[논문]발열체가 적용된 터널 라이닝 내부 및 배면의 온도변화 분석

진현우; 김태식; 황영철

doi:10.14481/jkges.2017.18.1.5

발열체가 적용된 터널 라이닝 내부 및 배면의 온도변화 분석
Analysis of Temperature Change of Tunnel Lining with Heating Element 원문보기

한국지반환경공학회논문집 = Journal of the Korean Geoenvironmental Society, v.18 no.1, 2017년, pp.5 - 12

진현우 (Department of Civil Engineering, Sang Ji University) , 김태식 (Department of Civil Engineering, Sang Ji University) , 황영철 (Department of Civil Engineering, Sang Ji University)

초록
AI-Helper

한랭지역에 건설된 터널 라이닝은 터널주변 지하수의 결빙 등으로 인한 균열, 누수 및 백태 등이 빈번하게 발생하게 된다. 이러한 터널의 동결피해는 동절기 외기온도에 의해 터널내부 라이닝 및 배면의 지반온도의 하강으로 발생하게 되므로 시공 시 단열재를 설치하여 동결로 인한 피해를 저감하거나 기 시공된 터널에서는 단열재를 설치하거나 발열체 등을 설치하여 동결로 인한 피해를 저감할 수 있다. 본 연구에서는 대기온도의 변화에 의한 라이닝 배면의 지반온도 변화와 발열체가 설치되었을 경우 라이닝 및 배면 지반의 온도변화를 분석함으로써 동결피해 저감을 위한 대응방안 시 나타나는 효과를 분석하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

The damage of the tunnel lining on the cold regions can be represented by cracks and leaks caused by freezing of ground water. However, domestically, the relevant construction guidelines are not provided so far. Thus, in this research, the mechanical behavior and thermal conductivity of designated tunnel area are measured using instrumentation system installed in the lining concrete inside tunnels in order to analysis their behavior with regard to temperature variations. Previous research mainly focused on the effect of temperature on the tunnel lining based on the air and initial ground temperature at urban regions. Thus, this study analyzes effects of air temperature and initial ground temperature of designated tunnel area at the cold regions. The temperature of the groundwater at the backfill of the tunnel lining are analyzed to evaluate the heating element. Numerical analyses are performed to evaluate the heating element with regard to the various initial ground temperatures.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

* AI 자동 식별 결과로 적합하지 않은 문장이 있을 수 있으니, 이용에 유의하시기 바랍니다.

문제 정의

따라서, 본 연구에서는 터널 라이닝 외부에서의 단열시 공이나 라이닝 온도를 상승시키기 위한 발열체를 활용할 경우 외기온도의 변화에 따른 라이닝 배면부 온도저하 억제 정도를 분석하고자 하였으며, 이를 통하여 터널의 동결피해 저감을 위한 접근방안에 대한 기술적 데이터를 제공하고자 하였다.
기존의 연구에서는 주로 도심지에서의 콘크리트 라이닝 거동 해석, 열전도율의 변화를 제시하고 있으나, 한랭지역에 시공된 도로 터널 라이닝에 대한 단열재 및 발열체에 의한 거동해석은 연구되지 않은 상태이다. 따라서, 본 연구에서는 터널 라이닝 외부에서의 단열시공이나 라이닝의 온도를 상승시키기 위한 발열체를 활용할 경우 외기온도의 변화에 따른 라이닝 및 라이닝 배면부 온도저하 억제 정도를 분석하여 향후 동결피해 저감을 위한 자료로 활용하고자 하였다.
본 연구에서는 외부 온도저하에 따라 터널 라이닝 배면의 온도가 영하로 내려가는 데에 걸리는 시간을 분석하고, 라이닝 외부에 발열체를 설치할 경우 발열체에 의해 라이닝 배면의 온도 상승효과 및 시간 등을 분석하였다. 또한 실제 강원도 홍천지역의 동절기 온도변화 자료를 적용하여 터널 라이닝 배면의 온도변화를 예측하고자 하였다.
본 연구에서는 외부 온도저하에 따라 터널 라이닝 배면의 온도가 영하로 내려가는 데에 걸리는 시간을 분석하고, 라이닝 외부에 발열체를 설치할 경우 발열체에 의해 라이닝 배면의 온도 상승효과 및 시간 등을 분석하였다. 또한 실제 강원도 홍천지역의 동절기 온도변화 자료를 적용하여 터널 라이닝 배면의 온도변화를 예측하고자 하였다.
열전달 해석은 온도차에 의한 열흐름과 이에 따른 온도분포 및 변화를 해석하는 것으로, 본 연구에서는 발열체의 발열에 따른 라이닝과 라이닝 배면지반의 온도변화를 해석하고자 하였다.

