Original Article

Tunnel and Underground Space. 30 April 2022. 160-172
https://doi.org/10.7474/TUS.2022.32.2.160

ABSTRACT


MAIN

  • 1. 서 론

  • 2. 저장소 설계

  • 3. 강건설계법

  • 4. 수치해석

  •   4.1 해석모델

  •   4.2 적용물성

  • 5. 해석결과 및 분석

  •   5.1 손상 정도 확인

  •   5.2 폭발 시 변위 평가

  • 6. 결 론

1. 서 론

화약류 저장소는 화약류를 저장하기 위한 구조물로서, 이를 설치(시공)하기 위해서는 일반적으로 총포․도검․화약류 등의 안전관리에 관한 법률(이하 총포화약법)에 근거한 기술 검토 및 안전진단 시행 후 관할 경찰청의 허가를 받아야 한다. 총포화약법상 저장소는 1급(지상, 지상복토식, 지하), 2급, 3급, 수중, 실탄, 꽃불류, 장난감용 꽃불류, 도화선 그리고 간이저장소 등이다(경찰청, 2021a). 총포화약법 시행령 제30조 제1항에 근거하여 보안물건과 화약류 저장소 사이에 유지해야 할 보안거리와 보안거리에 따라 저장 가능한 화약류의 수량은 Table 1과 같이 제한된다(경찰청, 2021b). 화약류저장소(1~3급) 내부에서 화약류가 폭발했을 시 주변 구조물에 미치는 영향을 최소화하기 위해 저장소 주위에 ‘흙둑’, ‘간이흙둑’ 과 같이 추가적인 방폭구조물 설치에 대한 기준이 명시되어 있으나, 간이저장소의 경우 화약류 저장량이 다른 저장소에 비해 현저하게 적다는 이유로 보안거리에 대한 기준과 추가적인 방폭구조물에 대한 기준이 없다. 다만 시행령 제 40조에서는 ‘벽은 10 cm 이상의 철근콘크리트 또는 20 cm 이상의 보강콘크리트 블록조, 천정은 10 cm 이상의 철근콘크리트를 이용’ 등의 간이저장소의 위치·구조 및 설비에 대한 내용, 시행령 45조에는 간이저장소에 저장 가능한 최대 화약류 수량에 대한 내용만이 제시되어 있다(경찰청, 2021b).

또한, 화약과 폭약은 종류에 따라 위력이 다르지만 총포화약법 시행령 제 45조에서 간이저장소는 화약과 폭약의 경우 최대 화약 30 kg, 폭약 15 kg 저장할 수 있다고만 명시되어있다. 간이저장소의 주요 저장항목은 화약ㆍ폭약보다는 화공품이 대부분이지만, 최근 소량의 실험용 화약ㆍ폭약을 저장하기 위한 간이저장소를 설치 및 신청하는 사례가 있다. 또한 TNT를 사용한 소규모 철근콘크리트 구조물 폭파실험을 통해 구조물의 손상정도를 확인하였고(지훈 외, 2018), 이때 실험에 사용된 구조물의 규모가 현재 산업에서 신청 및 설치되고 있는 간이저장소의 규모와 유사하기 때문에 선행연구결과를 통해 현행법에 근거한 화약폭약을 저장하는 간이저장소의 방폭 타당성에 대한 검증이 필요하다고 판단되어, 본 연구에서는 이를 위한 수치해석을 수행하고, 추후 실제 폭발실험에 적용가능한 설계인자를 제안하였다.

Table 1.

Example of safety and distance about storage

Facility Safety things & Distance Maximum storage (ton)
1st class 2nd class 3rd class 4th class
m m m m
1st class storage
2nd class storage
or
Cartridge storage

※ Simple storage has no
distance restrictions
550 480 270 170 40 Fuse &
Electric fuse
unlimited
520 460 260 160 35
500 440 250 160 30
470 410 230 150 25
440 380 220 140 20
430 370 210 130 19
420 370 210 130 18
420 360 210 130 17
410 350 200 130 16
400 350 200 120 15
390 340 190 120 14
380 330 190 120 13
370 320 180 110 12
360 310 180 110 11
340 300 170 110 10
330 290 170 100 9
320 280 160 100 8
310 270 150 95 7
290 250 150 90 6
280 240 140 85 5
260 220 130 80 4
230 200 120 70 3
200 180 100 60 2

2. 저장소 설계

화약류 저장소에서의 화약류 저장 및 취급은 총포화약법 시행령 제46조에 따르면 ‘화약류를 넣은 상자는 화약류 저장소(제28조제1항제3호에 따른 3급저장소는 제외한다) 안쪽 바닥에 높이 9 cm 이상의 각재로 된 받침목 또는 내정전성 프라스틱 받침대를 깔고 평행하게 쌓아 올리되, 저장소 안쪽 벽으로부터 30 cm를 띄우고 높이는 1.8 m 이하로 할 것’으로 되어 있다.

