1. 서 론
폭발은 근원이 되는 물질의 종류와 형태, 점화 위치, 폭발파가 퍼져나가는 공간의 기하학적 특성 등에 따라 다양한 형태의 압력파가 발생되어 발산하게 된다. 최근 조선해양 산업에서는 고도의 기술력을 바탕으로 해양구조물의 기능 수행을 위한 설계 및 제작에 있어서는 기술적 문제가 적지만, 가동 환경에서 운용 중 발생할 수 있는 하중 요소들에 의한 파손이나 구조적 거동을 평가하기 위한 기술개발은 아직 미흡한 실정이다. 특히 폭발과 같은 사고 하중의 경우 원인이 되는 물질이나 환경 등에 따라 규모에 차이가 있으므로 사고 발생 후, 그 영향을 정확히 예측하는데 한계가 있다. 2010년 멕시코만에서 발생한 딥워터호라이즌호 사고는 심해 유정 내부에서 고압의 메탄가스의 급격한 분출로 인해 일어난 폭발사고로, 폭발사고에 의한 구조물 손상과 관련된 피해뿐만 아니라, 사고 후 유출된 원유로 인해 해양 생태계에 치명적인 피해를 입혔으며, 복구비용으로 천문학적인 액수가 투입되었다(Norazahar, 2014). 이 사고 이후, 해양구조물 발주처의 안전에 대한 관심도가 더욱 높아졌으며 근래에 제작되는 해양구조물의 경우 폭발하중에 대한 구조물의 건전성 평가가 필수적으로 요구되어 진다. 특히 가스 생산용 해양 구조물의 경우 연쇄 폭발로 이어질 수 있는 인화성 물질들을 다량 함유하고 있기 때문에 훨씬 더 위험한 상황이 연출될 수 있다. 이러한 폭발사고를 예방하는 방법에는 사고 발생 전과 후로 나누어, 폭발원인이 되는 요소를 원천 봉쇄하거나, 사고가 발생 한 후 그 피해를 최소화하는 방법이 있다. 하지만, 작업 공정에서 항상 폭발 위험성을 포함하고 있는 가스 생산용 해양구조물의 경우 폭발원인이 되는 요소들을 원천 봉쇄할 수는 없는 실정이므로 사고 발생 시, 그 피해를 최소화하는 것이 가장 바람직한 방법이라 할 수 있다. 이를 위해서는 폭발현상에 대한 체계적인 분석과 이러한 폭발하중이 구조 시스템에 어떤 영향을 미치는지에 대한 분석이 반드시 필요하다. 폭발하중 이력 획득을 위해서는 실제 상황들을 반영하여 실험을 통해 얻는 것이 가장 정확한 방법이라 할 수 있지만 폭발실험의 경우 비용 및 안전성의 문제로 인해 수행하기 어렵기 때문에 수치 해석적 방법으로 폭발현상을 구현하고, 폭발영향 인자들을 고려하여 각각의 폭발 시나리오에 따른 하중 이력들을 도출하는 방법을 주로 사용하고 있다. 폭발 압의 이력 특성은 매우 짧은 시간 안에 발생한 후 소멸되며, 폭발파의 진행방향에 놓여 있는 구조부재의 기하학적 특징에 따라 폭발 압의 크기 및 작용시간 등이 달라진다. 따라서 이러한 특성들을 반영하여 다양한 폭발환경을 조성하고 이를 고려한 시리즈 해석이 필요하다(Guowei, 2014). 폭발환경을 고려한 폭발해석과 이를 유한요소해석을 통한 구조부재들의 거동 평가에 관한 연구는 꾸준히 수행되어 왔다(Dobashi, 2011; Kwang, 2008; Lee, 2007). 이들은 폭발파의 진전과 최대 압력의 크기를 예측하고 이를 분석하거나, 폭발하중 이력을 유한요소해석 시 하중조건으로 적용하여 구조 부재의 응답 특성을 평가하는 방법에 대한 연구들이다. 하지만 폭발해석 시 고려된 시나리오가 적고, 대상물의 기하학적 형상이 제대로 반영되지 않았으므로 도출된 폭발하중 이력에 대한 신뢰도가 낮으며 이러한 하중조건을 적용하여 분석한 폭발하중 대비 구조응답 특성 또한 구조 건전성을 평가하기 위한 자료로 사용하기에는 한계가 있다. 해석 시나리오에 대한 영향은 부 압력단계의 존재로 평가할 수도 있는데, 기 수행된 연구들에서는 폭발하중이 구조 거동에 미치는 영향 중 부 압력 단계에 의한 영향은 거의 없다고 하였으나, 이는 Drag 형식의 하중만을 고려했거나 혹은 해석 시나리오의 부족으로 인해 도출된 폭발하중 이력에서 나타나지 않은 것으로 사료된다. 또한 폭발압력 산정에 주로 사용된 소프트웨어 중 ConWep의 경우 구조물의 형상특성이 반영되지 않는다. 이러한 부분들을 보완하기 위하여, 본 연구에서는 FLACS를 사용하여 대상 구조물의 세부적인 기하학 특성을 면밀히 반영하고 다양한 폭발환경 변수들을 고려하여 총 720가지의 폭발해석을 수행하였다. 또한 구조부재의 기하학적 특성에 따른 폭발 압 크기 및 부 압력 단계의 영향력을 분석하고 이를 반영한 부재들의 거동 특성을 평가하였다.
