1. 서 론

1.1 개 요

최근 국내외 양국 간의 경제동반성장 및 선진 교통물류망 확보를 위해 대륙과 대륙을 연결하는 초장대 해저터널을 계획되고 있다. 프랑스와 영국을 연결하는 영불터널(Fig. 1)을 바탕으로 많은 해저터널이 시공 및 운영(Korea University, 2017)이 되고 있으며, 최근 국내 육상연결(Fig. 2) 및 국가 간 육상(Hwang, 2009)교통망(Fig. 3) 확보를 위한 해저터널 건설(Yooshin Engineering Corporation, 2017) 및 계획이 추진되고 있다.

Fig. 1.

Euro tunnel (England to France) 

Fig. 2.

Boryeong submarine tunnel

Fig. 3.

Submarine tunnel plan from Korea to Japan

초장대 해저터널은 건설분야에 있어 향후 건설시장 확대 및 첨단 육상교통의 중요한 미래 핵심기술이기 때문에 해저터널 계획/설계/시공/안전 분야의 다양한 특화기술 개발 및 선점을 통해 국내외 건설 시장으로 확대할 필요가 있다.

따라서 이와 같은 해저터널의 핵심기술개발 및 국내기술력 확보를 위해 고수압 초장대 해저터널 기술자립을 위한 핵심요소 기술개발 연구과제(Korea Institute of Construction Technology, 2012)를 통하여 방재기술 중에 하나인 화재발생시 대피자가 안전하게 서비스터널로 대피할 수 있는 피난연결통로에 설치된 방화문에 대한 연구를 수행하였다.

1.2 국내 철도터널 방화문 현황

국내에서 추진되고 있는 광역 철도노선망 연장으로 고속열차가 통행되는 터널의 개소수가 증가되고 있다. 이러한 철도터널 내부에 설치된 피난연결통로 방화문은 약 6,000~7,000 Pa압력에 내구성능을 갖는 방화문이 설치되어 있다. 철도터널 방화문 설치초기에는 내구성이 좋기 때문에 문제가 발생되지 않으나, 10~20년 이상 장기적인 내구성능을 고려하지 않고 설치된 방화문으로 잦은 파손 및 유지보수가 발생되고 있다.

고속철도 통행으로 인하여 방화문에 순간적인 정압과 부압(약 200 km/h 이상 열차속도에서 발생하는 압력)이 가해지며, 방화문의 자동 폐쇄장치 연결부가 파손되거나 고정장치가 풀려 반복충격에 의한 방화문 연결부(패닉디바이스, 자동 폐쇄장치, 상부 롯트핀 등) 고장이 발생된다.

국내 철도시설기준에서는 열차차량의 대피인원을 고려한 사이즈 및 화재에 관련된 기준만 제시(Ministry of Land Transportation, 2015)되어 있어 철도터널 방화문을 설치하기 위해서는 KS F 2296 공인 인증시험을 기준으로 시험성적서를 발주처에 제출하고 고속철도 현장에 방화문 설치를 해야한다. 국내에서는 방화문 제작을 각회사의 노하우에 의존한 단순 시제품 제작으로 공인인증 성능검증만 적용되어, 이론적인 사전 안전성을 반영하기가 어렵고 장기적인 내구성능 확보를 위해 다양한 실규모 시제품 개발비용 발생으로 효율적인 개발이 어려운 실정이다.

1.3 국외 방화문 설계기준

국외 대표적인 해저터널의 하나인 영불터널은 승객운송 뿐만 아니라, 차수 및 100 MW급 화재강도를 고려하여 특수목적을 갖는 방화문에 대한 성능 기준이 Table 1 (Proceeding of the Institution of Civil Engineering, 1995)처럼 제시하였다. 영불터널의 방화문은 자동 개폐가 가능하고, 특히 근접화재로 인한 내화성능에도 국내의 갑종 방화문 내화성능과 동일한 수준을 요구되고 있다. 하지만 국내에서 추진될 호남-제주간 해저터널은 승객운송을 위한 목적으로 계획되어 있기 때문에 일반적인 고속철도 기준에 맞도록 설계되어야하며, 이에 대한 국외 기준은 Table 2 (Booth Industries, 2010)와 같이 제시하고 있다.

