KR101867727B1 - 모형 터널내 벽면조도 생성 실험장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 모형 터널내 벽면조도 생성 실험장치에 대한 것이다. 보다 상세하게는 본 발명은 판형이며 실제터널내 벽면 조도를 모사한 벽면조도등가형상이 일측 끝단면에 형성된 조도재현판; 상기 조도재현판의 타측 끝부분 양면을 압착하여 고정하는 조도재현판홀더; 원형봉형상이며 상기 조도재현판홀더의 양측길이보다 더 길고, 상기 조도재현판홀더의 타측에, 상기 조도재현판과 나란하게 고정되는 홀더회전축막대; 네 개의 지지다리를 상기 지지다리 사이를 연결하는 연결부를 갖고 상판이 없는 테이블 형상이며, 회전축구멍이 형성된 두 개의 회전축지지판이 서로 마주보도록 상기 지지다리 사이에 배치되는 상부고정프레임; 판형이며 상기 상부고정프레임 하부에 배치되되 상기 지지다리가 고정되는 하부고정프레임; 및 상기 모형터널내 벽면이 위를 향하도록 거치되고 상기 하부고정프레임의 상면에 고정되는 터널모형하부고정지지대를 포함하며, 상기 조도재현판과 상기 홀더회전축막대는 상기 조도재현판홀더에 고정되고, 상기 홀더회전축막대의 길이방향 양측 끝부분은 상기 회전축구멍에 삽입되어 상기 회전축지지판에 걸침되고, 상기 모형터널이 상기 터널모형하부고정지지대에 거치되어 상기 하부고정프레임의 상면에 고정되되 상기 상부고정프레임의 상기 지지다리가 형성하는 공간내부에 배치되어 상기 조도재현판의 상기 벽면조도등가형상이 형성된 일측 끝단면이 상기 모형터널내 벽면에 인접하고 상기 홀더회전축막대의 중십축의 연직 하방에 상기 모형터널의 중심축이 위치하며 상기 홀더회전축막대가 회전함에 따라서 상기 조도재현판이 회전할 때 상기 벽면조도등가형상과 상기 모형터널내 벽면의 이격거리가 동일하도록 배치되어, 상기 모형터널내 벽면에 벽면조도를 생성하기 위한 도포재를 도포하고, 상기 홀더회전축막대를 회전하여 상기 벽면조도등가형상이 상기 모형터널내 벽면에 벽면조도가 생성되도록 하는 벽면 모형터널내 벽면조도 생성 실험장치에 관한 것이다.

Description

모형 터널내 벽면조도 생성 실험장치{EXPERIMENTAL APPARATUS FOR WALL ROUGHNESS GENERATION IN MOCK-UP TUNNEL}

본 발명은 모형 터널 내 벽면조도 생성 실험장치에 대한 것이다. 보다 상세하게는, 실제 터널 벽면 조도를, 모형 터널의 벽면에 모사하여, 보다 완성도 높은 터널 환기/방재 모형 실험이 수행될 수 있도록, 벽면 조도의 모델링 방법과 모델링된 조도를, 간편한 장치로, 다양한 형태의 모델링된 조도를 형성할 수 있는 모형 터널 내 벽면조도 생성 실험 장치에 대한 것이다.

터널 시공시 시행되는 내부의 환기/방재 모형 실험은, 터널 내 환기설비 또는 방재 설비 운영시에 기류의 흐름을 확인하여, 설비 개선 및 보완을 목적으로 하는 실험이다. 평상시에는 터널 내 쾌적도를 높이는 데 유용한 실험이며, 특히 화재와 같은 비상시에는 인명 사고와 직결될 수 있는 중요한 모형 실험이다.

