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

본 연구는 철근콘크리트(RC) 구조물의 방호(폭발·충격) 설계에서 핵심 입력인 정착 및 겹침이음 부착강도 예측의 불확실성을 저감하기 위해, ACI 408 실험 데이터베이스를 기반으로 ACI 408R-03 평균 부착강도 예측식을 대체·보완할 수 있는 데이터 구동형 AI 대체 모델을 구축하고 성능을 비교·검증하였다. 목표 출력은 부착파괴 시 철근이 전달하는 총 힘(T_exp = A_b·f_s)로 정의하였으며, 데이터 전처리 후 학습 80%, 시험 20% 분할과 5-fold 교차검증, Optuna 기반 하이퍼파라미터 최적화를 적용하였다. ANN, RF, GBR, XGBoost, DT, MLR 등 6개 회귀 알고리즘을 동일한 학습–검증 프로토콜로 비교한 결과, ANN과 부스팅 계열(GBR, XGBoost) 및 앙상블(RF) 모델이 예측–실험 산포에서 1:1 선 주변에 데이터가 상대적으로 밀집하는 높은 적합도를 보였으며, DT와 MLR은 상대적으로 낮은 성능을 나타냈다. 이는 부착강도 예측이 다변수 비선형 문제임을 뒷받침하며, 데이터 기반 비선형 학습기가 고정된 경험식의 한계를 보완할 수 있음을 시사한다. 또한 SHAP 기반 파일럿 해석을 통해 주요 변수의 기여도와 영향 방향을 확인하고, 알고리즘에 따라 기여 패턴이 달라질 수 있음을 보여 과대적합을 점검할 수 있는 해석가능성의 필요성을 시사하였다. 본 모델은 ACI 408 데이터 범위 내에서 학습·검증되었으므로 외삽 조건 적용에는 주의가 필요하며, 향후 외부 데이터셋 기반의 외부 검증과 적용 범위·입력 변수 정의·데이터 품질 기준을 포함하는 실무적 가이드라인 마련이 요구된다.

4차 산업혁명 기반의 첨단무기체계 발전과 함께 무인전투체계의 중요성이 증대되고 있다. 무인수색차량 등 무인전투체계는 소화기, 폭발물, 전자전 등 다양한 위협에 노출되어 있으며, 특히 적성 소화기 위협으로부터의 방호성능 확보가 핵심적이다. 기존 연구는 주로 방호한계속도(V50)를 통해 관통 여부를 판정하는데 집중하였으나, 무인전투체계의 센서 및 핵심 장비는 완전 관통 이전에도 탄자의 관입깊이(Depth of Penetration, DOP)에 의해 손상될 수 있다. 본 연구는 탄도 실험을 통해 수집된 데이터를 활용하여, 무기체계의 최적 방호 구축을 목표로 적성 소화기 위협에 대응 가능한 장갑의 관입 깊이를 정밀하게 예측할 수 있는 머신러닝 모델을 개발하는 것을 목적으로 한다. 이를 위해, 5.45 mm 7N10 보통탄을 위협으로 설정하고, 강철 합금(Type A)과 알루미늄 합금(Type B) 2종의 장갑 재질에 대한 실사격 탄도실험을 수행하였다. 총 44발의 실험을 통해 32개의 유효 데이터를 수집하였으며, 충돌속도, 탄자중량, 재질 물성치 등을 입력변수로 하는 다변량 회귀분석 및 5가지 AI 모델(선형 회귀, 베이시안 회귀, SVM, XGBoost, 심층신경망)을 학습하였다. 실험 결과, 강철 합금(Type A)은 평균 14.6 mm(범위 10.1~21.6 mm), 알루미늄 합금(Type B)은 평균 30.3mm(범위 8.2~42.1 mm)의 관입깊이를 나타냈으며, XGBoost 모델이 RMSE는 1.7(Type A)와 0.6(Type B) mm, R² 는 0.6(Type A)과 0.9(Type B)로 최고 성능을 달성하여 머신러닝 모델이 관입깊이를 정밀하게 예측할 수 있음을 확인하였다. 본 연구 결과는 무인전투체계의 최적 방호 설계를 위한 실용적 도구를 제공하며, 향후 다양한 탄종과 재질로 확장하여 범용적인 방호성능 예측 시스템으로 발전시킬 수 있는 기반을 마련하였다.

