1. 서론
“공동구”라 함은 ｢국토의 계획 및 이용에 관한 법률｣ 제 2조, 동법 시행령 제2조에 의한 기반시설에 따라 도시·군 관리계획으로 결정⋅고시된 시설로서 전기, 가스, 상⋅하수도, 전화, 통신 등과 같은 공공 시설물을 지상의 가공선이나 단순 지하 매설물 형태로의 설치를 지양하고 두 종류 이상의 시설물을 동일 구내에 공동으로 수용하는 구조물을 말한다. 따라서 공동구가 가지는 경제적⋅사회적 요구에 따라 현대도시에 있어서 필수시설이 되었다.
그러나 지하공동구가 갖는 특성상 위험인자가 다수 존재하며, 2000년 02월 18일 여의도 공동구 화재 시 약 32억의 재산피해와 통신 33,131회선의 불통, 1,000여 가구의 정전, 공동구 내부 152평 손실을 입었으며 공동구 특성상 재난 시 막대한 사회적⋅경제적 손실이 초래된다. 사고의 원인은 대부분이 화재이며 화재 원인으로는 결로, 단락 등이다(Kim et al., 2008). 공동구는 밀폐된 지하공간으로서 화재발생시 위치 및 방향감각 상실, 연기, 고열, 분진 등이 다량으로 발생하기 때문에 조기 Panic현상에 달하게 되며, 고온 및 많은 연기의 발생으로 지하공동구내의 진입이 곤란하며, 효과적인 화재진압을 하는데 한계가 있다. 또한 공동구화재는 지상화재에 비해 인명구조, 피난, 연소 확대 방지 등 소방대원의 소방 활동에 많은 제약을 받게 되며, 연기의 확산은 지상의 계단 방향으로 흐르므로 피난 방향과 동일하여 많은 인명피해가 발생가능성이 매우 높다.
따라서 본 연구에서는 지하공동구 화재발생 시, 연기확산 시나리오의 검토와 국내⋅외의 기류속도 설계기준과의 비교 분석과 컴퓨터 시뮬레이션을 이용한 지하공동구의 배연성능을 위한 시뮬레이션 연구 등이 이루어졌다.
2. 지하공동구 환기설비 및 배연관련 법규
2.1 국내⋅외 관련 법규
지하공동구는 도시기반 시설로 화재 발생 시 내부의 연기와 유독성 가스 등을 신속히 배출하여야 소방대원의 접근이 용이해져 피해 확산을 방지할 수 있다. 평상시에는 환기를 통한 기류 유동을 형성함으로써 내부의 오염물질의 배출에 의한 작업환경의 개선의 효과를 얻을 수 있으며, 또한 내부 결로의 발생을 방지하여 내부 시설물의 노화를 억제하여 관리 및 운영비용을 절감할 수 있다.
이에 국토교통부의 “공동구 설치 및 관리지침”(훈령 제428호)에는 환기구와 환기설비를 설치하도록 하고 있다.
Jin et al. (2014)은 지하공동구의 화재안전성능 확보를 위한 지하공동구의 환기시스템 개발에 대한 연구로써 지하공동구 환기설비 설계기준에 관한 연구를 수행하였으며, 연구내용으로써 미국의 공동구 설계 지침은 각 지방정부의 운수부(Department of Transportation)의 것을 따르고 있으며, 일본의 경우 일본 도로협회(공동구 설계지침, 2007)를 따르고 있다. 공동구 내 적정수준의 공기환경 유지를 위해 자연환기구 및 기계환기설비의 설치를 의무화하고 있으며, 환기를 통하여 공동구 내의 공기 농도를 19.5~23.5%로 유지한다고 하였다.
Table 1은 한국, 미국 그리고 일본의 지하공동구 설계기준을 정리한 표이다(Ministry of Land Infrastructure and Transport, 2009).
Table 1
Domestic and International Standards for Ventilation Performance in The Underground Tunnels
2.2 지하공동구 화재특성
지하공동구는 어둡고 비좁기 때문에 화재 진압 시 많은 어려움이 따르며 발화 초기에는 지상과 유사하게 화재성상이 진행되지만 시간의 경과에 따라 산소결핍으로 인한 불완전 연소로 다량의 연기 발생하는 등 작업자 및 소방대원의 인명피해가 우려된다. 또한 화재 진압 시 지상의 지휘본부와 지하공동구 내로 진입한 소방대원과의 연락이 어려워 화재상황을 파악하기가 어렵다.
