[논문]새로운 평면변형률 시험장비의 개발과 적용성 검증

김창엽; 이용선; 정충기

doi:10.7843/kgs.2006.22.1.5

문제 정의

본 연구에서는 개발된 시험 장비에 대한 실험적인 검증에 앞서 그 적용성을 이상화된 가정조건하에서 이론적으로 검토하였다. 적용성 검토대상이 된 대표적인 시험조건들은 다음의 그림 6에 요약한 바와 같이 연직방 향 유효응력(缶)과 횡방향 유효응력(气)을 독립적으로 제어하여 나타나는 6가지 대표적인 배수 응력 경로이다.
본 연구에서는 앞 절에서 설명한 평면변형 방향의 응력전달 특성을 근거로 그림 6에 제시된 6가지 대표적인 응력 경로에 대해 개발 시험 장비의 적용성을 이론적으로 검토하였다. 이러한 검토과정에는 수학적인 귀류법의 개념이 활용되었으며, 시료는 이상적인 등방탄성체 (E=constant, 0<z^<0.
본 연구에서는 이와 같은 측면을 고려하여 평면변형 률조건하에서 발생 가능한 다양한 응력 조건을 보다 자유롭게 구현할 수 있으면서도, 상대적으로 간편한 평면 변형률 시험 장비를 새롭게 개발하였다. 개발된 시험장비의 적용성을 이상화된 가정조건하에서 이론적으로 검토하였으며, 실제 점성토시료에 대한 일련의 평면 변형률 시험을 통해 확인 검증하였다.
본 연구에서는 전술한 기존 시험 장비들의 한계성을 고려하여, 이를 극복할 수 있는 새로운 형태의 평면변형률 시험 장비를 개발하였다. 개발된 시험 장비는 그림 3의 개념도와 그림 4의 사진에 제시한 바와 같이 상부재 하판과 측면 판이 匸자형으로 강결된 구조를 가지고 있다.
본 연구에서는 평면변형률조건하에서 발생 가능한 다양한 응력 조건을 보다 자유롭게 구현할 수 있는 간편한 형태의 평면변형률 시험 장비를 새롭게 고안하였다. 이상화된 등방탄성체 시료에 대한 이론적인 검토와 실제 점성토시료에 대한 실험적인 검증의 결과, 개발 시험장비는 검토대상이 된 대표적인 시험조건(IC, PSA, RPSA, IE, RPSP, PSP 시험조건) 모두에 대해 평면변형률 조건을 완벽하게 유지하는 것으로 확인되었다.

가설 설정

이러한 검토과정에는 수학적인 귀류법의 개념이 활용되었으며, 시료는 이상적인 등방탄성체 (E=constant, 0

제안 방법

본 연구에서는 이와 같은 측면을 고려하여 평면변형 률조건하에서 발생 가능한 다양한 응력 조건을 보다 자유롭게 구현할 수 있으면서도, 상대적으로 간편한 평면 변형률 시험 장비를 새롭게 개발하였다. 개발된 시험장비의 적용성을 이상화된 가정조건하에서 이론적으로 검토하였으며, 실제 점성토시료에 대한 일련의 평면 변형률 시험을 통해 확인 검증하였다.

본 연구에서는 이론적인 적용성 검토가 수행된 6가지 대표적인 응력 경로에 대해 정규 압밀 상태의 성형 카올리나이트 시료를 이용하여 실제로 평면변형률 시험을 수행하였으며, 그 결과로부터 개발 시험 장비의 적용성을 실험적으로 확인 검증하였다 사용 시료는 초기 함수비 75%의 카올리나이트 슬러리를 대형 1차원 시료성형 기(직경 350mm, 높이 600mm) 내에서 압밀하여 제작하였다. 성형과정에서는 140kPa의 연직 압밀압을 1주일에 걸쳐 단계적으로 재하 하였으며, 이를 통해 도달된 최종적인 하중 상태를 이후 약 4주일간 유지하였다.

