[논문]AUTODYN을 이용한 LNG 폭발 사고 위력 평가에 관한 법공학적 연구

김의수; 김종혁; 심종헌; 김진표; 고재모; 박남규

doi:10.14346/jkosos.2015.30.4.56

AUTODYN을 이용한 LNG 폭발 사고 위력 평가에 관한 법공학적 연구
A Forensic Engineering Study on Evaluation of Explosive Pressure and Velocity for LNG Explosion Accident using AUTODYN 원문보기

한국안전학회지 = Journal of the Korean Society of Safety, v.30 no.4, 2015년, pp.56 - 63

김의수 (국립과학수사연구원) , 김종혁 (국립과학수사연구원) , 심종헌 (국립과학수사연구원) , 김진표 (국립과학수사연구원) , 고재모 (국립과학수사연구원) , 박남규 (국립과학수사연구원)

Abstract ▼ AI-Helper

Gas explosion accidents could cause a catastrophe. we need specialized and systematic accident investigation techniques to shed light on the cause and prevent similar accidents. In this study, we had performed LNG explosion simulation using AUTODYN which is the commercial explosion program and predicted the damage characteristics of the structures by LNG explosive power. In the first step, we could get LNG's physical and chemical explosion properties by calculation using TNT equivalency method. And then, by applying TNT equivalency value about the explosion limit concentration of LNG on the 2D-AUTODYN simulation, we could get the explosion pressure wave profiles (explosion pressure, explosion velocity, etc.). In the last step, we performed LNG explosion simulation by applying to the explosion pressure wave profiles as the input data on the 3D-AUTODYN simulation. As a result, we had performed analyzing of the explosion characteristics of LNG in accordance with concentration through the 3D-AUTODYN simulation in terms of the explosion pressure behavior and structure's destruction and damage behavior.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

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문제 정의

이에 본 연구에서는 최근에 발생된 다세대 주택 내 원룸 LNG 폭발 사고를 바탕으로 원룸 구조와 유사한 밀폐된 벽체 구조물에 철근-콘크리트 구조를 적용하여 이를 모델링하고, TNT 당량법을 통해 누출된 LNG의 양을 계산한 후, 폭발 상용 해석 프로그램인 AUTODYN에 적용하여 폭발 위력 해석을 수행함으로써 가스 폭발 사고 발생 시 피해 특성 예측 기술을 확보하고, 정확한 가스 사고원인 분석에 활용하고자 한다.

가설 설정

8에 나타낸 바와 같이 라그랑지 구조인 콘크리트 모델과 철근 모델이 결합된 상태에서 오일러 구조인 공기 모델과 연성되어 구성된다. 경계조건으로는 가스 폭발의 점화원이 원룸 내 중심부에 존재하고 가스가 공간 내 균일 분포된 상태에서 완전 연소가 일어난다고 가정하였으며, 점화원에 의해 발생된 폭압은 폭원으로부터 균일하게 전파된다고 가정하였다. 앞서 2차원 해석을 통해 얻어진 폭발 압력 전파 프로파일을 Fig.
본 연구에서는 2.2항에서의 재구성된 3차원 모델에 대하여 원룸 벽체 전체 재질을 철근-콘크리트 구조로 가정하였으며, LNG가 3.2×2.4×5.6 m3 크기의 원룸 내에 누설되어있다고 가정하였다.

