[국내논문]접적지역 RC형 방호시설 조사와 모델링을 통한 한국형 방호벽 설계안의 제시 Suggestion on the Prototype of the Korean Barriers through the Investigation and Modeling of RC Protective Installments in Contact Areas원문보기
이 연구에서는 폭발원점으로부터 보호시설의 결정적 피해경감을 위해 설치되는 방호벽의 설계요구조건을 제안한다. 이를 위하여 일부지역에 구축된 방호벽과 관련한 현장조사 및 설계도서 검토를 수행한다. 규명된 방호벽 제원을 바탕으로 구조해석에 사용될 방호벽을 모델링하고, 방호벽에 대한 실질적인 위협을 판단한다. 구조 모델링 및 폭발위협 분석이 완료되면, 방호벽 및 보호시설의 손상정도를 충격, 관입, 파쇄 및 폭압효과 측면에서 수치해석을 통해 계산한다. 해석결과에 따르면, 방호벽의 두께는 최소 45cm 이상이어야 하며, 현재 설치된 방호벽은 단면증설을 통해 구조보강이 필요한 것으로 나타났다.
이 연구에서는 폭발원점으로부터 보호시설의 결정적 피해경감을 위해 설치되는 방호벽의 설계요구조건을 제안한다. 이를 위하여 일부지역에 구축된 방호벽과 관련한 현장조사 및 설계도서 검토를 수행한다. 규명된 방호벽 제원을 바탕으로 구조해석에 사용될 방호벽을 모델링하고, 방호벽에 대한 실질적인 위협을 판단한다. 구조 모델링 및 폭발위협 분석이 완료되면, 방호벽 및 보호시설의 손상정도를 충격, 관입, 파쇄 및 폭압효과 측면에서 수치해석을 통해 계산한다. 해석결과에 따르면, 방호벽의 두께는 최소 45cm 이상이어야 하며, 현재 설치된 방호벽은 단면증설을 통해 구조보강이 필요한 것으로 나타났다.
The aim of this study is to suggest design requirements on the military barriers which are installed to reduce critical damage on protective facilities against sudden pin-point attacks caused by North Korean artilleries. For this purpose, site investigation and review of design drawings associated w...
The aim of this study is to suggest design requirements on the military barriers which are installed to reduce critical damage on protective facilities against sudden pin-point attacks caused by North Korean artilleries. For this purpose, site investigation and review of design drawings associated with barriers built in the contact areas are conducted. With identified data concerning barriers, the geometric modeling, which is used in the structural analysis, is performed. And then, the possible threat of North Korea is determined based on intelligence preparation of battlefields. Once the structural modeling and threat analysis are completed, structural damage on barriers and protective facilities are assessed in terms of impact, penetration, scabbing, and blast pressure effects. According to the analysis results, the thickness of barriers should be 450mm at least and current established barriers need to be structurally reinforced via sectional enlargement.
The aim of this study is to suggest design requirements on the military barriers which are installed to reduce critical damage on protective facilities against sudden pin-point attacks caused by North Korean artilleries. For this purpose, site investigation and review of design drawings associated with barriers built in the contact areas are conducted. With identified data concerning barriers, the geometric modeling, which is used in the structural analysis, is performed. And then, the possible threat of North Korea is determined based on intelligence preparation of battlefields. Once the structural modeling and threat analysis are completed, structural damage on barriers and protective facilities are assessed in terms of impact, penetration, scabbing, and blast pressure effects. According to the analysis results, the thickness of barriers should be 450mm at least and current established barriers need to be structurally reinforced via sectional enlargement.
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문제 정의
이에 본 연구에서는 폭발위험으로부터 보호시설이 피해가 경감될 수 있도록 한국형 방호벽의 설계요구조건을 M&S(Modeling & Simulation)를 통해서 제시하고자 한다.
본 연구에서는 접촉폭발에 따른 폭발, 관입, 파쇄효과 등으로부터 방호벽 및 보호시설의 안전여부를 살펴보았고, 나아가서 방호벽 후면에 도달하는 폭압으로부터 보호시설 내부인원의 지속적인 활동 가능여부도 판단하였다.
제안 방법
주요 조사내용은 방호벽 콘크리트 압축강도, 철근량, 크기(폭·높이·두께), 보호시설과의 이격거리 등이다.
