1. 서 론
2. 연구질문, 범위 및 포함 기준
3. 폭발·탄도 하중의 특성과 철근콘크리트 응답
3.1 폭발하중: 입력–충력량과 국부–전역 상호작용
3.2 탄도하중: 관입, 관통과 후면 스캐빙
3.3 폭발–파편 및 연속위험
4. 재료 수준의 방호성능 향상
4.1 보통강도 및 고강도 콘크리트와 변형률 속도 효과
4.2 섬유보강 콘크리트와 하이브리드 섬유
4.3 UHPC/UHPFRC의 방폭·방탄 성능
4.4 동적 재료모델과 수치해석의 역할
5. 부재 및 시스템 수준의 보강전략
5.1 철근상세, 구속, 정착 및 프리스트레스
5.2 FRP 외부부착 및 표면매립 보강
5.3 고분자 코팅과 후면 파편포 획층
5.4 강판, SCS 및 구속형 복합표적
5.5 희생형 클래딩, 흡에너지 폼 및 샌드위치 시스템
5.6 ECC 및 GFRP 바 기반 신소재 보강
5.7 기능경사형 다층 방호개념
6. 종합 논의와 우선 연구과제
6.1 방폭과 방탄에 공통적인 설계원리
6.2 근거가 강한 영역과 발전 중인 영역
7. 결 론
1. 서 론
도심 산업시설, 에너지 인프라, 군사 시설 및 중요 공공시설은 우발적 폭발, 근접 폭발, 파편 비산, 탄도 충돌과 같은 저확률–고결과 극한 사건에 노출될 수 있다. 이들 사건은 통상적인 정적 또는 지진 하중과 달리 매우 짧은 시간에 큰 에너지를 전달하고, 재료의 변형률 속도 의존성, 관성 구속, 응력파 반사, 국부 파쇄와 전역 변형이 동시에 나타난다는 특징이 있다. 따라서 방호 설계는 단순히 설계하중에 대한 부재 강도를 확보하는 문제가 아니라, 예상 위협을 합리적으로 정의하고, 취성파괴를 억제하며, 국부 손상이 후에도 하중 경로와 인명 보호기능을 유지하도록 하는 성능기반 의사 결정문제로 이해해야 한다(Cadoni et al., 2025; Anas et al., 2021).
폭발 하중과 탄도 하중은 흔히 하나의 “충격하중” 범주로 묶이지만 지배 메커니즘은 본질적으로 다르다. 폭발은 압력–시간 이력과 충격량이 비교적 넓은 면적에 작용하면서 전역 휨, 직접전단, 펀칭, 지점 및 연결부 파괴, 후면 박리와 연쇄 붕괴 가능성을 유발한다. 반면, 탄도 충돌은 발사체의 질량, 속도, 직경, 선단 형상 및 강도에 의해 지배되는 매우 국부적인 접촉 문제로서 관입, 관통, 전면 크레이터, 플러깅 및 후면 스캐빙이 주요 성능지표가 된다(Li et al., 2005; Esaker et al., 2023). 동일한 재료 향상 또는 보강 기법이라도 하중에서 작동하는 경로가 다르므로, 방폭과 방탄을 일률적으로 평가하면 설계상 잘못된 우선 순위를 도출할 수 있다.
기존 리뷰는 폭발 하중을 받는 reinforced concrete(RC) 슬래브, fiber-reinforced concrete(FRC) 보강, ultra-high-performance concrete(UHPC)의 방폭 거동, 콘크리트의 충돌 저항 또는 UHPC 탄도 성능을 개별적으로 잘 정리해 왔다(Buchan and Chen, 2007; Pham and Hao, 2016; Anas et al., 2021; Liu et al., 2022, 2024; Esaker et al., 2023). 그러나 실제 방호시설 설계에서는 재료, 철근 상세, 외부 보강, 희생층, 샌드위치 패널, 후면 파편 포획층 및 잔존 내력평가가 하나의 시스템 안에서 결합 된다. 또한 최근 연구는 고강도 철근–UHPC, 재활용 타이어 섬유 보호층, 콘크리트–흡에너지폼 패널, 화재 선행 손상과 폭발의 연계, 확률론적 직접 전단 방지 등으로 확장되고 있어, 단일재료의 강도 비교를 넘어 기능별 방호계층과 검증 수준을 함께 평가 할 필요가 있다(Park et al., 2024; Shadan et al., 2024; Wang et al., 2025; Li and Aoude, 2025; Lozano et al., 2025).
이에 본 연구는 기존 선행 연구를 근거로 철근콘크리트 기반 방호구조의 방폭·방탄 성능 향상 연구를 구조적 메커니즘 중심으로 재분류하고, 재료 수준, 부재 및 보강 시스템 수준, 성능기반 설계 및 검증 수준의 연결 관계를 제시한다. 본 논문의 기여는 다음과 같다. 첫째, 폭발과 탄도의 위협 및 파괴메커니즘을 분리하여 공통점과 차이를 명확히 한다. 둘째, 압축강도 중심의 평가를 벗어나 인장 인성, 구속, 철근 연속성, 직접전단, 부착·정착 및 후면파편 억제의 중요성을 종합한다. 셋째, 희생 전면층–임피던스 전이 및 흡에너지층–연성구조코어–후면파편 포획막으로 구성되는 기능 경사형 다층 방호개념을 제안한다. 넷째, 위협 정의부터 잔존 내력과 불확실성까지 연결하는 성능기반 검증 절차와 우선 연구과제를 도출한다.
2. 연구질문, 범위 및 포함 기준
본 논문은 완전한 통계적 메타분석이 아니라, 탐색 범위와 포함 기준을 투명하게 제시하는 구조화된 최신 연구 동향 분석(state-of-the-art review)으로 수행하였다. 분석 대상은 RC, FRC, UHPC/ultra-high-performance fiber-reinforced concrete(UHPFRC) 및 콘크리트 기반 복합 방호시스템이 폭발, 파편 또는 탄도 충돌을 받을 때의 하중 전달, 손상, 파괴 및 보강 효과이다. 본 리뷰연구를 수행함에 있어 다음과 같은 질의를 근간으로 두고 있다. (1) 방폭과 방탄 하중에서 철근콘크리트 방호구조의 지배파괴 기구와 핵심 설계 변수는 무엇인가? (2) UHPC/UHPFRC, fiber-reinforced polymer(FRP), 고분자 코팅, 강판 및 steel-concrete-steel(SCS), 희생형 샌드위치·흡에너지 시스템은 어떤 메커니즘으로 성능을 향상 시키며, 각각의 적용 한계는 무엇인가? (3) 폭발–파편–탄도 복합위협에 대응하는 성능기반 설계, 수치해석 검증, 잔존 성능 및 불확실성 관리 측면의 핵심 연구 공백은 무엇인가?
