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문제 정의
- (6) 본 연구에서는 철도터널 해석 수행시 단면 최소화를 통해 경제성 및 효율성 향상을 위하여 공기역학적 분석을 통한 단면 선정방법의 최적화를 제안하였다. 제안된 과정을 통하여 단면적을 선정하였고 선정과정에서의 변수를 체크하기 위하여 선정과정 이외의 Case 도 분석을 하여 발생할 수 있는 변수를 확인하였다.
- 단면적 설계 및 수치해석 작업 수행시, 단면적 선정 노력을 경감하여 효율성을 향상시키고 최소단면적 선정을 통해 경제성 증진을 도모하는데 본 연구의 목적이 있다. 이에 본 연구에서는 경제성과 안정성을 동시에 고려한 단면적 선정방법 및 선정과정의 적정성을 검토하는 연구를 수행하였다.
- 단면적 설계 및 수치해석 작업 수행시, 단면적 선정 노력을 경감하여 효율성을 향상시키고 최소단면적 선정을 통해 경제성 증진을 도모하는데 본 연구의 목적이 있다. 이에 본 연구에서는 경제성과 안정성을 동시에 고려한 단면적 선정방법 및 선정과정의 적정성을 검토하는 연구를 수행하였다.
제안 방법
- 낮은 차속과 높은 기준치에 기인한 결과인 것으로 분석되었다. EMU는 향후 고속화를 대비하여 200km/h (EMU200으로 지칭함) 및 230km/h(EMU230으로 지칭함)에 대한 분석을 수행하였다. 연장별 분석결과, 6km에서 최대값이 도출되었다.
- 따라서 본 연구에서는 일본 기준을 적용하여 분석결과에 적용하였다. 단, 본 연구에서는 20m 지점의 50Pa 기준만을 적용하여 단면선정의 기준으로 삼았다.
- 단면을 선정하는 가장 효율적인 접근법은 검토사항별 분석결과를 다음 분석에 반영하여 세 가지 검토사항에 대한 기준을 만족하는 단면을 선정하는 것이다. 따라서 본 연구에서는 선행 분석 사항을 고려하여 순차적으로 의사결정을 진행하는 model을 결정하였고 Table 1과 같이 도식화 하였다.
- 7의 산출과정을 거쳐 검토하였다. 또한 이명감에서 선정되지 않은 단면에 대한 검토를 수행하여 단면적별 경향을 파악하여 검토결과의 오류발생 여부를 추가로 검토하였다.
- 공기역학적 분석시, 주요인자들을 가능한 많이 적용하여야 결과에 대한 변수가 최소화된다. 본 연구에서는 열차의 속도, 연장을 각각의 단면에 적용하여 변수를 최소화하였다. 단면은 건축한계, 전차선 높이, 가고 등을 고려하여 36.
- 본 연구의 공기역학적인 주요 검토사항은 이명감, 미기압파, 열차에 의한 오염물질 환기를 위한 교통환기력(운영 중 환기)이며, 세가지 검토사항을 Table 1의 processmodel을 따라 검토하여 최적의 결과를 도출하였다. 단면을 선정하는 가장 효율적인 접근법은 검토사항별 분석결과를 다음 분석에 반영하여 세 가지 검토사항에 대한 기준을 만족하는 단면을 선정하는 것이다.
- 열차의 기밀도는 앞서 언급한 바와 같이 국내차량제작 기준에 의해서 각 열차별 기밀도를 적용하였으며, 선정된 단면에서 검토 단면이 이명감 기준을 만족하지 못하는 경우 최소단면부터 한단계씩 단면적을 증대시켜서 적정 단면을 선정하는 분석을 수행하였다. 철도터널의 최적 단면 선정을 위한 이명감 분석은 다음과 같은 조건을 적용하여 검토하였다.
- 철도터널의 비연속적인 특성 및 디젤열차 운행 조건에 따라 수치해석을 통하여 터널내 오염물질(일산화탄소, 질소산화물, 매연) 영향검토를 수행하였다. 이명감 및 미기압 분석결과를 토대로 선정된 39.97m2 및 50.35m2의 단면적에 대해 검토를 수행하였다. 적용한 조건은 다음과 같다.
- (6) 본 연구에서는 철도터널 해석 수행시 단면 최소화를 통해 경제성 및 효율성 향상을 위하여 공기역학적 분석을 통한 단면 선정방법의 최적화를 제안하였다. 제안된 과정을 통하여 단면적을 선정하였고 선정과정에서의 변수를 체크하기 위하여 선정과정 이외의 Case 도 분석을 하여 발생할 수 있는 변수를 확인하였다. 단면선정 process-model을 따라 단면적을 선정 및 최종적으로 저감시설(환기구) 설치 연장을 결정하는 과정을 최종적으로 검토한 결과, 과정상 문제점이 없는 것으로 검토되었다.
- 본 연구가 단선에 관한 것이므로 교차주행 조건은 선정조건에서 제외하였다. 차량의 경우, 무궁화 및 새마을호 등에 해당하는 열차를 비기밀 또는 준기밀의 일반열차로 분류할 수 있고, 200km/h 이상의 EMU는 기밀의 고속열차로 분류하여 상대적으로 엄격한 기준을 적용하였다. 국내외 주요기준은 Fig.
- 철도터널의 비연속적인 특성 및 디젤열차 운행 조건에 따라 수치해석을 통하여 터널내 오염물질(일산화탄소, 질소산화물, 매연) 영향검토를 수행하였다. 이명감 및 미기압 분석결과를 토대로 선정된 39.
대상 데이터
- 35m2 단면적을 분석조건으로 수립하였다. 본 연구의 사례에 따라 터널연장 1~6km, 열차속도 4 cases를 적용하였고 최대 Case 수는 Table 3과 같다. 선정예비단면은 Fig.
