1. 서    론¹⁾

최근 전 세계적으로 발생하고 있는 각종 사고 및 테러공격 등으로 인하여 폭발, 충돌, 화재 사고가 빈번하게 발생하고 있다. 특히, 2001년 미국 세계무역센터와 펜타곤에 발생한 9.11 테러사건 이후 사회적인 안전 불감증이 더욱 고조되고 있다. 2009년 국가정보원에서 발표한 자료에 따르면 전체 테러발생사고 중 국가 중요시설물이 55.2%를 차지하고 있으며, 이러한 사고는 무고한 인명피해 및 재산피해를 가져오는 결과를 초래하기도 한다. 특히, 세계에서 유일한 분단국가인 대한민국에서는 휴전협정을 맺은 지난 63년 동안 침투, 테러, 해상 및 육상도발, 폭격 등 북에 의한 다양한 도발이 있었으며, 특히, 2010년 천안함 피격, 연평도 포격사건 이후 테러 및 충돌에 의한 구조물의 안정성 등에 대한 관심이 높아지고 있는 실정이다. 또한, 앞서 언급한 사건과 더불어 재해‧재난에 따른 인명 및 사회적 피해도 증가하고 있다. 지난 2011년 일본 후쿠시마 원전사고로 인하여 원전 격납건물 손상 시 발생할 수 있는 물리적, 환경적 위험성에 대한 사회적 불안감이 날로 커지고 있다.

이러한 테러와 사고로 인해 피해발생 가능성이 가장 큰 구조물 중 하나인 원전격납건물, 가스탱크와 같은 2방향으로 구속된 프리스트레스트 콘크리트(Prestressed Concrete, PSC)에 관한 사회적 관심이 증가하고 있으며, 특히, 폭발, 충돌, 화재와 같은 극한하중에 의해 PSC 구조물에 발생되는 물리적 손상에 관한 다양한 연구가 국내·외로 진행 되어오고 있다. ^{1),2),3),4),5),6),7)}

폭발하중에 관한 선진 해외연구로 1990년대 미국 공병단의 PDC (Protective Design Center)에서는 전형적인 무기량에 대한 폭발하중을 계산할 수 있는 ConWEP과 단자유도 해석프로그램인 SBEDS를 개발하였으며, TM5-1300으로 명명된 기술편람을 작성하여 콘크리트 구조물에 대한 방재설계의 기본원칙을 세우고 설계에 반영하고 있다. 미국 원자력 규제위원회(NRC)의 주도하에 미국 산디아 국립연구소에서는 철근콘크리트 원자로 격납 구조물의 1/6 축소모형과 프리스트레스트 콘크리트 원자로 격납구조물의 1/4 축소모형을 제작하여 극한내압에 대한 거동을 실험적으로 평가한 바 있다.⁸⁾

국내에서는 극한하중에 대한 내충격 성능은 보안등급이 높은 국가주요시설물에 한정되어 있으며, 방호‧방폭 구조물 관리기준이 명확히 갖추어져 있지 않아 성능체계의 보완이 필요한 실정이다. 따라서 최근 구조물의 내충격 및 방폭 성능향상 방안에 대한 연구의 일환으로 항공기 충돌을 고려한 격납건물용 Fiber 콘크리트 적용기술 개발, 고성능 첨단 재료를 활용한 내화‧방폭 구조물 보수·보강 기술개발, APR-1400 물리적 방호 설계 체계구축 등 방호, 방폭에 대한 연구를 활발히 진행하고 있다.⁹⁾

이와 같이 국내‧외 콘크리트 구조물의 극한하중에 대한 실험적 검토는 많이 수행되고 있으나, PSC원전격납건물과 같은 중요 구조물에 대한 실험적 결과는 국내 뿐 아니라 해외에서도 특수성 및 보안성으로 인해 공개된 자료가 부족한 실정이다. 따라서 본 연구에서는 원전격납구조물에 적용되고 있는 2방향 프리스트레스트 콘크리트의 폭발저항성능을 검토하기 위해 구조물 벽체를 대상으로 축소부재모형을 제작하여 폭발실험을 수행하였으며, 축소부재의 실험적 거동분석을 통해 폭발저항성능을 파악하고자 한다.

