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문제 정의
- 본 연구에서는 공진주/비틂전단 시험기를 사용하여 감쇠비를 정밀하게 측정할 수 있는 방안을 시도하였다. 여러 지반 비선형 모델(쌍곡선 모델, 수정쌍곡선 모델, Ramberg-Osgood 모델)을 이용하여 이론적 비틂력과 비틂각을 계산하여 측정치와 맞춤곡선법을 사용하여 비교하여 각 모델별 매개변수를 산정하였다.
- 최근 국토해양부는 지진발생시 2층 이하 소규모 건축물의 피해를 최소화하고, 건축주의 자발적인 내진보강을 유도하기 위해 내진보강 체크포인트를 배포하는 등 지진 방재를 위한 여러 지침을 제시하고 있다. 본 연구에서는 공진주/비틂전단 시험기를 사용하여 내진설계를 위한 감쇠비를 보다 정밀하게 측정할 수 있는 방안을 시도해 보았다.
제안 방법
- 맞춤곡선 방법을 사용하여 모델 매개변수(γr, α, b)를 산정하였다.
- Sasanakul 등(2008a)은 감쇠비 산정시 수정 등가반경법에 수정쌍곡선 모델과 Ramberg-Osgood 모델을 사용하여 보다 다양한 지반거동 모델을 적용하였다. 본 연구에서는 미국 유타 지역에서 채취한 시료를 사용하여 공진주/비틂전단 시험을 실시하였다. 지반 비선형 모델(쌍곡선 모델, 수정쌍곡선 모델, Ramberg-Osgood 모델)을 이용하여 비틂력(T)과 비틂각(θ)을 산정하였으며 공진주/비틂전단 시험기로 측정된 비틂력(T) 및 비틂각(θ)과 비교하였다.
- 교란되지 않은 시료를 얇은 쉘비 관(Shelbytube)을 사용하여 채취하였다. 시료의 상태를 평가하고 선택부분을 판단하기 위하여 시료 관을 열기 전에 X-ray 이미지 촬영을 실시하였다(USU, 2009). 흙의 분류 및 물성치를 결정하기 위하여 아터버그 시험과 비중기 시험을 각 시료를 사용하여 실시되었다.
- 5cm와 높이 7cm의 공시체로 제작되었다. 제작된 공시체는 공진주-비틂전단 시험기의 저부 받침대에 놓기 전에 제원(지름과 높이)과 무게를 측정하였다. 그림 8은 본 연구에 사용된 공진주/비틂전단 시험기와 시료의 사진이다.
- 시료의 상태를 평가하고 선택부분을 판단하기 위하여 시료 관을 열기 전에 X-ray 이미지 촬영을 실시하였다(USU, 2009). 흙의 분류 및 물성치를 결정하기 위하여 아터버그 시험과 비중기 시험을 각 시료를 사용하여 실시되었다. 그 외의 물리적 특성도 공진주/비틂전단 시험 실시 전에 파악되었다.
대상 데이터
- 시료채취 위치는 미국 Wasatch front 부근의 4곳으로 정하였다. 3개의 샘플은 Utah County의 Provo 강 근처에서 채취되었으며 또 다른 샘플 한 개는 Cache County의 Nibley 지역에서, 마지막 2개의 샘플은 Salt Lake County지역 Salt Lake시 공항근처에서 각각 채취되었다. 각각의 채취지역을 아래 표 1에 정리하였다.
- 7개의 Bonneville clay가 본 시험에 사용되었다. 시료채취 위치는 미국 Wasatch front 부근의 4곳으로 정하였다.
- Salt Lake시 공항 근처에서 채취한 시료(SLC14)는 액성한계가 낮은 점토질(CL)로 구성되었으며 샘플(SLC35)는 액성한계가 낮은 실트질의 혼합토(ML)이다. Nibley와 Logan시에서 채취한 시료(NBL24와 LGN14)은 액성한계가 높은 점토질(CH)이다.
- Provo강 부근에서 채취한 시료(PRV37과 PRV37)은 액성한계가 낮은 점토질(CL)로 구성되어있다. 단, 28.
- 3m에서 채취한 시료(PRV93)은 액성한계가 낮은 실트질의 혼합토(ML)이다. Salt Lake시 공항 근처에서 채취한 시료(SLC14)는 액성한계가 낮은 점토질(CL)로 구성되었으며 샘플(SLC35)는 액성한계가 낮은 실트질의 혼합토(ML)이다. Nibley와 Logan시에서 채취한 시료(NBL24와 LGN14)은 액성한계가 높은 점토질(CH)이다.
- 교란되지 않은 시료를 얇은 쉘비 관(Shelbytube)을 사용하여 채취하였다. 시료의 상태를 평가하고 선택부분을 판단하기 위하여 시료 관을 열기 전에 X-ray 이미지 촬영을 실시하였다(USU, 2009).
- Provo강 부근에서 채취한 시료(PRV37과 PRV37)은 액성한계가 낮은 점토질(CL)로 구성되어있다. 단, 28.3m에서 채취한 시료(PRV93)은 액성한계가 낮은 실트질의 혼합토(ML)이다. Salt Lake시 공항 근처에서 채취한 시료(SLC14)는 액성한계가 낮은 점토질(CL)로 구성되었으며 샘플(SLC35)는 액성한계가 낮은 실트질의 혼합토(ML)이다.
