최근, 테러 및 전쟁과 관련된 폭발사고가 빈번히 발생하고 있으며, 특히 도심지에서는 이러한 폭발사고로 인해 인명피해 뿐 아니라 주요 시설물에도 큰 손상이 가해져 제2차, 3차의 피해가 발생하게 된다. 폭발사고에 대하여 인명 및 시설물을 안전하게 보호하기 위해서는 기본적으로 구조물에 가해지는 폭발하중 효과에 대한 이해가 필요하다. 폭발하중은 매우 빠른 시간 내에 콘크리트 구조물에 큰 압력으로 작용하는 하중이므로 변형률 속도와 구조물의 국부적인 손상을 고려하여 동적응답을 평가해야 한다. 일반적으로, 콘크리트는 다른 건설재료에 비해 상대적으로 높은 폭발저항성을 가진 재료로 알려져 있다. 그러나 폭발실험이라는 특수한 실험조건으로 인하여 국내외적으로 실험에 관련된 정보 및 결과 공유가 상당히 제한적으로 이뤄지고 있는 실정이다. 그러므로 본 논문에서는 폭발에 의한 압력하중이 철근콘크리트 구조물에 미치는 영향과 방호성능을 평가하기 위하여 국방과학시험연구소 다락대 시험장에서 $1.0m{\times}1.0m{\times}150mm$의 철근콘크리트 슬래브 구조물을 제작하여 시편으로부터 높이 1.5 m에서 TNT 9 lbs와 TNT 35 lbs으로 예비시험을 수행하였으며, 동일한 이격거리(standoff)에서 ANFO 35 lbs으로 본 실험을 수행하였다. 이는 국내 최초 민간에서 수행되어진 실험으로써, 첫 번째 논문에서는 폭발실험을 하기 위한 기본적인 실험 구성 및 구조물의 거동을 측정하기 위한 계측장비 구성에 대하여 검토하여 계측 시스템의 구축 및 폭파시험 수행절차를 구축하고자 한다. 센서, 시그널 컨디셔너, DAQ시스템, 소프트웨어로 구축된 계측 시스템을 바탕으로 정립된 폭파시험 수행절차는 향후 국내의 방호설계 및 폭발하중을 받는 구조물의 효과적인 거동계측 등 관련 연구분야의 기초자료가 될 것이라고 판단되는 바이다.
최근, 테러 및 전쟁과 관련된 폭발사고가 빈번히 발생하고 있으며, 특히 도심지에서는 이러한 폭발사고로 인해 인명피해 뿐 아니라 주요 시설물에도 큰 손상이 가해져 제2차, 3차의 피해가 발생하게 된다. 폭발사고에 대하여 인명 및 시설물을 안전하게 보호하기 위해서는 기본적으로 구조물에 가해지는 폭발하중 효과에 대한 이해가 필요하다. 폭발하중은 매우 빠른 시간 내에 콘크리트 구조물에 큰 압력으로 작용하는 하중이므로 변형률 속도와 구조물의 국부적인 손상을 고려하여 동적응답을 평가해야 한다. 일반적으로, 콘크리트는 다른 건설재료에 비해 상대적으로 높은 폭발저항성을 가진 재료로 알려져 있다. 그러나 폭발실험이라는 특수한 실험조건으로 인하여 국내외적으로 실험에 관련된 정보 및 결과 공유가 상당히 제한적으로 이뤄지고 있는 실정이다. 그러므로 본 논문에서는 폭발에 의한 압력하중이 철근콘크리트 구조물에 미치는 영향과 방호성능을 평가하기 위하여 국방과학시험연구소 다락대 시험장에서 $1.0m{\times}1.0m{\times}150mm$의 철근콘크리트 슬래브 구조물을 제작하여 시편으로부터 높이 1.5 m에서 TNT 9 lbs와 TNT 35 lbs으로 예비시험을 수행하였으며, 동일한 이격거리(standoff)에서 ANFO 35 lbs으로 본 실험을 수행하였다. 이는 국내 최초 민간에서 수행되어진 실험으로써, 첫 번째 논문에서는 폭발실험을 하기 위한 기본적인 실험 구성 및 구조물의 거동을 측정하기 위한 계측장비 구성에 대하여 검토하여 계측 시스템의 구축 및 폭파시험 수행절차를 구축하고자 한다. 센서, 시그널 컨디셔너, DAQ시스템, 소프트웨어로 구축된 계측 시스템을 바탕으로 정립된 폭파시험 수행절차는 향후 국내의 방호설계 및 폭발하중을 받는 구조물의 효과적인 거동계측 등 관련 연구분야의 기초자료가 될 것이라고 판단되는 바이다.