2. 폭발저항성능 실험 구성

2.1 폭발하중에 대한 특성

폭발하중은 폭발되는 위치에 따라 구조물에 가해지는 폭발파의 형상이 달라지며, 크게 대기 중 자유폭발, 대기 중 폭발, 지표면 폭발에 대해 고려한다.¹⁰⁾ 대기 중 자유폭발은 Fig. 1 (a)와 같이 초기 충격파의 증폭이 없는 구조물 근처에서 발생하며 구조물에 작용하는 폭발하중은 반사파의 영향이 없는 폭파압력으로 작용하게 된다.Fig. 1(b)은 대기 중 폭발과 폭발로 인한 압력이 구조물에 도달하는 형상을 나타내며, 대기 중 자유폭발과 달리 초기충격파가 구조물에 도달하기 전에 지표면의 영향을 받아, 지표면의 반사파에 의해 마하전단(Mach front)이 발생한다. 초기충격파(입사파)와 반사파, 마하전단이 겹쳐지는 3중점(triple point)의 위치가 구조물의 높이보다 낮게 되면 구조물은 높이에 따라 다른 압력을 받게 되며, 3중점의 위치가 구조물의 높이보다 크면 구조물은 균일한 압력을 받게 된다. 지표면 폭발은 폭발 원점에서부터 입사파와 반사파가 하나로 합쳐져 파가 형성되며, 그 만큼 공중 폭발에 비해 파에 의한 효과가 큰 것을 알 수 있다. 즉, 지표면 폭발은 Fig. 1(c)와 같이 반구형으로 전파되며 주로 방호 구조물은 균일 압력을 받는 것으로 보고 설계할 수 있다.

2.2 폭발하중 시나리오 선정

폭발하중 시나리오를 도출하기 위하여 장약량에 따른 파괴 위험도와 과거에 발생한 테러에 대한 위험수준 및 사상자 수를 검토하였다. 그중 Fig. 2와 같이 1995년 Oklahoma시의 Alfres P. Murrah Federal Building에서 발생된 테러는 약 4,000lbs의 TNT를 빌딩 앞에서 트럭으로 폭발시킨 것으로 당시 168명의 사망자와 1,000여 명의 부상자를 발생시킨 사건으로 폭발 후 지름 8.4m, 깊이 2.0m의 분화구가 발생하였다.¹¹⁾ 본 연구에서는 이러한 테러와 같이 원전격납건물 앞에서 폭발물을 실은 트럭이 폭파하는 경우와 항공기 등에 의해 동일한 폭발물이 공중에서 지면으로 낙하하였을 경우에 대하여 폭발하중 시나리오를 선정하였다. 하지만 설정한 폭발하중 시나리오는 실제 구조물의 거동을 실험적으로 검토하고자 할 경우 앞서 언급한 테러와 같이 파괴에 이르러 폭발하중에 대한 구조물의 거동을 검토할 수 없게 되므로 그에 따른 적절한 폭발하중의 선정이 필요하다. 또한, 지면폭발의 경우 지표면에 의한 반사파압(reflection wave)과 같은 추가적인 파압이 발생하거나, 지표면의 상태에 따라 폭발파압의 흡수 등이 발생할 수 있으므로, 순수 파압을 가할 수 있도록 일정 거리의 공기 중 폭발이 구조물에 가할 수 있도록 폭발하중 시나리오의 수정이 필요하다. 따라서, 본 연구에서는 실제 원전격납건물에서 설계되어있는 폭발하중을 검토하여 그에 따른 폭발하중 시나리오를 수정하고자 한다. 실제, 원전구조물에서는 폭발하중에 대한 직접적인 설계기준을 적용하고 있지 않으나, 프랑스 Flamatome사에서 설계한 울진 1, 2호 원전구조물의 경우, 외부 발생가능한 하중에서 외부 충격압력하중에 대하여 Fig. 3과 같은 가상의 압력파를 견딜 수 있어야 하며, 그에 대한 특성은 350m/s의 속도와 0.005MPa, 300ms동안 폭발에 대한 극한하중이 진행되는 것으로 시나리오를 구성하였다.¹²⁾Fig. 3에서 보는 것과 같이 초기 충격량은 매우 작은 크기이나, 지속시간의 300ms동안 비교적 긴 시간 작용하므로 동일한 충격량 크기에 따른 장약량을 TM5-855에 의한 무기산정프로그램인 ConWEP 프로그램을 통하여 산정하였다. 실제 폭발하중 시나리오를 제약적인 실험조건에 적용하기 위해 Hopkinson-Cranz 환산법칙을 사용하여, 크기가 상이한 같은 종류의 두 폭발물이 동일한 대기 아래에서 폭발될 때 동일한 환산거리에서는 아주 유사한 폭풍파를 발생시킨다는 것을 의미하며, 차원변수로 식 (1)과 같은 환산거리가 사용된다.

