콘크리트工學
大 韓 土 木 學 會 論 文 集第29卷 第5A 號·2009年 9月 pp. 557 ~ 564
폭발하중을 받는 콘크리트 구조물의 실험적 거동분석 : (I) 실험수행절차
Behavior Analysis of Concrete Structure under Blast Loading : (I) Experiment Procedures
이나현*·김성배**·김장호***·최종권****
Yi, Na Hyun
·
Kim, Sung Bae·
Kim, Jang-Ho Jay·
Choi, Jong Kwon···
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 overpressure is applied to concrete structures as an impulsive load of extremely short duration with very high pres- sure and heat. Generally, concrete is known to have a relatively high blast resistance compared to other construction materials.
However, information and test results related to the blast experiment of internal and external have been limited due to military and national security reasons. Therefore, in this paper, to evaluate blast effect on reinforced have concrete structure and its pro- tective performance, blast tests are carried out with 1.0 m×1.0m×150 mm reinforce concrete slab structure at the Agency for Defence Development. The standoff blast distance is 1.5 m and the preliminary tests consists with TNT 9 lbs and TNT 35 lbs and the main tests used ANFO 35 lbs. It is the first ever blast experiment for nonmilitary purposes domestically. In this paper, based on the basic experiment procedure and measurement details for acquiring structural behavior data, the blast experimental measurement system and procedure are established details. The procedure of blast experiments are based on the established measurement system which consists of sensor, signal conditioner, DAQ system, software. It can be used as basic research ref- erences for related research areas, which include protective design and effective behavior measurements of structure under blast loading.
Keywords :
blast experiment, blast overpressure, measurement system, procedure of blast experiment, protective design···
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
2차
, 3차의 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 재료로 알려져 있다
.그 러나 폭발실험이라는 특수한 실험조건으로 인하여 국내외적으로 실험에 관련된 정보 및 결과 공유가 상당히 제한적으로 이 뤄지고 있는 실정이다
.그러므로 본 논문에서는 폭발에 의한 압력하중이 철근콘크리트 구조물에 미치는 영향과 방호성능을
평가하기 위하여 국방과학시험연구소 다락대 시험장에서
1.0 m×1.0 m×150 mm의 철근콘크리트 슬래브 구조물을 제작하여 시편으로부터 높이
1.5 m에서
TNT 9 lbs와
TNT 35 lbs으로 예비시험을 수행하였으며
,동일한 이격거리
(standoff)에서
ANFO 35 lbs
으로 본 실험을 수행하였다
.이는 국내 최초 민간에서 수행되어진 실험으로써
,첫 번째 논문에서는 폭발실험을
하기 위한 기본적인 실험 구성 및 구조물의 거동을 측정하기 위한 계측장비 구성에 대하여 검토하여 계측 시스템의 구축 및 폭파시험 수행절차를 구축하고자 한다
.센서
,시그널 컨디셔너
, DAQ시스템
,소프트웨어로 구축된 계측 시스템을 바탕으 로 정립된 폭파시험 수행절차는 향후 국내의 방호설계 및 폭발하중을 받는 구조물의 효과적인 거동계측 등 관련 연구분야의 기초자료가 될 것이라고 판단되는 바이다
.핵심용어 : 폭파시험
,폭발압력하중
,계측시스템
,폭파시험수행절차
,방호설계
···
*정회원·연세대학교토목공학과박사과정
(E-mail : [email protected])
**정회원·연세대학교토목공학과석박사통합과정
(E-mail : [email protected])
***정회원·교신저자·연세대학교사회환경시스템공학부교수
(E-mail : [email protected])
****정회원·현대건설
(
주)
기술연구소재료팀주임연구원(E-mail : [email protected])
1. 서 론
폭발압력하중에 의한 콘크리트 구조물의 영향에 대한 연구 는 제 2 차 세계대전 이후부터 활발히 진행되었으며 , 토목 및 군사구조물에 여러 원인에 의한 큰 압력하중이 작용하였 을 경우에 구조물이 어떠한 거동을 보이는가에 대한 관심을 기울이기 시작하였다 . 이러한 연구는 미국 및 유럽 등을 중 심으로 현재까지도 진행 중이지만 , 국가안보와도 밀접한 관 계가 있는 분야이므로 , 국방산업 혹은 석유화학산업 등과 같 이 상대적으로 위험요소에 많이 노출되어 있는 분야의 기술 자들에 의해 한정적으로 연구가 진행되어 왔다 . 그러나 최근
에는 9.11 테러와 같은 테러 및 범죄의 증가로 인해 군사시
설 뿐 아니라 사회기반시설물 및 민간시설물에도 방호설계 개념이 필요한 상태이며 , 이를 위해 폭발하중을 받는 구조물 의 거동에 관한 연구를 통한 독자적인 방호기술의 구축에 대한 필요성이 대두되었다 (Winget et al ., 2005; Byun et al. , 2006).
