Research Paper

Journal of Korean Tunnelling and Underground Space Association. July 2020. 347-365
https://doi.org/10.9711/KTAJ.2020.22.4.347


ABSTRACT


MAIN

  • 1. 서 론

  • 2. 집중배기방식 현황

  • 3. 해석모델

  • 4. 해석결과

  •   4.1 댐퍼유동특성에 대한 분석

  •   4.2 연기 이동거리분석

  • 5. 결 론

1. 서 론

도로터널은 반밀폐구조로 화재가 발생하면 배연 및 제연에 제약이 있기 때문에 연기류의 확산이 터널을 통해서 이루어지며, 연기가 대피자를 위협하는 대표적인 위험요인이 된다. 터널 화재 시 대피자의 안전에 영향을 미치는 위험인자는 가시거리 감소로 인한 대피지연에 따른 유독성 가스에 의한 중독, 온도상승 및 복사열로 인한 화상, 산소농도의 감소로 인한 저산소증 등이 있다. 따라서 도로터널 화재 시 대피자의 안전을 확보하기 위해서는 대피시간을 단축하고 화재연기가 대피자에게 근접하는 것을 차단하여 대피자로부터 화재연기를 격리하는 것이 가장 중요하며, 이를 실현하기 위해서 제연설비가 가장 효과적인 수단으로 제시되고 있다.

도로터널의 화재에 대비한 제연시스템은 종류식과 횡류식으로 대별되며, 종류식은 주로 정체빈도가 낮을 것으로 예상되는 고속도로나 산악의 일 방향 터널에서 화재 하류에 차량이 존재하지 않는다는 전제하에 화재 하류방향(차량의 진행방향)으로 연기의 이동을 제어하여 대피안전을 확보하는 방식이며, 횡류환기방식은 덕트를 통해 화재지점에서 연기를 배연하는 방식으로 정체빈도가 비교적 높아서 화재 시 화재 하류에 차량이 존재할 가능성이 높은 도시지역터널이나 대면통행터널에 적용사례가 높다.

1990년대에 발생한 몽블랑, 고타드, 타우언 터널의 화재에서 사망자가 많이 발생한 이유는 이 터널에 적용된 균일배기 횡류환기방식이 화재주변에서 연기의 배연에 대하여 효과적이나, 화재강도가 증가하면 종방향 기류를 제어하는 것이 곤란하기 때문에 연기로 인한 질식이 주요한 원인으로 지적되었다(Bettelini et al., 2003; Li et al., 2012; Rhodes et al., 2012). 이로 인해 균일배기 횡류환기방식은 배기구에 개폐가 가능한 댐퍼를 설치하여 화재지역에서 국부적인 배연이 가능한 집중배기방식으로 변경하여 배연성능을 높이고 있다.

집중배기방식은 터널에 배기구를 설치하여 화재지점 부근에서 국소적으로 집중배연을 함으로써 배연효율을 증가시켜 연기층의 하강을 방지하고 종방향 기류를 제어하는데 효과적이나, 종류환기방식에 비하여 덕트설치와 내공단면적의 증가로 인한 공사비의 증가로 경제성이 떨어져 화재로 인한 인명피해의 우려가 높은 터널에 제한적으로 적용하고 있다.

집중배기방식에서 배연성능에 영향을 미치는 인자는 배연풍량과 배연구간거리 뿐만 아니라 배기구 크기 및 형상, 배기구에서 흡입풍속, 화재지점과 개방되는 배기구의 위치 및 수량에 영향을 받게 된다. 배연구간거리는 일반적으로 안전한 피난을 확보할 수 있는 거리로 정하고 있으며, 배연풍량은 부가적인 풍량을 고려하여 종방향기류를 제어할 수 있도록 정하는 것을 기본원칙으로 하고 있다.

Yoo et al. (2006)의 연구에 의하면 배연풍량은 화재 시 화재지점의 풍속에 영향을 크게 받으며, 화재지점의 풍속이 2.5 m/s인 경우에 연기의 이동거리를 250 m로 제한하기 위해서 균일배기 방식을 적용하는 경우에는 QE = 80 + 3.0Ar, 집중배기방식을 적용하는 경우에는 QE = 80 + 1.0Ar 이상일 때 연기의 확산거리를 250 m로 제한할 수 있는 것으로 보고하고 있다.

배기구 형상에 대한 연구로는 Lin and Chuah (2008)이 단면적이 24 m2인 대배기구를 한 개만 개방하는 단일배기(single point extraction)방식과 두 개 이상의 배기구를 개방하는 다중배기(multi-point extraction)방식의 비교한 결과, 단일배기방식이 다중배기방식보다 배연효율이 높은 것으로 발표하였다.

