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문제 정의
- 그러나 실질적으로 이러한 많은 경우의 실험조건을 원심모형시험 자체만으로 구현하기에는 무리가 따른다. 따라서, 본 연구에서는 Model 1과 Model 2 원심모형시험을 수치 모사하여 수치해석결과를 시험결과와 비교함으로써 수치 모형의 적정성을 우선 확인하고 확인된 수치모형에 대해 지지죤 강성을 변화시킨 수치해석을 수행하여 지지죤 강성이 콘크리트차수벽 변위 거동에 미치는 영향을 살펴보고자 하였다.
- 본 실험에서 콘크리트차수벽의 두께에 따른 즉, 차수벽의 휨강성 변화에 따른 차수벽 거동을 비교하기 위하여 휨강성을 달리한 2개의 모형에 대한 원심모형실험을 수행하였다. Model 1은 원형댐을 상사모형화하였을 때의 휨강성(원형 콘크리트차수벽의 두께 15cm)을 갖도록, Model 2는 Model 1에 비해 휨강성이 0.
- 본 연구에서는 운영 중인 댐의 1/2 축소 원형에 대해 원심모형시험을 수행하였고, 원심모형시험을 수치 모사한 수치 해석을 수행하여 그 결과를 비교함으로써 수치모형의 적정성을 확인하고 원심모형시험결과와 수치해석 결과로부터 CFRD의 지지죤 강성이 콘크리트차수벽의 거동에 미치는 영향을 살펴보았다. 연구결과로부터 다음과 같은 결론을 얻을 수 있었다.
- 본 연구의 목적은 원심모형실험으로 담수에 따른 CFRD 차수벽의 거동을 모사하는 방법 및 절차를 제시하고, 실험결과로부터 콘크리트차수벽의 휨강성이 차수벽의 변위에 미치는 영향을 살펴보고, 원심모형실험으로 검증된 수치해석을 통하여 차수벽지지죤 강성이 차수벽콘크리트의 변위와 모멘트에 미치는 영향을 평가하는 것이다. 이를 위하여 실제 운영 중인 D댐의 1/2 축소 원형에 대해 차수벽의 강성을 2가지로 변화시킨 원심모형실험을 수행하였고, 모형체의 축조재료에 대한 삼축압축실험을 수행하고 그 결과를 입력치로 한 수치해석을 통해 원심모형실험을 모사하였다.
제안 방법
- 2.5절의 시험결과로부터 담수에 따른 차수벽 변위는 차수벽 두께의 영향은 작은 것으로 나타나, 다음으로 차수벽을 지지하는 지지죤 축조재료 강성을 주 영향인자로 우선 추정하였다. 지지죤 강성 영향을 찾기 위해서는 지지죤의 강성을 여러 경우로 변화시킨 보다 많은 원심모형실험이 수행되어야 한다.
- 3.1절의 결과로부터 수치모형의 적정성은 확인된 것으로 판단되어, 모형시험시 지지죤 원강성(표 3 참조)을 0.5배, 1.5배, 2.0배, 3.0배로 변화시킨 수치해석을 수행하여 지지죤 강성에 따른 콘크리트차수벽 변위의 변화를 살펴보았다.
- CFRD 모사시험 시 차수벽에 접촉하여 직접 물을 공급하는 것은 용기 벽면과 유리섬유판 사이 및 2장의 유리섬유판사이로 누수 발생 가능성이 있기 때문에, 본 시험에서는 고무 멤브레인으로 제작된 워터백(water bag) 내부에 물을 채워 누수를 방지하고 수위상승에 따른 정수압이 모형 슬래브에 하중으로만 가해지도록 하였다(그림 8 참조).
