Research Paper

Journal of Korean Tunnelling and Underground Space Association. 31 March 2025. 101-114
https://doi.org/10.9711/KTAJ.2025.27.2.101

ABSTRACT


MAIN

  • 1. 서 론

  • 2. 터널 환기구조

  • 3. 터널 내 차량 폭발 시뮬레이션

  •   3.1 해석 이론

  •   3.2 TNT 등가량 산정

  •   3.3 해석모델

  • 4. 해석 결과

  •   4.1 터널 내 폭발 해석결과

  •   4.2 슬래브 손상도 평가

  • 5. 결론 및 고찰

1. 서 론

최근 급격한 도시화로 인해 대도시의 교통 혼잡 문제가 심화되면서 지하 교통 인프라의 필요성이 더욱 강조되고 있다. 이를 해결하기 위해 초장대 지하고속도로 건설과 같은 국가적 프로젝트가 기획되고 있으며, 이러한 지하 공간 활용은 교통 정체 완화, 지상 공간 확보, 환경 개선 등 다양한 분야에서 긍정적인 영향을 미칠 수 있다. 특히, 도심 구간에서의 지하 공간 활용은 지상을 보다 효율적으로 사용할 수 있게 하며, 빠르고 안전한 교통 흐름을 제공함으로써 중요한 사회적 및 경제적 가치를 창출한다.

이러한 초장대 지하 교통 인프라 건설은 현재 서울 및 인근 지역을 중심으로 교통 혼잡 완화와 효율적인 지상 공간 활용을 위한 핵심 인프라로 자리 잡고 있다. 대표적으로, 제5차 국토종합계획(20~40), 제2차 고속도로 건설계획(2021~2025), 現정부 국정과제 등을 기반으로 경인 및 경부(20 km 내외), 수도권1순환(약 35 km), 사상~해운대(22.8 km), 양재~고양(33.5 km) 등 고속도로의 지하화를 활발히 추진 중이며, 모두 초장대 지하고속도로로 계획되고 있다. 그러나 이러한 지하 교통 인프라는 밀폐된 공간이라는 특성을 가지고 있으며 예기치 못한 차량 폭발 사고가 발생할 경우 지하 구조물과 인명 피해가 매우 클 수 있다는 점에서 심각한 위험을 내포하고 있다. 이는 기존의 단거리 터널보다 훨씬 긴 거리를 통과해야 하므로, 폭발사고 발생 가능성이 증가하고 이에 따른 피해 규모 또한 확대될 위험이 크다. 특히, 지하 터널 구조물의 초장대화로 인해 기존 환기 방식의 한계가 예상되며, 이를 보완하기 위해 풍도 슬래브를 활용한 반횡류식 환기 방식의 도입이 필요할 것으로 예상해볼 수 있다. 하지만 터널 내 풍도 슬래브의 설치는 Fig. 1과 같이 터널 내 밀폐도를 더욱 높이는 결과를 초래하며, 차량 폭발 발생 시 차량과 풍도 슬래브 간 짧은 거리로 인해 슬래브 손상이 유발될 가능성이 크다. 더 나아가 슬래브 손상 및 붕괴로 인해 2차 피해까지 발생할 수 있어 이러한 위험을 사전에 예측하고 대응하기 위한 연구 및 기술 개발이 필요하다. 따라서, 풍도 슬래브의 방폭 성능을 확보하기 위한 효과적인 설계 및 기술 개발이 중요한 과제로 대두되고 있다.

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Fig. 1.

Explosion scenarios in tunnels

본 연구는 터널 내의 풍도 슬래브를 대상으로 폭발 상황에서의 손상도를 평가하고, 이를 반영한 새로운 설계 기준을 제시하는 데 목적이 있다. 이를 위해 수치해석 기법을 활용하여 차량 유형별 TNT 등가량에 따른 폭발 하중에 대응하는 슬래브의 거동을 분석하였다. 본 연구의 결과는 폭발 하중을 고려한 설계 기준 수립과 구조적 안전성 향상을 위한 기초 자료로 활용될 것으로 기대된다.

