Technical Notes

Protective Facility. 31 January 2026. 68-80
https://doi.org/10.23310/PF.2026.3.1.068

ABSTRACT


MAIN

  • 1. 서 론

  • 2. AEM의 특징 및 적용 프로그램

  •   2.1 해석 기법의 종류

  •   2.2 AEM 적용 프로그램

  • 3. 폭발시뮬레이션 예제

  •   3.1 예제 개요

  •   3.2 폭발시뮬레이션 설정

  •   3.3 폭발시뮬레이션(전면폭발) 결과

  • 4. 결 론

1. 서 론

폭발하중과 같은 동적인 하중이 작용하면 구조물은 매우 짧은 시간 내에 큰 하중을 받게 되며, 이로 인해 초기 손상 이후 균열의 진전, 부재 간 분리, 국부 붕괴 등 복잡한 거동을 보이게 된다. 이러한 동적 거동은 구조물의 요소 간 분리나 불연속 거동을 고려하지 않는 기존의 정적해석과 유한요소해석 방법으로는 충분히 반영하기에는 한계가 존재한다. 특히 탄약고와 같은 방호 구조물은 폭발 직후의 최대 응답뿐만 아니라, 손상 발생 이후 구조물이 어느 수준까지 거동을 유지하며 기능을 수행할 수 있는지를 함께 평가하는 것이 중요하다. 이에 따라 단순한 응력 또는 변형률 기준의 검토를 넘어 부재의 균열 이후의 거동이 고려되는 해석 기법의 적용 필요성이 증가하고 있다.

현재 가장 널리 사용되는 수치해석 기법인 유한요소법(Finite Element Method, FEM)은 구조물의 전반적인 응답을 평가하는데 유용하다. 일부 균열 및 파손되는 거동을 모사하기 위해 확장 유한요소법(Extended Finite Element Method, XFEM) 등 다양한 고급 해석 기법이 개발됐으나, 전통적인 연속체 기반 유한요소법(FEM)은 요소 간 연속성 가정을 기반하므로 극한 상태에서 발생하는 부재 간 분리 및 재접촉, 국부 붕괴와 같은 불연속 거동을 직접적으로 구현하는 데에는 한계가 있다.

또한 요소들의 접촉력을 고려하여 입자 기반 기법인 이산요소법(Discrete Element Method, DEM)은 입자 및 이산체의 분리에 대한 분석은 유용하지만 구조물의 초기 연속체 상태 해석에는 한계가 있다.

이러한 유한요소법(FEM)과 이산요소법(DEM)의 한계를 보완하고 구조물의 균열, 분리 발생 과정을 보다 직관적이고 효율적으로 모사하기 위하여, Solid 요소들의 면과 면 사이를 가상 스프링으로 연결함으로써 불연속면의 형상과 분리 발생 과정 등을 자유롭게 구현할 수 있는 응용요소법(Applied Element Method, AEM)이 해석 기법으로 제안되었다.

미국 국방위협감소국(Defense Threat Reduction Agency, DTRA) 주관으로 수행된 연구에서는 건물 붕괴 거동을 사실적으로 재현하기 위한 고현실도 모델링 검증 과정에서 유한요소법(FEM) 기반 해석과 응용요소법(AEM) 기반 해석을 비교·검토하였다(Tagel-Din, 2009). 해당 검증 결과, 응용요소법(AEM) 기반 해석은 유한요소법(FEM) 기반 해석보다 상대적으로 간편한 모델링 절차와 효율적인 해석 시간을 제공하였으며, 실제 구조 거동에 근접한 해석 결과를 도출할 수 있음을 확인한 것으로 보고되었다.

이와 같은 응용요소법(AEM) 기반 해석의 특징은 폭발 하중 작용 이후 발생하는 균열 및 부재 분리 거동을 보다 현실적으로 모사할 수 있음을 의미하며, 이를 통해 균열 및 부재 간 분리가 고려된 구조물의 취약 부위를 보다 정확하게 식별할 수 있다. 따라서 본 논문에서는 비선형 동적 시간이력해석 중 응용요소법(AEM) 기반 폭발시뮬레이션을 수행하여 폭발 하중 작용 이후 구조물에 발생하는 균열 및 부재의 변형을 상세히 분석하고, 이를 바탕으로 구조물이 요구되는 방호수준을 만족하는지 평가하고자 한다.