or                      (1)

여기서, 은 폭발물 중심으로부터의 거리이며, 는 폭발물의 총 폭발열량, 는 TNT 등과 같은 표준 폭발물의 총 중량이다. 폭풍파에 대한 많은 자료들은 위와 같은 환산법칙에 따라 환산되어 TM5-1300에 제시되어 있다. 본 연구에서는 위의 환산법칙에 따라 등가 폭발작약무게를 계산함으로써 폭발하중 시나리오를 선정하고, 선정된 실험시편에 대한 상사법칙 및 실험조건에 따라 1.0m 높이에서 ANFO 폭약 55lbs를 사용하여 폭발실험을 수행하고자 한다.

2.3 시편제작

2방향 프리스트레스트 콘크리트 패널부재의 폭발저항성능을 검토하기 위해 본 연구에서 설정한 대상구조물을 실험적 조건과 크기효과를 고려하여 Fig. 4와 같이 1,400×1,000×300mm으로 선정하였으며, 대상구조물로 선정한 원전격납건물의 벽체와 동일한 철근비인 0.024, PS 텐던비는 0.0107로 제작하였다.^13),14) 시편은 일반철근콘크리트(Reinforced Concrete, RC), 프리스트레스 텐던으로만 보강된 콘크리트(Prestressed Concrete without Tendon, PSC), 프리스트레스 텐던과 철근으로 보강된 콘크리트(Prestressed Concrete with Tendon, PSRC, 일반적인 PSC)로 제작하였다. RC 시편의 경우 D13 철근을 사용하여 100mm 간격으로 상·하부 양방향으로 배근하였으며, PSC 시편과 PSRC 시편에 사용된 PS 긴장재는 실제 원전격납구조물에 적용되어 효율적인 구속효과를 발현시킬 수 있는 15.2mm PS 강연선을 사용하여 긴장하였다. 특히, 본 연구를 통해 긴장력 차이에 따라 구조물의 손상여부를 파악하고자 Table 1 에서 보는 바와 같이 항복강도 1,600MPa, 극한강도 1,730MPa, 단위중량 1.101kg/m의 강연선 B종과, 항복강도 2,040MPa, 극한강도 2,400MPa, 단위중량 1.101kg/m의 강연선 D종을 사용하여 긴장력을 달리하였다. 본 연구의 대상구조물인 원전격납건물이 비부착 포스트텐션 콘크리트이므로, 대상구조물에 80mm 쉬스관을 삽입하여, 긴장 후 그라우팅을 하지 않는 비부착 프리스트레스트 콘크리트로 제작하였다. 시편에 사용된 콘크리트는 Table 2와 같이 대상구조물인 원전격납건물의 콘크리트 강도와 동일하도록 40MPa 강도의 콘크리트 배합을 사용하였으며, 목표 강도 발현을 위하여 고로슬래그 미분말(결합재 대비 15% 함유), 워커빌리티의 향상을 위해 고성능 AE 감수제를 사용하였다. PSC 시편과 PSRC 시편은 긴장 시 발생할 수 있는 콘크리트 압축파괴를 방지하기 위하여, 충분한 강도가 발현된 후 Fig. 5와 같이 양방향으로 긴장작업을 수행하였으며, B종 강연선의 시편은 580kN, D종 강연선의 시편은 820kN 만큼 긴장하였다. 긴장 시 긴장 유압계와 PS 강연선의 중앙, 긴장부에 변형률게이지를 부착하여 긴장 시 변형률에 따른 긴장력을 계측하였으며, 실제 계측결과 B종 강연선은 520~610kN, D종 강연선은 690~820kN의 긴장력이 도입되었다. 긴장된 PS 강연선은 Anchor head와 wedge를 이용하여 시편에 고정하였다.

