사고재구성

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법공학 측면에서 정확한 사고 원인을 규명하기 위해 최근에는 대학이나 연구원 등에서 기존에 사용하던 다양한 공학적 접근 방법이 사고 조사 분야에도 많이 활용되고 있는 추세이다. 공학적 접근 방법 중 수치해석 또는 시뮬레이션은 사고 조사 방법 중 가장 활용이 많은 분야로 본 방법의 적용 목적은 붕괴 및 폭발 등의 대형사고 가 발생했을 때 사고 당시 상황을 재현하기 어렵고 대상물에 대한 실험이 불가능할 경우 사고 전 상태와 환경 등을 모델링하여 사고 조건에서 사고 발생이 가능한지 등을 판단하고 사고를 발생시키는 역학관점에서의 정확한 사고 메커니즘을 분석하기 위함이다.

가스폭발사고

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모든 가연성 가스는 폭발 범위가 존재하고 폭발 한계 내에 있는 가스에 점화원이 작용하면 연소 반응을 일으켜 폭발이 발생하므로 가스 폭발 사고의 원인 규명은 가스가 누출된 개소와 누출량을 정확히 산정하는 것이 핵심이라 할 수 있다. 동일한 가스의 누출이라고 하더라도 가스폭발사고는 건물 밀폐 및 개방 정도, 혼합 산소비, 누설 체적, 건물 벽체 재질 등에 따라 폭발 위력이 큰 차이를 나타내므로 이에 관해서도 면밀한 분석이 필요하다. 하지만 가스 누출 사고는 현장이 대부분 폭발로 인해 손상되어 사고 전 상태를 예측하기 어렵고 사고 재현 및 실험이 불가능하여 가스 누출량 및 이로 인한 폭발 위력 및 피해 형태 등을 추정할 수 없어 정확한 사고 원인 규명에 어려움을 겪고 있는 실정이다. 이를 추정하기 위해 우선 TNT 당량법을 통해 누출된 LNG의 양을 계산한 후, 폭발 상용 해석 프로그램인 AUTODYN에 적용하여 폭발 위력 해석을 수행함으로써 가스 폭발 사고 발생 시 피해 특성 예측 기술을 확보하고, 정확한 가스 사고 원인 분석에 활용할 수 있다. 인체와 관련된 폭발 사고 분석에 주로 사용하는 프로그램으로는 LS-DYNA를 들 수 있다. LS-DYNA는 AUTODYN 프로그램에 비해 폭발물의 데이터베이스가 구축되어 있지 않아 폭발 전용 해석 코드로 사용하기에는 좀 더 불편함이 있으나 교통사고에서 주로 활용되는 MADYMO 프로그램과 같이 인체 더미를 보유하고 있어 충격, 폭발 등의 영향으로 인한 인체 상해 해석이 가능하므로 해석 목적 및 연구 내용 등을 고려하여 적절한 프로그램의 적용이 필요할 것으로 판단되어 진다.

화재사고

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최근에는 화재사고 조사 시 실제 사고 현장의 발화부 및 확산 형태 등을 상세히 검토, 검증하기 위해 각종 시뮬레이션 프로그램이 사용되어지고 있는 추세이다. CFD는 유동에 쓰이는 편미분방정식을 근사적인 대수방정식으로 바꿔 그 해를 수치적으로 풀어 유동을 해석하는 학문으로 화재에 관한 해석 또한 연기나 화염 등의 유체 이동을 다루는 부분임으로 이를 이용하여 화재 건물 내의 화재영향을 평가할 수 있다. 화재 모델은 CFD모델, ZONE모델, FIELD 모델 등으로 구분되며 CFD모델은 난류유동, 복사 및 대류 열전달 등을 모사하는 반면 ZONE모델과 FIELD모델 등은 고온의 상부 연기층과 저온의 하부층 및 화원을 나누고 경계층을 통한 열, 물질, 및 운동량에 관한 간단한 보존식을 적용하여 화재 해석을 수행한다. CFD모델은 해석 시간이 오래 걸리므로 복잡성 및 집중적인 계산이 필요한 부분에 사용되어지며 ZONE모델은 짧은 시간 내에 적절하게 정확한 예측을 제공하기 때문에 CFD보다 널리 이용되나 FIELD모델 보다는 단순하고 공간 형상이 복잡하지 않는 작은 공간의 화재 성상을 해석할 때 사용되어 진다. 필드모델은 존모델과는 달리 공간을 세분화하여 세분화된 격자 각각에 비정상, 편미분 방정식을 적용하여 얻고자 하는 변수의 해를 구한다. CFD모델의 대표적인 화재 프로그램은 CFD2000을 많이 활용하고 있으며 FIELD모델에 사용되는 소프트웨어는 미국의 표준 기술국에서 개발한 FDS(Fire Dynamic Simulator)가 있다.