현재 일부지역에 구축되어 있는 방호벽에 대한 실측조사를 진행한다. 주요 조사내용은 방호벽 콘크리트 압축강도, 철근량, 크기(폭·높이·두께), 보호시설과의 이격거리 등이다.
주요 조사내용은 방호벽 콘크리트 압축강도, 철근량, 크기(폭·높이·두께), 보호시설과의 이격거리 등이다. 설계 기준 검토에서는 UFC에 있는 방호벽 제원을 고찰하고, 현재 국내에서 사용 중인 방호벽 설계도서를 검토한다. 선행 연구 고찰은 폭발물의 접촉폭발 및 지근폭발에 대한 폭발효과를 중심으로 진행한다.
폭발하중 산정 및 해석 시나리오 작성을 위한 폭발위험도을 분석한다. 폭발위험도는 폭발물량을 중심으로 분석한다.
현장 자료 수집 및 설계 도서를 바탕으로 하여 방호벽을 SPACECLAIM을 통해 모델링하고, AUTODYN을 통해 대표적인 무기효과인 폭풍, 관입, 파쇄 및 폭압 측면에서의 손상 및 피해정도를 해석한다. 해석된 결과를 설계요구조건과 비교ㆍ검토하여 방호벽의 방호성능을 평가하고, 평가 결과를 바탕으로 한국형 방호벽 설계(안)을 제시한다.
현장 자료 수집 및 설계 도서를 바탕으로 하여 방호벽을 SPACECLAIM을 통해 모델링하고, AUTODYN을 통해 대표적인 무기효과인 폭풍, 관입, 파쇄 및 폭압 측면에서의 손상 및 피해정도를 해석한다. 해석된 결과를 설계요구조건과 비교ㆍ검토하여 방호벽의 방호성능을 평가하고, 평가 결과를 바탕으로 한국형 방호벽 설계(안)을 제시한다.
AUTODYN도 대변형·대변위·비선형 해석 등이 가능하며, 특히 고체 및 유체의 결합해석 프로그램으로 중·고속도 충돌 등의 해석에 장점이 있다[11]. 참고로, LS-DYNA에 의한 폭발 거동 해석 단점을 보완하기 위해 ANSYS사에서 AUTODYN을 제작하였다. 이에 본 연구에서는 방호벽의 폭발거동을 계산하기 위하여 AUTODYN 프로그램을 활용하였다.
AUTODYN이 가지는 기하형상 모델링의 단점을 보완하기 위하여 SPACECLAIM을 활용하여 방호벽을 모델링하였다. 기하형상이 모델링된 방호벽을 WORKBENCH에 불러들여 물성치 반영 및 유한요소작업을 수행하였다.
2. 상에서의 표준규격을 모델링하였다. 지반조건은 폭발구 형상과 응력전달이 잘 반영되는 Bibiana M.
Luccioni의 지반 물성치를 적용 하였다[12]. 방호벽 높이와 폭, 철근량 등은 방호가 취약한 접적지역(취약지역)에 설치된 방호벽의 실측 데이터 및 DMFC상의 최소철근비 기준을 적용하였다.
방호벽체에 대한 접촉폭발을 묘사하기 위하여 TNT 6.3㎏을 방호벽으로부터 포탄 반경 61㎜를 이격하여 폭발하는 경우를 설정하여 폭발현상이 방호벽 거동 및 보호시설에 미치는 영향을 살펴보았다. 폭압의 영향을 살펴보기 위하여 폭발원점은 방호벽 최상단, 중심부, 최하단의 3곳에 설치하였으며, 폭압 측정을 위한 압력게이지는 벽체 후방 5,400㎜, 6,100㎜, 7,600㎜에 설치하여 방호벽 후방 시설물의 폭압에 대한 영향을 분석하였다.
3㎏을 방호벽으로부터 포탄 반경 61㎜를 이격하여 폭발하는 경우를 설정하여 폭발현상이 방호벽 거동 및 보호시설에 미치는 영향을 살펴보았다. 폭압의 영향을 살펴보기 위하여 폭발원점은 방호벽 최상단, 중심부, 최하단의 3곳에 설치하였으며, 폭압 측정을 위한 압력게이지는 벽체 후방 5,400㎜, 6,100㎜, 7,600㎜에 설치하여 방호벽 후방 시설물의 폭압에 대한 영향을 분석하였다. 벽체 두께에 따른 배면파쇄여부를 확인하기 위하여 취성파괴 거동은 SPH model로 분석하였다.
