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문제 정의
- 본 논문에서는 격실 내부의 폭발로 발생한 폭압으로 인한 인원 피해를 분석하고, 실내에 고정된 의자와 같은 장애물의 유․무 조건에 따라 인원 피해를 계산하여 비교한다. 이를 위해 격실의 크기와 개구부 비율을 고정하고 경험적 고속처리 모델로 변수연구를 수행하여 적절한 화약량과 기폭위치를 결정하였다.
제안 방법
- 격실 내부의 폭압으로 인한 인원 피해를 분석하고, 장애물의 유․무 조건에 따라 결과를 비교하였다. 경험적 고속처리 모델을 통해 격실의 크기와 개구부 비율이 고정하여 변수연구를 수행하였으며 장애물의 유․무에 따른 인원피해를 변별할 수 있는 화약량과 기폭위치를 결정했다.
- 피해평가 모델은 UFC (Unified Facilities Criteria) 폐 손상곡선을 적용했다. 격실 내에서 UFC 폐 손상곡선이 인원피해의 적절한 기준이 될 수 없지만, 시뮬레이션 조건을 산출하기 위해 개략적으로 적용을 하였다. 화약량이 1kg일 경우, 기폭지점 근처인 지점 3에서만 피해가 발생되었다.
- 격실 내부의 폭압으로 인한 인원 피해를 분석하고, 장애물의 유․무 조건에 따라 결과를 비교하였다. 경험적 고속처리 모델을 통해 격실의 크기와 개구부 비율이 고정하여 변수연구를 수행하였으며 장애물의 유․무에 따른 인원피해를 변별할 수 있는 화약량과 기폭위치를 결정했다.
- 이를 위해 격실의 크기와 개구부 비율을 고정하고 경험적 고속처리 모델로 변수연구를 수행하여 적절한 화약량과 기폭위치를 결정하였다. 다음에는 내부 폭압 전파에 영향을 주는 장애물이 없는 조건에서 유한요소해석과 경험적 고속처리모델로 통해 획득한 폭압을 이용해 인원피해를 분석하고 두 방법의 차이를 비교하였다. 마지막으로 고정된 의자가 배열된 격실 내에서의 폭압 전파를 유한요소해석을 통하여 산출하여 인원 피해를 분석하고 장애물이 없는 경우의 인원 피해와 비교하였다.
- 다음에는 내부 폭압 전파에 영향을 주는 장애물이 없는 조건에서 유한요소해석과 경험적 고속처리모델로 통해 획득한 폭압을 이용해 인원피해를 분석하고 두 방법의 차이를 비교하였다. 마지막으로 고정된 의자가 배열된 격실 내에서의 폭압 전파를 유한요소해석을 통하여 산출하여 인원 피해를 분석하고 장애물이 없는 경우의 인원 피해와 비교하였다.
- 변수연구를 통해 얻은 화약량과 기폭위치에 따라 유한 요소해석과 경험적 고속처리 모델을 이용하여 폭압을 산출하였다. 장애물이 없는 경우, 최대 폭압은 각 지점에 따라 1 ~ 29%만큼 차이가 났으며 입사파 후 반사파로 인한 폭압전파의 경향성도 유사하게 나타내고 있었다.
- 유한요소해석을 위한 격실 모델링은 격실 내 장애물의 유․무에 따른 인원피해를 비교하기 위하여 두 개의 모델로 구성하였다. 첫째는 앞의 경험적 고속처리 모델과 동일하게 모델링하였고 두 번째는 동일한 환경 하에 의자를 만들고 의자에 앉아 있는 인원을 배치하였다.
- 본 논문에서는 격실 내부의 폭발로 발생한 폭압으로 인한 인원 피해를 분석하고, 실내에 고정된 의자와 같은 장애물의 유․무 조건에 따라 인원 피해를 계산하여 비교한다. 이를 위해 격실의 크기와 개구부 비율을 고정하고 경험적 고속처리 모델로 변수연구를 수행하여 적절한 화약량과 기폭위치를 결정하였다. 다음에는 내부 폭압 전파에 영향을 주는 장애물이 없는 조건에서 유한요소해석과 경험적 고속처리모델로 통해 획득한 폭압을 이용해 인원피해를 분석하고 두 방법의 차이를 비교하였다.
