Journal of the Korea Institute for Structural Maintenance and Inspection Vol. 18, No. 5, September 2014, pp.128-134
http://dx.doi.org/10.11112/jksmi.2014.18.5.128
pISSN 2234-6937 eISSN 2287-6979
형상기억합금과 광케이블을 이용한 터널의 화재감지 시스템 개발에 관한 실험적 연구
An Experimental Study on the Fire Monitoring System for Tunnel Using SMA and Fiber Optic Cable
황 지 현1) 박 기 태2)* 이 규 완3)
Ji-Hyun Hwang Ki-Tae Park Kyu-Wan Lee
Abstract
Recently, design and construction of street tunnels tend to focus on cost reduction and preservation of nature. Accordingly, research is actively being carried out to quickly detect fires when they occur in tunnels, which have partially closed structures.
Among such research, fire detection methods using optical fiber sensors have a wide bandwidth and fast transmission speed, while using light as a medium. Therefore, it does not receive electrical interference and there is almost no loss of information during transmission, while also having little noise as well. In relation to this, a fire monitoring system that can accurately detect the location of fires in real time using shape memory alloy and optical cables was developed in this study. In order to verify the developed method, light loss measurement test was conducted according to indoor temperature changes, while also conducting fire simulation tests by installing test beds in common underground zones with different external environments of temperature and distance. Upon carrying out experiments, the fire monitoring system developed in this study was found to be able to detect fires in long distance sections in real time.
Keywords : Optical fiber, Fire monitoring system, Shape memory alloy, Optical cable
1) 정회원, 한국건설기술연구원 연구원
2) 정회원, 한국건설기술연구원 연구위원, 교신저자 3) 정회원, ㈜카이센 대표이사
* Corresponding author : [email protected]
• 본 논문에 대한 토의를 2014년 10월 31일까지 학회로 보내주시면 2014년 11월호에 토론결과를 게재하겠습니다.
Copyright Ⓒ 2014 by The Korea Institute for Structural Maintenance and Inspection. This is an Open Access article distributed under the terms of the Creative Commons Attribution Non-Commercial License (http://creativecommons.org/licenses/by-nc/3.0)which permits unrestricted non-commercial use, distribution, and reproduction in any medium, provided the original work is properly cited.
1. 서 론
현대사회의 복잡한 생활여건으로 인하여 공동 생활시설, 플랜트 생산시설, 위험시설 등은 특정지역에 밀집 분포되어 있으며 전력, 통신, 가스, 지역난방, 급배수 설비 등의 생활 시설들은 지하공동구에 집합되어 일괄 설치되고 있다. 또한 지하공동구와 유사한 건축구조라 할 수 있는 도로 터널은 우 리나라의 지질학적 구조에 따라 물류비용 절감 및 자연보호 를 위하여 건설이 급증하고 있는 실정이다.
이러한 건축물은 다양한 종류의 위험물을 저장 및 취급하 고 있으며 사회적으로 매우 중요한 시설물이므로 일단의 재 해가 발생할 경우 엄청난 규모의 피해가 사회전체로 확산될 것으로 예상된다. 최근 유럽의 도로터널 및 국내의 고속도로 도 터널 화재사고 이후에 터널에서의 평상시 안전거리 확보
등의 안전운행이 요구되고 있고 있을 뿐만 아니라 안전운전 미이행으로 발생된 차량충돌로 인한 터널내의 화재와 같은 사고에 대비한 도로시설물의 안전성 확보에 대한 요구가 증 가되고 있으며, 터널방재에 대해 사회적인 관심도 고조되고 있는 실정이다. 터널은 반 밀폐구조로서 화재발생시 온도상 승과 함께 유독성 연기가 확산되고, 또한 대피환경이 열악하 여 운전자에게 호흡곤란 및 시야장애, 심리적인 공포감 등을 초래 할 수 있으며 피난 및 소화구급활동에 제약을 받기 때 문에 터널에서의 화재는 대형 인명 피해를 유발할 가능성이 매우 높은 것으로 보고되고 있다. 따라서 터널 내 화재가 발 생하면 인명피해를 최소화하기 위해 초기 감지 및 대피가 가 장 중요하며 이를 위해서는 화재를 감지하기 위한 감지설비 와 제연설비가 매우 중요하다.