In recent years, there have been numerous explosion-related accidents due to military and terrorist activities. Such incidents caused not only damages to structures but also human casualties, especially in urban areas. To protect structures and save human lives against explosion accidents, better un...
In recent years, there have been numerous explosion-related accidents due to military and terrorist activities. Such incidents caused not only damages to structures but also human casualties, especially in urban areas. To protect structures and save human lives against explosion accidents, better understanding of the explosion effect on structures is needed. In an explosion, the blast overpressure is applied to concrete structures as an impulsive load of extremely short duration with very high pressure and heat. Generally, concrete is known to have a relatively high blast resistance compared to other construction materials. However, information and test results related to the blast experiment of internal and external have been limited due to military and national security reasons. Therefore, in this paper, to evaluate blast effect on reinforced have concrete structure and its protective performance, blast tests are carried out with $1.0m{\times}1.0m{\times}150mm$ reinforce concrete slab structure at the Agency for Defence Development. The standoff blast distance is 1.5 m and the preliminary tests consists with TNT 9 lbs and TNT 35 lbs and the main tests used ANFO 35 lbs. It is the first ever blast experiment for nonmilitary purposes domestically. In this paper, based on the basic experiment procedure and measurement details for acquiring structural behavior data, the blast experimental measurement system and procedure are established details. The procedure of blast experiments are based on the established measurement system which consists of sensor, signal conditioner, DAQ system, software. It can be used as basic research references for related research areas, which include protective design and effective behavior measurements of structure under blast loading.
In recent years, there have been numerous explosion-related accidents due to military and terrorist activities. Such incidents caused not only damages to structures but also human casualties, especially in urban areas. To protect structures and save human lives against explosion accidents, better understanding of the explosion effect on structures is needed. In an explosion, the blast overpressure is applied to concrete structures as an impulsive load of extremely short duration with very high pressure and heat. Generally, concrete is known to have a relatively high blast resistance compared to other construction materials. However, information and test results related to the blast experiment of internal and external have been limited due to military and national security reasons. Therefore, in this paper, to evaluate blast effect on reinforced have concrete structure and its protective performance, blast tests are carried out with $1.0m{\times}1.0m{\times}150mm$ reinforce concrete slab structure at the Agency for Defence Development. The standoff blast distance is 1.5 m and the preliminary tests consists with TNT 9 lbs and TNT 35 lbs and the main tests used ANFO 35 lbs. It is the first ever blast experiment for nonmilitary purposes domestically. In this paper, based on the basic experiment procedure and measurement details for acquiring structural behavior data, the blast experimental measurement system and procedure are established details. The procedure of blast experiments are based on the established measurement system which consists of sensor, signal conditioner, DAQ system, software. It can be used as basic research references for related research areas, which include protective design and effective behavior measurements of structure under blast loading.
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문제 정의
따라서, 본 연구에서는 폭발에 의한 압력하중이 콘크리트 구조물에 미치는 영향 및 방호성능을 평가하기 위하여, 접근 가능한 국내외 관련 자료를 바탕으로 하여 국내 민간에서는 최초로 폭파실험을 수행하였다. 폭발하중을 받는 콘크리트 구조물은 1,000×1,000×150 mm의 철근콘크리트 슬래브로 제작하였으며, 실험은 국방과학연구소에서 수행하였다.
