터널내의 NVP(자연환기력)은 환기 및 방재시스템 설계시 중요성에도 불구하고, 측정 및 정량화의 어려움으로 인해 관련 연구가 극히 제한적이었다. 본 연구에서는 터널 환기시스템의 최적 설계를 위하여 지형 및 기상학적 자료를 이용한 국내 터널내 작용하는 NVP을 정량화함으로써 궁극적으로는 정량화 및 적용 설계지침의 마련을 목적으로 하였다. 국내 주요 노선상의 22개 터널을 분석대상으로 하였다. 기상자료에 기초한 NVP의 범위는 20~140 Pa이며, 지형자료에 기초한 경우는 20~200 Pa로 추정되었다. 터널내 제트팬의 대당 승압력이 10~15 Pa인 점을 감안하면, NVP는 제트팬 1대 이상의 영향력을 가지고 있음을 의미하므로 터널의 경제적이고 안전한 설계를 위해서는 NVP의 정량화 및 적용이 반드시 필요함을 알 수 있다. NVP의 크기 결정에 영향을 미치는 변수중, 터널 입출구 갱구사이의 기압차가 가장 중요한 변수이며 기여도는 평균 61%, 그리고 외풍에 의한 갱구면 작용 압력이 22%, 공기 밀도차에 의한 굴뚝효과가 17%의 기여도를 보인다.
터널내의 NVP(자연환기력)은 환기 및 방재시스템 설계시 중요성에도 불구하고, 측정 및 정량화의 어려움으로 인해 관련 연구가 극히 제한적이었다. 본 연구에서는 터널 환기시스템의 최적 설계를 위하여 지형 및 기상학적 자료를 이용한 국내 터널내 작용하는 NVP을 정량화함으로써 궁극적으로는 정량화 및 적용 설계지침의 마련을 목적으로 하였다. 국내 주요 노선상의 22개 터널을 분석대상으로 하였다. 기상자료에 기초한 NVP의 범위는 20~140 Pa이며, 지형자료에 기초한 경우는 20~200 Pa로 추정되었다. 터널내 제트팬의 대당 승압력이 10~15 Pa인 점을 감안하면, NVP는 제트팬 1대 이상의 영향력을 가지고 있음을 의미하므로 터널의 경제적이고 안전한 설계를 위해서는 NVP의 정량화 및 적용이 반드시 필요함을 알 수 있다. NVP의 크기 결정에 영향을 미치는 변수중, 터널 입출구 갱구사이의 기압차가 가장 중요한 변수이며 기여도는 평균 61%, 그리고 외풍에 의한 갱구면 작용 압력이 22%, 공기 밀도차에 의한 굴뚝효과가 17%의 기여도를 보인다.
In spite of the importance of the natural ventilation pressure(NVP) in tunnels for the optimal design of the ventilation system, there have been only few studies on the NVP because its measurement and quantitative analysis are not straightforward. This study aims at quantifying the amount of the NVP...
In spite of the importance of the natural ventilation pressure(NVP) in tunnels for the optimal design of the ventilation system, there have been only few studies on the NVP because its measurement and quantitative analysis are not straightforward. This study aims at quantifying the amount of the NVP with the terrain and meteorological data for the local major tunnels. And ultimately this will lead to developing the guidelines for quantifying and applying NVP for the optimal design of tunnel ventilation system. 22 local tunnels in the major routes are studied for the NVP quantification. NVP derived from the meteorological data is in the range of 20~140 Pa, while NVP estimated from the terrain data ranges from 20 to 200 Pa. Since the jet fan pressure is about 10~15 Pa per unit, the minimum level of NVP expected in the local tunnels is larger than the pressure rise by one unit of the ordinary jet fan. This implies that NVP in local tunnels should be quantified and be taken into consideration for the economic and safe ventilation design. The barometric pressure difference between tunnel portals is found to be the most influential factor, accounting for 61% of the NVP, while the wind pressure acting on the portals and the chimney effects occupy 22% and 17%, respectively.
In spite of the importance of the natural ventilation pressure(NVP) in tunnels for the optimal design of the ventilation system, there have been only few studies on the NVP because its measurement and quantitative analysis are not straightforward. This study aims at quantifying the amount of the NVP with the terrain and meteorological data for the local major tunnels. And ultimately this will lead to developing the guidelines for quantifying and applying NVP for the optimal design of tunnel ventilation system. 22 local tunnels in the major routes are studied for the NVP quantification. NVP derived from the meteorological data is in the range of 20~140 Pa, while NVP estimated from the terrain data ranges from 20 to 200 Pa. Since the jet fan pressure is about 10~15 Pa per unit, the minimum level of NVP expected in the local tunnels is larger than the pressure rise by one unit of the ordinary jet fan. This implies that NVP in local tunnels should be quantified and be taken into consideration for the economic and safe ventilation design. The barometric pressure difference between tunnel portals is found to be the most influential factor, accounting for 61% of the NVP, while the wind pressure acting on the portals and the chimney effects occupy 22% and 17%, respectively.
