일반적으로 구조물에 폭발, 충돌, 지진과 바람 등과 같이 짧은 시간에 큰 하중이 작용하게 되면 구조물은 국부적으로 재료의 대변형(large deformation), 대회전(large rotation), 대변형률(large strain)등이 발생하게 된다. 이와 같은 현상을 해석하려면 전산연속체 역학에 기초하여 유체-구조물 상호작용 등을 고려할 수 있는 하이드로코드(Hydrocode)의 도움이 필요하다. 또한, 폭발로 인해 발생되는 순간 동역학적인 폭발 메커니즘은 매우 복잡하기 때문에 폭발실험을 병행하여 거동을 예측하는 것이 합리적인 방법이지만 막대한 비용과 시설이 요구되므로 한계가 있는 것도 사실이다. 따라서 본 논문에서는 하이드로코드인 AUTODYN을 사용하여 폭발해석한 결과를 기수행된 철근콘크리트 슬래브의 폭발실험 결과와 비교하여 폭발해석 방법의 타당성을 검토하였고, 동일한 폭발해석 모형에 대하여 철근 배근간격, 피복두께의 변화 및 수직철근 유무에 따른 폭발 손상도를 비교검토하였다. 검토한 결과, 철근의 배근간격에 대한 철근콘크리트 슬래브 두께의 비가 커질수록, 지름이 큰 철근보다 지름이 작은 철근을 많이 사용할수록, 마지막으로 수직철근을 배근할수록 콘크리트 구조물의 내폭성능이 향상됨을 알 수 있었다.
일반적으로 구조물에 폭발, 충돌, 지진과 바람 등과 같이 짧은 시간에 큰 하중이 작용하게 되면 구조물은 국부적으로 재료의 대변형(large deformation), 대회전(large rotation), 대변형률(large strain)등이 발생하게 된다. 이와 같은 현상을 해석하려면 전산연속체 역학에 기초하여 유체-구조물 상호작용 등을 고려할 수 있는 하이드로코드(Hydrocode)의 도움이 필요하다. 또한, 폭발로 인해 발생되는 순간 동역학적인 폭발 메커니즘은 매우 복잡하기 때문에 폭발실험을 병행하여 거동을 예측하는 것이 합리적인 방법이지만 막대한 비용과 시설이 요구되므로 한계가 있는 것도 사실이다. 따라서 본 논문에서는 하이드로코드인 AUTODYN을 사용하여 폭발해석한 결과를 기수행된 철근콘크리트 슬래브의 폭발실험 결과와 비교하여 폭발해석 방법의 타당성을 검토하였고, 동일한 폭발해석 모형에 대하여 철근 배근간격, 피복두께의 변화 및 수직철근 유무에 따른 폭발 손상도를 비교검토하였다. 검토한 결과, 철근의 배근간격에 대한 철근콘크리트 슬래브 두께의 비가 커질수록, 지름이 큰 철근보다 지름이 작은 철근을 많이 사용할수록, 마지막으로 수직철근을 배근할수록 콘크리트 구조물의 내폭성능이 향상됨을 알 수 있었다.
In general, the large loads which are applied from explosion, impact, earthquake and wind at a short time caused the materials of structures to large deformations, rotations and strains locally. If such phenomena will be analyzed, hydrocodes which can be considered fluid-structure interaction under ...
In general, the large loads which are applied from explosion, impact, earthquake and wind at a short time caused the materials of structures to large deformations, rotations and strains locally. If such phenomena will be analyzed, hydrocodes which can be considered fluid-structure interaction under computational continuum mechanics are inevitably needed. Also, the explosion mechanism is so complicated, it is reasonable that the behaviors of structure are predicted through explosion analyses and experiment at the same time. But, unfortunately, it is true that explosion experiments are limited to huge cost, large experiment facilities and safety problems. Therefore, in this study, it is shown that the results of explosion analyses using the AUTODYN are agreed with those of existing explosion experiments for reinforced concrete slabs within reasonable error limits. And the explosion damage of the same reinforced concrete slab are assessed for quite different reinforcement arrangement spacings, concrete cover depths, and vertical reinforcements. From the explosion analyses, it is known that the more the ratio of slab thickness to reinforcement arrangement spacing is increased, and small-diameter reinforcements are used than large-diameter reinforcements on the same reinforcement ratio, and vertical reinforcements are used, the more the anti-knock capacities are improved.
