Study of the Characteristics of Smoke Spread by an Installing Smoke Barrier in Medium Length Road Tunnel

ISSN: 1738-7167

DOI: http://dx.doi.org/10.7731/KIFSE.2016.30.5.009

중규모 도로터널의 제연경계벽 설치에 따른 연기확산특성

백두산 · 이승철* ^†

( 주)주성지앤비, *강원대학교 소방방재공학 전공

Study of the Characteristics of Smoke Spread by an Installing Smoke Barrier in Medium Length Road Tunnel

Doo-San Baek · Seung-Chul Lee* ^†

JuSeong G&B Inc.

*Dept. of Fire and Protection Engineering, Kangwon National Univ.

(Received June 8, 2016; Revised August 30, 2016; Accepted September 5, 2016)

요 약

중규모 도로터널의 경우 제연설비 설치가 의무화 되어있지 않기 때문에 화재가 발생할 경우 이용객들이 많은 피해를 입을 수 있다. 따라서 본 연구에서는 연장 1,000 m 2차로 일방통행방식의 도로터널을 대상으로 3차원 수치해석, 정량적 위험도 평가를 통해 제연경계벽이 설치되지 않을 때와 설치간격이 100, 150, 200, 250 m일 때 화재에 의하여 발생되는 연기류 등이 시간에 따른 확산을 분석하였다. 그 결과 중규모 도로터널에 제연경계벽을 설치할 경우 설치하지 않은 경우 보다 화재로부터 발생되는 고온의 공기와 독성가스의 확산이 지연되는 것을 확인할 수 있었다. 또한 수치해석 대상 중에 서 제연경계벽의 설치간격이 100 m인 경우 화재로 인해 발생된 고온의 공기와 독성가스의 확산이 다른 경우보다 많이 지연되어 터널 이용객이 피난하는데 가장 적합한 것으로 나타났다.

ABSTRACT

In the case of a medium length road tunnel, the installation of a smoke control facility is not mandatory so users can suffer considerable injuries if a fire breaks out. Therefore, this study analyzed the high-temperature air and toxic gas gen- erated by fire proliferating with time when a smoke barrier is not installed and when the installation interval is 100, 150, 200, and 250 m through 3-dimensional numerical analysis, evacuation simulation, and Quantitative Risk Assessment Methodology targeting the medium length road tunnel. As a result, the diffusion of the high-temperature air and toxic gas occurring from the a fire was delayed when the smoke barrier was installed in a medium length road tunnel compared to that when it was not installed. In addition, when the installation interval of a smoke barrier was 100m and the numerical analysis target was 100m, the diffusion of high-temperature air and toxic gas generated by the fire was delayed more than in the other cases, which was most suitable for tunnel users to evacuate.

Keywords : Somke barrier, Tunnel, Fire simulation

1. 서 론

국토의 70% 이상이 산악지형인 우리나라는 산업의 발 전과 늘어나는 교통수요에 따라 교통망을 증설하고 있다.

따라서 산악지형을 통과하기 위한 도로터널의 수 또한 증 가하고 있으며, 2014년 전체 도로터널 1,777개소 중 연장 500 m 이상 1000 m 미만의 중규모 도로터널은 약 34%에 해당하는 604개소이다⁽¹⁾.

도로터널은 닫혀있는 공간으로서 터널 내 화재가 발생 할 경우 화원으로부터 발생하는 열 및 독성가스 등은 이용

객들에게 많은 피해를 줄 수 있다. 이러한 피해를 막기 위 해 도로터널 내에는 제트팬 등과 같은 제연설비가 설치되 어있다. 제연설비는 화재지역으로부터 연기를 배기하거나 대피방향 반대 방향으로 연기류를 형성시켜 화재초기에 피난객 스스로 안전을 확보할 수 있도록 한다.