저장소 설계는 법령에 따라 저장소 내부 부피에 대한 설계가 이뤄지며, 저장소 기술검토 및 안전진단 업무를 하는 기관인 총포화약안전기술협회에서 제시하는 내부 부피 안전기준을 따라야 한다. 따라서 내부 체적 산정을 위해 본 연구에서 사용할 폭약인 TNT의 부피를 이용하였다. 저장할 TNT 무게는 15 kg을 적용하였으며, 밀도 1.65 g/m3을 이용하여 부피로 환산할 경우 부피는 0.009091 m3이 된다. 그리고 저장소의 내부 높이는 1.5 m를 적용, TNT 15 kg을 저장하기 위한 저장소의 내부 부피는 3.03 m3로 산출되었다. 이는 TNT 15 kg을 저장하는 간이저장소의 최소 부피라고 할 수 있다(Fig. 1). 저장소 벽체로는 철근콘크리트와 보강콘크리트블록조가 있으며, 이 중 더 많은 구조 변수를 가지고 있는 철근콘크리트를 적용하였다.

https://static.apub.kr/journalsite/sites/ksrm/2022-032-02/N0120320206/images/ksrm_32_02_06_F1.jpg
Fig. 1.

Schematic diagram of the sample storage

3. 강건설계법

인자의 영향과 민감성을 평가하기 위해 강건설계법(김호성 외, 1992)을 적용하였다. 강건설계법은 인자들을 독립적으로 배열한 제한된 수의 실험을 통하여 수많은 실험을 하는 것과 같은 효과를 얻을 수 있도록 고안된 기법이다. Table 2는 주로 사용되는 직교배열들로써 예를 들어 L8(27)직교배열은 2수준 즉 두 가지의 선택이 가능한 인자 일곱 개가 있을 때 가능한 인자의 조합은 27 = 128가지이지만 여덟 번의 실험만으로 128가지에서 기대되는 결과와 유사한 효과를 나타내고, 경우에 따라서는 그들 간의 교호작용을 해석할 수 있고 최적의 조건을 찾을 수도 있다(양형식, 2013).

Table 2.

Frequently used orthogonal arrays

Orthogonal array Total case Replicates Remarks
L4(23) 8 4 2 level parameter 3
L8(27) 128 8 2 level parameter 7
L9(34) 81 9 3 level parameter 4
L12(211) 2,048 12 2 level parameter 11
L16(215) 32,768 16 2 level parameter 15
L16(45) 1,024 16 4 level parameter 5
L18(21×37) 4,374 18 2 & 3 level parameter 8
L25(56) 15,625 25 5 level parameter 6
L27(313) 1,594,324 27 3 level parameter 13
L32, L36, L50 ~ - - etc.

본 실험에서는 콘크리트 두께(concrete thickness), 콘크리트 강도(concrete compressive strength), 철근 배열(beam interval), 철근 직경(beam diameter)의 네 가지 설계인자를 선정하였고, 인자에 따른 수준들은 Table 3과 같다. 이는 L9(34)로 81가지의 조합이 발생하지만 Table 4와 같이 총 아홉 가지의 조합으로 축소시켜 연구를 수행하였다. 이때 각 인자의 개별효과와 최적화는 결과값을 기준으로 각 인자별 수준에 대한 평균값을 구한 후 각 인자별로 수준의 평균값 차이를 구하여 폭발 후 변위에 영향을 많이 미치는 주요 인자를 도출하였고, 인자별로 미치는 비중을 평가하였다.

Table 3.

Three levels for design parameters

Level Concrete
thickness (cm)
Concrete
compressive strength (MPa)
Beam
interval (cm)
Beam
diameter (mm)
1 10 35 10 10
2 15 48 15 13
3 20 140 20 16
Table 4.