포함 기준은 (1) 콘크리트 기반 구조 또는 부재를 대상으로 할 것, (2) 폭발·파편·탄도 위협 중 하나 이상을 명시할 것, (3) 변위, 손상 모드, 관입깊이, 관통 한계, 크레이터·스캐빙, 잔존 내력 또는 에너지 흡수와 같은 구조 성능 결과를 제시할 것, (4) 수치 연구의 경우 실험 또는 독립자료에 대한 검증을 포함할 것, (5) 재료 또는 보강 효과를 설계 변수와 연결할 수 있을 것이다. 정적 압축 강도만 보고하거나, 해석모델의 입력·경계조건·침식 기준을 제시하지 않은 순수 수치 연구는 핵심 근거에서 낮은 비중으로 취급하였다. Fig. 1은 본 연구에서 정리한 기존 문헌 연구에 대한 키워드 및 출간 년도별 빈도수로 정리하였다.
3. 폭발·탄도 하중의 특성과 철근콘크리트 응답
3.1 폭발하중: 입력–충력량과 국부–전역 상호작용
자유공기 또는 지표면 폭발의 일차 설계변수는 폭약량(W)과 이격거리(R)이며, 기하학적으로 유사한 폭발의 비교에는 Hopkinson-Cranz 환산거리 Z = R/W1/3가 널리 사용된다. 그러나 동일 환산거리(Z)라도 폭약형상, 기폭위치, 반사면, 입사각, 개구부, 내부 폭발의 구속 및 압력 해제(clearing)에 따라 부재에 실제로 전달되는 반사압력과 충격량이 달라질 수 있다. 구조 응답을 결정하는 것은 최대 압력만이 아니라 압력–시간 이력의 적분인 충격량과 부재의 고유주기, 소성 저항, 경계조건의 조합이다. 따라서 압력–충격량(pressure-impulse, P-I) 선도와 단자유도(single-degree-of-freedom, SDOF) 모델은 빠른 손상 영역판정에 유용하지만, 직접전단, 펀칭, 국부박리 또는 복잡한 반사압력이 지배할 때에는 고차원 전산 해석과 실험검증이 필요하다(Krauthammer et al., 2008; Abedini et al., 2019).
근접 및 접촉 폭발에서는 하중의 공간 구배가 매우 크고 전면 크레이터, 콘크리트 파쇄, 후면 박리·브리칭이 휨 응답보다 먼저 발생할 수 있다. Zhao and Chen(2013), Li et al.(2015b, 2016) 및 Nam et al.(2017)은 접촉폭발에서 콘크리트 강도, 판두께, 철근 및 섬유가 전면과 후면 손상에서 다른 영향을 준다는 점을 보여준다. 멀리 떨어진 공중 폭발에서는 전역휨과 막작용이 상대적으로 중요하지만, 지점부 직접전단 또는 반력 구간의 취성파괴가 선행하면 충분한 휨 연성이 발현되지 않는다. Lozano et al.(2025)은 재료·기하·저항모델의 불확실성을 고려 할 때 전단 보강이 없는 슬래브의 조기 전단 확률이 무시하기 어렵고, 목표 신뢰도에 따라 전단수요를 증폭하는 개념이 필요함을 제시하였다.
방호 설계의 결과변수는 최대변위 또는 회전각에 한정되지 않는다. 후면 박리편의 질량과 속도, 철근 파단, 지점 잔존성, 국부 구멍의 발생, 화재·연기 확산을 허용하는 관통, 복구 가능성 및 폭발후 정적 잔존 내력은 인명 보호와 기능 연속성에 직접 연결된다. Schenker et al.(2008)의 실규모 시험과 Park et al.(2024)의 내부 폭발 패널 연구는 계측된 압력과 구조 응답, 시험체의 비의도 파괴 및 반사 조건을 함께 해석하지 않으면 보강 효과를 잘못 판단할 수 있음을 보여준다. 특히 보호 패널이 벽변위를 줄이더라도 2차 충돌이나 반동으로 가속도 또는 국부 손상을 증가시킬 수 있으므로, 보호 대상 장비와 인체에 필요한 성능지표를 먼저 정의해야 한다.
3.2 탄도하중: 관입, 관통과 후면 스캐빙
탄도 충돌의 기본 에너지 규모는 Ek = 1/2 mv²로 표현 할 수 있으나, 동일 운동 에너지라도 발사체 직경, 질량 분포, 선단 곡률, 강성·파손성, 입사각 및 표적의 두께와 구속 조건에 따라 결과가 달라진다. 오자이브형 선단을 갖는 강체(rigid ogive-nosed) 발사체에 대한 Forrestal et al.(1994, 1996)과 Frew et al.(1998)의 관입식은 반경험적 설계의 기반을 제공했으며, Li et al.(2005)은 경질 발사체에 의한 콘크리트의 국부 효과를 관입, 스캐빙 및 관통으로 체계화하였다. 다만, 경험식은 적용 자료의 발사체와 표적 범위에 민감 하므로, 얇은 판, 고강도·섬유보강 콘크리트, 복합층 또는 발사체 변형이 큰 조건에는 직접적인 외삽을 피해야 한다.
충돌면에서는 높은 압축응력과 전단 파쇄가 전면 크레이터와 관입공을 형성한다. 압축파가 자유 후면에서 인장파로 반사되면 콘크리트의 낮은 동적 인장 저항 때문에 원뿔형 균열, 스캐빙 및 플러그가 발생할 수 있다. 따라서, 두꺼운 반무한 표적에서 관입 깊이를 줄이는 재료가 얇은판의 관통 한계를 동일 비율로 향상시킨다고 볼 수 없다. Hanchak et al.(1992), Zhang et al.(2005), Dancygier et al.(2007), Kristoffersen et al.(2021)의 결과는 압축강도 증가가 관입저항에는 유리하지만, 후면 인장 파괴와 취성 파편화는 두께, 인장강도, 철근·섬유 및 후면 구속에 크게 좌우됨을 보여준다.