2. 가스 폭발환경 전산 모사
2.1 폭발해석 시나리오
Table 1
Scenarios for Gas explosion
폭발에 의해 생성되는 압력 파는 순식간에 공간으로 퍼져나가며, 진행방향에 높여 있는 장애물들에 의해 굴절 및 반사되어 전파된다(Jianmin, 2013). 따라서 다양한 형태의 폭발하중 이력이 존재할 수 있으며, 이러한 하중 특성을 분석하기 위해서는 폭발하중 환경을 고려한 폭발해석을 통해 폭발파의 하중이력을 획득하는 것이 필수적으로 요구된다. 일반적으로 폭발하중을 예측하기 위한 수치해석 과정 중 첫 번째는 가스누출로 인한 확산해석에 따른 폭발 시나리오를 작성하는 것이다. 이 때 고려되는 변수들의 정량적인 양에 따라 결과 값의 신뢰도에 큰 영향을 줄 수 있기 때문에 가능한 한 다양한 시나리오를 고려한 해석 및 결과 분석이 요구된다. 본 연구에서는 폭발 에너지를 나타내는 가스 구름의 부피, 점화 위치, 가스 구름의 위치 등에 따라 총 720가지의 폭발환경 해석 시나리오를 고려하였다. 본 연구에서 사용된 폭발가스의 크기는 가스 농도 상 한계(UFL)와 가스농도 하 한계(LFL)내에서 폭발 가능성이 있는 곳에 equivalent cloud을 배치하였으며, 점화 위치는 확률 기반 접근법에 따라 6가지 경우를 고려하여 equivalent cloud 안에서 점화가 일어나는 폭발 시나리오를 결정하였다(Olave, 2013). 점화위치 중 same as cloud position은 점화 위치가 가스 발생 위치와 동일한 경우를 의미한다. Table 1에 본 연구에서 수행한 폭발해석에서 고려된 모든 인자들을 나타낸다.
2.2 폭발파 측정 위한 전산 도구
본 연구에서 가스 폭발하중 이력을 획득하기 위해 사용한 FLACS의 경우 가연성 가스의 확산 및 폭발해석을 위한 전용 CFD 도구이며, 주로 해양 및 화학공정 관련 구조물의 위험성 평가도구로 사용되고 있다(Gexcon, 2009). 본 연구에서는 FPSO topside에서의 폭발 시나리오를 고려한 가스 확산 및 폭발해석을 수행하였다. Table 1에 제시한 시나리오에 따라 폭발파가 생성되며, 대상 구조물 내에서 사방으로 전파되어 계측되게 된다. 이때 모듈 내에 등 간격으로 분포된 공극의 점을 투과하면서 압력파의 하중이력이 계측되게 되는데, 전파방향에 놓여있는 구조물들에 의해 반사된 압력파와 진로 방향 그대로 투과하게 되는 압력파 등 다양한 형태의 폭발파가 계측되게 된다. 또한 blast wall과 deck의 경우 Fig. 1에 나타낸 것과 같이 일정 간격으로 패널을 분포하여 각 패널에서 계측된 압력파의 초과압력 또한 계측하였다.
