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문제 정의
- 본 연구에서는 단일 원통에 대한 내파 실험 (Teguh et al., 2018)에 이어 붕괴 압력이 서로 다른 세 가지의 알루미늄합금 원통 모델을 설계 및 제작하여 내파 실험을 수행하고 이를 통해 내파와 인접 잠수체의 상호작용에 대하여 연구하였다. 내파 실험은 압력 용기(pressure chamber)와 고압 질소 공급 장치를 이용하여 수행되었다.
제안 방법
- C9B-C10B 복수 원통 모델에 대한 실험 결과를 충격 압력과 모델 붕괴 진행 과정에 대하여 세부적으로 비교 분석하였다. Fig.
- 또한 관측창과 신호선 관통구를 통해 구조물이 붕괴되는 순간을 고속촬영하고, 동압력 센서를 사용하여 구조물 붕괴 직후에 발생하는 충격 압력을 계측 할 수 있도록 하였다.
- 모델의 자세한 치수와 붕괴 설계 압력(Pc, design)은 Table 1에 정리하였다. 마감 플러그(end plug)와 모델의 평행부 경계에서의 파단을 방지하기 위해 모델 내부 마감 플러그가 끝나는 부분에서 두께를 점점 줄어들도록 제작하였다.
- 하지만 붕괴 이후의 거동은 실제 해중에서 발생하는 현상을 모사할 수는 없다. 모델의 붕괴 직후 주변 압력의 급격한 저하 문제를 해결 하기 위해 본 연구에서는 고압 질소 공급 시스템을 사용하였다. 압력 용기 내부의 90%를 물로 채우고 나머지 10%를 고압 질소로 채웠다.
- 복수 원통에 대한 실험을 수행하기에 앞서 단일 모델에 대한 내파 실험을 수행하여 각 모델의 붕괴 압력 및 동적 충격 압력을 실험적으로 확인하였다. 단일 모델에 대한 내파 실험은 C8A, C9A, C10A 모델을 사용하였다.
- 본 연구에서는 두 개의 원통에 대한 수중 내파 실험을 수행하여 인접한 구조물에 대한 내파의 영향을 조사하였다.
- (2017)은 비선형 유한요소해석을 통해 원통형 모델의 임계압력을 추정하는 해석적 기법을 개발하고 실험 결과와 비교하여 검증하였다. 이후 원통형 모델의 붕괴모드를 이상화하는 간이 물리 모델을 개발하고 이를 사용하여 구조물이 붕괴 시 발생하는 충격파 크기를 추정하는 간이 해석법을 개발하였다 (Nho et al., 2020).
- 실험에서는 정압력 센서(PDR 1000)와 동압력 센서(PCB Piezotronics 138 series) 두 종류의 압력 센서를 사용하였다. 정압력 센서를 사용하여 압력 용기 상부와 하부에서의 정압력을 계측하고, 동압력 센서로는 모델 붕괴 시 발생하는 충격 압력을 측정하여 모델 주변 6곳에서 측정하였다. 압력 센서의 샘플링 레이트 (sampling rate)는 100kHz 이다.
- 복수 원통에 대한 내파 실험은 두 가지 시나리오로 수행되었다. 첫 번째는 붕괴 압력의 차가 큰(50%) C8B–C9C 복수 원통에 대하여 수행하였으며, 다음으로 붕괴 압력의 차가 작은(10%) C9B–C10B 복수 원통에 대하여 수행하였다.
대상 데이터
- 1과 같이 제작하였다. C8 시리즈는 5개(C8A, C8B, C8C, C8D, C8E), C9 시리즈는 5개(C9A, C9B, C9C, C9D, C9E) 그리고 C10 시리즈는 6개(C10A, C10B, C10C, C10D, C10E, C10F)로 총 16개의 실험 모델을 제작하였으며, 이중에서 7개의 모델(C8A, C8B, C9A, C9B, C9C, C10A, C10B)을 사용하여 단일 모델 실험과 복수 원통 실험을 수행하였다.
- , 2018)에 이어 붕괴 압력이 서로 다른 세 가지의 알루미늄합금 원통 모델을 설계 및 제작하여 내파 실험을 수행하고 이를 통해 내파와 인접 잠수체의 상호작용에 대하여 연구하였다. 내파 실험은 압력 용기(pressure chamber)와 고압 질소 공급 장치를 이용하여 수행되었다. 여기서 고압 질소 공급 장치는 구조물 붕괴 이후의 유체 압력이 붕괴 압력을 유지하도록 하여 실제 해역과 유사한 환경을 재현할 수 있는 장치이다.
- 복수 원통에 대한 실험을 수행하기에 앞서 단일 모델에 대한 내파 실험을 수행하여 각 모델의 붕괴 압력 및 동적 충격 압력을 실험적으로 확인하였다. 단일 모델에 대한 내파 실험은 C8A, C9A, C10A 모델을 사용하였다. Fig.