- 길이상사비(N) 70을 적용하여 CFRD 모형의 높이는 370mm로 결정되었으며, 따라서 가해진 원심가속도는 70g였다. 댐 모형에서 상류 측 구배는 실제 댐과 동일하게 1:1.4, 하류 측 구배는 1:1.8로 설계하였으며, 모형시험 시 상승되는 최대 수위는 계획홍수위인 350mm(원형: 24.5m)로 설정하였다. 원심모형시험기가 회전하면서 이루어지는 수위상승은 5단계, 즉 90mm(step 1, 원형 4.
- 동일한 단면에 대해 차수벽의 두께를 달리한 2가지의 모형실험을 수행하였다. 이 때 댐을 소요밀도까지 다질 수 있게 하고 두 모델의 축조재료 다짐도를 일정하도록 하기 위하여 4층의 다짐용 프레임(frame)을 제작하였다(그림 7(a)).
- 3종류의 축조재료와 축조재료의 입도분포는 각각 그림 4와 그림 5와 같다. 락필재료의 최대 입자크기는 시험용기의 폭 40cm의 약 1/7(통상적으로 1/6~1/10)인 60mm로 결정하여, 원입도분포의 최대 입자크기 600mm, 300mm를 모두 동일하게 60mm로 축소시켰다. 그리고, 5mm 이하 비율은 재료의 투수특성이 변하지 않도록 원재료와 동일하도록 유지시켰다(Hou 등, 2004).
- 이를 위하여 실제 운영 중인 D댐의 1/2 축소 원형에 대해 차수벽의 강성을 2가지로 변화시킨 원심모형실험을 수행하였고, 모형체의 축조재료에 대한 삼축압축실험을 수행하고 그 결과를 입력치로 한 수치해석을 통해 원심모형실험을 모사하였다. 모사된 수치해석 결과를 실험결과와 비교하여 수치모형의 적정성을 확인하고 확인된 수치모형에 대해 지지죤 강성을 변화시킨 수치해석을 수행하여 지지죤 강성변화에 따른 콘크리트차수벽의 연직변위 및 모멘트 발생 양상을 분석하였다.
- 5m)로 설정하였다. 원심모형시험기가 회전하면서 이루어지는 수위상승은 5단계, 즉 90mm(step 1, 원형 4.5m), 155mm(step 2, 원형 9.5m), 220mm(step 3, 원형 14.5m), 285mm(step 4, 원형 19.3m), 350mm(step 5, 원형 23.7m)로 나누어 이루어졌다. 이러한 과정에 따라 시험을 수행하여 수위변화에 따른 콘크리트차수벽의 거동 양상을 관찰하였다.
- 이 때 댐을 소요밀도까지 다질 수 있게 하고 두 모델의 축조재료 다짐도를 일정하도록 하기 위하여 4층의 다짐용 프레임(frame)을 제작하였다(그림 7
- 7m)로 나누어 이루어졌다. 이러한 과정에 따라 시험을 수행하여 수위변화에 따른 콘크리트차수벽의 거동 양상을 관찰하였다.
- 본 연구의 목적은 원심모형실험으로 담수에 따른 CFRD 차수벽의 거동을 모사하는 방법 및 절차를 제시하고, 실험결과로부터 콘크리트차수벽의 휨강성이 차수벽의 변위에 미치는 영향을 살펴보고, 원심모형실험으로 검증된 수치해석을 통하여 차수벽지지죤 강성이 차수벽콘크리트의 변위와 모멘트에 미치는 영향을 평가하는 것이다. 이를 위하여 실제 운영 중인 D댐의 1/2 축소 원형에 대해 차수벽의 강성을 2가지로 변화시킨 원심모형실험을 수행하였고, 모형체의 축조재료에 대한 삼축압축실험을 수행하고 그 결과를 입력치로 한 수치해석을 통해 원심모형실험을 모사하였다. 모사된 수치해석 결과를 실험결과와 비교하여 수치모형의 적정성을 확인하고 확인된 수치모형에 대해 지지죤 강성을 변화시킨 수치해석을 수행하여 지지죤 강성변화에 따른 콘크리트차수벽의 연직변위 및 모멘트 발생 양상을 분석하였다.
