터널의 화재에 대한 기준, 도로터널 내화 지침 해설서

터널의 화재에 대한 기준, 도로터널 내화 지침 해설서

 

도로터널 내화 지침 해설서란?

도로터널 내화 지침 해설서는 국토교통부에서 발행한 문서로, 도로 터널의 내화 기준과 관련된 설명서입니다. 이 해설서는 **도로 터널 내화 지침 (’21.4)**의 내용을 이해하기 위해 작성되었습니다.

주요 내용은 다음과 같습니다

제1장 총칙: 터널의 내화에 관한 일반적인 규정과 용어 정의가 포함됩니다.
제2장 터널의 한계온도: 터널 내부의 최대 온도를 규정합니다.
제3장 터널의 내화: 터널 내부 재료의 내화 기준을 제시합니다.
제4장 터널의 내화공법: 내화 기능을 갖는 도료를 터널에 적용하는 방법을 설명합니다.
제5장 터널의 내화시험: 터널 내화 시험에 대한 과정과 곡선 등을 다룹니다.

이 지침은 화재로 인한 터널의 손상과 붕괴를 예방하고, 사용자의 안전을 최우선으로 고려하여 터널 내화에 관한 중요한 정보를 제공합니다.

 

 

제1장 총칙

제 1조 (목적)

제1조(목적)
이 지침은 도로터널에서 발생할 수 있는 차량화재 등으로인한 터널의 손상과 붕괴를 예방하기 위한 도로터널의 내화 기준을규정함을 목적으로 한다.

【해설】이 지침은 도로법 제10조에서 규정하고 있는 고속국도, 일반국도, 특별시도, 광역시도, 지방도, 시도, 군도, 구도의 터널에 적용함을 원칙으로 한다. 터널의 유형, 구조형식, 연장, 주변 환경을 함께 고려하여 화재로 인한 터널의 손상과 붕괴를 예방하는데 요구되는 내화 기준을 규정하는 것을 목적으로 한다.

터널은 폐쇄공간이기 때문에 내부에서 화재가 발생하게 되면터널 사용자의 안전이 최우선적이며 사용자의 대피를 위한 시간과 경로를 확보해야 한다.

하지만 터널 구조물이 손상되어 구조적인 안전성에문제가 발생하게 되면 대피에 지장이 생길 뿐만 아니라, 터널 기능의 상실로 인하여 막대한 사회적 비용이 발생하게 된다. 화재 후 보수비용 발생, 교통 차단 등으로 인한 교통의 편의성 저하 및 주변 지역의경제 활동 등이 사회적 비용에 포함된다.

국외에서는 Mont Blanc Tunnel 화재(1999)와 Tauern Tunnel 화재(1999), Gothard Tunnel 화재(2001) 등의 대형 터널화재가 발생하여 많은 인명피해와 터널의 구조적인 손상이 발생하였다.

국내에서도 사매2터널(2020), 상주터널(2015) 및 달성터널(2005) 등에서 발생한 대형차량 화재 사고로 터널 내 화재사고에 대한 사회적 불안감이고조되고 있는 실정이다.

특히 최근 신설하는 도로는 도심지 통과 및 기존 도로 개량 등으로지하도로 시공 및 설치사례가 증가하는 추세이며, 지하도로 구간의 연장도 증가하고 있다.

또한 침매터널, 도심지 터널, 복층 터널 등과 같이 화재로 인하여 구조적인 안전성이 위협을 받을 수 있는 유형이 많이 증가하고 있다. 특히 도심지 터널은 터널 구조물의 손상이 터널의 상부에 위치한 주변 구조물(overbuild)의 안전성에도 영향을 미칠 수 있어 터널 화재로 인한 피해가 광범위하게 확산될 가능성도 있다.

이처럼 화재에 대한 터널의 구조적인 안전성의 확보는 매우 중요함에도불구하고, 사용자의 안전을 확보하고 터널 구조물의 손상 붕괴를 방지하기 위한 내화방안에 관한 통일된 개념이 확립되어 있지 않기 때문에이 지침을 통하여 도로터널 내화기준을 규정하고자 한다.

 

 

제 2조 용어의 정의

제2조(용어의 정의) 이 지침에서 사용하는 용어의 뜻은 다음과 같다.