Case of orthogonal array L9

Case Concrete
thickness (cm)
Concrete
compressive strength (MPa)
Beam
interval (cm)
Beam
diameter (mm)
1 10 48 20 10
2 15 48 10 13
3 20 48 15 16
4 10 35 10 16
5 15 35 15 10
6 20 35 20 13
7 10 140 15 13
8 15 140 20 16
9 20 140 10 10

4. 수치해석

4.1 해석모델

이번 연구에서 사용한 프로그램은 Ansys 사의 Autodyn 3D R18.0으로, 초고속 충돌로 인한 짧은 순간의 대변형, 대회전, 대변형률, 상태변화 등의 비선형 거동 문제를 유한 차분, 유한 체적, 그리고 유한요소법을 사용하여 해석하는 코드이다. 이 같은 장점 때문에 건축분야에서도 구조부재의 충돌 및 폭발해석을 위해 많은 연구에 활용되고 있다(김한수 외, 2014).

간이저장소의 높이는 지붕의 철근콘크리트 두께 0.1 m를 적용하여 전 모델이 동일하며, 넓이의 경우 내측 면적(1.42 m×1.42 m)을 기준으로 두께 10 cm를 적용 시 저장소의 외측 면적은 2.62 m2(1.62 m×1.62 m), 두께 15 cm는 2.96 m2(1.72 m×1.72 m), 두께 20 cm는 2.31 m2(1.82 m×1.82 m)이다. 전체 오일러 영역은 19.35 m3(3.00 m×3.00 m×2.15 m)이며, TNT 15 kg의 부피는 Autodyn에서 제공하는 물성을 이용하여 0.009091 m3로 계산하여 모델링하였다. 구조물의 모델링 및 구조물 내부 철근 모델링은 Fig. 2와 같이 실시하였으며, 해석 케이스 별 두께 변화 및 철근 배열의 변화를 적용하여 모델링을 각각 실시하였다(Fig. 3). 직경의 경우는 Ansys workbench의 cross section 옵션을 이용하여 변수들을 적용하였다.

콘크리트는 Lagrange part, 철근은 Beam part, 폭약과 공기층의 경우는 Euler part로 구성하여 Euler/Lagrange Coupling 해석을 하였다. 이때 콘크리트의 바닥부에는 Fixed support 경계조건을 적용하여 고정시켰으며, 오일러 영역 외부는 전달된 기체의 유동을 위해 Flow-out 경계조건을 적용하였다(고영훈 외, 2018).

https://static.apub.kr/journalsite/sites/ksrm/2022-032-02/N0120320206/images/ksrm_32_02_06_F2.jpg
Fig. 2.

Example of the sample storage

https://static.apub.kr/journalsite/sites/ksrm/2022-032-02/N0120320206/images/ksrm_32_02_06_F3.jpg
Fig. 3.

Concrete thickness and beam interval

4.2 적용물성

이 연구에서 사용된 수치해석모델의 주요 물성인 콘크리트, 철근, 폭약(TNT)의 재료모델은 Autodyn 에서 제공하는 모델을 사용하였다. 이때 철근, 폭약의 경우 이번 수치해석에서 단일 물성만을 적용하기 때문에 Autodyn 라이브러리에서 제공하는 재료모델을 적용하였고, 콘크리트의 경우는 35 MPa, 48 MPa 그리고 140 MPa로 세 가지의 다른 물성의 콘크리트를 적용하였다. 따라서 35 MPa과 140 MPa은 Autodyn에서 제공하는 재료모델을 적용하였으며, 48 MPa의 경우에는 Autodyn에서 제공하는 RHT 콘크리트 재료물성을 기반으로 수정한 모델을 사용하였다(Table 5).

RHT 콘크리트는 취성재료가 동적하중을 받을 때의 거동을 표현하기 위해 만들어졌으며 소성 및 전단에 의한 손상을 동시에 고려할 수 있으며, 기본값은 삼축응력 상태를 기준으로 변형률 경화(strain hardening), 압력경화(pressure hardening) 등을 나타낼 수 있는 특성을 가지고 있다(김한수 외, 2014).

