[국내논문]철도터널 화재 시 피난개시시간지연 및 화재성장곡선이 정량적 위험도에 미치는 영향 Effects of evacuation delay time and fire growth curve on quantitative risk for railway tunnel fire원문보기
철도터널의 방재시설 설계 시 성능위주설계의 일환으로 화재위험을 정량적으로 평가하는 정량적 위험도평가기법이 도입되어 적용되고 있다. 그러나 각종 위험인자가 위험도에 미치는 영향을 검토하기 위한 연구는 부족한 실정이다. 이에 본 연구에서는 피난개시 시간지연(210~873초) 및 화재성장곡선(1량 화재, 1량 화재지속, 화재중첩)이 정량적 위험도 평가에 미치는 영향을 검토하기 위해서 모델터널(연장: 15 km, 경사도 1.5%, 단면적 $57m^2$, 단굴 양방향 터널)을 대상으로 위험도 평가를 수행하였으며, 다음과 같은 결과를 얻었다. 시나리오(270개)에 대한 분석결과, 사망자는 주로 화재연기의 이동방향과 동일한 방향으로 대피하는 경우가 발생하고 있으며, FED가 0.3을 초과한 후에는 최대 10분 이내에 최대인원이 사망하는 것으로 나타났다. 위험도가 비교적 낮은 범위에서는 피난연결통로간격 및 피난개시시간, 화재성장곡선이 위험도에 영향을 미치는 것으로 나타나고 있으나, 위험도가 한계치에 도달하는 조건에서는 이들의 영향이 거의 없는 것으로 나타났다. 특히 본 연구에서는 피난연결통로의 간격이 1,500 m 이상인 경우에는 피난개시시간지연의 축소나 화재강도 및 화재지속시간의 감소효과가 거의 나타나지 않는 것으로 평가되었다.
철도터널의 방재시설 설계 시 성능위주설계의 일환으로 화재위험을 정량적으로 평가하는 정량적 위험도평가기법이 도입되어 적용되고 있다. 그러나 각종 위험인자가 위험도에 미치는 영향을 검토하기 위한 연구는 부족한 실정이다. 이에 본 연구에서는 피난개시 시간지연(210~873초) 및 화재성장곡선(1량 화재, 1량 화재지속, 화재중첩)이 정량적 위험도 평가에 미치는 영향을 검토하기 위해서 모델터널(연장: 15 km, 경사도 1.5%, 단면적 $57m^2$, 단굴 양방향 터널)을 대상으로 위험도 평가를 수행하였으며, 다음과 같은 결과를 얻었다. 시나리오(270개)에 대한 분석결과, 사망자는 주로 화재연기의 이동방향과 동일한 방향으로 대피하는 경우가 발생하고 있으며, FED가 0.3을 초과한 후에는 최대 10분 이내에 최대인원이 사망하는 것으로 나타났다. 위험도가 비교적 낮은 범위에서는 피난연결통로간격 및 피난개시시간, 화재성장곡선이 위험도에 영향을 미치는 것으로 나타나고 있으나, 위험도가 한계치에 도달하는 조건에서는 이들의 영향이 거의 없는 것으로 나타났다. 특히 본 연구에서는 피난연결통로의 간격이 1,500 m 이상인 경우에는 피난개시시간지연의 축소나 화재강도 및 화재지속시간의 감소효과가 거의 나타나지 않는 것으로 평가되었다.
A quantitative risk assessment has been introduced to quantitatively evaluate fire risk as a means of performance based fire protection design in the design of railway tunnel disaster prevention facilities. However, there are insufficient studies to examine the effect of various risk factors on the ...
A quantitative risk assessment has been introduced to quantitatively evaluate fire risk as a means of performance based fire protection design in the design of railway tunnel disaster prevention facilities. However, there are insufficient studies to examine the effect of various risk factors on the risk. Therefore, in this study, the risk assessment was conducted on the model tunnel in order to examine the effects of the evacuation start time delay and the fire growth curve on the quantitative risk assessment. As a result of the analysis of the scenario, the fatalities occurred mainly when escapes in the same direction as the direction of the fire smoke movement. In addition, after the FED exceeded 0.3, the maximum fatalities occurred within 10 minutes. In the range of relatively low risk, distance between cross passages, evacuation delay time and fire growth curve were found to affect the risk, but they were found to have little effect on the condition that the risk reached the limit. Especially, in this study, it was evaluated that the evacuation delay time reduction, fire intensity and duration reduction effect were not observed when the distance between cross passages was more than 1500 m.
