[논문]삼각형 돌출부의 크기 및 경사각이 전단파괴 형상 특성에 미치는 영향

김원근; 최우용; 박종덕; 이석원

doi:10.9711/ktaj.2013.15.4.431

삼각형 돌출부의 크기 및 경사각이 전단파괴 형상 특성에 미치는 영향
Effect of size and slope angle of tooth-shaped asperity on shear fracturing characteristics 원문보기

Journal of Korean Tunnelling and Underground Space Association = 한국터널지하공간학회논문집, v.15 no.4, 2013년, pp.431 - 442

김원근 (한국수자원공사) , 최우용 (건국대학교 사회환경시스템공학과) , 박종덕 (건국대학교 사회환경시스템공학과) , 이석원 (건국대학교 사회환경시스템공학과)

초록
AI-Helper

기존의 연구에서 삼각형 돌출부의 크기 즉 돌출부 길이 및 돌출부 경사각 변화에 따른 전단거동 및 파괴 형상 특성에 대한 광범위한 실험적 연구는 부족하였다. 본 연구에서는 직접전단시험기를 사용하여 삼각형 돌출부의 전단거동에 있어서 돌출부의 길이 및 경사각 특성이 표면 돌출부의 파괴 형상 특성에 미치는 영향을 규명하고자 한다. 이를 위하여 돌출부 길이는 4가지로 변환하였고, 수직응력은 3가지로, 그리고 돌출부 경사각은 3개의 각도로 변환하면서 총 36회의 시험을 수행하였다. 시험을 수행한 시편은 3차원 형상측정기를 사용하여 파괴 형상 특성을 정량적으로 분석하였다. 이러한 시험을 통하여, 수직응력 변화에 따른 돌출부의 파괴 형상 특성을 조사하였다. 또한 각각의 경사각에서 돌출부의 길이를 변화시켜 시험을 수행함으로써, 특정 수직응력 하에서 돌출부가 파괴되는 길이 및 높이를 정의하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

Most of previous studies have insufficiently investigated the shear behavior and fracturing characteristics, experimentally in respect to the change of size of tooth-shaped surface asperity such as length and slope angle in a broad range. This study investigates the influence of the length and slope angle of a tooth-shaped surface asperity on the fracturing characteristics and the interface shear strength by using direct shear test apparatus. A total of 36 interface direct shear tests were conducted by changing the three types of slope angle of surface asperity, four type of length, and three types of normal stress. The shape of fractured surface after the test was quantified by using a three-dimensional surface roughness measurement apparatus. Through the experimental test results, the characteristics of fractured shape of surface asperity according to the normal stress were investigated. In addition, fractured length and height were quantified at each slope angle of surface asperity under a certain normal stress condition.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

따라서 본 논문에서는 돌출부 길이가 돌출부 전단거동에 미치는 영향을 연구하기 위하여 돌출부 경사각을 각각 10, 20, 30°로 고정한 다음에, 각각의 수직응력 100, 200, 400 kPa에서 돌출부 길이 변화(4.5, 5.5, 6.5, 7.5 cm)에 따른 전단거동을 연구하였다.
이러한 기존 연구들을 조사하여 보면, 대부분의 연구에서 돌출부의 크기 즉 돌출부 길이(λ) 및 돌출부 경사각(i°) 변화에 따른 전단거동 및 파괴 형상 특성에 대한 연구가 부족하였다. 따라서 본 연구에서는 직접 전단시험기를 사용하여 돌출부 전단면의 전단거동에 있어서 돌출부의 길이 및 경사각 특성이 표면 돌출부의 파괴 형상 특성에 미치는 영향을 규명하고자 한다. 이를 위하여 돌출부 길이(λ)는 4가지로 변환하였고, 수직응력(σ_n)은 3가지로, 그리고 돌출부 경사각(i)은 3개의 각도로 변환하면서 총 36회의 시험을 수행하였다.
이러한 시험을 통하여, 수직응력 변화에 따른 돌출부의 파괴 형상 특성을 조사하고자 한다. 또한 각각의 경사각에서 돌출부 길이를 변화시켜 시험을 수행함으로써, 특정 수직응력 하에서 돌출부가 파괴되는 길이 및 높이를 정의하고자 한다.
본 연구는 평면과 평면이 접하는 접촉면에서의 전단파괴 형상특성에 대해 연구하였다. 특히 돌출부 크기 및 경사각에 따른 전단강도 및 파괴 형상 특성을 실험적으로 연구하였다.
본 연구에서는 돌출부의 크기 및 경사각이 돌출부 파괴 형상 특성에 미치는 영향을 연구하기 위해서, 다양한 크기 및 경사각의 돌출부를 지닌 시편을 우선적으로 직접전단시험기를 사용하여 돌출부 전단시험을 수행하고, 이렇게 수행된 시편을 3차원 형상측정기로 파괴된 형상을 관찰하여 분석하였다.
시험을 수행한 시편은 3차원 형상측정기를 사용하여 파괴 형상 특성을 정량적으로 분석하였다. 이러한 시험을 통하여, 수직응력 변화에 따른 돌출부의 파괴 형상 특성을 조사하고자 한다. 또한 각각의 경사각에서 돌출부 길이를 변화시켜 시험을 수행함으로써, 특정 수직응력 하에서 돌출부가 파괴되는 길이 및 높이를 정의하고자 한다.
본 연구는 평면과 평면이 접하는 접촉면에서의 전단파괴 형상특성에 대해 연구하였다. 특히 돌출부 크기 및 경사각에 따른 전단강도 및 파괴 형상 특성을 실험적으로 연구하였다. 본 연구를 통하여 얻은 결론은 다음과 같다.

