과압으로 인한 폭풍 피해(Blast Damage)

 

과압(overpressure)으로 인해 피해가 발생하는데 대부분의 피해를 입히는 것은 폭풍파(blast wave)이다.

 

 

과압으로 인한 폭풍 피해(Blast Damage)

 

분진(dust)나 가스의 폭발은 (폭연 또는 폭굉으로서) 충격파(shock wave)나 압력파면(pressure front)에 의하여 점화원으로부터 바깥쪽으로 반응면(reaction front)이 이동하게 된다. 가연성 물질이 연소하여 소모된 후에는 반응(반응면)은 종료되지만 압력파(pressure wave)는 바깥쪽으로 계속 움직인다. 폭풍파(blast wave)는 압력파와 그에 뒤따르는 바람으로 구성된다. 대부분의 피해를 입히는 것은 폭풍파이다.

 

압력파, 폭발파, 충격파에 대한 세부 내용은 기 포스팅한 다음 링크 자료 참조

https://sec-9070.tistory.com/329

폭발의 분류

 

 

 

충격파 압력의 변화

<그림 1> Blast wave pressure at a fixed location.

 

 

그림 1은 폭발 현장에서 다소 떨어진 고정된 위치에서 일반적인 충격파에 대한 시간에 따른 압력의 변화가 표시한 것이다. 폭발은 시간 t0에서 일어난다. 충격파면이 폭발 진원지에서 영향을 받는 곳으로 이동하기 전까지 작지만 유한한 시간 t1이 존재한다. 이 시간 t1을 도착 시간이라고 한다. t1에서는 충격파면이 도착하여 피크 과압(peak overpressure)이 관측되고 이어서 순간적으로 강한 바람이 불게 된다. 압력은 t2 시간에 대기압까지 빠르게 감소하지만, 바람은 짧은 시간 동안 같은 방향으로 계속된다. t1에서 t2까지의 기간을 충격 지속시간(shock duration)이라고 한다. 충격 지속시간은 자립 구조물(free-standing structures)이 가장 많이 파괴되는 기간이기 때문에 그 수치는 손상을 추정하는 데 중요하다. 지속적으로 압력이 감소하여 대기압 아래로 떨어져 t3 시간에서 최대 저압(underpressure)이 된다. t2에서 t4까지의 대부분의 저압 기간 동안, 충격파의 방향은 역방향, 즉 폭발 진원지 방향으로 흐른다. 저압 기간과 관련된 약간의 피해가 있지만, 일반적인 폭발의 경우 압력은 최대 몇 psi에 불과하기 때문에 그 피해는 과압 기간보다 훨씬 적다. 그러나 큰 폭발과 핵폭발에 대한 압력은 상당히 커서 상당한 피해를 초래할 수 있다. 최대 저압 t3에 도달한 후, 압력은 t4에서 대기압에 접근한다. 이때 폭풍 바람(blast wind)과 직접적인 구조물 손상은 종료된다.

 

 

압력의 측정 

중요한 고려사항은 폭풍파가 지나갈 때 압력을 어떻게 측정하느냐이다. 만약 압력 변환기(pressure transducer)가 폭발파에 직각으로 있다면, 측정된 과압을 측면 과압(side-on overpressure 또는 free-field overpressure)이라고 부른다. 그림 1과 같이 고정된 위치에서 측면 과압은 최대값(피크 측면 과압)까지 갑자기 증가하다가 폭풍파가 통과할 때 감소한다. 압력 변환기가 다가오는 충격파를 향해 놓여 있는 경우 측정된 압력은 반사된 과압(reflected overpressure)이 된다. 반사된 과압에는 측면 과압과 정체 압력(stagnation pressure)이 포함된다. 정체 압력은 움직이는 가스가 압력 변환기에 영향을 줄 때 감속함에 따라 나타난다. 낮은 측면 과압에 대한 반사압력은 측면 과압의 약 2배이며 강한 충격파에 대해서는 측면 과압의 최대 8배 이상에 이를 수 있다. 반사된 과압은 폭풍파가 벽이나 관심 물체에 정상으로 도달해서 각도가 정상적으로 변화할 때 감소할 때 최대가 된다. 많은 참고문헌은 과압 측정 방법을 명확하게 명시하지 않고 과압 데이터를 보고한다. 일반적으로 과압은 측면 과압을 의미하는데 종종 피크 측면 과압을 의미하기도한다.

 

 

과압에 의한 피해 추정

폭풍 피해는 구조물에 대한 압력파의 충격으로 인한 피크 측면 과압의 크기에 따라 결정된다. 일반적으로 손상은 압력 상승률과 폭풍파 지속시간과 관계가 있지만, 단순히 피크 측면 과압만을 사용하여 폭풍 피해를 추정하는 것도 양호한 기준이 될 수 있다.

과압에 기초한 피해(손상) 추정치는 표 1에 제시되어 있다. 제시된 바와 같이 작은 과압에도 상당한 손상이 예상된다.

 

<표 1> Damage Estimates for Common Structures Based on Overpressure 

source :&amp;nbsp;V. J. Clancey, "Diagnostic Features of Explosion Damage," paper presented at the Sixth International Meeting of Forensic Sciences (Edinburgh, 1972)

 

 

거리에 따른 과압 결정

폭발성 물질을 가지고 실험한 바에 따르면 과압은 TNT의 당량(mTNT로 표시)과 폭발물 기점으로부터의 거리(r로 표시)를 사용하여 추정할 수 있다.

여기서 TNT 당량이란 어떤 물질이 폭발할 때 내는 에너지와 동일한 에너지를 내는 TNT 중량(kg)을 말한다.

경험적으로 도출된 스케일링 법칙(scaling law)은 다음과 같다.

	(1)
mTNT = an equivalent mass of TNT r = the distance from the ground-zero point of the explosion ze = scaled distance in <그림 2>

TNT의 당량 에너지는 1120 cal/g이다.

그림 2는 스케일링된 과압 ps (unitless) 대 스케일링된 거리 ze((unit : m/kg^(1/3))에 대한 상관관계를 나타내는 그림이다. (ft/lb^(1/3)를 m/kg^(1/3)로 변환하려면 0.3967을 곱하면 된다.)

 

Source: G. F. Kinney and K. J. Graham, Explosive Shocks in Air (Berlin: Springer-Verlag, 1985).

<그림 2> Correlation between scaled distance and explosion peak side-on overpressure

for a TNT explosion occurring on a flat surface. 

 

 

 

스케일링된 과압 ps는 다음과 같이 주어진다.

 

	(2)
ps = the scaled overpressure (unitless), po = the peak side-on overpressure, pa = the ambient pressure.

그림 2의 데이터는 평평한 표면에서 발생하는 TNT 폭발에만 유효하다. 지상에서 꽤 높은 야외에서 발생하는 폭발의 경우 그림 2의 과압에 0.5를 곱한다. 화학 공장에서 발생하는 대부분의 폭발은 지상에서 발생하는 것으로 간주된다.

 

인화성 물질의 폭발에 따른 거리 r에서의 과압 추정 절차는 다음과 같다.

(1) 확립된 열역학 절차를 사용해 폭발 에너지를 계산하고

(2) 이 에너지를 TNT의 당량으로 환산하고

(3) 스케일링 법칙과 그림 2의 상관 관계를 사용해 과압을 추정, 그리고

(4) 표 1을 사용하여 손상을 추정한다.