폭발하중을 받는 콘크리트 구조물은 1,000×1,000×150 mm의 철근콘크리트 슬래브로 제작하였으며, 실험은 국방과학연구소에서 수행하였다. 본 논문에서는 폭발하중을 받는 콘크리트 구조물의 실험적 거동분석을 하기 위한 기본적인 실험 구성 및 계측장비의 구성과 함께 계측 시스템 및 폭파실험 수행절차를 구축하였다.
폭발된 후에는 현장 및 시그널 획득 상태를 판단한 뒤 실험을 준비한 것과 반대순서 절차를 밟아 시편 하부면의 게이지 등을 제거한다. 이 때 게이지의 최종 연결 상태를 확인하여 신호획득의 신빙성 여부를 판단하도록 한다. 그런 다음 시편을 안전한 곳으로 옮겨 시편의 파괴 상태를 판단한다.
본 연구에서의 대상 구조물은 철근콘크리트 슬래브 구조물로 폭발하중이 발생하였을 때 슬래브 구조물의 파괴는 기둥의 파괴와 더불어 점진적 파괴(progressive collapse)를 유도할 수 있으며, 슬래브 구조물 자체의 파괴 및 손상은 인명 피해와도 직접적으로 연결됨으로 이를 실험대상 구조물로 선정하였다. 이와 같이 선정된 슬래브 구조물에 대기 중 자유폭발을 유도하며, 발생할 수 있는 폭발압력의 간섭효과 및 회절효과를 최소화하기 위해, 본 연구에서는 콘크리트 시편을 지면과 동일한 위치에 거치시키는 방법을 선택하였다(Razaqpur et al., 2007). 이때의 실험부지는 주변지형에 의한 폭발파의 영향을 적게 받을 수 있도록 사막이나 광활한 평야에서 수행되어야 하나 국내여건을 감안하여, 본 연구는 그림 4에서 보는 것과 같이 국방과학연구소 다락대 시험장에서 실험을 수행하였다.
가설 설정
구조물에 작용하는 하중은 작용시간의 관점에서 볼 때 정적하중, 동적하중, 그리고 아주 짧은 시간동안 작용하는 충격하중의 세 가지로 나누어 고려할 수 있다. 구조응답에서 관성효과를 발생시키지 않는 정적하중은 시간종속이 아니며, 오랜시간 동안 지속적으로 구조물에 작용한다고 가정할 수 있다. 한편, 지진이나 돌풍 등에 의해 발생하는 동적하중은 시간 의존적이며 일반적으로 하중의 종속시간은 수십분의 일초로 측정될 수 있으며, 구조물에 아주 큰 압력하중으로 매우 짧은 시간(100~104s−1)동안 작용하게 되면 그 응답은 충격영역에 속하게 된다.
제안 방법
(a)와 같이 5 mm의 변형률 게이지를 양단 철근의 인장부에 총 4개 부착하였으며 60 mm의 변형률 게이지를 콘크리트의 상하부면 각각에 중앙, 100 mm, 230 mm의 위치에 부착하였다(그림 9
2. 본 연구에서 수행한 폭파시험은 예비실험과 본실험으로 나눠 수행하였다. 예비실험에서는 TNT를 폭발물로 사용하였으나, TNT의 철제 폭탄외피로 인해 시편에서 받아들여지는 폭발압력하중을 측정의 어려움이 있어 성형가능한 ANFO를 사용하여 압력하중을 측정하였다.
따라서, 본 실험에서는 TNT에서 발생하는 파편효과를 감소시키기 위해 그림 6(b)와 같이 성형이 가능한 ANFO 35 lbs를 사용하였다. 각 폭발물의 보조장약(booster)으로는 다이너마이트 500 g을 사용하였으며, 예상되는 폭발압력을 산정하기 위하여 ConWEP을 이용하여 콘크리트 슬래브 구조물에 각 폭발물을 1.5 m 떨어진 이격거리(standoff)에서 폭발하는 경우에 대한 최대반사 압력과 충격량의 시간이력을 그림 7과 같이 나타내었다. 예비실험의 경우 TNT 폭약량의 증가에 따른 최대압력은 3배 이상이 증가함을 확인할 수 있었다(그림 7(a), (b)).
