† 책임저자 : 한국철도기술연구원, 선임연구원, 정회원 E-mail : [email protected] TEL : (031)460-5371 FAX : (031)460-5279 * 한국철도기술연구원, 정회원 ** 한국철도기술연구원, 비회원
철도차량별 표준 설계화재곡선 연구
Study of Standard Design Fire Curve of Various Railcar
이덕희† 박원희* 정우성* 김치훈**
Lee, Duck-Hee Park, Won-Hee Jung, Woo-Sung Kim, Chi-Hun
ABSTRACT
A study on the standardization of design fire HRR(heat release rate) curve was conducted for various railcar from the fire simulation or the fire tests. These standard curves are listed on the tunnel fire safety manual which will be used for the QRA(quantitative risk analysis) process of the long railway tunnels. The design fire curve is based with four simple factor representing the key of fire curve characteristics. Flashover time, maximum HRR and burn out time are the key factors of the design fire curve. Specially total heat release is decided by the burnable material amount in the car.
1. 서론
철도시설안전기준에관한규칙(국토해양부령 제4호, 2008)에 의하여 1킬로미터의 이상 터널에 적용되 는 ‘터널안전성 평가’ 수행을 위해서는 철도차량별 화재곡선이 요구된다. 터널안전성 평가 방법으로 사 용되고 있는 정량적위험도평가(Quantitative Risk Analysis) 절차에 따른 분석에서 터널 내 화재를 설정 (design)하고 이에 따른 영량을 예측하도록 하고 있기 때문이다. 하지만, 철도차량의 화재곡선은 차량내 설치된 내장재 등 가연물이 가지는 난연성 특징과 차량의 환기 조건 등에 의하여 민감한 영향을 받는데 이에 대하여는 여러 가지 논문이 제출된 바 있다. 이 때 철도차량의 화재곡선은 화재환경에 따라 변화 가 수반되므로 위험도 평가를 위해서는 차량별로 대표할 만한 설계화재곡선(design fire curve)을 산출 하여 사용하게 된다. 화재곡선으로부터 설계화재곡선을 산정하는 방안에 대하여는 Inganson이 제안한 단일 수식화 기법이 있으나, 국내에서는 이보다 더 단순한 형태로 이덕희 등이 제안한 표준화 방법이 제안되었다. 국내에서 제안된 표준화 방법은 이론적 수식화 보다는 위험도 평가 과정에서 화재곡선이 가지는 플래시오버 시간이 화재 공간에서의 활용 가능한 피난시간을 직접적으로 규정하기 때문에 이에 대한 중요성이 부각된 경우이다. 플래시 오버 시간은 초기 화재의 특징이므로 어떤 화원을 사용하는지 에 보다 직접적인 영향을 받는다.
2. 초기화원의 설정 화원의 규모에 대한 설정은 철도차량에서 가장 빈번하게 발생하는 화재사고의 통계 분석으로부터 진 행되어야 한다. 1990년대까지 철도차량에서 발생한 화재사고는 주로 전기적 고장이나 기계 결함으로부 터 발생한 경우가 많았다. 하지만, 현대사회에 이르러 기술적 결함은 대부분 극복되었다. 최근 가장 우 려할 만한 화재사고의 원인은 반달리즘(Vandalism)으로 대표되는 차량 내 방화라는 것이 전문가들의 견해다. 철도차량 내장재의 화재저항성 수준도 방화에 저항할 수 있는 수준의 난연성을 요구하고 있다. 초대형 방화로 대표되는 대구지하철 화재사고를 경험한 우리나라의 경우가 대표적이다. 화재사고 통계 에서 가장 사례가 많은 경우는 객실에 유입된 승객의 옷가지나 가방을 화원으로 방화하는 경우다. 이러 한 화원을 대표하는 것은 유럽연합에서 EN 45545의 Annex를 통하여 대규모 화원으로 설정한 계단형 화원이다. Fig 1에 이를 도형으로 표시하였다. 