- 두 모델의 붕괴 압력 차이가 50%인 C8B-C9C 복수 원통 실험 에서는 붕괴 압력이 낮은 C8B 모델이(단독 붕괴 압력 1.34MPa) 붕괴 직후 두 번째 C9C 모델(단독 붕괴 압력 2.08MPa)의 탄성 거동은 고속 촬영 영상으로 확인 되었으나, 붕괴되지는 않았다. 하지만 붕괴 압력 차이가 10%인 C9B-C10B 복수 원통 실험에 서는 붕괴 압력이 낮은 C9B 모델의 붕괴 후 붕괴 압력이 높은 C10C 모델이 연쇄적으로 붕괴하는 것을 볼 수 있었고, 동충격 압력은 중첩되는 것을 확인 할 수 있었다.
- 붕괴 압력이 서로 다른 세 가지 모델 C8 시리즈, C9 시리즈와 C10 시리즈를 Fig. 1과 같이 제작하였다.
- 실험 모델의 모재는 전체 길이가 2000mm, 두께는 5mm이며, 외경이 60mm와 80mm인 알루미늄 합금 6061-T6 파이프이다. 각 모델의 붕괴 설계압력을 설정 한 후 수치해석을 통해 모델의 길이와 두께를 결정하였다.
- 실험에서는 정압력 센서(PDR 1000)와 동압력 센서(PCB Piezotronics 138 series) 두 종류의 압력 센서를 사용하였다. 정압력 센서를 사용하여 압력 용기 상부와 하부에서의 정압력을 계측하고, 동압력 센서로는 모델 붕괴 시 발생하는 충격 압력을 측정하여 모델 주변 6곳에서 측정하였다.
- 재료의 기계적 특성을 얻기 위해 인장 시편을 제작하여 인장 실험을 수행하였다. 인장 시편은 KS 규격(KS B 0801)을 참고하여 모재당 4개씩을 제작하였다. 인장 시편의 중앙부는 곡이 진 형태 그대로이고 인장 시험기에 물릴 양단 그립부는 프레스로 눌러 평평하게 하였다.
- 인접 구조물의 내파 상호작용에 대한 연구를 수행하기 위해 두 개의 원통 모델을 사용하여 내파 실험을 수행하였다. 복수 원통에 대한 내파 실험은 두 가지 시나리오로 수행되었다.
- 재료의 기계적 특성을 얻기 위해 인장 시편을 제작하여 인장 실험을 수행하였다. 인장 시편은 KS 규격(KS B 0801)을 참고하여 모재당 4개씩을 제작하였다.
- 인접한 구조물들의 대한 연쇄 내파는 2001년에 일본의 슈퍼 가미오칸데(Super-Kamiokande) 중성미자 실험실에서 발생한 사고로부터 처음 보고되었다 (Cartlidge, 2001). 한 개의 튜브에서 발생한 내파로 인한 충격파가 인접 튜브에 연쇄적으로 전달되어 11,000개의 광전관 튜브(photomultiplier tube) 중 약 7,000개의 튜브가 연쇄적으로 파괴되었다. 이 사고 이후 충격파로 인한 연쇄 반응의 위험을 완화하기 위해 다수의 광전관 튜브에 대한 내파 실험 및 해석을 수행하기도 하였다 (Ling et al.
성능/효과
- 복수 원통의 내파 실험 결과를 Table 3에 정리하였다. C8B–C9C 복수 원통에 대한 실험 결과 C8B 모델이 압력용기 내부의 압력이 1.34MPa에서 먼저 붕괴하였으나 C9C 모델은 C8B 모델의 붕괴로 인해 발생하는 충격파에 의해 심한 탄성거동은 보였으나 붕괴되지는 않았다. 이후 압력을 다시 가하여 압력 용기 내부 압력이 2.
- 하지만 붕괴 압력 차이가 10%인 C9B-C10B 복수 원통 실험에 서는 붕괴 압력이 낮은 C9B 모델의 붕괴 후 붕괴 압력이 높은 C10C 모델이 연쇄적으로 붕괴하는 것을 볼 수 있었고, 동충격 압력은 중첩되는 것을 확인 할 수 있었다. 이 결과로부터 부가 구조물에 내파가 발생하면 주 구조물은 단독 붕괴 압력보다 낮은 압력에서도 붕괴될 수 있음을 확인 할 수 있었다.
- 이와는 달리 C9B–C10B 복수 원통에 대한 실험 결과 예상 붕괴 압력이 낮은 C9B 모델이 압력 용기 내부 압력이 2.08MPa에 도달하였을 때 붕괴가 되어 붕괴 시 발생한 충격파의 영향으로 C10B 모델이 연쇄적으로 붕괴되었다. Fig.
- 08MPa)의 탄성 거동은 고속 촬영 영상으로 확인 되었으나, 붕괴되지는 않았다. 하지만 붕괴 압력 차이가 10%인 C9B-C10B 복수 원통 실험에 서는 붕괴 압력이 낮은 C9B 모델의 붕괴 후 붕괴 압력이 높은 C10C 모델이 연쇄적으로 붕괴하는 것을 볼 수 있었고, 동충격 압력은 중첩되는 것을 확인 할 수 있었다. 이 결과로부터 부가 구조물에 내파가 발생하면 주 구조물은 단독 붕괴 압력보다 낮은 압력에서도 붕괴될 수 있음을 확인 할 수 있었다.
후속연구
- 향후 모델의 붕괴 압력과 내부 부피의 차이가 보다 다양한 경우에 대한 추가적인 내파 실험연구를 수행하여 내파 충격이 인접 구조물에 미치는 영향을 고찰할 필요가 있다.
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