철도에서 토공구조물은 입경이 큰 조립지반재료를 주요한 재료로 사용하고 있다. 그러나 이들 재료에 대한 미소변형 거동을 평가할 수 있는 동적물성 산정에 대한 연구는 대형시험장비의 부족으로 거의 이루어지지 않고 있다. 이에 본 연구에서는 국내 철도설계기준에 제시되어 있는 입도분포, 단위중량 등의 기본 조건에 맞는 강화노반(보조도상, 입도조정층), 접속부 자갈재료, 상부노반재료에 대해 대형반복삼축압축시험을 수행하여 저변형률 수준에 따른 정규화전단탄성계수와 감쇠비곡선을 제안하고, 각 재료별로 수식 모델과 계수를 제시하였다.
철도에서 토공구조물은 입경이 큰 조립지반재료를 주요한 재료로 사용하고 있다. 그러나 이들 재료에 대한 미소변형 거동을 평가할 수 있는 동적물성 산정에 대한 연구는 대형시험장비의 부족으로 거의 이루어지지 않고 있다. 이에 본 연구에서는 국내 철도설계기준에 제시되어 있는 입도분포, 단위중량 등의 기본 조건에 맞는 강화노반(보조도상, 입도조정층), 접속부 자갈재료, 상부노반재료에 대해 대형반복삼축압축시험을 수행하여 저변형률 수준에 따른 정규화전단탄성계수와 감쇠비곡선을 제안하고, 각 재료별로 수식 모델과 계수를 제시하였다.
In the earth structures of railways, large coarse granular materials are widely used as fill materials. However, experimental studies that consider the dynamic properties of these coarse granular materials have rarely been carried out in Korea due to the lack of a large scale test apparatus in this ...
In the earth structures of railways, large coarse granular materials are widely used as fill materials. However, experimental studies that consider the dynamic properties of these coarse granular materials have rarely been carried out in Korea due to the lack of a large scale test apparatus in this country. In this study, large scale cyclic triaxial tests were carried out for materials such as reinforced roadbed (subballast, graded crushed stone), transition zone gravel, and the upper subgrade of a railway. These specimens were prepared according to certain conditions (dry unit weight, grain size distribution, and so on) specified in the Korea railroad design standard. Based on these large triaxial test results, normalized shear modulus and damping ratio curves according to small strain level are suggested. A model and coefficients for each material are also proposed.
In the earth structures of railways, large coarse granular materials are widely used as fill materials. However, experimental studies that consider the dynamic properties of these coarse granular materials have rarely been carried out in Korea due to the lack of a large scale test apparatus in this country. In this study, large scale cyclic triaxial tests were carried out for materials such as reinforced roadbed (subballast, graded crushed stone), transition zone gravel, and the upper subgrade of a railway. These specimens were prepared according to certain conditions (dry unit weight, grain size distribution, and so on) specified in the Korea railroad design standard. Based on these large triaxial test results, normalized shear modulus and damping ratio curves according to small strain level are suggested. A model and coefficients for each material are also proposed.
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문제 정의
본 논문에서는 철도 토공구조물의 주요 재료인 강화노반 (보조도상, 입도조정층)재료, 접속부 자갈재료, 상부노반재료를 대상으로 저변형률 수준의 동적해석에 필요한 동적물성을 제안하기 위해 대형반복삼축압축시험을 수행하였다.
서론부에서 언급했던 바와 같이 본 논문에서는 철도 토공 구조물의 동적거동해석에 필요한 노반재료들의 동적물성을 제시하는 것을 목표로 하기 때문에, 각 재료별로 얻어진 정규화전단탄성계수 곡선을 보다 합리적으로 표현할 수 있는 수식화된 모델로 제시하는 것이 필요하였다.
이에 본 연구에 앞서 대입경의 지반재료에 대한 보다 합리적인 이해를 위해 대형 삼축압축 시험장비를 구축, 검증하고 시험법에 대한 평가 연구를 수행하였으며[12-14], 이를 통해 조립지반 재료의 동적물성 산정 시험에 대한 신뢰성을 확보한 바 있다. 이어서 본 연구에서는 국내 철도설계기준에 입도와 밀도 기준이 정의된 재료들, 즉, 강화노반재료, 접속부 자갈재료, 상부노반재료 등에 대해 대형반복삼축압축 시험을 통해 저변형률 수준에서의 탄성계수 결과를 제시하고, 최대전단탄성계수를 산정하여 정규화 전단탄성계수와 감쇠비곡선에 대한 모델을 제시하고자 한다.