1. 내화도료공법 : 내화기능을 갖는 도료를 터널에 붓칠 또는뿜칠로 일정 두께를 도장하여 화재 시 고열이 터널 부재에전달되지 못하게 하는 공법을 말한다.
2. 내화보드(패널)공법 : 공장 생산된 내화보드(패널)를 터널 부재에앵커 등으로 고정하여 화재 시 고열이 터널 부재에 전달되지 못하게 하는 공법을 말한다.
3. 내화뿜칠공법 : 내화재료를 현장에서 혼합한 후 뿜칠기계를사용하여 터널 부재 등에 일정두께로 뿜칠하여 화재 시 고열이 터널 부재에 전달되지 못하게 하는 공법을 말한다.
4. 내화시험곡선 : 다양한 화재를 모사하는 시험곡선을 말하며 화재의 특성에 따라 온도변화, 최대온도 및 화재지속시간을변수로 화재를 특정한다.
5. 내화재 : 터널화재 시 터널부재의 내화성능을 확보할 수 있도록콘크리트 표면에 부착하는 자재나 콘크리트에 혼입하는 재료를 말하며, 일반적으로 내화 보드 및 뿜칠, 섬유혼입콘크리트 등이 있다.
6. 대심도터널 : 토지소유자가 토지를 이용함에 있어서 실질적으로 사용, 수익, 처분하지 아니하는 지하의 깊이 이하에 위치한터널을 말한다.
7. 복층터널 : 하나의 터널 단면에 슬래브 등으로 터널 단면을나누고 각 단면에 차량 또는 하중 등을 지지할 수 있는 구조로 여러 층으로 나누어 사용하는 터널을 말한다.
8. 부착강도 : 터널 부재와 내화재 간에 서로 분리되지 않으면서 일체화된 성능을 발현할 수 있도록 하는 접착강도를 말한다.
9. 섬유혼입콘크리트 : 콘크리트의 내화성능을 보완하기 위해 단종또는 이종 이상으로 섬유를 혼합하여 화재 시 섬유가 용융된 공극으로 압력을 방출시켜 폭렬이 감소하는 콘크리트를 말한다.
10. 내화 시험체 : 내화 성능을 측정할 목적으로 제공되는 내화재가적용된 터널 부재 또는 그 일부를 말한다. 단, 섬유혼입콘크리트등 자체내화공법은 내화 시험체와 내화 콘크리트 시험체를동일한 것으로 본다.
11. 열전대(Thermocouple) : 두 종류의 금속을 조합하였을 때접합 양단의 온도가 서로 다르면 이 두 금속 사이에 전류가 흐르게 되는 원리를 이용하는 온도 측정 센서(감지기)를 말한다.
12. 유해가스 : 화재 시 인체나 주위환경에 유해한 작용을 일으키는일산화 탄소, 탄화수소, 질소산화물, 연기 등의 연소가스를 말한다.
13. 침매터널 : 하저(河底) 또는 해저(海底) 터널, 또는 지하수면 이하의 구조물로서 전체 또는 일부를 함체(函体)의 형태로 별도의장소에서 제작한 후 물에 띄워 침설현장까지 예항(曳航)하고, 소정의 위치에 침하시켜 기설부분과 연결시킨 후 되메우기를 하여완성시키는 터널을 말한다.
14. 내화 콘크리트 시험체 : 터널 부재 자체의 내화 성능이나 내화재성능을 측정할 목적으로 제작하는 터널 부재 또는 그 일부를 말한다.
15. 폭렬 : 화재 시 급격한 고온에 의해 내부 수증기압이 발생하고, 이 수증기압이 콘크리트의 인장강도보다 크게 되면 콘크리트 부재 표면이 심한 박리 및 탈락하는 현상을 말한다.
16. 한계온도 : 화재발생 중 터널이 성능을 유지하고 안전성을 확보할 수 있는 최대 온도를 말한다.

제 3조 적용범위

이 지침은「도로법」제10조에 따른 도로에 건설되는 터널에 적용한다.

【해설】 도로법 제10조에 따르는 도로는 1. 고속국도(고속국도의지선 포함), 2. 일반국도(일반국도의 지선 포함), 3. 특별시도(特別市道) ㆍ광역시도(廣域市道), 4. 지방도, 5. 시도, 6. 군도, 7. 구도이다. 이 지침의 적용대상인 ‘도로터널’은 자동차의 통행을 목적으로 지반을 굴착하여 지하에 건설한 구조물을 말한다.

 

제2장 터널의 한계온도

제4조(한계온도 일반사항)

① 도로터널의 한계온도 설정은 터널화재 시에 도로 이용자가 스스로 피난, 대피 등을 하거나 도로관리청 및 경찰, 소방청 등 유관기관이 소화 및 구조 활동을 원활히수행할 수 있도록 대응시간을 확보하고, 화재로 인한 손상을최소화하여 터널을 보호하는 것을 목적으로 한다.
② 터널 화재 시 터널부재의 최대온도를 한계온도 이내로 유지하여각 부재의 성능을 유지할 수 있도록 한다.

