도로터널의 제연설비에서 백레이어링 방지를 위한 임계풍속 계산

임계풍속에 대해 알아보자.

가. 임계풍속(Critical Velocity)이란

임계풍속에 대한 정의는 도로터널의 화재안전기준(NFSC 603)에서는 정의하지 않고, 도로터널 방재·환기시설 설치 및 관리지침 1.3 용어의 정의 (78)에서 언급하고 있다. 임계풍속이란 화재 시 성층화를 유지하면서 열(연)기류의 역류현상을 억제하기 위한 최소한의 풍속을 말한다. 여기서의 포인트는 열기와 연기의 역류현상이 발생하지 않도록 하기 위한 풍속이라는 것이다.

 

나. 연기의 성층화 유지가 필요하다.

여기서 ‘성층화’란 화재연기가 온도차에 의한 부력에 의해 터널 상부에서 열기류층과 연기층을 형성하는 현상을 말한다. 즉 열기류와 연기가 천장으로 쌓이면서 청

결층(Clear Layer)을 유지하면서 이동하는 층류 이동을 생각하면 된다. 성층화는 시야확보와 호흡 등 피난에 있어 매우 중요한 역할을 한다.

터널에서 임계풍속이 필요한 이유

가. 터널 내부에서 연기의 움직임

화재로 인해 발생한 연기는 부력에 의해 천장으로 올라갔다가 천장에 부딪히며 터널의 경사 방향을 따라 움직인다. 그런데 연기를 제어할 때 터널의 경사방향으로 제어하는 방법도 있지만 차량의 흐름방향으로 제어해 주어야 피해를 최소화할 수 있다. 기본적으로 터널 내부에서 바람의 움직임은 차량의 진행방향에 따라 흐르기 때문이다.

 

나. 백레이어링(Back Layering)이 일어나는 것을 방지해야 한다.

차량 화재로 인해 발생한 열기와 연기는 부력으로 상승하여 천장에 부딪쳐 흐르게 된다. 그런데 제트팬에서 불어주는 바람에 의한 흐름에도 불구하고 차량의 진행방향이 아닌 반대 방향으로 열기와 연기가 움직이게 되는 현상을 백레이어링 현상(Back Layering Effect) 이라고 한다. 이렇게 백레이어링 현상이 발생하면 대형 인명피해로 이어지게 된다. 화재 차량의 앞쪽은 터널 내 막힘이 없으므로 계속 진행하지만, 화재 차량의 후면은 화재 차량 때문에 더 이상 전진하지 못하는 경우가 생긴다. 따라서 피난에 막대한 장애요인이 되기 때문에 진행방향의 반대쪽으로 열기와 연기가 움직여서는 안되는 것이다.

 

다. 결국 임계풍속을 형성하는 목적은

임계풍속은 차량화재에서 발생한 화열과 연기가 차량의 진행방향이 아닌 반대 방향으로 퍼져나가는 백레이어링 현상을 막기 위한 풍속을 의미한다. 연기가 화재 차량의 뒤쪽으로 이동하려고 하는 속도보다 터널 내 진행방향으로의 바람 속도를 더 증가시키는 것이다. 그럼으로써 화재 차량 뒤편에 정차된 차량들과 사람들이 안전하게 피난할 수 있도록 청결공간을 형성함으로서 대피 시간을 벌어주려는 것이 주목적이라 하겠다.

임계풍속 계산 공식

가. 임계풍속 계산공식은 어디에서 찾아볼 수 있는가?

도로터널 방재시설 설치 및 관리지침 6.1.2 화재발생시 환기계획을 참고하면 된다. 이 지침에서는 (1) 화재단계, (2) 화재강도, (3) 터널 내 임계풍속, (4) 제연설비 설치계획, (5) 피난, 대피시설이 미흡한 터널의 제연설비 설치계획이 규정되어 있다. 우리나라의 경우 터널의 임계풍속 계산공식은 Tetzner가 제시한 임계풍속 계산식과 보정계수(β)를 고려하여 적용한다. 그리고 최종적으로는 CFD 시뮬레이션(Computational Fluid Dynamics Simulation)을 통해서 결정한다.

 

나. 임계풍속의 계산 공식

① 임계풍속 계산은 다음의 식(6.1), 식(6.2)로 계산하며, 보정계수(β)는 설계자가 수치시뮬레이션 등을 수행하여 신뢰성을 검증한 후에 적용함을 원칙으로 한다.

 

임계풍속 계산식

Vrc : 임계풍속(m/s),  Kg : 터널경사 보정계수,  Frc : 임계 Froude 수(4.5)

g : 중력가속도(9.8m/s2),  H : 화점에서 터널 천장까지의 높이(혹은 대표직경)

Q : 화재강도(MW),  β : 보정계수,  ρ0 : 초기 공기밀도(kg/㎥),  T0 : 초기 공기온도(K)

Cp : 정압 비열(J/Kg·K),  Ar : 터널 단면적(㎡),  Tf ; 화점온도(K)

 

② 터널 경사에 따른 보정계수(Kg)는 다음 식으로 계산한다.

 

터널 경사에 따른 보정계수 계산식

 

다. 결국, 실제 터널 모형으로 시뮬레이션을 실시해야 한다.

임계풍속은 계산공식에서 볼 수 있듯이 수많은 인자들에 의해 영향을 받는다. 화재강도, 터널의 단면적, 화원의 크기, 화점에서 터널 천장까지의 높이 외에도 수많은 요인들이 존재한다. 그러므로 단순히 계산공식에 의해 연기의 유동을 예측하고 임계풍속을 결정하는 것은 사실상 정확하지 않다. 따라서 CFD 시뮬레이션을 수행하여 검증이 필요한 것이다.

 

라. 보정계수의 적용

보정계수(β)는 설계자가 수치시뮬레이션 등을 수행하여 신뢰성을 검증한 후에 적용하는 것을 원칙으로 한다. 그러므로 터널 형상으로 축소모형을 제작하여 시뮬레이션을 실행하여야 한다. 보정계수는 도로터널 제연설비의 설계기준 동향(설비저널 2005년 3월호, 유지오)에 따르면, Tetzner는 보정계수로 0.25, 0.5, 0.75를 사용한다.

 

마. 보정계수(β)는 0.5에서 가장 근접하고 있다.

도로터널 제연설비의 설계기준 동향(설비저널 2005년 3월호, 유지오)에서는 화재강도를 20MW와 50MW로 구분해서 실험 데이터를 비교하였다. 그런데 우리나라의 터널 제연설비를 적용할 때에는 화재강도 20MW에 연기발생률 80㎥/s를 적용하므로, 20MW의 화재강도로 실험했던 결과치를 참조해 보자. 보정계수(β)를 0.25로 적용할 때 화재강도 20MW 범위에서는 약 10% 정도 과대평가되고, 0.75를 적용할 때에는 약간 과소평가되는 결과가 나타나, 0.5를 적용했을 때 가장 근접하는 결과치를 나타내는 것으로 설명하고 있다.

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