[논문]탄약저장시설 지하화에 따른 안전거리 축소방안 연구

박상우; 전종훈; 최항석; 박영준

doi:10.5345/jkibc.2020.20.3.253

탄약저장시설 지하화에 따른 안전거리 축소방안 연구
Study for Reducing Safety Distance by Installing Ammunition Storage Facility in Underground 원문보기

한국건축시공학회지 = Journal of the Korea Institute of Building Construction, v.20 no.3, 2020년, pp.253 - 260

박상우 (Korea Military Academy) , 전종훈 (Korea University) , 최항석 (Korea University) , 박영준 (Korea Military Academy)

초록
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지하형 탄약고에 대한 관심이 증가하면서, 관련된 설계 결과가 다수 도출되고 있다. 그러나 터널 민간 전문가들뿐만 아니라 탄약관련 군 실무자들도 안전거리 기준을 완벽하게 숙지하지 못하여 안전거리 기준을 모두 준수한 신뢰성 있는 설계 결과는 도출되고 있지 않고 있는 실정이다. 또한 안전거리를 과하게 적용하여 부지를 비효율적으로 활용하거나 시공불가판정을 받는 사례도 보고되고 있다. 본 연구에서는 지하형 탄약고에 대한 안전거리 기준을 정리하고 이를 준수하면서 효율적으로 설계할 수 있는 방안에 대해 연구하였다. 또한 여러 방법 중 안전거리를 획기적으로 저감시킬 수 있는 방법을 도출하여 향후 지하형 탄약고 설계 및 시공 시에 적용할 수 있도록 데이터를 마련하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

With increasing interest in an underground-type ammunition storage facility, several design results have been provided recently. However, since not only experts in the tunnel but also military persons in charge of ammunition have not fully understood the safety distance standard, reliable design results are not being produced. In this study, the effective design method of an underground-type ammunition storage facility was provided by analyzing the current safety distance standard. First, the critical safety distances that dominate the size of construction site for underground-type ammunition storage facilities were evaluated, which are the layout of chambers and the configuration of the entrances. Then, the decreasing effect of inter-chamber distance was studied according to the rock type and the storage density of ammunition. In addition, the method of designing tunnels with parallel lines and two-floors was considered for arranging more chambers while complying with the safety distance standards. In particular, numerical simulations were carried out to determine the satisfaction of the safety distance standards when an underground-type ammunition storage facility is composed of two-floor and the decreasing effect of inter-chamber distance according to the inner explosive pressure reduction. Finally, the method to adjust the size of entrances and the path of pressure were studied for decreasing the safety distance at the entrance.

주제어

표/그림 (14)

그림 Figure 1. Safety distance standard according to facilities
표 Table 1. Standard for inter-chamber distance (ICD)
표 Table 2. Inhabited building distance (IBD) by ground shock
그림 Figure 2. Schematic of safety distance standard for underground-type ammunition storage facility
표 Table 3. Safety distance standard for underground-type ammunition storage facility
그림 Figure 3. Safety distance for ground shock and Inter-chamber distance according to net explosives weight in chamber
그림 Figure 4. Site utilization efficiency regarding on rock type
그림 Figure 5. Chamber arrangement according to tunnel type
그림 Figure 6. Schematic of chamber arrangement with two floors
그림 Figure 7. Contour plots for inner-explosion at chamber
표 Table 4. Velocity of ground at point 60 m away from chamber
표 Table 5. Velocity of ground according to measuring point
그림 Figure 8. Schematic of protective structures in underground-type ammunition storage facility
그림 Figure 9. Effect of decrease in safety distance at entrance