국토교통부에서는 터널에서의 사고를 예방 및 대비하기 위해 도로터널 방재시설 설치 및 관리 지침을 만들어 터널 내 제연설비와 같은 방재시설물에 대한 설치 및 관리 규정 을 정하고 있다. 하지만 이 지침은 2004년 처음 만들어졌으 며 지침이 만들어지기 전에 설계가 완료된 터널은 규정 적

†

Corresponding Author, E-Mail: [email protected]

†

TEL: +82-33-540-3122, FAX: +82-33-540-3119

으로 나타내었다. Hu et al. 은 화재로부터 발생하는 연기, 이산화탄소, 열기류를 차단하는 에어커튼을 이용하여 모형 및 시뮬레이션 연구를 하였다. 국내의 경우 최준석 등⁽⁵⁾이 가솔린 풀과 1500 cc 승용차를 이용한 실물터널 화재실험 을 통해 위험도를 평가하였지만 터널 내 화재로부터 발생 하는 연기의 확산을 차단 또는 지연시키는 연구는 미비한 실정이다.

따라서 본 연구에서는 중규모 도로터널에서 화재가 발 생했을 때 화원으로부터 발생되는 연기의 확산지연을 위 한 시설로서 제연경계벽의 적절성에 대해 3차원 수치해석 과 정량적 위험도 평가를 통해 연구하였다.

2. 3차원 수치해석을 이용한 터널 내 화재분석

2.1 수치해석 대상 및 종류

본 연구의 대상은 2차로 일방통행 방식의 도로터널로서 Figure 1에 나타낸바와 같이 연장은 1,000 m이고, 차도의 폭(W)은 11.2 m이다. 터널의 높이는 7.5 m이고 터널의 시

설한계(H2)는 4.5 m이며, 제연경계벽의 폭(H1)은 터널의 높이에서 시설한계를 뺀 2.7 m이다. 제연경계벽의 설치간 격(L_sb)은 터널의 입구로부터 100 m, 150 m, 200 m, 250 m 이고, 이에 따른 터널 내 제연경계벽의 개수는 화재 직상 부인 터널 중앙에 있는 것을 제외하고 8개, 6개, 4개, 2개 이다. 화재차량은 버스로 터널 중앙에 위치하고 체적은 약 82.33 m³ (2.45 m × 3.12 m × 10.33 m)이다. 화원은 화재차 량 양쪽에 각각 화재차량 체적의 1/2 크기이며, 최대발열 량은 20 MW이고 연기 및 CO의 발생량은 각각 0.13325 kg/s, 0.1025 kg/s이다.

수치해석 종류는 Table 1에 나타낸바와 같이 제연경계 벽이 없는 Case와 제연경계벽의 설치간격(Lsb)이 100 m, 150 m, 200 m, 250 m인 Case로 총 5가지 Case를 수치 해 석하였다.

2.2 지배방정식 및 경계조건

본 수치해석에서 사용된 지배방정식은 연속방정식, 운동 량방정식, 난류운동에너지방정식, 난류운동에너지소산율

Figure 1. Schematic diagram of road tunnel.

방정식, 에너지방정식, 농도방정식이다. 공기영역의 기류 는 난류의 거동을 따른다고 간주하였으며, 밀도의 변화는 이상기체방정식을 사용하였고, 그 수학적 표현은 다음과 같다.

연속방정식(Continuity equation):

(1)

운동량방정식(Momentum equation):

(2)

난류운동에너지방정식(Turbulent kinetic energy equation):

(3) 난류운동에너지소산률방정식(Dissipation rate equation of turbulent kinetic energy):

(4) 에너지방정식(Energy equation):

(5)

농도방정식(Concentration equation):

(6)

이상기체상태방정식(Ideal gas equation):

(7)

여기서,

A₀= 4.0, A_s=

이며 평균속도 변형률 Sij, 와도 Ωij, C₂, τk, τε은 각

각 1.9, 1.0, 1.2이다.