In general, the large loads which are applied from explosion, impact, earthquake and wind at a short time caused the materials of structures to large deformations, rotations and strains locally. If such phenomena will be analyzed, hydrocodes which can be considered fluid-structure interaction under computational continuum mechanics are inevitably needed. Also, the explosion mechanism is so complicated, it is reasonable that the behaviors of structure are predicted through explosion analyses and experiment at the same time. But, unfortunately, it is true that explosion experiments are limited to huge cost, large experiment facilities and safety problems. Therefore, in this study, it is shown that the results of explosion analyses using the AUTODYN are agreed with those of existing explosion experiments for reinforced concrete slabs within reasonable error limits. And the explosion damage of the same reinforced concrete slab are assessed for quite different reinforcement arrangement spacings, concrete cover depths, and vertical reinforcements. From the explosion analyses, it is known that the more the ratio of slab thickness to reinforcement arrangement spacing is increased, and small-diameter reinforcements are used than large-diameter reinforcements on the same reinforcement ratio, and vertical reinforcements are used, the more the anti-knock capacities are improved.
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문제 정의
따라서 본 논문에서는 AUTODYN을 사용하여 기수행된 철근 콘크리트 슬래브의 폭발실험 결과와 폭발해석한 결과를 비교하여 폭발해석 방법의 타당성을 검토할 것이며, 다양한 폭발 시나리오에 따라 비선형 폭발해석을 수행할 것이다. 또한, 동일한 폭발해석 모형에 대하여 철근의 배근간격, 피복두께의 변화 및 수직철근 유무에 따른 폭발손상도를 비교검토함으로써 철근콘크리트 구조물의 내폭성능을 향상시킬 수 있는 방법을 제안하고자 한다.
폭발로 인하여 발생하는 동역학적인 충돌 메커니즘은 매우 복잡하며, 이에 대한 실험적 연구는 막대한 비용과 시설이 요구되기 때문에 매우 제한적으로 수행될 수 밖에 없다. 따라서 본 논문에서는 하이드로 코드인 AUTODYN 을 이용하여 기수행된 폭발실험을 해석적으로 모사하여 그 결과를 상호비교함으로써 폭발해석의 타당성을 검토하고자 한다.
따라서 본 논문에서는 AUTODYN을 사용하여 기수행된 철근 콘크리트 슬래브의 폭발실험 결과와 폭발해석한 결과를 비교하여 폭발해석 방법의 타당성을 검토할 것이며, 다양한 폭발 시나리오에 따라 비선형 폭발해석을 수행할 것이다. 또한, 동일한 폭발해석 모형에 대하여 철근의 배근간격, 피복두께의 변화 및 수직철근 유무에 따른 폭발손상도를 비교검토함으로써 철근콘크리트 구조물의 내폭성능을 향상시킬 수 있는 방법을 제안하고자 한다.
본 논문에서는 하이드로코드인 AUTODYN을 사용하여 기수행된 폭발실험의 측정결과와 폭발해석의 결과를 상호 비교하여 프로그램 사용의 적합성을 판단하였다. 또한, 동일한 폭발해석 모형에 대하여 전체의 철근량을 고정시키고 철근 배근간격, 피복두께의 변화에 따른 폭발 손상도를 비교하여 다음과 같은 결론을 얻었다.