AI 본문요약
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문제 정의

이 이외에도 팽창격실, 고압폐쇄장치 등으로 출입구에서의 폭풍압에 의한 효과를 저감시킬 수 있으나, 파편에 비해 저감효과는 크지 않다. 따라서 본 연구에서는 출입구의 단면을 줄이고, 폭풍압의 이동경로 부피를 증가시키는 방법을 연구하였다. 출입구의 단면을 줄임으로써 병목현상으로 인해 출입구에서 방출되는 폭풍압을 감소시킬수 있고, 동일한 부지 내에 다수의 출입구 설치가 가능해져 작전적 측면에서 유리한 시공이 가능해진다.
그러나 안전거리 기준은 시설 및 인명의 안전과 직접적으로 관련 있기 때문에 기준을 완화시키기 위해서는 수많은 연구 데이터나 실증시험 데이터가 필요하다. 따라서 본 연구에서는 현행 안전거리 기준만을 고려하여 지하형 탄약고를 시공하기 위한 부지를 좀 더 효율적으로 활용할 수 있는 설계 방안을 제시하고, 실제 설계 시 적절하게 활용할 수 있도록 하였다.
먼저 지하형 탄약고에 대한 안전거리 기준들을 분석하고, 설계에 쉽게 반영될 수 있도록 고려사항들을 정리하였다. 또한 안전거리 기준에 위배되지 않고 부지를 효율적으로 활용할 수 있는 방안을 연구하여 지하형 탄약고의 설계 형태들을 제시하였다
또한 전 거리를 과하게 적용하여 부지를 비효율적으로 활용하거나 시공불가판정을 받는 사례도 보고되고 있다. 본 연구에서는 지하형 탄약고에 대한 안전거리 기준을 정리하고 이를 준수하면서 효율적으로 설계할 수 있는 방안에 대해 연구하였다. 또한 여러 방법 중 안전거리를 획기적으로 저감시킬 수 있는 방법을 도출하여 향후 지하형 탄약고 설계 및 시공 시에 적용할 수 있도록 데이터를 마련하였다.
본 연구에서는 현행 안전거리 기준을 준수하면서 지하형 탄약고를 효율적으로 설계할 수 있는 방법에 대해 연구하였다. 먼저 지하형 탄약고에 대한 안전거리 기준을 분석하여 격실 배치와 출입구 설계 시 안전거리에 의해 부지가 비효율적으로 활용될 수 있다는 점을 파악하였다.
이에 본 연구에서는 안전거리 기준을 설계결과에 정확하고 효율적으로 반영할 수 있도록 연구를 수행하였다. 먼저 지하형 탄약고에 대한 안전거리 기준들을 분석하고, 설계에 쉽게 반영될 수 있도록 고려사항들을 정리하였다.
지하형 탄약고의 격실을 배치할 때 격실 간 최소거리와 지반충격에 대한 주거시설 및 공로거리로 인하여 충분한 수의 격실을 배치하지 못하거나, 요구되는 격실을 모두 시공하기 위해서 광범위한 부지가 필요하게 되기도 한다. 이에 지하형 탄약고의 격실 간 최소거리와 지반충격에 대한 안전거리를 모두 준수하면서 최대한 많은 격실을 설치할 수 있는 방법에 대해 연구하였다.
이와 같이 본 논문에서는 안전거리를 준수하며 지하형 탄약고의 시공 부지를 더욱 효율적으로 사용할 수 있는 방안을 제시하였다. 본 연구 결과를 통해 안전거리 기준을 완화할 수 있는 설계기술이 존재한다는 인식이 전파되어 지하형 탄약고에 대한 시장 및 연구가 더욱 활발해지고, 현행 안전거리 기준도 좀 더 세부적이고 구체적으로 개선될 수 있는 계기가 되길 기대한다.

가설 설정

지반의 동해석을 모사하기 위해 해석 구간의 지반 모델링, 시간이력 해석에 이용되는 감쇠행렬 결정을 위한 고유치 해석, 시간에 대한 발파 하중 함수 적용, 진동 영향 분석의 순서로 시뮬레이션을 진행하였다. 탄약고의 모양은 원형으로 가정하였으며, 벽면에 임의의 폭발압력이 동일하게 등분포로 가해지도록 하였다. 지반은 경암의 일반적인 물성치를 적용했다.