제안 방법

5에 나타낸 바와 같다. 공기영역은 압력전파형상(구형)을 모사하기 위해 2D Wedge형상을 이용하여 공기영역을 구성하였고, TNT 영역은 TNT 당량에 해당되는 체적을 고려하여 Table 3과 같이 TNT 영역의 크기가 결정된다.
9 ~ 15%이고, 최대 폭발 압력이 작용하는 범위는 중간 범위인 9%에 해당된다¹⁵⁾. 따라서 폭발 하한계인 4.9%의 경우와 최대 폭발 압력이 작용하는 9%의 경우에 대해 TNT 당량법을 이용하여 가스 폭발 위력의 특성을 비교, 평가하였다. LNG의 주성분은 메탄(CH4)99%로 가스 분자량은 16 g/gmol이며, 가스 연소열은 13,000 kcal/kg으로 이상기체방정식을 통해 공간 내 누출된 가연성 가스량(kg)을 산출할 수 있다.
본 연구에서 수행한 AUTODYN을 이용한 가스 폭발해석은 다음의 두 가지 단계를 거쳐 수행된다. 1단계는 앞서 기술된 TNT 당량을 이용하여 가스 폭발 특성을 정의하고 공기와 TNT 만이 고려된 2차원 모델로부터 폭발 압력 전파 프로파일(폭발 압력, 폭발 속도 등)을 산출하기 위한 해석이다.
본 연구에서는 대형 인적 및 물적 피해를 잠재하고 있는 가스 폭발사고 대해 사고의 주요 대상물인 LNG가스의 폭속 및 폭압 등의 물리적, 화학적 특성을 TNT 당량법에 의해 계산을 통해 파악한 후 폭발 상용 해석프로그램인 AUTODYN을 이용하여 실제 발생한 가스누설 사고를 바탕으로 가스 폭발 위력 해석을 수행함으로써 구조물의 파손 특성 및 발생할 수 있는 피해 특성을 예측하였다.
상기 3.2항에서 산출된 TNT 당량을 이용하여 가스폭발 압력 데이터를 산출하기 위한 2차원 해석을 수행하였으며, 2차원 해석 모델은 Fig. 5에 나타낸 바와 같다. 공기영역은 압력전파형상(구형)을 모사하기 위해 2D Wedge형상을 이용하여 공기영역을 구성하였고, TNT 영역은 TNT 당량에 해당되는 체적을 고려하여 Table 3과 같이 TNT 영역의 크기가 결정된다.
상기 3.3항의 2차원 폭발 해석에서 얻은 결과값인 Fig. 6과 Fig. 7을 실제 사고 사례 모델에 적용하여 LNG의 폭발 상하한계에 따른 벽체 구조물의 거동 특성과 폭압의 전파특성을 파악하여 폭발 위력을 비교, 분석하였다.
경계조건으로는 가스 폭발의 점화원이 원룸 내 중심부에 존재하고 가스가 공간 내 균일 분포된 상태에서 완전 연소가 일어난다고 가정하였으며, 점화원에 의해 발생된 폭압은 폭원으로부터 균일하게 전파된다고 가정하였다. 앞서 2차원 해석을 통해 얻어진 폭발 압력 전파 프로파일을 Fig. 9에 나타낸 바와 같이, 폭발 입력데이터로 적용하여 해석을 수행하였다.
본 연구에서 사용한 AUTODYN은 충격, 관통, 폭발 등의 대변형, 비선형성이 강한 역학 문제들을 해석하기 위해 개발된 상용 유한요소해석 프로그램이다. 이미 수행된 시험에 대한 검증, 평가 및 분석도구로 사용될 수 있을 뿐만 아니라 현실적으로 실험이 거의 불가능한 현상들(초음속, 초고속, 충돌/관통 현상 등)에 대한 해석적 방법을 제공한다. 이에 따라 비싼 실험 경비를 절감할 수 있고, 불가능한 실험을 대체할 수 있는 가상실험효과가 있다^6-8).
최근에는 사고 재구성을 위해 다양한 첨단 장비를 이용하여 실제 사고 현장을 재현하는 기법이 많이 사용되고 있으며, 본 연구에서는 폭발이 발생한 원룸에 대하여 현장 3D 형상 재구성을 위해 3차원 광대역 레이저 스캐너를 사용하였으며, 동 장비에 대한 제원을 Table 1에 정리하여 나타내었다.

대상 데이터

본 연구에서 적용된 가스 누설에 의한 폭발 사고는 다세대 주택 내 원룸에서 사용되는 LNG의 호스 절단으로 인해 누설되어 발생하였으며, 인근 거주자 7명이 부상을 입고, 주변 건물 4개동 및 차량 12대가 파손된 사고로 사고 현장 및 피해 상황 등을 Fig. 1과 Fig. 2에 나타내었다.
해석에 적용된 철근 콘크리트, 공기, TNT 물성은 AUTODYN에서 제공하는 데이터베이스 물성을 사용하였고, 적용된 물성은 Table 4 - Table 7과 같다.

이론/모형

. 따라서 AUTODYN에서는 가스 폭발 특성을 정의하는데 있어서 TNT 당량법을 이용한다. TNT 당량법(TNT Equivalency Method)은 미국군사기술매뉴얼(US Army Technical Manual TM5-1300)에 기재되어 있으며, 폭발 확산 거리의 환산 및 폭발 피해 예측에 주로 사용되고 있다¹⁴⁾.