수행된 각각의 평면변형률 시험에서는 해당 응력 경로의 재현에 앞서 시료를 250kPa의 배압을 가하여 포화 시 켰으며, 선행 압밀 하중의 약 2배에 해당하는 200kPa의 연직 유효응력과 lOOkPa의 횡방향 유효응력으로이방압 밀함으로써 각 시료의 초기응력상태를 동일한 정규압 밀 상태로 구현하였다. 사용 시료가 투수 계수가 낮은 점성토 시료임을 고려하여 그림 4(d)에 나타낸 바와 같이 Side drain을 이용하여 배수 거리를 단축시켰으며, 이에 더해 과잉간극수압의 발생을 무시할 수 있을 정도로 충분히 느린 하중재하속도(단위 시간당 평균 유효 응력 증가량 da京dt = Q8kP이hour)을 적용하였다. 본 연구에서 적용된 이와 같은 하중재하속도의 결정과 검증과정은 선행연구(김창엽 2004)에 자세히 기술되어 있다.

수행된 각각의 평면변형률 시험에서는 해당 응력 경로의 재현에 앞서 시료를 250kPa의 배압을 가하여 포화 시 켰으며, 선행 압밀 하중의 약 2배에 해당하는 200kPa의 연직 유효응력과 lOOkPa의 횡방향 유효응력으로이방압 밀함으로써 각 시료의 초기응력상태를 동일한 정규압 밀 상태로 구현하였다. 사용 시료가 투수 계수가 낮은 점성토 시료임을 고려하여 그림 4(d)에 나타낸 바와 같이 Side drain을 이용하여 배수 거리를 단축시켰으며, 이에 더해 과잉간극수압의 발생을 무시할 수 있을 정도로 충분히 느린 하중재하속도(단위 시간당 평균 유효 응력 증가량 da京dt = Q8kP이hour)을 적용하였다.

표 2의 마지막 열에는 각 시험 조건에서 파악된 평면 변형 방향 유효응력 %과 횡방향 유효응력 气간의 크기 관계를 제시하였다. 제시된 결과에 따르면, 응력 경로가 & 선 위쪽에 존재하는 PSA, RPSA, IE 시험에서는 시험 과정 전체에 걸쳐 印, 이에 에 비해 큰 값을 유지하는 것으로 나타났다.

대상 데이터

직육면체(길이 66mmx폭 45mmx높이 132mm) 형태의 시료는 측면판과 함께 멤브레인으로 둘러싸여 상부 재 하판과 하부 판에서 오링으로 밀봉된다. 사용 시료의 길이 대 높이 비(1:2)는 삼축시험시 단부 구속 효과를 고려하여 일반적으로 이용되는 값으로 선택되었으며, 길이 대폭비(약 1.5:1)는 기존의 시험장비들에서 채택하고 있는 일반적인 범위(1:1〜1:2) 내에서 선택되었다.의 개념도와 그림 4의 사진에 제시한 바와 같이 상부재 하판과 측면 판이 匸자형으로 강결된 구조를 가지고 있다.

. 직육면체(길이 66mmx폭 45mmx높이 132mm) 형태의 시료는 측면판과 함께 멤브레인으로 둘러싸여 상부 재 하판과 하부 판에서 오링으로 밀봉된다. 사용 시료의 길이 대 높이 비(1:2)는 삼축시험시 단부 구속 효과를 고려하여 일반적으로 이용되는 값으로 선택되었으며, 길이 대폭비(약 1.

성능/효과

또한 시료와 상부재 하판, 측면판, 하부판 사이에는 윤활단을 삽입하여 시료와 벽체 사이의 마찰을 최대한 감소시킬 수 있도록 하였다 기존의 관련 연구에 따르면 개발된 시험 장비에 채택된 그림 5와 같은 구조의 윤활단은 시료와 벽체 사이의 마찰각을 1° 내외의 아주 작은 값으로 감소시키는 것으로 알려져 있다(Tatsuoka 등 1984; Tatsuoka와 Haibara 1985). 윤활" 단의 삽입은 그에 동반되는 부수적인 효과로 시료의 응력-변형 거동에 다소간의 영향을 미칠 가능성이 있으나, 개발된 시험 장비에 이용된 윤활단은 시료의 폭이나 높이에 비해 그 두께가 매우 얇으며(약 350nm), 상대적으로 큰 압축응력을 받는 경우에도 50um 미만의 아주 작은 압축변형만이 발생하는 것으로 확인되었다. 따라서 극히 미소한 변형률 수준의 응력-변형 거동에 대해 관심을 가지는 경우가 아니라면 윤활단 삽입에 따른 응력-변형률 거동 상의 오차는 미미할 것으로 예상된다.

