터널형 방음시설의 화재 리스크 및 구조적 위험요인 분석 = Analysis of Fire Risks and Structural Vulnerabilities in Soundproof Tunnels

국문 초록 (Abstract)

터널형 방음시설(방음터널)은 도로 교통소음 저감을 목적으로 도심부 및 고속도로 구간에 광범위하게 설치되고 있으나, 가연성 방음자재의 적용과 반밀폐 구조라 는 공간적 특성으로 인해 화재 발생 시 기존 도로터널과는 상이한 위험 거동을 나타낸다. 특히 상부 또는 측벽이 부분적으로 개방된 구조는 열과 연기의 축적 양상, 화염 확산 방향, 피난 환경 형성에 있어 독특한 화재 메커니즘을 형성하며, 최근 국 내 방음터널 화재사례는 이러한 구조적･재료적 취약성이 인명 및 재산 피해로 직결 될 수 있음을 보여주고 있다. 그럼에도 불구하고 현행 법령과 설치 기준은 방음터 널을 독립적인 화재안전 검토 대상으로 규정하지 않고, 도로터널 또는 방음벽 기준 을 준용하는 수준에 머물러 있어 시설의 특수성을 충분히 반영하지 못하고 있다. 본 연구는 이러한 문제의식에 기반 하여 방음터널 화재 리스크를 구성하는 핵심 요인을 공학적으로 규명하고, 방음자재의 연소 특성, 터널 구조 조건, 화재 동역학 간 상호작용을 실험과 수치해석을 통해 정량적으로 분석하는 것을 목적으로 한다. 연구는 문헌 및 사례 분석, 자재 연소 특성 실험, 화재 시뮬레이션의 세 단계로 수행되었다. 먼저 국내･외 방음터널 화재사례를 조사･분석하여, 반밀폐 구조에서의 열･연기 거동, 초기 대응 지연, 가연성 방음판의 파괴 및 낙하 가능성, 연기 확산 특성 등 주요 위험 요인을 도출하였다. 분석 결과, 방음터널 화재는 일반 도로터널에 비해 개방부 방향으로 화염이 급격히 유출되고 국부적인 고온 영역이 형성되며, 가연성 외피의 연소 및 탈락 가능성이 동반되는 구조적으로 특수한 화재 메커니즘을 갖는 것으로 확인되었다. 다음으로 방음터널에 적용되는 주요 방음자재의 연소 특성을 규명하기 위해 열중량분석(TGA), 콘 칼로리미터 시험(KS F ISO 5660-1), KS M 3015 내연성 A법을 수행하였다. 실험 대상 자재는 국내 방음터널 적용 사례가 확인된 폴리카보 네이트(PC)로 한정하였으며, 열분해 개시 온도, 질량 감소 거동, 열방출률(HRR), 최대 열방출률(PHRR)을 분석하였다. 그 결과 PC는 가연성이 존재함에도 불구하고 난연 처리 여부와 열분해 특성에 따라 연소 확산 속도와 열방출 규모에서 차이를 보였으며, 이는 구조적 취약성 평가의 정량적 근거로 활용될 수 있음을 확인하였다. 마지막으로 방음자재 연소 특성 실험을 통해 화재 거동의 기초적 특성을 파악하 고, 이를 해석 근거로 하여 한국도로공사 교통연구원에서 검증된 열물성 매개변수 를 적용한 FDS(Fire Dynamics Simulator) 기반 화재 시뮬레이션을 수행하였다. 이를 통해 연기 확산, 가시거리 변화, 열 축적 및 구조부 온도 상승 특성을 구조 조 건별로 분석하였다. 시뮬레이션은 방음자재 적용 조건, 터널 형상(동일 단면적 기준 최대 높이 변화), 화재 차량 위치, 측벽 및 상부 개방 조건을 변수로 설정하여 수행 되었다. 분석 결과, 상부 개방 조건이 확보될수록 연기는 상부로 빠르게 배출되는 경향을 보였으나, 동시에 화염의 외부 분출과 국부적 열류 집중이 발생하여 내부 가시거리 저하와 피난 환경 악화를 초래할 수 있음이 확인되었다. 이는 방음터널 화재에서 개방 구조가 항상 안전성 향상으로 직결되지 않음을 시사한다. 본 연구의 주요 기여점은 다음과 같다. 첫째, 방음터널을 기존 도로터널과 구분 되는 독립적인 화재 위험 구조물로 정의하고, 반밀폐 구조와 가연성 외피가 결합된 고유의 화재 메커니즘을 정리하였다. 둘째, 방음자재의 연소 특성을 실험적으로 정량화하여 자재 선택이 구조적 화재 리스크에 미치는 영향을 객관적으로 제시하였 다. 셋째, 구조 조건을 고려한 화재 시뮬레이션을 통해 연기･열･가시거리 변화의 상호작용을 분석함으로써 현행 기준에서 간과된 실제 화재 거동을 규명하였다. 넷째, 자재–구조–화재 거동을 통합적으로 고려한 위험도 평가 관점을 제시하여 향후 방음 터널 설계 및 화재안전 기준 개선을 위한 기초 자료를 제공하였다. 본 연구 결과는 방음터널 화재 안전성 확보를 위한 공학적 근거를 제시하며, 향 후 위험도 기반 설계 도입, 방음자재 난연성 평가 기준 정립, 구조적 개방 조건을 고려한 방재 대책 수립 등 체계적인 안전관리 전략으로 확장될 수 있을 것으로 기대된다.