이에 본 연구에 앞서 대입경의 지반재료에 대한 보다 합리적인 이해를 위해 대형 삼축압축 시험장비를 구축, 검증하고 시험법에 대한 평가 연구를 수행하였으며[12-14], 이를 통해 조립지반 재료의 동적물성 산정 시험에 대한 신뢰성을 확보한 바 있다. 이어서 본 연구에서는 국내 철도설계기준에 입도와 밀도 기준이 정의된 재료들, 즉, 강화노반재료, 접속부 자갈재료, 상부노반재료 등에 대해 대형반복삼축압축 시험을 통해 저변형률 수준에서의 탄성계수 결과를 제시하고, 최대전단탄성계수를 산정하여 정규화 전단탄성계수와 감쇠비곡선에 대한 모델을 제시하고자 한다.
제안 방법
1) 본 연구에서 수행된 대형삼축압축시험에서 얻은 탄성 계수(E)로부터 포아송비(v=0.3)를 가정하고 전단탄성계수와 전단변형률로 변환하여 최대전단탄성계수를 산정하였다.
2) 간단한 수식으로 정규화전단탄성계수 곡선을 적절히 재현하고 있는 것으로 평가된 수정쌍곡선모델(Modified Hyperbolic Model)을 이용해서 본 시험 결과를 곡선맞춤하여 정규화 전단탄성계수곡선과 모델계수를 각 시험 조건별로 제안하였다.
Rollins model, Ramberg-Osgood model, Hyperbolic model, Modified Hyperbolic model 등에 적용하여 본 시험 결과를 가장 근접하게 재현하는 모델을 제안하였다.
01 수준까지 발생할 수 있도록 단계적으로 증가시켜서 제어하였다. 각 하중 단계에서는 일정 진폭의 연속적인 반복축하중을 정현파로 재하하여 하중과 변위를 측정하였으며, 이때 각 하중단계에서는 11번의 정현파를 가하고, 하중단계별로 매 cycle의 정현 파에서 측정된 축차응력의 편진폭, 축변형률의 편진폭으로 등가탄성계수(E eq), 감쇠비(D)를 산정하였다([12], Fig. 4).
즉, 시험장비 시스템의 역학적 순응성 검증을 위해 동적물성 결과를 중심으로 검증작업을 수행하였으며, 이를 위하여 고유의 역학적 특성치(탄성계수)가 같은 직경 300mm와 50mm의 검증시편을 5종류로 제작하여 검증 시험에 활용하였다. 검증 시험에는 대형삼축압축시험, 소형의 공진주시험, 비틂전단시험, 충격반향시험 등이 이루어졌다.
두 번째 재료로 고속철도 노선에서 교대-토공 접속부에 사용되는 일반자갈 및 시멘트처리자갈 재료에 대한 시험을 수행하였다. 철도설계기준에 접속부 일반자갈 재료의 입도분 포는 Fig.
이하의 미소변형률 수준에서의 탄성계수를 정확히 얻기는 어려웠다. 따라서 변형률 수준별 탄성계수의 경향성 및 구속 응력 등을 고려하여 최대전단탄성계수를 변형률 10-6수준 에서의 탄성계수로 산정하여, 이를 바탕으로 정규화 전단탄성계수 감소곡선을 결정하였다.
마지막으로 고속철도 상부노반에 사용되는 조립재료에 대해 동적물성을 평가하였다. 상부노반재료에 대한 조건은 철도건설공사 전문시방서에 최대입경 100mm이하로 입도분포에 대한 기준은 제시되어 있지 않다.
먼저 강화노반(reinforced roadbed) 재료(보조도상; subballast, 입도조정층; graded crushed stone)에 대한 동적특성을 평가하기 위해 다음과 같은 입도 분포로 시험 재료를 구성하였다.
