A Study on Hydrogen Blast Load Characteristics and Dynamic Structural Response of Blast Walls = 수소 폭발하중특성과 방폭벽의 동적구조응답에 관한 연구

국문 초록 (Abstract)

온실가스 배출 저감을 위한 전 세계적인 노력이 가속화됨에 따라, 조선·해양 산업에서도 기존 탄화수소 연료를 대체할 수 있는 친환경 에너지원에 대한 관심이 급증하고
있다. 다양한 후보군 중 수소는 여러 장점으로 인해 가장 이상적인 친환경 에너지원으로 평가받고 있으나, 높은 폭발 위험도와 같은 중대한 안전 문제 또한 내재하고 있다. 따라서 수소 에너지의 본격적인 도입에 앞서 관련 위험을 저감하기 위한 포괄적인 연구가 필수적이다. 하지만 조선·해양 산업을 대상으로 한 수소 폭발 관련 연구는 매우
제한적으로 수행되었으며, 이에 따라 실질적으로 활용 가능한 연구 결과 또한 극히 부족한 실정이다. 본 학위논문에서는 수소 폭발과 관련된 다양한 연구 주제들을 각 장에
걸쳐 다루었다. 제1장에서는 논문의 연구 배경을 제시하였고, 수소 폭발과 관련된 기존 문헌을 검토하였으며, 논문의 전체적인 구성을 설명하였다. 제2장에서는 기존 문헌의 실험 데이터를 분석하여 수소 폭발하중 시나리오를 선정하였고, 이를 수치 모델로
이상화된 방폭벽에 적용하여 동적구조응답을 분석하였다. 또한 다중 부재로 이루어진
구조물의 구조 해석 및 설계를 위한 도표와 파형 방폭벽의 변형모드를 제안하였고, 상이한 형상을 갖는 방폭벽에 적용하여 제안된 내용의 적용성을 검증하였다. 제3장에서는 박사과정 중 수행되었으나 제2장에서 다루지 못했던 수소 폭발하중 및 방폭벽 설계와 관련된 보충 연구를 소개하며, 연구 범위를 확장하고 추가적인 통찰을 제공하였다. 본 장에서는 이론적, 수치적, 실험적 접근법을 통해 수소 폭발하중특성을 분석하는
것에 중점을 두었다. 본 논문의 성과는 수소 에너지 이용 시 수반되는 폭발 위험을 저감하는 데 기여할 수 있을 것으로 기대되며, 특히 조선·해양 산업 분야에서의 안전 설계 및 위험도 평가에 유용한 기초 자료를 제공할 것으로 판단된다.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

As global efforts to reduce greenhouse gas emissions intensify, interest in eco-friendly energy sources that can replace conventional hydrocarbon fuels is rapidly increasing in the shipbuilding and maritime industries. Among various candidates, hydrogen is considered an ideal eco-friendly energy source due to its diverse advantages. However, hydrogen energy also presents significant safety challenges, such as a high risk of explosion. Therefore, comprehensive research is required to mitigate the associated risks prior to its widespread adoption. Nevertheless, research specifically targeting the shipbuilding and maritime industries remains scarce, and consequently, applicable research findings are extremely limited. In this dissertation, various research topics related to hydrogen explosions are addressed across different chapters. Chapter I presents the background of the dissertation, reviews existing literature related to hydrogen explosions, and outlines the structure of the dissertation. Chapter II selects hydrogen blast load scenarios based on empirical observations and applies them through numerical simulations to blast walls to analyze their dynamic structural responses. Furthermore, a diagram for the structural analysis and design of multi-component structures, along with deformation modes for corrugated blast walls, is proposed. Their applicability is demonstrated through application to blast walls with different configurations. Chapter III introduces supplementary investigations on hydrogen blast loads and blast wall design conducted during the doctoral studies, which were not addressed in Chapter II, to provide additional insights beyond its scope. This chapter primarily focuses on the analysis of hydrogen blast load characteristics using analytical, numerical, and experimental approaches. Lastly, Chapter IV presents the conclusions of this dissertation. The findings of this dissertation are expected to contribute to mitigating explosion risks associated with hydrogen energy, particularly in the shipbuilding and maritime industries.

목차 (Table of Contents)

• Chapter I Introduction 1
• I.1 Background 1
• I.2 Literature review 3
• I.3 Dissertation structure 7
• Chapter II Dynamic structural response of blast walls subjected to hydrogen blast loads 8
• II.1 Blast load scenarios 8
• II.1.1 Comparison of hydrocarbon and hydrogen blast load characteristics: a literature review 8
• II.1.2 Hydrocarbon and hydrogen blast load scenarios 29
• II.2 Numerical model 31
• II.2.1 Numerical model for structural analysis 31
• II.2.2 Validation of the numerical model 42
• II.3 Dynamic structural response of a corrugated blast wall 45
• II.3.1 Dynamic structural response of a corrugated blast wall underblast load scenarios 45
• II.3.2 Development of structural response diagram and deformation modes 50
• II.4 Application of the proposed diagram and deformation modes 60
• II.4.1 Dynamic structural response of different blast wall configurations 60
• II.4.2 Application to a different blast wall configuration 68
• II.4.3 Extended applicability of the proposed framework 69
• Chapter III Supplementary investigations on hydrogen blast loads andblast wall design 72
• III.1 Modified empirical equation for hydrogen blast load estimation 72
• III.2 Hydrogen blast load characteristics from the perspective of constant mass 89
• III.3 Influence of plastic sheet thickness on hydrogen blast loads 108
• III.4 Conceptual blast wall design with hybrid structural features 124
• Chapter IV Conclusions 133
• References 135
• Appendix. Publications and academic activities 151
• Abstract (in Korean) 155