건설 프로젝트의 대형화와 시공장소의 다양화에 따라 지반 조사 내용이 다양해지고 있다. 더욱이 날로 엄격해지는 시공조건으로 인해 보다 높은 수준의 지반정보가 요구되고 있다. 그러나 우리나라에서는 최근까지도 비교적 결과의 신뢰도가 낮은 표준관입실험 등의 원위치 실험법에 의존하고 있는 현실이다. 본 논문에서는 복합적인 지반의 거동 특성 평가를 위하여 연약지반은 물론 암반에서도 에너지 변화를 측정할 수 있는 새로운 콘관입 실험기를 개발하고자 하였다. 본 연구에서는 롯드의 체결 방식에 따른 에너지 감쇠를 평가하기 위해 롯드를 인위적으로 불완전하게 체결하거나, 전체 길이는 일정하게 유지시키면서 체결된 롯드의 수를 변화시키며 실험을 수행하였다. 또한, 체결 조건이 다른 롯드에서 탄성파의 전달율과 반사율을 적용하여 에너지 손실을 평가 하였다. 그리고 정동적 콘관입 실험 장비를 제작하여 두부와 선단부에 변형률계와 가속도계를 부착함으로써 에너지 손실을 실내 실험을 통하여 평가하고자 하였다. 실험 결과 롯드의 체결 상태가 완벽하지 않으면 에너지 전달률이 급격히 감소하는 것을 실험과 시뮬레이션을 통하여 알 수 있었다. 또한 실내 실험결과 새로 개발된 정동적 콘 관입 실험기의 두부와 선단부의 전달에너지가 다름을 알 수 있었다. 본 연구에서는 두부는 물론 선단부에서의 에너지 평가가 필요함을 알 수 있었다.
건설 프로젝트의 대형화와 시공장소의 다양화에 따라 지반 조사 내용이 다양해지고 있다. 더욱이 날로 엄격해지는 시공조건으로 인해 보다 높은 수준의 지반정보가 요구되고 있다. 그러나 우리나라에서는 최근까지도 비교적 결과의 신뢰도가 낮은 표준관입실험 등의 원위치 실험법에 의존하고 있는 현실이다. 본 논문에서는 복합적인 지반의 거동 특성 평가를 위하여 연약지반은 물론 암반에서도 에너지 변화를 측정할 수 있는 새로운 콘관입 실험기를 개발하고자 하였다. 본 연구에서는 롯드의 체결 방식에 따른 에너지 감쇠를 평가하기 위해 롯드를 인위적으로 불완전하게 체결하거나, 전체 길이는 일정하게 유지시키면서 체결된 롯드의 수를 변화시키며 실험을 수행하였다. 또한, 체결 조건이 다른 롯드에서 탄성파의 전달율과 반사율을 적용하여 에너지 손실을 평가 하였다. 그리고 정동적 콘관입 실험 장비를 제작하여 두부와 선단부에 변형률계와 가속도계를 부착함으로써 에너지 손실을 실내 실험을 통하여 평가하고자 하였다. 실험 결과 롯드의 체결 상태가 완벽하지 않으면 에너지 전달률이 급격히 감소하는 것을 실험과 시뮬레이션을 통하여 알 수 있었다. 또한 실내 실험결과 새로 개발된 정동적 콘 관입 실험기의 두부와 선단부의 전달에너지가 다름을 알 수 있었다. 본 연구에서는 두부는 물론 선단부에서의 에너지 평가가 필요함을 알 수 있었다.
The advanced geotechnical information has been required to determine the accurate design parameters for complex construction. However, the Standard Penetration Test (SPT), which has low reliability, has been used to estimate the subsurface condition in the field. The objective of this paper is devel...
