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도로터널반횡류식환기방식의최적배연풍량산정에관한연구 - 균일배기의경우 - 이동호 유지오 * 신현준 ** 인천대학교안전공학과 * 신흥대학건축설비과 ** 한국건설기술연구원화재설비연구부 (2005. 4. 9. 접수 / 2006. 2. 27. 채택 ) A Study on the Effective Smoke Exhaust Amount of Load-Tunnel with Semi-Transverse Ventilation - Balanced Exhaust Case - Dong-Ho Rie Ji Oh Yoo * Hyun Jun Shin ** Department of Safety Engineering, University of Incheon * Department of Building Mechanical Engineering, Shinheung College ** Fire and Engineering Service Research Department, Korea Institute of Construction Technology (Received April 9, 2005 / Accepted February 27, 2006) Abstract : The smoke exhaust system is one of the effective systems to save lives when fire occurs underground. This study presents a complete analysis of effective smoke exhaust and smoke characteristics for a fire occurring with a transverse ventilation system use as a smoke exhaust system. The performance of the smoke management system was studied by computer modeling using FDS version 3.1. A fire size of 20MW was used for tunnel with balanced exhaust transverse ventilation. The smoke management design and the procedure as simulated in this study are also compliant to the tunnel construction and fire codes of Korea. Key Words : tunnel fire, balanced transverse smoke exhaust system 1. 서론 1) 도로터널의증가와함께평상시환기뿐만아니라화재시안전성확보를위한각종방재시설에대한우려와관심이증가하고있는실정이다. 터널이나지하철과같은지하공간에서화재가발생하는경우, 화재에직면한승객은초기에대피를위한정확한상황판단을내리기어렵기때문에일반적으로차량내부에체류하는것이외부보다안전하다고판단하여신속히차량을버리고대피하는데많은시간이소요되는것으로보고되고있으며, 이와같은경향은대구지하철및몽브랑터널의화재사고시대부분의승객이차량및차량의근접거리에서사망하였다는사실이뒷받침하고있다. 따라서, 터널화재에대한방재계획시초기에신 To whom correspondence should be addressed. riedh@incheon.ac.kr 속한대피명령의전파및안전한대피환경의확보가가장중요한요소로평가되고있다. 몽브랑터널이나 Channel 터널, 대구지하철화재사고및홍지문터널의화재사고의교훈을통해알수있는바와같이지하공간이나터널에서화재가발생하는경우, 초기대피환경을효과적으로확보하기수단으로제연설비가강조되고있는실정이다. 따라서본연구에서는현재도로터널의대표적인환기방식인균일배기반횡류환기방식에대한최적배연량산정을위해각국의기준상에제시되어있는반횡류방식의배연풍량에대한조사와수치시뮬레이션을수행하여화재시안전성확보가가능한배연풍량에대한도출을목표로한다. 2. 도로터널의배연방식 도로터널에서화재가발생하는경우, 연기의제어 46

