Fire Analysis of Cable-stayed Bridge Considering Wind Effect

Abstract

Design standards and countermeasures for cable-stayed bridges tend to fo-cus on natural disasters such as earthquakes and typhoons. However, there remains a scarcity of research concerning the assessment criteria and guide-lines for vehicle fires on these structures. Vehicle fires on cable-stayed bridges occur in open environments and are significantly influenced by wind. As a result, these factors warrant careful consideration during the evaluation of thermal fluid flow due to vehicle fires on cable-stayed bridges. The pres-ence of wind can considerably affect the magnitude and extent of tempera-ture changes in the cable components during a vehicle fire. Although prior studies have analyzed fire effects on cable-stayed bridges, none have incor-porated wind effects. The present study conducts a comprehensive thermal fluid analysis on ca-ble-stayed bridges, accounting for potential wind effects. The analysis inves-tigates temperature changes and threshold exceedance ranges in cables re-sulting from a vehicle fire. In addition, the study compares and evaluates temperature outcomes based on the presence or absence of wind. Considera-tions such as fire intensity, scenario configurations, and changes in material properties of cable components due to temperature variations are factored into the analysis. The Post-Tensioning Institute (PTI, 2012) standard serves as the reference for evaluating threshold exceedance ranges. The fire scenar-io includes factors such as vulnerable bridge sections, average wind speed, and fire suppression duration. A fire intensity model, suitable for vehicle fires in the open environment of cable-stayed bridges, is utilized. The ther-mal fluid analysis reveals that considering the wind's influence leads to a broader range of temperature exceedances for both the fire-occurring lane and the cables.

지진 및 태풍과 같은 자연재난에 대해서는 케이블 교량에 대한 설계기준이나 대책 방안을 마련하고 있지만, 케이블 교량에서 발생하는 차량화재에 대한 평가 기준 및 지침은 연구가 미흡한 실정이다. 케이블 교량 상부에서 발생하는 차량화재는 개방형 환경에서의 화재이며, 화재 발생 시 바람의 영향을 크게 받는다. 따라서 케이블 교량 상에서 차량화재에 의한 열 유동 평가 시에는 이들 요인이 고려되어야 한다. 케이블 교량(사장교)상에서 차량화재 발생 시에는 바람의 영향 유무는 케이블 부재에서의 발생 온도의 크기 및 범위에 큰 영향을 미칠 것으로 판단된다. 기존에 사장교를 대상으로 차량 화재에 의한 화재해석 연구가 수행된 예가 있으나 바람의 영향을 고려한 연구는 이루어지지 않았다. 본 연구에서는 사장교를 대상으로 바람의 영향을 고려한 열 유동 해석을 수행하여 차량 화재에 대한 케이블의 온도 변화 및 기준 초과 범위를 분석하였다. 또한, 바람의 영향 고려 유무에 따른 발생 온도를 비교 및 분석하였다. 열 유동 해석에 필요한 화재 강도, 시나리오 설정 및 온도에 따른 케이블 부재의 재료 특성 변화를 고려하였으며, 평가 기준은 PTI(PTI, 2012) 기준을 참고하여 기준 초과 범위를 분석하였다. 화재 시나리오 설정 시 대상 교량의 취약 구간, 평균 풍속 값 및 화재 진압 시간 등을 고려하였으며, 화재 강도 모델은 개방형 환경인 사장교에서 발생하는 차량 화재에 적합한 화재 강도모델을 조사하여 이용하였다. 열 유동 해석결과, 바람의 영향을 고려하는 경우에는 기준을 초과하는 화재 발생 차선 및 케이블의 평가기준 온도의 초과 범위가 확대되는 것을 확인하였다.