1. 서 론
2. 다양한 폭발 유형 및 폭발하중
2.1 산업 시설물의 폭발
2.2 증기운 폭발하중 메커니즘
2.3 증기운 폭발하중 모델 및 산정 방법
2.3.1 TNT 등가량 환산법
2.3.2 멀티에너지 방법
3. 현행 내폭설계 가이드라인의 현황 및 적용성
3.1 내폭설계 가이드라인 및 보고서 현황
3.2 구조물 관점의 내폭설계 가이드라인별 범위 및 대상
3.3 내폭설계의 응답한계 및 평가기준
3.3.1 내폭설계를 위한 구조적 응답 매개변수
3.3.2 내폭설계 가이드라인의 부재별 평가방법 및 허용응답
3.4 산업 시설물을 위한 성능기반 내폭설계의 확장 및 적용성
4. 결 론
1. 서 론
우발적인 화재 또는 폭발은 생명 손실, 부상, 재산 및 환경 피해, 그리고 석유화학, 저장 시설, 화학 공장과 같은 산업 시설의 사업 연속성에 있어 심각한 결과를 초래할 수 있다. 특히 석유화학을 이용한 공정의 경우 막대한 폭발을 일으킬 수 있는 탄화수소와 반응성이 높은 물질을 취급하고 있어 위험성이 크다(ASCE, 2010, 2025).
폭발은 산업 시설물의 심각한 피해를 유발할 수 있으므로 내폭설계가 필수적이다. 그러나 현재까지 발간된 대부분의 내폭설계 가이드라인은 주로 반테러(anti-terrorism) 목적에 초점을 두고 있다. 플랜트 시설물 및 산업 시설물에 대한 구조물 내폭설계 가이드라인은 유일하게 ASCE(2010, 2025)이며, 본 가이드라인을 바탕으로 PIP(2014)는 신축 산업 시설물에 대한 내폭설계 기준을 제시하였다. 제시된 산업 시설물의 내폭설계 가이드라인은 일반적인 내폭설계 방법론, 폭발하중 산정방법, 응답기준 등을 제시하고 있다. 하지만 산업 시설물의 특성을 고려하지 않은 TNT 등가량 환산법의 제시와 내폭설계를 위한 폭발하중의 선정, 폭발 위험도 등을 제시하지 않는다. ASCE(2025)에 의하면 설계 실무진은 유수엔지니어링 기관의 관행적이고 단일화된 폭발하중을 적용하여 구조물 안정성을 검토하고 있다. 따라서 현재 산업 시설물의 특수성을 고려한 내폭설계 가이드라인이 필요하며, 산업 시설물 이해관계자가 사용 가능한 형태의 확장된 내폭설계 체계가 요구된다.
현재 설계하중의 개선 및 도입은 다양하고 전문적인 영역까지 확대되고 있다. 국내의 경우, KDS 41(2022)은 태풍, 홍수 등의 극한기후에 대비하여 풍하중의 개선 및 홍수하중을 신설하였다. 기본설계에 해당하는 설계하중의 도입뿐만 아닌 국내외에서는 성능기반 설계를 위한 연구가 지속적으로 증가하고 있다. ASCE(2020a)은 석유화학 플랜트 시설물에 대해서 시설물의 특수성을 고려하고 구조물과 비구조물을 구분하여 성능기반 내진설계 및 평가 방법을 제시하고 있다. 또한, 바람과 화재와 관련하여 성능기반 개념이 도입되어 시설물 관계자 및 엔지니어링 실무자가 사용 가능한 형태의 확장된 체계를 제시하고 있다. 대표적으로 ASCE(2019)는 성능기반 내풍설계를 위한 선행 가이드라인 안을 출판하였으며, ASCE(2020b)는 화재를 받는 구조물에 대한 성능기반 내화설계 절차를 제안한다.
새로운 극한하중 관련한 설계하중의 경우, ASCE 76-23(2023)는 불안정 파괴 및 연쇄붕괴에 대하여 성능기반 개념을 차용한 설계 방법론을 발간하였다. 이와 유사한 극한하중인 폭발하중으로서 대부분의 내폭설계 가이드라인은 과거에 발간되어졌으며, ASCE(2025)과 USACE(2025) 외에는 특징적인 개정된 사항을 포함하지 않고 있는 실정이다.
결과적으로 산업 시설물에서 발생 가능한 폭발하중과 과거부터 현재까지 발간된 내폭설계 가이드라인 및 보고서를 고찰하여 산업 시설물에 적용 가능한 내폭설계 체계를 분석하고자 한다. 각 문헌별 내폭설계 범위, 목적, 적용 폭발하중, 응답기준 등을 분석하고 다양한 연구진이 제시한 내폭설계 방법론을 융합하여 산업 시설물 중 석유화학 플랜트 대상을 중점으로 내폭설계 체계 방향성 및 개선안을 제시한다. 이를 통해 국내 실정에 맞춘 내폭설계 및 평가기준에 대한 기초 체계로 활용될 수 있다. 설계하중의 신설 및 성능기반 개념은 엔지니어가 합리적인 절차를 바탕으로 목표 성능을 달성하고, 실험 및 해석을 통해 구조물의 안전성을 검증할 수 있도록 지원한다.
