착조건, 단열조건, Zero Flux를 적용하였다.
본 수치해석에서 사용된 지배방정식은 연속방정식, 운동량방정식, 난류운동에너지방정식, 난류운동에너지소산율 방정식, 에너지방정식, 농도방정식이다. 공기영역의 기류는 난류의 거동을 따른다고 간주하였으며, 밀도의 변화는 이상기체방정식을 사용하였고, 그 수학적 표현은 다음과 같다.
본 연구에서는 도로터널 방재시설 설치 및 관리지침에서 제시하는 ALARP 영역의 High Level 기준을 N = 10, F = 10−4로, Low Level기준은 N = 10, F = 10−6의 값을 사용하였다.
또한 경계조건은 Figure 2에 나타낸 바와 같이 계산의 효율을 높이기 위해 터널 중앙 횡단면과 종단면에 대칭조건을 부여하였으며, 터널 출구부분에는 압력조건으로 대기압을 부여하였고, 온도조건은 15 ℃, 농도조건은 CO 및 Soot의 농도를 0으로 하였다. 터널 바닥과 벽면에는 점착조건, 단열조건, Zero Flux를 적용하였다. 벽면을 단열조건으로 하였기 때문에 벽면으로의 열손실이 없어 공기의 온도가 실제보다 크거나 연기층하강이 상대적으로 적게 일어날 수 있다.
피난시뮬레이션을 이용하여 터널 내부에서 화재가 발생했을 경우 터널 이용객들의 피난 특성 및 피난 소요시간을 알아보았다. 대상은 3차원 수치해석에서 대상이 된 터널과 동일하며, 화재시나리오는 터널 내 차량 정체시 터널 입구로부터 500 m 지점에 위치하고 있던 버스의 엔진과열에 의해 화재가 발생하였다.
벽면을 단열조건으로 하였기 때문에 벽면으로의 열손실이 없어 공기의 온도가 실제보다 크거나 연기층하강이 상대적으로 적게 일어날 수 있다. 하지만 본 연구에서는 제연경계벽의 설치에 따른 지연효과를 보기 위한 것으로 계산비용을 줄이기 위해 단열조건을 사용하였다. 화원의 발열량은 식(8)에 의해 시간에 따라 발열량(Q)가 증가하도록 하였고 Figure 3에 나타낸 바와 같이 최대 발열량 20 MW가 발생하는 335초 이후에는 발열량을 20 MW로 유지하도록 하였다.
대상은 3차원 수치해석에서 대상이 된 터널과 동일하며, 화재시나리오는 터널 내 차량 정체시 터널 입구로부터 500 m 지점에 위치하고 있던 버스의 엔진과열에 의해 화재가 발생하였다. 화재차량 탑승자들은 초기진화를 시도하였으나 실패하여 화재발생 20초 후 피난을 개시하였고, 화재차량 반경 30 m 미만의 차량은 화재가 발생한 것을 직접 목격하여 화재발생 20초 후 피난을 개시했다. 화재차량 반경 30 m 이상 100 m 미만의 차량은 피난을 하는 터널 이용객들을 목격하고 피난하는 것으로 가정하여 화재발생 30초 후 피난을 개시했다.

