팽창형 강관 록볼트의 설치 전 단면 형상은 ${\Omega}$형이어서, 팽창 중 거동은 기하학적 비선형 특성을 보인다. 기존 팽창형 강관 록볼트의 정착 거동에 관한 연구는 주로 이론적 방법이었다. 하지만 이론적 방법은 팽창형 강관 록볼트의 등방 팽창을 가정하므로, 실제 거동을 지나치게 단순화하였다. 본 연구에서는 강관 팽창 거동의 비선형성과 다양한 영향 특성을 고려한 수치해석을 이용하여, 팽창형 강관 록볼트의 정착 거동을 모사하였다. 본 해석을 통해 강관의 팽창 과정, 접촉응력 분포, 평균 접촉 응력 및 접촉 면적의 변화를 분석하였다. 암반의 탄소성 조건에 따라 강관의 접촉응력이 다르게 나타났는데, 탄성 조건의 암반에 설치된 강관에 비해 탄소성 조건의 암반에 설치된 강관에서 작은 접촉응력이 발생했다. 또한 암반의 강성에 따라 팽창형 강관 록볼트의 정착 거동이 달라졌다. 주어진 해석 조건에서 암반 강성이 0.5 GPa 이하 일 때 강관은 완전히 펴지지만, 암반 강성이 0.5 GPa보다 클 때 완전히 펴지지 않았다. 강관이 완전히 펴진 경우 암반 강성이 증가함에 따라 접촉응력의 크기가 증가했지만, 강관이 완전히 펴지지 않은 경우 암반 강성이 증가함에 따라 접촉응력의 크기가 감소했다.
팽창형 강관 록볼트의 설치 전 단면 형상은 ${\Omega}$형이어서, 팽창 중 거동은 기하학적 비선형 특성을 보인다. 기존 팽창형 강관 록볼트의 정착 거동에 관한 연구는 주로 이론적 방법이었다. 하지만 이론적 방법은 팽창형 강관 록볼트의 등방 팽창을 가정하므로, 실제 거동을 지나치게 단순화하였다. 본 연구에서는 강관 팽창 거동의 비선형성과 다양한 영향 특성을 고려한 수치해석을 이용하여, 팽창형 강관 록볼트의 정착 거동을 모사하였다. 본 해석을 통해 강관의 팽창 과정, 접촉응력 분포, 평균 접촉 응력 및 접촉 면적의 변화를 분석하였다. 암반의 탄소성 조건에 따라 강관의 접촉응력이 다르게 나타났는데, 탄성 조건의 암반에 설치된 강관에 비해 탄소성 조건의 암반에 설치된 강관에서 작은 접촉응력이 발생했다. 또한 암반의 강성에 따라 팽창형 강관 록볼트의 정착 거동이 달라졌다. 주어진 해석 조건에서 암반 강성이 0.5 GPa 이하 일 때 강관은 완전히 펴지지만, 암반 강성이 0.5 GPa보다 클 때 완전히 펴지지 않았다. 강관이 완전히 펴진 경우 암반 강성이 증가함에 따라 접촉응력의 크기가 증가했지만, 강관이 완전히 펴지지 않은 경우 암반 강성이 증가함에 따라 접촉응력의 크기가 감소했다.
The expansion behavior of inflatable steel pipe rockbolt shows geometric nonlinearity due to its ${\Omega}-shaped$ section. Previous studies on the anchoring behavior of inflatable steel pipe rockbolt were mainly performed using theoretical method. However, those studies oversimplified th...
The expansion behavior of inflatable steel pipe rockbolt shows geometric nonlinearity due to its ${\Omega}-shaped$ section. Previous studies on the anchoring behavior of inflatable steel pipe rockbolt were mainly performed using theoretical method. However, those studies oversimplified the actual behavior by assuming isotropic expansion of inflatable steel pipe rockbolt. In this study, the anchoring behavior of the inflatable steel pipe rockbolt were investigated by the numerical method considering the irregularity of pipe expansion and other influencing factors. The expansion of inflatable steel pipe rockbolt, the contact stress distribution and the change of the average contact stress and the contact area during installation were analyzed. The contact stresses were developed differently depending on the constitutive behavior of rocks. Small contact stresses occurred in steel pipes installed in elasto-plastic rock compared to steel pipes installed in elastic rock. Also, the anchoring behaviors of the inflatable steel pipe rockbolt were different according to the stiffness of the rock. The steel pipe was completely unfolded in the case of the stiffness smaller than 0.5 GPa, but it was not fully unfolded in the case of the stiffness larger than 0.5 GPa for the given analysis condition. When the steel pipe is completely unfolded, the contact stress increases as the rock stiffness increases. However, the contact stress decreases as the rock stiffness increases when the steel pipe is not fully expanded.
