고속도로 제연용 제트팬 설치기준 개선 방향 검토

집중기획

유 지 오 신흥대학 건축설비설계과 교수 [email protected]

개 요

도로 터널에는 운행 중인 차량에서 발생하는 유해가스를 희석 처 리하여 허용농도로 유지하기 위한 환기목적과 화재 시 연기의 제연을 수행하여 역류를 방지하고 대피자의 안전을 확보하기 위한 목적으로 제트팬을 설치하고 있으며, 소요 제트팬 대수는 환기목적과 제연목적 을 동시에 달성할 수 있도록 환기용 필요대수와 제연용 필요대수를 산 정하여 이 중에 큰 것으로 산정한다. 과거에는 대부분의 터널에서 환기 용 제트팬 대수가 제연용 제트팬 대수를 상회하여 화재 시 제트팬 대 수에 부족현상이 발생할 우려가 적었다.

그러나, 최근 환기기준 개정에 따라 환기목적의 제트팬 소요대수가 급격하게 감소하고 있는 실정으로 터널 연장이 3~4 km 정도의 터널 에서는 제연용 제트팬 대수에 의해서 터널 내 제트팬 대수가 결정되는 경향을 보이고 있다. 따라서 비상시에 대응하기 위한 제연용 제트팬 대

고속도로 제연용 제트팬 설치기준 개선 방향 검토

현재 소정의 터널방재등급에 해당하는 터널에는 방재

용 제트팬을 설치하여 화재 시 제연을 수행하도록 하

고 있다. 본 원고에서는 방재용 제트팬 설치현황 및 용

량산정기준에 대해서 분석하고 현재의 산정방법에서

고려하지 않고 있는 화재 시 차량정체 길이, 교통환기

력 계산을 위한 차량의 항력계수 산정과 열부력에 대

해서 검토한 결과를 소개하고 향후 개선 방향을 제시

하고자 한다.

수 산정에 보다 신중을 기할 필요가 있으며, 현행 기준에 대한 신뢰성 확보를 위한 검토가 필요한 실정이다.

제연용 제트팬은 소방방재청의 「도로 터널 화 재안전기준」 및 국토해양부 「도로 터널의 방재시 설 설치 및 관리지침」에 근거하여 화재 시 제트팬 소손을 고려하여 예비용 제트팬을 설치하도록 하 고 있으나, 예비용 제트팬 산정방법이 명확하지 않으며, 소방 관련법에서는 사양기준에 의해서 일괄적으로 설치하도록 하고 있어 제연팬의 과다 설치 요인으로 작용하고 있다.

고속도로 터널 제트팬 설치현황

2012년 현재 고속도로 터널에서 연장별 제트 팬 설치 현황은 표 1과 같다. 제트팬이 설치된 터 널은 85개소이며, 총 1,311대의 제트팬이 설치되 어 있다. 1 km 미만의 터널 10개소에 133대의 제 트팬이 설치되어 있어, 터널 개소당 평균은 13.3 대/개소이며, 1~2 km 터널은 55개소로 746대 의 팬이 설치되어 있어 터널 개소당 13.6대/개소, 2~3 km의 터널은 13개소로 제트팬 229대의 팬 이 설치되어 터널 개소당 17.6대/개소, 3 km 이상 의 터널은 7개소로 제트팬 203대가 설치되어 있 어 터널 개소당 29대/개소의 제트팬이 설치가 된 것으로 조사되었다.

따라서 터널 연장이 증가하면 터널 개소당 제

트팬의 설치대 수는 급격히 증가하는 경향을 보 이고 있으며, 2 km 이내의 터널에서는 방재용 제 트팬은 약 10대 전후로 설치되었고, 연장 2~3 km 까지는 약 15대 내외, 3 km 이상의 연장에서는 20~30여 대가 설치된 것으로 조사되고 있다.

국내 및 국외 제트팬 설치기준 분석

제연용 제트팬 설치기준 및 설계인자 도출을 위해서 유럽 및 미국, 일본의 터널방재관련 기준 상에 제연용 제트팬 관련 기준에 대해서 조사하 였으며, 이를 요약 정리하면 표 2와 같다.

ㅇ 프랑스 : 제연팬 수량 산정방법에 대한 구 체적인 언급은 없으나, 연장이 800 m 이상인 터널 에서는 제트팬 수량 산정 시 고온의 공기환경에서 팬 성능 감소 및 소손을 고려하고 있다. 특히, 화재 로 인한 소손을 고려하여 여러 그룹으로 분산배치 하는 방식을 채택하고 있는 특징이 있다.

ㅇ 스위스 : 제트팬 대수 산정 방법을 명시하 고 있으며, 제트팬 수량 산정을 위해 제작사에서 제시하는 기초 자료를 토대로 결정할 수 있도록 하고 있다. 제트팬 토출풍속을 33 m/s를 적용하 고 제트팬간 이격거리는 최소 100 m로 하고 있으 며, 제트팬과 터널 갱구부 사이의 거리는 80 m를 유지하여야 하도록 하고 있다.