3. 폭발저항성능 실험 절차

3.1 실험 부지 조건

폭발저항성능을 검토하기 위하여 본 연구에서는 국방과학연구소 다락대시험장(ADD)에서 실험을 수행하였으며, 대기 중 자유폭발을 유도할 때, 폭발압력의 간섭효과 및 회절효과를 최소화하기 위하여 콘크리트 시편을 지면과 동일한 위치에 거치시켰다. 또한, 콘크리트 시편의 거동을 측정하기 위한 지지구조물을 Fig. 6(a)와 같이 제작하여 폭발하중에 의한 변형을 최소화하였다. 콘크리트 시편을 지지구조물 위에 고정시키기 위해 별도의 강재 angle과 clamp를 제작하여 콘크리트 시편과 지지구조물이 고정될 수 있도록 하였으며, 이때 콘크리트 시편과 지지구조물, 강재 angle과 clamp 사이에 고무패드를 삽입하여 일정한 지지조건을 만족시킴과 동시에 콘크리트 시편이 폭발하중에 의해 거동을 하면서 발생할 수 있는 움직임을 최소화하였다. 폭발실험 후 시편의 파괴형상 측정과 계측 관련 작업이 용이하기 위해 지지구조물의 한쪽 면을 모두 개방한 뒤 Fig. 6(b)와 같은 추가적인 frame을 통해 지지구조물과의 원활한 출입이 가능하도록 유도하였다.

3.2 계측개요

대기 중 폭발입사압력(free field incident pressure)은 Fig. 7과 같이 시편으로부터 5m 거리에서 측정하였으며, 콘크리트 시편에 받아들여지는 반사압력은 폭발물 1m 아래의 콘크리트 시편의 중앙부와 중앙부에서 300mm 떨어진 위치에서 측정하였다. Fig. 8은 시편에 부착된 센서와 변위계, 가속도 및 압력계의 위치를 나타낸다. 철근 변형률 게이지는 양단 철근의 인장부에, 콘크리트 변형률 게이지는 콘크리트의 상․하부면 중앙부와 300mm의 위치에 부착하였다. Fig. 9는 실험에 사용된 장비들이며, Fig. 9(f)와 같이 폭발하중을 받는 콘크리트 시편 거동의 처짐을 측정하기 위해 중앙부에 unspring 방식의 ± 50mm LVDT와 중앙부에서 250mm, 350mm 지점에 residual displacement를 측정할 수 있는 LVDT를 배치하였다. 충격가속도 및 충격하중을 받는 콘크리트 시편의 거동을 살펴보기 위하여 콘크리트 시편 하부면에 가속도게이지를 부착하였다. Data acquisition으로는 정적측정장비 또는 일반적인 동적측정장비에 비해 5~10,000배인 50~500kHz의 상당히 높은 샘플링 속도로 신호들을 수집할 수 있는 Dewetron사의 Dewe 1201과 Dewe 2600을 통해 Data를 수집하였으며, 초고속 카메라는 1초에 5000frame으로 촬영할 수 있도록 하였다.

3.3 폭발실험 수행절차

폭발물은 폭속 3,300m/s, 구포 145%인 ANFO 55lbs로 미리 제작한 각목에 시편으로부터 1m 떨어진 위치에 고정시켜 대기 중 자유폭발을 유도하였다. 각목을 사용함으로써 시편 및 압력게이지에 가해질 수 있는 파편효과 발생을 최소화하였으며, 폭발물 설치가 끝나면 뇌관을 삽입한 보조장약을 폭발물 중앙에 설치하여 완폭을 유도하였다. 폭발압력하중은 바람의 속도, 온도, 습도 등에 환경적 조건에 크게 영향을 받으므로 이들을 체크해야 하며, 고열 및 굉음과 함께 터지므로 폭압의 영향이 없는 곳으로 대피하여 실험을 수행하였다.

4. 폭발저항실험 결과 및 분석

Fig. 10은 ANFO를 이용한 실제 폭파장면을 초고속 카메라를 통해 촬영한 사진으로, 폭발물이 매우 빠른 속도로 에너지를 분산하는 것을 볼 수 있었다. Fig. 10에서 보는 바와 같이 ANFO의 경우에는 화염(fire ball)의 형태가 비교적 작게 나타났지만 실험 후 현장에 도착하게 되면, 심한 유독가스가 잔여된 것을 통해 ANFO는 주로 고온고압의 가스 형태로 에너지가 발산 된다는 것을 알 수 있었다.