Vauquelin and Mégret (2002)은 대배기구 시스템에 대한 모형실험을 수행하였으며, 배연효율의 개념을 도입하여 배기구의 형상 및 배연풍량에 따른 배연효율을 비교 검토하여, 배기구의 종횡비가 동일하면 천장부의 배기구 설치위치에 따른 배연효율에 큰 차이가 없는 것으로 보고하고 있으며, 배기구 형상은 터널 종방향으로 장변을 취하는 것보다는 횡방향으로 장변을 취하는 것이 배연효율을 높일 수 있는 것으로 보고하고 있다. 또한 Vauquelin et al. (2000) 배연풍량에 대한 연구에서 종방향 기류가 없는 경우에 30 MW (연기발생량: 80 m3/s)를 기준으로 하는 경우, 약 1.5 (118 m3/s)배 정도에서 배연효율이 100%에 도달할 수 있는 것으로 보고하고 있다.

Demouge and Lacroix (2000)는 수치시뮬레이션 및 모형실험을 통한 대배구 시스템의 배연풍량을 결정하기 위한 연구를 수행하였으며, 연구결과에 의하면 종방향 기류의 풍속이 2.55 m/s정도인 경우, 배연풍량을 연기 발생량의 2배로 할 때 배연효율은 약 80%정도이며, 종방향 기류가 존재하지 않는 경우에는 배연풍량이 연기발생량에 2배일 때 100%가 된다고 보고하고 있다.

또한, 터널에 설치되는 배기구와 같이 배기구 아래의 연기를 흡입하는 배기시스템에서는 배기풍량이 한계풍향 이상으로 증가하면 연기층의 하부에 있는 신선공기가 배기되는 프러그 홀링(plug-holing)현상이 발생하여 배연효율이 감소하기 때문에 배연시스템 설계 시에는 이에 대한 고려를 하여야 한다. 프러그 홀링에 대한 영향은 Hong et al. (2018)의 연구에서 터널과 수직 환기구의 단면적비가 프러그 홀링 현상에 영향을 미치는 것으로 보고하고 있으며, Yang et al. (2018)은 수치해석적인 연구를 통해서 배기풍량이 증가하면 프러그 홀링 현상이 증가하며, 프러그 홀링을 평가하는 한계 Fr수와 N-Percentage 방법의 비교를 통해 한계 Fr수의 수정이 필요한 것으로 보고하고 있다.

전술한 바와 같이 도로터널에서 대배기구 방식에 의한 집중배기방식의 경우, 배기구에 의한 배연시스템의 성능은 배기구의 형상, 설치조건 및 배기풍량 등 다양한 인자에 의해서 영향을 받는다. 이에 본 연구에서는 각국의 배연시스템 설계기준 및 설치현황을 조사 ‧ 분석하고 배연풍량이 동일한 경우에 배기구 면적을 달리하여 통과풍속에 따른 수치시뮬레이션을 수행하고 연기의 이동거리 관점에서 배연성능을 비교 ‧ 평가하고자 한다.

2. 집중배기방식 현황

도로터널의 화재 시 연기를 배연하기 위한 집중배기방식은 전술한 바와 같이 1990년대 말 일련의 화재 이후에 기존의 횡류환기방식을 개선하기 위한 대안으로 인식되기 시작하면서 유럽의 각국은 집중배기방식의 설계를 위한 기준을 제시하고 있다. Table 1은 각국의 기준을 나타낸 것이다.

Table 1.

Guideline for smoke extraction system design

National Smoke extraction flow rate
(m3/s)
Extraction zone
length
(m)
Damper interval
(m)
Air velocity
through damper
(m/s)
etc.
Germany
RABT 2006
∙ Spot extraction:
QE = Vc ‧ Ar + (0~1.5) × Ar,
VC: critical velocity
∙ Transverse extraction with
controllable damper:
QE = MAX(1.5Qsmoke, Vr × Ar)
200~300 50~100 <20 Effective
suction area:
2~5 m2
French
CETU 2002
∙ Case of longitudinal air flow
control is possible:
QE = 1.3Qsmoke
∙ Case of longitudinal air flow
control is impossible:
QE = QSmoke + 1.5Ar
Urban: 400
Non urban: 600
50 (urban),
100 (nonurban)
<=15
Austria
RVS 09.02.31
120 m3/s
(20°C, 1,013 bar)
150 Extraction: <110
Supply: <55
<=25 Width >3 m
(transverse
installation)
Swiss
ASTRA 2006
QE = 3Ar + Qsmoke 200~300 100 (3 open) ≒15

Table 1에서 배연풍량(smoke extraction flow rate)은 종방향 풍속제어 및 프러그 홀링 현상에 의한 신선공기의 유입을 고려한 추가풍량을 고려하고 있으며, Table 1에서는 제시하고 있지는 않으나 배연댐퍼의 누기 및 화재로 인한 온도상승에 따른 밀도감소를 고려하고 있다. 배연구역은 150~600 m정도이며, 프랑스는 도시지역과 비도시지역으로 구분하여 배연구간거리를 제시하고 있으며, 화재 시 개방하는 댐퍼의 개수는 600 m 길이에 6개 배기구를 개방하도록 하는 반면에 오스트리아의 경우는 대배기구를 이용한 1개 지점에서의 배연을 선호하고 있다. 이는 화재지점에서 최대한 근거리에서 집중배기하는 것과 화재지점에 대한 오류를 고려하는 조치로 볼 수 있다. 또한, 배기구(이하 댐퍼) 통과풍속의 증가는 압력손실을 유발하고 프러그 홀링 현상을 발생시키기 때문에 최대풍속을 15~25 m/s 이하로 하고 있다. Tables 2, 3은 각각 국외, 국내의 집중배기방식을 적용한 현황을 나타낸 것이다.