가설 설정
수직철근배근에 따른 철근콘크리트 슬래브의 폭발에 의한 손상 정도를 검토하기 위하여 피복두께는 20 mm로 가정하고, 가로철근과 세로철근이 교차하는 모든 지점에 수직철근을 배근하였다. 또한, 수직철근이 없는 경우와 비교하기 위하여 철근콘크리트 슬래브에 배근된 철근량은 동일하게 설정하였으며, Fig.
제안 방법
본 논문에서는 하이드로코드인 AUTODYN을 사용하여 기수행된 폭발실험의 측정결과와 폭발해석의 결과를 상호 비교하여 프로그램 사용의 적합성을 판단하였다. 또한, 동일한 폭발해석 모형에 대하여 전체의 철근량을 고정시키고 철근 배근간격, 피복두께의 변화에 따른 폭발 손상도를 비교하여 다음과 같은 결론을 얻었다.
본 논문에서 수행된 폭발해석 결과를 폭발실험 결과와 상호비교하기 위하여 Fig. 7과 같은 슬래브의 전면부 손상지름과 후면부 손상지름을 사용하여 TNT 2 kg과 3 kg의 폭발해석 결과를 Fig. 8에 도시하였다. 그림에서 보는 바와 같이 2 kg의 TNT 폭발해석인 경우 전면부 손상지름 차이는 3.
본 장에서는 3장에서 해석한 철근콘크리트 슬래브를 대상으로 동일한 철근량을 갖도록 하면서 배근간격, 철근면적과 피복두께의 변화 및 수직철근의 유무에 따라 폭발해석을 수행하여 얻은 손상정도로부터 철근 콘크리트 구조물의 내폭성능을 검토하였다.
철근배근에 따른 철근콘크리트 슬래브의 폭발에 의한 손상정도를 비교하기 위한 기준모델로 철근지름 13 mm에 배근간격 200 mm로 배근한 후, 동일한 철근량을 가지도록 철근지름은 10~15 mm, 배근간격은 142~272 mm사이에서 변화시키면서 6가지 경우의 폭발해석을 수행하였다. Fig.
피복두께변화에 따른 철근콘크리트 슬래브의 폭발에 의한 손상 정도를 비교하기 위한 기준모델로 철근지름 13 mm에 피복두께는 20 mm로 배근한 후, 동일한 철근량을 가지도록 피복두께를 10~70 mm사이에서 변화시켜 가면서 폭발해석을 수행하였다.
대상 데이터
철근콘크리트 슬래브에 대한 폭발실험은 Fang Wang 등에 의해 수행되었으며, 모형의 크기는 3,000×3,000×300 mm와 같고, 철근 콘크리트 슬래브 상면중앙에 TNT 2 kg과 3 kg를 폭발시킨 후, 손상정도를 측정하는 과정으로 수행되었다. 콘크리트의 압축강도는 32 MPa을, 지름이 13 mm인 철근의 항복강도는 460 MPa를 각각 사용하였고, Figs. 3 and 4에는 폭발실험 모형사진과 배근도를 각각 도시하였다(Fang et al.
이론/모형
폭발하중과 같이 매우 짧은 시간 동안 작용하는 하중의 속도를 재료의 변형속도가 따라가지 못해 파괴가 되기 전에 항복점과 극한응력에 도달하기 때문에, 폭발해석을 할 때는 이와 같은 특징을 고려하여야 한다. 따라서 본 논문에서는 다양한 콘크리트 파괴모델중에서 폭발해석에 일반적으로 사용되는 RHT 콘크리트 모델을 사용한다(Zhenguo and Yong, 2012).
본 장에서는 폭발하중에 대한 압력과 시간간의 관계식에 대하여 언급한 후, 폭발해석에 적용된 콘크리트와 철근의 파괴모델인 RHT 모델과 철근의 파괴모델인 Johnson Cook 모델에 대하여 각각 서술한다(Makoto et al., 2009).
그림에 보인 바와 같이 콘크리트는 8절점 고체요소로, 철근은 보요소로 모형화하였다. 폭발해석 기법으로 철근 콘크리트 슬래브는 Lagrange 기법을, 공기와 TNT는 Euler 기법을 각각 사용하였다 (Hakan, 2001).
