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J. Korean Soc. Hazard Mitig. > Volume 16(2); 2016 > Article
철도터널 화재시 제연풍속이 안전성에 미치는 영향에 대한 해석적 연구

Abstract

As railway tunnel fires, and those fires have started at the central part of the train, some take skeptical views about the smoke control by longitudinal ventilation due to the high possibilities of evacuees which can be posited at the both ends of the fire car. Consequently, adequate ventilation air velocity and smoke control direction have not been introduced in the academia so far. Hence, the objective of this research is to investigate the ventilation air velocity in terms of fire safety by analyzing tunnel wall surface temperature and the number of fatalities according with the ventilation air velocity. In case of 15 MW of fire intensity, surface temperature of tunnel wall does not exceed the spalling temperature(380°C). However, in case of 100 MW intensity, the tunnel wall can be substantially damaged by high temperature. As the ventilation air velocity grows, the damaged area is decreased. Analyzing available safety egress time(ASET) based on the time at which first fatality occurs, ASET was the shortest when air velocity remains 1.0~1.5 m/s. Thus, to increase the ventilation air velocity at railway tunnel fire is expected to provide a more favorable environment for evacuation and structures safety.

요지

철도터널에서 열차 화재시 중앙부열차에서 화재가 발생하는 경우에는 화재를 기준으로 양방향에 대피자가 존재할 가능성이 높기 때문에 종류환기에 의한 제연방법에 부정적인 시각이 존재하며, 제연풍속과 제연방향을 명확히 제시하지 못하고 있는 실정이다. 이에 본 연구에서는 소단면(58 m2)과 대단면(98 m2)터널에 대해서 임계풍속을 검토하고 화재시 제연풍속에 따른 터널벽체 표면온도와 사망자수를 분석하여 철도터널에서 제연풍속이 화재 안전성에 미치는 영향을 검토하였다. 터널벽체 표면온도는 화재강도가 15 MW인 경우에는 제연풍속에 관계없이 열화온도(380°C)를 초과하지 않으나, 화재강도가 100 MW인 경우에는 상당부분이 열화에 의한 손상을 받을 것으로 예상되며, 풍속이 증가할수록 열화에 의해 손상되는 면적이 감소한다. 또한 최초의 사망자가 발생하는 시점을 기준으로 피난허용시간(ASET)을 분석한 결과, 풍속이 1.0~1.5 m/s일 때 피난허용시간이 가장 짧게 분석되었다. 따라서 철도터널 화재제연풍속을 증가시키는 것이 대피안전 및 구조물안전에 보다 유리한 환경을 제공할 것으로 판단된다.

