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문제 정의
- 물성치의 공간변동성이 고려된 CFRD 사력존 전단파 속도 주상도를 현장에서 결정된 전단파 속도 주상도들로부터 결정하는 방법은 이어지는 논문에서 논하였다.
제안 방법
- 국내에 건설된 CFRD중 A, B, C댐 3곳을 선정하여 HWAW 현장 시험을 수행하였으며, 이를 통해 사력존 전단파 속도 주상도를 결정하였다. A댐은 Fig.
- 각 실험위치에서의 실험 구성은 짧은 감지기 간격 실험구성(가진원-감지기 1 : 10m, 감지기 간격 : 3m)을 사용하였다. 사면에 대한 연직방향 가진을 슬러지 햄머를 사용하여 가하였으며, 감지기로는 사면에 대해 연직방향으로 설치된 PCB 393C 가속도계를 사용하였다. 감지기는 덮개석 사이의 자갈위에 설치하였다(Fig.
- 수치모의 실험을 통하여 실제 댐사면 평가에서 사용된 짧은 감지기 간격 실험구성에 해당하는 가진원으로부터 10m, 13m 떨어진 두개의 감지기 위치에서 시간영역 신호를 생성하였다. 잡음 환경하에서의 HWAW 방법을 이용한 전단파 속도 주상도 평가 시스템의 타당성을 평가하고자 대상 주파수 대역 전체에 걸친 서로 독립인 화이트 랜덤 잡음을 생성하여 두개의 감지기에서 계측된 시간영역신호에 부가하였다.
- , 2004a). 이 방법에서는 두개의 계측기에서 계측된 신호를 하모닉 웨이브릿 변환을 이용하여 크기 시간-주파수 지도 및 위상 시간-주파수 지도를 결정한다(Fig. 2). 크기 및 위상 시간-주파수 지도는 각 주파수 성분들의 시간에 따른 순간 에너지 및 위상을 나타내며, 이를 통해 각 주파수 성분의 크기 및 위상의 시간에 따른 변동을 결정할 수 있다.
- 국내 CFRD 사력존 전단파 속도 주상도 결정을 위해 3곳의 댐을 선정하여 총 8곳의 실험위치에서 제안된 방법을 적용하였다. 이를 통해 CFRD 사력존의 전단파 속도 주상도를 결정하였다. 결정된 전단파 속도 주상도들을 보면, 깊이에 따라 전단파 속도가 유사한 경향을 보이며 증가함을 볼 수 있으나, 전단파 속도 주상도가 서로 일치하지는 않는다.
- 수치모의 실험을 통하여 실제 댐사면 평가에서 사용된 짧은 감지기 간격 실험구성에 해당하는 가진원으로부터 10m, 13m 떨어진 두개의 감지기 위치에서 시간영역 신호를 생성하였다. 잡음 환경하에서의 HWAW 방법을 이용한 전단파 속도 주상도 평가 시스템의 타당성을 평가하고자 대상 주파수 대역 전체에 걸친 서로 독립인 화이트 랜덤 잡음을 생성하여 두개의 감지기에서 계측된 시간영역신호에 부가하였다. Fig.
- 신호를 보면 덮개석 및 공동에 의한 파의 난반사, 주변 공사현장 중장비에 의한 진동등에 의해 매우 큰 정도의 잡음이 존재함을 볼 수 있다. 잡음의 영향정도를 보이기 위해 얻어진 시간영역신호를 사용하여 일반적인 2채널 표면파 시험에서 사용하는 위상각 스펙트럼을 결정하였다 (Fig. 13(b)).
- 잡음이 큰 댐 사면 사력존 실험조건하에서의 HWAW 방법을 이용한 전단파 속도 주상도 평가 시스템 전체의 타당성을 검토하기 위하여 수치모의 실험을 수행하였다. 수치모의 실험은 Fit7 프로그램(Joh, 1996)을 사용하여 수행되었다.
대상 데이터
- 실험은 사면위에서 수행되었다. A댐에서는 댐 정상부에서 사면을 따라 25m 하부에 위치하며, 관리용 계단을 중심으로 대칭으로 위치한 4곳의 위치(a1, a2, a3, a4)를 선정하여 실험을 수행하였다. B댐에서는 상부에서 18m, 댐 양 끝단에서 144, 123m 떨어진 두 곳의 위치(b1, b2)를 선정하여 실험을 수행하였다.