탄도 성능평가는 관입깊이(depth of penetration, DOP), 전면·후면 크레이터 직경, 관통 한계속도, 잔류속도, 발사체 마모·파손, 표적의 면적 당질량, 후면 파편량을 함께 사용해야 한다. 관입깊이 하나만으로는 점유 공간의 안전성을 설명할 수 없으며, 반대로 후면 스캐빙 감소만으로 관통 방지 능력이 향상 되었다고 단정할 수 없다. 최근 Kim et al.(2025)은 carbon fiber-reinforced polymer(CFRP) 시트와 그리드가 충돌 에너지를 흡수하고 DOP와 손상 영역을 줄일 수 있음을 보였지만, 전면 배치와 후면 배치의 역할이 다름을 강조하였다. 이는 보강재를 “강한 재료”로 보는 대신, 전면 파쇄억제, 에너지분산, 후면 파편 포획 중 어떤 기능을 수행하는지 명확히 해야 함을 의미한다.
3.3 폭발–파편 및 연속위험
실제 폭발체는 공기 충격파와 함께 금속 파편을 발생시키며, 파편의 선행 또는 동시 충돌이 RC 장벽에 국부 크레이터와 균열을 만든 뒤 폭압이 전역 변형을 증폭 시킬 수 있다. Leppänen(2005), Nyström(2009), Grisaro et al.(2018) 및 Grisaro and Dancygier(2018)는 폭발과 파편을 독립 하중으로 단순 합산할 경우 손상 시점, 파편 분포, 선행 강성 저하 및 잔존 저항의 상호작용을 놓칠 수 있음을 보여준다. 파편 충돌로 손상된 판의 잔존 구조 특성에 관한 후속 연구는 국부 손상이 전체 휨 저항과 파괴 모드에 미치는 영향을 별도로 평가해야 함을 지적한다(Grisaro and Dancygier, 2019; Grisaro et al., 2019).
연속 폭발, 충돌 후 화재, 화재 후 폭발 또는 반복 탄도와 같은 다중 사건은 아직 실험자료가 제한적이다. Xu et al.(2023)은 화재로 열화된 UHPC 기둥의 폭발 응답을 수치적으로 분석하여 선행 열화가 강도뿐 아니라 손상 분포와 연성에 영향을 줄 수 있음을 보여주었다. 실무적으로는 각 위협을 독립적으로 만족시키는 것 만으로 충분하지 않으며, 첫 사건이 두 번째 사건의 하중 경로·계면·재료 상태를 어떻게 변화 시키는지 시나리오 기반으로 확인해야 한다. Table 1에 연구 타입별로 분리하여 정리하였다.
Table 1
Mechanism-based comparison of blast and ballistic demands
4. 재료 수준의 방호성능 향상
4.1 보통강도 및 고강도 콘크리트와 변형률 속도 효과
콘크리트는 고속 하중에서 정적 시험보다 높은 명목 강도를 보이지만, 이를 순수 재료의 변형률 속도 효과로만 해석하는 것은 위험하다. Split Hopkinson pressure bar 및 충격 시험에서는 횡관성, 마찰, 응력 평형 미달과 구속압이 측정 강도에 포함될 수 있다. Grote et al.(2001), Hao et al.(2013) 및 Ožbolt et al.(2014)은 압축과 인장의 동적 증가가 서로 다르고, 시험기법·시편 크기·응력 상태에 민감하다는 점을 보여준다. 따라서, 정적 강도에 단일 동적 증가계수(dynamic increase factor, DIF)를 곱하는 단순화는 예비 설계에는 사용 가능 하지만, 접촉 폭발과 관입처럼 고압 구속과 인장파괴가 공존하는 문제에는 압력·Lode 각·손상·변형률 속도 의존 재료 모델이 필요하다.
고강도 콘크리트는 전면 압축파쇄와 관입 깊이를 줄이고 동일 두께에서 표적 질량을 절감하는 장점이 있다. 그러나 압축강도 증가에 비해 인장 연성·파괴 에너지가 충분히 증가하지 않으면 균열이 국부화 되고 후면 스캐빙이나 큰 취성 파편이 발생할 수 있다. Hanchak et al.(1992)과 Zhang et al.(2005)의 탄도 시험, Li et al.(2015b)의 접촉 폭발 비교는 고강도가 유리하더라도 두께, 철근 배치와 인장 보강 없이 “강도만 높은” 판은 인명 보호 성능을 보장하지 않음을 보여준다. 설계 변수는 f′c 뿐 아니라 직접 인장강도, 인장 연화, 파괴 에너지, 구속압, 철근비 및 후면막의 변형능력을 포함해야 한다.
4.2 섬유보강 콘크리트와 하이브리드 섬유
강섬유, 합성 섬유 또는 하이브리드 섬유는 균열 가교, 균열폭 제한, 인장 에너지 흡수 및 파편 일체성 유지에 기여한다. 이는 압축강도 증가보다 폭발 후 면박리와 탄도 크레이터·스캐빙 억제에 더 직접적인 이점을 제공한다. Ong et al.(1999), Almansa and Cánovas(1999), Almusallam et al.(2013, 2015), Burrell et al.(2015), Yoo and Banthia(2019)는 섬유가 국부 파괴 면적과 파편화를 감소시키고, 부재 수준에서는 변형 능력과 잔존 저항을 개선할 수 있음을 보여 준다. 특히, 서로 다른 길이·재질의 하이브리드 섬유는 미세균열과 거시 균열을 분담하여 넓은 변형 범위에서 인성을 확보할 수 있다.
다만, 섬유량 증가는 성능을 단조롭게 향상시키지 않는다. 높은 혼입률은 시공성, 분산, 방향성, 공극 및 비용을 악화시킬 수 있고, 발사체의 잔류속도와 관입 깊이에는 제한적인 변화만 나타나면서 크레이터 제어에 주로 기여할 수 있다. Li et al.(2025)의 메조 스케일 연구는 섬유 형상·함량에 따른 관입 및 관통 성능의 최적점이 다를 수 있음을 보여주며, 2 %를 일률적 최적값으로 가정하는 관행에 주의를 요구한다. 따라서, 섬유 설계는 압축 강도보다 인장 응력–균열 개구 관계, 섬유 pull-out 에너지, 방향성, 목표 실패 모드 및 시공 가능성을 기준으로 최적화 해야 한다.