A quantitative risk assessment has been introduced to quantitatively evaluate fire risk as a means of performance based fire protection design in the design of railway tunnel disaster prevention facilities. However, there are insufficient studies to examine the effect of various risk factors on the risk. Therefore, in this study, the risk assessment was conducted on the model tunnel in order to examine the effects of the evacuation start time delay and the fire growth curve on the quantitative risk assessment. As a result of the analysis of the scenario, the fatalities occurred mainly when escapes in the same direction as the direction of the fire smoke movement. In addition, after the FED exceeded 0.3, the maximum fatalities occurred within 10 minutes. In the range of relatively low risk, distance between cross passages, evacuation delay time and fire growth curve were found to affect the risk, but they were found to have little effect on the condition that the risk reached the limit. Especially, in this study, it was evaluated that the evacuation delay time reduction, fire intensity and duration reduction effect were not observed when the distance between cross passages was more than 1500 m.
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문제 정의
따라서 본 연구에서는 모델터널을 대상으로 하여 화재성장곡선에 따른 화재해석을 수행하고 대피시간 지연을 고려한 대피해석을 수행하여 화재의 지속여부와 피난개시 시간지연이 정량적 위험도 평가 결과에 미치는 영향을 검토하고자 한다.
이에 철도터널에는 화재 시 안전성을 확보하기 위해서 각종 방재시설을 설치하도록 법이나 기준으로 정하고 있으며, 국내의 경우에는 “철도시설 안전기술 기준” (MOLIT, 2008)에 1 km 이상의 터널은 정량적인 방법에 의해서 화재 안전성 평가를 수행하도록 명문화하고 있다. 이는 철도터널의 방재시설에 대해서 성능위주 설계기법을 도입하여 철도터널의 방재시설의 설치에 따른 위험도를 정량적으로 평가하고 시설의 설치여부를 결정하도록 하기 위한 것이다. 특히, 방재시설 중 연결송수관설비, 제연설비, 피난연결통로는 대피환경을 확보하기 위한 수단으로 인명안전에 가장 큰 영향을 미치는 것으로 알려져 있으나 설치비용이 타 설비보다 고가로 경제성 확보 측면에서 정량적 위험도 평가를 수행하여 설치여부를 정하도록 하고 있다.
이에 본 검토에서는 화재성장곡선의 영향을 검토하기 위해서 전술한 화재성장곡선을 포함하여 고타드 터널(Favre and Gerber, 1999)의 설계 시 적용한 1/3중첩법에 의해서 화재가 확산되는 화재성장곡선(FC3)을 적용하여 화재성장곡선이 정량적 위험도평가 결과에 미치는 영향을 검토하였다.
제안 방법
본 연구에서는 모델터널(연장: 15 km, 경사도 1.5%, 단면적 57 m2, 단굴 양방향 터널)을 대상으로 피난개시시간(210~873초) 및 화재성장곡선(1량화재, 1량 화재지속, 화재중첩)이 정량적 위험도 평가에 미치는 영향을 검토하였으며, 다음과 같은 결과를 얻었다.
정량적 위험도 평가에 있어서 전체 위험도에 가장 크게 영향을 미치는 인자는 제연방향과 대피방향의 상관관계로 본 연구에서는 전술한 Table 1과 같이 설정하였다. 제연모드는 자연환기와 기계환기로 구분하고 기계환기 시제연의 방향은 터널출구(열차진행방향)와 터널입구(진행반대방향)로 하였다. 제연팬 고장 시는 자연환기로 보았으며, 자연환기의 확률은 일반적인 제연팬의 신뢰도를 고려하여 10%로 하였다.
터널 내 화재 위치는 입구부, 중간부, 출구부 3개소로 구분하고 열차 중 화재차량위치는 5개 지점(선두, 5호차, 중앙, 15호차, 후미)을 고려하였다. 제연모드와 대피방향은 Yoo (2015a)의 연구결과에서 제시한 바와 같이 9개의 조건으로 검토하였으며, 제연과 대피방향에 따른 분기비는 각각 Table 1과 같이 적용하였다.
자연환기 시 대피방향은 화재에서 멀어지는 방향(op)으로 대피하는 분기비를 90%, 특정(입구 또는 출구)방향으로 이동하는 것을 10%로 하였다. 중앙부 열차화재 시, 기계환기를 수행하는 경우에 제연방향은 터널입구와 출구방향으로 동일한 분기비(45%)를 적용하였으며, 대피방향은 제연반대방향을 90%, 화재에서 멀어지는 방향(op)의 분기비를 10%로 적용하였다.
