도로터널 화재시 대배기구 배연특성에 경사도가 미치는 영향에 대한 연구 = The Effect of Tunnel Gradient on the Smoke Extraction Characteritics of Large Smoke Exhaust Systems in Road Tunnel

국문 초록 (Abstract)

도로터널 화재시 대배기구 배연특성에서 경사도가 미치는 영향에 대한 연구 도로터널 화재시 연기와 유해가스의 확산을 신속하게 제어하는 것은 인명피해를 최소화하는 핵심요소이며, 횡류환기방식의 일종인 대배기구(large-scale exhaust damper)방식이 대표적인 제연시스템으로 널리 적용되어 왔다. 그러나 국내터널의 상당수가 경사도를 가지고 있음에도 불구하고, 경사도가 배연풍량 및 연기확산특성 에 미치는 영향에 대한 연구는 충분히 축적되지 않은 실정이다. 특히, 경사도 조건 과 배연댐퍼의 개방개소수, 배연방향에 따라 연기 확산거리가 크게 변화함에도 불 구하고, 이를 고려한 체계적인 설계자료나 운영지침은 여전히 부족하다. 이에 본 연구는 개방하는 배연댐퍼의 운영방법(개방개소수(2~12개), 직상부 개방, 댐퍼간 중심 개방, 배연방향(일방향·양방향))에 따라, 터널내 화재해석을 수치해석 적인 방법으로 수행하였으며, 이를 통해 배연댐퍼별 배연풍량 및 연기확산거리를 분석하여, 경사도(0~±3%)가 배연특성이 미치는 영향을 고찰하였으며 배연댐퍼의 운영방안을 제시하였다. 해석 결과, 일방향 배연을 적용하는 경우, 배연방향과 열부력에 의해 연기가 이 동하는 방향이 일치할 때, 연기확산거리의 제어가 가능하였다. 그러나 배연방향과 열부력의 방향이 반대인 경우에는 경사도의 영향이 크게 작용하여 연기확산거리가 증가하는 것으로 나타났다. 또한 배연댐퍼의 개방개소수를 증가시키는 것은 배연방 향의 배연댐퍼의 배연풍량은 증가하고 반대방향의 배연풍량은 극도로 감소하여 풍 량의 불균형으로 인해 배연성능이 감소하며, 화원에 근접한 소수 댐퍼만을 개방하 는 것이 배연효과가 보다 더 증대하는 것으로 분석되었다. 양방향 배연을 적용한 경우에는 배연댐퍼의 배연풍량분포가 상대적으로 균일성 을 유지하며, 상향경사(+2~3%) 조건에서는 열부력 영향이 지배적으로 작용하여 연 기확산거리가 여전히 크게 증가하였다. 이는 경사도가 큰 터널에서는 배연방향의 설정뿐 아니라 추가적인 풍속제어가 필요함을 의미한다. 키워드 : 대배기구, 열부력, 연기확산거리, 횡류환기방식, 종류환기방식, 배연댐퍼, 경사도

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

This study aims to quantitatively investigate the effects of tunnel gradient on smoke propagation characteristics and smoke exhaust performance in road tunnels equipped with a large-point exhaust (LPE) smoke extraction system during fire scenarios. Numerical simulations were conducted by varying key parameters, including tunnel gradient (0 to ±3.0%), smoke exhaust configuration (unidirectional and bidirectional exhaust), and the number of open exhaust dampers (2–12 EA). Smoke propagation distance was evaluated as the primary performance indicator.
The results indicate that locating the fire source directly beneath an exhaust damper generally reduces smoke propagation distance compared to placing the fire source at the midpoint between adjacent dampers. Accordingly, assuming the fire source at the midpoint between dampers provides a more conservative assessment of smoke propagation. In uphill tunnels with smoke exhausted in the direction opposite to buoyancy, the smoke propagation distance in the buoyancy-opposing direction increases with the number of open dampers but decreases as the tunnel gradient increases, indicating that smoke spread in this direction can be effectively controlled. However, smoke propagation in the buoyancy-aligned direction under the same uphill conditions was found to be uncontrollable, with shorter propagation distances observed when fewer dampers were opened.
In downhill tunnels where the exhaust direction coincides with the buoyancy direction, smoke propagation in the buoyancy-aligned direction was relatively well controlled, showing little sensitivity to tunnel gradient. In this case, smoke propagation distance increased with the number of open dampers and reached a minimum when 3–6 dampers were opened. Furthermore, as the tunnel gradient increased, buoyancy acted to limit smoke propagation, whereas at lower gradients, restricting smoke spread became more difficult.
For all investigated conditions, bidirectional smoke exhaust resulted in shorter smoke propagation distances compared to unidirectional exhaust. This improvement is attributed to the reduction in airflow imbalance that occurs in unidirectional exhaust, where airflow rates at dampers located opposite the exhaust direction significantly decrease. Based on these findings, it is suggested that large-point exhaust systems should be designed to enable bidirectional exhaust operation, and that installing a bulkhead for exhaust zone separation may be disadvantageous for securing effective smoke exhaust performance.

목차 (Table of Contents)

• 제 1 장 서론 1
• 1.1 연구배경 1
• 1.2 연구동향 3
• 1.3 연구 필요성 및 목적 5
• 제 2 장 해석조건 6
• 2.1 해석모델 6
• 2.2 해석조건 및 경계조건 7
• 제 3 장 해석결과 및 고찰 9
• 3.1 일방향 배연시 경사도에 따른 배연특성 9
• 3.1.1 경사도 0.0% 조건 9
• 3.1.2 경사도 +0.3% 조건 12
• 3.1.3 경사도 +1.0% 조건 15
• 3.1.4 경사도 +2.0% 조건 18
• 3.1.5 경사도 +3.0% 조건 21
• 3.1.6 경사도0.3% 조건 24
• 3.1.7 경사도 –1.0% 조건 27
• 3.1.8 경사도 –2.0% 조건 30
• 3.1.9 경사도 –3.0% 조건 33
• 3.2 양방향 배연시 경사도에 따른 배연특성 36
• 3.2.1 경사도 0.0% 조건 36
• 3.2.2 경사도 +0.3% 조건 39
• 3.2.3 경사도 +1.0% 조건 42
• 3.2.4 경사도 +2.0% 조건 45
• 3.2.5 경사도 +3.0% 조건 48
• 3.2.6 경사도0.3% 조건 51
• 3.2.7 경사도-1.0% 조건 54
• 3.2.8 경사도-2.0% 조건 57
• 3.2.9 경사도-3.0% 조건 60
• 3.3 배연성능평가 63
• 3.3.1 상향경사 터널에서 하향방향으로 배연하는 경우 63
• 3.2.2 하향경사 터널에서 하향방향으로 배연하는 경우 66
• 3.2.3 상향경사 터널에서 양방향으로 배연하는 경우 69
• 3.2.4 하향경사 터널에서 양방향으로 배연하는 경우 71
• 제 4 장 결론· 73
• 참고문헌 75
• Abstract 76
• 감사의 글· 78