[논문]차수용 박층 멤브레인의 직접전단실험에 관한 수치해석 연구

이기철; 최순욱; 김동욱; 이철호

doi:10.12814/jkgss.2018.17.4.189

차수용 박층 멤브레인의 직접전단실험에 관한 수치해석 연구
Numerical Study on Direct Shear Test of Composite Shotcrete with Sprayable Waterproofing Membrane 원문보기

한국지반신소재학회논문집 = Journal of the Korean Geosynthetics Society, v.17 no.4, 2018년, pp.189 - 197

이기철 (Department of Civil and Environmental Engineering, Incheon National University) , 최순욱 (Department of Infrastructure Safety Research, Korea Institute of Civil Engineering and Building Technology) , 김동욱 (Department of Civil and Environmental Engineering, Incheon National University) , 이철호 (Department of Infrastructure Safety Research, Korea Institute of Civil Engineering and Building Technology)

초록
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차수용 박층 멤브레인은 폴리머로 구성된 재료로 기존 방수포(sheet membrane)와 비교했을 때, 시공에 있어서 뿜어 붙이는 방식을 사용하기 때문에 타설이 용이하고 상대적으로 높은 부착성능을 보이는 재료이다. 하지만, 차수용 박층 멤브레인은 최근에 개발된 재료로 그 성능이나 구조물과의 거동 양상은 충분히 보고되지 못한 실정이다. 따라서 본 연구에서는 차수용 박층 멤브레인이 삽입된 복합 숏크리트 재료에 대해 전단시험을 수행한 기존 연구 결과를 이용하여 차수용 박층 멤브레인의 전단거동을 수치해석적으로 접근하여 접촉면 특성을 파악하고자 하였다. 연구를 통해 숏크리트 사이에 시공된 멤브레인에 의해 숏크리트의 전단거동과는 다른 거동을 보여 일반적으로 사용되는 전단강도 방식으로 거동을 표현하는데에는 한계가 있었다. 이에 따라 수치해석 방법을 사용하여 직접 전단시험을 모사하였고 차수용 박층 멤브레인의 전단거동을 가장 효과적으로 표현할 수 있는 방안을 제시하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

A sprayable waterproofing membrane which has relatively high adhesive property onto concrete enables faster construction with better waterproof performance compared with a conventional sheet membrane. However, the sprayable waterproofing membrane is a recently developed material and its performance and behavior with structures are not sufficiently reported. Therefore, in this study, the shear behavior of sprayable waterproofing membrane was numerically analyzed using the results of previous studies of composite shotcrete with sprayable waterproofing membrane. From the previous study, shear behavior of shotcrete with sprayable waterproofing membrane was different from shotcrete case and there was a limitation to express the behavior of the interface in general shear strength method. Therefore, in this study, the direct shear test was numerically simulated using two contact models, and then the best suitable method to express the shear behavior of the sprayable waterproofing membrane was suggested.

주제어

표/그림 (13)

그림 Fig. 1. Schematics of waterproofing composite structure with shotcrete (modified after Holter, 2015)
그림 Fig. 2. Coulomb friction model (modified after Kim, 2014)
그림 Fig. 3. Typical traction-separation response (modified after SIMULIA, 2014)
그림 Fig. 4. Examples of failed specimens after direct shear tests at σ_n = 0.5 MPa (Park et al., 2018) according to thickness of membrane; (a) t = 3 mm, (b) t = 5 mm and (c) t = 7 mm
그림 Fig. 5. Peak shear strengths of interfaces in composite and double-layered shotcrete specimens at different normal stress conditions (Park et al., 2018)
표 Table 1. Results of direct shear test by Park et al. (2018)
그림 Fig. 6. Numerical analysis for material property of sprayable waterproofing membrane; (a) modeling of tensile test and (b) comparison between laboratory test and numerical analysis
그림 Fig. 7. Schematics of numerical model for direct shear test
그림 Fig. 8. Numerical analysis results for direct shear test used Coulomb friction model
표 Table 2. Interaction properties with 3 mm thickness of waterproofing membrane
$Fig. 9. Relationship of shear stress-displacement with analytical variables; (a) cohesive stiffness, (b) the maximum stress of damage initiation and (c) fracturing energy at contact surface$ 그림 Fig. 9. Relationship of shear stress-displacement with analytical variables; (a) cohesive stiffness, (b) the maximum stress of damage initiation and (c) fracturing energy at contact surface
그림 Fig. 10. Comparison with direct shear test result and numerical analysis
표 Table 3. Cohesive interaction properties of waterproofing membrane

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구에서는 Park et al. (2018)에서 수행한 숏크리트멤브레인 직접전단 실험 결과를 바탕으로 수치 해석적으로 멤브레인의 전단거동을 파악하고자 한다. Park et al.
본 연구에서는 차수용 박층 멤브레인이 포함된 복합 숏크리트 재료의 직접전단 시험 결과를 통해 멤브레인이 포함된 재료의 전단강도 특성을 수치해석적으로 검토하였다. 본 연구를 통해 검토한 연구 내용을 정리하면 다음과 같다.
따라서, 실제 터널 설계에서 1cm 이하의 두께를 갖는 멤브레인을 직접 고려하기 어렵기 때문에 본 연구에서는 두께별 접촉면 물성을 제시하는 방식으로 멤브레인 두께를 고려하였다. 즉, 본 연구에서 수행된 해석결과를 숏크리트 설계에 사용할 경우,타설되는 멤브레인의 두께에 따라 전단강도 식을 선택할 수 있도록 하고자 하였다.

