[폭발안전] 폭풍파가 인체에 미치는 영향

1) 폭풍파에 대한 사람의 상태

폭풍압이 인체에 미치는 대표적인 피해는 다음의 두 가지가 있다.

① 압력에 의한 인체 자체의 파괴

② 압력의 급격한 변화에 의한 폐출혈 등

 

폭풍파가 인체에 미치는 영향을 확인하려면 폭원과 사람 사이에 장애물이 없는 자유 지표면에서 발생한 폭발을 가정하는 편이 훨씬 이해하기 쉽다. 다음 그림은 폭풍파의 작용에 대한 사람의 상태 차이를 나타낸 것이다. 사람의 뒤에 벽 등의 장애물이 있는 경우, 폭풍파가 사람에게 작용하는 것은 벽에서 반사파의 영향을 받기 때문에 더욱 복잡해진다. 사람 주위에 장애물이 없을 때 폭풍파 전면에 대한 방향이나 자세에 따라 폭풍압의 크기와 인체의 손상 부위, 부상 정도가 다르다.

그림. 폭풍파 전면에 있는 사람의 상태 (뒤에 벽이 있는 경우)

그림. 폭풍파 전면에 있는 사람의 상태 (벽이 없는 경우)

 

2) 폭풍파에 의한 각종 상해

폭풍파에 의한 각종 상해를 폭발상해라고 하며, 간단하게 폭상이라고 한다. 인체가 폭풍파를 받고 상처를 입으면 폭발의 규모, 폭원과 사람 사이의 거리와 관련이 있다. 폭원으로부터 거리에 따라 원거리폭발과 근거리폭발로 구분되며, 근거리폭발은 폭발과 함께 열과 가스를 방출하고, 파편 비산 등의 영향을 받는다. 원거리 폭발은 주로 폭풍파의 영향만을 고려한다.

 

(1) 1 차 상해

1 차 상해(primary injury)는 폭풍압에 의한 직접 피해이다. 같은 폭풍압을 받아도 사람의 체격, 성별, 나이 차이에 따라 부상의 크기가 다르다. 민감한 부위는 폐, 귀(특히 내이나 고막), 후두, 기관, 복강 등이다.

 

(2) 2 차 상해

2 차 상해(secondary injury)는 폭발로 파괴된 구조물의 파편이 비산하거나 충돌하여 발생한 부상이다. 파편이 인체에 닿으면 열상, 관통상, 둔기 손상(blunt trauma) 등이 발생한다.

 

(3) 3 차 상해

폭풍에 날아가서 전도, 충돌하여 상해를 입을 수 있다. 이것을 3 차 상해(tertiary injury)라고 한다.

 

(4) 폭풍압과 인체 피해의 관계

폭원과 사람 사이에 장애물이 없는 지표면 폭발에서는 폭풍압으로 인체에서 폐, 내이, 고막 등의 상해를 입는 폭풍압과 지속시간의 관계와 1 차 ~3 차 상해의 손상 정도를 추정하는 그림은 다음 그림과 같다. 그림 에서 폭풍파 전면에 옆으로 서 있는 상태에서 발생한 1 차 상해의 한 가지 예이다. 다시 말하면, 같은 폭풍압의 크기가 작용할 때 시간이 짧을수록 폐의 손상 정도가 더 작으므로 생존 확률이 크다는 것을 알 수 있다.

그림. 폭발 작용에 대한 폐 손상 평가

 

폭약의 폭발처럼 양압 지속시간이 수십 ~ 수백 ms인 비교적 빠른 폭발에서는 폭압으로 90%의 사람이 압사하는 압력은 약 400 kPa이며, 사망률이 1% 이하가 되는 압력은 약 300 kPa이다. 한편, 압사하지 않는 압력에서도 폐 조직은 압력의 급격한 변화에 견딜 수 없으므로 조직이 파괴되면서 출혈을 일으켜 죽음에 이를 수도 있다. 폭압 때문에 90%의 사람들이 폐출혈로 사망하는 압력은 100~300 kPa이며, 사망률이 1% 이하인 압력은 100 kPa이다. 폭풍파가 인체에 미치는 영향을 연구한 자료는 별로 없으며, 표는 폭풍압과 인체 피해의 관계이다.

 

표 . 폭풍압과 인체 피해의 관계

폭풍압 [kPa]	피해 정도
900 이상	즉사
500 ~ 900	빈사의 중상, 중상률 50%
300 ~ 500	중상
100 ~ 300	경상, 고막파열, 폐출혈
100 이하	안전

 

3) 폭발에 의한 파편의 비산

폭발로 발생한 파편 비산뿐만 아니라 일반 파편 비산이나 날아온 물체가 인체에 충격을 가했을 때 손상 기준으로써 비상 물체의 운동에너지는 58 ft-lb(79 J = 8 kgf·ｍ)로 되어있다. 이 값은 1800년경 나폴레옹 시대가 기원이라고 하지만 근거는 불분명하다. 1900년 전후 독일 포병대도 58 ft-lb가 보병을 전투 불능으로 만들거나 전장을 이탈시키기에 충분한 에너지로 결정했다. 또한 서양에서는 2차 세계대전 중에 치명상의 기준으로 58 ft-lb를 이용하였다. 이 수치의 타당성은 대상이 인체라서 시험할 수 없으므로 현재도 미확인 상태로 사용하고 있다.

 

미국의 폭발안전기준에서도 인체의 파편 허용 에너지는 58 ft-lb(79J)이하이다. 이 수치는 예를 들어 질량 100 g의 파편은 약 40 m/s의 충돌 속도로, 500 g의 파편은 약 18 m/s의 충돌 속도로, 1,000 g의 파편은 약 13 m/s의 충돌할 때의 에너지이다. 또한, 파편이 충돌했을 때 인체의 손상은 파편의 크기, 경도, 형상, 충돌 위치(머리, 가슴, 배, 팔, 다리 등)에 따라 다르므로 에너지는 어디까지나 참고사항이다 .

 

다음 표는 각국의 인체 손상기준이다 .

표. 각국의 손상기준

국가명	부상 에너지 기준	근거
미국	사람이 전투 능력을 유지하기 위한 파편 허용 에너지는 58 ft-lb(약 8 kgf·m = 79 J) 이하	DoD 6055.9-STD
프랑스	① 인체 내부가 손상: 2.6 kgf·m 이상 ② 골절상: 6 kgf·m 이상 ③ 치명적이지 않지만, 전투 능력 상실: 8 kgf·m 이상	C. Journee
독일	전투 능력 상실 최솟값은 8 kgf·m	M. Rohne

 

다음 그림은 파편이 인체의 복부나 팔, 다리에 충돌할 경우 부상을 평가할 때의 기준으로 파편 질량 - 충돌 속도와 손상 확률의 관계를 나타낸 것이다. 그림에서 예를 들면 질량 100 g의 파편이 약 40 m/s로 인체의 복부나 손발에 충돌한 경우 (운동에너지 8.2 kgf·m = 80 J) 치사 확률은 10%, 상해 확률은 90%이다 .

그림. 파편 질량 - 충돌 속도와 손상 확률의 관계 [Ahler, 1969]