대상 데이터

피난시뮬레이션을 이용하여 터널 내부에서 화재가 발생했을 경우 터널 이용객들의 피난 특성 및 피난 소요시간을 알아보았다. 대상은 3차원 수치해석에서 대상이 된 터널과 동일하며, 화재시나리오는 터널 내 차량 정체시 터널 입구로부터 500 m 지점에 위치하고 있던 버스의 엔진과열에 의해 화재가 발생하였다. 화재차량 탑승자들은 초기진화를 시도하였으나 실패하여 화재발생 20초 후 피난을 개시하였고, 화재차량 반경 30 m 미만의 차량은 화재가 발생한 것을 직접 목격하여 화재발생 20초 후 피난을 개시했다.
본 연구의 대상은 2차로 일방통행 방식의 도로터널로서 Figure 1에 나타낸바와 같이 연장은 1,000 m이고, 차도의 폭(W)은 11.2 m이다. 터널의 높이는 7.
수치해석 종류는 Table 1에 나타낸바와 같이 제연경계벽이 없는 Case와 제연경계벽의 설치간격(L_sb)이 100 m, 150 m, 200 m, 250 m인 Case로 총 5가지 Case를 수치 해석하였다.
7 m이다. 제연경계벽의 설치간격(L_sb)은 터널의 입구로부터 100 m, 150 m, 200 m, 250 m이고, 이에 따른 터널 내 제연경계벽의 개수는 화재 직상부인 터널 중앙에 있는 것을 제외하고 8개, 6개, 4개, 2개이다. 화재차량은 버스로 터널 중앙에 위치하고 체적은 약 82.
화재차량 반경 30 m 이상 100 m 미만의 차량은 피난을 하는 터널 이용객들을 목격하고 피난하는 것으로 가정하여 화재발생 30초 후 피난을 개시했다. 화재차량 반경 100 m이상의 거리에 있는 차량에 탑승한 이용객은 화재발생 60초 후 터널 내부에 있는 자동화재탐지설비를 통해 화재발생여부를 인지하게 되어 피난을 개시하는 것으로 하였다. 또한 극심한 정체상황이기 때문에 차량을 이용한 피난은 없는 것으로 하였으며, 터널 이용객은 터널 입구와 출구 양방향으로 피난하는 것으로 하였다.
화재차량은 버스로 터널 중앙에 위치하고 체적은 약 82.33 m3 (2.45 m × 3.12 m × 10.33 m)이다.

이론/모형

본 수치해석에서 사용된 지배방정식은 연속방정식, 운동량방정식, 난류운동에너지방정식, 난류운동에너지소산율 방정식, 에너지방정식, 농도방정식이다. 공기영역의 기류는 난류의 거동을 따른다고 간주하였으며, 밀도의 변화는 이상기체방정식을 사용하였고, 그 수학적 표현은 다음과 같다.
따라서 본 연구에서 사용된 격자시스템은 M-3로 선정하여 수치해석을 진행하였고, Table 3에는 Case에 따른 격자 개수를 나타내었다.
또한 운동량방정식의 압력장을 처리하기 위해 비교적 계산 비용이 적으면서도 압력장을 정확히 예측하는 것으로 알려진 Semi-Implicit Method for Pressure-Linked Equation(SIMPLE)알고리즘⁽⁸⁾을 사용하였으며, 난류모형은 Realizable k-ε 모형⁽⁹⁾을 사용하였다. 또한 각 방정식들의 대류항 처리를 위해 2차 상류 차분법을 사용하였다.
또한 운동량방정식의 압력장을 처리하기 위해 비교적 계산 비용이 적으면서도 압력장을 정확히 예측하는 것으로 알려진 Semi-Implicit Method for Pressure-Linked Equation(SIMPLE)알고리즘(8)을 사용하였으며, 난류모형은 Realizable k-ε 모형(9)을 사용하였다.
본 연구에서는 전체 해석영역에 대하여 터널 내 유동은 3차원, 비정상상태, 비압축성, 난류유동이라 가정하였고, CO와 Soot는 공기의 유동에 따라 확산하도록 하였다. 또한 전체 해석영역에 대해서 지배방정식을 유한체적법(FVM, Finite Volume Method)과 비엇갈린 격자계(non-staggered grid system)방법⁽⁶⁾으로 이산화하였다. 상용 CFD 코드인 STAR-CCM+ 9.
), HCN, 산소저감률 등이 있으며, 본 연구에서는 일산화탄소와 열을 대상으로 인체에 미치는 영향을 분석하였다. 분석방법으로는 유효복용분량(Fractional Effective Dose, FED) 평가를 사용하였으며, CO에 의한 FED 평가방법은 식(11)을 통해 구할 수 있고 열에 의한 FED평가 방법은 식(12)을 통해 구할 수 있다. 각 피난객 별로 이 두가지 값을 시간에 따라 피난 완료할 때까지 더하여 0.
또한 전체 해석영역에 대해서 지배방정식을 유한체적법(FVM, Finite Volume Method)과 비엇갈린 격자계(non-staggered grid system)방법⁽⁶⁾으로 이산화하였다. 상용 CFD 코드인 STAR-CCM+ 9.06⁽⁷⁾을 통해 유동영역에 암시도식(implicit scheme)과 독립연산(Segregated solver)을 적용하였다. 또한 운동량방정식의 압력장을 처리하기 위해 비교적 계산 비용이 적으면서도 압력장을 정확히 예측하는 것으로 알려진 Semi-Implicit Method for Pressure-Linked Equation(SIMPLE)알고리즘⁽⁸⁾을 사용하였으며, 난류모형은 Realizable k-ε 모형⁽⁹⁾을 사용하였다.

