터널 풍도슬라브의 내화성능향상에 관한 실험연구 : 터널화재 내화성능 = Experimental study on the improvement of Fire Resistance in Tunnel duct slab

국문 초록 (Abstract)

터널 풍도슬라브의 내화성능향상에 관한 실험연구 최우진 산업공학과, 재난안전전공 선문대학교 일반대학원 최근들어 운영중인 도로 및 철도의 터널에서 화재가 발생했다는 뉴스가 빈번하게 전해지고 있으며 이로 인하여 심각한 경제적, 사회적인 손실이 초 래되고 있는 실정이다. 이처럼 밀폐된 공간인 터널 내 화재가 발생될 경우 구조물을 구성하고 있는 철근과 콘크리트체의 강도저하로 인한 터널의 붕 괴가 유발되어 인명피해 뿐만 아니라 사회기반시설(SOC)인 교통망을 장시 간 마비시키는 등 큰 재난으로 확산되는 사례들이 전해지고 있다. 건설·계획이 늘어나고 있는 장대터널에서 환기방식으로 채택되고 있는 풍도 슬라브는 밀폐된 공간의 특성상 운영중 진동 및 내부 공기압 등이 존 재하게 된다. 이러한 터널 및 지하차도 등의 환경에 의하여 적용된 내화재 료 등이 운영중에 박락·탈락되는 유발할 우려가 있으며, 내화기준을 충족하 지 못할 경우 터널내의 화재로 인해 구조물의 내구성에 심각한 문제가 초 래될 수 있다. 터널 구조물에 대한 내화대책의 수립은 화재에 의한 터널 내부 콘크리 트의 내구성 감소를 방지하며 급속한 연기확산을 지연시킴으로써 터널 이 용자의 안전한 피난여건이 확보될 수 있도록 도움을 제공할 수 있고 소방 대원의 소화활동이 원활하게 진행될 수 있는 여건을 만들어 주기 위해서도 반드시 필요한 사항이다. 이와 함께 콘크리트 내구성저하로 인한 터널 붕괴 로 인해 발생되는 2차적인 재해를 예방하고, 터널 보수·보강에 소요되는 시 간과 교통통제 및 복구비 등에 따른 사회·경제적인 손실을 최소화하는 역 할을 기대할 수 있다. 장대터널의 횡류식 환기방식으로 풍도슬라브를 채택하는 경우가 늘어나 고 있는데 본 연구에서는 내화패널을 부착한 풍도슬라브 공법과 내화몰탈 일체형 풍도슬라브 공법을 연구대상으로 고려하였다. 도로터널의 화재안전 성을 높이기 위해 국토교통부는 2021년 4월 14일에 “도로터널 내화지침'을 고시하였는데, 이에 따라 본 연구에서는 내화재료가 사용된 풍도슬래브에 대하여 부착성능측정시험(Pull-off test)과 피로시험을 실시하고 이후 구조 성능시험과 부착성능시험 및 피로시험을 실시하였다. 내화재료로 사용된 두 께 30 mm의 내화몰탈과 내화패널에 대한 실험결과, 콘크리트의 손상을 판 단하는 위치인 슬라브 표면(t=0 mm)의 위치에서의 최대온도와 철근의 손 상을 판단하는 위치인 깊이(t=25 mm)에서의 최대온도는 국제터널협회 (ITA, 2004)에서 제시한 콘크리트와 철근의 한계온도 이하로 나타났 다. 실험결과를 통해 볼 때 내화재료로 사용된 두께 30 mm인 내화패널과 일체형 내화몰탈 프리캐스트 PSC 슬라브 실험체는 최악의 조건을 고려한 RWS 화재시나리오 상황에서 구조물을 안정적으로 보호할 수 있는 내화성 능을 갖는 것으로 평가되었다. 주제어 : 터널화재, 폭렬, 풍도슬라브, 내화재료, 한계온도, 내화성능, 화 재이력곡선, 기초성능실험, 구조성능실험

목차 (Table of Contents)

• 제1장 서론 1
• 1. 연구 배경 및 목적 1
• 가. 연구의 배경 1
• 나. 연구의 목적 4
• 2. 연구 범위 6
• 제2장 이론적 배경 7
• 1. 국내 터널현황 7
• 2. 국내외 터널화재 사례 11
• 가. 국내 터널화재 사례 11
• 나. 국외 터널화재 사례 18
• 3. 터널 환기 계획 22
• 4. 터널 화재 시 열방출율과 온도곡선 31
• 가. 화재시 열방출율 31
• 나. 시간-가열 온도 곡선 33
• 제3장 고온에노출된철근콘크리트의특성과내화성능향상방안 41
• 1. 고온에 노출된 철근 콘크리트의 특성 41
• 가. 철근의 재료 특성 41
• 나. 콘크리트의 물리적 특성 47
• 다. 콘크리트의 역학적 특성 52
• 2. 고온에서의 콘크리트의 폭렬 55
• 가. 가폭렬현상 Mechanism 55
• 나. 콘크리트의 폭렬과 열응력 56
• 다. 콘크리트의 폭렬과 공극압 57
• 3. 철근 콘크리트의 내화성능 보강공법 58
• 가. 내화성능 보강공법의 종류 58
• 나. 내화피복공법 58
• 제4장 내화패널의 내화성능 실험 61
• 1. 내화실험방법 61
• 가. 시험체 제작 및 시험방법 61
• 나. 열전대 설치 및 측정 65
• 다. 화재이력곡선 66
• 2. 내화시험 결과 67
• 제5장 내화패널이 부착된 터널 풍도슬래브의 구조성능시험 70
• 1. 구조성능 시험의 개요 71
• 2. 기초성능 시험 72
• 가. Pull-off test 72
• 나. 내화패널의 휨 강도 74
• 3. 구조성능 시험 77
• 가. 시험체 제작 77
• 나. 시험체의 단면형상과 제원 81
• 다. 계측 위치 및 방법 83
• 라. 장치도 84
• 마. 동적 피로 부착 시험 85
• 바. 정적 휨 성능 88
• 제 6 장 결 론 97
• 참고문헌 100
• 영문초록 109
• 감사의 글 111