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문제 정의
- 교량에 인접해서 화재가 발생하게 되면 구조물의 손상피해 뿐만 아니라 인명피해나 교통체증으로 인한 추가적인 경제적 손실로 이어진다. 본 논문에서는 최근 국내외 교량화재의 사고사례와 피해규모 등을 분석하고, 교량화재의 위험도 평가 필요에 따라 실용적인 교량의 화재위험도 등급평가 및 대응방안을 제안하였다. FDS를 통한 화원 종류별 환경 인자별 화재 해석 및 온도에 따른 재료물성치의 변화 분석, 그리고 소방력의 정량적 등급화 과정 등을 통해 강교량과 콘크리트 교량의 화재 위험도 등급평가 및 대응방안을 구축하였다.
- 본 연구에서는 사회적 요구에 따라, 교량 구조물의 화재위험도를 평가하고 이를 기초로 위험 수준에 따른 대응체계를 제안하고자 한다. 국도 상에 존재하는 교량을 대상으로 교량구조물의 특성, 화재원의 종류에 따른 영향을 검토하기 위해 Fire Dynamic Simulators(FDS) 해석을 수행하였다.
- 수립된 위험도 평가 모델에 실제교량의 적용성을 평가하기 위해, GIS의 Network 분석기능을 통해 소방차량의 교량까지 도착시간을 산정하고 각 교량의 위험도 등급을 예시적으로 평가하였다. 이러한 교량 화재 위험도 평가의 목적은 위험도를 기반으로 소방 또는 방재 전략을 사전 구축함으로써 화재를 예방하고 만에 하나 화재 발생 시, 신속하게 정량적 재해 규모를 1차적으로 판단함으로써 사회적 피해를 최소화하는 것을 목표로 한다.
가설 설정
- 화원모델의 면적은 도로터널 방재지침(2016)의 차종별 평균길이를 반영하여 각각의 화원 면적을 선정하였다. 또한, 차량의 사고발생시 화원의 높이를 고려하여 차량 화재 시 화원 중심은 1 m높이에서 발생하는 것으로 가정하였다. 결론적으로, Table 6과 같이 총 6개의 화원별 화재면적과 높이를 FDS의 화원 모델링에 반영하였다.
- Fire Dynamics Simulator(FDS)해석을 통해 교량 하부의 표면온도를 산출하였으며, 설계화재강도와 형하고를 변수로하고 콘크리트와 강교량의 재료적 특성을 반영하여 화재 심각도(Severity)를 산출하였다. 화재는 열이 위쪽으로 향하는 경향을 띄고 있어서 교량 상부보다는 하부 화재가 위험하고, 교량 경간 중앙 하부에서 화재가 발생할 때 가장 취약하기 때문에 보수적으로 교량하부 중앙에서의 화재발생을 가정하였다.
제안 방법
- 2) 화재해석 프로그램 FDS(Fire Dynamics Simulator)를 사용하여 강교량과 콘크리트교량의 형하고와 화재강도에 따른 해석을 수행하고 각각72개씩 총 144개 교량의 하부의 시간대별 표면온도 산출하였으며, 본 연구에서 제시한 강교와 콘크리트교의 손상기준을 반영하여 소방력 도착등급, 화재강도, 형하고로 구성된 3축 위험도 평가모델을 구축하였다.
- 국도 상에 존재하는 교량을 대상으로 교량구조물의 특성, 화재원의 종류에 따른 영향을 검토하기 위해 Fire Dynamic Simulators(FDS) 해석을 수행하였다. FDS 해석결과를 구조물의 손상등급에 적용하여 위험도 평가 모델을 수립하였으며, 각 위험군에 따른 대응방안을 제시하였다. 수립된 위험도 평가 모델에 실제교량의 적용성을 평가하기 위해, GIS의 Network 분석기능을 통해 소방차량의 교량까지 도착시간을 산정하고 각 교량의 위험도 등급을 예시적으로 평가하였다.