성능/효과
가로철근과 세로철근이 교차하는 모든 지점에 수직철근을 배근하여 수직철근의 유무에 따른 손상정도를 비교한 결과, 전면부 손상지름은 3.57%, 후면부 손상지름은 5.88%정도 감소함을 확인하였다. 이와 같이 감소한 이유에 대하여 보다 확실한 규명이 필요하지만, 손상도의 외관적 기준으로 판단할 때, 수직철근이 철근콘크리트 구조물의 내폭성능향상에 기여하는 것으로 사료된다.
8에 도시하였다. 그림에서 보는 바와 같이 2 kg의 TNT 폭발해석인 경우 전면부 손상지름 차이는 3.33%, 후면부 손상지름은 2.86%의 차이가 났으며, 3 kg의 TNT 폭발해석인 경우, 전면부 손상지름 차이는 4.62%, 후면부 손상지름 차이는 5.88%로 각각 나타났다. 이와 같은 차이는 폭발실험의 정확한 조건을 해석에 반영하지 못한 점과 손상정도의 지름에 대한 수치가 측정장비 혹은 측정자에 따라 발생되는 오차인 것으로 판단된다.
18에는 피복두께변화에 따른 폭발해석을 수행하여 얻은 결과를 도시하였다. 그림에서 보는 바와 같이 철근의 피복두께를 다르게 하여 폭발에 의한 손상도를 비교한 결과, 폭탄이 위치한 전면부와 후면부의 파괴형상이 서로 다르며, 평균적인 손상정도로 볼 때 피복두께에 대한 철근콘크리트 슬래브 두께의 비가 6일 때, 가장 작은 손상이 나타남을 알 수 있다
기존 폭발실험 결과와 본 연구에서 수행된 폭발해석 결과를 비교한 결과, 최소 2.86%, 최대 5.88%의 손상도 차이가 나타났다. 이와 같은 오차는 보다 다양한 콘크리트의 파괴모델을 적용하고, 폭발해석시 주변으로 전파되는 폭팔 메커니즘에 대한 규명이 현실적으로 밝혀지면 상당히 줄일 수 있을 것으로 판단된다.
동일한 철근량을 전제로 하여 배근간격을 변화시키면서 폭발 후 손상정도를 비교한 결과, 철근의 배근간격에 대한 철근콘크리트 슬래브의 두께의 비 1.1에서 2.1로 커질수록 폭발에 대한 손상정도가 감소했으며, 지름이 큰 철근보다 지름이 작은 철근을 많이 사용할수록 손상도가 감소함을 알 수 있었다.
그림에서 보는 바와 같이 철근 배근간격에 대한 철근콘크리트 슬래브의 두께의 비가 커질수록 폭발에 의한 손상정도가 감소하는 것을 알 수 있다. 따라서 동일한 철근량을 사용할 때 지름이 큰 철근보다 지름이 작은 철근을 많이 사용할수록 손상정도가 감소하는 것을 알 수 있다.
후속연구
이와 같은 오차는 보다 다양한 콘크리트의 파괴모델을 적용하고, 폭발해석시 주변으로 전파되는 폭팔 메커니즘에 대한 규명이 현실적으로 밝혀지면 상당히 줄일 수 있을 것으로 판단된다. 또한, 슬래브에 국한하지 않고 다양한 폭발실험과 재료의 정확한 파괴모델에 대한 개발이 병행되면 폭발실험 결과에 근접한 해석 결과를 얻을 수 있을 것으로 기대된다.
철근의 피복두께를 다르게 하여 폭발 후 손상도를 비교한 결과, 폭탄이 위치한 전면부와 후면부의 파괴형상이 다르며, 이에 따라 철근이 다르게 저항하는 것으로 판단된다. 본 폭발해석의 경우에 평균적인 손상정도로 볼 때 피복두께에 대한 철근콘크리트 슬래브 두께의 비가 6일 때, 가장 작은 손상이 나타남을 알 수 있었으며, 보다 다양한 폭발해석과 실험을 병행하여야 이에 대한 일반화 경향을 예측할 수 있을 것으로 기대한다.