폭발하중을 받는 철근콘크리트 구조물의 파괴형상을 예측하기 위해서 침식 기준을 이용할 수 있다. 침식 기준이란 본래 유한요소해석에서 일부분이 지나치게 큰 변형이 발생한 요소를 해석에서 삭제하는 수치해석 기법으로 실제 재료의 물성이나 물리적 현상에 기반을 둔 값은 아니지만 실제와 유사한 대변형에 의한 파괴 형상을 예측하기 위한 수단으로 사용되었다. 이때 철근콘크리트 부재의 폭발해석 시 침식 기준을 실제 철근콘크리트 부재의 폭파실험 결과와 비교하였을 때 instantaneous geometric strain을 침식 기준으로 하여 기준값을 0.1로 하였을 경우 가장 유사한 해석 결과를 보이기 때문에 침식 기준은 각각 0.1로 선정하였다(김한수 외, 2014).

Table 5.
Parameter Units σc= 35 MPa σc= 48 MPa σc= 140 MPa
Shear Modulus (Gel) GPa 16.7 16.7 22.06
Compressive Strength (fc) MPa 35 48 140
Tensile Sterngth (ft / fc) - 0.10 0.083 0.1
Shear Strength (fs / fc) - 0.18 0.18 0.18
Intact Failure Surface Constant (Bfail) - 1.60 1.60 1.60
Intact Failure Surface Exponent (Nfail) - 0.61 0.61 0.61
Tens./Comp. Meridian Ratio (Q2.0 Q) - 0.6805 0.6805 0.6805
Brittle to Ductile Transition (BQ) - 0.0105 0.0105 0.0105
Gel / (Gel-Gpl) - 2.00 2.00 2.00
Elastic Strength / ft (ft,el / ft) - 0.70 0.70 0.70
Elastic Strength / fc (fc,el / fc) - 0.53 0.53 0.53
Fractured Strength Constant (Bfric) - 1.60 1.60 1.60
Fractured Strength Exponent (Nfric) - 0.61 0.61 0.61
Compressive Strain Rate Exp. Alpha (α) - 0.032 0.032 0.009090
Tensile Strain Rate Exp. Delta (δ) - 0.036 0.036 0.0125
Damage Constant (DRHT1) - 0.04 0.04 0.04
Damage Constant (DRHT2) - 1 1 1
Minimum Strain to Failure (εminfailure) - 0.01 0.01 0.01
Residual Shear Modulus Fraction (ShartD) - 0.13 0.13 0.13

5. 해석결과 및 분석

5.1 손상 정도 확인

Fig. 4는 폭발 후 손상 정도(damage contour)를 나타내는 그림이며, 폭발 후 손상은 가벼운 손상, 보통 손상, 심각한 손상, 또는 극심한 손상으로 구분된다. 가벼운 손상은 얇은 크랙의 손상, 보통 손상은 최대 1.5 mm 너비의 손상을 의미한다. 심각한 손상은 크랙의 너비가 4 mm까지 생각하는 경우로 영구적인 처짐, 국부적인 손상, 심각한 콘크리트 파쇄를 의미한다. 마지막으로 극심한 손상은 콘크리트의 파괴와 전반적인 손상을 의미한다(박재원 외, 2011, Razaqpur et al., 2007). Fig. 4와 같이 모델들에 전반적으로 적색(0.9<Damage<1.0)을 띄고 있으며, 이는 심각한 손상을 의미한다(우진호 외, 2009). 따라서 아홉 가지의 사례 모두 15 kg의 폭약을 저장할 시 방폭성이 현저하게 떨어진다고 판단된다.

https://static.apub.kr/journalsite/sites/ksrm/2022-032-02/N0120320206/images/ksrm_32_02_06_F4.jpg
Fig. 4.

Contour of structural damage with different cases

5.2 폭발 시 변위 평가

Table 6은 직교배열 L9에 대한 폭발 후 변위에 대한 결과이다. 9가지 해석사례에서 좌·우측변위가 가장 적은 것은 9번(콘크리트 두께 20 cm, 콘크리트 강도 140 MPa, 철근 배열 10 cm, 철근 직경 10 mm)이다. 가장 큰 것은 4번(콘크리트 두께 10 cm, 콘크리트 강도 35 MPa, 철근 배열 10 cm, 철근 직경 16 mm)이다. 전·후면의 경우 가장 적은 것은 5번(콘크리트 두께 15 cm, 콘크리트 강도 35 MPa, 철근 배열 15 cm, 철근 직경 10 mm)이다. 가장 큰 것은 4번(콘크리트 두께 10 cm, 콘크리트 강도 35 MPa, 철근 배열 10 cm, 철근 직경 16 mm)이다. 평균적으로는 4번이 가장 큰 변위가 발생하였고, 3번이 가장 적은 변위가 발생하였다. 본 결과를 통해서 인자의 수준들과 변위의 상관관계를 확인할 수는 없었지만, 전·후면과 좌·우면에서 가장 큰 변위가 발생한 해석사례는 동일하였다. 이 두 사례의 공통점은 콘크리트의 두께와 강도의 수준이 가장 작다는 것으로 이를 통해 1차적으로 콘크리트 인자가 변위에 큰 영향을 미친다고 추측할 수 있었다.

