$\require{mediawiki-texvc}$

연합인증

연합인증 가입 기관의 연구자들은 소속기관의 인증정보(ID와 암호)를 이용해 다른 대학, 연구기관, 서비스 공급자의 다양한 온라인 자원과 연구 데이터를 이용할 수 있습니다.

이는 여행자가 자국에서 발행 받은 여권으로 세계 각국을 자유롭게 여행할 수 있는 것과 같습니다.

연합인증으로 이용이 가능한 서비스는 NTIS, DataON, Edison, Kafe, Webinar 등이 있습니다.

한번의 인증절차만으로 연합인증 가입 서비스에 추가 로그인 없이 이용이 가능합니다.

다만, 연합인증을 위해서는 최초 1회만 인증 절차가 필요합니다. (회원이 아닐 경우 회원 가입이 필요합니다.)

연합인증 절차는 다음과 같습니다.

최초이용시에는
ScienceON에 로그인 → 연합인증 서비스 접속 → 로그인 (본인 확인 또는 회원가입) → 서비스 이용

그 이후에는
ScienceON 로그인 → 연합인증 서비스 접속 → 서비스 이용

연합인증을 활용하시면 KISTI가 제공하는 다양한 서비스를 편리하게 이용하실 수 있습니다.

복공식 지하 압축공기에너지 저장공동의 내압구조에 대한 반복하중의 역학적 영향평가
Mechanical Properties of a Lining System under Cyclic Loading Conditions in Underground Lined Rock Cavern for Compressed Air Energy Storage 원문보기

터널과 지하공간: 한국암반공학회지 = Tunnel and underground space, v.22 no.2 = no.97, 2012년, pp.77 - 85  

천대성 (한국지질자원연구원 지구환경연구본부) ,  박찬 (한국지질자원연구원 지구환경연구본부) ,  정용복 (한국지질자원연구원 지구환경연구본부) ,  박철환 (한국지질자원연구원 지구환경연구본부) ,  송원경 (한국지질자원연구원 지구환경연구본부)

초록
AI-Helper 아이콘AI-Helper

피로파괴는 반복적인 하중에 의해 재료 내에 균열이 발생하고, 진전함에 따라 재료의 물성이 약화되어 최종적으로 파괴에 이르는 현상을 말하며, 일반적으로 반복적인 하중이 가해지는 기계나 구조물 등은 피로파괴를 고려한다. 암반구조물의 경우 일반적으로 동적인 반복하중에 의한 피로파괴보다는 정적인 크립에 의한 피로 파괴를 경험하는 경우가 대다수이다. 그러나 압축공기와 같은 물질을 지하에 저장하는 경우 물질의 입 출에 의한 내부 압력의 변화가 발생하기 때문에 지하저장시설이 위치하는 암반과 내부 콘크리트의 동적 피로파괴 특성을 검토해야한다. 본 연구에서는 복공식 지하 압축공기에너지 저장공동 내부에 설치되는 콘크리트 라이닝의 반복굴곡하중에 대한 물성변화와 플러그가 설치된 경계에서의 반복전단하중에 대한 물성변화를 실험적인 방법에 의해 알아보았다. 반복전단시험을 통해 적절한 수직응력에서 평면 인터페이스의 플러그도 역학적인 안정성을 확보할 수 있음을 알 수 있었다. 반복굴곡시험에서는 반복재하에 따른 콘크리트 라이닝의 강도저하 현상을 확인하였으며, 이로부터 S-N 곡선을 구하였다.

Abstract AI-Helper 아이콘AI-Helper

In a material, micro-cracks can be progressively occurred, propagated and finally lead to failure when it is subjected to cyclic or periodic loading less than its ultimate strength. This phenomenon, fatigue, is usually considered in a metal, alloy and structures under repeated loading conditions. In...

주제어

AI 본문요약
AI-Helper 아이콘 AI-Helper

* AI 자동 식별 결과로 적합하지 않은 문장이 있을 수 있으니, 이용에 유의하시기 바랍니다.

