Behavior Analysis of Concrete Structure under Blast Loading : (II) Blast Loading Response of Ultra High Strength Concrete and Reactive Powder Concrete Slabs

콘크리트工學

第29卷 第5A 號·2009年 9月 pp. 565 ~ 575

폭발하중을 받는 콘크리트 구조물의 실험적 거동분석 : (II) 초고강도 콘크리트 및 RPC 슬래브의 실험결과

Behavior Analysis of Concrete Structure under Blast Loading : (II) Blast Loading Response of Ultra High Strength Concrete and Reactive Powder Concrete Slabs

이나현*·김성배**·김장호***·조윤구****

Yi, Na Hyun

^·

^·

^·

···

Abstract

In recent years, there have been numerous explosion-related accidents due to military and terrorist activities. Such incidents caused not only damages to structures but also human casualties, especially in urban areas. To protect structures and save human lives against explosion accidents, better understanding of the explosion effect on structures is needed. In an explosion, the blast load is applied to concrete structures as an impulsive load of extremely short duration with very high pressure and heat. Generally, concrete is known to have a relatively high blast resistance compared to other construction materials. How- ever, normal strength concrete structures require higher strength to improve their resistance against impact and blast loads.

Therefore, a new material with high-energy absorption capacity and high resistance to damage is needed for blast resistance design. Recently, Ultra High Strength Concrete(UHSC) and Reactive Powder Concrete(RPC) have been actively developed to significantly improve concrete strength. UHSC and RPC, can improve concrete strength, reduce member size and weight, and improve workability. High strength concrete are used to improve earthquake resistance and increase height and bridge span.

Also, UHSC and RPC, can be implemented for blast resistance design of infrastructure susceptible to terror or impact such as 9.11 terror attack. Therefore, in this study, the blast tests are performed to investigate the behavior of UHSC and RPC slabs under blast loading. Blast wave characteristics including incident and reflected pressures as well as maximum and residual dis- placements and strains in steel and concrete surface are measured. Also, blast damages and failure modes were recorded for each specimen. From these tests, UHSC and RPC have shown to better blast explosions resistance compare to normal strength concrete.

Keywords :

···

요 지

최근

테러 및 전쟁과 관련된 폭발사고가 빈번히 발생하고 있으며

특히 도심지에서는 이러한 폭발사고로 인해 인명피해 뿐 아니라 주요 시설물에도 큰 손상이 가해져 제

차

차의 피해가 발생하게 된다

폭발사고에 대하여 인명 및 시설물을 안전하게 보호하기 위해서는 기본적으로 구조물에 가해지는 폭발하중 효과에 대한 이해가 필요하다

폭발하중은 매우 빠른 시간 내에 콘크리트 구조물에 큰 압력으로 작용하는 하중이므로 변형률 속도와 구조물의 국부적인 손상을 고려하여 동적응 답을 평가해야 한다

일반적으로

콘크리트는 다른 건설재료에 비해 상대적으로 높은 폭발저항성을 가진 재료이지만

일반강 도 콘크리트는 충격 및 폭발하중에 대하여 충분한 저항성능을 가지지 않는다

그러므로 방호설계에서는 고에너지 흡수력과 높은 파괴저항성을 지니는 새로운 재료의 개발이 필요하다

본 논문에서는 최근 활발하게 연구 중인 초고강도 콘크리트

(UHSC)

^와

^{에 대한 방폭성능을 평가하고자 한다}

^와

^{는 강도 및 성능향상}

^부

재의 치수 및 중량 감소

내진저항성 향상과 같은 장점들로 인해 초고층건물 및 초장대교량에서 사용되어지고 있다

또한

UHSC

와

는

테러와 같은 테러 및 충격하중에 의한 사회주요시설물의 방호설계에 적용할 수 있다

그러므로 본 연 구에서는 폭발하중에 대한

및

구조물의 거동을 파악하기 위하여

의 슬래브 구조물 시 편을 제작하여 폭발실험을 수행하였으며

^{폭발파의 특성 뿐만 아니라 최대 및 잔류 변위와 철근과 콘크리트 표면에서 변형}

률을 측정하여 구조물의 거동을 분석하였다

또한 손상 및 파괴모드를 각 시편별로 측정하였다

본 실험을 통해

및

RPC

가 일반강도콘크리트에 비해 폭발저항성이 높은 것으로 분석되었다

핵심용어 : 폭발하중

초고강도 콘크리트

변위거동

파괴모드

*정회원·연세대학교토목공학과박사과정

(E-mail : [email protected])

**정회원·연세대학교토목공학과석박사통합과정

(E-mail : [email protected])

***정회원·교신저자·연세대학교사회환경시스템공학부교수

(E-mail : [email protected])

****정회원·현대건설

(

)

(E-mail : [email protected])

1. 서 론

전 세계에 걸쳐 지진 , 화학약품 , 폭약 , 충돌 , 테러 등의 각종 원인에 의하여 폭발사고가 빈번하게 발생하고 있으며 ,

인구가 밀집된 세계 여러 대도시들에서는 우연한 단 한 번 의 폭발사고에도 수많은 인명피해 및 재산피해가 발생할 가 능성이 높다고 할 수 있다 . 특히 , 세계에서 유일한 분단국가 인 한국에서는 지속적인 국제정세의 변화 속에서 북한이나 다른 국가들에 의한 테러 발생 가능성이 항시 존재하며 , 몇 개의 대도시에 국가 인구 대부분이 밀집되어 있는 주거 특 성을 가지고 있어 테러나 폭발사고가 발생할 경우 매우 큰 국가적인 손실과 피해를 예상할 수 있다 . 그러므로 방호구조 물을 비롯하여 , 사회주요시설물들은 각종 테러에 대하여 구 조물 내부의 인명 또는 시설을 보호하는 구조물이어야 하며 ,

