스플릿 홉킨슨 압력봉 실험장비를 이용한 암석의 동적 압열인장강도 평가에 관한 연구 Estimation of Dynamic Brazilian Tensile Strengths of Rocks Using Split Hopkinson Pressure Bar (SHPB) System원문보기
본 연구에서는 스플릿 홉킨슨 압력봉 실험장비를 적용한 압열인장 실험을 수행하여, 암석의 동적인장강도 및 변형률 속도를 평가하였다. 시료가 파괴되기 전에 시료 내 동적 응력평형상태를 확보하기 위하여 펄스쉐이핑 기법으로 입사파의 증가시간을 제어하였다. 압열인장 실험시료는 Inada 화강암, Kimachi 사암, Tage응회암을 정밀하게 가공하여 제작되었다. 결과로서, Inada 화강암의 동적인장강도는 정적인장강도의 11.9배 이였으며, Kimachi 사암과 Tage 응회암은 각각 8.5배, 9.2배로 평가되었다. 고속카메라를 이용하여 시료 내 축 하중 방향으로 발생하는 인장균열의 발생양상을 관찰하였다.
본 연구에서는 스플릿 홉킨슨 압력봉 실험장비를 적용한 압열인장 실험을 수행하여, 암석의 동적인장강도 및 변형률 속도를 평가하였다. 시료가 파괴되기 전에 시료 내 동적 응력평형상태를 확보하기 위하여 펄스쉐이핑 기법으로 입사파의 증가시간을 제어하였다. 압열인장 실험시료는 Inada 화강암, Kimachi 사암, Tage응회암을 정밀하게 가공하여 제작되었다. 결과로서, Inada 화강암의 동적인장강도는 정적인장강도의 11.9배 이였으며, Kimachi 사암과 Tage 응회암은 각각 8.5배, 9.2배로 평가되었다. 고속카메라를 이용하여 시료 내 축 하중 방향으로 발생하는 인장균열의 발생양상을 관찰하였다.
In this study, we estimated the dynamic tensile strength and strain rate from Brazilian tensile test using Split Hopkinson Pressure Bar (SHPB) system. A pulse shaping technique, which controls the shape of the impactinduce incident waves, was used for achieving the dynamic stress equilibrium and con...
In this study, we estimated the dynamic tensile strength and strain rate from Brazilian tensile test using Split Hopkinson Pressure Bar (SHPB) system. A pulse shaping technique, which controls the shape of the impactinduce incident waves, was used for achieving the dynamic stress equilibrium and constant strain rate before fracture of rock samples. Three kinds of rock type, Inada granite, Kimachi sandstone and Tage tuff were prepared as 50mm in diameter and 26 mm in thickness. The high-speed videography system was used to observe the fracture processes of the rock samples. As the results of the tests, the ratio of dynamic tensile strength and static tensile strength was 11.9 for Inada granite, 8.5 for Kimachi sandstone and 9.2 for Tage tuff.
In this study, we estimated the dynamic tensile strength and strain rate from Brazilian tensile test using Split Hopkinson Pressure Bar (SHPB) system. A pulse shaping technique, which controls the shape of the impactinduce incident waves, was used for achieving the dynamic stress equilibrium and constant strain rate before fracture of rock samples. Three kinds of rock type, Inada granite, Kimachi sandstone and Tage tuff were prepared as 50mm in diameter and 26 mm in thickness. The high-speed videography system was used to observe the fracture processes of the rock samples. As the results of the tests, the ratio of dynamic tensile strength and static tensile strength was 11.9 for Inada granite, 8.5 for Kimachi sandstone and 9.2 for Tage tuff.
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문제 정의
그림 2-4를 보면 입사파의 증가시간은 100 μs이상으로 시료 내에 일정한 시간동안 가압을 유지하고 있으므로 정적 압열인장시험과 유사한 파괴양상을 유추할 수 있다. 본 실험에서는 동적압열시험 중 시료 표면의 균열 발생 양상을 관찰하기 위하여 고속카메라를 이용하였다.