ㅇ 독일 : 내열성능만을 언급하고 있으며, 제 트팬 설치간격이 짧거나 화재 강도가 30 MW 이

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<표 1> 제연 제트팬 설치현황

연장 터널수 제트팬 설치대수(A+B) 환기방재용 대수(A) 예비용 대수(B)

1 k m미만 10 133 101 32

1~2 km 55 746 602 144

2~3 km 13 229 197 32

3 km이상 7 203 191 12

계 85 1,311 1,091 220

<표 2> 각국의 제연용 제트팬 설치기준

국가 방재용 제트팬 산정 방법의 특이사항

프랑스

ㅇ 내열한도 : 200℃, 2시간 ㅇ 안전율 (요구승압력에 대한 안전율) - 800 m 이하는 30% 증가 - 500 m 이하는 50% 증가

ㅇ 800 m 이상의 터널에서는 열부력에 의한 환기저항 고려

영국

ㅇ 환기 및 방재 설계 시 제트팬 소손분 고려

- 평상시 : 2대 또는 총수량의 10% 중 큰 수량을 고장에 대비하여 고려함.

- 화재 시 : 평상시 예비팬에 추가하여 다음 거리 범위 이내에 위치한 제트팬 수량은 소손분으로 고려함.

ㅇ 제트팬 적용 환기방식에서의 예비수량(Mount 하지 않은 예비수량) - 적정 예비용 수량은 설치된 전체수량의 5% 정도로, 최소 3대 적용 가능 ㅇ 제트팬 내열 한도 : 250℃-2 hr

독일

ㅇ 정체 길이

- 일방향 통행터널 : 3/4 L - 대면통행터널 : 1/2

ㅇ 250℃에서 90분 이상의 내구성

ㅇ 화재 발생 장소 근처에 위치한 Jet fan은 가동 안하며, 이러한 관점에서 환기기 용량을 산정한다.

미국 ㅇ 화재로 인한 팬 소손을 고려함, 구체적 내용 없음 ㅇ 내열한도 : 250℃, 1시간

노르웨이

ㅇ 내화조건 제시(2010년 기준에 추가) - 화재 규모에 따른 내화기준 제시

ㅇ 터널 등급에 따라서 화재 강도를 20, 50, 100 MW로 차등적용하며, 임계풍속 개념의 최소풍속을 제시하고 있으며, 2.0 m/s로 함.

ㅇ 터널 경사도, 자연풍에 의한 저항 및 화재 열부력에 의한 굴뚝효과를 고려한 방재용팬 용량 계산사례 제시 - 화원의 압력손실 : 10~20 Pa

- 굴뚝효과에 의한 압력손실은 50 Pa 이상 ㅇ 화재 강도에 따라서 팬의 내열 한도를 정하고 있음.

오스트리아

ㅇ 화재지점 근처의 제트팬이 내부온도 증가 시 밀도 감소에 따른 추력감소 고려 ㅇ 방재 설계 시 예비용 팬 고려(최소 1대 또는 일렬의 팬/환기기)

ㅇ평상시 열부력 및 화재 열부력 고려 -

∆P

⁼ (ρ

−ρ

)g·L

· S / 100

∆p = η

^· ρ

(1− T T

) ^g·L

^{· S} / 100

일본

ㅇ 소손을 고려한 예비팬 기준은 없음 ㅇ 화재 시 터널 내 차량수

-

n ⁼ NL

1000V

-

S ⁼ 5.7+0.14V

+0.0022V

V

현재 화재 시 차량에 의한 환기저항 계산에 중요한 인자인 등가 저항면적은 다음과 같다.

구 분

등가저항면적 산정기준 또는 식

비고

항력계수 등가저항면적

소형 대형 소형 대형

일본도로협회

동해설 0.59 1.09 1.36 7.75 한도공기준

(2002년) 일본도로 공단기준

(1996.3 )

^Am

0.8+ 41.9 +(1.67+ 1.67 )ø Ar Ar

(주)2006.4

^Am

0.64+ 8.84 +(3.97+ 107 )ø Ar Ar

도로설계편람 현행기준 (2012 현행) 일본도로협회

2008.10

^Am

0.78+ 9.1 +(4.21+ 137 )ø Ar Ar

상인 경우에는 400℃의 온도에서 90분 동안 견뎌 야 하는 것으로 정하고 있다.

ㅇ 오스트리아 : I~III 등급의 터널에 제트팬을 설치하며, 종방향 최소이격거리는 200 m 이상, 내열한도는 250℃의 온도에서 60분 이상 견딜 수 있어야 하는 것으로 하고 있다. 또한, 제연용 제트 팬 용량 산정 시 열부력에 의한 환기저항을 고려 하고 있으며 5 MW와 30 MW에 대해서 온도상승 및 열기류의 전파거리 등을 구체적으로 제시하고 있다.

ㅇ 노르웨이 : 제연용 제트팬 산정 시 열부력 을 고려하도록 하고 있으며, 화재 강도 및 터널 연 장 및 경사도에 따라서 열부력에 의한 환기저항 값을 제시하고 있으며, 열부력에 의한 환기저항 력은 최소 50 Pa 이상으로 고려하도록 정하고 있 다. 개별 또는 그룹으로 설치된 환기용 팬 사이의 공기유동이 안정적이고 균일하게 될 수 있도록 팬간 이격거리는 최소 70 m를 유지하도록 정하 고 있다. 비상구와 피난연락갱 등으로부터 최소 30 m 이상 이격하여 설치하고, 2대 또는 그 이상 의 팬을 동일 위치에 설치할 경우에는 효율 향상 을 위해 각 환기기의 중심축 간 간격은 임펠러 직 경의 2배 이내로 해야 한다고 규정하고 있다.