구조물의 거동을 측정하기 위해 unspringed방식의 ±1.0 in LVDT를 이용하여 그림 12(e)에서 보는 것과 같이 콘크리트 시편 하부면에 고정시킨 steel plate와 LVDT를 연결하여 콘크리트 시편의 거동을 측정하였다.
폭발하중은 매우 빠른 시간 내에 구조물에 큰 압력으로 작용하는 하중이므로, 일반적으로 사용하는 정적계측시스템보다 고성능의 계측시스템이 필요하다. 그러므로 본 연구에서는 폭발하중의 동적특성에 맞춰 콘크리트 구조물의 거동을 측정할 수 있는 게이지와 게이지를 고정할 수 있는 홀더를 제작하였으며, 동적측정장비로는 Dewe 2010, Dewe 5000을 사용하였다. 압력, 가속도, 처짐은 500 kHz, 변형률 게이지의 경우는 50 kHz의 높은 샘플링 속도로 계측하여 10 kHz의 아날로그 필터를 이용하여 시편의 거동을 분석할 수 있는 계측시스템을 구성하였다.
각목을 사용함으로써 폭파와 함께 콘크리트 시편 및 압력게이지에 가해질 수 있는 파편효과 등의 발생을 최소화하였다. 뇌관을 삽입한 보조장약을 폭발물 중앙에 설치하여 완폭을 유도하였다. 폭발압력하중은 바람의 속도, 온도, 습도 등에 환경적 조건에 크게 영향을 받으므로 이들을 체크해야 하며, 고열 및 굉음과 함께 터지므로 폭압의 영향이 없는 곳으로 대피하여 실험을 수행하게 된다.
대기 중 폭발입사압력(free field incident pressure)은 그림 8에서 보는 것과 같이 5m거리에서 측정하였으며, 1.0 m×1.0 m×150 mm의 콘크리트 시편에 받아들여지는 반사압력은 콘크리트 시편의 중앙부와 중앙부에서 230 mm(중앙에서 대각선 길이의 1/3지점) 떨어진 위치에서 측정하였다.
그러므로 그림 12(d)와 같이 개선하여 콘크리트 표면과 일정한 레벨을 유지할 수 있는 압력게이지 지그를 제작하여 폭발하중에 대한 저항성을 줄였다. 더불어 압력게이지 위에 vacuum grease를 발라줌으로써 효율적인 열전달이 이뤄지도록 하였으며, 압력게이지의 방향이 폭발하중의 normal 방향에 맞도록 정확한 각도를 유지하도록 하였다. 더불어 free field 압력게이지는 14.
폭발압력하중이 가해진 철근 콘크리트 슬래브 구조물의 거동을 분석하기 위하여 시편 지지구조물을 제작하여 지면과 시편을 동일한 높이로 만듦으로써, 슬래브구조물의 상부면에만 폭발압력하중을 받도록 일정한 시험조건을 일정하게 유지하였다. 더불어 폭발물 지지대를 제작하여 폭발물이 시편 상부의 1.5 m위에서 대기 중 자유폭발을 묘사하였다.
따라서, 콘크리트 시편을 거치시키고, 콘크리트 시편의 거동을 측정하기 위한 지지구조물을 그림 5(a)와 같이 제작하였으며 사용된 강재는 SM-520 두께 7 mm를 사용하였다. 또한 지지구조물 벽면을 따라 대략 250 mm 간격으로 보강재를 설치하여 폭발하중에 의한 변형을 최소화하였다. 지지구조물은 2.
