A Study on Applicability of the Local Smoke Spread Prevention & Procrastination Facility in Medium – Length Tunnel

효규 김; 호형 이; 판규 최; 석헌 송

doi:10.9798/KOSHAM.2016.16.2.297

Abstract

As middle scale tunnel does not essentially require the installation of the smoke control equipment and cross-passage way by regulation, thus the evacuators during fire can die from fire smoke(CO and Temperature). Therefore this study analyzed the expansion of fire smoke by natural ventilation, air curtain, smoke barrier in case of a fire on the middle scale tunnel. In case of natural ventilation, it was analyzed to be difficult for smooth evacuation environment as the fire smoke exceeded the standard limit value in case of a fire. In case of air curtain was forecasted that problem might occur in the structural aspect by the thermal de-isolation phenomenon of the straight upper part of the vehicle that occurred fire in case of a fire. In case of smoke barrier, it was analyzed to be possible to make smooth evacuation environment as the fire smoke does not exceed the standard limit value when the intervals is 100m. Therefore if the intervals of the smoke barrier is adequately set, it is judged that the smoke barrier is effective compared to the air curtain in the cost and performance aspect.

Keywords: Medium-length tunnel, Natural ventilation, Local smoke spread prevention & procrastination facility, Smoke barrier, Air curtain

요지

중규모 터널은 관련 법규상 제연설비와 피난연결통로의 설치가 필수적이지 않기 때문에 화재시 대피자들이 화재연기(CO 및 온도)에 의해 사망할 수도 있다. 따라서 본 연구에서는 중규모 터널을 대상으로 화재시 자연환기, 에어커튼, 제연경계벽에 따른 화재연기의 확산을 수치해석을 통해 분석하였다. 먼저, 자연환기의 경우 화재 발생 시 화재연기가 기준한계치를 초과하여 원활한 대피환경의 조성이 어려운 것으로 분석되었다. 에어커튼의 경우 화재차량 직상부에 기류의 정체로 화재시 구조적인 측면에서 문제가 발생할 수 있을 것으로 분석되었다. 또한, 제연경계벽의 설치간격이 100 m인 경우, 화재연기가 기준한계치를 초과하지 않아 원활한 대피환경 조성이 가능한 것으로 분석되었다. 결론적으로, 제연경계벽의 설치간격이 적절하게 설정된다면 제연경계벽은 에어커튼에 비해 비용적, 성능적 측면에서 효과적인 연기확산 차·지연설비라고 판단된다.

1. 서론

최근 터널 시공기술의 발전과 수송·이동의 편리함을 위하여 터널 건설이 증가 하고 있다. 터널은 구조적인 특징상 폐쇄적 구조를 지니고 있어 사고발생시 막대한 인적, 물적 피해로 이어질 수 있기 때문에 사고 방지 및 위험도를 낮출 필요가 있다.

2014년도 국내 터널현황에 따르면 튜브 수 기준으로 터널 연장등급은 1등급(3,000m이상)이 1.5%, 2등급(1,000~3,000m)는 18.0%, 3등급(500~1,000 m)는 35.0%이며, 4등급(500 m이하)는 45.6%로 조사되었다. 이 중 중규모 터널로 구분되는 3등급(500~1,000 m)에 해당하는 터널은 전체 1,659개소 중580 개소로 약 35.0%를 차지하고 있다(Kim 2015).

이러한 중규모 터널에서의 제연설비는 위험도지수에 의한 방재등급에 의해서 설치될 수 있지만(국토교통부 2009), 실제 제연설비가 설치된 경우는 매우 드물어 중규모 터널의 제연능력이 부족한 실정이다. 이와 더불어 대피자들의 신속한 대피를 위한 피난연결통로의 경우 현행 방재 기준상에는 500 m이상에 설치되고 있으나, 2004년 이전에 건설 된 공용중 터널의 경우 피난연결통로의 설치간격이 750 m 이상으로 건설되어 대피환경이 불리한 실정이다. 따라서 중규모 터널에서 화재가 발생한 경우 대피자들은 터널의 제연능력부족과 대피환경의 불리함 때문에 화재연기(CO 및 온도)에 의해 치명적인 영향을 받을 수 있다.

이에 따라 중규모 터널에 대한 제연방법으로 국부 연기확산 차·지연 설비를 고려할 수 있다. 국부 연기확산 차·지연 설비란 터널내 화재시 발생된 연기의 확산을 차단하거나 지연시키기 위한 설비로써 에어커튼과 제연경계벽 등이 대표적인 설비로 고려될 수 있다. 에어커튼은 공기를 고속으로 분사해 연기의 확산을 차단하는 설비이며, 제연경계벽은 연기의 확산경로를 막아 일정시간 동안 연기의 확산을 지연시켜주는 설비이다.