2. AEM의 특징 및 적용 프로그램

2.1 해석 기법의 종류

2.1.1 AEM의 원리

응용요소법(AEM)은 구조물을 Fig. 1과 같이 다수의 3차원 Solid 요소로 분할하고, 인접한 요소를 스프링으로 연결하여 구조 거동을 모사하는 해석법이다. 요소 사이에 연결된 스프링은 요소의 경계면에 분포하며 철근콘크리트와 같이 재료 내부에 이질재가 존재할 경우 Fig. 1(b)와 같이 철근이 위치한 곳에 스프링이 생성되어 철근을 모사한다. 이렇게 연결된 스프링은 해당 위치에서의 응력-변형률을 평가하는데 사용되며, Fig. 2과 같은 자유도를 갖는다. 또한 요소가 분리될 경우 Fig. 1(c)와 같이 연결되었던 스프링이 사라지면서 요소가 분리된다.

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Fig. 1

Spring Matrix Formulation in AEM

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Fig. 2

Displacement and Rotational Degrees of Freedom in AEM

응용요소법(AEM)을 기반으로 한 해석의 가장 중요한 특징은 요소 연결 방식에 있다. Fig. 3과 같이 응용요소법(AEM)을 기반으로 한 해석에서 요소는 절점(Node)이나 접촉(Contact) 간 연결이 아니라 요소 면(Face)을 기준으로 연결된다. 또한 요소 사이의 연결 스프링 일부만 파괴되는 부분 연결(Partial Connectivity)이 허용되며, 이로 인해 균열의 진전, 부재 분리 및 붕괴 전이 과정이 자동으로 모사된다. 이러한 특징으로 응용요소법(AEM)을 기반으로 한 해석은 지진, 폭파, 충돌, 붕괴 등과 같이 구조물의 비선형 거동 및 분리 현상이 수반되는 동역학적 거동을 모사하는데 주로 활용된다.

요소 형상 및 자유도 측면에서 응용요소법(AEM)을 기반으로 한 해석의 경우 기본적으로 직육면체(Cuboid) 요소가 사용되며 각 요소는 무게중심 위치에서 자유도를 갖는다. 또한 요소 형상은 필요시 4절점, 5절점, 6절점, 8절점 요소를 이용하여 복잡한 형상도 모델링이 가능하다.

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Fig. 3

Element Connectivity Method in FEM, DEM and AEM

2.1.2 해석 기법 비교

유한요소법(FEM)은 구조물을 연속체로 가정하고 이를 다수의 요소로 분할한 후, 요소 간 절점을 공유하도록 연결하여 전체 구조 거동을 해석하는 방법이다. 이러한 절점 기반 연결 방식은 구조물이 연속성을 유지하는 범위 내에서 효율적이며 높은 해석 정확도를 제공한다. 그러나 구조물의 붕괴가 수반되는 극한 거동을 해석하는 경우, 전통적인 연속체 기반 유한요소법(FEM)에는 다음과 같은 한계가 존재한다. 첫째, 구조물을 연속체로 가정하므로 요소 분리가 발생할 경우 동일 절점에서 독립적인 변위를 직접적으로 허용하기 어렵다. 둘째, 요소 분리나 균열 발생 과정에서 응력 특이점(stress singularity)이 나타날 수 있다. 셋째, 일반적인 해석에서는 균열의 위치나 경로를 사전에 정의해야 하므로 실제 붕괴 경로를 자동으로 예측하는 데 한계가 있다. 이로 인해 유한요소법(FEM)은 연쇄 붕괴, 파편 충돌, 부재 낙하 등이 수반되는 극한 하중 조건에서 붕괴 과정을 직접적으로 모사하는 데 제약이 따른다.