4.3 UHPC/UHPFRC의 방폭·방탄 성능
UHPC/UHPFRC는 낮은 공극률, 높은 압축강도, 고밀도 매트릭스와 강섬유 가교를 결합하여 동일 두께의 보통 콘크리트보다 폭발 및 탄도 손상을 현저히 줄일 수 있다. Wu et al.(2009), Millard et al.(2010), Li et al.(2015a, 2016), Mao et al.(2015), Luccioni et al.(2018) 및 Li and Aoude(2025)는 폭발 하중에서 UHPFRC가 균열 및 파편화를 억제하고 휨·전단 저항을 향상 시킴을 보고 하였다. 탄도 분야에서는 Máca et al.(2014), Wu et al.(2015), Liu et al.(2017, 2018), Zhong et al.(2021), Das and Nanthagopalan(2024)이 관입 깊이, 크레이터 및 관통 한계를 개선하는 효과를 확인하였다. 최근의 종합 리뷰는 UHPC의 강도 이점보다 인장 인성, 섬유 구성, 표적 두께와 외부 보강의 상호작용이 설계 결과를 좌우함을 강조한다(Liu et al., 2022, 2024).
UHPC를 무근 또는 얇은 고강도판으로만 사용하면 전면 손상은 작아지더라도 후면에서 취성 스캐빙이 발생할 수 있다. 철근 또는 강선망은 균열면을 가로질러 에너지를 분산하고, 판의 잔류 일체성과 막작용을 유지한다. Liu et al.(2017)의 강선망 보강 reactive powder concrete(RPC), Wang et al.(2025)의 630 MPa 고강도 철근–UHPC 접촉 폭발시험, Zhao et al.(2025)의 고강도 철근망–UHPC 관입 시험은 고강도 재료와 구속·연속 보강의 시너지 효과를 보여 준다. 그러나 고강도 철근의 작은 연신율, 정착·이음, 용접성, 고밀도 배근에 따른 시공성 및 국부 지압파괴를 동시에 검토해야 한다.
UHPC의 높은 결합 재량과 강섬유는 비용과 탄소 배출을 증가시킬 수 있으므로 전단면 적용이 항상 최적은 아니다. 전면 희생층, 국부 보강층 또는 얇은 후면 인성층으로 기능을 분담하면 재료량을 줄이면서 목표 성능을 확보할 수 있다. Liu et al.(2021)의 지오폴리머 기반 UHPC, Shadan et al.(2024)의 재활용 타이어 섬유 시멘트 복합층, Yang et al.(2025)의 화강암 러블–UHPC 복합체는 보호 성능과 자원 효율을 함께 고려하는 방향을 제시하지만, 장기 내구성, 계면, 현장 타설성 및 대규모 성능 검증은 아직 발전 중인 근거 영역이다.
4.4 동적 재료모델과 수치해석의 역할
폭발 및 탄도 시험은 비용과 안전 제약이 크기 때문에 검증된 명시적 유한요소 해석(explicit finite element analysis)이 설계 변수 탐색에 필수적이다. 일반적으로 콘크리트에 대해 Riedel-Hiermaier-Thoma(RHT), Karagozian & Case concrete(KCC), Continuous Surface Cap Model(CSCM), Holmquist-Johnson-Cook(HJC) 또는 손상 소성 기반 모델이 사용되며, 탄도 관입을 나타내기 위해 smoothed particle hydrodynamics(SPH), arbitrary Lagrangian-Eulerian(ALE) 또는 입자–유한요소 결합법을 사용하여 대변형과 파쇄를 처리한다. 그러나 동일 시험을 재현하는 여러 모델이 서로 다른 손상 변수, 압력 의존성 및 침식 기준으로 유사한 잔류 속도만 맞출 수 있다. 따라서 “결과 일치”보다 압력–체적 거동, 인장 연화, 파괴 에너지, 변형률 속도, 구속압, 철근–콘크리트 부착과 계면 거동이 독립 시험으로 보정 되었는지 확인해야 한다(Mao et al., 2014; Lee and Kwak, 2018; Liu et al., 2018).
수치 침식은 요소 왜곡을 방지하지만 삭제된 요소의 질량과 에너지를 비물리적으로 제거할 수 있다. 메쉬 크기 변화에 따라 크레이터, DOP 또는 브리칭이 크게 달라지면 예측 모델의 설계 사용은 곤란하다. 탄도 해석에서는 발사체를 강체로 가정할 수 있는 속도·강도 범위를 확인하고, 폭발 해석에서는 폭약–공기–구조결합, 반사 압력과 경계 강성을 별도로 검증해야 한다. 최근 메조 스케일 섬유 모델과 복합러블 모델은 세부 메커니즘을 설명하는 장점이 있으나 계산 비용과 재료 분포의 불확실성이 커서, 구조 설계에는 등가 모델과의 다중 수준 연결이 필요하다(Li et al., 2025; Yang et al., 2025). Table 2에 방호 연구에 관한 주요 연구 특징을 정리하였다.