터널 공기 흐름은 내부 구조물에 의해 영향을 받을 수 있지만, 특히 벽면 조도에 의한 영향이 존재한다. 벽면조도(Wall Roughness)는 터널 내부 벽면의 표면 거칠기를 말하는 것으로, 자연적/인위적 거칠기를 모두 포함한다. 터널 내부에 환풍 시설이 없을 경우에는, 터널 내부의 공기 대류 현상과 터널의 기울기, 또는 터널 내외부의 기온의 차이등과 같은, 자연인자에 의한 공기의 흐름이 발생하는데, 이때 벽면 조도가 공기 이동에 영향을 미칠 수 있다. 또한 일반적으로 터널 내 벽면 상부에 배치되는 환풍 시설의 환풍 효과는 벽면 조도의 영향이 크며, 특히 화재시 고온의 연소가스의 이동은 벽면 조도에 크게 영향을 받을 수 밖에 없다.

터널 환기/방재 모형실험에서도 벽면조도에 대한 영향을 고려해야 하는 것이 이론적으로는 타당하나, 그 방법의 곤란함으로 인해서, 벽면 조도 모사 방법이 아직은 명확하지 않은 실정이다.

표면 거칠기는 그 거칠기의 높낮이와 형태에 따라서 모두 달라진다. 특정한 거칠기를 갖는 벽면을 모사하기 위해서는 축소 모사된 모형 터널에서 동일한 효과가 나타나도록 "거친 표면"을 모사해야 하나, "거친 표면"의 불규칙성과 이러한 불규칙 거친 표면을 축소 모형에 모사하기 위한 정량적 모델링 방법이 불명확한 상황이다. 더구나 공사중인 터널의 경우에는 벽면이 포장되어 정상적으로 운영중인 터널과 달리, 조도의 불규칙성이 높은 조도가 노출되어있으므로, 벽면 조도의 모사가 반드시 필요한 상황이지만, 앞서 언급한 문제점들로 인해서, 벽면조도효과는 고려하지 않고 터널 환기/방재 모형 실험을 수행하고 있는 실정이다.

따라서, 실제 터널 벽면 조도를, 모형 터널의 벽면에 모사하여, 보다 완성도 높은 터널 환기/방재 모형 실험이 수행될 수 있도록, 벽면 조도의 모델링 방법과 모델링된 조도를, 간편한 장치로, 다양한 형태의 모델링된 조도를 형성할 수 있는 모형 터널내 벽면조도 생성 장치 개발이 요구되고 있다.

한국 공개특허 10-2006-0041054

따라서 본 발명은 상기와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 실제 터널 축방향의 벽면 조도를 측정하여, 실효치를 추출함으로써 벽면 조도를 정량화를 하여 모형 터널 벽면에 모사할 수 있으며, 간편한 기구물을 이용하여 정량적으로 모사된 벽면 조도를 모형 터널에 형성하여 벽면 조도효과를 포함한 터널 환기/방재 모형 실험을 가능한 모형 터널내 벽면조도 생성 실험장치를 제공하는데 그 목적이 있다.

한편, 본 발명에서 이루고자 하는 기술적 과제들은 이상에서 언급한 기술적 과제들로 제한되지 않으며, 언급하지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.

본 발명의 목적은 판형이며 실제 터널내 벽면 조도를 모사한 벽면조도등가형상이 일측 끝단면에 형성된 조도재현판; 상기 조도재현판의 타측 끝부분 양면을 압착하여 고정하는 조도재현판홀더; 원형봉형상이며 상기 조도재현판홀더의 양측길이보다 더 길고, 상기 조도재현판홀더의 타측에, 상기 조도재현판과 나란하게 고정되는 홀더회전축막대; 네 개의 지지다리를 상기 지지다리 사이를 연결하는 연결부를 갖고 상판이 없는 테이블 형상이며, 회전축구멍이 형성된 두 개의 회전축지지판이 서로 마주보도록 상기 지지다리 사이에 배치되는 상부고정프레임; 판형이며 상기 상부고정프레임 하부에 배치되되 상기 지지다리가 고정되는 하부고정프레임; 및 모형터널이 거치되되 상기 모형터널내 벽면이 위를 향하며, 상기 하부고정프레임의 상면에 고정되는 터널모형하부고정지지대를 포함하며, 상기 조도재현판과 상기 홀더회전축막대는 상기 조도재현판홀더에 고정되고, 상기 홀더회전축막대의 길이방향 양측 끝부분은 상기 회전축구멍에 삽입되어 상기 회전축지지판에 걸침되고, 상기 모형터널이 상기 터널모형하부고정지지대에 거치되어 상기 하부고정프레임의 상면에 고정되되 상기 상부고정프레임의 상기 지지다리가 형성하는 공간내부에 배치되어 상기 조도재현판의 상기 벽면조도등가형상이 형성된 일측 끝단면이 상기 모형터널내 벽면에 인접하고 상기 홀더회전축막대의 중십축의 연직 하방에 상기 모형터널의 중심축이 위치하며 상기 홀더회전축막대가 회전함에 따라서 상기 조도재현판이 회전할 때 상기 벽면조도등가형상과 상기 모형터널내 벽면의 이격거리가 동일하도록 배치되어, 상기 모형터널내 벽면에 벽면조도를 생성하기 위한 도포재를 도포하고, 상기 홀더회전축막대를 회전하여 상기 벽면조도등가형상이 상기 모형터널내 벽면에 벽면조도가 생성되도록 하는 벽면 모형터널내 벽면조도 생성 실험장치를 제공함으로써 달성 될 수 있다.

