현재까지 발파해체는 건축물과 토목구조물들을 대상으로 하고 있으나 본 연구에서는 밀폐철재구조물(압력용기) 내부에 물을 채우고 폭약의 힘이 작용하는 해체에 관한 기초연구를 하였다. 일정양의 폭약을 밀폐압력용 기내에 넣고 완전 탄성체로 가정할 수 있는 물($H_2O$)을 압력전달 매개체로 하여 밀폐압력용기의 파괴양상을 관찰하였다. 이때 폭발압력은 Abel의 상태방정식을 이용하여 정량화 하였으며, 그 결과 압력전달 매개체(물)가 있을 경우 밀폐압력용기의 인장강도보다 작은 힘으로 파괴가 발생하였으며, 그렇지 않은 경우에는 약 7.1~8.5배의 폭발압력이 필요하였다. 또한, 압력전달 매개체가 없을 경우(공기만 존재) 폭발압력은 일정값에 도달하기 전까지 파괴에 영향을 미치지 못하고 완전 소산 또는 비산하는 현상을 나타내었다. 실험에 이용한 강철(steel)로 이루어진 밀폐압력용기는 파괴되는 양상에 있어서 대부분 탄성-소성파괴의 형태를 보였으며 최초 항복이 일어나는 지점은 용접부위의 경계부분으로 열소성 변형을 받았다고 판단되는 부분이었다.
현재까지 발파해체는 건축물과 토목구조물들을 대상으로 하고 있으나 본 연구에서는 밀폐철재구조물(압력용기) 내부에 물을 채우고 폭약의 힘이 작용하는 해체에 관한 기초연구를 하였다. 일정양의 폭약을 밀폐압력용 기내에 넣고 완전 탄성체로 가정할 수 있는 물($H_2O$)을 압력전달 매개체로 하여 밀폐압력용기의 파괴양상을 관찰하였다. 이때 폭발압력은 Abel의 상태방정식을 이용하여 정량화 하였으며, 그 결과 압력전달 매개체(물)가 있을 경우 밀폐압력용기의 인장강도보다 작은 힘으로 파괴가 발생하였으며, 그렇지 않은 경우에는 약 7.1~8.5배의 폭발압력이 필요하였다. 또한, 압력전달 매개체가 없을 경우(공기만 존재) 폭발압력은 일정값에 도달하기 전까지 파괴에 영향을 미치지 못하고 완전 소산 또는 비산하는 현상을 나타내었다. 실험에 이용한 강철(steel)로 이루어진 밀폐압력용기는 파괴되는 양상에 있어서 대부분 탄성-소성파괴의 형태를 보였으며 최초 항복이 일어나는 지점은 용접부위의 경계부분으로 열소성 변형을 받았다고 판단되는 부분이었다.
The Demolition blasting has been applied for buildings and structures so far. In this study, however, a confined vessel blasting filled with water has been focused. A small amount of explosives were placed in a sealed vessel with water, perfect elastic body, supposed as a relay agent in it, and the ...
The Demolition blasting has been applied for buildings and structures so far. In this study, however, a confined vessel blasting filled with water has been focused. A small amount of explosives were placed in a sealed vessel with water, perfect elastic body, supposed as a relay agent in it, and the blasting aspect was observed. Blasting pressure was standardized by Abel's equation of state. In result, if there was a relay agent in it, the pressure vessel was torn apart with smaller power than its tensile strength. If there was not, it needed 7.1~8.5 times as much power as the previous one, and the blasting pressure had not also affected the demolition and it had gone or vanished until it reached a certain point, In terms of pressure vessel made by steel, the elastic-plastic failure was took a place, and the first yield point happened along the welded area as a form of heating plastic failure we thought.
The Demolition blasting has been applied for buildings and structures so far. In this study, however, a confined vessel blasting filled with water has been focused. A small amount of explosives were placed in a sealed vessel with water, perfect elastic body, supposed as a relay agent in it, and the blasting aspect was observed. Blasting pressure was standardized by Abel's equation of state. In result, if there was a relay agent in it, the pressure vessel was torn apart with smaller power than its tensile strength. If there was not, it needed 7.1~8.5 times as much power as the previous one, and the blasting pressure had not also affected the demolition and it had gone or vanished until it reached a certain point, In terms of pressure vessel made by steel, the elastic-plastic failure was took a place, and the first yield point happened along the welded area as a form of heating plastic failure we thought.