제안 방법

두 번째로 동일 부지 내에서 안전거리 기준을 준수하면서 최대한의 격실을 설치할 수 있는 방안을 연구하였다. 먼저 격실 간 최소거리로 인해 가장 많은 공간이 소모되는 경우는 터널 맞은편에 격실을 설치할 경우이다.
특히, 2단으로 구성할 경우의 안전거리 기준 만족여부를 파악하기 위해 수치해석을 수행하였고, 폭압 저감정도에 따라 안전거리 감소효율에 대해서도 분석하였다. 마지막으로 출입구 설계 시 출입구의 크기와 이동경로를 조정하는 방법으로 안전거리를 축소시킬 수 있는 방법을 제시하였다.
이에 본 연구에서는 안전거리 기준을 설계결과에 정확하고 효율적으로 반영할 수 있도록 연구를 수행하였다. 먼저 지하형 탄약고에 대한 안전거리 기준들을 분석하고, 설계에 쉽게 반영될 수 있도록 고려사항들을 정리하였다. 또한 안전거리 기준에 위배되지 않고 부지를 효율적으로 활용할 수 있는 방안을 연구하여 지하형 탄약고의 설계 형태들을 제시하였다
세 번째로 격실을 2단으로 배치하는 방안에 대해 검토하였다. 격실을 2단으로 배치한다는 것은 Figure 6과 같이 터널을 2개의 층으로 구분하여 각 층에 격실을 배치하는 것을 의미한다.
Figure 9는 출입구의 단면을 감소시키는 방법과 폭풍압의 이동경로를 증가시키는 방법 중 더 효율적인 방법에 대해 분석한 결과이다. 시공 가능여부를 판단하여 출입구의 단면은 1차선에서 6차선 즉, 5~30m까지 변화시켰으며, 이동경로는 50~300m까지 변화시켰다. 그 결과, 출입구의 단면을 감소시킬 경우 안전거리 감소 정도가 상대적으로 컸으며, 따라서 안전거리 감소와 작전적 측면을 고려할 때, 출입구의 단면을 감소시키는 방안이 가장 효율적이라는 결론이다.
안전거리 기준은 앞서 언급한 바와 같이 탄약 및 폭발물의 잠재적 사고로 인한 인명과 재산 피해를 최소화하도록 탄약고에 저장되는 탄약 및 폭발물을 제한하거나 탄약고와 시설 사이의 이격거리를 결정하기 위해 만들어졌다. 우리나라는 미국 DDESB 6055.9-STD를 근간으로 탄약 및 폭발물 안전관리기준을 작성하여 준수하도록 하였으며, 안전거리 기준식을 정립하기 위해 국방과학연구소를 중심 미 국방부와 협력하여 다양한 폭발 시험 및 해석을 수행하였다. 국외에서도 자국의 특성을 고려하여 각각의 안전거리 기준을 적용하고 있으며, 대표적으로 NATO 회원국의 ASTP와 UN의 IATG(International Ammunition Technical Guideline) 등이 있다[2,3].
이를 좀 더 자세히 분석하기 위해 격실의 벽면에 임의의 폭발압력을 가해주고 사방으로 전파되는 지반 진동속도를 수치해석을 통해 도출해보았다. 수치해석은 지반 해석용 유한요소해석 프로그램인 GTS-NX (MIDAS 社)를 이용하였다.
수치해석은 지반 해석용 유한요소해석 프로그램인 GTS-NX (MIDAS 社)를 이용하였다. 지반의 동해석을 모사하기 위해 해석 구간의 지반 모델링, 시간이력 해석에 이용되는 감쇠행렬 결정을 위한 고유치 해석, 시간에 대한 발파 하중 함수 적용, 진동 영향 분석의 순서로 시뮬레이션을 진행하였다. 탄약고의 모양은 원형으로 가정하였으며, 벽면에 임의의 폭발압력이 동일하게 등분포로 가해지도록 하였다.
즉, 격실 간 최소거리와 지반충격에 의한 주거시설거리는 지하형 탄약고가 2단으로 구성이 되어도 현행 안전거리 기준을 준수하며 시공될 수 있다. 추가적으로 격실 내부에 폭압을 저감시키는 기술을 적용할 경우 얼마큼 안전거리를 축소시킬 수 있는지에 대해 수치해석 결과를 분석함으로써 판단하였다. Table 5는 격실에서부터 60m, 70m, 80m 아래 지점에서 산정한 지반 진동속도를 정리한 것이다.
또한 터널을 병선으로 시공하거나 2단으로 시공함으로써 안전거리 기준을 준수하면서 더 많은 양의 격실을 배치할 수 있다는 것을 증명하였다. 특히, 2단으로 구성할 경우의 안전거리 기준 만족여부를 파악하기 위해 수치해석을 수행하였고, 폭압 저감정도에 따라 안전거리 감소효율에 대해서도 분석하였다. 마지막으로 출입구 설계 시 출입구의 크기와 이동경로를 조정하는 방법으로 안전거리를 축소시킬 수 있는 방법을 제시하였다.