이와 달리 이산요소법(DEM)은 해석 대상을 개별 입자 또는 블록의 집합으로 모델링하고, 요소 간 접촉·충돌·마찰과 같은 상호작용을 기반으로 거동을 계산하는 완전 이산체 기반 해석 기법이다. 이산요소법(DEM)은 요소 간 분리와 재접촉이 자연스럽게 허용되며, 대변형 및 동적 붕괴 거동을 효과적으로 모사할 수 있다는 장점이 있다. 그러나 연속체 응력장의 정밀한 표현에는 상대적으로 한계가 있으며, 계산 비용이 큰 단점이 있다.

한편, 응용요소법(AEM)은 구조물을 작은 요소로 분할하되, 인접 요소를 면 단위로 배치된 가상 스프링으로 연결하는 방식을 사용한다. 가상 스프링은 재료속성에서 파단되는 변형률 혹은 변위를 설정할 수 있으며 스프링의 파단을 통해 요소간 부분 연결 및 요소 간 충돌이 허용된다. 따라서 응용요소법(AEM)은 유한요소법(FEM)의 연속체 기반 해석 특성과 이산요소법(DEM)의 불연속 거동 표현 능력을 절충한 기법으로 볼 수 있으며, 구조물의 균열 발생, 요소 분리, 낙하 및 충돌을 포함하는 점진적 붕괴 거동을 비교적 직관적이고 효율적으로 모사할 수 있다.

FEM, AEM, DEM의 해석단계별 구현수준은 Fig. 4와 같다.

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Fig. 4

Comparison of Structural State Transition by analysis Stages (FEM, DEM, AEM)

2.2 AEM 적용 프로그램

2.2.1 ELS 개요

ELS(Extreme Loading for Structures)(ASI, 2021)는 응용요소법(AEM)을 기반으로 폭발(Blast), 화재(Fire), 연쇄붕괴(Progressive Collapse), 지진(Seismic), 바람(Wind), 충격하중(Impact Load) 등 극한 하중에 대한 구조물의 거동 분석에 최적화된 비선형 동적 시간이력 구조해석 프로그램이다.

미국 국방 위협감소국(Defense Threat Reduction Agency, DTRA) 주관 하에 수행된 연구에서는 건물 붕괴로 인한 손상 및 잔해물의 거동을 사실적으로 시각화하는 고현실도 모델링 발주 및 심의 과정에서, ELS에 탑재된 응용요소법(AEM) 해석방식이 기존의 유한요소법(FEM) 해석방식에 비해 상대적으로 빠른 모델링 절차, 효율적인 해석 시간 그리고 실제 구조 거동에 가까운 해석 결과를 제공하는 것을 확인한 바 있다(Tagel-Din, 2009). 이러한 특징으로 ELS는 건축물 철거 시뮬레이션, 폭발해석 등 구조물의 국부 파괴 및 붕괴 거동을 평가하는 다양한 극한 하중 해석 분야에서 활용되고 있다.

2.2.2 ELS 주요 기능

ELS에서의 주요 기능은 크게 모델링 기능, 하중 모델링 기능, 해석 기능으로 나뉘며 기능별 세부 기능은 Table 1과 같다.