벽체 두께는 300㎜, 450㎜ 및 600㎜ 3가지 경우로 설정하였으며, 두께별로 방호벽 중심부 2000㎜ × 2000㎜ 면적에 대한 영향을 검토하였다.
끝으로, Table 4와 같이 접촉폭발에 따른 보호시설 내부의 인명보호를 위한 방호벽 후방에서의 폭압 크기와 이에 따른 영향을 분석하였다. 실제 구축된 방호벽과 보호시설 간의 이격거리에 따른 폭압측정 결과 기준치인 0.
방호벽이 보호시설 및 내부인원을 충분히 방호하기 위하여 벽체두께를 450㎜ 이상으로 제안한다. 이는 폭발효과보다는 관통 및 파쇄효과로부터 방호벽을 통한 보호시설을 방호하기 위해 필요한 최소 두께이다.
대상 데이터
뿐만 아니라, 고막의 파열여부에 따른 실험기준을 고려할 때도 비록 측정된 폭압은 피해임계치 이상이지만, 인원이 보호시설 내부에 있을 경우 폭압이 기준치를 하회할 것으로 판단된다. 폭압 측정을 위한 게이지는 한국군 남성 평균신장(171.5 ㎝)의 약 90%인 지면으로부터 1,550㎜ 에 설치하였다.
이론/모형
참고로, LS-DYNA에 의한 폭발 거동 해석 단점을 보완하기 위해 ANSYS사에서 AUTODYN을 제작하였다. 이에 본 연구에서는 방호벽의 폭발거동을 계산하기 위하여 AUTODYN 프로그램을 활용하였다.
AUTODYN이 가지는 기하형상 모델링의 단점을 보완하기 위하여 SPACECLAIM을 활용하여 방호벽을 모델링하였다. 기하형상이 모델링된 방호벽을 WORKBENCH에 불러들여 물성치 반영 및 유한요소작업을 수행하였다.
방호벽의 콘크리트 설계기준 압축강도는 DMFC에서의 콘크리트 설계기준 압축강도인 21 MPa을 적용하였고, 철근은 KBC2009의 0506.3.2. 상에서의 표준규격을 모델링하였다.
상에서의 표준규격을 모델링하였다. 지반조건은 폭발구 형상과 응력전달이 잘 반영되는 Bibiana M. Luccioni의 지반 물성치를 적용 하였다[12]. 방호벽 높이와 폭, 철근량 등은 방호가 취약한 접적지역(취약지역)에 설치된 방호벽의 실측 데이터 및 DMFC상의 최소철근비 기준을 적용하였다.
폭압의 영향을 살펴보기 위하여 폭발원점은 방호벽 최상단, 중심부, 최하단의 3곳에 설치하였으며, 폭압 측정을 위한 압력게이지는 벽체 후방 5,400㎜, 6,100㎜, 7,600㎜에 설치하여 방호벽 후방 시설물의 폭압에 대한 영향을 분석하였다. 벽체 두께에 따른 배면파쇄여부를 확인하기 위하여 취성파괴 거동은 SPH model로 분석하였다. 벽체 두께는 300㎜, 450㎜ 및 600㎜ 3가지 경우로 설정하였으며, 두께별로 방호벽 중심부 2000㎜ × 2000㎜ 면적에 대한 영향을 검토하였다.
성능/효과
이상의 해석결과를 고려할 때, 관통 및 파쇄효과로부터 방호되기 위하여 방호벽의 최소 두께는 450㎜이어야 하며, 내부인원의 활동성 확보 측면에서는 보호시설과 방호벽의 현 최소 이격거리(20ft)는 충분한 것으로 사료된다. 단, 콘크리트 및 철근은 DMFC에서의 표준설계 압축강도 및 최소철근량 계산 기준을 따라야 한다.
후속연구
이에 본 연구에서는 폭발위험으로부터 보호시설이 피해가 경감될 수 있도록 한국형 방호벽의 설계요구조건을 M&S(Modeling & Simulation)를 통해서 제시하고자 한다. 제시된 설계요구조건은 향후 폭발실증시험을 통해 검증될 것이다.
