Protective Facility ISSN:3058-7816(Print) 3058-8618(Online) 방호시설

최근 수소 에너지가 친환경 에너지원으로 주목받으며, 대규모 저장시설의 필요성이 증가하고 있다. 특히, 지하 수소저장시설은 외부 충격에 대한 안전성이 높으나, 폭발 발생 시 지반 및 주변 구조물에 미치는 영향에 대한 연구는 부족한 실정이다. 본 연구에서는 비선형 유한요소해석(FEA) 기법을 활용하여 지하 수소저장시설 폭발 시 지반의 동적 거동을 해석하고, Coupled Eulerian-Lagrangian(CEL) 및 Mohr-Coulomb 모델을 적용하여 폭발 하중에 따른 지반 변형과 진동 특성을 평가하였다. 또한, 수소 농도, 토피고, 지반 조건 등의 매개변수 변화를 분석하고, 이격거리별 최대 진동치 데이터베이스(DB)를 구축하였다. 인공지능(AI) 기반 심층 신경망(DNN) 모델을 개발하여 지반 진동을 예측하고, 데이터 증폭 및 이상치 제거 기법을 적용하여 모델 성능을 최적화하였다. 그 결과, 데이터 증폭 배수가 증가할수록 학습 및 검증 손실이 감소하였으며, 특히 100배 증폭된 데이터셋에서 가장 낮은 테스트 손실과 평균제곱오차(MSE)를 기록하였다. 본 연구는 지하 수소저장시설 폭발로 인한 지반 진동을 정량적으로 예측하는 데 기여할 것으로 기대된다.

본 연구는 철근콘크리트(RC) 기둥에 대한 폭발 하중 작용 시 지반-구조 상호작용의 영향을 정량적으로 평가하기 위해 지반을 포함 유한요소해석 모델을 개발하고, 지반 유무에 따른 구조 응답 특성을 비교 분석하였다. 폭발 하중은 Coupled LBE–ALE 기법을 통해 구현하였으며, 콘크리트와 철근 재료는 각각 K&C 모델(MAT_072)과 PLASTIC_KINEMATIC 모델(MAT_003)을 적용하여 동적 특성을 반영하였다. 해석 결과, 지반이 모델링된 경우 기둥의 횡방향 최대 변위는 약 64.9 % 증가하였으며, 연성도 또한 증가하여 구조 응답이 증가함을 확인하였다. 특히, 지반 존재 여부에 따라 기초 하부 및 기둥 상부의 변위 분포와 하중 전달 특성이 상이하게 나타났으며, 이는 지반이 단순한 지지 조건이 아닌 동적 하중 전달 및 반사 경로에 실질적인 영향을 미치는 변수임을 시사한다. 본 연구는 폭발 저항 성능 평가 시 지반-구조 상호작용 고려의 중요성을 제시하며, 향후 지반 특성에 따른 보정계수 제안 및 성능 기반 보강 설계의 기초 자료로 활용될 수 있다.

산업 시설물에서 주요하게 고려되는 증기운 폭발을 중심으로 다양한 폭발 유형 및 폭발하중 산정 방법을 고찰하고 기존의 내폭설계 가이드라인을 구조물 관점과 구획 관점으로 분류하여 구성요소 및 적용성을 체계적으로 검토하였다. 또한, 다양한 연구진이 제안한 성능기반 내폭설계에 대해서 산업 시설물에 적합한 내폭등급, 성능수준, 설계폭발하중의 정의 및 허용응답 기준을 국내 실정에 맞게 정립하였다. 본 연구는 산업 시설물의 구조 안전성 확보를 위한 내폭설계 체계 수립에 기초 자료로 활용될 수 있으며, 향후 국내 설계기준 제정에 실질적인 기여를 할 수 있을 것으로 기대된다.

수소충전소의 보급 확대와 함께 고압용기 폭발로 인한 안전 문제가 부각되고 있으나, 현행 기준은 방호벽 설계에 대한 구체적 지침이 미흡하다. 본 연구는 방호벽의 폭발저항 성능과 압력 차단 효과를 분석하여 실무 적용 가능한 설계 기초자료를 제공하는 것을 목표로 한다. 이를 위해 TNT 등가량 기반으로 UFC 3-340-02에 따라 폭발하중을 산정하고, 기초 형상, 벽체 형상(경사형·평면형), 방호벽 높이에 따른 구조적 거동과 압력 전파 특성을 실험과 수치해석으로 검토하였다. 분석 결과, 고압용기 폭발 시 TNT 등가량은 약 51.26kg으로 산정되었으며, UFC 3-340-02 Chapter 2-14 적용이 실험값과 가장 유사한 반사압력을 제공하였다. 또한, 경사형 방호벽은 평면형 대비 반사압력을 효과적으로 저감하였고, 방호벽 후방 압력 전파 분석에서는 최소 5m 이상의 높이가 요구되었다. 그러나 구조적 안정성과 시공성을 고려할 때 이중 방호벽 설계가 보다 합리적인 대안으로 평가되었다.

본 연구는 내폭 설계 가이드라인에서 제시한 평균 이차모멘트 기반 유효강성이 내폭 성능을 과대평가할 수 있음을 검증하였다. OpenSees를 이용한 푸쉬오버 및 SDOF 해석 결과, 평균 유효강성은 정적해석에서 1.68배, 동적해석에서 최대 26.9 %의 응답 오차를 발생시켰다. 매개변수 분석 결과 철근비와 연성비 증가 시 오차는 감소했으나, 평균값 방식은 지속적으로 비보수적인 결과를 보였다. 따라서 평균값 기반 방식은 폭발해석 시 구조물의 손상 정도를 과소평가할 가능성이 높음을 확인하였다.

최근 빈번히 발생하는 대형 화재는 철근콘크리트 건축물의 구조 안전성과 화재 후 잔존 성능 확보의 중요성을 부각시키고 있다. 특히 휨과 전단이 복합적으로 작용하는 보 부재는 고온에 의한 재료 열화와 냉각 중 발생하는 미세 균열 등으로 인해 구조 응답이 비선형적으로 변화하므로 정량적 분석이 요구된다. 본 연구에서는 비선형 유한요소해석 프로그램인 ATENA를 활용하여, 화재 후 상온으로 냉각된 철근콘크리트 보의 구조 성능을 분석하였다. 해석 모델은 열전달 해석과 연계하여 구성되었으며, 주요 변수로 화재 노출 시간과 a/d(가력점과 지점 사이 거리를 단면 유효깊이로 나눈 값)를 설정하였다. 각 변수 변화에 따른 하중-변위 응답, 균열 양상, 강도 저감을 분석함으로써 화재 후 파괴 양상 전이를 규명하였다.