사고 피해예측 기법에 관한 기술지침(KOSHA GUIDE) - 2021.12

P - 102 - 2021 사고 피해예측 기법에 관한 기술지침(KOSHA GUIDE) - 2021.12

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1. 목 적

이 지침은 공정위험성 평가시 화재․폭발․누출과 같은 사고시의 피해정도 및 피해범위 등을 정량적으로 산정하고 피해최소화 대책을 수립하는 등의 공정 위험성 평가서를 작성하는데 필요한 사항을 정하는데 그 목적이 있다.

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2. 적용범위

이 지침은 산업안전보건기준에 관한 규칙(이하 '안전보건규칙' 이라 한다) 별표1의 위험물질 중 인화성 액체, 인화성 가스 및 급성 독성물질을 취급하는 화학설비 및 그 부속설비에 의한 사고피해예측에 적용한다.

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3. 용어의 정의

(1) “위험물질”이라 함은 안전보건규칙 별표1의 제4호 인화성 액체, 제5호 인화성 가스 및 제7호 급성 독성물질을 말한다.

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(2) “누출 모델 (Source term model)”이라 함은 피해예측 특히 확산결과를 계산하기 위하여 사용되는 누출에 관한 일련의 자료, 즉 누출량(또는 누출속도), 누출되는 기간 및 누출되는 위험물질의 상태 등을 예측하는 방법을 말한다.

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(3) “순간누출”이라 함은 짧은시간에 위험물질이 누출되는 것을 말한다.

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(4) “연속누출”이라 함은 오랜 시간 동안 위험물질이 누출되는 것을 말한다.

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(5) “확산”이라 함은 위험물질이 공기등과 같은 주변의 유체에 의하여 희석되어지는 것을 말한다.

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(6) “퍼프 (Puff)”라 함은 순간누출에 의하여 형성되는 증기운을 말한다.

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(7) “플름 (Plume)”이라 함은 연속누출에 의하여 형성되는 증기운을 말한다.

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(8) "비등액체 팽창증기폭발 (BLEVE : Boiling liquid expanding vapor explosion)" 이라함은 가연성인 위험물질이 용기 또는 배관 내에 비점 이상의 온도 및 압력하에서 액체 상태로 저장․취급되는 경우 외부화재, 부식, 내부압력 초과 및 설비결함 등에 의하여 용기의 파손과 함께 대기 중으로 누출되면 액체상태의 위험물질이 증발되면서 갑자기 증기로 변화되어 외부로 치솟게 되는데 이때에 외부 화재, 스파크, 정전기, 담뱃불 등의 발화원에 의하여 폭발 및 화염을 발생시키는 현상을 말한다.

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(9)"화구 (Fireball)"라 함은 저장․취급조건에 따라 다르긴 하지만 비등액체팽창증기폭발에 의하여 공중에 생성된 공같은 모양의 화염 덩어리를 말한다.

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(10)"증기운 폭발 (Vapor cloud explosion)"이라 함은 가연성의 위험물질이 용기 또는 배관내에 저장․취급되는 과정에서 서서히 지속적으로 누출되면서 대기 중에 구름형태로 모이게 되어 바람․대류 등의 영향으로 움직이다가 담배불, 정전기, 기계적 마찰, 스파크 등의 발화원에 의하여 순간적으로 모든가스가 동시에 폭발하는 현상으로서 폭발에 의한 과압에 의하여 엄청난 손상을 가져오는 현상을 말한다.

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(11) “밀폐계 증기운 폭발 (Confined vapor cloud explosion)”이라 함은 용기나 건물 등 밀폐된 공간에서 위험물질의 가스 또는 증기와 공기와의 혼합물에 의한 폭발을 말한다.

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(12) “물리적 폭발 (Physical explosion)”이라 함은 압력용기가 과압방지장치의 고장, 부식․마모․화학적 침식 등에 의한 두께의 감소 및 과열․재질의 결합 등에 의한 용기의 강도 감소 등에 의하여 내부압력에 견디지 못하고 폭발하는 현상을 말한다.

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(13) “과압 (Overpressure)”이라 함은 어느 지점에 대기압 보다 큰 압력으로 전달되는 압력을 말한다.

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(14) “폭발파 (Blast wave)”라 함은 폭발에 의하여 형성되는 압력 파동을 말한다.