이러한 터널용 국부 연기확산 차·지연 설비에 대한 연구는 Bettelini와 Seike 등의 연구가 있으나, 국내의 경우는 아직 연구된 바가 없기 때문에, 이에 대한 기초 연구가 필요한 실정이다.

따라서 본 연구에서는 중규모 터널에서 국부 연기확산 차·지연 설비(에어커튼, 제연경계벽)의 적용성을 수치해석을 통해 분석하였다.

2. 수치해석 방법

2.1 해석 대상 및 사용 격자

본 연구의 해석대상은 중규모 일방향 터널을 대상으로 하였으며, Fig. 1에 상세히 나타내었다. 해당 터널의 폭(X)은 12.55 m, 높이(Y)는 7.7 m, 단면적은 75.4 m², 연장(Z)은 총700 m로써 화재차량의 위치는 터널 입구로부터 450 m 하류지점에 설정하였다. 화원의 체적은 차량의 양쪽 측면에 각각1 m의 폭을 부여하여, 총 체적이 62.4 m³(1 m×3.12 m×10 m×2 Side)로 하였다. 터널 경사도는 열 부력에 의한 백레이어링을 고려하기 위해 차량진행 방향에 대한 하향 경사방향으로 -1%의 경사도를 설정하였고, 국부 연기 차·지연 설비의 설치높이는 터널 천장으로부터 2.34 m 하부까지로 하여 건축한계선 이상으로 설정하였다. 해석모델의 격자는 정렬격자를 사용하였고, 터널의 벽면 및 국부 연기확산 차·지연설비의 경계부에 보다 세밀하게 Mesh를 생성하여 총 120만개의 육면체격자(Hexahedral)를 사용하였다.

Fig. 1

Calculation Domain

2.2 해석 종류

국부 연기확산 차·지연 설비가 설치되지 않은 경우(자연환기)를 비롯하여 에어커튼이 설치된 경우, 제연경계벽이 설치된 경우를 구분하여 해석을 수행하였고, 국부 연기확산 차·지연 설비의 종방향 설치 이격거리(Intervals)는 현행 도로터널의 피난연결통로 설치간격인 250 m 이하가 되도록 하였고, 에어커튼은 화원을 중심으로 200 m 간격으로, 제연경계벽은 100 m 및 200 m 간격이 되도록 하였다. Table 1에는 본 연구의 해석 Case에 대해 정리하여 나타내었고, Fig. 2에는 각 해석 Case별 국부 연기확산 차·지연 설비에 대한 개략도를 나타내었다. Fig. 2의 (a)는 자연환기시, (b)는 에어커튼 설치시, (c)는 벽면과의 이격거리가 없도록 제연경계벽을 설치한 경우(기밀조건; Sealing), (d)는 벽면과의 이격거리를 10 cm로 설정한 제연경계벽을 설치한 경우(비 기밀조건; Non Sealing)를 나타내고 있다.

Table 1

Calculation Cases

Case	Facilities	Intervals (m)	Note
1	None	-	Natural Ventilation
2	Air Curtain	200	Sealing
3	Smoke Barrier	200	Sealing
4	Smoke Barrier	100	Non Sealing
5	Smoke Barrier	100	Sealing

Fig. 2

Facilities

2.3 지배방정식 및 경계조건

본 연구에 사용된 지배방정식은 연속 방정식, 운동량 방정식, 성분 방정식, 에너지 방정식, 난류운동에너지 방정식, 난류운동에너지소산율 방정식으로써 이러한 지배방정식의 수학적 표현은 Eqs. (1)~Eqs. (6)과 같다.

연속 방정식 (Continuity Equation)

(1)

∂ρ∂t+∂∂xi(ρUi)=0

(2)

∂(ρUi)∂t+∂∂xj(ρUiUj)=∂p∂xi+∂∂xj[μ(∂Ui∂xj+∂Uj∂xj)−ρuiuj¯]+giρ

(3)

∂(ρCs)∂t+∂∂xj(ρcsUj)=∂∂xj{ (μ+μtσc)∂cs∂xj}+Sm

(4)

∂(ρT)∂t+∂∂xi(ρT)=∂xi[(utσt+μPr)∂T∂xi]+Ssource−Sloss

난류운동에너지 방정식 (Turbulent Kinetic Energy Equation)

(5)

∂∂t(ρk)+∂∂xi(ρkik)=∂∂xi[(μ+μtσk)∂k∂xi]+Pk+G–ρε

난류운동에너지소산율 방정식 (Dissipation Rate Equation of Turbulent Kinetic Energy)

(6)

∂∂t(ρε)+∂∂xi(ρuik)=∂∂xi[(μ+μtσε)∂ε∂xi]+C1εεk(Pk+G)−C2εε2k

여기서, μt=Cμρk2ε, C_μ = 0.09, σ_k = 1.0, σ_ε = 1.3, σ_t = 1.0, C_1ε = 1.44, C_2ε = 1.92, G= μtσtgiβ∂T∂xi =이다.