성능/효과

1. 제연경계벽을 설치하지 않은 경우(Case 1), 연기류(60 ℃ 이상의 공기, 450 ppm 이상의 CO, 65 mg/m³ 이상의 Soot)의 확산은 터널 이용객이 출구로 피난하는 속도보다 빠르게 확산하여 원활한 대피환경이 조성되기 어려운 것으로 나타났다.
2. 제연경계벽의 설치간격이 100 m (Case 2)인 경우 연기류의 확산속도가 터널 이용객이 출부로 피난하는 속도 보다 느리게 확산하여 피난객이 원활하게 피난을 할 것으로 예상된다. 제연경계벽의 설치간격이 150 m (Case 3)인 경우 연기류중 60 ℃ 이상의 공기는 피난객의 피난속도보다 느리게 확산되었지만 450 ppm 이상의 CO 및 65 mg/m³이상의 Soot는 피난객의 피난속도보다 빠르게 확산되는 것으로 나타났다.
3. 제연경계벽의 설치 유무와 간격에 따른 확산속도 비교 결과 제연경계벽을 설치하지 않은 경우보다 설치한 경우 최대 약 70초의 연기류 확산 지연효과가 있는 것으로 나타났다.
4. 정량적 위험도 평가 결과, Case 2의 경우 Acceptable영역에 해당되었고, Case 3, 4의 경우 ALARP 영역에 해당되었으며, Case 1, 5의 경우 Unacceptable 영역에 해당되는 것으로 나타났다. 따라서 대상 터널에서는 Case 2가 가장 안전한 것으로 확인되었다.
정량적 위험도 평가 결과, Case 2의 경우 Acceptable영역에 해당되었고, Case 3, 4의 경우 ALARP 영역에 해당되었으며, Case 1, 5의 경우 Unacceptable 영역에 해당되는 것으로 나타났다. 따라서 대상 터널에서는 Case 2가 가장 안전한 것으로 확인되었다. 하지만 정량적 위험도 평가의 사고발생빈도 산정 시, 통계데이터에 따라 사고발생빈도 값이 다르게 나타나고 그에 따른 정량적 위험도 평가의 결과가 달라질 수 있기 때문에 통계데이터 활용 시 신중을 기할 필요가 있다.
000359건/yr로 산출되었다. 따라서 대상터널 내에서 정체상태이고, 20 MW 발열량의 버스화재사고는 약 2,785년 주기로 발생하는 것으로 예측된다.
마지막으로 Case 5의 경우 60 ℃ 이상의 공기는 430초 450 ppm 이상의 CO, 65 mg/m³이상의 Soot는 430초에 터널출구까지 확산되었다. 따라서 도로터널 내 화재가 발생했을 경우 연기류의 확산 지연 효과는 제연경계벽이 없는 경우 보다 제연경계벽을 설치했을 때 최대 약 70초의 확산 지연효과가 있는 것으로 나타났다.
본 연구에서 대상이 된 고속도로 터널의 정량적 위험도 평가 결과 화재 시나리오에 따른 사고발생빈도는 0.000359건/yr로 산출되었다. 따라서 대상터널 내에서 정체상태이고, 20 MW 발열량의 버스화재사고는 약 2,785년 주기로 발생하는 것으로 예측된다.
제연경계벽의 설치간격이 150 m (Case 3)인 경우 연기류중 60 ℃ 이상의 공기는 피난객의 피난속도보다 느리게 확산되었지만 450 ppm 이상의 CO 및 65 mg/m³이상의 Soot는 피난객의 피난속도보다 빠르게 확산되는 것으로 나타났다. 제연경계벽 설치간격이 200, 250 m(Case 4, 5)인 경우 터널이용객의 피난속도보다 연기류의 확산속도가 더 빠른 것으로 나타났다.