Table 2.

Application of smoke extraction system (damper) - Foreign

Tunnel Location Length
(m)
Cross
sectional
area
(m2)
Damper
area
(m2)
Distance
between
dampers
(m)
Number
of
damper
opened
Total
extraction
flow
(m3/s)
Distance
between
fire and
last
opened
damper
(m)
Air
velocity
through
damper
(m/s)
Vra)
(m/s)
Extraction
flow/
Smoke
flow
(%)
Bosruck Austria 5,100 95~135 9 100 1 120 - 13.3 0.42 50.0
Gleinalm Austria 8,000 - 9 100 1 120 - 13.3 - 50.0
Karawanken Austria 7,864 101 4.5 100 3 160 200 11.9 0.79 100.0
Katschberg Austria 5,898 90 9 78 1 120 - 13.3 0.44 50.0
Katschberg 2 Austria 5,600 50 12 100 1 120 - 10 0.80 50.0
Landeck Austria 6,955 78~89 5.06 48 4 100 150 4.9 0.26 25.0
Plabutsch Austria 10,000 60 12 100 1 120 - 10 0.67 50.0
Plabutsch 2 Austria 10,000 100 12 100 1 120 10 0.40 50.0
Schmitten Austria 5,111 2.25 50 3 104 100 15.4 - 30.0
Tauern Austria 6,401 47.5 4.62 48 4 230 150 12.4 3.16 187.5
Tauern 2 Austria 6,400 - 12 100 1 120 - 10 - 50.0
A86 Quest France 10,000 8 400 1 125 12.6 1.78 56.3
Caluire France 3,711 95 1 50 8 80 350 10 0.00 0.0
Chamoise France 3,300 - 1.96 100 5 150 400 15.3 - 87.5
Cointe Amont France 1,639 116 3.73 50 8 200 350 6.7 1.03 150.0
Cointe/Aval France 1,511 116 3.73 50 8 200 350 6.7 1.03 150.0
Foix France 2,100 100 1.6 50 8 160 350 12.5 0.80 100.0
Maurice Lemaire France 6,950 1.5 100 6 110 500 12.2 - 37.5
Orelle France 3,692 49.95 1.6 100 7 110 600 9.8 0.60 37.5
Puymorens France 4,820 86 1 200 3 96 400 32 0.19 20.0
Sisix France 1,590 2 100 6 166 500 13.8 - 107.5
Toulo France 1,818 120 2 50 8 200 350 12.5 1.00 150.0
Frejus Fr-It 12,900 50.27 1 125 7 110 750 15.7 0.60 37.5
Mont Blanc Fr-It 11,611 - 1.5 100 6 150 500 16.7 - 87.5
Somport Fr-Sp 8,608 84 1.5 100 6 110 600 12.2 0.36 37.5
Aescher Switzerland 2,176 81 100 3 220 200 1.73 175.0
Bozberg Switzerland 3,200 4 100 3 220 200 18.3 - 175.0
Crap da Flem Switzerland 2,923 4 100 4 200 300 12.5 - 150.0
Eggfluh Switzerland 2,800 - 1.2 50 7 100 300 11.9 - 25.0
Gorgier Switzerland 2,270 107 50 7 300 -
Gotschna Switzerland 4,200 2.6 70 200 - 150.0
Gubrist Switzerland 3,230 5.29 100 3 220 200 13.9 - 175.0
Kirchenwald 1 Switzerland 2,000 86~136 100 3 220 200 1.63 175.0
Kirchenwald 2 Switzerland 1,550 86~136 100 3 220 200 1.63 175.0
Leissigen Switzerland 2,100 - 2.4 50 7 250 300 14.9 - 212.5
Ligerz Switzerland 2,480 - 50 7 300 -
Neuchatel Est Switzerland 2,610 - 50 7 210 300 - 162.5
Roveredo Switzerland 2,300 2.6 100 3 150 200 19.2 - 87.5
San Berrnardino Switzerland 6,600 - 4 100 4 150 300 9.4 - 87.5
Sonnenberg Switzerland 1,830 4 100 3 200 200 16.7 - 150.0
St. Gotthard Switzerland 16,942 40/42 4 100 3 200 300 16.7 2.86 150.0
Minimum - - - - - 1 48 100 4.9 0 0
Maximum - - - - - 12 400 750 32 3.16 212.5
Average - - - - - 4.5 93.1 325 13.2 1.01 97.5

a) QE = Qsmoke + Ar × Vr

국외터널의 댐퍼설치현황은 PIARC (2007)에 제시된 자료를 재분석한 것으로 분석결과를 요약하면 다음과 같다. 배연풍량은 최소 80 m3/s에서 최대 250 m3/s까지 다양하며, 종방향 풍속제어를 위한 부가풍량(Vr ‧ Ar, Ar: 터널단면적)의 기준이 되는 Vr은 연기발생량을 80 m3/s를 기준으로 하는 경우 0~3.16 m/s 범위에 있으며, 평균 1.01 m/s로 분석되고 있다. 또한, 연기발생량(80 m3/s)에 대한 부가풍량의 비((배연풍량 - 연기발생량) / 연기발생량 × 100%)가 100% 미만인 터널은 39개 터널 중 21개소이며, 100% 이상인 터널은 18개소로 분석되었다. 국가별로는 Austria는 부가풍량을 50%로 하는 경우가 가장 많으며, 프랑스의 경우는 37.5~150%, 스위스의 경우는 25~212.5% 범위에 있으나 3개 국가 중 스위스가 가장 많은 것으로 분석되었다.