1. 서론

철도터널의 장대화에 따라 환기시스템의 중요성이 부각되고 있다. 철도터널 환기시스템은 평상시 통과하는 차량에 의해서 배출되는 유해가스농도를 허용농도 이하로 유지하기 위한 목적과 터널 유지관리시 유지관리요원의 작업환경확보를 위한 목적, 화재시 피난터널의 가압, 연기의 방향성 제어를 통한 대피환경 및 소화활동을 위한 공간확보를 목적으로 한다. 초기에는 디젤차량이 통과하는 터널에서 기관에서 배출되는 유해가스의 회석 또는 제거를 주된 목적으로 하고 있었으나
최근 전기차량이 도입됨에 따라 환기에 대한 필요성보다 차량화재시 피난환경을 만드는 것이 주된 목적이라 할 수 있다. 그러나 철도터널에서 열차의 화재가 발생하는 경우, 대피자가 화재를 중심으로 양방향에 위치하기 때문에 현재 대부분의 장대터널에 적용하고 있는 일방향 기류제어를 목적으로 하는 종류식 환기방식의 적용은 인명피해를 가중할 우려가 있다.
철도터널은 일반적으로 수직갱을 통해 급기와 배기를 수행하여 Push Pull방식에 의한 일방향 제연시스템을 구축하고 있으나, 이에 대해 각국은 상반된 규정을 제시하고 있는 실정이다. 이탈리아, 스위스, 오스트리아 및 독일은 수직갱을 통한 종방향 제연은 위험을 초래할 가능성이 있으며(Carvel, 2010), 열차의 피스톤 효과에 의한 자연환기만으로 환기의 목적을 달성할 수 있는 것으로 평가하여 제연설비를 의무화하지는 않고 있는 반면에 프랑스와 영국은 수직갱의 채택에 관한 규정을 가지고 있다(Atkinson et al., 1996). 특히, 프랑스의 경우에는 연장 5,000 m이상의 화물혼용 터널은 수직갱을 통한 가압시스템을 구축하는 것을 의무화하고 있으며, 배연풍속을 1.5 m/s이상으로 하도록 규정하고 있다(HBI, 2008).
철도터널에 대한 각국의 규정이 명확하지 않음에도 불구하고 장대터널에는 Table 1에 나타낸 바와 같이 환기시스템을 구축하여 본선터널의 제연, 구난역의 가압급기 및 배연, 유지 관리시 작업환경확보를 확보할 수 있도록 하고 있다(HBI, 2008).
Table 1
Ventilation System of Long Rail Tunnel
Tunnel Length (m) Fan Station Fan Capacity(m3/s)
Air Supply EA×Q×ST Air Exhaust EA×Q×ST
Lyon Turin 53 4 2×90×2 2×200 2×120 3×±200×2 6×±200 3×±200
Bernner 56 3 2×210 2×±250
Gotthard 34 2 2×200 2×±250
Lotsberg 57 2 2×200 2×±250
Channel 50 2 1×200×2 1×260 1×300
Seikan 54 2 2×80 2×63.3 1×167 1×167
그러나 환기시스템의 용량산정을 위한 본선터널의 제연풍속은 명확히 제시되지 못하는 실정이다. 도로터널이나 지하철의 경우에는 연기의 역류(back layer)를 방지하기 위한 임계풍속 또는 2.5 m/s이상의 풍속을 목표로 제연시스템을 구축하고 있다(Yang et al., 2004). 일부터널의 적용풍속을 알아보면 다음과 같다. 세이칸 터널(단면적:72 m2)은 평상시 1 m/s, 화재시 1~1.53 m/s(실측풍량에 대한 분석), Channel 터널(2010)은 2.9 m/s(화재시 실풍속)로 적용하고 있다(AAVT, 1988). Bernner터널은 본선터널에서 제연풍속에 대한 기준은 없으며, 가압을 통해서 피난연결통로에서 2.0 m/s이상의 풍속을 유지 할 수 있도록 제시하고 있고(Ferrazzini et al., 2006), 본선풍량을 고려하면 4 m/s이하로 설정한 것으로 분석된다(Kayili., et al., 2010).
이상의 검토에서 철도터널에서 열차화재가 발생하는 경우, 제연방향은 대피자의 피해를 최소화할 수 있는 방향으로 선택하고 대피자의 피난을 제연반대방향으로 유도하는 것이 기본적인 제연시스템 운영 시나리오라 할 수 있으나 화재열차의 위치가 명확하지 않거나 열차중앙부 화재시 제연방향이나 제연풍속의 선정에는 어려움이 많다.
따라서 본 연구에서는 현재 예상되는 목포-제주간 해저터널의 단면적(58 m2, 이하 소단면 터널)과 호남고속철도에 적용한 단면적(97 m2, 이하 대단면 터널)의 터널을 대상으로 제연풍속의 기준이 되는 임계풍속과 제연풍속이 구조체의 안전성과 대피 안전성에 미치는 영향을 검토하였다.