본 연구에서는 암석 시료의 동적압열인장강도를 파악하기 위하여 디스크형상의 Inada 화강암, Kimaci 사암, Tage 응회암 시료를 제작하여 충격파형 형상제어 SHPB재하실험을 수행하였다. 동적 변형률 측정법으로 계측된 응력-시간 데이터로부터 동적 인장강도 및 변형율 속도를 평가하였다.
제안 방법
고속으로 발생되는 암석 및 재료의 변형 및 특성을 파악하기 위하여 SHPB시스템이 적용되고 있으며 본 연구에서는 암석의 압열인장시험에 적용하였다. 그림 1은 SHPB시스템의 개요도를 보여준다.
사용된 암석시료는 일본의 대표적 암석인 Inada 화강암, Kimachi 사암, Tage 응회암 등으로써 시험 조건에 맞게 시편을 정밀하게 제작하였다. 시험편 내 응력평형이전에 시편의 파괴를 방지하기 위하여 펄스쉐이핑법을 적용하여 입사파의 증가시간을 제어하였으며, 동적 변형률 측정법으로 계측된 응력-시간 데이터로부터 동적 인장강도 및 변형율 속도를 평가하였다. 또한 동적 압열인장하중에 의한 암석시료의 파괴특성을 파악하기 위하여 고속디지털 카메라를 이용하여 파괴과정을 관찰하였다.
시험편 내 응력평형이전에 시편의 파괴를 방지하기 위하여 펄스쉐이핑법을 적용하여 입사파의 증가시간을 제어하였으며, 동적 변형률 측정법으로 계측된 응력-시간 데이터로부터 동적 인장강도 및 변형율 속도를 평가하였다. 또한 동적 압열인장하중에 의한 암석시료의 파괴특성을 파악하기 위하여 고속디지털 카메라를 이용하여 파괴과정을 관찰하였다.
입사파형은 펄스쉐이퍼의 재질 및 형상, 충격바의 길이와 충전 가스압에 따라 크기와 종류가 좌우된다. 또한 시료 내 파괴양상을 관찰하기 위하여 고속디지털 카메라(1200 frame/sec)를 이용하여 충격전후의 시료를 촬영하였다.
이러한 동적강도는 폭약의 충격력 또는 고속 유압제어장치를 이용한 동적재하장치 및 SHPB(Split Hopkinson Pressure Bar)등을 이용하여 평가된다(Zhao and Li, 2000, Jason 외, 2002, Cho 외, 2007, 조상호 외, 2009). 본 연구에서는 스플릿 홉킨슨 압력봉(SHPB)실험법에 압열인장시험을 적용하여 암석에 대한 동적 간접인장강도 평가를 수행하였다. 사용된 암석시료는 일본의 대표적 암석인 Inada 화강암, Kimachi 사암, Tage 응회암 등으로써 시험 조건에 맞게 시편을 정밀하게 제작하였다.
사용된 암석시료는 일본의 대표적 암석인 Inada 화강암, Kimachi 사암, Tage 응회암 등으로써 시험 조건에 맞게 시편을 정밀하게 제작하였다. 시험편 내 응력평형이전에 시편의 파괴를 방지하기 위하여 펄스쉐이핑법을 적용하여 입사파의 증가시간을 제어하였으며, 동적 변형률 측정법으로 계측된 응력-시간 데이터로부터 동적 인장강도 및 변형율 속도를 평가하였다. 또한 동적 압열인장하중에 의한 암석시료의 파괴특성을 파악하기 위하여 고속디지털 카메라를 이용하여 파괴과정을 관찰하였다.
대상 데이터
그림 1은 SHPB시스템의 개요도를 보여준다. 본 시스템은 충격파를 전달해주는 충격바와 충격바 추진장치, 파형의 형상을 제어해주는 펄스쉐이퍼, 입사바, 전달바로 구성된다. 시편은 입사바와 전달바 사이에 위치하며, 충격바는 압축공기를 이용하여 추진되어 입사바에 충돌하면서 응력을 전달한다.