도로터널반횡류식환기방식의최적배연풍량산정에관한연구 및배연은상시운영되고있는환기설비를이용하여서수행된다. 도로터널의제연방식은연기를화재공간에서완전히제거하는배연 (smoke exhaust) 과대피반대방향으로기류를제어하는제연 (smoke control) 개념의환기시스템으로구분할수있다. 전자는횡류식또는반횡류식, 후자는종류식환기시스템이라한다. 횡류환기방식은화재지점의연기를덕트를통해서직접배연함으로서화재지점으로부터연기를제거하는적극적인수단이나연기류의방향성에대한제어가곤란한단점이있다. 또한종류환기방식은화재지역으로부터직접적인배연은불가능하나대피자의대피방향과반대방향으로연기류방향을제어하여대피의안전을확보하는환기방식이다. 따라서종류환기방식은대피자가화재지점을기준으로한쪽방향 ( 화재상류지점 ) 에만존재할가능성이높은터널, 즉차량의정체빈도가낮은일방통행터널에서효과적으로제연을수행할수있는경제적인시스템이나, 대면통행터널이나차량정체가빈번하여화재지점의상하류에대피자가존재할가능성이많은터널에서는제연방향의선정이불가능하여이와같은터널의적용은부적절하다. 본연구의대상인반횡류환기방식은배기반횡류식과급기반횡류식으로구분하며, 배기반횡류식은터널내부에풍속이 0m/s 가되는중성점이발생할수있고일반적으로환기효율이저하하는단점이있어환기측면에서급기반횡류식의채택이많다. 그러나급기반횡류식의경우, 화재시연기를배기하기위해서송풍기를역회전하여야하며, 역회전을위해서상당한시간지연이요구되기때문에초기대응에문제점을안고있는것으로보고되고있다. 또한, 반횡류환기방식은급기또는배기구의개패가불가능한균일배기방식과급 배기구에개폐를위한댐퍼를설치하여선택적으로배기할수있도록하는선택대배기구방식으로구분된다. Fig. 1 은균일배기방식의반횡류방식을나타낸것으로일반적으로터널의상부에덕트를설치하고일정간격 (5~20m) 으로배기구를설치하여터널전체에단위길이당풍량을균일하게하여배기하도록하는방식이며, Fig. 2 는선택대배기구방식의개념도를나타낸것으로배기구면적이균일배기방식보다상대적으로큰배기구를 50~200m 의간격으로설치하여화재시화재에인접한지역의배기구만을개방하여집중배기할수있도록하는방식이다. Fig. 1. Semi-transverse ventilation with valanced exhaust. Fig. 2. Semi-transverse ventilation with single point exhaust. 3. 각국기준및연구결과비교 반횡류환기방식에대한적정배연풍량은메모리얼터널의실험결과를근거로하는 NFPA 502 기준 1) 과독일의 RABT 02 2), 프랑스의 CETU 02 3), 오스트리아기준 4) 등에제시되어있으며, Vauquelin 연구 5,6) 와김명배 7) 의실험적인연구결과등이보고되고있다. 이들연구에의하면배연풍량은터널의연장및배연구간의길이, 화재강도, 터널내풍속에의해영향을받는것으로나타나고있으며, 현재까지적정배연풍량산출을위한명확한설계자료는제시되지못하고있는실정이다. Table 1 은각국의기준및연구결과를정리하여나타낸것으로, 표에의하면독일과프랑스의경우, 연기발생량외에터널내기류의제어및신선공기의유입을고려한부가적인풍량을배연풍량으로정하고있으며, 오스트리아나스위스는일반적으로알려진 30MW 의화재강도에서의연기발생량 (80m 3 /s) 을배연풍량으로정하고있음을알수있다. Table 1. Standard exhaust air rate comparison with various countries 국가배연풍량비고 미국 독일 (RABT 02) 프랑스 (CETU 02) 균일배기방식 0.155m 3 /s lane m Q E =A r V r +Q s Q E =A r V r +Q s 600 m 기준배연풍량 : 186m 3 /s V r =3.0m/s 600 m 기준배연풍량 : 215.6m 3 /s V r =1.5m/s 몽브랑터널 : 150m 3 /s 600m = 80 + 45.2 1.5 = 147.8m 3 /s 오스트리아 80m 3 /s fire zone 80m 3 /s 스위스 80m 3 /s km 80m 3 /s 김등 0.17m 3 /s m 600m 기준배연풍량 : 102m 3 /s 한국안전학회지, 제 21 권제 2 호, 2006 년 47

이동호, 유지오, 신현준 또한독일이나프랑스의기준에서고려하고있는부가적인배연량은화재시종방향기류의형성을통한연기류의제어능력향상과신선공기의유입을고려한것으로목표로하는종방향풍속 (V r) 과터널단면적 (A r) 으로곱 (V r A r) 으로나타내고있으며, 독일의경우 V r 을 3.0m/s, 프랑스의경우는 1.5m/s 를고려하고있다. 이와같이반횡류방식의배연풍량은각국의기준이상당한차이를보이고있으며, 최근의경향은독일및프랑스기준에서제시한바와같이종방향기류의제어를위해서부가적인풍량을고려하고있다. 횡류환기방식에서의종방향풍속의제어에대한필요성은유럽에서검토되기시작한것으로몽브랑터널및고타드터널의경우, 최근의화재이후종방향기류를제어하기위하여젯트팬을시설하고있다. 또한니혼자키터널의경우에도기류의제어를위해서샤칼트방식을적용한바가있다 8-10). 4. 수치시뮬레이션검토 4.1. 수치시뮬레이션조건횡류환기방식의연기거동에대한검토및적정배연풍량산정을위해서본연구에서는 Table 2 에제시한터널모델에대해서 FDS 11) (Fire Dynamics Simulation) 에의한수치해석을수행하였다. 본해석모델에서배기구 ( 단면적 1m 2 ) 는터널입구및출구의 100m 지점에서부터터널의중앙부에서 10 m 간격으로총 90 개지점에설치하였으며, 총격자수는 125 만개 (50( 폭방향 ) 25( 높이 ) 1000( 길이 )) 이다. 