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문제 정의
- 또한, 축소모형을 이용한 터널 화재 실험 시에 연기가 발생하는 헵탄 및 가솔린 등의 액체연료를 사용하였을 경우 터널 내부가 오염될 우려가 있으므로, 반복적인 실험을 수행하기에는 단점이 있다. 따라서, 본 연구에서는 완전연소로 연기가 거의 발생하지 않는 메탄올을 사용하여 화재 시 발생하는 화재 열을 모사하였다. 신형 전동차의 최대 열방출률은 20 MW이며, 프라우드상사(9)로 축소모형에 적용되는 최대 열방출률은 아래의 식과 같이 구할 수 있다.
- 축소모형을 이용한 철도 터널의 화재 안전성 평가에 필요한 철도 차량의 화재에 대한 설계를 수행하였다. 기존의 철도 터널 축소모형 실험 시 활용된 방법의 단점을 극복하기 위하여 화재 부력적용한 메탄올 화원과 스모크 카트리지를 이용한 연기 가시화를 수행하였다.
제안 방법
- 축소모형을 이용한 철도 터널의 화재 안전성 평가에 필요한 철도 차량의 화재에 대한 설계를 수행하였다. 기존의 철도 터널 축소모형 실험 시 활용된 방법의 단점을 극복하기 위하여 화재 부력적용한 메탄올 화원과 스모크 카트리지를 이용한 연기 가시화를 수행하였다. 메탄올을 이용하여 다양한 화원 팬에 대하여 콘칼로리미터(ISO 5660) 및 저울을 이용한 연료 소모율을 이용하여 열방출률을 측정하였고, 스모크 카트리지를 활용하여 철도 차량 화재에 대한 화재 연기 거동을 모사하였다.
- 기존의 철도 터널 축소모형 실험 시 활용된 방법의 단점을 극복하기 위하여 화재 부력적용한 메탄올 화원과 스모크 카트리지를 이용한 연기 가시화를 수행하였다. 메탄올을 이용하여 다양한 화원 팬에 대하여 콘칼로리미터(ISO 5660) 및 저울을 이용한 연료 소모율을 이용하여 열방출률을 측정하였고, 스모크 카트리지를 활용하여 철도 차량 화재에 대한 화재 연기 거동을 모사하였다. 연료가 메탄올일 때 1.
- 4%를 나타냈다. 본 논문에서 측정한 열방출률은 터널내부에 위치한 철도차량의 화재를 정량화하기 위하여 환기가 원활한 콘칼로리미터 시험조건에서 수행되어 연료지배형 화재로 분류될 수 있다. 그러나 터널 내에 위치한 철도차량의 경우 화재발생 위치, 유리창 파괴 및 문 개방 및 터널내 제연 기류속도 등 다양한 조건에 따라 열방출률이 측정된 환기조건이 상이할 수 있어 화재크기가 측정한 값과 상이할 수 있다.
- 이를 위하여 다양한 연료 팬의 크기와 형태에 따라 ISO 5660 규격의 콘칼로리미터를 이용하여 열방출률을 측정하였다. 여기서 콘히터를 사용하지 않고 불꽃을 이용하여 강제 발화를 시킨 후 연소 시 발생하는 연소 가스를 포집하여 산소소모량을 측정하여 계산하는 산소소모법과 연료 팬 아래에 저울을 설치하여 측정한 질량소모율을 이용하여 열방출률을 측정하였다. Figure 2와 같이 정사각형 연료 팬은 한 변이 40 mm, 50 mm인 높이 30 mm의 연료 팬 2개와 지름이 65 mm, 70 mm, 72 mm, 75 mm, 80 mm, 85 mm, 90 mm, 95 mm인 높이 25 mm의 원형 연료 팬 8개로 발열량을 측정하였다.
- 기존의 스모크 오일을 연소시키는 스모크 제너레이션을 사용하면 연기를 주입하는 가스의 유량과 온도 등의 변수가 발생하여 축소모형에서 화재 현상을 모사할 때, 유동이 왜곡되는 현상이 나타날 수 있다. 이러한 단점을 극복하기 위하여 본 연구에서는 터널 내부에 설치할 수 있고, 추가 공기의 유입이 없는 카트리지를 이용하였다. 해당 스모크 카트리지는 고체 분말로 원통 모양이며, 직경 약 1.