Table 1. Criteria for fire door design in Euro tunnel

Table 2. Criteria for fire door design in high-speed railway tunnel

1.4 해저터널 방화문 적용방안

본 연구단 과제(Korea Institute of Construction Technology, 2012)를 통하여 제시된 호남-제주간 연결하는 해저터널의 가상설계단면은 Fig. 4, 5에 나타낸 바와 같다. 본선부에서는 서비스 터널을 연결하는 피난연결통로에 방화문(입출구부 2개소 설치)이 설치되어 있으며, 평상시에는 닫혀있으며, 화재 발생시 대피자가 수동으로 개폐가 가능하도록 설계되어 있다. 구난역 대피 구간부에서도 본선부와 동일한 구조로 방화문이 설치되어 있다(Yoo and Park, 2015).

Fig. 4.

Virtual cross-section of main line in submarine tunnel

Fig. 5.

Virtual cross-section of rescue station in submarine tunnel

고속철도 운행 시 KTX 서울-부산 통행기준으로 가정한다면, 하루에 수십 번의 열차통행이 이루어지며 장기적인 관점에서 10년 동안 약 70만 번의 열차 통행이 발생된다. 해저터널 단면도 마찬가지로 열차가 진입되면 열차선단부 상당한 압축파가 발생된다. 이때 압축파에 의한 압력차는 해저터널 단면을 고려하였을 때 최대 6,000 Pa (Kim et al., 2017) 내외로 발생되기 때문에 반복통행에 의한 상당한 충격으로 인한 방화문 내구성능 감소가 불가피하다. 강교량에서도 강재에 100만 번 진동에 의한 피로하중이 가해질 경우, 약 50% 이상의 성능 감소가 발생하기 때문에 방화문도 내풍압 성능을 최소 2.0 이상 안전율을 고려하여 설계되어야 한다.

방화문의 성능 개선을 위해 국내외 고속철도에서 적용된 설계 기준(Booth Industries Limited, 2010)을 바탕으로 개선되어야 하며, 성능기준 검토를 통한 방화문의 성능요구조건을 Table 3과 같이 계획하였다. 도어의 크기, 내화성능, 개폐방식에 대해서는 경제성과 시험가능여부를 고려하여 국내 기준을 적용하였으며, 내풍압 성능에 대해서는 국외 고속철도 기준을 적용하였다.

Table 3. Fire door design application according to foreign and domestic criteria

2. 연구진행 방안

기존의 철도터널에서는 방화문의 구조적으로 안전한 신뢰성을 확보하기 위해서는 구조해석 결과 값과 공인인증 시험 값이 거의 일치되어야 한다. 따라서 대인용 방화문에 설계에 대한 하중조건에 따른 3D 모델링 구조해석을 통하여 사전 안전성을 검토하고, 공인인증 성능시험(KS F 2296)의 결과 값과 일치여부를 확인하여 사전 방화문 구조 검토에 대한 신뢰성 확보가능 연구를 수행하였다.

3. 방화문 구조검토 및 성능시험(1차)

3.1 방화문 구조해석(1차)

방화문이 10년 이상 장기적인 내구성능을 확보하기 위해 15,000 Pa (SF = 2.0)압력을 기준으로, 설계 기준을 바탕으로 Fig. 6, 7과 같이 방화문 도면을 작성하였다. 방화문 내부에는 STS304재질로 절곡방식 내부보강재가 적용되었으며, 부재 별로 수직보강재, 수평보강재, 외판부로 구성되어 있다.

Fig. 6.

Front view of fire door in cross-passage

Fig. 7.

Plan view of fire door in cross-passage

Fig. 8과 같은 순서로 구조해석을 수행하였으며, 고속철도의 고압력이 작용되는 경우 실제로 압력차에 대해 지지하는 부분은 방화문 프레임과 연결된 경첩부이며, 양개형 도어 중앙부 상단 및 하단에 락킹장치에 의해 지지가 된다. 여기서 경첩부는 다점 지지부가 있기 때문에 지간 길이가 짧아 휨응력이 작게 발생되나, 양개형 도어 중앙부에는 상하부 락킹장치 및 방화문 수직보강재에 큰 휨응력 및 변위가 발생된다. 따라서 방화문의 하중을 지지하는 내부보강재들에 대한 안전성검토를 수행하였으며, Fig. 9, 10은 보강재의 검토위치 및 형상이며, 지지보강재에 대한 단면계수값은 Table 4와 같이 계산되었다.

Fig. 8.

Step-by-step process for structural analysis

Fig. 9.

Review location for structural analysis

Fig. 10.

Cross-sectional shape of stiffener

Table 4. Area and moment of inertia of stiffener inside fire door

MIDAS CIVIL 프로그램을 이용하여 3D모델링을 아래의 Fig. 11과 같이 수행하였으며 열차 통행으로 인한 풍하중 및 자중(고정하중으로 해저터널 최대 압축파의 2배 및 충격하중 I = 0.3 적용)을 고려하여 Fig. 12, 13과 같이 각 주요 내부보강재에 대한 응력 및 변위를 산출하였다.