2. 터널 환기구조

터널 내 환기 방식은 주로 종류식, 횡류식, 반횡류식의 세 가지로 분류된다(Fig. 2). 종류식 환기 방식은 터널 입구나 연직 갱 등을 통해 신선한 공기를 유입시키고 오염된 공기를 배출하여 터널 내부에 종방향 기류를 형성하는 방식이다. 이 방식은 비교적 간단한 구조로 운영이 용이하지만, 터널의 길이가 길어질수록 효과가 제한될 수 있다. 횡류식 환기 방식은 터널 천장에 설치된 풍도를 통해 신선한 공기를 공급하거나 오염된 공기를 배출하여 횡방향 기류를 형성하는 방식이다. 이 방식은 고정된 환기 구역에서 효과적인 공기 순환이 가능하나, 설치 및 운영 비용이 상대적으로 높다. 반횡류식 환기 방식은 터널과 평행하게 설치된 풍도를 통해 송기 또는 배기를 수행하며, 차도 내 종방향 기류와 횡방향 기류를 결합하여 환기 효율을 극대화하는 방식이다.

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Fig. 2.

Tunnel ventilation system

국내 터널의 환기 방식은 1990년대 이후 대부분 종류환기 방식이 적용되면서 표준으로 자리 잡았다. 영동고속도로 진부 터널과 둔내 터널의 개통 이후, 1 km 이상의 대다수 터널에서 종류환기 방식이 채택되었으며, 2000년 이전 횡류환기 방식이 약 42%를 차지했던 것에 비해 현재는 5.2%로 크게 감소하였다. 그러나 도심지 터널의 증가와 함께 공간 제약 및 오염물질의 효율적 처리를 위해 횡류환기 방식이 다시 주목받고 있다(Ryu and Kim, 2018).

특히, 긴 지하 터널의 경우 기존 환기 방식만으로는 한계가 있어, 반횡류식 환기 방식이 적합한 대안으로 제시된다. 반횡류식 환기 방식의 효과적인 구현을 위해서는 터널 내부에 풍도 슬래브를 설치하여 환기 효율성을 증대시킬 필요가 있다. 이러한 풍도 슬래브는 터널 구조물의 설계에 있어 추가적인 구조적 요소로 고려되어야 하며, 방폭 성능 및 구조적 안전성을 확보하기 위한 추가 연구가 요구된다.

3. 터널 내 차량 폭발 시뮬레이션

3.1 해석 이론

상태방정식은 물질의 압력, 부피, 온도와 같은 상태변수들 간의 관계를 나타내는 방정식으로, 본 연구에서는 폭약의 압력-부피 거동을 시뮬레이션하기 위해 Jones-Wilkins-Lee (JWL) 상태방정식을 사용하였다. JWL 상태방정식은 폭발물의 폭발압력을 모델링하는 데 널리 사용되며, 폭발 시 발생하는 압력과 부피의 변화를 정확히 묘사할 수 있다. JWL 상태방정식에서 폭발압력 P식 (1)과 같이 정의된다(Lee et al., 1968).

(1)
P=A1-ωηR1e-R1η+B1-ωηR2+ωρE0

여기서, A, B, R1, R2, 𝜔는 재료 상수이며, 𝜌는 폭약의 밀도, E0는 초기 단위부피당 내부 에너지이며, η=ρ/ρ0이고 이 때 ρ0는 폭약의 초기 밀도이다. 이 때 폭약에 적용한 재료모델의 입력 물성은 Table 1과 같다.

Table 1.