- 그러나 위의 식은 비교적 넓은 면적에서 만족하는 식이므로 이에 대한 검증이 필요하다. 이를 위하여 다양한 연료 팬의 크기와 형태에 따라 ISO 5660 규격의 콘칼로리미터를 이용하여 열방출률을 측정하였다. 여기서 콘히터를 사용하지 않고 불꽃을 이용하여 강제 발화를 시킨 후 연소 시 발생하는 연소 가스를 포집하여 산소소모량을 측정하여 계산하는 산소소모법과 연료 팬 아래에 저울을 설치하여 측정한 질량소모율을 이용하여 열방출률을 측정하였다.
- 총 7 m 중 상류 3 m에서 화원 구간을 포함하여 하류 5 m까지 4구간, 11군데의 지점에서 Figure 9와 같이 화원의 천장 부분 원점을 기준으로 -120 cm, -80 cm, -40 cm, -20 cm, 0 cm, +20 cm, +40 cm, +80 cm, +120 cm, +180 cm, +220 cm 지점에 열전대를 배치하여 온도를 측정하였다. 축소 위치에서의 측정에 따른 실제 위치는 철도 차량 화원 기준 -60 m에서 +110 m까지이다.
- 철도차량에 화재가 발생하였을 경우 화재로 인한 열뿐만 아니라 연기가 같이 발생한다. 축소모형 실험 시 유연한 실험 설계 및 수행이 가능하도록 화재로부터 발생되는 열과 연기의 분리를 고려하여 설계하였다. 또한, 축소모형을 이용한 터널 화재 실험 시에 연기가 발생하는 헵탄 및 가솔린 등의 액체연료를 사용하였을 경우 터널 내부가 오염될 우려가 있으므로, 반복적인 실험을 수행하기에는 단점이 있다.
- 5 m/s일 때의 화염 거동을 나타내는 사진이다. 터널 기류 속도별로 각각 0.0 m/s, 2.0 m/s, 2.2 m/s, 2.5 m/s를 적용하여 온도 분포 측정 실험을 수행하였으며, 화재 연기의 역류 현상을 판단할 수 있는 지점을 축소 모형 철도 차량의 상류 부분인 TC-04(화원 기준 -20 cm) 위치로 선정하였다. Figure 11는 TC-01부터 TC-11 에서의 평균 온도 데이터를 도시하며, 여기서 평균 온도는 화재 발생 후, 화원 전소까지 측정된 온도를 의미한다.
- 터널 내부의 온도 측정으로 확인한 임계 속도를 연기 거동 가시화로 연기의 역류 발생을 확인하였다. Figure 13과같이 축소 모형 터널 윗부분 약 1.
- 터널 단면의 위치별로 속도가 일정하지 않으므로 보다 정확한 터널 기류의 속도를 판단하기 위하여, 260∼1300 LPM 측정이 가능한 오리피스 유량계를 사용하였다. 프라우드 상사로 축소 모형에 적용되는 터널 기류 속도를 아래의 식으로 구할 수 있다.
- ”에서 철도차량 화재가 발생하여 터널 내에 정차하였을 때의 위험도를 정량적으로 평가하여 안전성을 확보하도록 하고 있다. 해당 기술기준의 부속서인 “철도터널의 화재안전성 분석 방법 매뉴얼(2)”에 차량 종류별 화재 크기를 설정하고 있으며, 본 연구에서는 열차 화원의 최대발열량을 20 MW로 설정하였다. 철도차량에 화재가 발생하였을 경우 화재로 인한 열뿐만 아니라 연기가 같이 발생한다.
- Yao 등(5)은 축소모형 및 중규모 크기의 터널에서 부족 환기 특성을 연구했다. 헵탄 및 자일렌(Xylene)을 연료로 사용하였으며, 터널 입구의 개구부 크기를 조정하여 다양한 환기 속도에 대한 영향을 검토하였다. Zhao 등(6)은 축소모형 실험을 이용하여 경사진 터널 화재 진압 시 소화 활동에 위험이 있는 연기의 역류 현상(Back-layering)을 재현하였으며 이 현상에 영향을 끼치는 요인을 분석한 바 있다.
- 5 m 위에 레이저 가시화 실험장치를 위치시켰으며, 터널 내부에는 철도 차량 모형과 화원을 위치시켰다. 화원 및 열차위치, 터널 길이는 온도 측정 실험 조건과 같으며, 화원의 부력에 의한 연기의 거동을 살피기 위한 목적으로 철도 차량 안쪽으로 스모크 카트리지를 설치하여 연기를 발생시켰다. 연기 가시화 실험에는 터널 기류 속도 0.