2. 임계풍속 해석결과

터널내 임계풍속은 성층화를 유지하면서 연기의 역류(back layer)현상을 방지하기 위한 최소풍속으로, 도로터널의 경우 다양한 형태의 터널단면 및 차량에 대해서 연구가 수행되었으나 철도터널에 대한 연구는 거의 없으며, 도로터널을 대상으로 연구된 결과를 적용하고 있다.
본 절에서는 단면적(57, 98 m2)별로 화재강도가 15MW인 경우(Ministry of Land, 2013)에 임계풍속을 경사도(0.5, 1.5, 2.5%)별로 Fluent를 이용한 수치시뮬레이션을 통해 임계풍속을 구하였으며, 이를 도로터널에 적용하고 있는 식 (1)(Ministry of Land, 2009)의 임계풍속(Vrc) 계산식에 의해서 계산되는 결과에 비교하였다.
(1)
Vrc=KgFrc13(gHQβρ0CPArT)13Tf=Qβρ0CPArVrc+T0
여기서, Kg: 터널경사 보정계수, FrC: 임계 Froude 수(=4.5), g: 중력가속도(=9.8 m/s2), H: 터널 천장까지의 높이, Q: 화재강도(MW), β: 보정계수, ρ0: 초기 공기밀도 (kg/m3), T0: 초기 공기온도(K), CP: 정압비열(J/kg·K), Ar: 터널단면적(m2), Tf: 화점온도(K) 이다.
수치시뮬레이션 모델의 화원은 화재열차 측부에 1 m폭으로 모사하였으며, 이 체적에 화재열량(15 MW) 및 CO발생량(0.769 kg/s)을 volume source로 하였다.
또한 터널입구 경계조건은 속도경계조건으로 하여 소정의 풍속을 주었으며, 출구는 압력경계조건으로 하여 압력은 0으로 설정하였다.
Fig. 1은 화재강도가 15 MW이고 경사도가 0.5%인 경우에 단면적별로 CO농도분포를 나타낸 것이다. 그림에서 터널 중심의 종단면에서 CO농도를 나타냈으며, x축은 터널길이 y축은 터널 높이를 의미한다. 그림에 나타낸 바와 같이 CO농도 100 ppm을 기준으로 임계풍속을 구한 결과, 단면적이 58 m2인 경우에는 2.05 m/s이며, 단면적이 97 m2인 경우에는 1.95 m/s로 나타났다. Table 2는 단면적별 경사도별 수치해석에 의해서 분석된 임계풍속과 식 (1)로 계산되는 되는 임계풍속을 비교하여 나타낸 것이다. 식 (1)에 의한 계산시 터널높이는 소단면 터널은 8.3 m, 대단면 터널은 9.08 m이며, β는 1을 적용한 결과이다.
Fig. 1
Results of Critical Velocity (Tunnel Gradient = 0.5%, HRR=15 MW)
KOSHAM_16_02_083_fig_1.gif
Table 2
Critical velocity according to slope
Gradient 0.5% 1.5% 2.5%
Cross-section area
Small section Analysis result 2.05 2.10 2.15
Eqs. (1) 2.14 2.16 2.18
Large section Analysis result 1.95 2.00 2.00
Eqs. (1) 1.93 1.94 1.96
수치해석 결과와 식 (1)에 의해서 계산되는 결과를 비교하여 나타낸 것으로 소단면 터널의 계산결과는 평균 2.8% 정도 작게, 대단면 터널은 2.1% 정도 크게 나타나고 있어 거의 일치하는 것으로 평가되고 있다. 화재강도가 동일할 때 소단면 터널의 임계풍속이 높게 나타나는 것은 식 (1)에서 화점높이의 감소보다는 분모에 있는 단면적감소가 보다 크게 작용하기 때문이다. 화재강도가 100 MW인 경우에 임계풍속은 경사도를 1.5%로 하는 경우, 단면적별로 3.24 m/s(소단면), 3.09 m/s(대단면)로 분석되었다.
도로터널에 적용하는 식 (1)과 철도터널에 대한 해석결과가 거의 일치하는 경향을 보이고 있는데, 이는 두 종류의 터널의 형상이 거의 동일하며 임계풍속이 터널의 높이와 화재강도에 영향을 받기 때문이다.