Input parameters for JWL EOS

Material Reference
density
(kg/m3)
VOD
(m/s)
CJ pressure
(GPa)
CJ energy
(kJ/m3)
A
(GPa)
B
(GPa)
R1 R2 ω
TNT 1,630 6,930 21 6e+06 373.77 374.71 4.15 0.9 0.35

또한, 터널과 슬래브를 모사하기 위해 Riedel-Hiermaier-Thoma (RHT) 콘크리트 모델을 적용하였다. RHT 콘크리트 모델은 취성 재료가 동적 하중을 받을 때의 거동을 표현하기 위해 개발된 모델로, 소성 변형과 전단 손상을 동시에 고려할 수 있는 특성을 지니고 있다. 이 모델은 삼축 응력 상태를 기반으로 변형률 경화(strain hardening) 및 압력 경화(pressure hardening)를 나타낼 수 있는 물성을 제공한다(Kim and Ahn, 2014). 본 연구에서 적용한 RHT 콘크리트 모델의 물성값은 Table 2에 제시되어 있으며, 이는 Borrvall and Riedel (2011)의 연구를 참고하여 설정되었다.

Table 2.

Input parameters for RHT model for tunnel and slabs

Parameter Value Parameter Value
Mass density RO (kg/m3) 2,314 Porosity exponent NP 3.0
Initial porosity ALPHA 1.1884 Reference compressive strain-rate EOC 3.E-8
Crush pressure PEL (MPa) 23.3 Reference tensile strain rate EOT 3.E-9
Compaction pressure PCO (GPa) 6.0 Break compressive strain rate EC 3.E+22
Hugoniot polynomial coefficient A1 (GPa) 35.27 Break tensile strain rate ET 3.E+22
Hugoniot polynomial coefficient A2 (GPa) 39.58 Compressive strain rate dependence exponent BETAC 0.032
Hugoniot polynomial coefficient A3 (GPa) 9.04 Tensile strain rate dependence exponent BETAT 0.036
Parameter for polynomial EOS B0 1.22 Volumetric plastic strain fraction in tension PTF 0.001
Parameter for polynomial EOS B1 1.22 Compressive yield surface parameter GC* 0.53
Parameter for polynomial EOS T1 (GPa) 35.27 Tensile yield surface parameter GT* 0.7
Parameter for polynomial EOS T2 (GPa) 0.0 Erosion plastic strain EPSF 2.0
Elastic shear modulus SHEAR (GPa) 16.7 Shear modulus reduction factor XI 0.5
Compressive strength FC (MPa) 35 Damage parameter D1 0.04
Relative tensile strength FT* 0.1 Damage parameter D2 1.0
Relative shear strength FS* 0.18 Minimum damaged residual strain EPM 0.01
Failure surface Parameter A 1.6 Residual surface parameter AF 1.6
Failure surface Parameter N 0.61 Residual surface parameter NF 0.61
Lode angle dependence factor Q0 0.68 Gruneisen gamma GAMMA 0.0
Lode angle dependence factor B 0.01

3.2 TNT 등가량 산정

휘발유와 디젤과 같은 차량 연료는 일반적으로 액체 상태로 존재하지만, 고온 환경이나 충격에 의해 기화될 수 있다. 기화된 연료는 공기와 혼합되어 폭발성 혼합물을 형성하며(Qi et al., 2017), 이러한 혼합물은 스파크, 고온 표면, 전기적 단락과 같은 점화원에 의해 발화될 수 있다. 특히 연료와 공기의 혼합 비율이 연소 한계 범위에 있을 경우 폭발 가능성이 크게 증가한다. 발화가 시작되면 급격한 연소 반응과 화염 전파가 진행되며, 이로 인해 가스 압력이 급상승하여 차량 내부 또는 주변에서 폭발이 발생하게 된다(Arndt et al., 1999).

따라서 다음과 같은 차량폭발 상황을 등가량으로 환산하여 TNT와 같은 폭발물을 통해 표현할 수 있다. 일반적으로 차량 내 폭발물, 즉 휘발유나 경유 등의 차량연료의 TNT 등가량 환산은 식 (2)를 통해 이루어진다(Lee and Kim, 2021).