폭발하중에 대한 구조물의 거동은 설계 및 해석상의 편의
를 위해 Biggs(1964) 에 의해 단자유도계 (SDOF) 와 다자유도
계 (MDOF) 의 lumped mass model 을 이용하여 폭발하중에
대한 구조물의 거동을 평가하고 근사적으로 설계할 수 있는 기법을 제시하였다 . 그러나 , 최근에는 이러한 근사적이며 단 순화된 모델을 사용한 해석결과의 정확성 및 신뢰성의 향상 을 위해 폭발하중 특성을 고려하여 강도증진효과 및 변형률 속도가 고려된 적절한 재료모델과 유한요소 모델링을 적용 한 HFPB(High Fidelity Physics Based) 유한요소 해석기법
에 관한 연구가 활발히 진행 중이다 (Choi et al. , 2003;
Kinergy et al ., 1982; Yi et al. , 2008).
현재 국내에서도 남진원 등 (2007) 과 김호진 등 (2007) 에 의 해 기존 단순해석기법에 비하여 높은 정확도를 확보할 수
있는 HFPB 유한요소 해석기법에 대한 연구가 수행되고 있
으며 이는 군사시설 뿐 아니라 사회기반시설물에 대한 독자 적인 구조물의 방호설계 및 해석을 구축하고 있다 . 그러나 ,
이와 같은 국내 연구의 경우 폭발이라는 특수성으로 인하여 외국의 실제 폭파실험 자료에 의존해 오고 있으며 , 군사 및
국가안보의 문제로 인해 관련 정보 공유가 상당히 제한적으 로 이뤄지고 있는 실정이다 .
따라서 , 본 연구에서는 폭발에 의한 압력하중이 콘크리트 구조물에 미치는 영향 및 방호성능을 평가하기 위하여 , 접근 가능한 국내외 관련 자료를 바탕으로 하여 국내 민간에서는 최초로 폭파실험을 수행하였다 . 폭발하중을 받는 콘크리트
구조물은 1,000 ×1,000×150 mm 의 철근콘크리트 슬래브로
제작하였으며 , 실험은 국방과학연구소에서 수행하였다 . 본 논
문에서는 폭발하중을 받는 콘크리트 구조물의 실험적 거동 분석을 하기 위한 기본적인 실험 구성 및 계측장비의 구성 과 함께 계측 시스템 및 폭파실험 수행절차를 구축하였다 .
2. 폭발하중의 특성구조물에 작용하는 하중은 작용시간의 관점에서 볼 때 정 적하중 , 동적하중 , 그리고 아주 짧은 시간동안 작용하는 충 격하중의 세 가지로 나누어 고려할 수 있다 . 구조응답에서
관성효과를 발생시키지 않는 정적하중은 시간종속이 아니며 ,
오랜시간 동안 지속적으로 구조물에 작용한다고 가정할 수 있다 . 한편 , 지진이나 돌풍 등에 의해 발생하는 동적하중은 시간 의존적이며 일반적으로 하중의 종속시간은 수십분의 일 초로 측정될 수 있으며 , 구조물에 아주 큰 압력하중으로 매 우 짧은 시간 (10
0~10
4s
−1) 동안 작용하게 되면 그 응답은 충 격영역에 속하게 된다 . 특히 , 폭발은 높은 열이나 충격에 의 하여 높은 에너지가 매우 짧은 속도로 방출되는 일종의 화 학작용을 의미하며 , 일반적인 폭발물의 폭발속도는
4,000~8,400 m/s 범위이며 , 대표적인 폭발물인 TNT 의 폭발
속도는 약 6,900 m/s 이므로 일반적으로 건축·토목에서 고
려되는 하중에 비하여 매우 빠르고 큰 특징을 가지고 있다 .