또한 상기 벽면조도등가형상의 상기 모형터널 축방향의 실효치(RMS, Root-Mean-Square)를 기반으로 산출되는 모형벽면축방향조도실효치는, 상기 실제터널내 벽면의 축방향 조도의 실효치(RMS, Root-Mean-Square)를 기반으로 산출되는 현장벽면축방향조도실효치에 근사하는 것을 특징으로 할 수 있다.

그리고, 상기 현장벽면축방향조도실효치는 상기 실제터널의, 길이방향으로 적어도 하나 이상의 구역으로 구분되어 산출되는 것을 특징으로 할 수 있다.

또는, 상기 조도재현판은 상기 모형터널의 축방향으로 적어도 하나이상의 구역으로 분할되어, 상기 모형터널의 축방향으로 적어도 하나 이상의 서로 다른 조도 생성을 하는 것을 특징으로 할 수 있다.

그리고, 상기 회전축지지판과 상기 홀더회전축막대가 나사결합하여, 상기 홀더회전축막대가 회전할때 상기 모형터널에 생성된 상기 벽면조도등가형상이 나선형상일 수 있는 것을 특징으로 할 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 실제 터널 축방향의 벽면 조도를 측정하여, 실효치를 추출함으로써 벽면 조도를 정량화를 하여 모형 터널 벽면에 모사할 수 있으며, 간편한 기구물을 이용하여 정량적으로 모사된 벽면 조도를 모형 터널에 형성하여 벽면 조도효과를 포함한 터널 환기/방재 모형 실험을 가능한 장점이 있다.

한편, 본 발명에서 얻을 수 있는 효과는 이상에서 언급한 효과들로 제한되지 않으며, 언급하지 않은 또 다른 효과들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.

도 1. 본 발명의 일 실시예에 따른 모형 터널내 벽면조도 생성 실험장치의 정면도
도 2. 도 1에 따른 모형 터널내 벽면조도 생성 실험장치의 측단면도(A-A')
도 3a. 도 1에 따른 모형 터널내 벽면조도 생성 실험장치의 상부 고정프레임의 사시도.
도 3b. 도 3a에 따른 모형 터널내 벽면조도 생성 실험장치 상부 고정프레임의 측면도
도 4a. 도 1에 따른 모형 터널내 벽면조도 생성 실험장치의 작동 단계1의 측단면도
도 4b. 도 1에 따른 모형 터널내 벽면조도 생성 실험장치의 작동 단계2의 측단면도
도 4c. 도 1에 따른 모형 터널내 벽면조도 생성 실험장치의 작동 단계3의 측단면도

이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명을 쉽게 실시할 수 있는 실시예를 상세히 설명한다. 다만, 본 발명의 바람직한 실시예에 대한 동작 원리를 상세하게 설명함에 있어 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략한다.