(2)
WTNT=ηΔHcΔHTNTWG

여기서, WTNT는 환산된 TNT 질량(kg)이며, 𝜂는 폭발 효율을 나타내는 효율계수, ΔHc는 대상 물질의 연소 엔탈피(KJ/kg), ΔHTNT는 TNT의 연소 엔탈피(KJ/kg), WG는 대상 물질의 질량을 나타낸다.

시뮬레이션 상의 TNT의 연소 엔탈피, 즉 폭발에너지는 TNT의 밀도와 C-J 에너지를 통해 계산 가능하다. TNT의 참조 밀도는 1.630 g/cm3로 설정되었으며, C-J 에너지/단위 부피는 6.0 × 106 kPa로 주어진다. 이는 TNT가 폭발 시 단위 부피당 방출하는 에너지를 나타낸다. 밀도와 C-J 에너지를 이용한 계산은 다음과 같다. 밀도는 1.630 g/cm3 = 1,630 kg/m3로 변환되며, C-J 에너지는 6.0 × 109 Pa로 표시된다. 이를 통해 단위 질량당 폭발 에너지는 식 (3)과 같이 계산된다.

(3)
E=EC,J Reference Density =6.0×106J/m31.630kg/m33.68×106J/kg

계산 결과, TNT의 단위 질량당 폭발 에너지는 약 3.68 MJ/kg로 나타났다. 이는 실험적 데이터를 기반으로 알려진 TNT의 폭발 에너지 값인 4.184 MJ/kg보다 약간 낮은 값이나 시뮬레이션 상에서 정확한 등가계산을 위해 다음 값을 적용하였다.

폭발물의 경우 현재 가장 많은 차량에 적용되는 휘발유를 기준으로 적용하였으며 Li et al. (2018)에 의하면 휘발유의 폭발에너지는 약 47.2 MJ/kg이다. Rashid et al. (2015)의 연구에서는 탄화수소의 효율계수를 0.02에서 0.09로 설명하고 있으며 보수적인 상황을 가정하기 위해 0.09의 효율계수를 적용하였다. 또한 차량 별 연료 탱크의 크기에 따라 휘발유의 질량이 결정되며 승용차부터 유조차에 이르기까지 각 차량의 유형 및 연료 탱크의 용량에 따라 차량 별 최대 연료 수용량을 설정하고, 여기에 휘발유의 일반적인 밀도 약 0.74 kg/L를 통해 휘발유의 질량을 산정하였다. 보다 극한의 상황을 가정하기 위해 차량은 연료가 가득 채워진 것으로 설정하였으며 모두 폭발을 통해 연소된다. 다음과 같은 산정을 통해 계산된 차량 별 TNT 등가량은 Table 3과 같다. 이를 수치해석 모델에 적용하기 위해 TNT의 밀도 값을 이용해 부피를 계산하고, TNT 모델을 제작하여 터널 내 차선 중앙부에 배치함으로써 차량 폭발 시 슬래브에 발생하는 피해상황을 확인하였다.

Table 3.

Calculated TNT equivalent for each vehicle types

Car Van Bus Cargo Small oil tanker
Efficiency factor 0.09
TNT explosion energy (MJ/kg) 3.68
Gasoline explosion energy (MJ/kg) 47.20
Gasoline density (kg/L) 0.74
Vehicle fuel capacity (L) 70 100 225 700 2,000
TNT equivalent (kg) 59.80 85.40 192.20 598 1,708.40

