[논문]프리스트레스트 콘크리트 관형 구조물의 폭발량에 따른 내부폭발저항성능에 관한 실험적 평가

최지훈; 최승재; 양달훈; 김장호

doi:10.12652/ksce.2019.39.3.0369

프리스트레스트 콘크리트 관형 구조물의 폭발량에 따른 내부폭발저항성능에 관한 실험적 평가
Experimental Evaluation of Internal Blast Resistance of Prestressed Concrete Tubular Structure according to Explosive Charge Weight 원문보기

대한토목학회논문집 = Journal of the Korean Society of Civil Engineers, v.39 no.3, 2019년, pp.369 - 380

최지훈 (연세대학교 건설환경공학과) , 최승재 (연세대학교 건설환경공학과) , 양달훈 (연세대학교 건설환경공학과) , 김장호 (연세대학교 건설환경공학과)

초록
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PSC 구조물에 폭발과 같은 극한하중이 짧은 시간 동안 발생하게 되면 급작스러운 파괴와 그로 인한 수많은 인명 및 재산피해를 발생시킨다. 하지만 원전격납구조물, 가스탱크와 같은 PSC 구조물의 경우 방호 및 방재개념이 포함된 구조설계가 적용되지 않은 실정이며, 특히, 구조물 내부에서 발생하는 폭발압력하중은 피해규모가 외부폭발에 비해 훨씬 크기 때문에 내부폭발하중에 대한 검증은 반드시 필요하다. 따라서, 본 연구에서는 원전격납구조물의 내부폭발에 대한 저항성능을 검토하기 위해 이방향 프리스트레스트 콘크리트 축소모형을 제작하였다. 내부폭발 실험은 22.68, 27.22, 31.75 kg (50, 60, 70 lbs)의 ANFO 폭약을 이용하여 시편으로부터 1,000 mm의 거리에서 폭발시켰으며, 압력하중, 처짐, 변형률, 균열형상, 긴장력 변화 등의 데이터를 분석하였다. 본 연구결과를 이용하여 원전격납구조물의 내부폭발하중 발생 시 손상도 범위 예측이 가능할 것으로 판단된다.

Abstract ▼ AI-Helper

When a extreme loading such as blast is applied to prestressed concrete (PSC) structures and infrastructures for an instantaneous time, serious property damages and human casualties occur. However, a existing design procedure for PSC structures such as prestressed containment vessel (PCCV) and gas storage tank do not consider a protective design for extreme internal blast scenario. Particularly, an internal blast is much more dangerous than that of external blast. Therefore, verification of the internal blast loading is required. In this paper, the internal blast resistance capacity of PSC member is evaluated by performing internal blast tests on RC and bi-directional PSC scaled down specimens. The applied internal blast loads were 22.68, 27.22, and 31.75 kg (50, 60, and 70 lbs) ANFO explosive charge at 1,000 mm standoff distance. The data acquisitions include blast pressure, deflection, strain, crack patterns, and prestressing force. The test results showed that it is possible to predict the damage area to the structure when internal blast loading occurs in PCCV structures.

주제어

표/그림 (17)

그림 Fig. 1. Internal Blast Propagation
표 Table 1. Internal Blast Test Specimens
그림 Fig. 2. Rebar and Tendon Locations (unit : mm)
그림 Fig. 3. Details of Supporting Frame
그림 Fig. 4. Experiment Equipment
그림 Fig. 5. Strain and Tendon Gauge Locations
그림 Fig. 6. Internal Blast Test Setup and Sensor Locations
그림 Fig. 7. Energy Release of ANFO Internal Blast Loading – 22.68 kg (50 lbs)
그림 Fig. 8. Blast Pressure Results of ANFO 22.68 kg (50 lbs)
표 Table 2. Summary of Test Results under Internal Blast Loading
그림 Fig. 9. Time-Deflection Curves of Specimens
그림 Fig. 10. Steel Strain Results
그림 Fig. 11. Concrete Strain Results
그림 Fig. 12. Crack Patterns of Specimens
그림 Fig. 13. Crack Patterns of Specimens
그림 Fig. 14. Prestressing Force Variations
그림 Fig. 15. Prestressing Releasing by Damage of Wedge

