본 논문은 전자기 유도를 활용한 지반 앵커를 제안함으로써, 힌지와 링크를 활용한 확장 구조, 전자석을 활용한 거치 및 센싱 등을 활용하였다. 이에 그라우트를 배제한 앵커력 확보와, 지반 거동을 포함한 각종 센싱 능력을 확보하는데 목표가 있다. 그리고 기존 지반 앵커의 단점으로 지적되던, 그라우트의 환경오염, 강연선 제거의 난해함, 앵커 안착 여부 확인 불가 등을 해결하였다. 앵커의 형상은 목표 기능 구현 시 발생하는 모순을 해결해야한다. 이에 ...
본 논문은 전자기 유도를 활용한 지반 앵커를 제안함으로써, 힌지와 링크를 활용한 확장 구조, 전자석을 활용한 거치 및 센싱 등을 활용하였다. 이에 그라우트를 배제한 앵커력 확보와, 지반 거동을 포함한 각종 센싱 능력을 확보하는데 목표가 있다. 그리고 기존 지반 앵커의 단점으로 지적되던, 그라우트의 환경오염, 강연선 제거의 난해함, 앵커 안착 여부 확인 불가 등을 해결하였다. 앵커의 형상은 목표 기능 구현 시 발생하는 모순을 해결해야한다. 이에 TRIZ 기법에서 모순 극복 방안을 확보하였으며, 이를 설계에 적용하였다. 앵커는 접촉부, 삽입체 링크, 삽입체, 고정체, 확장부, 전방 및 후방캡, 보조 기둥으로 구성되었으며, 쐐기 지압형 앵커의 원리를 가져오되 앵커력 확보, 완전제거, 안착 및 지반 거동 확인 등이 가능하도록 하였다. 천공 지름 150 mm를 기준으로 설계되었으며, 소재는 STS304 및 Aluminum 6061-T6를 활용하였다. 도출된 설계를 기준으로, 구조적 안전성 및 기능 구현 여부를 확인하고자 전산 해석이 실시되었다. 먼저 구조적 안전성의 경우, 쐐기를 제외한 나머지 부품들의 거동 및 응력 분포를 확인하고자 하였다. 이에 Multibody Dynamics 해석을 실시하였고, 힌지에 의한 회전 및 접촉과 더불어 인장에 의한 응력 분포를 확인하였다. 그리고 전자기 유도 해석으로 자석과 코일 사이의 상대 운동에 의한 유도 기전력 발생과, 코일에 전원이 인가되어 발생하는 전자기적 상승력을 확인하였다. 전산 해석 결과로 구조적 안전성 및 기능 구현을 확인하였으므로, 각 기능 실험을 실시하였다. 권선된 코일에 전원을 인가하여 발생하는 상승력은, 고정체에 삽입된 확장부를 돌출시켜 삽입체에 거치시키는데 필수이다. 이에 확장부 무게인 0.14 N 이상의 상승력 발생 여부를 확인하고자 하였으며, 인가 전원은 12 W(12 V, 1.0 A)로 고정한 상태에서 200, 300, 400, 500번 권선된 코일에 인가하였다. 실험 결과, 권선 수에 비례하여 상승력이 증가하였으며, 500번 권선에서 최대 0.48 N이 발생하는 것을 확인하였다. 전압 발생의 경우, 앞선 실험과 같이 200 ∼ 500번 권선된 코일을 활용하였다. 그리고 네오디뮴 자석을 고정체 기둥에 위치시키고, 진동 발생기를 동작시켜 1 ∼ 5 Hz의 움직임을 인가하였다. 그 결과, 5 Hz로 증가할수록 발생 전압이 비례하였고, 5 Hz에서는 평균 0.14 V 출력되었다. 발생된 전압은 지반에 이상 거동을 판단할 근거로 활용될 수 있다. 이에 담당자가 현장에 있지 않아도, 실시간으로 이상 거동을 확인할 수 있도록 Internet of Things 시스템을 구축하였다. 아두이노 윤과 Blynk 등을 활용하였으며, 실험 결과 진동 발생기를 동작시키고 상대 운동이 발생한 직후에 스마트 기기에 경고 알람이 발생하는 것을 확인하였다. 