- FDS 해석결과와 데이터를 제시한 구조물의 손상등급 및 소방력 도착등급(5분 미만, 5-8분, 8-10분, 10-20분, 20분이상)을 적용하여 위험도 평가모델을 수립했다. 위험도 평가모델에서 X축과 Y축은 각 교량의 형하고(4 m~15 m)와 화원의 강도(10MW~130 MW)로 구성하고 Z축은 소방력 도착시간으로 구성하여 3축 위험도 평가모델을 구축하였으며, 위험도 평가 모델의 적용결과에 따른 대응방안들을 적용하고자 예방적인 방안들과 대비적인 방안으로 분류하여 제시하였다.
- FDS 해석공간의 크기는 9 m×8 m×16 m로 설정하였고 9 m×8 m×1 m 크기의 슬래브 교량과 Table 8에 제시된 화원으로 모델링을 하였다.
- FDS 해석을 통해 도출된 교량구조물의 하부표면온도 결과값(Table 4), 소방력 도착등급 구간 내에 도달하는 구조물의 최고표면온도(Table 1), 그리고 화재온도에 따른 콘크리트 교량의 손상등급을 적용하여 Fig. 9와 같이 콘크리트교에 대한 3축 위험도 평가 모델을 제시하였다. 화재 위험도 평가모델은 화원의 크기와 교량의 형하고(4 m~15 m) 그리고 소방력 도착등급의 3개 축으로 구성되어 있으며, GradeⅠ(None)은 하천 등의 존재로 발생가능성이 미미하다고 판단되는 경우로 교량의 하부환경을 확인 후 따로 분류하도록 하고, 나머지 등급인 Ⅱ(Low), Ⅲ(Moderate), Ⅳ(High), Ⅴ(Critical)는 화재강도와 소방력 도착시간에 따라 교량의 위험등급을 판단 할 수 있다.
- 본 논문에서는 최근 국내외 교량화재의 사고사례와 피해규모 등을 분석하고, 교량화재의 위험도 평가 필요에 따라 실용적인 교량의 화재위험도 등급평가 및 대응방안을 제안하였다. FDS를 통한 화원 종류별 환경 인자별 화재 해석 및 온도에 따른 재료물성치의 변화 분석, 그리고 소방력의 정량적 등급화 과정 등을 통해 강교량과 콘크리트 교량의 화재 위험도 등급평가 및 대응방안을 구축하였다. 제시한 위험도 평가모델을 토대로 일반 국도상의 대상교량을 선정하여 화재위험등급을 산출하였으며, 위험등급에 따른 예방 및 대비책을 제시하였다.
- Fire Dynamics Simulator(FDS)해석을 통해 교량 하부의 표면온도를 산출하였으며, 설계화재강도와 형하고를 변수로하고 콘크리트와 강교량의 재료적 특성을 반영하여 화재 심각도(Severity)를 산출하였다. 화재는 열이 위쪽으로 향하는 경향을 띄고 있어서 교량 상부보다는 하부 화재가 위험하고, 교량 경간 중앙 하부에서 화재가 발생할 때 가장 취약하기 때문에 보수적으로 교량하부 중앙에서의 화재발생을 가정하였다.
- II(Very Low), Ш(Low)은 ASTM A 36 구조용 강재에 대한 재료의 물성변화를 참고하여 손상등급으로 분류했으며, 등급 Ⅳ (Moderate)는 강재 빔의 한계온도기준 동시에 ASIC의 최대허용설계응력이 항복강도대비 60%로 감소하기 시작하는 538°C로 제시하였다.
- 강교량과 콘크리트교량 두 개의 위험도 평가 모델을 구축하였으며, 3개의 축으로 구성된 위험도 평가를 제시하였다. 각각의 축은 교량의 형하고, 화재설계강도, 소방력 도착등급으로 구성되어있으며, FDS해석결과를 교량구조물의 손상등급 및 소방력 도착등급을 적용하여 위험도 평가모델에 반영하였다.
- 강교량과 콘크리트교량 두 개의 위험도 평가 모델을 구축하였으며, 3개의 축으로 구성된 위험도 평가를 제시하였다. 각각의 축은 교량의 형하고, 화재설계강도, 소방력 도착등급으로 구성되어있으며, FDS해석결과를 교량구조물의 손상등급 및 소방력 도착등급을 적용하여 위험도 평가모델에 반영하였다.