2. 다양한 폭발 유형 및 폭발하중
2.1 산업 시설물의 폭발
폭발의 유형을 구분하는 방법으로 폭발의 진행 상태에 따른 구분, 폭발 원인에 따른 구분, 폭발 물질의 상태를 기준하는 구분법이 있다(CCPS, 1994; ASCE, 2025). 플랜트 및 산업 시설물 현장에서는 물질 상태에 따른 분류 방법을 다수 적용하고 있으며, 증기운 폭발, 압력 용기 폭발, 응상 폭발, 분진 폭발의 4가지 유형으로 구분된다.
세계 위험 보고서인 MARSH(2018)에 의하면 산업 플랜트의 주된 폭발로 증기운 폭발을 제시하며, CCPS(2012, 2018)는 산업 시설물에서 증기운 폭발 시 가장 큰 피해 및 손상을 유발한다고 제시한다. 이에 따라 산업 시설물내 발생 가능한 폭발로서 증기운 폭발을 고려하여야 한다. 증기운 폭발의 직접 요인과 간접 요인은 Table 1과 같으며, 간접 요인의 경우 폭발하중의 강도 및 2차 반응 등 다양한 영향을 끼친다(HSE, 2009). 하지만 증기운 폭발의 간접 요인을 다수 혼합하여 폭발 가능성과 위험성 등을 정의하는 것은 복잡성과 불확실성이 내포하기에 부분적으로 수용을 하는 방식을 채택하여야 한다.
증기운 폭발이 발생하게 될 경우 과압의 발생과 파괴력을 결정하는 연소 속도, 구속 정도, 증기운 형상으로 매개변수가 정립이 된다(HSE, 2017).
Table 1
Direct and indirect factors contributing to vapor cloud explosion (HSE, 2009; HSE, 2017; Oran et al., 2020)
2.2 증기운 폭발하중 메커니즘
증기운 폭발의 정확한 메커니즘에 관한 정의는 지속적으로 변화하고 있다(Johnson et al., 2020). 이전에는 증기운 폭발 사고가 잘 정의된 혼잡 공정 지역에 한정되어 폭연(Deflagration)만을 발생시켰다고 여겨졌지만, Table 2와 같이 현재 다양한 폭발 메커니즘이 존재한다(HSE, 2017; Oran et al., 2020).
Table 2
Information of vapor cloud explosion mechanisms (HSE, 2009; HSE, 2017; Oran et al., 2020)
폭발의 주요 특징은 대기 중으로 에너지가 갑작스럽게 방출된다는 점이며, 이는 압력 변화 또는 폭발파를 발생시킨다. 이러한 폭발파는 폭발 지점으로부터 초음속 또는 음속의 속도로 전파되며, 그 크기와 파형은 에너지 방출 특성과 폭발 지점으로부터의 거리 등에 따라 달라진다(CCPS, 1994, 2012). 폭발파는 과압에 해당하는 지속 시간으로 특징지어지며, 폭발 하중은 이 과압과 지속 시간을 조합하여 결정된다. 폭발 메커니즘은 충격파와 압력파를 구분하며, 이는 Fig. 1에 나타나 있다. 충격파는 도달 시간(ta) 이후 즉시 대기압(P0)을 초과하는 과압(Ps)으로 급격히 상승하며, 이후 일정한 지속 시간(td)을 두고 점차 대기압으로 되돌아가는 특성을 가진다. 반면 압력파는 과압이 점진적으로 증가한 후 비슷한 방식으로 감소하며, 충격파와 유사한 음압 구간도 존재한다.
비록 폭발파는 충격파와 압력파로 구분되지만, 초기 폭발 저항 설계 지침들은 대부분 폭굉에 의해 유도된 충격파만을 기준으로 폭발 하중을 산정하였으며, 일반적인 폭연 메커니즘의 경우에 대해서 압력파를 제시하였다. 이후 여러 연구자들이 폭발 메커니즘을 보다 정밀하게 분류하기 위해 실험적 및 해석적 연구를 광범위하게 수행하였으며, 그 결과 폭굉, 폭연, DDT(deflagration to detonation) 등이 상세하게 고려되었다(Koksharov et al., 2018).
