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문제 정의
- 본 연구에서는 발파에 의한 암반손상과정 및 손상평가에 관한 기초적인 정보를 얻고자 충격하중을 받은 인공취성재료에 대한 동적손상 메커니즘 분석과 손상평가를 수행하였다. 이를 위하여 정밀 제작된 SHPB 시스템을 이용하여 모의 암석시료에 단계별 동적 충격 하중 가하였으며, 이를 통하여 암반에 대한 단계적 손상을 모사하였으며, 이때 시료 내에 동적응력상태와 일정 변형률 속도를 유지시키기 위하여 충격파형 제어기법 (Nemat-Nasser et al.
- 본 연구에서는 인공 취성재료의 동적파괴 특성 및 동적 손상메커니즘을 분석하기 위하여 정밀 가공된 모의연임시료 및 경암시료를 제작하여 SHPB 시스템으로 각 시료에 단계별 충격하중을 가하여 동적손상시료를 제작하였다. 파괴이전 시료 내 응력평형 및 일정 변형율속도를 유지하기 위하여 펄스형상제어기법을 적용하였으며, 충격속도가 증가함에 따라 입사파의 증가 시간은 감소하고 최대응력값은 증가하였다.
제안 방법
- 강도가 다른 모의 암석시료를 제작하기 위하여 시판되는 바닥용 시멘트 모르타르와 그라우트용 시멘트를 사용하여 두 강도를 가진 블록을 제작하였다. 이 블록으로부터 직경 31 mm의 코어시료를 얻었으며, 코어시료는 직경과의 길이의 비가 1이 되도록 30 mm의 길이로 절단하였다.
- , 2000). 또한 실제 현장에서 회수한 암석 코어를 이용하여 실내 탄성파 시험으로 발파에 의한 터널 주변 암반의 손상 영역 평가에 관한 연구를 하였으며, 실제 손상영역에 대하여 탄성파 속도 측정법을 이용하여 발파 손상영역을 평가하였다(장 수호 외, 2000; 최병희 외, 2008).
- 모의 암석시료의 단계별 동적손상을 제작하기 위하여, SHPB실험장비를 이용하여 점차적으로 충격하중을 증가시켰다. 실험 시료가 충격하중에 의하여 파괴편이 분산되는 것을 막기 위하여 시료표면에 유연성 테이프를 입혔다.
- 실험 시료가 충격하중에 의하여 파괴편이 분산되는 것을 막기 위하여 시료표면에 유연성 테이프를 입혔다. 사전실험으로부터 가스압이 0.1-0.14 MPa 에서 시료가 완전 파괴되는 것을 확인하였으며, 본 실험에서는 모의 연암시료는 0.05-0.14 MPa, 모의 경암시료는 0.04 〜0.14 MPa의 가스압을 주입하여 충격하중을 가하였다. 그림 5은 실험에서 적용한 가스압과 충격 바의 추진속도 (또는 발사속도)의 관계를 보여주고 있다.
- 2007)을 적용하였다. 시료의 동적파괴특성과 동적손상도를 평가를 위하여 충격실험 이전과 이후의 탄성파 속도 측정을 수행하였으며, 이를 통하여 시료의 손상을 평가하였다.
- 실험 시료가 충격하중에 의하여 파괴편이 분산되는 것을 막기 위하여 시료표면에 유연성 테이프를 입혔다. 사전실험으로부터 가스압이 0.
- 암석의 동적 충격 하중에 따른 실험시료의 손상 정도를 파악하기 위해서 SHPB 시스템을 이용하여 실험 시료에 충격하중을 가하였다. SHPB 시스템은 충격파를 전달해주는 충격바와 파형의 형상을 제어해주는 Pulse shaper, 입사바, 전달바로 구성되어있다.
- 충격바의 길이는 50 mm, 100 mm, 150 mm, 200 mm의 다양한 길이를 적용하여 충격파형의 파장을 제어한다. 입사바의 길이는 2600 mm, 전달바의 길이는 1600 mm으로 하여 변형률 측정시에 충격파가 겹치지 않도록 하였다. 충격바, 입사바 및 전달바의 직경은 37 mm로서, 열처리한 고강도 Maraging 합금을 사용하고 있다.