위의 식 (4) 는 평면변형률 조건이 유지되지 않는다는 즉 % > 0이라는 초기 가정에 위배되며, 이는 논증 과정에서 임의로 부여된 위의 초기 가정에 오류가 포함되어 있음을 의미한다. 따라서 개발 시험 장비를 활용한 RPSP 시험에서는 평면변형률 조건이 계속해서 유지됨을 확인 할 수 있다.

개발 시험 장비는 기본적으로 시료가 측면판과 함께 밀봉되는 구조를 가지고 있다. 따라서 기존의 평면변형률 시험 장비들과 달리 수압의 형태로 가해지는 구속압이 측면판과 시료 사이로 침투할 수 없으며, 그 결과 연직방향 하중과 셀 압력만을 조절하는 일반적인 삼축시험용 재하장치만으로도 이축 시험 장비 같이 보다 다양한 응력 조건에 대한 평면변형률 시험이 가능하다. 또한 추가적인 횡방향 재하장치가 필요한 기존의 이축 시험 장비들에 비해서는 상대적으로 매우 간편하고 경제적이라는 특징을 가진다.

이상화된 등방탄성체 시료에 대한 이론적인 검토와 실제 점성토시료에 대한 실험적인 검증의 결과, 개발 시험장비는 검토대상이 된 대표적인 시험조건(IC, PSA, RPSA, IE, RPSP, PSP 시험조건) 모두에 대해 평면변형률 조건을 완벽하게 유지하는 것으로 확인되었다. 반면 기존 시험장비의 경우, 응력 경로가 선 아래쪽에 위치하는 IC, PSP, RPSP 시험 조건에서는 수압으로 가해지는 상대적으로 큰 횡 방향 구속압이 수밀조 건이 아닌 시료와 측면 판 사이로 침투하여 평면변형률 조건이 유지되지 않을 가능성이 있는 것으로 확인되었다.

표 2에 제시된 바와 같이, 개발 시험 장비를 활용하는 경우 연직 또는 횡방향의 응력을 증가시키는 IC, PSA, PSP 시험에서는 평면변형 방향의 % 역시 일관되게 증가하는 것으로 나타났다> 0). 반면 연직 또는 횡방향의 응력을 감소시키는 IE, RPSA, RPSP 시험에서는 % 역시 일관되게 감소하는 것으로 나타났다(△%, < 0). 그러나 전자는 물론 후자의 시험 조건에서도 가정된 파괴상태(c=0, 。' < 90。) 도달할 때까지는 시료와 측면 판 간의 접촉압 즉 叫는 항상 양의 값을 유지하여 평면변형률 조건이이 계속해서 만족되는 것으로 나타났다.

제시된 결과에 따르면, 응력 경로가 & 선 위쪽에 존재하는 PSA, RPSA, IE 시험에서는 시험 과정 전체에 걸쳐 印, 이에 에 비해 큰 값을 유지하는 것으로 나타났다. 반면 응력 경로가 & 선 아래쪽에 존재하는 PSP, RPSP, 1C 시험에서는 %이 叫에 비해 항상 작은 값을 유지하는 것으로 나타났다. 이와 같은 %과 간의 크기 관계는 평면변형률 조건이 유지된다는 점이 확인된 각 시험 조건에 대하여 파악된 관계이다.

본 연구에서는 4.2절과 유사한 적용성 검토과정을 그림 6에 제시된 6가지 응력 경로 모두에 대해 적용하였으며, 그 결과 개발 시험 장비를 활용하는 경우 검토대상 이 된 모든 응력 경로에 대해 평면변형률 조건이 예외 없이이 유지됨을 확인할 수 있었다. 표 1 에는 이와 같은 검토과정에서 고려된 시험 조건들을 다시 한 번 요약하였으며, 표 2에는 각 시험 조건에서 파악된 평면변형 방향 유효응력의 크기와 그 변화양상을 요약하여 제시하였다.

본 연구에서는 평면변형률조건하에서 발생 가능한 다양한 응력 조건을 보다 자유롭게 구현할 수 있는 간편한 형태의 평면변형률 시험 장비를 새롭게 고안하였다. 이상화된 등방탄성체 시료에 대한 이론적인 검토와 실제 점성토시료에 대한 실험적인 검증의 결과, 개발 시험장비는 검토대상이 된 대표적인 시험조건(IC, PSA, RPSA, IE, RPSP, PSP 시험조건) 모두에 대해 평면변형률 조건을 완벽하게 유지하는 것으로 확인되었다. 반면 기존 시험장비의 경우, 응력 경로가 선 아래쪽에 위치하는 IC, PSP, RPSP 시험 조건에서는 수압으로 가해지는 상대적으로 큰 횡 방향 구속압이 수밀조 건이 아닌 시료와 측면 판 사이로 침투하여 평면변형률 조건이 유지되지 않을 가능성이 있는 것으로 확인되었다.