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문제 정의
따라서 본 연구에서는 국내 도로터널에 작용하는 자연환기력의 범위를 추정해 보기 위해 1) 자연환기력의 분석방법론을 검토하고 2) 노선별로 터널군 자료군에 따른 지형 및 기상학적 자료를 수집하여 자연환기력의 크기를 분석하였다. 3) 또한 해당 터널의 제연설비 용량과의 비교검토를 통해 합리적인 설계방안을 도출하고자 한다.
제안 방법
따라서 본 연구에서는 국내 도로터널에 작용하는 자연환기력의 범위를 추정해 보기 위해 1) 자연환기력의 분석방법론을 검토하고 2) 노선별로 터널군 자료군에 따른 지형 및 기상학적 자료를 수집하여 자연환기력의 크기를 분석하였다. 3) 또한 해당 터널의 제연설비 용량과의 비교검토를 통해 합리적인 설계방안을 도출하고자 한다.
Fig. 15는 화재시 자연풍의 작용방향에 따른 제연설비용량의 적정성을 알아보기 위해 자연풍 적용기준에 따른 제연팬 용량의 적정성을 비교분석해 보았다. 제연팬 산정시 역풍으로 작용하는 자연풍에 대하여, 먼저 현 설계기준(-2.
유속자료로부터 터널내 총 압력손실을 계산하였으며, 이중 팬 환기력이 작동하지 않았을 경우의 교통 환기력을 구하고, 총 압력손실에서 교통환기력을 제외한 자연환기력을 구하였다. 그리고 이를 기상자료로 부터 보정기압차에 의한 환기력과 비교 분석하였다.
이것은 일기도 작성을 위해 제공되는 데이터 특성 때문이다. 따라서 본 연구에서는 터널 양 갱구부에 작용하는 (경정)기압차는 인근 기상대의 해면기압(hPa) 자료로 부터 터널 입출구와 관측지점간의 거리에 대한 선형보정을 한 후, 높이에 따른 보정은 터널의 평균고도를 기준으로 환산하였다. 이때 공기주의 높이에 따른 온도보정은 양 갱구간의 평균온도를 기온감율에 따라 보정할 수 있다.
31 기간 중 1시간당 터널내 유속자료, 교통량 자료를 분석하였다. 유속자료로부터 터널내 총 압력손실을 계산하였으며, 이중 팬 환기력이 작동하지 않았을 경우의 교통 환기력을 구하고, 총 압력손실에서 교통환기력을 제외한 자연환기력을 구하였다. 그리고 이를 기상자료로 부터 보정기압차에 의한 환기력과 비교 분석하였다.
15는 화재시 자연풍의 작용방향에 따른 제연설비용량의 적정성을 알아보기 위해 자연풍 적용기준에 따른 제연팬 용량의 적정성을 비교분석해 보았다. 제연팬 산정시 역풍으로 작용하는 자연풍에 대하여, 먼저 현 설계기준(-2.5 m/s) 적용조건과 기상자료로부터 획득한 Pnat 값 및 지형조건 자료로부터 획득한 Pmax 값을 가지고 적용하는 방안에 대하여 비교분석을 수행하였다. 분석결과, 현 환기설계 기준인 자연풍 저항-2.
대상 데이터
그러나 기상월보는 일평균값을 제공하기 때문에 터널내 자연환기력을 예측하기에는 시간평균구간이 너무 큰 편이다. 따라서 본 연구에서는 기상청에서 제공하는 오차범위 5%범위이내의 전산자료(2009.1.1～2011.12.31, 최근 3년간 1시간 단위 자료)을 획득하여 분석하였으며, Fig. 6은 획득한 기상자료의 관측지점을 나타내고 있다.
2.1 지형자료 분석
분석대상 터널 22개소에 대한 기압장벽의 높이(H) 는 구글어스상의 3-D 전산자료로 부터 고도특성 자료를 획득하였으며, 이 중 임고터널 등 4개소의 자료는기 발표된 국내 연구논문상의 값을 재인용하였다
. 단, 기압장벽고(H)는 Roche (1991), 이창우(2009) 등의 의한 방법으로 계산하였으며, 장벽고 높이에 따른 단위 m 당 최대 자연환기압은 0.
