1. 서 론

최근 테러 위협, 군사적 충돌, 산업시설 사고의 증가로 인해 건축 구조물의 폭발하중에 대한 안전성 확보가 주요 설계 이슈로 부각되고 있다. 국내·외 방폭 설계 기준에서는 폭발하중을 고려한 구조 설계 절차를 제시하고 있으나, 실제 구조물의 비선형 거동을 충분히 반영하기에는 한계가 있다. 현재 RC 벽체를 포함한 방폭 구조물의 설계에는 UFC 3-340-02(Department of Defense, 2008)를 비롯한 기준서에서 제시하는 간략 방호설계 절차가 주로 활용되고 있다. 이 설계법은 폭약량과 이격거리로부터 환산거리를 산정하고, 이에 대응하는 반사압력과 충격량을 도표로부터 도출한 후, 동적증폭계수(Dynamic Load Factor, DLF)를 적용하여 등가정적 폭발하중을 산정하는 방식이다.

이러한 접근은 설계 단계에서 폭발하중을 비교적 간단히 고려할 수 있다는 장점이 있으나, 하중의 공간적 분포, 국부 손상, 그리고 재료 및 부재의 비선형 거동을 직접적으로 반영하기 어렵다. 이러한 한계를 보완하기 위해 최근에는 비선형 동적해석을 활용한 방폭 성능 평가 연구가 활발히 수행되고 있다(Nam, 2007; Francioli et al., 2021; Abebe and Getachew, 2022; Park et al., 2024). 비선형 동적해석은 폭발하중의 시간 이력과 공간 분포를 직접 고려할 수 있으며, 재료의 비선형 거동과 부재의 손상 및 파괴 과정을 보다 현실적으로 모사할 수 있다는 점에서 기존 설계법 대비 높은 해석 정밀도를 제공한다. 특히 응용요소법(Applied Element Method, AEM)은 요소 간 연결을 스프링으로 모델링함으로써 균열 발생, 요소 분리 및 국부 파괴를 자연스럽게 모사할 수 있어 폭발 및 극한하중 해석에 효과적인 방법으로 평가되고 있다(Applied Science International, 2022).

선행연구(Jeong, 2025)는 방호시설기준 예제집(KPFI, 2025)의 E절에 제시된 모델링 조건을 충실히 재현한 응용요소법 기반 비선형 동적해석을 통해 RC 벽체의 방폭 성능을 검토하였다. UFC 간략 설계 절차에 따라 설계된 벽체를 대상으로 목표 연성도를 단계적으로 증가시키며 분석한 결과, 기준 폭발 조건(TNT 300 kg, R = 15 m)에서는 철근이 전반적으로 탄성 거동을 유지함을 확인하였다.

그러나 이러한 결과는 완만한 폭발하중 조건, 즉 충분한 이격거리가 확보된 설계 영역에 국한된 것이다. 실제 방호 설계 환경에서는 부지 제약, 기존 구조물 활용, 시설 배치 조건 등으로 인해 이격거리를 감소시켜야 하는 경우가 빈번하게 발생하며, 이 경우 구조물은 증가된 폭발 압력과 짧은 지속시간의 하중을 동시에 받게 된다. 이러한 고압설계영역에서는 철근 항복이나 전단 파단과 같은 비선형 거동이 구조 응답을 지배할 가능성이 크다. 그럼에도 불구하고 이격거리 감소가 RC 벽체 철근의 비선형 거동에 미치는 영향을 체계적으로 분석한 연구는 아직 제한적인 실정이다.

본 연구에서는 선행연구에서 검증된 RC 벽체 모델을 그대로 적용하되, TNT 폭약량은 동일하게 유지한 상태에서 장약의 이격거리를 7.5m으로 감소시켜 해석을 수행하였다. 이를 통해 고압 설계영역에서 응용요소법 기반 비선형 동적해석이 철근의 항복 및 비선형 거동 특성을 적절히 반영하는지를 검토하였다. 특히 휨 및 전단철근의 응력–변형률 응답과 항복 발생 여부를 중심으로 구조 응답을 분석하여 고압 영역에서 RC 벽체 거동과 비선형 해석의 적용성을 확인하고자 하였다.

