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문제 정의
- 본 연구의 목표인 지상 및 지하 환기소의 배연효율 검토 이전에 두 가지 형태의 연직갱 A, B에 대한 CO 가스배연능력을 검증하는 것이 필요하다고 판단되어 실제 터널 설계시 고려된 두 가지 기준으로 표 1과 같이 설정하여 20 MW 화재가 발생할 경우에 배연능력 검토 실험을 진행 하였다. 그리고 CO농도의 기준치인 25 ppm(지하 생활공간 공기질관리법의 CO허용기준)과 100 ppm (도로터널내 CO허용기준)을 배연효율의 기준으로 설정하였다(건설교통부 2004).
- 터널 내에 화재가 발생하였을 경우 연직갱의 터널 내 입계속도를 3.4 m/s로 유지하여 CO 가스 배연시 환기소 위치에 따른 환기팬의 열화 및 CO 농도를 측정하기 위한 실험이다.
제안 방법
- 터널내 기류는 원심력팬의 회전속도를 조절하여 제어하였다. 기존 국내 실험에서 적용된 연직갱의 설치 위치가 실제 터널에 적용되는 것과는 달리 터널의 바로 상층부에 관통되어진 점을 감안하여, 본 실험 장치는 실제 도로터널에 적용되는 기하학적형상에 최대한 근사하도록 터널 측면에 굴곡부를 가지도록 설계하였다. 또한, 연직갱은 프랜지 조립형의 원통관 형식으로 높이조절이 가능하도록 설계하였으며, 입기와 배기가 모두 가능한 팬을 설치하였다.
- 기존 국내 실험에서 적용된 연직갱의 설치 위치가 실제 터널에 적용되는 것과는 달리 터널의 바로 상층부에 관통되어진 점을 감안하여, 본 실험 장치는 실제 도로터널에 적용되는 기하학적형상에 최대한 근사하도록 터널 측면에 굴곡부를 가지도록 설계하였다. 또한, 연직갱은 프랜지 조립형의 원통관 형식으로 높이조절이 가능하도록 설계하였으며, 입기와 배기가 모두 가능한 팬을 설치하였다.
- 도로터널내의 환기소는 대체적으로 지하에 설치되어 있으나 지하에 설치되어 있을경우 접근의 용이성, 화재의 취약성 등의 문제점이 예상된다. 반면, 지상 환기소를 설치하였을 경우 접근의 용이성, 연직갱 관의 냉각효과로 인한 배연팬의 열화 억제가 예상된다 이에 본 연구에서는 환기소의 위치에 따른 방재 효율성 검토를 위해 축소모형실험 통한 co 농도와 온도 특성을 지상 환기소와 지하 환기소로 나누어 분석하였다.
- 그러나 환기갱 및 경사갱의 경우 1/4 원형 모양이 아닌 직사각형 형태이며, 1/4 원형 모양의 연직갱부는 연직갱 A에 비해 약 1/2배가량 작은 단면적을 가지고 있다. 실험은 연직갱 A 때와 같은 조건으로 20 MW의 화재와 동시에 임계속도(3.4 m/s)와 배연풍량(280 m%)을 적용시켰다(그림 5).
- 그 이후 연직 갱은 배기팬과 연결되어 있어 원하는 풍량을 쉽게 적용할 수 있도록 하였다. 실험은 연직갱과 340 m 이격된 지점에서 20 MW 화재와 동시에 임계속도(3.4 m/s)와 배연풍량(560 m%)을 적용시켰으며, 화재 후 시간에 따른 CO 농도를 C1 과 C2 지점에서 측정하였다.
- 연직갱 B의 경우 역시 터널 내에 화재가 발생하였을 경우 터널 내 임계속도를 3.4 m/s(모델 : 0.48 m/s)로 유지하고 연직갱의 배연팬은 가동하지 않았을 때 지하환기소와 지상 환기소의 CO 농도와 온도변화를 분석하였다.
- 4 m/s가 유입되게 하였으며 연직갱 내부의 VI 에서 풍속을 측정하여 연직갱의 형태에 따라 배연 팬에서 각각 560 m3/s, 280 n?/s의 풍량을 적용하였다. 연직갱의 형태에 따른 배연능력을 가늠하는 기준은 C1 지점과 C2 지점의 CO 농도로 결정하였고 정확한 실험을 위해 화원과 연직갱 사이에 있는 피난연락갱에 설치된 방화문은 모두 닫은 상태에서 진행하였다
- 제작 모형은 그림 1과 같이 연직갱이 포함된 일방향 쌍굴터널에 최대한으로 근사하도록 기하학적 형상을 모사하였다. 터널부분은 실제 터널 단면의 1/50로 축소하였으며, 길이 20 m, 단면직경 0.