3.3 해석모델

본 연구에서는 수치해석 소프트웨어로 ANSYS의 LS-DYNA를 사용하였다. LS-DYNA는 충돌 및 폭발과 같은 극한 상황에서 유체 및 고체 재료의 대변형, 대회전, 대변형률 거동을 시간 및 변위 함수로 정밀하게 계산할 수 있는 상용 유한 요소 하이드로코드이다. 해석 모델에는 Arbitrary Lagrange- Eulerian (ALE) 기법을 적용하였다. ALE 기법은 기존의 라그랑지안 기반 해석 기법이 폭발이나 유체 흐름과 같이 복잡한 대변형 상황에서 정확도가 저하되는 문제를 보완하기 위해 개발된 기법이다(Quan et al., 2003). 본 연구에서는 ALE 기법을 활용하여 고체와 기체 간의 상호작용을 정밀하게 분석함으로써 폭발 충격이 구조물에 미치는 영향을 보다 정확하게 평가하고자 한다.

이를 기반으로 터널 슬래브의 손상도를 평가하기 위한 초기 3D 모델을 Fig. 3과 같이 구축하였다. 모델링 과정에서 기존 부산지역의 지하고속화도로 슬래브 터널 설계 패턴을 참고하였으며, 터널 형상은 풍도 슬래브 일반도의 터널 외곽부를 기반으로 모델링하였다. 해석에 사용된 터널 모델의 전체 길이는 22 m로 설정하였다. 슬래브 모델은 풍도 슬래브 상세도를 참고하여 폭 2.2 m, 길이 8.5 m, 두께 18 cm의 슬래브 10개를 연결한 형태로 구성하였다(Fig. 3). 슬래브 내부의 철근 설계는 SD 400 철근을 기반으로 하였으며, 실제 슬래브에 적용되는 규격인 H13 철근의 직경 12.7 mm을 적용하여 모델링 하였다. 슬래브 내부의 철근 배열은 상부와 하부에 각각 2층으로 구성되었으며, 상부와 하부 철근 간의 간격은 100 mm로 설정되었다. 철근 배열의 구체적인 설계는 Fig. 4에 제시되어 있다.

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Fig. 3.

Initial 3D model for evaluating the blast resistance performance of tunnel slabs

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Fig. 4.

3D model of tunnel slab and reinforcement arrangement

또한, 차량 폭발 시 발생하는 하중을 모사하기 위해 폭발물을 우측 차량 통행 차선의 중앙부에 배치하였고, 차량 높이를 고려하여 지면으로 부터 1 m 높이의 위치로 설정하였다. 폭발물의 용량은 승용차부터 유조차에 이르기까지 다양한 차량 유형을 고려하여 최대 폭발 용량을 산정한 결과를 통해 각 차량별 TNT 등가부피를 Table 4와 같이 산정하고, 이를 정육면체의 TNT로 모사하여 모델링하였다(Fig. 5).

Table 4.

TNT equivalent conversion volume for each vehicle types

Car Van Bus Cargo Small oil tanker
TNT density (kg/m3) 1,630
TNT equivalent (kg) 59.80 85.40 192.20 598.00 1,708.40
Calculated TNT volume (m3) 0.0367 0.0524 0.1179 0.3668 1.0481
Length of one side (m) 0.33 0.37 0.49 0.72 1.02

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Fig. 5.

Tunnel model with TNT equivalent applied for different vehicle types

풍도 슬래브는 하중을 받는 구조물이 아니기 때문에 슬래브 간의 연결은 견고하게 고정되지 않고, 각 슬래브에 구성된 홈 체결 방식을 통해 간이적으로 체결된다. 또한, 슬래브는 터널 브라켓 위에 단순히 거치된 상태로, 별도의 고정 장치 없이 브라켓 상부에 놓여 있다. 이러한 실제 조건을 모사하기 위해 해석에서는 슬래브-슬래브 및 슬래브-브라켓 간의 접촉을 body interaction의 frictional 조건으로 설정하였다. 마찰 계수는 0.3, 동적 마찰 계수는 0.6, 감쇠 상수(decay constant)는 0.02로 적용되었으며, 중력 가속도(9.8 m/s2)를 부여하여 슬래브와 브라켓의 실제 연결 상태를 반영하였다.