추가적으로 콘크리트시편의 단부부분에서 처짐을 측정함으로써 단부에서의 처짐이 발생하였을 경우 시험조건을 균일화시키기 위한 목적으로 LVDT를 장착하였다. 또한 콘크리트 시편 하부면에 가속도 게이지를 부착함으로써 충격가속도 및 충격하중을 받는 콘크리트 시편의 거동을 살펴보도록 하였다. 그림 10은 실험에 사용된 장비들이며 data acquisition으로는 Dewetron사의 Dewe 2010과 Dewe 5000을 통해 data를 수집하였으며, 초고속 카메라는 1초에 5,000~6,800 frame으로 측정하였다.
또한 폭발하중을 받는 콘크리트 시편의 거동의 처짐을 측정하기 위해 중앙부에 거동을 측정할 수 있는 LVDT와 중앙부와 230 mm지점에 잔류변위(residual displacement)를 측정할 수 있는 LVDT를 배치하였다.
이는 빠른 속도로 작용하는 폭발하중의 특성으로 인해 구조물 거동의 원신호에 대한 손실을 최소화하기 위한 샘플링을 수행한 것이다. 본 연구에서 원하는 신호만을 얻기 위하여 각 sample rate group에 cutoff frequency가 100 kHz, 10 kHz인 4차의 Butterworth low pass analog filter를 각각 구성하여 계측신호에서 발생할 수 있는 노이즈들을 제거하였다.
구조물에 영향을 주는 폭발하중의 효과는 폭발 위치에 따라 대기 중 자유 폭발, 대기 폭발, 지표면 폭발 및 내부 폭발과 같이 크게 4가지로 구분할 수 있다. 본 연구에서는 그림 2와 같이 대기 중 자유폭발을 유도하여 콘크리트 슬래브 구조물에 폭발하중이 작용하도록 하였으며, 이와 같은 대기 중 자유폭발은 반사파 등의 압력의 방해 없이 초기 충격파를 측정할 수 있다.
앞서 구축된 계측시스템을 바탕으로 폭파시험의 수행절차를 정립해보면 그림 14와 같이 정리할 수 있다. 시험에 앞서 시편에 압력게이지홀더와 콘크리트 시편의 거동을 측정할 수 있도록 LVDT와 시편을 연결해주는 steel plate 등을 미리 설치하여 콘크리트 시편 지지구조물에 시편을 거치하였을 때 지지구조물 안에서의 작업을 단순화 시켜 작업의 효율성을 높이도록 한다.
그러므로 본 연구에서는 폭발하중의 동적특성에 맞춰 콘크리트 구조물의 거동을 측정할 수 있는 게이지와 게이지를 고정할 수 있는 홀더를 제작하였으며, 동적측정장비로는 Dewe 2010, Dewe 5000을 사용하였다. 압력, 가속도, 처짐은 500 kHz, 변형률 게이지의 경우는 50 kHz의 높은 샘플링 속도로 계측하여 10 kHz의 아날로그 필터를 이용하여 시편의 거동을 분석할 수 있는 계측시스템을 구성하였다.
압력게이지, LVDT, 가속도 게이지의 경우에는 500 kHz의 high sample rate grouping으로, 철근과 콘크리트 변형률의 경우에는 50 kHz의 low sample rate grouping으로, 모든센서에 대하여 over-샘플링 속도로 계측하였다. 이는 빠른 속도로 작용하는 폭발하중의 특성으로 인해 구조물 거동의 원신호에 대한 손실을 최소화하기 위한 샘플링을 수행한 것이다.
본 연구에서 수행한 폭파시험은 예비실험과 본실험으로 나눠 수행하였다. 예비실험에서는 TNT를 폭발물로 사용하였으나, TNT의 철제 폭탄외피로 인해 시편에서 받아들여지는 폭발압력하중을 측정의 어려움이 있어 성형가능한 ANFO를 사용하여 압력하중을 측정하였다.
