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문제 정의
- 본 논문에서는 말뚝의 비파괴 건전성 평가를 위하여 새로운 데이터 해석기법을 제안하였다. 제안된 방법은 시간-주파수 해석에 기반을 둔 범용적인 파의 위상.
제안 방법
- 말뚝 선단부에 자유단 경계조건을 가지는 말뚝의 경우 첫번째 파그룹과 두번째 파그룹을 신호처 리에 사용하는 것이 타당한가를 알아보기 위하여 그림 14에서 첫번째 파그룹과 두번째 파그룹을 신호처리에 사용하여 얻어진 결과와 두번째 파그룹과 세번째 파그룹을 사용하여 얻어진 결과를 비교하였다. 그림을 보면, 전체 주파수 대역에서 두 결과가 잘 일치함을 볼 수 있다.
- 이러한 고정단 경계조건은 선단지지말뚝과 같이 암반에 말뚝을 관입시킨 경우 만날 수 있는 경계조건이다. 말뚝의 상단 표면에 충격하중을 가하고, 동일한 말뚝 상단 표면에서 계즉된 시간에 따른 변위 신호에 대하여 제안된 방법을 적용하여 데이터 해석을 수행하였다.
- 이러한 자유단 경계조건은 주면마찰말뚝과 같이 지중에 말뚝이 위치하는 경우 만날 수 있는 경계조건이다. 말뚝의 상단 표면에 충격하중을 가하고, 동일한 말뚝 상단 표면에서 계측된 시간에 따른 변위 신호에 대하여제안된 방법을 적용하여 데이터 해석을 수행하였다. 그림 12는 말뚝 상단 표면에서 얻어진 시간영역 신호와 파워스펙트럼, 그리고 시간-주파수 크기 지도이다.
- 이러한 말뚝선단부 경계조건은 말뚝, 특히 선단지지 말뚝의 거동에 있어 매우 중요하다. 본 논문에서는 HWAW방법을 사용한 말뚝의 건전성 평가 방법을 제안하였으며, 제안된 방법을 검증하기 위하여 ABAQUS# 사용한 수치모의 실험과 모형 말뚝을 제작하여 공기 중과 토조 내 실험을 수행하였으며, 이를 통하여 제안된 방법의 타당성을 검증하였다.
- 그룹속도를 결정하기위한 방법으로 탄성파 비파괴 지반조사기법에 성공적으로 적용되었다 (박형춘 등, 2004). 본 연구에서는 기존 HWAW방법을 하나의 감지기를 사용한 말뚝의 비파괴 건전성 평가 및 말뚝 선단부의 경계조건의 결정에 적용하였다. 이를 위하여 기존 HWAW방법을 다음과 같이 수정하여 말뚝의 건전성 평가에 적용하였다.
- 실제 지중내에서의 제안된 방법을 검증하기 위하여 모래로 채워진 토조내에 모형말뚝을 위치시키고 실험을 수행하였다. 그림 15는 토조내 말뚝 표면에서 충격하중에 의해 발생한 시간영역 신호와 얻어진 시간영역신호로 부터 결정된 시간-주파수 크기 지도이다.
- 자유단 조건을 가지는 말뚝에 대한 제안된 방법의 검증을 위하여 모형말뚝을 사용한 실험을 수행하였다. 실험을 위하여 직경 0.
- 데이터 해석기법을 제안하였다. 제안된 방법은 시간-주파수 해석에 기반을 둔 범용적인 파의 위상.그룹속도 결정방법 인 HWAW방'법을 사용한다.
대상 데이터
- 실험을 위하여 직경 0.1m, 길이 Im의 콘크리트 말뚝을 제작하였다 말뚝제작을 위해 사용된 콘크리트는 3300m/sec의 P파속도를 가진다. 말뚝 선단부는 공기중에 위치시켰으며, 이러한 말뚝 선단부 경계조건은 자유단 경계조건이다.
이론/모형
- 고정단 조건을 가지는 말뚝에 대한 검증을 위하여 ABAQUS를 사용한 수치모의 실험을 수행하였다. 수치모의 실험을 위하여 죽대칭 모델을 사용하였으며 그림 8과 같은 직경 0.
- 제안된 방법은 시간-주파수 해석에 기반을 둔 범용적인 파의 위상.그룹속도 결정방법 인 HWAW방'법을 사용한다. HWAW방법은 이미 비파괴 탄성파 지반조사에 적용되어 좋은 성과를 보였다* 제안된 방법은 감지기에서 얻어진 신호의 에너지가 집중된 국부적인 정보만을 사용하기 때문에 배경잡음의 영향을 최소화 할 수 있으며 이러한 에너지가 집중된 국부적인 시간영역의 크기와 위상정보로부터 말뚝내를 전파하는 체적파의 분산곡선 혹은 말뚝의 길이나 말뚝내에 위치하는 cmck과 같은 결함까지의 깊이 및 선단지지말뚝에서 매우 중요한 말뚝 선단부 상태 (경계조건)을 결정할 수 있다.
