임계속도와 제연팬 용량의 상관관계 연구 - 도로터널의 제연팬 특성도 연구

김효규,김은수,김남영,이창우,Kim, Hyo-Gyu,Kim, Eun-Soo,Kim, Nam-Young,Lee, Chang-Woo 한국터널지하공간학회 2004 터널기술 Vol.6 No.4

최근 임계속도 (critical velocity)는 터널안전 분야의 연구자들로부터 많은 관심을 끌고 있는 주제가 되고 있다. 이러한 임계속도는 화재시 화재연의 역류 (backlayering)를 방지하기 위한 최소유속으로써 지금까지 많은 식들이 제안되고 있으며, 다음의 3가지 식들이 제연팬의 용량을 산정하기 위한 국내 기준으로 고려되고 있다. Froude 수에 기초한 Kennedy 식, Kennedy 식을 수정하여 ${\beta}$ 변수값을 고려한 Tetzner 식, 그리고 초임계속도 (super critical velocity) 개념을 도입한 Wu 식 등이 본 연구의 비교 분석대상이며, 또한 임계속도와 제연팬 용량간의 관계를 보여주는 등고선도 (제연팬 특성도)는 국내 도로터널의 화재시 제연팬의 대수를 산정하기 위한 툴로써 제시되고 있다. Recently, critical velocity has become a topic to attract most interests from the researchers in the field of tunnel safety. As the minimum velocity to prevent smoke backlayering during a fire, many equations have been proposed so far, and the following three equations are being considered as a standard method in Korea to calculate the capacity of smoke extraction fans. Equation by Kennedy based on Froude number, Tetzner' s equation with additional variable, ${\beta}$ to modify the Kennedy's equation, and the equation with the concept of super critical velocity by Wu are studied in this paper for the comparative purpose. A contour map describing the relationship between the critical velocity and the capacity of smoke extraction fans is proposed as a tool to calculate the number of jet fans for smoke control during a fire in the local tunnels.

고속도로 터널의 적정 환기용량 계획을 위한 원활 및 지체조건 판별모델 개발에 대한 연구

김효규,류지오,이창우,Kim, Hyo-Gyu,Yoo, Ji-Oh,Lee, Chang-Woo 한국터널지하공간학회 2012 한국터널지하공간학회논문집 Vol.14 No.4

종전 환기설계기준에 따르면 전속도(10~80 km/h)를 대상으로 환기검토를 수행하였다. 이는 원활시 및 지체시 상황을 모두 고려한 환기계획이며 도심터널 등에서는 합리적인 방법이다. 그러나 최근 지방부 고속도로의 터널은 교통량이 낮고, 지체발생빈도가 매우 낮기 때문에 지정체를 모두 고려하여 환기계획을 수행하는 것은 다소 불합리성이 있다. 따라서 적정 환기계획을 위해 원활교통과 지체교통을 구분할 필요가 있으며, 교통류의 지정체에 따른 지정체 판별식을 개발할 필요성이 제기된다. 본 연구에서는 합리적 환기계획을 위해 지정체 여부에 따른 환기검토 제외속도를 결정하고자 하였다. 먼저 국내 고속도로상 지정체 교통량을 조사하고 지정체 원인을 분석하였다. 그리고 '여유속도' ($u-u_m$) 개념을 도입하여 지정체 판별모델을 개발하였으며 대상터널에 대한 그 적용성을 분석하였다. V/C 비율에 따른 환기검토 제외속도 분석결과, 설계속도 100 km/h 일 경우 V/C 가 0.1 이하일 경우는 40 km/h 이하, V/C 가 0.35 이하일 경우는 30 km/h 이하, V/C 가 0.6 이하일 경우는 20 km/h 이하, V/C 가 0.75 이하일 경우는 10 km/h 이하에서 환기검토 제외가 가능하였다. According to the local highway tunnel ventilation guideline, ventilation capacity calculation should be performed at the speed ranging from 10 km/h to 80 km/h. This is so reasonable method considering uncongested and congested traffic conditions in urban tunnels. But recently due to low traffic volume and very low congestion frequency in rural highway tunnels, it seems to be an inadequate way to apply the guideline. Therefore the calculation should be performed separately for the free flow and congested traffic cases classified by the appropriate decision model. This paper aims at determining unnecessary running speed range for reasonable tunnel ventilation design, considering free flow and congested traffic conditions. Firstly, traffic volumes in highway tunnels were collected and if any, the causes of congestion were investigated. And with concept of 'margin speed'($u-u_m$), the decision model on traffic congestion was developed. Applicability of the decision model was also analyzed with case study. According to the results, when design speed is 100 km/h, with V/C less than 0.1, then the range of unnecessary speed in tunnel ventilation design is less than 40 km/h; for $V/C{\leqq}0.35$, $V/C{\leqq}0.6$ and $V/C{\leqq}0.75$, the unnecessary speed ranges are found to be ${\leqq}30$, ${\leqq}20$ and ${\leqq}10km/h$, respectively.