실제로 세계 각국에서는 다양한 건축물이나 터널과 같은
Photo 1 Ultra-long distance fire detection system principle
Photo 2 Bend loss test of optical cable
구조물 등의 화재 감시를 위해 열감지센서나 연기감지센서등을 사용하여 화재감시시스템을 설계하여 왔다. 하지만 이 러한 열감지센서나 연기감지센서는 감지범위가 넓지 않기 때문에 터널 등과 같은 넓은 지역의 감시를 위해 매우 많은 수의 센서를 설치해야 하고, 하나의 센서마다 하나의 케이블 이 필요하기 때문에 케이블 배선 등에 따른 현장설치 용이성 이 결여되어 있어 이로 인해 과대한 설치비용이 소요되는 한 계성이 있었다.
최근에는 이러한 단점 등을 보완하고자 전자기파의 영향 을 받지 않고 신호대 잡음비가 우수하며 장거리까지 데이터 를 전송할 수 있는 광섬유를 이용한 사례가 증가하고 있으며 해외 각국의 플랜트설비나 터널 등에 설치되어 운영 중에 있 다 (Kang, 2001). 국내에서도 광섬유를 이용하여 온도를 모 니터링하는 여러 가지 측정시스템에 관한 연구가 진행 중에 있으며 (Roh, 2011) 일부 도입되어 운영 중이다. 그 중 대표 적인 것이 산란되어 돌아오는 빛 중에서 라만산란광을 이용 하는 Raman OTDR (Optical Time Domain Reflectometry) 시스템이다. 라만 OTDR 시스템은 라만 산란광의 stokes광 과 Anti-stokes광의 온도 변화에 대한 빛 세기의 차를 이용 하여 거리에 대한 온도분포를 측정하는 원리이다.
하지만 최근 많이 활용되고 있는 라만 OTDR 시스템도 화 재감지를 위한 정밀도 확보를 위해서는 수십초에서 수분간 의 데이터 분석 시간이 필요하여 실시간의 화재 조기경보가 필요한 현장에는 적용하기 어렵고, 또 장거리 데이터를 전송 할 수 있는 광섬유를 사용하여도 라만 산란광의 한계로 인하 여 일반적으로 측정범위는 4~6 km로 제한 (최대 10 km까지 만 측정가능)되고 있다.
본 논문에서는 기존 시스템의 문제점을 해결하고자 설치 가 용이하고 외부피복이 없어 화재발생시 유해가스의 영향 이 없고 설치비용과 유지관리 비용이 저렴하며 분석시의 데 이터량이 비교적 적어서 실시간으로 화재 발생위치 감지할 수 있는 화재 감지 시스템을 제안하고자 한다.
2. 시작품 설계 및 제작
2.1 제안한 화재감지 시스템의 구성 및 동작 원리
본 연구에서 제안한 화재 감지 시스템은 크게 광섬유 변형 기, 광섬유 케이블, OTDR로 구성된다. OTDR은 빛을 보내 산란되어 되돌아온 빛을 이용하여 거리별 손실을 측정하고, 광케이블은 그 빛을 전달하는 역할을 한다. 마지막으로 광섬
유 변형기는 화재 발생시 임의의 손실을 발생시키는 역할을 한다.
형상기억합금과 광섬유 케이블을 이용한 화재 감지시스템 은 화재발생시 원래의 형상으로 복원하는 특징을 가지고 있 는 형상기억합금을 이용하여 광섬유에 급격한 굽힘을 유발 시키고 이를 OTDR로 측정함으로써 실시간으로 화재 발생 위치를 정확하게 감지할 수 있다. Photo 1에 초장거리 화재 감지 시스템의 원리를 나타내었다.
