2.1.1. 위험인자식별

화재 위험인자 선별과정을 통해 화재가 발생했을 때 교량의 안전성에 크게 영향을 미치는 인자들을 위험도 평가에 반영해야 한다. 화재 진압시간 산정을 위한 소방서 및 교량 위치를 지도화 하였고, FDS 해석모델에 반영될 교량 재료의 특성, 화재강도의 크기와 위치, 화원으로 부터의 거리 파악을 위한 형하고 등을 분 석하였다.

2.1.2. FDS 해석

Fire Dynamics Simulator(FDS)해석을 통해 교량 하부의 표 면온도를 산출하였으며, 설계화재강도와 형하고를 변수로하고 콘크리트와 강교량의 재료적 특성을 반영하여 화재 심각도 (Severity)를 산출하였다. 화재는 열이 위쪽으로 향하는 경향을 띄고 있어서 교량 상부보다는 하부 화재가 위험하고, 교량 경간 중앙 하부에서 화재가 발생할 때 가장 취약하기 때문에 보수적 으로 교량하부 중앙에서의 화재발생을 가정하였다.

2.1.3. 위험도 등급평가 기준

등급평가기준은 강교량과 콘크리트교량의 손상등급과 소방 력 도착 등급(소방력 도착시간)을 제시하였다. 교량 구조물의 손 상등급은 화재에 노출 시 구조물의 손상정도에 따라 등급화했으 며, 소방서에서 교량까지의 소방력 도착시간을 시간대 별로 나 누어 기준으로 사용하였다.

2.1.4. 위험도 평가모델 구축

강교량과 콘크리트교량 두 개의 위험도 평가 모델을 구축하였 으며, 3개의 축으로 구성된 위험도 평가를 제시하였다. 각각의 축은 교량의 형하고, 화재설계강도, 소방력 도착등급으로 구성 되어있으며, FDS해석결과를 교량구조물의 손상등급 및 소방력 도착등급을 적용하여 위험도 평가모델에 반영하였다.

2.1.5. GIS 분석

구축된 위험도 평가모델을 적용하여 실제 교량의 위험등급 판 단을 위해서는 소방관서로 부터 교량까지 도착시간이 필요하다. 이를 위해, 각 교량과 소방서의 GIS 맵을 구축하고, ArcGIS 10.1 의 Network 분석기능을 통해 최근접 소방서의 거리와 소방차량 의 도착시간을 산출하였다.

2.1.6. 대응방안

효과적인 대응방안의 적용을 위하여, 기존에 존재하는 교량 화재에 대한 대응방안들을 예방/완화적 방법으로 나누었으며, 고위험군부터 저위험군까지 분류하여 위험군 별로 평가된 교량 에 맞추어 대응방안이 적용될 수 있도록 하였다.

2.2.1. 콘크리트 교량의 위험도 손상등급

콘크리트교의 손상등급은 콘트리트 재료로 구성된 교량의 부 재가 온도에 따라 변화하는 상태등급에 따라 분류하였다. 등급 І (None)은 교량의 하부환경을 반영하여 발화요인이 없음을 판단 하기 위해 추가적으로 제시하였으며, 등급 І(None)을 제외한 나 머지 등급들은 ^Zhai(2014)의 콘크리트 재료 손상기준을 인용하 여 Table 1에 나타내었다. 등급 І(None)은 하천 등의 존재로 발 화의 요인이 없어 화재발생이 미미한 등급으로 분류를 하고, 나 머지 등급 Ⅱ(Low), Ⅲ(Moderate), Ⅳ(High), Ⅴ(Critical) 등은 화재에 손상된 콘크리트 부재의 손상등급으로 구성되어 있다. 손상등급은 콘크리트 부재의 온도가 300°C, 600°C, 900°C에 도 달할 때의 탈색 현상과 박리 및 철근의 비틀림 등의 손상정도를 기준으로 제시하고 있다(^{Zhai et al., 2014}).

2.2.2. 강교량의 위험도 손상등급

강교량의 온도별 손상등급은 Table 2에 제시하였다. 콘크리 트 교량의 기준과 마찬가지로 등급 І(None)은 하천 등의 존재로 발생가능성이 미미한 것으로 분류하였으며, 등급Ⅱ(Very Low), 등급Ш(Low), 등급IV(Moderate), 등급V(High), 등급VI(Critical) 등급들은 화재에 노출된 구조물의 손상정도에 따라 분류하였다.

II(Very Low), Ш(Low)은 ASTM A 36 구조용 강재에 대한 재료의 물성변화를 참고하여 손상등급으로 분류했으며, 등급 Ⅳ (Moderate)는 강재 빔의 한계온도기준 동시에 ASIC의 최대허 용설계응력이 항복강도대비 60%로 감소하기 시작하는 538°C 로 제시하였다. Ⅴ(High)는 항복강도가 대략 20%정도로 감소하 면서, 눈에 띄게 박리현상을 확인할 수 있는 700°C로 선정했다 (^{Hurley et al., 2016}).