경계조건으로는 화재차량에 의한 터널내 풍속감소를 모사하기 위해, 화재직전 주행속도 60 km/hr 일 때, 교통환기력에 의해 유도된 터널내 풍속(5.46 m/s)을 초기풍속으로 설정하였고, 이후 터널 입구 및 출구를 Pressure Boundary 조건으로 변경한 후 화재해석을 수행하였다.

각 국부 연기확산 차·지연 설비(에어커튼, 제연경계벽)는 화재발생 180 sec 이후에 작동하도록 동일하게 설정하였으며, 에어커튼의 경우 분출되는 고속의 공기를 모사하기 위해 에어커튼 토출부 끝단의 수직하부(-Y) 방향으로 15 m/s의 Fixed Velocity를 적용하였다.

화재입력조건은 화재강도 20MW, CO 발생량은 0.1025 kg/s를 적용하였다(PIARC 2012). 이때 화재성장률(α)은 0.001W/s²로 적용하였고, 화재성장이 정점에 도달하는 시간은 450 sec, 이후 최대 화재 강도 유지시간은 600 sec까지로 적용하였다.

수치해석 방법은, ‘도로터널 제연용 제트팬 산정기준 개선연구(최종 연구 보고서)’에 제시된 방법을 적용하였으며, 유동상태는 3차원 비압축성 이상기체(Incompressible Ideal Gas), 연산상태는 비정상상태(Unsteady-State Condition)로 수행하였고(한국도로공사 2012), 난류모델은 격자의 수와 계산시간을 고려하여 공학적으로 응용범위가 넓고 수렴성이 좋은 Standard k-ε 모형을 사용하였다(Launder and Spaling 1974).

터널의 화재를 모사하기 위해서 화재모델은 VHS(Volumetric Heat Source) 모델을 적용하여 상용 CFD 코드인 ANSYS V15를 이용하여 수치해석을 수행하였다(ANSYS 2014). 기타 경계조건 및 수치해석에 대한 정보는 Table 2에 정리하여 나타내었고, Fig. 3은 본 연구에서 적용한 화재성장곡선(HRR 곡선)을 나타내고 있다.

Table 2

Boundary Conditions & Calculation Method

Items	Input / Apply
Method	3D Finite Volume Method
State	Unsteady State
Air Condition	Incompressible Ideal Gas
Turbulent Model	Standard k-ε
Fire Model	Volume Metric Heat Source
Tunnel Wall and Floor	No-Slip Condition
Tunnel Inlet/Outlet	Atmospheric Pressure Boundary Condition
Air Curtain	Fixed Velocity : 15 m/s (Direction : -Y)
Air Temperature	300 K
Fire Source Terms	Energy : 20 MW CO : 0.1025 kg/s

Fig. 3

Fire Growth(HRR) Curve

3. 화재연기 확산에 대한 수치해석 결과

Fig. 4 및 Fig. 5는 600 sec 이후에 대한 각 Case(국부 연기확산 차·지연설비)별 화재연기(CO 및 온도)의 해석결과를 나타내고 있다.

Fig. 4

CO Contours at 600 sec after the Fire

Fig. 5

Temperature Contours at 600 sec after the Fire

NFPA 130 기준에 의하면, CO에 의해 의식불명에 도달하는 시간을 수 초(Few Seconds)로 하는 경우에 CO 농도는 2,000 ppm, 6 min 정도로 하는 경우에는 1,500 ppm, 15 min 정도 노출 시에는 800 ppm이다. 또한 열 환경측면에서는 60°C에서 10 min을, 80°C에서 3.8 min을 의식불명에 도달하는 최대 노출시간으로 제시하고 있다(NFPA 2010). 따라서 본 연구에서 CO의 분석기준은 최악조건을 고려하여 100 ppm으로, 온도의 분석기준은 60°C로하여 분석을 수행하였다.

Fig. 4는 화재발생 후 600 sec에서의 자연환기 및 각각의 국부 연기확산 차·지연 설비가 설치된 대상터널 내 CO 농도의 분포를 나타내고 있다. CO 농도(100 ppm 기준) 선단의 확산거리는 Case1(자연환기)과 Case3(제연경계벽 설치간격 200 m)이 터널입구부까지 도달함으로써 가장 길게 나타났으며, Case4(제연경계벽 설치간격 100 m(비기밀 조건)), Case5(제연경계벽 설치간격 100 m(기밀 조건)), Case2(에어커튼) 순으로 나타났다.