2.3 증기운 폭발하중 모델 및 산정 방법
다수의 연구자들은 실험과 해석을 통해 VCE 및 가스 폭발로부터 발생하는 폭발 하중을 산정하기 위한 다양한 방법을 제안해 왔다. 현재 폭발하중을 산정하는 방법은 크게 세 가지로 구분할 수 있고 Table 3과 같이 경험적 모델, 현상학적 모델, 전산유체역학 모델로 구성된다. 경험적 모델은 실증적 모델이라고도 불리며, 실험적 결과로부터 얻어진 상관관계를 적용한 해석 방법이다. 현상학적 모델은 이상적인 기하학적 구조와 경험적 상관관계에 기초하여 폭발의 핵심적인 물리법칙을 모델링하려고 시도하는 단순화된 물리적 모델이다. 전산유체역학 모델은 폭발 과정을 지배하는 기본적인 수치해석을 기초한 방법이다. 본 연구는 내폭설계 지침을 위한 단순화된 모델인 경험적 모델을 중점으로 제시한다.
Table 3
Blast load calculation models for vapor cloud explosion
| Model Type | Model Name | Reference and Descriptions |
| Empirical Model | TNT equivalent method | Decker (1974), Yield factor is needed |
| TNO method | Wiekema (1980), Assume the whole vapor cloud | |
| Multi-energy method | Van den Berg (1985), Use charge strength curves | |
| Baker-Strehlow method | Baker et al. (1994), Can be over conservative | |
| Baker-Strehlow-Tang method | Tang and Baker (1999), Blast curves were validated by experiments with flame velocity. | |
| Congested area method | Cates and Samuels (1991), Congestion assessment method | |
| Phenomenological Model | SCOPE | Shell’s Thornton, Shell code for overpressure prediction in gas explosions |
| CLICHÉ | Advantica Tech. Ltd., Confined linked chamber explosion | |
| CFD Model | EXSIM | Tel-Tek R&D Centre, Explosion simulator |
| FLACS | GEXCON Ltd., Flame acceleration simulator | |
| AutoReaGas | Century Dynamics Ltd. & TNO, Automated real gas simulation | |
| PHAST | DNV-GL Ltd., Process hazard analysis software tool |
2.3.1 TNT 등가량 환산법
경험적 모델에 따른 폭발하중 산정법이 다수 사용되며, 가장 일반적으로 사용되는 것은 군용 폭발물의 기준으로 개발된 TNT 등가량 환산법이다. 이 방법은 폭발물의 양을 TNT 기준으로 환산하여 증기운 폭발의 폭발 하중을 산정한다. 그러나 이 방법은 증기운 폭발과 가스 폭발을 TNT로 변환된 동등성에 기반하여 유사하다고 가정하는 데에서, 실제 폭발 하중을 부정확하게 예측할 수 있다고 지적하고 있다(CCPS, 2012; ASCE, 2010). TNT 등가량 환산법의 폭발하중 산정하는 첫 번째 절차는 식 (1)를 통하여 TNT 등가량을 산정하는 것이다.
여기서 WTNT는 TNT의 등가량(kg), ΔHc는 폭발 물질의 연소열(kJ/kg), ΔHTNT는 TNT의 연소열(kJ/kg), WG는 폭발 물질의 질량(kg), η는 수율 계수(yield factor)로서 폭굉에 기여한 혼합 기체의 총에너지가 유발한 폭발 과압에 상응하는 TNT 등가량의 에너지 비율을 의미한다.
TNT 등가량은 수율 계수의 영향을 많이 받으며, 대개 0.03~0.05를 적용하지만 CPR 14E(2005)에서 연구자들은 수율 계수를 0.02~0.3 등 다양하고 넓은 범위의 값을 제시하고 있다. Brasie and Simpson(1968)는 거리에 따른 분류로서 수율 계수를 2 % 또는 5 %로 제시하고, Eichler and Napadensky(1977)도 거리에 따른 의존성으로서 6.89 kPa 정도에서만 20 % 값을 제시한다. 또한 HSE(1986) 연구기관은 화학 물질에 따른 수율 계수를 3 %, 6 %, 10 % 정의한다. 다양한 연구자들이 제안한 가스 및 증기운 폭발 하중 산정을 위한 TNT 등가량 환산법의 수율 계수 값 간에는 상당한 편차가 존재하여 일관된 적용에 어려움을 초래하고 있다.
2.3.2 멀티에너지 방법
멀티에너지 방법은 과거 TNO 방법(Wiekema, 1980)과 기본 멀티에너지 방법(Van den Berg, 1985)로 분리된 연구였지만, 현재는 두가지를 동시에 고려하여 TNO 멀티에너지법 또는 멀티에너지법이라고 불린다. 이는 가스 폭발이 폭발하중에 기여하는 변수가 동일하다는 개념이기 때문이며, 충격파와 압력파의 양상이 다르다는 점을 고려하여 개발된 방법이다. 이 방법의 가장 중요한 가정사항은 폭발 강도가 증기운이 퍼지고 있는 공간 배치에 지배적이고 Van den Berg(1985), Van den Berg and Lannoy(1993)에 의하면 증기운의 나머지 부분은 폭발의 강도에 큰 기여 없이 서서히 타오를 것이라고 주장한다.