- 이를 위해 화재에 노출된 교량 구조물의 화원 종류 및 환경을 고려하여 화재발생 시, 도달 가능한 온도에 따른 손상등급과 화재기동대 도착시간에 따른 위험도 등급을 제시하였다. 교량 구조물은 주로 강재 또는 콘크리트교량으로 나누어지므로, 콘크리트와 강재 부재의 화재에 의한 손상기준을 제시하였다. 또한, 위험도 평가에 반영할 화재기동대 도착시간등급을 제시하기 위해 각국의 소방이론을 확인하고 지역별로 소방력의 도착시간이 기준으로 구축되어있는 영국의 소방이론을 참고하여 소방력 도착시간기준으로 제시하였다.
- 등급평가기준은 강교량과 콘크리트교량의 손상등급과 소방력 도착 등급(소방력 도착시간)을 제시하였다. 교량 구조물의 손상등급은 화재에 노출 시 구조물의 손상정도에 따라 등급화했으며, 소방서에서 교량까지의 소방력 도착시간을 시간대 별로 나누어 기준으로 사용하였다.
- , 2004). 교량 하부에서 발생하는 화재는 화재의 강도와 형하고의 높이 그리고 교량의 재료에 따라 그 피해 정도가 크게 달라지므로, 화재 시뮬레이션을 수행하고 위험도 평가에 반영할 해석결과들을 분석하였다.
- 교량의 물성치는 강교량과 콘크리트 교량으로 나누어 Table 7과 같이 FDS에 입력하였다. 교량의 형식별 기하학적 형상을 모두 고려할 수 없기 때문에 단순하면서도 국도상에 많은 비율을 차지하고 있는 슬래브교의 형태로 모델링을 하였다. 실제 교량의 다양한 형하고 높이를 반영하기 위해 Table 6에서 제시한 각각의 설계 강도에 따라 형하고를 1 m씩 높여가며 해석을 수행하였다.
- 교량 하부에서 발생하는 화재는 화재의 강도와 형하고의 높이 그리고 교량의 재료에 따라 그 피해 정도가 크게 달라진다. 교량재원에 따른 교량의 화재사고에 대한 심각도(severity)를 확보하기 위해서 Fire Dynamics Simulator (FDS)을 이용해 다양한 교량 하부 화재에 대한 다양한 해석을 수행하였다. FDS는 Computational Fluid Dynamics(CFD)이론에 의해 계산을 수행하며 화염으로부터 방출되는 열과 연기의 유동 해석에 초점을 맞추고 있다(McGrattan et al.
- 본 연구에서는 사회적 요구에 따라, 교량 구조물의 화재위험도를 평가하고 이를 기초로 위험 수준에 따른 대응체계를 제안하고자 한다. 국도 상에 존재하는 교량을 대상으로 교량구조물의 특성, 화재원의 종류에 따른 영향을 검토하기 위해 Fire Dynamic Simulators(FDS) 해석을 수행하였다. FDS 해석결과를 구조물의 손상등급에 적용하여 위험도 평가 모델을 수립하였으며, 각 위험군에 따른 대응방안을 제시하였다.
- , 2012). 기준은 위험등급에 따라 A, B, C, D, RR 등 5개 지역으로 나누고 그에 따라 대응시간을 정한다.
- 등급평가기준은 강교량과 콘크리트교량의 손상등급과 소방력 도착 등급(소방력 도착시간)을 제시하였다. 교량 구조물의 손상등급은 화재에 노출 시 구조물의 손상정도에 따라 등급화했으며, 소방서에서 교량까지의 소방력 도착시간을 시간대 별로 나누어 기준으로 사용하였다.
- 교량 구조물은 주로 강재 또는 콘크리트교량으로 나누어지므로, 콘크리트와 강재 부재의 화재에 의한 손상기준을 제시하였다. 또한, 위험도 평가에 반영할 화재기동대 도착시간등급을 제시하기 위해 각국의 소방이론을 확인하고 지역별로 소방력의 도착시간이 기준으로 구축되어있는 영국의 소방이론을 참고하여 소방력 도착시간기준으로 제시하였다.