2.2 화재변형기 개발
특정 온도에서 광케이블에 굽힘을 발생시켜 광손실을 증 가시키는 역할을 하는 개발된 화재변형기는 형상기억합금, 고정치구, 광섬유 케이블로 구성된다. 먼저 화재변형기 개발 을 위해 고정치구 설계를 하였다. 고정치구는 광케이블의 다 양한 굽힘특성을 실험하여 설정하고자 하는 굽힘 손실을 찾 아내었다. 여기서 발생되는 손실량은 동일한 굽힘에 대해 일 정한 응답이 발생 되도록 Photo 2와 같이 여러 가지의 형태 로 반복 실험을 수행하였고, 실험을 토대로 고정치구를 제작
Table 1 Basic specifications of designed shape memory alloy
Size Unit
spring thickness (Wire) 0.5 mm
OD 3.6 mm
ID 2.5 mm
L spring free Lo 18 mm
N° total coils 10 -
N° active coils 8 -
Fig. 1 Stroke hysteresys features of the developed shape memory alloy spring
(a) 20℃ (room temperature) (b) 68℃
(c) 70℃ (d) 72℃
Photo 3 Temperature response test scene of designed and produced shape memory alloy spring
Table 2 Temperature response test results of designed shape memory alloy spring
SMA-1 SMA-2 SMA-3
20℃
(room temperature) 30 mm 30 mm 30 mm
60℃ 30 mm 30 mm 30 mm
62℃ 30 mm 30 mm 30 mm
64℃ 30 mm 30 mm 30 mm
66℃ 30 mm 30 mm 30 mm
68℃ 23 mm 24 mm 25 mm
70℃ 19 mm 19 mm 20 mm
72℃ 15 mm 15 mm 15 mm
74℃ 15 mm 15 mm 15 mm
하였다.
두 번째로 온도상승에 따른 일정한 굽힘을 발생시켜줄 형 상기억합금 설계를 하였다. Table 1에 본 논문에서 개발한 형상기억합금의 기본사양을 나타내었고, Fig. 1에 개발된 형 상기억합금 스프링의 온도에 대한 stroke의 이력특성 그래프 를 나타내었다. 여기서 L1은 온도 상승시, L2는 온도 하강시 형상기억합금 스프링의 변화 특성을 나타내고 있다.
30 mm 직경의 광케이블에 1N의 힘으로 약 15 mm의 변 형을 유발하기 위하여 수축 후의 스프링 길이는 18 mm로 설계하였고 온도범위는 일반적인 화재발생 경보온도인 70±
5℃를 만족시키기 위하여, 65~75℃에서 동작되도록 하였다.
광케이블을 원형으로 배치하여 인위적인 굽힘을 가하는 경 우, 화재변형기 크기를 최소화하기 위해서는 밖으로 미는 것 보다는 안쪽으로 잡아당기는 형태가 크기를 최소화 할 수 있 어, 인장스프링 (가열시 수축되는 형상기억합금 스프링) 형 태로 설계를 하였다.
설계된 형상기억합금 (Shape Memory Alloy, SMA) 스프 링을 제작하여 온도에 대한 수축특성에 대한 검증실험을 실 시하기 위해 Photo 3에서와 같이 온도챔버에 3개의 스프링 을 인장 변형 후 삽입하여 60℃부터 2℃씩 순차적으로 온도 를 증가시키면서 형상기억합금 스프링의 길이 변화를 관찰
및 기록하였다. 보다 정확한 정량적 온도를 파악하기 위하여 형상기억합금 스프링 주위에 열전대를 설치하여 온도를 측 정하였다.
Table 2에서 볼 수 있듯이 실험결과 상온에서 30 mm인 형상기억합금 스프링이 68℃부터 열수축하기 시작하여 7 2℃에서 원상 복원되었고 스프링 별로 동일한 온도에서 반 응하는 시간지연차는 ±1초 이내로 확인되었다. Fig. 2에 형 상기억합금 스프링의 온도반응 실험결과를 그래프로 나타내 었다.