Table 2
Representative studies on blast-resistant concrete systems
| Study | System / Scale | Main Finding | Transferability / Limitation |
| Schenker et al.(2008) |
Full-scale RC slabs; field blast |
Pressure and structural response require field-scale interpretation; boundary |
High transferability, but expensive and limited repetitions |
| Wu et al. (2009) |
UHPFRC and FRP-retrofitted slabs |
UHPFRC and FRP reduced damage; strengthening function depends on material and placement |
Representative slab tests; interface details remain case-specific |
| Millard et al.(2010) | UHPFRC beams/panels |
Dynamic flexural and shear enhancement must be separated | Useful mechanism data; component scale |
| Wang et al. (2012) |
Scaled one-way square RC slabs |
Geometric scaling affects damage and response; similitude is not automatic | Important scale-effect evidence |
| Li et al. (2015b, 2016) |
NSC and UHPC slabs; contact explosions |
UHPC reduced crater/spall and fragmentation, but thickness |
Strong comparative evidence for contact blast |
| Burrell et al.(2015) | SFRC columns; blast |
Steel fibers improved damage control and residual integrity |
Column-specific; connection effects still needed |
| Luccioni et al.(2018) |
High-strength FRC slabs; tests and FE |
Fiber toughness improved local and global response when model calibration was adequate | Moderate-to-high evidence |
| Maazoun et al.(2018) |
CFRP-strengthened RC slabs |
Externally bonded reinforcement improved flexural response; anchorage and debonding govern |
Full-scale relevance; system-specific bond details |
| Wang et al. (2021) |
POZD-coated RC slabs; contact explosions |
Rear coating retained fragments and improved survivability; thickness |
Good experimental evidence for consequence control |
| Park et al. (2024) |
Concrete/foam protective panels; internal explosion |
Foam density changed displacement and acceleration reduction differently |
Field plus validated numerical trend; test-structure shear failure is a caveat |
| Wang et al. (2025) |
High-strength rebar and UHPC slabs |
High-strength rebar-UHPC reduced damage; traditional models | Recent evidence; broader validation needed |
| Lozano et al.(2025) |
Probabilistic RC one-way slabs |
Premature shear probability remains relevant; reliability-based |
Analytical/probabilistic; requires experimental calibration |
Note: RC = reinforced concrete; UHPFRC = ultra-high-performance fiber-reinforced concrete; FRP = fiber-reinforced polymer; NSC = normal-strength concrete; UHPC = ultra-high-performance concrete; SFRC = steel fiber-reinforced concrete; FE = finite element; CFRP = carbon fiber-reinforced polymer; POZD = polyisocyanate-oxazodone.
5. 부재 및 시스템 수준의 보강전략
5.1 철근상세, 구속, 정착 및 프리스트레스
방호 부재의 목표는 가능한 한 휨 또는 막작용과 같은 연성 메커니즘을 발현시키고, 직접전단, 펀칭, 지점파괴, 철근 정착·이음 파괴를 지연시키는 것이다. 양면 철근, 충분한 전단 보강, 짧은 철근간격, 폐쇄형 구속 상세, 지점 정착 및 연속 하중경로는 국부 손상 후에도 판과 보의 일체성을 유지한다. 단순히 휨 철근비를 증가시키면 강성 및 반력이 증가해 지점 전단이 지배할 수 있으므로, 휨–전단 능력 설계와 지점·연결부의 초과강도가 필요하다. Lee and Kwak(2018)은 고속 하중에서 철근–콘크리트 부착 및 하중 이력이 RC 응답에 유의한 영향을 줄 수 있음을 보여주며, 정착·겹침이음과 연결부를 재료모델보다 낮은 중요도로 취급해서는 안 됨을 시사한다.
프리스트레스와 고강도 철근은 균열 개시를 지연하고 관통 또는 전역 변형을 억제할 수 있다. Rajput and Iqbal(2017), Kamran and Iqbal(2022)은 보통·철근·프리스트레스 콘크리트의 탄도성능을 비교하여 초기 압축과 철근구속의 이점을 보여준다. 폭발 부재에서는 Li and Aoude(2019, 2025)가 고강도 철근, UHPC, 섬유량과 상세 수준의 결합이 변위, 철근파단 및 잔존내력에 미치는 영향을 실험적으로 제시하였다. 다만 프리스트레스 손실, 긴장재의 국부 손상, 앵커존, 화재·부식 후 잔존긴장력 및 취성 파단을 고려해야 한다. Wang et al.(2025)과 Zhao et al.(2025)의 고강도 철근 연구는 재료 강도 증가가 효과적일 수 있음을 보여주지만, 이를 기존 보통강도 철근용 경험식에 직접 적용하면 방호능력 또는 파괴 모드를 잘못 예측할 수 있다.
5.2 FRP 외부부착 및 표면매립 보강
FRP는 높은 인장강도와 낮은 중량, 부식 저항 때문에 기존 RC 시설의 방호 보강에 적합하다. 후면 FRP는 인장막으로 작용하여 스캐빙과 파편 비산을 억제하고, 전면 FRP는 표면 박리와 균열 확산을 제한할 수 있다. Buchan and Chen(2007), Nam et al.(2010), Ohkubo et al.(2008), Pham and Hao(2016)은 FRP의 방폭·충돌 보강 효과를 정리하였으며, Maazoun et al.(2018)과 Reifarth et al.(2021)의 시험은 CFRP가 손상과 변위를 줄일 수 있음을 확인하였다. 다만 glass fiber-reinforced polymer(GFRP) 또는 CFRP의 상대 효과는 섬유 강도보다 접착층, 표면 준비, 끝단 정착 및 파단 변형률에 좌우될 수 있다.
외부 부착(externally bonded reinforcement, EBR)은 시공이 간단하지만 접착 계면 박리와 끝단 박리가 조기에 발생할 수 있다. 표면매립(near-surface mounted, NSM)은 홈 내부에 FRP를 정착하여 계면 보호와 부착길이를 개선할 수 있으며, Ayatollahi Moosavi et al.(2025)은 self-compacting concrete(SCC) 슬래브의 폭발시험에서 NSM이 EBR보다 중앙 변위를 추가로 줄인 결과를 보고하였다. 그러나 소수 시험체와 서로 다른 폭약량을 직접 비교할 때에는 하중정규화와 손상 모드 확인이 필요하다. FRP 설계는 시트 강도만이 아니라 유효정착, 다축변형, 고속 계면 특성, 콘크리트 덮개 박리, 화재와 장기 환경 노출을 포함해야 한다.
탄도 보강에서 CFRP는 전면에 설치하면 표면 크레이터와 스폴링, 후면에 설치하면 스캐빙과 관통 후 파편을 각각 억제할 수 있다. Kim et al.(2025)은 고속 충돌에서 CFRP 시트와 그리드가 에너지를 흡수하고 DOP를 감소시킬 수 있음을 보여주었지만, 이 결과는 특정 표적 두께와 계면 조건에 의존한다. 매우 경질인 전면층은 발사체를 편향·파손시키는 효과가 있으나, 취성 FRP의 국부 천공과 계면 박리가 발생하면 후속 충돌에 대한 성능이 급격히 저하될 수 있으므로 반복 위협에는 교체 가능한 희생층 개념이 유리하다.