폭발하중 산정을 위한 절차는 방출된 가연성 가스의 초기 부피를 기준으로 증기운의 크기를 추정하는 것으로 시작하여 혼잡 및 밀폐된 영역을 식별한다. 이후, 폭발 에너지와 환산 거리를 계산하여 Van den Berg(1985)가 제안한 10가지 특성 곡선을 선택하여 폭발하중을 결정한다. 이러한 특성 곡선은 증기운 폭발의 환경 변수를 통합하여 폭발 강도와 폭발 파형을 선택할 수 있게 하며, 곡선 1~5는 느린 폭연의 압력파 형태, 곡선 6~9은 빠른 폭연의 압력파 형태, 곡선 10은 폭굉의 충격파 형태를 나타낸다. 특성곡선을 활용하기 위한 매개변수는 식 (2)~(5)를 통하여 값을 산정한다.
멀티에너지법의 장점은 증기운 폭발 주변 지역의 환경 변수를 고려하여 과압을 계산하는 점에서 보다 정확하고, 충격파 양상이 아닌 압력파 양상으로서 과압에 따른 시간이력곡선을 나타낼 수 있다. 또한 폭발의 양상이 지속되는 시간도 예측이 가능한 장점이 있다.
여기서 E는 폭발 에너지(MJ), Vcloud는 증기운 부피(m3) ΔHc는 폭발 물질의 연소열(kJ/kg), ρ는 폭발 물질의 밀도(kg/m3), β는 반응 화학양론(-), r'은 환산 거리(-), R은 실제 거리(m), P0는 대기압(약 101.3 kPa), Ps는 최대 과압(kPa), P's는 환산 최대과압(-), tp는 과압의 지속시간(ms), t'p는 환산 지속시간, Cs는 음속으로서 약 300~340 m/s이다.
3. 현행 내폭설계 가이드라인의 현황 및 적용성
3.1 내폭설계 가이드라인 및 보고서 현황
내폭설계 가이드라인 및 보고서는 보호 목적성, 시설 분류 등에 따른 주요 범위 및 체계의 차이가 존재한다. 관련 기관의 특수성 및 전문성에 따라 내폭설계에 대한 초점은 구조물 관점과 구획 관점으로 대분류가 가능하며, Table 4와 같다.
문헌을 종합적으로 살펴보면 잠재적 폭발원, 폭발 위험도 평가, 도시 계획, 구획 선정, 시설 계획, 피해 가능성, 구획 설계, 구조물 설계, 구조물 응답 기준, 대응 방안, 개선 방안 등 다양한 구성으로 제시 되어있다. 구조물 관점의 내폭설계 가이드라인은 단일적인 TNT 등가량 환산법을 이용한 폭발하중의 산정법만을 제시하고 폭발하중에 따른 구조물의 설계 및 평가를 논의한다. 구획 관점은 다양한 폭발하중 모델을 적용하여 위험도 평가 또는 이격거리 구성 등을 제시한다. 구조물 관점 및 구획 관점의 가이드라인을 융합하여 산업 시설물 대상의 폭발 유형을 고려하여 폭발하중의 산정과 위험도를 산정하고 이를 통한 구조적 내폭설계가 가능하도록 하는 산업시설물 대상의 통합형 내폭설계 가이드라인이 필요하다.
Table 4
Representative blast resistant design guidelines
| Organization | Publication | Major perspective | Descriptions |
| American Concrete Institute | (ACI, 2014) | Structure | - Report for the design on concrete structure for blast effects |
| American Institute of Steel Construction | (AISC, 2013) | Structure | - Blast resistance and progressive collapse mitigation for steel structure |
| American Petroleum Institute | (API, 2007) | Layout / Site | - Risk assessment of plant facilities according to explosion hazard |
| (API, 2009) | Layout / Site | ||
| American Society of Civil Engineers | (ASCE, 2025) | Structure | - Blast resistant design for industrial explosions |
| (ASCE 59-22, 2023) | Structure | - Wide range of blast design applications | |
| (ASCE, 2021) | Structure | - Designing structures based on explosives, ballistic, etc. | |
| Asia Industrial Gases Association | (AIGA, 2016) | Layout / Site | - Determination of location and design for explosion risk |
| Center for Chemical Process Safety | (CCPS, 1994) | Layout / Site | - Calculation of load due to explosions in petrochemical facilities |
| (CCPS, 2012) | Both | - Guidance to building siting of facilities and blast resistant design | |
| (CCPS, 2018) | Layout / Site | - Guidance to siting evaluation according to explosion risk | |
| Chemical Industries Association | (CIA, 2020) | Structure | - Explosion risk assessment for chemical manufacturing industry |