이러한 , 폭발에 의해 발생하는 아주 짧은 시간동안의 동적하 중은 충격영역에 속하는 비진동 충격압력 하중이며 , 작용시
간이 약 1/1000 초 단위로 매우 짧은 특징을 갖고 있다 . 일
반적으로 , 하중의 작용시간이 짧아짐에 따라 관성효과는 뚜
렷해진다 . 폭발은 고압의 가스와 함께 폭풍파 (blast wave),
폭발물 혹은 구조물의 잔해에 의한 파편 , 고온의 열 등으로 구성되며 , 그 중에서도 구조물에 높은 온도와 압력으로 작용
하는 폭풍파 (blast wave) 가 주요 압력하중으로 고려된다 . 그
림 1 은 폭발에 의해 구조물에 작용하게 되는 전형적인 압력 하중의 형태를 나타낸 것이다 . 그림 1 의 시간에 따른 압력하 중의 곡선은 정압력 단계와 부압력 단계로 나뉘게 되는데 , 일 반적으로 폭발하중에 대한 설계에서 부압력은 고려하지 않 는다 . 한편 , 압력 - 시간 이력 곡선의 적분은 충격량 i
so를 나 타낸다 (ASCE, 1999; Baker, 1973; TM5-1300, 1990; DTRA/
TSWG Program, 1999).
한편 , 압력곡선의 형태와 크기는 폭발물의 크기 , 형상 및
재료 뿐 아니라 폭발물의 상대적인 위치 , 충격파와 지면 또 는 구조물과의 상호 작용 등에 의해 결정된다 . 구조물에 영 향을 주는 폭발하중의 효과는 폭발 위치에 따라 대기 중 자 유 폭발 , 대기 폭발 , 지표면 폭발 및 내부 폭발과 같이 크
게 4 가지로 구분할 수 있다 . 본 연구에서는 그림 2 와 같이 대기 중 자유폭발을 유도하여 콘크리트 슬래브 구조물에 폭발 하중이 작용하도록 하였으며 , 이와 같은 대기 중 자유폭발은 반사파 등의 압력의 방해 없이 초기 충격파를 측정할 수 있다 .
한편 , 국내에서는 폭발하중과 그와 관련된 대부분의 자료 에 접근이 극히 제한되어 있기는 하지만 , 최근 폭발하중과
관련된 일부 국외 실험 자료들을 UFC3-340-01, TM5-1300
및 DOE/TIC-11268 에서 제한적으로 제공되었으며 , UFC3-
340-01 에 기초한 전형적인 무기효과를 계산할 수 있는 프로
그림 1. 폭풍파의 압력 - 시간 곡선 (TM5-1300, 1990)
그램인 ConWEP 또한 제한적으로 개방되었다 (Hyde, 1992).
ConWEP 은 폭풍파 , 파편 , 지표면 충격 , 탄공 등의 효과를 고려한 폭발하중의 계산이 가능하며 , 그 중 폭풍파의 경우 폭발각도를 고려하여 자유공간 , 지표면 근접 및 지표면 폭발
시의 폭발하중을 산정할 수 있다 . 폭발물 중심으로부터의 거 리가 1.5 m 이며 , 9 lbs 의 TNT 가 대기 중에서 구형 형태로
폭발했을 경우 TM5-1300 에서 제시하고 있는 환산거리에 따
른 폭발하중 변수와 ConWEP 을 이용하여 계산된 폭발하중
을 비교하면 그림 3 과 같으며 , 그 결과 각 프로그램에서 제 시한 폭발하중이 큰 차이를 보이지 않는 것을 확인 할 수 있다 .