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(15) “증기운 화재 (Flash fire)"라 함은 누출된 위험물질이 공기중으로 확산되어 구름형태로 떠다니다가 물질의 폭발하한계 이하로 희석되기전 발화원을 만나면 화재가 발생하는 것을 말한다. 이 경우 화염의 속도는 음속보다 작으며 무시할 수 있을 정도의 과압이 발생한다.

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(16) “고압분출 화재 (Jet fire)"라 함은 배관, 저장 탱크등에서 연속적으로 누출되는 고압의 위험물질이 누출원 근처의 발화원에 의하여 점화되는 현상을 말하며 이 경우 연속적으로 복사열이 발생된다.

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(17) “액면 화재 (Pool fire)"라 함은 액체(액화가스포함)의 위험물질이 누출되어 주변 바닥에 고여 있는 액체가 기화하여 발화원에 의해 점화된 것을 말한다.

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4. 사고피해예측 절차

가상사고를 중심으로 사고피해 예측을 수행하되 그중 사고 발생 빈도 또는 가능성이 높은 가상사고를 중점적으로 분석한다. 가상사고 시나리오 선정은 KOSHA GUIDE P-107 “최악의 누출 시나리오 선정에 관한 기술지침”과 KOSHA GUIDE P-110 “화학공장의 피해최소화 대책수립에 관한 기술지침”을 활용한다.

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4.1 1단계(근본적인 위험 요소 확인)

정성적인 위험성 평가 단계로서 주로 위험과 운전 분석 기법 또는 체크리스트 기법 등에 의하여 공정내에 잠재하고 있는 위험요소를 확인한다.

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4.2 2단계(누출 모델 작성)

누출 모델은 물질이 어떻게 누출되는지를 분석하는 것으로서 배관의 파손, 플랜지 누출, 안전밸브 작동, 운전원 실수 등에 의한 잠재적인 누출원 등을 확인하여 방출되는 위험물질의 양, 온도, 밀도, 시간, 누출상태(가스, 증기, 액체, 혼합물) 등을 계산한다.

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4.3 3단계(확산 모델)

2단계의 누출 모델을 근거로 하여 대기 중으로 확산되는 위험물질의 거리에 따른 농도, 확산되는 증기운 구름의 크기, 농도, 형태를 예측한다.

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4.4 4단계(피해예측)

누출되는 위험물질이 인화성가스 또는 인화성액체인 경우에는 화재․폭발로 인하여 사업장내의 근로자 및 주변 시설에 미치는 화재․폭발의 영향을 계산하며 독성물질인 경우에는 작업자, 인근 주민 또는 주변 환경에 미치는 영향을 계산 한다.

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5. 누출

5.1 누출의 형태

누출의 형태는 위험물질을 저장 또는 취급하고 있는 용기 등에서의 운전원 실수 또는 기계적 결함의 정도, 저장 또는 취급 온도․압력 조건 및 물질의 물리화학적 성질에 따라 달라진다. 일반적으로 누출되는 위험물질의 증기는 누출시간에 따라 순간누출 및 연속누출, 그리고 증기운의 밀도에 따라 가벼운 가스와 무거운 가스로 구분하며 누출량은 설비에서 누출되는 경우와 배관에서 누출되는 경우에 따라 증기 또는 가스 상태, 액체 상태 및 2상(액체-증기) 상태에 대해 유체역학을 적용하여 산출한다. 자세한 내용은 KOSHA GUIDE P-92 “누출원 모델링에 관한 기술지침”을 참고한다.

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5.2 누출결과

인화성가스 및 인화성액체의 누출결과는 최악의 경우 화재 또는 폭발로 나타날 수 있다. 이 화재․폭발의 결과는 누출되는 물질의 특성과 점화되는 시점에서 물질의 상태, 예를들면 누출된 물질이 증기, 가스 또는 액체로 존재하는 가 등에 달려있다.

독성물질의 누출에 의한 결과는 누출시간, 누출지점으로 부터의 거리 및 기상조건에 따라 달라지기 때문에 인화성가스 및 인화성액체의 누출에 의한 결과를 예측하는 것보다 더 어렵다. 따라서 독성물질의 확산에 따른 피해를 최소화 하기 위하여는 독성물질 누출원으로 부터 확산 거리에 따른 농도, 독성 가스운의 지속시간 등을 예측하여야 하며 누출 물질의 독성 정보를 제공하여야 한다.

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6. 피해예측

위험물질을 취급하는 화학설비 및 그 부속설비는 근로자, 주변 시설물 및 환경에 심각한 영향을 미칠 수 있는 화재, 폭발 또는 독성물질의 누출 등과 같은 중대산업 사고의 발생 가능성이 있다.