ㅇ 영국 : 제트팬의 내열한도를 450℃로 하며,

여분의 예비팬을 고려하도록 하고 있으며, 정상 조건에서는 2대의 팬 또는 팬 수량(인접한 팬 총 수량)의 10% 중에서 큰 수량을 반영하며, 화재 시 에는 제트팬이 소손되는 거리표에 의해서 평상시 예비용 수량과 합산하여 산정하도록 하고 있다.

ㅇ 미국 : 화재로 인한 제트팬의 소손을 고려 하여 여분의 팬을 반영하도록 하고 있으나 구체 적인 내용을 제시하지는 않고 있다. 내화성능과 관련하여 내열한도를 250℃의 온도에서 최소 1 시간 동안 작동 가능하도록 요구하고 있다. 또한, 비상시 환기시스템은 최초 기동 후 최대 180초 이내에서 정상작동상태에 도달하여야 하며, 역전 운전 시 90초 이내에 역방향으로 최대 성능을 발 휘하도록 하고 있다.

ㅇ 국내 : 국제 기준 또는 협의체별 권고 기준 에 비해 제트팬 산정, 설치방법 등은 상세히 기술 되어 있는 편이나, 화재로 인한 소손 또는 예비용 제트팬 산정에 대한 기준 내용은 보완돼야 할 사 항이다.

제트팬 산정 방법

터널 내 화재에 대비한 제연용 제트팬 용량은 터널제원과 관련하여서는 터널 연장, 터널단면

국가 방재용 제트팬 산정 방법의 특이사항

스위스

ㅇ 제트팬은 250℃의 온도에서 120분 동안 견딜 수 있어야 한다.

ㅇ 화재 시 온도상승 :

∆T ⁼ 11.9√Q

Q

∆T ⁼ 53.2˚C

Howden 기술자료

ㅇ 차량 투영면적 및 항력계수(WRA)

차 종 차길이 투영면적 항력계수

승용차 5 2 0.4

벤 7 3 or 5 1.0

버스 및 트럭 12 7 1.0

ㅇ 적용속도 :　5~10 km ㅇ shadow effect : 0.7 ㅇ 차간거리 : 1 m

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적, 경사도, 화재와 관련하여서는 화재 강도와 이 에 따른 임계풍속, 열부력, 유체역학적인 측면에 서는 벽면마찰손실, 입출구유동손실, 자연풍에 의한 환기저항, 교통류와 관련하여서는 터널 내 차량수 및 차량의 등가 저항면적 등에 영향을 받 는다.

제연용 제트팬은 전술한 인자를 고려하여 표 3에 나타낸 과정을 통해서 산정하고 있다.

제연용 제트팬 대수(N^J)는 유체역학이론에 의해서 벽면마찰저항, 차량에 의한 환기저항, 자 연환기저항, 제트팬 승압력을 고려하여 식(1)로 산정하고 있다.

N

⁼ ∆P

∆P

여기서,

∆P

⁼ K

· A A

· (1− U U

: 제연팬 1대당 승압력

∆P

⁼

D

: 터널벽면 마찰저항력

∆P

⁼

D

: 자연풍에 의한 저항력

∆P

⁼ L A

· ρ · n· U

: 교통저항력

ρ : 공기밀도(1.2 kg/㎥)

L

D

P (m)) K

U

U

U

A

A

A

n : 화재 시 터널 내 정체차량수(대)

제연 제트팬 용량 산정인자 검토

본 절에서는 각종 영향인자가 제연용 제트팬

계산단계 영향인자 및 설계기준

·설계화재 강도(화재 강도)의 선정 ⇦ · 20 MW(버스화재규모)

- 한도공, 도로 터널 방재시설설치 지침

↓

· 임계풍속 결정

- 한도공 설계기준(2002년): Kennedy식적용 - 국토부, 도로 터널방재시설 설치 및 관리지침

- Kenney식을 기준으로 Tetzner가 제시한 보정계수를 고려하여 계산

·시뮬레이션을 통한 임계풍속 검증

⇦ ·터널제원(경사도, 단면적)

·화점으로부터 터널최상부까지의 높이

↓

·환기기 용량 계산

- 임계풍속을 유지하기 위한 환기저항(자연환기력에 의한 환기 저항 + 터널벽면마찰저항 + 교통 환기저항) ≥ 제트팬 승압력

⇦

·벽면마찰저항 : 터널길이, 화재위치

·교통환기저항 : 화재 시 터널 내 정체 차량수, 터널차단시간

·자연 환기력(일반적으로 환기저항)

·제트팬 승압력 : 제트팬 설치효율

<표 3> 제연용 제트팬 용량 산정과정

대수에 미치는 영향을 검토하였으며, 다음과 같다.

설계화재 강도와 임계풍속

현재 “도로 터널 방재시설 설치 및 관리지침”

에 의거하여 설계화재 강도는 20 MW를 적용하고 있으며, 설계화재 강도의 증가는 임계풍속을 증 가시켜서 제연팬 대수를 증가하게 한다.