네트워크형 터널의 환기해석 방법에 대한 기초연구-비 Hardy-Cross 방법을 중심으로

김효규,최판규,류지오,이창우,Kim, Hyo-Gyu,Choi, Pan-Gyu,Ryu, Ji-Oh,Lee, Chang-Woo 한국터널지하공간학회 2016 한국터널지하공간학회논문집 Vol.18 No.3

최근 도시부 지하도로 건설에 따른 터널내 다양한 형태의 분기부가 설계되고 있으며, 이는 기존의 일자형 터널에서의 환기해석 방법과는 다른 해석방법을 요구하고 있다. 그러나 국내외 터널환기 해석방법중 네트워크형 터널에 대한 환기해석에 대한 방법은 설계기준으로 제시되지 않고 있으며, 주로 네트워크용 수치해석 프로그램에 의존하여 설계가 진행되고 있다. 본 연구에서는 수치해석적 방법이 아닌 특성화 방정식에 기초한 네트워크형 터널에 대한 환기해석 방법 중 설계기준으로 적합한 네트워크 모형을 고찰하였다. 기존의 Hardy-Cross 방법은 계산방법이 비교적 간단하고 수계산이 가능한 장점이 있어, 광산통기 및 터널환기 분야에서 폭넓게 적용되어 왔다. 그러나 Tayler 정리에 따른 절단오차 문제 및 대규모 네트워크 환경에서 mesh의 선택 알고리즘에 따른 수렴성 문제가 보고되고 있다. 따라서 본 연구에서는 비 hardy-cross 방법 중 mesh의 구성이 없이도 유량과 압력을 동시에 해석할 수 있는 gradient method로 네트워크형 터널에 대한 환기해석의 적용성을 고찰하였고, 더불어 네트워크형 터널에 대한 환기해석이 가능한 간편한 방법을 제시하는데 그 목적이 있다. Recently, various forms of diverging sections in tunnels have been designed as the demand for underground passageway in urban areas increases. Therefore, the complexity of the ventilation system in tunnels with diverging sections requires a ventilation analysis method different from the conventional method for the straight tunnels. None of the domestic and foreign tunnel ventilation design standards specifies the method for the ventilation network analysis, and the numerical analysis methods have been most widely used. This paper aims at reviewing the ventilation network analytical method applicable as the design standard. The proposed method is based on the characteristic equations rather than the numerical analysis. Thanks to the advantages of easy application, the Hardy-Cross method has been widely applied in the fields of mine ventilation and tunnel ventilation. However, limitations with the cutting errors in the Taylor series expansion and the convergence problem mainly caused by the mesh selection algorithm have been reported. Therefore, this paper examines the applicability of the ventilation analysis method for network-type tunnels with the gradient method that can analyze flow rate and pressure simultaneously without the configuration of mesh. A simple ventilation analysis method for network-type tunnels is proposed.