Table 6.

Results of numerical analysis

Case Concrete
thickness
(cm)
Concrete
compressive strength (MPa)
Beam
interval
(cm)
Beam
diameter
(mm)
Side displacement
(mm)
Front and back
displacement
(mm)
1 10 48 20 10 196.17 192.90
2 15 48 10 13 100.46 98.97
3 20 48 15 16 60.46 60.40
4 10 35 10 16 201.76 200.50
5 15 35 15 10 108.17 47.53
6 20 35 20 13 66.34 102.65
7 10 140 15 13 167.56 159.04
8 15 140 20 16 84.21 64.40
9 20 140 10 10 54.61 80.45

또한 선정한 설계 인자들이 내부 폭발 시 구조물의 변위에 미치는 영향을 평가하기 위하여 기여도 평가를 실시하였다(Tables 7~8). Tables 7~8의 레벨(level)값은 각 설계인자별 적용된 세 가지 수준에서 한 가지의 수준에 대한 해석 사례로 도출된 변위들의 평균값을 나타낸다. 예로 콘크리트 강도의 Level 1~3의 경우 콘크리트 강도 48, 35, 140 MPa을 적용하고 나머지 변수들을 달리한 해석 사례 1~3, 4~6, 7~9에서의 구한 변위들의 평균값을 나타낸다. 또한 이를 통해 Level 값의 최댓값과 최소값의 차이(Diffrence)를 구하였으며 해당 차이들의 백분율을 통하여 기여도를 평가하였다.

우선적으로 구조물의 좌·우면 변위에 대한 기여도의 경우 콘크리트 두께 76.9%, 콘크리트 강도 14.0%, 철근 직경 4.9% 그리고 철근 배열 4.1% 순으로 기여도를 보였다. 그리고 구조물의 전·후면 변위에 대한 기여도의 경우 콘크리트 두께 62.9%, 철근 배열 20.8%, 콘크리트 강도 8.9% 그리고 철근 직경 7.3%로 나타났다. 구조물 전체면에 대한 관점에서 보았을 때 콘크리트의 두께가 구조물의 폭발에 대한 변위에 가장 큰 영향을 미치는 것으로 확인되었다. 이때 구조물 전체에 대한 각 인자의 수준에 따른 수치들의 차이를 확인하기 위해 Table 6을 이용하여 각 수준에 따른 좌·우와 전·후의 평균 변위의 표준편차를 계산하였다(Table 9). 콘크리트 두께의 경우 표준편차가 51.63 mm로 기여도 평가와 같이 다른 인자들에 비해서 큰 값을 보였다. 철근 직경의 경우 1.61 mm로 가장 적은 표준편차를 보였으며, 철근 배열과 콘크리트 강도의 경우 각각 9.53 mm, 8.56 mm로 콘크리트 두께 다음으로 큰 표준편차를 보였다. 따라서 설계인자의 경향의 경우 철근 배열은 좌·우면에서는 수준에 따른 변위차가 매우 적지만, 전·후면의 경우는 15 cm가 다른 수준에 비해 월등히 적어 전체면에 대해서 가장 적은 평균 변위를 보였다. 철근 직경의 경우 수준에 따른 전면 평균 변위의 차이가 거의 없음을 확인할 수 있었다. 콘크리트 두께는 좌·우면에서는 두께가 증가할수록 변위가 큰 폭으로 감소하나 전·후면의 경우 15 cm까지는 변위가 큰 폭으로 감소하다가 20 cm에서는 오히려 변위가 증가하는 추세를 보인다. 마지막으로 콘크리트 강도의 경우 35 MPa의 경우는 전·후면과 좌·우면이 약 8.53 mm의 차이를 보이나 그 외 수준에서는 변위의 차이가 거의 없음을 확인할 수 있었다. 하지만 콘크리트 강도의 경우 35 MPa은 2,550 kPa, 48 MPa은 2,570 kPa, 140 MPa은 2,640 kPa로 강도 증가에 따른 변위의 감소 대비 큰 폭으로 배출압력이 증가하는 경향을 확인할 수 있었다.