The advanced geotechnical information has been required to determine the accurate design parameters for complex construction. However, the Standard Penetration Test (SPT), which has low reliability, has been used to estimate the subsurface condition in the field. The objective of this paper is development and application of the Static-Dynamic penetrometer, which detects the resistances in soft clay, sand and rock. The energy losses according to the rod connection methods (perfect or non-perfect connection, and number rods) are experimentally evaluated. The reflection and transmission ratios are used to investigate the energy loss by a simulation. The static-dynamic cone penetrometer, in which the accelerometers and strain gauges are installed on the cone tip and the rod head, is used to estimate the energy loss during penetration by impacts. The experimental and simulation studies show that the transferred energy through rods with non-perfect connection dramatically decreases. Furthermore, the transferred energy on the rod head is not the same as that on the cone tip. This study demonstrates that the energy loss should be evaluated on the cone tip.
The advanced geotechnical information has been required to determine the accurate design parameters for complex construction. However, the Standard Penetration Test (SPT), which has low reliability, has been used to estimate the subsurface condition in the field. The objective of this paper is development and application of the Static-Dynamic penetrometer, which detects the resistances in soft clay, sand and rock. The energy losses according to the rod connection methods (perfect or non-perfect connection, and number rods) are experimentally evaluated. The reflection and transmission ratios are used to investigate the energy loss by a simulation. The static-dynamic cone penetrometer, in which the accelerometers and strain gauges are installed on the cone tip and the rod head, is used to estimate the energy loss during penetration by impacts. The experimental and simulation studies show that the transferred energy through rods with non-perfect connection dramatically decreases. Furthermore, the transferred energy on the rod head is not the same as that on the cone tip. This study demonstrates that the energy loss should be evaluated on the cone tip.
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문제 정의
본 논문에서는 롯드의 결합 상태 및 결합 형태에 따른 에너지 감쇠를 실험과 시뮬레이션을 통하여 평가하였다. 에너지 감쇠연구 결과를 바탕으로 관입실험기의 선단부에서 에너지 측정이 가능한 정동적 콘관입실험기(Static-Dynamic Cone Penetration Test)를 개발하였다.
탄성파의 반사와 투과의 원리는 록볼트의 건전도 평가에도 적용되었다(이종섭 등 2008). 롯드 연결에 따른 에너지 전달효과에도 동일한 원리를 적용할 수 있으므로 이에 대한 연구를 수행하였다.
또한, SPT와 TCPT의 원리를 이용하여 일정 깊이까지 관입하는데 필요한 타격 횟수로 지반의 강성을 평가하여 중간토와 암반에서도 사용이 가능하도록 하였다. 이와 같은 이유로 선단부에 가속도계를 설치하여 해머 타격에 의한 에너지 효율을 정확하게 측정하여 롯드 길이 등과 같은 외부요소에 영향을 받지 않은 신뢰도 높은 측정값을 획득하고자 하였다. 이와 같이 새로 개발된 정동적 콘 관입실험 기는 선단부의 원추 관입 저항력(Cone tip resistance), 주면 마찰저항력(Friction sleeve), 관입 깊이에 따른 타격 횟수(Blow count) 그리고 에너지 효율(Energy efficiency)을 모두 평가 할 수 있어 주어진 지층에 대한 다양한 물성치를 높은 신뢰도로 측정 할 수 있도록 하였다.
제안 방법
이와 같은 이유로 롯드의 체결 방식에 따른 에너지 감쇠의 평가가 수행되어야 하며(배명호 등 2009), 두부는 물론 선단부에서의 에너지 평가가 필요하다. 본 연구에서는 탄성파의 반사와 투과 원리를 이용하여 롯드의 체결방식에 따른 에너지 감쇠를 측정하였다. 이 원리는 기존 록볼트 건전도 평가에도 적용된바 있다(이종섭 등 2008).
본 논문에서는 롯드의 결합 상태 및 결합 형태에 따른 에너지 감쇠를 실험과 시뮬레이션을 통하여 평가하였다. 에너지 감쇠연구 결과를 바탕으로 관입실험기의 선단부에서 에너지 측정이 가능한 정동적 콘관입실험기(Static-Dynamic Cone Penetration Test)를 개발하였다. 개발한 콘관입실험기를 온도와 하중에 대하여 보정한 후 실내 실험을 수행하였다.
