[논문]포 발사에 따른 쉘터 구조물의 차음 및 구조안전성 연구

이해석; 허동은; 박노석; 나태흠; 장요한; 홍준희

doi:10.9766/kimst.2017.20.5.639

포 발사에 따른 쉘터 구조물의 차음 및 구조안전성 연구
A Study of Sound Insulation and Structure Safety of the Shelter from the Firing of the Large Caliber Gun 원문보기

韓國軍事科學技術學會誌 = Journal of the KIMST, v.20 no.5, 2017년, pp.639 - 646

이해석 (국방과학연구소 제8기술연구본부) , 허동은 (국방과학연구소 제8기술연구본부) , 박노석 (국방과학연구소 제8기술연구본부) , 나태흠 (국방과학연구소 제8기술연구본부) , 장요한 (국방과학연구소 제8기술연구본부) , 홍준희 (충남대학교 기계공학과)

Abstract ▼ AI-Helper

This paper describes the sound insulation and structural safety of the shelter which may be used for shooters. The noise level of the shelter should be less than 100 dB on the basis of the Industrial Safety and Act, the World Health Organization and the MIL-STD. The sound insulation design was designed for the shelter structure. The designed shelter performance was verified by the real measurement after completing the construction of the shelter. The system was also designed using the finite element method with data of sound pressure measured in the test. Its response was obtained numerically. It is proved that the shelter structure is sufficiently safe considering the calculated maximum stress level with the allowable stress of structural property.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 논문은 화포에서 발생되는 충격소음에 따른 시험요원의 노출을 최소화 할 수 있는 쉘터에 대한 차음 및 구조안전성관련 연구내용이다.

가설 설정

쉘터를 어느 정도 단순화할 필요성이 제기되어 박스형태의 구조물로 설계 하였으며 쉘터에 최대 악조건이 가해졌을 경우를 고려하여 폭압이 직접 쉘터에 영향을 미친다는 가정 하에 구조해석을 실시하였다. 또한, 쉘터구축의 목적은 시험요원이 쉘터 내부에서 폭압의 영향 없이 안전하게 시험을 수행할 수 있기 위한 구조물 설계가 기본이다.

제안 방법

C. K. Gautam and R. C. Pathak는^[12] 충격파와 폭압에 견딜 수 있는 구조물 설계를 위해 1.5 m 높이에서 최대 12 psi의 압력이 발생될 경우 견딜 수 있는 구조물을 시뮬레이션 수행 후 실험을 실시하여 이를 검증 하였다.
또한 콘크리트 내부의 벽과 천정은 13.2 m(L) × 8.2 m(L) × 3.4 m(H) 크기로 흡음재를 설치하는 방안으로 설계되어졌으며, 쉘터내부의 바닥은 열에 견딜 수 있는 타일은 13.2 m(L) × 8.2 m(L) × 0.003 m(T) 크기로 설정되어졌다.
8과 같이 매립층에 의하여 1 m의 깊이로 매립되어 있으며, 차음설계를 통해 확보된 자료를 이용하여 벽두께, 지붕두께 등을 모델 링하였다. 또한, 구조 안전성을 검증하기 위하여 유한요소기법을 이용하여 시스템을 모델링하고 측정된 음압데이터를 입력하여 이의 응답을 해석적으로 구하고 해석된 최대 스트레스를 구조 물성의 허용 스트레스와 비교하여 그 크기가 작은지 여부를 검증하였다.
쉘터내부의 소음설계 기준인 100 dB(A)를 만족하기 위한 쉘터 차음설계를 수행하였으며, 실 계측수행을 통하여 이를 입증하였다.
후반부에서는 유한요소 모델링, 구속조건 및 결과분석 등을 통해 시험수행에 적합한 쉘터의 구조안전성을 확인하였다.

대상 데이터

자료처리는 Analyzer Pulse S/W가 사용되어졌으며 사용된 센서는 음압범위에 따라 쉘터 내부(2곳) 및 외부 (3곳)에 PCB 106B와 PCB 378802를 설치하였다^[17,18] .
총 절점 개수는 133,590개, 요소의 수는 정방형 솔리드 요소를 이용하여 128,320개로 구성하였다.

데이터처리

R. Hajeck & M. Folar는^[7] 폭발파 전파 감소를 위해 사용되는 콘크리트 구조물에 대한 해석을 위해 FEM 모델과 LS-DYNA software를 이용하여 최대폭압 감소량을 예측하였으며 실제 실험을 통해 이를 검증하였다.

