교량에서의 화재는 최근까지도 빈번하게 발생되고 있으며, 특히 케이블교량에서 화재가 발생될 시 케이블에 높은 온도상승으로 인해 케이블에 손상 및 파단이 발생될 수 있다. 본 연구에서는 케이블교량에서 발생될 수 있는 화재 시나리오를 설정하였다. 또한 실물차량 화재실험 결과를 토대로 화재강도모델을 제안하여 대상교량 케이블의 열전달 해석을 수행하였다. 해석 결과 단면적이 작은 케이블에서 더 높은 온도상승이 발생되며, 유조차를 제외한 차종의 경우 내화 성능 기준을 초과하지 않는 결과를 나타내었다. 유조차 화재의 경우 갓길에서 발생될 때 최소 단면적 케이블에서 내화 성능 기준을 초과하는 결과를 보이며, 기준을 초과하는 케이블의 높이는 약 14m로 나타나 이에 따른 대책 및 내화 보강의 필요성을 확인하였다. 본 연구결과를 통해 케이블교량에서 화재가 발생될 때 케이블의 온도변화에 대한 간접적인 평가가 가능한 것을 확인하였으며, 향후 화재 발생 시 바람에 영향을 고려한 열전달 해석과 케이블의 온도상승 시 교량의 사용성에 대한 추가적인 연구가 필요할 것으로 판단된다.
교량에서의 화재는 최근까지도 빈번하게 발생되고 있으며, 특히 케이블교량에서 화재가 발생될 시 케이블에 높은 온도상승으로 인해 케이블에 손상 및 파단이 발생될 수 있다. 본 연구에서는 케이블교량에서 발생될 수 있는 화재 시나리오를 설정하였다. 또한 실물차량 화재실험 결과를 토대로 화재강도모델을 제안하여 대상교량 케이블의 열전달 해석을 수행하였다. 해석 결과 단면적이 작은 케이블에서 더 높은 온도상승이 발생되며, 유조차를 제외한 차종의 경우 내화 성능 기준을 초과하지 않는 결과를 나타내었다. 유조차 화재의 경우 갓길에서 발생될 때 최소 단면적 케이블에서 내화 성능 기준을 초과하는 결과를 보이며, 기준을 초과하는 케이블의 높이는 약 14m로 나타나 이에 따른 대책 및 내화 보강의 필요성을 확인하였다. 본 연구결과를 통해 케이블교량에서 화재가 발생될 때 케이블의 온도변화에 대한 간접적인 평가가 가능한 것을 확인하였으며, 향후 화재 발생 시 바람에 영향을 고려한 열전달 해석과 케이블의 온도상승 시 교량의 사용성에 대한 추가적인 연구가 필요할 것으로 판단된다.
Recently, there have been frequent occurrences of bridge fires. Fires in cable-supported bridges can damage and brake cables due to high temperatures. In this study, fire scenarios that can occur on cable-supported bridges were set up. In addition, based on the results of vehicle fire tests, a fire ...
Recently, there have been frequent occurrences of bridge fires. Fires in cable-supported bridges can damage and brake cables due to high temperatures. In this study, fire scenarios that can occur on cable-supported bridges were set up. In addition, based on the results of vehicle fire tests, a fire intensity model was proposed and cable heat transfer analyses were performed on a target bridge. The analyses results demonstrated that temperature rises were identified on cables with a smaller cross-sectional area. Furthermore, vehicles other than tankers did not exceed the fire resistance criteria. When the tanker fire occurred on a bridge shoulder, the minimum diameter cable exceeded the fire resistance criteria; the height of the cable exceeding the fire resistance criteria was approximately 14 m from the surface. Therefore, the necessity of countermeasures and reinforcements of fire resistance was established. The results of this study confirmed that indirect evaluation of the temperature changes of bridge cables under fire is possible, and it was deemed necessary to further study the heat transfer analysis considering wind effects and the serviceability of the bridge when the cable temperature rises due to fire.