에너지 감쇠연구 결과를 바탕으로 관입실험기의 선단부에서 에너지 측정이 가능한 정동적 콘관입실험기(Static-Dynamic Cone Penetration Test)를 개발하였다. 개발한 콘관입실험기를 온도와 하중에 대하여 보정한 후 실내 실험을 수행하였다. 실내 실험을 통해 새로 개발된 정동적 콘 관입실험기의 적용성을 평가하였다.
개발한 콘관입실험기를 온도와 하중에 대하여 보정한 후 실내 실험을 수행하였다. 실내 실험을 통해 새로 개발된 정동적 콘 관입실험기의 적용성을 평가하였다.
관입실험기의 두부 타격시 발생하는 에너지 감쇠를 평가하기 위해 롯드의 체결 상태 및 형태에 따른 에너지 전달률을 측정하였다. 이를 위해 분리 가능한 금속성 재질의 롯드를 이용하여 길이와 체결 숫자를 변화시켜가며 두부 타격 시 발생되는 에너지 감쇠를 가속도계로 측정하였다.
관입실험기의 두부 타격시 발생하는 에너지 감쇠를 평가하기 위해 롯드의 체결 상태 및 형태에 따른 에너지 전달률을 측정하였다. 이를 위해 분리 가능한 금속성 재질의 롯드를 이용하여 길이와 체결 숫자를 변화시켜가며 두부 타격 시 발생되는 에너지 감쇠를 가속도계로 측정하였다. 또한, 롯드 체결 상태에 따른 에너지 전달을 시뮬레이션을 통하여 검증하였다.
이를 위해 분리 가능한 금속성 재질의 롯드를 이용하여 길이와 체결 숫자를 변화시켜가며 두부 타격 시 발생되는 에너지 감쇠를 가속도계로 측정하였다. 또한, 롯드 체결 상태에 따른 에너지 전달을 시뮬레이션을 통하여 검증하였다.
실험을 통하여 롯드의 체결에 따른 에너지 감쇠를 평가하기 위하여 그림 1(a)와 같이 측정시스템을 구축하였다. 롯드 두부로부터 150mm 떨어진 곳에 가속도계를 설치하여 타격 후 롯드를 통해 전파되며 감쇠되는 에너지를 측정하였다. 가속도계를 통해 측정된 신호는 PCB 사의 가속도계 증폭기(MODEL - 483A16)을 이용하여 10배 증폭시켰으며, 증폭된 신호는 National Instruments사의 NI PXI * 1042Q를 이용하여 컴퓨터에 저장되도록 하였다.
롯드 두부로부터 150mm 떨어진 곳에 가속도계를 설치하여 타격 후 롯드를 통해 전파되며 감쇠되는 에너지를 측정하였다. 가속도계를 통해 측정된 신호는 PCB 사의 가속도계 증폭기(MODEL - 483A16)을 이용하여 10배 증폭시켰으며, 증폭된 신호는 National Instruments사의 NI PXI * 1042Q를 이용하여 컴퓨터에 저장되도록 하였다.
롯드 체결 방식에 따른 에너지 전달을 평가하기 위하여 다음과 같은 실험을 수행하였다. 우선 그림 1(b)와같이 길이 3000mm인 롯드의 두부를 타격하여 체결이 없을 때의 에너지 감쇠를 측정하여 기준 삼았다. 그리고 그림 1(c)와 같이 길이 1000mm인 롯드 3개를 연결한 것과, 그림 1(d)와 같이 길이 300mm인 롯드 10개를 연결한 롯드의 두부를 타격하였다.
그리고 그림 1(c)와 같이 길이 1000mm인 롯드 3개를 연결한 것과, 그림 1(d)와 같이 길이 300mm인 롯드 10개를 연결한 롯드의 두부를 타격하였다. 연결 방식에 따른 에너지 감쇠를 평가하기 위해 각 연결부를 아주 조밀하게 체결 (완벽체결)시키거나 체결 부위를 1mm의 간격을 남겨둔 (비완벽체결) 상태에서 타격실험을 실시하였다. 롯드의 체결은 나사식으로 이루어지며 완벽체결의 경우 나사가 완벽하게 체결된 경우에 해당되며 비완벽체결은 상하부 롯드 사이에 1mm의 틈이 있는 상태로 체결된 것을 의미한다 타격에너지를 동일하게 유지하기 위하여 무게 2 N인 추를 높이 100mm에서 자유 낙하시켜 롯드를 타격하였다.