AI 본문요약
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문제 정의

, 2004), 정밀해석의 경우 연구에 사용되는 해석 툴이 각기 다를 뿐 아니라, 이를 검증할 수 있는 실험데이터 없이 시뮬레이션 결과만을 의존하는 불확실성으로 인해 신뢰성이 떨어지는 단점이 있다. 따라서 본 연구에서는 원전격납구조물에서 발생 가능한 내부폭발에 따른 PSC 구조물의 손상도를 분석하기 위해 APR-1400 원전격납구조물을 대상구조물로 선정하고, 축소모형을 제작하여 내부폭발압력에 따른 PSC 구조물의 폭발실험을 수행하고자 한다. 폭발압력의 크기에 따라 구조물의 손상도에 미치는 영향을 분석하기 위해 폭발량의 변수를 선정하여 실험적으로 평가하고, 결과를 통해 구조물의 내부폭발에 의한 거동을 정확히 파악하였다.
, 2017). 본 연구에서는 격납구조물의 외부가 아닌 내부에서 작용하는 폭발압력하중에 대한 PSC 구조물의 거동을 분석하였다. 원전격납구조물 내부에서 미상의 폭발물 설치 또는 기계적 결함으로 인한 폭발이 일어난다는 시나리오를 선정하고, TM5-1300 (UFC 3-340-02)에 의거한 평균 폭발압력(P_r)과 평균 단위 충격량(i_{(2018) 등은 선행연구를 통해 원전격납구조물 벽체를 대상으로 RC, PSC 축소부재를 제작하여 슬래브에 대한 외부폭발 실험을 진행한 바 있다. 본 연구에서는 국내에서 지금까지 수행하지 못하였던 원전격납구조물을 대상으로 한 콘크리트 구조물의 내부폭발실험을 수행하고 손상도를 분석하고자 한다. 시편은 Table 1에서 보는 바와 같이 프리스트레스트 콘크리트(PSC, Prestressed Concrete)로 제작하여 내부폭발하중 크기에 따라 PSC (A) 시편(22.}
본 연구에서는 원전격납구조물의 내부폭발저항성능을 평가하기 위해서 최대한 구조형식을 구현한 축소모형 시편을 제작하여 실험을 수행하였다. 실험수행이 가능하도록 원전격납구조물의 돔 부분을 제외한 벽체를 대상으로 축소모형인 이방향 프리스트레스트 콘크리트 관형 구조물을 제작하여 압력, 처짐, 변형률, 균열형상, 긴장력 변화 등을 분석하였다.
0107로 기존 건물에 비해 압축력을 10 % 가량 증가시켰다. 앞서 언급한 대상구조물의 기본적인 제원을 토대로 내부폭발하중 실험이 가능한 모형실험체를 선정하고자 한다. 본 연구에서 선정한 실험체는 격납구조물의 돔 부분을 제외한 벽체의 축소모형으로 제작하였으며, 실험체 설계 시 대상구조물로 선정한 격납건물의 벽체와 동일한 철근비와 텐던비를 적용하였다.