- 본 연구에서는 Fig. 4와 Table 5에 제시되어 있는 것과 같이 성장 및 변화를 포함하는 도로터널 방재지침(2016)의 설계화재모델을 FDS 해석에 반영하고, 국외의 사례들을 참고하여 기존의 제시된 설계화재강도 이외의 강도들을 해석 Case에 추가하였다.
- 속성정보 중 속도정보는 도로의 설계속도를 속성정보로 사용하였고, 네트워크 분석단계에서 사용을 위해 point 데이터로의 구축이 필수적이기 때문에 국도교량 7343개와 전국 소방서 1246개의 point를 GIS 지도로 구축하였다.
- FDS 해석결과를 구조물의 손상등급에 적용하여 위험도 평가 모델을 수립하였으며, 각 위험군에 따른 대응방안을 제시하였다. 수립된 위험도 평가 모델에 실제교량의 적용성을 평가하기 위해, GIS의 Network 분석기능을 통해 소방차량의 교량까지 도착시간을 산정하고 각 교량의 위험도 등급을 예시적으로 평가하였다. 이러한 교량 화재 위험도 평가의 목적은 위험도를 기반으로 소방 또는 방재 전략을 사전 구축함으로써 화재를 예방하고 만에 하나 화재 발생 시, 신속하게 정량적 재해 규모를 1차적으로 판단함으로써 사회적 피해를 최소화하는 것을 목표로 한다.
- 교량의 형식별 기하학적 형상을 모두 고려할 수 없기 때문에 단순하면서도 국도상에 많은 비율을 차지하고 있는 슬래브교의 형태로 모델링을 하였다. 실제 교량의 다양한 형하고 높이를 반영하기 위해 Table 6에서 제시한 각각의 설계 강도에 따라 형하고를 1 m씩 높여가며 해석을 수행하였다. Fig.
- 교량의 경우 소방력 도착에 등급에 대한 등급이 존재하지 않기 때문에 그와 유사한 건물에 대한 등급을 인용하였다. 영국과 한국 모두 5분 소방대응이론을 채택하고 있으므로, 본 연구에서는 영국의 화재대응 소방력 도착등급를 인용하여 Table 4와 같이 본 연구에서 반영할 소방력 도착등급을 제시하고 위험도 등급기준으로 활용하였다.
- 위험도 평가를 적용하고자 Table 12와 같이 대한민국 경기도에 존재하는 임의의 10개의 콘크리트교량의 위험등급을 산정하였다. 화재강도는 가장 위험할 것으로 판단되는 130 MW로 선정했으며, 형하고 하부환경 등을 반영하였다.
- FDS 해석결과와 데이터를 제시한 구조물의 손상등급 및 소방력 도착등급(5분 미만, 5-8분, 8-10분, 10-20분, 20분이상)을 적용하여 위험도 평가모델을 수립했다. 위험도 평가모델에서 X축과 Y축은 각 교량의 형하고(4 m~15 m)와 화원의 강도(10MW~130 MW)로 구성하고 Z축은 소방력 도착시간으로 구성하여 3축 위험도 평가모델을 구축하였으며, 위험도 평가 모델의 적용결과에 따른 대응방안들을 적용하고자 예방적인 방안들과 대비적인 방안으로 분류하여 제시하였다.
- EUREKA Fire Tests(Haack 1998)에는 heavy good vehicle에 대해서 100~130 MW까지의 화재강도의 실험결과를 제시하고 있으므로, 100 MW의 위험물 수송차량은 130 MW의 화재강도로 상향시켜 보수적으로 결과값을 도출하였다. 유류가 유출되었을 경우 화물차(petrol/gasoline tanker with a leak)에서 30 MW이상의 화재강도로 권고치를 제시(Lacroix, 1998)하고 있으므로 50 MW와 100 MW의 화재강도 케이스를 추가하여 해석을 수행하였다.