연결 방식에 따른 에너지 감쇠를 평가하기 위해 각 연결부를 아주 조밀하게 체결 (완벽체결)시키거나 체결 부위를 1mm의 간격을 남겨둔 (비완벽체결) 상태에서 타격실험을 실시하였다. 롯드의 체결은 나사식으로 이루어지며 완벽체결의 경우 나사가 완벽하게 체결된 경우에 해당되며 비완벽체결은 상하부 롯드 사이에 1mm의 틈이 있는 상태로 체결된 것을 의미한다 타격에너지를 동일하게 유지하기 위하여 무게 2 N인 추를 높이 100mm에서 자유 낙하시켜 롯드를 타격하였다.
2.3절에서 얻은 실험 결과의 타당성을 평가하기 위하여 시뮬레이션을 수행하였다. 시뮬레이션은 2.
실험과 시뮬레이션을 통해 롯드 체결 상태 및 체결 방식에 따른 에너지 감쇠를 평가하였다. 롯드에서의 에너지 감쇠를 평가하기 위해 롯드 두부에서 150mm 지점에 가속도계를 설치하였으며, 체결 상태를 인위적으로 조절하며, 전체 롯드 길이는 일정하게 유지하면서 롯드 체결의 수를 증가시킬 경우의 에너지 평가를 실시하였다.
실험과 시뮬레이션을 통해 롯드 체결 상태 및 체결 방식에 따른 에너지 감쇠를 평가하였다. 롯드에서의 에너지 감쇠를 평가하기 위해 롯드 두부에서 150mm 지점에 가속도계를 설치하였으며, 체결 상태를 인위적으로 조절하며, 전체 롯드 길이는 일정하게 유지하면서 롯드 체결의 수를 증가시킬 경우의 에너지 평가를 실시하였다.
새로 개발된 정동적 콘 관입실험기는 점성토, 사질토, 중간토 및 암반 등의 다양한 지반에서 모두 적용 가능한 지반조사 장비이다. 점성토와 사질토에서는 전기저항식 변형률계를 이용하여, 콘 관입실험과 동일한 원리로 지반의 관입력을 평가 할 수 있도록 하였다. 또한, SPT와 TCPT의 원리를 이용하여 일정 깊이까지 관입하는데 필요한 타격 횟수로 지반의 강성을 평가하여 중간토와 암반에서도 사용이 가능하도록 하였다.
점성토와 사질토에서는 전기저항식 변형률계를 이용하여, 콘 관입실험과 동일한 원리로 지반의 관입력을 평가 할 수 있도록 하였다. 또한, SPT와 TCPT의 원리를 이용하여 일정 깊이까지 관입하는데 필요한 타격 횟수로 지반의 강성을 평가하여 중간토와 암반에서도 사용이 가능하도록 하였다. 이와 같은 이유로 선단부에 가속도계를 설치하여 해머 타격에 의한 에너지 효율을 정확하게 측정하여 롯드 길이 등과 같은 외부요소에 영향을 받지 않은 신뢰도 높은 측정값을 획득하고자 하였다.
정동적 콘 관입실험기는 그림 5와 같이 직경 24mm (단면적 4.5mm 2 )이고 선단각도가 60°인 원추 형태로 개발되었으며 Subtraction Cone형태로 제작하여 마찰저항력도 측정할 수 있도록 하였다.
5mm 2 )이고 선단각도가 60°인 원추 형태로 개발되었으며 Subtraction Cone형태로 제작하여 마찰저항력도 측정할 수 있도록 하였다. CPT의 선단부와 주면마찰 부분의 면적비를 고려하여 관입실험기를 제작하였으며 두부와의 연결을 위해 다수의 롯드를 추가로 제작하였다.