【해설】① 도로터널의 한계온도는 터널을 구성하는 주요 부재인콘크리트와 철근 등이 화재 발생 시 도로 이용자의 안전 확보와 터널 구조물의 손상을 최소화할 수 있는 온도로서 재료의 고온 노출 시 재료의특성 등을 고려하여 구조적인 안전성을 확보할 수 있도록 설정하는 온도이다. ② 터널 주요 재료인 콘크리트와 철근은 일반적으로 약 500℃ 및 250℃ 이상의 온도에 노출될 경우, 역학적인 특성이 심각한 수준으로 변화한다. 따라서 화재 발생 시 터널의 구조적인 안전성을 확보할수 있도록 각 재료별로 한계온도를 설정한다. 터널에 화재가 발생하면 터널 내부에는 화재발생 위치, 화재 차량 및 환기조건 등에 따라 발생하는 온도가 다르다. PIARC 보고서(Fire and Smoke Control in Road Tunnels, 1999)의 실제 화재 실험을 통한 연구 결과에 따르면 차량의 종류에 따라 발생하는 온도를 다음의해설 표 2.1과 같이 분석한 바 있다.

터널 화재로 인한 터널 내부 벽면의 온도

터널의 주요 구조 부재는 콘크리트와 철근으로 일반적으로 철근콘크리트는 약 400℃ 이상에서 구조물의 강도 감소가 발생하므로화재 발생 시 터널의 구조적인 안전성을 확보하기 위하여는 콘크리트와철근이 노출되는 온도의 한계를 설정하고 터널의 주요 구조 부재가온도의 한계, 즉 한계온도 이상으로 노출되지 않도록 보호하여야 한다.

 

제5조(한계온도)

① 콘크리트 부재는 표면을 기준으로 한계온도인 380℃ 이내로 보호해야 한다. 이 경우 내화처리된 콘크리트 부재는내화처리를 위해 증가된 두께(내화 보드 및 뿜칠, 콘크리트 피복 등을 포함한다)를 제외한 콘크리트면이 온도기준면이다.
② 내화가 필요한 프리캐스트 세그먼트 콘크리트 부재는 표면을 기준으로 한계온도인 250℃ 이내로 보호해야 한다. 이 경우 내화처리된 세그먼트 부재는 온도기준면을 제1항과 동일하게 적용한다.
③ 철근은 한계온도인 250℃ 이내로 보호해야 한다.
④ 기타재료의 한계온도는 터널조건 및 사용재료 등을 종합적으로 고려하여 발주기관에서 정할 수 있다.

【해설】① 콘크리트는 노출되는 온도가 상승함에 따라 압축강도 및 탄성계수는 감소한다. 이는 온도에 의한 콘크리트의 열적분해(thermal decohesion) 또는 열적손상(thermal damage)으로 설명할 수 있다. 일반적으로 콘크리트의 압축강도는 약 600℃에 노출될 경우 상온강도의 약 50% 수준인 것으로 알려져 있다. 이러한 온도에 따른 강도 및 탄성계수의 변화는 사용하는 골재의 종류에 많은 영향을 받는 것으로알려져 있다. 해설 그림 2.1에서와 같이 온도가 약 200℃까지는 강도의 감소가 거의 없지만 750℃ 이상에서는 설계에 반영할 수 있는 강도의 수준이아니다. 일반적으로 설계 시 적절한 수준의 화재 규모에 대해 구조 부재의 허용강도는 콘크리트 압축강도의 30~50% 범위 내에 있는 것으로 가정한다. 안전성에 대한 사례로, 1992년 네덜란드에서는 안전수준을 1.7로 가정하여, 즉 콘크리트의 압축강도가 59% (100%/1.7) 까지 줄어든 경우가 안전계수 1.0인 것으로 판단하였고, 이는 해설그림 2.1을 참조할 경우 구조물이 파괴되기 직전의 온도가 약 450℃라는 것을 의미한다. 또한 이미 고온에 노출되어 초기강도가 낮아진 상태의 콘크리트 표면에는 미세균열(hair crack) 또는 박리(spalling)가 발생하였을 수 있다. 따라서 구조물의 하중지지능력을 유지하기 위해서는콘크리트의 온도가 350~400℃ 수준 이내이어야 한다.

