터널 화재 시 열부력을 고려한 제연용 제트팬 용량산정에 관한 기초 연구 A fundamental study on the jet fan capacity for smoke control considering thermal buoyancy force in tunnel fires원문보기
최근 '도로터널 방재시설 설치 및 관리지침'의 개정으로 인해 터널 내 제연용 제트팬의 용량 산정 시에는 열부력을 고려하도록 규정하고 있다. 그러나 열부력을 고려하는 세부방법론에 대한 규정이 없어, 이에 대한 세부적인 추가 연구가 필요한 실정이다. 본 연구에서는 터널 내 화재 시 열부력을 고려하기 위하여 3차원수치해석시뮬레이션을 수행하여 터널 내열부력을 계산하고, 화재차량의 진행방향에 따라 열부력과 차량항력의 관계, 즉, 화재차량의 위치에 따른 터널 내 제연용 제트팬 용량 산정방법에 대하여 검토를 수행하였다. 분석결과에 따르면, 하향경사 터널의 경우에는 열부력이 터널 내 저항력으로 작용하며, 터널 내 화재연기를 제연하기 위해 필요한 제연팬의 승압력은 단순히 터널 입구부의 열부력 값과 출구부의 차량항력값에 의해 단순히 결정되지 않으며, 터널 내 화재차량의 위치에 따라 종합적인 검토가 필요한 것으로 분석되었다.
최근 '도로터널 방재시설 설치 및 관리지침'의 개정으로 인해 터널 내 제연용 제트팬의 용량 산정 시에는 열부력을 고려하도록 규정하고 있다. 그러나 열부력을 고려하는 세부방법론에 대한 규정이 없어, 이에 대한 세부적인 추가 연구가 필요한 실정이다. 본 연구에서는 터널 내 화재 시 열부력을 고려하기 위하여 3차원 수치해석 시뮬레이션을 수행하여 터널 내열부력을 계산하고, 화재차량의 진행방향에 따라 열부력과 차량항력의 관계, 즉, 화재차량의 위치에 따른 터널 내 제연용 제트팬 용량 산정방법에 대하여 검토를 수행하였다. 분석결과에 따르면, 하향경사 터널의 경우에는 열부력이 터널 내 저항력으로 작용하며, 터널 내 화재연기를 제연하기 위해 필요한 제연팬의 승압력은 단순히 터널 입구부의 열부력 값과 출구부의 차량항력값에 의해 단순히 결정되지 않으며, 터널 내 화재차량의 위치에 따라 종합적인 검토가 필요한 것으로 분석되었다.
As a result of the recent revision of the 'Guideline for Installation and Management of Fire Prevention Facility in Road Tunnels', the thermal buoyancy has to be taken into account when calculating the capacity of jet fans for smoke control in tunnel fires. However, there is no detailed methodologie...
As a result of the recent revision of the 'Guideline for Installation and Management of Fire Prevention Facility in Road Tunnels', the thermal buoyancy has to be taken into account when calculating the capacity of jet fans for smoke control in tunnel fires. However, there is no detailed methodologies for considering thermal buoyancy, so further study is needed. In this study, the thermal buoyancy in the tunnel is calculated by 3-D numerical simulation to consider the thermal buoyancy in case of fire in tunnels, and the relationship between heat buoyancy and vehicle drag, And the method of calculating the capacity of the jet fan for smoke control in tunnels. According to the analysis results, heat buoyancy acts as a resistance force in the case of a down-slope tunnel, and the pressure rise of jet fan for smoke control is not simply determined by the value of heat buoyancy at the entrance of the tunnel and the value of the vehicle drag at the exit. And it is analyzed that it is necessary to carry out a comprehensive review according to the location of the fire vehicle in tunnels.
As a result of the recent revision of the 'Guideline for Installation and Management of Fire Prevention Facility in Road Tunnels', the thermal buoyancy has to be taken into account when calculating the capacity of jet fans for smoke control in tunnel fires. However, there is no detailed methodologies for considering thermal buoyancy, so further study is needed. In this study, the thermal buoyancy in the tunnel is calculated by 3-D numerical simulation to consider the thermal buoyancy in case of fire in tunnels, and the relationship between heat buoyancy and vehicle drag, And the method of calculating the capacity of the jet fan for smoke control in tunnels. According to the analysis results, heat buoyancy acts as a resistance force in the case of a down-slope tunnel, and the pressure rise of jet fan for smoke control is not simply determined by the value of heat buoyancy at the entrance of the tunnel and the value of the vehicle drag at the exit. And it is analyzed that it is necessary to carry out a comprehensive review according to the location of the fire vehicle in tunnels.