고속철도 터널내 압력파 측정과 공기압 해석모델에 대한 기초연구

김효규,최판규,홍유정,유지오,Kim, Hyo-Gyu,Choi, Pan-Gyu,Hong, Yoo-Jung,Yoo, Ji-Oh 한국터널지하공간학회 2015 한국터널지하공간학회논문집 Vol.17 No.3

열차가 고속으로 터널내를 진입할 때 열차의 피스톤 작용에 의해 형성되는 압력파는 터널내를 진행하고, 출구에 도달한 압축파는 터널 출구면의 개구단 조건에 따라 팽창파로 터널입구로 다시 전파된다. 이에 따른 터널내 주행열차와의 간섭현상으로 인해 차량내 승객은 심한 압력변동을 느끼게 되며, 이러한 압력파는 열차의 설계와 운행에 영향을 미치고, 에너지 손실과 소음, 진동, 승객의 이명현상의 원인이 된다. 본 연구에서는 열차가 고속으로 터널내부를 진입시 나타나는 터널내 압력파의 전파특성과 열차의 기밀도에 따른 객실내로 침투하는 압력 변화량을 현장 실험내용과 비교분석을 수행하였다. 또한, 압축성 1-D 모델(MOC)의 적용 가능성을 살펴보기 위해 ThermoTun 프로그램과의 비교연구를 수행하였고, Baron의 압축성 1-D 수치모델에 기초한 지배방정식 해석의 적정성을 검토하기 위해 비교연구도 병행하였다. The pressure wave formed by the piston effects of the train proceeds within the tunnel when a train enters the tunnel with a high speed. Depending on the condition of tunnel exit, the compression waves reflect at a open end, change to the expansion waves, transfer to tunnel entrance back. Due to interference in the pressure waves and running train, passengers experience severe pressure fluctuations. And these pressure waves result in energy loss, noise, vibration, as well as in the passengers' ears. In this study, we performed comparison between numerical analysis and field experiments about the characteristics of the pressure waves transport in tunnel that appears when the train enter a tunnel and the variation of pressure penetrating into the train staterooms according to blockage ratio of train. In addition, a comparative study was carried out with the ThermoTun program to examine the applicability of the compressible 1-D model(based on the Method of Characteristics). Furthermore examination for the adequacy of the governing equations analysis based on compressible 1-D numerical model by Baron was examined.

대면통행 터널의 환기특성에 관한 연구 - 자연환기량을 중심으로

김효규,홍유정,유용호,Kim, Hyo-Gyu,Hong, Yoo-Jung,Yoo, Yong-Ho 한국터널지하공간학회 2014 한국터널지하공간학회논문집 Vol.16 No.6

양방향(대면통행) 터널에 대한 자연환기에 대한 결정기준 및 제트팬 용량 검토기준이 명확하게 정립되지 못한 이유로 1km미만의 터널에 대한 기계환기 여부 및 용량산정에 있어 혼선이 나타나고 있다. 이에 본 연구에서는 자연환기량의 특성을 살펴보고, 최근 진행중인 대면통행 터널의 환기설계 기법을 크게 2가지로 분류하여 분석하였다. 또한 본 연구에서는 양방향 터널에서의 합리적인 환기용량 산출과 자연환기량에 기초한 자연풍속($Vr^*$)과 소요풍속(Vreq)과의 관계 검토를 통해 자연환기 방식의 적용 가능성에 대한 연구를 수행하였으며, 향후 양방향 터널의 환기기준 수립에 대한 기초자료 제공을 목적으로 하고 있다. The standards of ventilation system for bi-directional tunnel have not been established now. For this reason, with regard to the bi-directional tunnel below 1km, some problems have been appeared in ventilation capacity designing and in determining whether the mechanical ventilation system is needed or not for each case. In this study, we examine the characteristics of natural ventilations, analyze ongoing ventilation design cases for bi-directional tunnels and classify those cases into two groups. This study is carried out about the capability of using natural ventilating system by calculation of reasonable ventilation capacity in bi-directional tunnel and review of relationship between natural wind speed ($Vr^*$) and required speed(Vreq). This paper aims at providing a basis data for bi-directional tunnel ventilation design standards.