2.3 폭발해석 결과
폭발하중의 규모는 폭발영향 변수들에 따라 상당한 차이를 나타낸다. 특히 가스 구름 부피의 경우 폭발규모에 직접적인 영향을 미치기 때문에 이에 대한 정량적/정성적 분석이 필수적으로 요구된다. Fig. 2는 가스 구름 부피에 따라 계측된 폭발파의 분포를 나타내는데 그림에서 나타낸 것처럼 가스 구름 부피가 커질수록 전체 모델에 작용하는 폭발반경이 더 크고 과도한 압력이 적용된다는 것을 알 수 있다. 또한, 가스 구름 부피가 큰 경우에는 폭발반경 내 기하학적 위치에 따라 작용하는 압력의 편차가 크지만 상대적으로 구름 부피가 작은 경우에는 폭발반경 내에 폭발 압이 고르게 분포한 것을 알 수 있다. 이를 통해 폭발하중을 부여 받는 대상 구조물의 기하학적 조건이나 하부 구조물들의 배치는 폭발에 의한 구조 손상에 직접적인 영향을 미칠 수 있으며, 이는 폭발규모가 클수록 더 큰 영향을 미치는 것으로 사료된다. Fig. 3은 기하학적 위치와 가스구름 부피에 따른 폭발 최대 압력의 정량적 결과를 나타낸다. 그림에 나타낸 것과 같이 blast wall, deck에 분포된 패널에서 계측된 폭발파의 최대 압력을 비교하였으며, 가스 구름 부피가 최대 압력 크기에 미치는 영향을 효과적으로 분석하기 위해 정규화된 최대 압력 값을 사용하였다. Fig. 3에서 알 수 있듯이 가스 구름 부피가 증가함에 따라 panel에서 계측된 최대 압력의 경우 지속적으로 상승하였으며 특정 가스 구름 부피(2479m3) 이상 인 경우에 상승폭이 더 증가하는 것이 관측되었다. 하지만 drag pressure의 경우 가스 구름 부피와 최대 압력 크기의 관계가 panel pressure와 유사한 경향이 나타나지 않았는데, drag pressure은 deck위의 기둥 형상의 지지대나, 수직 형 압력용기와 같이 폭발파가 작용하는 단면이 상대적으로 작은 부재들 주위에서 계측된 압력으로서, 폭발파가 작용하는 단면적이 작기 때문에 폭발원의 규모가 증가하더라도 대상 부재에 작용하는 폭발파는 상대적으로 단면의 영향을 덜 받게 되기 때문에 이러한 경향이 나타난 것으로 사료된다(Bjerketvedt, 1997). 또한 topside module의 deck의 경우 격자 구조 형태로 폭발파가 분산되기 용이하나, blastwall의 경우 사방으로 퍼져나가는 폭발파의 진행경로를 직접적으로 차단하기 때문에 폭발하중의 영향을 상대적으로 많이 받으며, 이러한 결과로 최대 압력 또한 더 큰 값이 측정되었다는 것을 알 수 있다. FPSO의 경우 일반적으로 폭발의 위험성이 적은 utility 모듈과 가스나 기름과 같은 폭발 위험성 물질을 적재하거나 처리하는 공정을 하는 process 모듈 사이에 방화벽을 설치한다(Nwankwo, 2013). 따라서 Fig. 3에 나타낸 것과 같이 상대적으로 인화성 물질을 다량 포함하고 있는 process 모듈 쪽에 설치된 blastwall에서 더 큰 압력이 계측된 것을 알 수 있다.