Table 1

ELS Features

Category Key Features Technical Specifications
Modeling
Features
Full 3-D Modeling Support for 3D modeling based on solid elements
Style Based Modeling Simplified modeling workflow using standard structural element styles
Structure Templates Provision of templates for trusses, towers, domes, and multi-story buildings
Advanced Modeling Features - Conversion of draft (line) objects into structural objects
- User-defined material model creation for interfaces
- Modeling of predefined cracks or openings in structural elements
Modeling Tools & Navigation Convenient object selection and activation using various filtering functions
Streamlined Meshing - Support for re-meshing of quadrilateral and triangular meshes
- No need for separate plastic hinge definition
Loading
Features
Material Modeling - Definition of linear, nonlinear, and user-defined material models (including temperature, creep, confinement effects, and strain-rate effects)
- Consideration of Poisson’s effect
- Direction-dependent property definition for anisotropic materials
Loadings - Static and dynamic loading
- Activation and deactivation of elements for construction and demolition stages
- Definition of initial velocity or acceleration
- Consideration of corrosion effects on objects and materials
Analysis Settings - Reduction of analysis time by removing unnecessary debris
- Automatic monitoring of interference between loads and boundary conditions, allowing user intervention
- Selection of analysis scope for specific parts or the entire structure
Analysis
Features
Yieling of Reinforcement Automatic calculation of material behavior from elastic to plastic deformation
Plasic Hinge Formation Automatic output of plastic hinge results
Bucking and Post-Buckling Automatic calculation of elastic buckling and nonlinear buckling
Crack Propagation Automatic calculation of crack locations and crack propagation
Membrane Action &
P-Delta Effect
Automatic calculation of dynamic forces and displacements due to membrane action and P–Δ effects
Separation of Elements Automatic element separation considering material nonlinear behavior
Collision and Collapse Automatic calculation of collision-induced collapse for separated elements
Results
View
Show Status Display of spring states: cracking, yielding, tensile and compressive failure, and element separation
Create Report Individual report generation for maximum member forces of each object
Filter Elements Filtering of element or spring results
Problem Features Visualization of velocity vectors, contact points, blast waves, blast surfaces, crack locations, and more
Enhanced Display Controls
and Filters
Output of various analysis results by object type and result category
Eigen modes Output of modal periods and dynamic mode shapes
Custom Internal Force
Diagrams
Output of member forces considering cracking, yielding, and other nonlinear phenomena during loading
Contour Diagrams Animation output for filtered components, levels, or the entire structure by object or material type
Charts, Movie Geneeration Chart output with animation tracking of analysis results and the ability to save videos

2.2.3 ELS 적용 사례

1) A.P. Murrah Building – 폭발에 의한 구조 취약성 평가

Fig. 5와 같이 Tagel-Din and Rahman (2006)은 A.P. Murrah Building 테러 이후, 테러가 발생한 해당 구조물의 연쇄붕괴 사례를 재현하여 구조물 보강 및 폭발 위치에 따른 구조물의 거동 변화를 ELS로 분석하였다.

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Fig. 5

Simulation of the Terrorist Attack on the A.P. Murrah Building (Tagel-Din and Rahman, 2006)

3. 폭발시뮬레이션 예제

3.1 예제 개요

이글루탄약고(210 m2)의 폭발시뮬레이션을 위해 예상 폭발시나리오를 선정하였고, 이에 따른 구조물의 손상 정도와 변형을 평가하였다.

폭발하중은 등가 TNT 무게와 이격거리는 예제의 방호등급을 고려하여 결정하였으며, 보안상의 이유로 각각 00 kg과 00 m로 표기하였다. 결정된 폭발하중으로 수행한 폭발시뮬레이션은 ‘방폭 및 방탄시설 설계기준(DMFC 2-20-10, 2022)’에서 제시하는 방호수준별 요구성능의 만족 여부를 검토하였다.

폭발시뮬레이션은 응용요소법(AEM)을 활용하는 ELS(ver 8.0) 해석 프로그램으로 비선형 동적 시간이력 해석을 수행하였다. 폭발하중은 입력된 등가 TNT 무게와 이격거리를 통해 환산거리를 계산한 후 프로그램에 내재되어 있는 UFC 3-340-02(U.S. DoD, 2013)를 통해 산정하였다.

3.2 폭발시뮬레이션 설정

3.2.1 방폭 하중

본 해석에서는 전면 폭발시나리오를 가정하여 폭발시뮬레이션을 수행하였으며, 모델링 형상은 Fig. 6과 같다. 전면 폭발시나리오는 지면폭발(surface blast)로 검토하였으며, 지면폭발의 경우 폭발로 인해 발생한 입사파가 지면에 반사되어 증폭되면서 반사파를 형성한다. 공중폭발(free air blast)과 달리, 지면폭발에서는 반사파가 폭발 지점에서 입사파와 합쳐져 Fig. 7과 같이 반구형 단일 파동을 형성한다.

