방음터널의 배연창 형식에 따른 배연특성에 관한 수치해석적 연구 = Numerical Study on Smoke Ventilation Characteristics for Different Ceiling Smoke Vent Types in Soundproof Tunnel

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

Noise-barrier road tunnels have become increasingly common in urban areas as traffic volumes rise and noise regulations tighten. Unlike conventional tunnels, their semi-enclosed upper structures restrict natural airflow and reduce external air exchange, which can accelerate smoke accumulation during fire incidents. However, practical guidance on suitable ceiling vent geometry, realistic wind representation, and auxiliary ventilation for these tunnels remains limited. This study numerically investigates how ceiling vent type, external wind conditions, and longitudinal gradients jointly affect smoke behavior in soundproof tunnels.
A series of CFD simulations was conducted for five configurations: a baseline model without vents and four operable ceiling smoke-vent types. Three longitudinal gradients (−3, 0, +3%) were considered. External airflow was represented in two ways: (1) fixed uniform wind speeds and (2) natural wind profiles modeled using an Exponential Law distribution. In addition, a hybrid smoke-control strategy was evaluated by installing airflow-inducing fans near both tunnel portals to assess whether mechanical assistance can compensate for vent-only limitations.
Under fixed-wind conditions, the center-pivot vent (EW01) generally produced shorter smoke-travel distances than other vent systems. While it did not satisfy performance criteria in every case, it consistently met the criteria under downhill gradients and often remained acceptable at zero gradient when wind speeds were low to moderate. These results suggest that the pivoting motion of EW01 forms a comparatively favorable exhaust pathway when buoyancy and external wind forces do not strongly oppose each other.
When the Exponential Law wind profile was applied, the relative performance ranking of vent types was broadly maintained, but smoke travel increased overall—particularly near the upper tunnel region where stronger wind velocities raise internal flow resistance. Uphill conditions remained the most unfavorable, with smoke spread exceeding acceptable limits across vent-only cases.
When portal fans were activated, smoke spread was confined within approximately 250 m in all tested scenarios, regardless of gradient or wind representation. The imposed longitudinal airflow stabilized internal flow direction and reduced sensitivity to variable external winds.
Overall, operable vents alone are insufficient to ensure robust smoke control in soundproof tunnels exposed to diverse wind environments. Although EW01 showed the best vent-only performance, its effectiveness depended on slope and wind conditions. The hybrid approach combining EW01 with airflow-inducing fans provided stable performance across all tested cases, suggesting that future designs and retrofits should consider mechanical airflow assistance and explicitly include wind variability and gradients in performance evaluations.

국문 초록 (Abstract)

방음터널은 상부가 폐쇄된 구조로 터널 내에서 화재가 발생하는 경우, 연기나 유해가스의 배연이 제한적이기 때문에 피난안전을 확보하기 위해서 제연 또는 배연대책이 필수적이다. 현행 「도로터널 방재·환기시설 설치 및 관리지침」(국토교통부, 2025)에서는 일정 규모 이상의 터널에 제트팬이나 배연창 등 제연설비를 설치하도록 하고 있으나, 배연창의 형식·규격·설치 간격 등에 대한 기준은 아직 마련되지 못하고 있는 실정이다.
본 연구에서는 방음터널에 대한 화재시 배연대책을 검토할 목적으로 방음터널에 배연창을 설치하는 경우, 연기를 효과적으로 배연하기 위한 5종의 배연창 형식을 제안하고 배연창 형식별로 경사도 및 자연풍 풍속에 따른 화재해석을 수행하여 배연특성 및 연기의 확산거리를 고찰하였다.
해석대상 터널은 연장 1,000m의 일방향 2차로 터널(단면적은 72.2㎡)로 배연창(8m(H)×2m(W))은 50m 간격으로 배치하였다. 배연창 형식에 따른 영향을 검토하기 위해서 5종의 배연창 개폐방식을 고려하였다. 배연창 형식별로 버스의 화재시(설계화재강도 : 20 MW) 연기의 배연특성 및 확산거리를 자연풍( 1.0, 2.5, 4.0m/s, 지수법칙에 의한 풍속)과 터널 경사도(-3, 0, +3%)를 변수로 하여 수치해석적인 방법으로 고찰하였다.
해석결과, 중심축 회전 배연창(EW01)은 본 연구에서 비교한 배연창 형식 중에서 전반적으로 가장 양호한 성능을 보였다.
이 경우에 연기의 확산거리는 자연풍의 풍속과 경사도에 영향을 크게 받는 것으로 나타나고 있으며, 열부력의 방향과 자연풍의 방향이 서로 반대되는 하향 경사 조건에서는 모든 자연풍 풍속에서 연기의 확산거리가 한계기준(250m)을 만족하나, 경사도에 따른 열부력의 방향과 자연풍의 방향이 동일한 경우에는 연기의 확산거리에 대한 한계기준를 충족하지 못하는 것으로 분석되었다.
또한, 현실적인 자연풍을 반영하기 위해서 지수법칙(Exponential Law)에 의한 풍속을 반영하는 경우에는 상향 경사 조건에서 연기의 확산거리를 만족하지 못하는 것으로 분석되었다.
경사도가 증가하면 배연창만을 설치하여 자연배연을 하는 경우, 연기의 확산거리에 대한 한계기준을 만족하는 것이 불가능한 것을 확인하였다.
이에 터널 시점부와 종점부에 기류유인팬(ø1,250mm, 풍속 30m/s)을 2대씩 설치하여 화재시 기류를 제어하는 경우에 대해서 연기의 확산거리를 분석한 결과, 본 검토조건에서 모든 경사도에 대해서 연기의 확산거리에 대한 한계기준을 충족할 수 있는 것으로 분석되었다.
이상의 검토에서 방음터널에 배연창을 설치하는 경우, 경사도가 높은 터널에서는 배연창만으로 현행 지침에서 요구하는 기준을 만족하지 못하며, 연기의 확산거리를 충족하기 위해서는 기류유인팬의 설치가 필요한 것으로 판단된다.

목차 (Table of Contents)

• 제 1 장 서론 1
• 1.1 연구배경 1
• 1.2 연구동향 4
• 1.3 연구시사점 6
• 1.4 연구목적 7
• 제 2 장 연구내용 8
• 2.1 해석모델 및 경계조건 8
• 2.2 해석조건 11
• 2.2.1 화원 11
• 2.2.2 배연창 형식 12
• 2.2.3 자연풍 고려방법 14
• 제 3 장 해석결과 19
• 3.1 배연창 형식별 해석결과 19
• 3.1.1 하향 경사 조건(-3%) 19
• 3.1.2 경사가 없는 조건(0%) 35
• 3.1.3 상향 경사 조건(+3%) 49
• 3.2 지수법칙을 적용한 자연풍 조건에서의 배연 효과 검증 62
• 3.3 기류유인팬 설치에 따른 배연 성능 개선 효과 67
• 제 4 장 결 론 72
• 참고문헌 74
• Abstract 76
• 감사의 글 78