4.1 폭발압력하중

Table 3은 UFC3-340-1에 기초한 무기산정프로그램인  ConWEP을 이용하여 콘크리트 시편에 가해졌을 것이라 예상되는 폭발압력하중을 산정한 결과이며, Fig. 11(a)는 시편으로부터 5m 떨어진 곳에 free field incident pressure를 측정하기 위해 설치해 놓은 pressuremeter로 측정된 결과와 ConWEP을 비교한 그래프이다. ConWEP에서 도출된 Peak pressure은 0.3028MPa, 충격량은 0.3021MPa-msec이었으며, free field pressuremeter에서 측정된 peak pressure은 0.3159MPa, 충격량은 0.3206MPa·msec로 측정된 대기 중 폭발압력은 ConWEP에 의한 예측값에 비해 압력하중은 4.33%, 충격량은 6.12% 크게 발생하였다. 시편에 부착된 압력 게이지를 통해 콘크리트 시편에 작용하는 폭발압력하중을 ConWEP에서 예측된 폭발압력하중과 비교하였다. 실험 시 대부분의 압력게이지가 폭발압력에 의해 손상을 받아 데이터를 확보하는데 제한이 있었으나, Fig. 11(b)와 같이 측정되었으며 비교적 유사한 경향을 나타내었다. 다만, 실험결과의 값이 예측된 값에 비해 약 11.3MPa 정도 강한 폭발압력을 받은 것으로 나타났다. 이러한 결과는 Table 4에서 볼 수 있듯이 폭발압력하중은 폭파 당시 바람의 방향과 습도, ANFO의 성형 형태 등의 영향을 받아 서로 다른 압력하중이 발생하였다고 판단되며, 외국 실험의 사례들을 통해서도 알 수 있듯이 폭발실험에서 충분히 발생할 수 있는 오차라고 판단된다.

4.2 시편의 외관 손상

폭발압력하중의 지속시간이 지나고, 안전한 상태가 확인된 후 사전에 제작한 아크릴판을 이용하여 Fig. 12와 같이 시편의 균열형상을 파악하였다. 폭발하중을 받은 모든 시편의 상부면은 큰 손상을 받지 않아 균열이 거의 발생하지 않았다. ANFO 폭약의 특성 상 순수하게 폭약에 의한 압력하중만이 작용하였음을 알 수 있다. Fig. 12(a)의 RC 시편 하부면은 콘크리트의 항복선의 형태를 따라 방사형 균열이 발생하였으며, 옆면에는 전단균열과 같은 형상의 균열이 발생한 것을 확인할 수 있었다. PSC 시편과 PSRC 시편의 하부면을 살펴보면 RC 시편에 비하여 큰 손상은 발생되지 않았으며, 균열의 파괴양상이 취성적임을 확인하였다. 또한, 시편 옆면의 전단파괴현상은 전혀 발생하지 않아 프리스트레스트 콘크리트 시편의 우수한 방호성능 효과를 나타낸 것이라 판단된다. 특히, PS 텐던으로 보강된 시편은 RC 시편과 달리 압축력이 발생된 시편의 단방향을 따라 균열이 진행된 것을 알 수 있었다. 폭발압력에 의해 PS 텐던의 강한 구속력이 순간적인 긴장력의 풀림과 동시에 균열이 발생하였다고 판단하였다.