해석모델의화재강도는 20MW( 차량단면 :2.12 10 m, HRRPUA=943.4kW/m 2 ) 로화재는선형적으로성장하여 4 분동안에완전히성장하는것으로하였으며, 해석시간은 600 초로하였다. 배기구의배연풍량 (Q E) 은식 (1) 로정의하였으며, 식 (1) 에서연기발생량 (Q S) 은 80m 3 /s 로하고, 부가적인풍량을고려하기위한 V r 은 0.0, 0.5, 1.0, 1.5, 2.0, 2.5, 3.0, 3.5 m/s 의 8 조건으로고려하였다. 여기서, A r 은터널단면적이다. 각배기구의경계조건은풍속일정조건으로해석하였으며, 배기구에서 V r 에따른배연풍량및배기구면풍속은 Table 3 에나타낸바와같다. 4.2. 시뮬레이션결과 Fig. 3 및 Fig. 4 는배연을수행하지않는경우, 시간에따른연기의이동특성을나타낸것이다. 본연구에서는가시도에영향을미치는연기농도의한계값을반사체의경우에는 65mg/m 3, 비반사체의경우에는 115mg/m 3 로설정하여검토하였다. Fig. 3 은터널유입풍속이 0m/s 인경우로연기는화재지점을기준으로하여양방향으로대칭현상을이루며이동하며, Fig. 5(d) 에서알수있는바와같이이동속도는시간이증가하면점차감소하는경향을보이고있으며, 화재발생 6 분후연기의이동거리는 266.7m 로연기의평균이동속도는 1.1m/s 정도에이르는것으로나타났으며, 5 분경과시연기의이동거리는 233m 로나타나고있다. 또한피난연락갱의설치간격에따른대피시간을 Table 3. Exhaust air flow rate and plan velocity for the various of Vr Vr (m/s) QE (m 3 배기구면풍속 (m/s) /s) ( 단면적 : 1.0m 2 ) 0.0 80 0.89 0.5 105 1.17 1.0 130 1.45 1.5 155 1.73 2.0 180 2.01 2.5 205 2.28 3.0 230 2.56 3.5 256 2.84 Q E =A r V r +Q S (1) Tabl e 2. Tunnel dimension 터널연장 (m) 단면적 (m 2 ) 터널높이 (m) 배기구간격 1,000 내공단면적 : 60.8 차도단면적 : 50.2 덕트단면적 : 10.6 5.0 10m 간격단면적 : 1m 2 (90 개소 ) Fig. 3. Smoke transportation characteristic (in the case of no exhasut, tunne linner airflow velocity = 0m/s). 48 Journal of the KOSOS, Vol. 21, No. 2, 2006

도로터널 반횡류식 환기방식의 최적배연 풍량산정에 관한 연구 Table 4. Evacuation time for the various of a distance of the cross-passage installation 피난연락갱 설치간격 대피시간 피난연락갱 설치간격 대피시간 200 m 간격 4분 06초 500 m 간격 9분 02초 250 m 간격 4분 54초 550 m 간격 9분 51초 300 m 간격 5분 45초 600 m 간격 10분 45초 350 m 간격 6분 34초 650 m 간격 11분 37초 400 m 간격 7분 24초 700 m 간격 12분 30초 450 m 간격 8분 13초 750 m 간격 13분 22초 대피시뮬레이션 프로그램인 Simulex를 이용하여 검 토한 결과, 피난연락갱의 설치간격에 따른 대피시간 은 Table 3에 제시한 바와 같다. Table 3에서 알 수 있는 바와 같이 현재 건교부의 도로터널 방재시설설 치 지침에 제시된 기준(피난연락갱 설치간격 250m)을 적용하면 대피소요시간은 약 5분 정도로 나타났다. 따라서, 이 경우, 대피가 완료되는 시점인 5분 경 과시 연기의 이동거리는 233m로 연기가 피난연락갱 까지는 미치지 못함을 알 수 있다. Fig. 4는 터널유입 풍속이 2.5m/s인 경우에 시간에 따른 연기의 전파특성을 나타낸 것이다. 이 결과에 의하면 비교적 작은 풍속이지만 터널유입 풍속이 존 재하게 되면 연기가 기류방향으로 이동되어 약 90초 정도가 경과하면 연기는 250m까지 이동되는 것을 알 수 있다. 또한, 연기경계층도 빠른 속도로 하강하기 Fig. 5(a). Smoke transportation characteristic (exhaust flow rate QE = 80+0.0 Ar, tunnel inner airflow velocity = 0m/s). Fig. 5(b). Smoke transportation characteristic (exhaust flow rate QE = 80+1.0 Ar, tunnel inner airflow velocity = 0m/s). Fig. 5(c). Smoke transportation characteristic (exhaust flow rate QE = 80+2.0 Ar, tunnel inner airflow velocity = 0m/s). Fig. 5(d). Smoke transportating distance by the various of exhaust flow rate. Fig. 4. Smoke transportation characteristic (in the case of no exhasut, tunnel inner airflow velocity = 2.5m/s). 한국안전학회지, 제21권 제2호, 2006년 49