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Fig. 6

Modeling Geometry

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Fig. 7

Surface Blast Condition

전면 폭발 시, 폭발시뮬레이션에서는 프로그램에 내장된 UFC 3-340-02(U.S. DoD, 2013)의 그래프(Fig. 8)와 환산거리(Z)를 기반으로 폭압, 충격량 및 지속시간 등의 매개변수를 계산한다. 환산거리는 다음 식 (1)과 같이 계산되며, 환산거리 계산 시 사용된 폭발하중은 등가 TNT 무게에 안전율 20%를 고려한 값으로 계산하였다.

(1)
Z=RW1/3

여기서, R : 폭발 중심으로부터 구조물까지의 수직 이격거리(m)

W : 등가 TNT 질량(kg)

Z : 환산거리(m/kg1/3)

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Fig. 8

Positive Phase Shock Wave Parameters for a Hemispherical TNT Explosion on the Surface at Sea Level (U.S. DoD, 2013)

3.2.2 해석 모델 적용 사항

크리트의 재료 모델은 Fig. 9(a)와 같이 Maekawa 모델을 사용하였으며, 30 MPa로 모든 부재에 적용하였다. 해당 콘크리트 강도는 ‘방폭 및 방탄시설 설계기준(DMFC 2-20-10, 2022)’에서 제시하는 방폭 대상 구조물의 최소 콘크리트 압축강도인 27 MPa 이상을 만족하는 것을 확인하였다.

철근의 재료 모델은 항복강도 400 MPa로 적용하였으며, 프로그램에서 철근의 좌굴을 자동으로 고려하기 때문에 재료 모델에서 좌굴에 대한 강도는 따로 고려하지 않았다. 또한 철근의 인장강도(fu)는 한국지진공학회의 연구보고서인 ‘내진용 철근 실무적용 확대방안 연구(2018)’(Kim et al., 2018)에서 제시한 기대인장강도와 기대항복강도의 비를 근거로 산정하였으며 Fig. 9(b)와 같이 재료모델에 입력하였다.

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Fig. 9

Material Stress-Strain Curve

콘크리트와 철근의 재료 모델 모두 동적증가계수(Dynamic Increase Factor, DIF)를 적용하였으며, 최대강도 도달 이후 분리변형률까지 감소하도록 설정하였다. 분리변형률은 ELS 프로그램 매뉴얼(ASI, 2024)에서 권장하는 값인 0.1을 적용하였으며, 분리변형률에 도달할 경우 인접 요소 면 사이의 모든 스프링이 절단되고 이후 요소가 재접촉하더라도 각 요소는 독립된 강체로 거동하는 것으로 정의되어 있기 때문에 본 해석에 적용한 재료모델에서도 분리변형률 도달 시 재료의 응력이 0이 되도록 모델링하였다.

폭발시뮬레이션에서의 주요 검토대상인 전면벽체의 요소는 가로, 세로 각각 10분할, 30분할(600 mm × 800 mm)하였으며, 요소들의 접촉면에 스프링 요소를 5×5로 형성하여 다량의 스프링으로 상세한 해석을 할 수 있도록 하였다. 해석을 수행하는 시간 간격은 1e-5초로 전면벽체에 폭발하중이 도달 이후 0.5초 동안 해석을 수행하였다.

3.2.3 방호수준 평가 기준

폭발시나리오를 수행한 폭발시뮬레이션은 ‘주요 군사시설의 방호설계 기준(DMFC 2-20-00, 2022)’과 ‘방폭 및 방탄시설 설계기준(DMFC 2-20-10, 2022)’에서 제시하는 평가 기준을 통해 요구성능을 만족하는지 검토하였다. 예제는 2-B수준이며, 방호 수준의 요구성능 만족 여부를 평가하기 위해 구조물의 균열, 콘크리트의 압괴로 인한 손상, 구조부재의 변형 한계를 판단하기 위해 다음과 같은 기준을 설정하여 평가하였다.