- 여기서 보여주는 선형적인 관계는 본 실험에서 적용한 SHPB장비의 정밀도 및 높은 재현성을 보여주고 있다. 특히 충격속도는 그림 1에서 보여주는 두 개의 레이저 포인트와 고속 포토다이오드를 이용하여 두 포토다이오드의 간격과 반응 시간으로 측정하였다. 표 2 는 동적손상실험의 조건과 입사 충격응력을 나타내고 있다.
대상 데이터
- 시료는 압축강도의 차이로서 A와 B시료로 구분하였으며, 시료는 각각 20 MPa고]" 80 MPa로서 60 MPa의 강도 차이를 보이고 있다. 각 시료의 평균 물성 값을 표 1에 나타내고 있다.
- 여기서 입사파는 충격 바와 입사바가 충돌하면서 발생된 응력파로 전달 바를 향하여 전파하며, 입사파의 파형은 충격바의 속도, 충격바와 입사바의 재질과 형상, 충격바와 입력바의 사이에 놓여진 Pulse shaper의 두께 및 직경에 따라서 결정된다. 본 실험에서 사용된 Pulse shaper의 두께 및 직경은 각각 0.75 mm, 5 mm이다. 입력바에 부착된 변형률 게이지 1로부터 입사파와 반사파가 측정되고, 전달 바에 부착된 변형률 게이지2로부터 전달파가 측정되게 된다.
이론/모형
- 동적손상시료에 대한 손상도ω의 평가는 일반적으로 손상역학에서 사용되는 손상도 평가식을 사용하였다(Kim et al, 1998).
- 수행하였다. 이를 위하여 정밀 제작된 SHPB 시스템을 이용하여 모의 암석시료에 단계별 동적 충격 하중 가하였으며, 이를 통하여 암반에 대한 단계적 손상을 모사하였으며, 이때 시료 내에 동적응력상태와 일정 변형률 속도를 유지시키기 위하여 충격파형 제어기법 (Nemat-Nasser et al., 1991; Cho et al. 2007)을 적용하였다. 시료의 동적파괴특성과 동적손상도를 평가를 위하여 충격실험 이전과 이후의 탄성파 속도 측정을 수행하였으며, 이를 통하여 시료의 손상을 평가하였다.
- 파괴이전 시료 내 응력평형 및 일정 변형율속도를 유지하기 위하여 펄스형상제어기법을 적용하였으며, 충격속도가 증가함에 따라 입사파의 증가 시간은 감소하고 최대응력값은 증가하였다. 본 연구로부터 얻은 결과를 정리하면 다음과 깉다.
성능/효과
- 1) 응력평형상태를 만족시킨 응력-변형률 곡선에서 모의 연암시료는 가압초기에 탄성거동을 보이다가 점차 소성변형이 발생하였으며, 평균 파괴강도는 125 MPa으로서 정적강도의 약 6배를 나타내었다. 모의경암시료는 재하 초기에 탄성거동을 보이다가 파괴 직전에 약간의 소성변형을 보였으며, 평균 파괴강도는 280 MPa으로서 정적강도의 3.
- 2) 탄성파 속도 감쇠비와 겉보기 변형률 관계에서 모의연암시료와 경암시료의 탄성파 속도 감쇠비는 비슷한 수준으로 증가하였으나 연암시료의 겉보기 변형률은 3배 이상 크게 발생하였디-. 원인으로 탄성파 속도 측정방향이 시료 내 발생된 균열의 생성방향과 일치하여 균열의 발생량이 탄성파의 속도의 감쇠정도에 비례하지 않아 발생된 현상이다.
- 3) 손상시료의 표면관찰로부터, 균열은 충격하중방향과 평행하게 발생히는 것을 확인하였으며 충격속도가 증가함에 따라 균열의 길이는 짧아지고 균열의 발생 수는 증가하는 경향을 보여 주었다.
- (b)에서는 모의 경암시료(B1)시료의 실험으로부터 얻어진 계측파형을 보여주고 있다. 모의 경임시료의 실험으로 측정된 입사파의 증가시간은 충격속도가 빨라짐에 따라서 119 us에서 79.6 3로 감소하였다. 실험으로부터 얻어진 입사파, 반사파, 전달파를 식 (1), (2), (3)에 의하여 시료의 동적응력-변형률 곡선을 작성하였으며, 그림 7에 나타내었다.
