무인 착저식 지반조사 장비의 안정성 검토 및 수중 SPT효율 분석 Analysis on the efficiency of underwater SPT module and stability for seabed type geotechnical investigation equipment원문보기
최근 초장대 교량, 인공섬 또는 해상풍력 기초 등에 대한 관심이 높아지고 있으며, 다양한 해양구조물을 안전하게 건설하기 위해서는 신뢰성이 높은 지반조사가 필수적이다. 현재 해상의 지반조사 작업은 해상용 작업선에 육상용 지반조사장비를 설치하여 실시하고 있다. 이럴 경우, 30m이상의 대수심 조건이나 고파랑, 높은 조류 등 열악한 해양 환경에 제약을 많이 받는 한계점을 나타내고 있다. 대수심 조건에서 안전하고 신뢰성이 높은 지반조사를 위하여 착저형 무인 해저지반조사 장비를 개발하였다. 개발된 해저지반조사 장비는 수심 100m 조건에서 심도 50m까지 지반조사가 가능하며, 표준관입시험(Standard Penetration Test, SPT), 지반보링 시스템, 암반 코어링 시스템이 가능하도록 설계 및 제작되었다. 수중에서 4노트(2m/s)의 조류에 대한 해저지반조사 장비의 거동을 수치해석을 통해 검토하였다. 또한 해저지반조사 장비에 장착되어 있는 표준관입시험 장치의 에너지 효율을 실험으로부터 측정한 결과 78%를 확인하였다.
최근 초장대 교량, 인공섬 또는 해상풍력 기초 등에 대한 관심이 높아지고 있으며, 다양한 해양구조물을 안전하게 건설하기 위해서는 신뢰성이 높은 지반조사가 필수적이다. 현재 해상의 지반조사 작업은 해상용 작업선에 육상용 지반조사장비를 설치하여 실시하고 있다. 이럴 경우, 30m이상의 대수심 조건이나 고파랑, 높은 조류 등 열악한 해양 환경에 제약을 많이 받는 한계점을 나타내고 있다. 대수심 조건에서 안전하고 신뢰성이 높은 지반조사를 위하여 착저형 무인 해저지반조사 장비를 개발하였다. 개발된 해저지반조사 장비는 수심 100m 조건에서 심도 50m까지 지반조사가 가능하며, 표준관입시험(Standard Penetration Test, SPT), 지반보링 시스템, 암반 코어링 시스템이 가능하도록 설계 및 제작되었다. 수중에서 4노트(2m/s)의 조류에 대한 해저지반조사 장비의 거동을 수치해석을 통해 검토하였다. 또한 해저지반조사 장비에 장착되어 있는 표준관입시험 장치의 에너지 효율을 실험으로부터 측정한 결과 78%를 확인하였다.
In order to construct offshore structures safely, geotechnical investigation should be carried out with high accuracy. Up to now, onshore geotechnical investigation equipments installed on the barge are used for offshore geotechnical investigation. In this case, many limitations can be confronted su...
In order to construct offshore structures safely, geotechnical investigation should be carried out with high accuracy. Up to now, onshore geotechnical investigation equipments installed on the barge are used for offshore geotechnical investigation. In this case, many limitations can be confronted such as deep water depth, high wave, strong current, severe wind and so on. For the safe and economic offshore geotechnical investigation with high precision, a seabed type unmanned automated site investigation equipment is developed. It can be operated remotely underwater conditions with 100m water depth and can explore the ground depth of 50m. Also, the standard penetration test (SPT), soil boring, soil sampling and rock coring can be possible using the equipment. Numerical analysis was conducted to secure the stability of the equipment against current of 4 knot. Energy efficiency of SPT apparatus which is attached to the equipment shows 78% in average.
In order to construct offshore structures safely, geotechnical investigation should be carried out with high accuracy. Up to now, onshore geotechnical investigation equipments installed on the barge are used for offshore geotechnical investigation. In this case, many limitations can be confronted such as deep water depth, high wave, strong current, severe wind and so on. For the safe and economic offshore geotechnical investigation with high precision, a seabed type unmanned automated site investigation equipment is developed. It can be operated remotely underwater conditions with 100m water depth and can explore the ground depth of 50m. Also, the standard penetration test (SPT), soil boring, soil sampling and rock coring can be possible using the equipment. Numerical analysis was conducted to secure the stability of the equipment against current of 4 knot. Energy efficiency of SPT apparatus which is attached to the equipment shows 78% in average.
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문제 정의
앞장에서 기술한 바와 같이 해상구조물의 건설을 수행하기 위해서는 신뢰성이 높은 해저의 지반조사 자료가 필요하고 또한 해저지반조사 전용 장비의 필요성이 대두되고 있다. 본 논문에서는 수심 100m 조건에서 심도 50m까지 지반보링, 표준관입시험 및 암반 코어링이 가능하도록 개발중인 착저형 무인 해저지반조사 장비를 소개 하고자 한다. Fig.
