1. 서 론
군시설 용어사전에는 방호시설을 “공중 및 지상공격, 화생방 및 악기상으로부터 인원, 장비, 물자 등을 보호하기 위하여 구축한 강도 높은 시설물”로 정의하고 있다, 방호시설은 “직접적 전투행위를 수반하는 진지와는 달리 간접적 전투지원 및 작전 지속능력을 보존하기 위하여 구축된 시설물”이다(Defense Installation Agency, 2013). 그러나 민간에서는 “대전차 방호시설”(Yonhap News, 2018)과 같이 용어가 잘못 사용되는 경우도 있다. 이에 맞는 표현은 대전차 장애물이 적절할 것이다. 방호시설은 적의 공격으로부터 인원, 장비, 물자를 보호하는 것을 목적으로 한다. 방호시설이 갖춰야 하는 성능은 여러 가지가 있지만, 일반적으로 인원을 보호하는 시설물의 경우는 각종 무기가 폭발했을 때 폭풍압력을 견디는 방폭성능, 각종 파편, 발사체의 관입을 막아내는 방탄성능 등이 요구된다. 그러나 국내에서 방호시설과 관련된 연구는 많지 않은 편이다.
국내에서 방폭 및 방탄 실험을 할 수 있는 장소가 한정되어 있고, 비용과 장소의 문제로 방폭 및 방탄 실증시험을 실시할 수 없는 제한사항 때문에, 특히 실증시험 평가에 관한 연구는 많이 이루어지지 않았다.
방폭문, 방탄유리 설계 및 시뮬레이션과 관련된 국내 연구가 드문 것은, 실증시험에 대한 데이터를 구할 수 없는 것이 주된 원인인 것으로 판단된다. 이런 사유로 방폭문의 성능을 컴퓨터 시뮬레이션 결과로 해석하는 연구가 일부 수행되어 왔다(Shin et al., 2019; Shim and Lee, 2019; Kim and Kim, 2020; Shim and Lee, 2020; Al-Rifaie and Sumelka, 2020; Kim, 2016; Hong, 2018).
본 연구의 목적은 국내에서 수행된 방폭문의 방폭 실증시험 및 방탄유리의 방탄 실증시험 사례연구를 분석하여 발전방안을 검토하기 위한 것이다. 이를 위하여 본 연구에서는 필자가 2016년부터 2023년까지 참여한 방폭문 폭발실증시험과 2022년에 참여한 방탄유리에 대한 실증시험 결과를 고찰해보고자 한다.
2. 본 문
2.1 방폭문 폭발실증시험
방폭문(blast-resistant door, blast-proof door)은 “폭풍압력의 유입을 방지하기 위해 건축물의 개구부에 설치하는 문”으로 주로 폭발로 인한 방호가 필요한 군사시설 및 민방위 비상대피시설 등에 사용된다(Baek, 2021).
한국가스안전공사는 한국인정기구(Korea Laboratory Accreditation Scheme, KORAS) 및 한국제품인정기구(Korea Accreditation System, KAS)로부터 인정받은 국제공인시험기관으로서 방호제품 7종(방폭문, 가스차단문, 방폭밸브, 가스차단밸브, 가스차단접속관, 가스입자여과기) 및 용기보관실 방호벽 출입문에 대한 제품인증을 수행하고 있다. 방폭문 제품인증은 폭발시 발생하는 폭풍파로 인한 제품의 변형 및 내구성능, 손상여부를 확인하는 폭발압력저항시험이 요구된다(Korea Gas Safety Corporation, 2016). 국방·군사시설에 설치되는 방폭문은 “실규모 공개 현장 폭발실증시험”이 필수 인증요소로 포함되게 되었다. 평가기준은 “방폭문 폭발실증시험 수행지침서“(Defense Installation Agency, 2014)를 기준으로 하고 있다.
방폭문 폭발실증시험을 수행할 수 있는 국내 장소는 상무대 폭파시험장이 있는데, 폭발물의 규모와 안전거리, 민원 요소 등을 고려할 때 실험할 수 있는 추가적인 가용장소를 확보하지 못한 실정이다. 실증시험 비용은 콘크리트 구조체를 짓고, 실제 크기의 방폭문을 제작하여 시공한 후 평가하기 때문에 방폭문 제작 및 시공비용이 대부분을 차지하고 있다.
2016년 5월 19일 국방부와 국방시설본부에서 주관하는 첫 방폭문 폭발실증시험이 상무대 폭파시험장에서 실시되었다. 방폭문 폭발실증시험의 개념도는 Fig. 1과 같다(Baek, 2021).
2.1.1 방폭문 폭발실증시험 조건
방폭문의 폭발실증시험 조건은 다음과 같다(Defense Installation Agency, 2014).