* AI 자동 식별 결과로 적합하지 않은 문장이 있을 수 있으니, 이용에 유의하시기 바랍니다.
문제 정의
따라서 본 연구에서는 기존 선행연구의 연장선상에서 터널 내 화재 시 열부력을 고려한 제연용 제트팬 용량 산 정에 대하여 3차원 수치해석을 통하여 열부력을 계산하고, 이를 고려한 제연용 제트팬 용량 산정방법에 대하여 검토하였다.
본 연구에서는 터널연장과 경사도에 따라 3차원 수치해석을 통해 열부력을 산출하고, 화재차량의 위치에 따른 열부력과 차량항력의 관계를 고찰하여 터널 내 화재시 열부력을 고려한 제연용 제트팬 용량 산정에 관하여 연구를 수행하였다. 이상의 연구내용을 요약하면 다음과 같다
75일 때인 것으로 나타났다. 이러한 이유는 화재 차량의 위치에 따라 열부력과 차량항력이 다르게 작용하기 때문으로써 다음 절에서 보다 자세하게 살펴보았다
가설 설정
본 연구에서 적용된 상대길이는 터널의 연장을 1.00로 가정하여 터널 입구는 0.00, 중앙부는 0.50, 출구는 1.00을 의미하는 것으로 적용된 상대길이에 따른 화재차량의 위치에 대한 개요도를 Fig. 8에 나타내었다.
제안 방법
또한 터널 벽체에서의 열전달을 모사하기 위하여 벽면에 Non-slip 조건과 콘크리트 라이닝을 형성하였고, 라이닝 외기의 온도조건은 15°C의 등온조건을, 터널 입구부에서의 유입풍속 및 유입공기 온도는 각각 2.5 m/s, 15°C로 설정하였다.
즉, 차량에 의한 환기저항은 화재위치가 터널출구부로 갈수록 터널 내 정체차량의 증가로 증가하며, 열부력에 의한 환기저항은 화재위치가 터널 출구부로 갈수록 열기류가 터널출구로 유출되기 때문에 감소하게 된 다. 앞에서 분석된 열부력을 바탕으로 열부력 효과에 따른 승압력 저하량을 살펴보기 위해, 차량항력이 최대로 나타날 수 있는 시속 10 km/hr에 대하여 필요한 제연용 제트팬 대수를 산출하였다. 화재 시뮬레이션에 효율적인 분석을 위하여 터널연장을 상대길이의 개념을 적용하였다.
8 m). 열부력을 산출하기 위하여 해석 대상의 연장을 1, 2, 3 km로 구분하였고, 경사도 역시 1.0, 1.5, 2.0%로 구분하여 수치해석을 수행하였다. 화재차 량의 제원은 한국도로공사의 “도로터널 제연용 제트팬 산정기준 개선연구”에서 제시된 값을 인용하여 길이 10.
앞에서 분석된 열부력을 바탕으로 열부력 효과에 따른 승압력 저하량을 살펴보기 위해, 차량항력이 최대로 나타날 수 있는 시속 10 km/hr에 대하여 필요한 제연용 제트팬 대수를 산출하였다. 화재 시뮬레이션에 효율적인 분석을 위하여 터널연장을 상대길이의 개념을 적용하였다. 본 연구에서 적용된 상대길이는 터널의 연장을 1.
대상 데이터
본 연구에서는 열부력을 산출하기 위하여 비정상상태의 3차원 수치해석을 수행하였으며, 해석 대상은 일반적으로 설계되는 2차로 터널로 선정하였다(내공단면적: 75 m2 , 대표직경: 8.8 m). 열부력을 산출하기 위하여 해석 대상의 연장을 1, 2, 3 km로 구분하였고, 경사도 역시 1.
화재차 량의 제원은 한국도로공사의 “도로터널 제연용 제트팬 산정기준 개선연구”에서 제시된 값을 인용하여 길이 10.77 m, 폭 2.45 m, 높이 3.12 m로 설정하였으며(Korea Expressway Corporation, 2012), 화재차량의 위치는 터널 입구부로부터 200 m를 이격시켰다.