2. 선행연구 고찰

2.1 국내 방호시설 기준 및 선행연구의 적용 범위

선행연구에서는 이러한 기준 조건에 따라 설계된 RC 벽체를 대상으로 응용요소법 기반 비선형 동적해석을 수행한 결과, 폭발하중 하에서 철근이 대부분 탄성 범위 내에서 거동함을 확인하였다. 이는 현행 방호 설계 기준이 기준 이격거리 조건에서는 RC 벽체의 구조 응답을 비교적 보수적으로 평가하고 있음을 시사한다.

그러나 이러한 연구 결과는 충분한 이격거리가 확보된 조건을 전제로 도출된 것으로, 이격거리 감소로 인해 폭발하중이 급격히 증가하는 경우에 대해서는 구조 거동을 직접적으로 설명하기에는 한계가 있다. 즉, 기존 선행연구는 기준 조건의 타당성을 검증하는 데에는 유효하나, 설계 조건이 변화하는 경우의 구조 응답 특성을 포괄적으로 다루고 있지는 않다.

2.2 고압설계영역의 비선형 동적해석에 대한 연구 공백

이격거리 감소에 따른 고압설계영역에서는 철근 항복, 전단 파단과 같은 비선형 거동이 구조 응답을 지배할 가능성이 커진다. 그럼에도 불구하고 기존 연구들은 대부분 기준 이격거리 조건을 중심으로 수행되어 왔으며, 이격거리 감소에 따라 철근의 비선형 거동이 구조 응답에 미치는 영향을 체계적으로 분석한 연구는 제한적인 실정이다. 또한 철근비 변화에 따른 거동 전이 특성에 대한 정량적 검토 역시 충분히 이루어지지 않았다.

이에 본 연구에서는 선행연구에서 검증된 RC 벽체 모델을 기반으로, 동일한 폭약량 조건에서 이격거리를 감소시킨 고압설계영역을 대상으로 비선형 동적해석을 수행한다. 이를 통해 이격거리 감소 시 RC 벽체의 구조 응답 특성과 철근의 비선형 거동을 분석하고, 기존 방호 설계 기준이 전제하고 있는 철근 탄성 거동 가정의 적용 한계를 검토하고자 한다.

3. 해석 대상 구조물 및 폭발하중 모델링

3.1 해석 대상 RC 벽체 및 기본 모델 개요

본 연구의 해석 대상은 선행연구에서 사용된 민간시설 RC 벽체 모델을 기반으로 하였다. 해당 벽체는 국내 방호시설 기준에 따라 설계된 구조물로, 기준 이격거리(R = 15 m, TNT 300 kg) 조건에서의 구조 거동이 이미 비선형 동적해석을 통해 검증된 바 있다. 본 연구에서는 폭발하중 조건 및 철근비 변화에 따른 구조 응답의 차이를 명확히 비교하기 위하여, 벽체의 형상, 치수, 경계조건 및 재료 물성은 선행연구와 동일하게 유지하였다.

벽체는 직사각형 평판형 구조로 모델링하였으며, 하부는 병진 및 회전 자유도를 모두 구속하여 기초에 대한 완전 고정을 가정하였다. 상부는 별도의 구속 조건을 부여하지 않고 슬래브와 연결된 실제 구조물의 거동을 반영하였다.

해석 모델은 응용요소법(Applied Element Method, AEM)을 기반으로 한 Extreme Loading for Structures(ELS, Applied Science International, 2022)를 이용하여 구성하였다. 벽체는 40 × 20 × 3의 3차원 요소로 분할하였으며, 요소 간 접촉면에는 면당 3 × 3 배열의 연결 스프링(총 9개)을 배치하여 요소 간 힘 전달을 모사하였다(Fig. 1).

Fig. 1

Blast Loading Configuration

콘크리트(f_ck = 30 MPa)와 철근(f_y = 600 MPa, f_ys = 400 MPa)은 압축 및 인장 거동을 모두 고려할 수 있는 비선형 재료모델을 적용하였다. 철근은 콘크리트 요소 내부에 매입된 형태로 모델링하였으며, 철근과 콘크리트 사이의 완전 부착을 가정하였다.

3.2 해석 케이스 구성 및 변수 정의

본 연구의 해석 케이스는 폭발하중 이격거리 R = 7.5 m 조건의 고압설계영역에서 RC 벽체의 구조 응답과 철근 비선형 거동 특성을 분석하는 데 목적이 있다. 이를 위해 폭약량은 선행연구와 동일한 TNT 300 kg으로 유지하였으며, 이격거리만을 7.5 m로 변경하여 해석을 수행하였다.