기본적인 시험과정은 일본 지반공학회의 JGS 0542-2000[8]을 기준으로 수행하였다. 먼저 재료에 따른 시험 조건을 만족하는 구속압 상태를 확인한 후 반복 축하중을 가하며, 이때 하중은 변형률이 0.000001 수준에서 0.01 수준까지 발생할 수 있도록 단계적으로 증가시켜서 제어하였다. 각 하중 단계에서는 일정 진폭의 연속적인 반복축하중을 정현파로 재하하여 하중과 변위를 측정하였으며, 이때 각 하중단계에서는 11번의 정현파를 가하고, 하중단계별로 매 cycle의 정현 파에서 측정된 축차응력의 편진폭, 축변형률의 편진폭으로 등가탄성계수(E eq), 감쇠비(D)를 산정하였다([12], Fig.
변위측정은 내부와 외부에서 측정하는 방법이 있으나, 외부 측정 변위는 시료의 양쪽 끝부분에서의 평탄성 등의 문제로 실제보다 큰 변위가 계측되어 변형률이 크게 평가되는 단부오차(bedding error)를 포함할 수밖에 없다. 물론 이러한 단부오차는 반복 재하를 통해 초기에 상당부분 제거하거나 단부의 석고처리 등으로 오차요인을 제거할 수 있으나[10] 본 시험에서는 미소한 변위 수준에서 보다 정밀한 측정을 위해 국부(local)변형 측정법을 도입하였고, 이를 위해 셀 내부의 시편 측면에 변위센서(LDT, Local Deformation Transducer)를 부착하여 미소변위를 측정하였다(Fig. 3[13]).
앞서 발표된 문헌, Lee[15]에 이상의 재료와 함께 축변형률 수준에 따른 탄성계수의 결과들에 대한 설명이 소개되어 있다. 본 논문에서는 철도 토공구조물의 동적해석에 필요한 동적물성 산정을 위해 반복삼축압축시험의 축방향변형률과 응력으로부터 획득한 탄성계수를 가정된 포아송비를 사용해서 다음 식 (1), (2)와 같이 전단탄성계수와 전단변형률로 변환하여 계산하였으며, 이후 정규화 전단탄성계수 곡선을 산정하는데 활용하였다.
본 연구에서 사용한 삼축압축시험장비의 로드셀은 2MPa 압력까지 사용가능한 내압 방수형으로 삼축셀 내부에 위치 하도록 하여 삼축셀과 재하로드(rod)와의 마찰이 시험에서 측정되는 하중에 미치는 영향을 제거하여 보다 정확한 하중 제어가 가능하게 하였으며, 압축과 인장 시험이 모두 가능한 타입으로 설치하여, 다양한 하중 패턴의 하중제어를 수행할 수 있게 하였다.
시편의 다짐밀도와 다짐함수비 등의 조건은 Table 2와 같다. 시편의 다짐함수비는 재료의 입도가 변하고 시멘트 유무에 따라 현장 조건을 고려하여 적용하였다.
2)로서 시험장비의 유효성 및 동적물성 산정시험 결과의 신뢰성 확보를 위한 검증연구가 수행된 바 있다[13]. 즉, 시험장비 시스템의 역학적 순응성 검증을 위해 동적물성 결과를 중심으로 검증작업을 수행하였으며, 이를 위하여 고유의 역학적 특성치(탄성계수)가 같은 직경 300mm와 50mm의 검증시편을 5종류로 제작하여 검증 시험에 활용하였다. 검증 시험에는 대형삼축압축시험, 소형의 공진주시험, 비틂전단시험, 충격반향시험 등이 이루어졌다.
따라서 보조도 상재료의 시험재료로는 M-40의 상한선, M-40/M-25/RBSB의 하한선, M-40 입도분포의 중간부분(RBSB의 상한선과 유사), M-25의 상한선의 입도로 4가지 입도를 시험재료로 사용하였다. 추가적으로 최대입경 125mm의 입도조정층 중간입도분포에 대해서도 최대입경 100mm로 대형 반복삼축압 축시험을 수행하였다(Fig. 5). 시편 성형의 기본 조건은 M40-Middle 재료에 대해 수행한 다짐시험 결과를 반영하여, 건조단위중량은 21(kN/m 3 )로 하였으며, 다짐함수비는 최대입 경이 100mm인 GCS-1을 제외하고 모든 시편에서 M40-Middle 재료의 최적함수비(OMC)인 7%로 성형하였다(Table 1).
