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폭발강화격벽의 초기구조설계에 관한 연구 (제1보 : 간이 구조 해석/설계 기법 정식화)

Preliminary Structural Design of Blast Hardened Bulkhead (The 1st Report : Formulation of Simplified Structural Analysis/Design Method)

大韓造船學會 論文集 = Journal of the society of naval architects of korea, v.55 no.5, 2018년, pp.371 - 378  

노인식 (충남대학교 선박해양공학과) ,  박만재 (한국선급) ,  조윤식 (국방과학연구소)

Abstract AI-Helper 아이콘AI-Helper

Internal detonation of a warhead inside a compartment of naval vessel can result in serious blast damages including plastic deformation and rupture of the structural members especially bulkhead due to the huge explosive impact pressure, fragments and high temperature flame. To secure watertight inte...

주제어

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문제 정의

  • 9에서 사각형으로 표시된 초기 곡선 부분이며, (10)식처럼 간단한 형태로 쉽게 도출되지 않는다. 그러나 본 연구에서는 보의 최대 내하능력을 판단하는데 목적이 있으며, 보가 최종강도에 이르게 하는 큰 하중에서는 변형이 보강재 높이 보다는 상당히 큰 상태가 되고, 단면에 작용하는 내력 역시 거의 막력으로 전환될 것으로 예상되므로 처짐이 작은 구간의 거동은 그다지 중요하지 않은 부분으로 판단하여 더 이상의 논의는 생략한다.
  • 이 해석법을 적용하여 격벽 주판의 두께 및 보강재 단면적의 결정 과정을 유도하였다. 또한 현재 가장 많이 적용되고 있는 커튼판 보강 방식 폭발강화격벽 구조에 본 연구에서 개발된 설계식을 적용하는 방안을 연구하였다.
  • 본 연구에서는 폭발강화격벽의 초기 구조설계 단계에 적용하기 위한 설계 폭발압력의 추정 방법과 이 압력에 의한 격벽 구조 거동의 간이 해석법 및 이를 이용한 치수 설계식 개발과정을 다루었다. 일반적으로 함정의 격벽은 평판에 보강재가 부착된 보강판 형상의 구조이므로 이 격벽의 구조 거동은 보강재를 포함하는 1-span 간격만 보로 모델링한 다음, 소성 관절법을 적용하여 보의 최종강도 이론을 적용하되, 소성모멘트만을 고려하는 통상적인 보의 최종강도 해석법에 대변형으로 인한 막력의 영향을 보완하여 새롭게 정식화하였다.
  • 본 연구에서는 폭발강화격벽의 초기 설계 단계에 적용 가능한 간이해석법과 구조설계식 개발을 위하여 우선 광범위한 자료 수집과 이에 대한 고찰을 통하여 격실 내부폭발에 의한 충격압력의 최대 크기, 지속시간 및 시계열을 간이식 형태로 추정하고, 이에 대한 폭발강화격벽의 구조거동을 간편하게 표현할 수 있는 간이구조해석법을 연구함으로써 효율적인 폭발강화격벽 및 연결 구조의 초기 설계기법 개발에 적용하고자 한다.
  • 이어지는 제 2보에서는 실제 실적선들의 구조설계 자료를 활용하여 본 연구에서 개발된 구조설계 공식을 보정함으로써 최종적으로 실선에 실용적으로 적용할 수 있는 커튼 판 보강 폭발강화격벽의 초기 구조설계식을 완성하는 과정을 보이고자 한다.
  • 저자 등은 이미 이와 같은 연구내용의 개요를 참고문헌 (Nho & Park, 2014; Nho et al., 2015)에 발표한 바 있으며 본 고에서는 이를 바탕으로 논의를 전개한다.
  • 최근에 설계되는 폭발강화격벽은 거의 양단에 커튼 판(curtainplate)를 설치하여 보강하는 방식이 대부분이므로, 본 고에서도 커튼 판 방식 폭발강화격벽의 설계 절차에 대하여 논한다.
  • 통상 개방된 장소와 폐쇄된 공간에서의 폭발 압력은 완전히 다른 양상으로 나타나지만 본 연구에서는 격실 내부의 폐쇄된 공간에서 발생하는 내부 폭발 문제만 고찰한다.
  • 국내에서는 아직 체계화된 연구나 자료축적이 이루어지지 않고 있으나 국외에서는 이미 폭약의 양, 폭발 원점과 구조물과의 거리, 압력파와 구조물의 입사각, 통기구의 면적 등의 상관관계에 따라 최대압력의 크기, 준정적 압력의 작용 지속시간 등에 대한 연구가 상당 부분 진행되어 실제 사용 가능한 경험식으로 주어지고 있다. 특히 UFC (2008)에서 다양한 경우에 대한 방대한 폭발압력 자료가 정리되어 있어 현재 국내외에서 가장 보편적으로 사용되고 있으므로 본 연구도 이를 기반으로 하였다. 실제 폭발강화격벽의 구조설계에 있어서 충격압력과 가스압력에 의한 과도 동적응답과 준정적 응답을 모두 고려할 필요가 있으나 초기설계 단계에서는 가스압력을 기준으로 하되 동적 거동의 영향을보정하는 방법이 합리적인 방향으로 판단된다 (Stark & Sajdak, 2012; Nho et al.
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질의응답