초기조건은 공기온도 15^oC, CO 및 Soot의 농도를 0으 로 하였다. 또한 경계조건은 Figure 2에 나타낸 바와 같이 계산의 효율을 높이기 위해 터널 중앙 횡단면과 종단면에 대칭조건을 부여하였으며, 터널 출구부분에는 압력조건으 로 대기압을 부여하였고, 온도조건은 15^oC, 농도조건은 CO 및 Soot의 농도를 0으로 하였다. 터널 바닥과 벽면에 는 점착조건, 단열조건, Zero Flux를 적용하였다. 벽면을 단열조건으로 하였기 때문에 벽면으로의 열손실이 없어 공기의 온도가 실제보다 크거나 연기층하강이 상대적으로 적게 일어날 수 있다. 하지만 본 연구에서는 제연경계벽의 설치에 따른 지연효과를 보기 위한 것으로 계산비용을 줄 이기 위해 단열조건을 사용하였다. 화원의 발열량은 식(8) 에 의해 시간에 따라 발열량(Q)가 증가하도록 하였고

∂ρ∂t --- + ∂

∂x_i

---(ρu_i) = 0

∂ ρu( ) --- + ∂∂t

∂x_j

---(ρu_iu_j − τ_ij) = − ∂p

∂x_i

--- + g_i(ρ − ρ₀)

∂x∂_j

--- (ρu_jk) − μ + μ_t τ_k

⎝ ----⎠

⎛ ⎞ ∂k

∂x_j

--- = μ_t(P + P_B) − ρε

ρu_jε

( ) − μ + μ_t τ_ε

⎝ ----⎠

⎛ ⎞ ∂ε

∂x_j

--- = ρC₁S_ε

− ρC₂ ε² k + νε

--- + C_ε3μ_tP_B

∂ ρT( ) --- + ∂∂t

∂x_i

---(ρu_iT) = ∂∂x---_i μ_l δ_l ---- + μ_t

δ_t

⎝ ----⎠

⎛ ⎞ ∂T

∂x_i ---

⎩ ⎭

⎨ ⎬

⎧ ⎫

+ S_T

∂ ρC( ) --- + ∂∂t

∂x_i

---(ρu_iC) = ∂∂x---_i μ S_l ---- + μ_t

S_t

⎝ ----⎠

⎛ ⎞ ∂C

∂x_i ---

⎩ ⎭

⎨ ⎬

⎧ ⎫

+ S_C

ρ = p_obs ---RT

C₁ = max 0.43, η η + 5 ---

⎝ ⎠

⎛ ⎞, η = Skε---, S = 2S_ijS_ij,

C_μ = 1 A₀

--- + A_su^*k

---, uε ^* = S_ijS_ij + Ω_ijΩ_ij, 6cos( 6W), Φ = 1

3---Acos( 6W), W = W_ijS_jkS_ki S³

---, S˜ = S_ijS_ij

1 2--- ∂u_i

∂x_j --- + ∂u_j

∂x_i ---

⎝ ⎠

⎛ ⎞, 1 2--- ∂u_i

∂x_j --- + ∂u_j

∂x_i ---

⎝ ⎠

⎛ ⎞,

Figure 2. Schematic diagram of boundary condition.

Figure 3. Fire growth curve.

본 연구에서는 전체 해석영역에 대하여 터널 내 유동은 3차원, 비정상상태, 비압축성, 난류유동이라 가정하였고, CO와 Soot는 공기의 유동에 따라 확산하도록 하였다. 또한 전체 해석영역에 대해서 지배방정식을 유한체적법(FVM, Finite Volume Method)과 비엇갈린 격자계(non-staggered grid system)방법⁽⁶⁾으로 이산화하였다. 상용 CFD 코드인 STAR-CCM+ 9.06⁽⁷⁾을 통해 유동영역에 암시도식(implicit scheme)과 독립연산(Segregated solver)을 적용하였다. 또 한 운동량방정식의 압력장을 처리하기 위해 비교적 계산 비용이 적으면서도 압력장을 정확히 예측하는 것으로 알 려진 Semi-Implicit Method for Pressure-Linked Equation (SIMPLE)알고리즘⁽⁸⁾을 사용하였으며, 난류모형은 Realizable k-ε 모형⁽⁹⁾을 사용하였다. 또한 각 방정식들의 대류항 처리 를 위해 2차 상류 차분법을 사용하였다.

비정상상태 해석에 따른 시간 간격(time Step)은 0.1초 간격이며, 해석완료 시간은 대상의 최종 피난완료시간과 동일한 446초로 하였다.