임계풍속은 터널 화재 시 대피안전을 확보하 기 위해서 성층화를 유지하면서 백레이어를 억 제할 수 있는 풍속으로 화재 강도와 터널 경사도, 높이, 단면형상에 영향을 받는다. 이에 대해 많은 연구가 수행됐으며, 현재는 정립단계로 볼 수 있 다. 국내의 경우, “도로 터널 방재시설 설치 및 관 리지침”에 임계풍속 산정방법을 정하고 있으며, 산정식에 의해서 산정된 임계풍속은 시뮬레이션 을 통해 검증하도록 하고 있다. 2차로 표준단면 에의 터널에 대한 임계풍속과 화재 강도의 관계 는 그림 1과 같다. 임계풍속은 화재 강도가 증가 하면 증가하는 경향으로 보이나, 화재 강도가 30 MW를 초과하면 임계풍속은 상임계풍속에 도달 하여, 화재 강도가 증가하여도 크게 증가하지 않 는 경향을 보이게 된다. 임계풍속의 증가는 벽면 마찰손실을 증가시키서 제연팬 대수를 증가시키 는 요인이 된다. 그림 2에서 임계풍속이 2 m/s에 서 3 m/s로 증가하는 경우, 제연팬 대수의 증가를 나타낸 것으로 연장에 따라서 1대(1000 m), 1대 (2000 m), 2대(3000 m), 3대(4000 m)정도 증가 하는 것으로 나타나고 있다. 이에 일반적인 터널 의 임계풍속 범위(2.3~2.7 m/s)에서 제트팬의 편 차는 1대 이하로 나타나고 있다. 따라서 설계강화 를 위해서 설계화재 강도를 30 MW로 하는 경우 에 제트팬의 증가는 1대 이하로 평가될 수 있다.

벽면 마찰저항

벽면마찰저항은 제연용 제트팬 산정 시 대표

적인 환기저항으로 벽면마찰계수에 영향을 받는 다. 벽면마찰계수의 증가는 기류유동에 대한 마 찰손실을 증가시켜서 제연용 제트팬 대수의 증가 를 초래하게 된다. 벽면마찰계수는 터널 내 기류 의 풍속에 따른 Re수와 터널벽체표면의 거칠기 에 영향을 받으며, 도로 터널의 경우, 그림 3에서 알 수 있는 바와 같이 풍속에 따른 Re수 및 거칠 기를 고려하면 0.015~ 0.025 정도의 범위에 있으 나, 터널 설계 시에는 0.025를 적용하고 있다. 벽 면마찰손실계수가 0.025에서 0.015로 감소하는 경우, 환기저항은 약 15% 정도 감소하게 된다.

교통 환기저항

교통 환기저항은 화재 시 터널 내에 정체되는

[그림 1] 화재 강도와 임계풍속 예시

[그림 2] 임계풍속에 따른 터널 연장별 벽면마찰손실의 영향

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차량대수 및 차량의 항력계수를 고려하여 계산하 고 있으며, 국내의 경우, 일본의 터널설계요령에 근거하여 2004년에 개정된 한국도로공사의 “고 속도로 환기시설 설계기준”에 제시된 값을 적용 하였으나, 2011년 “도로설계 편람 터널편”을 개 정하면서 2006년에 개정된 일본의 터널설계요령 에 제시된 등가저항면적으로 적용하여 산정하고 있다.

그러나 본 기준은 차량이 정상적으로 주행하 는 상태에서 환기를 위한 기류를 형성하는 경우, 차량에 의한 승압력을 계산하기 위한 것으로 화 재 시와 같이 차량이 정체되는 경우에는 차두간 격이 짧기 때문에 제연용 제트팬 산정에 적용성 을 재평가할 필요가 있는 것으로 사료된다. 또한, 자량의 등가저항면적은 전술한 바와 같이 2006년 에 일본의 터널설계요령에 제시된 데이터를 적용 하고 있기 때문에 차량의 개량에 따른 항력계수 의 감소 및 차량의 투영면적의 시대적·기술적 변화를 반영하지 못하는 것으로 사료된다.

이에 본 절에서는 한국도로공사의 연구용역

에 의해서 연구된 결과를 소개한다.

□ 화재 시 정체차량수 및 정체 길이

현재 제연용 제트팬 검토를 위해서 터널 내 에 정체할 것으로 예상되는 차량수는 “도로 터널 방재시설 설치 및 관리지침”에 근거하여 식(2) 와 같이 계산하고 있다. 이 식은 화재 전 주행 속 에 따른 시간교통량(N)을 근거로 한 식으로 좌변 의 첫째항은 화재 시 터널에 이미 진입하여 운행 중인 차량수이며, 둘째 항은 화재로 인해서 터널 을 차단하기 전에 터널에 진입하는 차량수이다.

화재가 발생하는 경우, 터널차단시간을 화재 후 3 분으로 하기 때문에 시간교통량에 대해서 3/60을 고려한 것이다.

n ⁼ N· L +N· 3 V

여기서,

N : 화재 전 주행속도에서 시간교통량(대/hr)

δ(mm) 시 공 방 법

0.01～0.05 미끈한 시공 (시험실 값)

0.1～0.2 기름이 도포한 금속거푸집으로 시공한 경우.

결이 없이 시공한 시멘트 모르타르, 뿜칠 콘크리트

0.2～0.3 손재질이 잘된 금속 틀

0.2～0.8 대패질한 목재거푸집으로 가로세로에 결이 나있는 것.시멘트 모르타르

0.8～2

대패질 하지 않은 목재거푸집으로 가로세로에 결이 있는 것.