본 연구의 주요 목적은 폭발 하중에 따른 풍도 슬래브의 거동을 정밀히 분석하는 데 있으며, 이를 위해 터널 외곽과 바닥부에 impedance boundary 경계 조건을 적용하여 무한한 콘크리트 라이닝 매질을 모사하였다. 또한, 슬래브와 터널이 진행 방향으로 연속되어 있다고 가정하였다. 터널 진행 방향 양쪽에는 무한 경계 조건을 적용하여 모델 경계에서 발생할 수 있는 반사파의 영향을 최소화하였다(Fig. 6).

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Fig. 6.

Boundary conditions applied to the tunnel exterior and longitudinal direction

4. 해석 결과

4.1 터널 내 폭발 해석결과

해석결과는 손상도(damage index, DI)를 통해 표현되었으며, 0에서 1 사이의 값을 가지도록 정의되어 있다. 손상지수 0은 온전한 재료의 상태, 손상지수가 1에 도달하면 재료가 완전히 파괴된 상태를 나타내며, 이를 통해 터널 구조물에 가해지는 각 시나리오의 손상 패턴과 범위를 분석하였다. 차량 유형별 TNT 등가량의 차이에 따라 터널 구조물에서 관찰된 손상 양상은 변화를 보였으며, 이를 통해 구조적 안정성을 평가하였다. 각 시나리오에 대한 해석결과는 Fig. 7과 같다.

승용차의 경우, 폭발 에너지가 상대적으로 낮아 손상은 폭발 위치 직하부에 국한되었다. 슬래브 상부에서 경미한 손상이 발생하였으나, 터널 천장과 벽체에는 거의 영향을 미치지 않아 가시적인 구조적 손상은 확인되지 않았다. 밴의 경우, 폭발 에너지가 증가하면서 슬래브 하부에 가스압 충격이 전달되었고, 일부 벽체에서 손상이 발생하기 시작하였다. 손상 범위는 여전히 제한적이었으나, 폭발 위치 인근에서 손상 강도가 눈에 띄게 증가하였다.

버스 폭발 시나리오에서는 손상 범위가 점차 확대되며, 천장과 측벽에서도 손상이 넓게 나타났다. 가스압이 터널 내부로 깊게 확산되면서 천장 부위의 손상이 본격적으로 발생하는 양상을 보였다. 화물차 폭발 시에는 폭발 에너지가 크게 증가하여 슬래브뿐만 아니라 측벽과 천장 전체에서 심각한 손상이 발생하였다. 빨간색으로 표시된 손상 영역이 크게 확대되었으며, 특히 천장 부위에서는 인장파괴가 두드러졌다. 이는 터널 구조물 전체에 큰 충격이 가해져 설계 한계를 초과하는 손상 패턴을 나타내었다.

소형 유조차 폭발의 경우, 해석된 시나리오 중 최대 등가량 폭발로, 터널 구조물 전반에 걸쳐 심각한 손상이 발생하였다. 천장과 측벽에서 빨간색으로 표시된 손상 영역은 구조적 파괴를 의미하며, 이 단계에서는 구조물의 붕괴 가능성까지 고려해야 한다. 폭발의 영향은 모델링된 22 m 구간을 초과하여 터널 길이 전체로 확산되는 것으로 예상된다. 따라서 22 m 구간의 터널 모델만으로는 손상 범위를 정확히 파악하기 어려우며, 더 긴 구간에 대한 추가 해석이 필요하다. 특히, 화물차 및 소형 유조차 폭발 시나리오에서 TNT 등가량의 증가로 인해 터널 구조물의 안정성이 크게 저하될 가능성이 높다. 이에 따라 내충격성 강화 설계와 추가적인 보강 방안이 요구된다.

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Fig. 7.