2.4 격자 의존성 파악

3차원 수치해석에서는 생성된 격자의 수와 배치에 따라 그 수렴된 해가 다를 수 있다. 따라서 적절한 격자시스템 을 선정하기 위해 정상상태 해석에서 Case 2를 대상으로 기본 격자크기를 Table 2에 나타낸바와 같이 1.0 m, 0.8 m, 0.6 m, 0.4 m, 0.3 m로 점차 축소해가며 격자시스템을 생 성하였다. 그 결과 M-1은 약 17만개, M-2는 약 27만개, M-3은 약 60만개, M-4는 186만개, M-5는 422만개가 생 성되었다.

각 격자 시스템의 해석결과에 대한 비교를 용이하도록 Figure 4에 화원으로부터 100 m 떨어진 지점의 횡단면에

서 바닥부터 천장까지의 온도를 나타내었다. M-1과 M-2 의 경우 격자의 크기가 가장 작은 M-5보다 온도가 100%

이상 크게 나타났으며 M-3 이후로는 계산 결과의 차이가 크게 없는 것으로 나타났다.

따라서 본 연구에서 사용된 격자시스템은 M-3로 선정하 여 수치해석을 진행하였고, Table 3에는 Case에 따른 격자 개수를 나타내었다.

2.5 3차원 수치해석을 통한 터널 내 화재 분석결과 터널 내 화재발생시 제연경계벽 유·무에 따른 연기류의 확산시간을 비교하기 위해 제연경계벽이 없는 Case 1과 제연경계벽이 100 m 간격으로 설치되어있는 Case 2를 대 상으로 터널 중앙 종단면에서의 시간에 따른 온도, CO 및 Soot 분포를 각각 Figure 5~7에 나타내었다.

Case 1과 Case 2 모두 화재차량에서 발생한 고온의 공 기는 터널 상부로 수직 상승하고 터널 천장부를 따라 출구 로 확산되는 것을 볼 수 있다. NFPA 101⁽¹⁰⁾에서 스모크 경계면 높이를 바닥으로부터 1.8 m 이상에 형성시키는 온 도로 규정하고 있는 60^oC 이상의 공기가 화원으로부터 출 구방향으로 시간에 따라 확산하는 거리는 Case 1의 경우 100초에 5 m 확산되었고 이후, 200초 139 m, 300초 320 m, 400초에는 터널 출구면인 500 m 지점까지 확산되었다 (390초에 터널 출구면까지 확산됨). Case 2의 경우 처음 100초에는 Case과 같은 5 m를 확산하였지만 그 이후에는 Table 2. Setting of Mesh Gird

Mesh base size (m) Number of mesh (EA)

M-1 1.0 0,167,821

M-2 0.8 0,274,358

M-3 0.6 0,596,406

M-4 0.4 1,860,323

M-5 0.3 4,216,797

Figure 4. Temperature in longitudinal section to grid system.

Table 3. Number of Mesh According to Case Number of mesh

Case 1 351,277

Case 2 596,406

Case 3 531,400

Case 4 476,611

Case 5 411,997

제연경계벽의 영향을 받아 200초 106 m, 300초 234 m, 400초 381 m 확산되었으며, 해석 종료시점인 446초에는 428 m까지 확산되었다.

NFPA 502⁽¹¹⁾에서 규정하고 있는 인간이 CO에 노출됐을 때 수분 이내에 사망할 수 있는 450 ppm 이상 CO의 선단 이 시간에 따라 확산하는 거리는 Case 1의 경우 100초에 56 m를 확산하였고, 200초 180 m, 300초 343 m, 400초에 는 500 m까지 확산하였다(380초에 터널 출구면까지 확산 됨). Case 2의 경우 100초에는 56 m로 Case 1과 같은 거리 를 확산하였지만 200초 160 m, 300초 287 m, 400초 410 m, 446초 473 m를 확산하여 제연경계벽을 지나갈 때마다 Case1에 비해 확산이 지연되는 것으로 나타났다.