2.4 부 압력 단계의 영향
일반적으로 폭발하중 이력에서 부 압력 단계는 정 압력 단계의 최대 압력에 비해 그 크기가 작으므로 구조물 손상에 미치는 영향이 작다고 판단하여 폭발하중을 대비한 설계과정에서 고려되지 않는다(Jo, 2014). 하지만 본 연구에서 수행한 폭발해석을 통해 획득한 하중이력들을 분석해 본 결과 부 압력 단계의 최대 압력이 정 압력 단계에 비해 미미한 것은 맞지만 무시할 수 있을 정도의 미세한 정도의 크기는 아니라는 것을 알 수 있었다. Fig. 4는 가스 구름 부피에 따른 각 폭발 하중이력에서의 정 압력 단계의 최대 압력과 부 압력 단계에서의 최대 압력의 평균값의 분포를 나타낸다. 그림에서 알 수 있듯이 상대적으로 가스 구름 부피가 작은 경우에는 최대 부압이 최대 정압과 거의 유사한 크기로 계측되었다. 폭발규모가 커짐에 따라 최대 평균 정압의 경우 지속적으로 상승하고, 최대 평균 부압은 상승 폭이 적어 최대 평균 정압과의 격차가 점점 더 커졌지만, 가장 격차가 크게 난 5314m3의 가스 구름 부피에서도 최대 평균 정압의 1/4 이상의 크기의 평균부압이 계측되었다는 것을 알 수 있다. 또한, 일반적으로 부 압력 단계가 정 압력 단계에 비해 더 긴 지속시간을 가진다고 알려져 있다(Yang, 2013). 따라서, 폭발하중 이력에서 부 압력 단계에 의한 충격량이 더 큰 경우도 존재할 수 있으며, 이는 폭발하중에 의한 구조물의 응답에서 경우에 따라 부 압력 단계에 의한 대상물의 변형 및 손상 진전이 정 압력 단계 보다 더 지배적인 영향을 미칠 수도 있다는 것을 의미한다. 그러므로 가스 폭발에 의한 구조부재의 거동 평가 시 부 압력 단계를 반드시 고려해야만 하는 것으로 판단된다. 따라서 본 연구에서는 부 압력 단계를 포함한 하중 모델을 적용하였다.
3. 폭발하중 이력 특성에 따른 구조 거동 평가
3.1 폭발하중 적용 대상
본 연구에서는 폭발하중에 의한 구조부재의 거동 특성 경향을 분석하기 위해 실제 구조물에 적용이 가능하며, 빠른 해석 시간과 지배적인 변위거동에 대해 근사적인 분석이 용이한 이유로 구조적으로 단순화된 형상에 폭발하중을 적용하였다. Fig. 5에 나타낸 것과 같이 절점과 집중 질량으로 표현된 단 자유도 및 다 자유도계에 폭발하중 이력을 적용하였으며, 각각의 변위 응답 특성을 분석하였다. 이러한 방법은 해당 부재 변위 응답의 정량적 분석에서는 신뢰도가 낮을 수 있지만, 전체적인 변위 경향의 특성을 정성적으로 분석하는데 있어서는 유용하게 사용될 수 있다. 다 자유도 시스템의 경우 그림에서 나타낸 것과 같이 실제 방화벽의 FE모델을 이상화하여 사용하였다. 이러한 구조 시스템의 일반화된 운동방정식은 식 (1)과 같이 표현할 수 있다. 적용한 하중의 형태는 폭발하중에 의한 구조부재의 변위 거동을 정성적으로 평가하기 위해 주로 사용되는 삼각형 형태의 단순화 모델을 적용하였으며 앞 절에서 언급한 바와 같이 부 압력 단계를 포함하여 고려하였다(Fig. 6참조). 또한, 본 연구에서는 실제 해양플랜트 가동 환경에서 발생 가능한 진동 수 영역(1~50hz)을 고려하였으며, 단 자유도 시스템의 고유주기의 변화에 따라 동일한 폭발하중 이력에 의한 최대 변위 응답특성의 변화에 대한 분석을 수행하였다. Fig. 6은 감쇠를 고려한 경우와 고려하지 않은 경우의 변위 응답특성을 나타낸다. 감쇠 비는 조선용 강재로 주로 사용되는 steel의 경우 2%로 적용하였으며 감쇠를 고려하지 않은 경우와 비교하였다. Fig. 6에서 알 수 있듯이, 하중지속 시간과 고유주기가 비슷한 경우, 즉, 공진 영역에 가까워질수록 감쇠의 효과가 나타나긴 하지만 그 이외의 구간에서는 감쇠 효과가 거의 나타나지 않는다는 것을 알 수 있다. 이는 폭발하중의 매우 짧은 지속시간에 의해 소산되는 에너지가 작기 때문이다(Chopra, 2007). 따라서 본 연구에서는 폭발하중에 의한 동적응답 거동 평가에서 감쇠의 영향이 미미하다고 판단하여 무 감쇠 단 자유도 시스템을 해석 대상으로 삼았다. 무 감쇠 단 자유도 시스템의 운동방정식은 식 (2)와 같은 식으로 나타낼 수 있다.