정동적 콘관입실험 장비의 관입저항력을 측정하기 위하여 전기저항식 변형률계를 사용하였다. 변형률계는 그림 5와 같이 두부에 설치하여 타격에너지를 평가 하였으며, 선단부의 2곳에 설치하여 원추 관입 저항력과 주면 마찰력을 측정하도록 하였다.
정동적 콘관입실험 장비의 관입저항력을 측정하기 위하여 전기저항식 변형률계를 사용하였다. 변형률계는 그림 5와 같이 두부에 설치하여 타격에너지를 평가 하였으며, 선단부의 2곳에 설치하여 원추 관입 저항력과 주면 마찰력을 측정하도록 하였다. 사용된 변형률계는 자체적으로 2축(biaxial)으로 구성되어 있으며, 온도와 외부적인 요소에 대한 영향이 억제되도록 액티브-더미 (active-dummy)법을 이용하여 설치하였다.
가속도계는 측정 주파수 범위에 따라 변형률계 타입(strain gauge type)과 피에조 일렉트릭 타입(piezo electric type)으로 나뉘며, 본 연구에서는 측정 주파수와 사용성을 고려하여 피에조 일렉트릭 타입을 이용하였다. 사용된 가속도계는 PCB사 제품으로 두부에는 PCB353B15를 사용하였고 선단부에는 PCB350B04를 사용하였다.
해머의 타격에 의한 반응을 두부와 선단부에 각각 설치된 변형률계와 가속도계로부터 측정하게 된다. 이들 반응은 이더넷(Ethernet)에 근거한 오실로스코프로를 이용하여 측정하였으며, 측정된 신호는 컴퓨터에 저장하였다.
특히 온도에 대한 영향은 자체적으로 일정부분 보상이 된다고 하여도, 측정값에 영향을 미칠 가능성이 있다. 따라서 온도에 의한 영향을 평가하기 위하여 온도보정을 실시하였다. 외부온도에 대한 영향이 작고 보온 효과가 뛰어난 스티로폼 소재의 토조를 이용하여 보정을 실시하였다.
따라서 온도에 의한 영향을 평가하기 위하여 온도보정을 실시하였다. 외부온도에 대한 영향이 작고 보온 효과가 뛰어난 스티로폼 소재의 토조를 이용하여 보정을 실시하였다. 10℃부터 5℃씩 총 5단계에 걸쳐 최종 온도 30℃까지 물의 온도를 높이며 실험을 진행하였다.
외부온도에 대한 영향이 작고 보온 효과가 뛰어난 스티로폼 소재의 토조를 이용하여 보정을 실시하였다. 10℃부터 5℃씩 총 5단계에 걸쳐 최종 온도 30℃까지 물의 온도를 높이며 실험을 진행하였다. 입력전압은 선행연구 결과값인 2V(이종섭 등 2008)를 적용하였으며, 각각의 온도에서 수침시킨 정동적 콘관입실험기의 출력값 변화를 약 5분간 측정하였다.
10℃부터 5℃씩 총 5단계에 걸쳐 최종 온도 30℃까지 물의 온도를 높이며 실험을 진행하였다. 입력전압은 선행연구 결과값인 2V(이종섭 등 2008)를 적용하였으며, 각각의 온도에서 수침시킨 정동적 콘관입실험기의 출력값 변화를 약 5분간 측정하였다. 측정된 결과는 그림 6과 같으며, 주변 온도가 20℃~25℃인 범위에서 상대적으로 일정한 출력값을 보이는 것으로 나타났다.
정동적 콘관입실험기에 정적 하중을 가한 뒤 두부와 선단부에 설치된 변형률계를 이용하여 하중에 대한 보정을 실시하였다. 하중 보정 시 0.
정동적 콘관입실험기에 정적 하중을 가한 뒤 두부와 선단부에 설치된 변형률계를 이용하여 하중에 대한 보정을 실시하였다. 하중 보정 시 0.0 N에서 3.4 N씩 총 5단계에 걸쳐 최종 하중 17 N까지 재하와 제하를 수행하여 하중과 출력 전압 관계를 산정하였다. 또한 보정시 입력 전압을 조절하여 출력 전압과 하중과의 관계 또한 산정하였다.