- 본 연구의 사례인 보성～임성리 철도사업의 단면선정은 Fig. 1과 같이 세분화된 절차를 거쳐 설계속도 200km/h를 만족하는 최소내공단면은 39.97m2로 Table 2와 같이 검토되었다.
- 이명감은 총 3개 차량의 4개 차속에 대하여 분석하였다. 200km/h 이하의 무궁화호(120km/h)와 새마을호(150km/h)의 분석결과는 모두 기준치 이하를 기록하였다.
데이터처리
- 본 연구 수행 중, 의사결정과정상의 세가지 검토사항에 대하여 분석 TOOL로 각각 전용프로그램인 PITS-1.0(이명감), TR 2.0(미기압파)과 범용프로그램인 FLUENT(미기압파)를 사용하였다.
이론/모형
- 국내의 경우, 경부고철에서 명문화된 미기압 적용기준은 없었으나 1995년 ㈔대한터널협회에서 수행한 공기압 해석보고서에서 당시 일본기준을 준용하였다. 따라서 본 연구에서는 일본 기준을 적용하여 분석결과에 적용하였다. 단, 본 연구에서는 20m 지점의 50Pa 기준만을 적용하여 단면선정의 기준으로 삼았다.
- 미기압을 예측하는 알려진 방법 중 CFD를 이용하는 방법에서 터널 출구부의 미기압파 강도 계산식은 (2)로서본 연구에 적용하였다.
- 철도기준에 구체적인 오염물질 농도 기준이 명시되어 있지 않아 『터널설계기준』에 의해 WRA(구 PIARC) 권고치를 고려하여 그에 해당하는 국내 기준인 ‘도로설계편람(2010)’ 상의 설계농도 Table 5와 같이 본 연구에 환기 분석기준으로 선정하였다.
성능/효과
- (1) 일반철도: 최고 150km/h 주행조건 적용시, 이명감은 최소단면적 36.36m2에서 기준을 만족하였다. 운영중 환기 분석결과, 터널 단면적에 증대에 따른 효과가 가장 적어 3.
- (2) 설계속도를 200km/h로 적용할 경우, 이명감과 미기압 모두 단면적 39.97m2에서 기준을 모두 만족(연장 6km 이하)하였다.
- (3) 설계속도 230km/h의 경우, 이명감 분석결과는 단면적 50.35m2이상을 적용하여야 기준을 만족하는 것으로 나타났다. 미기압의 경우, 50.
- (4) 검토연장 1~6km 까지 결과를 모두 고려시 최종적으로 설계속도 200km/h를 적용하여 단면적 39.97m2로 선정되었다.
- 검토결과는 단면적별로 일정 연장 이하일 때, 기준을 충족하는 것으로 나타났다. 설계속도 200km/h에서 단면적 39.
- 제안된 과정을 통하여 단면적을 선정하였고 선정과정에서의 변수를 체크하기 위하여 선정과정 이외의 Case 도 분석을 하여 발생할 수 있는 변수를 확인하였다. 단면선정 process-model을 따라 단면적을 선정 및 최종적으로 저감시설(환기구) 설치 연장을 결정하는 과정을 최종적으로 검토한 결과, 과정상 문제점이 없는 것으로 검토되었다.
- 35m2의 터널 연장 1~6km에 대한 오염물질 농도 분석결과는 Table 8과 같다. 두 단면 모두 3.0km 이하일 때 NOx의 농도기준을 만족하여 단면적별 차이가 매우 적은 것으로 나타났다.
- 97m2에도 연장 3km를 초과하는 구간에 대한 별도의 오염물질 저감시설이 필요하였다. 또한, 설계속도 230km/h을 선정하여도 4.5km 초과 연장에 대한 오염물질 및 미기압 저감시설이 동시에 필요한 것으로 검토되었다.
- 연장별 분석결과, 6km에서 최대값이 도출되었다. 분석 결과는 Table 6 과 Fig. 6에 나타내었고, EMU200은 39.97m2이상일 때 이명감 기준을 만족하며 EMU230은 50.35m2이상일 때 기준을 만족하는 것으로 나타났다.
- 36m2에서 기준을 만족하였다. 운영중 환기 분석결과, 터널 단면적에 증대에 따른 효과가 가장 적어 3.5km 이상 터널에서는 단면적 50.35m2를 적용하여도 기준을 초과하나 3km 이하에서는 최소단면적인 36.36m2에서도 기준을 만족하였다.
- 최적단면적 선정을 위해 1~6km 연장에서, 10개 단면에 대한 공기역학적 분석을 수행한 결과, 최종 선정된 단면은 150km/h 이하의 일반철도에서 36.36m2, 200km/h에서 39.97m2, 230km/h에서 50.35m2로 열차의 속도 증가에 따라 선형적 증가가 아닌, 비선형적으로 점증적 증가율을 보였다. 본 연구에서 얻어진 최종적인 결론은 다음과 같다.
후속연구
- (7) 끝으로 향후 본 연구 범위 이상의 연장 및 차속 등에 대하여 최적단면선정방법에 대한 Feed-back 등을 통한 논의 및 미기압 저감시설 설치 필요연장과 오염 물질 저감시설 설치 필요연장에 관한 연구와 저감률에 관한 연구를 추가적으로 수행하여 결과의 Database 화 등의 작업이 요구된다.
- 열차가 고속화됨에 따라 기존 일반 열차에서는 고려하지 않았던 여러가지 공기역학적인 문제가 발생한다. 특히, 터널 내의 급격한 압력변동으로 인한 객차 내 승객의 이명감 발생 및 터널 출구에서의 미기압파 발생 등에 관한 추가적인 고찰이 필요하다.
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