엔지니어링 재해

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엔지니어링 재해는 종종 설계 프로세스의 지름길에서 발생한다.공학은 사회의 요구와 요구를 충족시키기 위해 사용되는 과학과 기술이다.^[1]이러한 요구에는 건물, 항공기, 선박, 컴퓨터 소프트웨어 등이 포함된다.사회의 요구에 부응하기 위해서는 새로운 기술과 기반 구조의 창출이 효율적이고 비용 효율적으로 충족되어야 한다.이를 위해 관리자와 엔지니어는 당면한 특정 수요에 대한 상호 접근 방식이 필요하다.이는 공사와 제작 비용을 줄이기 위한 엔지니어링 설계의 지름길로 이어질 수 있다.때때로 이러한 바로가기는 예상치 못한 설계 실패로 이어질 수 있다.

개요

고장은 적절한 기능을 억제하는 설계 한계를 지나 구조나 장치를 사용한 경우에 발생한다.^[2]구조물이 일정량의 응력, 변형, 하중만을 지원하도록 설계되고 사용자가 더 많은 양을 적용하면 구조물이 변형되기 시작하여 결국 실패하게 된다.결함이 있는 설계, 부적절한 사용, 재정적 비용 및 잘못된 의사소통을 포함한 몇 가지 요인은 실패의 원인이 된다.

안전

공학 분야에서는 안전의 중요성이 강조된다.과거의 공학적인 실패와 챌린저 폭발과 같은 악명 높은 재난으로부터 배우는 것은 적절한 안전 예방 조치를 취하지 않았을 때 일어날 수 있는 일에 대한 현실감을 가져온다.인장 시험, 유한 요소 분석(FEA), 고장 이론과 같은 안전성 시험은 설계의 특정 영역에 어떤 최대 힘과 스트레스를 적용할 수 있는지에 대한 정보를 설계 엔지니어에게 제공하는 데 도움이 된다.이러한 예방 조치는 과부하와 변형으로 인한 고장을 예방하는 데 도움이 된다.^[3]

정적 하중

정적 하중은 힘이 물체나 구조물에 천천히 가해지는 것을 말한다.인장 시험, 휨 시험 및 비틀림 시험과 같은 정적 하중 시험은 영구적인 변형이나 고장 없이 설계가 견딜 수 있는 최대 하중을 결정하는 데 도움이 된다.인장 시험은 특정 시험 표본의 항복 강도와 최종 강도를 결정할 수 있는 응력 변형 곡선을 계산할 때 흔히 발생한다.

시료는 파손될 때까지 장력 상태에서 천천히 스트레칭되는 반면, Gage 길이에 걸친 하중과 거리는 지속적으로 감시된다.인장 시험을 받는 표본은 일반적으로 항복 응력보다 높은 응력을 파손 없이 견딜 수 있다.그러나 어느 순간 표본은 두 조각으로 부서진다.양보에서 비롯된 미세한 균열이 큰 규모로 번지기 때문이다.완전 파손 지점에서의 응력을 재료의 궁극적인 인장 강도라고 한다.^[4]그 결과는 정적 하중 하에서 재료의 거동에 대한 응력 변형 곡선이다.이 인장 시험을 통해 재료가 가해진 응력에 더 쉽게 항복하기 시작하는 지점에서 항복 강도가 발견되고 변형률이 증가한다.^[5]

피로

재료가 급격한 온도 또는 지속적인 하중에 노출되어 영구적인 변형을 겪을 때 재료의 기능이 손상될 수 있다.^[6][7]이 시간에 의존하는 물질의 플라스틱 왜곡은 크리프라고 알려져 있다.스트레스와 온도는 둘 다 크리프 비율의 주요 요인이다.설계가 안전하다고 간주되기 위해서는 크리프에 의한 변형이 고장이 발생하는 변형률보다 훨씬 작아야 한다.정적 하중으로 인해 시료가 이 점을 초과하게 되면 시료는 영구적인 또는 플라스틱 변형을 시작할 것이다.^[7]