지하공동구 내의 주요한 가연물은 케이블 외장재료로 사용되는 폴리에틸렌(PE)이나 폴리비닐클로라이드(PVC)이기 때문에 화재가 발생하면 연속적으로 연소확대의 위험이 크고 연소 시 발생되는 주요 연소가스는 염화수소, 일산화탄소, 이산화탄소 등으로 일산화탄소의 경우는 화재 시 3%이상이 되어 단시간 흡입하여도 쉽게 사망할 위험성이 있다(Kim et al., 2008).
3. 연구 방법
3.1 연구 대상 지하공동구의 개요
연구대상 지하공동구는 인천소재의 지하공동구로 2009년 11월 1공구가 준공되었고, 2012년 05월 3공구가 준공되었다. 설치 지역은 매립지로 조립식 구조물인 콘크리트 박스를 연결하여 매립형태로 시공하였다.
시설규모는 총 길이 19.6km이며, 시설 점용으로 전력, 상수도, 중수도, 쓰레기집하시설, 지역난방, U-city, 통신이 내부에 설치되어 관리되어지고 있다(Kim, 2016).
본 연구의 대상구간의 PC Box의 크기는 설비구 폭 4.5m, 높이 2.75m, 전력구 폭 2.5m, 높이 2.75m로. 구역 내 설비구와 전력구로 분리되어, 설비구에서는 상수도관과 지역난방 공급⋅환수관을 전력구에서는 전력, 통신 케이블을 관리하고 있다.
환기설비는 배연설비와 겸하여 급기측은 자연급기이고 배기측은 기계환기 시스템으로, 팬의 설비구 설계풍량은 5.55m3/s, 전력구는 3.7m3/s이고, 환기팬의 면적은 3.125m/s이다. 환기팬의 운전시간은 오전 9시부터 10시, 오후 1시부터 2시까지 한 시간씩 2회 환기하며, 급기구와 배기구간의 거리는 150m이다(Kim, 2016).
설계된 팬의 풍량으로 지하공동구 내 기류속도 인 풍속 V(m/s)는 풍량 Q(m3/s)를 공동구 단면적(m2)을 나눈 값으로 얻어지는데, 실제 설비구 환기풍량 설계기준인 5.55 m3/s와 설비구의 종단면적 12.375m2을 대입하면, 구하고자 하는 기류속도는 0.45 m/s가 되며, 마찬가지로 전력구 환기풍량인 3.7 m3/s와 전력구의 종단면적 6.875m2를 적용하면 0.54 m3/s로 계산되어진다.
일반적으로 터널에서는 연기제어를 위한 임계속도 개념이 적용될 수 있으나, 본 연구에서의 연구대상 지하공동구는 터널구조물과 다르게 화재발생시 방연풍속 이상의 풍속을 생성하기 위한 설비시스템은 설계되어 있지 않으며, 환기시스템을 배연시스템과 함께 사용하고 있습니다. 따라서, 환기설비로 급기측은 자연급기, 배기측은 기계환기 시스템을 고려하여 연구를 수행하였다(Lee et al., 2002).
또한 본 연구에서는 설계 팬용량에 따른 동내 기류가 형성되고 있는지, 그리고 국⋅내외 기준과 실측값과 비교하기 위하여 실시하였다.
본 연구에서는 설비구와 전력구의 급⋅배기측 그리고 75m중간 지점으로 기류속도를 측정하였는데, 측정방법으로는 Testo사의 480 PMV Set 풍속계를 사용하여 각 지점에 대해서 터널의 수직단면을 고려하여 9개의 위치를 선정한 후, 각 위치별 30초 동안 측정한 후 9개의 데이터를 평균하여 각 지점에 대한 기류속도 값으로 하였으며, 이를 국⋅내외 기준과 비교 분석하였다.
3.2 FDS를 이용한 지하공동구 내 배연성능 해석
3.2.1 해석 프로그램의 개요
시뮬레이션을 수행하기 위하여 본 연구에서는 Thunderhead Engineering사에서 개발한 FDS6.1.1 전처리가 가능한 Pyrosim 2014 프로그램을 사용하여 지하공동구 내 배연성능을 해석하였다.
FDS는 NIST(미 표준 기술 연구소, National Institute of Standards and Technology)에서 개발한 뛰어난 성능을 갖춘 화재 시뮬레이션 프로그램으로, CFD(전산유체역학, Computational Fluid Dynamics)코드를 통하여 화재현상을 분석한다. 이 프로그램은 화재를 포함하지 않는 현상, 예를 들어 환기와 같은 현상에 대해서도 적용할 수 있다. FDS와 FDS의 결과물을 3차원으로 표현해주는 Smokeview 프로그램은 모두 Pyrosim에 포함되어 있다.