또한, 도면 전체에 걸쳐 유사한 기능 및 작용을 하는 부분에 대해서는 동일한 도면 부호를 사용한다. 명세서 전체에서, 어떤 부분이 다른 부분과 연결되어 있다고 할 때, 이는 직접적으로 연결되어 있는 경우뿐만 아니라, 그 중간에 다른 소자를 사이에 두고, 간접적으로 연결되어 있는 경우도 포함한다. 또한, 어떤 구성요소를 포함한다는 것은 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라, 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.

이하에서는 본 발명의 일실시예에 따른 모형터널내 벽면 조도 생성 실험장치 구성 및 기능에 대해 설명하도록 한다.

벽면 조도(Wall Roughness)는 벽면 표면에 연속되게 형성되는 요철 형상이다. 이런 벽면 조도를 모형 터널 벽면에 모사하기 위해서 가장 확실한 방법은, 연속되는 모든 요철 형상 그대로를, 모형 터널의 크기에 맞게 축소하여 형성하는 것이다. 하지만 그 요철 형상을 하나 하나 그대로 본떠서 모사하는 방법은 현실적으로 매우 어려움이 많으며, 불규칙한 형상으로 이루어진 상황이라면, 모사는 더욱더 어려워진다.

본 발명의 일 실시예에 따른 모형 터널 내 벽면조도 생성 실험장치는, 모형 터널 내 기류 흐름을 확인하기 위한 것으로, 이때 필요한 벽면 조도는 조도의 형상 모사가 필요한 것이 아니라, 조도의 효과 모사가 필요하다. 따라서 규칙성과 불규칙성과 상관없이, 실제 터널 벽면에 형성된 조도가, 공기 흐름에 영향을 미치는 효과의 지표로 사용될 수 있는 정량적 모델링 방법 제시가 필요한 상황이다.

벽면 조도 역시 2차원으로 배열된 파형(wave) 형태의 표면이라고 할 수 있다. 이러한 파형을 정량적으로 평가하고 분석하기 위한 방법에 대해서는 오래 전부터 연구되어 왔다. 특히 교류전기 시스템, 음향이나 파동 등을 분석하는데 사용되는 실효치(이하 RMS, Root Mean Square)는 가장 널리 알려 진 파형 분석 방법 중에 하나이다.

RMS는, 상하로 출렁이는 파형(wave)을, 고정된 값으로 변환하는 방법으로서, 파형의 높이 형태 등을 그대로 반영할 수 있다. 특히 서로 다른 파형이라고 하더라도, 각각의 RMS값이 동일하면 실효적으로 동일한 효과를 나타낸다고 할 수 있다.

따라서 실제 터널 벽면 조도의 RMS 값을 추출하거나 계산하고, 모형 터널의 벽면조도를 실험자가 손쉽게 형성 가능한 방법과 형상으로 형성하되, 형성된 모형 터널 벽면 조도의 RMS 값이 실제 벽면 조도의 RMS과 동일하다면, 모형 터널 환기/방재 모형 실험에서, 벽면 조도의 영향을 모사할 수 있을 것이다.

이와 같이 모형 터널에 적용할 수 있는 벽면 조도 형상과 높이가 정해지면, 모형 터널에 형상화 하는 방법이 필요하다.

도 1에는 본 발명의 일 실시예에 따른 모형 터널내 벽면 조도 생성 실험 장치의 정면도를, 도 2에는 도 1에 따른 모형 터널내 벽면조도 생성 실험장치의 측단면도를 도시하였다.

또한 도 3a에는 도1에 따른 모형 터널내 벽면조도 생성 실험장치의 상부 고정프레임의 사시도를, 그리고 도 3b에는 도 3a에 따른 모형 터널내 벽면조도 생성 실험장치 상부 고정프레임의 측면도를 도시 하였다.

도 1 내지 도 3에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 벽면조도 생성 실험 장치는 조도재현판(100)와, 조도재현판홀더(200)와, 홀더회전축막대(300)와, 상부고정프레임(400)와, 하부고정프레임(500) 및 터널모형하부고정지지대(600)로 구성될 수 있다.