이동호, 유지오, 신현준 때문에 터널내 대피자는 연기에 직접적으로 노출 위험성이 크다는 것을 알 수 있다. 따라서, 도로터널에서는 대면통행방식의 터널일지 라도 상하행 교통량의 불균형으로 인한 교통에 의한 피스톤효과 및 자연풍의 영향으로 인해서 터널유입 풍속이 상시 존재하게 되므로 터널유입 풍속이 존재 하는 경우에 안전성 검토가 필요하다. Fig. 5는 균일배기방식의 반횡류환기방식을 적용 하는 경우에 배연풍량에 따른 연기의 이동특성을 나타낸 것으로 Fig. 5(a)는 QE = 80m3/s(Vr = 0.0m/s) 인 경우이다. 즉, 배연풍량을 연기의 발생량과 동일 하게 적용한 경우이며, (b)와 (c)는 각각 130m3/s, 180 m3/s를 적용한 경우이다. 그림에서 배연풍량이 증 가할수록 연기의 이동거리는 감소하고 있음을 알 수 있다. Fig. 5(d)는 배연풍량에 따른 연기의 이동거리 를 정리하여 나타낸 것으로 연기의 이동거리는 배연 풍량 증가에 비례하여 감소하는 경향을 보이고 있으 며, 배연풍량이 80m3/s인 경우에는 5분후의 연기 이 동거리는 183m정도로 배연을 하지 않는 경우보다 3 72%수준으로 감소하며, 배연풍량이 205 m /s(vr = 2.5m/s 적용)인 경우, 연기의 이동거리는 배연을 수행 하지 않는 경우보다 1/2로 감소하고 있다. Fig. 6(a),(b),(c)는 일반적으로 설계에 적용하는 자 연환기력에 의한 터널유입 풍속을 2.5m/s로 가정하 는 경우에 배연풍량에 따른 연기의 이동특성을 나타 낸 것으로 각각 205(QE = 80+2.5 Ar), 230(QE = 80+ 3.0 Ar), 256 QE = 80+3.5 Ar) m3/s를 적용한 경우이다. 이 경우, 배연풍량을 205(QE = 80+2.5 Ar)으로 하 는 경우, 약 180초가 경과되면 연기의 이동거리는 250 m에 도달하게 된다. 따라서 현재 방재시설 설치지 침 기준(대피시간 6분, 피난연락갱 간격 : 250m, 대 피자의 대피속도 1.1m/s기준)에 준하여 피난연락갱 을 설치하는 경우에는 180초 이후에는 연기가 대피 자를 위협하게 될 것으로 예측된다. Fig. 6(b)는 배연풍량을 연기발생량보다 2.9배 증 가시킨 230(QE = 80+3.0 Ar)로 하는 경우로 270초(4 Fig. 6(a). Smoke transportation characteristic (exhaust flow rate QE = 80+2.5 Ar, tunnel inner airflow velocity = 2.5m/s). Fig. 6(b). Smoke transportation characteristic (exhaust flow rate QE = 80+3.0 Ar, tunnel inner airflow velocity = 2.5m/s). Fig. 6(c). Smoke transportation characteristic (exhaust flow rate QE = 80+3.5 Ar, tunnel inner airflow velocity = 2.5m/s). Fig. 6(d). Smoke transportating distance for the exhaust flow rate 2.5m/s. 50 Journal of the KOSOS, Vol. 21, No. 2, 2006

도로터널반횡류식환기방식의최적배연풍량산정에관한연구 분 30 초 ) 이후에연기의이동거리는시간이증가하여도거의증가하지않는특성을보이며, 이동거리가 227m 정도로억제되는것으로나타났다. 따라서이경우, 피난연락갱간격이 250m 인경우에대피자의안전을확보할수있을것으로판단된다 (Fig. 6(d) 참조 ). Fig. 6(c) 는배연풍량이 256(Q E = 80+3.5 A r) 인경우로이경우에도 270 초이후에연기의이동거리가 160 m 이하로제한되고있음을알수있다. 따라서, 자연환기력에의한터널풍속을 2.5m/s 이하로가정하는경우, 배연풍량이 230(Q E = 80+3.0 A r) 이상이면연기의이동거리는 250m 이내로제한할수있는것으로판단된다. 