* AI 자동 식별 결과로 적합하지 않은 문장이 있을 수 있으니, 이용에 유의하시기 바랍니다.
문제 정의
지금까지 폭약의 폭굉에너지를 이용한 해체공법은 건축물과 토목 구조물 등 여러 가지를 해체하여 왔다. 본 연구에서는 기존 해체공법과는 달리 폭약의 힘이 철구조물에 대한 역학적 거동을 유발하여 점진적 또는 단계적인 해체의 진행양상이 아닌 밀폐 또는 차폐된 철구조물(Steel Structures)을 폭약의 폭굉에너지로서 발생하는 급격한 압력의 변화를 이용하여 용기의 해체에 대한 기초적 연구를 하였다.
따라서 이를 역이용하여 밀폐압력용기의 내부에 액체 즉, 물(H2O)로 충전하고 적은 양의 폭약의 힘을 이용하여 쉽게 완전 해체되는 것을 실험하였다. 이를 기초로 하여 향후 대형 밀폐구조물의 발파해체 실험에 적용하고자 함이 본 연구의 목적이다.
가설 설정
따라서 해당 밀폐압력용기는 용접부위가 취약점으로 작용하지 않고 완전 밀폐된 상태로 가정할 경우 파괴에 이르기까지의 압력은 392MPa 이상이 필요한 것으로 유추할 수 있다. 그러나 장약작업을 위하여 밸브를 제거하였기 때문에 석고, 찰흙 등으로 밸브부위를 전색 하더라도 폭발압력이 상당부분 감소된다고 가정하였다.
제안 방법
3.1에서는 압력전달 매개체인 물을 이용하여 용기 내부를 채웠으나, 여기서는 밀폐압력용기내에 물을 채우지 아니하고, 압력전달 매개체를 공기만 존재하는 상태에서 실험을 하였고 Fig. 3과 같이 폭약은 용기의 중앙부에 위치하도록 하였다. 이때에는 47l의 용기만 실험하였고, 총 5개의 용기에 장전된 폭약량을 각각 약 200∼600g씩을 장전하였다.
Fig. 2와 같이 밀폐압력용기의 내부에 압력전달 매개체인 물을 사용하여 폭발압력을 효과적으로 전달되도록 폭약을 용기의 중앙부에 위치하도록 하고 물을 완충하였고, 장전된 폭약의 양은 약 30∼70g씩 장약량을 달리하며 폭파실험을 하였다.
뇌관의 폭발압력은 고려하지 않았으며 장약간 거리가 먼 경우 m당 20g 도폭선을 사용하였다. 각각의 실험 시 초고속 카메라 촬영하여 폭발할 때의 거동을 관찰하였다.
내압을 견디도록 설계된 밀폐 형태의 구조물 즉, LPG Gas 용기는 최초 설계 시 각각의 요구되는 압력에 대하여 완전히 차폐되는 성능을 가지며 이것은 밀폐압력용기(Confined vessel ; LPG Gas 용기)의 기본 설계방법이다(한국산업안전공단, 2008). 따라서 이를 역이용하여 밀폐압력용기의 내부에 액체 즉, 물(H2O)로 충전하고 적은 양의 폭약의 힘을 이용하여 쉽게 완전 해체되는 것을 실험하였다. 이를 기초로 하여 향후 대형 밀폐구조물의 발파해체 실험에 적용하고자 함이 본 연구의 목적이다.
밀폐압력용기 내부를 하나의 발파공으로 가정하면 내부에서 발생되는 폭발압력을 상기에 정리한 Abel의 상태방정식으로 도출할 수 있다. 또한 디커플링 효과에 의한 충격량 전달에 있어서 본 실험에서는 폭발압력의 효율적인 전달을 위해 밀폐압력용기 내부를 순수한 물(H2O)로 채움으로서 디커플링 지수(decoupling index ; D.I)를 1.0에 근접하도록 하였다. 또한 순수한 물의 체적 탄성률은 22 × 109 N/m2(= Pa)이나 시간 상수를 고려할 때 폭발반응의 특성상 매우 짧은 순간의 반응이 일어나므로 압축률을 무시하였다.
밀폐압력용기의 내부에 폭약을 장전하고 매개체가 있는 경우와 없는 경우를 비교하여 발파해체 실험한 결과 다음과 같은 결론을 도출하였다.