- 따라서 모형댐의 안정화를 위하여 본 시험에 앞서 10분 동안 70g 상태로 가속시킨 후, 압밀을 위해 약 4분 동안 70g 상태를 지속시켰다. 이후 각 모형시험에서 수위는 5단계로 나누어 증가시켰으며, 각 단계별로 5분 동안 유지시켰다. 각 단계별로 물은 평균 4.
- 차수벽은 빔요소로 모델링하였으며 저수위 변화에 따른 차수벽의 거동은 수위에 따라 정수압을 빔요소에 하중으로 작용시키는 것으로 구현하였다.
- 해석모델은 해석 및 축조재료 물성 취득의 용이성 등을 고려하여 Mohr-coulomb 모델을 사용하였다. 축조재료 입력 물성은 원심모형시험 시 사용된 축조재료에 대해 수행된 삼축압축시험결과를 해석에 이용하였다. 특히, 축조재료 중 Main rockfill과 Sub-rockfill 재료의 경우에는 시료의 최대 입경을 고려하여 지름 300mm, 높이 700mm의 공시체를 시험할 수 있는 대형 삼축압축시험기(중국 수리수전과학원 보유)를 이용하여 물성값을 획득하였다.
대상 데이터
- 본 시험에 사용된 시험용기(model container)의 크기(L×W×H)는 1335×740×685mm이었다.
- 1mm이다. 본 시험에서는 2개의 유리섬유판을 이용하여 슬래브 거동을 모사하였는데, 각각의 폭은 200mm였고, 이 폭은 원형에서 14m에 해당된다.
- 본 연구에서 콘크리트차수벽의 거동을 관찰하기 위하여 상류사면에 2개의 LVDT와 1개의 레이저센서를 설치하였다. 또한, 시험 중 수위변화를 관찰할 수 있도록 상류 측에 카메라를 설치하였다.
- 시험에 이용된 원심모형시험기는 중국 수리수전과학원(IWHR, Institute of Water resources and Hydropower research)이 보유하고 있는 팔길이 약 5m의 원심모형시험기이다. 시험기 전경 및 사양은 그림 2와 같다.
- 시험기 전경 및 사양은 그림 2와 같다. 원심모형실험은 국내에서 현재 운영 중인 D댐(CFRD)을 대상으로 이루어졌으며, 실제 댐 높이 52m의 1/2인 26m를 원형 댐 높이로 하여 모형단면을 설계하였다.
- 콘크리트차수벽(face slab)은 유리섬유(fiberglass)판으로 모사하였다. 콘크리트차수 벽을 모사하기 위해 사용된 유리섬유판은 여러 장의 에폭시 유리섬유로 구성되어 있으며, 각 장의 두께는 약 0.1mm이다. 본 시험에서는 2개의 유리섬유판을 이용하여 슬래브 거동을 모사하였는데, 각각의 폭은 200mm였고, 이 폭은 원형에서 14m에 해당된다.
- 본 시험에 사용된 시험용기(model container)의 크기(L×W×H)는 1335×740×685mm이었다. 콘크리트차수벽(face slab)은 유리섬유(fiberglass)판으로 모사하였다. 콘크리트차수 벽을 모사하기 위해 사용된 유리섬유판은 여러 장의 에폭시 유리섬유로 구성되어 있으며, 각 장의 두께는 약 0.
- 축조재료 입력 물성은 원심모형시험 시 사용된 축조재료에 대해 수행된 삼축압축시험결과를 해석에 이용하였다. 특히, 축조재료 중 Main rockfill과 Sub-rockfill 재료의 경우에는 시료의 최대 입경을 고려하여 지름 300mm, 높이 700mm의 공시체를 시험할 수 있는 대형 삼축압축시험기(중국 수리수전과학원 보유)를 이용하여 물성값을 획득하였다. 삼축압축시험 결과, 수치해석 입력물성으로 사용한 축조재료 물성값을 표 3에 나타내었다.