배연구간연장은 500 m 이하가 전체 32개 터널 중 29개소로 90.6%이며, 이중에서도 300 m 이상 400 m 미만인 터널이 13개소로 빈도수가 가장 많으며, Freju터널이 750 m로 가장 긴 것으로 분석되었다.

댐퍼면적은 최소 1 m2에서 최대 12 m2까지 분포하고 있으며, 댐퍼면적이 알려진 35개소 중, 5 m2 미만이 25개소로 71.4%로 1~2 m2은 28.6%, 2~3 m2은 17.1%, 3~5 m2 미만은 25.7%로 분석된다. 또한 8 m2 이상은 8개소로 27.6%이며, 이 경우는 모두 댐퍼의 개방 개소수가 1지점으로 single point extraction system을 적용하고 있다. 2개소 이상 댐퍼를 개방하는 시스템은 댐퍼면적이 6 m2 미만으로 분석된다.

배연댐퍼의 설치간격이 알려진 터널은 41개소이며, 50 m인 경우는 13개소(48 m2인 터널 2개소 포함), 100 m인 경우는 23개소로 87.8%를 차지하여 대부분이 50과 100 m로 분석되었다. 프랑스의 Puymoens터널과 A86터널의 댐퍼간격은 200 m, 400 m이나, 이 경우 댐퍼의 개방 개소가 1개소로 single point extraction system이다. 화재 시 개방하는 댐퍼 수는 최소 1개만 개방하는 터널이 8개소이고, 나머지는 2~8개소를 개방하며, 3개소를 개방하는 경우가 가장 많으나, 특정한 경향은 없는 것으로 분석된다.

댐퍼의 통과풍속은 최소 4.9 m/s에서 최대 32 m/s의 범위이며, 통과풍속을 알 수 있는 32개 터널 중에 10 m/s 이상 17.5 m/s 미만인 터널이 26개소로 76.5%이며, 1개소를 제외하면 모든 터널이 5 m/s 이상이다.

이상의 검토에서 집중배기방식이 적용된 유럽터널의 경우, 배연풍량 산정 시 부가풍량기준인 Vr은 평균 1.01 m/s이며, 배연풍량은 연기발생량보다 평균 97.5%정도 증가시켜 선정하고 있으며, 배연구간의 거리는 평균 325 m정도로 하고 있는 것으로 분석된다. 배연댐퍼의 단면적은 평균 4.5 m2이며, 댐퍼 통과풍속은 평균 13.2 m/s로 비교적 높게 설정하고 있는 것으로 분석되었다.

Table 3은 국내 터널 중 집중배기방식을 적용한 터널현황을 나타낸 것이다. 국내의 경우 댐퍼 설치간격은 대부분이 50 m이며, 판교지하차도만 100 m간격으로 조사되었다. 댐퍼의 통과풍속은 개구율을 고려하지 않은 것이며, 2.12~9.19 m/s 범위로 유럽의 터널에 적용된 풍속보다는 비교적 낮은 값을 보이고 있다. 또한, 배연구간은 배후령, 만덕-센텀, 신림-봉천 터널을 제외하면 모두 300 m로 조사되었으며, 만덕-센텀터널은 600 m로 상당히 길게 설계되었으나, 이는 현재 개정된 “도로터널 방재시설 설치 및 관리지침” (Ministry of Land, Infrastructure and Transport, 2016)을 반영하여 배연구간의 거리를 증가시킨 것으로 판단된다. 댐퍼면적은 균일배기 방식을 적용한 배후령 터널을 제외하면 최소 2.5 m2에서 최대 12 m2이다. 화재 시 개방되는 댐퍼의 개소 수는 대부분 7개소이며, 부산만덕-센텀터널은 11개소로 조사되었다.

유럽국가와 국내의 집중배기방식에 대한 설치기준 및 설치현황을 분석한 결과, 집중배기방식의 설계를 위한 세부사항은 상당한 차이가 있는 것을 알 수 있으며, 이는 집중배기방식의 배연기술은 아직까지 경험적인 노하우로 남아 있다는 것을 의미하는 것으로 볼 수 있다.

Table 3.

