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[국내논문] 폭발하중 시나리오에 따른 2방향 비부착 프리스트레스트 콘크리트 패널부재의 폭발저항성능에 대한 실험적 거동 평가
Experimental Evaluation of Bi-directionally Unbonded Prestressed Concrete Panel Blast Resistance Behavior under Blast Loading Scenario 원문보기

콘크리트학회논문집 = Journal of the Korea Concrete Institute, v.28 no.6, 2016년, pp.673 - 683  

최지훈 (연세대학교 사회환경시스템공학부) ,  최승재 (연세대학교 사회환경시스템공학부) ,  조철민 (연세대학교 사회환경시스템공학부) ,  김태균 (연세대학교 사회환경시스템공학부) ,  김장호 (연세대학교 사회환경시스템공학부)

초록
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최근 전 세계적으로 발생하고 있는 각종 사고 및 테러공격 등으로 인한 폭발, 충돌, 화재 사고가 빈번하게 발생하고 있으며, 특히, 2001년 미국 세계무역센터와 펜타곤에 발생한 9.11 테러사건 이후 사회적인 안전 불감증이 더욱 고조되고 있다. 또한, 2011년 일본 후쿠시마 원전사고로 인한 원전 격납건물 손상 시 발생할 수 있는 물리적, 환경적 위험성에 대한 사회적 불안감이 날로 커짐에 따라 원전격납건물, 가스탱크 등에 널리 사용되는 프리스트레스트 콘크리트 구조물에 대한 극한하중 연구가 다양하게 진행되고 있다. 본 연구에서는 2방향 비부착 프리스트레스트 콘크리트 패널 부재의 폭발저항성능을 분석하기 위하여 $1,400{\times}1,000{\times}300mm$철근콘크리트(RC), 프리스트레스 텐던으로만 보강된 콘크리트(PSC), 프리스트레스 텐던과 철근으로 보강된 콘크리트(PSRC) 시편을 제작하였다. 폭발하중은 ANFO 55 lbs 의 장약량을 1.0 m 이격거리로 적용하였으며, 측정하고자 하는 데이터는 초기 압력폭발하중 뿐 아니라, 반사압력, 충격량, 중앙부의 처짐, 가속도, 철근 및 콘크리트, 텐던의 변형률을 측정하여 분석하였다. 본 연구는 향후 국내외 프리스트레스트 콘크리트에 대한 방호설계 및 폭발해석 등 관련 연구분야의 중요한 자료가 될 것이라 판단된다.

Abstract AI-Helper 아이콘AI-Helper

In recent years, frequent terror or military attack by explosion, impact, fire accidents have occurred. Particularly, World Trade Center collapse and US Department of Defense Pentagon attack on Sept. 11 of 2001. Also, nuclear power plant incident on Mar. 11 of 2011. These attacks and incidents were ...

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

  • 이와 같이 국내 ‧ 외 콘크리트 구조물의 극한하중에 대한 실험적 검토는 많이 수행되고 있으나, PSC원전격납건물과 같은 중요 구조물에 대한 실험적 결과는 국내 뿐 아니라 해외에서도 특수성 및 보안성으로 인해 공개된 자료가 부족한 실정이다. 따라서 본 연구에서는 원전격납구조물에 적용되고 있는 2방향 프리스트레스트 콘크리트의 폭발저항성능을 검토하기 위해 구조물 벽체를 대상으로 축소부재모형을 제작하여 폭발실험을 수행하였으며, 축소부재의 실험적 거동분석을 통해 폭발저항성능을 파악하고자 한다.
  • 또한, 지면폭발의 경우 지표면에 의한 반사파압(reflection wave)과 같은 추가적인 파압이 발생하거나, 지표면의 상태에 따라 폭발파압의 흡수 등이 발생할 수 있으므로, 순수 파압을 가할 수 있도록 일정 거리의 공기 중 폭발이 구조물에 가할 수 있도록 폭발하중 시나리오의 수정이 필요하다. 따라서, 본 연구에서는 실제 원전격납건물에서 설계되어있는 폭발하중을 검토하여 그에 따른 폭발하중 시나리오를 수정하고자 한다. 실제, 원전구조물에서는 폭발하중에 대한 직접적인 설계기준을 적용하고 있지 않으나, 프랑스 Flamatome사에서 설계한 울진 1, 2호 원전구조물의 경우, 외부 발생가능한 하중에서 외부 충격압력하중에 대하여 Fig.
  • 본 연구는 극한하중을 받는 PSC 원전격납구조물을 대상으로 하여 방호성능을 평가하기 위한 목적으로 수행된 폭발 저항성능실험으로, 철근 및 PS 텐던의 보강 유무, 긴장력의 크기에 따른 콘크리트 패널부재의 손상도를 평가하여 다음과 같은 연구 결과를 도출하였다.
  • 폭풍파에 대한 많은 자료들은 위와 같은 환산법칙에 따라 환산되어 TM5-1300에 제시되어 있다. 본 연구에서는 위의 환산법칙에 따라 등가 폭발작약무게를 계산함으로써 폭발하중 시나리오를 선정하고, 선정된 실험시편에 대한 상사법칙 및 실험조건에 따라 1.0 m 높이에서 ANFO 폭약 55 lbs를 사용하여 폭발실험을 수행하고자 한다.
  • 폭발하중 시나리오를 도출하기 위하여 장약량에 따른 파괴 위험도와 과거에 발생한 테러에 대한 위험수준 및 사상자 수를 검토하였다. 그 중 Fig.
  • 5) 본 연구결과를 통하여 PSC 구조물은 그 자체만으로 RC 구조물에 비하여 충분한 방호성능을 보이는 것을 확인하였으며 PS의 충분한 인장성능을 통해 설계과정에 적용한다면 더욱 향상된 방호시스템 구축이 가능할 것이라 판단된다. 폭발하중만이 아니라 화재, 폭발 후화재와 같은 추가적인 연구를 통해 복합 극한하중에 대한 구조물의 극한저항성능을 분석하고자 한다.
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질의응답