Table 7.

Results of left, right wall displacement

Case Concrete
compressive strength (MPa)
Concrete
thickness (cm)
Beam
interval (cm)
Beam
diameter (mm)
Level 1 119.03 188.50 115.57 119.65
Level 2 125.42 97.61 118.94 111.46
Level 3 102.13 60.47 112.07 115.47
Difference 23.29 128.03 6.88 8.19
Contribution 14.0% 76.9% 4.1% 4.9%
Table 8.

Results of front wall, rear wall displacement

Case Concrete
compressive strength (MPa)
Concrete
thickness (cm)
Beam
interval (cm)
Beam
diameter (mm)
Level 1 117.42 184.15 119.98 106.96
Level 2 116.89 70.30 126.64 120.22
Level 3 101.30 81.17 88.99 108.44
Difference 16.13 113.85 37.65 13.26
Contribution 8.9% 62.9% 20.8% 7.3%
Table 9.

Results of contribution evaluation using standard deviations

Left / Right Front / Rear Average Standard deviation
Concrete compressive strength (MPa) 35 125.42 116.89 121.16 8.56
48 119.03 117.42 118.23
140 102.13 101.30 101.71
Concrete thickness (cm) 10 188.50 184.15 186.32 51.63
15 97.61 70.30 83.96
20 60.47 81.17 70.82
Beam interval (cm) 10 118.94 126.64 122.79 9.53
15 112.07 88.99 100.53
20 115.57 119.98 117.78
Beam diameter (mm) 10 119.65 106.96 113.30 1.61
13 111.46 120.22 115.84
16 115.47 108.44 111.95

6. 결 론

본 논문에서는 화약류 간이저장소의 설계기준에 대한 구조개정 제안을 위하여 안정성 검토를 위한 TNT 15 kg의 내부 폭발 수치해석을 실시하였다. 콘크리트 강도, 콘크리트 두께, 철근 배열 그리고 철근 직경의 네 종류의 설계 변수를 적용하여 3수준의 L9의 강건설계 실험법을 이용한 실험설계를 하였으며, 해석 결과를 바탕으로 한 기여도 평가를 기반으로 구조인자 평가를 실시하였다. 이를 통해 추후 안정성 해석 및 실제 구조물 폭발실험을 위한 구조물 제작을 위한 설계변수 선정이 필요하며, 다음과 같은 결론을 도출하였다.

1) 모든 해석 모델에서 심각한 손상이 확인되었고, 구조물의 설계변수별 발생하는 변위에 영향을 미치는 정도를 수준에 따른 발생하는 최대 및 최소 변위 값의 차이에 대한 점유율(%)로 비교한 결과 전·후 62.9%, 좌·우 76.9%로 모든 경우에서 콘크리트 두께의 값이 가장 큰 것으로 확인되어 해당 변수가 발생 변위에 대한 기여도가 가장 큰 것으로 확인되었다.

2) 폭발해석 및 기여도 평가 결과 현재 국내 총포·도검·화약류 등의 안전관리에 관한 법에서 제시한 화약류 간이저장소 구조기준에 따른 최소 설계 두께(철근콘크리트 10 cm)를 적용할 경우 구조물의 방폭에 대한 성능이 현저히 떨어지는 것으로 사료되어 현재 법적 기준이 폭약 15 kg을 저장하기에는 적합하지 않다고 판단된다.

3) 따라서 보다 명확한 법적 기준의 타당성 확인을 위해서 추후 안정성 해석 및 실제 구조물 폭발실험을 진행해야 하며 이에 대한 설계변수의 인자를 구조인자 평가를 통해 선정하였다. 콘크리트 두께의 경우 발생한 전·후 및 좌·우 방향 변위의 평균을 고려하였을 때 20 cm가 가장 적은 변위를 보였으나, 전면부의 변위가 증가하였기 때문에 20 cm를 적용하는 것이 더 위험하고 판단하여 콘크리트 두께 15 cm를 선정하였다.