대상 데이터
상부노반재료에 대한 조건은 철도건설공사 전문시방서에 최대입경 100mm이하로 입도분포에 대한 기준은 제시되어 있지 않다. 따라서 다양한 입도분포의 재료로 시공될 수 있어 상부노반에 적용 가능한 입도 분포의 범위는 매우 넓다고 볼 수 있지만, 본 시험에서는 실제 고속철도 상부노반에 시공된 재료로 최대입경이 약 26mm 인 Fig. 8의 입도와 Table 3의 시험 조건으로 시편을 성형 하여 시험을 수행하였다.
반면 철도설계기준 상의 고속철도 보조도상재료 (RBSB)의 상한선과는 차이를 보이고 있다. 따라서 보조도 상재료의 시험재료로는 M-40의 상한선, M-40/M-25/RBSB의 하한선, M-40 입도분포의 중간부분(RBSB의 상한선과 유사), M-25의 상한선의 입도로 4가지 입도를 시험재료로 사용하였다. 추가적으로 최대입경 125mm의 입도조정층 중간입도분포에 대해서도 최대입경 100mm로 대형 반복삼축압 축시험을 수행하였다(Fig.
본 연구에 사용된 대형삼축압축시험장비는 한국철도기술 연구원에 구축된 장비(Fig. 2)로서 시험장비의 유효성 및 동적물성 산정시험 결과의 신뢰성 확보를 위한 검증연구가 수행된 바 있다[13]. 즉, 시험장비 시스템의 역학적 순응성 검증을 위해 동적물성 결과를 중심으로 검증작업을 수행하였으며, 이를 위하여 고유의 역학적 특성치(탄성계수)가 같은 직경 300mm와 50mm의 검증시편을 5종류로 제작하여 검증 시험에 활용하였다.
이론/모형
기본적인 시험과정은 일본 지반공학회의 JGS 0542-2000[8]을 기준으로 수행하였다. 먼저 재료에 따른 시험 조건을 만족하는 구속압 상태를 확인한 후 반복 축하중을 가하며, 이때 하중은 변형률이 0.
전단변형률에 따른 비선형의 전단탄성계수 및 감쇠비 곡선은 지난 수십년간 다양한 지반재료에 대해 광범위하게 연구되어왔으며, 많은 연구자들은 이러한 지반재료의 비선형 거동예측을 위한 다양한 모델을 제시하였다[5,6,21-24]. 본 연구에서는 간단한 수식과 계수들로 효과적으로 전단탄성계수의 비선형성을 표현할 수 있는 모델로 다음 식 (3)과 같은 Darendeli[5]에 의해 제안된 수정쌍곡선모델(Modified Hyperbolic Model)을 이용하여 정규화 전단탄성계수 곡선을 제시 하였다.
성능/효과
3) 감쇠비의 경우, 본 연구에서 수행되었던 시험재료, 입도 및 구속응력 등의 조건별로 크게 다른 경향성을 보이지 않으며, 일정한 범위내의 값으로 확인되어, 단일 대표곡선으로 제안하였다.
대형삼축압축시험장비에 대한 검증 시험 결과 우레탄시편 들의 전단변형률에 따른 탄성계수와 감쇠비가 일정한 값을 나타내면서 우레탄 검증시편의 재료 특성을 잘 반영하고 있음이 확인되었으며, 같은 강성으로 제작된 소형(직경 50mm) 우레탄시편과 대형(직경 300mm) 우레탄시편에 대해 유사한 하중주파수로 수행된 비틂전단시험과 대형삼축압축시험에서 5쌍 검증 시편 모두 절대적인 강성값이 거의 같은 결과를 보여 다른 시험법과의 비교에서도 합리적인 결과를 검증할 수있었다. 또한 대형삼축압축시험, 비틂전단실험, 공진주실험, 충격반향시험으로 상호 검증한 결과들에서는, 일정 하중주 파수(0.
