[논문]터널 내 화재 시 경사에 따른 온도층 및 연기유동 특성

이동호; 김하영; 문성웅; 유지오

doi:10.9711/ktaj.2009.11.3.223

터널 내 화재 시 경사에 따른 온도층 및 연기유동 특성
The dynamic characteristics of upper hot gas layer and smoke propagation along with tunnel slope in case of fire 원문보기

터널기술 : 한국터널공학회논문집, v.11 no.3, 2009년, pp.223 - 228

이동호 (인천대학교 안전공학과) , 김하영 (인천대학교 안전공학과) , 문성웅 (인천대학교 안전공학과) , 유지오 (신흥대학 건축설비설계과)

초록
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본 연구는 터널 내 화재 시 온도층 및 연기층의 유동성향을 분석한다. 이를 위해 전산 시뮬레이션을 활용하였다. NIST의 FDS를 통해 국도 및 고속도로 표준단면을 기준으로 화재 시나리오를 설정하였다. 연기층의 이동거리는 터널의 단면적이 증가할수록 내부 풍속에 의한 영향력이 감소하였으며, 내부 풍속이 상승할수록 경사에 의한 영향력이 감소하였다. 온도층의 이동거리는 내부풍속이 상승할수록 경사에 의한 영향력이 감소하였으며, 1 m/s 이상의 풍속에 냉각효과가 나타나 경사에 의한 영향력이 감소하였다

Abstract ▼ AI-Helper

The aim of this research is to analyse the dynamic characteristics of the hot upper smoke layer in case of fire in a tunnel. In order to get the result, computer simulation technique has been used. The fire scenarios were set on the basis of standard cross section of national and express highways through NIST's FDS. As the area of a tunnel increased, the influence of the wind velocity decreased. Furthermore, the influence of the slope of a road was reduced as the wind velocity increased. On the other hand, as the wind velocity increased, the influence of the slope of a road decreased. This phenomena is believed to be caused by the cooling effect of wind which is over 1 m/s in speed, hence, reducing the influence of the effect of slope.

주제어

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문제 정의

본 연구는 도로터널 화재 시 터널형태와 터널 내 풍속속도 터널의 경사의 변화에 따른 전산시뮬레이션을 수행하여 온도 및 연기유동의 특성 분석을 통하여 도로 터널 설계 및 방재시설 설치의 기초 자료를 제공하고자 한다.

제안 방법

도로터널 내 풍속은 정체시의 경우와 임계풍속을 포함하여 0.0 m/s, 1.0 m/s, 2.0 m/s, 2.5 m/s, 3.0 m/s로 설정하였으며 , 도로터널의 계산조건으로 터널연장 1000 m, 계산 시간 1000 sec로 설정하여 총 100 Case에 대한전산 시뮬레이션을 수행하였다.
0% 를 기준으로 하였다. 터널 개통후의 터널내부 용출수를종단배수구에 의해 자연유출 시키려면 통상적으로 0.1% 이상의 경사가 있으면 효과적이나, 시공 중의 용출수를 자연 유출 시키기 위해서는 용출수가 적을 경우 0.3% 이상 많은 경우는 0.5%의 경사를 필요로 하기 때문에 최소 종단 경사를 0.3%로 설정하였다. 또한 기계 환기를 필요로 하는 터널에서는 환기 계획상 특수한 경우를 제외하면 일반적으로 0.

대상 데이터

본 연구에서 적용된 도로터널의 내공단면은 한국도로공사에서 제시한 터널표준단면을 적용하여, 표 2와 같이 국도 및 고속도로 2차로 고속도로 3-4차로 표준 단면을 기준으로 하였다.
본 화재 시나리오의 화재강도는 버스를 기준으로 하여 20 MW(PIARC 95 기준)(국토해양부, 2009; PIARC, 1995)로 설정하였다. 또한 초기 온도는 20℃로 설정하였으며 화원의 크기는 버스(3.
터널 내 화재 위치는 무풍일 경우 중간지점(750 m)으로 설정 하였으며, 풍속이 존재할 경우 연기의 이동을 고려하여 200 m 지점으로 설정하였다. 화재는 450초에 최대 발열량인 20 MW에 도달하며 화재시의 연기발생량인 80 n?/s로 설정하였다(Billington, et al.