결이 거친 시멘트벽 2～10 매우 거친 면 [그림 3] 벽체의 종류에 따른 벽면마찰계수

이다.

식(2)는 정체되는 차량의 차두간격을 고려하 지 않은 것으로 중규모터널(500 ~1,000 m)에서 는 전술한 산정식에 의해서 구해진 차량수에 의 한 정체 길이가 터널 연장을 초과할 가능성이 있 는 것으로 예상된다.

이에, 한국도로공사의 방재시설 설치기준을 위한 연구에 의하면 정체차량 대수 및 정체 길이 를 식(3)과 같이 제시하고 있다.

정체 길이(LJam)는 식으로 구한다.

L

=

L

여기서,

Lane : 차로수 CL

L

차량의 평균길이는 차종별 차량길이(CLⁱ)와 혼입율(

φ

CL

= ∑ CL

· ø

i=차종 (4)

차간간격(L^TH)은 차량의 후미부와 전두부 간 의 거리로 정체시 밀도(

D

L

=

D

여기서,

CL

L

전술한 개념 및 표 4의 제원을 적용하여 터널 연장별(500~1500 m) 차량정체 길이를 계산하면 그림 4와 같다.

그림 4는 화재 전 주행속도가 10, 60 km/h일 때 터널 연장에 따른 정체 길이를 나타낸 것이 다. 그림에서 정체차량수 산정식에 의해서 계산 된 차량수를 적용하는 경우, 정체 길이는 화재 전 주행속도가 10 km/h인 경우에는 터널 연장이 약 1,500 m까지 터널 연장을 초과하며, 화재 전 주 행속도가 60 km/h일 경우에는 터널 연장이 약

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<표 4> 검토대상 차량수 및 제원

차종 승용차 버스 트럭

소형 대형 소형 중형 대형 특수 합계

차량수 30,066 3,069 3,098 211 5,475 1,489 866 44,274

혼입율 67.91 6.93 7.00 0.48 12.37 3.36 1.96 100

차량길이 4.34 4.5 10.77 4.52 6.1 8.74 18.31

CL

1,000 m일 때까지 터널 연장을 초과하는 것으로 나타나고 있다.

따라서 정체 길이가 터널 연장을 초과하는 경 우에는 초과된 거리에 정차한 차량은 터널 내 환 기류와 무관하기 때문에 터널밖에 정지할 것으로 예상되는 차량수는 제트팬 용량 산정으로 위한 차량수에서 제외하여야 한다.

이를 고려하는 경우, 터널 연장이 800 m까지 는 약 1대의 제연용 제트팬 감소가 있는 것으로 나타나고 있다.

□ 차량항력 계수 및 등가 저항면적 검토 차량에 의한 교통환기력 또는 저항력은 차량 의 항력(drag force)에 영향을 받으며, 터널에서 차량의 항력은 대기중에서보다 항력이 증가하 게 되는데, 이를 폐색효과(blockage effect)라 한 다. 또한, 차량이 정체되거나 정지하게 되는 터널 내 화재상황에서는 선두차량에 의한 후류의 영 향으로 차량 1대가 받는 항력보다 작은 항력이 작용하게 되는데, 이를 슬립스트리밍 효과(slip streaming effect 또는 shadow effect)라 한다.

따라서 터널 내 차량에 의한 교통 환기력이나 환기저항력을 계산에서는 blockage effect에 의 한 차량항력계수의 증가 효과와 shadow effect에 의한 감소 효과를 고려하여야 한다.

일반적으로 터널 내 풍속이 U^r(m/s)이라고 한다면, 터널 운행 중이거나 정지해있는 차량이 받는 항력은 식(6)으로 계산될 수 있다.

∆p ⁼ C

U

ρ

여기서, 대기 중의 차량의 항력계수(C^D0)라고 하면, 터널 내 차량의 항력계수(C^D)는 식(7)로 표 현할 수 있다.

C

=

C

여기서,

α : shadow effect β : blockage effect 이다.

따라서, 일반적인 터널 내 n대의 정체된 차량 의 저항력(

∆P)은 식(8)과 같이 나타낼 수 있다.

∆P ⁼

n A A

여기서,

C

A

V

A

이다.

따라서 터널과 같은 밀폐공간 내에서 항력은 폐색 효과에 의해서 일반도로에서 차량의 항력보 다 증가하는 효과와 선두차량의 후류에 의한 슬 립스트리밍 효과로 이하여 항력이 감소하는 효과 가 동시에 발생하게 된다.

이에 대한 다수의 연구가 있으며, Glerum(1991) 은 일정 간격을 유지한 차량행렬의 전체 항력은 개 별 차량항력 합의 최대 50%에 불과하다고 보고하 고 있으며 PIARC는 1995년도 권고기준에서 혼잡 교통 또는 정체상황인 경우 슬립스트리밍 효과에 의한 영향을 고려할 필요가 있으며, 차속 10 km/

h 이하에서는 정상운행 시보다 항력계수의 감소 율이 최대 30%에 달할 수 있다고 밝히고 있다.

따라서 차간거리가 매우 짧을 수밖에 없는 화 재 시에는 전술한 효과가 보다 더 크게 나타날 것 으로 예측할 수 있다.