이는 폭발물의 접촉폭발과 지근폭발에 따른 근본적인 차이에 기인한 것이다. 참고로, 최대회전각은 폭발 원점 및 변위측점이 공히 벽체 중심부일 때 발생하였으며, 이는 방호벽의 캔틸레버 형태 및 작약량에 기인한 것으로 판단되나, 차후 이에 대한 명확한 분석이 필요할 것으로 사료된다.
이 외에 콘크리트 압축강도 및 철근량은 DMFC 상의 표준강도 및 최소철근량에 관한 표준지침을 따르되, 고강도 콘크리트 사용 및 철근 배근을 달리할 때는 본 연구에서의 제시된 방호벽 설치 기준(안)에 대한 재해석이 필요하다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
경계란?
이러한 개념에 입각하여 방호시설 구축은 경계, 경감 및 강화의 3단계로 이루어진다. 경계은 방호시설을 파괴하기 위한 위해인자 접근자체를 차단하는 행위로 대공경계, 주둔지 울타리, 안전거리 설정 등의 방법이 있다. 경감은 위해가 가해졌을 경우 방호시설에 대한 직접적인 피해를 사전에 차단하기 위한 것으로 지상구조물에 대한 방호벽, 지중구조물에 대한 희생슬라브 등이 있다.
경감이란?
경계은 방호시설을 파괴하기 위한 위해인자 접근자체를 차단하는 행위로 대공경계, 주둔지 울타리, 안전거리 설정 등의 방법이 있다. 경감은 위해가 가해졌을 경우 방호시설에 대한 직접적인 피해를 사전에 차단하기 위한 것으로 지상구조물에 대한 방호벽, 지중구조물에 대한 희생슬라브 등이 있다. 강화는 경계 및 경감 대책에도 불구하고 방호시설에 도달하는 위해요소를 공학적 설계를 통해 차단하여 방호시설 내부의 인원과 장비를 보호하는 것이다.
폭발하중을 받는 구조물의 응답해석 방법 중 강체해석이란?
폭발하중을 받는 구조물의 응답해석 방법은 강체 해석과 유동장 해석으로 구분된다. 강체해석은 구조체가 폭발에 의한 변형발생 후에도 요소의 형태를 어느 정도 유지한다는 강체라는 가정 하에 거동을 산정하는 일종의 라그랑지안 해법이다. 반면 최근 폭압에 의해 요소의 형태가 심하게 찌그러지는 현상을 반영하기 위해 유체 해석에 주로 활용되는 유동장 해석기법이 주목을 받고 있다.
참고문헌 (11)
Park YJ, Park, SJ, Eom HS, Son KY. A Study on the Protective Capacity of Military Shelters in the Contact Areas. Journal of the Korea Institute of Military Seience and Technology. 2015 Aug;18(4):402-8.
Park YJ, Park SJ, Kim TH, Yu YJ, Son KY. Reinforcing Method for the Protective Capacities of Dispersal and Combat Facilities using Logistic Regression. Journal of the Korea Institute of Building Construction. 2016 Feb;16(1):77-85
US Department of Defense. UFC(Unified Facility Criteria) 3-340-02. Washington, D.C. (USA):US Department of Defense;2008. 1885 p.
Lee GB. A Study on Relaxations of Protected areas for Korean Military bases and facilities : Focusing on the Storage of Military Ammunition and Explosives [master's thesis]. [Daejeon (Korea)]: Chungnam National University; 2012. 110 p.
Ministry of National Defense. Ammunition design guidelines. Seoul (Korea):Ministry of National Defense; 2012. 51p.
Ministry of National Defense. Protection design basis of major military facilities. Seoul (Korea):Ministry of National Defense;2012. 266 p.
Ministry of National Defense. Protective structures design criteria. Seoul (Korea):Ministry of National Defense;1998.
Baek JH, Kim SB, Son KY, Park YJ. The Study on assessment of protective capacity of the reinforced concrete box-type artillery positions. Journal of the Korea Institute of Military Seience and Technology. 2014 Apr;17(2):275-81.
Kim SB, Oh GD, Baek SH, Lee JH, Park YJ, Baek JH. Protective structural engineering. 2nd ed. Seoul (Korea) Cheongmoongak Ltd; 2013. 612 p.
Park JK, Lim CW, Ryu DW, Son KY, Back JH, Park YJ. The design and protective capacity assessment of the prefabricated PC arch ammo magazines. Journal of the Korea Institute of Building Construction. 2014 Dec;14(6):615-21.
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