- 위험도 평가 절차를 정량적으로 수립하기 위해서는 교량의 손상정도나 소방력의 대응시간 등을 등급화 할 수 있는 기준들이 필요하다. 이를 위해 화재에 노출된 교량 구조물의 화원 종류 및 환경을 고려하여 화재발생 시, 도달 가능한 온도에 따른 손상등급과 화재기동대 도착시간에 따른 위험도 등급을 제시하였다. 교량 구조물은 주로 강재 또는 콘크리트교량으로 나누어지므로, 콘크리트와 강재 부재의 화재에 의한 손상기준을 제시하였다.
- 구축된 위험도 평가모델을 적용하여 실제 교량의 위험등급 판단을 위해서는 소방관서로 부터 교량까지 도착시간이 필요하다. 이를 위해, 각 교량과 소방서의 GIS 맵을 구축하고, ArcGIS 10.1의 Network 분석기능을 통해 최근접 소방서의 거리와 소방차량의 도착시간을 산출하였다.
- FDS를 통한 화원 종류별 환경 인자별 화재 해석 및 온도에 따른 재료물성치의 변화 분석, 그리고 소방력의 정량적 등급화 과정 등을 통해 강교량과 콘크리트 교량의 화재 위험도 등급평가 및 대응방안을 구축하였다. 제시한 위험도 평가모델을 토대로 일반 국도상의 대상교량을 선정하여 화재위험등급을 산출하였으며, 위험등급에 따른 예방 및 대비책을 제시하였다. 이러한 화재 위험도 분석 과정을 통해 고위험으로 판단되는 교량 구조물의 화재에 대한 사전예방 및 대비가 가능할 것으로 판단된다.
- 강교량의 온도별 손상등급은 Table 2에 제시하였다. 콘크리트 교량의 기준과 마찬가지로 등급 І(None)은 하천 등의 존재로 발생가능성이 미미한 것으로 분류하였으며, 등급Ⅱ(Very Low), 등급Ш(Low), 등급IV(Moderate), 등급V(High), 등급VI(Critical) 등급들은 화재에 노출된 구조물의 손상정도에 따라 분류하였다.
- 콘크리트 교량의 위험도 평가와 마찬가지로 FDS의 해석결과를 강교량의 손상등급에 적용하였다(Table 2). 발생가능성이 미미한 Grade I(None)을 제외하고 나머지 등급 II(Very Low), III(Low), IV(Moderate), V(High), VI(Critical)에 따른 위험도 등급평가를 Fig.
- 콘크리트교의 손상등급은 콘트리트 재료로 구성된 교량의 부재가 온도에 따라 변화하는 상태등급에 따라 분류하였다. 등급 І (None)은 교량의 하부환경을 반영하여 발화요인이 없음을 판단하기 위해 추가적으로 제시하였으며, 등급 І(None)을 제외한 나머지 등급들은 Zhai(2014)의 콘크리트 재료 손상기준을 인용하여 Table 1에 나타내었다.
- 화원의 크기를 10 MW, 20 MW, 30 MW, 50 MW, 100 MW, 130 MW로 선정하였으며 강교량과 콘크리트 교량으로 분류하고 교량의 형하고 별로 최소 통과높이 4 m부터 화재가 크게 영향을 미치지 못한다고 판단되는 15 m까지 1 m간격으로 총 144개의 케이스에 대해 해석을 수행하였다. 해석시간은 Fig.
- 화재 위험인자 선별과정을 통해 화재가 발생했을 때 교량의 안전성에 크게 영향을 미치는 인자들을 위험도 평가에 반영해야한다. 화재 진압시간 산정을 위한 소방서 및 교량 위치를 지도화하였고, FDS 해석모델에 반영될 교량 재료의 특성, 화재강도의 크기와 위치, 화원으로 부터의 거리 파악을 위한 형하고 등을 분석하였다.
- 효과적인 대응방안의 적용을 위하여, 기존에 존재하는 교량화재에 대한 대응방안들을 예방/완화적 방법으로 나누었으며, 고위험군부터 저위험군까지 분류하여 위험군 별로 평가된 교량에 맞추어 대응방안이 적용될 수 있도록 하였다.