Fig. 11.

Modeling boundary conditions of fire door

Fig. 12.

Maximum moment of review 1 (vertical stiffener)

Fig. 13.

Maximum displacement of fire door

1차 모델링한 방화문의 최대응력, 최대전단응력, 변위값은 Table 5와 같이 도출되었다. 방화문의 허용값의 경우, 에너지관리공단의 구조용 STS304 부재에 대한 구조용 부재에 대한 허용값을 고려하여 적용되었다. 결과 값을 분석한 결과 방화문 내부보강재마다 상당한 안전성을 확보된 방화문 설계가 되었으나, 상대적으로 각 부재에 대한 안전율이 높기 때문에 최적화를 통한 방화문 설계가 필요하다고 판단된다.

Table 5. Structural safety review results for each stiffener (1)

3.2 창호의 내풍압성 시험(KS F 2296: 1차)

해저터널 방화문 구조 검토 결과를 토대로 구조계산서에 발생되는 결과 값과 시험 값의 차이를 확인하기 위해 충남 서산에 위치한 한국건설생활환경 시험연구원에서 KS F 2296:1999 (시험명: 창호의 내풍압성 시험 방법) 성능검증 시험을 수행하였다. KS F2296 공인시험은 크게 개방력 시험과 내풍압 성능시험으로 구분되어 지며, 개방력은 150 N 이하로 개방되어야 하고, 내풍압성능시험은 챔버내에 가압을 최대 15,000 Pa까지 가압하여 도어의 변위가 가장 많이 발생되는 게이지 변위량이 휨모멘트가 발생되는 방향의 L/360 mm 이하(L:도어높이)로 되어야 한다.

3.2.1 개방력 측정시험 및 결과(1차)

개방력 측정시험의 경우, Fig. 14와 같이 설치된 시험체에 도어가 열리는 방향으로 걸리는 힘을 측정하는 형식(압력이 걸리지 않는 상태)으로 Fig. 15, 16과 같이 3회 측정 후 평균값에 의해서 개방력을 측정하였다. 개방력 시험결과는 Table 6과 같이 나타내었다.

Fig. 14.

Installation of fire door

Fig. 15.

Open force test (1)

Fig. 16.

Resule value

Table 6. The results of the opening force test, one of KS F 2296 performance tests

3.2.2 내풍압 성능시험 및 결과(1차)

해저터널 또는 고속철도 터널에서는 열차가 통행할 때 순간적인 풍압력으로 가압하여야 하나, 국내 시험여건을 고려하여 가압송풍장치를 챔버내에 15,000 Pa을 가압하고, 20초 후에 가압해제 하는 방식으로 시험진행을 하였다.

내풍압 성능시험은 최대 15,000 Pa 압력으로 가압하여 최대 변위에 대한 허용변위 이내에 기준만족을 하여야 하기 때문에 챔버 내에 가압으로 발생된 순변위를 측정하기 위해 Fig. 17, 18과 같이 변위게이지를 설치하였으며, 성능검증(Fig. 19)에 따른 시험결과는 Table 7과 같이 도출되었다.

Fig. 17.

Position of displacement gauge (1)

Fig. 18.

Position of displacement gauge (2)

Fig. 19.

Measurement of displacement through pressure of 15,000 Pa in chamber

Table 7. The results of wind pressure test, one of KS F 2296 performance tests (1st test)

3.2.3 결과 분석

KS F 2296 1차 시험에서는 개폐력 시험과 내풍압 기준에 만족한 것으로 확인되었다. 이러한 시험결과를 토대로 구조해석값과 비교할 수 있는 변위값에 대해서 내풍압 시험 값과 도출된 결과 값을 비교해본 결과 Table 8과 같이 이론값과 시험 값이 거의 1% 이내의 오차범위에서 일치하는 결과를 얻었다. 이러한 결과도출을 위해서는 구조 검토단계(1차)에서 내풍압 하중에 교량의 충격계수하중을 적용하였을 때 가장 비슷한 변위값이 도출된 것을 확인할 수 있었다.

Table 8. Comparison of values according to the maximum displacement of a fire door

4. 방화문 구조검토 및 성능시험(2차)

4.1 방화문 구조해석(2차)

2차 설계 및 성능시험에서는 내부보강재를 최소로 적용한 경우(CASE2)에 대한 설계 및 구조 검토를 수행하였다(Fig. 20). 구조 검토 결과는 Table 9와 같이 도출되었으며, 내부 보강재에 대한 단면 안전성이 확보하였다. 검토1과 검토3,4 보강재에서 많은 응력이 발생되어 기존의 1차 시작품보다는 안전율은 낮으나 구조상으로는 문제가 발생되지 않는 것으로 판단된다. 또한 중앙부 수직 보강재에서 발생된 최대 변위는 6,040 mm로 도출되었다.