이 화원으로 수행된 여러차례의 국내외 내장재 실험에 근거하여 볼 때 폴리에스테르 강화플라스틱과 우레탄 폼 의자 쿠션을 기반으로 구성된 기존 철도차량 내장재는 10분 이전에 플래시오버에 도달하는 것으로 평가되어 이정도 방화에도 충분히 대형사고가 발 생할 수 있는 것으로 분석되었다. 하지만, 페놀수지를 기반으로 하는 강화플라스틱 판넬과 알루미늄판, 네오프렌 고무 쿠션을 의자시트로 사용하는 신형 내장재의 경우에는 화원이 종료되는 즉시 화재가 소멸 하는 특징을 나타냈다. 이렇게 화재 저항성이 좋은 철도차량의 화재곡선을 산출하기 위해서는 보다 강 한 화원이 요구되므로 N.White 등은 Fig.2와 같이 매 2분마다 50kW씩 강도를 높여가는 계단형 화원을 사용하였다. 이 화원을 사용하면 화재 저항성이 강한 내장재 일수록 플래시오버 시간이 지연되는 특징 이 나타나지만 언젠가는 플래시오버에 도달하는 특징을 나타낸다. T im e [ s ] H ea tR el ea se R at e [ K W ] 1 0 0 2 0 0 3 0 0 4 0 0 5 0 0 6 0 0 7 0 0 0 5 0 1 0 0 1 5 0 2 0 0 H R R
Fig. 1 Standard arson fire source Fig. 2 Modified arson Fire Source
이어 더불어 국내에서 독특하게 사용되는 화원이 있다. 이것은 대구 지하철 화재사고 당시에 화원으 로 사용된 가솔린 4리터를 모사하는 경우로 최대 2MW로 Fig. 3과 같은 선형으로 대표된다. T im e [ s ] H e a tR e le a se R at e [M W ] 0 2 0 4 0 6 0 8 0 0 0 .5 1 1 .5 2 2 .5 3 H R R
Fig. 4 General Fire Curve Fig. 5 Simplified Fire Curve Form 3. 철도차량 표준 설계화재 곡선 산출 방법 선형적으로 제안된 표준설계 화재곡선은 다섯 가지 최소 구성요소가 필요하다. 가장 첫 번째 요소 인 플래시오버 시간은 화재가 급속하게 전면적인 화재로 전환되는 시점으로 초기 화원의 크기와 철도차 량 내장재의 난연성, 초기 환기조건 등에 따라 달라지는데 화재안전성 평가에서 사용되고 있는 승객이 인내할 수 있는 한계조건에 도달하는 시간을 의미하는 한계거주시간을 결정하는 중요 요소이다. 1MW 에 도달할 때를 기준으로 플래시오버 시간을 판정하는 방법을 활용한다. 두 번째는 최성기 시작 시간으로 열방출률이 최고점에 이르는 초기 도달시간을 최성기 시작 시간이라 할 수 있다. 실제 상황에서의 화재곡선에서는 플래시오버 이후에도 여러 개의 봉우리가 나타나기 때문 에 이 시간은 화재시뮬레이션이나 실물화재 시험으로 구한 철도차량 열방출률 곡선의 첫 번째 피크점이 나타난 지점이나 피크값의 80% 지점을 정할 수 있도록 제안되었다. 다음은 최성기 종료 시간으로 열방 출률이 최고점에서 하강하기 시작하는 시간을 최성기 종료 시간으로 정한다. 이 시간은 화재시뮬레이션 이나 실물화재 시험으로 구한 철도차량 열방출률 곡선의 마지막 피크점을 이용하거나 피크값의 80% 통 과시간으로 정할 수 있다. 최성기 종료시간과 시작시간의 차이가 화재가 가장 활발하게 진행되는 최성 기 유지시간이 된다. 세 번째는 화재종료 시간이다. 화재곡선이 하강하기 시작한 이후의 에너지를 계산 하여 선형적으로 계산할 수 있으며 계산된 화재종료시간은 화재가 장시간 유지되는 실제 종료시간과는 달리 약 100 - 200kW 이하의 열방출률은 무시되고 산출되는 것을 확인할 수 있었다. 마지막으로 가 장 중요한 요소가 되는 것은 설계화재 선형의 최대 화재규모 값이다. 최대 화재규모 역시 열방출률 곡 선에서 곡선 아래쪽의 면적에 해당하는 열방출량(열에너지)을 이용하여 구할 수 있다. 이 값은 실제 화 재곡선에서 일시적으로 나타날 수 있는 피크값과는 달리 표준곡선의 상부지붕을 형성하는 최성기의 평 탄면을 구성하는 값이 된다. 4. 차량별 표준설계화재 곡선 실물화재 시험이나 화재 시뮬레이션을 이용하여 산출된 일반 화재곡선으로부터 설계화재곡선을 도 출하는 방법을 이용하여 국내 운영되는 철도차량별 설계화재가 연구되었다. 각 차량의 화재부하는 제작 사가 제공한 가연재의 연소량으로부터 산출되었다. 화재곡선 산출과정에서 가솔린 4리터 화원과 표준화 원에서 플래시오버에 도달하지 않고 화재가 소멸된 경우는 수정된 플래시오버 계단화원에 적용하여 플 래시오버 곡선을 도출하였다. 화재곡선이 10MW도 도달하지 않은 경우에는 철도시설안전기준에관한규 칙에 의하여 10MW 최대 화재규모로 변형된 설계화재곡선을 계산하였다.