제안 방법

(1) 내부폭발하중 시나리오를 적용한 실험수행이 가능하도록 원전격납구조물의 돔 부분을 제외한 벽체를 대상으로 축소모형인 이방향 프리스트레스트 콘크리트 관형 구조물을 제작하여 압력, 처짐, 변형률, 균열형상, 긴장력 변화 등을 분석하였으며, 정확한 데이터를 도출하기 위한 계측시스템도 구축하였다.
(4) 본 연구를 통해 내부폭발하중 시나리오를 적용한 원전격납구조물의 실험적 평가를 수행하고 관련 데이터를 확보하였다. PSC 구조물의 내부폭발 거동이 이전에 수행하였던 연구에서와 달리 거동의 peak가 여러번 발생하였으며, 본 연구를 통해 추후 연구에서는 구조물 내부에서의 압력변화를 좀 더 상세하게 분석할 필요가 있다고 판단된다.
ANFO 폭약은 시편 중앙에 90°간격으로 설치된 총 4개의 고정고리를 이용하여 시편의 정중앙(중심부)에 정확히 위치하도록 설치하였다.
실험은 안전이 확보된 국방과학연구소 다락대 종합시험장에서 수행하였다. Fig. 3에서 보는 바와 같이 시편 거치대를 지면으로부터 1,000 mm 깊이에 철근콘크리트로 현장타설하여 지면과 거치대가 완전 밀착된 상태를 구축하고, 2,600 kg에 달하는 시편을 정확한 위치에 거치하였다. 폭발에 의한 센서의 움직임을 방지하기 위해 거치대의 주요 지점에 변위계(LVDT) 설치를 위한 지그를 매립하여 시편 거동을 정확히 계측할 수 있도록 하였다.
4는 입사압, 반사압, 가속도 센서와 변위계, 콘크리트 변형률 게이지의 설치 위치를 나타낸 그림이다. 각각의 센서를 고정하기 위해 시편 제작 시 각 센서의 지그를 함께 설치하고 매립하여, 폭발하중에 의해 발생되는 오차를 줄이고 시편과 일체거동이 가능토록 하였다. 내부폭발하중 발생 시 대기 중에 발생하는 폭발입사압력은 시편 중심(폭발물이 설치된 지점)으로부터 7,000 mm 위치에 설치된 500 psi 용량의 입사압력 센서를 통해 측정하였으며, 시편에 받아들여지는 반사압력은 폭발물로부터 1,000 mm 떨어진 지점, 즉 시편 내측 중앙 하부와 중앙으로부터 1,000 mm 떨어진 위치에 총 2개의 반사압력센서를 설치하여 측정하였다.
3에서 보는 바와 같이 보강판을 제작하여 콘크리트의 손상을 방지하였다. 거치대 타설 시 주요 지점에 변형률(철근 및 콘크리트) 게이지를 설치하여 폭발하중에 의해 시편거치대의 변형상태도 측정하였다. ANFO 폭약은 시편 중앙에 90°간격으로 설치된 총 4개의 고정고리를 이용하여 시편의 정중앙(중심부)에 정확히 위치하도록 설치하였다.
그리고 시편을 수직으로 세워 360°방향으로 모든 외부면의 균열을 확인하였다.
각각의 센서를 고정하기 위해 시편 제작 시 각 센서의 지그를 함께 설치하고 매립하여, 폭발하중에 의해 발생되는 오차를 줄이고 시편과 일체거동이 가능토록 하였다. 내부폭발하중 발생 시 대기 중에 발생하는 폭발입사압력은 시편 중심(폭발물이 설치된 지점)으로부터 7,000 mm 위치에 설치된 500 psi 용량의 입사압력 센서를 통해 측정하였으며, 시편에 받아들여지는 반사압력은 폭발물로부터 1,000 mm 떨어진 지점, 즉 시편 내측 중앙 하부와 중앙으로부터 1,000 mm 떨어진 위치에 총 2개의 반사압력센서를 설치하여 측정하였다. 시편에 가해지는 충격가속도 및 충격하중 측정을 위해 허용범위 50,000 g의 가속도 센서를 시편 외측 중앙 하부에 부착하였다.
내부폭발하중에 의한 PSC 시편의 처짐은 시편 중앙하부, 중앙하부지점으로부터 1,000 mm 떨어진 지점, 시편 중앙으로부터 90°떨어진 측면에 설치된 동적 LVDT를 통해 분석되었다.
내부폭발하중이 발생 시 가장 중요한 측정항목 중 하나인 콘크리트의 처짐을 측정하기 위하여 시편 중앙 하부, 중앙 하부로부터 90°지점, 시편 중앙으로부터 1,000 mm 떨어진 지점에 unspring 방식의 ±100 mm의 동적 LVDT를 각각 설치하여 시편의 위치별 최대처짐과 잔류처짐을 확인하였다.
데이터 계측은 안전을 고려하여 실험장으로부터 약 500 m 떨어진 시험통제실에서 데이터를 측정하였으며, 데이터 측정장비는 200 ~ 500 kHz의 높은 샘플링 속도로 신호를 수집할 수 있는 Dewetron사의 Dewe 1201, Dewe 2600 장비를 사용하여 압력, 가속도, 처짐은 500 kHz의 속도로, 철근 및 콘크리트 변형률은 200 kHz의 속도로 데이터를 계측하였다. 마지막으로 내부폭발압력의 분포를 육안으로 확인할 수 있도록 5,000 frame의 초고속카메라를 통해 폭발 당시 영상을 수집하였다.
따라서 본 연구에서 수행하고자 하는 원전격납구조물의 내부폭발에 의한 거동을 실험적으로 평가할 경우, 구조물의 모든 면이 밀폐되어 있기 때문에 위험도가 높고 측정이 불가능하다. 따라서 본 연구에서는 Fig. 1(b)에서와 같이 측면을 개방한 형태의 시편을 제작하여 위험성을 감소시키는 동시에 데이터 계측이 가능하도록 내부폭발 실험을 수행하였다. 시편 좌‧우로 방출되는 압력하중은 입사압력센서를 통해 측정하고, 시편 내부에서 작용하는 반사압력의 경우 반사압력 센서를 통해 측정하였다.
(2012)의 연구에 따르면 TNT 폭약으로 기폭했을 경우 TNT를 감싸고 있는 철제 파편이 콘크리트에 박히면서 설치된 센서가 손상이 되어 측정이 불가능하였다. 따라서, 본 연구에서는 외피의 영향이 없는 ANFO 폭약을 선정하였으며, 폭약량 예측에 따라 선정된 W₁ (22.68 kg, 50 lbs), W₂ (27.22 kg, 60 lbs), W₃(31.75 kg, 70 lbs)로 점차적으로 폭약량을 늘려가면서 압력하중의 크기에 따른 구조물의 거동을 분석하였다. 또한, 비교분석을 위하여 동일한 크기의 RC 시편을 제작하여 RC 및 PSC 구조물의 거동차이도 함께 확인하였다.
75 kg, 70 lbs)로 점차적으로 폭약량을 늘려가면서 압력하중의 크기에 따른 구조물의 거동을 분석하였다. 또한, 비교분석을 위하여 동일한 크기의 RC 시편을 제작하여 RC 및 PSC 구조물의 거동차이도 함께 확인하였다.
75 kg)으로 구분하였다. 또한, 비교실험을 위하여 추가적으로 철근콘크리트(RC, Reinforced Concrete)시편을 제작하여 텐던의 유무, 구속효과에 따른 시편의 폭발거동을 비교하였다.