경유승용차 도입이 터널 소요환기량에 미치는 영향분석

김효규,송석헌,김남영,이창우,Kim, Hyo-Gyu,Song, Seok-Hun,Kim, Nam-Young,Lee, Chang-Woo 한국터널지하공간학회 2007 한국터널지하공간학회논문집 Vol.9 No.3

2005년 하반기부터 국내 승용차시장에 경유승용차의 시판이 허용되면서 시장점유율이 점증하고 있어, 향후 서유럽의 경우와 같은 수준으로 까지도 증가할 것으로 예상된다. 본 연구에서는 경유승용차의 확대보급에 따른 터널 소요환기량 및 환기설비용량 변화를 검토하기 위하여 차령, 차종구성비, 매연 배출량 변화추이를 감안한 기준배출량을 달리하는 3가지 경우를 비교 분석하였다. 전형적인 2km 길이의 2차선 고속도로 터널을 대상으로 한 비교연구에서 현 환기설계기준상의 기준배출량과 경유승용차 구성비 40%를 가정한 Case 1의 경우, 현 설계기준보다 상대적으로 많은 소요환기량 및 환기설비용량을 요구하였다. 차령은 고려하나 경유승용차를 감안하지 않은 기준배출량을 설계에 반영하고 있는 실제 터널을 대상으로 한 Case2와, 차령 및 경유승용차 보급률을 동시에 고려한 배출계수에 의한 기준배출량을 적용한 Case3은 모두 EURO-3 규제기준과 비슷한 수준의 환기특성을 나타내는 것으로 분석되었다. 한편, 국내 기존 환기설계기준에 적용하고 있는 환경부 제작차 허용배출량 기준은 EURO-2 규제기준보다 높은 편으로 조사되었으며, 2006년부터 적용하고 있는 허용배출량 기준은 EURO-4 규제기준과 비슷하게 분석되었다. 본 연구는 향후 국내 경유승용차의 확대보급에 따른 경유차량 구성비의 증가, 매연 배출량 규제에 따른 매연배출량의 감소 등의 변화를 고려한 오염물질의 기준배출량 산정을 통하여 최적 소요환기량 및 환기설비용량 결정을 하기 위한 기초자료의 제공을 목적으로 하고 있다. Since the first diesel passenger car hit the local road in late 2005, the share of diesel cars is growing significantly; possibly up to the level as in the western Europe. In this study, the effects of introduction of diesel passenger cars on the ventilation rate and facility capacity are analyzed for the three individual cases with different basic exhaust rate based on the vehicle age, the vehicle class percentage and the smoke exhaust rate. The target tunnel for this comparative study is a typical 2 km-long 2-lane highway tunnel. Case 1 assuming the current local design standards and the diesel vehicles comprising 40% of the total passenger cars on the road required more ventilation rate and facility capacity than in the case only with the current standards. Case 2 which is the real tunnel currently in the designing stage taking into account the vehicle age but ignoring the diesel vehicle ratio, and Case 3 on the contrary considering the both factors show similar level of ventilation characteristics as EURO-3 emission regulation. Application of the emission standard set by the Ministry of Environment for newly manufactured vehicles in the current local tunnel design standard indicates higher requirements than for EURO-2 regulation, whereas the emission standard came into effect in 2006 results in the ventilation characteristics similar to EURO-4. This study aims at providing fundamental information for assessing the basic emission rate and determining the optimal ventilation rate and facility capacity considering the growing percentage of diesel cars and gradually decreasing level of smoke emission forced by the relevant laws.