먼저 선행연구와 동일한 절차에 따라 UFC 기반 간략 방호설계 방법을 적용하여 R = 7.5 m 조건의 폭발하중을 산정하고, 이를 등가정적 하중으로 환산하여 구조해석을 수행하였다. 이때 MIDAS Gen을 이용해 산정된 부재력을 기준으로 RC 벽체의 철근 배근을 재설계하고자 하였다. 그러나 이격거리 7.5 m 조건에서는 요구 철근량이 급격히 증가하여, KDS에서 규정하는 최소 철근 간격 및 배근 상세 조건을 만족하는 배근이 사실상 불가능한 것으로 나타났다. 이에 본 연구에서는 R = 15 m 조건에서 적용된 기존 철근 배근을 기준 배근으로 설정하고, 이를 기준으로 휨철근비를 단계적으로 증가시키는 방식으로 해석 케이스를 구성하였다. 이를 통해 고압설계영역(R = 7.5 m)에서 철근비 증가에 따른 구조 응답 변화와 철근 항복, 전단 지배 거동과 같은 비선형 거동 특성을 체계적으로 분석하고자 하였다. 일련의 과정은 4.1 절에 자세히 서술하였다.

3.3 폭발하중 산정 및 적용 방법

본 연구에서는 TNT 300 kg에 의한 반구형 지면폭발(hemispherical surface burst)을 가정하고, 이격거리 R = 7.5 m의 고압설계영역을 해석 대상으로 설정하였다. 최대 반사압력과 충격량은 UFC 3-340-02에서 제시하는 환산거리(Z)에 따른 도표를 이용하여 산정하였다.

간략 방호설계 절차에서는 산정된 최대 반사압력과 충격량을 바탕으로 삼각형 등가하중을 가정하고, 이에 대응하는 유효 하중 지속시간(t_rf)을 산정하였다. 이후 RC 벽체의 고유주기(T_n = 0.015 s)를 이용하여 주기비(t_rf/T_n)를 계산하고, 이에 대응하는 동적증폭계수(Dynamic Load Factor, DLF)를 도표로부터 도출하였다. R = 7.5 m 조건의 경우 주기비는 t_rf/T_n ≈ 0.113으로 평가되었으며, 이에 대응하는 DLF는 약 0.349로 산정되었다. 이를 최대 반사압력에 적용함으로써 등가정적 설계 폭압을 산정하였으며, 폭발면적 10 m × 4 m에 작용하는 총 등가정적 하중은 약 82,785 kN으로 계산되었다.

한편, 응용요소법 기반 비선형 동적해석에서는 등가정적 하중이 아닌 폭발하중의 시간 이력을 직접 적용하였다. ELS 프로그램은 폭약량과 이격거리를 입력하면 구조물 위치에 따른 폭압 시간이력을 자동으로 산정하여 적용할 수 있으며, 이에 따라 벽체 전면 각 위치에서 압력의 도달 시간과 크기가 상이하게 분포한다.

Fig. 2는 동일한 TNT 폭약량 조건에서 이격거리 변화에 따른 폭발하중 특성을 R = 15 m 조건을 기준으로 비교한 결과를 나타낸다. Fig. 2(a)는 UFC 도표를 이용한 환산거리–반사압력 관계를 통해 두 이격거리 조건의 하중 특성을 비교한 결과로, 이격거리가 15 m에서 7.5 m로 감소함에 따라 환산거리는 Z ≈ 5.65에서 Z ≈ 2.82로 감소하고, 이에 대응하는 최대 반사압력과 충격량이 모두 증가함을 확인할 수 있다. 이러한 하중 증가는 ELS 비선형 동적해석 결과에서도 일관되게 나타나며, R = 7.5 m 조건에서의 최대 작용력은 R = 15 m 조건 대비 약 3.4배 크게 평가되었다.