교통사고

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교통사고는 사고 형태를 충돌 전, 충돌 시, 충돌 후 운동으로 나누어 상태에 따른 변수값인 처음속도, 차량의 접근 방향, 가속, 감속 및 조향상태, 충돌위치, 차량간의 마찰력, 충격힘의 방향, 분리속도 등을 고려하여 사고 분석이 수행되어 진다. 하지만 사고 당시와 같이 사고 차량을 가지고 충돌실험을 실시하기는 불가능할 뿐만 아니라 엄청난 경제적 실험 비용이 들기 때문에 사고 재현 시뮬레이션을 통하여 실제 사고 환경과 유사한 가상 재현을 실시하는 것이다. 교통사고 시뮬레이션은 사고 발생 현장 상태 및 차량손상 형태 등을 기초로 하여 해당 사고의 가상 사고 재현을 도출함으로써 역학적 근거에 바탕을 둔 사고 분석을 가능하게 한다. 이러한 프로그램은 차량의 충돌 및 운동특성을 차량 동역학적 이론을 바탕으로 모델화하여 사용자가 직접 변수값을 입력하고 수정할 수 있도록 허용하여 여러 가지 사고형태에 따른 모의 실험을 가능하게 한다. 이러한 프로그램을 이용한 사고 재현의 목적은 사고 후 차량 및 보행자의 최종 위치 및 차량의 방향 등을 보고 사고 직전 사고에 관여한 차량이나 보행자에 대한 상세한 상황을 유추하는 것이다. 이를 유추함으로써 차량 및 보행자의 속도, 주행 방향, 도로상의 각각의 관계 위치 등을 파악하여 교통 법규 위반 여부, 운전자 식별, 차량의 파손 과정, 인체 상해 정도 등을 좀 더 정확하게 판단할 수 있다. 교통사고 원인 규명을 위한 사고 재현 프로그램으로써는 PC-CRASH, EDVAP, HVE-2D/3D 등이 있으며 국내에서는 주로 PC-CRASH 프로그램을 국과수, 도로교통안전공단 등이 사용하여 교통사고 조사에 활용하고 있다.

인체상해사고

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인체 상해 사고 원인 분석은 크게 교통사고 및 추락사고 등과 같이 대상물과 피대상체의 속도와 충격으로 인해 인체에 미치는 충격량과 모멘트 등을 분석하는 휴먼 Multibody 모델을 이용한 다물체 동역학(Multi-body Dynamics) 해석과 이로 인해 생기는 부하에 따라 인체 내부 장기 및 골격 등에 나타나는 응력과 변형 및 파단 상태 등의 손상현상을 분석하는 유한요소법등을 이용한 정적구조해석 등으로 나누어 생각해 볼 수 있다. 다물체 동역학의 대표적인 프로그램으로는 MADYMO 프로그램을 이용한 사고 재현 방법이 현재 많이 적용되고 있으며 본 프로그램은 실제 인체와 같은 강성을 가진 휴먼모델을 적용함에 따라 정확한 인체 충돌거동을 예측하여 재현할 수 있고 부하를 산출하여 교통사고 및 추락사고시 상해를 입을 수 있는지에 대한 객관적인 결과를 도출하고 있으며 인체의 거동을 효과적으로 표현함으로써 인체 상해 사고에 대한 신뢰성 높은 사고재현결과를 현재 제공한다. 하지만 다물체 동역학에서 적용되는 휴먼 모델은 Multibody 모델로 내부 장기 및 뼈를 포함한 골격 등에 관해서는 형상 및 물성치 등이 제공되지 않기에 인체 자체 손상 정도와 형태 등을 관찰하는데 에는 한계를 가지고 있다. 고로 앞서 언급한 인체 자체 손상 분석을 위해서는 ADINA 등의 구조해석 프로그램이 별도로 필요하며, 지금의 추세는 다물체 동역학 해석에서 우선 인체 충격량 등을 산출한 후 이를 구조해석 입력 부하로 적용하여 골격 파단 등의 인체 손상 상태 등을 재현하는 방법 등을 이용하여 인체 상해 평가에 관한 시뮬레이션이 수행되고 있다.