데이터처리

이를 좀 더 자세히 분석하기 위해 격실의 벽면에 임의의 폭발압력을 가해주고 사방으로 전파되는 지반 진동속도를 수치해석을 통해 도출해보았다. 수치해석은 지반 해석용 유한요소해석 프로그램인 GTS-NX (MIDAS 社)를 이용하였다. 지반의 동해석을 모사하기 위해 해석 구간의 지반 모델링, 시간이력 해석에 이용되는 감쇠행렬 결정을 위한 고유치 해석, 시간에 대한 발파 하중 함수 적용, 진동 영향 분석의 순서로 시뮬레이션을 진행하였다.

성능/효과

시공 가능여부를 판단하여 출입구의 단면은 1차선에서 6차선 즉, 5~30m까지 변화시켰으며, 이동경로는 50~300m까지 변화시켰다. 그 결과, 출입구의 단면을 감소시킬 경우 안전거리 감소 정도가 상대적으로 컸으며, 따라서 안전거리 감소와 작전적 측면을 고려할 때, 출입구의 단면을 감소시키는 방안이 가장 효율적이라는 결론이다.
다만, 저장밀도가 48.06kg/m³ 이하일 경우 약한 암반보다 강한 암반에서 오히려 지반충격에 의한 피해가 저하되고, 특히 지반충격에 대한 주거시설거리가 상당히 감소되는 것을 확인할 수 있다.
06kg/m³ 이하로 시공할 경우 가장 효율적인 시공이 이루어진다는 결론을 도출하였다. 또한 터널을 병선으로 시공하거나 2단으로 시공함으로써 안전거리 기준을 준수하면서 더 많은 양의 격실을 배치할 수 있다는 것을 증명하였다. 특히, 2단으로 구성할 경우의 안전거리 기준 만족여부를 파악하기 위해 수치해석을 수행하였고, 폭압 저감정도에 따라 안전거리 감소효율에 대해서도 분석하였다.
본 연구에서는 현행 안전거리 기준을 준수하면서 지하형 탄약고를 효율적으로 설계할 수 있는 방법에 대해 연구하였다. 먼저 지하형 탄약고에 대한 안전거리 기준을 분석하여 격실 배치와 출입구 설계 시 안전거리에 의해 부지가 비효율적으로 활용될 수 있다는 점을 파악하였다. 이를 해결하기 위해 격실 배치 시 암반의 종류와 저장밀도에 따른 안전거리의 변화를 분석하였고, 강한 암반에 저장밀도 48.
분석결과 약한 암반일 경우 가장 비효율적인 부지활용이 예측되며, 강한 암반에서 저장밀도를 48.06kg/m³ 이하로 유지하는 방법이 가장 효율적인 부지활용 방법이 될 것으로 분석되었다.
분석결과, 지반충격은 강한 암반에서 더 잘 전파되므로 저장밀도가 48.06kg/m³ 초과일 경우 격실 간 최소거리와 지반충격에 대한 주거시설거리는 강한 암반에서 더 길게 산정되는 것을 알 수 있다.
이를 해결하기 위해 격실 배치 시 암반의 종류와 저장밀도에 따른 안전거리의 변화를 분석하였고, 강한 암반에 저장밀도 48.06kg/m³ 이하로 시공할 경우 가장 효율적인 시공이 이루어진다는 결론을 도출하였다.
공로 거리는 주거시설거리의 60%를 적용하며, 내부 격리 거리와 탄약고 간 거리는 적용하지 않는다. 지반충격에 의한 안전거리는 배면파쇄 방지를 위한 격실 간 최소거리와는 달리 암반 강도가 강할수록 이격거리가 멀어지는 것을 확인할 수 있다. 일반적으로 지반충격에 의해 구조물의 손상정도는 지반의 진동속도를 기준으로 파악하며, 현재 터널 시공 시발파에 의한 안전성 검토 기준도 대부분 지반 진동속도를 기준으로 규정되어 있다[4].
지반충격의 전파 양상을 Figure 7에 지반 진동속도를 기준으로 나타냈다. 해석 결과, 지반 진동속도 즉, 지반충격은 격실의 모양에 따라 원형으로 퍼져나갔다. 이를 수치적으로 확인하기 위해 격실 상, 하, 좌, 우로 60m 이격된 지점에서의 지반속도를 Table 4에 정리하였다.

