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문제 정의
- 본 연구에서는 주로 교량의 부재를 구성하는 강판과 콘크리트 구조물에 대하여 폭파 절단하는 시험을 수행하면서 전색효과에 대하여 고찰하였다. 강 부재로서는 국내에서 흔히 사용되는 SM490, SS400을 대상으로 하였고 콘크리트 부재는 부재의 형상에 따라 블록과 교절 모형으로 제작하고 붙이기 발파를 실시하였다.
제안 방법
- 콘크리트 블록은 300×1,000×330cm3 규격으로 제작하였으며 28일간의 양생기간을 걸쳐 콘크리트 설계기준강도를 맞추었다. 또 콘크리트 박스거더 하부 교절모형을 제작하여 콘크리트 파괴장전 공식을 적용하고 전색으로 인한 부재의 파괴여부를 검증하였다(그림 3).
- 미 육군본부 교범에서 제시한 강 부재 두께 및 폭에 따른 TNT약량 산정표를 기준으로 표준장약량을 약 790g으로 산정하고 전색에 따른 장약량의 저감효과에 대하여 분석하였다. SM400 강 부재의 경우 표준 장약량 대비 46%인 363g 약량에서 무전색 절단 되었다.
- 이에 따라 점토 전색과 함께 장약량을 줄여서 폭파 시험하였다. 그림 9와 10은 점토로 전색한 콘크리트 블록 부재에 대한 외부장약 발파 실험 결과로서 90g 의 장약에 대해서 부재가 절단된 것을 알 수 있으며 45g에 대해서는 절단되지 않고 반파되었음을 볼 수 있다.
- 전색의 효과는 천공법의 경우 전색재의 저항력 등으로 측정할 수 있으나(진연호, 2012), 붙이기 발파에서는 적절한 방법이 없어서 무전색 완전 파괴 장약과 전색 발파 시 완전 파괴 장약을 비교하는 방법으로 구하였다.
- 콘크리트 블록은 300×1,000×330cm3 규격으로 제작하였으며 28일간의 양생기간을 걸쳐 콘크리트 설계기준강도를 맞추었다.
- 폭파실험은 미리 제작한 시험틀에 강 부재를 고정하고 부재 중앙부분에 TNT를 외부 장약하였다. 그림 2는 시험틀 위에 설치된 강 부재와 장약의 모습이다.
대상 데이터
- 강 부재로는 600×200×15(mm) 규격의 SS400과 SM490으로 실험하였다.
- 본 연구에서는 주로 교량의 부재를 구성하는 강판과 콘크리트 구조물에 대하여 폭파 절단하는 시험을 수행하면서 전색효과에 대하여 고찰하였다. 강 부재로서는 국내에서 흔히 사용되는 SM490, SS400을 대상으로 하였고 콘크리트 부재는 부재의 형상에 따라 블록과 교절 모형으로 제작하고 붙이기 발파를 실시하였다.
- 두께 15mm의 SS400 강 부재에 대하여 구리 및 철제 전색캡과 우레탄폼을 적용하였고 두께 15mm의 SM490 강 부재에 대해서는 점토 및 모래를 적용하였다.
- 무전색 장약량 363g에 대하여 75%인 272g을 적용하여 전색캡, 우레탄을 적용하였다. 그림 4~7은 폭파 실험 후 강 부재의 상태를 나타낸 것이다.
- 강재의 종류는 재질에 따라 일반구조용 압연강재, 용접구조용 압연강재, 용접 구조용 내후성 열간 압연 강재, 일반 구조용 경량 형강 등이 있으며 철골조 구조물에는 일반구조용 압연강재와 용접구조용 압연 강재가 가장 많이 사용되고 있다. 본 실험에서는 국내에서 가장 많이 사용되고 있는 일반구조용 압연강재 (SS400)와 용접구조용 압연강재(SM490)를 사용하였다.
- 본 실험에서는 위력이 일정하여 기준폭약으로 사용되고 있는 TNT(tri-nitro-toluene) 카트리지를 이용하여 실험하였다.
- 그림 7. 부재(SM490), 전색(모래), 장약량(272g).
- 그림 6. 부재(SM490), 전색(점토), 장약량(272g).
- 그림 5. 부재(SS400), 전색(우레탄 폼), 장약량(272g).
- 그림 4. 부재(SS400), 전색(전색캡), 장약량(272g).
- 전색재료는 구입이 용이하며 적정한 전색효과가 예상되는 점토, 모래, 우레탄 폼과 동, 철로 제작한 전색 캡을 이용하여 실험하였다.
- 콘크리트용 시멘트로는 KS L 5201에 규정한 보통 포틀랜드 시멘트를 사용하였으며 내구성 및 강도 향상을 위하여 KS D 2560에 적합한 AE감수제를 혼화제로 사용하였다.