5.3 고분자 코팅과 후면 파편포 획층
Polyurea 및 POZD과 같은 고연신 고분자 코팅은 콘크리트의 압축저항을 크게 증가 시키기보다는 후면 균열을 가로지르는 막작용과 파편 포획으로 인명피해를 줄인다. Iqbal et al.(2018)은 polyurea 코팅이 콘크리트의 폭발 생존성을 향상시킬 수 있음을 보였고, Shi et al.(2019)은 polyurea–유리 섬유망 복합 보강이 접촉폭발에서 RC 슬래브의 일체성과 후면 파편 억제에 기여함을 제시하였다. Wang et al.(2021)의 POZD 후면코팅 시험에서는 코팅두께가 증가할수록 파편 억제와 변형능력이 향상되었지만, 큰 팽윤과 계면 박리 가능성도 나타났다.
고분자층은 변위를 “감소”시키기보다 더 큰 변형을 허용하면서 파편을 유지하는 방식으로 생존성을 개선할 수 있다. 따라서 최대 변위만으로 성능을 평가하면 효과를 과소평가할 수 있고, 반대로 큰 막변형이 뒤쪽 설비와 충돌하거나 화재·연기 차단 기능을 해치면 보호 성능이 충분하지 않을 수 있다. 설계 시 후면 여유공간, 코팅두께, 기재 수분, 표면 거칠기, 고속 인장 특성, 온도 및 노화, 가장자리 정착, 접합부 연속성을 함께 고려해야 한다.
5.4 강판, SCS 및 구속형 복합표적
강판을 전면 또는 후면에 부착하거나 SCS 샌드위치로 구성하면 국부 지압 분산, 인장막, 구속 및 파편 포획을 동시에 제공할 수 있다. Zhao et al.(2021)은 SCS 패널의 폭발 시험과 수치해석을 통해 강판과 콘크리트 코어의 복합작용이 판의 일체성과 폭발 후 저항을 유지하는 데 유리함을 보였다. 탄도 표적에서는 강선망, 강판, 세포형 강관 구속이 관입경로 주변의 콘크리트를 구속하고 에너지를 분산한다(Liu et al., 2017; Song et al., 2019; Zhao et al., 2025).
강재 시스템의 장점은 연성, 불연속 파편 포획 및 비교적 예측 가능한 소성 거동이지만, 중량, 부식, 용접 및 앵커 시공, 국부좌굴, 접촉면 분리와 높은 반력이 한계이다. 얇은 후면 강판은 스캐빙을 억제할 수 있으나 앵커가 부족하면 판 전체가 분리될 수 있고, 두꺼운 전면 강판은 반사압력과 구조 질량을 증가시킬 수 있다. 따라서 강판 두께보다 스터드·볼트 간격, 전단 연결, 가장자리 정착, 코어 두께 및 교체 가능성의 최적화가 중요하다.
5.5 희생형 클래딩, 흡에너지 폼 및 샌드위치 시스템
희생형 클래딩은 위협에 먼저 손상되면서 압력파 또는 발사체 에너지를 소산하고, 주 구조체의 하중을 낮추는 1차 방어층이다. 폭발용 폼·허니컴·셀룰러 코어는 압축과 소성좌굴로 펄스를 지연·확산하며, 전면판과 후면판은 하중을 코어에 전달하고 파편을 차단한다. Park et al.(2024)은 콘크리트판과 흡에너지 폼으로 구성된 내부 폭발 보호 패널에서 폼 밀도가 벽의 변위와 가속도 감소에 서로 다른 영향을 준다고 보고하였다. 이는 “가장 많은 에너지 흡수”가 항상 동일한 보호 목표를 만족시키지 않으며, 변위 민감 구조와 가속도 민감 장비에 서로 다른 코어 최적화가 필요함을 보여준다.
탄도용 희생층은 경질 세라믹·강재·암석 또는 고강도 콘크리트로 발사체를 마모·파손시키고, 뒤의 인성층이 잔류에너지를 흡수하는 방식으로 설계할 수 있다. Dancygier et al.(2014)의 이중층 high-performance concrete(HPC) 장벽과 Liu et al.(2019)의 세라믹 볼–UHPC 수치연구는 기능이 다른 층을 조합하는 이점을 제시하였다. Yang et al.(2025)은 화강암 러블과 UHPC의 복합 희생층에서 러블 크기·체적률·재료강도가 관입저항을 변화시킴을 보였으며, 대량 방호체의 비용 절감을 위한 가능성을 제시한다. 다만 층간 임피던스 차이는 반사 인장파와 계면 박리를 유발할 수 있으므로, 단순 적층이 아닌 계면 설계와 두께비 최적화가 필요하다.
5.6 ECC 및 GFRP 바 기반 신소재 보강
전통적인 방호 보강은 콘크리트 강도 증가 또는 외부 부착층에 초점을 두었으나, 최근에는 인장 변형 능력이 큰 engineered cementitious composite(ECC) 계열 재료와 부식에 강한 GFRP 바를 구조체 내부에 통합하는접근이 시도되고 있다. 두 재료는 동일한 기능을 수행하지 않는다. ECC/ultra-high toughness cementitious composite(UHTCC)는 다중 미세균열과 인장 변형경화로 모재의 후면박리·파편화를 제어하는 반면, GFRP 바는 높은 인장강도와 낮은 밀도, 선형 탄성 거동으로 내부 인장 하중 경로를 제공한다. 따라서 성능평가는 압축강도나 공칭 철근비 만이 아니라 동적 인장 법칙, 균열 분산, 축강성, 부착·정착, 파단 변형률 및 잔류 변형을 기준으로 수행해야 한다.
ECC/UHTCC는 polyvinyl alcohol(PVA) 또는 polyethylene(PE) 계열 미세 섬유와 매트릭스–섬유 계면을 조절하여 균열 이후에도 인장 응력이 증가하고 수 % 수준의 인장 변형을 발현하도록 설계된 시멘트계 복합재이다. 고속 하중에서는 단일 큰 균열을 다수의 미세균열로 분산 시키고, 자유 후면에서 반사된 인장파에 의해 발생하는 스폴링·스캐빙 조각을 연결하여 파편의 분리와 가속을 억제하는 것이 핵심이다. Soe et al.(2013)의 고속 발사체 시험과 Zhong et al.(2021)의 재료 비교는 ECC가 관입 깊이만을 최소화하는 경질 재료라기보다 크레이터·스캐빙 과다중 충돌 후 일체성을 제어하는 인성층으로 유효함을 보여준다.