CO 농도(100 ppm 기준) 선단의 확산거리만 본다면 에어커튼이 우수한 것으로 분석되나, 터널내 연기층의 하강높이를 고려한다면 Case1(자연환기) 및 Case3(제연경계벽 설치간격 200 m)이 터널 바닥까지 하강함으로써 가장 위험한 것으로 나타났으며, Case2(에어커튼), Case5(제연경계벽 설치간격100 m(기밀 조건)), Case4(제연경계벽 설치간격 100 m(비기밀 조건)) 순으로 나타났다. 즉, CO 농도(100 ppm 기준) 선단의 확산거리는 Case2(에어커튼)가 Case3,4,5(제연경계벽)보다 짧은 것으로 나타났지만, 호흡선 부근(터널 바닥으로부터 1.8 m)에서 CO 농도(100 ppm 기준)의 하강높이는 Case2(에어커튼)의 경우 화재원 상류구간에서 위험에 노출되는 것으로 분석되었다.

반면, Case4,5(제연경계벽 설치간격 100 m)의 경우 CO 농도(100 ppm 기준)의 최대 하강 높이는 1.9 m정도까지만 하강하여 호흡선 부근(터널 바닥으로부터 1.8 m)에 대해 상대적인 여유가 있는 것으로 분석되었다.

따라서 Case2(에어커튼)는 Case1(자연환기)에 비해 CO 농도의 확산에 대한 지연효과는 있으나, CO 농도의 하강문제를 고려할 필요가 있는 것으로 분석된다.

한편 제연경계벽의 설치간격이 100 m간격으로 설정된다면, 자연환기에 비해 CO 농도의 확산거리에 대한 지연효과와 CO 농도의 하강높이에 따른 호흡선 부근에서의 CO 농도분포는 대피측면에서 유리한 결과를 기대할 수 있을 것으로 분석된다.

다음으로, Fig. 5는 화재발생 후 600 sec에서의 자연환기 및 각각의 국부 연기확산 차·지연 설비가 설치된 대상터널 내 온도분포를 나타내고 있다.

Case1(자연환기) 및 Case3(제연경계벽 설치간격 200 m)의 경우, 온도(60°C 기준) 확산범위는 터널 입구부까지 도달했을 뿐 아니라, 온도층(60°C 기준)의 하강높이는 Case1(자연환기)의 경우 터널 바닥으로부터 1.4 m까지 하강하여 대피환경에 매우 열악한 것으로 분석되었다.

한편 Case2(에어커튼)의 경우, 기류차단의 효과로 인해 화재차량 부근에 기류가 정체되어 온도가 상승하는 현상이 발생하는 것을 확인할 수 있다. 이러한 이유로 에어커튼 설치시 터널내 열환경에 의한 대피환경은 Case1(자연환기) 및 Case3,4,5(제연경계벽) 보다 우수할 것으로 예상된다. 그러나 화재차량 부근에 기류의 정체로 인해 화재차량 직상부의 대류온도는 1,187°C까지 상승하여 Case1(자연환기) 및 Case3,4,5(제연경계벽)에 보다 터널 구조체에 상당한 악영향을 미칠 것으로 예상된다.

Case4,5(제연경계벽 설치간격 100 m)의 경우, 온도(60°C기준)의 하강높이는 터널 바닥으로부터 1.9 m까지 하강하여 호흡선 부근(터널 바닥으로부터 1.8 m)에 대해 상대적으로 여유가 있는 것으로 분석된다.

따라서 에어커튼의 경우 온도확산에 대한 차·지연 효과는 우수하나, 기류의 정체에 따른 과도한 열축적으로 터널의 폭열현상 등의 구조적인 문제가 발생할 수 있을 것이라 예상된다. 또한, 제연경계벽을 100 m간격으로 설치한다면 자연환기 및 에어커튼 보다 대피환경 및 구조체에 대한 열 환경 측면에서 유리할 것이라 예상된다.

4. 중규모 터널에 대한 적용성 분석

4.1 시간에 따른 CO 확산 특성

Fig. 6과 Table. 3은 각 Case별 100 ppm 기준의 CO 선단의 확산거리를, Fig. 7과 Table 4는 각 Case별 100 ppm 기준의CO 농도의 터널바닥으로부터 최대 하강높이를 나타내었다.

