1. 서론
일반적으로 도로나 터널, 교량과 같은 사회기반시설에서의 화재는 건축물의 화재에 비해 발생빈도가 높지 않아, 다소 그 위험성을 간과하는 경향이 있다. 그러나 최근 상주터널 화재, 서해대교 화재에서 나타난 바와 같이 그 위험성은 더욱 더 심각하게 작용될 수 있다. 특히, 터널에서 화재사고가 발생하게 되면 터널의 폐쇄적인 특성과 터널 내 풍속 증가(Venturi effect) 등으로 인해 단시간에 고온에 이르며, 화재 진압을 위한 접근이 어려워 막대한 피해를 초례한다. PIARC Report(1999)에서는 유조차량에 화재가 발생하는 경우 1200°C 이상의 고온을 발생시키는 것으로 보고하고 있다. 또한 이러한 사고가 발생하게 되는 경우, 복구 시 많은 경제적, 사회적 손실을 초례한다.
한편, 터널 라이닝에 사용되는 콘크리트는 일반적으로 화재에 강한 재료로 인식되고 있으나, 고강도 일수록 화재 발생시 내부 수증기압, 열응력 등에 의한 폭렬현상에 의해 단면결손이 발생하고 안정성이 크게 저하된다. 또한, 폭렬에 의해 박락되지 않았다고 하더라도 콘크리트의 일정깊이까지는 고온에 노출됨으로써 물리적, 화학적 성질이 크게 변화되어 구조적으로 사용할 수 없는 상태가 될 수 있다.
프리캐스트 콘크리트 세그먼트를 시공하는 터널의 경우, 세그먼트 연결 시 터널 외부 수압에 저항하기 위하여 반드시 지수재(Gasket)를 시공해야 한다. 지수재는 터널 세그먼트 연결부의 수밀성을 확보하여 수분을 차단하는 역할을 한다. 이러한 지수재는 대부분 고무화합물로 만들어지며, 약 150°C 이상에서 탄성이 감소하기 시작한다. 화재 시 지수재가 손상되는 경우 교체가 매우 어렵기 때문에 이에 대한 내화대책이 반드시 요구된다.
국외의 경우 화재 피해를 최소화하기 위해 터널 라이닝의 내화성능 평가에 관한 연구가 활발히 진행되었으며 ITA(2004), EFNARC(2006)에서는 터널 내화시험지침을 발표하였다. 그러나 국내에서는 콘크리트 터널라이닝의 내화성능 평가방법이 마련되지 않아 내화시험 방법의 정립이 시급한 실정이다.
따라서 본 연구에서는 실대형 콘크리트 터널 라이닝의 주요손상부위를 도출하고, 내화시험방법 정립의 기초자료로 활용하고자 터널 라이닝의 화재손상 평가를 실시하였다.
2. 문헌고찰
2.1 연구사례조사
Yoo(2010)은 대구지하철 구조물을 대상으로 기존에 제안된 4가지 터널 화재곡선(RWS, ISO, RABT, HMC)을 사용하여 수치해석을 실시하였으며, 이를 통해 철도터널 내 적정 화재곡선을 선정하기 위한 연구를 진행하였다. 그 결과 철도터널화재를 모사하기에 가장 적절한 화재곡선은 RABT 및 HMC인 것으로 보고하고 있다.
Choi et al.(2011)은 침매터널 세그먼트조인트의 지수재를 고온으로부터 보호하기 위한 내화대책의 효용성평가를 실시하였으며, 실험결과로부터 함체간의 변위를 허용하기 위한 시공조인트가 화재 시 취약부위임을 확인하였다.
2.2 국외 터널 내화시험규격
2.2.1 ITA
ITA(International Tunnel Association)에서는 다양한 실험을 통해 콘크리트 터널 라이닝의 재료별 한계온도(콘크리트380°C, 철근 250°C, 지수재 150°C)를 규정(ITA, 2004)하고 있다. 콘크리트의 경우, 열용량이 크기 때문에 화재가 진압된 뒤에도 콘크리트 내부 온도가 지속적으로 상승하며, 또한 콘크리트 온도가 380°C 이상인 경우 압축강도가 큰 폭으로 떨어지기 때문에 한계온도를 380°C로 제한하고 있다. 철근의 경우는 250°C에서 철근의 강도가 감소하는 것은 아니지만, 처짐이 발생할 수 있고 강재의 특성상 이 처짐은 영구적인 처짐이 될 가능성이 크기 때문에 철근의 한계온도를 250°C로 제한하고 있다. 지수재는 약 150°C 이상에서 탄성이 서서히 감소하며, 250°C 이상의 온도에서 모든 탄성을 잃게 되기 때문에 지수재로써의 역할이 불가능해진다.
