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문제 정의
- 본 연구에서는 일정한 하중을 받는 경우에 대한 장기강도 평가를 위해 임계하 균열성장시험을 수행하였으며, 반복적인 하중을 받는 경우에 대해서는 반복재하 4점 굴곡시험을 수행하였다. 두 시험동안 미소파괴음을 측정하고 이들 특성을 분석하여 암반구조물의 장기 안정성을 평가할 수 있는 근거를 제시하고자 하였다. 본 연구를 통해 얻은 결과는 아래와 같다.
- 반면 동적인 경우는 반복재하 4점 굴곡시험을 통한 인장모드의 장기적 특성과 이와 관련된 미소파괴음 특성에 대하여 서술하였다. 또한 계측된 미소파괴음으로부터 암석의 장기 안정성을 평가하는 방안에 대하여 가능성을 검토하였다.
- 본 논문에서는 정적인 장기강도 평가의 경우 임계하 균열성장시험을 기반으로 하여 Mode I(인장모드)과 Mode II(전단모드)에 대한 장기적 특성과 이와 관련된 미소파괴음 특성에 대하여 분석하였다. 반면 동적인 경우는 반복재하 4점 굴곡시험을 통한 인장모드의 장기적 특성과 이와 관련된 미소파괴음 특성에 대하여 서술하였다.
제안 방법
- 1. 본 연구에서는 Mode II 임계하 균열성장 변수를 구하기 위해 제안된 Wilkins(1980)의 시험법을 SCC 시험과 결합하여 화강암의 겉보기 전단강도, Mode II 파괴인성, 임계하 균열성장 지수를 구하였으며 Mode I 결과와 비교하였다.
- 본 연구에서는 Mode I은 압열인장시험편(BD, Brazilian Disc)에 Wilkins(1980)가 제안한 임계하 균열성장 시험방법을 통하여 구하였다. Mode II의 경우 새로 개발된 Mode II 파괴인성시험법(Jung et al., 2014)을 조합하여 파괴인성과 임계하 균열성장 지수를 동시에 구하였다. 본 논문에 사용된 황등 화강암의 물성과 정적 장기강도 시험인 임계하 균열성장시험은 Jung et al.
- 본 시험에서 사용된 미소파괴음 측 정시스템은 미국 PAC사의 PCI/Disp 시스템으로, 2 채널을 통해 측정이 수행되었다. 광대역 주파수를 갖는 WD 센서를 사용하였으며, 프리앰프를 통한 증폭은 40 dB, 임계치는 45 dB로 설정하였다. 사용된 콘크리트의 물성과 사용된 시험법은 Cheon et al.
- 정적 장기강도 시험의 경우에는 하중이 일정하게 유지되는 기간 동안 미소파괴음 히트 누적곡선의 직선부 기울기를 추정하여 일정하중 조건에서 암석의 균열이 생성 또는 확장되는 경향을 분석하였다. 동적 장기강도 시험의 경우에는 일정하중 조건과 관계없이 미소파괴음 히트 누적곡선에서 2차 크립에 해당하는 직선부의 기울기를 추정하였다. 기울기는 1초당 발생하는 미소파괴음 히트의 개수를 의미한다.
- 동적 장기거동시험을 위해 반복재하(2 Hz 사인파) 4점 굴곡시험을 실시하였으며, 최대하중은 사전시험을 통해 획득한 최대지지하중의 70, 80, 85, 90, 95%에 해당하였다. 반복재하회수는 장비의 한계와 시험기간 등을 고려하여 50,000회를 최댓값으로 설정하였다.
- 본 논문에서는 가드 센서나 3차원 그래프 등을 활용하여 신호 구분을 수행하지 않고, 발생된 미소파괴음 전체를 대상으로 분석을 진행하였으며, 많은 양의 신호를 분석하고자 개별적인 신호해석 대신 누적된 미소파괴음 발생량을 이용하였다. 정적 장기강도 시험의 경우에는 하중이 일정하게 유지되는 기간 동안 미소파괴음 히트 누적곡선의 직선부 기울기를 추정하여 일정하중 조건에서 암석의 균열이 생성 또는 확장되는 경향을 분석하였다.
- 일정한 하중을 받거나 반복적인 하중을 받는 암반구조물의 경우 시간이 경과함에 따라 균열이 생성되고 성장하여 파괴가 발생할 수 있으며, 균열의 생성과 성장은 미소파괴음을 통해 계측가능하다. 본 연구에서는 일정한 하중을 받는 경우에 대한 장기강도 평가를 위해 임계하 균열성장시험을 수행하였으며, 반복적인 하중을 받는 경우에 대해서는 반복재하 4점 굴곡시험을 수행하였다. 두 시험동안 미소파괴음을 측정하고 이들 특성을 분석하여 암반구조물의 장기 안정성을 평가할 수 있는 근거를 제시하고자 하였다.