4.3 폭발하중에 의한 콘크리트의 처짐

콘크리트 시편의 중앙부 하단에 설치된 LVDT를 이용하여 최대처짐량 및 구조물의 거동을 측정하였으며, Table 5는 각 시편의 최대변위와 잔류변위량을 나타내었으며 Fig. 13은 시편 종류별 최대변위를 그래프로 나타내었다. RC 시편의 경우 최대처짐이 최대처짐이 13.798mm, 잔류 변위량은 3.324mm가 발생하여 세 시편 중 가장 높은 변위를 나타냈으며, PSRC 시편의 경우 최대처짐은 8.79mm, 잔류변위량은 1.139mm로 RC 시편과 비교하여 최대처짐은 약 57%, 잔류변위량은 28% 더 효과가 있는 것으로 나타났다. 긴장력을 달리한 시편의 폭발실험결과를 비교하면 Fig. 14에서 보는 바와 같이 PSC 및 PSRC 시편 모두 1mm 이내의 변위차이로 최대처짐 및 잔류변위량에는 큰 차이가 없는 것을 알 수 있었다. 다만, 철근이 보강되어 있지 않은 PSC 시편의 최대처짐은 7.14mm로 철근이 보강된 PSRC 시편보다 약 1.65mm 변위량이 적게 발생되었다. 이는 폭발하중에 대한 최대처짐은 콘크리트의 강성 뿐만 아니라 콘크리트 내부의 철근 및 쉬스관 등에 의한 계면(interface)과 공극량에도 영향을 받는 것으로 판단할 수 있다. Table 5에 나타낸 바와 같이 RC 시편의 철근과 콘크리트 사이의 계면을 1.0으로 정규화해보면, PSC 시편, PSRC 시편은 각각 0.646, 1.646으로 계산할 수 있다. PSRC 시편의 계면이 PSC 시편의 계면에 비하여 크게 발생한 것을 확인할 수 있다. 즉, 콘크리트에 삽입된 철근 및 쉬스관이 폭발하중에 대한 콘크리트 시편의 연성을 증가시켜, 폭발저항성능 및 회복력을 향상시키나 시편 내부의 계면 및 공극을 증가시켜 짧은 시간에 작용하는 폭발하중을 견딜 수 있는 면적이 감소하는 것으로 판단할 수 있다. 이를 통해 폭발하중의 경우 일반적으로 측정하는 처짐 및 관입깊이만으로 시편의 폭발저항성능을 평가하는 것이 아니라, 균열형상, 에너지 흡수력, 손상면적, 잔류구조성능 등을 통한 전반적인 평가가 이루어져야 한다고 판단된다.

4.4 폭발하중에 의한 변형률

폭발압력하중에 의한 하부철근의 변형률 값을 통해 각 시편의 거동을 좀 더 정밀하게 파악할 수 있다. Fig. 15(a)는 RC 시편의 상부철근과 하부철근 인장부에 설치한 게이지의 측정값을 나타낸 그래프이다. 결과에서 볼 수 있듯이 상․하부 철근 모두 폭발하중에 의해 대부분 인장거동 하는 것을 확인할 수 있었다. Fig. 15(b)에서 보는 바와 같이 RC 시편과 PSRC 시편의 중앙부에 설치한 변형률 게이지의 측정값을 비교한 결과, 실험 시편 모두 항복거동 범위 내에 있었지만, RC는 최대변형률 2,154 με, PSRC 시편은 815 με로 PS 텐던으로 보강된 PSRC 시편의 변형이 적게 발생됨을 확인하였다. 변형률은 시편의 손상(damage)정도를 파악하는 주요 연관성이 있으며, 더불어 Hook’s law를 이용하여 발생된 변형률을 응력으로 산정하여 변형률 속도에 따른 강도증가계수 등을 구할 수도 있다고 판단된다.

4.5 긴장력 변화

PS 강연선의 변형률은 일반적인 철근의 변형률 거동과 그 결과가 상이하게 다름을 알 수 있었다.Fig. 16(a), (b)에서 보는 바와 같이 폭발하중을 받았을 때 최대 300 με 이상의 변형이 발생하면서 철근 및 콘크리트의 변형이 안정된 후에도 떨림현상과 같은 지속적인 변형현상이 발생하는 것으로 나타났다. 강연선의 변형률 결과를 통해 PSC 시편, PSRC 시편 모두 500kN 이상의 긴장력이 도입된 PS 강연선의 특성에 따라 폭발압력으로 인하여 콘크리트 상면에 작용하는 응력파가 내부로 전달되면서 비부착 포스트텐셔닝으로 이루어진 강연선에도 영향을 크게 미치는 것으로 판단된다. 폭발압력하중이 가해진 PSC 시편과 PSRC 시편에서 발생하는 프리스트레싱 긴장력 변화를 시편의 단방향(PS-1~4)과 장방향(PS-5~8)으로 나누어 측정하면 Fig. 17(a), (b)와 같다. 폭발하중을 받은 시편 모두 장방향과 단방향 모두 긴장력이 감소하였다. 폭발하중을 받을 당시에는 폭발압력에 의해 긴장력이 순간적으로 증가하는 경향을 보였으나 시간이 지남에 따라 시편이 손상받은 범위로 인하여 풀림현상이 발생하게 되어 단방향의 긴장력은 17~26kN, 장방향의 긴장력은 2~12kN이 감소하였다.