차 량 화원 ⑴ (sec) ⑵ (sec) ⑶ (sec) ⑷ (MW) ⑸ (sec) 착화 시간 (sec) 총발 열량 Qt(GJ) 설계화재 그래프 고 속 철 도 4리터 화원 675 837 2119 10 2356 600 14.41 Time[s] H ea tR e le a se R a te [M W ] 0 500 1000 1500 2000 2500 0 2 4 6 8 10 12 14 표준 화원 675 837 2119 10 2356 600 14.41 플래시 오버 화원 733 920 1680 15 1880 720 14.41 Time[s] H e a t R e le a s e R a te [M W ] 0 500 1000 1500 2000 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 신 형 전 동 차 4리터 화원 675 837 1867 10 2104 600 6.8 Time [s] H ea t R e le as e R at e [M W ] 0 500 1000 1500 2000 0 5 10 15 HRR 표준 화원 675 837 1867 10 2104 600 6.8 플래시 오버 화원 785 900 1120 20 1240 780 6.8 Tim e[s] H ea t R e le a se R a te [M W ] 0 500 10 00 0 5 10 15 20 25 구 형 전 동 차 4리터 화원 3 100 200 40 400 0 10 Time [s] H ea tR ele as e R at e [M W ] 0 100 200 300 400 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 H RR 표준 화원 173 270 370 40 570 170 10 Time [s] H e at R el ea se R at e [M W ] 0 100 200 300 400 500 600 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 HRR
차 량 화원 ⑴ (sec) ⑵ (sec) ⑶ (sec) ⑷ (MW) ⑸ (sec) 착화 시간 (sec) 총발 열량 Qt(GJ) 설계화재 그래프 새 마 을 4리터 화원 22 397 1312 18.1 3152 0 36.8 Time [s] H e a t R el e a se R a te [M W ] 0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 0 5 10 15 20 25 30 HRR 표준 화원 192 567 1482 18.1 3322 170 36.8 Time [s] H e a t R e le as e R a te [M W ] 0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 0 5 10 15 20 25 30 HRR 무 궁 화 4리터 화원 49 767 2780 15.8 3380 0 42.3 Time [s] H ea tR e le as e R a te [M W ] 0 1000 2000 3000 4000 0 5 10 15 20 HR R 표준 화원 219 937 2950 15.7 3550 170 42.3 Time [s] H e at R e le as e R at e [M W ] 0 1000 2000 3000 4000 0 5 10 15 20 H RR
Table 1 Design fire curve of railway cars (continue)
4. 결론 국내 장대터널에서의 화재사고 시나리오에 대한 정량적위험도평가를 표준화 하기 위하여 철도차량 화 재시에 방출되는 열방출률 곡선을 이용하여 간단한 설계화재곡선으로 산정하는 방안을 연구하였다. 연 구결과는 국토해양부가 출간예정인 철도안전 통합 매뉴얼을 통하여 ‘철도터널 화재 안전성 평가 매뉴 얼’에 수록되어 배포될 예정이다. 표준 설계화재 곡선을 산출하기 위해서는 다섯 가지 주요 구성요소 를 결정하여야 하며 첫 번째 주요 요소인 플래시오버 시간은 화재사고의 점화 시나리오에 의하여 결정 되며, 다른 요소들은 화재시 차량의 가연물에서 발생하는 열방출량의 에너지 보존 이론에 기반하고 있 다. 화재곡선 산출을 위하여 3가지 적용된 3가지 화원을 소개하였다. 산정된 설계화재곡선은 기존에 사 용되던 화재곡선에 비하여 차량 내장재의 화재저항성과 화원시나리오에 따른 플래시오버 시간의 변화를 잘 반영하도록 방법론을 제안하였다. 이 표준설계화재곡선을 적용할 경우 터널 안전성 평가에 사용되고 있는 정량적 위험도 평가 결과가 보다 정확한 결과를 예측할 수 있을 것으로 기대된다.
감사의 글
본 연구는 한국철도기술연구원의 철도종합안전기술개발사업 중 “철도화재 안전성능 평가 및 사고방지 기술개발” 및 “철도 중대사고 시험설비의 글로벌 인증 기반 기술 연구” 과제의 지원에 의하여 수행된 결과이며 이에 감사드립니다.
참고문헌
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도학회 2010추계 학술대회 논문집
7.정우성,2011.6 “철도터널 화재안전성 평가 매뉴얼”,한국철도기술연구원 철도종합안전기술개발사업