제안 방법

  • 굴곡시험을 먼저 수행하고 그 측정결과에 따른 최대지지하중을 고려하여 반복재하하중을 결정하였으며, 파괴가 발생할 때까지 최대 50,000회의 반복재하시험을 실시하였다. 50,000회 반복 후에도 파괴가 발생하지 않은 시료에 대해서는 굴곡시험을 다시 수행하여 최대지지하중의 감소를 측정하였다.
  • 굴곡시험을 먼저 수행하고 그 측정결과에 따른 최대지지하중을 고려하여 반복재하하중을 결정하였으며, 파괴가 발생할 때까지 최대 50,000회의 반복재하시험을 실시하였다. 50,000회 반복 후에도 파괴가 발생하지 않은 시료에 대해서는 굴곡시험을 다시 수행하여 최대지지하중의 감소를 측정하였다.
  • 전단면적은 12 cm x 12 cm이며 전단변형이 발생해도 하중을 받는 면적이 일정하도록 하부 시험편의 크기가 더 크게 하여 실험을 수행하였다. 먼저 1, 2, 3, 4, 5 MPa의 수직응력조건에서 양방향 전단시험을 수행하여 인터페이스의 기본마찰각을 구하였다. 이 값을 기준으로 Mohr-Coulomb 파괴강도식을 기초하여 수직응력을 재하할 때 예상강도 기준으로 전단응력을 변화시키면서 반복전단하중을 가하였다.
  • 반복재하하중의 최소값은 일반굴곡시험(이하 ‘굴곡시험’으로 표현)에서 측정한 평균 최대지지하중의 50%를 선택하였으며, 최대값은 최대지지하중의 95, 90, 85, 80, 70%를 재하하여 각 하중 단계마다 5개 시료에 대하여 시험을 수행하였다. 반복재하속도는 시험장비와 시료의 변위 폭을 고려하여 2 Hz의 속도로 사인파 형태의 하중이 재하되도록 시험을 수행하였다.
  • 반복재하하중의 최소값은 일반굴곡시험(이하 ‘굴곡시험’으로 표현)에서 측정한 평균 최대지지하중의 50%를 선택하였으며, 최대값은 최대지지하중의 95, 90, 85, 80, 70%를 재하하여 각 하중 단계마다 5개 시료에 대하여 시험을 수행하였다.
  • 반복하중에 의한 강도저하와 함께 피로거동을 알아보고자 변위, 변형률 및 미소파괴음을 측정하였다. Fig.
  • 본 시험에서는 가장 보수적인 판단을 위해 평면절리를 사용하여 양방향으로 반복하는 반복전단시험을 수행하였다. 즉, 하부 전단상자에는 암석시험편을, 상부 전단 상자에는 라이닝 시험편을 장착하여 반복전단시험을 수행하였다.
  • 본 시험은 압축공기의 입출입에 따른 콘크리트 라이닝의 인장 피로파괴 특성을 알아보기 위하여 Fig. 6과 같이 4점 굴곡시험(4-point bending test)을 수행하였으며, 하중재하는 사인파(sin wave) 형태의 반복재하방식을 채택하였다. 반복재하하중의 최소값은 일반굴곡시험(이하 ‘굴곡시험’으로 표현)에서 측정한 평균 최대지지하중의 50%를 선택하였으며, 최대값은 최대지지하중의 95, 90, 85, 80, 70%를 재하하여 각 하중 단계마다 5개 시료에 대하여 시험을 수행하였다.
  • 본 절에서는 수직응력을 변화시켜서 전단하중/강도 비가 94∼123% 범위에서 반복전단시험을 수행하였다.
  • 시간 파라미터인 PDT, HDT, HLT는 각각 200μsec, 500μsec, 800μsec로, 신호취득속도는 10MHz로 설정하였다.
  • 시험상의 안전 및 장비 보호를 위하여 ±0.015 mm/sec 속도의 변위제어방식을 선택하였으며 전단변위를 이용한 선형 재하 및 제하 과정에서 지정한 응력수준(최대 2 MPa, 최소 1 MPa)에 도달하면 10초간 하중을 유지한 뒤 다시 제하 및 재하를 반복하도록 설정하였다.
  • 암석/라이닝 인터페이스에 대하여 1∼5 MPa의 수직 응력 조건에서 1회 왕복전단시험을 수행하여 기본마찰각을 구하였다.
  • 먼저 1, 2, 3, 4, 5 MPa의 수직응력조건에서 양방향 전단시험을 수행하여 인터페이스의 기본마찰각을 구하였다. 이 값을 기준으로 Mohr-Coulomb 파괴강도식을 기초하여 수직응력을 재하할 때 예상강도 기준으로 전단응력을 변화시키면서 반복전단하중을 가하였다.