3.2.2 대상 모델링 입력 조건
본 연구에서는 Pyrosim에서 기본적으로 제공하는 간편한 모델링 기능을 사용하여 모델링하였으며, 모델링의 정확도를 높이기 위해 데이터와 도면을 통해 구성하였다.
Table 2는 대상 공동구의 시뮬레이션 입력조건을 나타낸다. 공동구 길이는 총 150m로 25m와 125m에 급기구와 배기구를 각각 설치하였으며, 설비구는 폭 4.5m, 높이 2.75m, 전력구 폭 2.5m, 높이 2.75m로 구성하였고 배기구는 폭 5m, 높이 5.25m로 각각 구성하였다.
Table 2
The Conditions of Simulation
격자구성은 Pyrosim에서 제공하는 Mesh 툴로 구성하였으며, Tetrahedron방법으로 격자를 구성하였다. 총 Elements는 설비구는 약 15만개, 전력구는 9만개로 5개의 Multi Mesh로 단순하게 구성하였으며, 격자의 크기는 0.25m로 하였다 (Fig. 1 참조).
경계조건은 자연급기구와 모델링 양 끝부분은 FDS에서 기본적으로 제공하는 열린 계산 영역인 Open경계로 가정하였다(Fig. 2 참조).
3.3 화재 시나리오 설정
본 연구에서는 지하공동구 내 기류속도에 따른 배연성능 검토 및 적정 기류속도 확보를 위한 시나리오를 작성하였다. 발열량은 실제 지하공동구내에 설치되는 케이블의 연소 특성을 고려하여 산정하였으며, 화원의 위치 또한 가장 피해가 큰 아래 지점으로 하여 급기지점과 중간지점의 화재성장을 비교하였다.
3.3.1 내부 시설물을 고려한 화원 규모 설정
(1) 케이블 연소특성 조사
지하공동구에 설치되는 케이블은 난연성 절연재를 사용하며 폴리에틸렌(PE)이나 폴리비닐클로라이드(PVC) 등이 주로 사용된다. Table 3에는 케이블 절연재의 주요 연소 특성을 나타내었다.
Table 3
Combustion Characteristics of Cable Insulation Material
(2) 케이블 절연재의 난연성 조사
난연성이 있는 재료는 등급에 따라 불연, 준불연, 난연으로 구분된다. 난연재료는 불이 붙어도 연소가 잘 되지않는 성질을 가진 재료이며 불에는 타지만 연소는 잘 되지 않는다. 또한 연소 시 6분간의 화열(최고 온도 500(°C))에서 변형, 발염, 파손이 생기지 않아야 한다.
불연재료는 화재확산이 되지않는 재료로 불이 확산되지 않으므로 불연재료를 기준으로 할 경우 설계기준을 제시할 수 없다. 하지만, 준불연재료 및 난연재료의 경우 최대 열방출률이 200kW/m2로 같으므로 200 kW/m2를 사용하여 설계기준을 정할 수 있으며 같은 설계기준 값을 갖는다(Ministry of Land, Transport and Maritime Affairs, 2012).
(3) 케이블 표면적을 통한 발열량 산정
케이블 표면적을 계산하기 위해 공동구 설치 및 관리지침을 조사하였다. 지침에 따르면 “수평지지대당 케이블 최대 배열 회선수는 154kV 이상은 1회선, 22.9kV는 3회선”으로 한다는 내용에 따라 케이블이 전압에 따라 한 번에 수용할 수 있는 회선수가 다르며, 특고압의 전기가 송전됨을 알 수 있다.
본 연구에서 선정된 송도공동구의 전력구에는 반지름이 120mm인 154kV 케이블이 18회선, 60mm인 22.9kV 케이블이 84회선이 설치되어 있다.
이를 고려하여 구하면, 화재길이를 화재 초기상황임을 고려하여 1m 일 때 화재발생 표면적은, 154kV 케이블이0.12m × 1m × π × 18 = 6.79m2와 22.9kV케이블이0.06m × 1m × π × 18 = 15.83m2이므로 총 화재발생 표면적은 22.608m2이다.
따라서 화재 시 난연재료인 케이블의 표면적에 의한 최대 발열량은 Eq. (1) 같다(Kim, 2016).
여기서,
qf: 최대 발열량(kcal/h)
kf: 단위면적 당 최대 발열량(kcal/h·m2)
Dc: 케이블 직경(m)
Lf: 화재길이(m)
따라서 난연 재료의 최대 방열량을 200kW/m2로 규정하고 있으므로 22.62m2 × 200kW/m2 = 4,524kW가 된다.
