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문제 정의
- 본 연구에서는 단계별 충격하중에 의한 취성재료의 동적손상 발생특성을 파악하고자 황등화강암과 보령사암을 대상으로 SHPB 시스템(조상호 외, 2008)을 이용하여 단계적 충격충격하중실험을 수행하였다.
제안 방법
- 6) 암석 내 동적손상도를 파악하기 위하여 X-ray CT화상을 이용한 균열 공극비평가법과 탄성파속도에 의한 손상도 평가법을 실험시료에 적용하여 유효성을 확인하였다.
- 각 시료당 사용된 슬라이스의 수는 230장으로, 균열 부분만을 추출하기 위하여 “Threshold” 알고리즘이 적용되어 균열 부분은 1의 값을 갖고 나머지 부분은 0의 값을 갖는 이진화상 (binary image)으로 변환시켰다.
- 단계별 동적손상에 따른 암석재료의 동적손상 발생 메커니즘을 파악하고자 황등화강암과 보령사암을 대상으로 SHPB 실험을 수행하였고, 고해상도 X-ray CT 스케너을 이용하여 동적손상 균열을 3차원 관찰 후 분석 하였다. 본 연구 결과를 정리하면 다음과 같다.
- 각 시료당 사용된 슬라이스의 수는 230장으로, 균열 부분만을 추출하기 위하여 “Threshold” 알고리즘이 적용되어 균열 부분은 1의 값을 갖고 나머지 부분은 0의 값을 갖는 이진화상 (binary image)으로 변환시켰다. 변환된 화상에 대하여 균열에 대한 분석을 실시하였으며, 각 균열의 크기 및 길이, 각도 등 여러 가지 정보를 추출하여 얻어진 화상처리결과를 Fig. 14와 Table 4에 나타내었다. 분석 결과는 두 암석시료 모두에서 균열 공극비는 최대 파괴응력값과 선형적으로 비례하여 증가하는 경향을 보인다.
- 암석시료를 완전하게 파괴시키지 않고 단계적인 동적 손상을 주기 위하여 SHPB system(조상호 외, 2008)를 적용하였다. 본 시스템은 크게 충격바를 추진시키는 가스건, 입사바 및 전달바로 이루어진 충격재하장치와 동적변형률 및 충격바 속도측정을 위한 동적데이터 획득 시스템으로 구성되어 있다. 바의 재질은 열처리 머래이징강을 사용하였으며, 입사바의 길이는 2,600 mm, 전달바의 길이는 1,600 mm, 바 직경은 φ37.
- 본 연구에서는 관전압 130 kV와 관전류 98 μA의 콘빔조건으로 실험시료에 대하여 스캔을 수행하였다.
- 본 연구에서는 관전압 130 kV와 관전류 98 μA의 콘빔조건으로 실험시료에 대하여 스캔을 수행하였다. 암석은 고밀도의 재료이므로 6 mm의 알루미늄 판을 이용하여 게인 보정을 실시하였다. 한 시료의 화상 슬라이드 수는 280장, 슬라이드 두께는 0.
대상 데이터
- Fig. 1에서 보여주는 실험 시료는 황등화강암과 보령 사암을 사용하여 정밀하게 제작되었다. 황등화강암 시료의 직경은 평균 φ31.
- 바의 재질은 열처리 머래이징강을 사용하였으며, 입사바의 길이는 2,600 mm, 전달바의 길이는 1,600 mm, 바 직경은 φ37.67 mm이다.
- 한 시료의 화상 슬라이드 수는 280장, 슬라이드 두께는 0.052 mm, 슬라이스의 해상도는 1024×1024로 설정하였다.
이론/모형
- 단계적 충격하중을 받은 암석시료 내 동적손상을 평가하기 위하여 Microfocus X-ray CT 스캐너(Toshiba IT사)가 적용되었다. 이 장비는 최대 관전압이 130 kV 로서 약 5 μm의 미세 균열까지 관찰이 가능한 3세대 X-ray CT이다.
- 암반 상태 평가를 위해 탄성파 속도를 이용하였으며, 장수호외(2000)와 최병희 외(2008)는 터널주변의 손상영역에 대한 현지암반 탄성파 속도 측정을 수행하여 발파 손상 영역을 평가하였다. 본 논문에서는 단계적 충격하중에 의한 암석시료의 동적손상도를 평가하기 위하여 충격 실험 전후에 탄성파 속도를 측정하여 다음과 같은 손상도 w평가식에 적용하였다(Kim and McCarter, 1998).