Application of smoke extraction system (damper) - Korea

Service name Completion
year
Length
(km)
Cross
sectional
area
(m2)
Total
extraction
flow
(m3/s)
Extraction
sections
(m)
Distance
between
dampers
(m)
Number of
damper
opened
Extraction
flow per
damper
(m3/s)
Damper
area
(m2)
(W × L)
Air
velocity
through
damper
(m/s)
Haeng-
bog
city
Saoli 2016 1.44 91.66/
95.23
370 300 50 7
(2 ea/point)
52.9 3.0
(2.0 × 1.5)
8.82
Juchu 2016 2.415 101.08 450 300 50 7
(2 ea/point)
64.3 3.5
(2.0 × 1.75)
9.19
Pangyo 2008 3.6 93.16/
83.08
180 300 100 4
(1 ea/point)
45.0 12
(3.0 × 4.0)
3.75
Dasom 2013 3.4 - 182 300 50 7
(1 ea/point)
26.0 4.375
(1.75 × 2.5)
5.94
Baehulyeong 2012 5.173 61.01 150 600 20 30
(1 ea/point)
5.0 0.7
(1.4 × 0.5)
7.14
Dongtan Under
construction
1.1 - 550 300 50 7
(4 ea/point)
78.6 3.06
(1.8 × 1.7)
6.42
Bangadali Under
construction
3.8 - 350 300 50 7
(2 ea/point)
50.0 10.92
(3.9 × 2.8)
2.29
Seobuganseon Under
construction
10.33 35.74 140 300 50 7
(1 ea/point)
20.0 2.5
(2.5 × 1.0)
8.00
Seoul Jemulpo Under
construction
7.53 39.82 160 300 50 7
(1 ea/point)
22.9 4.0
(1.0 × 4.0)
5.725
Seunghag Under design 7.8 - 200 300 50 7
(1 ea/point)
28.6 5.6
(3.5 × 1.6)
5.10
Sinlim-
Bongcheon
Under design 5.58 66.23 154/182 400 50/75 9
(1 ea/point)
17.1/20.2 9.0
(3.0 × 3.0)
2.12/2.24
Mandeog-
Senteom
Under design 9.55 58.54 170 500 50 11
(1 ea/point)
15.5 4.5
(3.0 × 1.5)
3.44

3. 해석모델

본 해석에서는 배연풍량이 동일한 조건에서 배기구의 크기 및 수량에 따른 배연성능을 검토하기 위해 소형차 전용의 소단면 터널을 대상으로 하여 해석모델을 작성하였다.

해석모델의 개요도는 Fig. 1(a)에 나타낸 바와 같다. 모델터널의 연장은 900 m로 차도 및 덕트의 단면적은 각각 36.25 m2, 10.36 m2이다. 화원은 3대의 승용차가 동시에 화재가 발생하는 것으로 가정하여 차량의 측면부에 0.5 (W) × 15 (L; 5 × 3) × 2.5 (H) × 2 (side)로 모사하였으며, 화재강도는 15 MW로 적용하였다.

Fig. 1(b)는 해석모델의 단면을 나타낸 것으로 해석격자의 최대크기는 0.25 m × 0.25 m이다.

화재해석은 Fluent Version 12를 이용하여 해석하였으며, 본선터널의 입구 및 출구의 경계조건은 개방된 조건(pressure outlet)을 적용하였다. 배연은 Fig. 1(a)에 나타낸 바와 같이 댐퍼를 통해 터널 내 발생연기를 유입하여 덕트의 말단에서 배기하는 것으로 하였으며, 배연풍량은 연기발생량을 60 m3/s로 적용하고 부가풍량을 1.5 × Ar로 고려하여 114.4 m3/s (60 + 1.5 × 36.25)로 하였다. 덕트의 말단의 경계조건은 pressure outlet조건으로 하고 질량유량이 일정하게 배기되도록 하였다.

화재해석 시 배기를 위한 경계조건을 체적유량으로 일정하게 하는 경우에는 화재연기의 온도변화로 인한 밀도변화로 인하여 질량유량이 감소하게 되며, 경계조건으로 질량유량을 일정하게 하는 경우에는 온도상승에 따른 밀도의 감소로 인하여 체적유량이 증가하게 된다. 이에 본 연구에서는 배연풍량이 동일한 상태로 비교하기 위해서 질량유량을 일정하게 하였다.

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Fig. 1.

Numerical analysis model

배연댐퍼의 설치간격은 50, 100 m로 하였으며, 댐퍼크기 및 통과풍속은 Table 4에 보인 바와 같이 총 7가지에 대해서 검토하였다. 댐퍼개방구간은 댐퍼의 설치간격에 따라 250 m (댐퍼간격 50 m), 300 m (댐퍼간격: 100 m)로 하였다.

Table 4.

Case of simulation

Case Damper interval
distance
Number of damper
opened
Damper area (m2) Design air velocity through
damper (m/s)
A1 50 11 0.96 (0.80 × 1.20) 10.83
A2 1.50 (1.00 × 1.50) 6.93
A3 2.34 (1.25 × 1.87) 4.44
A4 3.38 (1.50 × 2.25) 3.08
A5 6.00 (2.00 × 3.00) 1.73
A6 9.38 (2.50 × 3.75) 1.11
A7 13.50 (3.00 × 4.50) 0.77
B1 100 7 0.96 (0.80 × 1.20) 17.02
B2 1.50 (1.00 × 1.50) 10.89
B3 2.34 (1.25 × 1.87) 6.97
B4 3.38 (1.50 × 2.25) 4.84
B5 6.00 (2.00 × 3.00) 2.72
B6 9.38 (2.50 × 3.75) 1.74
B7 13.50 (3.00 × 4.50) 1.21

4. 해석결과

4.1 댐퍼유동특성에 대한 분석

Fig. 2는 댐퍼의 설치간격이 50 m인 경우에 각 댐퍼에서 배기되는 배연풍량을 나타낸 것이다. 개방되는 댐퍼 수는 11개로 댐퍼 당 설계배연풍량은 12.5 kg/s이다. Fig. 2에서 배연팬의 위치는 0 m지점으로 덕트 내 기류는 700 m지점에서부터 0 m방향으로 형성된다.