① 구조체와 폭발물이 동일한 수평면 상에 위치하도록 지표면 폭발로 계획
② 반사압력 효과 차단을 위해 폭발원점을 기준으로 구조체를 제외하고 인공물을 설치하지 않는다.
③ 작약량 및 이격거리는 요구되는 기준을 적용한다.
④ 콘크리트 구조체는 해당업체에서 시공 제작하되, 폭발압력에 의한 전복 및 밀림 현상이 일어나지 않도록 설치한다.
⑤ 방폭문의 하단은 지표면으로부터 반드시 이격되도록 설치한다.
⑥ 방폭문, 문틀, 경첩, 걸쇠의 설치는 설계도면과 동일하게 한다.
2.1.2 방폭문 성능평가 요인
방폭문 성능평가 요인은 다음과 같다(Defense Installation Agency, 2014).
① 요구되는 회전연성도와 변위연성도 기준을 충족해야 한다.
② 방폭문이 개폐가 되어야 한다.
③ 문틀이 파괴 및 변형되지 않아야 한다.
④ 걸쇠가 파괴 혹은 변형되지 않아야 하며, 방폭문을 여전히 폐쇄시키고 있어야 한다.
⑤ 실링재는 파괴되거나 변형되지 않아야 한다.
방폭문은 상기 모든 조건을 만족해야 하며 하나라도 만족하지 못하면 불합격이 된다.
2.2 방탄유리 방탄실증시험
방탄시험은 정해진 탄종과 탄속에 대한 방탄물자의 방탄성능을 확인하는 시험으로 대표적인 방탄시험으로는, 규격에 제시된 탄종과 속도에서 방탄재료의 관통여부를 평가하는 BL(Ballistic Limit) 시험, 방탄한계속도(V50) 산출시험, 규격에 의한 후면변형 시험(Perforation and Back Face Signature Test, 이하 P-BFS) 시험 등이 있다(Gu et al., 2021, 2022).
규정된 탄종과 속도에서 방탄재료의 통과여부를 판정하는 대표적인 BL(Ballistic Limit) 시험기준은 소구경 탄의 방탄성능시험 규격인 ‘MIL-Standard’와 사격으로부터 신체를 보호하는 방탄성능시험 규격인 ‘NIJ Standard’, 글로벌 안전 인증기관인 미국의 Underwriter Laboratories(이하 UL)에서 발간한 “Standard Test and classification for Ballistic Resistant Materials”, 보통 UL 752로 불리는 “탄도-저항 장비 표준”이 있다.
방탄시설에 대한 재료시험은 NIJ 표준과 UL 752 표준이 널리 사용되고 있다. 미국 National Institute of Justice(이하 NIJ)는 개인보호장갑과 방호재료에 대한 표준을 각각 갖고 있는데, NIJ-STD-0108.01은 방호재료의 방탄성능(Ballistic Resistant Protective Materials)에 대한 최소 요구조건 및 시험방법 기준이다. NIJ 표준은 6개 등급(Ⅰ,Ⅱ-A, Ⅱ, Ⅲ-A, Ⅲ, Ⅳ)으로 구분되며, 5발의 충격을 기본으로 하되, Ⅳ형만 구경 30의 철갑탄 단발 충격을 시험방법으로 하고 있다. 사격거리는 Ⅲ-A 이하는 5 m, Ⅲ, Ⅳ등급은 15 m를 기준으로 하고 있다(National Insititute of Justice, 1985).
실무적으로 대부분 NIJ 표준보다 UL 752 표준을 선호하는데, 그 이유는 UL 752 등급이 다양하고 세부적이고 포괄적이기 때문이다. 예를 들어 “NIJ III 표준 충족”이라고 표시된 방탄유리는 UL Level 5, Level 7 또는 Level 8 등급에 적합할 수 있으며, 반면에 UL 기대치에 완전히 못 미칠 수도 있다. 이는 UL 표준이 유리 또는 유해 파편의관통을 모두 찾는 반면, NIJ 표준은 탄환 조각 또는 테스트 샘플의 재료(파편)에 의한 것이든, 대상 패널의 완전한 천공만이 ‘관통’으로 분류되며, 다른 결과를 초래하는 충격은 파손 위험과 관계없이 ‘미관통’으로 분류되기 때문이다(Total Security Solution, 2024).
국내에서 방탄유리에 대한 관통저항시험을 수행하고 인증할 수 있는 기관은 국방기술품질원 국방종합시험센터과 ㈜ 삼양컴텍이 있다. 본 연구에서 수행한 방탄재료에 대한 UL 752 표준 시험방법 및 등급은 Table 1과 같다.