제안 방법

전단 속도3 mm/min로 전단변위가 40 mm (최대 돌출부 길이 75 mm의 1/2보다 크게 전단변위가 일어나도록 하기 위해)가 될 때까지 전단을 계속시켰다. 40 mm의 전단 변위가 일어난 후, 직접전단시험기를 분리하여 파괴된 시료를 3차원 형상측정기를 이용하여 그 형상을 측정하고 전단파괴 전의 시료 형상과 비교･분석하였다.
각형 돌출부가 직접전단시험 전･후에 변화하는 형상을 측정하기 위하여 Fig. 4과 같이 3차원 형상측정기를 사용하였다. 시험기를 사용하여 표면 형상을 측정한 예로 Fig.
5 cm로 변화시켰으며, 마지막으로 σ_n 은 100, 200, 400 kPa로 적용하였다. 따라서 총 36회의 돌출부 직접전단시험을 수행하였다.
이런 경우의 파괴된 돌출부의 수평거리와 수직높이는 파괴면이 평행하게 나타난 구간과 파괴전 시편의 형상이 만나는 점을 이어 파괴된 돌출부의 수평거리와 수직높이를 측정하여 결과값을 얻었다. 본 논문에서는 3차원으로 파괴형상을 측정하였으나, 돌출부 파괴면의 수평거리와 돌출부 파괴면의 수직높이를 시료 폭을 따라 평균하여 2차원 적으로 산출하였다. Table 2는 Fig.
본 연구에서 시험에 적용한 변수는 돌출부 각도(i°), 돌출부 길이(λ), 수직응력(σn)으로, i는 10, 20, 30°로 변화시켰고, λ 는 4.5, 5.5, 6.5, 7.5 cm로 변화시켰으며, 마지막으로 σn 은 100, 200, 400 kPa로 적용하였다.
사용한 시편의 압축강도를 측정하기 위하여 Φ100 mm × 200 mm 크기의 공시체를 제작하여 일축압축시험을 수행하였다.
5 cm)에 따른 전단거동을 연구하였다. 수직응력을 이렇게 정한 이유는, 100 kPa에서는 미끄러짐에 대한 전단 거동을, 400 kPa에서는 돌출부가 완전히 전단되는 완전전단파괴를, 그리고 200 kPa은 두 가지 거동의 중간 거동을 보기 위해서 선정하였다. 본 논문에서 미끄러짐이란 전단과정 중에서 돌출부가 파괴되지 않고 미끄러져 올라탐으로써 수직변위(dilation)가 발생하는 과정을 말한다.
1과 같이 전단 상자가 150 × 150 × 200 mm (가로 × 세로 × 높이)로 구성되어 있다. 수평하중은 로드셀 (load cell)로, 그리고 수평변위와 수직변위는 LVDT (linear variable differential transformer)를 이용하여 측정하였다. 전단 변형율은 속도 조절시스템에 의하여 1.
시편의 돌출부 부분은 시편의 몰드 가운데에 홈을 내어서 돌출부 길이(λ)와 돌출부 경사각(i°)을 변화시킨 돌출부 판을 탈･부착이 가능하도록 제작 하였다.
직접전단시험을 수행하기 위하여 우선적으로 삼각형 돌출부 시편을 만들었다. 시편의 제작은 미리 결정된 배합비로 배합한 혼합 재료를 몰드에 붙고 24시간 동안 몰드 안에서 건조 시킨 후, 몰드와 시편을 분리시켜 총 15일 동안(목표 강도가 도달할 때까지) 자연건조시켰다. 이때 시편에 공극이 생성되는 것을 최소화하기 위해 고무망치로 계속해서 두드려 주었다.
이를 위하여 돌출부 길이(λ)는 4가지로 변환하였고, 수직응력(σ_n)은 3가지로, 그리고 돌출부 경사각(i)은 3개의 각도로 변환하면서 총 36회의 시험을 수행하였다. 시험을 수행한 시편은 3차원 형상측정기를 사용하여 파괴 형상 특성을 정량적으로 분석하였다. 이러한 시험을 통하여, 수직응력 변화에 따른 돌출부의 파괴 형상 특성을 조사하고자 한다.
이를 위하여 돌출부 길이(λ)는 4가지로 변환하였고, 수직응력(σn)은 3가지로, 그리고 돌출부 경사각(i)은 3개의 각도로 변환하면서 총 36회의 시험을 수행하였다.
수평하중은 로드셀 (load cell)로, 그리고 수평변위와 수직변위는 LVDT (linear variable differential transformer)를 이용하여 측정하였다. 전단 변형율은 속도 조절시스템에 의하여 1.0~10 mm/min까지 조절이 가능한데, 본 연구에서 모든 시료에서 3 mm/min으로 수행하였다.
직접전단시험을 수행하기 위하여 우선적으로 삼각형 돌출부 시편을 만들었다. 시편의 제작은 미리 결정된 배합비로 배합한 혼합 재료를 몰드에 붙고 24시간 동안 몰드 안에서 건조 시킨 후, 몰드와 시편을 분리시켜 총 15일 동안(목표 강도가 도달할 때까지) 자연건조시켰다.