Fig. 2

Procedure for determining equivalent static load based of UFC

3.4 비선형 동적해석 조건 및 해석 절차

비선형 동적해석은 폭발하중 작용 이후 구조 응답이 충분히 감쇠될 때까지 수행되도록 해석 시간을 설정하였다. 시간 증분은 수치적 안정성과 계산 효율을 고려하여 결정하였으며, 폭발하중 작용 초기 구간에서는 충분히 작은 시간 간격을 적용하였다. 모든 해석은 폭발하중에 따른 초기 응답을 정밀하게 포착하기 위해 총 0.1 s 구간에 대해 수행되었으며, 시간 증분은 1/10,000 s로 설정하였다.

4. 이격거리 감소(R = 7.5 m) 고압설계영역에서의 철근 비선형 거동 특성

4.1 설계 관점에서의 배근 한계 및 해석 변수 설정

R = 7.5 m 조건에 대해 UFC 기반 간략 방호설계 절차를 그대로 적용할 경우, 목표 연성도에 대응하는 요구 철근비는 급격히 증가하는 것으로 나타났다. 방호시설기준에서 제한하는 대로 주철근의 교차점에 전단근을 배근한다고 했을 때, 실제 산정 결과, 수직철근비는 약 13.88%, 수평철근비는 약 8.60%, 전단철근비는 약 31.68% 수준까지 요구되며, KDS 설계기준에서 규정하는 철근 간격 제한을 충족하지 못한다(Table 1 참고).

이에 본 연구에서는 R = 7.5 m 고압 조건에서 실제 적용 가능한 배근 범위 내에서 철근의 비선형 거동 특성을 규명하기 위해 해석 변수 체계를 설정하였다. 우선 선행연구에서 사용된 R = 15 m 조건의 기존 배근 상세를 R = 7.5 m 조건에 그대로 적용하여, 이격거리 감소 자체가 철근 응답에 미치는 영향을 평가하였다. 이후 구조 응답의 지배 취약부로 전단 거동이 작용할 가능성을 고려하여, (i) 기존 휨철근비를 유지한 상태에서 전단철근만 재설계한 경우와, (ii) 휨철근비를 단계적으로 증가시킨 경우(105%, 110%, 150%)를 순차적으로 분석하였다(Table 2 참고).

4.2 기존 배근 적용 시 철근 비선형 응답 및 파괴 양상

R = 7.5 m 고압설계영역에서 기존 배근 상세를 그대로 적용한 경우, 철근 종류에 따라 구조 응답에는 뚜렷한 차이가 나타났다. Fig. 3과 같이 먼저 수평철근(f_y = 600 MPa)은 모든 목표 연성도 조건에서 탄성 범위 내에 머무르는 것으로 확인되었다. 수직철근(f_y = 600 MPa) 역시 일부 구속 효과가 큰 영역에서 응력 증가가 관찰되었으나, 전반적으로는 항복 이전의 탄성 거동을 유지하였다. 반면, 기존 배근을 적용한 경우 전단철근(f_ys = 400 MPa)은 항복 이후 인장 파단에 이르는 거동을 보였으며, 이로 인해 구조 응답의 지배 파괴 모드가 휨 항복이 아닌 전단 파단으로 전이되는 현상을 확인할 수 있었다.

Fig. 3

Elastic responses of vertical and horizontal reinforcements and tensile failure of shear reinforcement under R = 7.5 m

이러한 전단 파단 거동을 제어하기 위해, 본 연구에서는 4.1의 (i)와 같이 기존 휨철근비를 유지한 상태에서 전단철근비를 증가시킨 해석 케이스를 검토하였다. 전단철근비를 증가시킨 결과, 전단철근에서는 파단 거동이 더 이상 발생하지 않았으며, 항복 또는 제한적인 비선형 거동 이후 안정화되는 응답 특성이 나타났다. 수평철근은 기존과 동일하게 탄성 범위 내에 머무르는 반면, 수직철근은 일부 영역에서 항복을 동반한 비선형 거동을 보였다. 이는 휨 변형에 따른 응력 재분배가 보다 합리적인 형태로 발생하고 있음을 의미한다. 이러한 결과는 R = 15 m 조건을 기준으로 설계된 철근 배근이 R = 7.5 m의 고압설계영역에서도, 전단저항 체계에 대한 보강을 통해 비선형 동적해석 관점에서 충분히 합리적인 구조 거동을 확보할 수 있음을 보여준다. 다시 말해, 이격거리 감소에 따른 하중 증가에 대응하여 전면적인 철근비 증가 없이도, 지배 파괴 메커니즘을 고려한 전단 상세 조정을 통해 구조 응답을 효과적으로 제어할 수 있다.