3. 폭파시험의 구성
3.1 폭파시험부지 조건
본 연구에서의 대상 구조물은 철근콘크리트 슬래브 구조물 로 폭발하중이 발생하였을 때 슬래브 구조물의 파괴는 기둥 의 파괴와 더불어 점진적 파괴 (progressive collapse) 를 유도 할 수 있으며 , 슬래브 구조물 자체의 파괴 및 손상은 인명 피해와도 직접적으로 연결됨으로 이를 실험대상 구조물로 선 정하였다 . 이와 같이 선정된 슬래브 구조물에 대기 중 자유 폭발을 유도하며 , 발생할 수 있는 폭발압력의 간섭효과 및 회절효과를 최소화하기 위해 , 본 연구에서는 콘크리트 시편 을 지면과 동일한 위치에 거치시키는 방법을 선택하였다
(Razaqpur e t al ., 2007). 이때의 실험부지는 주변지형에 의 한 폭발파의 영향을 적게 받을 수 있도록 사막이나 광활한 평야에서 수행되어야 하나 국내여건을 감안하여 , 본 연구는
그림 4 에서 보는 것과 같이 국방과학연구소 다락대 시험장
에서 실험을 수행하였다 .
따라서 , 콘크리트 시편을 거치시키고 , 콘크리트 시편의 거 동을 측정하기 위한 지지구조물을 그림 5(a) 와 같이 제작하
였으며 사용된 강재는 SM-520 두께 7 mm 를 사용하였다 . 또
한 지지구조물 벽면을 따라 대략 250 mm 간격으로 보강재 를 설치하여 폭발하중에 의한 변형을 최소화하였다 . 지지구
조물은 2.0 m×2.0 m×300 mm 의 기초위에 19.02 mm×
150 mm 의 세트앙카 (set anchor) 로 고정하였다 . 콘크리트 시 편을 지지구조물 위에 고정시키기 위해 별도의 강재 angle 과
clamp 를 제작하여 콘크리트 시편과 지지구조물이 고정될 수
있도록 하였으며 , 이때 콘크리트 시편과 지지구조물 , 강재
angle 과 clamp 사이에 고무패드를 삽입하여 일정한 지지조건
을 만족시킴과 동시에 콘크리트 시편이 폭발하중에 의해 거 동을 하면서 발생되는 움직임을 최소화하였다 . 폭파시험 후 시편의 파괴형상 측정과 계측 관련 작업을 용이하기 위해 그림 2. 대기 중 자유폭발의 형상 (TM5-1300, 1990)
그림 3. ConWEP 과 TM5-1300 에서 제시한 폭발하중의 비교
그림 4. 폭파시험부지
그림 5. 콘크리트 시편 지지구조물
지지구조물의 한쪽 면을 모두 개방한 뒤 그림 5(b) 와 같은
추가적인 frame 을 이용하여 지지구조물과의 원활한 출입이
가능하도록 유도하였다 .
3.2 폭발물의 구성
폭발물은 여러 가지 종류가 있으며 , 그에 따라 효과도 다 양하다 . 폭발물에 따라 폭발속도 , 압력 , 열 생성 등과 같은 특성을 포함하여 폭발물 자체에서 발생된 파편 등의 파편효 과와 지반충격파 등의 효과들이 각기 다르게 된다 ( 서관세 , 2005; Mosalam et al ., 2001). 주로 군용 폭발물은 폭발 속도가 일반적으로 4,000~8,400 m/s 범위의 고성능 폭발물을 사용하며 본 연구에서는 본 실험에 앞서 , 약 6,900 m/s 의
속도를 가진 TNT 9 lbs, TNT 35 lbs 으로 예비실험을 수행하
였다 . 그러나 , TNT 의 경우는 폭발하면서 철제 폭탄외피가 약
45
o로 전단파괴가 일어나 칼날과 같은 모양의 파편이 발생하 였다 . 폭발압력이 구조물에 전파되기 전에 TNT 폭발물 자체 에서 발생한 파편이 반사압력게이지에 먼저 도달하기 때문 에 , 폭발압력 측정에 어려움이 있었다 .