또한, 압연온도(Rolling Temperature)를 넘는 온도에서는 강 재의 강도을 크게 감소시키며 대부분의 경우 이 온도가 도달하기 전에 붕괴나 심각한 구조적 손상이 생길 가능성이 높다(^{Wright et al., 2013}). 또한, 일반구조용강의 압연온도가 1000°C이상에서 압연온도가 형성되므로(^{Wright et al., 2013}; ^{Domone et al., 2010}), Ⅵ(Critical)에서의 교량의 붕괴나 과도한 처짐의 발생가 능성이 존재하는 온도는 보수적으로 1000°C로 제시하였다.Table 3

2.2.3. 소방력 도착등급

건물의 경우 대부분의 화재는 5분 또는 8분 이내에 진압하지 않으면 당해 건물을 화재로부터 보호할 수 없거나 인근 건물로 화재가 확대된다. 일본의 경우는 목조건물의 수가 줄어들고 있 는 점을 감안하여 최근에는 5분 대응에서 8분 대응으로 완화되 었다. 이는 화재모델의 실험에 기초하는 것이며 화재는 5분 또는 8분 이내에 진화가 이루어져야 한다는 근거로 화재성장곡선이 사용되고 있다. 화재성장곡선은 한국뿐만 아니라 일본, 영국, 등 많은 나라에서 소방력 산출기준과 소방관서 배치의의 기초이론 이 되고 있다(^{Koo et al., 2012}). 따라서, 소방 기동대의 출동시간 은 화재 진압에 있어 매우 중요하며, 영국의 경우 Table. 2과 같 이 소방력 도착등급을 사용하고 있으며 위험지역별 현장 도착 기준시간을 정리하여 재난발생 시 대응하고 있다(^{Martin 1999}; ^{Koo et al., 2012}). 기준은 위험등급에 따라 A, B, C, D, RR 등 5 개 지역으로 나누고 그에 따라 대응시간을 정한다.

교량의 경우 소방력 도착에 등급에 대한 등급이 존재하지 않 기 때문에 그와 유사한 건물에 대한 등급을 인용하였다. 영국과 한국 모두 5분 소방대응이론을 채택하고 있으므로, 본 연구에서 는 영국의 화재대응 소방력 도착등급를 인용하여 Table 4와 같 이 본 연구에서 반영할 소방력 도착등급을 제시하고 위험도 등 급기준으로 활용하였다.

2.3.1. 설계화재곡선

설계화재강도를 가정하는 방법은 아래와 같이 3가지로 나눌 수 있다(^{Peacock et al., 2005}).

본 연구에서는 Fig. 4와 Table 5에 제시되어 있는 것과 같이 성 장 및 변화를 포함하는 도로터널 방재지침(2016)의 설계화재모 델을 FDS 해석에 반영하고, 국외의 사례들을 참고하여 기존의 제시된 설계화재강도 이외의 강도들을 해석 Case에 추가하였다.

Fig. 4.

FDS model of fire with growth and change

EUREKA Fire Tests(^{Haack 1998})에는 heavy good vehicle 에 대해서 100~130 MW까지의 화재강도의 실험결과를 제 시하고 있으므로, 100 MW의 위험물 수송차량은 130 MW의 화재강도로 상향시켜 보수적으로 결과값을 도출하였다. 유류가 유출되었을 경우 화물차(petrol/gasoline tanker with a leak)에서 30 MW이상의 화재강도로 권고치를 제시(^{Lacroix, 1998})하 고 있으므로 50 MW와 100 MW의 화재강도 케이스를 추가 하여 해석을 수행하였다.

2.3.2. 화원의 면적과 설계화재강도

화원모델의 면적은 도로터널 방재지침(2016)의 차종별 평균 길이를 반영하여 각각의 화원 면적을 선정하였다. 또한, 차량의 사고발생시 화원의 높이를 고려하여 차량 화재 시 화원 중심은 1 m높이에서 발생하는 것으로 가정하였다. 결론적으로, Table 6 과 같이 총 6개의 화원별 화재면적과 높이를 FDS의 화원 모델링 에 반영하였다.

2.3.3. FDS model

교량의 물성치는 강교량과 콘크리트 교량으로 나누어 Table 7 과 같이 FDS에 입력하였다. 교량의 형식별 기하학적 형상을 모 두 고려할 수 없기 때문에 단순하면서도 국도상에 많은 비율을 차지하고 있는 슬래브교의 형태로 모델링을 하였다. 실제 교량 의 다양한 형하고 높이를 반영하기 위해 Table 6에서 제시한 각 각의 설계 강도에 따라 형하고를 1 m씩 높여가며 해석을 수행하 였다. Fig. 5에 온도측점 위치와 해석모델 예시를 나타내었다. FDS 해석공간의 크기는 9 m×8 m×16 m로 설정하였고 9 m×8 m ×1 m 크기의 슬래브 교량과 Table 8에 제시된 화원으로 모델링 을 하였다. 화원은 교량을 지지하는 상부구조(거더)와 하부구조 (교대 및 교각) 대하여 직접적인 화재피해를 발생시키기 때문에 (^{Baik et al., 2016}), 화원은 교량하부의 정 중앙에 위치시켰다. 온도분석 대상은 화재의 영향을 가장 크게 받는 화원의 중앙에 서부터 수직거리에 존재하는 교량 하부표면에서의 온도에 대해 측정하였다. 해석시간과 경계조건 및 Mesh size는 Table 8에 제 시하였다.