Key words: 방음터널(Soundproof Tunnel), 화재 리스크 평가(Fire Risk Assessment), 구조적 취약성(Structural Vulnerability), 반밀폐 구조 화재거동(Semi- Enclosed Fire Behavior), 폴리카보네이트(Polycarbonate, PC), 방 음자재 연소 특성(Combustion Characteristics of Soundproof Materials), FDS 화재 시뮬레이션(FDS Fire Simulation)

목차 (Table of Contents)

• 목 차 ⅰ
• 표 목 차 ⅳ
• 그림목차 ⅺ
• Ⅰ. 서 론 1
• 1. 연구의 배경 및 필요성 1
• 2. 선행연구 검토 3
• 1) 터널형 방음시설 자재의 연소 특성 3
• 2) 터널형 방음시설 반밀폐 구조 특성 5
• 3) 터널형 방음시설 등 국내･외 화재사례 6
• 4) 화재 시뮬레이션을 이용한 터널형 방음시설 화재 위험성 평가 8
• 3. 연구 목적 10
• 4. 연구 범위 및 방법 11
• Ⅱ. 터널형 방음시설 현황 분석 14
• 1. 터널형 방음시설 개요 14
• 1) 터널형 방음시설의 정의 14
• 2) 터널형 방음시설의 구조 및 자재 15
• 2. 터널형 방음시설 설치 현황 27
• 1) 국내 설치 현황 27
• 2) 국외 설치 현황 33
• 3. 터널형 방음시설 화재사례 39
• 1) 국내 화재사례 39
• 2) 국외 화재사례 40
• Ⅲ. 터널형 방음시설 관련 기준 44
• 1. 터널형 방음시설 관련 법령 및 설치 기준 44
• 1) 국내 법령 및 제도적 기준 44
• 2) 국외 법령 및 지침 54
• 2. 터널형 방음시설 자재 성능 시험 기준 59
• 1) 국내 기준 59
• 2) 국외 기준 72
• 3) 국내･외 자재 성능 시험법 84
• Ⅳ. 방음자재 연소특성 실험 및 분석 85
• 1. 터널형 방음시설 자재의 연소특성 실험 85
• 1) 터널형 방음터널 자재 선정 기준 85
• 2) 실험 방법 및 자재 선정 86
• 3) 열중량 분석법(TGA) 89
• 4) KS M 3015 내연성 A법 93
• 5) 콘 칼로리미터(Cone calorimeter) 시험 95
• Ⅴ. 화재 시뮬레이션을 이용한 위험성 분석 및 평가 102
• 1. 피난 안전성 검토를 위한 화재 시뮬레이션 102
• 1) 화재 해석 프로그램 및 모델링 기법 102
• 2) 화재 시뮬레이션 시나리오 설정 103
• 3) 화재 시뮬레이션 평가 방법론 109
• 2. 터널형 방음시설 화재 시뮬레이션 해석 110
• 1) 터널형 방음시설의 자재 특성에 따른 화재 위험성 110
• 2) 터널형 방음시설의 형태에 따른 화재 위험성 119
• 3) 터널형 방음시설 내 화재차량 위치에 따른 화재 위험성 169
• 4) 터널형 방음시설의 측벽 개방에 따른 화재 위험성 194
• 5) 터널형 방음시설의 연장 길이에 따른 화재 위험성 200
• 6) 터널형 방음시설의 상부 개방에 따른 화재 위험성 207
• Ⅵ. 결 론 243
• 참 고 문 헌 247
• 영 문 초 록 261
• 감 사 의 글 265