국내 도로터널내 발생 교통사고, 화재사고 및 터널특성 관계 연구

김효규,이창우,Kim, Hyo-Gyu,Lee, Chang-Woo 한국터널지하공간학회 2004 터널기술 Vol.6 No.3

As the length of local tunnels is getting longer, the demand for tunnel safety attracts more attention. But only a few information can be found concerning traffic and fire accidents occurred in local tunnel, and full-fledged studies had not been carried out to fulfill the expectation of the tunnel users. This study aims at collecting and analyzing the data on traffic and fire accidents in local road tunnels and providing the fundamental data for the tunnel fire safety evaluation. Focus is placed on quantifying the relationship among traffic accidents, fire occurrences and tunnel characteristics. 최근 터널이 점점 장대터널로 계획됨에 따라, 터널 안전성에 대한 요구도 증가하고 있다. 그러나 국내 터널내의 화재 및 사고에 대한 자료의 축적이 거의 되어있지 않고 관련 연구도 미흡한 실정이다. 따라서 본 연구에서는 터널의 화재 및 사고사례 관련 자료를 수집, 분석하여 국내터널 안전성 평가를 위한 기초자료를 제공하는데 목적이 있으며, 특히 터널내 교통사고 및 화재발생률, 인명피해 발생률과 터널 특성과의 관계 분석에 중점을 두었다.

터널내 자연환기력(NVP) 적용방안 연구

김효규,유지오,이창우,Kim, Hyo-Gyu,Yoo, Ji-Oh,Lee, Chang-Woo 한국터널지하공간학회 2014 한국터널지하공간학회논문집 Vol.16 No.3

터널내의 NVP(자연환기력)은 환기 및 방재시스템 설계시 중요성에도 불구하고, 측정 및 정량화의 어려움으로 인해 관련 연구가 극히 제한적이었다. 본 연구에서는 터널 환기시스템의 최적 설계를 위하여 지형 및 기상학적 자료를 이용한 국내 터널내 작용하는 NVP을 정량화함으로써 궁극적으로는 정량화 및 적용 설계지침의 마련을 목적으로 하였다. 국내 주요 노선상의 22개 터널을 분석대상으로 하였다. 기상자료에 기초한 NVP의 범위는 20~140 Pa이며, 지형자료에 기초한 경우는 20~200 Pa로 추정되었다. 터널내 제트팬의 대당 승압력이 10~15 Pa인 점을 감안하면, NVP는 제트팬 1대 이상의 영향력을 가지고 있음을 의미하므로 터널의 경제적이고 안전한 설계를 위해서는 NVP의 정량화 및 적용이 반드시 필요함을 알 수 있다. NVP의 크기 결정에 영향을 미치는 변수중, 터널 입출구 갱구사이의 기압차가 가장 중요한 변수이며 기여도는 평균 61%, 그리고 외풍에 의한 갱구면 작용 압력이 22%, 공기 밀도차에 의한 굴뚝효과가 17%의 기여도를 보인다. In spite of the importance of the natural ventilation pressure(NVP) in tunnels for the optimal design of the ventilation system, there have been only few studies on the NVP because its measurement and quantitative analysis are not straightforward. This study aims at quantifying the amount of the NVP with the terrain and meteorological data for the local major tunnels. And ultimately this will lead to developing the guidelines for quantifying and applying NVP for the optimal design of tunnel ventilation system. 22 local tunnels in the major routes are studied for the NVP quantification. NVP derived from the meteorological data is in the range of 20~140 Pa, while NVP estimated from the terrain data ranges from 20 to 200 Pa. Since the jet fan pressure is about 10~15 Pa per unit, the minimum level of NVP expected in the local tunnels is larger than the pressure rise by one unit of the ordinary jet fan. This implies that NVP in local tunnels should be quantified and be taken into consideration for the economic and safe ventilation design. The barometric pressure difference between tunnel portals is found to be the most influential factor, accounting for 61% of the NVP, while the wind pressure acting on the portals and the chimney effects occupy 22% and 17%, respectively.

PSD가 설치된 지하철 역사 내 화재 시 최적 배연시스템 연구

김효규,유지오,김두영,Kim, Hyo-Gyu,Yoo, Ji-Oh,Kim, Doo-Young 한국터널지하공간학회 2018 한국터널지하공간학회논문집 Vol.20 No.2