기계적 설계에서 대부분의 고장은 시스템에 적용되는 시간 변화 또는 동적 하중 때문이다.이런 현상을 피로파괴라고 한다.피로는 해당 물질에 반복적으로 가해지는 스트레스의 변화에 따른 물질의 약점으로 알려져 있다.^[8]예를 들어 고무 밴드를 파손하지 않고 일정 길이로 스트레칭할 때(즉 고무 밴드의 항복 응력을 초과하지 않음) 고무 밴드는 해제 후 원래의 형태로 되돌아오지만, 같은 힘으로 수천 번 반복적으로 고무 밴드를 스트레칭하면 밴드 내에 마이크로 크랙이 생성되어 울을 수 있다.고무 밴드가 끊어질 수 있다.금속 등 기계소재에도 같은 원리가 적용된다.^[5]

피로파괴는 항상 시간이 지남에 따라 형성될 수 있는 균열 또는 사용된 제조 공정으로 인해 발생한다.피로파괴의 3단계는 다음과 같다.

1. 균열 개시- 반복된 응력이 사용 중인 재료에 파단 발생
2. 균열 확산 - 인장응력 때문에 재료에서 시작된 균열이 더 큰 규모로 발생할 때
3. 갑작스런 파단파괴-자재가 고장날 정도로 균열성장이 불안정하여 발생함

피로는 고장 후 재료의 강도가 낮아지는 것을 의미하지 않는다는 점에 유의하십시오.이 개념은 원래 반복하중 후에 "지치게 되는" 물질로 언급되었다.^[5]

의사소통 오류

엔지니어링은 정확한 분야로 프로젝트 개발자 간의 커뮤니케이션이 필요하다.여러 형태의 의사소통이 잘못되면 설계에 결함이 생길 수 있다.토목, 전기, 기계, 산업, 화학, 생물학 및 환경 공학을 포함한 다양한 공학 분야가 상호 통신해야 한다.예를 들어, 현대의 자동차 디자인은 전기 기술자, 기계 기술자, 환경 기술자들이 소비자들을 위해 연료 효율적이고 내구성이 있는 제품을 생산하기 위해 협력할 것을 요구한다.엔지니어가 서로 적절하게 의사소통하지 않는 경우, 잠재적 설계는 결함이 있으며 소비자 구매에 안전하지 않을 수 있다.2005년 허리케인 카트리나 기간 중 루이지애나 주 그레이터 뉴올리언스에서 발생한 제방 붕괴 사고, 우주왕복선 컬럼비아호 참사, 하얏트 리젠시 산책로 붕괴 등 공학적인 재난은 그러한 의사소통의 오류의 결과일 수 있다.^[9][10][11]

이것의 예외적인 예는 화성 기후 궤도 탐사선이다.록히드 M사는 "우주선의 폭력적인 소멸의 주된 원인은 록히드마틴이 제공한 지상 소프트웨어 1개가 미국의 관습적인 단위에서 성과를 냈으며, NASA가 공급한 두 번째 시스템은 SIS에 따라 SI 단위에서 결과가 나올 것으로 예상했기 때문"이라고 말했다.Artin과 주요 계약업체는 서로 의사소통을 하지 못했다.

소프트웨어

소프트웨어는 많은 유명한 재난에서 역할을 해왔다.

• 아리안 5편 501편
• 화성 기후 궤도 탐사선
• TAUSE — 영국 주식결제시스템과 비물질화된 중앙주식보관소.
• Thetrac-25 — 소프트웨어 결함으로 인한 6회 과다 복용을 담당하는 방사선 치료 기계.
• 다란에서의 실패 — 패트리엇 미사일 시계 문제.

시스템 엔지니어링

• 라이온 에어 610편 및 에티오피아 항공 302편 — 보잉 737 MAX의^[12] "MCAS" 시스템 결함

예

인프라나 비행기와 같은 대형 프로젝트가 실패할 경우, 여러 사람이 영향을 받아 엔지니어링 재난으로 이어질 수 있다.재난은 생명을 잃을 수도 있는 중대한 피해를 초래하는 재난으로 정의된다.^[13]이와 유사한 재해가 발생하지 않도록 심층적인 관찰과 재해 후 분석을 크게 문서화하였다.