후속연구

예를 들어 내부 폭발의 압력을 감소시키기 위해 방폭용 고강도 콘크리트를 사용하거나 폭압저감 패널을 벽면에 설치함으로써 격실 간 최소거리나 지반충격에 의한 안전거리를 감소시킬 수 있다. 또한 터널에 수직구를 시공하거나 폭풍압을 저감시킬 수 있는 부수 통로들을 설치한다면 폭풍압에 의한 출입구에서의 안전거리를 획기적으로 축소시킬 수 있을 것이다. 그러나 안전거리 기준은 시설 및 인명의 안전과 직접적으로 관련 있기 때문에 기준을 완화시키기 위해서는 수많은 연구 데이터나 실증시험 데이터가 필요하다.
이와 같이 본 논문에서는 안전거리를 준수하며 지하형 탄약고의 시공 부지를 더욱 효율적으로 사용할 수 있는 방안을 제시하였다. 본 연구 결과를 통해 안전거리 기준을 완화할 수 있는 설계기술이 존재한다는 인식이 전파되어 지하형 탄약고에 대한 시장 및 연구가 더욱 활발해지고, 현행 안전거리 기준도 좀 더 세부적이고 구체적으로 개선될 수 있는 계기가 되길 기대한다.
06kg/m³ 초과될 경우 약한 암반보다 강한 암반에서 오히려 배면파쇄 발생 위험이 커져 격실 간 최소거리가 길어진다. 이 때, 암반의 종류를 강한 암반, 보통 암반, 약한 암반 등 일반화된 용어로 표현한 것은 현 안전거리 규정에 암반 종류에 대한 구체적인 정의가 부재하기 때문이며, 향후 지반물성치에 따라 기준식을 세분화하는 연구가 필요할 것으로 사료된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	탄약부대란 무엇인가?	탄약부대는 탄약고를 관리하는 역할을 수행하며, 내부에는 탄약고뿐만 아니라 정비소, 차량기지, 병영시설 등 다양한 시설을 포함하고 있다. 이 때, 탄약고가 우발적으로 폭발하게 되면 폭풍압, 파편 및 부스러기, 열 등의 효과가 발생하고, 결국 주변 시설들에게 피해를 주게 된다.
	탄약고의 문제점은 무엇인가?	탄약부대는 탄약고를 관리하는 역할을 수행하며, 내부에는 탄약고뿐만 아니라 정비소, 차량기지, 병영시설 등 다양한 시설을 포함하고 있다. 이 때, 탄약고가 우발적으로 폭발하게 되면 폭풍압, 파편 및 부스러기, 열 등의 효과가 발생하고, 결국 주변 시설들에게 피해를 주게 된다. 이를 방지하기 위해 탄약 및 폭발물 안전관리기준 지시에서는 탄약고와 주변 시설들 사이에 최소한의 거리를 이격하도록 하였으며, 이를 안전거리라고 일컫는다[1].
	지하형 탄약고에 대한 관심이 급격하게 증가되는 이유는 무엇인가?	이에 최근에는 지하형 탄약고에 대한 관심이 급격하게 증가하고 있다. 지하형 탄약고는 탄약고의 폭발에 의해 발생하는 효과들을 암반 내부에 가둘 수 있다는 장점이 있다. 따라서 폭풍압이나 파편에 의한 안전거리가 상당부분 축소될 수 있다. 다만, 지하형 탄약고에 대해서는 지반 충격에 의한 안전거리를 추가로 고려해주어야 하나, 같은 중량이 저장된 지상형 탄약고의 폭풍압 및 파편에 대한 안전거리와 비교하여 매우 짧게 산정된다.

참고문헌 (5)

Ministry of National Defense. Instruction of safety control standard for ammunition and explosion. Korea, Seoul: Ministry of National Defense; 2019. 483 p.
Department Of Defense. Manual of DOD ammunition and explosives safety standards. USA, VA.: Department of Defense Explosive Safety Board; 2017. 63 p.
AASTP NATO. Manual of NATO safety principles for the storage of military ammunition and explosives. Ammunition Safety Group, NATO. 2010. 588 p.
Ministry of Land, Infrastructure and Transport. Tunnel standard specification. Korea, Seoul: Korean Tunnelling and Underground Space Association; 2015. 126 p.
Lysmer J, Wass G. Shear waves in plane infinite surface. Journal of the Engineering Mechanics Division. 1972;98(1):351-8.

저자의 다른 논문 :

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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