4.6 폭발하중에 의한 가속도

본 연구에서 폭발압력하중이 가해지는 콘크리트 구조물의 거동분석은 가속도 게이지에 의해 측정되었으며, 충격에 의한 가속도도 동시에 측정되었다. 가속도를 통해 알게 되는 구조물의 진동은 하중에 의해 발생되는 구조물의 떨림 발생정도에 따라 분석하는 진동가속도의 개념과 비슷하다고 판단할 수 있다. Table 6과 Fig. 18에서 보는 바와 같이 ANFO 55lbs의 폭발압력하중이 가해질 때, RC 시편은 31,223g, PSC 시편은 약 30,000~37,000g의 가속도가, PSRC 시편은 38,000~56,000g의 가속도가 발생되었다. 이는 시편의 철근비에 따라 영향을 받으며 철근비가 클수록 시편이 흡수하는 충격에너지가 더 큼에 따라 PS 텐던과 철근으로 보강된 시편의 경우 더 큰 진동수를 보이는 것으로 판단할 수 있다. 다만, PSC (D) 시편의 결과가 다소 상이한 이유는 실험장의 환경과 시편과 강재프레임의 완전한 구속이 이루어지지 못한 경우, 폭발하중이 전달되는 압력과 그에 따른 시편이 받는 충격가속도에 영향을 미쳐 구조물의 진동 및 충격량도 상이하여 오차가 발생할 가능성이 큰 것으로 판단된다.

5. 결    론

본 연구는 극한하중을 받는 PSC 원전격납구조물을 대상으로 하여 방호성능을 평가하기 위한 목적으로 수행된 폭발저항성능실험으로, 철근 및 PS 텐던의 보강 유무, 긴장력의 크기에 따른 콘크리트 패널부재의 손상도를 평가하여 다음과 같은 연구 결과를 도출하였다.

1)5m 지점에서 측정한 Incident pressure과 ConWEP에서 예측한 결과의 유사함을 통해 방호설계 및 입사압력의 예측 시 충분히 사전에 검증이 가능하다는 것을 확인하였다.

2)PSC, PSRC 시편은 RC 시편이 보이고 있는 방사형태의 균열양상과 달리 PS 텐던을 통해 긴장되어 있는 단방향을 따라 균열이 진전되었음을 확인하였다. 이는 PS 텐던의 긴장력으로 시편의 구속력이 높아 충격 시 순간적인 긴장력이 풀림과 동시에 균열이 발생하였다고 판단하였다. 또한, PSC, PSRC 시편의 미세균열 및 전단균열이 RC 시편에 비해 상대적으로 적게 발생되었다.

3)RC 시편과 비교하여 PSRC 시편의 최대처짐은 약 57%, 잔류변위량은 28% 높은 효과를 보이는 것으로 나타났다. 이는 PS로 보강된 구조물이 폭발하중에 대하여 효과적인 것으로 확인되었다. 다만, 철근이 보강되어있지 않은 PSC 시편이 철근이 보강된 PSRC 시편보다 최대처짐이 적게 발생된 결과를 통해 처짐 뿐 아니라 시편의 균열형상, 에너지 흡수력, 손상면적, 잔류구조성능 등을 통한 전반적이고 다각적인 평가를 통해 구조물의 성능평가가 이루어져야 한다고 판단된다.

4)일반 철근과 달리 긴장력이 도입된 PS 텐던은 폭발압력을 받았을 경우 지속적인 진동현상이 발생되었으며, 순간적인 긴장력은 상승하였으나 시간이 지날수록 진동현상이 줄어들며 긴장력이 조금씩 감소하는 결과를 나타내었다. 이를 통해 극한하중에 따른 손실량을 고려하여 다음 단계 연구 시 반영한다면 원전구조물 설계 시 더욱 효과적일 것이라 사료된다.

5)본 연구결과를 통하여 PSC 구조물은 그 자체만으로 RC 구조물에 비하여 충분한 방호성능을 보이는 것을 확인하였으며 PS의 충분한 인장성능을 통해 설계과정에 적용한다면 더욱 향상된 방호시스템 구축이 가능할 것이라 판단된다. 폭발하중만이 아니라 화재, 폭발 후 화재와 같은 추가적인 연구를 통해 복합 극한하중에 대한 구조물의 극한저항성능을 분석하고자 한다.