NFPA⁽¹²⁾에서 비발광체를 20 ft 거리에서 식별할 수 있는 최대 Soot 농도인 65 mg/m³의 선단이 시간에 따라 확산하

는 거리는 Case 1의 경우 100초에 56 m를 확산하였고, 200 초 180 m, 300초 343 m, 400초에는 500 m까지 확산하였다 (380초에 터널 출구면까지 확산됨). Case 2의 경우 100초에 는 56 m로 Case 1과 같은 거리를 확산하였지만 200초 160 m, 300초 287 m, 400초 410 m, 446초 473 m를 확산하여 제연경계벽을 지나갈 때마다 Case 1에 비해 확산이 지연되 는 것으로 나타났으며, 수치해석 방법에 따라 CO와 Soot의 확산은 공기의 유동을 따라 확산하도록 하였기 때문에 CO 와 Soot의 시간에 따른 확산거리가 유사하게 나타났다.

제연경계벽의 지연효과를 좀 더 자세히 확인하기 위해 터널 중앙 종단면에서 전체 해석 Case에 대하여 공기 온 도, CO 및 Soot 농도의 기준값이 시간에 따라 확산하는 거리를 Figure 8에 그래프로 나타내었다. 제연경계벽이 없 는 Case 1의 경우 3가지 그래프에서 모두 기울기가 일정 Figure 5. Distribution of temperature contour.

Figure 6. Distribution of CO contour.

Figure 7. Distribution of soot contour.

한 것에 비해 제연경계벽이 있는 경우 제연경계벽이 설치 되어있는 지점에서 기울기가 작아졌다가 제연경계벽을 통 과한 후 기울기가 커지는 것을 확인할 수 있다. Case 1은 앞에서 설명한 바와 같이 60^oC 이상의 공기는 약 390초 에 터널 출구까지 확산되었으며, 450 ppm 이상의 CO와 65 mg/m³이상의 Soot는 380초에 터널 출구까지 확산되 었다. Case 2는 60^oC 이상의 공기, 450 ppm 이상의 CO, 65 mg/m³ 이상의 Soot 모두 해석이 종료될 때까지 터널 출구면으로 확산되지 않았다. Case 3은 60^oC 이상의 공기 의 경우 해석이 종료될 때까지 터널 출구면까지 확산되지 않았지만 450 ppm 이상의 CO, 65 mg/m³이상의 Soot의 경우 각각 440초, 430초에 터널 출구면까지 확산되었다.

Case 4의 경우 60^oC 이상의 공기는 430초 450 ppm 이상 의 CO, 65 mg/m³ 이상의 Soot는 430초에 터널출구까지 확산되었다. 마지막으로 Case 5의 경우 60^oC 이상의 공기 는 430초 450 ppm 이상의 CO, 65 mg/m³ 이상의 Soot는 430초에 터널출구까지 확산되었다. 따라서 도로터널 내 화 재가 발생했을 경우 연기류의 확산 지연 효과는 제연경계 벽이 없는 경우 보다 제연경계벽을 설치했을 때 최대 약 70초의 확산 지연효과가 있는 것으로 나타났다.

Table 4. The Number of Cars and Capacity Type Passenger

car

Bus Truck

Small Large Small Medium Large Special

Rate (%) 49.66 5.21 4.82 11.63 9.88 11.68 7.12

Number of Cars (car) 90 9 9 21 18 21 13

Capacity (people) 3 16 45 1 1 1 1

Figure 9. Picture of fire sourc.

3. 피난 시뮬레이션을 통한 피난시간 분석

3.1 피난시뮬레이션 시나리오

피난시뮬레이션을 이용하여 터널 내부에서 화재가 발생 했을 경우 터널 이용객들의 피난 특성 및 피난 소요시간을 알아보았다. 대상은 3차원 수치해석에서 대상이 된 터널과 동일하며, 화재시나리오는 터널 내 차량 정체시 터널 입구 로부터 500 m 지점에 위치하고 있던 버스의 엔진과열에 의해 화재가 발생하였다. 화재차량 탑승자들은 초기진화를 시도하였으나 실패하여 화재발생 20초 후 피난을 개시하 였고, 화재차량 반경 30 m 미만의 차량은 화재가 발생한 것을 직접 목격하여 화재발생 20초 후 피난을 개시했다.