본 연구에서는 스플릿 홉킨슨 압력봉(SHPB)실험법에 압열인장시험을 적용하여 암석에 대한 동적 간접인장강도 평가를 수행하였다. 사용된 암석시료는 일본의 대표적 암석인 Inada 화강암, Kimachi 사암, Tage 응회암 등으로써 시험 조건에 맞게 시편을 정밀하게 제작하였다. 시험편 내 응력평형이전에 시편의 파괴를 방지하기 위하여 펄스쉐이핑법을 적용하여 입사파의 증가시간을 제어하였으며, 동적 변형률 측정법으로 계측된 응력-시간 데이터로부터 동적 인장강도 및 변형율 속도를 평가하였다.
시료는 Inada 화강암, Kimachi 사암과 Tage 응회암으로써 압열인장용 시험편을 각각 제작하였다. 화강암시료는 직경 Φ50 mm, 길이 25 mm, 사암시료는 직경 Φ50 mm, 길이 26 mm, 응회암 시료는 직경 Φ50 mm, 길이 24 mm로 제작되었다.
본 시스템은 충격파를 전달해주는 충격바와 충격바 추진장치, 파형의 형상을 제어해주는 펄스쉐이퍼, 입사바, 전달바로 구성된다. 시편은 입사바와 전달바 사이에 위치하며, 충격바는 압축공기를 이용하여 추진되어 입사바에 충돌하면서 응력을 전달한다. 이때 충격바가 펄스쉐이퍼에 충격하중을 주게 되면, 펄스쉐이퍼는 소성 변형을 하게 되고, 파형의 진폭이 급격하게 올라가는 시간이 늘어나기 때문에 입사파의 동적 응력이 평형상태가 된다(Frew 외, 2002).
실험에 사용된 입사바의 길이는 2600 mm, 전달바의 길이는 1600 mm, 충격바의 직경은 Φ27 mm, 입사바와 전달바의 직경은 Φ37 mm이다.
실험에서 사용된 응회암 시료의 직경이 50 mm이고 탄성파속도가 2.38 km/s일 때 시료 내 응력파의 전달시간은 21 μs가 된다.
펄스쉐이퍼는 직경 Φ10 mm, 두께 0.58 mm의 구리디스크를 사용하여 입사파형을 제어하였다.
화강암시료는 직경 Φ50 mm, 길이 25 mm, 사암시료는 직경 Φ50 mm, 길이 26 mm, 응회암 시료는 직경 Φ50 mm, 길이 24 mm로 제작되었다.
이론/모형
실험에 사용된 입사바의 길이는 2600 mm, 전달바의 길이는 1600 mm, 충격바의 직경은 Φ27 mm, 입사바와 전달바의 직경은 Φ37 mm이다. 본 연구에서는 실험시료가 파괴되기 전에 시험편 내 준정적 응력상태가 유지되도록 펄스쉐이핑 기법을 적용하여 입사파의 증가시간을 제어하였다. 200 mm의 충격바를 7 m/sec로 추진시키기 위하여 가스챔버에 8 psi의 압축공기를 충전하였다.
성능/효과
1. 동적압열인장강도는 화강암의 경우 평균 87.25 MPa으로 정적인장강도의 약 11.9배로 평가되었으며, 사암은 평균 40.02 MPa로서 정적인장강도의 약 8.5배, 응회암은 21.05 MPa로 정적인장강도의 9.2배를 보였다.
2. 변형률속도는 화강암의 경우 평균 19.99 s-1 이었으며 사암과 응회암은 각각 63.13 s-1, 34.79 s-1로서 사암, 응회암, 화강암의 순서로 높은 값을 보였다.
3. 디지털 고속카메라 화상으로부터, 시료 내 축 하중방향 인장균열과 가압면 부근의 분쇄가 거의 동시에 발생하고 있음이 관찰되었다. 이것은 본 연구에서 적용한 SHPB 압열인장실험법이 동하중재하 실험법을 적용하지만 인장파괴시 정적 압열인장시험과 유사한 준정적 인장응력의 평형상태를 확보하고 있음을 시사하였다.
본 연구에서 발생된 입사파형의 증가시간은 100 μs로 시료 내 응력평형조건을 만족시킨 것으로 판단된다.
디지털 고속카메라 화상으로부터, 시료 내 축 하중방향 인장균열과 가압면 부근의 분쇄가 거의 동시에 발생하고 있음이 관찰되었다. 이것은 본 연구에서 적용한 SHPB 압열인장실험법이 동하중재하 실험법을 적용하지만 인장파괴시 정적 압열인장시험과 유사한 준정적 인장응력의 평형상태를 확보하고 있음을 시사하였다.