이상의검토결과로부터균일배기방식을적용하는반횡류환기방식의터널에서는터널유입풍속을 0m/s 으로가정하는경우에배연풍량이연기발생량이상이면대피에문제가없을것으로판단되나, 일반적으로터널에서는차량에의한교통환기력등자연환기력에종방향기류가존재하므로터널유입풍속과배기구의신선공기유인효과등부가적인풍량을고려한배연풍량이검토되어야할것으로판단된다. 5. 결론 본연구에서는균일배기반횡류환기방식을적용한도로터널에서화재시배연풍량을산정하기위해서배연풍량에대한외국기준을비교 검토하고수치시뮬레이션을통해서배연풍량에따른연기의이동거리를검토한결과, 다음과같은결론을얻었다. 1) 반횡류방식에서배연풍량은배기구로의신선공기의유입및종방향기류제어를위하여연기발생량보다증대한풍량을설계풍량하는것이최근동향이다. 2) 자연환기력에의한터널유입풍속을 0m/s 로가정할때배연풍량을연기발생량과동일하게산정하는경우, 6 분간의연기의이동거리는 250m 정도로나타났다. 3) 자연환기력에의한터널유입풍속을 2.5m/s 로가정하는경우에는배연풍량을 230m 3 /s(q E = 80+3.0 A r) 로할때연기의이동거리를 250m 이내로제한할수있는것으로나타났다. 4) 따라서, 반횡류방식의대면통행터널일지라도 터널내종방향기류가상시존재하기때문에배연풍량은종방향기류제어및배기구로의신선공기의유입효과를고려하여연기발생량보다상당히증가하여설계하는것이타당한것으로판단된다. 참고문헌 1) National Fire Protection Association, 2000, "NFPA 502, Standard for Road Tunnels, Bridges, and Other Limited Access Highways", 2001 Ed, NFPA, USA, 2000. 2) Forschungsgesellschaft fur Strassenund Verkehrswesen, Richtlinien fur die Ausstattung und den Betrieb von strabentunneln (RABT), Germany, 2002. 3) Minstere de L'Interieur, Circulaire Interministerielle No 2000-82 du 30 Novembre 2000, Relative à la Réglementation de la Circulation des Véhicules Transportant des Marchandises Dangereuses dans les Tunnels Routiers du Réseau National, France, 2000. 4. Bundesministerium fur Verkehr, Innovation und Technologie, RVS 9.286 Betriebsund Sicherheitseinrichtungen, Funkeinrichtungen, Bauliche Anlagen, Austria, 2002. 5. O. Vauquelin and D. Telle, Smoke control in tunnel fires - shoud we talk about critical velocity or critical mass flow rate, 10th Int. Sym. on the Aerodynamics & Ventilation of Vehicle Tunnels, pp. 97~103, BHRGroup 2000 Vehicle tunnel. 6. O. Vauquelin, et. al., Smoke extration experiments in case of fire in a tunnel, Fire Safety Journal, 37, pp. 525~533, 2003. 7. 김명배, 최병일, 최준석, 한용식, 도로터널에서의화재환기설계에관한연구, 한국터널공학회논문집, 제 6 권, 제 2 호, pp. 129~140, 2004. 8. Alan Weatherill, New Mont Blanc tunnel ventilation systems, Tunnel Management International, Vol. 6, No. 1, 2003. 9. B. Bettelini, A. Henke, Upgrading the Ventilation of the Gotthard road tunnel, 11th Int. Sym. on the Aero. and Ventilation of Vehicle Tunnels, pp. 29~ 45, BHRGroup, 2003. 10. 鮫島利隆, 日本板 ( 니혼자카 ) トンネル火災事故の復舊工事, 日本土木學會誌, 1980 年 4 月号. 11. Kevin B. McGrattan, Glenn P. Forney, Fire Dynamics Simulator(Version 3) - User's Guide, NIST, 2002. 한국안전학회지, 제 21 권제 2 호, 2006 년 51