Fig. 6

CO Propagating Distance

Table 3

CO Propagating Distance (from vehicle)

Time	Case 1	Case 2	Case 3	Case 4	Case 5
360	196 m	198 m	203 m	201 m	214 m
420	333 m	273 m	325 m	288 m	302 m
600	450 m	300 m	450 m	399 m	425 m

Fig. 7

CO Descending Height

Table 4

CO Descending Height (from floor)

Time	Case 1	Case 2	Case 3	Case 4	Case 5
360	3.9 m	2.6 m	2.7 m	2.1 m	2.0 m
420	3.3 m	2.0 m	2.2 m	2.1 m	2.0 m
600	0.0 m	1.2 m	0.0 m	1.9 m	1.9 m

먼저 Fig. 6과 Table 3에서 Case1(자연환기)의 경우, CO 선단(100 ppm 기준)의 확산거리는 화재발생 360 sec 이후 화재차량을 기준으로 터널 입구부 방향으로 196 m까지, 화재발생 420 sec 이후 동일방향으로 333 m까지, 화재발생 600 sec 이후에는 해석터널의 전 연장에 100 ppm 이상의 CO 농도가 분포하였다.

Case2(에어커튼)의 경우, CO 선단(100 ppm 기준)의 확산거리는 화재발생 360 sec 이후 화재차량을 기준으로 터널 입구부 방향으로 198 m까지 확산되어 동일방향으로 설치된 첫번째 에어커튼의 설치위치인 100 m를 넘어 확산되었고, 화재발생 420 sec 이후 동일방향으로 273 m까지, 화재발생 600 sec이후 동일방향으로 300 m까지 확산되어 동일방향으로 설치된 두번째 에어커튼의 설치위치인 300 m까지 확산되었다. 420~600 sec(180 sec)동안 CO 선단(100 ppm 기준)의 확산거리가 약 30 m임을 고려하면 설치된 에어커튼의 효과로 CO 확산에 차단 및 지연효과가 있는 것으로 분석된다.

Case3(제연경계벽 설치간격 200 m)의 경우, CO 선단(100ppm 기준)의 확산거리는 화재 발생 360 sec 이후 화재차량을 기준으로 터널 입구부 방향으로 203 m까지, 화재발생 420 sec이후 동일방향으로 325 m까지 확산되었으나, 동시간대 CO선단(100 ppm 기준)의 확산 거리가 333 m인 자연환기와 비교한다면, 제연경계벽 또한 CO 확산에 있어 지연효과가 있는 것으로 분석된다. 화재발생 600 sec이후에는 해석터널 전 연장에 100 ppm 이상의 CO 농도가 분포하였다.

Case4(제연경계벽 설치간격 100 m(기밀 조건))의 경우, CO선단(100 ppm 기준)의 확산거리는 화재발생 360 sec 이후 화재차량을 기준으로 터널 입구부 방향으로 201 m까지, 화재발생 420 sec 이후 동일방향으로 288 m까지, 화재발생 600 sec이후 동일방향으로 399 m까지 확산 되었으나, 제연경계벽의 설치간격이 200 m인 경우와 비교하면, CO(100 ppm) 선단의 확산거리가 약 40 m 더 짧은 것으로 나타났다.

Case5(제연경계벽 설치간격 100 m(비기밀 조건))의 경우, 각 시간대별 CO의 확산은 Case4(제연경계벽 설치간격 100 m(기밀조건))과 유사한 것으로 나타났다. 그러나 제연경계벽과 터널 벽면과의 틈으로 인해 화재발생 600 sec 이후 CO 선단(100 ppm 기준)의 확산 거리는 425 m로써, Case4(제연경계벽 설치간격 100 m(기밀조건))에 비해 약 25 m 더 긴 것으로 나타났다.

다음으로 Fig. 7과 Table 4에서 Case1(자연환기)의 경우, CO 농도(100 ppm 기준)의 최대 하강높이는 화재발생 360 sec이후 터널 바닥으로부터 3.9 m까지, 화재발생 600 sec 이후 터널 바닥까지 하강하여 호흡선 기준인 터널 바닥으로부터 1.8 m보다 낮게 나타났다.

Case2(에어커튼)의 경우, CO 농도(100 ppm 기준)의 최대하강높이는 화재발생 360 sec 이후 터널 바닥으로부터 3.9 m까지, 화재발생 600 sec 이후 화재지점으로부터 터널 입구부방향(+Z) 300 m부근에서 터널 바닥으로부터 1.2 m까지 하강하여 호흡선 기준인 1.8 m보다 낮게 나타났다.

Case3(제연경계벽 설치간격 200 m)의 경우, CO 농도(100ppm 기준)의 최대 하강높이는 화재발생 360 sec 이후 터널바닥으로부터 2.7 m까지, 화재발생 600 sec 이후 터널 바닥까지 하강하여 호흡선 기준인 1.8 m를 초과한 것으로 나타나 제연경계벽의 설치간격이 적절하지 못한 것으로 분석되었다.