본 연구에서는 응용요소법(Applied Element Method, AEM)을 기반으로 한 비선형 동적해석을 이용하여, 이격거리 감소에 따른 고압설계영역(R = 7.5 m)에서 철근콘크리트(RC) 벽체의 철근 비선형 거동 특성을 분석하였다. 선행연구에서 검증된 RC 벽체 모델을 기반으로, TNT 300 kg 조건에서 이격거리만을 절반 수준으로 감소시켜 구조 응답의 변화를 비교·검토하였다. 해석 결과, UFC 기반 간략 방호설계 절차에 따른 등가정적 하중을 그대로 적용할 경우 요구 철근비가 급격히 증가하여 실무적 배근 한계를 초과하는 것으로 나타났다. 기존 이격거리(R = 15 m) 조건에서 설계된 배근을 적용한 비선형 동적해석에서는 수평 및 수직철근은 대부분 탄성 거동을 유지한 반면, 전단철근에서 항복 이후 인장 파단이 발생하여 지배 파괴 모드가 전단 파단으로 전이되었다. 이에 전단철근비만을 증가시킨 결과, 전단 파단은 효과적으로 억제되었으며 구조 응답은 안정적인 비선형 거동을 나타냈다. 또한 휨철근비를 단계적으로 증가시킨 경우, 수직철근의 비선형 거동 범위가 감소하는 경향이 확인되었다. 본 연구 결과는 고압설계영역에서 전면적인 철근비 증량보다는 지배 파괴 메커니즘을 고려한 전단 상세 보강과 비선형 동적해석의 병행이 합리적인 방폭 설계 접근임을 시사한다.

전통적으로 군시설 중심으로 적용되어 온 방폭설계가 최근 민간시설로 확대되면서 방폭설계를 수행하는 구조 엔지니어의 기회가 증가할 것으로 예상된다. 본 연구에서는 한국방호시설학회(KPFI)가 제시한 방폭설계 기준과 설계 예제가 방폭설계 경험이 제한적이거나 없는 구조 엔지니어도 방폭설계 실무를 보다 쉽게 수행할 수 있도록 환경을 마련하는 데 기여할 것으로 기대된다. 그러나 새로 제정되거나 개정된 기준 및 예제를 실제 방폭설계에 처음 적용하는 과정에서는 실무적 어려움이 발생할 수 있다. 이를 해결하기 위해 본 연구는 설계 절차의 주요 요소를 재구성하고, 각 단계에서 요구되는 입력변수와 그 선정 근거를 제시하여 이러한 어려움을 완화하고자 한다.

본 연구는 국내 비내진 철근콘크리트(RC) 건축물의 국가 단위 내진능력 실태조사를 위한 정량적 평가 방법론을 제안한다. 기존 결정론적 평가 방식의 한계를 극복하기 위해, 구조물의 최대 내진 역량에 기반한 지진취약도 분석을 위한 정밀 구조해석을 통한 내진성능 도출(직접조사)을 수행하였다. 이를 위해 구조물의 최대지반가속도 역량을 산출할 수 있는 두 가지 평가 프로세스, 선형 재분배 해석과 비선형 정적 해석 기법을 제시하였다. 선형 재분배 해석은 선형 탄성 해석 기반의 하중 재분배 원리를 활용하여 대규모 건축물의 내진 역량을 보다 효율적이고 편리하게 평가할 수 있도록 체계화하였다. 비선형 정적 해석은 비정형 형상 및 고차 모드 효과를 고려할 수 있도록 적용 범위를 확장하여 개선하였다. 제안된 방법론의 타당성을 검증하기 위해 모멘트 골조, 이중 골조, 전단벽 구조 등 다양한 철근콘크리트 구조 시스템에 이를 적용하였다. 각 해석 기법에 따른 구조 모델별 평가 결과를 비교 분석하였으며, 이를 바탕으로 각 방법론이 지닌 공학적 특성과 실무적 활용 측면에서의 장단점을 고찰하였다.

본 논문에서는 응용요소법(Applied Element Method, AEM)을 기반으로 한 해석프로그램인 ELS를 활용하여 이글루형 탄약고에 대한 폭발시뮬레이션을 수행하고, 폭발 하중 작용 시 구조물의 손상 거동과 방호성능을 평가하였다. AEM을 기반으로 한 해석의 경우 기존에 널리 상용되는 유한요소법(Finite Element Method, FEM)을 기반으로 한 해석과 달리, 인접한 3차원 요소의 면사이를 Spring요소로 연결한다. 따라서 연결된 Spring의 부분 연결이 허용되어 균열의 진전, 부재 분리 및 붕괴 전이 과정을 모사할 수 있어 보다 현실적인 폭발시뮬레이션이 수행될 것으로 기대된다. 폭발 시나리오는 전면 지면폭발 조건으로 설정하였으며, 등가 TNT 무게와 이격거리를 기반으로 UFC 3-340-02 기준에 따라 폭발하중을 산정하여 해석을 수행하였다. 해석결과, 전면벽체에서 국부적인 콘크리트 균열과 일부 수직철근의 항복이 발생하였으나, 콘크리트 압괴나 구조부재의 전반적인 안정성을 저하시키는 손상은 확인되지 않았다. 또한 전면벽체 개구부 상부에서 최대 처짐이 발생하였으나, 이를 통해 계산된 부재 회전각은 방호수준 2-B의 허용 기준 이내인 것으로 평가되었다. 따라서 구조물은 요구되는 방호수준을 만족하는 것으로 판단된다. 본 논문 결과는 AEM을 기반으로 한 폭발시뮬레이션이 폭발 하중에 따른 구조물의 균열 발생, 철근 항복, 부재변형 및 손상 전이 과정을 모사할 수 있음을 보여주며, 탄약고와 같은 방호 구조물의 성능평가 및 설계 검증을 위한 효과적인 해석 기법으로 활용될 수 있 것으로 기대된다.