테러의 대상이 되어 피해를 받는다 할지라도 완전히 파괴되 지 않고 , 그 기능을 유지 할 수 있어야 한다 . 콘크리트 구 조물이 이와 같은 방호성능을 갖추기 위해서는 콘크리트 자 체의 강도가 매우 높아야 하며 충격을 받을 시 그 충격을 잘 흡수해야 한다 . ^{또한 외부로부터 받은 충격이 주변부로}

전달되어 발생되는 복합적인 응력 전달에 의해 유발될 수 있는 균열이 최대한 억제되어야 한다 . 그러므로 방호구조물 에서 요구성능 이상의 견고함을 갖는 콘크리트구조물은 일

반적으로 압축강도 50~60 MPa 에 이르는 고강도 콘크리트와

100 MPa 이상의 초고강도 콘크리트의 사용이 가능할 것이다

( 김장호 , 2009; ASCE, 1999; Baker, 1973; Zineddin et al. , 2007).

특히 , ^{최근 토목·건축 구조물이 초고층화} , ^대형화 , ^다양화

되어감에 따라 국내의 경우도 150 MPa 의 초고강도 콘크리

트가 실용화되어 가고 있으며 , 180~200 MPa 의 초고강도 콘 크리트의 개발이 진행되고 있다 . 이와같은 콘크리트의 고강 도화로 인해 부재단면의 축소 및 경량화가 이루어져 , 60~70

층 , 100 층 이상의 초고층 구조물에 사용될 수 있을 것이라

고 판단된다 . 특히 2009 년부터 서울시내에 들어서는 50 층

이상 , 200 m 이상의 초고층 건물에 대해 테러 대책 마련과

관련한 ‘ ^{초고층 건축기준} ’ ^{이 생김에 따라 국내에서도 테러}

등의 특수하중에 대한 관심도가 증가하게 될 전망이다 . 그러 나 실질적으로 주요시설 및 방호구조물에 사용할 수 있는 초고강도 콘크리트의 폭발저항성능에 대한 국내의 자료들은 전무한 상태이므로 현재 폭발 및 충돌과 같은 특수하중에 대하여 초고강도 콘크리트를 사용한 방호구조물에 대한 재 료개발 및 이를 반영한 폭발하중에 대한 성능시험 등이 필 요하다 . 따라서 , 본 연구에서는 폭발하중을 받는 콘크리트 구 조물의 거동분석을 하고자 폭발실험을 실시하였으며 , 연구결 과는 총 2 편의 논문으로 작성되었다 . 전편에서는 폭발실험에 기본적으로 필요한 실험구성 및 계측장비의 구성에 대하여 검토하여 계측시스템의 구축 및 폭파실험 수행절차에 대하 여 기술하였다 .

그러므로 , 본 논문에서는 폭발 또는 충격하중에 대하여 저

항능력이 뛰어날 것으로 예측되는 200~250 MPa 의 초고강도

콘크리트 (Ultra High Strength Concrete, 이하 UHSC) 구조 물과 Reactive Powder Concrete( 이하 RPC) 구조물의 폭발 저항성능에 대한 실험적 평가를 수행하였다 . 이를 통해 폭발

에 의한 압력하중이 초고강도 콘크리트 및 RPC 구조물에 미치는 영향을 규명하고 , 전편에서 설명한 것과 같이 예비실 험과 본 실험에서의 일반강도콘크리트와 비교하여 폭발하중 을 받는 초고강도 콘크리트 구조물의 방폭성능을 정량적으 로 평가하고자 한다 .

2. 연구동향

폭발하중을 받는 구조물은 하중에 저항할 수 있는 충분한 강성을 지니거나 폭발에너지를 충분히 흡수할 수 있어야 한 다 . 콘크리트는 일반적으로 다른 건설재료와 비교할 때 폭발 하중에 대한 저항성능이 상대적으로 우수한 것으로 알려져 있지만 , 설계단계에서 폭발하중을 고려하지 않은 기존의 콘 크리트 구조물에 대해서는 폭발하중에 대한 저항성능을 향 상시키기 위하여 별도의 보강이 요구되는 경우가 존재한다 .

추가적인 구조부재나 지지구조물 등을 설치하여 저항성능을 향상시키는 방법은 공간의 제약과 추가비용의 문제 등이 발 생하며 , 부재자체의 성능을 향상시키는 것이 아니기 때문에 경제적인 측면이나 구조적 측면에서 효율이 떨어진다 . ^이와

비교하여 UHSC 및 RPC 를 사용하여 구조부재의 강성 및

강도를 증가시키는 등의 방법은 부재자체의 성능을 향상시 킴과 동시에 추가적인 공간이 필요하지 않으므로 , 구조적 성 능이나 경제적 및 공간적 효율을 높이는데 유리한 대표적인 보강공법이라고 할 수 있다 . 더불어 초고층 구조물의 관심과

더불어 초고강도 콘크리트 (UHSC) 를 사용한 건물에 대한 방

호능력 및 성능에 대한 관심이 증대될 것이라고 판단된다 .