사회 기반 시설

타이브리지 참사(1879년)

퀘벡 대교 붕괴(1907)

타코마 협곡 교량 붕괴(1940년)

하얏트 리젠시 호텔 보도 붕괴(1981)

1981년 7월 17일 밤 미국 미주리주 캔자스시티에서 하얏트 리젠시 호텔의 통로가 두 차례나 붕괴돼 114명이 숨지고 200여 명이 다쳤다.이 재난 동안, 그 호텔은 댄스 대회를 주최하고 있었다.아트리움을 가로지르는 2층과 4층 보행로를 모두 지탱하는 천장봉을 받치는 연결부가 고장 나 아래 붐비는 1층 아트리움으로 무너질 때 수많은 경쟁자와 참관자들이 매달려 춤을 추고 있었다.^[14]

산책로가 붕괴된 뒤 조사를 받는 동안 건축기사 웨인 G.Lischka는 원래의 설계가 실질적으로 변경되는 것을 알아차렸다.제작자는 엔지니어링 설계 팀의 승인 없이 원래 설계된 단일 로드 시스템이 아닌 이중 로드 지지 시스템을 구축했다.이렇게 함으로써 생성된 지지 빔은 커넥터에 대한 하중을 두 배로 증가시켰고, 이로 인해 보행로가 고장 났다.단일 로드 시스템이라 하더라도 예상 하중을 거의 지탱하지 못했을 것이며 캔자스 시티 빌딩 코드 표준을 충족시키지 못했을 것이라는 것이 문서화되었다.^[14]

손상에 대한 최종 분석 결과 다음과 같은 몇 가지 결론이 보고되었다.

• 4층 보행로의 최대 적재 용량은 캔자스 시티 빌딩 코드 표준의 최대 적재 용량의 53%에 불과했다.
• 원래의 설계에서 개조된 제작으로 4층 보행로가 받은 하중이 두 배로 증가하였다.
• 4층 행거봉의 변형과 왜곡은 그 시점에서 붕괴가 시작됐다는 개념을 뒷받침한다.
• 공사 품질이나 자재 선정이 보행로 붕괴에 한몫했다는 증거는 없다.^[9]

폰테 모란디 붕괴(2018년)

서프사이드 콘도미니엄 건물 붕괴(2021년)

항공학

우주왕복선 챌린저호 참사(1986)

우주왕복선 챌린저호 참사는 1986년 1월 28일 NASA 우주왕복선 챌린저호(OV-099)가 비행 73초 만에 부서지면서 승무원 7명이 사망하는 사고가 발생했다.차량의 분해는 우측 고체 로켓 부스터(SRB)의 O-링 씰이 리프토프에서 고장 난 후 시작되었다.

컬럼비아 우주왕복선 참사(2003)

우주왕복선 콜롬비아호(OV-102) 참사는 2003년 2월 1일 STS-107의 마지막 구간에서 발생했다.루이지애나 주와 텍사스 주 상공에서 지구의 대기를 재진입하는 동안 우주왕복선은 예기치 않게 분해되어 탑승한 우주인 7명 전원이 사망했다.그 원인은 이후 1월 16일 발사 당시 외부 탱크에서 떨어지는 폼 단열재로 충격으로 인한 열 차폐 타일 손상 때문인 것으로 밝혀졌다.그것은 이 특정 작품이 발사 중에 풀려난 것으로 알려진 일곱 번째 사례였다.^[15]우주왕복선이 마하 23의 속도로 지구 대기에 재진입하면서 날개는 2,800 °F (1,540 °C)의 온도를 경험했다.발사 중 발생한 단열 타격으로 인한 피해는 임무 복귀 중 셔틀이 해체되면서 치명적이었다.^[11]NASA 조사팀은 우주선 왼쪽 날개 안쪽 가장자리와 열타일 위에서 녹은 알루미늄을 발견해 컬럼비아호가 날개의 손상된 지점을 관통하는 뜨거운 가스로 인해 파괴된 것이라는 개념을 뒷받침했다.^[16]