따라서 , 본 실험에서는 TNT 에서 발생하는 파편효과를 감
소시키기 위해 그림 6(b) 와 같이 성형이 가능한 ANFO 35
lbs 를 사용하였다 . 각 폭발물의 보조장약 (booster) 으로는 다이
너마이트 500 g 을 사용하였으며 , 예상되는 폭발압력을 산정
하기 위하여 ConWEP 을 이용하여 콘크리트 슬래브 구조물
에 각 폭발물을 1.5 m 떨어진 이격거리 (standoff) 에서 폭발
하는 경우에 대한 최대반사 압력과 충격량의 시간이력을 그림 7 과 같이 나타내었다 . 예비실험의 경우 TNT 폭약량의 증가에 따른 최대압력은 3 배 이상이 증가함을 확인할 수 있 었다 ( 그림 7(a), (b)). 이때의 이격거리 1.5 m 와 TNT 35 lbs
는 Razaqpur et al .(2007) 의 실험에서 발생된 폭발압력하중
과 유사한 압력하중을 모사할 수 있도록 현장실험조건에 적 합한 이격거리 및 폭약량이 선정되었으며 , 모의해석을 수행
하여 게이지의 계측 범위 적합성을 고려하여 그 유효성을 판단하였다 . 또한 그림 7(c) 에서 보는 것과 같이 , ANFO
35 lbs 의 경우는 TNT 등가환산하중으로 변환하면 TNT 28.7
lbs 의 폭약량과 동일하므로 , TNT 35 lbs 에 비하여 상대적으로 적은 최대압력하중 및 충격량이 발생하는 것을 ConWEP 을 통해 확인 하였다 (ASCE 1999; Krauthammer, 2007).
4. 폭파시험 계측 시스템
4.1 계측 개요
대기 중 폭발입사압력 (free field incident pressure) 은 그림 8
에서 보는 것과 같이 5 m 거리에서 측정하였으며 , 1.0
m×1.0 m×150 mm 의 콘크리트 시편에 받아들여지는 반사압
력은 콘크리트 시편의 중앙부와 중앙부에서 230 mm( 중앙에 서 대각선 길이의 1/3 지점 ) 떨어진 위치에서 측정하였다 . 철
근의 변형률을 측정하기 위해 그림 9(a) 와 같이 5 mm 의 변
형률 게이지를 양단 철근의 인장부에 총 4 개 부착하였으며
60 mm 의 변형률 게이지를 콘크리트의 상하부면 각각에 중
앙 , 100 mm, 230 mm 의 위치에 부착하였다 ( 그림 9(b)).
또한 폭발하중을 받는 콘크리트 시편의 거동의 처짐을 측
정하기 위해 중앙부에 거동을 측정할 수 있는 LVDT 와 중
앙부와 230 mm 지점에 잔류변위 (residual displacement) 를
측정할 수 있는 LVDT 를 배치하였다 .
추가적으로 콘크리트시편의 단부부분에서 처짐을 측정함으 로써 단부에서의 처짐이 발생하였을 경우 시험조건을 균일
화시키기 위한 목적으로 LVDT 를 장착하였다 . 또한 콘크리
트 시편 하부면에 가속도 게이지를 부착함으로써 충격가속 도 및 충격하중을 받는 콘크리트 시편의 거동을 살펴보도록 하였다 . 그림 10 은 실험에 사용된 장비들이며 data acquisition
으로는 Dewetron 사의 Dewe 2010 과 Dewe 5000 을 통해 그림 6. 실험에 사용된 폭발물
그림 7. ConWEP 을 통한 폭발압력하중의 시간이력
그림 8. 폭발압력 측정 위치
data 를 수집하였으며 , 초고속 카메라는 1 초에 5,000~6,800 frame 으로 측정하였다 .