4) 안정성 해석 및 실제 폭발실험에 적용할 콘크리트 강도의 경우 강도 증가에 따라 발생하는 평균 변위가 작아지나 강도 증가에 따른 변위의 감소량이 비교적 크지 않으나 입구 배출압력이 증가하는 경향을 확인하였다. 따라서 이 또한 안정성을 고려하여 입구 배출압력이 적은 일반 콘크리트 적용을 고려하였다.

5) 철근 배열의 경우 발생 변위에 대한 기여도가 비교적 낮고 평균 변위 고려 시 전·후 및 좌·우 방향 모두에서 15 cm를 적용하였을 경우 변위가 가장 작은 것을 확인하여 해당 수준을 선정하였으며, 철근 직경의 경우 인자 수준에 따른 변위의 편차가 1.61 mm로 현저하게 적어 설계의 경제성을 고려하여 가장 작은 수준인 10 mm의 직경을 선정하였다.

Acknowledgements

본 연구는 2022년도 정부(산업통상자원부)의 재원으로 해외자원개발협회의 지원(2021060003, 스마트 마이닝 전문 인력 양성사업)과 중소벤처기업부에서 지원하는 2021년도 맞춤형 기술파트너 지원사업(No. S3156998)연구수행으로 인한 결과물임을 밝힙니다.

References

1
경찰청, 2021a, 총포 · 도검 · 화약류 등의 안전관리에 관한 법률.
2
경찰청, 2021b, 총포 · 도검 · 화약류 등의 안전관리에 관한 법률 시행령.
3
고영훈, 정승원, 양형식, 2018, 디커플링 조건 및 폴리머 겔 적용에 따른 발파공 발파위력 영향에 관한 수치해석 연구, 화약·발파(대한화약발파공학회지), Vol. 36, No. 2, pp. 1~9.
4
김한수, 안효승, 2014, 철근콘크리트 건물의 폭발하중에 의한 연쇄붕괴 해석을 위한 침식 기준, 콘크리트학회 논문집(한국콘크리트학회), Vol. 26, No. 3, pp. 335~342. 10.4334/JKCI.2014.26.3.335
5
김호성, 양형식, 임균택, 전태준, 정창복, 1992, 강건설계를 이용한 품질공학, 민영사, pp. 305.
6
박재원, 윤성환, 박대효, 2011, 병렬과 영역분할을 이용한 폭발하중을 받는 철근콘크리트패널의 해석, 한국전산구조공학회 논문집(한국전산구조공학회), Vol. 24, No. 4, pp. 365~373.
7
양형식, 2013, 강건설계를 이용한 스웨덴식 벤치발파의 설계 인자 분석, 화약·발파(대한화약발파공학회지), Vol. 31, No. 2, pp. 1~5.
8
우진호, 나원배, 김헌태, 2009, 아치형 해저 케이블 보호 구조물의 앵커 충돌 수치 시뮬레이션, 한국해양공학회지, Vol. 23, No. 1, pp. 96~103.
9
지훈, 문세훈, 정진웅, 성승훈, 유양선, 2018, 내부폭발 시 철근콘크리트 구조물 거동에 대한 전산수치해석과 실험적 검증, 한국시뮬레이션학회 논문지, Vol. 27, No. 1, pp. 101~109.
10
Hansson, H., 2011, Warhead pentration in concrete protective structures, Licentiate Thesis Stockholm.
11
Razaqpur, A.G., Tolba, A., and Contestabile, E., 2007, Blast Loading Response of Reinforced Concrete Panels Reinforced with Externally Bonded GFRP Laminates, Compostes Part B : Engineering, Vol. 38, Issues. 5-6, pp. 535~546. 10.1016/j.compositesb.2006.06.016
12
Riedel, W., 2000, Beton unter dynamishen lasten, Meso- und makromechanishe modelle und ihre parameter, EMI-Bericht 6/00, Freiburg.
13
Riedel, W., Kawai, N., and Kondo, K., 2009, Numerical Assessment for Impact Strength Measurements in Concrete Materials, International Journal of Impact Engineering, 36: 283-293, 10.1016/j.ijimpeng.2007.12.012. 10.1016/j.ijimpeng.2007.12.012
14
Riedel, W., Thomas, K., Hiermaier, S., and Schmolinske, E., 1999, Penetration of Reinfored Concrete by BETA-B-500 Numerical Analysis using a New Macroscopic Concrete Model for Hydrocodes 9th International Symposium on the Interaction of the Effects of Munitions with Structures Berlin-Strausberg, Germany, 315-322.
페이지 상단으로 이동하기