실제 고강도 콘크리트 beam ^과 plate ^{에 대한 충격저항성에}

대한 연구에 의하면 충격하중이 가해질 때 고강도 콘크리트 에서의 충격저항성이 더 향상되는 것을 확인할 수 있었으나 ,

폭탄에 의한 폭발 또는 고속의 충격하중과 같은 극한하중에 서의 고강도 콘크리트의 구조부재성능에 대한 실험 및 자료 는 실험공간의 제약조건으로 인하여 여전히 부족한 실정이다

(Criswell, 1972; Mendis et al. , 2003; Ngo et al ., 2003;

Pedro et al. , 2007).

최근 몇몇 연구자들에 의해 고인성 강섬유가 함유된 초고 강도 콘크리트의 하중속도에 따른 충격효과 및 정적실험을 수행하여 고속의 충격하중에 대한 구조부재의 성능에 대한 연구가 이뤄지고 있으나 , 현재까지 초고강도 콘크리트 재료 에 대한 개발 및 방폭성능효과에 대한 연구가 미미한 실정 이다 (Habel et al. , 2008; Cavill et al., 2006).

3. 방폭성능실험

본 연구에서는 폭발하중을 받는 UHSC 및 RPC 슬래브의 거동 및 구조물에 가해지는 손상 등을 파악하기 위하여 국 방과학연구소 다락대 시험장에서 실험을 수행하였으며 , 2 번 의 예비실험과 5 번의 본 폭발실험으로 나눠 진행하였다 .

3.1 폭파실험 개요

폭발 실험은 각 시편마다 총 2 set 의 실험으로 수행하였으

며 , 일반강도 콘크리트 시편의 1 set 는 예비실험으로 TNT

9 lbs 와 TNT 35 lbs 으로 수행되었다 . 예비실험은 폭약량에

의한 폭발하중이 구조물에 가해졌을 때 , 구조물에 설치된 게 이지의 응답 및 구조물의 거동을 파악할 수 있는 적절한 폭 약량을 산정하기 위한 실험으로 진행되었으며 , 전편 논문에서 언급한 것과 같이 본 실험에서는 TNT 폭약에 대한 단점을 보완하고자 ANFO 35 lbs 을 사용하였다 . 사용된 폭약량과 시 편의 종류를 정리해보면 표 1 과 같이 정리할 수 있다 .

3.2 대상구조물의 설계 및 제작

실험에 사용된 시편은 D10 철근을 양단 배근하여 1,000×

1,000×150 mm 의 철근콘크리트 슬래브로 제작하였다 . 사용된

D10 철근은 항복강도 400 MPa, 극한강도 600 MPa, 공칭 단면적은 71.33 mm

이며 , 단위중량은 0.56 kg/m 으로 양방

향 모두 82 mm 간격으로 배근하였다 . 이는 RPC 시편에 포함

되는 강섬유의 함유량 2% 와 동일한 철근비로 선정하였다 .

일반강도 콘크리트의 배합표와 UHSC, RPC 의 배합범위는 표 2, 표 3, 표 4 에서 각각 나타내고 있으며 콘크리트 시편 제작과정은 그림 1 과 같다 .

3.3 대상 철근콘크리트 시편의 재료물성

선정된 대상 구조물에 사용된 콘크리트의 재료물성을 측정

하기 위하여 각 콘크리트 타설 시에 100 ^× 200 mm ^{의 원형}

공시체를 제작하였으며 , 현대건설 기술연구소에서 재료물성 실험을 수행하였다 . 표 5 에서 볼 수 있듯이 , 일반강도 콘크 리트의 압축강도는 평균 25.6 MPa 이며 , UHSC 는 평균 202

MPa, RPC 의 경우는 203 MPa 의 압축강도를 나타내고 있다 .

이때 UHSC 의 압축강도 중 오차범위 15% 이상인 압축강도

에 대해서는 평균값에서 제외하였다 . UHSC 의 탄성계수는 일반강도 콘크리트에 비하여 대략 3.1~3.3 배의 큰 강성을 가 지며 RPC 의 경우는 혼합된 강섬유로 인하여 할렬인장강도가 일반강도 콘크리트에 비하여 대략 10 배 , UHSC 에 비하여 2.3

배의 상당히 큰 인장강도를 발휘하는 것을 알 수 있다 .

3.4 폭파실험

전편에서 언급한 폭파실험절차에 따라 TNT 9 lbs, TNT

35 lbs 의 예비실험과 ANFO 35 lbs 의 본실험을 수행하였다 .

폭발물의 폭원이 점화되면 , 폭발물은 매우 빠른 속도로 열 ,

소리 , 압력파의 형태로 에너지가 발산된다 . 이 때의 압력파는 폭발물의 바깥방향으로 퍼져 나가며 그림 2 에서 보는 것과 같

이 화염 (fire ball) 과 고온·고압의 가스의 형태로 에너지가 발

산되는 것을 확인할 수 있었다 .

예비실험에서 볼 수 있듯이 ANFO 35 lbs 의 폭발물 또한 매우 빠른 속도로 에너지를 분산하는 것을 볼 수 있었다 .