하부고정프레임위에 상부 고정 프레임이 위치한다. 판형인 조도재현판은 실험자가 일측에 벽면조도재현형상(101)이 형성되어있으며 타측은 조도재현판홀더에 조립되어 고정된다. 홀더회전축막대는 조도재현판홀더에 고정되며 양끝은 회전축 구멍(402)에 삽입되어 걸침된다.

터널모형하부고정지지대는 상부고정프레임 내부에 배치되되, 홀더회전축막대와 모형 터널 내부 벽면 축방향이 나란하도록 위치한다.

도 4에는 도 1에 따른 모형 터널내 벽면조도 생성 실험장치의 작동 단계에 따른 측단면도를 도시하였다.

도 4에 도시된 바와 같이 홀더회전축막대는, 그 중심축을 중심으로 회전하여, 벽면조도재현형상은 모형내부 벽면에 근접하여 회전한다. 조도형성도포재(2)를 모형 터널 내부 벽면에 위치시키면, 홀더회전축막대가 회전함따라 벽면조도재현형상이, 모형 터널 내부 벽면에 조도형성도포재가 도포됨과 동시에 벽면조도재현형상이 벽면에 형성된다.

따라서 본 발명의 일 실시예에 따른 실험 장치는, 실제 터널 축방향의 벽면 조도를 측정하여, 실효치를 추출함으로써 벽면 조도를 정량화를 하여 모형 터널 벽면에 모사할 수 있으며, 간편한 기구물을 이용하여 정량적으로 모사된 벽면 조도를 모형 터널에 모사할 수 있는 장점이 있습니다.

또한, 여러 개의 조도재현판에 서로 다른 벽면조도재현형상을 형성하면, 다양한 형태의 조도에 대한 영향을 실험할 수 있다.

실제 실험과정에서 정량화가 곤란한 경우도 발생한다. 즉, 서로 다른 벽면 조도를 비교하기 위해서는 각각의 실험결과를 정량적으로 비교 해야 하지만, 정량적 비교가 어려운 경우가 있을 수 있다.

이럴 경우에 서로 다른 벽면 조도를 하나의 터널에 형성하여, 서로 다른 벽면 조도의 효과를 비교할 수도 있다. 즉, 도 4a에서 도 4b까지 한가지의 조도재현판을 사용하여, 벽면내 조도를 형성한 후에 조도재현판을 교체하여 다른 형태의 벽면조도재현판형상이 형성된 또다른 조도재현판으로 교체하여, 벽면의 나머지 영역에 조도를 형성한다. 이렇게 되면 모형터널 내부에 축방향에 나란하게 두 부분으로 분할되어, 서로 다른 벽면 조도가 형성된다. 이 상태에서 기류의 흐름을 실험하면, 그 차이를 명확히 확인할 수 있을 것이다.

앞서 언급한 바와 같이 벽면조도재현형상은 실제 터널 벽면 조도의 실효치에 근사하도록 형성된다. 그런데 실효치는 계산 범위가 특정되어야 한다. 즉, 실제 터널의 축방향의 벽면 조도의 실효치를 계산함에 있어서, 축방향으로 구획을 나누어 서로 다른 실효치를 계산할 수 있다. 실체 터널 내 벽면조도가, 터널 길이방향으로 동일한 조도가 연속되지 않을 수 있다. 따라서 특정 구간을 설정하여 벽면 조도의 실효치를 추출할 수 있으며, 도 1내지 도 3에서 도시된 바와 같이 하나의 조도재현판에 서로 다른 복수개의 벽면조도재현형상 형성할 수 있다.

또한, 상기와 같이 설명된 장치 및 방법은 상기 설명된 실시예들의 구성과 방법이 한정되게 적용될 수 있는 것이 아니라, 상기 실시예들은 다양한 변형이 이루어질 수 있도록 각 실시예들의 전부 또는 일부가 선택적으로 조합되어 구성될 수도 있다.