Table 9. Structural safety review results for each stiffener (2nd test)

Fig. 20.

Front and plan view of fire door

4.2 창호의 내풍압성 시험(KS F 2296: 2차)

2차 설계 및 구조 검토 결과 값을 기준으로 2차 방화문 시작품 제작하였다. 2차 시작품은 Fig. 21과 같이 설치되었으며, 변위가 가장 많이 발생되는 위치를 고려하여 변위게이지를 Fig. 22, 23과 같이 7 Point에 설치하였다. 시작품은 연구비 예산을 고려하여 단개형 방화문으로 제작되었는데 경계조건이 도어내부에 각각 설정되어 있어 상호영향이 없기 때문에 Fig. 23과 같이 설계 및 구조 검토를 수행하였다.

Fig. 21.

Installation of fire door

Fig. 22.

Position of displacement gauge (1)

Fig. 23.

Position of displacement gauge (2)

4.2.1 개방력 측정시험 및 결과(2차)

개방력 측정시험의 경우 1차 시험과 동일한 방법으로 수행하였으며, 시험결과는 Table 10과 같이 도출되었다. 1차 시험보다 2차 시험이 개폐력 측정값이 약간 높게 나왔으나 허용기준에는 만족하는 것으로 확인되었다.

Table 10. The results of the opening force test, one of KS F 2296 performance tests

4.2.2 내풍압 성능시험 및 결과(2차)

내풍압 성능시험 결과 값(2차)과 구조 검토에 의해 도출된 최대 변위값과 비교 검토를 위해 1차 시험과 동일한 방법으로 수행하였다. 각 게이지별 변위값 및 최대 순수 변위값(Net Displacement) 시험결과는 Table 11과 같이 도출되었으며, 최대 허용변위를 검토한 결과 값은 Table 12와 같이 도출되어 허용기준에 만족한 것을 확인하였다.

Table 11. The results of wind pressure test, one of KS F 2296 performance tests

Table 12. The results of wind pressure test, one of KS F 2296 performance tests

4.2.3 결과 분석

2차 내풍압 시험과 구조 검토를 통한 각각의 최대 변위값을 비교해본 결과 Table 13과 같이 이론값과 시험 값이 거의 1% 이내의 오차범위에서 일치하는 결과를 얻었다.

Table 13. Comparison of theoretical and experimental values according to the maximum displacement

5. 결 론

본 연구에서는 초장대 해저터널에 350 km/h의 고속으로 열차가 통과함에 따라 발생되는 고압력에 대한 장기적인 내구성능을 확보하기 위해 방화문에 대한 사전 안전성 검토를 통하여, 구이를 공인성능시험 결과 값과 비교하여 사전 구조 검토의 신뢰성을 확보하기 위한 연구를 수행하였으며, 아래와 같은 결론을 도출하였다.

1.방화문의 외력을 주로 받는 내부보강재 중에서는 도어의 락킹장치를 기준으로 높이방향의 수직보강재가 가장 많은 휨응력이 발생되었고, 중앙부에 가장 많은 변위가 도출되었다.

2.방화문 구조계산서의 경우, 열차가 순식간에 지나가는 압력을 일반 교량 충격계수를 적용한 변위값은 두 번의 방화문 시작품 공인인증시험(KS F 2296)에 의해 도출된 변위값과 거의 1% 이내의 오차범위에서 일치하는 결과를 얻었다.

3.구조계산서의 발생되는 변위값과 공인인증시험(KS F 2296)에 의한 신뢰성이 확보됨에 따라 현장에서 요구되는 다양한조건(피난갱의 크기에 따른 도어사이즈, 열차풍압 등)에서도 효율적인 방화문 사전검토를 위한 구조계산서로 활용이 가능하다는 것을 파악하였다.

국내에서는 고내구성 확보를 위한 철도터널용 방화문에 대한 다양한 연구와 개발이 없었으나, 본 연구를 통하여 1,2차 비교검증을 통한 방화문 이론적인 구조해석이 신뢰성을 갖고 있는 것에 대한 가능성을 확인하였다. 하지만 현장여건에 따라 방화문 크기가 달라지기 때문에 다양한 CASE별 방화문 추가연구가 필요하며, 본 연구 성과물을 통한 기초연구자료로 활용 될 것으로 판단한다.