시편 거치대의 양단 600 mm를 고정단으로 하여 시편의 곡률과 거치대의 곡률을 일치시켜 시편이 정확하게 거치대 위에 거치되도록 제작하였으며, 시편 거치 시 시편과 거치대 사이에 10 mm 두께의 고무패드를 삽입하여 지지조건을 만족시키는 동시에 내부폭발하중에 의한 거치대의 손상을 방지하고 시편의 움직임을 최소화할 수 있도록 하였다. 또한, 시편과 시편거치대가 고정될 수 있도록 100 mm의 슬링바와 wire, 체인블록을 이용하여 시편이 완벽히 고정되도록 설치하였으며, wire에 의한 격벽부의 지압파괴를 방지하기 위하여 Fig. 3에서 보는 바와 같이 보강판을 제작하여 콘크리트의 손상을 방지하였다. 거치대 타설 시 주요 지점에 변형률(철근 및 콘크리트) 게이지를 설치하여 폭발하중에 의해 시편거치대의 변형상태도 측정하였다.
실험수행이 가능하도록 원전격납구조물의 돔 부분을 제외한 벽체를 대상으로 축소모형인 이방향 프리스트레스트 콘크리트 관형 구조물을 제작하여 압력, 처짐, 변형률, 균열형상, 긴장력 변화 등을 분석하였다. 또한, 폭발압력의 크기에 따른 시편의 손상도를 동시에 평가하기 위하여 폭약량을 22.68 kg (50 lbs) ~ 31.75 kg (70 lbs)까지 다양한 폭발압력을 적용하여 평가하였으며, 다음과 같은 연구결과를 도출하였다.
벽체 두께는 내·외부 철근의 피복두께, sheath tube의 위치와 간격을 고려하고 폭발의 영향을 분석 가능한 범위에서 최소두께로 제작하였으며, 폭발 실험장으로의 운반 가능성 유무도 함께 판단하였다.
2(b)와 같이 240°간격으로 긴장을 실시하였으며, 긴장 시 콘크리트 압축파괴를 방지하기 위해 충분한 강도가 발현되도록 양생한 후 긴장작업을 수행하였다. 설계 긴장력은 280 kN으로 설계하여 긴장력을 도입하였고, 긴장 시 강연선의 중앙부, 정착부, 긴장부에 1 mm 크기의 변형률 게이지를 부착하여 긴장 시 변형률에 따른 실제 긴장력을 측정하였다. 실제 계측된 결과를 통해 시편에 220 kN에서 380 kN까지 긴장력이 도입된 것을 확인하였다.
폭발에 의한 센서의 움직임을 방지하기 위해 거치대의 주요 지점에 변위계(LVDT) 설치를 위한 지그를 매립하여 시편 거동을 정확히 계측할 수 있도록 하였다. 시편 거치대의 양단 600 mm를 고정단으로 하여 시편의 곡률과 거치대의 곡률을 일치시켜 시편이 정확하게 거치대 위에 거치되도록 제작하였으며, 시편 거치 시 시편과 거치대 사이에 10 mm 두께의 고무패드를 삽입하여 지지조건을 만족시키는 동시에 내부폭발하중에 의한 거치대의 손상을 방지하고 시편의 움직임을 최소화할 수 있도록 하였다. 또한, 시편과 시편거치대가 고정될 수 있도록 100 mm의 슬링바와 wire, 체인블록을 이용하여 시편이 완벽히 고정되도록 설치하였으며, wire에 의한 격벽부의 지압파괴를 방지하기 위하여 Fig.
1(b)에서와 같이 측면을 개방한 형태의 시편을 제작하여 위험성을 감소시키는 동시에 데이터 계측이 가능하도록 내부폭발 실험을 수행하였다. 시편 좌‧우로 방출되는 압력하중은 입사압력센서를 통해 측정하고, 시편 내부에서 작용하는 반사압력의 경우 반사압력 센서를 통해 측정하였다.
시편의 손상도를 분석하기 위해 균열을 체크하였다. PSC tubular 구조물의 내·외부의 모든 면을 확인하기 위하여 시편이 거치된 상태에서 내부를 확인한 후, 거치대에서 추가적인 손상이 발생하지 않도록 분리한다.
본 연구에서는 원전격납구조물의 내부폭발저항성능을 평가하기 위해서 최대한 구조형식을 구현한 축소모형 시편을 제작하여 실험을 수행하였다. 실험수행이 가능하도록 원전격납구조물의 돔 부분을 제외한 벽체를 대상으로 축소모형인 이방향 프리스트레스트 콘크리트 관형 구조물을 제작하여 압력, 처짐, 변형률, 균열형상, 긴장력 변화 등을 분석하였다. 또한, 폭발압력의 크기에 따른 시편의 손상도를 동시에 평가하기 위하여 폭약량을 22.
원전격납구조물 내부에 Fig. 2에서 보는 바와 같이 D13 철근을 사용하여 100 mm 간격으로 양단배근 하였으며, PSC 시편에 사용되는 PS 긴장재는 실제 원전 격납구조물에 적용되어 구속효과를 발현시킬 수 있는 항복강도 1,600 MPa, 극한강도 1,730 MPa, 단위중량 1.101 kg/m의 ∅15.2 mm SWPC 7연선 B종을 사용하여 양방향으로 긴장하였다.
본 연구에서는 격납구조물의 외부가 아닌 내부에서 작용하는 폭발압력하중에 대한 PSC 구조물의 거동을 분석하였다. 원전격납구조물 내부에서 미상의 폭발물 설치 또는 기계적 결함으로 인한 폭발이 일어난다는 시나리오를 선정하고, TM5-1300 (UFC 3-340-02)에 의거한 평균 폭발압력(P_r)과 평균 단위 충격량(i_r/W^1/3)을 구하여 폭발압력을 추정하면서, 발생 가능한 시나리오의 가정과 물리적 실험을 통해 데이터 측정이 가능한 범위의 폭발압력하중을 예측하였다(DOD, 2008). 또한, 내부폭발에 의한 압력은 밀폐된 공간에서 압력이 여러 번 바운싱하기 때문에 파편 없이 순수한 폭발압력만을 받을 수 있도록 적절한 폭약종류를 선정해야 한다.
이때, 횡방향 긴장을 위해 120°간격으로 부벽(Buttress)을 설치하고 효율적인 구속효과를 위해 Fig. 2(b)와 같이 240°간격으로 긴장을 실시하였으며, 긴장 시 콘크리트 압축파괴를 방지하기 위해 충분한 강도가 발현되도록 양생한 후 긴장작업을 수행하였다.
따라서 본 연구에서는 원전격납구조물에서 발생 가능한 내부폭발에 따른 PSC 구조물의 손상도를 분석하기 위해 APR-1400 원전격납구조물을 대상구조물로 선정하고, 축소모형을 제작하여 내부폭발압력에 따른 PSC 구조물의 폭발실험을 수행하고자 한다. 폭발압력의 크기에 따라 구조물의 손상도에 미치는 영향을 분석하기 위해 폭발량의 변수를 선정하여 실험적으로 평가하고, 결과를 통해 구조물의 내부폭발에 의한 거동을 정확히 파악하였다.
3에서 보는 바와 같이 시편 거치대를 지면으로부터 1,000 mm 깊이에 철근콘크리트로 현장타설하여 지면과 거치대가 완전 밀착된 상태를 구축하고, 2,600 kg에 달하는 시편을 정확한 위치에 거치하였다. 폭발에 의한 센서의 움직임을 방지하기 위해 거치대의 주요 지점에 변위계(LVDT) 설치를 위한 지그를 매립하여 시편 거동을 정확히 계측할 수 있도록 하였다. 시편 거치대의 양단 600 mm를 고정단으로 하여 시편의 곡률과 거치대의 곡률을 일치시켜 시편이 정확하게 거치대 위에 거치되도록 제작하였으며, 시편 거치 시 시편과 거치대 사이에 10 mm 두께의 고무패드를 삽입하여 지지조건을 만족시키는 동시에 내부폭발하중에 의한 거치대의 손상을 방지하고 시편의 움직임을 최소화할 수 있도록 하였다.