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6.1 확산

누출된 인화성액체 또는 인화성가스가 누출 즉시 점화되지 않는다면 증기운을 형성하여 먼 거리까지 확산된다. 이 증기운은 확산 되면서 공기와 희석되고 결과적으로 폭발 하한계에 도달하여 더 이상 화재의 위험이 없게 된다. 그러나 독성물질인 경우에는 독성물질이 바람에 의해 상당히 먼 거리까지 확산되어 농도가 낮다 할지라도 근로자 및 주민에게 심각한 영향을 미칠 수 있다.

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6.1.1 가벼운 가스

공기보다 가벼운 가스의 확산은 확산되는 지역의 대기조건에 의하여 영향을 받는다. 적용 가능한 모델은 다음과 같으며 가우시안 플름모델 및 퍼프모델을 이용한 확산 피해예측절차는 <부록 1>의 “확산피해예측절차(가벼운 가스)”를 참조한다.

(1) 가우시안 플름(Gaussian plume) 모델

(2) 가우시안 퍼프(Gaussian puff) 모델

(3) 기타

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6.1.2 무거운 가스

공기보다 무거운 가스의 확산모델은 다음과 같으며 에이치엠피(HMP)모델 및 비엠(BM)모델을 이용한 확산피해예측절차는 <부록 2>의 “확산피해예측절차(무거운 가스)”를 참조한다.

(1) BM(Britter & McQuaid) 모델

(2) HMP(Hoot, Meroney & Peterka) 모델

(3) Degadis 모델

(4) 기타

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6.2 액면 화재/증기운 화재/고압분출 화재

누출된 증기운이 점화되면 누출원 쪽으로 화재가 전파된다. 만약 배관 또는 플랜지 부위에서 누출되는 물질이 즉시 점화된다면 고압분출 화재 또는 액면 화재를 형성하게 된다.

증기운 화재시는 가연성 증기운의 크기를 측정하여 복사열을 예측할 수 있도록 대기 확산 모델을 사용하고, 액면 화재시에는 TNO 모델 등의 적절한 액면화재 모델을 사용한다. 간단히 정량적으로 예측할 수 있는 계산절차는 <부록3>의 “TNO 액면화재모델 피해예측절차”를 참조한다.

고압분출 화재는 미국석유협회(API) 또는 TNO 모델을 사용하여 복사열을 예측한다. 간단히 정량적으로 예측할 수 있는 계산절차는 <부록 4>의 “미국석유협회(API) 고압분출화재모델 피해예측절차”를 참조한다.

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6.3 비등액체 팽창증기폭발․화구

화재시 저장 탱크의 순간적인 파열에 의해 비등액체 팽창증기폭발․화구 등이 발생할 수 있는데 화구의 크기 또는 화구로 부터 거리에 따른 복사열 등은 비등액체 팽창증기폭발 및 화구 모델을 사용하여 쉽게 예측할 수 있다. 따라서 비등액체 팽창증기폭발 또는 화구 발생시의 거리에 따른 복사열 등이 주변 시설물 및 근로자에 미치는 영양을 예측하도록 한다. 비등액체 팽창증기폭발․화구의 피해예측 모델은 TNT 당량 또는 단열팽창 모델 등을 사용하여 계산한다.

간단히 정량적으로 예측할 수 있는 계산절차 및 예시는 P - 102 - 2021 사고 피해예측 기법에 관한 기술지침(KOSHA GUIDE) <부록 5>의 “비등액체팽창증기폭발․화구 피해예측 절차” 및 <부록 5-예>의 “복사열 산정 예시”를 참조한다.

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6.4 물리적 폭발

압력용기의 물리적폭발은 저장하고 있는 에너지를 방출시키는 것으로서 방출에너지는 폭풍파 및 용기 조각의 비산등으로 나타나며 용기에서 인화성가스나 액화성물질을 취급하는 경우에는 그 물질이 2차적으로 폭발을 일으키게 된다. 물리적 폭발 예측에 사용되는 모델은 다음과 같다.

(1) TNT 당량 모델

(2) 기타

간단한 수 계산에 의한 물리적 폭발 피해예측 절차는 P - 102 - 2021 사고 피해예측 기법에 관한 기술지침(KOSHA GUIDE) <부록 6>의 “물리적 폭발 피해예측 절차”를 참조한다.