이와 같은 결과를 종합해 볼 때, 개발된 시험 장비는 기존의 평면변형률 시험 장비에 비해 훨씬 광범위한 적용성을 가지고 있음이 분명하다. 또한 추가적인 횡방향 재하장치가 필수적인 기존의 이축 시험 장비들에 비해서는 일반적인 삼축시험용 재하장치만으로도 다양한 응력 조건에에 대한 평면변형률 시험이 가능하다는 추가적인 장점을 지니고 있다.

즉 연직 또는 횡 방향의 응력을 증가시키는 IC, PSA, PSP 시험에서는 % 역시 일관되게 증가하여 계속해서 양의 값을 유지하는 것으로 나타났으며, 연직 또는 횡방향의 응력을 감소시키는 正, RPSA, RPSP 시험에서는 % 역시 일관되게 감소하지만 이 경우에도 파괴상태에 도달할 때까지는 그 크기가 항상 양의 값을 유지하는 것으로 나타났다. 이와 같은 시험 결과는 이론적인 검토 결과와 마찬가지로 개발 시험 장비의 경우 검토대상 응력 경로 모두에 대해 시료와 측면 판 간의 접촉이 계속해서 유지됨을 즉 평면변형률 조건이 완벽하게 유지됨을 명확히 보여 준다.

다음의 그림 7〜 12는 각각의 평면변형률 시험에서 측정된 응력-변형률 거동과 각 방향 유효응력의 변화양상을 나타내고 있다. 제시된 결과에 따르면, 실제 시험과 정에서 측정된 평면변형 방향 유효응력의 변화는 이론적인 검토를 통해 파악된 바와 그 경향이 완벽하게 일치하는 것으로 나타났다. 즉 연직 또는 횡 방향의 응력을 증가시키는 IC, PSA, PSP 시험에서는 % 역시 일관되게 증가하여 계속해서 양의 값을 유지하는 것으로 나타났으며, 연직 또는 횡방향의 응력을 감소시키는 正, RPSA, RPSP 시험에서는 % 역시 일관되게 감소하지만 이 경우에도 파괴상태에 도달할 때까지는 그 크기가 항상 양의 값을 유지하는 것으로 나타났다.

표 2의 마지막 열에는 각 시험 조건에서 파악된 평면 변형 방향 유효응력 %과 횡방향 유효응력 气간의 크기 관계를 제시하였다. 제시된 결과에 따르면, 응력 경로가 & 선 위쪽에 존재하는 PSA, RPSA, IE 시험에서는 시험 과정 전체에 걸쳐 印, 이에 에 비해 큰 값을 유지하는 것으로 나타났다. 반면 응력 경로가 & 선 아래쪽에 존재하는 PSP, RPSP, 1C 시험에서는 %이 叫에 비해 항상 작은 값을 유지하는 것으로 나타났다.

이러한 아, 과 气간의 크기 관계 또한 이론적인 검토를 통해 파악된 경향과 매우 잘 일치 하는 것이며, 이는 횡방향 유효응력이 평면변형 방향 유효응력에 비해 커지는 후자의 3가지 시험 조건(PSP, RPSP, IC)에 대해서는 기존 시험 장비를 활용한 평면 변형률 시험이 불가능함을 명확히 보여 주는 실험적인 증거라 할 수 있다. 즉 본 연구에서 개발된 시험장비가 기존 시험 장비에 비해 훨씬 광범위한 적용성을 가지고 있음을 명확히 보여 주는 실험적 증거라 할 수 있다.