대형삼축압축시험장비에 대한 검증 시험 결과 우레탄시편 들의 전단변형률에 따른 탄성계수와 감쇠비가 일정한 값을 나타내면서 우레탄 검증시편의 재료 특성을 잘 반영하고 있음이 확인되었으며, 같은 강성으로 제작된 소형(직경 50mm) 우레탄시편과 대형(직경 300mm) 우레탄시편에 대해 유사한 하중주파수로 수행된 비틂전단시험과 대형삼축압축시험에서 5쌍 검증 시편 모두 절대적인 강성값이 거의 같은 결과를 보여 다른 시험법과의 비교에서도 합리적인 결과를 검증할 수있었다. 또한 대형삼축압축시험, 비틂전단실험, 공진주실험, 충격반향시험으로 상호 검증한 결과들에서는, 일정 하중주 파수(0.5Hz)에서의 탄성계수로 정규화하였을 경우 하중주파 수의 대수축에 직선적 증가경향을 보이는 우레탄 검증시편의 특성을 매우 이상적으로 나타내고 있었다. 이와 같은 검증 실험 결과들로부터 향후 수행되는 동적물성 실험결과에 대해 신뢰도를 확보할 수 있을 것으로 판단하였다[13].
5). 시편 성형의 기본 조건은 M40-Middle 재료에 대해 수행한 다짐시험 결과를 반영하여, 건조단위중량은 21(kN/m 3 )로 하였으며, 다짐함수비는 최대입 경이 100mm인 GCS-1을 제외하고 모든 시편에서 M40-Middle 재료의 최적함수비(OMC)인 7%로 성형하였다(Table 1).
Ramberg-Osgood Model의 경우에는 비선형전단탄성계수의 회귀분석으로서 감쇠비를 결정하기 때문에 최소감쇠비 (D min )의 경우 지나치게 작게 평가되는 경향이 있다. 이에 최소감쇠비(D min )를 도입하여 각 모델에 적용하였을 때 보다 시험 결과를 근접하게 예측하는 것으로 평가되었다. 반면 Modified Hyperbolic Model은 전체 변형률 구간에서 감쇠비를 적절하게 표현하지 못하는 것으로 나타났다.
즉, Rollins식과 Hyperbolic Model, 그리고 Ramberg-Osgood Model은 미소 변형률 수준에서 본 연구에서 수행된 철도노반 재료의 대형 삼축압축 시험에서 산정된 감쇠비를 과소평가하고 있는 것으로 나타났다.
후속연구
4) 철도의 주요 토공재료들은 그 입도와 단위중량 등 기본 물성이 철도설계기준에 제시되어 있어, 실제 현장에서 사용되는 재료의 범위가 제한적이다. 본 연구에서도 이러한 철도설계기준에 부합하도록 시편을 제작하고 시험을 수행하였기 때문에 본 연구에서 제시한 동적물성모델은 다양한 현장에서 큰 오차없이 합리적으로 적용 가능할 것으로 판단된다.
5) 상부노반재료는 현장에서 적용할 수 있는 재료의 입도 분포 범위가 매우 넓어 본 연구에서 사용했던 재료와 유사한 입도분포특성을 갖는 경우에만 참고자료로 활용할 수 있음을 유의해야 할 것이다.
6) 본 연구에 사용된 시편의 조건과 다른 입자별 강도특성, 다짐함수비 또는 구축 후 포화도 등에 따른 변화 등에 대해서는 추가적인 검증 시험 후 적용이 필요할 것으로 판단된다.
특히 이들 재료의 변형률 수준에 따른 탄성계수의 비선형적 거동을 수식화해서 표현하고 포함된 재료 계수들과 시험결과에서 곡선맞춤으로 산정된 최대전단탄 성계수를 몇몇 구속압 수준별로 제시하여 이들의 활용이 보다 용이할 것으로 판단된다. 다만, 앞서 시험재료 설명에서 언급했던 바와 같이 상부노반재료는 현장에서 적용할 수 있는 재료의 입도분포 범위가 매우 넓어 본 연구에서 사용했던 재료와 유사한 입도분포특성을 갖는 경우에만 참고자료로 활용할 수 있음을 유의해야 할 것이다.
본 연구에서 수행했던 시편들 중 강화노반(보조도상, 입도 조정층) 및 접속부 자갈재료의 경우 현재 철도설계기준 상에 제시되어 있는 입도와 밀도를 기준으로 시편을 제작하여 시험을 수행하였으므로, 대부분의 철도 토공구조물의 거동 해석 등에 필요한 탄성계수 자료로 유용하게 사용할 수 있을 것으로 판단된다. 특히 이들 재료의 변형률 수준에 따른 탄성계수의 비선형적 거동을 수식화해서 표현하고 포함된 재료 계수들과 시험결과에서 곡선맞춤으로 산정된 최대전단탄 성계수를 몇몇 구속압 수준별로 제시하여 이들의 활용이 보다 용이할 것으로 판단된다.