대상 데이터
- 여기서 콘히터를 사용하지 않고 불꽃을 이용하여 강제 발화를 시킨 후 연소 시 발생하는 연소 가스를 포집하여 산소소모량을 측정하여 계산하는 산소소모법과 연료 팬 아래에 저울을 설치하여 측정한 질량소모율을 이용하여 열방출률을 측정하였다. Figure 2와 같이 정사각형 연료 팬은 한 변이 40 mm, 50 mm인 높이 30 mm의 연료 팬 2개와 지름이 65 mm, 70 mm, 72 mm, 75 mm, 80 mm, 85 mm, 90 mm, 95 mm인 높이 25 mm의 원형 연료 팬 8개로 발열량을 측정하였다. 연료는 메탄올을 사용하였고, 높이 10 mm만큼 채워 3회 반복 수행하였다.
- 004로 나타났다. 본 연구의 축소모형 터널에서 사용된 연료의 높이는 10 mm로(연료팬 끝 30 mm) 동일하게 수행하였으며, 연료 팬의 연료가 모두 소모되도록 하였기에 연료의 팬 끝의 높이가 점차 줄어들게 된다. 따라서 10 mm의 연료가 발화시점부터 모두 소모되는 시점까지의 발열량을 평균으로 측정 하였고, Figure 6과 같이 점화 이후 연료가 소모되는 구간에서는 연료소모율이 일정하게 나타나므로 연료 팬 끝 높이에 따른 영향은 낮다고 판단된다.
- 이를 선형 보간한 그래프를 같이 도시하고 있는데 연료 팬 2종은 사각형으로 8종류는 원형으로 표시하였다. 연료가 메탄올일 때 1.13 kW의 열방출률을 나타내는 화원 연료 팬의 면적은 47.17 cm2로 결정하였으며, 이에 해당하는 연료 팬은 가로 120 mm × 세로 40 mm × 높이 40 mm 크기로 제작하였다. 면적이 48 cm2인 사각 팬의 선형화된 식으로 HRR을 산출하였을 경우는 1.
- 이를 선형 보간한 그래프를 같이 도시하고 있는데 연료 팬 2종은 사각형으로 8종류는 원형으로 표시하였다. 연료가 메탄올일 때 1.13 kW의 열방출률을 나타내는 화원 연료 팬의 면적은 47.17 cm2로 결정하였으며, 이에 해당하는 연료 팬은 가로 120 mm × 세로 40 mm × 높이 40 mm 크기로 제작하였다. 면적이 48 cm2인 사각 팬의 선형화된 식으로 HRR을 산출하였을 경우는 1.
- Figure 2와 같이 정사각형 연료 팬은 한 변이 40 mm, 50 mm인 높이 30 mm의 연료 팬 2개와 지름이 65 mm, 70 mm, 72 mm, 75 mm, 80 mm, 85 mm, 90 mm, 95 mm인 높이 25 mm의 원형 연료 팬 8개로 발열량을 측정하였다. 연료는 메탄올을 사용하였고, 높이 10 mm만큼 채워 3회 반복 수행하였다. Figure 3은 콘칼로리미터에서 메탄올 연료 팬별 열방출률을 측정하는 사진이다.
- 송풍기로 인한 터널의 기류형성으로 화재 연기를 승객의 피난 방향 반대로 제어되어야 하는데 화재 연기의 역류(Back-layering)가 생기지 않도록 임계속도 이상의 기류가 확보되도록 송풍기의 용량이 충분하여야 한다. 이러한 예로 수도고속철도인 율현터널 등을 예로 들 수 있다. 철도터널의 송풍기는 철도시설의 기술기준(1)의 철도터널의 안전성 분석 매뉴얼(2)에 따라 철도터널의 안전성 분석의 결과에 의하여 설계되고 있다.
- 터널 내부의 화재 발생 시 화재 연기의 역류 현상을 방지하기 위한 터널 기류의 임계 속도를 측정하기 위하여, Figure 8과 같이 실제 터널 350 m 규모를 1/50 스케일로 축소한 축소 모형 철도 터널을 제작하였다. 축소한 철도 차량에 적용되는 화원을 기준으로, 상류 3 m는 가압 유동의 정류를 위한 허니컴 메쉬 구간 1 m, 기본 상류 구간 2 m, 중 간부의 철도차량 화원 구간 1 m, 기본 하류 구간 3 m로, 총7 m 규모의 축소 터널 모형을 제작하였다.