제시된 결과에 따르면, 실제 시험과 정에서 측정된 평면변형 방향 유효응력의 변화는 이론적인 검토를 통해 파악된 바와 그 경향이 완벽하게 일치하는 것으로 나타났다. 즉 연직 또는 횡 방향의 응력을 증가시키는 IC, PSA, PSP 시험에서는 % 역시 일관되게 증가하여 계속해서 양의 값을 유지하는 것으로 나타났으며, 연직 또는 횡방향의 응력을 감소시키는 正, RPSA, RPSP 시험에서는 % 역시 일관되게 감소하지만 이 경우에도 파괴상태에 도달할 때까지는 그 크기가 항상 양의 값을 유지하는 것으로 나타났다. 이와 같은 시험 결과는 이론적인 검토 결과와 마찬가지로 개발 시험 장비의 경우 검토대상 응력 경로 모두에 대해 시료와 측면 판 간의 접촉이 계속해서 유지됨을 즉 평면변형률 조건이 완벽하게 유지됨을 명확히 보여 준다.

표 2에 제시된 바와 같이, 개발 시험 장비를 활용하는 경우 연직 또는 횡방향의 응력을 증가시키는 IC, PSA, PSP 시험에서는 평면변형 방향의 % 역시 일관되게 증가하는 것으로 나타났다> 0). 반면 연직 또는 횡방향의 응력을 감소시키는 IE, RPSA, RPSP 시험에서는 % 역시 일관되게 감소하는 것으로 나타났다(△%, < 0).

후속연구

또한 추가적인 횡방향 재하장치가 필수적인 기존의 이축 시험 장비들에 비해서는 일반적인 삼축시험용 재하장치만으로도 다양한 응력 조건에에 대한 평면변형률 시험이 가능하다는 추가적인 장점을 지니고 있다. 따라서 본 연구를 통해 개발된 평면변형률 시험 장비는 향후 관련 분야에서 그 활용도가 매우 높을 것으로 기대된다.

내보내기 구분	파일저장 인쇄 메일전송
구성항목	기본정보 상세정보 관리번호, 논문명, 저널/프로시딩명, 저자 , 발행년, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, 발행기관 관리번호, 논문명, 대등논문명, 저자 , 저널/프로시딩명, 발행기관, 발행년, 발행언어, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, ISBN, ISSN, 주제분야, 키워드, 초록(한글), 초록(영문), 저자(소속기관)
저장형식	Text(ASCII format) Excel format RefWorks Direct Export RIS format (for Reference Manager, ProCite, EndNote), Scholar's Aids, Mendeley
메일정보	받는사람 (필수) @ 보내는사람 (선택) @ 제목 내용 KISTI 검색결과 이메일 서비스
안내	총 건의 자료가 검색되었습니다. 다운받으실 자료의 인덱스를 입력하세요. (1-10,000) 검색결과의 순서대로 최대 10,000건 까지 다운로드가 가능합니다. 데이타가 많을 경우 속도가 느려질 수 있습니다.(최대 2~3분 소요) 다운로드 파일은 UTF-8 형태로 저장됩니다. 파일의 내용이 제대로 보이지 않을실 때는 웹브라우저 상단의 보기 -> 인코딩 -> 자동선택 여부를 확인하십시오. ~ Text(ASCII format) Excel format

연합인증

새로운 평면변형률 시험장비의 개발과 적용성 검증
A Newly-developed Plane Strain Testing Device and Its Applicability 원문보기

초록
AI-Helper

Abstract ▼ AI-Helper

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

문제 정의

가설 설정

제안 방법

대상 데이터

성능/효과

후속연구

참고문헌 (9)

이 논문을 인용한 문헌

저자의 다른 논문 :

관련 콘텐츠

원문 보기

원문 URL 링크

이 논문과 함께 이용한 콘텐츠

AI-Helper ※ AI-Helper는 오픈소스 모델을 사용합니다.

선택된 텍스트

연합인증

새로운 평면변형률 시험장비의 개발과 적용성 검증 A Newly-developed Plane Strain Testing Device and Its Applicability 원문보기

초록 AI-Helper

Abstract ▼ AI-Helper

주제어

AI 본문요약 엑셀 다운로드 AI-Helper

문제 정의

가설 설정

제안 방법

대상 데이터

성능/효과

후속연구

참고문헌 (9)

이 논문을 인용한 문헌

저자의 다른 논문 :

정충기 (82)

관련 콘텐츠

원문 보기

원문 URL 링크

이 논문과 함께 이용한 콘텐츠

AI-Helper ※ AI-Helper는 오픈소스 모델을 사용합니다.

선택된 텍스트

새로운 평면변형률 시험장비의 개발과 적용성 검증
A Newly-developed Plane Strain Testing Device and Its Applicability 원문보기

초록
AI-Helper

AI 본문요약
AI-Helper