[논문]소단면 대심도 터널 화재시 대배기구의 설치형태에 따른 화재특성 연구

최판규; 백두산; 유지오; 김창용

doi:10.9711/ktaj.2019.21.1.201

소단면 대심도 터널 화재시 대배기구의 설치형태에 따른 화재특성 연구
A study on the fire characteristics according to the installation type of large smoke exhaust port in a small cross sectional tunnel fire 원문보기

Journal of Korean Tunnelling and Underground Space Association = 한국터널지하공간학회논문집, v.21 no.1, 2019년, pp.201 - 210

최판규 ((주)주성지앤비) , 백두산 ((주)주성지앤비) , 유지오 (신한대학교 자동차공학과) , 김창용 (한국건설기술연구원)

초록
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최근 국내외 도심지역의 교통정체 완화와 공간의 효율성 증대를 위해 대도시내 도로의 지하화 시행빈도가 증가하고 있다. 도시부 터널은 극심한 정체상황 중 화재가 발생할 경우 대형 참사를 유발할 가능성이 산악터널보다 높기 때문에 소단면으로된 소형차전용터널로 시공이 될 가능성이 높다. 소형차 전용의 터널로 시공이 될 경우, 소형차 전용터널은 차량에 의한 설계화재강도를 감소할 수 있는 반면, 터널 높이 감소 등에 따른 단면적 축소에 따라 유해가스농도가 증가하여 위험도는 증가하는 상반된 특징이 있다. 본 연구에서는 수치해석을 통해 대배기구의 설치간격과 형태에 따른 화재양상을 터널 내 온도 및 CO농도를 분석하여 비교 검토하였으며, 다음과 같은 결론을 얻었다. 설치간격에 따른 연기확산거리는 큰 차이가 없는 것으로 분석되었으나, 본 연구에서는 간격이 100 m인 경우가 가장 효과적으로 분석되었다. 대배기구 형상에 따른 연기확산거리는 $4m{\times}3m$, $6m{\times}2m$, $3m{\times}2m$ (2열) 순으로 배연성능이 우수한 것으로 분석되었으며, 대배기구 형상에 따른 연기확산거리는 플래시오버 이후에는 큰 차이가 없지만 화재 성장과정에서 $3m{\times}2m$인 경우 다른 경우보다 확산거리가 큰 것으로 분석되었고, 대배기구 종횡비에 따른 연기확산거리는 횡방향으로 긴 경우보다 종방향으로 긴 경우가 화재연기의 확산거리가 더 짧은 것으로 분석되었다.

Abstract ▼ AI-Helper

Recently, due to the efforts to mitigate traffic congestion and expansion of space efficiency, the construction of underground roads has been increased in big-scale cities. Since tunnels in the city have a higher chance for a fire leading to a great tragedy during a severe traffic jam than mountain tunnels, it is highly likely that it will be constructed as a tunnel, having a small cross section, for small vehicles. However, if they are constructed as such small-vehicle tunnels, it would be possible to reduce the design fire intensity while the concentration of harmful gases would increase due to a reduction in the small cross sectional area, led by a decrease in the tunnel height. In this study, behaviors of fire smoke by the installation interval and format of large-scale exhaust-gas ports were examined and compared in the analysis of temperatures and CO concentrations of a tunnel and its results were as the following. Although there were no significant differences in the smoke spreading distance between installation intervals, but in this study, 100 m was found to be the most effective installation interval. The smoke exhaustion performance was found to be excellent in the order of $4m{\times}3m$, $6m{\times}2m$, and $3m{\times}2m$ (2 lane) of the smoke spreading distance. Although there was no significant difference in the smoke spreading distance between formats of large-scale exhaust-gas ports, it was found that the smoke spreading distance was larger than other cases when it was $3m{\times}2m$ in the fire growing process. The analysis of smoke spreading distances by the aspect ratio showed that a smoke spreading distance was shorted when its the smoke spreading distance was found to be shorter when its traverse distance was relatively longer than its longitudinal distance.

주제어

표/그림 (11)

그림 Fig. 1. Cross-section
그림 Fig. 2. Type of smoke exhaust port
그림 Fig. 3. Simulation domain
표 Table 1. Case of simulation
그림 Fig. 4. Fire growth (HRR) curve
표 Table 2. Boundary conditions & calculation method
그림 Fig. 5. Diffusion length according to installation distance (upstream)
그림 Fig. 6. Diffusion length according to installation distance (downstream)
그림 Fig. 7. Diffusion length according to installation size (upstream)
그림 Fig. 8. Diffusion length according to installation size (downstream)
그림 Fig. 9. Diffusion length according to aspect ratio (upstream + downstream)

AI 본문요약
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문제 정의

그러나 4 m × 3 m 크기의 대배기구를 500 m 구간에 50 m 간격으로 설치한 경우 만 해석을 수행하였기 때문에 대배기구의 설치 간격이나 크기에 따른 화재양상은 확인할수 없다. 따라서 본 연구에서는 수치해석을 통해 대배기구의 설치간격과 형태에 따른 화재양상을 터널 내 온도 및 유해가스농도를 분석하여 비교 ·검토하였다.