, 2001). 주로 군용 폭발물은 폭발속도가 일반적으로 4,000~8,400 m/s범위의 고성능 폭발물을 사용하며 본 연구에서는 본 실험에 앞서, 약 6,900 m/s의 속도를 가진 TNT 9 lbs, TNT 35 lbs으로 예비실험을 수행하였다. 그러나, TNT의 경우는 폭발하면서 철제 폭탄외피가 약 45°로 전단파괴가 일어나 칼날과 같은 모양의 파편이 발생하였다.
추가적으로 콘크리트시편의 단부부분에서 처짐을 측정함으로써 단부에서의 처짐이 발생하였을 경우 시험조건을 균일화시키기 위한 목적으로 LVDT를 장착하였다. 또한 콘크리트 시편 하부면에 가속도 게이지를 부착함으로써 충격가속도 및 충격하중을 받는 콘크리트 시편의 거동을 살펴보도록 하였다.
실험을 수행하고자 하는 콘크리트 시편을 시편 지지구조물에 옮길 때에는 시편 중앙의 LVDT-behavior와 시편에 장착한 steel plate의 연결부위가 일치하도록 시편을 거치해야 한다. 측정 게이지들을 모두 연결한 다음 100 m 떨어진 계측지점에서 신호들이 정상적으로 받아지는 여부를 판단한다. 제작한 clamp와 충격방지용 고무패드, 강재 angle을 이용하여 시편을 고정시킨다.
02 mm×150 mm의 세트앙카(set anchor)로 고정하였다. 콘크리트 시편을 지지구조물 위에 고정시키기 위해 별도의 강재 angle과 clamp를 제작하여 콘크리트 시편과 지지구조물이 고정될 수 있도록 하였으며, 이때 콘크리트 시편과 지지구조물, 강재 angle과 clamp 사이에 고무패드를 삽입하여 일정한 지지조건을 만족시킴과 동시에 콘크리트 시편이 폭발하중에 의해 거동을 하면서 발생되는 움직임을 최소화하였다. 폭파시험 후 시편의 파괴형상 측정과 계측 관련 작업을 용이하기 위해 지지구조물의 한쪽 면을 모두 개방한 뒤 그림 5(b)와 같은 추가적인 frame을 이용하여 지지구조물과의 원활한 출입이 가능하도록 유도하였다.
특히, 본 연구에서 수행한 폭발하중과 같이 비반복적이고 one shot event인 경우는 원신호를 측정하기 위해 무한대의 샘플링을 수행해야 하나, 실질적으로 불가능하므로, 본 연구에서는 폭발하중에 의한 거동측정을 위해 최소한의 정보손실을 방지하기 위해 최대 주파수의 10배 이상의 높은 샘플링 속도로 계측을 수행하였다.
폭발압력하중을 받는 콘크리트 구조물에 미치는 영향 및 방호성능을 평가하기 위해 국내 민간에서 최초로 국방과학연구소에서 폭파시험을 수행하였으며, 본 연구를 통해 얻어진 결론은 다음과 같다.
폭발하중에 대한 구조물의 거동은 설계 및 해석상의 편의를 위해 Biggs(1964)에 의해 단자유도계(SDOF)와 다자유도계(MDOF)의 lumped mass model을 이용하여 폭발하중에 대한 구조물의 거동을 평가하고 근사적으로 설계할 수 있는 기법을 제시하였다. 그러나, 최근에는 이러한 근사적이며 단순화된 모델을 사용한 해석결과의 정확성 및 신뢰성의 향상을 위해 폭발하중 특성을 고려하여 강도증진효과 및 변형률 속도가 고려된 적절한 재료모델과 유한요소 모델링을 적용한 HFPB(High Fidelity Physics Based) 유한요소 해석기법에 관한 연구가 활발히 진행 중이다(Choi et al.
