This paper presents a computational fluid dynamics (CFD) analysis to investiagate the effect of expansion chamber on overpressure reduction in protective tunnels subjected to detonation of high explosives. A commercial CFD code, Viper::Blast, was used to model the blast waves in a protective tunnel with a length of 160 m, width of 8.9 m and height of 7.2 m. Blast scenarios and simulation matrix were establihsed in consideration of the design parameters of expansion chamber, including the chamber lengths of 6.1 m to 12.1 m, widths of 10.7 m to 97 m, length to width ratios of 0.0 to 5.0, heights of 8.0 m and 14.9 m, and ratios of chamber to tunnel width of 1.2 to 10.9 m. A charge weight of TNT of 1000 kg was used. The mesh sizes of the numerical model of the protective tunnel were determined based on a mesh convergence study. A parametric study based on the simulation matrix was performed using the proposed CFD tunnel model and the optimized shape of expansion chamber of the considered tunnel was then proposed based on the numerical results. Design recommendations for the use of expansion chamber in protective tunnel under blast loads to reduce the internal overpressures were finally provided.

본 논문에서는 폭발에 의해 생기는 파편의 움직임을 입자계의 내부력을 고려하여 모델링하였다. 입자계의 내부력을 고려하는 이유는 폭발 전후에 입자계 전체의 운동량이 보존되어야 하기 때문이다. 파편의 개수가 수천 개 이상일 경우에는 내부력을 고려하지 않고 난수만을 사용해도 통계적으로 충분히 운동량을 보존시킬 수 있지만 수십 개 이하일 경우에는 통계적으로 더 이상 운동량 보존의 법칙을 만족시킬 수 없다. 이 문제를 해결하기 위하여 입자계의 내부력을 고려한 알고리즘을 제시한다. 이 알고리즘을 사용하면 폭발 후 파편의 개수가 아무리 적어도 운동량 보존 법칙을 만족하게 되어 보다 자연스러운 폭발 장면을 재현할 수 있다.

원전격납구조물, LNG 저장탱크와 같은 프리스트레스트 콘크리트 (Prestressed Concrete, PSC) 사회기반시설물의 경우 테러, 폭발, 충돌 사고로 인해 대량의 경제적, 인적 피해가 발생할 수 있으나 폭발, 충돌 등의 극한하중에 따른 방호 및 방재개념의 구조설계가 적용되지 않은 실정이다. 특히, 구조물 내부에서 발생하는 폭발하중은 압력이 외부폭발하중에 비해 월등히 크기 때문에 내부폭발하중에 대한 특성 및 내부폭발하중에 따른 PSC 구조물의 저항성능의 검토는 필수적이다. 따라서, 본 연구에서는 PSC 관형 구조물의 내부폭발저항성능을 검토하기 위해 이방향 PSC 축소모형을 제작하여 실험적으로 검토하였으며 실험 데이터를 기반으로 해석적 모델을 개발 및 검증하였다.