2.2.2 EFNARC
EFNARC의 시험방법에서는 실물화재실험을 통해 국제적으로 규정된 화재시나리오로써 다음 Fig. 1에 나타낸 바와 같이 RABT, RWS, ISO, HC, MHC 등 7가지의 화재하중 곡선을 제시하고 있으며, 본 연구에서는 RABT를 적용하여 실험을 진행하였다.
RABT 곡선은 독일의 EUREKA 프로젝트의 일환으로 개발되었다. 초기 5분 동안 1200°C까지 급격히 증가하며, 도로 터널에서는 25분, 철도터널에서는 55분 동안 1200°C를 유지하고, 도로 및 철도터널의 구분 없이 20°C에 도달할 때까지 약 110분간 일정한 속도로 서서히 냉각되는 터널화재곡선이다.
3. 실험계획 및 방법
3.1 시험체 제작
3.1.1 시험체 제원
본 연구에서 사용된 터널 라이닝 세그먼트의 형상을 다음 Fig. 2에 나타냈다. 단일 세그먼트의 형상은 폭 900 mm, 외경 2403 mm, 내경 2309 mm, 두께 200 mm, 피복두께 60 mm이다. 세그먼트 3개(S1, S2, S3)를 조립한 시험체의 치수는 가로 4200 mm, 세로 2510 mm, 폭 900 mm이다. 세그먼트에 사용된 철근은 D10을 사용하였다.
시험체는 Fig. 3에 나타낸 바와 같이 3개의 세그먼트(S1, S2, S3)를 연결하여 제작하였으며, 세그먼트의 연결부는 볼트박스를 적용하여 4개의 볼트박스로 연결하였다. 세그먼트 S1과 S2 사이의 볼트박스에는 일반 미장용 몰탈(Ordinary portland cement)을, S2과 S3 사이의 볼트박스에는 내화몰탈(Refractory mortar)을 시공하였다. 또한, 세그먼트 연결 시 세그먼트 사이에 지수재를 시공하였으며, 본 연구에 사용된 지수재의 물리적 성질을 Table 1에 나타내었다.
Table 1
Properties of gasket
| Width (mm) | Thickness (mm) | Hardness (Hs) | Tensile strength (MPa) | elongation rate (%) |
|---|---|---|---|---|
| 20 | 5 | 33~55 | 2.5 | 600 |
Fig. 4에 내화시험체 조립 및 설치 과정을 나타냈다. 내화시험을 안전하고 합리적으로 진행하기 위해 철골 프레임을 제작하여 그 위에 3개의 세그먼트를 조립하였으며, 내화 시험시 화염 및 가스가 외부로 유출되는 것을 방지 위해 개방된 측면부는 ALC 블록을 사용하여 차단하였다. 또한 양중 시 와이어 텐션에 의한 시험체의 파손과 내화시험 시 내부 압력에 의한 ALC 블록벽의 붕괴를 방지하기 위해 각형 강관을 사용하여 측면부를 보강하였다.
3.1.2 콘크리트 배합
터널 라이닝 세그먼트 시험체의 배합비를 Table 2에 나타냈다. 설계강도는 60 MPa이며, 목표 슬럼프 플로우는 550 mm로 하였다. 굵은 골재 최대 치수는 20 mm이며, 혼화제는 고성능 AE 감수제를 사용하였다.
3.1.3 온도측정 열전대 매립
Table 3과 Fig. 5에 시험체 온도측정 위치를 나타냈다. 콘크리트 온도 측정위치는 10, 20, 30, 40, 50, 75, 100, 150 mm깊이에 열전대를 매립하여 깊이별 온도를 측정하였으며, 철근온도는 가열면으로부터 최단거리의 주철근 표면온도를 측정하였다. 또한, 세그먼트 연결 시 시공한 지수재에 온도측정 열전대를 매립하여 고온에서 지수재의 온도를 측정하였다. 지수재 온도 측정개소는 S1-S2 사이 1개소 S2-S3 사이 1개소, 총2개소이다.