이론/모형
- 해석모델은 해석 및 축조재료 물성 취득의 용이성 등을 고려하여 Mohr-coulomb 모델을 사용하였다. 축조재료 입력 물성은 원심모형시험 시 사용된 축조재료에 대해 수행된 삼축압축시험결과를 해석에 이용하였다.
성능/효과
- 1. 담수에 따른 CFRD 콘크리트 차수벽의 거동을 모사할 수 있는 원심모형실험의 방법 및 절차를 제시하였으며, 모형체 재료에 대한 역학시험 결과를 입력치로 한 수치해석은 이러한 모형실험 결과를 잘 모사할 수 있음을 확인하였다.
- 2. 차수벽 두께를 2가지로 달리한 원심모형실험 결과로부터 CFRD 차수벽 변위는 차수 목적의 콘크리트 두께 범위 내에서는 두께의 영향이 거의 없는 것으로 판단되었다.
- 3. 원심모형실험과 수치해석 결과로부터 담수 시 CFRD 차수벽의 변위 및 최대변위 발생위치는 콘크리트차수벽 휨 강성에는 영향이 거의 없고, 차수벽 지지죤의 강성이 큰 영향을 주는 것으로 나타났다. 지지죤 강성이 증가할수록 발생변위는 지수함수적으로 감소하며 발생위치는 슬래브 상부로 이동하는 경향을 보였다.
- 4. 담수로 인한 차수벽 최대모멘트는 차수벽의 휨강성 영향이 큰 것으로 나타났다. 그러나 차수벽의 안정성에 직결되는 모멘트로 인해 발생되는 차수벽의 최대 인장응력에는 그 영향도가 미미하고 지지죤의 강성에 크게 영향을 받는 것으로 나타났는데, 지지죤의 강성이 증가할수록 차수벽 최대인장응력은 지수함수적으로 감소하였다.
- 5. 지지죤의 강성은 재료선택이나 다짐시공 방법에 따라 차이는 보일 수 있으나 본 연구처럼 0.5배~3배로 변화시킨 것은 다소 비현실적이라 할 수 있다. 다만, 수치해석을 이용하여 차수벽콘크리트의 안정성을 정량적으로 파악하고자 할 때, 해석에 사용되는 지지죤 강성 입력값 편차로 인해 차수벽콘크리트의 안정성 평가가 크게 달라질 수 있음을 예시하는 결과라 할 수 있다.
- 담수로 인한 차수벽 최대모멘트는 차수벽의 휨강성 영향이 큰 것으로 나타났다. 그러나 차수벽의 안정성에 직결되는 모멘트로 인해 발생되는 차수벽의 최대 인장응력에는 그 영향도가 미미하고 지지죤의 강성에 크게 영향을 받는 것으로 나타났는데, 지지죤의 강성이 증가할수록 차수벽 최대인장응력은 지수함수적으로 감소하였다. 담수로 인해 차수벽에 발생되는 최대모멘트 발생위치는 토우로부터 차수벽 전체길이 1/6지점 이하로 추정되었다.
- 36H인 것으로 나타났다. 그리고 최고 수위시 최대변위 발생위치는 지지죤 강성값의 영향을 받아 지지죤 강성이 커질수록 최대변위 발생위치가 상부로 이동하여 댐 높이의 0.4H~0.5H 정도에 위치하는 것으로 나타났다. 지지죤의 강성은 재료선택이나 다짐시공 방법에 따라 차이는 보일 수 있으나 본 해석처럼 2배, 3배로 변화시킨다는 것은 비현실적이라 할 수 있다.