Table 1
UL 752 Standard Tests and Ratings for Ballistic Materials (Underwriters Laboratory 752, 2010)
Table 1은 UL 752의 1~8 등급에 대한 기준을 정리한 것이다. UL 752 등급은 해당 탄종을 해당 무기로 4.2 m 거리에서 발사하는 것이 시험기준이며, 발사 탄의 최소 및 최대 속도가 규정되어 있다. Table 1에서 FPS는 “feet per second” 약자로서 탄의 발사속도를 나타내는 단위이다. 해당 등급에서 정해진 횟수 만큼 발사했을 때 관통이 되지 않는 것이 합격기준이다. 예를 들어, UL 752 1등급은 권총으로 9 mm 탄(Full Metal Copper Jacket with Lead Core)을 4.6 m 이격하여 해당 시편에 발사하였을 때(발사 탄의 속도는 최소 1,175~최대 1,293 feet per second) 3발이 모두 관통되지 않으면 UL 752 1등급을 만족하는 방탄유리가 되는 것이다. 1발은 관통하지 않았으나, 2번째 탄에서 관통되거나, 2발까지는 관통되지 않았으나 3번째 탄에서 관통되면 불합격으로 판정이 된다.
Fig. 2는 UL 752 시험기준의 탄착점 위치를 나타낸다. 재료 크기는 305×305 mm, 발사 이격거리는 4.6 m를 기준으로 하고 있다.
국방기술품질원 국방종합시험센터는 한국인정기구(KOLAS)로부터 인정받은 국제공인시험기관으로서 방탄시험장에서는 방탄복, 개인용 방탄판, 방탄헬멧, 방탄유리, 방탄철판, 함정용 방탄판, 기타 방호재 등에 대한 성적서를 발급하고 있다.
국방시설본부와 육군 공병실은 2022년 미래전략기술연구소에 UL 752 등급의 방탄유리 실증시험을 의뢰한 바 있다. 이에 연구소에서는 UL 752 1등급에서 8등급의 방탄유리 15종을 설계하고 제작하여 국방기술품질원 국방종합시험센터에서 방탄실증시험을 수행하였다.
2.3 결과분석
2.3.1 방폭문 폭발실증시험
Table 2는 2016년부터 2023년까지 저자가 참여한 방폭문 폭발실증시험 결과를 정리한 것이다. Baek(2021)의 연구에 수록된 표에 2023년 자료를 추가하여 요약하였다. 14개의 슬라이딩 방폭문과 12개의 강재문 방폭문을 대상으로 폭발실증시험을 수행한 결과, 8개 방폭문이 문의 개방 및 폐쇄가 되지 않아서 불합격을 받은 것을 알 수 있다. 또한 6개의 방폭문은 실링재의 과도한 변형이 발생한 것으로 나타났다.
Table 2에서 알 수 있듯이 폭발실증시험 후에 문의 정상작동 여부, 실링재 파손 및 변형여부, 문틀 파괴여부 등을 기준으로 하였을 때, 26종 방폭문 중에 14종이 요망수준을 충족하지 못한 것으로 나타났다. 회사별 자체 시뮬레이션 및 구조계산을 통과하여 제작 및 설치된 방폭문이었지만, 현장 실증시험에서 요구성능을 모두 만족한 것은 46 %에 불과했다.
특히 슬라이딩문은 폭발실증시험 결과 문이 개폐가 되지 않거나, 폭압에 의해서 문이 개방되어 방폭문의 기능을 상실한 것이 50 %에 달하였다. 방폭문 내부로 미치는 폭압저감을 위해 기밀성 확보가 요구되나, 이를 위한 실링재 파괴 및 변형이 슬라이딩문에서 반복적으로 나타나는 것을 알 수 있었다.
Table 2
Test results of blast doors (Baek, 2021; updated)
Fig. 3은 폭발실증시험 후 폭발압력에 의해 콘크리트 구조체 내부 방폭문의 후면 문틀이 떨어져 나간 경우를 보여준다. Fig. 4는 폭발압력 및 열에 의해 실링재의 변형 및 분리가 발생한 모습을 나타내고 있다.
이를 통해 구조계산서 및 방폭 시뮬레이션 결과, 적합하다는 시험서를 첨부한 제품이 실증시험에서 탈락하는 경우가 상당수 있음을 알 수 있었다. 시뮬레이션과 실증시험 결과의 차이가 발생하는 주된 이유는 분석대상인 방폭문과 방탄유리가 단일 물성치가 아닌 복합재료로 제작되고, 해석모델에서의 경계조건 및 재료물성 등의 차이로 인해 정밀한 모의가 제한되기 때문인 것으로 사료된다.
따라서 방폭문 제품 인증에서 최종 인증평가 요소로서 폭발실증시험의 중요성이 인정되며, 실증 시험평가가 지속되어야할 것으로 사료된다.