- 본 연구에서는 X-ray CT 화상으로부터 시료 및 균열의 체적을 구하기 위하여 National Institutes of Health(NIH) 에서 개발된 Image J 프로그램을 이용하였다. 각 시료당 사용된 슬라이스의 수는 230장으로, 균열 부분만을 추출하기 위하여 “Threshold” 알고리즘이 적용되어 균열 부분은 1의 값을 갖고 나머지 부분은 0의 값을 갖는 이진화상 (binary image)으로 변환시켰다.
- 암석시료를 완전하게 파괴시키지 않고 단계적인 동적 손상을 주기 위하여 SHPB system(조상호 외, 2008)를 적용하였다. 본 시스템은 크게 충격바를 추진시키는 가스건, 입사바 및 전달바로 이루어진 충격재하장치와 동적변형률 및 충격바 속도측정을 위한 동적데이터 획득 시스템으로 구성되어 있다.
- 본 연구에서는 단계별 충격하중에 의한 취성재료의 동적손상 발생특성을 파악하고자 황등화강암과 보령사암을 대상으로 SHPB 시스템(조상호 외, 2008)을 이용하여 단계적 충격충격하중실험을 수행하였다. 충격하중에 의한 암석의 손상정도를 파악하기 위하여 충격실험 전후에 탄성파속도 측정을 하였으며, 실험시료 내 균열을 관찰하고 손상균열 발생정도를 평가하기 위하여 비파괴 검사법인 고해상도 X-ray Computed Tomography (CT) 시스템(Cho 외, 2005)을 적용하였다.
- 탄성파속도에 의한 손상도 평가법은 손상영역에 대한 평가를 위해서 측정물질을 파괴하거나 분해하지 않고 내부의 결함 및 손상을 검사하기 위한 비파괴 검사(NonDestructive Test)법으로 많은 실험에 적용되었다. 암반 상태 평가를 위해 탄성파 속도를 이용하였으며, 장수호외(2000)와 최병희 외(2008)는 터널주변의 손상영역에 대한 현지암반 탄성파 속도 측정을 수행하여 발파 손상 영역을 평가하였다.
성능/효과
- 1) 황등화강암시료의 동적응력-변형률곡선을 살펴보면, 충격속도가 증가하면서 최대 파괴응력이 증가하는 경향을 보였으며, 최대파괴점 이후에 변형율의 변화 없이 응력값이 감소하다가 탄성회복하여 약 8%의 영구변형이 발생하였다.
- 2) 보령사암의 경우 충격속도가 증가함에 따라 각 시료 마다 최대 파괴응력이 증가하였으나 영구변형률을 보이며 탄성 회복하였다.
- 3) 최대파괴응력과 변형률속도의 관계를 살펴보면 암석 종류에 관계없이 선형적인 비례관계를 나타냈다.
- 4) 황등화강암 시료의 단층촬영결과, 낮은 충격하중에 서는 시료 내에 전반적으로 축방향균열, 즉 수직균열이 발생하였지만 충격속도가 증가함에 따라 시료와 입사바 또는 전달바와의 접촉면에 구속효과가 발생하여 입사바와의 접촉면 중심부에 균열이 사라지는 경향을 보였다. 상대적으로 구속력을 적게 받은 시료의 원주표면 부근에서는 박리균열이 발생하였다.
- 5) 보령사암에 대한 단층촬영 분석결과, 화강암과 비슷한 파괴거동을 보이고 있으나, 화강암 시료에 비하여 날카로운 파쇄편을 보이주는데 이것은 구성광물의 경계형상 및 크기의 영향으로 판단된다.
- 14와 Table 4에 나타내었다. 분석 결과는 두 암석시료 모두에서 균열 공극비는 최대 파괴응력값과 선형적으로 비례하여 증가하는 경향을 보인다. 단 황등화강암 시료 HG 22 의 경우, 균열 공극비가 적게 나타났는데, 이것은 3.
- 화강암 시료와 사암 시료에서 변형률속도가 증가함에 따라 최대 파괴응력이 증가하는 경향을 보였으며, 두 암석에서 선형적인 비례관계를 나타낸다.
- 3은 동적재하실험으로 측정된 동적응력-변형률 곡선을 보여준다. 화강암 시료의 동적응력-변형률곡선을 살펴보면, 충격하중이 증가하면서 최대 파괴하중이 증가하는 경향을 보이며, 최대 파괴점 이후에 변형율의 변화 없이 응력값이 감소하다가 탄성회복하여 약 8%의 영구변형이 발생하였다. 이러한 응력-변형률곡선의 거동은 시료들이 완전하게 붕괴 또는 파괴되지 않았음을 의미한다.
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