The subway used by many passengers is required to maintain a safe and comfortable environment and PSD (Platform Screen Door) must be installed in the platform after reinforcing the standard in 2003. In the previous research, in case of subway fire to control it, it is necessary to design the optimal ventilation and smoke exhaust system according to equipment capacity of the smoke exhaust system. Therefore, in this study, based on the results of previous research, three-dimensional numerical analysis was performed for the CO gas and smoke flow by the subway ventilation system in case of platform fire. As a result of this study, it was found that in case of emergency, if only the upper-level smoke exhaust system is activated, the risk of evacuation is high due to CO gas (653.8 ppm) and smoke concentration ($768.4mg/m^3$). And when all the smoke exhaust systems are activated and only the fire side PSD is opened, CO gas (36.0 ppm) and smoke concentration ($26.2mg/m^3$) are detected and the propagation range of smoke flow was reduced. When all the smoke exhaust systems are activated and only the fire side PSD is closed, it was analyzed as the most effective ventilation mode in the evacuation environment due to the absence of smoke-recirculation. 다수의 승객들이 이용하는 지하철은 안전과 공간의 쾌적한 환경관리가 필수적이며, 2003년 이후 기준 강화로 승강장 내에 스크린도어(PSD)를 반드시 설치해야 한다. 선행연구에 따르면 지하철 화재 시에 화재연기의 배연을 위해 배연설비의 설비용량 최적설계가 필요하다. 따라서 본 연구에서는 선행연구의 실험 결과를 바탕으로 3차원 수치해석기법을 이용하여 PSD가 설치된 승강장 내에서 화재발생 시 배연시스템 별로 CO가스와 Smoke의 유동을 분석하였다. 본 연구의 결과 비상시 상부 배연설비만 가동한 경우에는 CO 가스와 Smoke 농도는 653.8 ppm과 $768.4mg/m^3$로 피난 시 승객들의 위험이 큰 것으로 분석되었으며, 모든 배연설비를 가동하고 화재측 PSD만을 개방한 경우 CO 가스와 Smoke 농도 36.0 ppm 및 $26.2mg/m^3$를 보이며 화재연기의 전파범위가 줄어드는 것으로 분석되었다. 모든 배연설비를 가동하고 화재측 PSD를 미개방한 경우에는 화재연기 유입이 발생하지 않아서 대피환경에 있어 가장 효과적인 배연모드로 분석되었다.

현장측정을 통한 터널 내 벽면마찰계수 추정 연구

김효규,최판규,이호형,백두산,나광훈,Kim, Hyo-Gyu,Choi, Pan-Gyu,Lee, Ho-Hyung,Baek, Doo-San,Na, Kwang-Hoon 한국터널지하공간학회 2018 한국터널지하공간학회논문집 Vol.20 No.2

현재 국내터널에 적용중인 벽면마찰계수는 단순히 외국의 연구결과를 인용하여 사용하고 있는 실정이다. 또한 기존 선행연구들에서는 속도감쇄법을 이용하여 벽면마찰계수를 추정하였으나, 터널 내 수렴풍속이 음수(-)이거나 자연풍의 변화가 있는 경우에는 벽면마찰계수에 대한 추정이 어려운 점이 있었다. 이에 따라 본 연구에서는 기존 속도감쇄법과 더불어 동적 시뮬레이션기법을 적용하여 벽면마찰계수를 추정하였다. 분석결과, 총 9개 터널(양방향 18개 튜브)에 대한 터널 내 마찰계수는 0.011~0.025 정도로 분석되었으며, 평균값은 0.020로 추정되었다. 또한, 본 연구를 통해 정량적으로 획득한 벽면마찰계수를 현재 적용중인 설계기준과 비교하였다. In most of cases, the wall friction coefficients applied for local tunnel design are quoted directly from foreign data or local design guideline. In the previous studies, the wall friction coefficient was estimated using the velocity decay method. However, it is difficult to estimate the wall friction coefficient when the convergence wind velocity in the tunnel is negative (-) or if there is a change in the natural wind. Therefore, in this study, the wall friction coefficient is estimated by applying the dynamic simulation technique in addition to the conventional the velocity decay method. As a result of the analysis, the coefficient of wall friction in the tunnels for the total of 9 tunnels (18 tubes both directions) was 0.011~0.025, and the mean value was estimated to be 0.020. In addition, the wall friction coefficient obtained quantitatively through this study was compared with the current design criteria.