3. 제연풍속이 벽체온도에 미치는 영향

3.1 해석조건

터널 화재시 제연풍속이 벽체의 온도에 미치는 영향을 분석하기 위해 Fluent를 사용하여 수치해석을 수행하였다. 해석모델의 연장은 840 m이며, 단면에 따른 해석격자는 Fig. 2(a), (b)와 같다. 그림에서 단면상의 격자의 크기는 약 0.25 m, 축방향 격자간격은 0.5 m로 하였다. 또한 벽체를 통한 지중으로의 열전달을 현실적으로 모사하기 위해서 터널라이닝에 해당하는 부분을 그림과 같이 1 m두께로 모델링하고 지중에 해당하는 표면의 온도를 15°C로 하여 벽체를 통한 전도열전달현상이 발생하는 상태의 해석을 수행하였다. 벽체의 재질은 Concrete로 하였다.
Fig. 2
Shape of Tunnel Grid
KOSHAM_16_02_083_fig_2.gif
화재강도는 15 MW와 100 MW를 적용하였으며, 15MW는 차량 1량, 100 MW는 차량 5량이 동시에 화재가 발생하는 것으로 가정하여 모델링하였으며, 화원은 전술한 임계풍속 해석시와 동일한 방법으로 모사하였다.

3.2 해석결과

Fig. 3(a), (b)는 화재강도가 15 MW이고 자연환기를 수행하는 경우에 터널의 외부상부에서 하부로 내려다 볼 때 벽체표면의 온도분포를 나타낸 것이다. 터널의 경사도는 열부력에 의해 가장 낮게 발생할 것으로 예상되는 0.3%를 적용하였다.
Fig. 3
Wall Temperature Profile(15MW, NV)
KOSHAM_16_02_083_fig_3.gif
그림에서 화재강도가 15 MW인 경우에는 벽체의 온도는 콘크리트의 열화온도인 380°C(ITA, 2004)이하로 나타나고 있다. 따라서 화재강도가 15 MW인 경우, 터널내 풍속이 존재하는 경우에는 벽체표면온도는 열화온도를 초과하지 않을 것으로 판단된다.
Fig. 4(a), (b)는 화재강도가 100 MW인 경우에 벽체온도분포를 나타낸 것이다. 그림에서 알 수 있는 바와 같이 벽체온도는 대단면 터널이 상대적으로 낮게 나타나고 있으나, 해석모델(터널연장 840 m)의 전체벽체가 380°C이상을 초과하고 있음을 알 수 있다. 벽체의 최고온도는 소단면 터널은 1200°C를 초과하고 있으며, 대단면 터널은 최대 1000°C까지 도달하고 있다.
Fig. 4
Wall Temperature Profile(100MW, NV)
KOSHAM_16_02_083_fig_4.gif
Fig. 5(a), (b)는 화재강도가 100 MW이고 터널내 제연풍속을 4.0 m/s로 하는 경우에 벽체표면온도를 비교하여 나타낸 것이다. 이 경우에는 풍속이 증가하여 공기에 의한 냉각효과로 벽체온도 상승이 현저히 억제되는 것을 알 수 있으며, 두 터널 모두 단면상의 일부분이 열화온도인 380°C를 초과하는 것으로 나타나고 있다.
Fig. 5
Wall Temperature Profile(100MW, 4.0 m/s)
KOSHAM_16_02_083_fig_5.gif
Fig. 6은 매 1 m간격으로 터널 표면적에 대한 380°C를 초과하는 표면적(열손상 면적)의 비를 나타낸 것이다. Fig. 6의 (a)는 소단면 터널의 경우로 풍속이 자연환기 및 0.5 m/s 이하인 경우에는 화재지점(100~100 m)을 중심으로 상하류 모두 손상을 입는 것으로 나타고 있으며, 풍속이 1.0 m/s를 초과하면 하류방향의 벽체만 손상을 입는 것으로 나타나고 있다. 풍속이 4.0 m/s이상에서는 손상부분의 비가 급격하게 감소하는 것을 알 수 있다. Fig. 6의 (b)는 대단면 터널의 경우로 풍속이 1.0 m/s 이하인 경우에는 화원을 중심을 상하류 모두 손상을 입는 것으로 나타나고 있으며, 풍속 이 2.0 m/s를 초과하면 하류측만 손상을 입을 것으로 예측된다. 또한 이 경우, 터널내 풍속이 4.0 m/s 이상에서는 손상범위가 급격하게 감소하며, 그림에는 나타나지 않지만 5.0 m/s인 경우에는 손상을 입지 않는 것으로 나타나고 있다.
Fig. 6
Damaged Surface Area Ratio of Temperature above 380°C
KOSHAM_16_02_083_fig_6.gif
이와 같은 현상은 풍속증가에 의한 냉각효과와 성층화의 교란으로 열기류가 터널단면 전반에 걸쳐 확산되기 때문으로 판단된다.
따라서 철도터널의 화재시 벽체의 구조적인 안전성을 위해서는 제연풍속을 높게 설정하는 것이 유리한 것으로 알 수 있다.