압력전달 매개체의 효과를 알아보기 위하여 47l 밀폐압력용기 5개에 물을 채우지 않은 상태에서 물을 채웠을 경우와 동일하게 폭약을 용기의 종앙부에 Table 4와 같이 약 200g, 300g, 400g, 500g 및 600g 을 각각 위치하게 하여 발파를 하였다.
이때에는 47l의 용기만 실험하였고, 총 5개의 용기에 장전된 폭약량을 각각 약 200∼600g씩을 장전하였다.
정밀폭약의 임계폭경을 고려하여 최초 17mm로 성형하여 장약하였고, 뇌관은 순발뇌관 1발만을 사용하였다. 뇌관의 폭발압력은 고려하지 않았으며 장약간 거리가 먼 경우 m당 20g 도폭선을 사용하였다.
대상 데이터
정밀폭약의 임계폭경을 고려하여 최초 17mm로 성형하여 장약하였고, 뇌관은 순발뇌관 1발만을 사용하였다. 뇌관의 폭발압력은 고려하지 않았으며 장약간 거리가 먼 경우 m당 20g 도폭선을 사용하였다. 각각의 실험 시 초고속 카메라 촬영하여 폭발할 때의 거동을 관찰하였다.
본 실험에서는 에멀젼 계열 정밀폭약을 사용하였고 이 화약류의 제원은 Table 1과 같다.
실험에 사용한 밀폐압력용기는 Fig. 1과 같이 24l와 47l를 사용하였다.
실험에 사용한 밀폐압력용기는 Fig. 1과 같이 국내에서 널리 사용되는 KS규격의 재충전용 액화석유가스 용접용기(Confined vessel ; LPG Gas 용기)를 사용하였다.
이론/모형
그러나 이 경우 실제 폭발에서는 생성 가스량이 폭약의 상태 및 폭굉조건에 따라 달라지므로 계산과정이 매우 복잡하고 오차범위가 크며 또한 폭발로 인한 생성가스를 이상기체로 취급하면 실제 폭발압력보다 현저히 작은 값으로 도출되어 일반적인 발파압력으로 사용할 수 없다(권상기, 2000). 이를 수정하기 위하여 Dyno Nobel 사의 Nitro Dyne 공식을 이용하였으며 이는 일정한 부피를 가지는 폭약이 완전 반응하여 기체가 되었을 때 자유로운 운동을 할 수 있는 공간은 실제 용적만큼 작아진다는 것으로 Abel의 상태방정식과 같다.
성능/효과
1) 밀폐압력용기 원자재의 인장강도는 392MPa 이상이나 압력전달 매개체(물 ; H2O)를 사용하였을 경우 최소 125.17MPa에서 미소파괴(crack)가 발생하였으며 24l 밀폐압력용기의 경우 폭약 60g, 추정 폭발압력 약 187.75MPa에서 파괴되었고, 47l 밀폐압력용기의 경우 폭약 70g, 추정 폭발압력 약 219.05MPa에서 파괴가 일어났으며, 그 이하의 폭약으로는 파괴가 되지 아니하였다.
2) 압력전달 매개체가 없는 경우 폭약 500g, 추정 폭발압력 1,564.62MPa 이상에서 파괴가 발생하여 압력전달 매개체인 물을 사용할 때보다 약 7.1∼8.5배의 폭약이 더 필요함을 알 수 있었다.
3) 최초 파단면의 형성은 용기에 수직한 방향(세로)으로 발생하였으며, 이는 압력에 대한 저항성이 가장 큰 구(球)의 형태를 가진 상, 하부보다 상대적으로 저항이 약한 평면부위에서 파괴가 시작된 것으로 사료된다. 또한 용접부위는 취약점으로 작용하지 않으나 용접부위의 경계지점에서 대부분의 파괴가 발생한 것으로 나타났다.
따라서, 용기에 물을 채워서 실험한 결과 Table 3에서 47l 밀폐압력용기의 경우 약 70g에서 파괴가 발생한 것과 비교하면 약 7.1∼8.5배의 폭발압력이 더 가해져야만 압력전달 매개체를 이용하지 않아도 파괴가 일어남을 알 수 있었다(오규형 외, 1999).
실험 결과에서 폭약의 양이 24l 용기는 60g 이상에서, 47l 용기는 70g 이상에서 완전 파괴가 일어남을 알 수 있었다.