88%의 손상도 차이가 나타났다. 이와 같은 오차는 보다 다양한 콘크리트의 파괴모델을 적용하고, 폭발해석시 주변으로 전파되는 폭팔 메커니즘에 대한 규명이 현실적으로 밝혀지면 상당히 줄일 수 있을 것으로 판단된다. 또한, 슬래브에 국한하지 않고 다양한 폭발실험과 재료의 정확한 파괴모델에 대한 개발이 병행되면 폭발실험 결과에 근접한 해석 결과를 얻을 수 있을 것으로 기대된다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
폭발이란 무엇인가?
폭발이란 매우 짧은 시간동안 빛, 열, 소리, 충격파 등의 형태로 빠르게 에너지를 방출하는 것을 의미한다. 구조물에 작용하는 일반적인 하중과 비교했을 때 폭발하중의 가장 큰 특징은 매우 짧은 시간동안 높은 열과 많은 에너지를 방출한다는 점이다.
폭발하중에 의해 발생하는 압력형태는 어떠한가?
1에 도시되어 있다. 그림에서 보는 바와 같이 평상시 대기압은 P0를 유지하고 있지만, 폭발후 일정시간이 지나면 최대압력을 나타낸 후 다시 대기압과 같은 압력을 갖게 되는데, 이 구간을 정압기(positive phase duration)라고 한다. 이후 대기압보다 낮은 압력을 갖게 되는 부압기(negative phase duration)를 거쳐 평상시 압력으로 돌아오게 된다. 방폭구조물 설계 시에는 정압단계의 최대압력이 구조물의 거동에 중요한 영향을 미치고, 부압단계에 의한 충격량은 정압단계에 비해 상대적으로 작기 때문에 일반적으로 고려하지 않는다.
일반적인 하중과 비교했을 때 폭발하중의 가장 큰 특징은?
폭발이란 매우 짧은 시간동안 빛, 열, 소리, 충격파 등의 형태로 빠르게 에너지를 방출하는 것을 의미한다. 구조물에 작용하는 일반적인 하중과 비교했을 때 폭발하중의 가장 큰 특징은 매우 짧은 시간동안 높은 열과 많은 에너지를 방출한다는 점이다. 폭발하중에 의해 발생하는 압력형태가 Fig.
참고문헌 (7)
Ghani, R., Ahmed, T. and Ettore, C. (2007). "Blast loading response of reinforced concrete panels reinforced with externally bonded GFRP laminates." ScienceDierect Part B, 38, pp. 535-546.
Hakan, H. (2001). "Numerical simulation of concrete penetration with Euler and Lagrange formulations." FOI.
Kim, S. Y. (2012). Explosion damage assessment of a reinforced concrete slabs on the distribution of reinforcement, Master's Thesis, Changwon National University, Changwon, Korea (in Korean).
Makoto, Y., Kiyoshi, M., Koji, T. and Yoshiyuki, M. (2009). "An experimental study on blast resistance of polyethylene fiber reinforced concrete." J. Temporal Des. Arch. Environ, Vol. 9, No. 1.
Riedel, R., Thoma, K., Hiermaier, S. and Schmolinske, E. (1999). "Penetration of reinforced concrete by BETA-B-500 numerical analysis using a new macroscopic concrete model for hydrocodes." Internationales Symposium.
Wang, F., Wan, Y. K. M., Chong, O. Y. K., Lim, C. H. and Lim, E. T. M. (2008). "Reinforced concrete slab subjected to close-in explosion." LS-DYNA Anwenderforum.
Zhenguo, T. and Yong, L. (2012). "Modifications of RHT material model for improved numerical simulation of dynamic response of concrete." International Journal of Impact Engineering.
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