현재 초장대 교량사업의 일환으로 수심 100m 조건에서 심도 50m까지 보링, 표준관입시험(Standard Penetration Test, SPT)과 암반 코어링이 가능한 수중 무인 지반조사 장비에 대한 개발 연구가 진행 중이다[3,4]. 본 논문에서는 해저지반조사 장비의 국내외 기술개발 동향과 더불어 현재 개발 진행 중인 무인 해저 착저형 지반 조사장비에 대해서 소개하였다. 해저지반조사 장비의 각 세부 모듈에 대한 성능평가를 실시하였고 해저면 착저후 지반조사장비의 조류의 발생시 해저지반조사 장비의 안정성을 확인하기 위하여 수치해석을 실시하였다.
따라서 파랑, 조류 등 해양환경에 의한 해저지반조사 장비의 안정성 (safety) 해석이 필요하다. 본 연구에서는 해저지반조사 장비의 착저 후 조류에 대해 유체와 구조물의 상대거동 분석에 주로 활용되고 있는 Computational Fluid Dynamics (CFD) 해석을 수행하였다. CFD는 유체 현상을 수학적으로 모델링한 나비에-스토크스 방정식(Navier-Stokes Equation)을 유한차분법, 유한요소법, 유한 체적법 등의 방법들로 이산화하여 수치적으로 유체 유동문제를 풀고 해석하는 방법이다.
가설 설정
10은 조류에 의한 해저지반조사 장비의 변위거동을 나타내고 있다. 조류조건 4노트(2m/s)로서 비교적 빠른 조류속도 조건을 적용하여 해저지반조사 장비에 대하여 가장 취약한 옆면에 조류가 발생한다고 가정하였다. 외부 조류 측에 대해 해저지반조사 장비 부재의 최대변위는 상부에 약 0.
제안 방법
검증실험은 이천지역의 풍화대를 대상으로 하였고 측정 장치는 Pile Dynamics Inc.(PDI)사의 Pile Driving Analyzer(PDA)장비를 이용하여 측정하였다. Fig.
8의 ⑤번은 유압부이다. 100마력 용량의 유압 모터를 이용하여 지반굴착 및 암반 코어링 등의 작업을 수행하고 또한, 수심 100m의 수압에도 원활한 작업을 위한 방수시스템을 갖추었다.
SPT 효율 시험은 네 지역에서 각각 10∼20차례의 시험을 하였다.
8의 ⑥번의 전기부는 각종 유압시스템과 운영시스템을 전기 신호로 제어한다. 로드 이동 모듈의 동작이나 로드의 이동 등의 동작을 비디오 영상과 근접센서를 장착하여 운영자가 원활한 제어를 할 수 있도록 제작되었다.
해상의 모선에서 크레인을 이용하여 해저지반조사 장비를 지반조사 위치에 착저시킨다. 모선은 착저된 장비에 전기를 공급하여 유압 장비를 작동시키고 동영상 및 각종 데이터를 송수신하며 해저지반조사를 수행한다.
단말기인 PDA 장비와 PDI 로드에 장착되어 있는 변형률계 2개, 가속도계 2개와 연결선으로 구성되어 있다. 변형률계로부터 로드에 고정된 두 지점사이의 변형률을 측정하고 로드의 단면적과 로드의 재료재질의 계수를 이용하여 힘을 계산한다. 그리고 가속도계로부터 고정된 두 지점사이의 가속도를 측정하고 이를 입자 속도로 변환시켜 액정화면에 표시한다.
수심 100m 조건에서 심도 50m까지의 해저지반의 특성을 파악할 수 있는 장비를 개발하였다. 육상에서도 많이 사용되는 표준관입시험 장치를 본 해저지반조사 장비에 장착하여 수중에서도 표준관입시험이 가능하며 또한 암반 코어링도 가능하게 함으로써 수심 100m에서도 해상구조물의 설계에 필요한 설계지반정수를 얻을 수 있다.
수중에서의 4노트(2m/s)의 조류에 대해서 해저지반조사 장비의 전도에 대한 수치해석을 실시하여 안정성을 검토하였다. 또한 SPT 타격에 대한 에너지 효율 실험을 통해 평균 78%를 확인하였으며, 추후 이에 대한 보완 및 보정 작업이 수반될 필요가 있다.
8의 ④번이다. 해저지반에 각종 장애물이나 지반의 조건이 열악한 상황에도 지반조사를 수행하기 위하여 착저 모듈에 장착된 3개의 레그 실린더를 이용하여 수평센서로 수평을 유지하며 굴착 및 지반조사 수행이 가능하도록 제작되었다.
본 논문에서는 해저지반조사 장비의 국내외 기술개발 동향과 더불어 현재 개발 진행 중인 무인 해저 착저형 지반 조사장비에 대해서 소개하였다. 해저지반조사 장비의 각 세부 모듈에 대한 성능평가를 실시하였고 해저면 착저후 지반조사장비의 조류의 발생시 해저지반조사 장비의 안정성을 확인하기 위하여 수치해석을 실시하였다.