이 결과 Fig. 6과 같이 폭약을 200∼400g 장약한 경우에는 파괴가 발생하지 않았고, Fig. 7과 같이 500g과 600g에서는 완전 파괴가 일어났다.
8은 24l 밀폐압력용기가 70g의 폭약이 수중에 장약되고 파괴될 때의 스틸컷(still cut)이다. 이때 초고속 카메라의 영상분석을 통해 분석한 결과 모든 실험에서 파괴양상은 폭굉 후 부풀어 오름(탄성 한계도달 ; 1ms 이내)에서 수직방향 균열, 압력매개체(물)의 분출로 인한 찢어짐(탄성-소성파괴)의 형태로 나타났으며, 24l 용기의 경우 파괴형태가 비교적 다양하였으나 파쇄가 아닌 찢어짐의 흔적이 뚜렷이 보였으며, 47l 용기의 경우 최초 가장 취약부분이라고 사료되는 용접부위의 가장자리로 크랙이 발생하면 Fig. 9와 같이 그 용접선 방향을 따라 찢어지는 모습으로 파괴가 진행되어 최종적으로 Fig. 7과 같은 형태가 되었다(이승재, 2008).
후속연구
4) 원 재료의 인장강도인 392MPa의 약 33.6%에 불과한 최소 추정 폭발압력 125.17MPa에서 미소파괴(Crack)가 발생하였던 점으로 미루어 보아 폭발열(2,301.33K)에 따른 내부 수증기의 팽창압이 파괴에 관여하였다고 생각되며, 이는 향후 지속적인 연구를 통해 상관성을 파악할 필요가 있다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
밀폐압력용기는 어떤 기본 설계방법을 갖는가?
내압을 견디도록 설계된 밀폐 형태의 구조물 즉, LPG Gas 용기는 최초 설계 시 각각의 요구되는 압력에 대하여 완전히 차폐되는 성능을 가지며 이것은 밀폐압력용기(Confined vessel ; LPG Gas 용기)의 기본 설계방법이다(한국산업안전공단, 2008). 따라서 이를 역이용하여 밀폐압력용기의 내부에 액체 즉, 물(H2O) 로 충전하고 적은 양의 폭약의 힘을 이용하여 쉽게 완전 해체되는 것을 실험하였다.
Nitro Dyne 공식은 어떤 원리를 기초로 했는가?
그러나 이 경우 실제 폭발에서는 생성 가스량이 폭약의 상태 및 폭굉조건에 따라 달라지므로 계산과정이 매우 복잡하고 오차범위가 크며 또한 폭발로 인한 생성가스를 이상기체로 취급하면 실제 폭발압력보다 현저히 작은 값으로 도출되어 일반적인 발파압력으로 사용할 수 없다(권상기, 2000). 이를 수정하기 위하여 Dyno Nobel 사의 Nitro Dyne 공식을 이용하였으며 이는 일정한 부피를 가지는 폭약이 완전 반응하여 기체가 되었을 때 자유로운 운동을 할 수 있는 공간은 실제 용적만큼 작아진다는 것으로 Abel의 상태방정식과 같다.
Confined vessel의 내압성능은 어느정도인가?/
KS 규격에 따르면 용기는 3조각의 각각 부위를 용접하여 내압성능을 강화한 것으로 30MPa의 내압에서 기밀성을 유지하며 원재료(steel)의 인장강도는 392MN/m2 (MPa)이상이다(김청균 외, 2007). 따라서 해당 밀폐압력용기는 용접부위가 취약점으로 작용하지 않고 완전 밀폐된 상태로 가정할 경우 파괴에 이르기까지의 압력은 392MPa 이상이 필요한 것으로 유추할 수 있다.
참고문헌 (6)
윤지선 역, 1998, 最新 發破技術, 구미서관, 서울, pp. 55.
한국산업안전공단 교재자료개발팀, 2008, 압력용기의 종류 및 구조.
권상기, 2000, 고성능 폭약의 성능에 영향을 미치는 요소들의 이론적 계산, 한국암반공학회, 서울, pp. 218-226.
김청균, 정남인, 2007, LPG용기의 강도 안전성에 관한 유한요소해석, 한국가스학회지, 제11권, 제2호, pp. 55-59.
※ AI-Helper는 부적절한 답변을 할 수 있습니다.