3.2 모드해석
구조부재의 경우 형상, 재질 및 구속조건 등에 따라 고유한 진동 및 변형 특성을 나타낸다. 이는 외부 가진력을 받지 않은 상태에서 그 구조부재가 가지는 본질적인 특성을 의미한다. 따라서 모드해석을 고유치 해석이라고도 하며, 일반적으로 모드해석이라 하면 구조물이 갖고 있는 고유진동수와 각 고유 진동수에서의 변형 형상을 파악하여 구조물의 공진 여부와 진동에 의한 변형 형상을 예측하는 해석을 의미한다(Wang, 2008). 고유모드란 부재가 주어진 조건에서 부재 성질에 따라 변형될 수 있는 형상을 의미하고, 고유진동수란 이 고유모드가 단위 시간 당 얼마나 빨리 반복되는가의 정도를 나타낸다. 만약 구조부재의 고유 주기와 작용하는 하중의 지속시간이 일치하게 되면 해당 부재에 공진이 발생하게 되어 파손의 위험이 높아지게 된다. 따라서 공진 회피 설계는 구조 건전성을 확보하기 위해 필수적으로 고려되는 항목이며, 공진 회피를 위해 질량이나 강성 값 등을 조절하여 설계를 변경한다. 본 연구에서는 고유 진동수를 찾고 해당 모드에서 폭발하중에 의한 구조 시스템의 응답을 분석하기 위해 모드해석을 수행하였다. 다 자유도 시스템의 경우 집중 질량으로 표현된 절점의 수에 따라 모드 수가 결정되는데 wall과 같이 구조물의 동적응답이 단순한 형태에서는 1차 모드를 포함한 저차 모드들이 더 중요하게 고려된다. 이러한 요인으로 본 연구에서도 구조물의 주 모드인 1차 모드를 고려하여 다 자유도 시스템의 변위 응답을 분석하였다.
3.3 재하속도의 영향
폭발하중은 매우 짧은 시간 안에 최대 압력까지 도달하게 되는데, 이때 구조부재의 변형은 하중 지속시간과 최대 하중의 영향을 받게 된다. 폭발하중 이력에서 재하속도가 크다는 것은 동일한 시간대에서 더 높은 압력까지 상승하거나 동일한 압력 수준까지 더 빠른 시간 내에 도달한다는 것을 의미하므로 구조부재의 동적응답에 직접적인 영향을 미친다고 할 수 있다. 따라서 재하속도에 따른 구조부재의 응답 평가가 필수적으로 요구되므로, 본 연구에서는 최대 하중의 크기가 동일하고 재하속도가 다른 세 가지 형태의 하중 모델에 대한 변위 응답특성을 분석하였다. Fig. 7에 표시되어 있는 Rm은 단 자유도 시스템에서 부재의 최대저항력을 나타내며 폭발하중에 대한 구조물의 동적응답이 최대 변위에 도달할 때 까지 일정한 값을 유지한다(Fig. 7참조). 그림에서 알 수 있듯이 최대 하중과 최대 저항력의 비(F/Rm)가 1 이상인 경우 비선형 영역에서 변위 또한 더 많이 발생한다는 것을 알 수 있다. 또한 전체 시간 영역에서 단 자유도 시스템의 최대 응답은 재하속도의 영향을 상당히 받는다는 것을 알 수 있다.