댐퍼의 배연풍량은 배기팬에서 가까울수록 증가하며 멀어질수록 감소하는 경향을 보이고 있다. 이는 배기팬과 가까울수록 댐퍼에 걸리는 차압이 증가하기 때문이다. 이와 같이 배기팬에 근접한 댐퍼에서 배연풍량이 증가하는 현상은 댐퍼크기가 클수록 댐퍼 통과 시 발생하는 압력손실이 감소하기 때문에 보다 크게 나타나고 있다. 즉, 댐퍼크기가 가장 작은 0.80 m × 0.12 m의 경우에는 첫 번째 댐퍼의 배연풍량은 기준풍량보다 1.85배 증가하며, 맨 끝단의 댐퍼는 0.75배로 기준풍량보다 작은 풍량이 흡입되는 반면에 댐퍼크기가 가장 큰 3.00 m × 4.50 m의 경우에 첫 번째 댐퍼의 풍량은 기준풍량 보다 8.22배로 증가하고 맨 끝단 댐퍼의 배연풍량은 0에 근접하고 있다.

따라서 댐퍼크기가 증가하면 댐퍼간의 풍량의 균일성이 극도로 악화되며, 이로 인해 배기팬으로부터 거리가 멀리 떨어진 지점의 댐퍼의 배연능력은 극도로 나빠질 것으로 예상된다. 집중배기방식에 의해 배연을 하는 경우, 댐퍼 간 배연풍량의 균일성을 확보하기 위해서는 댐퍼크기를 작게하여 댐퍼 통과 시 압력손실을 어느 정도까지 증가시키는 것이 바람직한 것으로 판단된다.

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Fig. 2.

Extraction air flow rate and ratio to design air flow rate in each damper (damper interval = 50 m)

Fig. 3은 댐퍼크기 별로 덕트 내 압력분포를 나타낸 것이다. 댐퍼를 지나면서 압력손실이 크게 발생하고 있는데 이는 댐퍼에서 유입되는 기류와 덕트를 흐르는 기류의 합류손실과 합류 후에 동압증가에 따른 정압감소 현상 때문이다. 댐퍼크기가 클수록 전체 압력손실이 배기팬에서 가까운 댐퍼에 집중되는 것을 알 수 있다. 이는 배기팬에서 가까운 지점의 댐퍼에 배연풍량이 집중되기 때문이다.

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Fig. 3.

Pressure drop in duct (damper interval = 50 m)

또한, 덕트유동에 필요한 압력손실은 댐퍼크기가 가장 작은 경우는 약 728 Pa이고 댐퍼크기가 가장 큰 경우에는 458 Pa로 나타나나고 있다. 따라서 댐퍼크기가 작으면 덕트에서 압력손실이 증가하여 배기팬의 소요정압을 증가시킬 필요가 있음을 알 수 있다.

Figs. 4, 5는 댐퍼 설치간격이 100 m인 경우에 댐퍼크기 별로 댐퍼통과풍량(kg/s)과 덕트 내 압력분포를 나타낸 것이다. 이 경우, 개방되는 댐퍼 수는 7개소이며, 댐퍼 당 풍량은 19.6 kg/s이다.

이 경우에도 배연풍량은 배기팬과 가까운 댐퍼에서 증가하고 거리가 멀어질수록 감소하고 있다. 첫 번째 댐퍼의 풍량은 기준풍량 대비 약 1.49배(0.8 m × 1.2 m)~5.48배(3.0 m × 4.5 m)로 댐퍼크기가 커질수록 증가하며, 댐퍼의 크기가 2.0 m × 3.0 m 이상이 되면 화재 하류측(화재를 기준으로 x + 방향)댐퍼의 풍량이 거의 0에 근접하는 것으로 분석되어 배기풍량의 균일성이 매우 나빠지며, 배연능력이 저하할 것으로 예상된다.

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Fig. 4.

Extraction air flow rate and ratio to design air flow rate in each damper (damper interval = 100 m)

Fig. 5는 덕트의 압력분포를 나타낸 것으로 배기팬과 가까운 댐퍼일수록 압력손실이 증가하는 경향을 보이고 있으며, 화재 하류에 위치하는 댐퍼의 압력손실은 상류측에 위치하는 댐퍼보다 상대적으로 작게 나타나고 있으며, 댐퍼크기가 증대할수록 이와 같은 경향이 분명하게 나타나고 있다.

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Fig. 5.