| Department of Defense | (DOD, 2008) | Structure | - Design criteria for explosive safety |
| (DOD, 2020) | Layout / Site | - Layout design criteria for minimum antiterrorism | |
| Federal Emergency Management Agency | (FEMA 426, 2003) | Both | - Guidance to the blast resistant consideration, to reduce physical damage to buildings |
| Indian Standard | (IS 4991, 2003) | Structure | - Design criteria for blast resistant design |
| Norway Standard | (NORSOK N-004, 2004) | Structure | - Design recommendations for explosion |
| Process Industry Practices | (PIP, 2014) | Structure | - Design criteria for blast resistant industrial facilities |
| Steel Construction Institute | (SCI, 1999) | Structure | - Protection of structure from the explosions |
| US Army Corps of Engineers | (USACE, 2008a, 2025) | Structure | - Single degree of freedom structural response limits of blast |
| (USACE, 2008b) | Structure | - Methodology for component explosive damage Assessment | |
| UK Offshore Operators Association | (UKOOA/HSE, 2003) | Both | - A guideline for the methodology for explosion evaluation |
3.2 구조물 관점의 내폭설계 가이드라인별 범위 및 대상
현재 발간된 구조물 관점의 내폭설계 가이드라인 및 보고서는 다양한 전문기관에서 발간하였으며, 증기운 폭발에 대하여 내폭설계를 고려하여야 하는 문헌이 존재하지만 모든 문헌에서는 TNT를 통한 내폭설계 및 평가방법만을 제시하고 있다. 대표적인 전문기관의 내폭설계 가이드라인 및 보고서에서 제시하는 범위와 주요 목적은 다음과 같다.
AISC(2013)는 폭발하중, 건물의 설계 기준, 폭발하중에 대한 구조적 응답을 다루며, 주요 항목으로서 단자유도시스템을 활용한 강구조 설계 및 해석을 제시한다.
ASCE(2010)는 석유화학 시설물을 대상으로 제작되었으나 개정된 ASCE(2025)는 산업 시설물 및 에너지 시설물로 확장하여 현재 가장 최신의 자료를 담고 있으며, 하중 및 부재 응답 기준, 내폭설계 방법 및 보강방법 을 포함한 문제에 대해 전반적으로 제시한다. ASCE 59-22(2023)는 전반적인 우발적 또는 악의적인 폭발의 영향을 받는 신축 및 기존 건축물에 대해 최소 계획, 설계, 시공 및 평가 요건을 규정하고 있으며, 보호 수준, 하중, 해석 방법론, 재료, 세부 사항, 시험 절차가 포함된다. ASCE(2021)은 폭발물 테러에 저항할 수 있는 토목 및 건축구조물의 내폭설계에 있어 구조 엔지니어 지침을 제공하며, 민간 시설에 적용하기 위해 종합하여 재구성된 자료이다.
DOD(2008)는 미국의 육군, 해군, 공군의 합동 보고서인 Army TM 5-1300, Navy NAVFAC P-397, Air Force AFR 88-22의 자료를 통합하여 민간 공개 형식으로 작성된 것이며, 고폭발물에 따른 폭발하중 및 파편, 구조적 거동, 구조 형식별 설계, 동적해석법 등 다양하고 전문적인 내폭설계를 위한 기본 지침이다.
IS 4991(2003)은 지상 폭발에 따른 구조물의 내폭설계를 위한 인도 기준이며, 미국의 육군 보고서 Army TM 5-856-3을 바탕으로 폭발하중과 구조물의 상호작용, 설계 및 해석 방법 등을 간략히 제시한다.
FEMA 426(2003)은 잠재적인 테러 위협의 영향을 완화하는 방법에 대한 필요한 정보를 제공하며, 구조물 및 기반시설의 구조적/비구조적 구성 요소의 물리적 손상을 줄이고, 일반적인 건축물의 내폭설계 및 고려사항을 제시한다.
NORSOK N-004(2004)는 노르웨이의 해양 산업 시설물 강구조 설계 기준이며, 본 기준의 Annex.6은 폭발하중에 따른 강구조의 설계 및 해석 방법을 상세하게 제안한다. 특히 플랜트에서 발생 가능한 다양한 압력파 형태에 대해서 단자유도시스템의 응답차트와 함께 다양한 매개변수에 따른 저항 곡선 및 강성을 제시한다.
PIP(2014)는 DOD(2008)와 ASCE(2010)를 참조하여 산업 시설물의 내폭설계 실무 가이드라인을 제작하였으며, 일반적인 내폭설계 방법론, 폭발하중 산정방법, 응답기준 등을 제시한다.
SCI(1999)는 고폭발물의 폭발 영향에 대한 보호를 제공할 필요가 있는 상업 및 공공 건물의 설계에 대한 지침을 제공하며, 내폭설계 절차 및 구조 부재의 응답을 제시한다.