Recently, there have been frequent occurrences of bridge fires. Fires in cable-supported bridges can damage and brake cables due to high temperatures. In this study, fire scenarios that can occur on cable-supported bridges were set up. In addition, based on the results of vehicle fire tests, a fire intensity model was proposed and cable heat transfer analyses were performed on a target bridge. The analyses results demonstrated that temperature rises were identified on cables with a smaller cross-sectional area. Furthermore, vehicles other than tankers did not exceed the fire resistance criteria. When the tanker fire occurred on a bridge shoulder, the minimum diameter cable exceeded the fire resistance criteria; the height of the cable exceeding the fire resistance criteria was approximately 14 m from the surface. Therefore, the necessity of countermeasures and reinforcements of fire resistance was established. The results of this study confirmed that indirect evaluation of the temperature changes of bridge cables under fire is possible, and it was deemed necessary to further study the heat transfer analysis considering wind effects and the serviceability of the bridge when the cable temperature rises due to fire.
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문제 정의
본 연구에서는 케이블교량에서 발생되는 화재 시 케이블에 발생되는 온도변화를 검토하였다. 이를 위해 케이블교량에서의 화재를 적절히 모사할 수 있는 화재강도모델을 제안하였다.
가설 설정
화재 진압을 위한 현장 도착 시간은 약 20분 이내로 추정이 가능하지만, 진압시간과 진화 조건 등에 따라 화재지속시간은 편차가 클 것으로 판단되어 1시간까지 화재가 지속된다고 가정하였다.
제안 방법
5의 케이블과 차선 사이 거리를 식 (1)~(4) 및 식 (6)~(8)에 대입하여 계산하였다. 또한 계산 시 교량의 노면으로부터 케이블 높이변화에 따른 열 유속을 고려하였다. 다른 차량에 비해 비교적 열방출율이 낮은 승용차 화재강도 모델은 케이블에 큰 온도변화를 발생시키지 않을 것으로 판단되어 열 유속 산정에서 제외하였다.
화재 강도모델은 각 차량 종류별로 열방출율을 실험결과 및 연구결과를 통해 설정하였다. 또한 설정된 화재강도모델을 사용하여 대상교량의 케이블부재의 열전달 해석을 수행하여 다음과 같은 결론을 도출하였다.
본 연구에서는 Kim(2011)의 연구와 국내외 차량 화재실험 결과를 토대로 케이블교량 화재에 적합한 화재강도모델을 설정하였으며, 화재모델을 통해 대상교량 케이블의 열전달 해석을 수행하여 케이블에 발생되는 온도변화를 검토하였다.
본 연구에서는 화재 발생 시 바람에 의한 영향을 고려하지 않고 열 유속을 산정하였다. 바람에 의한 영향을 고려할 경우 화염의 높이 및 대상 물체와 화염 사이의 거리가 달라지기 때문에 바람에 의한 영향을 고려하지 않는 경우와 비교하였을 때 대상 물체의 온도가 상승 또는 하강할 수 있을 것으로 예상된다.
2 나타내었다. 유조차를 제외한 차량 화재강도는 실험 결과로부터 대류와 복사에 의한 열전달 비율(7:3)을 고려하여 복사에 의한 열방출율을 사용할 수 있도록 제안하였다. 승용차는 10분에 1.
Kim(2011)의 연구에서는 차량 화재실험 결과를 통해 화재 모델을 제안하였다. 이 때, 개방공간에서 수행된 차량 화재실험 결과와 밀폐된 공간에서 수행된 차량 화재시험 결과를 비교하여 증가계수를 제안하였으며, 복사에 의한 열전달을 전체 열전달에 1/3 수준으로 평가하였다. 이를 통해 케이블의 열전달 해석을 수행하고 케이블의 온도변화를 검토하였다.
본 연구에서는 케이블교량에서 발생되는 화재 시 케이블에 발생되는 온도변화를 검토하였다. 이를 위해 케이블교량에서의 화재를 적절히 모사할 수 있는 화재강도모델을 제안하였다. 화재 강도모델은 각 차량 종류별로 열방출율을 실험결과 및 연구결과를 통해 설정하였다.
이 때, 개방공간에서 수행된 차량 화재실험 결과와 밀폐된 공간에서 수행된 차량 화재시험 결과를 비교하여 증가계수를 제안하였으며, 복사에 의한 열전달을 전체 열전달에 1/3 수준으로 평가하였다. 이를 통해 케이블의 열전달 해석을 수행하고 케이블의 온도변화를 검토하였다.
케이블교량에서 발생되는 화재는 주로 복사에 의해 열전달이 발생되기 때문에 모델에 대류계수를 5W/m2·℃로 사용하여 대류에 의해 발생되는 열전달을 최소화하였다.