뉴욕대학의 로저 L. M. 던바와 펜실베이니아 주립대학의 라후 가루드는 나사가 컬럼비아 우주선 대참사를 초래한 실수에 대한 사례 설명을 입수했다.관제 센터에서는 발포 전 폼이 안전 요인이 아니라고 판단했으며 셔틀 패널 손상은 2003년 1월 17일 현재 손상에 대한 분석을 지연시켰으며, 1월 18일부터 19일 사이에 임무 수행 요청을 거부하였다.2003년 1월 24일이 되어서야 관제소는 피해 상황을 문제점으로 분류했다.관제 센터와 잔해 평가 팀 간의 통신에서 이러한 실수는 우주선에 대한 손상의 적절한 조사를 금지했다.^[11]

선박

제2차 세계대전의 자유선박

초기 리버티 선박들은 선체와 갑판 균열을 겪었고, 몇 척은 이런 구조적 결함으로 유실됐다.제2차 세계 대전 동안, 거의 1,500건의 심각한 부서지기 쉬운 골절 사례가 있었다.건설된 2710개의 자유 중 3개가 경고 없이 반으로 쪼개졌다.한랭한 온도에서 강철 선체가 갈라져 나중에 더 적합한 강철을 사용하여 선박을 건조하게 된다.

증기선 술타나 (1865)

1865년 4월 26일 밤, 여객선 술타나호가 테네시주 멤피스 북쪽 7마일(11km) 떨어진 미시시피강에서 폭발했다.이 해양 재앙은 미국 역사상 최악의 재앙으로 분류된다.그 폭발로 1,547명의 사망자가 발생하여 타이타닉의 침몰로 인한 총 사망자 수를 능가하였다. (뉴욕은 타이타닉의 목적지임에도 불구하고, 미국의 국기선박과 미국 영해에서 발생하지 않았기 때문에, 미국의 해양 재해로 분류되지 않는다.)술타나는 남북전쟁이 끝날 무렵 군인과 수감자의 교환으로 인해 초만원이었다.인구 과밀은 높은 사망자 수에 크게 기여했다.사망자가 많은 또 다른 이유는 폭발 약 7분 후 화염에 완전히 휩싸인 것으로 기록된 이 기선의 대부분 목조 공사 때문이었다.폭발은 미시시피 강이 범람 단계에 있던 자정 무렵에 일어났다.술타나호에 타고 있던 금속 구명정 1척이 갑판에서 투척돼 기선에서 헤엄쳐 온 여러 명에게 착륙해 사망자가 더 발생했다는 기록이 기록돼 있다.^[17]

이번 참사는 다른 보일러 3대 중 2대가 폭발한 수리 보일러 폭발사고의 결과로 추정됐다.초기 보일러는 이전에 누출이 있었던 것으로 밝혀졌으며 미시시피주 빅스버그의 시간 제약 때문에 캡틴 J. 캐스 메이슨의 명령으로 보일러 제조업체 R. G. 테일러가 부적절하게 수리했다.수석 엔지니어인 Nathan Wintringer는 수리된 보일러를 승인했지만, Taylor는 보일러가 너무 적은 물로 연소된 것처럼 보여서 보일러가 안전하다고 볼 수 없다고 말했다.^[17] 미시시피강을 따라 이동하다 보일러가 폭발해 불이 기선 전체로 번졌다.기내에서 발생한 화재로 술타나의 두 굴뚝이 모두 붕괴되어 많은 승객이 목숨을 잃었다.술타나의 선장은 배와 함께 죽었다.^[18]

참고 항목

• 산업재해
• 구조 고장 및 붕괴 목록
• 원자력 및 방사선 사고
• 우주 비행 관련 사고 및 사고 목록
• 해양 재해 목록
• 구조고장
• 이탈도 정상화

참조