자동제어 계측자료는 2011.1.1～2011.12.31 기간 중 1시간당 터널내 유속자료, 교통량 자료를 분석하였다. 유속자료로부터 터널내 총 압력손실을 계산하였으며, 이중 팬 환기력이 작동하지 않았을 경우의 교통 환기력을 구하고, 총 압력손실에서 교통환기력을 제외한 자연환기력을 구하였다.
터널내 자연환기력 분석을 위해 노선별로 공용중인 주요터널(22개소)를 대상으로 하였으며, 노선별 위치는 Fig. 4와 같으며, 대상 터널의 제원은 Table 1과 같다.
이론/모형
분석대상 터널 22개소에 대한 기압장벽의 높이(H) 는 구글어스상의 3-D 전산자료로 부터 고도특성 자료를 획득하였으며, 이 중 임고터널 등 4개소의 자료는기 발표된 국내 연구논문상의 값을 재인용하였다. 단, 기압장벽고(H)는 Roche (1991), 이창우(2009) 등의 의한 방법으로 계산하였으며, 장벽고 높이에 따른 단위 m 당 최대 자연환기압은 0.45 Pa/m를 적용하였다. Fig.
성능/효과
1. 22개 대상터널을 분석한 결과, 기상자료에 기초한 자연환기력(Pnat)의 범위는 20～140 Pa, 지형자료에 기초한 자연환기력(Pmax)의 범위는 20～200 Pa 정도로 추정된다.
2. 자연환기력 영향 인자중 터널 양단 입출구의 기압차에 영향(61%), 외풍영향(22%), 굴뚝효과 영향 (17%) 순으로 크게 작용하는 것으로 분석되어 기 보고된 자료들과 잘 일치하는 경향을 보였다.
3. 환기시 자연환기력의 적용 방법론으로 현 설계기준인 역풍조건 -2.5 m/s 를 일괄 적용하기 보다는 풍압의 크기로 적용하는 것이 바람직해 보이며, 국내 터널의 경우, 최소 20 Pa 이상의 자연저항 풍압(개념)을 반영할 필요가 있는 것으로 사료된다.
4. 화재시 자연환기력의 적용 방법론으로 현 설계기준을 적용한 제연팬 대수대비 Pmax 에 의한 총제연팬 대수는 143대(1.31배) 정도로 증가하며, Pnat 에 의한 제연팬 대수는 63대(1.14배)의 증가가 필요한 것으로 분석되었다. 따라서 화재시 자연풍의 크기 및 작용방향에 따라, 현제연설비의 용량이 부족할 경우가 발생할 수 있으므로 이에 대한 개선 대책이 필요한 것으로 판단된다.
기상자료에 의한 자연환기력 분석결과, Fig. 10과 같이 대체적으로 외풍(22%)이나 굴뚝효과(17%)에 의한 자연 환기력 보다는 갱구간 (경정)기압차에 의한 영향(61%)이 큰 것으로 분석되었다. 외풍에 의한 영향이 굴뚝효과보다는 상대적으로 크나, 전체 자연환기력중 약 22%로 분포하였다.
5 m/s) 적용조건과 기상자료로부터 획득한 Pnat 값 및 지형조건 자료로부터 획득한 Pmax 값을 가지고 적용하는 방안에 대하여 비교분석을 수행하였다. 분석결과, 현 환기설계 기준인 자연풍 저항-2.5 m/s를 적용한 22개 터널의 총 제연팬 대수 464대 대비 Pmax 에 의한 총 요구 제연팬 대수는 607대로 143대(1.31배) 정도의 증가하며, Pnat 에 의한 총 요구 제연팬 대수는 527대로 63대(1.14배)의 증가가 필요한 것으로 분석된다.
10과 같이 대체적으로 외풍(22%)이나 굴뚝효과(17%)에 의한 자연 환기력 보다는 갱구간 (경정)기압차에 의한 영향(61%)이 큰 것으로 분석되었다. 외풍에 의한 영향이 굴뚝효과보다는 상대적으로 크나, 전체 자연환기력중 약 22%로 분포하였다. 그러나 개별 터널별로는그 구성요인별 크기가 서로 다르며, 해당 터널의 지형적 기상적 요인에 따라 변동하는 것으로 분석된다.