기존 앵커는 지반에 삽입된 이후로는 안착 여부를 확인할 수 없다. 이에 코일에 전원을 인가하는 돌출부의 확장 및 안착 여부를 확인할 수 있도록 거동 실험을 진행하였다. 권선된 알루미늄 고정체에 전원을 인가하여 접촉부를 확장시키고, 앵커에 리미트 스위치를 부착하여 기능 실험을 수행하였다. 실험 결과, 전원 인가에 따라 돌출부가 확장되었고, 리미트 스위치가 천공면에 접촉하면 Blynk의 가상 LED가 점등되는 것을 확인하였다. 인발 실험은 앵커의 삽입 및 인장에 의한 앵커력 발생 여부를 확인하는 실험으로, 모형 토조에 암반 환경을 모사하여 진행되었다. 이에 관련 이론을 근거로하여, 구성된 모형 토조에 인가할 수 있는 허용 인장력을 계산하였다. 그리고 유압 인장기, 서포터, 중공형 로드셀, 수압판 등을 제작하여 실험 환경을 구성하였으며, 98.1 ∼ 981 kN 까지 유압 인장기로 강연선을 인장시키고, 로드셀의 압력 변화 및 레이저 미터로 앵커의 인발 여부를 확인하였다. 실험 결과, 레이저 미터에 길이 변화는 나타나지 않았으며, 인장 시작 후 약 245 ∼ 1,960 N의 하중 감소가 발생하면서 20분 뒤에는 하중이 유지되어 앵커력 발생을 확인하였다. 하중 감소의 이유는 접촉체와 쐐기 사이의 공극이 압박되면서 앵커의 천공면 내부 미소 인발 발생에 기인한다. 본 앵커는 그라우트를 배제하고 보조 기둥을 활용하여 앵커력이 발생하는 것과, 강연선 및 앵커 전체 제거가 가능한 것을 규명하였다. 이에 설계 타당성을 확보했다고 할 수 있으며, IoT를 활용한 안착 및 지반 거동 센싱을 활용하면 앵커 시공 안전성 확보 및 활용 범위를 확대할 수 있다. 즉, 그라우트를 배제함과 동시에 센싱 기능을 겸함으로써, 사고 발생 시 즉각적인 정보 전송이 가능한 친환경 지반 앵커를 개발하였다. 이와 같은 결과는 그라우트 사용이 기본 상식으로 자리잡은 토목공학에 새로운 방향성을 제시할 수 있을 것으로 기대된다.
본 논문은 전자기 유도를 활용한 지반 앵커를 제안함으로써, 힌지와 링크를 활용한 확장 구조, 전자석을 활용한 거치 및 센싱 등을 활용하였다. 이에 그라우트를 배제한 앵커력 확보와, 지반 거동을 포함한 각종 센싱 능력을 확보하는데 목표가 있다. 그리고 기존 지반 앵커의 단점으로 지적되던, 그라우트의 환경오염, 강연선 제거의 난해함, 앵커 안착 여부 확인 불가 등을 해결하였다. 앵커의 형상은 목표 기능 구현 시 발생하는 모순을 해결해야한다. 이에 TRIZ 기법에서 모순 극복 방안을 확보하였으며, 이를 설계에 적용하였다. 앵커는 접촉부, 삽입체 링크, 삽입체, 고정체, 확장부, 전방 및 후방캡, 보조 기둥으로 구성되었으며, 쐐기 지압형 앵커의 원리를 가져오되 앵커력 확보, 완전제거, 안착 및 지반 거동 확인 등이 가능하도록 하였다. 천공 지름 150 mm를 기준으로 설계되었으며, 소재는 STS304 및 Aluminum 6061-T6를 활용하였다. 도출된 설계를 기준으로, 구조적 안전성 및 기능 구현 여부를 확인하고자 전산 해석이 실시되었다. 먼저 구조적 안전성의 경우, 쐐기를 제외한 나머지 부품들의 거동 및 응력 분포를 확인하고자 하였다. 이에 Multibody Dynamics 해석을 실시하였고, 힌지에 의한 회전 및 접촉과 더불어 인장에 의한 응력 분포를 확인하였다. 그리고 전자기 유도 해석으로 자석과 코일 사이의 상대 운동에 의한 유도 기전력 발생과, 코일에 전원이 인가되어 발생하는 전자기적 상승력을 확인하였다. 