그러나 그림 3 에서 볼 수 있듯이 TNT 에 비하여 ANFO 의

경우에는 화염 (fire ball) 의 형태가 비교적 작게 나타나며 , 실

험 후 현장에 도착하게 되면 , TNT 에 비하여 심한 유독가스

표 1. 실험에 사용된 폭발물 시편종류

Preliminary Test Blast Main Test

NSC ANFO 35 lbs

TNT 9 lbs 1 case NSC 1 case

UHSC 2 case

TNT 35 lbs 1 case RPC 2 case

*NSC : Normal Strength Concrete UHSC : Ultra High Strength Concrete RPC : Reactive Powder Concrete

표 2. 일반강도 콘크리트의 배합설계

Max. Size of Coarse Aggregate

(mm)

Target Strength

(MPa) Slump (mm) W/B

(%) S/a (%)Unit Water (kg)

Unit Binder

(kg) Unit Fine Aggregate

(kg) Unit Coarse Aggregate

(kg) AE Admixture Cement Fly-ash S1 S2 (kg)

25 24 100 49.8 47.7 163 294 33 616 264 957 2.45

표 3. 초고강도 콘크리트(UHSC)의 배합범위

W/B(%) S/a (%) Unit Water

(kg) Unit Binder

(kg) Unit Fine

Aggregate (kg) Unit Coarse

Aggregate (kg) AE Admixture

< 20 < 39.1 < 140 < 1300 < 450 < 700 (%)1~3

표 4. Reactive Powder Concrete(RPC)의 배합범위

W/B(%) Cement

(kg) Unit Water

(kg) Silca Fume

(%) Unit Fine

Aggregate (kg) Filler

(2.2~200

μ

(%) Steel Fiber (%)

< 20 < 800 > 200 10~30 800~1000 200kg ~ 1~3 2

그림 1. 철근콘크리트 시편 제작과정

가 잔여된 것을 통해 ANFO 는 주로 고온고압의 가스 형태 로 에너지가 발산 된다는 것을 알 수 있었다 .

4. 방폭성능실험 결과

본 연구에서는 일반강도 콘크리트 시험체에 대한 예비실험 결과를 이용하여 폭발하중을 받는 콘크리트 시편의 거동을

분석하며 예비실험을 통해 결정된 폭약량을 바탕으로 하여

UHSC 및 RPC 시편에 대한 거동분석을 하였다 .

4.1 폭발압력하중 측정결과

예비실험의 경우에는 전편 논문에서 언급한 것과 같이

TNT 의 철제외피파편으로 인해 콘크리트시편에 가해지는 압 력하중이 측정되지 못하였으므로 본 실험에서는 폭발압력하 표 5. 시험체의 물성치

Specimen Compressive Strength

(MPa) Young's Modulus

(GPa) Poisson's Ratio Split Tensile Strength (MPa)

NSC 1 23.4 12.8 0.148 2.36

2 27.7 19.8 0.184 2.04

Average 25.6 16.3 0.166 2.20

UHSC

1 162.6 52.8 0.214 9.00

2 200.1 53.5 0.224 9.41

3 204.0 52.6 0.203 -

4 202.2 53.3 0.222 -

Average 202.1 53.1 0.216 9.21

RPC

1 198.6 51.3 0.197 17.14

2 191.2 47.2 0.184 22.99

3 218.9 51.8 0.187 19.21

4 202.8 51.7 0.180 26.27

Average 202.9 50.5 0.187 21.40

그림 2. 예비실험의 폭발형상

그림 3. ANFO 35 lbs을 이용한 본 폭파실험의 폭발형상

중을 측정될 수 있도록 보완하였다 . 그러므로 예비실험에서 는 5 m ^{떨어진 곳에서의} free field incident pressuremeter ^를

통해 측정된 결과와 ConWEP 을 비교하였을 때 , free field

incident pressure 의 1st peak pressure 와 ConWEP 을 통해

도출된 입사파 (incident pressure) 가 유사함을 확인할 수 있

다 ( 그림 4). 그러나 2nd peak pressure 는 ConWEP 에서 도

출된 반사파보다 TNT 9 lbs 의 경우엔 약 40%, TNT

35 lbs ^{의 경우엔 약} 56% ^{정도 각각 작게 발생한 것을 확인할}

수 있었다 . 이를 통해 반사파의 경우는 실험적 및 환경적 조건에 따라 압력하중이 변화하는 것을 고려하여 방호설계

에 사용되는 ConWEP 의 반사파에 안전율이 고려되었다고

판단된다 . 여기서 , 입사파란 순수 대기 중에 측정되는 폭발 그림 4. 예비실험에서의 free field incident pressure

그림 5. ANFO 35 lbs의 본 실험에서의 반사압력

표 6. ANFO 35 lbs의 폭발압력하중 및 충격량

SPECIMEN NSC UHSC1 UHSC2 RPC1 RPC2 ConWEP

Environment Temperature 5 8 NR -9 NR -

Humid(%) up 51 56 NR 39 NR -

Reflect Pressure

Center

RP_C 1st (MPa) NR NR 16.92 NR 21.99 17.02

RP_C 2nd (MPa) NR NR 25.28 NR 28.1

Duration (msec) NR NR 1.176 NR 0.374 1.412

Impulse (MPa-msec) NR NR 3.87 NR 2.83 2.42

230 mm

RP_21st (MPa) 26.58 NR 18.76 22.62 22.1 16.53

RP_22nd (MPa) 26.58 NR 18.76 22.62 22.41

Duration (msec) 1.212 NR 0.564 0.424 1.524 1.468

Impulse (MPa-msec) 3.26 NR 3.02 2.03 3.29 0.01

Free Field Pressure

1st Peak (MPa) 0.161 0.249 0.191 0.16 0.191 0.170

2nd Peak (MPa) 0.26 0.249 0.191 0.217 0.191

Duration (msec) 3.102 3.1 3.194 3.056 3.212 4.628

Impulse (MPa-msec) 0.23 0.191 0.23 0.229 0.21 0.205

*NR : Not Record

*RP_C : Reflect pressure at center point

*RP_2 : Reflect pressure at 230 mm point to center

압력이며 , 반사파는 견고한 부분에 부딪힌 후에 반사되는 압 력파이므로 , 시편이 받는 압력 , 또는 지편 등에 의해 반사되 는 압력파를 포함한다 (Hyde, 1992).