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6.5 증기운 폭발

대량의 인화성가스 또는 인화성액체의 누출에 따른 증기운 폭발의 발생 확률은 비교적 낮지만 그 결과는 매우 엄청나다. 증기운 폭발의 위력은 과압, 폭풍파 등으로 표시된다. 증기운 폭발시에는 거리에 따른 폭발압력이 인체 및 주변 시설물에 미치는 영향을 예측하여야 한다. 증기운 폭발 예측에 사용되는 모델은 다음과 같다.

(1) TNT 당량 모델

(2) TNO 상관 모델

(3) TNO 멀티에너지 모델

(4) 기타

간단한 수계산에 의한 증기운 폭발 피해예측절차 및 예시는 P - 102 - 2021 사고 피해예측 기법에 관한 기술지침(KOSHA GUIDE) <부록 7>의 “TNT당량모델 피해예측절차,” <부록 8>의 “액화석유가스의 증기운 폭발” 및 <부록 8-예>의 “폭발압 산정 예시” 를 참조한다.

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6.6 밀폐계 증기운폭발

밀폐된 공간에서의 증기운 폭발은 매우 높은 과압, 폭풍파 또는 용기 조각의 비산 등으로 나타난다. 밀폐계 증기운 폭발에 의한 손상의 크기는 화학물질의 양 및 폭발 압력에 따라 다르게 나타난다. 밀폐계 증기운 폭발 예측에 사용되는 모델은 다음과 같다.

(1) TNT 당량 모델

(2) TNO 상관 모델

(3) TNO 멀티에너지 모델

(4) 기타

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7. 위험 기준의 정립

화재, 폭발 또는 독성물질의 누출 등과 같은 중대산업사고의 발생시 복사열, 과압 또는 공기중에 확산되어 있는 독성물질에 의하여 사업장 내의 근로자, 인근 주민 또는 주변 시설물 등에 어느 정도의 위험이 미치는지 또는 이 위험을 받아들일 수 있는지 여부를 판단할 수 있는 위험기준을 작성한다.

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7.1 확산

(1) 독성물질

대기중에 확산되는 독성 물질에 근로자, 인근 주민 등이 노출되는 경우 독성물질의 농도 및 노출시간에 따른 인체에 미치는 영향을 판단할 수 있는 기준은 KOSHA GUIDE P-91 “화학물질 폭로 영향지수 산정에 관한 기술지침”에서

규정하는 ERPG-2 농도에 도달할 수 있는 거리로 한다.

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(2) 인화성가스 및 인화성액체

인화성가스 및 인화성액체가 누출되어 대기중에 확산되는 경우에는 그 물질에 의한 화재에 의하여 근로자, 인근주민 및 주위환경에 영향을 주므로 그 판단 기준은 그 물질의 폭발하한농도가 되는 최대거리로 한다.

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7.2 화재(복사열)

화구 등과 같이 짧은 시간동안 발생하는 강렬한 복사열에 의한 위험 또는 증기운 화재, 고압분출 화재, 액면 화재 등에 의한 장시간의 복사열에 의하여 근로자 또는 주변 기기에 미치는 영향을 판단할 수 있는 기준은 5 ㎾/㎡(1,585 Btu/hr/ft2)의 복사열이 미치는 거리로 한다. 참고로 복사열에 의한 영향은 <별표 1>과 같다.

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7.3 폭발(과압)

증기운 폭발 등과 같은 폭발 사고시 주변 기기 및 근로자 등에 미치는 영향을 판단할 수 있는 기준은 0.07 ㎏f/㎠ (6.9 kPa, 1 psi)의 과압이 도달하는 거리로 한다. 참고로 과압에 의한 영향은 <별표 2>와 같다.

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8. 피해예측 보고서

피해예측 보고서에는 누출량, 누출시간, 기상 조건등 확산모델 계산에 사용한 누출모델 기본자료 및 거리에 따른 과압, 복사열, 독성물질의 농도등 가상 사고로 인한 피해를 예측할 수 있는 자료가 포함되어야 하며<별지 양식 1> 내지<별지 양식3>의 양식에 그 결과를 요약한다.

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8.1 기상 자료

풍향, 풍속, 온도, 습도 등 사업장의 기상자료. 다만, 사업장 내의 기상 자료가 없는 경우에는 주변 기상청, 공항 등에서 측정한 자료를 인용할 수 있다.

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8.2 누출 물질의 정보

(1) 누출 물질의 명칭 및 양

(2) 누출 시간

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8.3 피해예측 결과

제 6항의 피해예측 결과 각 사고 시나리오별로 최소한 다음과 같은 결과가 포함되도록 한다.