건축물 붕괴사고

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토목/건축물 붕괴사고의 대부분은 부적절하고 저가의 불량 자재 사용, 구조 해석 기술의 오류, 자재 누락 등의 원인으로 일시에 또는 시간을 두고 건물 구조에 역학적 악영향을 미침으로써 결국 붕괴로 이어진다. 기계 구조물 손상 사고에서와 같이 건축물 붕괴 사고의 경우도 설계적인 측면, 제작적인 측면, 사용 환경적인 측면 등으로 나누어 그 원인에 대해 면밀한 검토가 필요하나 토목/건축물의 경우는 기계 구조물과는 달리 용어 및 적용 하중, 하중 조합, 설계 규칙 등에서 큰 차이를 나타내므로 이를 검증 및 해석하는 프로그램의 경우도 토목/건축물에 전용화된 소프트웨어가 요구되어 진다. 건물의 경우 철재 콘크리트, 주요 및 연결 부재의 단면 형태, 지지 형태, 고정 형태 등에 따라 응력 상태와 분포는 큰 차이를 나타내므로 이를 실시간 수정하면서 구조 안정성에 대해 용이하고 빠르게 그 결과를 판단할 수 있는 시뮬레이션 작업이 수행되어야 한다. MIDAS 프로그램은 토목/건축 분야 전용으로 구축된 설계 규칙 및 부재 관련 DB 내용을 이용하여 전반적인 응력 상태와 처짐 상태를 해석하는 용도로 관심 부분에 관한 상세 구조해석에 대해서는 기존에 기계 구조물 사고 등에서 활용된 ADINA, ANSYS 구조해석 프로그램을 사용하는 것이 바람직하다 할 수 있다.

해양침몰사고

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해양침몰사고를 발생시키는 원인으로는 선박 기관 고장, 타 선박과의 충돌, 태풍 등의 기상 악화, 암초와의 충돌, 항해사의 운항부주의 등이 있다. 여타 사고와 같이 원인에 따라서 그 책임소재와 책임범위가 달라지나 특이할 점은 태안유조선 충돌사고, 세월호 침몰 사고에서 보듯 사고가 발생하면 재난 규모의 인적 및 물적 피해를 가져올 수 있는 잠재력이 있으므로 더욱 투명하고 정확한 원인을 규명하는 것이 매우 중요하다고 할 수 있다. 특히 해상은 국내 영역에서만 사고가 발생하는 것이 아니고 항공기 사고 등과 같이 타국에서도 자국의 선박이 해상사고를 일으키거나 당하는 일이 빈번하므로 국제법 영역에서 해양사고가 다루어지면 나라간 외교문제도 불러일으킬 수 있으므로 원인조사에 있어서도 매우 면밀하고 객관적인 자세가 필요하기에 국내외적으로 신뢰성 있는 결과가 도출되어야 한다. 해양침몰사고의 경우는 유동해석이 추가되어 동역학과 구조해석, 유동해석이 동시에 커플링되어 고려되어야 정확한 해에 접근할 수 있다. 해양침몰사고 해석을 위해서는 주로 선박을 다루는 관계기관에서 전용 프로그램을 사용하는 경우가 대부분이나 그 사용 또한 프로그램별로 제한적이어서 전체적인 해양사고 조건을 해석하는데에는 한계가 있기에 ADINA, ANSYS 등의 종합토탈 솔루션 프로그램을 사용하여 해양 사고재현 및 구조물의 안정성 평가 등을 진행해야만 신뢰성 있는 결과에 접근할 수 있다.