성능/효과

1- 내부 풍속에 의한 연기층의 이동거리의 경우 경사별 거리 차를 통해, 터널의 단면적이 증가할수록 터널 내부 기류에 의한 영향이 감소하는 것으로 나타났다.
2. 도로터널의 경사에 따른 연기층의 이동거리는 내부풍속이 상승할수록 경사에 의한 영향력이 감소하는 것으로 나타났다.
3. 도로터널의 경사에 따른 온도층의 이동거리는 내부풍속이 상승할수록 경사에 의한 영향은 낮은 것으로 나타났다.
4. 온도층의 이동거리는 터널 내부 풍속이 존재하지 않을경우 연기층의 이동과 비슷한 기울기의 양상을 나타냈지만 풍속 1 m/s 이상의 터널 내 에서는 공기 흐름으로 인한 냉각효과로 고온의 공기가 희석됨에 따라 기준 온도층의 이동거 리는 경사에 거의 영향을 받지 않으며 오히려 감소하는 것으로 나타났다.
그림 2는 고속도로 2차선의 경사별 터널내부 풍속에 따른 화재해석 결과이다 이늘 둥해 터널내부 풍속이 존재하지 않을 경우 연기층의 이동거리는 경사가 증가함에 따라 최대 142 m의 거리차가 발생하였으며, 터널 내부 풍속이 3 m/s일 경우 최대 11 m의 거리차가 발생해두 모델 사이의 연기층의 이동거리의 차가 92.3% 감소하였다.
내부 풍속에 의한 연기층의 이동거리는 경사가 0.3% 일 경우 단면적별로 주어진 조건 중 최소 풍속인 무풍에 비해 최대 265.3%~164.5% 증가하는 것으로 나타났으며, 경사의 증가에 따라 차이가 감소하여 최대 경사인 3.0%의 경우 무풍에 비해 최대 180.9-117.2% 증가하는 것으로 나타나 경사가 증가할수록 터널 내부 기류에 의한 영향이 감소하는 것으로 분석되었다.
도로 터널의 경사에 따른 연기층의 이동거리는 내부 풍속이 존재하지 않을 경우 단면적별로 최소 경사인 0.3% 에 비해 최대 48.1-45.9% 증가하는 것으로 나타났으며 풍속이 증가함에 따라 차이가 줄어들어 최대 터널 내부풍속인 3 m/s의 경우 최소 경사에 비해 최대 1.0~ 3.9% 증가하는 것으로 나타나 터널내부 풍속이 상승할수록 경사에 의한 영향은 낮아지는 것으로 분석되었다.
도로터널의 경사에 따른 온도층의 이동거리는 내부풍속이 존재하지 않을 경우 단면적별로 최소 경사인 0.3%에 비해 최대 49.5-12.8% 증가한 것으로 나타났으며 풍속이 증가함에 따라 차이가 줄어들어 최대 터널 내부풍속인 3 m/s의 경우 최소 경사에 비해 최대 2.9 ~ 1.9% 감소한 것으로 나타나 터널내부 풍속이 상승할수록 경사에 의한 영향은 낮은 것으로 나타나 온도 층의 이동양상은 연기층의 내부기류흐름과 비슷한 양상을 보이는 것으로 분석되었다
결과이다. 이를 통해 터널내부 풍속이 존재하지 않을 경우 연기층의 이동거리는 경사가 증가함에 따라 최대 140 이의 거리차가 발생하였으며, 터널내부 풍속이 3 :m/s일 경우 최대 8 m의 거리차가 발생해 두 모델 사이의 연기층의 이동거리의 차가 94.2% 감소하였다
화재해석 결과이다. 이를 통해 터널내부 풍속이 존재하지 않을 경우 온도층의 이동거리는 경사가 증가함에 따라 최대 23.2% 증가하였으며, 터널내부 풍속이 3 m/s 일 경우 최대 7.5% 감소하였다.
결과이다. 이를 통해 터널내부 풍속이 존재하지 않을 경우 온도층의 이동거리는 경사가 증가함에 따라 최대 49.5% 증가하였으며 터널내부 풍속이 3 m/s 일 경우 최대 2.9% 감소하였다.

참고문헌 (9)

국토해양부 (2008), 도로 교량 및 터널 현황 조서 2008
국토해양부 (2008), 도로설계편람 제6편 터널 1차년도 개정안
국토해앙부 (2009), 도로터널 방재시설설치 및 관리지침, pp. 97.
김명배, 최병일, 최준석, 한용식 (2004), "도로터널에서의 화재환기 설계에 관한 연구", 터널기술, 한국터널공학회 논문집, 제6권, 제2호, pp. 129-140

원문보기 상세보기
김정엽, 신현준, 강세구, 안경철 (2004), "도로터널 화재발생시 연기유동에 관한 축소모형실험 연구", 터널기술, 한국터널공학회 논문집, 제6 권, 제2호, pp. 141-148

원문보기 상세보기
유홍선, 양승신 (2005), "터널 화재시 배연속도가 연소율 변화에 미치는 실험적 연구 터널기술, 한국터널공학회 논문집, 제7권, 제2호, pp. 119-131

원문보기 상세보기
Kevin McGrattan, Bryan Klein, Simo Hostikka and Jason Floyd (2008), Fire Dynamics Simulator (Version 5) User's Guide, NIST, pp. 3-4.
M.J. Billington, Anthory Ferguson, and A.G. Copping (1998), Means of Escape form Fire, Blackwell Science.
PIARC (1995), Fire and Safety in Road Tunel.

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