4. 제연풍속이 대피 안전성에 미치는 영향

철도터널에서 열차 화재시에는 최선두나 최후미 열차에서 화재가 발생하는 경우를 제외하고는 화재를 중심으로 양방향으로 대피자가 존재하기 때문에 제연방향과 대피방향의 관계가 화재 안전성에 크게 영향을 미치게 된다. 또한 터널내 풍속이 증가하면 유해가스의 농도 및 화재온도가 강하하여 보다 안전한 환경을 기대할 수 있으나, 연기의 이동속도를 증가시키기 때문에 피난허용시간(ASET)이 감소하여 대피안전을 열악하게 하는 상반되는 효과가 발생하게 된다.
Fig. 7은 풍속이 1.5 m/s일 때 화재가 0 m지점에서 발생하는 경우, 대단면 터널과 소단면터널에서 시간경과에 따른 CO농도를 나타낸 것이다. 시간이 경과하면 화재강도와 터널내 풍속이 일정하게 유지되기 때문에 유해가스농도 또한 일정한 값을 보이게 됨을 알 수 있다. 단면적이 작은 경우에는 풍량이 작기 때문에 회석효과가 감소하여 농도가 증가함을 알 수있다.
Fig. 7
Concentration of CO in Fire Tunnel
KOSHAM_16_02_083_fig_7.gif
Fig. 8는 농도가 일정하게 유지되는 시점에서 풍속에 따른 CO농도 및 매연(Soot)농도를 나타낸 것이다. 그림에서 보는 바와 같이 소단면 터널의 CO농도는 풍속에 따라서 약 1.52~1.74배 정도 증가하고 있으며, 평균 1.67배인 단면적 감소율과 거의 동일한 증가율을 보이는 것으로 나타나고 있다. 또한 단면적이 감소하면 매연(soot)농도가 증가하기 때문에 가시도가 감소하여 단면적이 97 m2에서 58 m2으로 감소되는 경우 가시도는 약 0.6배 감소하는 것으로 나타나고 있다.
Fig. 8
Concentration of CO and visibility according to velocity fin fire tunnel
KOSHAM_16_02_083_fig_8.gif
본 절에서는 제연풍속에 따른 사망자수를 추정하여 대피 안전성을 분석하였다. 열차는 10량 1편성으로 하였으며, 차량별 탑승인원 및 대피방향과 제연방향은 Table 3과 같다. 즉, 4번과 5번 차량사이에서 화재가 발생하여 1~4번 차량의 탑승자 147명은 화재의 반대방향인 터널출구방향으로 대피하고 5~10번 차량의 탑승자는 화재반대방향인 터널입구방향으로 대피하며, 제연방향은 터널출구방향으로 이루어지는 조건에서 사망자수를 추정하였다. 본 해석조건에 의하면 제연방향으로 대피하여 위험에 처할 것으로 예상되는 1~4번 차량의 탑승자수는 147명이다.
Table 3
Fire point and direction of evacuation and ventilation
Carnumber 10 9 8 7 6 5 4 3 3 1
Seats 36 36 36 36 36 36 37 37 37 36
Direction of evacuation KOSHAM_16_02_083_fig_9.gif KOSHAM_16_02_083_fig_10.gif
Direction of Ventilation KOSHAM_16_02_083_fig_11.gif
사망자수의 추정은 호흡선 높이(1.8 m지점)에서 시간에 따른 단면평균 유해가스농도 및 열환경(온도, 복사강도)을 화재해석을 통해서 구하고 DB화하여 해석시뮬레이션에서 시간 및 위치를 동기화 한다. 또한 각 시간 및 위치에 따라 구해진 대피자 FED에 의하여 사망여부를 판정하여 구한다. 화재해석 및 사망자수 추정방법에 대한 상세내용은 Yoo et al.(2004)의 논문을 인용하였다.