- 그림 8은 표 4에서 보여주는 겉보기변형률과 실험시료에 대한 속도감쇠비의 관계를 보여주고 있다. 모의 연암시료는 낮은 충격하중을 받은 경우 S파속도의 감쇠비는 P파속도보다 큰 값을 보였으나, 모의 경암시료는 P파속도와 S파속도의 감쇠비는 변형률이 증가함에 따라 비슷한 구배를 보이며 증가하였다. 특히 모의 연암시료와 경암시료의 속도 감쇠비는 비슷한 수준으로 증가하였으나, 겉보기 변형률은 최대 3배 이상의 차이를 보였다.
- 5배를 보여 주었다. 모의 연암시료와 경암시료 모두 탄성계수의 하중 속도 의존성을 보이지 않았으나, 겉보기 변형률은 하중 속도가 증가함에 따라 증가되었다.
- 그림 5은 실험에서 적용한 가스압과 충격 바의 추진속도 (또는 발사속도)의 관계를 보여주고 있다. 여기서 보여주는 선형적인 관계는 본 실험에서 적용한 SHPB장비의 정밀도 및 높은 재현성을 보여주고 있다. 특히 충격속도는 그림 1에서 보여주는 두 개의 레이저 포인트와 고속 포토다이오드를 이용하여 두 포토다이오드의 간격과 반응 시간으로 측정하였다.
- 모의 연암시료는 낮은 충격하중을 받은 경우 S파속도의 감쇠비는 P파속도보다 큰 값을 보였으나, 모의 경암시료는 P파속도와 S파속도의 감쇠비는 변형률이 증가함에 따라 비슷한 구배를 보이며 증가하였다. 특히 모의 연암시료와 경암시료의 속도 감쇠비는 비슷한 수준으로 증가하였으나, 겉보기 변형률은 최대 3배 이상의 차이를 보였다. 이 결과는 탄성파속도 감쇠비와 손상 정도는 비선형적인 관계를 가지고 있음을 암시하고 있다.
후속연구
- 다시 말하면, 충격하중의 증가에 따른 탄성파 속도 감쇠비의 영향이 과소평가된 것으로 판단된다. 본 연구는 탄성파 속도의 측정에 의한 손상도 평가에서 균열의 발생방향이 중요한 역할을 하고 있음을 보여주고 있으며, 시료 내 균열의 정밀한 평가가 요구된다. 본 연구에 대한 후속 결과로서, 3차원단층촬영기법을 이용하여 실험시료 내 균열을 3차원으로 평가한 결과와 새로운 손상도 평가에 관한 내용을 발표할 계획이다.
- 본 연구는 탄성파 속도의 측정에 의한 손상도 평가에서 균열의 발생방향이 중요한 역할을 하고 있음을 보여주고 있으며, 시료 내 균열의 정밀한 평가가 요구된다. 본 연구에 대한 후속 결과로서, 3차원단층촬영기법을 이용하여 실험시료 내 균열을 3차원으로 평가한 결과와 새로운 손상도 평가에 관한 내용을 발표할 계획이다. 본 연구에서는 강도의 변화와 균열의 관찰이 비교적 용이한 시멘트모르타르를 이용하여 인공 암질재료를 제작하고 동적손상실험을 수행하였으나, 자연 재료인 암석에 대한 동적손상실험과 동적강도의 변형률속도 의존성에 관한 연구가 필요하다.
- 본 연구에 대한 후속 결과로서, 3차원단층촬영기법을 이용하여 실험시료 내 균열을 3차원으로 평가한 결과와 새로운 손상도 평가에 관한 내용을 발표할 계획이다. 본 연구에서는 강도의 변화와 균열의 관찰이 비교적 용이한 시멘트모르타르를 이용하여 인공 암질재료를 제작하고 동적손상실험을 수행하였으나, 자연 재료인 암석에 대한 동적손상실험과 동적강도의 변형률속도 의존성에 관한 연구가 필요하다.
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