- 터널 내부의 화재 발생 시 화재 연기의 역류 현상을 방지하기 위한 터널 기류의 임계 속도를 측정하기 위하여, Figure 8과 같이 실제 터널 350 m 규모를 1/50 스케일로 축소한 축소 모형 철도 터널을 제작하였다. 축소한 철도 차량에 적용되는 화원을 기준으로, 상류 3 m는 가압 유동의 정류를 위한 허니컴 메쉬 구간 1 m, 기본 상류 구간 2 m, 중 간부의 철도차량 화원 구간 1 m, 기본 하류 구간 3 m로, 총7 m 규모의 축소 터널 모형을 제작하였다.
- 터널 내부의 화재 발생 시 화재 연기의 역류 현상을 방지하기 위한 터널 기류의 임계 속도를 측정하기 위하여, 실제 터널 350 m 규모를 1/50 스케일로 축소한 축소모형 철도 터널을 제작하였다. 터널 기류 속도가 높을수록 철도 차량의 화원 기준 상류 구간과 화원 상부 위치는 온도가 낮아졌다.
성능/효과
- 열방출률은 앞에서 언급한 바와 같이 연소로 인하여 소모된 질량소모율에 연소열을 곱하여 구한 열방출률과 콘칼로리미터에서 후드로 포집된 연소 가스를 분석하여 구한 열방출률(괄호값)의 두 가지 값으로 표기하였다. 두 가지 방법의 측정 평균 열방출률을 비교하였을 때 질량소모율로 구한 열방출률을 기준으로 계산한 콘칼로리미터로 구한 열방출률의 상대오차가 7.68, 12.82, 6.33, 0.36, 12.97, 0.31, 2.55, 2.36, 3.74, 2.86%로 나타났다. 식(2) 의 화원면적 산출식에 의하여 구한 65 mm의 원형 팬의 경우 실측 열방출률이 평균 0.
- 86%로 나타났다. 식(2) 의 화원면적 산출식에 의하여 구한 65 mm의 원형 팬의 경우 실측 열방출률이 평균 0.65 kW로 1.13 kW대비 43%의오차로 본 연구에서 고려한 비교적 작은 연소면적의 열방출률을 제대로 예측할 수 없다는 것을 확인하였다. 콘칼로리미터의 풍도에서의 압력 측정, 산소농도 측정 등 다양한 오차를 포함할 수 있는 산소소모법으로 구한 열방출률보다 일정하게 연료가 소모되는 질량 질량소모율로 구한 열방출 률을 고려하는 것이 좋을 것으로 판단하였으며, Figure 4는 질량소모율로 구한 열방출률 측정값이다.
- 2 m/s일 경우, 3℃ 가량의 미비한 온도 상승을 확인할 수 있었으나, 역류라고 판단될 만큼의 온도 상승으로는 판단할 수 없었다. 연기 거동을 시각화하는 레이저 가시화 실험을 진행하였고, 2.2 m/s일 경우, 화원의 부력이 영향을 미치지 못하고 연기의 역류가 억제되었으며, 20 MW 크기의 화재 차량의 임계 속도는 2.0∼2.2 m/s 사이로 판단된다.
- 연료팬 끝의 높이는 40 mm이며, Figure 5와 같이 연료의 높이는 각각 10 mm와 20 mm 두가지 조건으로 직전의 연료 팬 시험과 동일하게 수행하였다. 연료 높이 10 mm, 팬 끝의 높이가 30 mm일 때, 질량소모율로 산출한 평균발열량은 1.206 kW이며, 연료가 모두 소모되는 시간은 평균 527 s로 측정되었다. 연료 높이 20 mm, 팬끝의 높이가 20 mm일 때, 질량소모율로 산출한 평균발열량은 1.
- 206 kW이며, 연료가 모두 소모되는 시간은 평균 527 s로 측정되었다. 연료 높이 20 mm, 팬끝의 높이가 20 mm일 때, 질량소모율로 산출한 평균발열량은 1.25 kW이며, 연료가 모두 소모되는 시간은 평균 1163 s로 나타났다. 연료 팬 끝의 높이가 20 mm일 때는 30 mm보다 평균 발열량이 약 3.