폭발 시험에서도 ECC/UHTCC의 장점은 후면 손상과 잔존 성능에서 두드러진다. Li et al.(2022)은 2–5 kg TNT 접촉 폭발을 받은 2.0 m 정사각 UHTCC 슬래브가 동일 조건의 RC 슬래브보다 크레이터와 스폴링 손상을 억제함을 확인하였다. Xu et al.(2022)은 근접 폭발 후 UHTCC 슬래브가 보통 콘크리트보다 하중 전달 능력을 더 잘 유지함을 보고하였고, Zhou et al.(2023)의 근접 폭발 시험에서는 단일 ECC 슬래브와 RC-ECC 복합 슬래브가 큰 변형과 주균열 발생 이후에도 후면 스폴링 없이 연성 응답을 보였다. 이 결과는 ECC를 전단면에 사용하는 것보다 점유 공간측 후면, 인장면, 지점·연결부 주변 또는 예상 균열 경로에 선택적으로 배치하는 것이 성능–비용측면에서 유리할 수 있음을 시사한다.
다만 ECC를 UHPC의 직접 대체재로 해석해서는 안 된다. ECC는 높은 인장 변형 능력을 갖지만 일반적으로 경질 UHPC보다 압축 강도와 탄성계수가 낮아 전면 관입저항 또는 국부 지압에는 불리할 수 있고, 높은 결합재량과 PVA/PE 섬유는 수축, 비용 및 시공성 문제를 유발할 수 있다. 복합 단면에서는 RC-ECC 계면의 전단 전달, 기존 콘크리트의 표면 거칠기, 연결 철근, 층 두께 및 양생 수축이 지배적이다. 수치 해석에서는 보통 콘크리트용 단일 파괴 변형률을 그대로 사용하지 말고, 동적 인장변형 경화, 균열폭–가교 응력 관계, 파괴 에너지와 메쉬 정규화를 독립적으로 보정 해야 한다(Li et al., 2022; Xu et al., 2022).
GFRP 바는 외부 부착 GFRP 시트와 달리 주철근 또는 분포 철근을 대체하는 내부 보강재이다. 부식 저항, 낮은 밀도, 비자성 및 높은 인장강도는 해안·지하·전파 민감 방호시설에 장점이지만, 탄성계수가 강재보다 낮고 명확한 항복 구간 없이 파단하기 때문에 동일 철근 면적 치환은 적절하지 않다. Sadraie et al.(2019)의 낙하 충격 슬래브 시험은 GFRP 보강 부재의 응답이 보강비, 배근면, 판두께와 콘크리트 강도에 민감하며, 국부 충격이 지배할 경우 철근 종류보다 두께와 배근 형상이 더 중요해 질 수 있음을 보여준다. Liu et al.(2019b)은 동일 휨강성을 갖도록 설계한 GFRP바 보강보가 근접 폭발에서 강재 보강보보다 작은 변위와 높은 잔존 하중 능력을 보일 수 있음을 보고했지만, 이는 GFRP가 탄성 상태를 유지한 특정 설계 범위의 결과이므로 일반화에는 주의가 필요하다.
UHPC와 GFRP 바의 조합은 고인성 매트릭스와 비부식 고강도 보강재를 결합한다. Yan et al.(2022)의 근접 폭발 시험에서는 UHPC–GFRP 보가 보통 강도 및 고강도 강재로 보강된 UHPC 보보다 최대 변위가 작았으나 반동 변위가 커졌고, GFRP 바 직경 증가가 부착 성능저하로 오히려 방폭 성능을 감소시킬 수 있었다. 이는 GFRP의 높은 공칭 인장 강도가 자동으로 높은 구조 성능으로 전환되지 않으며, 리브 형상, 표면처리, 정착길이, 바 직경, 압축측 보강 및 콘크리트 구속이 함께 설계 되어야함을 의미한다. Liu et al.(2019a)의 steel-GFRP 복합바는 GFRP의 내식성과 고강도를 유지하면서 내부 강재의 항복으로 에너지 소산과 잔류 변형 제어를 보완할 수 있는 절충안을 제시한다.
종합하면 ECC/UHTCC와 GFRP 바는 각각 “연성 모재 및 후면 파편유지”와 “비부식 인장 하중 경로”를 제공하므로, 경질 UHPC 또는희생 전면층–ECC 인성층–GFRP/steel-GFRP 보강 코어–후면 파편 포획막으로 기능을 분담하는 시스템이 유망하다. 다만 현재 근거는 제한된수의 보·슬래브 시험과 특정 폭약·충격 조건에 집중 되어있다. 따라서 전면적 철근 대체보다 후면 인장부, 부식 취약부, 비자성 요구 구역 또는 교체가능 모듈에 우선 적용하고, 대표 부재 폭발 시험과 계면·정착의 고속시험으로 검증하는 성능 기반 접근이 바람직하다.
5.7 기능경사형 다층 방호개념
문헌을 종합하면 방폭과 방탄을 동시에 고려한 단일 균질재료는 존재하기 어렵다. 전면에서는 폭압 반사·발사체 충돌과 파쇄를 견디는 경질·희생 기능이 필요하고, 중간에서는 하중을 넓게 분산하고 펄스와 응력파를 조절하는 전이·흡에너지 기능이 필요하며, 주 구조 코어는 휨·전단·막작용을 통해 안정적인 하중경로를 제공해야 한다. 점유 공간 측 후면에는 큰 연신율의 막 또는 강판을 두어 스캐빙과 파편을 포획해야 한다. 각 층의 목적을 명확히 하면 UHPC를 전체 두께에 사용하는 대신 필요한 위치에만 배치하고, 손상된 희생층을 교체하는 방식으로 비용과 복구성을 개선할 수 있다.