온도상승에 따른 골재종류별 콘크리트 압축강도 감소

만약 콘크리트가 RWS Standard와 같이 1,000~1,350℃까지의고온에 노출될 경우에는 설계단계에서부터 구조물의 하중지지능력의 감소에 대한 고려를 해야 하고, 차폐재료의 사용 등을 고려해야 한다. 제9조에 언급한 바와 같이, 터널 내화 방법을 3가지로 분류할 수 있다. 1) 콘크리트 자체내화공법: 혼화재, 섬유 등 콘크리트 내부에 내화재료가 혼입된 공법 2) 콘크리트 외부 내화공법 : 내화 보드, 뿜칠 등 콘크리트 외부에 내화재료가 부착되는 공법 3) 그 외의 기타 내화공법 공용 중 터널의 내화보강에는 2)만 적용가능한 반면에, 신규 터널의 내화 공법에는 1) 또는 2) 아니면 1)과 2)의 혼합이 가능하다. 콘크리트 부재의 표면을 온도기준면으로 간주하는 것은 내화 보드나뿜칠을 적용한 2)와 같이 콘크리트 외부에 내화재를 보강한 공법에 적용된다.

반면, 섬유혼입 등 1)의 콘크리트 자체내화공법을 적용한 경우에는 네덜란드 정부기관인 Rijkswaterstaat (Ministry of Infrastructure and Water Management, 국내 국토교통부에 해당)와 네덜란드 연구기관인 Efectis Nederland의 공동 성과물인 Efectis-R0695:2020의 내화 실험 방법을 참고하여 온도기준면을설정할 수 있다. 콘크리트 자체내화공법을 적용할 경우, 콘크리트표면에 가까운 최외측 철근 직경의 최소 1.0배 떨어진 위치를 온도기준면으로 권고하고 있다. 기타 내화공법의 경우, 온도기준면은 콘크리트 부재의 표면을 기준으로 하되 발주기관과 협의하여 결정한다.

해설 그림 2.2 콘크리트 부재의 온도기준면*

② 내화가 필요한 프리캐스트 세그먼트 콘크리트 부재라 함은 쉴드 TBM 공법을 적용하는 터널의 고강도 프리캐스트 세그먼트 콘크리트 라이닝 부재를 의미한다. 그 외의 터널 부재로 활용하는 풍도슬래브 등과 같은 프리캐스트 세그먼트 콘크리트 부재는 포함하지 않는다. 쉴드 TMB 공법은 조립된 세그먼트의 아칭효과에 의해 주응력인 축력이터널을 지탱하는 구조이다. 따라서 고온 노출 시 폭렬로 단면이 손실될 경우 지지력이 소실될 수 있기 때문에 한계온도를 일반 콘크리트보다 낮은 온도인 250℃ 이내로 보호하여 보다 엄격히 관리해야 한다.

③ 철근의 강도 및 탄성계수는 콘크리트와 마찬가지로 온도상승에 따라 감소한다. 그 특성은 철근의 종류에 따라 달라지며, 고온에서는 냉간압연보강재(cold deformed reinforcement)가 열간압연보강재(hot rolled reinforcement)보다 강도저하가 더 심한 것으로 알려져 있다. 해설 그림 2.3과 해설 그림 2.4는 온도상승에 따른 철근의 항복강도와 탄성계수의 감소에 대한 사례를 나타내었다.

고온에 노출된 철근은 냉각 후에 어느 정도 강도를 회복하는 것으로 알려져 있다. 열간압연보강재의 경우 냉각 이후에 항복강도와 극한강도가 원래의 수준으로 회복된다. 냉간압연보강재는 약 300℃까지 노출된 경우 대부분의 강도를 회복하며, 600℃까지 노출된 경우, 항복강도와 극한강도가 약 60% 수준이 된다. 이를 초과하는 매우높은 고온에 노출되면 강재는 녹거나 분해될 수 있고, 용접부의 강도도저하되고 방청도료 같은 재료도 화재 시 구조물의 거동에 영향을미칠 수 있다.

해설 그림 2.3 온도상승에 따른 class N 보강근의 강도 감소*

해설 그림 2.4 온도상승에 따른 철근의 탄성계수 감소*

④ 방재시설, 대피소, 비상구 등의 부대시설 및 기타재료의 설치는 「도로터널 방재·환기시설 설치 및 관리지침(국토교통부)」의 기준을 준용한다.

자료

이외의 제3장 제 4장 제5장의 경우 다음의 자료에서 확인하시기 바랍니다.

240103 도로터널 내화 지침 해설서.pdf

1.10MB

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출처

국가건설기준센터