Ohashi가 터널 내 교통환기력을 구하기 위한 연구에서 인용한 슬립스트리밍 효과 및 폐색률에 대한 상세내용을 소개하면 다음과 같다.

○슬립스트리밍 효과(slip stream effect or shadow effect) :

α

=

L

/D

α

=

L

/D

/D

○폐색효과(Blockage Effect) β

=

/A

L

D

A

A

또한, 등가 저항면적은 다음과 같이 정의하고 있다.

A

=

A

A

위의 분석내용에 의하면 슬립스트리밍 효과 가 발생하지 않으려 차량의 평균등가직경을 2 m 로 가정할 때 차간거리는 2×16.75=33.5 m 정도 가 되어야 한다.

화재 시 차간거리를 2.5 m 정도로 가정하면

L

D

또한, 차량항력계수(C^D)는 표면마찰항력을 고려하지 않은 형상항력계수를 의미하며 PIARC (1995) 보고서에서는 승용차(A^V=2 ㎡) 및 트럭 (A^V=7 ㎡)의 터널 내 항력계수를 각각 0.4 및 1.0

으로 제안하고 있다.

일본의 경우, Ohashi가 인용한 항력계수는 소형 0.32, 대형 0.63을 제시하고 있으며, 국내연 구로 유가 수치해석 및 모형실험을 통해서 소형 0.374, 대형 0.671을 제시하고 있다(표 5). 또한, 이창우는 서비스수준에 따라 교통밀도차가 발생 하여 차간거리가 변하며, 이에 따라서 항력계수 도 변하는 것으로 발표하고 있다(표 6).

표 6은 서비스수준 A를 기준으로 할 때 서 비스수준 변화에 따른 항력계수의 감소율을 나 타낸 것이다. 서비스수준이 LOS D 수준이 되면 25~39%의 항력계수가 감소하는 것으로 보고되 고 있다. 즉, 교통흐름이 좋고 차간거리가 먼 경우 인 월활시(LOS A)에 비해 교통밀도가 높고 차간 거리가 좁은 정체시(LOS D~E)가 되면 항력계수 가 감소함을 의미한다.

한국도로공사의 “도로 터널 제연용 제트팬 산정기준 개선연구”에서는 시뮬레이션을 통하 여 차종별 항력계수를 검토하였으며(표 7), 등가 저항면적은 현행 도로설계편람기준에 대비 약 86%, 또한, 구기준인 한국도로공사 환기설계기 준 대비 62.2% 수준으로 감소하는 것으로 분석되 었 다. 그림 5는 검토된 등가저항면적을 적용하는 경우 교통환기력을 나타낸 것이다.

또한, 등가 저항면적 감소로 인한 제연용 제 트팬 대수의 감소 영향을 검토한 결과, 화재 전 주 행속도에 따라서 제연팬 감소대수가 다르게 나타 나고 있다. 본 검토에서는 화재 전 주행속도가 10 km/h일 때, 약 1대의 감소가 있는 것으로 평가되 었으며, 화재 시 정체차량수가 상대적으로 많은 장대 터널 일수록 감소 폭이 커지는 것으로 평가 되었다.

자연 환기력에 의한 환기저항

현행 제연용 제트팬 산정기준에서 자연환기

집 중

집중기획기 획

력은 외부 자연풍이 2.5 m/s로 역풍으로 흐르는 것으로 가정하여 산정하도록 하고 있으며, 이 값 에는 열부력에 의한 환기저항을 포함하는 것으로 볼 수 있다.

그러나 이 값은 현재 터널 연장에 관계없이 일 괄적으로 적용함으로써 터널 연장이 긴 경우에는 환기저항이 과도해질 우려가 있으며, 특히, 터널 이 상향경사의 경우에는 열부력이 환기력으로 작 용하기 때문에 일괄적으로 환기저항풍의 풍속을 2.5 m/s 하는 것은 불합리한 것으로 평가된다. 이 에 대한 연구로 김의 연구가 있으며, 본 고에서는 이는 생략한다.

화재에 따른 열부력

일반적으로 터널 화재 시 열부력은 식(9)로 표현될 수 있다.

∆p = (ρ

ρ

∆H

여기서,

ρ

ρ

∆H : 부력이 작용하는 고도차(m)이다.

열부력을 예측하기 위해서는 식(9)에서 제시 된 바와 같이 화재구역의 공기밀도와 부력이 작 용하는 높이(∆H)를 알아야 한다.

노르웨이(NRTD, 2010)의 경우, 화재 강도 및 터널 경사도별로 열부력을 그래프로 제시하

<표 5> 항력계수에 대한 적용사례

<표 6> 서비스 수준에 따른 항력계수의 변화(이창우, 2006)