가설 설정

화재직전 주행속도는 정체시로 가정하여 교통환기력에 의해 유도된 터널 내 풍속은 없는 것으로 가정하였으며, 터널 입구 및 출구를 압력경계조건(Pressure Boundary)으로 화재해석을 수행하였다. 화재입력조건은 화재강도 20 MW, CO 발생량은 0.

제안 방법

2와 Fig. 3에 나타낸바와 같이 전체 1개 대배기구의 면적을 12 m 2 로 동일하게 부여하기 위하여 4가지의 대배기구 형상을 적용하였다. 대배기구의 간격은 25, 50, 75, 100 m으로 설정하여 그 간격에 맞도록 대배기구를 위치시켰다.
터널 방재시설 설계시 방재시설의 설치 규모를 결정하기 위해 적용하는 차량의 화재강도(Heat release rate)는 일반도로 터널(이하 대단면 터널)의 경우에는 “도로터널 방재시설 설치 및 관리지침(Ministry of Land, 2015)”에서 버스 1대의 화재를 기준으로 최대 화재강도를 20 MW로 정하고 있으나, 소단면 터널을 고려하여 15 MW의 발열량을 적용하였다. 그리고 대배기구 방식에서 배연풍량은 “도로 터널 방재시설 설치 및 관리지침”에서 제시된 배연풍량식을 따라 적용하였으며, 종단경사는 1.0%로 하였다.
3에 나타낸바와 같이 전체 1개 대배기구의 면적을 12 m 2 로 동일하게 부여하기 위하여 4가지의 대배기구 형상을 적용하였다. 대배기구의 간격은 25, 50, 75, 100 m으로 설정하여 그 간격에 맞도록 대배기구를 위치시켰다.
본 연구에 사용된 지배방정식은 연속 방정식, 운동량 방정식, 성분 방정식, 에너지 방정식, 난류운동에너지 방정식, 난류운동에너지소산율 방정식으로써 이러한 지배방정식의 수학적 표현은 식 (1)~(6)과 같다.
본 연구에서는 소단면 대심도터널의 대배기구의 설치간격(25 m, 50 m, 75 m, 100 m), 형상(4 m × 3 m, 3 m × 2 m 2 lane, 6 m × 2 m)종횡비(2 m × 6 m, 6 m × 2 m)에 따른 화재연기의 확산거리를 분석하여 다음과 같은 결과를 얻었다.
1에 나타내었다. 터널 방재시설 설계시 방재시설의 설치 규모를 결정하기 위해 적용하는 차량의 화재강도(Heat release rate)는 일반도로 터널(이하 대단면 터널)의 경우에는 “도로터널 방재시설 설치 및 관리지침(Ministry of Land, 2015)”에서 버스 1대의 화재를 기준으로 최대 화재강도를 20 MW로 정하고 있으나, 소단면 터널을 고려하여 15 MW의 발열량을 적용하였다. 그리고 대배기구 방식에서 배연풍량은 “도로 터널 방재시설 설치 및 관리지침”에서 제시된 배연풍량식을 따라 적용하였으며, 종단경사는 1.
해석종류는 Table 1에 나타낸 바와 같이 Case 1부터 Case 4는 배기구의 형상이 4 m × 3 m일 때 대배기구의 설치간격(25, 50, 75, 100 m)에 따른 온도 및 유해가스농도 확산거리를 해석하였으며, Case 5부터 6은 대배기구의 설치간격이 50 m일 때 대배기구의 형상(3 m × 2 m 2열, 4 m × 3 m, 6 m × 2 m)에 따른 온도 및 유해가스농도 확산 거리를 해석하였다. 또한 Case 7은 종횡비에 따른 확산거리를 분석하기 위하여 대배기구의 형상을 2 m × 6 m으로 하여 해석을 수행하였다.

대상 데이터

소단면 대심도터널의 대배기구 형상과 설치간격에 대한 영향을 비교하기 위해서는 우선적으로 대상터널에 대한 지목과 화재강도의 선정이 필수적이다. 본 연구에서는 서부간선도로 터널의 단면을 대상으로 선정하였고, 이에 따른 터널 표준단면을 Fig. 1에 나타내었다.