Analysis of tunnel damage based on TNT equivalent for different vehicle types

4.2 슬래브 손상도 평가

Fig. 8은 시간에 따른 슬래브 손상 양상을 손상도(DI)로 시각화한 결과를 보여준다. 모든 해석은 동일한 시간(30 ms)에서 수행되었으며, 차량 유형별로 슬래브 상 ‧ 하부의 손상 특성을 비교 분석하였다. 해석 결과, 차량 폭발의 크기와 위치에 따라 슬래브 구조물의 손상 양상이 뚜렷하게 달라지는 것을 확인할 수 있었다. 특히, 고강도의 폭발일수록 슬래브 손상 범위와 심각도가 더욱 광범위하게 나타났다.

승용차와 밴의 경우, 폭발물의 크기가 상대적으로 작아 슬래브 상부에서 국부적인 인장파괴가 발생하였으며, 손상 크기와 범위는 제한적이었다. 그러나 버스의 경우 TNT 등가량의 증가로 인해 슬래브 상부의 인장파괴 영역이 확장되었고, 하부에서도 압축파로 인한 균열이 발생하는 양상이 관찰되었다. 화물차와 소형 유조차의 폭발은 가장 큰 손상을 유발하였으며, 슬래브 전반에 걸쳐 인장파괴와 압축파 균열이 동시에 발생하였다. 특히 소형 유조차의 경우, 폭발물의 크기와 강도 때문에 슬래브 상부에서는 광범위한 인장파괴가 나타났고, 하부에서도 심각한 균열이 발생하여 철근 손상 가능성이 높았다.

특징적으로, 모든 해석 사례에서 슬래브의 가장자리, 즉 슬래브를 지지하는 브라켓과의 접촉 부위에서 손상이 더 크게 나타났다. 이는 슬래브가 브라켓 위에 단순히 거치된 상태로 견고한 고정이 이루어지지 않았기 때문으로 판단된다. 해석에서는 슬래브와 브라켓 간의 접촉 조건을 마찰 조건으로 모델링하였으나, 마찰계수와 동적 계수의 제한으로 인해 슬래브와 브라켓 간 상호작용이 충분히 표현되지 못하였다. 이러한 접촉 조건의 한계는 폭발 충격 시 슬래브 가장자리에서 더 큰 변형과 손상을 유발한 것으로 보인다.

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Fig. 8.

Damage index of upper and lower surfaces of the slabs for different vehicle type

Tabeshpour et al. (2004)Teruna et al. (2014)의 연구에 따르면, 손상도(DI)가 0.4 이상인 경우 구조물에 수리 불가능한 심각한 손상이 발생한다고 보고되었다. 이를 바탕으로 차량 유형별 폭발 시 전체 슬래브 대비 손상 비율을 분석하여 구조적 안정성을 평가하였다. 해석에 사용된 슬래브 모델은 총 27,360개의 셀로 구성되었으며, 각 차량 유형별 폭발로 인해 손상된 셀 수와 그 비율을 산출한 결과는 Table 5와 같다. 차량 유형별 손상 패턴을 구체적으로 살펴보면, 승용차와 밴의 경우 손상 비율이 각각 0.43%와 1.02%로 매우 제한적이었으며, 손상은 폭발 위치 주변의 국부적인 범위에서 발생하였다. 그러나 버스와 화물차의 폭발에서는 손상 비율이 각각 5.08%, 13.53%로 급격히 증가하였고 특히, 소형 유조차의 폭발은 손상 비율이 26.73%로 전체 슬래브의 4분의 1 이상의 광범위한 파괴를 초래하여 구조적 붕괴 가능성이 현저히 높아짐을 확인하였다. 다음 결과는 폭발 규모가 증가할수록 슬래브의 손상 범위가 비선형적으로 증가함을 시사한다.

Table 5.