증기폭발사고

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물리학적 폭발사고의 형태는 액체나 기체 물질을 담고 있는 탱크 및 용기 등의 기계구조물 외부 표면에 열에너지 등이 공급됨으로 인해 구조물이 상승하는 내압을 견디지 못해 파열되면서 내부 압력이 순간적으로 방출되는 폭발 형태와 급속한 상변화로 인한 증기폭발로 크게 구분되어지며 증기폭발은 앞에서 언급한 것처럼 액체가 직접적으로 열원에 접촉함으로써 기화하는 현상 외에 보일러 폭발 사고 등에서 주로 관찰되는 BLEVE현상을 나타낸다. BLEVE는 액화된 다량의 물질이 순간적으로 방출되면서 용기 내 다량의 물질이 폭발적으로 상변화하여 과압을 형성하고 파편화 되는 현상으로 메커니즘 측면에서 다른 물리적 폭발사고와는 차이를 나타낸다. 이러한 증기폭발 현상 자체에 관한 해석은 우선 SINDA/FLUINT 프로그램 등을 이용하여 상변화로 인한 메커니즘을 도출한 후 방출에너지 및 과압 특성에 관한 수치해석이 수행되어야 한다. 기폭발 사고가 발생하는 주요 원인은 고온의 열원 또는 이에 접촉할 수 있는 액체 등을 담고 있는 구조물의 불안정과 파손 등으로, 이런 구조물의 파손이 설계 문제인지, 구조물 제작문제인지, 사용자 문제인지 등을 파악하기 위해서는 필히 유체-구조 연성(Fluid-Structure Interaction, FSI) 해석을 동반한 각종 기계적 특성 시험 등이 뒷받침되어야 한다. 구조-유동 연성 해석이 필요한 이유는 액체의 움직임을 표현하기 위해서는 유동해석이 필요하고 이를 담고 있는 구조물의 액체 유동 영향으로 인한 응력 상태 등을 파악하기 위해서는 구조해석이 요구되어 지기 때문에 이를 커플링하여 연성 해석할 필요성이 있기 때문이다. 유체-구조 연성 해석의 경우에는 주로 ADINA 상용 프로그램이 사용되고 있으며 이는 타 프로그램에 비해 FSI 해석에 관해서는 사용자 편리, 커플링 해석 등 많은 장점을 가지고 있기 때문이다.

제품손상사고

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기계구조물의 손상은 파손과 부식 등으로 대분류되고 파손은 변형-굴곡(처짐현상), 파괴, 마모로 재분류되며 변형-굴곡 형태로서 굴곡, 항복, Creep, Relaxation, Jamming등이 있다. 결국 파손은 하중의 증가로 인하여 안정된 상태에서 소성 변형 등의 불안정한 변형 상태로 이행하는 현상과 부품에 일정 응력 또는 일정하중이 작용될 때 시간이 경과함에 따라 나타나는 변형 현상 등 구조물 및 부품의 내부 응력 발생과 관계한다고 볼 수 있으며 이러한 응력 상태에서 구조물 및 부품이 안정한지 여부를 정량화, 시각화, 객관적으로 유추할 수 있는 최적이 방법이 구조해석 프로그램을 활용한 수치해석이라 할 수 있다. 상용 프로그램을 이용한 구조해석은 구조물에 작용하는 다양한 종류의 부하(인장, 충격, 비틀림, 굽힘 등)로 인해 구조물에 나타나는 응력 상태를 관찰하여 변형 및 파괴 등 구조물의 손상 여부를 판단하기 위한 공학적 해결 방법으로 본 사례 연구에서는 압력 용기 파열이라는 동일한 구조물 손상 사고에 관해 ANSYS 및 AUTODYN 프로그램을 이용하여 변형 및 파괴 측면에서 용기 설계 적절성에 대한 구조안정성 평가를 수행하였다. 또한 구조물에 있어서 피로의 영향은 매우 악조건으로 작용할 수 있으며 대부분의 기계구조물 사고가 용접부 피로파괴로 인한 부품 손상에 기인함으로 본 사례연구에서는 구조안정성 평가와 더불어 피로 해석 전용 프로그램인 WINLIFE를 사용하여 압력용기의 용접부 응력집중효과 및 피로수명 영향성을 분석하였다.