Figure 8
Maximum response for SDOF system considering the different types of triangular pressure model
Fig. 8에 나타낸 것과 같이 재하속도(Tr)는 최대 압력에 도달하는데 걸리는 시간을 의미하며, 전체 하중 지속 시간(Td)과 재하속도의 비(Tr)가 0, 0.5, 1의 세 가지 형태로 구분하여 구조해석의 하중조건으로 적용하였다. 또한 폭발하중과 같은 동적하중에 의한 구조물의 응답의 경우 하중 지속시간과 구조물의 고유 주기의 비에 따라 준정적, 동적, 충격영역으로 구분되는데, 본 연구에서는 동적 영역을 나타내는 범위(0.1<Td/Tn<10)를 고려하였다. 재하속도가 가장 빠른 Fig. 8(c)(Tr/Td=0)의 경우 전체 시간 영역에서 가장 큰 변위를 일으켰으며, 재하속도가 감소함에 따라 최대변위 또한 점차 감소하였다. 또한 재하속도가 빠른 경우에는 Td/Tn값이 증가함에 따라 변위 또한 지속적으로 상승하는 경향을 나타냈으나 나머지 두 경우에는 일정 구간 이후에는 수렴하거나 최대 변위가 증/감을 반복하는 형태의 특성을 나타냈다. Fig. 9는 정 압력단계를 고정한 상태에서 부 압력 단계의 재하속도를 조정한 결과를 나타낸다. 부 압력 단계에서 압력이 급격하게 상승하는 경우 일부 구간을 제외한 대부분의 정규화된 시간 영역에서 최대변위 응답이 상대적으로 감소했다는 것을 알 수 있다. 이는 부 압력 단계의 급격한 상승은 정 압력 단계에 의한 초기 변형 발생 후 변형 지속성을 더욱 둔화시키기 때문에 나타난 결과로 사료된다. 본 해석 결과로부터 재하속도가 구조물의 동적응답에 미치는 영향은 각 구간별(정압/부압)로 다르며, 이는 폭발하중 모델에서 중요한 변수로 작용할 수 있을 것으로 판단된다.
3.4 단 자유도 시스템 응답 분석
앞 절에서 최대 저항력 대비 정 압력 단계의 최대 압력이 커짐에 따라 단 자유도 시스템의 최대 응답 또한 더 커지는 것을 확인하였다. 본 절에서는 부 압력 단계의 최대 압력 크기에 따른 단 자유도 시스템의 최대 변위 응답특성에 관한 분석을 수행하였다. Fig. 10은 최대 부압을 정압의 0.25, 0.5, 1배의 크기로 조정한 것과 전체 하중이력에서 정 압력 단계만 반영한 것, 총 4가지 하중 조건에 대한 최대 변위 응답 특성을 비교한 경우이다. 그림에서 알 수 있듯이, 하중 지속시간과 고유주기 비의 값에 따른 최대 응답 변위 분포가 그림에서 분활한 Ⅰ, Ⅱ, Ⅲ에서 서로 다른 경향이 나타났다는 것을 알 수 있다. Ⅰ영역에서는 정압구간만을 고려한 경우가 가장 큰 변위가 발생하였으나 Ⅱ구간에서 Ⅲ구간으로 갈수록 나머지 경우와 변위 차의 폭이 점점 줄어들어 Ⅲ구간에서는 최대 응답 변위가 가장 작은 것을 알 수 있다. 각 구간에서 최대 부압이 가장 큰 경우, Ⅰ영역에서는 가장 작은 변위가 발생하였으나 지속시간과 고유주기 비의 값이 1에 가까워짐에 따라 점점 최대 변위가 증가하였다. 이러한 결과를 바탕으로 폭발하중에 의한 구조 부재의 변위 양상은 폭발하중 이력의 지속시간과 해당 구조물의 고유진동수의 비에 따라 서로 다른 영향으로 작용할 수 있다는 것을 알 수 있다. 따라서 폭발사고 영향력을 받을 수 있는 구조부재에 대한 방폭 설계 시, 시나리오별 발생 가능한 폭발파의 하중 지속 시간과 대상 부재의 고유 주기를 파악하여 이들 사이의 관계에 따른 동적응답 특성에 대한 분석이 세부적으로 필요하다.