Fig. 9는 제연풍속에 따른 등가사망자(Equivalent Fatality)가 발생하는 시점(1st)과 탑승자중 10%인원과 제연방향으로 대피하는 전체 대피자에 해당하는 40 %인원이 사망하는 시점을 나타낸 것이다. 그림에서 대단면 터널의 경우, 최초에 등가사망자수가 1명을 초과하는 시간은 풍속이 0.5 m/s일 때 1781초 정도이며, 풍속이 증가하면 1.0 m/s일 때 가장 짧은 시간 값을 보이고 다시 증가하는 현상을 보이고 있다. 또한 소단면 터널에서도 0.5 m/s일 때 가장 긴 1626초를 나타내며, 풍속이 증가하면 1.0~1.5 m/s에서 가장 짧은 시간을 보이고 증가하는 경향을 보이고 있음을 알 수 있다. 그림에서 풍속이 0.5 m/s일 때 소단면터널은 10%와 40%, 대단면 터널은 40%의 사망자가 발생하는 시점이 표시되지 않는 것은 사망자가 각각 10%이하, 40%이하이기 때문이다.
Fig. 9
Time to fatalities occurred according to ventilation air velocity
KOSHAM_16_02_083_fig_12.gif
대단면 터널과 소단면 터널에서 최초로 등가사망자가 발생하는 시점은 풍속이 작은 경우에는 그 차이 크지 않으나 풍속이 증가할수록 그 차이가 커지는 경향을 보이고 있으며, 풍속이 5 m/s일때는 약 500초 정도의 차이가 발생하는 것으로 나타나고 있다.
또한 그림에서 등가사망자수가 10%에 도달하는 시점은 최초의 사망자가 발생한 후에 상당한 시간이 경과에 나타나고 있으나 10%에서 최대사망자인 40%의 등가사망자가 발생하는 시간의 차는 크지 않으며 약 100초 이내로 평가되고 있다. 이와 같이 10%에서 40%의 사망자가 발생하는 시간의 차이가 작은 것은 한계시간을 초과하면 사망자가 급격하게 증가하기 때문으로 사료된다.
대단면 터널의 경우, 최대 사망자(40%)가 발생하는 풍속 1.0 m/s일 때 1980초로 가장 짧으며 풍속이 증가하면 비교적 큰 기울기로 증가하여 풍속이 3.5 m/s일 때는 2730초 정도로 나타나고 있다. 또한 소단면 터널의 경우에는 최대사망자가 발생하는 시점은 풍속이 1.5 m/s일 때 1900초 정도로 가장 짧게 나타나고 있으며 풍속이 증가하거나 감소하면 증가하는 경향을 보이고 있다.
풍속이 0.5 m/s일 때 최대사망자수는 대단면 터널에서 67.5명, 소단면 터널에서는 22.5 명으로 나타나고 있어, Fig. 9의 그래프상에 소단면의 경우 10%와 40% 사망자가 발생하는 시점이 표시되지 않고 있다. 이는 두 경우 모두 풍속이 0.5 m/s일 때 대피환경확보에 가장 유리하다는 것을 알 수 있다. 그러나 실제 터널에서는 경사도가 있기 때문에 열부력에 의해 풍속이 발생하며 경사도가 0.5%인 경우에도 1 m/s를 초과 할 것으로 예상되므로 터널내 풍속을 1.0 m/s이하로 유지하는 것은 철도터널에서는 불가능할 것으로 판단된다. 따라서 대피환경확보를 위해서는 풍속을 크게 유지하는 것이 보다 효과적일 것으로 판단된다.
Fig. 10은 단면적 및 풍속별로 최대사망자가 발생하는 시점을 나타낸 것이다. 풍속이 1.0 m/s정도에서는 단면의 차이에 따른 최대사망자 발생하는 시점의 차이가 거의 없는 것으로 나타나고 있으나 풍속이 증가하면 대단면 터널의 경우가 시간지연이 크게 나타나고 있다. 시간의 차이는 풍속이 증가할수록 증가하며 풍속이 3.5 m/s일 때 약 1480초 정도의 차이가 발생하고 있다. 이상의 검토에서 대피거리와 제연풍속이 동일하다면 단면적이 큰 경우가 사망자수가 감소할 수 있음을 알수 있다. 이는 단면적이 동일하면 단면적이 클수록 풍량이 증가하여 희석효과가 증대로 농도가 감소하여 대피안전확보가 유리하며, 터널내 풍속은 낮게 유지하는 것이 연기의 이동거리를 감소하여 대피 환경확보에 유리하나 부력에 의한 풍속이 최소 1.0 m/s정도로 예상되므로 철도터널과 같이 기류의역전이 불가능한 경우에는 부력이 작제 유지될 것으로 예상되는 화재초기에는 풍속을 최대한 낮게 유지하고 최대화재강도에 도달하는 600초 이후에는 제연풍속을 증가시키는 것이 대피환경확보에 유리할 것으로 판단된다.
Fig. 10
Compared to times at 40% fatalities occurred
KOSHAM_16_02_083_fig_13.gif