Pressure drop in duct (damper interval = 100 m)

Fig. 6은 댐퍼 설치간격에 따른 덕트의 압력손실을 비교하기 위해서 댐퍼 통과풍속 및 댐퍼크기에 따른 덕트에서 압력손실을 나타낸 것이다. 단, 댐퍼 설치간격이 50 m의 경우에는 100 m인 경우보다 배기팬에서 첫 번째 댐퍼까지 거리가 50 m 길기 때문에 50 m에 해당하는 직관손실을 뺀 압력손실이다.

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Fig. 6.

Duct pressure drop according to air velocity through damper

댐퍼크기가 증가하여 댐퍼 통과풍속이 감소하면 압력손실은 선형적으로 감소하는 경향을 보이고 있으며, 댐퍼 설치간격에 따른 차이는 거의 없는 것으로 나타나고 있다.

댐퍼 통과풍속이 약 1 m/s에서 11 m/s로 증가하면 덕트에서 압력손실은 약 400 Pa에서 667 Pa로 비교적 크게 증가하는 것으로 나타나고 있다. 따라서 집중배기방식의 팬 정압선정 시 댐퍼크기가 압력손실에 미치는 영향을 고려할 필요가 있는 것으로 판단된다.

4.2 연기 이동거리분석

Fig. 7은 댐퍼간격이 50 m로 화재지점을 중심으로 상하류 방향으로 각각 250 m구간에서 11개소의 댐퍼를 개방한 경우에 댐퍼크기 별로 터널의 중심단면에서 CO농도분포를 나타낸 것이다.

이 경우, 댐퍼 당 설계배연풍량은 10.39 m3/s이나 전절에 설명한 바와 같이 댐퍼별로 압력불균형이 발생하여 댐퍼별 배연풍량이 불균일해진다. 또한, 댐퍼크기에 따라 풍량의 불균일한 정도가 달라지기 때문에 연기의 이동거리도 차이가 발생하고 있다.

Fig. 7에서 화재연기는 상승하여 터널의 상층부를 따라 확산되고 신선공기는 터널의 하부로 유입하는 기류가 형성되고 있다. 댐퍼면적이 작아서 댐퍼의 통과풍속이 큰 경우에는 연기층 하부의 신선공기가 유입되는 프러그 홀링 현상이 발생하는 것을 확인할 수 있다. 그러나 댐퍼크기가 증가하면 배연풍량이 집중되는 화재 상류측 댐퍼에서는 플러그 홀링 현상이 관찰되나 비교적 원활한 배연이 이루어지고 있다. 화재 하류의 댐퍼에서는 유입풍량이 거의 0이기 때문에 배연이 전혀 이루어지지 않으며, 오히려 덕트로 유입한 연기가 온도팽창에 의해서 터널쪽으로 재유출되는 현상이 발생하고 있다. 이와 같은 이유로 댐퍼크기가 증가하면 화재 하류에서는 연기가 터널출구까지 확산되는 현상을 보이고 있으며, 댐퍼크기가 1.5 m × 2.25 m보다 증가하면 연기의 이동거리가 급격하게 증가하게 된다.

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Fig. 7.

CO distribution for damper interval = 50 m

Fig. 8은 댐퍼간격이 100 m이고 화재지점을 중심으로 터널양측으로 각각 300 m구간에서 7개의 댐퍼를 개방한 경우에 댐퍼크기 별로 터널 중심단면에서 CO농도분포를 나타낸 것으로 연기의 전파양상은 댐퍼간격이 50 m인 경우와 비슷한 양상을 보이고 있다.

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Fig. 8.

CO distribution for damper interval = 100 m

Fig. 9는 댐퍼간격이 50 m인 경우에 댐퍼의 설계통과풍속에 따라 연기의 이동방향별로 이동거리를 나타낸 것이다. 화재상류방향과 하류방향의 연기이동 특성은 상당한 차이를 보이고 있음을 알 수 있다.

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Fig. 9.

Smoke propagation distance according to the air velocity through damper (damper interval = 50 m)

화재상류(X-)방향에서는 댐퍼면적이 증가(댐퍼 통과풍속이 감소)하면 연기의 이동거리가 증가하는 경향을 보이며, 본 해석범위에서 댐퍼면적에 따른 연기 이동거리의 차이는 205 m (0.8 m × 1.2 m)에서 250 m (3.0 m × 4.5 m)정도로 비교적 작게 나타나고 있다. 이는 배기팬과 가까운 화재 상류측 댐퍼의 풍량이 상대적으로 증가하기 때문이다. 화재 하류(X+)방향에서는 통과풍속이 4.4 m/s 이상인 경우에는 연기 이동거리에 있어 큰 차이가 없으나, 4.4 m/s 미만에서는 댐퍼사이즈가 증가하여 풍속이 감소하면 연기 이동거리가 급격하게 증가한다. 이 경우, 통과풍속이 0.77 m/s가 되면 연기 이동거리가 450 m로 기준보다 1.8배까지 증가하는 것으로 나타나고 있다. 이상의 검토에서 댐퍼의 설치간격이 50 m인 경우에는 댐퍼 통과풍속을 4.44 m/s 이상(댐퍼면적 2.34 m2 (1.25 m × 2.87 m) 이상)으로 하는 것이 배연성능확보에 유리한 것으로 판단된다. Fig. 10은 댐퍼의 설치간격이 100 m인 경우에 댐퍼의 설계통과풍속에 따라 터널 내 연기의 이동방향별로 이동거리를 나타낸 것이다.