조사대상 22개 터널에 대하여 지형자료로부터 획득한 기압장벽고(H)는 48.1～433.4 m로 계산되었으며, 기압장벽고에 대하여 단위 m당 0.45 Pa/m 적용한 결과, Fig. 9와 같이 예상되는 자연환기력(Pmax)는 21.6～195 Pa 의 범위로 분석되었다. 그리고 최대 Pmax 값은 최장터널인 죽령터널(Lr = 4.
총 44개의 튜브(tube) 수를 기준으로 할 경우, Pnat 값이 Pmax 값을 초과하는 경우가 4개소로 나타나 대략 9% 정도가 초과하는 것으로 나타났다. 그러나 상대오차 10% 이상인 곳은 장동1터널(광양방향) 및 둔내터널(인천방향) 2개소로 나타나 5% 이내의 오차를 고려할 경우, Pmax에 의한 자연환기력의 예측은 적정한 것으로 보인다.
후속연구
하지만 실제 기상조건에 의한 영향을 고려할 수 없다는 측면과 과도하게 터널연장에 비례하여 저항력이 높아진다는 측면을 고려한다면 설계기준으로써 적용하기에는 다소 미흡한 측면이 있을 수 있다. 따라서 현행 설계기준에 따른 제연팬 대수는 Pnat 또는 Pmax 에 의한 방법보다 대체적으로 적게 자연풍 저항을 예측하고 있어 실제 대수의 부족현상이 발생할 소지가 있으므로 이에 대한 보완연구가 필요한 것으로 분석된다.
14배)의 증가가 필요한 것으로 분석되었다. 따라서 화재시 자연풍의 크기 및 작용방향에 따라, 현제연설비의 용량이 부족할 경우가 발생할 수 있으므로 이에 대한 개선 대책이 필요한 것으로 판단된다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
기상자료, 지형자료에 기초한 NVP의 범위는 각각 어느 정도인가?
국내 주요 노선상의 22개 터널을 분석대상으로 하였다. 기상자료에 기초한 NVP의 범위는 20~140 Pa이며, 지형자료에 기초한 경우는 20~200 Pa로 추정되었다. 터널내 제트팬의 대당 승압력이 10~15 Pa인 점을 감안하면, NVP는 제트팬 1대 이상의 영향력을 가지고 있음을 의미하므로 터널의 경제적이고 안전한 설계를 위해서는 NVP의 정량화 및 적용이 반드시 필요함을 알 수 있다.
일본의 경우, 자연환기력 기준을 어떻게 설정하는가?
자연환기력(NVP)에 대한 연구는 터널을 비롯한 지하공간 환기설계의 주요 변수임에도 측정 및 정량화의 문제점으로 인하여 현재까지 활발히 진행되지 않고 있으며, 국내 설계기준에서도 자연환기력에 대한 적용지침을 명확히 제시하고 있지 못하고 있다. 다만, 일본의 경우처럼, 2～3 m/s 정도의 자연풍을 터널내 저항값으로 설계에 반영하고 있는 실정이다 (한국도로공사, 2011, 국토교통부, 2011). 그러나, 실제 자연환기력에 의해 유도되는 터널내 풍속이 4～5 m/s 이상으로 관측되는 사례가 빈번하며, 이는 단터널 (1 km 미만) 뿐만 아니라 장대터널에서도 관측되고 있다.
NVP에 대한 연구가 제한적이었던 이유는?
터널내의 NVP(자연환기력)은 환기 및 방재시스템 설계시 중요성에도 불구하고, 측정 및 정량화의 어려움으로 인해 관련 연구가 극히 제한적이었다. 본 연구에서는 터널 환기시스템의 최적 설계를 위하여 지형 및 기상학적 자료를 이용한 국내 터널내 작용하는 NVP을 정량화함으로써 궁극적으로는 정량화 및 적용 설계지침의 마련을 목적으로 하였다.
참고문헌 (8)
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Lee, C.W., Park, H.C. (2009), "A study on the natural ventilation force in tunnels", Tunnel and Underground Space, Vol. 19, No. 3, pp. 226-235.
Kim, H.G., et al. (2012), "A study on the improvement of estimation guidelines of jet fans for smoke control in highway tunnel(Final report)", Korea Expressway Corporation, pp. 142-202.
Roche, L. (1991), "Meteorological influence on tunnel ventilation: three new field experiment", proceedings of 7th AVVT, pp. 513-544.
Maarsingh, R.A., Swart, L. (1991), "Wind-tunnel experiment on wind effect at tunnel portals", proceedings of 7th AVVT, pp. 545-562.
Bettelini, M. (2009), "Managing the longitudinal air velocity in long road tunnels", proceedings of 13th AVVT, pp. 53-68.
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