제안 방법

(1) 한랭지역에서 운용 중인 도로 터널의 동결피해 분석을 위하여 터널 라이닝 및 배면지반에 대한 열전달해석을 수행하였다. 열전달해석은 대기온도를 263K(-10˚C), 253K(-20˚C), 243K(-30˚C)로 가정하여 수행하였으며, 실제 도로 터널에서의 라이닝 배면지반 온도변화 분석을 위하여 강원도 홍천지역의 기온자료를 입력자료로 활용하였다.
(d) Heat insulating material의 물성치 및 두께의 경우 Kim et al.(2011)의 적정단열두께 산정을 위한 해석에서 역해석을 통한 물성치 및 두께를 적용하였다. 발열체 적용 온도는 374K(100˚C), 초기온도는 284K(10.
Kim et al.(2011)의 적정단열두께 산정을 위한 해석에서 역해석을 통한 물성치 및 두께를 토대로 단열재가 적용된 라이닝과 적용되지 않은 라이닝 배면의 온도를 비교하였으며, 그 결과는 다음 Table 4와 같다.
(3) 단열재가 적용된 경우, 라이닝 배면의 수분 온도가 영하로 내려가는 시점을 비교하였다. 대기온도를 263K(-10˚C)로 적용하였을 경우, 단열재를 적용하지 않은 경우는 272.
도로 터널 라이닝의 동결피해 저감을 위하여 외기온도에 따른 콘크리트 라이닝 및 라이닝 배면의 온도변화를 분석하고 콘크리트 라이닝 표면에 단열재 및 발열체를 적용하였을 경우의 영향에 대하여 분석하였으며, 그 결과는 다음과 같다.
열전달해석은 대기온도를 263K(-10˚C), 253K(-20˚C), 243K(-30˚C)로 가정하여 수행하였으며, 실제 도로 터널에서의 라이닝 배면지반 온도변화 분석을 위하여 강원도 홍천지역의 기온자료를 입력자료로 활용하였다. 또한 터널 라이닝의 동결피해 저감을 위하여 발열체가 부착된 경우를 모델링하고 각각의 경우에 대하여 콘크리트 라이닝과 라이닝 배면지반의 온도변화를 비교･분석하였다.
(2011)의 적정단열두께 산정을 위한 해석에서 역해석을 통한 물성치 및 두께를 적용하였다. 발열체 적용 온도는 374K(100˚C), 초기온도는 284K(10.85˚C), 대기 온도의 경우 263K, 253K, 243K를 적용하였다. 적용 물성 데이터는 다음 Table 1과 같다.
발열체는 터널 라이닝 배면의 결빙을 방지할 목적으로 라이닝 표면에 설치하는 경우를 가정하고, 터널 배면의 수분 온도가 영하로 떨어지는 시점에 발열체 온도를 374K(100℃)로 유지할 경우 라이닝 배면의 수분온도가 다시 영상으로 돌아오는데 소요되는 시간을 해석하였으며, 그 결과는 Table 3과 같다.
은 단위체적당 열발생률, ρ는 밀도, c는 비열용량을 나타낸다. 본 연구의 경우는 외부 열원으로부터 시간의 경과에 따라 지속적으로 열을 공급시키므로 외부 열원(발열체)에 의한 콘크리트 라이닝의 열전달해석을 통한 콘크리트 라이닝 및 배면의 지반온도 분석을 수행하였다.
외기 온도변화 및 발열체에 의한 터널라이닝 및 배면지반의 온도변화를 평가하기 위하여 수치해석기법을 이용하였으며, ABAQUS 프로그램을 사용하여 외기온도, 발열체의 온도, 지반 점착력, 단위중량, 열전도율을 고려하고자 하였다. 수치해석을 통하여 외기 온도변화에 따른 터널 라이닝의 온도변화 및 라이닝 배면 수분의 온도변화를 분석하였다. 해석에 적용한 터널 라이닝의 두께는 ‘콘크리트 라이닝’(한국철도시설공단, 2014)에서 제시하고 있는 표준두께 300mm의 기준을 참고하였으며, 수분은 20mm, 지반은 440mm로 모델링하여 분석하였다(Fig.
외기 온도변화 및 발열체에 의한 터널라이닝 및 배면지반의 온도변화를 평가하기 위하여 수치해석기법을 이용하였으며, ABAQUS 프로그램을 사용하여 외기온도, 발열체의 온도, 지반 점착력, 단위중량, 열전도율을 고려하고자 하였다. 수치해석을 통하여 외기 온도변화에 따른 터널 라이닝의 온도변화 및 라이닝 배면 수분의 온도변화를 분석하였다.
6과 같다. 이 중 가장 기온이 낮은 홍천지역을 중심으로 대기온도에 대한 터널 라이닝 배면의 온도변화를 분석하였다. 지표면의 온도는 홍천지역의 30년 빈도 온도 중 1월 기준인 273.
터널 라이닝 외부 기온에 따른 배면의 온도변화를 분석하기 위하여 두께 300mm의 라이닝 표면에 일정 온도를 유지 시키고 시간 변화에 따른 라이닝 배면의 수분 온도를 해석하였다. 대기 온도는 각각 263K(-10℃), 253K(-20℃), 253K(-30℃)로 하였으며 시간에 따른 배면의 온도변화는 다음 Table 2와 같다.