- 본 논문에서는 이러한 기존의 말뚝 비파괴 건전성 평가방법들의 문제점을 보완하기 위하여 HWAW방법을 비파괴 말뚝 건전성 평가에 적용하였다. HWAW방법은 시간-주파수 해석을 사용하는 범용적 인 파의 위상.
- 이러한 시간-주파수 변환을 위한 여러 방법이 있으나, 방법에 따라 고려하는 변수들이 다르며 변환 결과에서 얻어지는 결과들도 다르다. 본 연구에서는 시간-주파수 변환방법으로 하모닉 웨이브릿 변환을 사용한다. 하모닉 웨이브릿 변환은 Newland(1999)에 의해 개발된 시간-주파수 변환 방법으로 Park and Kim(2001)에 의해 하모닉 웨이브릿에서 얻어지는 결과들의 물리적 의미가 증명되었다.
- 수치모의 실험을 위하여 죽대칭 모델을 사용하였으며 그림 8과 같은 직경 0.1m, 길이 Im의 말뚝과 3500m/sec 의 P파 속도를 가지는 재료물성을 사용하였다. 말뚝 선단부는 고정단 경계조건을 사용하였다.
- 본 연구에서는 기존 HWAW방법을 하나의 감지기를 사용한 말뚝의 비파괴 건전성 평가 및 말뚝 선단부의 경계조건의 결정에 적용하였다. 이를 위하여 기존 HWAW방법을 다음과 같이 수정하여 말뚝의 건전성 평가에 적용하였다.
성능/효과
- 2) 임의의 하모닉 웨이브릿 함수 WKm)의 중심주파수, f에 해당하는 그룹지체시간과 위상지체시간을 결정한다.
- 그-러나, 시간이 흐름 또는 파가 공간을 따라 전파됨에 따라 에너지 손실이 발생하며, 이런 에너지 손실로 인하여 감지기에서 측정되는 신호가 충분한 에너지를 가지는 많은 수의 파그룹을 포함하기가 어렵다. 따라서 실제 실험에 있어 충분한 에너지를 가지는 첫번째와 두번째 파그룹을 데이터 해석에 사용하는것이 가장 효율적이다. 첫번째 파그룹은 실제 말뚝자체의 정보는 포함하고 있지 않지만, 2번째 파그룹에 포함된 말뚝의 정보를 알아내는데 사용될 수 있다.
- 체적파의 분산곡선을 통하여 말뚝 자체의 건전성 평가를 수행할 수 있으며, 더나아가 말뚝 주변부 지반 상태의 평가까지 가능할 것으로 생각된다' 위상정보로부터 얻어진 말뚝 선단부 경계조건은 선단지지 말뚝의 선단부 시공 상태를 평가하는데 매우 중요하게 사용될 수 있다. 제안된 방법을 검증하기 위하여 ABAQUS를 사용한 수치 모의 실험과 실제모형 말뚝을 제작하여 공기중과 실제지반내에서의 거동을 모사하기 위해 토조내에서 실험을 수행하였다 이를통하여 제안된 방법이 말뚝을 구성하고 있는 재료의 물성치나 말뚝 길이의 평가와 같은 말뚝 자체의 건전성평가와 말뚝 선단부 상태(경계조건)의 결정에 아주 효과적으로 사용될 수 있음을 볼 수 있었으며, 이를 통하여 제안된 방법의 타당성을 검증할 수 있었다. 또한 추후 연구를 통해 다양한 지반 조건 및 다양한 상태의 현장 말뚝 적용을 통해 제안된 방법의 현장 적용성을 검증할 예정이다.
후속연구
- 제안된 방법을 검증하기 위하여 ABAQUS를 사용한 수치 모의 실험과 실제모형 말뚝을 제작하여 공기중과 실제지반내에서의 거동을 모사하기 위해 토조내에서 실험을 수행하였다 이를통하여 제안된 방법이 말뚝을 구성하고 있는 재료의 물성치나 말뚝 길이의 평가와 같은 말뚝 자체의 건전성평가와 말뚝 선단부 상태(경계조건)의 결정에 아주 효과적으로 사용될 수 있음을 볼 수 있었으며, 이를 통하여 제안된 방법의 타당성을 검증할 수 있었다. 또한 추후 연구를 통해 다양한 지반 조건 및 다양한 상태의 현장 말뚝 적용을 통해 제안된 방법의 현장 적용성을 검증할 예정이다.
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