대상 데이터

본 연구에서 사용한 삼각형 표면 돌출부 시편은 모래와 석고 그리고 물의 배합비를 2 : 5 : 5로 하였다. 모래는 주문진 여과사(KS L 5100)를, 석고는 도자기 형재용석고(KS L 9001)를, 물은 증류수를 사용하였다. 시편의 크기는 Fig.
본 연구에 사용된 직접전단시험기는 Fig. 1과 같이 전단 상자가 150 × 150 × 200 mm (가로 × 세로 × 높이)로 구성되어 있다.
본 연구에서 사용한 삼각형 표면 돌출부 시편은 모래와 석고 그리고 물의 배합비를 2 : 5 : 5로 하였다. 모래는 주문진 여과사(KS L 5100)를, 석고는 도자기 형재용석고(KS L 9001)를, 물은 증류수를 사용하였다.
모래는 주문진 여과사(KS L 5100)를, 석고는 도자기 형재용석고(KS L 9001)를, 물은 증류수를 사용하였다. 시편의 크기는 Fig. 2와 같이 가로 150 mm, 세로 150 mm, 높이 200 mm인 직육면체 형태로 직접전단 시험에 사용한 내부 전단 상자의 크기와 동일하게 제작하였다. 시편의 돌출부 부분은 시편의 몰드 가운데에 홈을 내어서 돌출부 길이(λ)와 돌출부 경사각(i°)을 변화시킨 돌출부 판을 탈･부착이 가능하도록 제작 하였다.