대상 데이터

(1) 한랭지역에서 운용 중인 도로 터널의 동결피해 분석을 위하여 터널 라이닝 및 배면지반에 대한 열전달해석을 수행하였다. 열전달해석은 대기온도를 263K(-10˚C), 253K(-20˚C), 243K(-30˚C)로 가정하여 수행하였으며, 실제 도로 터널에서의 라이닝 배면지반 온도변화 분석을 위하여 강원도 홍천지역의 기온자료를 입력자료로 활용하였다. 또한 터널 라이닝의 동결피해 저감을 위하여 발열체가 부착된 경우를 모델링하고 각각의 경우에 대하여 콘크리트 라이닝과 라이닝 배면지반의 온도변화를 비교･분석하였다.
이 중 가장 기온이 낮은 홍천지역을 중심으로 대기온도에 대한 터널 라이닝 배면의 온도변화를 분석하였다. 지표면의 온도는 홍천지역의 30년 빈도 온도 중 1월 기준인 273.25K(0.1˚C)를 적용하였으며, 대기 온도는 강원도 홍천국 홍천읍 연봉리의 15년 01월 03일 00:00부터 15.01.08 00:00 5일간의 온도변화 자료를 적용하여 분석하였다. 적용한 대기온도는 다음 Table 5와 같다.
해석에 적용한 터널 라이닝의 두께는 ‘콘크리트 라이닝’(한국철도시설공단, 2014)에서 제시하고 있는 표준두께 300mm의 기준을 참고하였으며, 수분은 20mm, 지반은 440mm로 모델링하여 분석하였다(Fig. 2).

