한랭지역 도로터널의 내부온도에 대한 영향인자 분석 및 산정모델 개발
Analysis of Factors Affecting the Internal Temperature in Road Tunnels Located in Cold Regions and Development of an Estimation Model
- 주제(키워드) 도움말 한랭지역 , 도로터널 , 동결피해 , 터널내부온도 , 영향인자 분석 , 다중회귀분석 , 산정모델 , 동결지수
- 발행기관 강릉원주대학교
- 지도교수 도움말 윤찬영
- 심사위원 황영철, 이철주, 서흥석, 이승우, 윤찬영
- 사용가능일 20190201
- 저작권일 20190201
- 발행년도 2018
- 학위수여년월 2019. 2
- 학위명 박사
- 학과 및 전공 도움말 일반대학원 토목공학과
- 실제URI http://www.dcollection.net/handler/kangnung/000000010429
- UCI I804:42001-000000010429
- 본문언어 한국어
초록/요약 도움말
한랭지역의 도로터널에서는 누수발생 및 입출구로부터 내부로 유입되는 비 또는 눈으로 인하여 내부로 물의 유입이 발생하고 저온의 외부 공기가 터널 내부로 유입되면 터널내부의 물이 동결되어 고드름, 측빙, 빙판과 같은 동결피해가 발생된다. 우리나라와 인접한 중국의 기후특성을 고려한 지역구분 기준을 우리나라에 적용하면, 겨울철 강원지역은 동해를 제외한 모든 지역이 한랭지역에 해당된다. 이러한 기후특성으로 인해 겨울철 강원지역의 도로터널에서 동결피해가 발생하고 있으며, 다른 지역의 도로터널들에 비하여 동결피해에 취약하다. 이러한 한랭지역 도로터널의 동결피해를 예방하기 위해서는 터널의 내부온도변화를 파악하는 것이 중요하다. 현재 온도를 파악하는 방법으로는 조사, 계측, 모니터링과 같이 직접적으로 조사하는 방법이 있으나, 이는 많은 시간과 비용이 발생한다. 내부온도분포를 산정하는 방법에 대한 연구는 국제적으로 단일터널 대상이 전부이며, 일부 터널들에 대한 피해현황이나 내부온도분포 조사 연구만 수행되고 있는 실정이다. 이에 본 논문에서는 다수의 터널에 대한 내부온도 조사를 수행하여 내부온도분포특성과 내부온도에 대한 영향인자들의 상관성을 분석하였으며, 내부온도의 영향인자들을 고려한 내부온도 산정모델을 개발하였다. 내부온도조사는 현장 온도측정 방법과 장기간 온도계측 방법, 두 가지 방법으로 수행하였다. 현장 온도측정은 강원지역 총 105개소의 도로터널을 대상으로 수행하였다. 이 방법은 입구에서 출구로 이동해가면서 측정하기 때문에 동시간대의 온도를 비교한 자료가 아니라는 문제점이 발생하였다. 이에 추가적으로 총 10개소의 도로터널에 대하여 장기간 온도계측을 수행하였다. 내부온도 계측자료와 온도변화에 영향을 줄 것으로 판단되는 인자들에 대한 상관성을 분석해본 결과, 환기장치와 교통량은 상관성이 없는 것으로 나타났다. 또한, 내부온도분포특성 분석결과, 온도변화가 큰 지점(입출구)과 적은 지점(입출구로부터 20% 이내)을 구분할 수 있었으며, 온도변화가 큰 지점과 적은 지점의 온도를 산정한다면 전체길이에 대한 위치별 내부온도분포를 산정할 수 있다. 이에 총 네 지점들에 대한 내부온도 산정모델을 개발하였다. 개발된 산정모델은 p-value가 대부분 100%에 가깝고, R2값이 0.7이상으로 우수한 산정모델이며, 실측 값 대비 산정 값에 대한 신뢰도분석결과 Cronbach의 알파 값이 0.9이상으로 매우 높은 신뢰도를 보였다. 개발된 산정모델의 검증은 장기간 온도계측을 수행한 터널들에 대하여 1년 후 12월 한 달간 온도계측을 추가로 수행하여 검증하였다. 그 결과 Cronbach의 알파 값이 0.8이상으로 높은 신뢰도를 보였다. 개발된 산정모델을 활용하면 신뢰도가 높은 동결지수를 산정하는 것이 가능하며, 터널 내 최대동결지수를 산정하여 동결피해 발생 예측이 가능하다.