4 N씩 총 5단계에 걸쳐 최종 하중 17 N까지 재하와 제하를 수행하여 하중과 출력 전압 관계를 산정하였다. 또한 보정시 입력 전압을 조절하여 출력 전압과 하중과의 관계 또한 산정하였다. 실험 결과 재하와 제하 시의 값이 거의 일치하는 것으로 나타났다.
토조 전체 높이를 고려하여 시료는 700mm까지 조성하였다. 정동적 콘관입실험기의 반응성 평가는 정동적 콘관입실험기를 그림 8과 같이 시료의 상부 100mm 깊이까지 선관입하여 장비의 수직도를 유지시킨 후, 중량 2 N의 해머를 낙하고 100mm와 200mm에서 낙하시켜 동적 관입 저항력을 평가 하였다. 이때, 연속적으로 타격하는 표준관입실험과는 다르게 단순히 적용성만을 평가하기 위해 낙하고 마다 한번의 타격을 수행하였다.
이때, 연속적으로 타격하는 표준관입실험과는 다르게 단순히 적용성만을 평가하기 위해 낙하고 마다 한번의 타격을 수행하였다. 타격에 따른 에너지 측정은 두부와 선단부에 부착된 변형률계와 가속도계를 이용하였다.
타격시 두부와 선단부에 부착된 변형률계를 통해 측정된 전압 변화를 선단 타격력으로 환산하였다. 2 N의 해머를 이용하여 낙하고 100mm에서 타격한 경우 측정된 두부와 선단부의 타격력과 가속도를 그림 9에 나타 내었으며 낙하고가 200mm인 경우는 그림 10에 나타내었다.
롯드의 체결 상태 및 체결 형태에 따른 에너지 감쇠를 평가하기 위해 롯드 체결부를 완벽체결하거나 비완벽체결하여 타격 후 에너지 변화를 측정하였다. 또한 시뮬레이션을 통해 결과를 재확인하였다.
롯드의 체결 상태 및 체결 형태에 따른 에너지 감쇠를 평가하기 위해 롯드 체결부를 완벽체결하거나 비완벽체결하여 타격 후 에너지 변화를 측정하였다. 또한 시뮬레이션을 통해 결과를 재확인하였다. 그 결과 아주 작은 비완벽체결점이 있더라도 에너지 감쇠 현상이 매우 크게 발생하는 것으로 나타났다.
에너지 전달이 롯드의 체결에 영향을 받기 때문에 두부뿐만 아니라 관입기 선단부에도 가속도계와 변형률 계를 부착함으로써 롯드의 체결 및 길이 증가에 따른 에너지 감쇠를 반영하여 지반 특성을 파악 할 수 있도록 정동적 콘관입실험기를 개발하였다. 개발된 정동적 콘관입실험기의 검증을 위해 주문진사로 조성된 토조에서 타격 실험을 수행하였다.
에너지 전달이 롯드의 체결에 영향을 받기 때문에 두부뿐만 아니라 관입기 선단부에도 가속도계와 변형률 계를 부착함으로써 롯드의 체결 및 길이 증가에 따른 에너지 감쇠를 반영하여 지반 특성을 파악 할 수 있도록 정동적 콘관입실험기를 개발하였다. 개발된 정동적 콘관입실험기의 검증을 위해 주문진사로 조성된 토조에서 타격 실험을 수행하였다. 실험 결과 해머의 낙하고가 증가함에 따라 두부 및 선단부에서 측정되는 타격력과 가속도가 증가하였다.
대상 데이터
실험에 사용된 롯드는 현장 적용성 평가를 위해 실제 현장에서 사용되고 있는 파이프 직경과 길이를 고려하여 제작하였다. 본 연구에서는 외경 25mm, 내경 20mm, 총 길이 3m 의 파이프를 사용하였으며 재질은 실제 지반조사에서 사용되는 강철재질로 제작하였다.