핵심어 질문 논문에서 추출한 답변
폭발 압력을 구분하라 폭발 압력은 폭발 즉시 음속으로 작용하는 충격압력(shock pressure)과 준정적(quasi-static)인 형태로 작용하는 가스압력(gas pressure)으로 구분할 수 있다. 충격압력은 격벽의 과도 동적응답을 유발하며, 상대적으로 긴 시간동안 작용하는 가스압력은 정적 거동으로 격벽에 심각한 손상을 발생시킨다.
구조물의 기하학적 형상이 인장력을 받을 수 있도록 설계하는 이유는 무엇인가 작용 폭발압력을 효율적으로 지지할 수 있도록 격벽의 기하학적 형상이 점진적으로 변형됨으로써 폭발압력은 인장하중으로 전환되고 격벽에 작용하는 통상적인 보강판의 굽힘응력(bending stress)은 막응력(membrane stress)으로 전환된다. 일반적으로 구조물이 파단될 때 굽힘 변형보다는 인장 변형 쪽이 훨씬 큰 변형에너지를 흡수할 수 있기 때문에 변형의 진행 과정에서 구조물의 기하학적 형상이 인장력을 받을 수 있도록 설계하는 것이 바람직하다. 따라서 이를 감안하여 궁극적으로 격벽의 파손을 방지하고 수밀을 유지할 수 있도록 부재를 배치하는 것이 폭발강화격벽(Blast Hardened Bulkhead) 구조설계의 기본 개념이다 (Stark & Sajdak, 2012; Nho & Park, 2014).
함정의 통상적인 횡 격벽은 어떠한 경우 파손이 발생할 수 있는가 함정의 통상적인 횡 격벽은 전투상황에서 발생되는 침수 시발생되는 정수압을 견딜 수 있도록 설계된다. 그러나 격실 내부에서 폭약이 폭발하는 경우, 폭발 파편의 충돌에 따르는 직접적인 충격과 더불어 엄청나게 큰 폭발 압력으로 인하여 격벽 전체에 걸쳐 큰 소성변형이 발생함으로써 쉽게 파손이 발생할 수 있다. 이러한 상황에서 격벽의 수밀 성능을 유지하여 이웃 격실의 연쇄적인 손상 및 침수로 인한 침몰을 방지하기 위해서는 내부폭발에 의한 충격 압력파로부터 격벽의 구조 건전성(structural integrity)을 확보해야 한다.
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참고문헌 (8)

  1. Kurki, T. 2007. Contained explosion inside a naval vessel - evaluation of the structural response. Master's Thesis. Helsinki University of Technology. 

  2. Lloyds Register, 2010. Rules and regulations for the classification of naval ships. 

  3. Nho, I.S. & Park, M.J., 2014. Preliminary design of blast hardened bulkhead using simplified structural analysis method. Bulletin of the Society of Naval Architects of Korea, 51(3), pp.8-12. 

  4. Nho, I.S., Park, M.J., Oh, Y.T. & Yeon, K.J., 2015. Preliminary structural design of blast hardened bulkhead. Proceedings of the Annual Spring Conference, Society of Naval Architects of Korea, Busan, Korea, 21-23 May 2015, pp.1074-1079. 

  5. RINAMIL, 2007. Rules for the classification of naval ships : Part F additional class notations. 

  6. Soreide, T.H., 1981. Ultimate load analysis of marine structures, Tapir, Trondheim (Norway). 

  7. Stark, S. & Sajdak, J., 2012. Design and effectiveness criteria for blast hardened bulkhead applications on naval combatants. The 4th International Conference on Design and Analysis of Protective Structures, Jeju, Korea, 19 June 2012. 

  8. Unified Facilities Criteria(UFC), 2008. Structures toresist the effects of accidental explosions, UFC3-340-02. 

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