- 터널 내에 화재가 발생하였을 경우 터널 내 임계속도를 3.4 m/s(모델 : 0.48 m/s)로 유지하고 연직갱의 배연 팬은 가동하지 않았을 때 지하 환기소와 지상 환기소에서의 CO 농도와 온도변화를 분석하였다 지하 환기소의 경우는 Cl, T1 지점에서, 지상 환기소의 경우는 C2, T2 지점에서의 시간별 CO농도 및 온도변화를 확인하였다. (그림 6).
- 화원 부분은 아크릴 원형관의 변형을 방지하기 위하여 특수 유리로 제작하였다. 터널 부분은 기본적으로 1 m 간격의 조립식으로 제작하여 연직갱 및 화원의 위치 변화가 가능하도록 하였다. 터널내 기류는 원심력팬의 회전속도를 조절하여 제어하였다.
- 터널부분은 실제 터널 단면의 1/50로 축소하였으며, 길이 20 m, 단면직경 0.2 이의 아크릴 원관 노면에 상당하는 아크릴판을 삽입하여 그 단면을 실제의 터널 기준단면과 동일하게 제작 하였다. 화원 부분은 아크릴 원형관의 변형을 방지하기 위하여 특수 유리로 제작하였다.
- 2 이의 아크릴 원관 노면에 상당하는 아크릴판을 삽입하여 그 단면을 실제의 터널 기준단면과 동일하게 제작 하였다. 화원 부분은 아크릴 원형관의 변형을 방지하기 위하여 특수 유리로 제작하였다. 터널 부분은 기본적으로 1 m 간격의 조립식으로 제작하여 연직갱 및 화원의 위치 변화가 가능하도록 하였다.
대상 데이터
- 본 실험은 그림 2~3에서 보는 바와 같이 연직 갱과 화원의 거리는 실제상황에서 약 340 m 이격되어 있으며, 연직갱에서 발생되는 배연 기류가 시작되는 지점을 중심으로 하여 좌우로 20 cm(실제 : 10 m) 이격된 지점에 CO 센서를 부착하였다. 본 터널에서는 화재와 동시에 임계속도 3.
- (Megret and Vauquelin 2000). 연료로는 가솔린을 사용하였으며, pool 화재의 경우 열방출량은 식 (2)(Megret and Vauquelin 2000)에 의하여 결정하였다. 또한, 화재 강도의 설정은 연료의 연소효율과 복사열의 분산을 고려하여 계산된 방출량의 0.
- 화원은 직경이 7.5 cm인 pool식 버너를 사용하였다. Pool식 버너란 수평연료표면에서 연료가 자연 연소되는 버너로서, pool식 버너에서의 연소는 낮은 초기 모멘텀 확산 화염(diffiision flame)이라는 것과 부력효과에 의해 영향을 많이 받는다는 특징을 가지므로 실제 차량의 연소를 비교적 유사하게 모사할 수 있는 장점이 있다.
이론/모형
- 진행 하였다. 그리고 CO농도의 기준치인 25 ppm(지하 생활공간 공기질관리법의 CO허용기준)과 100 ppm (도로터널내 CO허용기준)을 배연효율의 기준으로 설정하였다(건설교통부 2004).
성능/효과
- 1. 두 가지 연직갱의 배연능력 실험 결과, 연직갱 A의 경우 C1 지점에서 최대 6.82 ppm, 연직갱 B의 경우는 9.1 ppm의 CO 농도가 감지되었으며 C2 지점에서는 두 가지 연직갱 모두 CO가 검출되지 않았다. 즉 두 연직갱 모두 유해가스들의 연직갱을 통한 전량배출이 가능하였다 결론적으로 두 가지 연직갱을 통한 방재 효율 분석에는 문제가 없을 것으로 사료된다.
- 2. 지상 및 지하 환기소에서의 CO 농도 변화 측정 결과 환기소의 위치적 특성으로 인해 CO가 상승하기 시작하는 시간이 두 가지 형태의 연직갱 모두 지상 환기소의 경우 지ㅎ환기소보다 약 200초의 차이가 발생하는 것으로 나타났다. 또한, 최종 분석시간인 1200 초에 지하와 지상의 CO 농도 차이는 각각 2.