실험에 사용된 롯드는 현장 적용성 평가를 위해 실제 현장에서 사용되고 있는 파이프 직경과 길이를 고려하여 제작하였다. 본 연구에서는 외경 25mm, 내경 20mm, 총 길이 3m 의 파이프를 사용하였으며 재질은 실제 지반조사에서 사용되는 강철재질로 제작하였다. 그림 1(b) 는 길이 3000mm의 파이프 1개를 사용하여 롯드를 구성한 것이고, 그림 1(c) 와 1(d) 는 각각 길이 1000mm의 파이프 3개, 길이 300mm의 파이프 10개를 연결하여 구성한 롯드의 모식도이다.
3절에서 얻은 실험 결과의 타당성을 평가하기 위하여 시뮬레이션을 수행하였다. 시뮬레이션은 2.1절에서 언급한 이론식을 바탕으로 실제 실험과 동일한 롯드로 구성하였다. 시뮬레이션의 기본 개념에 대한 모식도는 그림 3과 같다.
가속도계는 측정 주파수 범위에 따라 변형률계 타입(strain gauge type)과 피에조 일렉트릭 타입(piezo electric type)으로 나뉘며, 본 연구에서는 측정 주파수와 사용성을 고려하여 피에조 일렉트릭 타입을 이용하였다. 사용된 가속도계는 PCB사 제품으로 두부에는 PCB353B15를 사용하였고 선단부에는 PCB350B04를 사용하였다. PCB353B15는 민감도 약 1.
정동적 관입실험기의 적용성을 검증하기 위해 내경 240mm, 높이 800mm인 투명 아크릴 소재의 토조를 사용하였다. 시료는 비중 2.
정동적 관입실험기의 적용성을 검증하기 위해 내경 240mm, 높이 800mm인 투명 아크릴 소재의 토조를 사용하였다. 시료는 비중 2.63인 시료를 상대밀도 85%로 조성하여 사용하였다. 시료 조성 시 10번 체를 이용하여 낙하고 300mm에서 균등한 양이 낙하되도록 강사법으로 시료를 조성하였다.
이론/모형
변형률계는 그림 5와 같이 두부에 설치하여 타격에너지를 평가 하였으며, 선단부의 2곳에 설치하여 원추 관입 저항력과 주면 마찰력을 측정하도록 하였다. 사용된 변형률계는 자체적으로 2축(biaxial)으로 구성되어 있으며, 온도와 외부적인 요소에 대한 영향이 억제되도록 액티브-더미 (active-dummy)법을 이용하여 설치하였다. 또한 미세한 변화량에 따른 출력 값을 증폭시키기 위하여 휘트스톤 브리지(Wheatstone Bridge) 연결방식을 이용하여 회로를 구성하였다.
사용된 변형률계는 자체적으로 2축(biaxial)으로 구성되어 있으며, 온도와 외부적인 요소에 대한 영향이 억제되도록 액티브-더미 (active-dummy)법을 이용하여 설치하였다. 또한 미세한 변화량에 따른 출력 값을 증폭시키기 위하여 휘트스톤 브리지(Wheatstone Bridge) 연결방식을 이용하여 회로를 구성하였다.
63인 시료를 상대밀도 85%로 조성하여 사용하였다. 시료 조성 시 10번 체를 이용하여 낙하고 300mm에서 균등한 양이 낙하되도록 강사법으로 시료를 조성하였다. 토조 전체 높이를 고려하여 시료는 700mm까지 조성하였다.
성능/효과
길이 1000mm인 롯드 3개를 완벽체결하지 않은 경우와 길이 30mm인 롯드 10개를 완벽체결하지 않은 경우 관찰된 에너지 특성은 그림 2(d)와 그림 2(e)에 나타내었다. 롯드체결이 완벽하지 않으면 롯드 체결이 완벽한 경우에 비하여 에너지 감쇠가 훨씬 크게 발생하는 것으로 나타났다.