이론/모형
또한 열부력 효과에 따른 승압력 저하량 계산을 위하여 국토교통부의 “도로설계편람”(MOLIT, 2011) 상에 예제로 제시된 터널과 교통량 제원을 적용하였고, 상세한 내용은 Table 2에 나타내었다.
성능/효과
1. 터널 내 화재발생시 차량의 진행방향이 하향경사인 경우, 발생된 열부력은 터널 내 제연에 필요한 환기력에 저항력으로 작용하고, 차량의 진행방향이 상향경사인 경우 발생된 열부력은 승압력(환기력)으로 작용한다.
2. 본 해석결과, 연장 3 km와 경사도 2.0%를 기준으로 화재차량의 위치에 따른 열부력과 차량항력을 고려한 화재 시 제연용 제트팬의 설치대수는 하향경사일 경우, 최대 11대로 현행 기준에 비하여 2대의 제트팬 대수의 증가가 요구되는 것으로 분석되었다. 반면, 상향경사일 경우는 환기력으로 작용하기 때문에 방재적 관점에서 제트팬 대수를 감하지 않는 것이 타당한 것으로 판단된다.
3. 차량진행방향이 하향경사로 진행 할 경우, 터널 내 화재에 따른 화재연기를 제연하기 위해 필요한 환기력은 단순히 터널 입구부의 열부력 값, 출구부의 차량항력 값으로 단순히 결정할 수는 없으며, 화재차량의 위치에 따라 종합적인 분석이 필요한 것으로 판단된다. 그러나 실무적인 관점이 모든 터널 내 화재위치를 고려하여 3차원 수치해석을 수행하기에는 시간적, 경제적 비용이 큼에 따라 합리적인 기준의 제시가 필요해 보인다.
경사도가 2.0%인 경우 현행기준과 열부력을 고려하지 않은 경우 9대의 제연용 제트팬이 필요한 반면, 상대길이에 따른 열부력과 차량항력을 고려한 경우, 상향방향에서는 최소 3대에서 최대 8대의 제트팬 의 감소가 예상되고, 하향방향에서는 9대에서 11대의 제연용 제트팬이 필요함에 따라 2대의 제연용 제트팬의 증설이 요구되는 것으로 나타났다. 즉, 차량진행방향이 상향방향인 경우 열부력은 터널 내 필요 환기력에 감소요인로 작용되고, 하향 방향인 경우 터널 내 환기력에 증가요인으로 작용하는 것을 나타내고 있다.
또한 Fig. 5~7에 나타낸 열부력에 의한 환기저항은 연장이 1 km, 2 km의 경우 일정 부분 증가하다가 일정한 값을 나타내고 있으며, 연장 3 km의 경우 지속적으로 증가하는 것으로 나타났다. 이는 전술한 이유와 같이 가열된 열기류가 터널출구로 유출되기 때문이다.
터널 내 화재에 따른 열부력은 화재차량의 위치가 터널 입구부에 가까울수록 크게 나타나고, 화재차량이 출구부 에 위치할수록 감소되어 터널 출구부에 위치할 경우 0에 가까워지는 것으로 나타났다. 반대로 차량항력은 화재차량의 위치가 터널 입구부에 가까울수록 0에 가까워지며, 터널 출구부에 가까울수록 점차 증가하는 것으로 나타났다.
한편, 차량진행방향이 하향경사인 경우, 터널 내 화재 시 발생하는 열부력은 터널 내 환기력에 저항력으로 작용하고 차량항력 역시 터널의 상대길이에 따라 비례적으로 증가되기 때문에 터널 내 화재시 제연용 제트팬의 용량 산정 시 열부력과 차량항력을 모두 고려하기 위해서는 두 인자를 합해야 한다. 즉, 두 인자의 합은 화재차량이 터널 입구부에 가까울수록 열부력에 절대적인 영향을 받고, 터널 출구부에 가까이 위치할수록 차량항력에 절대적인 영향을 받는 것을 알 수 있다
터널 내 화재에 따른 열부력은 화재차량의 위치가 터널 입구부에 가까울수록 크게 나타나고, 화재차량이 출구부 에 위치할수록 감소되어 터널 출구부에 위치할 경우 0에 가까워지는 것으로 나타났다. 반대로 차량항력은 화재차량의 위치가 터널 입구부에 가까울수록 0에 가까워지며, 터널 출구부에 가까울수록 점차 증가하는 것으로 나타났다.