대상 데이터
본 연구에서 고려한 각각의 피난연결통로 간격 및 대피시간조건에 따른 시나리오의 총수는 270개이다. 각 계산조건의 시나리오별 사망자수 분석결과, 사망자수에 가장 크게 영향을 미치는 인자는 제연방향과 대피방향의 상관관계로 대피방향과 제연방향이 동일한 경우에 사망자가 가장 많이 발생하는 것으로 나타나고 있다.
위험도 평가를 위한 모델터널의 제원은 터널연장은 15 km, 터널단면적은 57 m2, 터널의 경사도는 1.5%로 하였다. 일교통량은 20량의 중련편성 편도기준 80편으로 하였으며 통과열차는 일교통량은 , 열차의 총 탑승인원은 800명으로 하였다.
5%로 하였다. 일교통량은 20량의 중련편성 편도기준 80편으로 하였으며 통과열차는 일교통량은 , 열차의 총 탑승인원은 800명으로 하였다. 화재열차가 화재 시 터널에 정차확률은 열차의 제동 감속도를 3.
화재사고시나리오는 “철도터널 화재 안전성 평가 매뉴얼”에 근거하여 작성하였다. 터널 내 화재 위치는 입구부, 중간부, 출구부 3개소로 구분하고 열차 중 화재차량위치는 5개 지점(선두, 5호차, 중앙, 15호차, 후미)을 고려하였다. 제연모드와 대피방향은 Yoo (2015a)의 연구결과에서 제시한 바와 같이 9개의 조건으로 검토하였으며, 제연과 대피방향에 따른 분기비는 각각 Table 1과 같이 적용하였다.
이론/모형
5 km/h/s로 하여 Ryu et al.(2018)의 연구결과에서 제시하고 있는 몬테카를로 시뮬레이션 기법에 의해서 계산하여 10.1%를 적용하였다.
성능/효과
1. 시나리오(270개)에 대한 분석결과, 화재연기의 이동방향과 동일한 방향으로 이동하는 경우, 사망자가 발생하고 있으며, FED가 0.3을 초과한 후에는 최대 10분 이내에 최대인원이 사망하는 것으로 나타났다.
2. 화재연기가 대피자를 덮치는 시점은 피난개시시간과 관계없이 거의 일정하며, 약 1,000초 정도이며, 피난개시시간이 가장 신속한 경우에 연기가 덮치는 시간을 기준으로 안전확보거리는 약 350 m정도로 나타났다.
3. 사망자(FED > 0.3)가 발생하기 시작하는 시점 또한 피난개시시간에 관계없이 큰 차이가 없으며, 이를 기준으로 하는 경우 안전확보거리는 589~1,503 m정도로 분석되었다.
4. 피난연결통로의 간격이 1,000 m로 위험도가 비교적 낮은 영역에 있는 경우에는 피난개시시간이 짧을수록 위험도가 낮게 평가되나, 화재성장곡선이 위험도에 영향을 미치는 것으로 나타나고 있다.
5. 그러나 피난연결통로 간격이 1,500 m 이상으로 위험도가 한계치에 도달한 경우에는 피난개시시간 및 화재성장곡선이 위험도에 미치는 영향은 거의 없는 것으로 평가된다.
6. 피난연결통로의 간격이 증가하여 위험도가 한계치에 도달하는 경우에는 피난연결통로의 간격변화가 위험도에 미치는 영향을 거의 없는 것으로 판단된다.
본 연구에서 고려한 각각의 피난연결통로 간격 및 대피시간조건에 따른 시나리오의 총수는 270개이다. 각 계산조건의 시나리오별 사망자수 분석결과, 사망자수에 가장 크게 영향을 미치는 인자는 제연방향과 대피방향의 상관관계로 대피방향과 제연방향이 동일한 경우에 사망자가 가장 많이 발생하는 것으로 나타나고 있다.
최초의 대피자는 약 1,000 m, 최종 대피자는 약 340 m를 이동한 지점에서 연기에 포획된다. 등가 사망자는 1,656초(등가사망자)에 발생하기 시작하나, FED가 0.3 이상의 사망자가 발생하는 시간은 2,614초이며, 이후에 사망자수가 급격하게 증가하여 약 488초만에 모든 대피자가 사망하는 것으로 예측된다.
이상의 검토에서 본 모델터널의 경우, 피난연결통로의 간격이 1,500 m 이하인 경우에는 간격의 축소에 따른 위험도의 감소효과가 있으나, 피난연결통로의 간격이 1,500 m를 초과하는 경우에는 위험도가 한계 값에 도달한 것으로 평가될 수 있으며, 간격변화에 따른 위험도의 변화는 거의 없는 것으로 평가된다.