- 장애물이 있는 격실 내에서 인원 피해평가에 대한 시뮬레이션의 변수 설계를 위해, 먼저 경험적 고속처리 모델인 BlastX를 이용하여 장애물이 없는 격실 내 폭압전파해석을 수행하였다. BlastX는 내부 격실에서 생성된 폭압 전파를 전파경로탐색 방법론(ray-based method)을 이용하여 폭압을 계산하는 프로그램이다.
- 유한요소해석을 위한 격실 모델링은 격실 내 장애물의 유․무에 따른 인원피해를 비교하기 위하여 두 개의 모델로 구성하였다. 첫째는 앞의 경험적 고속처리 모델과 동일하게 모델링하였고 두 번째는 동일한 환경 하에 의자를 만들고 의자에 앉아 있는 인원을 배치하였다. 장애물 유․무에 상관없이 사람의 자세는 동일하다.
- 입력 상수들은 70kg남자를 대상으로 정의된 값이다. 폭압전파 해석으로 구해진 폭압전파 곡선(p(t))을 모델에 입력하면 시간에 따른 흉벽의 속도(v(t))를 얻게 되며 이를 인원상해기준(ASII, Adjusted severity of injury index)에 적용시켜 내부 폭발에 대한 인원피해평가를 수행한다. 흉벽의 속도에 대한 인원상해기준은 식 (2)와 같으며 Table 4에 나타낸 값의 범위에 따라 인원 피해를 예측한다.
- 화약 Intial_Volume_fraction_geometry를 이용해 가상의 구를 생성하였다. 화약과 공기는 ALE_Multi_Material_Group을 이용해 화약에서 생성되는 폭풍파가 공기 중에서 전파할 수 있게 모사하였다. 창문은 격실과 결합(Merge)시켰으며 문은 힌지로 연결이다.
대상 데이터
- 구조물과 인원에 가해지는 폭압은 Constrain_Lagrange_in_Solid를 이용해 하중을 전달하였다. 구조물과 공간 격자크기는 Ji, 2016[14]; Kalra et al, 2014[15]; Huang and Willford, 2013[16]의 논문을 참고하여 각각 20 mm, 20 mm이며 전체 모델링된 요소의 수는 구조물 285354개, 공간 4458900개 이다. 해석에 이용한 재료물성은 Table 2와 같다.
이론/모형
- 4와 같이 앞의 경험적 고속처리 모델과 동일하다. 격실, 창문, 문, 의자, 인원은 Shell(Lagrangian) 요소를 사용하였고 공기는 Solid(ALE)요소를 사용하였다. 화약 Intial_Volume_fraction_geometry를 이용해 가상의 구를 생성하였다.
- 5 ~ 7과 같이 반사/중첩으로 인해 매우 복잡한 전파를 가진다. 따라서 압력-충격량 곡선을 내부 폭발의 피해평가에 직접 적용할 수 없으며 내부 폭압 전파를 반영할 수 있는 Axelsson 모델을 사용해 인원 피해평가를 수행한다.
- 유한요소해석과 경험적 고속처리 모델에서 산출된 폭압을 Axelsson 모델에 적용한 후 흉벽의 속도를 계산하고 Fig. 13에 결과를 나타내었다. 유한요소해석의 1, 2, 3, 4, 5 지점의 최대 속도는 4.
- 장애물 유․무에 상관없이 사람의 자세는 동일하다. 유한요소해석은 상용프로그램인 LS-DYNA를 이용하였다. 개구부의 구성은 Fig.
- Fig 2와 3은 화약량, 기폭위치와 인원 위치에 따른 격실 내 인원피해를 나타내는 그림이다. 피해평가 모델은 UFC (Unified Facilities Criteria) 폐 손상곡선을 적용했다. 격실 내에서 UFC 폐 손상곡선이 인원피해의 적절한 기준이 될 수 없지만, 시뮬레이션 조건을 산출하기 위해 개략적으로 적용을 하였다.
성능/효과
- 또한 화약량이 증가했을 경우에도 같은 피해 수준을 나타내었다. Table 5에서 확인할 수 있듯이 유한요소해석과 경험적 고속처리 모델의 두 결과 모두, 지점 3에서 50% 살상확률, 지점 1, 2, 4, 5에서 중상(Extensive damage)을 입었다. 장애물이 없는 격실에서의 인원피해는 두 모델이 동일한 피해수준을 나타내었다.
- 5는 화약량 1kg을 중앙에서 기폭하였을 때, 각 지점의 폭압을 나타내는 곡선이다. 각 지점에서의 최대 폭압은 번호 순서대로 각각 0.18, 0.19, 0.93, 0.19, 0.18MPa로 산출되었다. 지점 3에서 최대 폭압은 입사파에 의한 것이며 1.