대상 데이터

데이터 계측은 안전을 고려하여 실험장으로부터 약 500 m 떨어진 시험통제실에서 데이터를 측정하였으며, 데이터 측정장비는 200 ~ 500 kHz의 높은 샘플링 속도로 신호를 수집할 수 있는 Dewetron사의 Dewe 1201, Dewe 2600 장비를 사용하여 압력, 가속도, 처짐은 500 kHz의 속도로, 철근 및 콘크리트 변형률은 200 kHz의 속도로 데이터를 계측하였다. 마지막으로 내부폭발압력의 분포를 육안으로 확인할 수 있도록 5,000 frame의 초고속카메라를 통해 폭발 당시 영상을 수집하였다. Fig.
본 연구에서 선정한 대상 구조물은 140만 kWe급 한국형 신형경 수로인 APR-1400 (Korea Standard Nuclear Power Plant, KSNR)로 선정하였으며, APR-1400은 철근 및 포스트텐셔닝을 강화하여 60년 기간 동안 설계하중에 대한 구조건전성을 유지하도록 설계된 격납구조물이다. 구조물의 주요 설계방식은 벽체에 2방향(수직, 수평), 돔에는 3방향으로 프리스트레스 텐던이 배치되며, 격납구조물은 원통형 벽체와 타원형 돔으로 구성된다.
앞서 언급한 대상구조물의 기본적인 제원을 토대로 내부폭발하중 실험이 가능한 모형실험체를 선정하고자 한다. 본 연구에서 선정한 실험체는 격납구조물의 돔 부분을 제외한 벽체의 축소모형으로 제작하였으며, 실험체 설계 시 대상구조물로 선정한 격납건물의 벽체와 동일한 철근비와 텐던비를 적용하였다. 실험체 제작에 관한 자세한 설명은 3장에 언급하였다.
본 연구에서는 원전격납구조물의 내부폭발하중에 따른 저항성능을 평가하기 위하여 APR-1400 원전격납구조물을 대상구조물로 선정하였다. Choi et al.
시편 설계는 내부폭발의 실험적 조건을 고려하여 Fig. 2에서 보는 바와 같이 외경 ∅2,700 mm, 내경 ∅2,000 mm, 벽체 두께 350 mm, 길이 3,600 mm의 PSC tubular 구조물로 격납구조물의 돔 부분을 제외하여 설계하였다.
본 연구에서는 국내에서 지금까지 수행하지 못하였던 원전격납구조물을 대상으로 한 콘크리트 구조물의 내부폭발실험을 수행하고 손상도를 분석하고자 한다. 시편은 Table 1에서 보는 바와 같이 프리스트레스트 콘크리트(PSC, Prestressed Concrete)로 제작하여 내부폭발하중 크기에 따라 PSC (A) 시편(22.58 kg), PSC (B) 시편(27.22 kg), PSC (C) 시편(31.75 kg)으로 구분하였다. 또한, 비교실험을 위하여 추가적으로 철근콘크리트(RC, Reinforced Concrete)시편을 제작하여 텐던의 유무, 구속효과에 따른 시편의 폭발거동을 비교하였다.
실제 계측된 결과를 통해 시편에 220 kN에서 380 kN까지 긴장력이 도입된 것을 확인하였다. 시편은 원전격납구조물의 강도와 동일한 40 MPa 강도의 콘크리트 배합을 사용하여 비부착 프리스트레스트 콘크리트 구조로 제작하였다.
실험은 안전이 확보된 국방과학연구소 다락대 종합시험장에서 수행하였다. Fig.
콘크리트 게이지는 시편 중앙 하부, 중앙 하부로부터 1,000 mm 떨어진 지점에 부착하고, 45°간격으로 총 6개의 게이지를 부착하였다.