4) 철도의 주요 토공재료들은 그 입도와 단위중량 등 기본 물성이 철도설계기준에 제시되어 있어, 실제 현장에서 사용되는 재료의 범위가 제한적이다. 본 연구에서도 이러한 철도설계기준에 부합하도록 시편을 제작하고 시험을 수행하였기 때문에 본 연구에서 제시한 동적물성모델은 다양한 현장에서 큰 오차없이 합리적으로 적용 가능할 것으로 판단된다.
본 연구에서 수행했던 시편들 중 강화노반(보조도상, 입도 조정층) 및 접속부 자갈재료의 경우 현재 철도설계기준 상에 제시되어 있는 입도와 밀도를 기준으로 시편을 제작하여 시험을 수행하였으므로, 대부분의 철도 토공구조물의 거동 해석 등에 필요한 탄성계수 자료로 유용하게 사용할 수 있을 것으로 판단된다. 특히 이들 재료의 변형률 수준에 따른 탄성계수의 비선형적 거동을 수식화해서 표현하고 포함된 재료 계수들과 시험결과에서 곡선맞춤으로 산정된 최대전단탄 성계수를 몇몇 구속압 수준별로 제시하여 이들의 활용이 보다 용이할 것으로 판단된다. 다만, 앞서 시험재료 설명에서 언급했던 바와 같이 상부노반재료는 현장에서 적용할 수 있는 재료의 입도분포 범위가 매우 넓어 본 연구에서 사용했던 재료와 유사한 입도분포특성을 갖는 경우에만 참고자료로 활용할 수 있음을 유의해야 할 것이다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
고속철도가 일반철도 및 도로에서 허용되던 노반의 작은 변형에도 큰 사고로 이어질 수 있는 이유는 무엇인가?
철도는 매우 중요한 대중교통수단의 하나로서, 안전하고 최적화된 성능을 얻기 위한 지속적인 노력이 진행되고 있다. 특히 최근 고속철도는 전 세계적으로 주목받고 있는 교통 기반시설이지만, 시속 300km/h 이상의 고속으로 운행되기 때문에 일반철도 및 도로에서 허용되던 노반의 작은 변형에도큰 사고로 이어질 수 있다. 따라서 철도에서 궤도시스템을 지지하고 있는 노반구조물의 보다 정확한 거동 예측과 이에 따른 설계와 시공 및 품질 관리에 많은 관심이 요구되고 있다.
철도 토공구조물은 어떻게 구성되어 있는가?
한편 철도 토공구조물은 궤도 하부의 강화노반, 상/하부노반, 접속부 등으로 구성되어 궤도 상부 시스템을 지지하고 있으며, 대부분 일반 토사입자보다 입경이 큰 자갈, 쇄석 등을 포함한 조립지반재료를 주요한 재료로 이루어져 있다(Fig. 1).
고속철도의 문제점을 해결하기위해 무엇이 요구되고 있는가?
특히 최근 고속철도는 전 세계적으로 주목받고 있는 교통 기반시설이지만, 시속 300km/h 이상의 고속으로 운행되기 때문에 일반철도 및 도로에서 허용되던 노반의 작은 변형에도큰 사고로 이어질 수 있다. 따라서 철도에서 궤도시스템을 지지하고 있는 노반구조물의 보다 정확한 거동 예측과 이에 따른 설계와 시공 및 품질 관리에 많은 관심이 요구되고 있다. 특히 파괴까지 이르는 큰 변형이 발생되지 않는 경우에도 지진을 비롯한 교통하중, 폭발하중과 같은 다양한 동적 하중으로 인해 시스템 운영에 영향을 줄 수 있는 미소한 변형도 보다 합리적으로 평가하는 것이 필요하다. 따라서 이를 위해 사용되는 재료에 대해 (i) 저변형률 수준에서의 최대전단탄성계수(G max ), (ii) 정규화전단 탄성계수 곡선(G/G max vs γ), (iii) 감쇠비 곡선(D vs γ) 등과 같은 동적물성이 요구 된다.
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