이상의 검토에서 화재연기의 이동방향과 동일한 방향으로 대피하는 경우에 연기가 덮치는 시간을 기준으로 최대한 안전을 확보할 수 있는 시간은 1,000초 정도이며 가장 신속하게 대피를 하는 경우에 확보할 수 있는 안전거리는 340 m정도이다. 또한 FED > 0.
특히 FED 0 > 0.3 이상의 사망자가 발생한 후에는 최대 10분 이내에 최대인원이 사망에 도달하는 것으로 분석되어 화재 시 악조건에 도달한 후에는 아주 빠른 속도로 사망자가 증가하는 것을 알 수 있다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
터널에서 열차화재에 대한 정량적 위험도 평가는 무엇인가?
터널에서 열차화재에 대한 정량적 위험도 평가는 화재발생 시나리오를 작성하고 시나리오별 사고발생빈도 및 사고결과를 사망자 수나 경제적인 비용을 산정하고 이들의 곱으로 위험도를 예측하고 사회적 위험도 평가기준 등 위험도 평가기준과 비교하여 위험수준의 적정성을 평가하는 것으로 주로 유럽국가에서 도입되기 시작하여 현재는 전 세계적으로 도입하고 있는 추세이다.
철도의 특징은 무엇인가?
철도는 운송에너지의 효율성, 환경 친화성, 안전성 등이 도로보다 우수한 것으로 알려져 있으며, 그린 에너지 운송수단으로 평가받고 있다. 국내의 경우에는 경부, 호남 및 원주-강릉 간 고속철도의 개통과 더불어 기존 철도 노선에 대한 선형개량 사업이 활발히 진행되고 있으며, 이에 따라서 장대터널의 건설이 급격하게 증가하고 있는 실정이다.
본 논문에서 모델터널이 대상인 위험도 평가를 수행한 결과는 어떠한가?
5%, 단면적 $57m^2$, 단굴 양방향 터널)을 대상으로 위험도 평가를 수행하였으며, 다음과 같은 결과를 얻었다. 시나리오(270개)에 대한 분석결과, 사망자는 주로 화재연기의 이동방향과 동일한 방향으로 대피하는 경우가 발생하고 있으며, FED가 0.3을 초과한 후에는 최대 10분 이내에 최대인원이 사망하는 것으로 나타났다. 위험도가 비교적 낮은 범위에서는 피난연결통로간격 및 피난개시시간, 화재성장곡선이 위험도에 영향을 미치는 것으로 나타나고 있으나, 위험도가 한계치에 도달하는 조건에서는 이들의 영향이 거의 없는 것으로 나타났다. 특히 본 연구에서는 피난연결통로의 간격이 1,500 m 이상인 경우에는 피난개시시간지연의 축소나 화재강도 및 화재지속시간의 감소효과가 거의 나타나지 않는 것으로 평가되었다.
참고문헌 (10)
Beard, A., Cope, D. (2007), Assessment of the safety of tunnels, European Technology Assessment Group.
Diamantidis, D. (2008), "Background Documents on Risk Assessment in Engineering Document #3 Risk Acceptance Criteria", Joint Committee on Structural Safety, pp. 2-13 Regensburg.
Favre, P., Gerber, P. (1999), "Detailed simulation of smoke movement due to a train fire in the context of general safety considerations for the Gotthard base tunnel", Tunnel Fires and Escape from Tunnels, Lyon, France, pp. 245-254.
Jonkman, S.N., van Gelder, P.H.A.J.M., Vrijling, J.K. (2003), "An overview of quantitative risk measures for loss of life and economic damage", Journal of Hazardous Materials, Vol. 99, No. 1, pp. 1-30.
Ministry of Land, Infrastructure and Transport (2008), Railway facility safety technique guidelines, MOLIT, Sejong, Korea.
Railway Safety Research Group (2014), Railway tunnel fire safety assessment manual, MOLIT, Sejong, Korea.
Ryu, J.O., Kim, J.Y., Kim, H.G. (2018), "Study on the prediction of the stopping probabilities in case of train fire in tunnel by Monte Carlo simulation method", Journal of Korean Tunnelling and Underground Space Association, Vol. 20, No. 1, pp. 11-22.
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Yoo, J.O., Kim, J.S., Rie, D.H., Kim, J.W. (2015b), "A study on evacuation characteristic by cross-sectional areas and smoke control velocity at railway tunnel fire", Journal of Korean Tunnelling and Underground Space Association, Vol. 17, No. 3, pp. 215-226.
Yoo, J.O., Kim, J.S., Rie, D.H., Shin, H.J. (2015a), "The effect of a risk factor on quantitative risk assessment in railway tunnel", Journal of Korean Tunnelling and Underground Space Association, Vol. 17, No, 2, pp. 117-125.
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