성능/효과

경사각 10°에서 수직응력이 200 kPa, 400 kPa일 때(Figs. 7(b), (c))는 상대적으로 높은 수직응력을 주었기 때문에 미끄러짐 현상은 크게 일어나지 않았고, 돌출부 길이가 4.5 cm에서 7.5 cm로 증가할수록 전단응력 값이 증가하는 경향이 뚜렷이 나타났다. 특히 수직응력 400 kPa에서는 최대 전단강도가 가장 크게 나타났으며, 전단응력 값이 최대 전단강도를 지나고 난 후 일정한 값으로 수렴하는 경향(Yang and Chiang, 2000)이 가장 확실하게 나타났다.
1. 돌출부의 경사각이 동일하고 수직응력의 조건이 같을 때, 돌출부 길이가 증가할수록 전단응력이 증가하는 경향을 보였다. 단, 돌출부 경사각이 10°인 경우, 돌출부 길이가 증가할수록 전단응력이 증가하나, 다른 돌출부 경사각과 비교했을 때, 그 증가폭이 작았다.
2. 돌출부 경사각이 10°인 경우 전단응력이 최대 전단 응력을 지나간 후 대체적으로 일정한 값으로 수렴하였다.
3. 돌출부의 경사각이 같고 돌출부 길이가 동일할 때, 수직응력을 증가시키면 돌출부 파괴면의 수평 거리는 점점 증가하고 돌출부 파괴면의 수직높이는 점점 감소하였다.
4. 돌출부의 경사각이 동일하고 수직응력이 같을 때, 돌출부 길이에 관계 없이 일정한 돌출부 파괴면의 수평거리를 보였다. 동일한 조건에서 돌출부 파괴면의 수평거리의 차이는 돌출부 길이에 관계없이 9 mm 내외이다.
5. 돌출부의 경사각이 동일하고 수직응력이 같을 때, 돌출부 길이가 증가할수록 돌출부 파괴면의 수직 높이는 증가하는 경향을 보였다. 이는 일정한 돌출부 파괴면의 수평거리가 구현될 때까지의 돌출부 파괴면의 수직높이가 존재하는 것으로 판단된다.
경사각 20°인 경우와 경사각 30°인 경우를 비교하면, 경사각이 30°인 시편의 전단변위-전단응력 그래프가 최대전단강도 이후 전단응력이 더 급하게 감소하는 경향을 보였다.
그 결과 동일한 돌출부 길이를 가질 때, 돌출부의 경사각이 10°에서 30°로 증가할수록 전단면 마찰각이 커졌고, 동일한 돌출부의 경사각을 가진 시편에서는 돌출부 길이가 증가할 수록 전단면 마찰각이 증가하였다.
돌출부의 경사각이 20°인 시편에서는 돌출부의 경사각이 10°인 시편과 비교하여, 돌출부 길이가 증가할수록 전단응력이 증가하는 양상이 더욱 뚜렷하게 나타났다.
돌출부의 경사각이 30°인 시편은 경사각이 20°인 시편과 동일하게 돌출부 길이가 증가할수록 전단 응력이 증가하는 양상이 뚜렷이 나타났으며, 미끄러짐 현상 역시 거의 발생하지 않았다.
12의 결과를 숫자로 도표화하여 나타낸 것이다. 돌출부의 경사각이 같고 돌출부 길이가 동일할 때, 수직응력을 증가시키면 돌출부 파괴면의 수평거리는 점점 증가하고 돌출부 파괴면의 수직높이는 점점 감소하였다. 단, 돌출부 길이가 4.
돌출부의 경사각이 동일하고 수직응력이 같을 때, 돌출부 길이에 관계없이 돌출부 파괴면의 수평거리는 전체적으로 일정한 값을 가졌고, 돌출부 파괴면의 수평거리의 차이는 9 mm 내외였다. 동일한 조건에서 돌출부 길이가 증가할수록 돌출부 파괴면의 수직높이의 값은 증가하는 경향을 보였다. 이는 일정한 돌출부 파괴면의 수평거리가 구현될 때까지의 돌출부 파괴면의 수직높이가 존재하는 것으로 판단된다.
또한 돌출부의 경사각이 10°인 시편의 전단응력은 돌출부의 경사각이 20°, 30° 의 시편과 비교했을 때 최대전단강도를 보이고 난 후 전단응력이 전체적으로 일정한 값으로 수렴하는 경향이 보인다.
7은 돌출부의 경사각을 10°로 고정시키고 수직 응력을 100, 200, 400 kPa로 변화 시켰을 때, 돌출부 길이(λ)에 따른 전단변위-전단응력의 관계를 보여주고 있다. 모든 그림에서 보여주듯이, 돌출부 길이가 4.5 cm에서 7.5 cm로 증가할수록 전단응력이 점점 증가하는 것을 알 수 있다. 또한 돌출부의 경사각이 10°인 시편의 전단응력은 돌출부의 경사각이 20°, 30° 의 시편과 비교했을 때 최대전단강도를 보이고 난 후 전단응력이 전체적으로 일정한 값으로 수렴하는 경향이 보인다.
또한 본 연구에서 제시한 전단면 마찰각은 보정된 값이므로 이를 직접적으로 절리면 전단 모델에 적용할 수는 없다. 본 연구에서 제시한 전단면 마찰각은 돌출부를 완전히 올라타는 경우와 돌출부가 완전히 전단되는 두 가지 경우의 중간 영역에서 산정된 결과로서, 따라서 이를 직접적으로 Patton (1966)의 이중선형모델에 적용할 수는 없는 결과이다.
본 연구에서는 전단변위에 따른 수직변위도 관찰하였는데, 수직변위 결과로 보아 수직응력이 200 kPa과 400 kPa에서는 전단파괴가 발생하여, 돌출부 길이가 클수록 전단강도가 증가하는 것이 뚜렷이 나타났다. 이러한 연유는 돌출부 길이가 크다는 것은 동일한 수직응력에서도 발생하는 수직변위를 그만큼 더 억제하여야 한다는 것이다.
전단면 마찰각의 결과 값을 비교하기 위하여, 돌출부 길이가 4.5 cm이고, 돌출부 경사각이 10°, 20°, 30°인 시편의점착력 값으로 돌출부 길이가 5.5 cm, 6.5 cm, 7.5 cm의 점착력 값을 보정하였다.