이 개념은 모든 위협에 동일한 층 순서를 적용한다는 의미가 아니다. 접촉폭발에서는 전면 희생층과 구조 코어의 국부 브리칭 저항이 우선이고, 원거리 폭발에서는 코어의 막작용·지점전단·연결부가 지배할 수 있다. 고속 관입에서는 발사체 파손과 구속을 위한 전면층이 중요하지만, 소구경 반복탄은 다중충돌 후에도 잔존하는 모듈형 층이 필요하다. 설계자는 위협 시나리오별로 각 층의 질량, 강성, 임피던스, 파단 변형률, 연결 및 교체 가능성을 최적화해야 한다.
6. 종합 논의와 우선 연구과제
6.1 방폭과 방탄에 공통적인 설계원리
첫째, 압축강도는 중요한 입력이지만 단독 설계 지표가 아니다. 폭발 후면 박리와 탄도 스캐빙은 인장 파괴에 의해 지배되므로 인장 인성, 파괴 에너지, 섬유 가교와 후면 구속이 함께 확보되어야 한다. 둘째, 국부 손상 저항과 전역 하중 경로를 분리하여 검토해야 한다. 크레이터가 작더라도 지점 전단·연결부가 파괴될 수 있고, 전역 변위가 작더라도 관통과 후면 파편이 발생할 수 있다. 셋째, 보강재의 위치와 계면은 재료 강도만큼 중요하다. 전면, 중간, 후면층은 서로 다른 역할을 수행하며, 앵커와 접착이 기능을 구조체에 전달한다. 넷째, 방호성능은 손상억제뿐 아니라 결과 제어(consequence control)로 평가해야 한다. Polyurea/POZD, FRP 또는 후면강판은 구조체 최대 변위를 크게 줄이지 않더라도 치명적인 파편을 포획함으로써 높은 인명보호 가치를 가질 수 있다. 다섯째, 희생층과 교체가능 요소는 경제성과 복구성을 향상시킨다. 여섯째, 수치해석은 실험을 대체하는 것이 아니라 실험자료의 범위를 확장하는 도구이며, 독립 검증과 메쉬·침식·계면 민감도 분석이 필수다. 특히 요소 침식(element erosion)은 질량 및 에너지의 비물리적 손실과 해석 결과의 메쉬 의존성을 유발할 수 있으므로, 과도한 사용을 지양하고 불가피하게 적용하는 경우 침식 기준의 타당성과 민감도를 충분히 검증해야 한다. 일곱째, 다중 위협은 독립 한계상태의 합이 아니라 손상 순서와 잔존저항의 문제이다.
6.2 근거가 강한 영역과 발전 중인 영역
상대적으로 근거가 강한 결론은 다음과 같다. 섬유와 UHPC/UHPFRC는 균열·파편화 및 국부 손상을 줄이는 데 유효하다. 충분한 양면 철근과 전단·정착 상세는 연성 휨·막작용 발현에 필수적이다. FRP와 고연신 고분자 후면층은 스캐빙과 파편 억제에 효과적이며, 계면과 정착이 지배한다. SCS 및 강판은 견고한 파편 차단과 잔존 일체성을 제공한다. P-I 및 SDOF는 예비평가에 유용하지만 접촉폭발, 직접전단과 복합 파편 문제에는 상세 해석이 필요하다. 이러한 결론은 다수의 실험과 종합 리뷰에서 반복적으로 확인된다.
발전 중인 영역은 고강도 철근–UHPC의 설계식, 메조 스케일 섬유 최적화, 러블–UHPC 및 재활용 복합 희생층, 화재–폭발 연속하중, 다중충돌과 교체가능 모듈, 대규모 내부 폭발 패널의 최적 밀도, artificial intelligence(AI) 기반 관입·손상 예측이다. 이들 연구는 유망하지만 데이터 범위가 제한되고, 설계 변수 간 상호작용과 외삽 안전성이 충분히 검증되지 않았다. 특히 단일 연구나 실험실 규모 수준의 높은 성능 개선율을 일반 설계값으로 사용하는 것은 피해야 하며, 실규모 수준에 대한 독립기관 시험과 다중연구 데이터베이스가 필요하다.
7. 결 론
(1) 폭발과 탄도는 모두 고속 극한하중이지만, 폭발은 압력–충격량과 국부–전역 상호작용, 탄도는 발사체–표적의 국부 관입·관통과 응력파 반사에 의해 지배된다. 따라서 동일한 개선율이나 단일 설계식으로 두 위협을 통합해서는 안 된다.
(2) 압축강도 증가는 전면 파쇄와 관입깊이 감소에 유리하지만, 방호성능을 결정하는 충분조건이 아니다. 인장 인성, 파괴에너지, 구속, 철근 연속성, 전단·정착, 판 두께와 후면 파편 포획이 인명 안전과 잔존 일체성을 좌우한다.
(3) FRC와 UHPC/UHPFRC는 균열 및 파편화를 줄이고 폭발·탄도 저항을 향상시키는 가장 일관된 재료 전략이다. 그러나 섬유량의 효과는 포화될 수 있으며, 고강도 매트릭스가 후면 취성파괴를 자동으로 방지하지 않으므로 철근·망·후면층과의 조합이 필요하다.
(4) FRP, polyurea/POZD, 강판 및 SCS는 각각 인장막, 파편 포획, 구속과 복합작용으로 성능을 향상시킨다. 이들의 실효성은 재료 강도보다 계면, 끝단정착, 배치면, 두께, 여유 공간과 장기 환경에 민감하다.
(5) 희생층과 흡에너지 코어는 주 구조체의 수요를 낮추고 교체성을 제공한다. 다만 코어 밀도와 강성은 변위와 가속도에 서로 다른 영향을 줄 수 있으므로 보호 대상의 성능지표에 따라 최적화해야 한다.
(6) 방폭·방탄 복합설계에는 희생·경질 전면층, 임피던스 전이 및 흡에너지층, 연성 구조 코어, 후면 파편 포획막을 기능별로 배치하는 다층·기능경사 개념이 가장 합리적이다. 층간 반사와 박리를 방지하기 위한 계면 설계가 동등하게 중요하다.
(7) 향후 핵심과제는 실규모 폭발–파편 복합시험, 반복 및 연속 위협, 화재·노화 선행 손상, 계면과 정착의 고속 거동, 표준화된 원자료, 확률론적 설계기준 및 성능–비용–탄소를 통합한 최적화이다.