USACE(2008a, 2025)은 폭발하중에 따른 구조형식별 단자유도시스템의 응답한계와 손상 관계를 제안하였다. USACE(2008b)는 압력-충격량(P-I) 곡선과 폭발 중량-이격거리(CW-S) 곡선을 사용하여 설정한 구조 부재 손상 수준을 결정하고 다양한 TNT 폭발량과 이격거리 조건 하에서 특정 부재의 손상 정도를 예측할 수 있는 방법을 제시한다.
3.3 내폭설계의 응답한계 및 평가기준
3.3.1 내폭설계를 위한 구조적 응답 매개변수
구조적 응답은 동적인 영역인 지진하중과 많이 비교하고 있으며, 지진 하중은 기초의 진동이라는 2차적 효과이기 때문에 구조물 전체 영향을 가하며, 전체 시스템이 하중을 저항할 수 있도록 설계한다. 반면, 외부 폭발로부터의 1차 폭발 효과는 일반적으로 국부적으로 나타나기 때문에 건물 외피의 부재 손상을 방지하며, 구조 요소 간의 연속성을 제공하여 국부적 극심한 손상에 의한 불균형 붕괴를 방지함으로써 달성된다. 따라서 외부 건물 외피의 부재별 강화는 내폭 설계에서 일반적으로 핵심 고려 사항이다(Sammarco et al., 2014).
이에 따라 내폭설계를 위한 부재별 응답 매개변수는 변위 기반으로 연성비와 단부 회전각으로 구성되며, 철골 모멘트 저항 골조의 경우 층간 변위 한계 기준을 추가적으로 고려하여야 한다. Dusenberry(2010)에 의하면 연성비는 강구조 부재에 적합하고 철근콘크리트 부재의 경우 연성비가 휨손상과 잘 상관되지 않아 압축면의 변형률과 관련이 있는 단부 회전각을 적용하는 것이 적절하다고 분석한다. 내폭설계의 보호수준 및 손상정도에 따른 응답 매개변수인 연성비와 단부 회전각 산정법은 각각 식 (6), (7)과 같다.
여기서 μ는 연성비, Xm은 최대변위, Xe는 항복변위, θ는 단부 회전각, L은 부재 길이를 의미한다.
3.3.2 내폭설계 가이드라인의 부재별 평가방법 및 허용응답
현행 내폭설계는 성능기반 내진설계와 유사하게 부재 유형별 손상정도 및 보호수준에 따른 허용응답을 제시한다. 내폭설계의 허용응답을 적용하기 위하여 부재의 거동에 따른 분류를 적용하며, 폭발하중에 따른 휨 거동, 전단 거동, 압축 거동으로 분류된다(ASCE, 2025). 축하중과 폭발하중을 동시에 받는 철근콘크리트 부재의 경우, ASCE 59-22(2023)는 최대 축강도의 10 %를 초과하면 압축 부재로 제시하였으며, DOD(2008)는 축력을 보수적으로 무시하고 순수 휨을 받는 부재로 설계하도록 권장한다. 또한, 이전에 발간된 ASCE(2010)과 USACE(2008a)는 최대 축 강도의 20 % 초과하는 축력을 받는 부재를 휨과 압축을 받는 부재로 제시하였으나 개정된 ASCE(2025)와 USACE(2025)는 10 %로 변경되었다. Kyei and Braimah(2017), Lee and Kim(2022), Lim et al.(2025)은 축하중에 따른 철근콘크리트 부재 거동의 변화를 평가하였다. 따라서 축하중에 따른 부재의 휨 저항성이 달라짐에 따른 부재 분류를 위한 상세한 조건 및 기준의 개선이 필요하다.
대표적으로 철근콘크리트 휨 부재에 대하여 내폭설계 가이드라인에서 제시하는 응답한계는 Table 5와 같다.