이론/모형

수치해석 방법은, ‘도로터널 제연용 제트팬 산정기준 개선연구(최종 연구 보고서)’에 제시된 방법을 적용하였으며, 유동상태는 3차원 비압축성 이상기체(Incompressible Ideal Gas), 연산상태는 비정상상태(Unsteady-State Condition)로 수행하였고(Korea Expressway Corporation 2012), 난류모델은 격자의 수와 계산시간을 고려하여 공학적으로 응용범위가 넓고 수렴성이 좋은 Standard k-ε 모델을 사용하였다(Launder and Spaling 1974). 터널의 화재를 모사하기 위해서 화재모델은 VHS (Volumetric Heat Source) 모델을 적용하여 수치해석을 수행하였다.
수치해석 방법은, ‘도로터널 제연용 제트팬 산정기준 개선연구(최종 연구 보고서)’에 제시된 방법을 적용하였으며, 유동상태는 3차원 비압축성 이상기체(Incompressible Ideal Gas), 연산상태는 비정상상태(Unsteady-State Condition)로 수행하였고(Korea Expressway Corporation 2012), 난류모델은 격자의 수와 계산시간을 고려하여 공학적으로 응용범위가 넓고 수렴성이 좋은 Standard k-ε 모델을 사용하였다(Launder and Spaling 1974). 터널의 화재를 모사하기 위해서 화재모델은 VHS (Volumetric Heat Source) 모델을 적용하여 수치해석을 수행하였다. 기타 경계조건 및 수치해석에 대한 정보는 Table 2에 정리하여 나타내었다.

성능/효과

1. 설치간격에 따른 연기확산거리는 큰 차이가 없는 것으로 분석되었으나, 본 연구에서는 간격이 100 m인 경우가 25 m, 50 m, 75 m 인 경우보다 효과적인 것으로 분석되었다.
2. 대배기구 형상에 따른 연기확산거리는 플래시오버 이후에는 큰 차이가 없지만 화재 성장과정에서 3 m × 2 m인 경우 다른 경우보다 확산거리가 큰 것으로 분석되었다.
3. 대배기구 종횡비에 따른 연기확산거리는 횡방향으로 긴 경우보다 종방향으로 긴 경우가 화재연기의 확산거리가 더 짧은 것으로 분석되었다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	도시부 터널이 소형차전용터널로 시공이 될 가능성이 높은 이유는?	최근 국내외 도심지역의 교통정체 완화와 공간의 효율성 증대를 위해 대도시내 도로의 지하화 시행빈도가 증가하고 있다. 도시부 터널은 극심한 정체상황 중 화재가 발생할 경우 대형 참사를 유발할 가능성이 산악터널보다 높기 때문에 소단면으로된 소형차전용터널로 시공이 될 가능성이 높다. 소형차 전용의 터널로 시공이 될 경우, 소형차 전용터널은 차량에 의한 설계화재강도를 감소할 수 있는 반면, 터널 높이 감소 등에 따른 단면적 축소에 따라 유해가스농도가 증가하여 위험도는 증가하는 상반된 특징이 있다.
	국내외 도심지역의 도로의 지하화 사례는?	최근 국내외 도심지역의 교통정체 완화와 공간의 효율성 증대를 위해 대도시내 도로의 지하화 시행빈도가 증가하고 있다. 국내에서는 2010년에 서울시에서 격자형으로 지하도로망을 구축하는 U-smartway계획이 발표된 바가 있고 현재는 제물포로 터널과 서부간선도로 지하터널이 소형차 전용터널로 시공되고 있으며, 도심지에 대심도복층터널의 환기 및 방재에 대한 연구가 진행되고 있다(Byun et al., 2011). 도시부 터널은 극심한 정체상황중 화재가 발생할 경우 대형 참사를 유발할 가능성이 산악터널보다 높기 때문에 화재발생확률이 큰 대형 트럭 등을 제외하고 소단면으로된 소형차전용터널로 시공이 될 가능성이 높다.
	소형차 전용의 터널의 특징은?	도시부 터널은 극심한 정체상황 중 화재가 발생할 경우 대형 참사를 유발할 가능성이 산악터널보다 높기 때문에 소단면으로된 소형차전용터널로 시공이 될 가능성이 높다. 소형차 전용의 터널로 시공이 될 경우, 소형차 전용터널은 차량에 의한 설계화재강도를 감소할 수 있는 반면, 터널 높이 감소 등에 따른 단면적 축소에 따라 유해가스농도가 증가하여 위험도는 증가하는 상반된 특징이 있다. 본 연구에서는 수치해석을 통해 대배기구의 설치간격과 형태에 따른 화재양상을 터널 내 온도 및 CO농도를 분석하여 비교 검토하였으며, 다음과 같은 결론을 얻었다.

저자의 다른 논문 :

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].

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