4.2 계측시스템
앞서 언급한 것과 같이 폭발하중 및 충격하중은 짧은 시 간 내에 큰 하중이 작용하기 때문에 구조물의 거동을 파악 하기 위해서는 그에 해당되는 적절한 센서 및 동적측정장비 가 필요하다 .
그림 11 은 본 연구에서 사용된 계측센서 및 장비로 구성 된 계측시스템을 구성도 (Block Diagram) 로 나타낸 것이다 .
그림 11 에서 명시한 것과 같이 각 계측센서는 실험장소에서
Field Receiver Junction Box 을 통해서 신호를 받아 약
200 m 떨어진 계측장소까지 안전하게 데이터를 수신하게 된
다 . Filter 와 Amplifier 로 구성된 Signal Conditioner 단계를 거쳐 DAQ(Data Aquisition) System 을 통해 아날로그 신호 를 디지털화 시켜 LabView 기반의 FlexPro 6.0 와 같은 프로 그램에서 신호처리하게 된다 .
가속도 게이지는 그림 12(a) 와 같이 PCB 350B03 으로 가
속도를 측정하였다 . 폭발하중의 경우 고주파가 발생하므로
piezoelectric 형식의 가속도게이지를 선택하였으며 , 이는 지속
적인 힘이 가해지는 경우에는 반응하지 않다가 변형이 발생 하는 순간에만 전하량을 발생시켜 측정하는 특성을 가지고 있다 . 가속도 게이지는 시편 하부면에 부착을 하며 , 콘크리 트 하부면과 평행하도록 부착 하였다 .
콘크리트 구조물 시편이 받는 폭발압력을 측정하기 위해
시편과 같은 면에 0.145 mV/kPa 의 높은 민감도의 PCB-
111A22 압력게이지를 사용하였으며 , 이는 최대 103.4 MPa
그림 9. 계측센서의 위치
그림 10. 실험장비
그림 11. 계측시스템의 구성도 (Block Diagram)
의 압력을 측정할 수 있다 . 본 연구에서는 높은 압력과 충
격에 견딜 수 있도록 그림 12(c) 와 같은 형태의 홀더를 제
작하였다 . 그러나 이와 같이 큰 형태의 홀더는 예비실험과
같이 TNT 폭약을 사용하게 될 경우 , TNT 폭약의 철제외피
및 폭발압력으로 인하여 홀더자체에 큰 충격이 가해지며 , 더 불어 압력게이지에도 큰 손상이 발생할 가능성이 있다 .
그러므로 그림 12(d) 와 같이 개선하여 콘크리트 표면과 일
정한 레벨을 유지할 수 있는 압력게이지 지그를 제작하여 폭발하중에 대한 저항성을 줄였다 . 더불어 압력게이지 위에
vacuum grease 를 발라줌으로써 효율적인 열전달이 이뤄지도
록 하였으며 , 압력게이지의 방향이 폭발하중의 normal 방향 에 맞도록 정확한 각도를 유지하도록 하였다 . 더불어 free field 압력게이지는 14.5 mV/kPa 의 민감도를 가지며 , 최대
6.895 MPa 의 압력을 측정할 수 있다 .
구조물의 처짐은 크게 앞서 설명한 것과 같이 구조물의 거동과 잔류처짐을 측정한다 . 구조물의 거동을 측정하기 위 해 unspringed 방식의 ±1.0 in LVDT 를 이용하여 그림 12(e)
에서 보는 것과 같이 콘크리트 시편 하부면에 고정시킨
steel plate 와 LVDT 를 연결하여 콘크리트 시편의 거동을 측
정하였다 . 이때의 steel plate 는 폭발하중에 의한 변형이 발
생하지 않도록 한다 . 잔류변형은 spring 방식으로 ±2.0 in LVDT 를 사용하였으며 , 구조물의 거동에 의한 변형보다
LVDT 자체의 스프링으로 인한 탄성거동이 발생하게 되므로 ,
폭발하중으로 인한 콘크리트 구조물의 잔류변형을 측정할 시 에 더욱 유리하다고 판단된다 .