Case4(제연경계벽 설치간격 100 m(기밀 조건))의 경우, CO농도(100 ppm 기준)의 최대 하강높이는 화재발생 360 sec 이후 터널 바닥으로부터 2.1 m에서 화재발생 600 sec 이후 1.9 m까지 하강하여 호흡선 기준인 터널 바닥으로부터 1.8 m를 만족하는 것으로 나타나 제연경계벽의 설치간격이 적절한 것으로 분석되었다.

Case5(제연경계벽 설치간격 100 m(비기밀 조건))의 경우, CO 농도(100 ppm 기준)의 최대 하강높이는 화재발생 360 sec 이후 터널 바닥으로부터 2.1 m까지, 화재발생 600 sec 이후 터널 바닥으로부터 1.9 m까지 하강하여 호흡선 기준인 1.8 m를 만족하는 것으로 나타났다.

이상의 결과를 요약하면, CO 농도(100 ppm 기준) 선단의 확산거리는 화재차량을 기준으로 Case2 > Case4 > Case5 > Case3 = Case1 순으로 짧게 확산한 것으로 분석되었고, 하강높이는 터널 바닥을 기준으로 Case4 = Case5 > Case2 > Case3 = Case1 순으로 높게 분석되었다.

4.2 시간에 따른 온도 확산 특성

Fig. 8과 Table 5는 각 Case별 온도 선단(60°C 기준)의 확산거리를, Fig. 9과 Table. 6에는 Case별 온도(60°C 기준)의 최대 하강높이를 나타내었으며, Fig. 10과 Table 7은 각 Case별 화재차량 직상부 터널 천장에서의 대류 온도 분포를 나타내었다.

Fig. 8

Temperature Propagating Distance

Table 5

Temperature Propagating Distance(from vehicle)

Time	Case 1	Case 2	Case 3	Case 4	Case 5
360	196 m	190 m	202 m	200 m	213 m
420	332 m	270 m	306 m	287 m	301 m
600	450 m	300 m	450 m	399 m	424 m

Fig. 9

Temperature Descending Height

Table 6

Temperature Descending Height(from floor)

Time	Case 1	Case 2	Case 3	Case 4	Case 5
360	4.0 m	3.1 m	2.8 m	2.3 m	2.8 m
420	3.5 m	2.4 m	2.5 m	2.3 m	2.3 m
600	1.4 m	2.0 m	2.1 m	1.9 m	1.9 m

Fig. 10

Temperature around Ceiling for the straight upper part of the vehicle

Table 7

Temperature around Ceiling for the straight upper part of the vehicle

Time	Case 1	Case 2	Case 3	Case 4	Case 5
360	581°C	879°C	636°C	691°C	681°C
420	626°C	1,048°C	685°C	709°C	699°C
600	701°C	1,187°C	703°C	669°C	662°C

먼저 Fig. 8과 Table 5에서 Case1(자연환기)의 경우, 온도선단(60°C 기준)의 확산거리는 화재발생 360 sec 이후 화재차량을 기준으로 터널 입구부 방향으로 196 m까지, 화재발생 600 sec 이후 전 연장에 확산된 것으로 나타났다.

Case2(에어커튼)의 경우, 온도 선단(60°C 기준)의 확산거리는 화재발생 360 sec 이후 화재차량을 기준으로 터널 입구부방향으로 190 m까지, 화재발생 600 sec 이후 동일방향으로 300 m까지 확산된 것으로 나타났다.

Case3(제연경계벽 설치간격 200 m)의 경우, 온도 선단(60°C 기준)의 확산거리는 화재발생 360 sec 이후 화재차량을 기준으로 터널 입구부 방향으로 202 m까지, 화재발생 600 sec 이후 전 연장에 확산되는 것으로 나타났다.

Case4(제연경계벽 설치간격 100 m(기밀 조건))의 경우, 온도 선단(60°C 기준)의 확산길이는 화재발생 360 sec 이후 화재차량을 기준으로 터널 입구부 방향으로 200 m까지, 화재발생 600 sec 이후 동일 방향으로 399 m까지 확산된 것을 알 수 있다.

Case5(제연경계벽 설치간격 100 m(비기밀 조건))의 경우, 온도 선단(60°C 기준)의 확산거리는 화재발생 360 sec 이후 화재차량을 기준으로 터널 입구부 방향으로 213 m까지, 화재발생 600 sec 이후 동일방향으로 424 m까지 확산된 것을 알 수 있다.

다음으로 Fig. 9와 Table 6에서 Case1(자연환기)의 경우, 온도(60°C 기준)의 최대 하강높이는 화재발생 360 sec 이후 터널 바닥으로부터 4.0 m까지, 화재발생 600 sec 이후 터널 바닥까지 하강하여 호흡선 기준인 1.8 m보다 낮은 것으로 나타났다.