- A댐에서는 댐 정상부에서 사면을 따라 25m 하부에 위치하며, 관리용 계단을 중심으로 대칭으로 위치한 4곳의 위치(a1, a2, a3, a4)를 선정하여 실험을 수행하였다. B댐에서는 상부에서 18m, 댐 양 끝단에서 144, 123m 떨어진 두 곳의 위치(b1, b2)를 선정하여 실험을 수행하였다. C 댐에서는 댐 정상부에서 17m, 댐 양 끝단에서 120, 105m 떨어진 두 곳의 위치(c1, c2)를 선정하여 실험을 수행하였다.
- B댐에서는 상부에서 18m, 댐 양 끝단에서 144, 123m 떨어진 두 곳의 위치(b1, b2)를 선정하여 실험을 수행하였다. C 댐에서는 댐 정상부에서 17m, 댐 양 끝단에서 120, 105m 떨어진 두 곳의 위치(c1, c2)를 선정하여 실험을 수행하였다.
- 각 실험위치에서의 실험 구성은 짧은 감지기 간격 실험구성(가진원-감지기 1 : 10m, 감지기 간격 : 3m)을 사용하였다. 사면에 대한 연직방향 가진을 슬러지 햄머를 사용하여 가하였으며, 감지기로는 사면에 대해 연직방향으로 설치된 PCB 393C 가속도계를 사용하였다.
- 국내 CFRD 사력존 전단파 속도 주상도 결정을 위해 3곳의 댐을 선정하여 총 8곳의 실험위치에서 제안된 방법을 적용하였다. 이를 통해 CFRD 사력존의 전단파 속도 주상도를 결정하였다.
데이터처리
- 잡음이 큰 댐 사면 사력존 실험조건하에서의 HWAW 방법을 이용한 전단파 속도 주상도 평가 시스템 전체의 타당성을 검토하기 위하여 수치모의 실험을 수행하였다. 수치모의 실험은 Fit7 프로그램(Joh, 1996)을 사용하여 수행되었다. Fit7은 동적강성행렬방법(Kausel et al.
이론/모형
- Fig. 13(b)에서 보여진 위상각 스펙트럼을 결정하는데 사용된 시간영역 신호에 대해 HWAW방법을 적용하여 분산곡선을 결정하였다(Fig. 14). 그림을 보면 3절에서 수치모의 실험을 통해 보여진 바와 같이 심각한 잡음 조건하의 현장에서도 분산곡선을 효과적으로 결정할 수 있음을 볼 수 있다.
- Fit7은 동적강성행렬방법(Kausel et al., 1981)을 사용하여 지표면 충격가진에 의해 발생·전파되는 표면파 및 체적파에 의해 임의 지표면 위치에서의 발생하는 지반진동을 시간영역에서 생성한다.
- 이러한 실험구성의 변경 및 반복적인 실험은 표면파 시험의 댐 사면 적용에 어려움으로 작용한다. HWAW 방법은 whole wave field 분산곡선을 현장에서 결정하여 역산에 사용한다. Whole wave field 분산곡선은 표면파 모드 성분들과 체적파를 모두 포함한다.
- 만일 계산된 이론 분산곡선이 실험을 통해 구한 실험 분산곡선과 일치한다며, 가정된 층상구조를 대상 시스템의 층상구조로 결정하며, 만일 같지 않다면 층상구조를 재가정하여 위의 과정을 반복한다. HWAW 방법은 단일 어레이 역산을 사용한다. 위에서 언급된 바와 같이 표면에서 계측되는 파는 다양한 표면파 모드 성분과 체적파 성분의 합이다.
- 본 논문에서는 CFRD 사력존 평가 시 수반되는 여러 제약조건 하에서 신뢰할 수 있는 전단파 속도 주상도를 결정하기 위하여, 잡음의 영향을 효과적으로 제거 가능하며, 단순한 실험구성으로 신속하며 간편한 실험이 가능한 표면파 기법인 HWAW방법(Park et al., 2004a,b; Park et al., 2004)을 국내 CFRD 사면 사력존의 전단파 속도 주상도 평가에 적용하였다.