(4) 화재 성장곡선
Fig. 4는 화재성장곡선에 대한 그래프이다. 일반적으로 화재는 시간의 제곱에 비례하여 성장하며, 화재의 크기가 약 1MW에 도달하는 시간(s)을 기준으로 화재를 분류하고 있다.
따라서 지하공동구의 화재 발생에 대한 주요 원인은 내부 가연물인 폴리에틸렌(PE)와 폴리비닐클로랄이드(PVC) 계열의 합성 플라스틱 수지에 의한 전기로 인한 화재가 가장 많은 경우이므로, Table 4에서 플라스틱 화재에 해당하는 연소 속도인 Fast로 설정하였다.
3.4 내부 기류속도를 고려한 화재시나리오 설정
국내의 경우 국토교통부 공동구 설치 및 관리 지침에 따르면 지하공동구 내 기류속도의 기준은 2.5m/s이며, 국외, 일본의 경우는 일본 도로협회의 공동구 설계지침 2.0m/s로 규정하고 있다. 하지만, 대상 지하공동구의 실측을 통한 지하공동구 내 기류속도는 각각 0.45m/s와 0.54m/s로 조사되었다. 이는 국내외 기준에 한참 못 미치는 결과이므로, 환기 및 화재 시 배연이 제대로 이루어지는지에 대한 검토가 필요하다. 따라서 본 연구에서는 대상 지하공동구의 현재 설계된 배기팬 기준의 기류속도와 국내외 기준, 그리고 최적의 기류속도를 도출하기 위한 시나리오를 작성하였다. 기류속도에 따른 시나리오는 총 3개의 Case로 정리를 하면 다음 Table 5와 같다.
4. 연구 결과 및 고찰
4.1 배기팬 설계 유속과 실측 기류속도 비교분석
Table 6은 지하공동구의 기계환기 작동유무에 따른 실제 기류속도를 측정한 결과이다. 실제 지하공동구의 내부 기류속도는 국내 설계기준 2.5m/s와 일본 설계기준인 2.0m/s에는 크게 못 미치는 것으로 나타났다.
Table 6
Underground Tunnel Air Velocity Measurements
기류속도는 기계환기 운전 시 약 1.5배정도 증가하였다.
기류속도 측정결과 기계환기 작동 시 기류속도의 증가 및 공기 유동이 형성되었으나, 때에 따라 기계환기 시에 기류속도가 낮게 측정되는 포인트도 나타났다. 이는 공동구 내부 유동장 형성에 문제점이 있다고 판단된다.
4.2 배기구 입구 기류 속도 시뮬레이션 결과
Fig. 5는 기류속도별 배기구 측 입구 기류속도를 컴퓨터 시뮬레이션을 통해 확인하였다.
현재 설계된 배기팬 용량에 따른 입구 기류속도는 미미 한 것으로 확인하였으며, 국⋅내외 기준의 배기구 입구 측 기류속도가 입력 값에 맞추어 확보되는 것을 확인 할 수 있었다.
4.3 국내⋅외 기류속도 기준에 따른 배연성능 결과
본 연구에서 배연성능이라 함은 화재 발생 후 연기가 확산됨에 따라 배기구에서 배연을 함으로써 배기구 이상으로 연기가 확산되지 못함을 의미한다.
기류속도에 따른 배연성능을 확인하기 위하여, 우선순위로 현재 설계된 기류속도에 따른 배연성능을 확인하고 국내기준과 일본기준 순으로 배연성능을 확인하였다.
연기의 확산은 125초가량 경과하였을 때, 125m지점까지 확산되어 배연이 시작되었지만, 207초 가량 경과 후 150m 전 구간에 연기가 확산되었고 305초에 완전히 연기로 가득 차는 상황이 연출되었다. 1,000초까지 시간이 경과하였음에도 150m구간에 연기가 가득 차 있는 것으로 보아 배연성능이 미미한 것으로 판단된다.
연기의 확산은 98초가량 경과하였을 때, 125m지점인 배기구까지 확산되었으나 강제 배기팬으로 인한 배연으로 인하여 1,000초까지 진행 하였음에도 125m구간 까지만 연기가 확산되는 상황이 연출되었다. 이는 배기팬이 효과적으로 작동되는 것이라 판단된다.
연기의 확산은 105초가량 경과하였을 때, 125m지점인 배기구까지 확산되었으나 강제 배기팬으로 인한 배연으로 인하여 1,000초까지 진행하였음에도 128m구간까지만 연기가 확산되는 상황이 연출되었다. 이는 배기팬이 효과적으로 작동되는 것이라 판단된다.