Table 3
Location of the temperature measurement
온도측정에 사용된 열전대는 K-Type(1 mm)를 적용하였으며, 열전대의 끝부분은 아크용접을 실시하여 사용하였다.
3.3 실대형 콘크리트 터널 라이닝 화재손상 평가
실대형 콘크리트 터널 라이닝의 화재손상 평가는 기존 연구문헌 결과를 바탕으로 RABT(Train) 곡선을 적용하여 내화시험을 진행하였다. 내화시험 시 외부 열전대가 고온에 의해 손상되는 것을 방지하기 위해 Fig. 6에 나타낸 바와 같이 내화재를 사용하여 열전대를 보강하였다.
화재손상 평가 항목은 ITA(2004)에서 제시하고 있는 기준에 따라 콘크리트의 깊이별 온도와 철근온도를 측정하여 한계온도 도달여부를 확인하였으며, 연결부 지수재의 온도를 측정하여 지수재의 손상여부를 평가하였다. 또한 내화시험 후 폭렬성상을 관찰하였다.
4. 실험결과 및 고찰
4.1 콘크리트 깊이별 온도이력
다음 Fig. 7은 콘크리트의 깊이별 온도이력을 나타낸 것이다. Fig. 7(a)에서 세그먼트 S1(Side)의 온도이력을 살펴보면 시험시작 후 약 10분경과 시점에서 온도가 급격하게 상승하였으며, 시험시작 60분 후 완만하게 온도가 낮아지는 것을 알 수 있다. 또한, 약 140분이 경과한 이후 로내온도보다 시험체내부 온도가 더 높게 나타나게 되는데, 이는 시험체의 피복두께가 60 mm인 것과 함께 콘크리트가 재료적으로 열용량이 큰 특징을 가지고 있기 때문에 온도 상승과 감소 시점의 지연이 발생하고, 일정 온도이하로 냉각되기 위해서는 상당한 시간이 필요한 것으로 판단된다. Fig. 7(b)의 세그먼트 S2(Top)에서는 온도상승 시점은 약 30분이며, 냉각시점과 로내온도보다 콘크리트 온도가 높게 나타나는 구간은 S1과 유사한 것으로 나타났다.
한편, ITA에서 제시하고 있는 콘크리트의 한계온도를 기준으로 열적손상범위를 평가해볼 때, S1의 열적손상범위는 60 mm, S2의 경우 50 mm 이하인 것으로 나타났다. 이는 가열로의 특성상 거치된 시험체의 내부온도가 열원의 거리에 따라 상부보다 하부의 온도가 높은 것에 기인한 것으로 판단된다. 실제로 S1과 S2의 온도데이터를 비교해보면 전반적으로 S2의 온도가 더 낮게 측정된 것을 알 수 있다.
4.2 주철근 온도이력
4.3 지수재 온도이력
5. 결론
본 연구에서는 실대형 콘크리트 터널 라이닝의 주요 손상부위를 도출하고, 내화시험법 정립을 위한 기초자료로 활용하기 위해 터널 라이닝의 화재손상 평가를 실시하였다.
60 MPa급 터널 라이닝의 콘크리트 및 주철근의 온도이력을 분석한 결과, 열적손상 범위가 측면부 세그먼트는 60 mm, 상부 세그먼트는 50 mm 이하인 것으로 나타났으며, 이는 세그먼트의 피복두께에 상당하는 두께로 주철근의 고온거동에 직접적인 영향을 미치는 것으로 나타났다. 따라서 터널 내 화재사고 발생 시 구조적 안정성 및 화재 후 보수·보강을 고려한다면 터널 라이닝의 내화성능 확보 방안이 반드시 필요한 것으로 판단된다.
한편, 세그먼트 연결부에서는 RABT(train) 화재 곡선에 노출되는 경우 지수재의 온도가 재료 자체의 탄성을 모두 잃을 수 있는 250°C 이상의 온도에 노출됨으로써 지수재의 역할이 불가능하게 된 것으로 보이며, 또한 세그먼트 연결부 볼트박스의 경우 고온에 의해 관통균열이 발생하여 구조적 안정성이 크게 저하하는 것으로 판단된다. 따라서 터널라이닝에 화재사고가 발생하는 경우 세그먼트 연결부의 보수·보강이 어려운 점을 고려할 때, 이에 대한 내화대책이 필요할 것으로 판단된다.
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