- 그림에서 알 수 있듯이 수치해석 결과가 Model 1, Model 2 실험결과와 경향이나 변위값에서 상당히 유사한 결과를 보임을 확인할 수 있다. 다만, 모형시험과 수치해석에서 얻어진 최대 변위 발생위치가 다소 상이하고 슬래브 중간부터 상부까지는 실험 결과와 수치해석 결과가 다소 괴리를 보였다. 이러한 이유는 실험시 water bag과 모형상자 벽면사이에 마찰을 감소시킬만한 윤활장치가 없어서 수위가 상승함에 따라 water bag과 댐 사면 사이의 밀착도가 떨어져 정수압 합력의 작용점이 사면 하부로 다소 치우쳐 발생된 결과로 판단된다.
- 그림에서 알 수 있듯이 최대모멘트의 발생위치는 토우로부터 차수벽 전체길이의 약 1/6지점인 것으로 나타났고 그 외 해석결과 역시 최대모멘트는 토우로부터 차수벽 전체길이의 약 1/6지점 이하에서 발생되었다. 발생 모멘트의 최대크기는 차수벽의 휨강성에 영향을 받는 것으로 나타났는데 차수벽의 휨강성이 클수록 발생 모멘트는 컸다. 이는 정수압에 의한 차수벽 변위는 상대적으로 강성이 작은 지지죤의 변위에 따라서 움직이게 되어, 결국 차수벽의 처짐은 같게 되고 단면이 큰 차수벽에 발생되는 모멘트는 더 크게 된다.
- 실험결과와 마찬가지로 수치해석 결과도 차수벽의 연직변위는 차수벽의 휨강성(구체적으로는 콘크리트차수벽 두께)이 달라지더라도 변위발생 양상 및 최고수위 시 발생 연직변위에는 거의 영향을 주지 않음을 확인할 수 있었다.
- 즉, 차수벽의 두께가 더 크면 발생되는 인장응력은 다소 큰 것으로 나타났다. 이상의 결과는 해석에 사용되는 지지죤 강성 입력값 편차로 인해 차수벽에 발생되는 인장응력이 4배 이상 다르게 평가되는 등 차수벽콘크리트의 안정성 평가가 크게 달라질 수 있음을 제시하는 결과라 할 수 있다.
- 그림에서 알 수 있듯이 모멘트로 인해 발생되는 차수벽의 최대인장응력은 지지죤의 강성에 크게 의존하고 차수벽 휨강성에 따라 다소 차이를 보이는 것으로 나타났다. 즉, 차수벽의 두께가 더 크면 발생되는 인장응력은 다소 큰 것으로 나타났다. 이상의 결과는 해석에 사용되는 지지죤 강성 입력값 편차로 인해 차수벽에 발생되는 인장응력이 4배 이상 다르게 평가되는 등 차수벽콘크리트의 안정성 평가가 크게 달라질 수 있음을 제시하는 결과라 할 수 있다.
- 두 그림에서 알 수 있듯이 차수벽 휨강성의 차이는 차수벽 변위에 거의 영향을 주지 않음을 알 수 있다. 즉, 콘크리트차수벽 변위는 차수를 목적으로 하는 일반적인 차수벽 두께 범위에서는 차수벽 두께의 영향이 작은 것으로 판단되었다. 다만, Model 2의 경우 최고수위시(5 step) LVDT 1(토우로부터 약 11m 거리)에서의 값이 비정상적으로 값이 작게 나타났다.
- 원심모형실험과 수치해석 결과로부터 담수 시 CFRD 차수벽의 변위 및 최대변위 발생위치는 콘크리트차수벽 휨 강성에는 영향이 거의 없고, 차수벽 지지죤의 강성이 큰 영향을 주는 것으로 나타났다. 지지죤 강성이 증가할수록 발생변위는 지수함수적으로 감소하며 발생위치는 슬래브 상부로 이동하는 경향을 보였다.
후속연구
- 6. 저수위가 높아지면 지지죤의 강성뿐만 아니라 전체 락필죤 강성이 차수벽 거동에 큰 영향을 줄 것으로 판단되므로 이에 대한 후속 연구가 필수적일 것으로 판단된다.
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