5. 결론

본 연구에서는 제주-목포간 해저터널 단면을 기준으로 하는 소단면(58 m2)의 터널과 하남고속철도의 대단면(98 m2)의 터널에 대해서 제연풍속의 근거가 되는 임계풍속을 검토하고 제연풍속을 변수로 하여 제연풍속이 구조체에 미치는 영향을 벽체온도 측면에서 검토하고 제연풍속에 따른 등가사망자수로 추정사망자수를 해석적인 방법으로 분석하여 철도터널의 화재시 제연풍속이 터널의 안전성에 미치는 영향을 검토하여 다음과 같은 결과를 얻었다.
1. 터널 경사도가 0.3~2.5 %범위에서 임계풍속은 소단면터널에서는 2.05~2.15 m/s, 대단면 터널에서는 1.95~2.10 m/s로 분석되었으며, 도로터널에 적용하는 임계풍속 계산식과 오차가 ±2% 정도로 나타나고 있다.
2. 화재강도가 15 MW인 경우, 터널벽체표면온도는 터널내 풍속에 관계없이 열손상 온도인 380°C를 초과하지는 않는 것으로 나타나고 있다.
3. 화재강도가 100 MW인 경우에 터널내 제연풍속이 증가할수록 구조체 열화에 미치는 영향은 감소하며, 소단면터널 및 대단면 터널 모두 터널내 풍속이 4.0 m/s를 초과하면 열손상 부위는 급격하게 감소하는 것으로 나타나고 있다.
4. 터널내 풍속이 1.0 m/s이하로 작을수록 대피 안전에 유리하나, 열부력에 의한 풍속이 경사도가 가장 작은 경우(0.3%)에도 1.0 m/s를 초과하는 것으로 나타나고 있어 철도터널에서는 1.0 m/s의 조건을 만족하는 것은 곤란할 것으로 판단된다.
5. 터널내 화재시 풍속이 1.0 m/s이상이 될 수밖에 없는 상황에서는 풍속을 증가시키는 것이 유해가스의 농도를 감소하기 때문에 대피안전확보가 유리한 것으로 나타났다.
6. 단면적이 큰 터널이 작은 터널보다 대피안전에 효과적이며 터널에 풍속이 증가할수록 대피방향으로 전체인원이 사망하는 시점이 증가하는 것으로 나타나고 있다.

감사의 글

본 연구는 국토교통부 건설교통과학기술진흥원의 건설기술연구사업(고수압 초장대 해저터널 기술자립을 위한 핵심요소기술개발, 13건설연구T01)의 지원으로 수행되었으며 이에 감사드립니다.

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