Table 5
Various response criteria for reinforced concrete components in flexural response
| DOD(2008) | Components | Element Damage | ||||||||||||||||||||||||||||
| Category 1 | Category 2 | |||||||||||||||||||||||||||||
| μa | θa | μa | θa | |||||||||||||||||||||||||||
| Unlaced slab | - | 1° | - | 12° | ||||||||||||||||||||||||||
| Laced slab | - | 2° | - | 12° | ||||||||||||||||||||||||||
| Flat slab | - | 1° | - | 8° | ||||||||||||||||||||||||||
| Beam with stirrup | - | 2° | - | 8° | ||||||||||||||||||||||||||
| ASCE(2010) | Components | Element Damage | ||||||||||||||||||||||||||||
| Low | Medium | High | ||||||||||||||||||||||||||||
| μa | θa | μa | θa | μa | θa | |||||||||||||||||||||||||
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Beam, Slab, Wall (without shear reinforcing) | - | 1° | - | 2° | - | 5° | ||||||||||||||||||||||||
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Beam, Slab, Wall (with shear reinforcing) | - | 2° | - | 4° | - | 6° | ||||||||||||||||||||||||
| USACE(2008a) | Components | Element Damage | ||||||||||||||||||||||||||||
| Superficial | Moderate | Heavy | Hazardous | |||||||||||||||||||||||||||
| μa | θa | μa | θa | μa | θa | μa | θa | |||||||||||||||||||||||
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Flexure (without shear reinforcing) | 1 | - | - | 2° | - | 5° | - | 10° | ||||||||||||||||||||||
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Flexure (with compression face reinforcing) (with shear reinforcing) | 1 | - | - | 4° | - | 6° | - | 10° | ||||||||||||||||||||||
| ASCE(2025) | Components | Element Damage | ||||||||||||||||||||||||||||
| Low | Medium | High | ||||||||||||||||||||||||||||
| μa | θa | μa | θa | μa | θa | |||||||||||||||||||||||||
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Flexure (rebar each face) | RI < 0.05 | - | 2° | - | 4° | - | 8° | |||||||||||||||||||||||
| RI≥0.05 | - | 1° | - | 2° | - | 5° | ||||||||||||||||||||||||
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Flexure (rebar each face with stirrups) | - | 1° | - | 4° | - | 6° | ||||||||||||||||||||||||
| USACE(2025) | Components | Element Damage | ||||||||||||||||||||||||||||
| Superficial | Moderate | Heavy | Hazardous | |||||||||||||||||||||||||||
| μa | θa | μa | θa | μa | θa | μa | θa | |||||||||||||||||||||||
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Flexure (rebar each face) | RI≤0.03 | - | 0.5° | - | 4° | - | 8° | - | 12° | |||||||||||||||||||||
| RI >0.03 | - | 0.5° | - | 6.4(RI)-0.43 | - | 12.8(RI)-0.43 | - | 18.2(RI)-0.38 | ||||||||||||||||||||||
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Flexure (rebar each face) (with shear reinforcing) | RI≤0.05 | - | 0.5° | - | 5° | - | 8° | - | 12° | |||||||||||||||||||||
| RI>0.05 | - | 0.5° | - | 7.9(RI)-0.28 | - | 10.4(RI)-0.16 | - | 14.1(RI)-0.10 | ||||||||||||||||||||||
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Flexure (rebar tensile face only) | RI≤0.05 | - | 0.5° | - | 2.5° | - | 5° | - | 7° | |||||||||||||||||||||
| 0.05≤RI < 0.15 | - | 0.5° | - | 3.5(RI)-0.20 | - | 7.9(RI)-0.28 | - | 10.4(RI)-0.25 | ||||||||||||||||||||||
| RI > 0.15 | - | 0.5° | - | 2° | - | - | ||||||||||||||||||||||||
DOD(2008)는 인명 안전성과 폭발의 전이를 방지하고자 할 경우의 부재 응답 분류로 제시하였다. USACE(2008a)는 폭발에 따른 부재의 손상수준에 따른 응답한계를 제시하였으며, Superficial은 영구변형이 없는 상태, Moderate는 영구변형이 존재하지만 일반적으로 수리가능 상태, Heavy는 영구변형이 심각하여 수리가 불가능한 상태, Hazardous는 부재의 파괴와 높은 수준의 파편 속도 유발을 나타낸다. ASCE(2010)은 USACE(2008a)를 기반으로 하여 석유화학 플랜트 시설물에 대해서 부재 손상 수준에 따른 보수적인 응답 한계를 보이며, 손상 수준인 Low, Medium, High 각각 USACE(2008a)의 Superficial, Moderate, Heavy와 동일한 정의를 적용한다. 개정된 ASCE(2025)와 USACE(2025)는 철근비 개념을 확장하여 식 (8)과 같이 RI를 활용한 분류를 신설하였으며, 이는 지속적인 연구를 통하여 개정될 것으로 분석된다.
여기서 RI는 철근 지표, As는 인장 철근 면적, b는 부재 압축 면의 폭, d는 압축 면으로부터 인장 철근의 길이, fds는 철근의 동적 강도, f'dc는 콘크리트의 동적 압축강도를 의미한다.
3.4 산업 시설물을 위한 성능기반 내폭설계의 확장 및 적용성
현재 ASCE(2010, 2025)에 따르면 내폭설계는 유수엔지니어링 기관에서 관행적인 단일폭발하중만을 이용하고 있는 실정이다. 반면, 성능기반 개념과 유사하게 USACE(2008a, 2025), ASCE 59-22(2023)는 구조물의 보호 수준을 LOPⅠ(Very Low), LOPⅡ(Low), LOPⅢ(Medium), LOPⅣ(High)를 제시하여 엔지니어와 소유주 등의 이해관계에 따른 위험도별 허용 응답을 선정할 수 있도록 유도한다. 이러한 성능기반 체계를 활용하여 내폭성능목표, 내폭등급, 내폭성능수준, 허용기준 등의 시스템을 갖추어 석유화학 플랜트 중점으로 성능기반 내폭설계법을 확장할 수 있을 것으로 분석된다.
