KTA 2004 Annual Conference / April 22～23, 2004 / Seoul / Korea

한글논문제목

Lift, Size 13, 견고딕

영문논문제목

Lift, Size 12, 견고딕

도로터널 환기설계시 외부자연풍 영향에 대한 연구

A Study of Natural wind effect in Road Tunnel Ventilation design

저자이름, 저자소속

Lift, Size 10, 한양신명조

임용준1), Yong-Jun Lim, 강현욱2), Hyun-Wook Kang, 이호석3), Ho-seok Lee

1)(주)비엔텍 기술1팀 팀장, Team Manager, Building and Tunnel Technologies Co.,Ltd

2)(주)비엔텍 기술기획실 실장, Director, Building and Tunnel Technologies Co.,Ltd

2)(주)비엔텍 대표이사, CEO, Building and Tunnel Technologies Co.,Ltd

SYNOPSIS : The major factor of tunnel ventilation design is piston effect by vehicle and natural wind. Especially, as concerned with natural wind around tunnel portal, various ventilation design factors are need to change according to tunnel geometrical characteristics. But recent tunnel ventilation design, always same values are applied to design regardless tunnel characteristics. The aim of this paper is to research air flow effect between natural wind and pressure loss in tunnel portal.

요약, Key words

Lift, Size 10, 한양신명조

Key words : Road Tunnel, Ventilation, Natural wind resistance, Computational fluid dynamics

Lift, Size 12, 견고딕

논문작성(size : A4)

페이지여백

위 2.3cm, 아래 1.5cm

꼬리말 1.5cm

Single spacing (150%)

Size 10 (신명조체)

1. 서 론

도로터널의 환기에는 많은 변수가 작용하며, 가장 주요한 변수는 차량에 의한 교통환기력과 외부기상조건에 의한 자연풍의 영향이다. 이중 터널의 외부자연풍의 유입은 일방향 도로터널에 있어서 환기저항으로 작용하며 통상적으로 2.5m/s의 값을 적용하고 있다.

그러나, 동일한 강도의 풍속이 터널의 갱구부에 작용하더라도, 터널내의 기류가 영향을 받는 정도는 터널의 갱문형상 및 연장, 터널의 종단경사등 많은 변수에 의하여 각각 다르게 나타날 수 있다. 현재 이루어지고 있는 대부분의 환기설계시에는 터널의 특성을 감안하지 않고 일률적인 조건을 적용함으로서 환기설계시의 조건이 실제운영조건을 제대로 근사하지 못함으로서 실제운영상의 문제점이 발생될 소지가 있다.

따라서, 본 연구에서는 터널의 갱문형상에 의한 외부자연풍의 터널내 영향에 대한 특성을 고찰함으로서 갱구부 토목구조물의 변화에 따른 터널내 기류흐름에 대한 영향을 고찰하고 환기설계시의 적용변수에 대한 분석을 통하여 이에 따른 영향을 분석하고자 한다.

2. 터널연장에 따른 자연환기력의 계산

표 .  터널 제원

항목	적용값	항목	적용값
표준 단면적	74.928 [㎡]	둘레길이	34.175 [m]
대표직경	8.77 [m]	구 배	0 [%]

자연 환기력은 일정한 풍속의 자연풍이 터널을 소통한다고 가정하는 경우와 실제 터널 입구와 출구에 형성되는 경우로 대별할 수 있다. 터널의 환기계산 및 수치해석에 필요한 계산을 위하여 위과 같이 예제터널제원을 적용하기로 한다.

Lift, Size 11, 견고딕

2.1 일정한 풍속으로 터널을 소통하는 경우

[eqn: DELTA P_M" "=" "( zeta sub e + zeta sub i + lambda cdot { L} over {D }) cdot { rho} over {2 } cdot U sub n sup 2]	(1)

[eqn: zeta sub e] ; 출구 손실계수(1.0), [eqn: zeta sub i] ; 입구손실계수(0.6), [eqn: lambda] ; 벽면 마찰손실계수, [eqn: L] ; 터널연장

[eqn: D] ; 대표직경, [eqn: rho] ; 공기밀도, [eqn: U sub n] ; 터널내 소통풍속(2.5m/s)

그림.  터널연장에 따른 저항손실

외부자연풍이 터널 내부를 일정한 유속으로 소통할 경우 식(1)에 의하면, 터널의 연장증가로 인해 벽면 마찰손실이 증가하게 되므로 그림. 1에서 나타나듯이 압력손실은 터널 연장에 따라 선형적으로 증가한다.