[그림 5] 터널 연장별 교통환기력 검토

※ WRA의 기준을 인용한 하우덴의 계산서에는 WRA 항력계수의 70%적용

적용예 항력계수 투영면적

일본 고속도로 소형 대형 소형 대형

0.32 0.63 2.3 7.2

능동터널 환기방재보고서

소형 대형 소형 대형

0.374 0.671

WRA 승용차 벤 버스트럭 승용차 벤 버스트럭

0.4 1.0 1.0 2 3~5 7

터널형태 차량 서비스수준

A B C D

도심2 차로

소형 1.00 0.93 0.84 0.68 대형 1.00 0.84 0.78 0.67 고속2

차로

소형 1.00 0.85 0.73 0.64 대형 1.00 0.97 0.92 0.75 고속3

차로

소형 1.00 0.85 0.77 0.67 대형 1.00 0.94 0.90 0.73 고속4

차로

소형 1.00 0.72 0.74 0.65 대형 1.00 0.89 0.79 0.61

여 적용하도록 하고 있으며, 화원에서 압력손실 은 최소 10~20 Pa을 고려하고 열부력에 의한 압 력저항은 50 Pa 이상을 고려하고 있다. 스위스 (FDETEC, 2008)의 경우, 메모리얼(Memorial) 터널의 실험결과를 근거로 하여 화재로 인한 온 도상승(

∆T)를 식(10)으로 고려하고 있다. 이

∆T = 11.9√ Q : Q : 화재 강도(MW)

오스트리아(ARARRT, 2008)의 경우, 제연팬 용량 산정 시 열부력을 식(11)로 고려하고 있다.

∆p ⁼ η

· ρ

T

· Slop/100

여기서,

L

η

T

T

L

Slop : 경사도(%)이며,

화재구간 거리등은 화재 강도에 따라서 표 8 과 같이 적용한다.

이 경우, 30 MW의 화재에서 열부력에 의한 저항은 경사도에 따라서, 1%에서는 9.4 Pa, 1.5%

에서는 14.1 Pa, 2%에서는 17.8 Pa로 분석된다.

집 중

집중기획기 획

<표 7> 화재 시 차량 등가저항면적

구 분

등가저항면적 산정기준 또는 식

혼입률 등가저항면적 비고

항력계수 등가저항면적

소형 대형 소형 대형

한도공기준

(2002년) 0.59 1.09 1.36 7.75

20 2.638

25 2.958

30 3.277

35 3.597

40 3.916

일본도로공단

기준

A

=

A

A

20 2.641

평성 8년

25 2.962

30 3.283

35 3.603

40 3.924

도로설계편람 현행기준

(2012현행)

A

⁼

A

A

20 1.837

평성 18년

25 2.107

30 2.377

35 2.647

40 2.917

개선(안)

0.292 0.737 0.675 5.24

20(20.6) 1.588(1.651)

( )는 실제 CFD조건 25(24.7) 1.816(1.839)

30(29.5) 2.044(2.000)

A

=

A

A

35(35.2) 2.272(2.262) 40(40.0) 2.501(2.488)

프랑스(CETU, 2002)의 경우에는 열부력을 시간 지연과 함께 검토하고 있으며, 열기류의 온 도상승으로 인한 팬효율 감소 및 열소손을 고려 하도록 하고 있다. 또한, N. Harvey(2009)는 1D 해석프로그램에 의해서 연장이 2 km이고 단면적 이 72.4 ㎡인 터널에서 화재 강도가 70, 200 MW 일 때 열부력에 의한 압력과 풍속을 예측하고 있 으며, 이를 근거로 화재 강도가 20 MW일 때 열 부력을 단순보간하여 개략적으로 계산하여 경사 도가 0~3%일 때 12~58Pa로 예측하였다. 또한, Harvey의 연구에 의하면 제트팬 통과온도의 증 가로 인한 공기밀도 감소에 따른 제트팬 승압효 율은 100℃에서는 약 75%, 200℃에서는 약 55%

수준으로 감소하는 것으로 보고하고 있다. 따라 서 제연팬 산정 시에는 열부력에 의한 환기저항 뿐만 아니라 통과온도의 상승으로 인한 승압 효 율의 감소를 고려하여야 할 것으로 분석된다.

본 원고에서는 한국도로공사의 도로 터널 제 연용 제트팬 산정기준 개선연구 및 유 등에 의해 서 발표된 열부력이 제트팬 산정에 미치는 영향 검토 결과를 소개한다.

그림 6은 화재 강도가 20 MW와 100 MW일 때 터널 연장 및 경사도에 따른 열부력과 교통환기 력의 관계를 나타낸 것이다. 그림에서 예상되는 바와 같이 경사도가 증가할수록 열부력이 증가하 여, 최대 교통환기력을 초과하게 되어 제연팬 용 량이 부족현상이 발생하게 되며, 특히, 설계화재 강도를 100 MW로 하는 경우에는 열부력이 최대

교통 환기저항을 초과하여 제연팬 용량 부족현상 이 보다 크게 발생하게 됨을 알 수 있다.

표 9는 터널 내 풍속을 2.5 m/s로 하는 경우에 화재 강도 및 경사도에 따른 제트팬 대수를 나타 낸 것이다. 주행속도에 따른 제연용 제트팬 대수 는 주행속도가 감소하면 증가하는 경향을 보이기 때문에 현행 한국도로공사의 환기 및 제연용 설 계속도 기준에 따라 제연용 제트팬 대수가 최대 가 되는 10 km/h와 최소가 되는 40 km/h에 대해 서 비교·검토하였다.

화재 강도가 20 MW인 경우에 열부력에 의한 제트팬 댓수의 증가는 본 연구범위에서는 1~2대 정도로 나타나고 있으며, 화재 강도를 100 MW로 하는 경우에는 열부력에 의한 압력손실의 증가로 인한 제연용 제트팬 댓수 증가는 연장이 증가할 수록 경사도가 증가할수록 증가하는 것으로 나타 나고 있으며, 본 연구 범위에서는 2~11대의 증가 가 요구되는 것으로 나타나고 있다.