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Fig. 10.

Smoke propagation distance according to the air velocity through damper (damper interval = 100 m)

화재상류(X-)방향의 경우에는 댐퍼면적이 감소하여 댐퍼 설계통과풍속이 증가할수록 연기의 이동거리는 감소하는 경향을 보이고 있으나, 본 해석범위에서 연기의 이동거리의 차는 50 m정도로 비교적 크지 않은 것으로 나타나고 있다. 반면에 화재 하류(X+)방향의 경우에는 댐퍼 통과풍속이 4.84 m/s (댐퍼사이즈: 1.5 m × 2.25 m)일 때 연기의 이동거리가 가장 짧으며, 댐퍼면적이 보다 증가하여 통과풍속이 4.84 m/s 미만인 범위에서는 연기의 이동거리가 급격하게 증가하는 경향을 보이고 있다.

각 방향별로 연기 이동거리는 화재 하류(X+)방향의 경우, 댐퍼풍속이 4.84 m/s (1.5 m × 2.25 m)일 때 236.8 m, 화재상류(X-)방향으로는 댐퍼풍속이 10 m/s 이상(1.0 m × 1.5 m, 0.8 m × 1.2 m)일 때 255 m정도로 가장 짧으며, 양방향 전체 이동거리는 10.89 m/s (1.0 m × 1.5 m)일 때 511.8 m로 가장 짧은 것으로 나타나고 있다. 이상의 검토에서 댐퍼의 설치간격이 100 m인 경우에는 댐퍼의 설계통과풍속을 4.84 m/s 이상(댐퍼면적: 3.38 m2 (1.5 m × 2.25 m) 이상)으로 하는 것이 배연성능 확보에 유리한 것으로 평가된다. 그리고 댐퍼사이즈가 동일한 경우, 연기의 이동거리는 댐퍼간격이 50 m인 경우가 댐퍼간격이 100 m인 경우 보다 상류측으로는 약 50 m, 하류측으로는 약 30~50 m정도 감소하는 것으로 나타났다.

5. 결 론

본 연구에서는 도로터널의 배연방식인 집중배기방식에서 배기구 통과풍속이 배연성능에 미치는 영향을 검토하는 것을 목적으로 각국의 집중배기방식에 대한 설계기준 및 적용현황을 조사 ‧ 분석하고 수치해석적인 방법에 의해서 동일한 배연풍량하에서 댐퍼 단면적을 달리하여 댐퍼 통과풍속에 따른 배연특성과 연기 이동거리를 고찰하였으며, 다음과 같은 결과를 얻었다.

1. 유럽터널에 대한 집중배기방식의 적용현황을 분석한 결과, 배연풍량 산정 시 부가풍량기준인 Vr은 평균 1.01 m/s이며, 배연풍량은 연기발생량보다 평균 97.5%정도 증가시켜 선정하고 있으며, 배연구간의 거리는 평균 325 m정도인 것으로 분석된다. 배연댐퍼의 단면적은 평균 4.5 m2이며, 댐퍼 통과풍속은 평균 13.2 m/s로 비교적 높게 설정하고 있는 것으로 분석되었다.

2. 배연댐퍼의 단면적이 증가할수록 개방되는 댐퍼간의 풍량의 비균일성이 증가하여 배기팬에서 가까운 댐퍼에 배기풍량이 집중되는 현상이 발생하게 되며, 풍량의 균등한 분배를 위해서는 댐퍼크기를 감소시킬 필요가 있다.

3. 배기팬의 풍량이 동일할지라도 배연댐퍼의 크기가 작아져서 통과풍속이 증가하면 댐퍼의 압력손실이 증가하여 덕트에 압력손실이 증가하게 되므로 배기팬 정압선정 시 이에 대한 고려가 있어야 한다.

4. 댐퍼의 크기에 따라 배연댐퍼의 배연풍량의 불균일성이 달라지기 때문에 댐퍼크기를 최적화 할 필요가 있으며, 본 해석범위에서는 댐퍼 설치간격을 50 m로 하는 경우에는 댐퍼의 통과풍속이 4.48 m/s, 댐퍼 설치간격을 100 m로 하는 경우에는 댐퍼의 통과풍속이 4.84 m/s 이상이 되도록 하는 것이 배연성능 확보에 유리한 것으로 나타났다.

5. 연기 이동거리는 댐퍼 설치간격을 50 m로 하는 경우가 100 m로 하는 경우보다 상류측으로는 약 50 m, 하류측으로는 약 30~50 m정도 감소하는 것으로 나타났다.

Acknowledgements

이 논문은 2019학년도 신한대학교 교수연구년 연수제도에 의하여 연구된 논문임.

저자 기여도

류지오는 연구개념 계획 및 설계, 해석결과에 대한 분석, 원고검토를 수행하였으며, 나광훈은 화재해석 및 데이터를 정리하고 원고를 작성하였다.

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