성능/효과

(2) 정확한 데이터 계측을 통해, RC 및 PSC 시편의 폭발압력 분포형상과 압력결과를 통해 구조물의 종류에 따른 압력발생이 상이한 것을 확인하였다. 또한, 압력산출프로그램인 ConWEP과 실험데이터와의 비교를 통해, 다양한 거리에서의 압력발생 예측이 가능하다는 것을 검증하였다.
(3) PSC 시편의 경우, ANFO 폭약의 크기가 증가할수록 상대적으로 철근 및 콘크리트의 변형률, 처짐, 균열양상 등 시편의 손상이 심하게 발생하는 것으로 나타났다. 다만, RC 시편과 비교하면 PSC 시편이 구속효과로 인한 압축강도 상승으로 인해 내부폭발하중에 효과적으로 저항하는 것으로 나타났다.
(a)는 RC 시편과 PSC (A) 시편의 중앙 하부철근 인장부에 설치된 수직 철근 게이지의 변형률 결과를 나타낸 것으로, RC 시편의 최대변형률은 1,476.31 με으로 PSC (A) 시편의 최대변형률 519.74 με보다 약 2.84배 많이 발생하였다.
내부폭발하중에 의한 PSC 시편의 처짐은 시편 중앙하부, 중앙하부지점으로부터 1,000 mm 떨어진 지점, 시편 중앙으로부터 90°떨어진 측면에 설치된 동적 LVDT를 통해 분석되었다. 22.68 kg (50 lbs)의 내부폭발하중이 작용한 RC 시편의 중앙하부 최대처짐은 15.27 mm, 잔류변위는 7.84 mm로 나타났으며, PSC (A) 시편의 최대처짐은 6.62 mm 잔류변위는 0.02 mm로 나타났다. PS 텐던의 보강 및 구속력의 유무에 의해 PSC (A) 시편은 RC 시편에 비해 최대처짐이 약 56.
수평텐던은 수직텐던의 바깥쪽에, 가능한 벽체의 외측으로 배치하는 것이 구조적으로 유리하다. APR-1400의 철근비는 0.024로 기존 원전격납구조물에 비해 철근 배근이 증가 되었으며, 텐던비는 0.0107로 기존 건물에 비해 압축력을 10 % 가량 증가시켰다. 앞서 언급한 대상구조물의 기본적인 제원을 토대로 내부폭발하중 실험이 가능한 모형실험체를 선정하고자 한다.
3 % 높게 발생하였다. ConWEP 프로그램을 통해 예측된 입사압력은 0.2857 MPa, 충격량은 0.3193 MPa-msec로, 실제 내부폭발하중으로 인해 계측된 입사압력은 유사하였으나 충격량은 실제 측정된 RC, PSC (A) 시편이 각각 21.32 %, 65.36 % 정도 높게 측정되었다. Fig.
02 mm로 나타났다. PS 텐던의 보강 및 구속력의 유무에 의해 PSC (A) 시편은 RC 시편에 비해 최대처짐이 약 56.65 % 효과가 있는 것으로 나타났으며, 잔류변위량도 약 7.8 mm 정도 차이가 발생하면서 영구변형이 거의 발생하지 않음을 확인하였다. 또한, 내부폭발하중 발생 시 폭발압력이 시편 내부에서 여러 번 분산되면서 시편 내측면에 압력하중이 지속적으로 작용함에 따라 RC 및 PSC (A) 시편 모두 여러번의 처짐이 발생하는 경향을 나타내고 있다.
42 % 높은 최대처짐을 보이는 것을 확인하였다. PSC (A) 시편은 잔류변형이 거의 발생하지 않았으나 PSC (B) 시편에서 1.265 mm, PSC (C) 시편에서 2.01 mm의 잔류변위가 발생하여 압력하중이 커질수록 시편의 복원력 또한 조금씩 상실되는 것을 결과를 통해 확인할 수 있었다. 또한, 시편의 옆면과 하부 측면에 설치한 LVDT의 결과에서 중앙부 옆면(90°)에서의 처짐 발생량이 중앙부에서 1,000 mm 떨어진 지점의 하부면의 처짐보다 많이 발생된 것을 볼 때, 폭발압력이 중앙에서 발생하여 시편에 정확히 압력이 전달된 것을 확인할 수 있다.
PSC (B) 시편과 PSC (C) 시편은 중앙하부의 균열분포가 PSC (A) 시편과 비교하여 폭발량이 커질수록 균열 분포 또한 많아짐을 확인할 수 있었으며, 시편의 좌(120°), 우(240°)면 균열은 폭발량이 가장 큰 PSC (C) 시편의 경우 횡방향 균열도 발생한 것을 확인할 수 있었다.
68 kg (50 lbs)에 대한 입사압력(free field incident pressure)을 측정한 결과를 나타낸 그림이다. RC 시편의 입사압력은 0.3166 MPa, 충격량은 0.3874 MPa-msec, PSC (A) 시편의 입사압력은 0.2887 MPa, 충격량은 0.5280 MPa-msec로 입사압력은 실험 당시 기상 상황과 주변 환경조건을 고려하여 거의 유사한 입사압력 분포를 보였으나, 충격량은 PSC (A) 시편이 약 36.3 % 높게 발생하였다. ConWEP 프로그램을 통해 예측된 입사압력은 0.
RC 시편의 잔류변형은 526.24 με로 PSC 시편의 70.98 με과 비교하여 영구변형이 발생한 것을 확인할 수 있었다.
시편의 좌(120°), 우(240°)면은 종방향 균열만 다소 발생한 것을 확인할 수 있었다. 구속되어 있지 않은 RC 시편에 비해 PS 텐던으로 이방향 구속되어 있는 PSC 시편이 내부폭발압력에 의한 저항성능이 크다는 것을 확인할 수 있었다. PSC 시편의 폭약량 크기에 따른 균열분포를 살펴보면 PSC (A) 시편의 중앙 하부는 종방향, 횡방향 균열이 모두 발생하였으며, 앞서 언급한 바와 같이 방사형 균열이 발생하였다.
내부폭발하중을 모사하는데 있어 모든 면이 밀폐된 구조가 아닌 좌·우가 개방되어 있는 원통형 구조물의 특성 상 압력하중이 고온고압의 가스형태로 에너지가 발산되고 있으며, 100 msec 이내의 시간에 압력이 외부로 발산되었음을 확인하였다.
세 시편 모두 초기 긴장력 측정결과 220 kN ~ 380 kN까지 긴장력이 도입되었으며, 시편 긴장 후 내부폭발 하중 실험 직전(약 30일)까지 약 60 ~ 100 kN의 초기 슬립으로 인한 손실 및 릴랙세이션 손실이 발생된 것을 확인할 수 있었다. 내부폭발하중이 작용한 이후의 종방향 텐던(PS-1~8)의 긴장력 변화를 살펴보면, PSC (A) 시편의 중앙 하부에 위치한 PS-2의 긴장력은 10.1 kN 상승하였고, PSC (B) 시편은 16.31 kN, PSC (C) 시편은 31.85 kN만큼 상승한 것으로 나타났다. 시편의 중앙부뿐만 아니라 단부(PS-1), 긴장부(PS-4)의 긴장력 역시 폭발압력에 의해 긴장력이 소폭 상승하였으며, 폭발압력이 증가할수록 PSC (A) 시편은 평균적으로 약 8 kN, PSC (B) 시편은 13 kN, PSC (C) 시편은 27 kN 정도 상승한 것을 볼 수 있다.