Case2(에어커튼)의 경우, 온도(60°C 기준)의 최대 하강높이는 화재발생 360 sec 이후 터널 바닥으로부터 3.1 m까지, 화재발생 600 sec 이후 터널 바닥으로부터 2.0 m까지 하강하여 호흡선 기준인 1.8 m를 만족하는 것으로 나타났다.

Case3(제연경계벽 설치간격 200 m)의 경우, 온도(60°C 기준)의 최대 하강높이는 화재발생 360 sec이후 터널 바닥으로부터 2.8 m까지, 화재발생 600 sec 이후 터널 바닥으로부터 2.1 m까지 확산되어 호흡선 기준인 1.8 m를 만족하는 것으로 나타났다.

Case4(제연경계벽 설치간격 100 m(기밀 조건))의 경우, 온도(60°C 기준) 최대의 하강높이는 화재발생 360 sec 이후 터널 바닥으로부터 2.3 m까지, 화재발생 600 sec 이후 터널 바닥으로부터 1.9 m까지 하강하여 호흡선 기준인 1.8 m를 만족하는 것으로 나타났다.

Case5(제연경계벽 설치간격 100 m(비기밀 조건))의 경우, 온도(60°C 기준)의 최대 하강높이는 화재발생 360 sec 이후 터널 바닥으로부터 2.3 m까지, 화재발생 600 sec 이후 터널바닥으로부터 1.9 m까지 하강하여 호흡선 기준인 1.8 m를 만족하는 것으로 나타났다.

이상의 결과를 요약하면, 온도(60°C 기준) 선단의 확산거리는 화재차량을 기준으로 Case2 > Case4 > Case5 > Case3 =Case1 순으로 짧게 분석되었고, 하강높이는 Case2 > Case3 > Case4 = Case5 > Case1 순으로 높게 분석된다.

Fig. 10과 Table 7은 화재차량 직상부 천장(화재원 직상부 약 10 m 구간 (Z=-5.05~5.05 m))에서의 최대 대류 온도분포를 나타내고 있다. Case1(자연환기)의 경우, 화재차량 직상부의 온도는 화재발생 360 sec 이후 581°C를 시작으로 화재발생 420 sec 이후 626°C, 화재 발생 600 sec 이후 화재차량 직상부의 온도는 701°C까지 상승하는 것으로 나타났다.

Case2(에어커튼)의 경우, 화재차량 직상부의 온도는 화재발생 360 sec 이후 879°C를 시작으로 화재발생 420 sec 이후 1,048°C, 화재 발생 600 sec 이후 화재차량 직상부의 온도는 1,187°C까지 상승하는 하여 화재차량 주변에 지속적인 기류의 정체 가 발생한 것으로 분석된다. 이러한 기류차단에 의한 기류의 정체는 대피환경에는 유리할 수 있으나, 터널 구조체에는 상당한 악영향을 미칠 것으로 예상된다.

Case3(제연경계벽 설치간격 200 m)의 경우, 화재차량 직상부의 온도는 화재발생 360 sec 이후 636°C를 시작으로 화재발생 420 sec 이후 685°C, 화재 발생 600 sec 이후 화재차량 직상부의 온도는 703°C까지 상승하는 것으로 나타났다.

Case4(제연경계벽 설치간격 100 m(기밀 조건))의 경우, 화재차량 직상부의 온도는 화재발생 360 sec 이후 691°C를 시작으로 화재발생 420 sec 이후 709°C, 화재 발생 600 sec 이후 화재차량 직상부의 온도는 669°C까지 상승하는 것으로 나타났다.

Case5(제연경계벽 설치간격 100 m(비기밀 조건))의 경우, 화재차량 직상부의 온도는 화재발생 360 sec 이후 681°C를 시작으로 화재발생 420 sec 이후 699°C, 화재 발생 600 sec이후 화재차량 직상부의 온도는 662°C까지 상승하는 것으로 나타났다.

화재차량 직상부 천장(화재원 직상부 약 10 m 구간(Z=-5.05~5.05 m))에 대한 이상의 결과를 요약하면, Case2 > Case3 > Case1 > Case4 ≒ Case5 순으로 대류온도가 높게 나타나, 기류차단에 따른 기류의 정체에 대한 대책이 필요한 것으로 분석된다.