성능/효과

(2) 대기온도에 따른 터널 라이닝 배면의 수분 온도를 분석한 결과, 초기온도 284K(10.85˚C) 상태에서 대기온도를 263K(-10˚C)로 적용하였을 경우에는 140,400s(39hr)가 지난 시점에서 배면의 수분이 영하를 나타내었으며, 대기온도를 253K(-20˚C)로 적용 시에는 75,600s(21hr), 243K(-30˚C)로 적용하였을 경우에는 54,000s(15hr) 경과 후 수분이 영하로 내려가는 것으로 해석되었다. 배면의 온도가 영하로 되는 시점에서나 발열체 온도를 374K(100˚C)로 가하여 적용한 결과 대기온도가 263K(-10˚C)의 경우에는 바로 온도가 상승하였고, 253K(-20˚C)의 경우에는 대기온도를 263K(-10˚C)로 적용하였을 경우보다 배면 수분온도의 상승이 완만한 것으로 나타났다.
(4) 강원도 홍천지역의 기온 데이터를 활용하여 터널 라이닝 배면의 온도를 분석한 결과, 발열체에 의한 온도상승은 분명하게 발생하나 본 해석조건에서의 온도상승 정도는 그리 크지 않은 것으로 판단된다. 이는 발열체 온도와 발열체의 접촉면적의 크기 등에 영향을 받을 수 있으므로 발열체를 활용하여 라이닝 및 배면의 온도저하를 억제하기 위해서는 발열체의 위치 및 크기 등에 대한 추가연구가 필요할 것으로 판단된다.
계산된 값으로부터 콘크리트 라이닝 배면의 온도가 영하로 내려가는 데에 소요되는 시간은 외기온도가 263K시 약 140,400s(39hr) 시간, 253K인 경우는 약 75,600s(21hr), 243K인 경우는 약 54,000s(15hr) 시간이 소요되는 것으로 계산되었다(Fig. 3).
(3) 단열재가 적용된 경우, 라이닝 배면의 수분 온도가 영하로 내려가는 시점을 비교하였다. 대기온도를 263K(-10˚C)로 적용하였을 경우, 단열재를 적용하지 않은 경우는 272.856(-0.294˚C)를 나타내었고, 단열재를 적용하였을 경우에는 280.76(7.61˚C), 온도의 저하 정도가 뚜렷하게 나타났다. 또한 대기온도가 253K(-20˚C)의 경우에는 271.
85˚C) 상태에서 대기온도를 263K(-10˚C)로 적용하였을 경우에는 140,400s(39hr)가 지난 시점에서 배면의 수분이 영하를 나타내었으며, 대기온도를 253K(-20˚C)로 적용 시에는 75,600s(21hr), 243K(-30˚C)로 적용하였을 경우에는 54,000s(15hr) 경과 후 수분이 영하로 내려가는 것으로 해석되었다. 배면의 온도가 영하로 되는 시점에서나 발열체 온도를 374K(100˚C)로 가하여 적용한 결과 대기온도가 263K(-10˚C)의 경우에는 바로 온도가 상승하였고, 253K(-20˚C)의 경우에는 대기온도를 263K(-10˚C)로 적용하였을 경우보다 배면 수분온도의 상승이 완만한 것으로 나타났다. 또한 243K(-30˚C)를 적용한 경우에는 온도전도로 인하여 다른 조건들과 달리 좀 더 온도가 하강한 이후 상승하였다.
8은 동일한 지역을 대상으로 콘크리트 터널 라이닝 배면에 발열체를 적용하여 해석한 결과이다. 지중온도(지표면 하 300mm)의 1월 기준인 273.25K(0.1˚C)를 적용한 결과, 배면 수분의 온도가 상승되는 것을 확인할 수 있었다. 발열체를 고려하지 않았을 경우의 온도와 발열체를 적용하였을 때의 온도 차는 발열체 가열 후 14,400s(4hr)가 지난 후부터 나타났으며 이러한 열전도해석으로부터 콘크리트라이닝의 손상을 제어할 수 있는 방안을 수립할 수 있을 것으로 기대된다.