연기의 확산은 113초가량 경과하였을 때, 125m지점까지 확산되어 배연이 시작되었지만, 217초가량 경과 후 150m전 구간에 연기가 확산되었고 225초에 완전히 연기로 가득 차는 상황이 연출되었다. 1,000초까지 시간이 경과하였음에도 150m구간에 연기가 가득 차 있는 것으로 보아 배연성능이 미미한 것으로 판단된다.
연기의 확산은 92초가량 경과하였을 때, 125m지점인 배기구까지 확산되었으나 강제 배기팬으로 인한 배연으로 인하여 1,000초까지 진행하였음에도 125m구간까지만 연기가 확산되는 상황이 연출되었다. 이는 배기팬이 효과적으로 작동되는 것이라 판단된다.
연기의 확산은 98초가량 경과하였을 때, 125m지점인 배기구까지 확산되었으나 강제 배기팬으로 인한 배연으로 인하여 1,000초까지 진행하였음에도 125m구간까지만 연기가 확산되는 상황이 연출되었다. 이는 배기팬이 효과적으로 작동되는 것이라 판단된다.
지하공동구 내에서 기류속도에 따른 배연성능 결과는 다음과 같다.
Table 7
Results of The Utility Pipe Tunnel Ventilation Performance
| Air velocity (m/s) | Smoke spread range(m) | |||
|---|---|---|---|---|
| 250(s) | 500(s) | 750(s) | 1,000(s) | |
| 0.45m/s | 150m | 150m | 150m | 150m |
| 2.5m/s | 125m | 125m | 125m | 125m |
| 2.0m/s | 125m | 128m | 128m | 128m |
Table 8
Results of The Power Cable Tunnel Ventilation Performance
| Air velocity (m/s) | Smoke spread range(m) | |||
|---|---|---|---|---|
| 250(s) | 500(s) | 750(s) | 1,000(s) | |
| 0.54m/s | 150m | 150m | 150m | 150m |
| 2.5m/s | 125m | 125m | 125m | 125m |
| 2.0m/s | 125m | 125m | 125m | 125m |
설비구와 전력구의 화재 시 설계기준에 대한 배연성능은 1,000초가 지나도 150m 전 구간 연기가 확산되는 것으로 보아 효과가 없는 것으로 확인되었다. 하지만 국내⋅외 기류속도 시뮬레이션 결과 배기구에서 강제 배연으로 인하여 1,000초가 경과 하였지만, 125m이상 연기 확산이 없는 것으로 보아 효과적인 배연성능을 확인할 수 있었다.
5. 결론
본 연구에서는 지하공동구의 화재 시 배연성능을 확보하기 위한 적절한 기류속도를 도출하기 위하여 현재 지하공동구의 설계 기류속도를 검토하여 실측과 비교하였으며, 국⋅내외 설계기준을 검토하여 최적의 기류속도 도출을 위한 시나리오를 제시하여 컴퓨터 시뮬레이션의 결과를 분석 하였으며, 결과를 요약 정리하면 다음과 같다.
(1) 국내⋅외 지하공동구 설계 기류속도와 설계기준에 대해 조사하여 현재 대상 지하공동구의 기류속도와 비교한 결과, 대상 지하공동구의 설계 풍량에 따른 기류속도는 설비구 0.45m/s, 전력구 0.54m/s로, 국내 설계기준 2.5m/s와 일본 설계기준인 2.0m/s에는 크게 못 미치는 것으로 나타났다. 연구대상 지하공동구의 기류속도 설계치를 적용한 경우는 화재 발생에 따른 효과적인 배연성능의 확보가 가능하지 않은 것으로 비교 분석되었으며, 국내외의 설계기준을 고려한 팬의 설계 풍량의 조정이 필요할 것으로 판단된다.
(2) 설계기준에 대한 배연성능은 시간이 경과함에도 연기가 공동구 내 가득 차 있는 것으로 보아 효과가 없는 것으로 확인되었다. 하지만 국내⋅외 기류속도 시뮬레이션 결과 시간이 경과함에도 배기구 이후의 공간으로 연기가 확산되지 않으므로 효과적인 배연성능을 확인할 수 있었다.
향후 Test Bed를 통한 현장검증을 통해 시뮬레이션의 신뢰성을 확보해야 할 것으로 판단된다. 이러한 신뢰성을 바탕으로 지하공동구 설계 시 시뮬레이션을 통해 배기팬 용량 결정을 진행되어야 할 것으로 사료된다.
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