화재차량 반경 30 m 이상 100 m 미만의 차량은 피난을 하 는 터널 이용객들을 목격하고 피난하는 것으로 가정하여 화재발생 30초 후 피난을 개시했다. 화재차량 반경 100 m 이상의 거리에 있는 차량에 탑승한 이용객은 화재발생 60 초 후 터널 내부에 있는 자동화재탐지설비를 통해 화재발 생여부를 인지하게 되어 피난을 개시하는 것으로 하였다.

또한 극심한 정체상황이기 때문에 차량을 이용한 피난은 없는 것으로 하였으며, 터널 이용객은 터널 입구와 출구

양방향으로 피난하는 것으로 하였다.

터널 내 차량의 대수는 식에 의하여 총 181대이며, 각 차량의 혼입비율과 그것에 따른 터널 내 차량대수, 그리고 차량별 탑승인원을 Table 4에 나타내었고 이에 따른 총 피 난인원은 878명이며, Figure 9에 피난시뮬레이션에서의 화재차량을 나타내었다.

3.2 피난시뮬레이션 결과

본 대상 터널 피난시뮬레이션의 시간에 따른 피난인원 수와 누적피난인원 수를 Figure 10과 11에 나타내었다. 터

Figure 10. The number of people over time. Figure 11. The cumulative number of people over time.

Figure 12. Event tree for quantitative risk assessment methodology.

널 이용객들은 화재인지 시간에 따라 화재발생 20초~60초 후부터 피난을 개시하였고, 최종피난완료시간은 446초로 나타났다. 최종 피난인원은 화재 인지시간은 가장 빠르지 만 피난거리가 가장 긴 화재차량 반경 30 m 이내에 있는 차량에서 피난을 시작한 것으로 나타났다.

4. 정량적 위험도 평가를 통한 적절성 평가

4.1 정량적위험도 평가 방법

정량적 위험도 평가는 도로터널의 위험도를 정량적으로

를 통해 산출하였으며 사고발생 빈도는 식(10)을 통해 산 출하였다. 본 연구에서는 버스의 대상터널 연간 일평균 교 통량을 2014년 전국 고속도로의 버스 연간 일평균 교통량 인 1,586 Veh/day로 하였다.

VK = AADT × TL (9)

Freq = ACR × VK (10)

여기서, VK: 대상터널에서 버스의 연간 주행거리(Veh · km/yr),

여기서, AADT: 대상터널에서 버스의 연간 일평균 교통량 여기서, TL: 터널연장(km)

여기서, Freq: 사고발생빈도

여기서, ACR: 시나리오에 해당하는 사고발생확률 화재시 인체에 영향을 미치는 유해가스는 일산화탄소 (CO), 이산화탄소(CO2), HCN, 산소저감률 등이 있으며, 본 연구에서는 일산화탄소와 열을 대상으로 인체에 미치는 영 향을 분석하였다. 분석방법으로는 유효복용분량(Fractional Effective Dose, FED) 평가를 사용하였으며, CO에 의한 FED 평가방법은 식(11)을 통해 구할 수 있고 열에 의한 FED평가 방법은 식(12)을 통해 구할 수 있다. 각 피난객 별로 이 두가지 값을 시간에 따라 피난 완료할 때까지 더 하여 0.3을 초과하는 경우 사망한 것으로 판정하였다.

(11) 여기서,

D: 의식불명에 이르게 하는 COHb% 농도(30%) ppmCO: 피난객이 흡입하는 CO의 농도 t: 피난객이 CO에 노출된 시간(min)

(12) 여기서,

t: 피난객이 열에 노출된 시간(min) T: 피난객이 노출된 온도(^oC)

사고발생주기와 사망자 수 추정을 완료하면 사고발생주

기(F)/사망자수(N) 선도를 통해 해당 결과가 사회적 위험 도 범위 안에 있는지 검토하게 된다. 본 연구에서는 도로 터널 방재시설 설치 및 관리지침에서 제시하는 ALARP 영역의 High Level 기준을 N = 10, F = 10⁻⁴로, Low Level 기준은 N = 10, F = 10⁻⁶의 값을 사용하였다.

4.2 정량적위험도 평가 결과

본 연구에서 대상이 된 고속도로 터널의 정량적 위험도 평가 결과 화재 시나리오에 따른 사고발생빈도는 0.000359 건/yr로 산출되었다. 따라서 대상터널 내에서 정체상태이 고, 20 MW 발열량의 버스화재사고는 약 2,785년 주기로 발생하는 것으로 예측된다.