이는 현장에서 관입 심도의 증가에 따른 롯드 길이 및 체결 수의 증가를 모사하기 위해 실내 실험에 맞는 롯드를 제작하여 계측한 것이다. 측정 결과, 롯드의 연결 부위가 완벽하게 체결되었다 하더라도 체결된 롯드 수가 증가함에 따라 에너지가 감쇠되는 것으로 나타났다. 더욱이 연결부위에 1mm의 작은 비완벽 체결이 있을 경우, 전체 길이에 비해 매우 작은 값이지만, 에너지 감쇠의 폭은 크게 증가함을 알 수 있다.
또한 보정시 입력 전압을 조절하여 출력 전압과 하중과의 관계 또한 산정하였다. 실험 결과 재하와 제하 시의 값이 거의 일치하는 것으로 나타났다. 입력전압 2.
또한 시뮬레이션을 통해 결과를 재확인하였다. 그 결과 아주 작은 비완벽체결점이 있더라도 에너지 감쇠 현상이 매우 크게 발생하는 것으로 나타났다. 이는 실제 현장에서 롯드 체결부가 부식되거나 아주 작은 이물질이 껴있어도 결과값에 큰 영향을 미칠 수 있음을 의미한다.
개발된 정동적 콘관입실험기의 검증을 위해 주문진사로 조성된 토조에서 타격 실험을 수행하였다. 실험 결과 해머의 낙하고가 증가함에 따라 두부 및 선단부에서 측정되는 타격력과 가속도가 증가하였다. 이는 낙하고의 증가로 인한 낙하 에너지의 증가 때문이다.
본 연구에서는 실내 실험을 통해 정동적 콘관입실험 장비가 새로운 지반조사 장비로써의 가능성이 큼을 확인할 수 있었다. 추후 현장 실험을 통해 측정값의 신뢰도를 향상 시킨다면 실제 실무에 널리 활용 될 수 있을 것으로 판단된다.
또한 타격시 전기저항식 변형률계와 가속도계가 반응한 시간은 거의 동일하게 관찰되었다. 각 하중에서 따라 정동적 콘 관입실험기를 100mm 선관입하여 실험을 진행하였기 때문에 주변환경에 의한 에너지 효율이 유사하다고 가정하면 낙하고가 증가할수록 즉, 낙하에너지가 증가하여 측정되는 두부 및 선단 타격력 그리고 가속도가 증가하는 것으로 나타났다. 낙하 높이에 상관없이 선단부에서 측정된 힘과 가속도는 두부에서 측정된 힘과 가속도에 비하여 매우 작게 측정되었다.
후속연구
본 연구에서는 실내 실험을 통해 정동적 콘관입실험 장비가 새로운 지반조사 장비로써의 가능성이 큼을 확인할 수 있었다. 추후 현장 실험을 통해 측정값의 신뢰도를 향상 시킨다면 실제 실무에 널리 활용 될 수 있을 것으로 판단된다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
재료감쇠란?
평면파(plane wave)가 매질을 따라 전파될 때 매질 자체내에서 감쇠가 발생하며 이를 재료감쇠(material attenuation)이라고 한다. 이와 같은 에너지 손실은 매질이 완전히 탄성체가 아닌 경우에 발생한다.
정동적 콘 관입실험기는 어떤 지반에서 적용가능한가?
새로 개발된 정동적 콘 관입실험기는 점성토, 사질토, 중간토 및 암반 등의 다양한 지반에서 모두 적용 가능한 지반조사 장비이다. 점성토와 사질토에서는 전기저항식 변형률계를 이용하여, 콘 관입실험과 동일한 원리로 지반의 관입력을 평가 할 수 있도록 하였다.
재료감쇠의 에너지 손실은 어느 경우에 발생하는가?
평면파(plane wave)가 매질을 따라 전파될 때 매질 자체내에서 감쇠가 발생하며 이를 재료감쇠(material attenuation)이라고 한다. 이와 같은 에너지 손실은 매질이 완전히 탄성체가 아닌 경우에 발생한다. 재료감쇠는 입자 운동 크기(particle motion amplitude), u(x.
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