Fig. 5.

FDS Temperature measurement point

2.3.4. FDS analysis results

화원의 크기를 10 MW, 20 MW, 30 MW, 50 MW, 100 MW, 130 MW로 선정하였으며 강교량과 콘크리트 교량으로 분류하 고 교량의 형하고 별로 최소 통과높이 4 m부터 화재가 크게 영향 을 미치지 못한다고 판단되는 15 m까지 1 m간격으로 총 144개 의 케이스에 대해 해석을 수행하였다. 해석시간은 Fig. 4의 화원 모델의 종료시점을 반영해 화원강도별로 입력하였다.

여러 화원의 크기 중에서도 가장 화재의 영향이 크다고 판단 되는 130 MW 화원의 콘크리트 교량과 강교량의 해석 결과를 Figs. 6과 7에 나타내었다. 교량의 형하고가 높아질수록 표면온 도가 낮아지는 경향을 보여주고 있으며, 130 MW이외의 해석결 과 값들도 같은 경향을 나타내었다. 강교량의 경우 콘크리트 교 량에 비해 열전도도가 수십배 이상 높기 때문에 열의 유입 및 유 출이 빨라 상대적으로 온도가 크게 증가하지 않는 것으로 나타 나며, 콘크리트는 열전도도가 낮아서 열을 이동이 늦기 때문에 높은 온도가 측정되는 것으로 판단된다.

Fig. 6.

130 MW Steel bridges temperature-time curve

Fig. 7.

130 MW Concrete bridges temperature-time curve

2.5.1. 콘크리트 교량의 화재 위험도 등급평가

FDS 해석을 통해 도출된 교량구조물의 하부표면온도 결과값 (Table 4), 소방력 도착등급 구간 내에 도달하는 구조물의 최고 표면온도(Table 1), 그리고 화재온도에 따른 콘크리트 교량의 손 상등급을 적용하여 Fig. 9와 같이 콘크리트교에 대한 3축 위험도 평가 모델을 제시하였다. 화재 위험도 평가모델은 화원의 크기 와 교량의 형하고(4 m~15 m) 그리고 소방력 도착등급의 3개 축 으로 구성되어 있으며, GradeⅠ(None)은 하천 등의 존재로 발생 가능성이 미미하다고 판단되는 경우로 교량의 하부환경을 확인 후 따로 분류하도록 하고, 나머지 등급인 Ⅱ(Low), Ⅲ(Moderate), Ⅳ (High), Ⅴ(Critical)는 화재강도와 소방력 도착시간에 따라 교량 의 위험등급을 판단 할 수 있다.Table 9

Fig. 9.

Triaxis risk assessment model for concrete bridges

위험도 평가를 적용하고자 Table 12와 같이 대한민국 경기도 에 존재하는 임의의 10개의 콘크리트교량의 위험등급을 산정하 였다. 화재강도는 가장 위험할 것으로 판단되는 130 MW로 선정 했으며, 형하고 하부환경 등을 반영하였다. 소방력 도착시간과 근교소방서는 GIS의 분석결과이며 산정된 도착시간은 Table 4 의 소방력 도착등급에 따라 분류가 가능하다. 이러한 결과들을 Fig. 9에 대입하면 각각의 위험등급을 산정할 수 있다.

2.5.2. 강교량의 화재 위험도 등급평가

콘크리트 교량의 위험도 평가와 마찬가지로 FDS의 해석결과 를 강교량의 손상등급에 적용하였다(Table 2). 발생가능성이 미 미한 Grade I(None)을 제외하고 나머지 등급 II(Very Low), III(Low), IV(Moderate), V(High), VI(Critical)에 따른 위험도 등급평가를 Fig. 10과 같이 나타내었으며, Table 10은 강교량의 위험도 평가 적용 결과이다.

Fig. 10.

Triaxis risk assessment model for steel bridges

2.5.3. 교량화재의 대응방안

Table 10 또는 Table 11과 같이 대상교량의 화재위험등급이 결정 된 후 교량 별 화재 대응방안 수립은 위험도 등급에 따른 대 응방안들을 적용하고, 화재사고를 사전에 예방하고 대비하려는 목적을 가지고 있다. 선행연구(^{Kim et al., 2013}; ^{Wright et al., 2013})에서 제시되었던 대응 방안들을 분석하여 화재발생 가능 성 저감, 위험요소 제거 등의 항목들은 완화(Mitigation)대응으 로 분류하고, 화재 발생 시 효과적인 대응이 가능하도록 준비하 는 항목들은 대비(Preparedness)대응으로 나누어 Table 11에 제 시하였다.