- 시험편은 4점 굴곡시험 시료형태인 150 mm × 150 mm × 550 mm의 각주로 제작하였다. 시험에 사용된 하중기는 인터라켄사의 하중기를 이용하였으며, 시험과정 동안 축 방향 하중과 변위, 그리고 변형률을 측정하였다(Fig. 2). 변형률에 대한 분석은 본 논문의 연구내용의 범위에 해당하지 않아 여기에서는 다루지 않는다.
- 전체 시험편 중 지연파괴가 발생한 Mode I, Mode II 시험편에 대한 하중 - 시간 곡선과 미소파괴음 진폭 - 시간, 누적 히트 – 시간 그래프를 같은 시간 축으로 표시하여 분석하였다(Fig. 5와 Fig. 6)
- 본 논문에서는 가드 센서나 3차원 그래프 등을 활용하여 신호 구분을 수행하지 않고, 발생된 미소파괴음 전체를 대상으로 분석을 진행하였으며, 많은 양의 신호를 분석하고자 개별적인 신호해석 대신 누적된 미소파괴음 발생량을 이용하였다. 정적 장기강도 시험의 경우에는 하중이 일정하게 유지되는 기간 동안 미소파괴음 히트 누적곡선의 직선부 기울기를 추정하여 일정하중 조건에서 암석의 균열이 생성 또는 확장되는 경향을 분석하였다. 동적 장기강도 시험의 경우에는 일정하중 조건과 관계없이 미소파괴음 히트 누적곡선에서 2차 크립에 해당하는 직선부의 기울기를 추정하였다.
- 반복재하회수는 장비의 한계와 시험기간 등을 고려하여 50,000회를 최댓값으로 설정하였다. 파단이 예상되는 시험편의 하부에 파단선에 직교하도록 스트레인게이지를 부착하고, 시료의 측면에는 미소파괴음 센서를 설치하여 굴곡시험 시 발생하는 변형과 미소파괴음을 측정하였다. 본 시험에서 사용된 미소파괴음 측 정시스템은 미국 PAC사의 PCI/Disp 시스템으로, 2 채널을 통해 측정이 수행되었다.
대상 데이터
- 파단이 예상되는 시험편의 하부에 파단선에 직교하도록 스트레인게이지를 부착하고, 시료의 측면에는 미소파괴음 센서를 설치하여 굴곡시험 시 발생하는 변형과 미소파괴음을 측정하였다. 본 시험에서 사용된 미소파괴음 측 정시스템은 미국 PAC사의 PCI/Disp 시스템으로, 2 채널을 통해 측정이 수행되었다. 광대역 주파수를 갖는 WD 센서를 사용하였으며, 프리앰프를 통한 증폭은 40 dB, 임계치는 45 dB로 설정하였다.
- 본 연구에 사용된 시험편은 압축공기에너지 저장 파일럿 시설의 내조시스템에 사용된 콘크리트를 이용하였으며, 시료의 균질성과 장기간 시험, 양생시간에 따른 강도변화의 영향을 줄이기 위해 콘크리트 전문업체에서 제작한 후 1년의 양생기간을 거쳤다. 시험편은 4점 굴곡시험 시료형태인 150 mm × 150 mm × 550 mm의 각주로 제작하였다.
- 본 연구에서는 국내에서 널리 사용되고 있는 황등 화강암을 시험편으로 이용하였다. 시험에 사용한 하중기는 MTS 815 시스템이며, 시험과정동안 축 방향 하중과 변위를 측정하였다(Fig.
- 또한 각 시험에서는 PAC사의 Pocket 미소파괴음 측정시스템을 이용하였다. 시험에 사용한 미소파괴음 센서는 R6a로서 35 kHz ~ 100 kHz 대역 센서이며, 내장된 프리앰프의 증폭은 26 dB로 설정하였다. 미소파괴음을 측정하기 위한 임계치(threshold)는 주변 환경을 고려하여 다소 높은 63 dB로 설정하였다.
- 본 연구에서는 국내에서 널리 사용되고 있는 황등 화강암을 시험편으로 이용하였다. 시험에 사용한 하중기는 MTS 815 시스템이며, 시험과정동안 축 방향 하중과 변위를 측정하였다(Fig. 1). 또한 각 시험에서는 PAC사의 Pocket 미소파괴음 측정시스템을 이용하였다.
- 시험편은 4점 굴곡시험 시료형태인 150 mm × 150 mm × 550 mm의 각주로 제작하였다.
이론/모형
- 1). 또한 각 시험에서는 PAC사의 Pocket 미소파괴음 측정시스템을 이용하였다. 시험에 사용한 미소파괴음 센서는 R6a로서 35 kHz ~ 100 kHz 대역 센서이며, 내장된 프리앰프의 증폭은 26 dB로 설정하였다.