4.3 국부 연기확산 차·지연 설비의 설치비 특성

최근 한국도로공사에서는 국부 연기확산 차·지연 설비 중 에어커튼을 개발하여 중부내륙고속도로의 매현터널에 시범설치·운영중에 있으며, 관련 보도자료에 따르면, 630 m를 기준(연장 1 km미만 도로터널의 전체 평균 연장)으로 터널 1개소 당 제트팬 설치 공사비는 약 47억 원, 에어커튼은 약 9억원 정도로 분석하고 있다(한국도로공사 2011). 반면, 제연경계벽의 경우 설치간격을 100 m로 할 경우, 5~6억원 정도(케이블, 프레임, 자동제어공사비 포함)로 추정되며 이를 Fig. 11에 나타내었다.

Fig. 11

Construction Costs by Facilities

제연경계벽의 설치공사비는 제트팬에 비해 7.83배, 에어커튼에 비해 1.50배 저렴한 것으로 검토된다. 따라서 제연경계벽은 중규모 터널 화재시 원활한 대피환경 조성(화재연기의 차·지연 효과)과 타 제연설비에 비해 경제적인 것으로 분석된다.

5. 결론

본 연구에서는 중규모 터널을 대상으로 화재시 자연환기와 국부 연기확산 차·지연 설비(에어커튼, 제연경계벽)의 설치에 따른 화재연기(CO 및 온도)의 확산거동을 수치해석을 통해 분석하였다. 분석기준으로 화재연기 선단의 CO 농도는 100ppm, 온도는 60°C로 적용하였으며, 연기층 하강에 따른 분석기준은 호흡선 높이인 1.8 m를 기준으로 적용하였다.

이상의 연구결과를 요약하면 다음과 같다.

1. 자연환기(Case1)의 경우, 화재연기(CO 및 온도) 선단의 확산거리는 터널 입구부(450 m)까지 도달하였고, CO의 하강높이는 터널바닥까지 하강하여 원활한 대피환경이 조성되기 어려운 것으로 분석되었다.
2. 에어커튼(Case2)의 경우, 화재연기 선단의 확산거리는 터널 입구부 방향으로 300 m까지만 확산되어 연기확산의 차·지연 효과가 있는 것으로 분석되었으나, CO의 하강높이는 1.2 m까지 하강하여 호흡선 기준(H=1.8 m)을 만족하지 못한 것으로 분석되었다. 또한 기류차단에 의한 기류의 정체로 화재차량 직상부 온도가 1,187°C까지 상승하여 화재시 터널 구조체에 문제가 발생할 수 있을 것으로 예상된다.
3. 제연경계벽의 설치간격이 200 m(Case3)의 경우, 화재연기 선단의 확산거리는 터널 입구부(450 m)까지 도달하였고, CO의 하강높이는 터널 바닥까지 하강하여 호흡선 기준을 만족하지 못한 것으로 분석되었다.
4. 제연경계벽의 설치간격이 100 m(Case4, 5)인 경우, CO농도(100 ppm) 선단의 확산거리는 각각 399 m, 425 m, 온도(60°C) 선단의 확산거리는 각각 399 m, 424 m로 나타나, 화재연기의 확산에 대한 지연효과가 있는 것으로 분석되었다. 또한 화재연기(CO 및 온도)의 하강높이는 터널 바닥으로부터 모두 1.9 m까지만 하강하여 원활한 대피환경이 조성될 것으로 분석되었다.
5. 수치해석 결과, CO 농도(100 ppm) 선단의 확산거리는 화재차량을 기준으로 Case2 > Case4 > Case5 > Case3 =Case1 순으로 짧게 확산한 것으로 분석되었고, 하강높이는 터널 바닥을 기준으로 Case4 = Case5 > Case2 > Case3 =Case1 순으로 높게 분석되었다. 또한 온도(60°C) 선단의 확산거리는 화재차량을 기준으로 Case2 > Case4 > Case5 > Case3 = Case1 순으로 짧게 분석되었고, 하강높이는 Case2 > Case3 > Case4 = Case5 > Case1 순으로 높게 분석되었으나, 화재원 직상부 약 10 m 구간에 대한 기류의 정체를 고려할 경우, Case5 ≒ Case4 > Case1 > Case3 > Case2 순으로 대류온도가 낮게 분석되었다.
6. 종합적으로 자연환기(Case1)에 비해 국부 연기확산 차·지연 설비를 설치할 경우, 화재연기의 차·지연 효과가 있는 것으로 분석되었다. 또한 에어커튼(Case2) 보다는 제연경계벽(Case4,5)의 설치간격(100 m정도)을 축소하는 것이 대피환경 측면에서 유리하며, 기존 제연설비(제트팬)에 비해 경제적이므로, 중규모 터널과 같은 기존 방재시설(제연설비 및 피난연결통로)의 추가 설치가 곤란할 경우 적절한 보조 대책이 될 수 있을 것으로 판단된다.