Damage ratio relative to total slab

Car Van Bus Cargo Small oil tanker
TNT equivalent (kg) 59.80 85.40 192.20 598.00 1,708.40
Number of total cells 27,360
Number of damaged cells (DI ≥ 0.4) 117 278 1,390 3,702 7,313
Damage ratio (%) 0.43 1.02 5.08 13.53 26.73

5. 결론 및 고찰

본 연구에서는 차량 폭발 상황에서 터널 풍도 슬래브의 손상 거동을 평가하기 위해 수치해석적 접근을 수행하였다. 해석 결과, 손상도(DI)를 통해 차량 폭발에 따른 슬래브 및 터널 구조물의 손상 양상을 분석할 수 있었다. 특히 차량 유형별 TNT 등가량의 차이에 따라 손상 양상이 뚜렷하게 달라지는 것을 확인하였으며, 고강도의 폭발일수록 손상 범위가 비선형적으로 증가하는 경향을 보였다.

승용차와 밴의 폭발에서는 슬래브 상부에서 국부적인 인장파괴가 관찰되었으며, 손상 범위가 제한적이었다. 반면, 버스와 화물차의 경우 TNT 등가량의 증가로 인해 슬래브 상부의 인장파괴 영역이 확장되고, 하부에서는 압축파로 인한 균열이 발생하여 손상의 심각도가 증가하였다. 특히 소형 유조차의 경우, 폭발 에너지가 가장 크기 때문에 슬래브 상 ‧ 하부에서 동시에 광범위한 손상이 발생하였으며, 이는 철근의 손상 가능성과 구조물의 붕괴 가능성까지 제시하였다. 특징적으로 모든 해석 시나리오에서 슬래브 가장자리, 즉 브라켓과의 접촉 부위에서 더 큰 손상이 나타났다. 이는 슬래브가 브라켓 위에 단순히 거치된 상태로 견고한 고정이 이루어지지 않았고 콘크리트 구조물의 경계부에서 발생된 인장 파괴로 인한 것으로 분석된다. 이러한 결과는 폭발 충격 하에서 접촉 조건이 슬래브 손상에 미치는 영향을 명확히 보여주며, 해석모델 설계 개선의 필요성을 시사한다.

본 연구의 결과는 터널 풍도 슬래브의 방폭 성능 평가를 위한 기초 자료를 제공하며, 향후 내충격성을 강화하기 위한 설계 기준 수립에 기여할 수 있을 것이다. 추가적으로, 터널 구조물의 손상 범위를 더 정확히 평가하기 위해 더 긴 해석 구간과 다양한 폭발 조건을 포함한 추가 연구가 필요할 것으로 사료되며 폭발 시 발생하는 화염에 의한 열 또한 구조물의 손상도를 증가시키는 요인으로, 이를 반영한 해석이 요구된다. 또한 본 연구는 터널 내 차량 폭발 상황을 가정한 이론 및 수치해석적 방법만을 이용해 폭발에 따른 풍도 슬래브의 손상 거동을 평가하였기 때문에 더 신뢰도 높은 결과를 얻기 위해 축소규모 혹은 실규모의 폭발 실험을 통해 슬래브의 손상도 평가 연구를 수행할 필요가 있다고 판단된다.

Acknowledgements

본 연구는 국토교통부/국토교통과학기술진흥원의 지원(과제명: 초장대 K-지하고속도로 인프라 안전 및 효율 향상 기술 개발, 과제번호 RS-2024-00416524)과 2025년도 정부(산업통상자원부)의 재원으로 해외자원개발협회(2021060003, 스마트 마이닝 전문 인력 양성사업)의 지원을 받아 수행된 연구입니다. 이에 감사드립니다.

저자 기여도

이대원은 연구 개념 및 설계, 데이터 분석 및 원고 작성을 하였고, 김정규, 이성현, 김태균은 연구 설계 및 원고 검토를 하였고, 김한얼, 유완규, 김창용은 데이터 분석 및 원고 검토를 하였고, 김민성은 연구 개념 및 설계, 데이터 해석 및 데이터 분석, 원고 검토를 하였다.

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