후속연구

따라서 만약 절리면 전단 거동 등에 적용한다면 이러한 보정은 불필요할 것으로 판단된다. 또한 본 연구에서 제시한 전단면 마찰각은 보정된 값이므로 이를 직접적으로 절리면 전단 모델에 적용할 수는 없다. 본 연구에서 제시한 전단면 마찰각은 돌출부를 완전히 올라타는 경우와 돌출부가 완전히 전단되는 두 가지 경우의 중간 영역에서 산정된 결과로서, 따라서 이를 직접적으로 Patton (1966)의 이중선형모델에 적용할 수는 없는 결과이다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	시편의 제작은 어떻게 하였는가?	직접전단시험을 수행하기 위하여 우선적으로 삼각형 돌출부 시편을 만들었다. 시편의 제작은 미리 결정된 배합비로 배합한 혼합 재료를 몰드에 붙고 24시간 동안 몰드 안에서 건조 시킨 후, 몰드와 시편을 분리시켜 총 15일 동안(목표 강도가 도달할 때까지) 자연건조시켰다. 이때 시편에 공극이 생성되는 것을 최소화하기 위해 고무망치로 계속해서 두드려 주었다.
	삼각형 돌출부 시편을 만든 이유는 무엇인가?	직접전단시험을 수행하기 위하여 우선적으로 삼각형 돌출부 시편을 만들었다. 시편의 제작은 미리 결정된 배합비로 배합한 혼합 재료를 몰드에 붙고 24시간 동안 몰드 안에서 건조 시킨 후, 몰드와 시편을 분리시켜 총 15일 동안(목표 강도가 도달할 때까지) 자연건조시켰다.
	삼각형 돌출부 시편을 하부에 고정시킨 후 무엇을 하였는가?	6). 그 후 상부판을 하부판 위에 고정시킨 다음, 수직응력을 가한다. 이때 수직응력은 일정하중조건을 적용하였다. 전단 속도3 mm/min로 전단변위가 40 mm (최대 돌출부 길이 75 mm의 1/2보다 크게 전단변위가 일어나도록 하기 위해)가 될 때까지 전단을 계속시켰다.

참고문헌 (11)

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상세보기
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원문보기 상세보기
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Yang, Z.Y., Chiang, D.Y. (2000), "An experimental study on the progressive shear behaviour of rock joints with tooth-shaped asperities", Int. J. Rock Mech. Sci., Vol. 37, pp. 1247-1259.

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표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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