본 연구에서 사용한 동적측정장비로는 Dewe 2010 과 Dewe 5000 으로써 50~500 kHz 의 상당히 높은 sampling
rate 을 가지고 있는 측정장비를 사용하였다 . 이는 토목계측에
서 주로 사용되는 TDS-303, TDS-602 과 같은 정적측정장비
의 경우 5~50 Hz 의 샘플링 속도로 측정되며 , 일반적인 토목
분야 동적측정장비의 경우에는 3~10 kHz 의 비교적 낮은 샘 플링 속도를 가지고 있으므로 , 폭발하중과 같이 빠른 속도의 하중이 작용하는 경우 그림 13 과 같이 실제의 거동과는 다 르게 왜곡되어 측정할 수 있는 것이다 . 이와 같이 낮은 샘
플링 속도로 인해 발생하는 현상을 엘리어싱 (Aliasing) 현상
이라고 하며 이는 실제적으로 연속적인 거동을 불연속적인 계측신호를 통해 받아들이기 때문에 발생되는 현상이며 , 샘 플링속도가 빠를 수 록 , 실제 거동과 가까운 데이터를 수집 할 수 있게 되는 것이다 (Figliola et al ., 2005).
특히 , 본 연구에서 수행한 폭발하중과 같이 비반복적이고
one shot event 인 경우는 원신호를 측정하기 위해 무한대의
샘플링을 수행해야 하나 , 실질적으로 불가능하므로 , 본 연구 에서는 폭발하중에 의한 거동측정을 위해 최소한의 정보손 실을 방지하기 위해 최대 주파수의 10 배 이상의 높은 샘플 링 속도로 계측을 수행하였다 .
압력게이지 , LVDT, 가속도 게이지의 경우에는 500 kHz 의
high sample rate grouping 으로 , 철근과 콘크리트 변형률의 경우에는 50 kHz 의 low sample rate grouping 으로 , 모든센
서에 대하여 over- 샘플링 속도로 계측하였다 . 이는 빠른 속
도로 작용하는 폭발하중의 특성으로 인해 구조물 거동의 원 신호에 대한 손실을 최소화하기 위한 샘플링을 수행한 것이
다 . 본 연구에서 원하는 신호만을 얻기 위하여 각 sample
rate group 에 cutoff frequency 가 100 kHz, 10 kHz 인 4 차의
Butterworth low pass analog filter 를 각각 구성하여 계측 신호에서 발생할 수 있는 노이즈들을 제거하였다 .
5. 폭파시험 수행절차
앞서 구축된 계측시스템을 바탕으로 폭파시험의 수행절차 를 정립해보면 그림 14 와 같이 정리할 수 있다 . 시험에 앞
서 시편에 압력게이지홀더와 콘크리트 시편의 거동을 측정
할 수 있도록 LVDT 와 시편을 연결해주는 steel plate 등을
미리 설치하여 콘크리트 시편 지지구조물에 시편을 거치하 였을 때 지지구조물 안에서의 작업을 단순화 시켜 작업의 효율성을 높이도록 한다 .
실험을 수행하고자 하는 콘크리트 시편을 시편 지지구조물
에 옮길 때에는 시편 중앙의 LVDT-behavior 와 시편에 장착
한 steel plate 의 연결부위가 일치하도록 시편을 거치해야 한
다 . 측정 게이지들을 모두 연결한 다음 100 m 떨어진 계측
그림 12. 실험에 사용된 게이지 및 구성장비
그림 13. 엘리어싱 (Aliasing) 현상
지점에서 신호들이 정상적으로 받아지는 여부를 판단한다 .
제작한 clamp 와 충격방지용 고무패드 , 강재 angle 을 이용하
여 시편을 고정시킨다 .