- 3. 지하 환기소의 경우 화재지역과 근접하여 지속적인 온도 상승이 발생하여 최종 분석시간인 1200초에 연직 갱 A, B 각각 16.05℃, 18.82℃까지 상승하는 것으로 나타났다. 반면, 지상 환기소는 지하 환기소에 비해 시간에 따른 온도 변화가 완만한 상승세를 나타내며, 최종 분석시간에는 15.
- 4. 최종 분석시간인 1200초에 지하와 지상의 CO 농도 차이는 각각 2.23 ppm, 2.73 ppm 으로 지상 환기소내 CO 농도 수치가 다소 낮으나, 화재 후 발생되는 유해한 가스들이 연직갱으로 전량 배연되는 것을 가정하였으므로 1200초 이상의 시간이 경과되면 두 환기소의 CO 농도 차이는 거의 발생하지 않을 것으로 판단된다. 또한 화재 후 두 환기소의 온도는 약 0.
- 검토결과 두 가지 연직갱의 형태 모두 적정한 배연풍량을 통해 터널 내 20 MW화재시 발생되는 CO 가스를 적절하게 제어할 수 있을 것으로 사료된다.
- 23 ppm 감소한 농도를 보였다. 또한, 지하 환기소와 지상 환기소의 최초 CO 검출시간의 차이는 약 200초로 나타났는데 이는 각 환기소의 위치적인 차이에 기인하는 것으로 판단된다.
- 지상 및 지하 환기소에서의 CO 농도 변화 측정 결과 환기소의 위치적 특성으로 인해 CO가 상승하기 시작하는 시간이 두 가지 형태의 연직갱 모두 지상 환기소의 경우 지ㅎ환기소보다 약 200초의 차이가 발생하는 것으로 나타났다. 또한, 최종 분석시간인 1200 초에 지하와 지상의 CO 농도 차이는 각각 2.23 ppm, 2.73 ppm 으로서 지하 보다 지상 환기소가 방재적인 측면에서 유리할 것으로 판단된다.
- 82℃까지 상승하는 것으로 나타났다. 반면, 지상 환기소는 지하 환기소에 비해 시간에 따른 온도 변화가 완만한 상승세를 나타내며, 최종 분석시간에는 15.52℃, 17.88C까지 상승하는 것으로 나타나는 것으로 보아 지하 환기소에 비해 갱도의 길이가 상대적으로 길어 갱도표면의 냉각 효과로 인해 온도가 낮게 형성 되었다.
- 1 ppm의 CO 농도가 감지되었으며 C2 지점에서는 두 가지 연직갱 모두 CO가 검출되지 않았다. 즉 두 연직갱 모두 유해가스들의 연직갱을 통한 전량배출이 가능하였다 결론적으로 두 가지 연직갱을 통한 방재 효율 분석에는 문제가 없을 것으로 사료된다.
- 지하 및 지상 환기소에서의 CO 농도변화 측정 결과, 그림 10과 같이 위치적 특성으로 인해 CO가 검출되기 시작하는 시간이 지상 환기소의 경우 약 412초로 나타나 약 205초인 지하 환기소보다 207초의 차이가 발생하였다 또한 최종 분석시간인 1200초에 지하와 지상의 CO 농도는 약 34.36 ppm과 약 31.63 ppm으로 나타나 지상 환기소가 2.73 ppm 낮은 수치를 나타냈다.
- 현상이 발생하였다. 지하 환기소의 경우 최종 분석 시간인 1200초에 약 18.820까지 상승하였으나 지상 환기소는 시간에 따른 온도 변화가 완만한 상승세를 나타내며 최종 분석시간에는 약 17.88℃까지 상승하는 것으로 나타났다. 이는 연직갱의 지하 환기소에 비해 갱도의 길이가 상대적으로 길어 갱도표면의 냉각효과로 완만한 상승을 보이는 것으로 사료된다.
후속연구
- 73 ppm 으로 지상 환기소내 CO 농도 수치가 다소 낮으나, 화재 후 발생되는 유해한 가스들이 연직갱으로 전량 배연되는 것을 가정하였으므로 1200초 이상의 시간이 경과되면 두 환기소의 CO 농도 차이는 거의 발생하지 않을 것으로 판단된다. 또한 화재 후 두 환기소의 온도는 약 0.53℃, 0.94℃의 미세한 차이가 발생하지만, 이는 실제 연직 갱의 높이 및 단면의 열전도율에 대한 상사를 완벽하게 재현할 수 없는 실험적 한계로 실제 터널에서의 온도차와 정량적인 상사는 되지 않았으나, 환기소 위치에 따른 온도차의 경향을 반영할 수 있을 것으로 판단된다.
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