한편, 열부력에 의한 환기저항은 상대길이가 길어질수록 높아지는 것으로 검토되었으나, 제연용 제트팬 대수의 산정결과 최대 필요한 제연용 제트팬의 대수는 상대길이가 0.75일 때인 것으로 나타났다. 이러한 이유는 화재 차량의 위치에 따라 열부력과 차량항력이 다르게 작용하기 때문으로써 다음 절에서 보다 자세하게 살펴보았다
후속연구
4. 터널 내 열부력에 대하여 다양한 관점에서 지속적인 연구가 필요하며, 향후 합리적인 설계기준의 정립이 필요한 것으로 분석된다.
본 연구에서는 터널연장 1~3 km, 경사도 1~2% 그리고 표준설계 화재강도인 20 MW에 대하여 한정적인 연구를 수행하였지만, 화재강도, 터널연장 그리고 경사도등 관련 고려인자가 변화될 경우에 대하여 다양한 관점에서 지속적인 연구가 필요하며, 향후 합리적인 정립이 필요한 부분이라 사료된다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
터널에서 제연용 제트팬의 목적은?
최근 개정된 국토교통부의 “도로터널 방재시설 및 설치관리지침 (2016.8)”에서는 터널 내 화재 시 설계화재강도에 따른 임계풍속을 유지하기 위한 제연용 제트팬을 설치하도록하고 있으며, 제연용 제트팬의 용량은 터널 제원, 터널 내 정체차량에 의한 환기저항, 자연풍에 의한 환기저항, 열 부력에의한 환기저항 등을 고려하여 결정하게 된다(MOLIT, 2016).
터널 화재 시 화재 차량의 위치에따라 열부력에의한 환기저항과 차량에 의한 환기저항이 달라지는 이유는?
터널 화재 시 화재 차량의 위치에 따라서 열부력에 의한 환기저항(열부력)과 차량에 의한 환기저항(차량항력) 이 달라진다. 즉, 차량에 의한 환기저항은 화재위치가 터널출구부로 갈수록 터널 내 정체차량의 증가로 증가하며, 열부력에 의한 환기저항은 화재위치가 터널 출구부로 갈수록 열기류가 터널출구로 유출되기 때문에 감소하게 된 다. 앞에서 분석된 열부력을 바탕으로 열부력 효과에 따른 승압력 저하량을 살펴보기 위해, 차량항력이 최대로 나타날 수 있는 시속 10 km/hr에 대하여 필요한 제연용 제트팬 대수를 산출하였다.
제연용 제트팬의 용량의 결정할때 고려할점은 무엇인가?
최근 개정된 국토교통부의 “도로터널 방재시설 및 설치관리지침 (2016.8)”에서는 터널 내 화재 시 설계화재강도에 따른 임계풍속을 유지하기 위한 제연용 제트팬을 설치하도록하고 있으며, 제연용 제트팬의 용량은 터널 제원, 터널 내 정체차량에 의한 환기저항, 자연풍에 의한 환기저항, 열 부력에의한 환기저항 등을 고려하여 결정하게 된다(MOLIT, 2016).
참고문헌 (7)
Austrian Research Association for Roads, Rail and Transport (FSV) (2008), Guidelines and regulations for road construction (RVS 09.02.21).
Federal Department of Environment, Transport, Energy and Communications (2008), "Luftung der Strassentunnel Systemwahl; Dimensionierung und Ausstattung", ASTRA 13001.
Korea Expressway Corporation (2012), A study on the improvement of the calculation criteria for the jet fan in road tunnels, pp. 120-141.
MOLIT (Ministry of Land, Infrastructure and Transport) (2011), Road design manual (617. Ventilation), pp. 617-28-617-35.
MOLIT (Ministry of Land, Infrastructure and Transport) (2016), Guidelines for fire prevention equipment's installation and management in road tunnels, pp. 56-57.
The Norwegian Road and Transport Department (2010), Road Tunnels (Handbooks).
Yoo, J.O., Shin, H.J. (2013), "A numerical study on effects of thermal buoyance force on number of jet fans for smoke control", Journal of Korean Tunnelling and Underground Space Association, No. 15, Vol. 3, pp. 301-310.
※ AI-Helper는 부적절한 답변을 할 수 있습니다.