설계 및 실험을 바탕으로 제작된 고정치구, 형상기억합금 을 광케이블을 위치시켜 조립 및 고정하였다. 여기서 개발된 화재변형기는 Photo 4에 나타낸 바와 같이 상온에서는 형상 기억합금이 인장된 상태를 유지하다가 화재가 발생하면 형 상기억합금에는 70℃ 이상의 열이 가해지고 형상기억합금은
Fig. 2 Temperature response test result graph of designed shape memory alloy spring
Photo 4 Conceptual diagram of fire transformer
Photo 5 Developed SMA fire detection transformer
(a) Chamber (b) Optical fiber Photo 6 Blast furnace temperature verification test scene
(400℃) of genera optical fiber cable
(a) Aclylate
(b) Polyimide
Photo 7 400℃ prolonged temperature test results of general optical fiber cable
원래 상태로 수축하게 된다. 수축되는 형상기억합금에 부착 된 광섬유케이블은 큰 굽힘이 발생되고 이러한 굽힘은 OTDR 시스템에 의해서 감지된다. Photo 5에 개발한 SMA 화재감 지변형기를 나타내었다.
2.3 화재측정용 광섬유 케이블 개발
일반적으로 사용되는 광섬유 케이블은 광통신 전용이므로
화재용으로는 적합하지 않다. 따라서 기존에 사용되고 있는 Raman OTDR 분포형 광섬유 케이블의 사양을 조사하여 동 일한 온도 조건을 만족하는 광섬유 케이블을 선정하는 것이 우선적으로 필요할 것으로 판단되었다.
일반적으로 많이 사용되는 아크릴레이트 및 폴리이미드 코팅 광섬유 케이블의 온도 특성 검증을 위하여 Photo 6에 나타낸 것과 같이 400℃까지 고로의 온도를 증가시켜가면서 광섬유 케이블의 외관상 손상여부를 실험적으로 검증하였다. 실험설비는 1,000℃까지 제어가 가능한 고로 챔버를 사용하 였으며, 폴리이미드 및 아크릴레이트 광섬유센서를 bare 상 태로 내화섬유 위에 올려둔 상태에서 삽입하여 1시간 후 다 시 꺼내어 외관상태를 확인하였다.
Photo 7에 나타낸 바와 같이 폴리이미드 코팅의 경우에는 400℃에서 1시간이 경과된 이후에도 특별히 외관상 변화가
Photo 8 Developed fire measurement optical fiber cable
Photo 9 Test setup
(a) Fire deformer (b) Chamber
Photo 10 Fire transformer verification test scene
Fig. 3 Fire transformer verification test result (74℃)
Table 3 Fire transformer verification test result temperature
(℃) 20 60 62 64 66 68 70 72 74
Optical Loss
(dB) 0 0 0 0 0.3 0.8 1.32 1.48 1.48
관찰되지 않았으며, 아크릴레이트 코팅의 경우에는 발화되어 광섬유가 손상된 것을 확인하였다. 실험 결과, 단기적으로 아크릴레이트는 200℃ 미만에서, 폴리이미드는 400℃ 미만 에서는 사용이 가능한 것으로 판단되며, 기존 화재용 광섬유 케이블의 사양인 주변온도 범위 -40~85℃ 그리고 순간최대 온도 -50~150℃는 모두 만족하는 것으로 나타났다.
따라서 대상 시설물의 온도범위 및 감지하고자 하는 화재 의 특성을 고려하여 적합한 광섬유 케이블을 선정하면 될 것 으로 판단되며 200℃ 이상의 고온측정이 아니므로 기존 케 이블의 순간최대온도 범위인 150℃를 고려시 가장 일반적이 고 가격이 저렴한 아크릴레이트 코팅의 광섬유 케이블을 사 용하는 것이 바람직한 것으로 사료된다. 그러나 위에서 언급 한 바와 같이 bare 상태의 광섬유 케이블은 쉽게 파단이 될 수 있기 때문에 외피를 보호하는 것이 필요한 것으로 판단된다.