The expansion behavior of inflatable steel pipe rockbolt shows geometric nonlinearity due to its ${\Omega}-shaped$ section. Previous studies on the anchoring behavior of inflatable steel pipe rockbolt were mainly performed using theoretical method. However, those studies oversimplified the actual behavior by assuming isotropic expansion of inflatable steel pipe rockbolt. In this study, the anchoring behavior of the inflatable steel pipe rockbolt were investigated by the numerical method considering the irregularity of pipe expansion and other influencing factors. The expansion of inflatable steel pipe rockbolt, the contact stress distribution and the change of the average contact stress and the contact area during installation were analyzed. The contact stresses were developed differently depending on the constitutive behavior of rocks. Small contact stresses occurred in steel pipes installed in elasto-plastic rock compared to steel pipes installed in elastic rock. Also, the anchoring behaviors of the inflatable steel pipe rockbolt were different according to the stiffness of the rock. The steel pipe was completely unfolded in the case of the stiffness smaller than 0.5 GPa, but it was not fully unfolded in the case of the stiffness larger than 0.5 GPa for the given analysis condition. When the steel pipe is completely unfolded, the contact stress increases as the rock stiffness increases. However, the contact stress decreases as the rock stiffness increases when the steel pipe is not fully expanded.
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문제 정의
본 논문에서는 수치해석을 이용하여 팽창형 강관 록볼트의 정착 거동을 조사하였다. 팽창형 강관 록볼트의 정착 거동에 대한 영향 인자로 암반의 거동 상태와 강성을 선정하여, 내압에 따른 강관의 단면 형상, 접촉 응력 분포, 평균 접촉 응력, 접촉 면적 등을 분석하였다.
본 연구를 통해서 암반의 거동 상태 및 강성에 따른 팽창형 강관 록볼트의 정착 거동 특성에 대해 알아보았다. 그러나 본 연구는 수치해석에 국한되었기 때문에, 이를 검증하기 위한 실험 데이터가 필요할 것으로 생각된다.
이러한 거동 특성들은 이론적인 방법으로 분석하기 어렵다. 본 연구에서는 강관 팽창 거동의 비선형성과 강관과 암반의 상호 접촉 거동을 모두 고려할 수 있는 수치해석을 수행하였다. 영향 인자로 암반의 탄소성 조건과 강성을 고려하였다.
가설 설정
15에 나타내었다. 암반 거동은 탄성으로 가정하였다. Fig.
본 해석에서 강관에 가해지는 내압의 최대 크기를 30 MPa로 설정하였고, 자중, 배수조건과 초기 응력은 고려하지 않았다. 암반은 반무한 연속체로 가정하여 암반 경계부를 각 면에 대해 수직 방향 변위가 없도록 구속하였다.
1(b)). 암반의 수축량이 강관의 수축량보다 더 크면, 암반 수축이 강관에 의해 억제된다. 그 결과 강관과 암반 사이에 접촉응력이 발생하는데, 이 접촉응력으로 인해 록볼트 인발력이 도입된다.
제안 방법
영향 인자로 암반의 탄소성 조건과 강성을 고려하였다. 이를 통해 팽창형 강관 록볼트의 팽창 과정, 접촉응력 분포, 접촉 면적 및 평균 접촉응력의 변화 등을 분석하였다.
팽창형 강관 록볼트의 정착 거동에 대한 수치해석을 통해 tongue 변위, 천공홀 주면에 따른 접촉 응력 분포를 조사하였다. tongue 변위와 천공홀 주면 각도는 Fig.
본 논문에서는 수치해석을 이용하여 팽창형 강관 록볼트의 정착 거동을 조사하였다. 팽창형 강관 록볼트의 정착 거동에 대한 영향 인자로 암반의 거동 상태와 강성을 선정하여, 내압에 따른 강관의 단면 형상, 접촉 응력 분포, 평균 접촉 응력, 접촉 면적 등을 분석하였다.
데이터처리
6의 반단면 2D 조건으로 모델링하였다. 암반의 범위는 영향 범위를 고려하여 강관 직경의 20배로 하였고(Kim, 2017), 해석 프로그램으로는 ABAQUS를 사용하였다.
이론/모형
본 해석에서는 별도의 변수 도입이 없는 패널티 방법(Penalty method)을 사용하였다. 패널티 방법은 기존의 퍼텐셜 에너지 범함수에 패널티 항을 추가함으로써 접촉 거동을 고려하는 방법으로 다음과 같이 표현된다.
접촉 후 물체간 마찰 거동은 쿨롱(Coulomb)의 마찰 법칙을 이용하여 정의할 수 있다.
성능/효과
5 GPa이하 일 때 강관이 완전히 펴졌는데, 이 경우 암반 강성이 증가할수록 평균 접촉 응력이 증가하였다. 그러나 암반 강성이 0.5 GPa보다 큰 경우 강관은 완전히 펴지지 않았고, 암반 강성이 증가할수록 평균 접촉 응력이 감소하였다.