(3) PSC 시편의 경우, ANFO 폭약의 크기가 증가할수록 상대적으로 철근 및 콘크리트의 변형률, 처짐, 균열양상 등 시편의 손상이 심하게 발생하는 것으로 나타났다. 다만, RC 시편과 비교하면 PSC 시편이 구속효과로 인한 압축강도 상승으로 인해 내부폭발하중에 효과적으로 저항하는 것으로 나타났다.
또한, 시편의 옆면과 하부 측면에 설치한 LVDT의 결과에서 중앙부 옆면(90°)에서의 처짐 발생량이 중앙부에서 1,000 mm 떨어진 지점의 하부면의 처짐보다 많이 발생된 것을 볼 때, 폭발압력이 중앙에서 발생하여 시편에 정확히 압력이 전달된 것을 확인할 수 있다.
(2) 정확한 데이터 계측을 통해, RC 및 PSC 시편의 폭발압력 분포형상과 압력결과를 통해 구조물의 종류에 따른 압력발생이 상이한 것을 확인하였다. 또한, 압력산출프로그램인 ConWEP과 실험데이터와의 비교를 통해, 다양한 거리에서의 압력발생 예측이 가능하다는 것을 검증하였다.
하지만 시편의 외부면은 내부면과 달리 상당히 많은 균열이 발생한 것을 확인할 수 있었다. 먼저 폭약량 22.68 kg (50 lbs)의 내부폭발하중을 받은 RC 시편과 PSC (A) 시편을 비교해보면, RC 시편의 경우 Fig. 13에서와 같이 시편의 중앙부를 기준으로 방사형 균열이 상당히 많이 발생한 것을 확인할 수 있다. 시편의 중앙부에는 수직‧수평방향으로 균열이 발생 되었고, 측면부에도 횡방향 균열이 상당히 발생하였으며, 상·하·좌·우 모든 면에 균열이 고르게 분포되어 있다.
14(b) ~ 14(d)에 나타내었다. 세 시편 모두 초기 긴장력 측정결과 220 kN ~ 380 kN까지 긴장력이 도입되었으며, 시편 긴장 후 내부폭발 하중 실험 직전(약 30일)까지 약 60 ~ 100 kN의 초기 슬립으로 인한 손실 및 릴랙세이션 손실이 발생된 것을 확인할 수 있었다. 내부폭발하중이 작용한 이후의 종방향 텐던(PS-1~8)의 긴장력 변화를 살펴보면, PSC (A) 시편의 중앙 하부에 위치한 PS-2의 긴장력은 10.
수평철근의 변형률도 PSC (C) 시편이 최대 4,857.67 με로 PSC (A) 시편보다 1.86배 높은 변형률을 나타내어 폭발압력하중이 커질수록 시편 중앙의 철근 변형률도 크게 발생하고 있는 것을 알 수 있다.
85 kN만큼 상승한 것으로 나타났다. 시편의 중앙부뿐만 아니라 단부(PS-1), 긴장부(PS-4)의 긴장력 역시 폭발압력에 의해 긴장력이 소폭 상승하였으며, 폭발압력이 증가할수록 PSC (A) 시편은 평균적으로 약 8 kN, PSC (B) 시편은 13 kN, PSC (C) 시편은 27 kN 정도 상승한 것을 볼 수 있다. 이후 긴장력의 변화는 24시간이 경과한 뒤 PSC (A) 시편은 약 5.
설계 긴장력은 280 kN으로 설계하여 긴장력을 도입하였고, 긴장 시 강연선의 중앙부, 정착부, 긴장부에 1 mm 크기의 변형률 게이지를 부착하여 긴장 시 변형률에 따른 실제 긴장력을 측정하였다. 실제 계측된 결과를 통해 시편에 220 kN에서 380 kN까지 긴장력이 도입된 것을 확인하였다. 시편은 원전격납구조물의 강도와 동일한 40 MPa 강도의 콘크리트 배합을 사용하여 비부착 프리스트레스트 콘크리트 구조로 제작하였다.
75 με가 발생하였다. 이러한 결과는 PS 텐던에 의해 이방향으로 긴장된 PSC (A) 시편의 구속효과로 인하여 RC 시편에 비해 적은 변형이 발생되었다는 것을 확인할 수 있다.
시편의 중앙부뿐만 아니라 단부(PS-1), 긴장부(PS-4)의 긴장력 역시 폭발압력에 의해 긴장력이 소폭 상승하였으며, 폭발압력이 증가할수록 PSC (A) 시편은 평균적으로 약 8 kN, PSC (B) 시편은 13 kN, PSC (C) 시편은 27 kN 정도 상승한 것을 볼 수 있다. 이후 긴장력의 변화는 24시간이 경과한 뒤 PSC (A) 시편은 약 5.96 %의 손실이, PSC (B), PSC (C) 시편은 각각 10.47 %, 18.64 %의 손실이 발생하면서 콘크리트 균열 및 변형률 등 시편의 손상정도에 따라 긴장력의 손실 또한 비례하게 발생하는 것을 확인할 수 있었다. 하지만 PSC (A) 시편의 횡방향(PS-9) 긴장력을 보면 42.
또한, 10 msec 이후에 반사압력이 한 번 더 작용하고 있으며, 이는 시편 내부에서 폭발압력이 여러 번 내측면을 통해 분산되고 있음을 확인할 수 있다. 폭발량이 22.68 kg (50 lbs)부터 31.75 kg (70 lbs)까지 증가할수록 입사압력은 0.2887 MPa에서 0.404 MPa까지 높아졌으며, 지속시간은 6.062 msec에서 6.638 msec로 압력하중이 커질수록 시편 내부에서 작용하는 압력의 이동이 많아짐에 따라 지속시간이 증가하는 경향을 나타내고 있다. 충격량도 폭발량이 커짐에 따라 함께 증가하는 것을 Table 2를 통해 알 수 있었다.
이와 같은 결과는 수평철근의 변형률 양상에서도 동일하게 나타나는 것을 확인하였다. 폭발압력 하중을 가장 크게 받은 PSC (C) 시편이 RC 시편보다 더 적은 변형을 보이는 것은, 긴장력 도입으로 인한 시편의 압축강도 상승으로 인하여 PSC 구조물이 내부폭발하중에 좀 더 저항성능이 뛰어나다는 것을 확인할 수 있다.
폭속 3,300 m/s, 구포 145 %인 ANFO 폭약을 이용한 콘크리트 시편의 실제 내부폭발실험장면을 초고속 카메라로 촬영하여 압력 하중의 진행과정을 상세히 관찰한 결과, Fig. 7에서 보는 바와 같이 ANFO 화약이 폭발함과 동시에 시편의 좌·우로 압력이 빠르게 방출되는 것을 볼 수 있다.
폭약량에 따른 PSC 시편의 거동을 살펴보면 PSC (B) 시편의 최대처짐은 10.28 mm, PSC (C) 시편의 최대처짐은 12.01 mm로 나타나, 앞서 언급한 PSC (A) 시편의 최대처짐과 비교하여 PSC (B), PSC (C) 시편은 각각 55.29 %, 81.42 % 높은 최대처짐을 보이는 것을 확인하였다. PSC (A) 시편은 잔류변형이 거의 발생하지 않았으나 PSC (B) 시편에서 1.