성능/효과

TNT 당량 산출을 위한 변수 및 TNT 당량값을 Table2에 정리하여 나타내었고, 산출 결과 LNG 농도 4.9%의 경우 TNT 당량은 8.29 kg, LNG 농도 9%의 경우 TNT 당량은 15.2 kg으로 환산된다.
넷째, 철근 콘크리트를 모사하고자 벽체 구조물 안에 적용한 철근에 작용하는 내부 응력은 LNG 4.9%의 경우 261.7 MPa(3.8 ms), LNG 9%의 경우가 264.3MPa(3.3 ms)로 상대적으로 LNG 9%의 경우가 해석 시간 기준 0.5 ms 빠르게 작용하나 최대 응력 값은 큰 차이를 나타내지 않는다.
둘째, 중간 벽체 충돌 압력과 시간은 LNG 4.9%의 경우 3.41 MPa, 0.229 ms, LNG 9%의 경우 4.63 MPa,0.198 ms로 큰 차이를 보이진 않으나 상대적으로 LNG9%의 경우가 해석 시간 기준 0.031 ms 빠르게 접근하여 약 1.36 배 크게 작용한다.
따라서 해석 결과를 종합하여 분석하면, 폭발 하한계인 LNG 4.9%의 경우에 비해 최대 폭발 압력이 작용하는 LNG 9%의 경우가 상대적으로 폭발 전파 속도가 빠르고 벽체 구조물에 작용하는 폭발력이 크게 나타나는 것을 알 수 있으며, 이에 따른 실제 파손 및 피해특성 또한 크게 작용할 것으로 사료된다.
셋째, LNG 폭발로 인해 벽체 구조물이 받는 내부응력은 LNG 4.9%의 경우 37.8 MPa(1.3 ms), LNG 9%의 경우 50.7 MPa(1.1 ms)로 상대적으로 LNG 9%의 경우가 해석 시간 기준 0.2 ms 빠르게 약 1.34 배 큰 최대내부 응력을 발생시킨다.
첫째, 폭원에서의 최대 폭발 압력은 LNG 4.9%의 경우 24.9 MPa, LNG 9%의 경우 72.1 MPa로 상대적으로 약 2.9 배 차이를 나타내며, 실제 LNG 실험 결과에서 LNG 농도에 따른 최대 폭발 압력과 유사한 경향성을 지닌다.

후속연구

본 연구는 LNG가스 사고에 대한 위력을 상용 프로그램을 통하여 정량함으로써 향후 가스 폭발 사고 원인 분석에 활용하여 위력 평가를 통한 가스 누설량 추정 및 구조물 안정성 평가 등을 수행할 수 있을 것으로 판단되며, 향후 추가적인 연구를 통해 해석 신뢰성과 타당성을 향상시킴으로써 가스 안전 분야에 광범위하게 유용할 수 있을 것으로 판단된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	가스폭발사고의 주 원인은 무엇인가?	이러한 가스폭발사고의 주요원인은 배관 및 호스 체결 불량 및 균열, 가스 기구 결함 등에 의한 가스 누설에 의한 폭발사고가 대부분을 차지하고 있으며, 물적 및 인적 피해는 점차 줄어들고 있으나 아직도 전체 안전사고 중 높은 비율을 차지하고 있다.
	AUTODYN이란 무엇인가?	본 연구에서 사용한 AUTODYN은 충격, 관통, 폭발 등의 대변형, 비선형성이 강한 역학 문제들을 해석하기 위해 개발된 상용 유한요소해석 프로그램이다. 이미 수행된 시험에 대한 검증, 평가 및 분석도구로 사용될 수 있을 뿐만 아니라 현실적으로 실험이 거의 불가능한 현상들(초음속, 초고속, 충돌/관통 현상 등)에 대한 해석적 방법을 제공한다.
	가스 폭발 특성을 정의하는데 있어 TNT 당량법을 이용하는 이유는 무엇인가?	가연성 가스의 경우, 가스 조성비 및 혼합 특성, 압축 상태 등에 따라 폭발 압력 및 폭발 속도가 크게 달라지며, 비정형화된 형상으로 인해 AUTODYN에 바로 적용하기는 어려움이 있다9-13). 따라서 AUTODYN에서는 가스 폭발 특성을 정의하는데 있어서 TNT 당량법을 이용한다.

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저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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