- 결론적으로 장애물이 없는 격실의 인원 피해평가는 경험적 고속처리모델을 이용해도 일관성 있는 결과를 보여주었으며 장애물이 있는 격실 내 인원 피해는 유한요소해석과 같은 고충실도 폭압 전파해석이 필수적이며 화약량, 장애물의 유․무조건, 기폭위치와 같은 변수들의 변화가 적절히 고려되어 피해평가가 이루어져야한다.
- 83 m/s이다. 두 결과 모두, 기폭지점과 가까운 지점에서 가장 높은 속도가 발생되었으며 거리가 멀어 질수록 최대 속도는 감소하였다. 이를 인원상해기준에 적용하면 앞에서 기폭했을 경우, 1명이 경상을 입었으며 뒤에서 기폭했을 경우, 어느 지점에도 피해가 확인되지 않았다.
- 폭압 실험을 통해 정밀히 측정한다 하더라도 실험값들의 차이는 적어도 30% 이상 발생되며[20] 두 모델 모두 근접 폭발에 대해서는 어느 정도의 오차를 동반한 해를 구한다는 점을 고려해볼 때, 근접폭발 영역에서 29%의 차이는 합리적인 차이라고 판단된다. 또한 입사파 후 반사파로 인한 폭압전파의 경향성도 유사하게 나타내고 있었으며 이는 장애물이 없는 격실 내에서의 폭압 산출시, 유한요소해석 수준의 고충실도 시뮬레이션을 고려할 수도 있지만 경험적 고속처리 모델을 이용하여 일관성 있는 폭압을 산출할 수 있는 것을 보여준다.
- 이를 인원상해 기준에 적용하면 모두 경상(Slight damage)을 입는 것으로 평가되었다. 유한요소해석과 경험적 고속처리 모델에서 각 지점별 최대 속도의 차이는 보였지만 인원상해기준을 적용했을 경우엔 동일한 피해를 입는 것을 확인 할 수 있었다. 또한 화약량이 증가했을 경우에도 같은 피해 수준을 나타내었다.
- 장애물이 없는 경우에는 입사파로 인한 첫 번째 피크만 생성된 반면에 장애물이 있는 경우에는 장애물의 간섭으로 인한 폭압전파를 보이고 있다. 의자를 장애물로 배치함으로써 폭압전파가 방해를 받아 최대 폭압은 현저히 감소하였고 장애물이 없는 경우와 비교하여 80%만큼 최대 폭압이 감소되었다. 장애물을 고려하지 않고 폭압을 산출하면 격실 내 폭압은 과대평가 될 우려가 있으며 장애물이 있는 격실 내에서의 폭압산출시, 유한요소해석과 같은 고충실도 시뮬레이션을 사용해야만 한다.
- 1kg의 화약량이 기폭하고 장애물이 없는 경우에는 2명이 경상을 입은 반면에 앞에서 기폭했을 경우, 1명이 경상을 입었으며 뒤에서 기폭했을 경우, 어느 지점에도 피해가 확인되지 않았다. 이는 장애물이 있는 격실 내에서의 인원 피해평가시, 장애물을 고려하지 않고 폭압을 산출하면 격실 내 폭압은 과대평가 될 우려가 있으며 피해반경도 달라질 수 있다는 것을 확인하였다.
- Simulation 4와 6에서 장애물이 없는 경우, 피해 반경은 모든 지점의 인원에게 피해를 입히는 반면에 장애물이 있는 경우, Simulation 4와 6은 각각 4, 3 명까지 피해를 입혔다. 이러한 차이도 앞에서 설명하였듯이 장애물로 인해 폭압전파가 비대칭적으로 발생하였으며 기폭지점으로부터 같은 거리에 있다하더라도 장애물로 인해 인원피해가 달라질 수 있다는 것을 확인하였다.
- 10은 지점 2와 4에서 장애물이 없는 유한요소해석 결과와 장애물이 있는 유한요소해석 결과를 비교한 그래프이다. 장애물이 없는 경우, 지점 2와 4는 동일한 폭압을 산출하였지만 장애물이 없는 경우에는 장애물이 없는 경우 대비 각각 42%와 63%의 감소를 보였다. 장애물이 없는 경우, 지점 2와 4는 기폭지점으로부터 같은 거리에 있기 때문에 동일한 폭압을 나타내었다.
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