다양한 연구진은 성능기반 내폭설계법의 도입을 위하여 시설물 형식과 폭발 유형에 따라 설계 체계를 제안하였다. Ma et al.(2023)은 차량용 폭발물에 따른 성능설계 조건의 선정과 목표성능수준의 결정과 설계 변수를 채택하여 철근콘크리트 교량 기둥의 성능기반 내폭설계 절차를 제안하였다. Lee and Kim(2023)은 현행 성능기반 내진, 내풍, 내화 설계법과 내폭설계법의 고찰을 통하여 플랜트 시설물의 재현주기별 설계폭발하중, 내폭등급, 내폭성능목표, 허용기준 등의 체계를 제안하였다. Lee et al.(2024)은 석유화학 플랜트 시설물 대상의 성능기반 내폭설계를 위하여 플랜트 시설물의 탄화수소 누출량 데이터를 활용한 폭발재현주기별 폭발하중을 제안하였으며, 이에 따른 성능기반 내폭설계의 허용기준을 활용하여 벽체의 성능검증을 수행하였다.
다양한 연구진이 제시한 내폭설계 체계를 고찰하여 국내 성능기반 내진설계 체계로서 제안할 수 있다. 시설물의 내폭등급은 전문가 및 관계기관의 검토와 함께 중요도 및 영향도에 따라서 내폭Ⅱ 등급, 내폭Ⅰ등급, 내폭 특 등급으로 분류하고 Table 6과 같다. 시설물의 내폭성능수준은 운행가능수준, 기능수행수준, 인명보호수준, 붕괴방지수준으로 분류하며, 시설물에 따라 요구되는 내폭성능수준을 만족하도록 설계하여야 한다. 설계폭발하중 수준은 평균재현주기 250년, 500년, 1,000년, 2,500년, 5,000년, 10,000년으로서 정의한다. 평균재현주기에 따른 설계폭발하중은 잠재적 폭발원으로부터 60 m 떨어진 기준거리로서 폭발압력과 지속시간으로 정의한다. 내폭성능목표는 평균재현주기를 갖는 설계폭발하중과 요구되는 내폭성능수준의 조합으로 정의한다. 내폭등급별로 시설물은 Table 7에 규정한 최소 내폭성능목표를 만족하도록 설계한다. 시설물의 내폭등급에 따라 두 개 이상의 내폭성능수준을 선택하여 적용할 수 있다. 단, 일부 특수한 목적 또는 특수 보호 시설물은 엔지니어 및 전문가 검토에 의거하여 붕괴방지수준을 필수로 고려해야 한다. 시설물별 보다 강화된 내폭성능목표가 필요한 경우에는 규정된 최소 내폭성능목표 이상으로 설계하여야 한다. 허용응답의 경우, 산업 시설물의 운행가능수준을 만족하기 위해서 연성비를 1 이하의 값을 만족하도록 하여야 한다.
Table 6
Classification of industrial facilities of blast classification
1) Impact Category: Categorized based on the social and economic consequences caused by structural damage. Facilities are classified as Category A when there is significant impact due to loss of public function, high population density in adjacent areas, or extended recovery time; otherwise, they are designated as Category B.
Table 7
Proposed minimum blast performance objectives
4. 결 론
산업 시설물에서 주요하게 고려되는 증기운 폭발을 중심으로 다양한 폭발하중의 특성과 모델을 분석하고, 기존 내폭설계 가이드라인의 범위와 적용성을 종합적으로 검토하였다. 현재 대부분의 내폭설계 가이드라인은 TNT 등가량 환산법에 의존하고 있으며, 이는 증기운 폭발의 복합적인 메커니즘을 충분히 반영하지 못한다. 멀티에너지법과 같은 모델은 환경 조건을 고려한 폭발 강도 산정이 가능하여 보다 현실적인 하중 산정이 가능하다. 구조물 관점과 구획 관점의 내폭설계 접근 방식은 각각 장단점이 있으며, 이를 통합한 산업 시설물 전용 내폭설계 체계가 요구된다. 특히 산업 시설물과 같은 복합 시스템 구조물에는 위험도 기반 설계 접근이 효과적이다. 특히, 다양한 연구진이 제안한 성능기반 개념을 적용함으로써 재현주기, 내폭등급, 성능수준, 설계폭발하중 등을 종합적으로 고려한 체계적인 설계 방안을 제시할 수 있다.
본 연구에서 정리한 성능기반 내폭설계 체계는 국내 설계 환경과 산업 시설물의 특수성을 반영하여 현실적인 설계 적용이 가능하도록 구성되었으며, 향후 내폭설계 기준의 제정 및 고도화를 위한 기반 자료로 활용될 수 있다.