본 실험에서는 예비실험에 비하여 콘크리트가 직접적으로 받아들이는 압력하중의 측정이 가능하도록 하였다 . 폭약의 외피 파편효과가 발생하지 않도록 ANFO 35 lbs 을 사용하여 압력게이지의 손상과 데이터의 미확보는 방지하였다 . 그러나 ,

표 6 와 그림 5 에서 보는 것과 같이 측정결과가 일정하지 않은 것을 알 수 있다 . 이는 폭발 실험결과가 실험상태의

바람의 방향 및 습도 , ANFO 의 성형 형태 등에 따라 달라

진 것이라고 판단되었으나 , 미국방성에서 제공한 ConWEP 을 이용해 산정된 압력하중과 유사하였다고 판단된다 . 더불어

5 m 떨어진 곳에서 측정된 free field incident pressuremeter 로

측정된 결과와 ConWEP 을 비교해 보면 표 6 과 같이 정리

하여 볼 수 있다 . 측정된 압력의 peak overpressure 외에 또 다른 peak overpressure 가 발생한 것을 확인할 수 있다 . 이

는 ANFO 폭약이 TNT 에 비하여 기폭속도가 느리며 폭발과

동시에 ANFO 가 완폭하지 않기 때문에 단계적으로 폭발되

는 것과 같은 현상이 발생한 것으로 판단된다 . ^더불어

ANFO 35 lbs 는 ConWEP 에 의한 TNT 등가 환산을 하면

TNT 28.7 lbs 와 같으므로 TNT 35 lbs 와 비교해 보면 ,

ANFO 의 경우 free field incident pressure 는 약 15.9%,

충격량은 약 13.5% 작은 것을 알 수 있었다 .

4.2 시험 후 외관에 대한 조사 및 분석

폭발압력하중의 지속시간이 지나고 , 안전한 상태가 확인되 면 제일 먼저 콘크리트 시험체의 외관을 조사해야 한다 . ^외

관을 조사할 때에는 균열 및 파편의 발생과 게이지의 위치 및 풀림을 확인해야 한다 . 그림 6 에서 보는 것과 같이

TNT 9 lbs 에서는 폭발압력하중을 받는 상부면에서의 외관상

뚜렷한 변형이 없었으나 , TNT 35 lbs ^{에서는 확연한 차이가}

발생함을 알 수 있었다 . 그러나 상부면에서의 파괴는 TNT

의 금속 외피로부터 발생하는 파편이며 , 폭발물에서 발생하 는 파편의 효과는 파편의 형태 , 질량 , 초속 (initial velocity),

폭발점과 목표물 사이의 거리 및 목표에 대한 탄체의 방향 등에 따라 다르며 , 그 파편의 무게는 가루로부터 수 kg 까지 다양하다 ( 서관세 , 2005; Krauthammer, 2007). 특히 공중에 서 폭발되는 폭발물로 인해 파편들은 임의 형상으로 쪼개지 며 비교적 수 많은 파편을 형성한다 . 예비실험을 통해 폭약 량이 많아질 수록 파편에 의한 충격하중이 상당히 커졌음을 확인할 수 있었다 .

ANFO 35 lbs 의 폭발압력하중을 받은 각 시편의 외관은 그림

7, 그림 8 과 같이 정리해 볼 수 있다 . 그림 7(a) 에서 보는

것과 같이 ANFO 35 lbs 의 폭발압력하중을 받는 NSC 상부

면은 TNT 35 lbs 시편의 상부면 ( 그림 6(c)) 에 비해 파편에 의한 추가적인 손상이 발생하지 않았으며 , 이는 시험체에는 순수하게 폭약에 의한 압력하중만이 작용하였음을 알 수 있

다 . 그림 7(b) 와 같이 일반강도 콘크리트 시험체의 하부면을

보면 콘크리트 항복선의 형태를 따라 거북이 등과 같은 형 태의 방사형 균열이 발생하였으며 , 전반적으로 2 방향 슬래브 의 균열 형태로 진전이 되었다고 평가하였다 . 또한 그림

7(c) 에서 볼 수 있듯이 , 중앙부에는 휨균열과 같은 양상의 균열이 발생하였으며 , 각 옆면에는 전단균열이 발생한 것을 볼 때 , 일반강도 콘크리트의 경우 , 방호구조물로 설계할 시 에는 반드시 전단에 대한 고려가 필요하다고 판단된다 .

그에 반면 그림 7(d), 그림 7(g) 에서 보는 것과 같이

UHSC 시편과 RPC 시편은 콘크리트 시험체의 상부면에 어

떠한 손상도 발생하지 않은 것을 확인할 수 있었으며 , 이는

UHSC, RPC 시편의 뛰어난 방호성능 효과를 나타낸 것이라

판단된다 . ^그림 7(e), ^그림 7(f), ^그림 8(b) ^{와 같이} UHSC

시편 하부면의 주 균열은 2 방향 슬래브의 항복 균열 형태로 진전이 되었으나 , 일반강도와 다르게 비균질하고 방향성이

있는 macro 한 균열이 발생하였음을 확인하였다 .