1. 모형 터널 내부 벽면.
2. 조도형성용도포재
10. 고정나사.
100. 조도재현판.
101. 벽면조도재현형상.
200. 조도재현판홀더.
300. 홀더회전축막대.
400. 상부고정프레임.
401. 회전축지지판. 402. 회전축 구멍.
500. 하부고정프레임.
600. 터널모형하부고정지지대.

Claims (5)

1. 판형이며 실제터널내 벽면 조도를 모사한 벽면조도등가형상이 일측 끝단면에 형성된 조도재현판;
   상기 조도재현판의 타측 끝부분 양면을 압착하여 고정하는 조도재현판홀더;
   원형봉형상이며 상기 조도재현판홀더의 양측길이보다 더 길고, 상기 조도재현판홀더의 타측에, 상기 조도재현판과 나란하게 고정되는 홀더회전축막대;
   네 개의 지지다리를 상기 지지다리 사이를 연결하는 연결부를 갖고 상판이 없는 테이블 형상이며, 회전축구멍이 형성된 두 개의 회전축지지판이 서로 마주보도록 상기 지지다리 사이에 배치되는 상부고정프레임;
   판형이며 상기 상부고정프레임 하부에 배치되되 상기 지지다리가 고정되는 하부고정프레임;및
   모형터널이 거치되되 상기 모형터널내 벽면이 위를 향하며, 상기 하부고정프레임의 상면에 고정되는 터널모형하부고정지지대를 포함하며,
   상기 조도재현판과 상기 홀더회전축막대는 상기 조도재현판홀더에 고정되고,
   상기 홀더회전축막대의 길이방향 양측 끝부분은 상기 회전축구멍에 삽입되어 상기 회전축지지판에 걸침되고,
   상기 모형터널이 상기 터널모형하부고정지지대에 거치되어 상기 하부고정프레임의 상면에 고정되되 상기 상부고정프레임의 상기 지지다리가 형성하는 공간내부에 배치되어 상기 조도재현판의 상기 벽면조도등가형상이 형성된 일측 끝단면이 상기 모형터널내 벽면에 인접하고 상기 홀더회전축막대의 중심축의 연직 하방에 상기 모형터널의 중심축이 위치하며 상기 홀더회전축막대가 회전함에 따라서 상기 조도재현판이 회전할 때 상기 벽면조도등가형상과 상기 모형터널내 벽면의 이격거리가 동일하도록 배치되어,
   상기 모형터널내 벽면에 벽면조도를 생성하기 위한 도포재를 도포하고,
   상기 홀더회전축막대를 회전하여 상기 벽면조도등가형상이 상기 모형터널내 벽면에 벽면조도가 생성되도록 하는 벽면 모형터널내 벽면조도 생성 실험장치
2. 제1항에 있어서
   상기 벽면조도등가형상의 상기 모형터널 축방향의 실효치(RMS, Root-Mean-Square)를 기반으로 산출되는 모형벽면축방향조도실효치는,
   상기 실제터널내 벽면의 축방향 조도의 실효치(RMS, Root-Mean-Square)를 기반으로 산출되는 현장벽면축방향조도실효치에 근사하는 것을 특징으로 하는 벽면 모형터널내 벽면조도 생성 실험장치
3. 제2항에 있어서,
   상기 현장벽면축방향조도실효치는 상기 실제터널의, 길이방향으로 적어도 하나 이상의 구역으로 구분되어 산출되는 것을 특징으로 하는 벽면 모형터널내 벽면조도 생성 실험장치
4. 제3항에 있어서,
   상기 조도재현판은 상기 모형터널의 축방향으로 적어도 하나이상의 구역으로 분할되어, 상기 모형터널의 축방향으로 적어도 하나 이상의 서로 다른 조도 생성을 하는 것을 특징으로 하는 벽면 모형터널내 벽면조도 생성 실험장치
5. 제1항에 있어서,
   상기 회전축지지판과 상기 홀더회전축막대가 나사결합하여, 상기 홀더회전축막대가 회전할때 상기 모형터널에 생성된 상기 벽면조도등가형상이 나선형상일 수 있는 것을 특징으로 하는 벽면 모형터널내 벽면조도 생성 실험장치
   

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