핵심어 질문 논문에서 추출한 답변
폭발하중은 크게 어떠한 폭발에 대해 고려되는가? 폭발하중은 폭발되는 위치에 따라 구조물에 가해지는 폭발파의 형상이 달라지며, 크게 대기 중 자유폭발, 대기 중 폭발, 지표면 폭발에 대해 고려한다.10) 대기 중 자유폭발은 Fig.
국내 건축물의 극한하중에 대한 내충격 성능 적용의 한계점은 무엇인가? 국내에서는 극한하중에 대한 내충격 성능은 보안등급이 높은 국가주요시설물에 한정되어 있으며, 방호 ‧ 방폭 구조물 관리기준이 명확히 갖추어져 있지 않아 성능체계의 보완이 필요한 실정이다. 따라서 최근 구조물의 내충격 및 방폭 성능향상 방안에 대한 연구의 일환으로 항공기 충돌을 고려한 격납건물용 Fiber 콘크리트 적용기술 개발, 고성능 첨단재료를 활용한 내화 ‧ 방폭 구조물 보수 · 보강 기술개발, APR-1400 물리적 방호 설계 체계구축 등 방호, 방폭에 대한 연구를 활발히 진행하고 있다.
국내 ‧ 외 콘크리트 구조물의 극한하중에 대한 실험적 검토에는 어떠한 것들이 있는가? 국내에서는 극한하중에 대한 내충격 성능은 보안등급이 높은 국가주요시설물에 한정되어 있으며, 방호 ‧ 방폭 구조물 관리기준이 명확히 갖추어져 있지 않아 성능체계의 보완이 필요한 실정이다. 따라서 최근 구조물의 내충격 및 방폭 성능향상 방안에 대한 연구의 일환으로 항공기 충돌을 고려한 격납건물용 Fiber 콘크리트 적용기술 개발, 고성능 첨단재료를 활용한 내화 ‧ 방폭 구조물 보수 · 보강 기술개발, APR-1400 물리적 방호 설계 체계구축 등 방호, 방폭에 대한 연구를 활발히 진행하고 있다.9)
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참고문헌 (14)

  1. Ha, J. H., Yi, N. H., Kim, S. B., Choi, J. K., and Kim, J. H. J., "Experimental Study on Blast Resistance Improvement of RC Panels by FRP Retrofitting," Journal of the Korea Concrete Institute, Vol. 22, No. 1, 2010, pp. 93-102 (In Korean). 

  2. Ha, J. H., Yi, N. H., Choi, J. K., and Kim, J. H. J., "Experimental Study on Hybrid CFRP-PU Strengthening Effect on RC Panels under Blast Loading", Composite Structures, Vol. 93, No. 8, 2011, pp. 2070-2082. 

  3. Yi, N. H., Kim, J. H. J., Han, T. S., Cho, Y. G., and Lee, J. H., "Blast-Resistant Characteristics of Ultra-High Strength Concrete and Reactive Powder Concrete", Construction and Building Materials, Vol. 28, No. 1, 2012, pp. 578-584. 

  4. Krauthammer, Theodor. "Blast-Resistant Structural Concrete and Steel Connections." International Journal of Impact Engineering, Vol. 22, No. 9, 1999, pp. 887-910. 

  5. Hyde, D. W., Fundamental of Protective Design for Conventional Weapons, CONWEP (Conventional Weapons Effects), TM5-8511-1, United States Army Waterway Experiment Station, Vicksburg, Miss., 1992. 

  6. Kim, H. J., Nam, J. W., Kim, S. B., Kim, J. H. J., and Byun, K. J., "Analytical Evaluations of the Retrofit Performances of Concrete Wall Structures Subjected to Blast Load," Journal of the Korea Concrete Institute, Vol. 19, No. 2, 2007, pp. 241-250 (In Korean). 

  7. Baker, W. E. Explosions in Air, Wilfred Baker Engineering, San Antonio., 1973. 

  8. TM5-855-1 / AFPAM32-1147 / NAVFACP-1080 / DAHSCWEMAN-97 Design and Analysis of Hardened Structures to Conventional Weapons Effects, Joint Departments of the Army, Air Force, Navy and the Defense Special Weapons Agency, Washington, DC., 1997. 

  9. Byun, K. J., Nam, J. W., Kim, H. J., and Choi, H. J., Evaluation of the Blast Resistance of Concrete Shelter Structure, Proceeding of 2nd International Conference on Design and Analysis of Protective Structures, Singapore, 2006, pp. 78-85. 

  10. TM5-1300 / AFR 88-2 / NAVFAC P-39 Structures to Resist the Effects of Accidental Explosions, Joint Departments of the Army, Air Force and Navy Washington, DC., 1990. 

  11. Fenwick, B., "Media in the Wake of the Alfred P. Murrah Federal Building Bombing: A 20-Year Retrospective", Social Science Quarterly, Vol. 97, No. 1, 2016, pp. 53-64. 

  12. Sofinel, Reactor Building Containment Structural Design Criteria, Framatome-Korea Electric Co., Technical Specification, 1984, No. 9441. 

  13. Bazant, Z. P., "Size Effect in Blunt Fracture : Concrete, Rock, Metal", Journal of Engineering Mechanics, Vol. 110, No. 4, 1984, pp. 518-535. 

  14. Carpinteri, A., "Fractal nature of material microstructure and size effects on apparent mechanical properties", Mechanics of Materials, Vol. 18, No. 2, 1994, pp. 89-101. 

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