이론/모형

쉘터의 차음량 계산은 건축 부재의 음향투과손실 시뮬레이션용 범용 계산 소프트웨어인 뉴질랜드 Marshall Day Acoustics社의 INSUL ver 7.0을 사용하였다. 검토 결과 목표 차음량 기준 55 dB를 만족하기 위한 부재별 차음 설계 결과는 Table 1과 같다.
유한요소 모델링에 필요한 전처리기는 HyperMesh를이용하였다. 스트레스 해석을 위해서는 조밀하고 정형화된 엘리먼트의 형태를 유도할 필요가 있다.
작성된 유한 요소 모델을 측정된 시간 도메인의 음압 데이터를 입력으로 적용하여 해석하기 위하여 ABAQUS /Explicit가 이용되었다.

성능/효과

계산결과 실내 전달소음은 이론적으로 91 dB(A)로 설계기준 100 dB(A)를 만족하였다. 여기에 시뮬레이션 허용 오차 범위 4 dB(A)를 고려하더라도 95 dB(A)로설계 기준 이하를 만족할 것으로 확인되었다.
따라서 본 구조물은 충격소음에 대하여 매우 견고한 구조물임을 확인할 수 있다.
또한, 유한 요소 기법을 이용하여 시스템을 모델링 하고 측정된 음압데이터를 입력하여 이의 응답을 해석적으로 구하고, 최대 스트레스를 구조 물성의 허용 스트레스와 비교하여 쉘터구조물이 충분히 안전성 있음을 확인하였다.
본 논문에서는 쉘터에 대한 구조해석은 실제 100 dB(A) 이하의 소음을 저감시킬 수 있는 구조물에 대하여 안전성을 확인하는 측면이 크다고 할 수 있다.
7은 쉘터구축 후 실내 및 외부에 음압센서를 설치하여 측정된 값을 나타낸 것으로 In 1, In 2는 쉘터내부에 센서를 설치한 것이며, Out 1, Out 2, Out 3 은 쉘터외부에 센서를 설치한 것이다. 쉘터내부 Inside 1지점에서(In 1) 최고 95 dB(A)가 계측된 것을 확인할 수 있으며 대체적으로 250~1,000 Hz 구간에 가장 높은 소음이 발생되는 것을 확인할 수 있다.

후속연구

본 논문은 향후 군 또는 시험장에서 사격요원 보호를 위한 쉘터 구축 시 설계자료로 제공될 경우 상당한 도움을 줄 수 있을 것으로 판단된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	충격소음은 무엇인가?	충격소음은 35 msec 이내의 아주 작은 지속시간 동안 발생하는 과도상태의 소음을 의미한다.
	충격소음의 형태는 어떻게 나눌 수 있는가?	충격성 소음은 급격한 압력 상승 후의 일정한 감쇠 형태를 나타내는 특성을 가진 형태와 압력 상승 후감쇠가 진동하는 특성을 가진 형태로 크게 나누어 질수 있다. 충격성 소음의 주파수 특성을 살펴보면 이론 적으로 델타함수와 같이 완전한 충격의 주파수 특성은 랜덤노이즈(random noise)와 동일하게 전 주파수 대역에서 균일한 에너지 분포를 가지는 형태로 나타난다.
	충격소음의 원인은 무엇인가?	총포탄약 사격 시 발생되는 충격소음은 폭풍파의 형태로 전파되는 고강도로 무기 체계의 포구에너지 증대 추세에 따라 지속적으로 증가되고 있다. 충격소음의 원인은 크게 세가지로 분류할 수 있으며 그 첫째는 포탄의 포구이탈에 앞선 공기 분출로 발생하는 선임충격파(Precursor wave), 둘째로는 포탄 이탈로 발생 하는 탄자 파열음(Projectile burst shock wave), 셋째로는 포탄 이탈 후 추진가스의 고폭분출(High explosive emission)로 인해 발생되는 추진가스 폭풍파(Propellant shock wave)이다. 충격소음에 노출된 상태에서 시험을 연속적으로 수행하는 경우 인체에 좋지 않은 영향을 미칠 수 있으므로 이에 대한 대책마련이 꾸준히 요구 되어져 왔다[1-4].

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