3.5 다 자유도 시스템 응답 분석
본 연구에서 분석 대상으로 삼은 다 자유도 모델의 각 절점의 집중 질량들은 한 방향 혹은 다른 방향으로 움직일 수 있다. 예를 들어 모든 질량은 동시에 같은 방향으로 움직이거나(저차 진동 모드), 혹은 어떤 질량들이 왼쪽으로 움직이는 동안 다른 질량들은 오른쪽으로 움직일 수도 있다(고차 진동 모드). 다 자유도 시스템으로 이상화된 시스템은 집중질량으로 표현된 절점의 수와 같은 숫자만큼의 고유모드를 가지며, 각 모드에서는 질량들의 처짐을 연결한 선으로 형성된 모드 형상과 그에 대응하는 고유모드 주기를 가지게 된다. Fig. 11에 나타낸 것은 가장 변형이 크게 발생하는 node 4(Fig. 5참조)의 최대 변위 응답분석 결과이다. 각 응답 결과에 따른 적용 하중조건은 결과 그래프 왼쪽 상단에 도시하였다. Fig. 11(a)에 나타낸 것과 같이 정 압력 단계의 최대 압력을 각각 1, 1.5, 2.0배로 다르게 하였을 때, 최대 응답 또한 비례하여 증가하였음을 알 수 있다. 하지만 부 압력 단계의 최대 압력 및 최대 하중을 각각 도시한 바와 같이 조정하여 적용했을 때, 최대 응답은 Td/Tn의 값에 따라 서로 다른 경향이 나타났다. 즉, 폭발하중에 의한 구조 부재의 응답의 경우 하중 지속시간과 고유주기 비의 값에 영향을 받으며, 이는 방폭 설계 대상물에 따라 부 압력 단계의 영향력이 서로 다르다는 것을 의미한다. 특히 부 압력 단계의 지속시간의 경우 전체 폭발하중 이력의 지속시간을 결정짓게 되므로 동적응답 특성에 직접적으로 영향을 미치는 인자라 할 수 있다.
4. 결 론
본 연구에서는 가스 폭발에 의한 구조부재의 거동특성을 분석하기 위해 FLACS를 이용하여 폭발해석을 수행하고, 이를 통해 획득한 폭발하중 이력 특성을 분석하였다. 그 결과 가스 폭발하중 이력 중 부 압력단계가 상당부분 포함되어 있다는 것을 확인하였으며, 기하학적 특성과 폭발영향 인자에 따른 정/부 압력 단계의 최대 하중에 대한 분석을 수행하였다. 또한 이러한 하중이력을 결정짓는 재하속도, 최대 부압 및 최대 정압의 비를 조정하여 단 자유도계 및 다 자유도계의 집중 질량으로 표현된 유한요소 모델에 적용한 후 지배적인 거동 특성에 대한 분석을 수행하였다. 재하속도의 경우, 구조 부재의 변위 응답에 직접적인 영향을 미치는데, 정 압력 단계에서는 재하속도가 클수록 최대 변위가 더 높게 측정되었다. 또한 동적영역을 나타내는 구간(0.1<Td/Tn<10)에서는 최대 저항력에 비해 최대 압력이 더 작은 경우에도 Td/Tn의 특정 값 이후로도 최대 변위가 크게 증가하는 경향을 보였다. 하지만 부 압력 단계에서의 재하속도 효과는 정 압력 단계의 재하속도 차이에 의한 부재의 변형 응답 특성과 대조적으로 나타났다. 이와 같이 본 연구에서 수행한 폭발하중 이력 특성에 따른 구조부재의 지배적인 거동 특성 분석을 통해 각 구간 별 최대 압력 및 하중 지속시간과 대상 물의 고유주기와의 관계에 따라 구조 변형 및 손상에 미치는 영향이 다르게 나타날 수 있다는 것을 알 수 있었다. 특히, 부 압력 단계의 크기 및 하중 지속시간 조정에 따른 변위응답 특성을 분석해 본 결과 부 압력의 하중이 증가함에 따라 Td/Tn이 1에 가까울수록 구조 부재의 최대 변위 또한 증가하였고, 하중 지속시간의 경우도 지속시간이 증가함에 따라 구조물의 최대 변위가 증가는 경향을 보였다. 이는 폭발하중의 총 하중 및 지속시간이 구조 부재의 거동에 미치는 큰 영향이 크다는 것을 의미한다. 따라서 폭발하중 지속시간에 대한 분석과 구조부재의 고유주기와의 상관관계에 따른 세밀한 분석이 추후 요구된다.