- 따라서 10 mm의 연료가 발화시점부터 모두 소모되는 시점까지의 발열량을 평균으로 측정 하였고, Figure 6과 같이 점화 이후 연료가 소모되는 구간에서는 연료소모율이 일정하게 나타나므로 연료 팬 끝 높이에 따른 영향은 낮다고 판단된다. 제작된 연료팬의 화재 열방출률은 측정된 질량소모율을 이용하였을 경우는 약 1.21 kW(실규모 21.3 MW), 연소가스를 이용하여 측정하였을 경우는 1.17 kW(실규모 20.7 MW)로 설계값 20 MW 대비 각각 약 3.4%, 6.6% 과 설계되었다.
- 13 kW대비 43%의오차로 본 연구에서 고려한 비교적 작은 연소면적의 열방출률을 제대로 예측할 수 없다는 것을 확인하였다. 콘칼로리미터의 풍도에서의 압력 측정, 산소농도 측정 등 다양한 오차를 포함할 수 있는 산소소모법으로 구한 열방출률보다 일정하게 연료가 소모되는 질량 질량소모율로 구한 열방출 률을 고려하는 것이 좋을 것으로 판단하였으며, Figure 4는 질량소모율로 구한 열방출률 측정값이다. 이를 선형 보간한 그래프를 같이 도시하고 있는데 연료 팬 2종은 사각형으로 8종류는 원형으로 표시하였다.
- Figure 11는 TC-01부터 TC-11 에서의 평균 온도 데이터를 도시하며, 여기서 평균 온도는 화재 발생 후, 화원 전소까지 측정된 온도를 의미한다. 터널 기류 속도 2.2 m/s와 2.5 m/s에서는 TC-04의 온도 변화가 발생하지 않았으나, 터널 기류 속도 2.0 m/s 에서는 약간의 온도 상승(평균 15 ℃정도 상승)을 확인할 수 있었다. 터널 기류 속도가 0.
- 0 m/s 에서는 약간의 온도 상승(평균 15 ℃정도 상승)을 확인할 수 있었다. 터널 기류 속도가 0.0 m/s 일 때는 철도 차량의 화재 구간을 중심으로 상·하류가 대칭적인 온도 분포를 볼 수 있었고, 2.0 m/s 이상의 터널 기류 속도의 경우, 화원 기준 상류 구간이 하류 구간보다 비교적 낮은 온도 분포를 나타내는 것을 확인할 수 있었다.
- 터널 내부의 화재 발생 시 화재 연기의 역류 현상을 방지하기 위한 터널 기류의 임계 속도를 측정하기 위하여, 실제 터널 350 m 규모를 1/50 스케일로 축소한 축소모형 철도 터널을 제작하였다. 터널 기류 속도가 높을수록 철도 차량의 화원 기준 상류 구간과 화원 상부 위치는 온도가 낮아졌다. 터널 기류 속도가 빨라질수록 화원 기준 하류 구간의 온도 분포가 높아지는 것을 확인할 수 있었다.
- 터널 기류 속도가 높을수록 철도 차량의 화원 기준 상류 구간과 화원 상부 위치는 온도가 낮아졌다. 터널 기류 속도가 빨라질수록 화원 기준 하류 구간의 온도 분포가 높아지는 것을 확인할 수 있었다. 터널 기류 속도 2.
- Figure 14는 화재 연기의 거동을 분석하기 위하여, 레이저 가시화를 적용하였을 때를 나타낸다. 터널 기류 속도는 각각 0.0 m/s, 2.2 m/s를 적용하였으며, 터널 기류 속도 0.0 m/s 적용 시에는 연기 거동이 화원의 부력에 지배되어 상·하류 모두 골고루 퍼져나가는 것을 확인할 수 있었다. 터널 기류 속도 2.
- 터널 기류 속도를 2.0 m/s에서 단계별로 각각 높게 적용 함에 따라 철도 차량의 화재 구간 앞쪽, 즉, 화원 기준 상류 구간과 0 cm 지점의 화재 발생 위치에서 온도는 낮아졌으며, 터널 기류 속도가 빨라질수록 화원 기준 하류 구간의 온도가 높아지는 것을 확인할 수 있었다. 이러한 경향성으로 실제 터널에서 화재가 발생할 경우, 터널 내부의 온도 분포 경향을 파악할 수 있다.
후속연구
- 본 연구에서는 축소모형 철도차량의 화원에 대한 설계를 수행하였으며 이를 이용한 터널에서의 제연속도를 검증하였으며 이를 활용하여 축소모형을 이용한 철도터널에서의 화재 안전성능 평가를 보다 정확하게 수행할 수 있을 것으로 평가된다.
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