그러나 , 그림 7(h), 그림 7(i) 에서 보는 것과 같이 RPC

시험체의 주균열은 일반적인 콘크리트의 항복균열과 다르게 하중방향에 치중되는 일방향성의 macro 한 균열 양상을 보 이고 있다 . 이는 RPC 에는 굵은 골재가 포함되지 않아 모

르타르와 같이 거동을 하였으며 , ^{특히 그림} 8(c) ^{와 같이 균}

열이 강섬유에 의해 구속되었기 때문에 균열진전 및 버럭

발생을 억제시킨 것을 확인할 수 있었다 . 또한 UHSC 시

편과 RPC 시편 모두 높은 강성으로 인해 균열의 파괴양상

이 비교적 취성적임을 확인할 수 있었으며 , ^{전단파괴는 전}

혀 발생하지 않았음을 확인할 수 있었다 . 이와 같은 균열

양상을 통하여 일반강도 콘크리트 시편에 비하여 UHSC

및 RPC 시편이 폭발압력하중에 대해 큰 방호효과가 있으

며 , ^{균열 발생 후 보수 및 보강에도 더욱 유리할 것이라고}

판단된다 .

4.3 폭발하중에 의한 콘크리트의 처짐

본 실험에서 수행된 폭발하중을 받는 콘크리트 시편의 처 짐은 최대 처짐을 비롯하여 구조물의 거동을 측정하는 방식 과 잔류 변위량 (residual displacement) 을 측정하는 방식 등 ,

그림 6. 예비폭파실험 후의 시편의 외관조사

크게 두 가지로 나눠 측정을 하였으며 , 측정된 결과는 표 7

과 같다 . 예비실험인 TNT 9 lbs 는 콘크리트 시편 중앙부의

최대 처짐이 7 mm ^이며 , TNT 35 lbs ^{의 폭발압력하중이 가해}

진 경우에는 LVDT 의 용량을 벗어나 최대처짐은 측정하지

못하였다 . 특히 TNT 35 lbs 의 폭발하중을 받는 시편의 경우

에는 콘크리트 시편이 잔류 변위량의 크기를 보았을 때 콘 크리트가 소성거동 하였음을 판단할 수 있다 .

콘크리트 시편의 중앙부 하단에 설치된 LVDT 를 이용하여

최대 처짐량 및 구조물의 거동을 측정하였으며 실험결과는 그림 9 ^{에 나타내었다} . ANFO 35 lbs ^{로 실험한 일반강도콘크}

리트 시편의 경우에는 최대 처짐이 18.57 mm, 잔류 변위량

은 5.79 mm 가 발생하였다 . 예비실험에서의 TNT 35 lbs 장약 량과 서로 상이한 장약량이지만 , TNT 등가 환산을 하면

TNT 28.7 lbs ^{와 같으며 두 장약에서의 충격량이 큰 차이가}

그림 7. 각 시편의 균열 양상

그림 8. ANFO 35 lbs 폭발압력하중을 받은 시편의 하부면 상세

없다고 가정하여 , ^표 7 ^{과 같이 하나의} reference ^{의 결과로}

비교하여 보았다 . 또한 , 본 실험은 크게 2 번에 나눠서 이뤄 졌으며 case 1 의 모든 시편을 실험한 뒤 , 3 주후에 case 2 의 실험을 수행하였다 . 그로 인해 NSC, UHSC, RPC 의 결과값

이 각 case 별로 유사한 경향을 나타냄을 볼 수 있다 . 이는

외국 실험의 사례 (Mosalam et al ., 2001; Razaqpur et al .,

2007) 들을 통해서 알 수 있듯이 , 폭발실험 당시의 온도 , 습

도 , 바람 등의 실험환경조건과 폭약의 형상에 따라 폭발압력 하중이 변화함으로 시편 중앙부의 최대처짐 및 잔류변형량 또한 쉽게 영향을 받는다고 판단된다 . 그러므로 본 실험에서 발생할 수 있는 실험결과의 차이는 충분히 발생할 수 있는 오차라고 판단된다 .

폭발하중을 받는 UHSC 시편과 RPC 시편의 거동이 일반 강도 콘크리트 시편에 비하여 주기가 상대적으로 짧게 발생

한 것을 볼 수 있다 . 이는 UHSC 시편과 RPC 시편이 큰

강성을 가지고 있기 때문이며 그로 인해 일반 강도 콘크리

트에 비하여 최대 처짐은 10.5 mm 에서 15.1 mm 의 범위

안에서 거동을 하는 것을 확인할 수 있다 . 특히 RPC 시편

은 강섬유로 인해 인장성능 강화 및 균열 억제 효과 등의

fiber effect 가 발생하였음을 확인할 수 있다 .

4.4 폭발하중에 의한 변형률

본 실험에서 측정된 최대 변형률 값은 표 8 에 요약 정리

하였으며 , NSC 및 UHSC 시편과 다르게 , RPC 시편의 경우에

는 철근배근을 하지 않았으므로 철근 변형률을 측정하지 못 하였다 . 그러나 , 폭발압력하중 하에서 하부 철근의 변형률 값 을 통해 각 시편이 거동을 좀 더 정밀하게 파악할 수 있다 .

본 실험에서 폭발압력하중 하에서 하부 철근은 모두 항복하 였으며 , 특히 하부 철근의 중앙부일수록 , 큰 폭발압력하중이 가해질 수 록 항복 변형률은 증가하였다 . 그림 10 에서 보는 것과 같이 일반강도 콘크리트의 하부철근이 최대 28,000

με이상의 변형률로 항복거동 하는 것에 비하여 UHSC 시편

의 철근 변형률이 10,000 με이하로 항복 거동하는 것을 확

인할 수 있다 . 이는 일반강도 콘크리트 시편에 비하여 초고 강도 콘크리트의 경우에는 큰 내부 변형이 발생하지 않았음 을 파악하였다 .