이를 위해 케이블교량에서의 화재를 적절히 모사할 수 있는 화재강도모델을 제안하였다. 화재 강도모델은 각 차량 종류별로 열방출율을 실험결과 및 연구결과를 통해 설정하였다. 또한 설정된 화재강도모델을 사용하여 대상교량의 케이블부재의 열전달 해석을 수행하여 다음과 같은 결론을 도출하였다.
대상 데이터
일반적으로 화재가 발생된 후 진압되기까지 소요되는 시간은 화재의 크기 및 진화조건에 따라 다양하고 편차가 크다. Table 2는 소방청 국가화재정보센터에서 제공하는 통계 자료를 토대로 2018년 1월 1일부터 2019년 1월 1일 사이에 국내 도로에서 화재사고가 발생되었을 때, 화재 진압을 위한 현장 도착 시간을 분석한 자료이다(national fire data system). 분석 결과 20분 이내에 화재 현장에 도착하는 경우가 98%에 해당된다.
따라서 본 연구에서는 케이블교량에서의 화재 시나리오를 차량에 의한 화재로 설정하였다. 화재 진압을 위한 현장 도착 시간은 약 20분 이내로 추정이 가능하지만, 진압시간과 진화 조건 등에 따라 화재지속시간은 편차가 클 것으로 판단되어 1시간까지 화재가 지속된다고 가정하였다.
본 연구의 대상 교량은 Fig. 4와 같이 3경간 사장교이며 주경간장은 470m이고 측경간은 각각 200m이다, PY1측 측경간에 위치한 최대 단면적(0.013m2)을 갖는 1~4번 케이블과 최소 단면적(0.005m2)을 갖는 17번 케이블을 선정하여 열전달 해석을 수행하였다.
5MW까지 감소하고 60분까지 선형 감소한다. 유조차의 경우 Korea Expressway Corporation(2013)의 연구에서 사용된 100MW 급의 화재강도모델을 사용하였다.
데이터처리
열전달 해석은 수치해석 프로그램인 Abaqus/standard v2016(ABAQUS, 2016)을 사용하였으며, Fig. 7과 같이 케이블모델은 Solid 요소를 사용하였다. 케이블 단면에 포함된 HDPE 소재의 덕트와 왁스는 화재가 지속될 시 낮은 녹는점으로 인해 내부 스트랜드의 온도변화에 큰 영향을 미치지 않을 것으로 판단되어 모델에 포함시키지 않았다.
이론/모형
열전달 해석 결과의 검토 기준은 PTI(2012)에서 제시하는 내화 성능 검토 기준인 300℃로 설정하였다.
성능/효과
(1) 대상교량에 최소 단면적 케이블과 최대 단면적 케이블의 열전달 해석 결과 단면적이 작은 케이블에서 더 높은 온도변화를 나타낸다. 이는 열 유속이 단위면적당 단위 시간에 발생되는 열량이기 때문에 동일한 열 유속이 재하되었을 때 단면적이 작은 케이블에 열전달이 더 활발하게 발생된 것으로 판단된다.
(2) 차량 종류별 최대 열 유속(갓길에서의 화재)을 적용하였을 때 유조차 화재가 최소 단면적 케이블에 발생되었을 때를 제외하고는 모두 300℃ 미만의 온도변화를 보인다. 유조차 화재가 최소 단면적 케이블에서 발생될 때 최대 약 385℃까지 온도가 상승하며, 1시간 화재가 지속되었을 때에도 약 360℃의 온도분포를 나타낸다.
(3) 각 차선(1~3차선 및 갓길)에서 발생되는 유조차 화재의 최대 열 유속을 최소 단면적 케이블에 적용하였을 때 갓길을 제외하고는 모두 300℃미만의 온도변화를 나타낸다.
(2) 화염 표면으로부터 복사열이 방출된다. (3) 비가시적인 가스는 많은 양의 복사열을 방출하지 않는다. 이러한 가정으로부터 열 유속(q′′)은 식 (1)로 계산된다.