- 본 연구에 사용된 모든 시료는 200번 체 통과량이 85%이상인 세립토로 구성되어 있다. 그림 7은 소성지수와 액성한계와의 관계를 나타내는 소성도이다.
- X-ray 이미지 촬영은 채취된 시료의 좋은 상태 부근을 가려내기 위하여 사용되었다. 시료용 톱과 트리밍 기기를 사용하여 지름 3.5cm와 높이 7cm의 공시체로 제작되었다. 제작된 공시체는 공진주-비틂전단 시험기의 저부 받침대에 놓기 전에 제원(지름과 높이)과 무게를 측정하였다.
- 7개의 Bonneville clay가 본 시험에 사용되었다. 시료채취 위치는 미국 Wasatch front 부근의 4곳으로 정하였다. 3개의 샘플은 Utah County의 Provo 강 근처에서 채취되었으며 또 다른 샘플 한 개는 Cache County의 Nibley 지역에서, 마지막 2개의 샘플은 Salt Lake County지역 Salt Lake시 공항근처에서 각각 채취되었다.
데이터처리
- 지반 비선형 모델(쌍곡선 모델, 수정쌍곡선 모델, Ramberg-Osgood 모델)을 이용하여 비틂력(T)과 비틂각(θ)을 산정하였으며 공진주/비틂전단 시험기로 측정된 비틂력(T) 및 비틂각(θ)과 비교하였다.
이론/모형
- 여러 지반 비선형 모델(쌍곡선 모델, 수정쌍곡선 모델, Ramberg-Osgood 모델)을 이용하여 이론적 비틂력과 비틂각을 계산하여 측정치와 맞춤곡선법을 사용하여 비교하여 각 모델별 매개변수를 산정하였다. 공진주/비틂전단 시험기의 단점중의 하나인 측정된 감쇠비에서의 변형율 산정을 위하여 수정등가반경법을 이용하여 모델 매개변수에 해당하는 등가반경을 구할 수 있었다. 수정쌍곡선 모델의 경우 대변형율에서는 매개변수(α)에 따른 등가반경 변동값이 크므로(0.
- 마찬가지로 모델 매개변수(γr, a)를 구하기 위해 맞춤곡선 방법을 사용하였다.
- 본 연구에서는 세가지 흙의 비선형 모델(쌍곡선 모델, 수정 쌍곡선 모델, Ramgerg-Osgood 모델)이 사용되었다. 각 모델의 매개변수를 결정하기 전에 우선 공진주-비틂전단 시험기로 비틂각(θ)와 비틂력(T)을 측정한다.
- 쌍곡선 모델의 경우 Sasanakul 등(2008b)이 제안한 closed-form 식 (7)을 사용하여 비틂력(T)을 얻을 수 있다. 여기서 최대전단탄성계수(Gmax)는 공진주시험기를 사용하여 측정한다.
- 본 연구에서는 공진주/비틂전단 시험기를 사용하여 감쇠비를 정밀하게 측정할 수 있는 방안을 시도하였다. 여러 지반 비선형 모델(쌍곡선 모델, 수정쌍곡선 모델, Ramberg-Osgood 모델)을 이용하여 이론적 비틂력과 비틂각을 계산하여 측정치와 맞춤곡선법을 사용하여 비교하여 각 모델별 매개변수를 산정하였다. 공진주/비틂전단 시험기의 단점중의 하나인 측정된 감쇠비에서의 변형율 산정을 위하여 수정등가반경법을 이용하여 모델 매개변수에 해당하는 등가반경을 구할 수 있었다.
- 이 경우는 측정치와 계산치와의 차이가 최소가 되며 식 (8)로 표현되는 chi-square 값이 최소가 된다. 측정된 비틂력과 계산된 비틂력의 비교는 Igor Pro 4.01이 제공하는 맞춤곡선 방법을 사용하였다. 자세한 방법은 Sasanakul 등(2008b)에 소개되었다.
성능/효과
- 768로 수렴하였다. 대변형율에서는 등가반경이 모델마다 다소 큰 차이를 나타내었으며 수정쌍곡선 모델(a=1.2)의 등가반경이 가장 작고 Ramberg-Osgood 모델(alpha=1, b=2 인 경우)의 등가반경이 가장 큰 값을 나타내었다.
- 표 3은 본 연구에서 사용된 7가지 시료를 사용하여 세가지 흙의 비선형 모델에 필요한 모델 매개변수를 보여준다. 표 3에서 보는 바와 같이 구속압을 바꿔가며 실험한 결과 36가지의 시험 중에서 쌍곡선 모델이 적합한 경우는 6가지가 있고 수정쌍곡선 모델이 적합한 경우는 26가지 경우이었고, Ramberg-Osgood 모델은 4가지 경우에 적합하게 나타났다. 최대전단탄성계수(Gmax)를 구하는 방법은 Kim(1991)과 Ishihara(1996)에 소개되어 있다.
후속연구
- 023)하게 증가함을 알 수 있다. 향후 추가연구로 다양한 흙의 종류(CL, CH, ML or OL)별 시험결과를 분석하여 흙의 종류에 따른 각 모델별 매개변수 산정 및 상관성 규명이 필요하다.
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