대상 데이터
- 국외 교량화재 사례로는 2007년 4울 29일 새벽 3시 45분쯤 샌프란시스코 Bay bridge 고속도로에서 8,600갤론(약 32,550리터)의 기름을 싣고 가던 유조차가 다른 차와 접속사고를 일으킨 뒤 뒤집히면서 화재가 발생했다(Fig. 2). 이 사고로 불길이 200피트 이상 솟아오르는 화기가 발생하였으며, 화씨 2,700도가 넘는 약 3시간 동안의 화재로 결국 San Francisco-Oakland Bay Bridge로 연결되는 접속 램프교가 붕괴되었다.
- 3과 같이 확률에 기반하는 기존의 위험도 평가와는 다른 절차로 접근하였다. 다양한 화재 발생 시나리오가 있겠지만 구조적으로 가장 문제가 될 수 있는 교량 하부 화재의 경우에 대해서만 고려하였으며 특수교를 제외한 일반적인 콘크리트교와 강교를 대상으로 분석하였다. 본 연구의 교량화재 위험도 평가 모델과 대응방안를 수립하기 위한 연구흐름은 Fig.
- , 2016), 화원은 교량하부의 정 중앙에 위치시켰다. 온도분석 대상은 화재의 영향을 가장 크게 받는 화원의 중앙에서부터 수직거리에 존재하는 교량 하부표면에서의 온도에 대해 측정하였다. 해석시간과 경계조건 및 Mesh size는 Table 8에 제시하였다.
- 위험도 평가를 적용하고자 Table 12와 같이 대한민국 경기도에 존재하는 임의의 10개의 콘크리트교량의 위험등급을 산정하였다. 화재강도는 가장 위험할 것으로 판단되는 130 MW로 선정했으며, 형하고 하부환경 등을 반영하였다. 소방력 도착시간과 근교소방서는 GIS의 분석결과이며 산정된 도착시간은 Table 4의 소방력 도착등급에 따라 분류가 가능하다.
이론/모형
- 화재는 시간이 지날수록 인접 구조물로 확산으로 인해 그 피해가 확산될 가능성을 가지고 있으므로, 조기에 짧은 시간 내에 진압하는 것이 중요하다. 따라서, 화재 기동대의 교량구조물까지의 도착시간을 산출하는데 효과적인 ArcGIS 10.1를 이용한 네트워크 분석 기법을 사용하였다. GIS는 지리적 위치를 갖고 있는 대상에 대한 위치자료(spatial data)와 속성자료(attribute data)를 통합·관리하여 지도, 도표 및 그림들과 같은 여러 형태의 정보를 제공한다.
- Arc GIS를 이용한 가로망 분석의 대표적인 방법으로는 Network analyst를 사용한 경로분석(OD Cost Matrix), 근접시설 분석, 서비스권역 분석 등이 있다(Lee and Sim, 2011). 본 연구는 네트워크 거리 및 시간에 관한 논의이므로 OD Cost Matrix 기능을 사용하였다.
- 화원모델의 면적은 도로터널 방재지침(2016)의 차종별 평균길이를 반영하여 각각의 화원 면적을 선정하였다. 또한, 차량의 사고발생시 화원의 높이를 고려하여 차량 화재 시 화원 중심은 1 m높이에서 발생하는 것으로 가정하였다.
성능/효과
- 1) 위험도평가에 반영될 교량 화재에 영향을 미치는 주요한 인자들을 선정하고, 교량의 온도에 따른 손상기준과 화재 시 소방차의 도착시간 등급기준을 제시하여 위험도 평가에 반영될 기준들을 수립하였다.
- 3) 실제 적용에 필요한 GIS를 이용하여 도로의 설계속도가 반영된 교량과 소방력의 도착시간을 산정하였으며, FDS와 GIS 데이터를 3축 교량화재 위험도 평가모델에 적용함으로써 각 교량의 위험도 등급을 결정하고 위험도 평가 결과에 따른 방안을 대응방안을 제시할 수 있었다.
후속연구
- 제시한 위험도 평가모델을 토대로 일반 국도상의 대상교량을 선정하여 화재위험등급을 산출하였으며, 위험등급에 따른 예방 및 대비책을 제시하였다. 이러한 화재 위험도 분석 과정을 통해 고위험으로 판단되는 교량 구조물의 화재에 대한 사전예방 및 대비가 가능할 것으로 판단된다.
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