‘방폭 및 방탄시설 설계기준(DMFC 2-20-10, 2022)’에 따르면 Fig. 10과 같이 지점회전각에 따른 부재의 저항력을 제시하였다. 또한 ‘탄약고 설계지침(DMFC 3-60-30, 2022)’에서는 방호수준별 변위연성도와 허용 부재회전각을 규정하고 있으며, 해당 기준은 Table 2와 같다. 본 논문에서는 이를 기준으로 허용 부재회전각을 설정하여 구조부재의 변형한계를 판단하였다.

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Fig. 10

General bending behavior of RC members (DMFC 2-20-10, 2022)

Table 2

Definition of Rotation Angle

Case Definition of Rotation Angle Calculation of Rotation Angle
Case 1 https://cdn.apub.kr/journalsite/sites/kpfi/2026-003-01/N0680030106/images/kpfi_2026_31_68_F18.jpg θ1 ≈ δ / (L / 2)
Case 2 https://cdn.apub.kr/journalsite/sites/kpfi/2026-003-01/N0680030106/images/kpfi_2026_31_68_F19.jpg θ2 ≈ δ / L

1) 콘크리트의 균열 발생 판단 기준

- 인장응력이 0.63fck를 초과하지만, 변형률이 0.02 이하이고 영구변형이 작은 경우 균열 발생으로 판단함.

2) 콘크리트 압괴에 따른 구조물 일부 미세 손상여부 판단 기준

- 압축변형률이 0.002 이하인 경우, 콘크리트 압괴가 나타나지 않는 것으로 판단함.

- 압축변형률이 0.002 초과하는 경우 초과하는 크기에 따라 압괴에 의한 손상여부를 판단함.

3) 철근의 항복을 통한 균열 판단 기준

- 철근이 항복한 경우, 콘크리트 균열 폭이 큰 것으로 판단함.

4) 구조부재의 변형 한계

- Table 2와 같이 처짐이 발생하는 위치별 지점회전각을 정의하였으며, 최대처짐이 발생하는 위치에서의 지점회전각이 2°를 초과하는 여부를 우선적으로 검토함.

폭발시뮬레이션의 주요 검토 대상은 탄약고 구조벽체의 구조적 거동이므로, 방폭문의 구조 성능 및 접합부의 거동은 본 논문의 해석 범위에서 제외하였다. 이에 따라 방폭문은 강체로 모델링하였으며, 폭발하중이 방폭문을 통해 인접한 철근콘크리트 벽체로 전달되게 모델링을 구현하였다. 또한 탄약고 인접부에 위치한 제습공조설비실과 굴뚝은 부속시설로 판단되어 폭발시뮬레이션 분석대상에서 제외하였다.

3.3 폭발시뮬레이션(전면폭발) 결과

3.3.1 전면폭발 시나리오

앞서 설명한 바와 같이 폭발하중은 안전율 20%를 고려한 등가 TNT 무게 00 kg과 이격거리 00 m로 폭발시뮬레이션을 수행하였으며, 검토하는 전면벽체 정보는 Table 3과 같다.

Table 3

Front Wall Detail

Member Category Details
Front Wall Thickness 560 mm
Vertical Reinforcement Bar HD22@200
Horizontal Reinforcement Bar HD22@200

전면폭발의 모델링 형상과 주요 검토부재인 전면벽체는 Fig. 11과 같으며 이때 부재들의 배근 형상은 Fig. 12와 같다. 또한 폭발시뮬레이션 수행 시 폭파하중은 구형의 형태로 퍼져나가며 분포 형상은 Fig. 13을 통해 확인할 수 있다.