이상의 검토에서 제트팬 대수 산정 시 열부력 이 미치는 영향은 반드시 검토되어야 하며, 특히, 설계화재 강도를 증가시켜 100 MW로 하는 경우 에는 터널 연장이 3200 m 이상인 경우에는 열부 력에 의한 저항 증가로 인해 20 MW의 경우보다 약 2배 정도의 제트팬 대수가 증가되는 것으로 나 타나고 있다.

맺음말

도로 터널에는 화재에 대비하여 제연용 제트 팬을 설치하고 있으며, 제트팬은 고속도로 및 국 도 터널의 거의 90% 이상을 차지하는 일 방향 터 널에서는 화재 시 대피 환경을 확보하기 위한 가 장 중요한 수단으로 여겨지고 있다. 그러나 최근 환기량의 감소로 인해서 환기용 제트팬 대수가 급감하여 제연용 제트팬 용량이 터널 환기기 용

<표 8> Coefficients of calculating

구 분 5 MW 30 MW

온도상승

∆

t

종류식 25℃ 65℃

횡류 또는 대배기구 20℃ 40℃

화재구간의 거리(

L

η

집 중

집중기획기 획

량을 결정하는 추세로 제연용 제트팬 대수 결정 에 보다 신중을 기하고 신뢰성을 확보할 필요성 이 증가하게 되었다.

이에 본 원고에서는 제연용 제트팬 용량 산정 을 위한 설계인자에 대해서 최근 기술 동향을 소 개하였으며, 특히, 교통환기력에 영향을 미치는 화재 시 터널 내 정체 차량수 및 등가 저항면적과 열부력이 제연용 제트팬 대수 산정이 미치는 영

향을 자세하게 소개하였다.

참고문헌

1. 국토해양부, 2009, 도로터널 방재시설 설치 및 관리지침, 국토해양부

2. 한국도로공사, 2004, 죽령터널 제연성능 검토 용역, 범창종합기술, 서울

< 표 9> 열부력을 고려하는 경우 제트팬 대수 비교

Veh.Speed (km/h)

Tunnel Length (m)

Number of Jet Fan

NotConsidered thermal buoyance

force (Hrr=20 MW)

Considered thermal buoyance force

Hrr=20 MW Hrr=100 MW

S1.0% S1.5% S2.0% S1.0% S1.5% S2.0%

10

300 2 2(0) 3(+1) 3(+1) 4(+2) 5(+3) 6(+4)

550 3 3(0) 3(0) 4(+1) 5(+2) 7(+4) 8(+5)

800 3 3(0) 4(+1) 5(+2) 6(+3) 8(+5) 10(+7)

1300 5 5(0) 5(0) 6(+1) 8(+3) 10(+5) 12(+7)

1800 6 6(0) 6(0) 7(+1) 10(+4) 12(+6) 15(+9)

3200 9 9(0) 9(0) 9 12(+3) 16(+7) 19(+10)

40

300 2 2(0) 3(+1) 3(+1) 4(+2) 5(+3) 6(+4)

550 3 3(0) 3(0) 4(+1) 5(+2) 7(+4) 8(+5)

800 3 3(0) 4(+1) 5(+2) 6(+3) 8(+5) 10(+7)

1300 5 5(0) 5(0) 6(+1) 8(+3) 10(+5) 12(+7)

1800 5 5(0) 6(+1) 7(+2) 10(+5) 12(+7) 15(+10)

3200 8 8(0) 8(0) 9(+1) 12(+4) 16(+8) 19(+11)

(a) Hrr = 20 MW

[그림 6] 열부력과 교통 환기저항

(b) Hrr=100 MW

3. 소방방재청, 2012, 도로터널의 화재안전기준 (NFSC 603), 소방방재청

4. The Norwegian Road and Transport Department, 2010, Road Tunnels(Handbooks) 5. Federal Department of Environment, Transport, Energy and Communications, 2008, Luftung der Strassentunnel - Systemwahl, Dimensionierung und Ausstattung, ASTRA 13001

6. Austrian Research Association for Roads, Rail and Transport(FSV), 2008, Guidelines and Regulations for Road Construction(RVS 09.02.31)

7. CETU(Centre D’etudes des Tunnels), 2000, Inter-ministry circular n°2000-63 of 25 August 2000 relating to the safety of tunnels in the national highways network(Appendix n°2)

8. N harvey, T Fuster, 2009, Design fire heat release rate selection – impacts for road tunnels, ISAVVT 13rd, USA, BHR Group, Vol.1, pp.211-223.

9. FGSV(Forschungs Gesellschaft fuer Strassen- und Verkehrswesen) workgroup of traffic management and road safety, 2006, RABT Guidelines for the Equipment and Operation of Road Tunnels

10. 유지오, 신현준, 2013, “도로터널 화재시 열부 력이 제연용 젯트팬 댓수에 미치는 영향에 대한 해석적 연구”, 터널공학회 논문집, 제 15 권, 제 3 호, pp.301~310

11. 한국도로공사, 2012, 도로터널 제연용 제트팬 산정기준 개선연구 최종연구보고서, 한국도로공 사, 서울