전산 해석 결과로 구조적 안전성 및 기능 구현을 확인하였으므로, 각 기능 실험을 실시하였다. 권선된 코일에 전원을 인가하여 발생하는 상승력은, 고정체에 삽입된 확장부를 돌출시켜 삽입체에 거치시키는데 필수이다. 이에 확장부 무게인 0.14 N 이상의 상승력 발생 여부를 확인하고자 하였으며, 인가 전원은 12 W(12 V, 1.0 A)로 고정한 상태에서 200, 300, 400, 500번 권선된 코일에 인가하였다. 실험 결과, 권선 수에 비례하여 상승력이 증가하였으며, 500번 권선에서 최대 0.48 N이 발생하는 것을 확인하였다. 전압 발생의 경우, 앞선 실험과 같이 200 ∼ 500번 권선된 코일을 활용하였다. 그리고 네오디뮴 자석을 고정체 기둥에 위치시키고, 진동 발생기를 동작시켜 1 ∼ 5 Hz의 움직임을 인가하였다. 그 결과, 5 Hz로 증가할수록 발생 전압이 비례하였고, 5 Hz에서는 평균 0.14 V 출력되었다. 발생된 전압은 지반에 이상 거동을 판단할 근거로 활용될 수 있다. 이에 담당자가 현장에 있지 않아도, 실시간으로 이상 거동을 확인할 수 있도록 Internet of Things 시스템을 구축하였다. 아두이노 윤과 Blynk 등을 활용하였으며, 실험 결과 진동 발생기를 동작시키고 상대 운동이 발생한 직후에 스마트 기기에 경고 알람이 발생하는 것을 확인하였다. 기존 앵커는 지반에 삽입된 이후로는 안착 여부를 확인할 수 없다. 이에 코일에 전원을 인가하는 돌출부의 확장 및 안착 여부를 확인할 수 있도록 거동 실험을 진행하였다. 권선된 알루미늄 고정체에 전원을 인가하여 접촉부를 확장시키고, 앵커에 리미트 스위치를 부착하여 기능 실험을 수행하였다. 실험 결과, 전원 인가에 따라 돌출부가 확장되었고, 리미트 스위치가 천공면에 접촉하면 Blynk의 가상 LED가 점등되는 것을 확인하였다. 인발 실험은 앵커의 삽입 및 인장에 의한 앵커력 발생 여부를 확인하는 실험으로, 모형 토조에 암반 환경을 모사하여 진행되었다. 이에 관련 이론을 근거로하여, 구성된 모형 토조에 인가할 수 있는 허용 인장력을 계산하였다. 그리고 유압 인장기, 서포터, 중공형 로드셀, 수압판 등을 제작하여 실험 환경을 구성하였으며, 98.1 ∼ 981 kN 까지 유압 인장기로 강연선을 인장시키고, 로드셀의 압력 변화 및 레이저 미터로 앵커의 인발 여부를 확인하였다. 실험 결과, 레이저 미터에 길이 변화는 나타나지 않았으며, 인장 시작 후 약 245 ∼ 1,960 N의 하중 감소가 발생하면서 20분 뒤에는 하중이 유지되어 앵커력 발생을 확인하였다. 하중 감소의 이유는 접촉체와 쐐기 사이의 공극이 압박되면서 앵커의 천공면 내부 미소 인발 발생에 기인한다. 본 앵커는 그라우트를 배제하고 보조 기둥을 활용하여 앵커력이 발생하는 것과, 강연선 및 앵커 전체 제거가 가능한 것을 규명하였다. 이에 설계 타당성을 확보했다고 할 수 있으며, IoT를 활용한 안착 및 지반 거동 센싱을 활용하면 앵커 시공 안전성 확보 및 활용 범위를 확대할 수 있다. 즉, 그라우트를 배제함과 동시에 센싱 기능을 겸함으로써, 사고 발생 시 즉각적인 정보 전송이 가능한 친환경 지반 앵커를 개발하였다. 이와 같은 결과는 그라우트 사용이 기본 상식으로 자리잡은 토목공학에 새로운 방향성을 제시할 수 있을 것으로 기대된다.
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