후속연구

Hwang(2013)은 최근 40여 년간의 국내 터널, 비탈면, 옹벽 등과 같은 지반구조물의 보수보강 이력을 분석한 결과 강원도 등과 같은 저온지역에 설치된 구조물의 보수보강 비율이 다른 지역에 비하여 높다고 하였다. 동결지역에 설치되어 운용 중인 터널구조물의 터널 라이닝의 동결피해는 콘크리트 라이닝 배면 지반 및 간극수 혹은 지하수의 결빙에 의한 영향이 크므로 이에 대응하는 방법을 적용하여 터널의 보수보강비율을 줄일 수 있을 것이다.
1˚C)를 적용한 결과, 배면 수분의 온도가 상승되는 것을 확인할 수 있었다. 발열체를 고려하지 않았을 경우의 온도와 발열체를 적용하였을 때의 온도 차는 발열체 가열 후 14,400s(4hr)가 지난 후부터 나타났으며 이러한 열전도해석으로부터 콘크리트라이닝의 손상을 제어할 수 있는 방안을 수립할 수 있을 것으로 기대된다.
(4) 강원도 홍천지역의 기온 데이터를 활용하여 터널 라이닝 배면의 온도를 분석한 결과, 발열체에 의한 온도상승은 분명하게 발생하나 본 해석조건에서의 온도상승 정도는 그리 크지 않은 것으로 판단된다. 이는 발열체 온도와 발열체의 접촉면적의 크기 등에 영향을 받을 수 있으므로 발열체를 활용하여 라이닝 및 배면의 온도저하를 억제하기 위해서는 발열체의 위치 및 크기 등에 대한 추가연구가 필요할 것으로 판단된다.
이러한 결과로부터 외기온도에 따라 콘크리트 라이닝 배면의 결빙을 억제하는 데 소요되는 시간이 다름을 확인하였으며 이러한 분석방법으로부터 터널 라이닝에 설치되는 발열체의 가동시점과 가동시간, 가열온도 등을 조정할 수 있을 것이며 터널 라이닝의 동결피해를 보다 경제적으로 관리할 수 있을 것이다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	수치해석기법을 이용하기 위해 고려한 요인에는 무엇이 있는가?	외기 온도변화 및 발열체에 의한 터널라이닝 및 배면지반의 온도변화를 평가하기 위하여 수치해석기법을 이용하였으며, ABAQUS 프로그램을 사용하여 외기온도, 발열체의 온도, 지반 점착력, 단위중량, 열전도율을 고려하고자 하였다. 수치해석을 통하여 외기 온도변화에 따른 터널 라이닝의 온도변화 및 라이닝 배면 수분의 온도변화를 분석하였다.
	한랭지(강원지역)의 도로터널에서 겨울철 일어나는 문제점에는 무엇이 있는가?	최근 한랭지(강원지역)의 도로터널의 경우 겨울철 동결 현상으로 인하여 라이닝, 갱구부 등에 균열 및 누수, 고드름 발생 등의 유지 관리상 많은 문제점이 증가하고 있는 실정이다. 하지만 이에 따른 국내의 동결피해 대상 구조물과 관련한 별도의 시공지침은 마련되어 있지 않으며, 동결피해와 관련해서는 도로 포장을 위한 동결지수 및 동상방지층 관련 연구가 주를 이루고 있다.
	강원도 등과 같은 저온지역에 설치된 구조물 중 터널 라이닝의 동결피해를 유발하는 영향은 무엇인가?	Hwang(2013)은 최근 40여 년간의 국내 터널, 비탈면, 옹벽 등과 같은 지반구조물의 보수보강 이력을 분석한 결과 강원도 등과 같은 저온지역에 설치된 구조물의 보수보강 비율이 다른지역에 비하여 높다고 하였다. 동결지역에 설치되어 운용 중인 터널구조물의 터널 라이닝의 동결피해는 콘크리트 라이닝 배면 지반 및 간극수 혹은 지하수의 결빙에 의한 영향이 크므로 이에 대응하는 방법을 적용하여 터널의 보수보강비율을 줄일 수 있을 것이다.