본 논문에서는 일반 bare 광섬유에 나선형으로 stainless steel flexible tube를 설치하고, 외피는 stainless steel braiding 으로 처리하여 쉽게 구부릴 수 있어 취급이 용이하고 폴리머 계열의 외부피복이 없어 화재발생시 유해가스의 영향이 없 는 장점이 있는 화재용 광섬유 케이블을 개발하였다. 개발한 광섬유 케이블을 Photo 8에 나타내었다.
3. 초장거리 화재감지 시스템 검증 실험
3.1 실내 검증 실험본 연구에서 설계 및 제작된 화재변형기와 화재 측정용 광 케이블을 포함한 화재 감지 시스템의 검증을 위해 실내실험 을 실시하였다. Photo 9에서 보는 것과 같이 OTDR에 설치 한 광케이블의 총 길이는 9.4 km이고 화재변형기를 4.15 km 에 설치하였다. 그 후에 Photo 10과 같이 케이블의 일부와 화재 변형기를 온도 챔버에 삽입한 후 온도 챔버의 온도를 60℃에서부터 74℃까지 2℃씩 단계적으로 상승 시키면서 응답을 측정하였다.
실험 결과를 Fig. 3~4, Table 3에 나타내었다. Fig. 3에서
볼 수 있듯이 4.15 km 지점부터 광손실이 발생하기 시작하 여 4.4 km 부근에서 1.48 dB의 광손실이 발생한 것을 확인 할 수 있다. 온도를 변화시켜 가면서 광손실을 측정한 결과 Table 3 및 Fig. 4와 같이 상온 20℃에서부터 64℃까지는 광손실이 발생하지 않았지만 66℃에서부터 광손실이 발생하 기 시작하여 온도 증가에 따라 광손실량이 점차 증가하다가 최종적으로 72℃에서 1.48 dB의 광손실이 발생하였다.
실험을 통해 본 시스템이 요구되는 수준을 만족하는 것을
Fig. 4 Fire transformer verification test result graph
Photo 11 Test bed application setup
(a) Utility-pipe conduit (b) Fire deformer
Photo 12 Test bed application scene (Korea Institute of Construction Technology common underground zone)
Photo 13 Fire simulation test application setup
Table 4 Test bed simulation test results
1st 2nd 3rd average
Optical Loss(dB)
- Location A 1.40 1.45 1.44 1.43
Optical Loss(dB)
- Location B 1.46 1.45 1.46 1.46
확인하였으며, 1~1.5dB의 광손실이 유발되는 온도가 70±5℃
를 모두 만족한다는 정량적인 결과를 실험적으로 확인하였다.
3.2 Test bed 적용 실험
3.2.1 실험 setup
개발된 화재 감지 시스템의 현장 적용성을 검증하기 위해 한국건설기술연구원 지하 공동구에 test bed 적용 실험을 하 였다.
화재케이블 설치 위치는 Photo 11과 같이 전력선 트레이 측면에 설치를 하였으며, 설치 길이는 OTDR을 기준으로 30.1 km를 설치하였고 20 km 지점에서 부터 5 m 간격으로 19개 의 화재 변형기를 설치하였다. Photo 12에 한국건설기술연 구원 지하공동구의 test bed 적용광경을 나타내었다.
3.2.2 화재 모의실험 및 결과
Test bed 적용 모의실험을 따른 화재변형기의 작동여부를 실험적으로 검증하기 위하여 Photo 13과 같이 OTDR을 기 준으로 20 km 떨어진 A지점 위치와 A지점 화재 변형기 위 치에서 70m 떨어진 B지점 위치에 히트건으로 이용하여 화 재 변형기에 열을 인가하여 응답을 측정하는 화재 모의실험 을 3회 반복 실시하였다.
A지점의 경우에는 3회 반복 실험시 평균 1.43 dB 광손실 이 발생하였으며, B지점의 경우에는 3회 반복실험시 평균 1.46 dB 광손실이 발생된 것을 Table 4에서 확인 할 수 있 다. 실험결과 광손실이 1.0~1.5dB 발생되도록 최적 설계한 시스템이 test bed 실험을 통하여 요구되는 수준을 만족하고 있는 것을 확인하였다.