4.3 휨철근비 증가에 따른 비선형 거동 특성

전 절에서 확인한 바와 같이, R = 7.5 m 고압설계영역에서도 기존 휨철근비를 유지한 상태에서 전단철근비만을 증가시키는 경우, 전단 파단은 효과적으로 억제되었으며 구조 응답은 안정적인 비선형 거동 양상을 나타냈다. 4.1의 (ii)와 같이 휨철근비를 단계적으로 증가시킨 경우(R = 15 m 배근 대비 105%, 110%, 150%)에 대해 추가적인 비선형 동적해석을 수행하고, 철근 응답의 변화 양상을 비교·분석하였다. 해석 결과, 휨철근비가 증가함에 따라 수직철근에서 항복에 도달하는 철근의 개수 및 분포 범위가 점진적으로 감소하는 경향이 확인되었다(Fig. 4 참고).

이는 휨 내력 증가에 따른 응력 재분배 효과로 인해, 동일한 폭발하중 조건하에서 수직철근에 요구되는 변형 수준이 감소되었음을 의미한다. 휨철근비 증가 여부와 관계없이 수평철근과 전단철근은 모든 해석 케이스에서 탄성 범위 내에 머무르는 것으로 나타났다. 전단철근 재설계를 통해 전단저항 체계가 충분히 확보된 이후에는, 추가적인 휨철근 증량이 전단 또는 수평 방향 철근의 비선형 거동을 유발하지 않음을 확인하였다.

Fig. 4

Stress-strain behavior of reinforcement

5. 결 론

본 연구에서는 응용요소법(Applied Element Method, AEM)을 기반으로 한 비선형 동적해석을 이용하여, 이격거리 감소에 따른 고압설계영역(R = 7.5 m, Z < 3.0)에서 RC 벽체의 철근 비선형 거동 특성을 분석하였다. 선행연구에서 검증된 RC 벽체 모델을 그대로 적용하되, 폭약량은 동일하게 유지한 상태에서 이격거리를 절반 수준으로 감소시켜 구조 응답의 변화를 비교·검토하였다.

(1) UFC 기반 간략 방호설계 절차에 따른 등가정적 폭발하중을 그대로 적용할 경우, R = 7.5 m 조건에서는 요구 철근비가 급격히 증가하여 KDS 설계기준에서 규정하는 철근 간격 및 배근 상세 조건을 만족하기 어려운 것으로 나타났다.

(2) 이에 R = 15 m 조건에서 적용된 기존 배근 상세를 R = 7.5 m 조건에 그대로 적용하여 비선형 동적해석을 수행한 결과, 수평철근과 수직철근은 대부분 탄성 범위 내에서 거동한 반면, 전단철근에서는 항복 이후 인장 파단이 발생하여 지배 파괴 모드가 전단 파단으로 전이되는 것이 확인되었다.

(3) 휨철근비를 유지한 상태에서 전단철근비만을 증가시킨 경우, 전단철근의 파단 거동은 억제되었으며 구조 응답은 안정적인 비선형 거동을 나타냈다. 이때 수평철근은 탄성 거동을 유지하였고, 수직철근은 일부 영역에서 항복을 동반한 비선형 거동을 보였으나, 이는 휨 변형에 따른 합리적인 응력 재분배로 해석될 수 있다.

(4) 휨철근비를 단계적으로 증가시킨 해석 결과, 휨철근비가 증가할수록 수직철근에서 비선형 거동에 도달하는 철근의 분포 범위가 감소하는 경향이 확인되었으며, 수평철근과 전단철근은 모든 경우에서 탄성 범위 내에 머무르는 것으로 나타났다.

(5) 종합하면, 본 연구에서 적용한 기준 이격거리(R = 15 m) 조건의 등가정적 설계 배근은, R = 7.5 m의 고압설계영역에 대해 비선형 동적해석으로 검토할 경우 전단 상세 보강을 전제로 구조적 합리성을 유지하는 것으로 평가되었다. 이는 고압설계영역에서 전면적인 철근비 증량보다는 지배 파괴 메커니즘을 고려한 배근 상세 조정과 비선형 동적해석의 병행이 효과적인 설계 접근이 될 수 있음을 시사한다.