(4) 유조차 화재가 갓길에서 발생되었을 때 최소 단면적 케이블에 발생되는 높이 별 최대온도를 검토하였을 때 화재가 30분 경과하였을 때 노면으로부터 약 14m까지 300℃이상의 온도가 발생되며, 화재가 1시간 지속되었을 때에도 노면으로부터 약 14m 까지 300℃이상의 온도가 발생된다. 따라서 대상교량에 위와 같은 화재가 발생될 때 PTI(2012)에서 제시하는 기준을 만족하기 위해서는 300℃이상의 온도가 발생하는 위치에 내화 보강 또는 관련 대책이 필요할 것으로 판단된다.
화재가 발생되고 15분까지는 300℃이상의 온도가 케이블 단면에 발생되지 않는다. 그 이후 300℃이상의 온도가 노면으로부터 14m의 케이블 높이까지 발생되며 화재가 1시간 동안 지속되었을 때에도 노면으로부터 14m의 케이블 높이까지 300℃이상의 온도가 발생되는 것을 확인할 수 있다.
본 연구결과를 토대로 케이블교량에서 화재가 발생될 때 케이블부재에 발생되는 온도변화에 대한 간접적인 평가가 가능한 것을 확인하였다.
Kunikane 등(2002)은 버스 화재실험에서 대류에 의한 열전달을 전체 열전달에 약 67%로 가정하였고 Karlsson 등(2000)은 대류와 복사의 열전달 비율을 7:3으로 제시하고 있다. 이를 종합하면 밀폐된 공간에서 발생되는 복사 열전달은 전체 열전달에 30% 수준으로 볼 수 있다.
후속연구
검토 결과 갓길에서 발생되는 화재를 제외하고 모두 300℃미만의 온도변화를 보인다. 따라서 유조차 화재가 갓길에서 발생될 때 최소 단면적 케이블의 높이에 따른 온도변화를 검토할 필요가 있다고 판단된다.
바람에 의한 영향을 고려할 경우 화염의 높이 및 대상 물체와 화염 사이의 거리가 달라지기 때문에 바람에 의한 영향을 고려하지 않는 경우와 비교하였을 때 대상 물체의 온도가 상승 또는 하강할 수 있을 것으로 예상된다. 따라서 향후 바람에 의한 영향을 고려한 열전달 해석을 통해 본 연구결과와의 비교·분석이 필요할 것으로 판단된다. 또한 화재가 발생되어 케이블의 온도가 상승되었을 때 교량의 사용성에 초점을 맞춘 추가적인 연구가 필요할 것으로 판단된다.
따라서 향후 바람에 의한 영향을 고려한 열전달 해석을 통해 본 연구결과와의 비교·분석이 필요할 것으로 판단된다. 또한 화재가 발생되어 케이블의 온도가 상승되었을 때 교량의 사용성에 초점을 맞춘 추가적인 연구가 필요할 것으로 판단된다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
PTI에서 제시하는 케이블의 내화성능은 어떠한가?
일반적으로 케이블부재는 고강도강재로써 높은 인장강도를 가진다. PTI(2012)에서는 케이블의 내화성능을 300℃에 도달하는데 걸리는 시간으로 평가하며, 표면의 온도가 300℃ 상승하는데 최소 30분 이상 소요되어야 한다고 제시하고 있다. ACI Committee 216(1989)에서는 고강도강재에 300℃의 온도상승이 발생될 때 상온에서의 극한강도에 비해 약 20~30%의 강도저하가 발생된다고 제시하였다.
케이블교량의 화재를 평가하기 위해 복사열에 의한 온도 또는 열방출율이 필요한 이유는 무엇인가?
위와 같이 제시된 기준의 경우 건축기준 또는 터널화재의 기준이기 때문에 케이블교량에서의 화재를 평가하기에 적합하지 않다. 특히 터널 화재의 경우 폐쇄형 화재이기 때문에 대류와 복사열이 함께 고려된 온도 또는 열방출율이 제시되고 있어 개방형 화재인 케이블교량에서의 화재를 모사하기에 적합하지 않다. 따라서 케이블교량에서의 화재를 적절하게 평가하기 위해서는 개방형 화재 시 온도상승의 주요한 원인이 되는 복사열에 의한 온도 또는 열방출율이 필요하다.
화염의 형상계수란 무엇인가?
식 (1)에서F12는 화염의 형상계수이며 한 면에서 유입되는 열에너지와 다른 한 면에서 방출되는 열에너지의 비율을 의미한다. 따라서 형상계수는 열이 전달되는 목표물과 화염의 거리에 따라 0에서 1사이의 값을 가진다.
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