참고문헌 (14)

도로교통연구원 (2013), 실용화소과제연구보고서, A Study on the antifreeze of concrete lining according to the temperature drop in the tunnel, Korea Expressway Corporation, pp. 1-80 (in Korean).
한국콘크리트학회 (2009), 2009년 개정 콘크리트 표준시방서 해설, 한국콘크리트학회, pp. 360-365 (in Korean).
한국철도시설공단 (2014), 콘크리트 라이닝, 한국철도시설공단, pp. 3-29 (in Korean).
Kim, D. Y., Lee, H. S. and Sim, B. K. (2011), A Study on the design of tunnel lining insulation based on measurement of temperature in tunnel, Korean Tunnelling and Underground Space Association, Vol. 13, No. 4, pp. 319-345 (in Korean).
Kim, J. H., Park, Y. S., Kim, S. H. and Jeon, H. K. (2014), Study on the thermal conduction of concrete using insulation performance improvement materials, The Korean Institute of Building Construction, Vol. 14, No. 1, pp. 280-281 (in Korean).
Kim, K. H., Jeon, S. E., Bang, G. S. and Kim, J. K. (2001), Experimental study on thermal conductivity of concrete, Journal of the Korea Concrete Institute, Vol. 13, No. 4, pp. 305-313 (in Korean).
Hwang, Y. C. (2013), Maintenance characteristics of geotechnical structures in cold region for freeze damage analysis, Journal of the Korean Geo-Environmental Society, Korean Geo-Environmental Society, Vol. 14, No. 3, pp. 35-40 (In Korean).
Lee, S. W., Yoo, J. H., Kim, D. S. and Kang, M. G. (2012), Behavior measurement according to the temperature variation inside the urban subway tunnel, Korean Society for Railway, pp. 1096-1101 (in Korean).
Li, W., Wu, Y., Fu, H. and Zhang, J. (2015), Long-term continuous in-situ monitoriong of tunnel lining surface temperature in cold region and its application, International Journal of Heat and Technology, Vol. 33, No. 2, pp. 39-44 (in Chinese).
Maruyama, O., Sutoh, A., Tanaka, H., Sato, T. and Nishi, H. (2013), A stochastic model for deterioration process of tunnel lining concrete in cold regions, 11th International conference on structural safety and reliability, pp. 5115-5119 (in Japanese).
Park, Y. S., Kim, J. H., Kang, S. H., Kim, S. H. and Ryu, D. W. (2013), Study on the thermal characteristics of concrete using insulation performance improve material complex, The Korean Institute of Building Construction, Vol. 13, No. 2, pp. 40-41 (in Korean).
SciTech (2013), Heat transfer in practice, pp. 2-500 (in Korean)
Sutoh, A., Maruyama, O., Tanaka, H. and Sato, T. (2013), Probabolisic model for damage accumulation in concrete tunnel lining using inspection data, Hokkaido University Collection of Scholarly and Academic Papers, pp. 1-4 (in Japanese).
Yoo, J. H., Lee, S. W. and Kim, D. S. (2014), Concrete lining behaviors of subway tunnels according to temperature variations, Korean Society for Railway, Vol. 17, No. 6, pp. 410-414 (in Korean).

원문보기 상세보기

저자의 다른 논문 :

LOADING...

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

내보내기 구분	파일저장 인쇄 메일전송
구성항목	기본정보 상세정보 관리번호, 논문명, 저널/프로시딩명, 저자 , 발행년, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, 발행기관 관리번호, 논문명, 대등논문명, 저자 , 저널/프로시딩명, 발행기관, 발행년, 발행언어, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, ISBN, ISSN, 주제분야, 키워드, 초록(한글), 초록(영문), 저자(소속기관)
저장형식	Text(ASCII format) Excel format RefWorks Direct Export RIS format (for Reference Manager, ProCite, EndNote), Scholar's Aids, Mendeley
메일정보	받는사람 (필수) @ 보내는사람 (선택) @ 제목 내용 KISTI 검색결과 이메일 서비스
안내	총 건의 자료가 검색되었습니다. 다운받으실 자료의 인덱스를 입력하세요. (1-10,000) 검색결과의 순서대로 최대 10,000건 까지 다운로드가 가능합니다. 데이타가 많을 경우 속도가 느려질 수 있습니다.(최대 2~3분 소요) 다운로드 파일은 UTF-8 형태로 저장됩니다. 파일의 내용이 제대로 보이지 않을실 때는 웹브라우저 상단의 보기 -> 인코딩 -> 자동선택 여부를 확인하십시오. ~ Text(ASCII format) Excel format

연합인증