- 실무적인 관점에서도 판상의 시험편을 제작하는 것은 코어형태의 시험편을 이용하는 것보다 시험편준비에 많은 시간과 노력이 소요되며 충분한 양의 시험편을 제작할 수 없는 상황도 존재한다. 본 논문에서는 이를 극복하고자 Wilkins(1980)가 제안한 시험법을 적용하였다. 이 방법은 시험방법이 비교적 단순하고, 다양한 조건 및 온도에서 수행할 수 있다는 장점이 있다.
- 이 방법은 시험방법이 비교적 단순하고, 다양한 조건 및 온도에서 수행할 수 있다는 장점이 있다. 본 연구에서는 Mode I은 압열인장시험편(BD, Brazilian Disc)에 Wilkins(1980)가 제안한 임계하 균열성장 시험방법을 통하여 구하였다. Mode II의 경우 새로 개발된 Mode II 파괴인성시험법(Jung et al.
- 미소파괴음을 측정하기 위한 임계치(threshold)는 주변 환경을 고려하여 다소 높은 63 dB로 설정하였다. 정적 장기강도를 평가하기 위해 본 논문에서는 임계하 균열성장시험을 활용하였다.
성능/효과
- 2. Mode I 임계하 균열성장시험에서 계측된 미소파괴음 히트 누적곡선은 크립곡선과 유사하였으며 파괴 직전에 미소파괴음의 발생량이 급격히 증가하는 경향을 보였다. 반면 Mode II의 경우에는 일정하중이 지속되는 동안에 지속적으로 미소파괴음이 발생하는 경향을 보였다.
- 3. 동적 장기강도시험에서 계측된 미소파괴음 히트 누적곡선은 크립곡선과 유사하였으며, 반복재하된 최대하중의 수준이 높을수록 누적곡선은 급격하게 변화하였다.
- 4. 정적 및 동적 장기강도시험에서 인장모드에 대한 미소파괴음 히트 누적곡선의 선형구간 기울기는 유사한 값을 보였으며, 전단모드에 대한 미소파괴음에 비해 기울기가 매우 낮은 값을 보였다.
- 5. 미소파괴음 히트 누적곡선의 기울기 값과 지연파괴 시간을 멱함수로 회귀한 결과 선형성을 보이며 정적, 동적 시험과 관계없이 이들 사이에는 유사성을 보였다. 암석내 손상의 증가율(기울기)이 클수록 지연파괴시간이 짧다는 것을 보여준다.
- 12에서 보이는 바와 같이 유사한 경향을 보였다. 동일한 기울기 값을 갖는 경우 동적 파괴에 필요한 지연파괴시간이 정적 파괴에 비해 더 길게 나타났다. 일반적으로 동적 강도가 정적 강도에 비해 큰 점 \을 고려할 때, 지연파괴 역시 동적인 경우에서 더 많은 시간이 소요됨을 시사한다고 볼 수 있다.
- (2015)은 암석의 피로반응을 평가하기 위해 다양한 하중수준, 진폭 및 주파수 조건에서 실험적 연구를 수행한 후 이들 사이의 지수함수 관계를 규명하였다. 또한 재하하중의 진폭증가에 따라 축 방향과 횡 방향 잔류 변형률이 감소함을 확인하였다. Liu et al.
- 그러나 전체적인 누적 미소파괴음 히트곡선을 보면 전체기간동안 발생된 양에 비해 2차 크립구간에서 발생한 양은 상대적으로 적음을 알 수 있다. 또한 정적 장기강도시험에서와 같이 인장으로 인한 파괴의 경우 파괴에 소요되는 시간이 짧아 미소파괴음의 사전적 정보제공 역시 상대적으로 짧게 선행되는 현상을 보였다.
후속연구
- 이는 본 논문에서 사용된 동적 장기강도 시험이 반복재하 4점 굴곡시험으로서 정적 장기강도시험의 Mode I에 해당하는 점을 고려하면 같은 인장균열에 대한 미소파괴음 히트의 발생특성이 유사하다는 점을 보여준다. 그러나 이 둘 사이의 유사성이 존재한다고 단정하기 위해서는 추가적 시험이나 이론적 분석 등이 보다 뒷받침되어야 할 것으로 사료된다.
- 미소파괴음 히트 누적곡선에 의한 크립거동의 경우, 재하하중에 따라 크립곡선의 모양이 달라지며, 재하하중이 작을수록 2차 단계의 미소파괴음의 발생속도가 낮아졌다. 따라서 미소파괴음의 발생속도를 분석하는 경우 장기적인 안정성을 판단하는 추가적인 인자로 사용될 수 있을 것으로 판단된다.
- 암석내 손상의 증가율(기울기)이 클수록 지연파괴시간이 짧다는 것을 보여준다. 향후 미소파괴음 히트 누적곡선의 기울기와 지연파괴시간에 대한 추가시험과 자료구축을 통해서 암반구조물의 장기안정성을 정량적으로 평가할 수 있는 기준값을 수립할 수 있을 것으로 예상된다.
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