대상 데이터
해저에서 무인으로 모든 작업이 이루어지고 착저시 모든 작업을 마쳐야 하는 제약이 있기 때문에 종류가 서로 다른 다수의 로드와 샘플러를 보관하는 기능을 가지고 있다. 50m의 심도를 굴착 및 샘플링을 하기 위하여 필요한 NX케이싱(89mm), BX케이싱(73mm), AW로드(43mm), SPT 샘플러, 암반 코어링 샘플러를 보관하기 위하여 총 96개가 장착이 가능한 구조로 제작되었다.
성능/효과
그러나 타격시험 결과 타격 에너지 효율이 평균 약 78%를 나타내었으며 이론적인 에너지 효율과 비교하여 국제 표준 값으로 인정되는 60% 효율을 상회하는 결과 값이다.
Auto SPT는 해머의 인양 및 낙하와 전체 시험수행을 자동화 한 장비로 시험환경 개선과 장비 자동화의 일환으로 개발되었다. 여주지역에서 심도별 에너지 효율을 측정한 값으로 평균 80.1%의 값을 나타내었다. 이는 본 개발장비에 부착한 SPT장치의 에너지 효율과 유사한 결과이다.
SPT 효율 시험은 네 지역에서 각각 10∼20차례의 시험을 하였다. 조사지역의 특성상(절토지역) 풍화암층이 출현하여 5m 이내의 심도에서 SPT 관입이 2cm 이상 이루어지지 않는 결과를 보였다.
후속연구
수중에서의 4노트(2m/s)의 조류에 대해서 해저지반조사 장비의 전도에 대한 수치해석을 실시하여 안정성을 검토하였다. 또한 SPT 타격에 대한 에너지 효율 실험을 통해 평균 78%를 확인하였으며, 추후 이에 대한 보완 및 보정 작업이 수반될 필요가 있다.
본 해저지반조사 장비는 해외기술 및 장비에 의존하지 않고 독자적인 기술로 제작되었으며 현재 개발된 여러 핵심 기술을 다양하게 적용하여 국내 기술력 확보 및 기술력 증진에도 기여할 것으로 기대된다.
향후 개발된 수중 SPT 타격 시스템을 다양한 지반과 다양한 심도를 대상으로 에너지 효율 측정 및 타격에너지의 영향 인자를 조사하여 보정할 필요가 있을 것으로 판단된다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
해양 구조물을 안전하게 건설을 위해 필요한 것은 무엇인가?
최근 국내외적으로 초장대 교량, 인공섬, 해상풍력기초, 또는 해양에너지 발전구조물 등 해양 구조물의 수요 및 관심이 증가되고 있다. 이처럼 다양하게 시도되고 있는 해양 구조물을 안전하게 건설하기 위해서는 보다 정확하고 신뢰성이 높은 지반조사가 필수적이다. 현재 국내 해상에서 이루어지는 지반조사는 대부분 해상작업장을 이용하기 때문에 육상 지반조사에 비해 많은 한계점을 가지고 있다.
국내에서 일반적으로 수행되는 해양지반조사에서 사용되는 장비는 무엇인가?
국내 현장에서 일반적으로 수행되고 있는 해양지반조사는 Fig. 1과 같은 해상작업선(SEP 바지선)에서 육상의 지반조사 장비를 사용하고 있다. 이 방법은 비교적 낮은 수심인 20∼30m 정도에서 가장 보편적으로 사용되나 날씨, 조류, 파랑 등의 제약을 많이 받는 조사 방법이다.
해상에서 이루어지는 지반조사가 한계점을 가지는 이유는 무엇인가?
현재 국내 해상에서 이루어지는 지반조사는 대부분 해상작업장을 이용하기 때문에 육상 지반조사에 비해 많은 한계점을 가지고 있다. 비, 바람, 파랑 또는 조류 등의 기상조건에 크게 영향을 받으며 수심이 깊어지면 해상작업장의 용량의 한계로 인해 조사가 어려울 수 있기 때문이다. 현재 해상에서 실시되고 있는 지반조사는 해상지반조사 전문 인력과 해상지반조사용 전용장비의 부재로 인해 어려움을 겪고 있는 것이 현실이다.
참고문헌 (9)
S. M. Cho, "Research Trends of Marine Geographical Investigation", Korea Geographical Research Association Fall International Conference, pp. 638-653, 2007.
Korea Highway Corporation, "SPT Utilization Improvement Study", 2002.
W. T. Kim, I. S. Jang, B. Lee, I. C. Hwang, "Development of Unmanned Underwater site Investigation Equipment", Korea Marine Science Technology Association Joint Symposium, pp. 2013-2016, 2011a.
W. T. Kim, I. S. Jang, O. S. Kwon, B. Lee, I. C. Hwang, "Development of Unmanned Underwater SPT equipment", Korea Geographical Research Association Fall Research Symposium, pp. 305-311, 2011b.
I. S. Jang, O. S. Kwon, C. K. Chung, "Unmanned Seabed Type Offshore CPTu Development", Korea Geographical Research Association Fall International Conference pp. 611-622, 2007.
Freudenthal. T, and Wefer. G, The sea-floor drill rig "MeBo": Robotic Retrieval of Marine Sediment Cores. PAGES News, 14(1):10, 2006.
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