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문제 정의
- 폭발 충격 력(Impulse)은 정압단계의 폭압을 나타내는 선과 시간축으로 형성되는 면적으로 계산된다 건축물의 방폭설계는 일반적으로 정압만을 고려하고 부압 은 무시한다. 그 이유는 첫째부압이 상대적으로 정압에 비해 그 크기가 작고, 둘째하중이 아주 짧은 시간동안만 작용하므 로 정압이 이미 소멸된 후에 구조물은 반응하게 되는데, 이때 부압이 구조물의 반응을 억제하는 효과가 있으므로 보수적인 설계를 위해서 이다. 따라서 설계에서는 정압에 해당하는 폭압-시간의 이력곡 선을 식 (2)와 같이 등가의 삼각형으로 가정한다.
- 본 연구에서는 구조동역학에 어느 정도 지식이 있는 보통 의 구조엔지니어가 방폭설계를 수행할 수 있도록 그 기본개 념에 대하여 살펴보았다. 또한, 간단한 사례를 통하여 방폭설 계가 어떻게 적용되는지 알아보았고 일반하중으로 설계된 구 조물에 대한 방폭성능을 확인하였다1.
- 우리나라의 경우 연평도 포격사건 등 안보에 대한 위험이 도사리고 있고 국제 테러단체의 위협이 지속되고 있기 때문 에 방폭설계에 대한 중요성은 상당히 크다. 본 연구의 목적은 미국을 중심으로 일반화된 방폭설계의 기본개념을 고찰하고 구조 기술자로서 최소한의 방폭설계를 위해 고려해야 할 점 들을 파악하고자 한다. 또한 간단한 사례를 통해 일반하중에 대하여 설계된 실제 건축물의 방폭성능을 살펴보았다.
가설 설정
- 앞서 내진설계와 방폭설계는 하중면에서 그 차이점을 확인 하였으나, 간과해서는 안 되는 유사점 또한 존재한다. 내진설 계와 방폭설계는 극한의 하중상태에서 구조물의 안정성을 경 제적으로 구현한다는 목표를 추구하고 있기 때문에, 설계시 구조물이 탄성거동(Elastic Behavior) 상태를 넘어 소성거동 (Plastic Behavior) 상태에 이르도록 가정한다. 구조물이 소성 거동을 하는 동안 붕괴(Collapse)되지 않고 하중을 지탱하기 위해서는 구조물이 충분한 연성(Ductility)을 확보할 수 있는 상세가 필요하다.
- 그 이유는 첫째부압이 상대적으로 정압에 비해 그 크기가 작고, 둘째하중이 아주 짧은 시간동안만 작용하므 로 정압이 이미 소멸된 후에 구조물은 반응하게 되는데, 이때 부압이 구조물의 반응을 억제하는 효과가 있으므로 보수적인 설계를 위해서 이다. 따라서 설계에서는 정압에 해당하는 폭압-시간의 이력곡 선을 식 (2)와 같이 등가의 삼각형으로 가정한다. (2) 여기서, tof는 하중 작용시간(Duration), ir은 반사 충격력 (Reflected Impulse), Pr은 최대 반사압력(Peak Reflected Pressure)을 나타낸다.
- 부재의 비 선형성을 반영하기 위하여 AISC 13th Edition (AISC, 2005)에 따른 각 부재의 강도를 산정하였고, 거더(Girder)의 양단부와 중앙부, 기둥의 상부에 소성힌지(Plastic Hinge)가 발행할 수 있도록 하였다. 방폭성능을 평가할 경우, 감쇠(Damping)는 구조물의 거동에 큰 영향을 미치지 못하지만 일반적인 철골 구조물임을 고려하여 2%를 가정하였다. 일반하중을 작용한 후, 거더 중앙에서의 초기 처짐은 20mm였으며, 이후 폭파하중에 의한 시간이력해석 결과 거더 중앙부에서 최대 처짐이 42.
- 주요 골조(Main Frame)는 보통 모멘트 골조 시스템으로 설 계된 단경간 메탈빌딩(Single Span Metal Building)으로 기둥 사이의 간격은 16m이며, 주요 골조는 매 6m 간격으로 배치되 어 있다. 보수적인 방폭설계를 위하여 해당되는 폭파하중이 주요 골조의 정중앙에 작용하는 것으로 가정한다. Fig.
- 폭파하중은 일단 등가의 TNT(Equivalent TNT)량과 목표 물까지의 거리, 즉 촛점거리(Standoff Distance)가 결정되면 폭발물의 위치(공중 또는 지표면)에 따라 구형파 또는 반구형 파의 폭발형태로 가정되며, 그 다음 폭압이 계산된다.
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