제연경계벽의 설치간격이 100 m (Case 2)인 경우 연기류의 확산속도가 터널 이용객이 출부로 피난하는 속도 보다 느리게 확산하여 피난객이 원활하게 피난을 할 것으로 예상된다. 제연경계벽의 설치간격이 150 m (Case 3)인 경우 연기류중 60 ℃ 이상의 공기는 피난객의 피난속도보다 느리게 확산되었지만 450 ppm 이상의 CO 및 65 mg/m³이상의 Soot는 피난객의 피난속도보다 빠르게 확산되는 것으로 나타났다. 제연경계벽 설치간격이 200, 250 m(Case 4, 5)인 경우 터널이용객의 피난속도보다 연기류의 확산속도가 더 빠른 것으로 나타났다.
터널 이용객들은 화재인지 시간에 따라 화재발생 20초~60초 후부터 피난을 개시하였고, 최종피난완료시간은 446초로 나타났다. 최종 피난인원은 화재 인지시간은 가장 빠르지만 피난거리가 가장 긴 화재차량 반경 30 m 이내에 있는 차량에서 피난을 시작한 것으로 나타났다.
FED를 통해 예상 사망자수를 추정한 결과 Case 1은 25명, Case는 2 0명, Case 3은 1명, Case 4는 3명, Case 5는 17명으로 나타났다. 터널 내 제연경계벽의 수가 많을수록 예상사망자 수는 적게 나타났으며 피난객의 피난속도, 열 및 CO의 확산속도를 고려하여 제연경계벽을 설치하는 것이 효과가 클 것으로 예상된다.
본 대상 터널 피난시뮬레이션의 시간에 따른 피난인원수와 누적피난인원 수를 Figure 10과 11에 나타내었다. 터널 이용객들은 화재인지 시간에 따라 화재발생 20초~60초 후부터 피난을 개시하였고, 최종피난완료시간은 446초로 나타났다. 최종 피난인원은 화재 인지시간은 가장 빠르지만 피난거리가 가장 긴 화재차량 반경 30 m 이내에 있는 차량에서 피난을 시작한 것으로 나타났다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	도로터널에서 화재가 발생할 경우 문제점은 무엇인가?	도로터널은 닫혀있는 공간으로서 터널 내 화재가 발생할 경우 화원으로부터 발생하는 열 및 독성가스 등은 이용객들에게 많은 피해를 줄 수 있다. 이러한 피해를 막기 위해 도로터널 내에는 제트팬 등과 같은 제연설비가 설치되어있다.
	제연설비의 역할은 무엇인가?	이러한 피해를 막기 위해 도로터널 내에는 제트팬 등과 같은 제연설비가 설치되어있다. 제연설비는 화재지역으로부터 연기를 배기하거나 대피방향 반대 방향으로 연기류를 형성시켜 화재초기에 피난객 스스로 안전을 확보할 수 있도록 한다.
	국토교통부에서 규정한 「도로터널 방재시설 설치 및 관리 지침」의 한계는 무엇인가?	국토교통부에서는 터널에서의 사고를 예방 및 대비하기 위해 도로터널 방재시설 설치 및 관리 지침을 만들어 터널 내 제연설비와 같은 방재시설물에 대한 설치 및 관리 규정을 정하고 있다. 하지만 이 지침은 2004년 처음 만들어졌으며 지침이 만들어지기 전에 설계가 완료된 터널은 규정 적용에 대한 강제성이 없다. 또한 현재 중규모 도로터널의 경우 제연설비 설치 의무대상이 아니며, 2004년 이전에 설계가 완료된 터널의 경우 피난연결통로의 설치간격이 750 m 이상으로 건설되어 있어 피난환경이 불리한 실정이다(2).

참고문헌 (12)

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상세보기
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저자의 다른 논문 :

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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