FED를 통해 예상 사망자수를 추정한 결과 Case 1은 25 명, Case는 2 0명, Case 3은 1명, Case 4는 3명, Case 5는 17명으로 나타났다. 터널 내 제연경계벽의 수가 많을수록 예상사망자 수는 적게 나타났으며 피난객의 피난속도, 열 및 CO의 확산속도를 고려하여 제연경계벽을 설치하는 것 이 효과가 클 것으로 예상된다.

각 Case에 따른 F/N도를 Figure 13에 나타내었다. Case 2의 경우 예상사망자 수가 0명이기 때문에 Acceptable 영 역에 해당되며, Case 3과 4는 ALARP영역에 해당된다. 제 연경계벽이 없는 Case 1과 제연경계벽이 250 m 간격으로 설치된 Case 5의 경우 Unacceptable Region에 포함되는 것으로 나타났다.

하지만 사고발생빈도 산정시, 통계데이터에 따라 사고발 생빈도 값이 다르게 나타나고 그에 따른 정량적 위험도 평 가의 결과가 달라질 수 있기 때문에 통계데이터 활용 시 신중을 기할 필요가 있다.

5. 결 론

본 연구에서는 중규모 도로터널에서의 제연경계벽의 적 F_ICO = %COHb

--- = D 8.2925 10× ⁻⁴(PPmCO)^1.036t ---D

F_IHEAT = t

e5.1849−0.0273T

---

Figure 13. Quantitative risk assessment methodology F/N curves.

절성을 확인하기 위해 제연경계벽의 유 · 무와 제연경계벽 의 설치 간격을 변화시켜 3차원 수치해석을 한 결과와 피 난시뮬레이션 결과를 이용하여 정량적 위험도 평가를 한 결과 다음과 같은 결론을 얻었다.

1. 제연경계벽을 설치하지 않은 경우(Case 1), 연기류 (60^oC 이상의 공기, 450 ppm 이상의 CO, 65 mg/m³ 이상 의 Soot)의 확산은 터널 이용객이 출구로 피난하는 속도보 다 빠르게 확산하여 원활한 대피환경이 조성되기 어려운 것으로 나타났다.

2. 제연경계벽의 설치간격이 100 m (Case 2)인 경우 연 기류의 확산속도가 터널 이용객이 출부로 피난하는 속도 보다 느리게 확산하여 피난객이 원활하게 피난을 할 것으 로 예상된다. 제연경계벽의 설치간격이 150 m (Case 3)인 경우 연기류중 60^oC 이상의 공기는 피난객의 피난속도보 다 느리게 확산되었지만 450 ppm 이상의 CO 및 65 mg/

m³ 이상의 Soot는 피난객의 피난속도보다 빠르게 확산되 는 것으로 나타났다. 제연경계벽 설치간격이 200, 250 m (Case 4, 5)인 경우 터널이용객의 피난속도보다 연기류의 확산속도가 더 빠른 것으로 나타났다.

3. 제연경계벽의 설치 유무와 간격에 따른 확산속도 비 교 결과 제연경계벽을 설치하지 않은 경우보다 설치한 경 우 최대 약 70초의 연기류 확산 지연효과가 있는 것으로 나타났다.

4. 정량적 위험도 평가 결과, Case 2의 경우 Acceptable 영역에 해당되었고, Case 3, 4의 경우 ALARP 영역에 해 당되었으며, Case 1, 5의 경우 Unacceptable 영역에 해당 되는 것으로 나타났다. 따라서 대상 터널에서는 Case 2가 가장 안전한 것으로 확인되었다. 하지만 정량적 위험도 평 가의 사고발생빈도 산정 시, 통계데이터에 따라 사고발생 빈도 값이 다르게 나타나고 그에 따른 정량적 위험도 평가 의 결과가 달라질 수 있기 때문에 통계데이터 활용 시 신 중을 기할 필요가 있다.

후 기

본 연구는 2015년도 강원대학교 대학회계 학술연구조성 비로 연구하였음(관리번호-201510048).

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