  • 따라서 주기적으로 일정한 하중을 받는 복공식 압축공기에너지 저장공동의 경우 안정성과 기밀성을 확보하기 위해서는 내압구조의 콘크리트 라이닝과 암반절리, 암반과 콘크리트의 인터페이스에 대하여 단순한 반복하중이 아니라 실제 압력 거동을 고려한 피로파괴 성능평가가 필요하다. 이를 위해 본 연구에서는 무근 라이닝에 대한 반복굴곡시험과 암석/콘크리트 사이의 인터페이스에 대한 반복전단시험을 수행하여 주기적 하중 재하에 따른 이들의 역학적 특성과 장기 안정성을 평가하였다.
  • 시험에 사용된 시료는 균질성을 확보하기 위하여 콘크리트 전문업체에 의뢰하여 설계강도 약 42 MPa의 3종 콘크리트로 제작하였다. 장기간의 시험시간과 양생 시간에 따른 강도변화를 고려하여 시료 성형 후 약 1 년의 양생기간을 거친 후 시험을 수행하였다. 시료는 일반 적인 4점 굴곡시험 시료형태인 150 mm × 150 mm × 550 mm의 각주로 제작하였다.
  • 즉, 하부 전단상자에는 암석시험편을, 상부 전단 상자에는 라이닝 시험편을 장착하여 반복전단시험을 수행하였다. 전단면적은 12 cm x 12 cm이며 전단변형이 발생해도 하중을 받는 면적이 일정하도록 하부 시험편의 크기가 더 크게 하여 실험을 수행하였다. 먼저 1, 2, 3, 4, 5 MPa의 수직응력조건에서 양방향 전단시험을 수행하여 인터페이스의 기본마찰각을 구하였다.
  • Table 2에서와 같이 최대재하하중이 85, 90, 95%인 경우는 반복횟수가 50,000회 이내에서 파괴가 발생하였으나, 70%와 80%의 최대재하하중이 작용한 경우에는 50,000회 이내에서 파괴가 발생하지 않았다. 전술한 바와 같이 50,000회 반복시험동안 파괴가 발생되지 않은 시료에 대해 추가적으로 굴곡시험을 일회 수행하여 최대하중, 휨모멘트 등을 산출하였다. 그 결과 80%최대재하하중에서 50,000회의 반복재하하중을 받은 시료는 반복재하로 인해 내부의 손상이 발생한 것으로 추측되며, 이로 인해 반복재하를 받지 않은 원 시료 대비 6.
  • 시료는 일반 적인 4점 굴곡시험 시료형태인 150 mm × 150 mm × 550 mm의 각주로 제작하였다. 제작된 시료는 물(5.7%), 3종시멘트(16.8%), 모래(30.0%), 자갈(잔골재, 7.2%), 혼화재(0.3%) 등으로 구성되어 있으며, 반복굴곡시험을 수행하기 전 건조, 습윤상태의 시료에 대해 각 5회씩 기본물성시험을 수행하였다. 측정된 시험결과는 Table 1과 같이 나타났다.
  • 본 시험에서는 가장 보수적인 판단을 위해 평면절리를 사용하여 양방향으로 반복하는 반복전단시험을 수행하였다. 즉, 하부 전단상자에는 암석시험편을, 상부 전단 상자에는 라이닝 시험편을 장착하여 반복전단시험을 수행하였다. 전단면적은 12 cm x 12 cm이며 전단변형이 발생해도 하중을 받는 면적이 일정하도록 하부 시험편의 크기가 더 크게 하여 실험을 수행하였다.
  • 015 mm/sec 속도의 변위제어방식을 선택하였으며 전단변위를 이용한 선형 재하 및 제하 과정에서 지정한 응력수준(최대 2 MPa, 최소 1 MPa)에 도달하면 10초간 하중을 유지한 뒤 다시 제하 및 재하를 반복하도록 설정하였다. 최대 500회의 반복전단하중을 가하였으며 재하 및 제하과정에서 5 mm 이상 전단변위가 발생하면 시험을 자동으로 종료하도록 설정하였다. MPT에서 정의한 방식으로 시험을 할 경우 전단하중-시간 프로파일은 Fig.
  • 파단이 예상되는 시료의 하부에 파단선에 직교하도록 스트레인게이지를 부착하고, 상부 하중 작용대와 일치하는 시료의 측면 중앙에는 미소파괴음(acoustic emission, AE) 센서를 설치하여 굴곡시험 시 발생하는 변형과 미소파괴음을 측정하였다. 미소파괴음은 재료의 손상과 관련된 갑작스런 변형에너지가 방출할 때 발생하는 탄성파로서, 일반적으로 재료의 파괴에 앞서 미소파괴음 발생이 현저해지는 경향을 보인다(천대성 외, 2008; PAC, 2009).
  • 3(b)와 같다. 하중을 제어변수로 할 경우 급격한 시료 파괴시 장비 및 계측기에 무리를 줄 수가 있어 위와 같은 방식으로 시험을 수행하였다.