1 m/sec 이내로 하였다. 화강암의 경우 평균 동적인장강도는 87.25 MPa으로 정적인장강도의 약 11.9배로 평가되었으며, 사암과 응회암의 평균 동적인장강도는 40.02 MPa와 21.05 MPa로 정적인장강도의 약 8.5배와 9.2배를 보였다. 변형률속도는 화강암의 경우 평균 19.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
암석의 동적강도는 무엇과 비례하여 증가하는 경향을 보이는가?
충격하중에 대한 암석 및 암반의 파괴현상은 동적 응력장에서 고속으로 발생되는 변형에 따른 복잡한 압축･인장의 복합파괴 양상을보인다. 또한 암석의 동적강도는 변형률속도 또는 응력속도와 비례하여 증가하는 경향을 보이며, 일반적으로 동적강도는 정적강도의 2배 이상으로 알려져 있다. 이러한 동적강도는 폭약의 충격력 또는 고속 유압제어장치를 이용한 동적재하장치 및 SHPB(Split Hopkinson Pressure Bar)등을 이용하여 평가된다(Zhao and Li, 2000, Jason 외, 2002, Cho 외, 2007, 조상호 외, 2009).
암석의 동적인장강도는 어디에서 중요한 요소가 되는가?
암석의 동적인장강도는 발파, 지진, 암반돌출에 의한 지진동과 같은 동적하중에 대한 암반 구조물의 안정성평가에 중요한 요소가 된다. 충격하중에 대한 암석 및 암반의 파괴현상은 동적 응력장에서 고속으로 발생되는 변형에 따른 복잡한 압축･인장의 복합파괴 양상을보인다.
스플릿 홉킨슨 압력봉 실험장비를 적용한 압열인장 실험을 수행하여, 암석의 동적인장강도 및 변형률 속도를 평가한 결과는 어떻게 되는가?
압열인장 실험시료는 Inada 화강암, Kimachi 사암, Tage응회암을 정밀하게 가공하여 제작되었다. 결과로서, Inada 화강암의 동적인장강도는 정적인장강도의 11.9배 이였으며, Kimachi 사암과 Tage 응회암은 각각 8.5배, 9.2배로 평가되었다. 고속카메라를 이용하여 시료 내 축 하중 방향으로 발생하는 인장균열의 발생양상을 관찰하였다.
참고문헌 (7)
조상호, 조슬기, 김승곤, 박찬, 金子勝比古, 2009, 단계적 충격하중에 의한 암석의 동적손상메커니즘에 관한 실험적 연구, 터널과 지하공간(한국암반공학회지) 19.6, 545-557.
Joseph W.T., Allen R.C. and Steven T.K., 1993, Experimental and Numerical Analysis of High Strain Rate Splitting Tensile Tests, ACI Materials Journal, 90.2.
Zhao J. and Li H.B., 2000, Experimental determination of dynamic tensile properties of a granite, International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences, 861-866.
Jason T.G., Arun S. and Atul S., 2002, Photoelastic Evaluation of Stress Fields and Fracture During Dynamic Splitting Experiments, American Society for Testing and Materials, West Conshohocken, PA, ETATS-UNIS, 30.3, 186-196.
Cho S.H., Nakamura Y., Ogata Y., Mohanty B., Kitayama H. and Kaneko K., 2007, Fracture processes of rocks in dynamic tensile-splitting test, the 1st Canada and U.S. Rock Mechanics Symposium, Vancouver, Canada.
Cho S.H., Mohanty B., Rajeev R., Xia K., and Kaneko K., 2007, Fragmentation mechanism of rock in Split Hopkinson Pressure Bar (SHPB) test, 21st Canadian Congress of Applied Mechanics, Ryerson University, Toronto, Canada, 607-608.
Frew D.J., Forrestal M. J. and Chen W., 2002, Pulse shaping techniques for testing brittle materials with a split hopkinson pressure bar, Experimental Mechanics, 42.1, 93-106.
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