콘크리트 변형률은 상하부면에 각각 3 개의 변형률 게이지 를 부착하였으며 상부면에 부착된 게이지는 대부분 압축거 동 , 하부면은 대부분 인장거동을 하는 것을 확인할 수 있다 .

그림 11 에서 보는 것과 같이 콘크리트 하부중앙부는 대부

분 16,000 με이상의 변형률을 가지고 있다 . 또한 , 일반강

도 콘크리트 시편의 경우 일정시간 동안 동일한 변형률를 유지하는 것으로 미뤄보았을 때 , 변형률 게이지의 용량을 벋어나는 범위까지 변형이 발생되었다고 판단할 수 있다 .

그러나 , RPC 시편의 경우에는 NSC, UHSC 시편에 비하여

표 7. 폭발압력하중을 받는 각 시편의 처짐량

Values (mm) Experiment results Case 1 Case 2

NSC Max. displ. over 25 18.57

Residual displ. 12.26 5.79

UHSC Max. displ. 10.52 15.14

Residual displ. 1.860 5.86

RPC Max. displ. 10.73 13.09

Residual displ. 3.20 5.41

그림 9. 폭발하중을 받는 콘크리트 시편 중앙지점에서의 변위 거동

중앙부에 낮은 변형률이 발생하였으므로 , 강섬유에 의한 균 열억제효과가 발생한 것으로 판단된다 . ^즉 , ^{철근 및 콘크리}

트의 변형률은 시편의 손상 (damage) 정도를 파악하는 주요

연관성이 있음을 확인할 수 있었다 . 더불어 탄성계수의 범 위 내에서 거동을 한다면 후크의 법칙을 이용하여 발생된 변형률을 응력으로 산정함에 따라 , 변형률 속도에 따른 강 도 증가 계수 등을 구할 수 있을 것이다 . 그림 10 과 그림 11 은 각 폭발압력하중에서의 각 시편의 종류별로 중 앙부의 철근의 변형률과 콘크리트의 변형률을 각각 도식화 한 것이다 .

그림 10. 폭발하중을 받는 내부철근의 변형률

그림 11. 폭발하중을 받는 콘크리트의 변형률

표 8. 폭발하중을 받는 각 시편의 최대변형률

SPECIMEN NSC UHSC1 UHSC2 RPC1 RPC2

STEEL Strain

ch. 1 CU 5964 2796 2832 - -

ch. 2 2U 2052 1549 2192.47 - -

ch. 3 CL 28113 6711 7553.6 - -

ch. 4 2L 4831 3452 3622 - -

CONCRETE Strain

ch. 5 CU 11848 4502 12821 11198 NR

ch. 6 1U 5336 3479 6243 9247 NR

ch. 7 2U 2518 NR 3745 5967 1951

ch. 8 CL NR 16025 18081 NR 4903

ch. 9 1L 2581 9768 454 NR 3571

ch. 10 2L 28274 4692 878 708 2269

*CU : Center upper side

*1U : 100 mm from center upper side

*2U : 230 mm from center upper side

*CL : Center lower side

*1L : 100 mm from center lower side

*2L : 230 mm from center lower side

*NR : Not Record reason for died

*

−

4.5 폭발하중에 의한 콘크리트 구조물의 가속도

폭발압력하중이 가해지는 콘크리트 구조물의 거동의 분석

은 크게 LVDT 를 통한 처짐 및 가속도에 의해 분석될 수

있다 . LVDT 를 통한 콘크리트 구조물의 거동분석이 불가능

한 경우 , 게이지로 측정된 결과로 분석할 수 있다 . 그러나 본 연구에서 얻어진 가속도는 구조물의 거동만을 측정한 것이 아 니라 충격에 의한 가속도를 동시에 측정되었으며 , 그림 12 와

같이 1,000~2,500 g 이상의 가속도가 발생한 것을 확인할 수

있다 . 더불어 UHSC1 시편의 경우에는 폭발하중이 작용한

후 센서와 콘크리트 표면의 부착상태가 불량하여 많은 노이 즈가 발생하였으며 , 그로 인한 데이터의 신뢰성이 떨어지므 로 , 본 논문에서는 생략하였다 .

5. 결론 및 분석

폭발에 의해 발생하는 압력하중이 구조물에 미치는 영향

및 최근 개발되고 있는 초고강도 콘크리트 (UHSC) 와 RPC

시편의 방호성능을 고찰하기 위해 폭발하중을 받는 콘크리 트 시편의 실험결과를 서로 비교하여 보았으며 , ^{본 연구를}

통해 얻어진 결론은 다음과 같다 .

1. 콘크리트 슬래브 구조물을 제작하여 설치된 센서에 해당

되는 적절한 폭발압력하중을 산정하기 위하여 TNT 9 lbs

및 TNT 35 lbs 로 각각 예비실험을 수행한 결과 , 폭약량

으로부터 5 m 떨어진 free field incident pressure 의 경

우 ConWEP 과 비교했을 때 초기압력하중은 비슷하게 작

용함을 확인할 수 있었다 . 예비실험에서 수행된 일반강도

콘크리트 구조물에 TNT 35 lbs ^{의 폭발압력하중이 가해진}

경우에는 외관상 콘크리트의 항복선 (yield line) 을 따라 상 당한 균열이 발생하였으며 , TNT 파편 등에 의한 구조물 시편 및 측정게이지의 손상이 상당하게 발생하였다 . 또한 ,

TNT 35 lbs ^{의 폭발압력하중을 받는 경우의 잔류 변위량은}

TNT 9 lbs 의 잔류 변위량의 18 배 증가된 변위량으로 소

성거동하였으며 , 이는 콘크리트와 철근의 하부 중앙부에 장착한 변형률을 통하여 국부적 또는 내부적인 소성변형 등의 손상이 발생하였다고 판단된다 .