- 콘크리트의 특성을 고려하여 블록 파괴 실험을 하였고 전색재료는 점토를 사용하였다. 부재가 다른 구조물에 접하지 않는다는 가정하에 목재 받침을 고여서 모든 면을 자유면으로 유지하였다.
이론/모형
- TNT를 이용한 콘크리트 장약량 공식은 콘크리트 파괴 장전공식(Headquarters Department of The ARMY, 2007)을 사용하였다.
- 본 실험에서의 강 부재에 대한 장약량은 (Headquarters Department of The ARMY, 2007)의 공식을 사용하였다.
성능/효과
- 군사작전 개념에 따라 실시되는 구조물 부재에 대한 외부장약 발파에서 강 부재나 콘크리트 부재에 대한 파괴장전공식은 다소 보수적인 것으로 판단되었다. 전색 효과를 분석한 결과 강 부재에 대한 전색캡(구리, 철)과 우레탄 폼, 모래 주머니의 전색효과는 기대할 수 없었다.
- 21kg 이었으며 블록 시험과 마찬가지로 장약량을 감소하면서 완전파괴가 가능한 최소 장약량을 구하였다. 그 결과 4.53kg에서 무 전색 완파되었으며 이에 따라 모래주머니로 전색할 때의 장약량은 4.53kg 이하로 실험하였다. 그 결과 무 전색 파괴장약량의 80%인 3.
- 53kg 이하로 실험하였다. 그 결과 무 전색 파괴장약량의 80%인 3.63kg에서 완파되었다. 이에 따라 모래주머니의 전색에 따른 약량 절감효과는 적어도 20% 이상일 것으로 추정된다.
- 그림 9와 10은 점토로 전색한 콘크리트 블록 부재에 대한 외부장약 발파 실험 결과로서 90g 의 장약에 대해서 부재가 절단된 것을 알 수 있으며 45g에 대해서는 절단되지 않고 반파되었음을 볼 수 있다. 따라서 점토로 전색할 경우 표준 장약량 보다 현저히 적은 장약량으로 완전 발파가 이루어짐을 확인할 수 있다. 실제 무전색 절단 장약량에 대해서는 1/3 수준의 장약량으로 발파가 완전히 이루어졌음을 확인할 수 있다.
- 전색 효과를 분석한 결과 강 부재에 대한 전색캡(구리, 철)과 우레탄 폼, 모래 주머니의 전색효과는 기대할 수 없었다. 반면에 점토의 전색효과는 무전색 약량의 75% 약량에서 절단이 되어 25% 이상의 효과를 기대할 수 있었고 콘크리트 부재에 대해서는 33% 약량만으로 완파가 되어 콘크리트 부재가 강 부재 보다 점토의 전색효과가 큰 것으로 나타났다. 박스거더 하부 교절모형에 대해서도 20% 이상의 전색 효과를 기대할 수 있을 것으로 보인다.
- 33m를 파괴반경으로 하여 콘크리트 파괴 장전 공식을 적용한 결과 표준장약량은 998g으로 계산되었다. 장약량을 줄여가며 무전색으로 실시한 파괴시험 결과, 180g의 약량으로는 부재의 파쇄정도가 심각하지 않고 일정 부분 부재의 기능을 유지할 수 있는 것으로 관측되었다. 반면 272g의 장약량에 대해서는 부재가 절단되어 무전색 파괴 최소장약량은 TNT 272g으로 판단하였다.
- 군사작전 개념에 따라 실시되는 구조물 부재에 대한 외부장약 발파에서 강 부재나 콘크리트 부재에 대한 파괴장전공식은 다소 보수적인 것으로 판단되었다. 전색 효과를 분석한 결과 강 부재에 대한 전색캡(구리, 철)과 우레탄 폼, 모래 주머니의 전색효과는 기대할 수 없었다. 반면에 점토의 전색효과는 무전색 약량의 75% 약량에서 절단이 되어 25% 이상의 효과를 기대할 수 있었고 콘크리트 부재에 대해서는 33% 약량만으로 완파가 되어 콘크리트 부재가 강 부재 보다 점토의 전색효과가 큰 것으로 나타났다.
- 콘크리트 블록의 두께 0.33m를 파괴반경으로 하여 콘크리트 파괴 장전 공식을 적용한 결과 표준장약량은 998g으로 계산되었다. 장약량을 줄여가며 무전색으로 실시한 파괴시험 결과, 180g의 약량으로는 부재의 파쇄정도가 심각하지 않고 일정 부분 부재의 기능을 유지할 수 있는 것으로 관측되었다.
- 파괴 장전 공식에 의한 파괴반경 0.64m의 교절모형에 대한 파괴 표준 장약량은 7.21kg 이었으며 블록 시험과 마찬가지로 장약량을 감소하면서 완전파괴가 가능한 최소 장약량을 구하였다. 그 결과 4.
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