2.3.2 방탄유리 방탄실증시험
Table 3은 본 연구진이 수행한 방탄유리 15종 26점에 대한 방탄시험 결과를 정리한 것이다. Table 3에서 알 수 있듯이 15종의 방탄유리 26개의 시험체에 대한 UL 752 기준 방탄시험 중에 50 % 이상이 요망수준을 충족하지 못한 것으로 나타났다. 방탄시험 결과 26회 시험에서 14회는 불합격한 것으로 나타났다.
Table 3
Test results of bullet-proof glasses
UL 752 3등급은 44구경 매그넘 3발에 방호되어야 하고, UL 752 4등급은 30.06 구경의 라이플 1발에 방호되어야 하는데, C와 D시험체의 시험결과를 보면, 상호 엇갈리는 결과가 나왔음을 알 수 있다. 물론, UL 752 기준은 등급의 번호가 높은 것이 방탄 성능이 더 뛰어나다는 것을 의미하지는 않는다. 예를 들어 UL 752 3등급은 44구경 권총을 3발 연속으로 쏘았을 때 기준이며, UL 752 4등급은 30.06 라이플 1발에 관통되지 않는 것을 의미한다. 본 연구결과를 통해 UL 752 4등급을 만족한다고 해서 UL 752 3등급을 만족하는 것이 아님을 알 수 있었다.
G, H, I 시험체는 UL 752 5등급을 충족했는데, UL 752 6등급도 충족하는 것으로 나타났다. UL 752 5등급 기준은 7.62 mm 라이플 1발 방호, UL 752 6등급은 9 mm Uzi 5발에 방호가 되어야 하는데, 테스트한 UL 752 5등급 시험체는 UL 752 6등급에도 방호가 되었음을 알 수 있었다. Fig. 5는 UL 752 6등급 기준에 따른 방탄시험을 실시한 방탄유리를 보여준다.
UL 752 6등급의 요망 충격속도가 UL 752 5등급보다 상당히 낮아서 UL 752 6등급이 UL 752 5등급보다 더 높은 등급이라고 할 수 없다. 반대로 UL 752 5등급을 만족할 경우, UL 752 6등급을 동시에 충족한다고 일반화할 수는 없으며, 방탄 요구조건에 따라 각 등급 기준에 따른 실증시험을 통해 검증해야 함을 알 수 있었다.
3. 결 론
본 연구에서는 2016년부터 2023년까지 한국가스안전공사와 국방부가 주관하고 육군사관학교 산학협력단에서 실시한 방폭문 폭발실증시험과 2022년에 국방시설본부와 육군 공병실의 요청으로 미래전략기술연구소에서 실시한 방탄유리 방탄실증시험의 연구사례를 토대로 얻은 주요 결론은 다음과 같다.
첫째, 방폭문 폭발실증시험 결과 26종 방폭문 중에 14종이 요망수준을 충족하지 못한 것으로 나타났다. 특히 슬라이딩 방폭문의 경우는 실험대상 14종 중에 7종이 폭압에 의해 문의 기능을 상실한 것으로 나타났다. 회사별 자체 시뮬레이션 및 구조계산을 모두 통과하여 제작되어 현장에 설치된 방폭문이었지만 폭발 실증시험의 합격률은 높지 않은 것으로 나타났다.
둘째, 국방·군사시설 기준에 반영하기 위해 수행한 방탄유리 방탄 성능시험에서, UL 752 요망 등급에 맞도록 설계한 방탄유리 15종 중에 8종이 요망등급을 만족하지 못하는 것으로 나타났다. 실증시험 연구결과 UL 752 2등급 1종, 3등급 1종, 5등급 5종을 만족하는 방탄유리 7종에 대한 시험성적서를 얻을 수 있었으며, 그 결과를 국방·군사시설 표준설계도면에 반영할 수 있는 기틀을 마련하였다.
구조 시뮬레이션과 실증시험 결과의 차이가 발생하는 주된 이유는 분석대상인 방폭문과 방탄유리가 단일 물성치가 아닌 복합재료로 제작되기 때문에, 시뮬레이션을 정밀하게 수행하지 못하기 때문인 것으로 사료된다.
본 연구를 통해 구조계산과 시뮬레이션을 통해 설계된 구조체 및 방탄유리가 실제 실증시험에서 파괴될 수 있으며, 이러한 점을 고려해 볼 때 방호시설 설계시 최종 평가요소로서 실증시험을 통한 검증이 반드시 필요함을 알 수 있었다.
다만, 실증시험은 많은 비용과 시간이 요구되므로 방폭문 설계 및 시뮬레이션의 정확성을 확보하기 위한 후속 연구가 필요하다고 판단된다. 본 연구진은 실증시험 결과에 대한 데이터를 지속적으로 확보하여 방폭문 설계 및 시뮬레이션의 정확성을 확보하기 위한 연구를 수행할 계획이다.