대상 데이터
따라서, 콘크리트 시편을 거치시키고, 콘크리트 시편의 거동을 측정하기 위한 지지구조물을 그림 5(a)와 같이 제작하였으며 사용된 강재는 SM-520 두께 7 mm를 사용하였다. 또한 지지구조물 벽면을 따라 대략 250 mm 간격으로 보강재를 설치하여 폭발하중에 의한 변형을 최소화하였다.
또한 콘크리트 시편 하부면에 가속도 게이지를 부착함으로써 충격가속도 및 충격하중을 받는 콘크리트 시편의 거동을 살펴보도록 하였다. 그림 10은 실험에 사용된 장비들이며 data acquisition으로는 Dewetron사의 Dewe 2010과 Dewe 5000을 통해 data를 수집하였으며, 초고속 카메라는 1초에 5,000~6,800 frame으로 측정하였다.
본 연구에서 사용한 동적측정장비로는 Dewe 2010과 Dewe 5000으로써 50~500 kHz의 상당히 높은 sampling rate을 가지고 있는 측정장비를 사용하였다. 이는 토목계측에서 주로 사용되는 TDS-303, TDS-602과 같은 정적측정장비의 경우 5~50 Hz의 샘플링 속도로 측정되며, 일반적인 토목 분야 동적측정장비의 경우에는 3~10 kHz의 비교적 낮은 샘플링 속도를 가지고 있으므로, 폭발하중과 같이 빠른 속도의 하중이 작용하는 경우 그림 13과 같이 실제의 거동과는 다르게 왜곡되어 측정할 수 있는 것이다.
본 연구에서의 대상 구조물은 철근콘크리트 슬래브 구조물로 폭발하중이 발생하였을 때 슬래브 구조물의 파괴는 기둥의 파괴와 더불어 점진적 파괴(progressive collapse)를 유도할 수 있으며, 슬래브 구조물 자체의 파괴 및 손상은 인명 피해와도 직접적으로 연결됨으로 이를 실험대상 구조물로 선정하였다. 이와 같이 선정된 슬래브 구조물에 대기 중 자유폭발을 유도하며, 발생할 수 있는 폭발압력의 간섭효과 및 회절효과를 최소화하기 위해, 본 연구에서는 콘크리트 시편을 지면과 동일한 위치에 거치시키는 방법을 선택하였다(Razaqpur et al.
, 2007). 이때의 실험부지는 주변지형에 의한 폭발파의 영향을 적게 받을 수 있도록 사막이나 광활한 평야에서 수행되어야 하나 국내여건을 감안하여, 본 연구는 그림 4에서 보는 것과 같이 국방과학연구소 다락대 시험장에서 실험을 수행하였다.
콘크리트 구조물 시편이 받는 폭발압력을 측정하기 위해 시편과 같은 면에 0.145 mV/kPa의 높은 민감도의 PCB-111A22 압력게이지를 사용하였으며, 이는 최대 103.4 MPa의 압력을 측정할 수 있다. 본 연구에서는 높은 압력과 충격에 견딜 수 있도록 그림 12(c)와 같은 형태의 홀더를 제작하였다.
폭발하중을 받는 콘크리트 구조물은 1,000×1,000×150 mm의 철근콘크리트 슬래브로 제작하였으며, 실험은 국방과학연구소에서 수행하였다.
성능/효과
1. 폭발압력하중이 가해진 철근 콘크리트 슬래브 구조물의 거동을 분석하기 위하여 시편 지지구조물을 제작하여 지면과 시편을 동일한 높이로 만듦으로써, 슬래브구조물의 상부면에만 폭발압력하중을 받도록 일정한 시험조건을 일정하게 유지하였다. 더불어 폭발물 지지대를 제작하여 폭발물이 시편 상부의 1.
3. 폭발하중은 매우 빠른 시간 내에 구조물에 큰 압력으로 작용하는 하중이므로, 일반적으로 사용하는 정적계측시스템보다 고성능의 계측시스템이 필요하다. 그러므로 본 연구에서는 폭발하중의 동적특성에 맞춰 콘크리트 구조물의 거동을 측정할 수 있는 게이지와 게이지를 고정할 수 있는 홀더를 제작하였으며, 동적측정장비로는 Dewe 2010, Dewe 5000을 사용하였다.