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Fig. 11

Surface Blast Modeling Geometry

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Fig. 12

Modeled Reinforcement Bar Detail

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Fig. 13

Flow of Explosive load action

3.3.2 부재 평가

1) 콘크리트의 균열 발생 검토

- 폭발시뮬레이션 검토 결과는 Fig. 14와 같다. Fig. 14(a)와 같이 콘크리트 요소들에서 허용 인장응력만을 초과하는 요소들이 확인되었다. 이는 폭압으로 인해 콘크리트에 균열이 발생한 상태인 것으로 판단된다. 또한 Fig. 14(b)와 같이 일부 굴뚝 벽체와 방폭문의 연결부에서 허용 인장응력(0.63fck)을 초과하면서 인장변형률이 0.02를 초과하는 요소가 일부 존재하였지만, 이는 검토 부재가 아니기에 검토 결과에서 제외하였다.

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Fig. 14

Evaluation of Concrete Tensile Stress and Tensile Strain

2) 콘크리트 압괴에 따른 구조물 일부 미세 손상 검토

- 콘크리트 압축변형률의 0.002 초과 여부를 확인하였으며, 검토 결과 Fig. 15와 같이 압괴로 인한 손상이 발생하지 않은 상태로 확인되었다.

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Fig. 15

Evaluation of Concrete Compressive Strain

3) 철근의 항복을 통한 균열 검토

- 철근의 항복을 검토한 결과, Fig. 16(a)와 같이 굴뚝 벽체 및 슬래브와 연결된 전면벽체 일부에서 철근이 인장항복변형률(εy,T)을 초과하는 것으로 확인되었다.

다만 전면 벽체의 경우 인접한 지붕 슬래브 쪽의 수직철근 일부만 국부적으로 항복하는 것으로 나타났으며, Fig. 16(c)와 같이 항복 이후 변형률이 크게 증가하지 않았다. 이에 따라 해당 부위에는 균열이 발생하였지만, 구조물의 전반적인 기능 수행이나 안전성에 미치는 영향은 크지 않을 것으로 사료된다. 또한 굴뚝 벽체의 경우 시뮬레이션의 분석 대상이 아니기에 검토 결과에서는 해당 부위에 대한 평가를 제외하였다.

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Fig. 16

Elements with Reinforcement Bar Strain

4) 구조부재의 변형 검토

전면폭파 시 전면 벽체의 개구부 상부 중앙에서 하중 방향 최대 처짐이 6.85 mm로 발생하였다. 최대 처짐을 통해 지점에서의 부재 회전각(θ)은 Table 2로 산정하여 최댓값인 θ=6.85mm1,950mm=0.0035rad=0.201°로 산정되어 2°보다 작은 것을 확인하였다.

이때 최댓값이 발생하는 요소에서의 시간-변위 그래프는 Fig. 17(b)와 같다.

https://cdn.apub.kr/journalsite/sites/kpfi/2026-003-01/N0680030106/images/kpfi_2026_31_68_F17.jpg
Fig. 17

Evaluation of Rotation

4. 결 론

본 논문에서는 응용요소법(AEM) 해석 기반 비선형 구조해석 프로그램인 ELS를 활용하여 이글루탄약고에 대한 전면폭발 폭발시뮬레이션을 수행하고, 방폭하중 작용 시 구조물의 거동 및 손상 수준을 종합적으로 검토하였다. 전면폭발 시나리오는 지면폭발 조건으로 설정하였으며, 방폭하중은 안전율 20%를 고려하여 산정하였다. 폭발시뮬레이션에 입력된 방폭하중과 이격거리를 통해 환산거리(Z)를 계산하였고, 이를 적용하여 프로그램에 내장된 UFC 3-340-02(U.S. DoD, 2013) 기준의 값들로부터 폭발시뮬레이션을 수행하였다.

해석 결과, 전면벽체에서 균열이 발생하였으며, 전면벽체와 슬래브의 연결부 인근에서 일부 수직철근이 항복에 도달하는 손상이 확인되었다. 하지만 철근의 변형률의 크기를 확인했을 때 국부적인 콘크리트 균열인 것으로 판단되며, 이는 구조물의 기능 수행이 불가능할 정도의 구조적인 손상이라고 판단되지 않는다. 또한 구조물 전체적으로 콘크리트의 압괴는 발생하지 않았으며, 전면벽체 개구부 상부에서 최대 처짐이 발생하였다. 최대 처짐이 발생한 부재의 지점회전각은 미세한 수준으로 발생하여 구조물의 손상이 발생하지 않을 것으로 사료된다.