대상 데이터

  • 미소파괴음은 재료의 손상과 관련된 갑작스런 변형에너지가 방출할 때 발생하는 탄성파로서, 일반적으로 재료의 파괴에 앞서 미소파괴음 발생이 현저해지는 경향을 보인다(천대성 외, 2008; PAC, 2009). 본 시험에서 사용된 미소파괴음 장치는 미국 PAC사의 PCI/Disp 시스템으로, 2 채널을 통해 측정이 수행되었다. 시간 파라미터인 PDT, HDT, HLT는 각각 200μsec, 500μsec, 800μsec로, 신호취득속도는 10MHz로 설정하였다.
  • 시료는 일반 적인 4점 굴곡시험 시료형태인 150 mm × 150 mm × 550 mm의 각주로 제작하였다.
  • 시험에 사용된 시료는 균질성을 확보하기 위하여 콘크리트 전문업체에 의뢰하여 설계강도 약 42 MPa의 3종 콘크리트로 제작하였다. 장기간의 시험시간과 양생 시간에 따른 강도변화를 고려하여 시료 성형 후 약 1 년의 양생기간을 거친 후 시험을 수행하였다.
  • 피로하중용 전단시험장치는 암반 내 존재하는 개별 불연속면이나 암반과 라이닝 인터페이스 등의 반복하중 하에서의 전단거동을 평가하기 위한 장치를 말한다. 일반적인 전단시험 장치는 일방향으로만 전단하중을 가하도록 되어 있으나 본 연구에 사용된 시험장치는 전단력을 양방향으로 가할 수 있도록 제작되었다(Fig. 2)

이론/모형

  • 세부적인 시험절차는 MTS 시스템의 MPT(Multi-Purpose Testware)를 이용하여 제어하였다(Fig. 3(a)).
본문요약 정보가 도움이 되었나요?

질의응답

핵심어 질문 논문에서 추출한 답변
피로파괴란 무엇인가? 피로파괴는 반복적인 하중에 의해 재료 내에 균열이 발생하고, 진전함에 따라 재료의 물성이 약화되어 최종적으로 파괴에 이르는 현상을 말하며, 일반적으로 반복적인 하중이 가해지는 기계나 구조물 등은 피로파괴를 고려한다. 암반구조물의 경우 일반적으로 동적인 반복하중에 의한 피로파괴보다는 정적인 크립에 의한 피로 파괴를 경험하는 경우가 대다수이다.
압축공기와 같은 물질을 지하에 저장하는 경우, 지하저장시설이 위치하는 암반과 내부 콘크리트의 동적 피로파괴 특성을 검토해야 하는 이유는 무엇인가? 암반구조물의 경우 일반적으로 동적인 반복하중에 의한 피로파괴보다는 정적인 크립에 의한 피로 파괴를 경험하는 경우가 대다수이다. 그러나 압축공기와 같은 물질을 지하에 저장하는 경우 물질의 입 출에 의한 내부 압력의 변화가 발생하기 때문에 지하저장시설이 위치하는 암반과 내부 콘크리트의 동적 피로파괴 특성을 검토해야한다. 본 연구에서는 복공식 지하 압축공기에너지 저장공동 내부에 설치되는 콘크리트 라이닝의 반복굴곡하중에 대한 물성변화와 플러그가 설치된 경계에서의 반복전단하중에 대한 물성변화를 실험적인 방법에 의해 알아보았다.
압축공기에너지저장(Compressed air energy storage, CAES) 기술은 어떻게 구분되는가? 대용량 에너지저장기술로서 압축공기 형태로 전력에너지를 지하공동에 저장하였다가 필요시 저장된 압축공기에너지를 활용하여 전력에너지를 공급하는 압축공기에너지저장(Compressed air energy storage, CAES) 기술이 최근 주목을 받고 있다(김형목 외, 2009; 한국지질자원연구원, 2009; 김형목 외, 2011; 박도현 외, 2011). 압축공기에너지 저장공동은 기밀시스템의 설치유무에 따라 복공식과 무복공식으로 구분되며, 복공식 압축공기에너지저장 시스템의 경우 압축된 공기의 누출 방지와 역학적 안정성을 향상시키기 위해 콘크리트 라이닝(또는 복공판)을 포함한 기밀시스템을 설치한다.
질의응답 정보가 도움이 되었나요?