자연 환기력의 대부분이 외부자연풍의 영향에 의한 것으로 가정할 경우 터널 연장이 증가할수록 압력손실이 상승하게 되고, 설계시의 저항자연풍을 2.5m/s로 고정할 경우 외부 자연풍속의 증가를 가져오게 되므로 터널 연장이 증가됨에 외부자연풍이 선형적으로 증가함으로서 장대터널일 수록 실제 현장의 조건과 큰 차이를 보이는 문제점이 발생할 수 있다.

2.2 실제 터널 입구와 출구에 미치는 영향

[eqn: DELTA P_W" "=" " C_W""⋅{ρ } over { 2}⋅W⋅cosθ∣W⋅cosθ∣]	(2)

[eqn: ΔP_W] ; 풍압, [eqn: C_W] ; 주변의 지형과 입구 및 출구형상에 따른 충격손실 계수, [eqn: rho] ; 공기밀도

[eqn: W] ; 외부 자연풍속, [eqn: θ] ; 터널 축방향과 풍향사이의 각도

여기서, 충격손실계수 [eqn: C_W]는 [eqn: θ]를 0o로 하는 경우에 있어 미국연방고속도로국(FHWA : Federal Highway Administration)이 환기설계프로그램인 TUNVEN개발당시의 실측결과를 참조한다. 실측결과에 의하면, 양방향 터널사이에 재유입 방지벽과 터널 출구 벽면이 돌출되어 있는 경우에 0.7, 재유입 방지벽만 있는 경우 0.55, 터널 출구 벽면이 돌출되고 낮은 측벽이 설치된 경우 0.4, 낮은 측벽만 설치된 경우는 0.25 정도가 된다고 보고 있다.

그러므로 외부자연풍에 의한 충격손실계수는 도로터널 환기 설계시 내부 유동을 정상류로 가정하여 입구손실계수는 0.6을 적용하는 경우와는 차이를 보이게 된다. 따라서, 비교를 위해서 예측된 풍압을 환기계산식(1)에 적용하였다.

결  론

본 연구에서는 도로터널의 외부자연풍이 터널내부환기에 미치는 영향을 분석하여 보았다. 그 결과, 동일한 정도의 외부자연풍속이 작용한다 할지라도, 터널내의 기류는 터널연장, 갱구의 형상, 주변지형등에 의하여 매우 복잡한 변화를 보이는 것을 알 수 있었다.

1) 터널갱구의 형상은 갱구에 시설되는 시설물 및 주변지형의 영향을 포함하며, 이것은 터널의 기류유입에 대한 충격손실계수에 영향을 미친다. 더욱이 터널이 장대화될 경우 환기기의 설비용량에도 영향을 미칠 수 있는 중요한 요소이다. 따라서, 토목구조물 설계시 현장실측 및 수치해석등의 사전조사를 통하여 터널의 갱문형상이 환기설계에 미치는 영향을 면밀히 검토할 필요성이 있다.

2) 현재 일방향터널 2.5m/s, 양방향터널 1.5m/s로 적용하는 일률적인 외부자연풍속을 현장상황 및 터널의 설계조건에 적합하도록 현지의 기상요건등을 고려하여 신축성있게 적용하여야 할 것으로 사료된다. 현재의 설계조건에 의하면, 짧은 터널일 경우에는 터널자연풍속이 과소하게 평가되며, 이와는 반대로 긴 터널일 경우에는 터널자연풍속이 과대하게 평가되는 문제점을 가지고 있기 때문이다.

터널의 환기설계는 수많은 요소를 포함하는 복잡한 문제이며, 실제 기류의 유동을 정확하게 예측하기 위해서는 각각의 요소에 대한 면밀한 검토가 필요하다고 사료된다.

참고문헌

1. 고속도로터널 환기시설 설계기준, 한국도로공사(2002), pp24～pp31

2. Roberson/Crowe;김경호,김효섭,김재중,전경수 공역(2002), 유체역학, 사이텍미디어, 서울

3. 道路トンネル技術基準(換氣編․同解說, 社團法人 日本道路協會(2000), pp31～pp77

4. 管路․ダクトの流體抵抗, 社團法人 日本機械學會(1980), pp6～pp18

5. H.H.Weiss;K.Dolejsky(1985), An investigation of atmospheric pressure differences affecting the

longitudinal ventilation of road tunnels, Proceeding of the 5th International Symposium on

Aerodynamics and Ventilation of Vehicle Tunnels, BHRA, Lille, pp189～204

6. A.West;C.pope(1985), The effect of wind on the ventilation of a road tunnel occupying an exposed

position, Proceeding of the 5th International Symposium on Aerodynamics and Ventilation of

Vehicle Tunnels, BHRA, Lille, pp219～239

7. Schlaug,R.N.;T.J.Carlin(1979), Aerodynamics and Air Quality Management of Highway

Tunnels, Federal Highway Administration, US Department of Transportation