2. 예비실험을 통해 , TNT 폭약의 경우 철재 외피에 의한 구 조물의 파손 및 데이터의 손실 등이 발생하여 순수 폭약 에 의한 폭발압력하중이 작용하지 않는다고 판단하였다 . 그

리하여 외피에 의한 손상이 없고 성형이 가능한 ANFO

폭약을 사용하였으며 , 데이터 계측 범위를 고려하여

35 lbs 로 폭약량을 산정하였다 .

3. 본 실험은 일반강도 콘크리트 , UHSC, RPC 시편으로 나

눠 실험을 수행하였으며 , 이 때의 폭약량은 예비실험을 통

해 산정된 ANFO 35 lbs 의 폭발압력하중을 적용하였다 .

콘크리트가 직접적으로 받아드리는 반사 압력하중을 측정 한 결과 폭파할 때의 온도 , 습도 , 바람 등의 환경조건과 다짐 등의 구속조건 , 장약량의 형태 및 기폭제의 위치 등 의 기폭조건에 따라 각 시편에서 받는 압력하중 및 충격 량이 서로 상이한 것을 확인할 수 있었다 . 이는 외국의 폭발실험 문헌자료에서도 알 수 있듯이 , 충분히 발생할 수 있는 오차라고 판단되며 그에 따라 최대처짐 및 잔류변형 량의 절대값을 통해 방호성능을 평가하는 것에 비하여 균 열의 분산도와 패턴 , 구조물의 거동에 중점을 두어 방호성 능을 평가하는 것이 바람직하다고 판단된다 .

4. ANFO 35 lbs 에 의한 폭발압력하중을 받는 시편은 예비실

험에서 확인된 것과 같이 일반강도 콘크리트 시편은 콘크 리트 항복선의 형태를 따라 방사형 균열이 발생하였다 . 이 때 , 휨균열 및 전단균열이 발생하였으나 , UHSC 시편과

RPC ^{시편은 폭발압력하중을 받는 상부면과 전단부분에는}

어떠한 손상이 발견되지 않았으며 , 비교적 적은 면적의 균 열이 발생한 것을 확인할 수 있었다 . 그러나 균열폭은 일 반강도 시편에 비하여 정도 상대적으로 macro 한 균열이 발생하였으며 , 이는 고강도 , 고강성으로 인한 취성적인 형 태의 파괴가 발생하였다고 판단할 수 있다 . 그러나 전반적 인 손상정도는 일반강도 콘크리트 시편에 비하여 적게 발 생하였다 . 특히 RPC 의 경우 강섬유에 의해 균열 억제 및 박락 등이 방지가 되었다고 판단된다 . ^{이는 실제 구조물에}

폭발압력하중이 가해졌을 경우 , 일반강도 콘크리트 시편에

비하여 UHSC 및 RPC 구조물의 손상정도가 심하게 발생

되지 않을 것이라고 판단된다 . UHSC 및 RPC 의 경우에

는 기존 구조물의 성능을 유지하기 때문에 균열발생 부분 에 대한 보수 및 보강 , 또는 인장성능을 향상시킨다면 구 조물의 사용성에 큰 영향은 없을 것이라고 판단된다 .

5. 즉 , 일반강도 콘크리트 , UHSC 및 RPC 시편의 파괴형상

은 서로 상이하며 , ^{상황과 용도에 따라 적합한 파괴형태} ( 폭발하중을 받은 후의 보수여부 , 철거여부 등 ) 를 가지는 시편의 선택이 가능하다고 판단된다 . 특히 UHSC 및

RPC 시편에 추가적인 적합한 보강재를 사용하여 인장성

능을 보강한다면 macro 한 균열 및 취성적인 파괴거동이 완화될 것이라고 판단된다 .

그림 12. 폭발압력하중을 받는 시편의 가속도

6. 실험결과를 통한 일반강도 콘크리트에 비한 UHSC 의 최

대 처짐은 18~32%, 잔류변위량은 2.1~61% 의 보강효과가

있으며 , RPC 구조물의 경우 최대 처짐은 20~30% 의 최

대처짐에 대한 보강효과가 발생하는 등 뛰어난 보강성능 을 지니고 있음을 확인하였다 .

국내 최초로 민수목적에 의해 수행된 실험인 만큼 여러 제약된 실험빈도와 여건상으로 인해 충분한 결과의 확보는 제한적이었다 . 그러나 , 확보된 실험결과를 토대로 UHSC 와

RPC 구조물이 일반강도 콘크리트 시편에 비하여 강성증가로 인한 에너지 흡수 및 소산능력이 증대되었음을 확인할 수

있었다 . 이는 UHSC 및 RPC 시편의 경우 그 자체만으로 충

분한 방호 구조물을 만족할 뿐 아니라 , UHSC 시편의 충분

한 인장성능을 발휘할 수 있는 보강재로 보강할 경우 더욱 향상된 방호 시스템 구축이 될 것이라고 판단된다 .

감사의 글

본 연구는 현대건설 ( 주 ) 와 한국과학재단 ( 과제번호 R01-

2008-000-1117601) ^{의 재정적인 지원을 통해 이뤄졌으며} , ^이

에 감사의 뜻을 전합니다 .

참고문헌

김장호

초고강도 콘크리트를 적용한 콘크리트 구조물의 폭발 저항성능에 대한 실험적 평가

현대건설기술연구소 보고서

서관세

^방호공학

^청문각

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(

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