5 m 떨어진 위치에 고정시켜 대기 중 자유폭발을 유도한다. 각목을 사용함으로써 폭파와 함께 콘크리트 시편 및 압력게이지에 가해질 수 있는 파편효과 등의 발생을 최소화하였다. 뇌관을 삽입한 보조장약을 폭발물 중앙에 설치하여 완폭을 유도하였다.
ConWEP은 폭풍파, 파편, 지표면 충격, 탄공 등의 효과를 고려한 폭발하중의 계산이 가능하며, 그 중 폭풍파의 경우 폭발각도를 고려하여 자유공간, 지표면 근접 및 지표면 폭발 시의 폭발하중을 산정할 수 있다. 폭발물 중심으로부터의 거리가 1.5 m이며, 9 lbs의 TNT가 대기 중에서 구형 형태로 폭발했을 경우 TM5-1300에서 제시하고 있는 환산거리에 따른 폭발하중 변수와 ConWEP을 이용하여 계산된 폭발하중을 비교하면 그림 3과 같으며, 그 결과 각 프로그램에서 제시한 폭발하중이 큰 차이를 보이지 않는 것을 확인 할 수 있다.
후속연구
4. 본 연구에서 제안된 계측시스템을 바탕으로 구성된 폭파 시험수행절차를 통해 폭발하중을 받는 구조물의 효과적인 거동계측 및 분석을 이루어졌으며, 구축된 계측시스템 및 폭파실험 수행절차는 향후 관련분야 연구의 기초자료가 될 것이라고 판단된다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
변형률 속도와 구조물의 국부적인 손상을 고려하여 동적응답을 평가해야 하는 이유는 무엇인가?
폭발사고에 대하여 인명 및 시설물을 안전하게 보호하기 위해서는 기본적으로 구조물에 가해지는 폭발하중 효과에 대한 이해가 필요하다. 폭발하중은 매우 빠른 시간 내에 콘크리트 구조물에 큰 압력으로 작용하는 하중이므로 변형률 속도와 구조물의 국부적인 손상을 고려하여 동적응답을 평가해야 한다. 일반적으로, 콘크리트는 다른 건설재료에 비해 상대적으로 높은 폭발저항성을 가진 재료로 알려져 있다.
일반적으로 콘크리트는 어떠한 재료로 알려져 있는가?
폭발하중은 매우 빠른 시간 내에 콘크리트 구조물에 큰 압력으로 작용하는 하중이므로 변형률 속도와 구조물의 국부적인 손상을 고려하여 동적응답을 평가해야 한다. 일반적으로, 콘크리트는 다른 건설재료에 비해 상대적으로 높은 폭발저항성을 가진 재료로 알려져 있다. 그러나 폭발실험이라는 특수한 실험조건으로 인하여 국내외적으로 실험에 관련된 정보 및 결과 공유가 상당히 제한적으로 이뤄지고 있는 실정이다.
폭발압력하중에 의한 콘크리트 구조물의 영향에 대한 연구의 한계는 무엇인가?
폭발압력하중에 의한 콘크리트 구조물의 영향에 대한 연구는 제 2차 세계대전 이후부터 활발히 진행되었으며, 토목 및 군사구조물에 여러 원인에 의한 큰 압력하중이 작용하였을 경우에 구조물이 어떠한 거동을 보이는가에 대한 관심을 기울이기 시작하였다. 이러한 연구는 미국 및 유럽 등을 중심으로 현재까지도 진행 중이지만, 국가안보와도 밀접한 관계가 있는 분야이므로, 국방산업 혹은 석유화학산업 등과 같이 상대적으로 위험요소에 많이 노출되어 있는 분야의 기술자들에 의해 한정적으로 연구가 진행되어 왔다. 그러나 최근에는 9.
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