폭발물은 그림 15(a) 와 같이 제작한 각목에 1.5 m 떨어진
위치에 고정시켜 대기 중 자유폭발을 유도한다 . 각목을 사용 함으로써 폭파와 함께 콘크리트 시편 및 압력게이지에 가해 질 수 있는 파편효과 등의 발생을 최소화하였다 . 뇌관을 삽 입한 보조장약을 폭발물 중앙에 설치하여 완폭을 유도하였 다 . 폭발압력하중은 바람의 속도 , 온도 , 습도 등에 환경적 조건에 크게 영향을 받으므로 이들을 체크해야 하며 , 고열 및 굉음과 함께 터지므로 폭압의 영향이 없는 곳으로 대피 하여 실험을 수행하게 된다 .
폭발된 후에는 현장 및 시그널 획득 상태를 판단한 뒤 실 험을 준비한 것과 반대순서 절차를 밟아 시편 하부면의 게이 지 등을 제거한다 . 이 때 게이지의 최종 연결 상태를 확인하 여 신호획득의 신빙성 여부를 판단하도록 한다 . 그런 다음 시 편을 안전한 곳으로 옮겨 시편의 파괴 상태를 판단한다 . 그림
15(b) 와 같이 시편 하부의 경우는 별도로 제작한 아크릴 그리
드를 이용하여 시편의 손상여부를 판단하도록 한다 .
6. 결 론
폭발압력하중을 받는 콘크리트 구조물에 미치는 영향 및 방호성능을 평가하기 위해 국내 민간에서 최초로 국방과학 연구소에서 폭파시험을 수행하였으며 , 본 연구를 통해 얻어 진 결론은 다음과 같다 .
1. 폭발압력하중이 가해진 철근 콘크리트 슬래브 구조물의 거 동을 분석하기 위하여 시편 지지구조물을 제작하여 지면 과 시편을 동일한 높이로 만듦으로써 , 슬래브구조물의 상 부면에만 폭발압력하중을 받도록 일정한 시험조건을 일정 하게 유지하였다 . 더불어 폭발물 지지대를 제작하여 폭발
물이 시편 상부의 1.5 m 위에서 대기 중 자유폭발을 묘사
하였다 .
2. 본 연구에서 수행한 폭파시험은 예비실험과 본실험으로 나 눠 수행하였다 . 예비실험에서는 TNT 를 폭발물로 사용하
였으나 , TNT 의 철제 폭탄외피로 인해 시편에서 받아들여
지는 폭발압력하중을 측정의 어려움이 있어 성형가능한
ANFO 를 사용하여 압력하중을 측정하였다 .
3. 폭발하중은 매우 빠른 시간 내에 구조물에 큰 압력으로 작용하는 하중이므로 , 일반적으로 사용하는 정적계측시스 템보다 고성능의 계측시스템이 필요하다 . 그러므로 본 연 구에서는 폭발하중의 동적특성에 맞춰 콘크리트 구조물의 거동을 측정할 수 있는 게이지와 게이지를 고정할 수 있 는 홀더를 제작하였으며 , 동적측정장비로는 Dewe 2010, Dewe 5000 을 사용하였다 . 압력 , 가속도 , 처짐은 500
kHz, 변형률 게이지의 경우는 50 kHz 의 높은 샘플링 속
도로 계측하여 10 kHz 의 아날로그 필터를 이용하여 시편
그림 14. 폭파시험 수행 절차
그림 15. 폭발물 지지대 및 아크릴 그리드
의 거동을 분석할 수 있는 계측시스템을 구성하였다 . 4. 본 연구에서 제안된 계측시스템을 바탕으로 구성된 폭파
시험수행절차를 통해 폭발하중을 받는 구조물의 효과적인 거동계측 및 분석을 이루어졌으며 , 구축된 계측시스템 및 폭파실험 수행절차는 향후 관련분야 연구의 기초자료가 될 것이라고 판단된다 .
감사의 글
이 논문은 현대건설 ( 주 ) 와 한국학술진흥재단 ( 과제번호
D00792) 의 재정적인 지원을 통해 이뤄졌으며 , 국방과학연구
소의 김윤겸박사님의 기술 지원에 감사의 뜻을 전합니다 .
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