후속연구

(4) 본 연구를 통해 내부폭발하중 시나리오를 적용한 원전격납구조물의 실험적 평가를 수행하고 관련 데이터를 확보하였다. PSC 구조물의 내부폭발 거동이 이전에 수행하였던 연구에서와 달리 거동의 peak가 여러번 발생하였으며, 본 연구를 통해 추후 연구에서는 구조물 내부에서의 압력변화를 좀 더 상세하게 분석할 필요가 있다고 판단된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	이방향 프리스트레스트콘크리트 관형 구조물에서 ANFO 폭약의 크기에 따른 손상도의 관계는?	(3) PSC 시편의 경우, ANFO 폭약의 크기가 증가할수록 상대적으로 철근 및 콘크리트의 변형률, 처짐, 균열양상 등 시편의 손상이심하게 발생하는 것으로 나타났다. 다만, RC 시편과 비교하면PSC 시편이 구속효과로 인한 압축강도 상승으로 인해 내부폭발하중에 효과적으로 저항하는 것으로 나타났다.
	APR-1400은 무엇인가?	본 연구에서 선정한 대상 구조물은 140만 kWe급 한국형 신형경수로인 APR-1400 (Korea Standard Nuclear Power Plant, KSNR)로 선정하였으며, APR-1400은 철근 및 포스트텐셔닝을 강화하여60년 기간 동안 설계하중에 대한 구조건전성을 유지하도록 설계된 격납구조물이다. 구조물의 주요 설계방식은 벽체에 2방향(수직,수평), 돔에는 3방향으로 프리스트레스 텐던이 배치되며, 격납구조물은 원통형 벽체와 타원형 돔으로 구성된다.
	TNT 폭약이 아닌 ANFO 폭약의 선정 이유는?	(2012)의 연구에 따르면 TNT 폭약으로 기폭했을 경우 TNT를 감싸고 있는 철제 파편이 콘크리트에 박히면서 설치된 센서가 손상이 되어 측정이 불가능하였다. 따라서, 본 연구에서는 외피의 영향이 없는 ANFO 폭약을 선정하였으며, 폭약량 예측에 따라 선정된 \(W_1\) (22.68 kg, 50 lbs), \(W_2\) (27.

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표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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