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8.3.1 확산

(1) 누출물질의 농도, 온도, 밀도

(2) 거리에 따른 농도 등

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8.3.2 액면 화재

(1) 액면의 크기(지름)

(2) 불꽃의 기울기

(3) 복사열량

(4) 거리에 따른 복사열 강도 등

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8.3.3 증기운 화재

(1) 가연성 증기운의 크기(지름)

(2) 증기운의 밀도 및 온도

(3) 복사열량

(4) 거리에 따른 복사열 강도 등

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8.3.4 고압분출 화재

(1) 거리에 따른 복사열 강도

(2) 불꽃의 기울기

(3) 복사열량 등

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8.3.5 비등액체팽창증기폭발

(1) 복사열량

(2) 화구의 지름

(3) 화구의 높이 등

(4) 거리에 따른 복사열 강도 등

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8.3.6 증기운 폭발

(1) 증기운의 크기

(2) 증기운의 밀도 및 온도

(3) 거리에 따른 과압

(4) 최대 과압 등

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8.3.7 밀폐계 증기운 폭발

(1) 거리에 따른 과압

(2) 파편의 비산에 의한 영향 등

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8.3.8 물리적 폭발

(1) 거리에 따른 과압

(2) 파편의 비산에 의한 영향 등

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<별표 1> 복사열의 영향 판단 표

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1. 통증을 느끼기 시작하는 시간(인용: API 521)

복사열 강도		고통을 느끼기 시작하는 시간 (sec)
(Btu/hr/ft2)	(kW/m2)
500	1.6	60
740	1.3	40
920	2.9	30
1500	4.7	16
2200	6.9	9
3000	9.5	6
3700	11.7	4
6300	19.9	2

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2. 허용 설계 기준

복사열 강도		조 건
(Btu/hr/ft2)	(kW/m2)
5000	15.8	건축물 내에서도 운전원이 임무 수행 곤란하며 건축물내의 기기에도 복사열이 전달
3000	9.5	보호의를 착용하고 최대 30초간 간헐적으로 노출될 수 있음.
2000	6.3	개인 방호물 없이 보호의를 착용하고 1분간 노출될 수 있는 복사열
1500	4.7	개인 방호물 없이 평상복을 착용하고 1분간 노촐될 수 있는 복사열
500	1.6	연속적으로 노출 가능

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3. 복사열의 영향 (인용: World Bank)

복사열 강도		영 향
(Btu/hr/ft2)	(kW/m2)
11900	37.5	장치 및 설비가 손상됨
7900	25	오랫동안 노출되면 최소한의 에너지에 의해 목재가 발화됨
4000	12.5	목재 또는 플라스틱 튜브의 착화를 유도하는데 충분한 최소의 에너지
3000	9.5	8초 후에는 심한 고통을 느끼며, 20초 후에는 2도 화상을 입음.
1300	4	20초 내에 보호되지 않으면 통증을 느끼며 피부가 부푸러 오름
500	1.6	장기간 노출되면 불편함을 느낌

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<별표 2> 폭발 과압의 영향 판단 표

과압		영 향
kPa	(psi)
0.15 0.2 0.3 1 2 3 3.5-7 5 7 9 15 15-20 16 18 20 20-28 30 35 35-50 50 50-55 60 70	0.02 0.03 0.04 0.15 0.3 0.4 0.5-1.0 0.7 1.0 1.3 2 2-3 2.3 2.5 3 3-4 4 5 5-7 7 7-8 9 10	소음 발생 유리창 일부 파손 큰 소음 발생 유리파열 압력 집의 지붕과 유리창의 10% 파손 구조물의 가벼운 손상 유리창이 부서지며 일부 창틀이 파손 주택의 구조물 파손 주택의 일부 파손(복구불가능) 철구조물이 약간 손상 주택의 벽과 지붕이 약간 파손 비강화콘트리트 벽 파손 구조물이 심하게 손상되기 시작 주택의 블록이 50%정도 파손 건축물의 철구조물이 손상되며 기초에서 이탈 지지대가 없는 철제 건축물 또는 기름 저장 탱크 파손 공장건물의 파손 나무 기둥이 부러짐 주택의 완파 짐 실은 화물차가 전복 두께 20-30 cm 의 벽돌벽이 붕괴 대형 화물차의 전파 대부분의 건축물 전파

 

 

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