참고문헌 (16)

  1. Amadei B. & Curran J. H., 1980, Creep behaviour of rock joints, 13th Canadian Rock Mechanics Symposium, Toronto, 146-150. 

  2. Badge M. N. and Petros, V., 2009, Fatigue and dynamic energy behavior of rock subjected to cyclical loading, 46, 200-209. 

  3. Byung-Ki Park and Seokwon Jeon, 2006, Dynamic Frictional Behavior of Artificial Rough Rock Joints under Dynamic Loading, Journal of Korean society for rock, 16, 166-178. 

  4. Byung-Ki Park and Seokwon Jeon, 2006, Dynamic Frictional Behavior of Saw-cut Rock Joints Through Shaking Table Test, Journal of Korean society for rock, 16, 58-72. 

  5. Chang-Woo Hong, Seokwon Jeon and Hae-Moon Choi, 2002, Shear Deformation and Failure Characteristics of Rock-Concrete Interfaces, Journal of Korean society of civil engineers, 22(6-c), 673-680. 

  6. Dae-Sung Cheon, Eui-Seob Park, Yong-Bok Jung, Chulwhan Park and Joong-Ho Synn, 2008, Monitoring Technique using Acoustic Emission and Microseismic Event, Journal of Korean society for rock, 18, 1-9. 

  7. Dohyun Park, Hyung-Mok Kim, Dong-Woo Ryu, Joong-Ho Synn and Won-Kyong Song, 2011, Numerical Study on the Optimal Shape of Concrete Plug for Compressed Air Energy Storage Caverns, Journal of Korean society for rock, 21, 164-173. 

  8. Euiseob Park, 2000, Mechanical behaviour of a concrete plug in storage cavern: by experimental and numerical method, PhD Thesis. 

  9. Hee-Suk Lee, 1999, A study for the mechanical and hydraulic behavior of rock joints under cyclic shear loading, PhD Thesis. 

  10. Hyung-Mok Kim, Dong-Woo Ryu, So-Keul Chung and Won-Kyong Song, 2009, State of the Art for the Underground Unlined Rock Cavern Storage Technology for Compressed Air Energy Storage (CAES), Journal of the Korean society for geosystem engineering, 46, 614-624. 

  11. Hyung-Mok Kim, Jonny Rutqvist, Dong-Woo Ryu, Choon Sunwoo and Won-Kyong Song, 2011, Sensitivity Analysis of Design Parameters of Air Tightness in Underground Lined Rock Cavern (LRC) for Compressed Air Energy Storage (CAES), Journal of Korean society for rock, 21, 287-296. 

  12. Jafari, M. K., Hosseini K. A., Pellet F., Boulon, M, Buzzi, O., 2003, Evaluation of shear strength of rock joints subjected to cyclic loading, Soil Dynamics & Earthquake Engineering, 23, 619-630. 

  13. KIGAM, 2009, Development of Underground Energy Storage System in Lined Rock Cavern, Research Paper. 

  14. PAC, 2009, Acoustic emission level 1 course note. 

  15. Xiao, J. Q., Ding, D. X., Jiang, F. L., Xu, G., 2010, Fatigue damage variable and evolution of rock subjected to cyclic loading, Int. J. Rock Mech. Min. Sci., 47, 461-468. 

  16. Zhang, J., Stang, H., Li, V. C., 1999, Fatigue life prediction of fiber reinforced concrete under flexural load, Int. J. Fatigue, 21, 1033-1049. 

저자의 다른 논문 :

LOADING...

관련 콘텐츠

오픈액세스(OA) 유형

BRONZE

출판사/학술단체 등이 한시적으로 특별한 프로모션 또는 일정기간 경과 후 접근을 허용하여, 출판사/학술단체 등의 사이트에서 이용 가능한 논문

이 논문과 함께 이용한 콘텐츠

섹션별 컨텐츠 바로가기

AI-Helper ※ AI-Helper는 오픈소스 모델을 사용합니다.

AI-Helper 아이콘
AI-Helper
안녕하세요, AI-Helper입니다. 좌측 "선택된 텍스트"에서 텍스트를 선택하여 요약, 번역, 용어설명을 실행하세요.
※ AI-Helper는 부적절한 답변을 할 수 있습니다.

선택된 텍스트

맨위로