내압에 따른 접촉 면적 그래프는 풍화암과 연암 모두에서 유사한 경향을 보였다. 다만 연암에 설치된 강관은 내압이 증가할수록 접촉면적이 지속적으로 증가하였지만 풍화암의 경우 초기 팽창이 발생하는 부분에서 큰 접촉 면적이 나타나고, 이 후 풍화암의 탄소성 거동으로 인해 암반에 의한 구속효과가 작아지면서 접촉면적이 약 20% 감소하였다. 접촉 응력의 경우 연암에 설치된 팽창형 강관 록볼트의 평균 접촉 응력은 내압이 12 MPa 이후에도 지속적으로 증가하였지만, 풍화암에 설치된 팽창형 강관 록볼트의 평균 접촉 응력은 내압이 11 MPa 일 때를 제외하고 내압에 관계없이 매우 낮은 분포를 나타냈다.
15로부터 암반 강성에 따라 강관의 평균 접촉 응력 발생 경향이 달라짐을 알 수 있다. 암반 강성이 0.5 GPa 이하인 경우 암반 강성이 증가할수록 최종 평균 접촉 응력이 증가하였으나, 암반 강성이 0.5 GPa보다 큰 경우 암반 강성이 증가할수록 최종 평균 접촉 응력이 감소하였다. 그런데 본 해석조건에서는 암반 강성이 0.
1단계 팽창은 강관 어깨부가 항복하면서 발생하였고, 2단계 팽창은 강관의 tongue 안쪽이 외측으로 항복하면서 발생하였다. 암반 강성이 0.5 GPa보다 큰 경우 1단계 팽창만 발생하였고, 암반 강성이 증가함에 따라 최종 tongue 변위가 감소하였다. 다만 본 해석은 공경비(천공홀과 강관 직경의 비)를 0.
다만 연암에 설치된 강관은 내압이 증가할수록 접촉면적이 지속적으로 증가하였지만 풍화암의 경우 초기 팽창이 발생하는 부분에서 큰 접촉 면적이 나타나고, 이 후 풍화암의 탄소성 거동으로 인해 암반에 의한 구속효과가 작아지면서 접촉면적이 약 20% 감소하였다. 접촉 응력의 경우 연암에 설치된 팽창형 강관 록볼트의 평균 접촉 응력은 내압이 12 MPa 이후에도 지속적으로 증가하였지만, 풍화암에 설치된 팽창형 강관 록볼트의 평균 접촉 응력은 내압이 11 MPa 일 때를 제외하고 내압에 관계없이 매우 낮은 분포를 나타냈다.
암반의 강성에 따라 강관이 펼쳐지는 형상과 강관의 접촉 응력이 발생하는 경향이 달라졌다. 주어진 해석 조건에서는 암반 강성이 0.5 GPa이하 일 때 강관이 완전히 펴졌는데, 이 경우 암반 강성이 증가할수록 평균 접촉 응력이 증가하였다. 그러나 암반 강성이 0.
후속연구
본 연구를 통해서 암반의 거동 상태 및 강성에 따른 팽창형 강관 록볼트의 정착 거동 특성에 대해 알아보았다. 그러나 본 연구는 수치해석에 국한되었기 때문에, 이를 검증하기 위한 실험 데이터가 필요할 것으로 생각된다. 이는 콘크리트를 사용해 암반과 천공홀을 모사하고 팽창형 강관 록볼트를 제작된 천공홀에 설치하여 실제 팽창 거동을 확인함으로써 가능할 것이다.
이는 콘크리트를 사용해 암반과 천공홀을 모사하고 팽창형 강관 록볼트를 제작된 천공홀에 설치하여 실제 팽창 거동을 확인함으로써 가능할 것이다. 또한 Li (2016)가 언급하였듯이, 접촉 응력은 암반 강성 이외의 다른 영향 요인에도 영향을 받으므로 향후 연구에서는 천공홀의 크기, 토압계수 및 초기 암반 상태 등 다양한 영향 요인에 대한 분석도 필요할 것이다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
팽창형 강관 록볼트의 형태는?
팽창형 강관 록볼트는 강재로 만들어진 마찰형 록볼트이다. 팽창형 강관 록볼트의 단면은 Ω 형이며, 한 쪽 끝은 부싱으로 마감 처리가 되어 있고, 다른 쪽 끝은 물을 주입할 수 있도록 주입구가 있다. 설치시 강관의 단면이 Ω 형으로 접혀 있는 상태로 천공홀에 삽입되는데 이 때, 강관 내부에 수압을 가하면 강관이 팽창한다(Fig.
팽창형 강관 록볼트 설치시 나타나는 현상은?
팽창형 강관 록볼트의 단면은 Ω 형이며, 한 쪽 끝은 부싱으로 마감 처리가 되어 있고, 다른 쪽 끝은 물을 주입할 수 있도록 주입구가 있다. 설치시 강관의 단면이 Ω 형으로 접혀 있는 상태로 천공홀에 삽입되는데 이 때, 강관 내부에 수압을 가하면 강관이 팽창한다(Fig. 1(a)).
팽창형 강관 록볼트란?
팽창형 강관 록볼트는 강재로 만들어진 마찰형 록볼트이다. 팽창형 강관 록볼트의 단면은 Ω 형이며, 한 쪽 끝은 부싱으로 마감 처리가 되어 있고, 다른 쪽 끝은 물을 주입할 수 있도록 주입구가 있다.
참고문헌 (12)
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