more초록/요약 도움말
In road tunnels in cold regions, water frequently enters due to water leakage from rain or snow, and then the inflow of external low-temperature air freezes the water inside the tunnels, resulting in freeze damage from icicles, sidewall ice, and icy roads. If the regional classification standards considering the climate conditions of China, which is near South Korea, are applied, all the areas of Gangwon, except the east coast, would be classified as cold regions in winter. Due to these climate conditions, freeze damage frequently occurs in winter in the road tunnels located in Gangwon, which are more vulnerable to freeze damage than those of other regions. Investigating the variation in the internal temperature of the tunnels is critical to preventing freeze damage in the road tunnels located in cold regions. The internal temperature can be investigated at these sites by survey, measurement, and monitoring, but these methods require significant time and cost. Internationally, studies on methods of estimating the internal temperature distribution have only been conducted with single tunnels. Other studies have been conducted to investigate the status of damage or the internal temperature distribution in some tunnels. In the present study, the internal temperature was surveyed in multiple tunnels to analyze the correlation between the internal temperature distribution characteristics and the factors affecting the internal temperature, and to develop a model for estimating the internal temperature in based on the factors that affect the internal temperature. Two methods were used to investigate he internal temperature: on-site surveys and long-term temperature measurement. The on-site surveys were conducted in a total of 105 road tunnels located in Gangwon. The problem with the survey was that the obtained data did not allow comparison of the temperature at the same time, because the temperature was measured while moving from the entrance to the exit. Therefore, long-term temperature measurements were performed at a total of 10 road tunnels. The analysis of the correlation between the internal temperature measurement data and the potential factors affecting temperature variation indicated that the ventilation equipment and traffic had no correlation with the temperature variation. The analysis of the internal temperature distribution showed that a tunnel may be divided into areas that have large temperature variation (entrances) and those that have little temperature variation (internal areas, that are away from the entrances by within 20% of the total tunnel length). The internal temperature distribution at individual positions along the entire tunnel length can be estimated by calculating the temperature in the area that has a large temperature variation, and those with little temperature variation. Accordingly, an internal temperature estimation model was developed to estimate a total of four positions in a tunnel. The developed estimation model showed excellent performance with a p-value near to 100% and an R2 value over 0.7 in most cases. The reliability analysis of the model, comparing the actual measurement values with the estimated values, showed that the model was highly reliable, since the Cronbach's α was over 0.9. The developed estimation model was further verified by measuring the temperature in the tunnels again for one month in December the following year, where the long-term temperature measurement had been performed previously. The result showed that the Cronbach's α was over 0.8, indicating that the model was highly reliable. The developed estimation model may be used to obtain a highly reliable freezing index and the maximum freezing index of each tunnel, and to predict possible freeze damage.
more목차 도움말
차 례
국문요약 ⅰ
영문요약 ⅲ
차 례 ⅵ
표 차 례 ⅷ
그림차례 ⅹ
제 1 장 서 론 1
1.1 연구배경 및 목적 1
1.2 연구내용 및 방법 5
제 2 장 문헌조사 7
2.1 기후특성에 따른 한랭지역의 정의 7
2.2 터널길이에 따른 분류 기준 18
2.3 도로터널 내 동결피해 발생 20
2.4 도로터널 내부온도 조사 및 계측 26
2.5 철도터널 내부온도 조사 및 계측 28
제 3 장 도로터널 내부온도 조사 및 영향인자 분석 29
3.1 현장 온도측정 및 내부온도특성 분석 30
3.1.1 측정방법 및 장비 35
3.1.2 터널내부온도분포 특성 37
3.1.3 도로터널 내 외기온도의 영향범위 44
3.1.4 도로터널 입출구부의 일조량에 따른 온도변화 55
3.1.5 도로터널 내 최저 및 최고온도 발생 위치 67
3.1.6 도로터널 내 공기온도와 라이닝온도의 차이 69
3.1.7 시간경과에 따른 터널 내부온도 변화 75
3.1.8 주행방향, 풍향, 풍속의 영향에 따른 터널 내부온도 비교분석 78
3.2 장기간 온도계측 및 내부온도 영향인자 분석 82
3.2.1 계측방법 및 장비 83
3.2.2 현장 온도측정과 장기간 온도계측 결과 비교 87
3.2.3 외기온도의 영향 95
3.2.4 일조량의 영향 105
3.2.5 주행방향, 풍향, 풍속의 영향 131
3.2.6 입·출구 고도차의 영향 145
3.2.7 환기장치의 영향 147
3.2.8 교통량의 영향 149
3.2.9 강수량의 영향 153
3.2.10 동결발생 예상범위 164
제 4 장 다중회귀분석을 통한 내부온도 산정모델 개발 183
4.1 산정모델 개발 184
4.1.1 기술통계 184
4.1.2 히스토그램 187
4.1.3 피어슨 상관관계 분석 192
4.1.4 다중회귀분석 195
4.1.5 실측 값과 산정 값 비교 202
4.2 산정모델 검증 233
4.3 동결지수 산정에 대한 산정모델 활용가능성 검토 239
제 5 장 결론 247
5.1 결론 247
5.2 기대효과 251
5.3 향후 연구계획 251
참고문헌 253
감사의 글 259