응용요소법(AEM) 해석을 통한 이글루탄약고의 폭발시뮬레이션 해석 결과, 구조물에는 국부적인 균열 및 제한적인 철근 항복이 발생할 가능성은 있으나, 구조물의 전반적인 기능 수행 및 안전성에는 중대한 영향을 미치지 않는 것으로 판단된다. 또한 압괴 및 회전각검토 결과 방호수준인 2-B수준을 만족하는 것으로 평가되었다.

본 논문에서의 해석 결과는 응용요소법(AEM) 기반 폭발시뮬레이션이 극한 하중 조건에서 구조물의 실제 거동을 효과적으로 평가할 수 있음을 보여준다. 이는 향후 방호 구조물 설계 및 성능 검증을 위한 유효한 해석 방법론으로 활용될 수 있을 것으로 사료된다.

방폭문과 전면 벽체의 연결부 인근에서 철근 변형률이 상대적으로 크게 나타났으며, 이는 방폭문의 접합부 모델링 방식에 따라 전면벽체의 국부 응답이 달라질 수 있음을 의미한다. 따라서 추후 방폭문의 상세 모델링 및 접합부 거동을 보다 정밀하게 반영한 해석을 통한 결과 비교 및 실제 실험을 통해 응용요소법(AEM) 기반 폭발시뮬레이션 결과 검증에 대한 추가적인 연구가 필요하다고 사료된다. 따라서 추후 실증 실험을 수행하여 폭발하중 작용 시 시간 이력별 변위, 가속도, 철근 및 콘크리트의 변형률, 접합부 회전강성 및 파괴모드 등을 계측할 필요가 있다. 나아가 계측 결과를 기반으로 응용요소법(AEM) 모델에 적용된 재료 비선형 특성(인장·압축 거동, 균열 및 파단기준)과 부재 간 접합부 경계 조건의 적정성을 검토 및 보정함으로써 응용요소법(AEM) 기반 폭발시뮬레이션의 신뢰성 및 예측 정확도를 체계적으로 검증하는 추가 연구가 필요할 것으로 사료된다.

References

1

Applied Science International (ASI) (2021) Extreme Loading for Stuructures (ELS), ver.8.0.

2

Applied Science International (ASI) (2024) Extreme Loading for Stuructures Theoretical Manual, version 10.

3

DMFC 2-20-00 (2022) Design Criteria for Military Protection Facilities. Seoul: Ministry of National Defense. (In Korean)

4

DMFC 2-20-10 (2022) Design Criteria for Blast and Bullet Proof Facility. Seoul: Ministry of National Defense. (In Korean)

5

DMFC 3-60-30 (2022) Desing Guidelines for Ammunition Storage Facility. Seoul: Ministry of National Defense. (In Korean)

6

Kim, T. W., Kim, D. H., Kim, T. H., Nam, S. H., Kim, D. H., and Chu, Y. R. (2018) A Study on the Expansion of Practical Application of Seismic Reinforcing Bars. Seoul: Korean Society of Earthquake Engineering. (In Korean)

7

Tagel-Din, H. (2009). High Fidelity Modeling of Building Collapse with Realistic Visualization of Resulting Damage and Debris Using The Applied Element Method (HDTRA1-09-P-0006). Arlington, VA: Defense Threat Reduction Agency (DTRA).

8

Tagel-Din, H. and Rahman, N. A. (2006) Simulation of the Alfred P. Murrah Federal Building Collapse due to Blast Loads. Omaha: Architectural Engineering National Conference.

10.1061/40798(190)32
9

U.S. Department of Defense (U.S. DoD) (2013) UFC 3-340-02: Structures to Resist the Effects of Accidental Explosions. Arlington: U.S. Department of Defense.

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