- 이러한 사력존의 평가를 위해 탄성파를 이용한 비파괴 시험이 효과적으로 사용될 수 있다. 본 연구에서는 다양한 탄성파를 이용하는 비파괴 탐사방법들 중 표면파 시험을 CFRD 사력존 평가에 적용하였다.
- CFRD 사력존은 CFRD의 구조적 안전성을 담당하는 부분으로 이러한 사력존의 평가는 댐체 구조안정성 평가 및 유지관리 측면에서 매우 중요하다. 본 연구에서는 다양한 표면파 기법중 하나인 HWAW 방법을 CFRD 사력 존 전단파 속도 주상도 평가에 적용하였다. HWAW 방법은 다른 표면파 시험법에 비해 상대적으로 단순한 실험 구성을 사용하여 신속하면서 간편한 현장실험이 가능하며, 높은 잡음조건하에서도 신뢰할 수 있는 전단파 속도 주상도 결정이 가능하다.
- HWAW 방법에서는 단일한 실험구성을 사용하기 때문에 계산의 복잡성 증대없이 역산과정에서 감지기 위치를 고려할 수 있으며, 짧은 감지기 간격을 사용하기 때문에 횡방향 변동성에 의한 어레이 역산과정 적용의 어려움을 피할 수 있다. 본 연구에서는 역산을 위해 표면파 및 체적파의 영향이 모두 고려된 3D 이론분산곡선을 사용하였으며, 역산 자동화 알고리즘으로 유전자 알고리즘을 사용하였다(Park et al., 2012).
- 잡음이 부가된 신호를 대상으로 HWAW 방법에 의해 결정된 분산곡선을 사용하여 역산을 수행하였다. 역산은 유전자 알고리즘을 사용한 자동화 역산을 사용하였다. Fig.
- 잡음 조건하에서 제안된 방법의 분산곡선 결정 성능을 알아보기 위해 Fig. 8의 위상각 스펙트럼 결정에 사용된 잡음이 부가된 계측신호에 대해 HWAW 방법을 사용하여 분산곡선을 결정하였다. Fig.
- 잡음이 부가된 신호를 대상으로 HWAW 방법에 의해 결정된 분산곡선을 사용하여 역산을 수행하였다. 역산은 유전자 알고리즘을 사용한 자동화 역산을 사용하였다.
성능/효과
- HWAW 방법은 다른 표면파 시험법에 비해 상대적으로 단순한 실험 구성을 사용하여 신속하면서 간편한 현장실험이 가능하며, 높은 잡음조건하에서도 신뢰할 수 있는 전단파 속도 주상도 결정이 가능하다. 본 연구에서는 CFRD 사력존 평가에 있어 제안된 방법의 적용성을 알아보기 위해 수치모의 실험을 수행하였으며, 이를 통해 제안된 방법이 댐 사력존 평가를 위해 적합한 단순한 실험구성을 사용하여 높은 잡음조건하에서도 신뢰할 수 있는 전단파 속도 주상도를 결정할 수 있음을 확인할 수 있었다.
- 10(a)는 실험분산곡선과 역산을 통해 결정된 최종 전단파 속도 주상도에 해당하는 이론분산곡선을 비교한 그림이다. 실험분산곡선과 이론분산곡선이 매우 유사함을 알 수 있고, 이를 통해 유전자 알고리즘을 사용한 자동화 역산의 타당성을 확인할 수 있다. Fig.
- 그림을 보면 두개의 주상도가 잘 일치함을 알 수 있다. 이러한 비교들을 통해 제안된 방법은 매우 심각한 잡음 조건하에서도 신뢰할 수 있는 분산곡선 및 전단파 속도 주상도의 결정이 가능함을 확인할 수 있으며, 댐 사면 사력존 평가에 매우 효과적으로 사용될 수 있음을 확인 할 수 있다.
- 이러한 결과로부터 제안된 방법은 댐 사면 사력존과 같이 잡음이 있는 환경하에서도 신뢰할 수 있는 분산곡선을 결정할 수 있음을 알 수 있다.
- 이 그림을 보면 잡음이 부가된 신호의 경우 잡음의 영향으로 위상각 스펙트럼의 왜곡이 매우 심해, 결정된 위상각 스펙트럼을 분산곡선 결정에 사용할 수 없다. 즉 부가된 잡음은 일반적인 표면파 방법을 위한 퓨리에 변환에 기반한 데이터 해석시 매우 큰 영향을 줌을 알 수 있다.
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