4. 결 론
본 연구에서는 실시간으로 온도 상승을 감지할 수 있고 설 치비용이 저렴한 광섬유를 이용한 화재 감지 장치 및 이를 이용한 화재 감지 방법을 개발하였으며, 아래와 같은 결론을 도출하였다.
(1) 기존의 터널, 지하공동구 등의 화재감지 시스템은 라 만OTDR을 주로 사용하였는데, 이는 가격이 고가일 뿐만 아니라, 2-10 km의 측정 거리 제한이 있으며, 반 응속도가 수십초에서 수분이라는 단점을 내포하고 있다. 이러한 단점을 극복하기 위하여 본 연구에서는 형상기 억합금과 광케이블 그리고 저가의 광통신 장비인 OTDR 을 이용하여 초장거리 화재감지 시스템을 개발하였으
요 지
최근 도로터널은 비용절감 및 자연보호를 위하여 설계 및 시공이 증가되고 있는 추세이며, 이 때문에 반밀폐 구조인 터널내의 화재에 대비하여 화재 발생 시 신속히 감지할 수 있는 연구가 활발히 진행 중이다. 그 중에서도 광섬유 센서를 이용한 화재 감지법은 대역폭이 넓 기 때문에 전송속도가 빠르고, 빛을 매개체로 하여 전기적인 간섭을 받지 않아 전송 도중에 정보 손실이 거의 없을 뿐만 아니라 노이즈 또 한 적은 장점을 가지고 있어 이에 따른 연구와 현장 적용이 이루어지고 있다. 이와 관련하여 본 논문에서는 형상기억합금과 광케이블을 이 용하여 실시간으로 화재 발생위치를 정확하게 감지할 수 있는 화재 감지 시스템을 개발하였다. 개발된 방법의 검증을 위하여 실내에서 온 도변화에 따른 광 손실량 측정 실험을 수행하였으며, 거리 및 온도 등의 외부환경이 다른 지하공동구에 test bed를 설치하여 화재 모의실험 을 수행하였다. 실험 결과 본 연구에서 개발한 화재감지시스템은 실시간으로 장거리 구간의 화재를 감지할 수 있는 것으로 나타났다.
핵심 용어 : 광섬유, 화재 감지 시스템, 형상기억합금, 광케이블
며, 이는 가격이 매우 저렴할 뿐만 아니라, 실시간으로 화재감지가 가능하고, 최대 30km 이상의 초장거리 화 재감지가 가능하다.(2) 화재감지시스템 개발을 위하여 형상기억합금 스프링 을 활용한 화재변형기를 개발하였으며, 온도에 대한 수축특성 실험 결과 68℃부터 열수축하기 시작하여 72℃에서 원상복원 되는 것을 확인하였다. 따라서 본 연구에서 개발된 시스템이 일반적인 화재발생 경보온 도인 70±5℃를 만족시키는 것으로 나타났다.
(3) 화재측정용 광섬유 케이블을 개발하기 위하여 아크릴 레이트와 폴리아미드 코팅 광섬유 케이블의 온도 특성 실험을 수행하였으며, 본 연구에서는 두 가지의 케이 블 유형 중 순간최대온도 범위인 150℃를 만족하고, 가격이 저렴한 아크릴레이트를 선정하였다.
(4) 본 연구의 주요 목표 성능지표인 70±5℃일 때 1.0~1.5dB 의 광손실이 발생되도록 화재감지시스템을 최적 설계 하였으며, 실내 검증 실험 결과 및 현장적용성 검증결 과 광손실이 각각 1.48dB, 1.43~1.46dB로 요구되는 수준을 만족하는 것을 확인하였다. 따라서 본 연구에 서 개발된 화재감지시스템은 추후 추가 연구를 통해 기존 화재감지시스템을 충분히 대체할 수 있을 것으로 사료된다.
감사의 글
본 연구는 미래창조과학부 정보통신⋅방송기술개발사업 (건축/대형구조물의 안전관리를 위한 내외피용 IT기반 고정 밀도 패치/임플란트시스템 기술개발)의 연구비지원에 의해 수행되었으며, 이에 감사드립니다.