제안 방법

본 연구에서는 Park et al.(2018)이 보고한 숏크리트-멤브레인 직접전단 실험 결과를 바탕으로 수치해석적으로멤브레인의 전단거동을 파악하였다. 일련의 실험에서 나타난 전단강도 경향을 해석적으로 모사하고 이를 가장 합리적으로 표현할 수 있는 접촉면 모델을 제시하였다.
(5) 실제 터널 설계에서 1cm 이하의 두께를 갖는 멤브레인을 해석에 직접 고려하기 어렵기 때문에 본 연구에서는 두께별 접촉면 물성을 제시하는 방식으로 멤브레인 두께를 고려하였다. 즉, 본 연구에서 수행된 해석 결과를 숏크리트 설계에 사용할 경우, 타설되는 멤브레인의 두께에 따라 전단강도 식을 선택하여 사용하는 것이 가능하다.
일련의 실험에서 나타난 전단강도 경향을 해석적으로 모사하고 이를 가장 합리적으로 표현할 수 있는 접촉면 모델을 제시하였다. 기존멤브레인의 접촉면 모델을 제시한 연구에서는 EFNARC(2008)에서 제시한 Linear Block Support Test에 의해 접촉면 특성을 제시하였으나(Lee et al., 2017) 본 연구에서는 직접전단 실험 결과를 바탕으로 멤브레인 타설 두께에 따라 접촉면 모델과 해석 물성을 제시하였다.
, 2017). 따라서, 실제 터널 설계에서 1cm 이하의 두께를 갖는 멤브레인을 직접 고려하기 어렵기 때문에 본 연구에서는 두께별 접촉면 물성을 제시하는 방식으로 멤브레인 두께를 고려하였다. 즉, 본 연구에서 수행된 해석결과를 숏크리트 설계에 사용할 경우,타설되는 멤브레인의 두께에 따라 전단강도 식을 선택할 수 있도록 하고자 하였다.
5와 Table 1의 결과를 토대로 앞에서 언급된 경우를 제외하고는 수직응력이 큰 영향을 끼치지 않았다. 이에 따라 특정한 수직응력이 작용할 때 두께에 따른 전단응력-수평변위 실험 데이터에 3가지 변수를 변화시키며 수치해석 결과를 비교하였다.
(2018)이 보고한 숏크리트-멤브레인 직접전단 실험 결과를 바탕으로 수치해석적으로멤브레인의 전단거동을 파악하였다. 일련의 실험에서 나타난 전단강도 경향을 해석적으로 모사하고 이를 가장 합리적으로 표현할 수 있는 접촉면 모델을 제시하였다. 기존멤브레인의 접촉면 모델을 제시한 연구에서는 EFNARC(2008)에서 제시한 Linear Block Support Test에 의해 접촉면 특성을 제시하였으나(Lee et al.
(2018)이 수행한 직접전단 시험 전경을 나타낸다. 전단시험 공시체는 일정한 틀에 숏크리트를 7.5cm 가량 양생하고 각각 3, 5, 7mm의 두께만큼 차수용 박층 멤브레인을 시공한다. 이후 숏크리트를 처음 양생했던 두께만큼 채우고 양생하여 제작된다.
해석은 2D-modeling 으로 요소를 ‘plane-strain’으로 구성하였으며, 경계조건은 하단 숏크리트는 하단(U2=0)과 측면(U1=0)을 고정하고, 상단 숏크리트는 실제 전단시험처럼 왼쪽면을 오른쪽으로 변위 이동시켜 마찰면에서 전단력이 발생하도록 하였다.

대상 데이터

(2018)는 차수용 박층 멤브레인을 구성성분에 따라 prototype 1(two-component)과 prototype 2(one-component)로 나누어 두께에 따른 직접전단 시험을 진행하였다. prototype 1의 경우 슬래그, 나노 실리카 등의 혼합물이 첨가되어 본연구에서는 비교적 구성 물질이 단순한 prototype 2를 선정하였다.
본 연구에서 해석에 사용된 재료의 물성은 인장시험(ASTM-D638, 2010)을 통해 획득하였으며 인장시험에서 나타난 인장 응력과 변형 관계를 수치해석적으로 모사하여 재료 물성으로 사용하였다. Lee et al.
7은 직접전단 해석을 위한 해석 모델의 개요와 수치해석 모델링을 나타낸다. 시료의 크기는 15cm로 하였으며 상부와 하부 7.5cm 두께의 숏크리트 사이에 차수용 박 층 멤브레인이 각각 3, 5, 7mm 사용된 것으로 모델을 작성하였다. 해석에는 접촉면 점착 모델을 적용할 수 있는 범용 유한요소 해석프로그램 ABAQUS(SIMULIA, 2014)를 사용하였다.
해석 변수로 사용되는 접촉 특성은 탄성영역을 나타내는“Cohesive stiffness”, 접촉면 손상의 시작 지점은 접촉면 가해지는 최대 응력인 “Maximum nominal stress at damage initiation”, 손상 이후 거동을 결정하는 “Fracturing energy”이다.
6은 인장강도 해석에 사용한 해석 모델과 시험결과와의 비교 결과를 나타낸다. 해석결과 연구에 사용된 차수용 박층 멤브레인의 탄성계수는 382.9MPa이었다.

이론/모형

따라서, 수치해석 모델에서는 이를 합리적으로 반영하기 위해 일반 지반재료에 적용되는 Mohr-Coulomb 항복 모델 또는 Coulomb 마찰 모델을 사용하는 데에는 한계가 있을 것으로 판단하여 본 연구에서는 접촉면 부착력과 손상을 고려한 점착모델을 사용하였다. 점착모델을 사용할 경우, 수직응력에 관계없이 접촉면에 전단응력이 작용되었을 때 주어진 손상 모델에 따라 접촉면 거동을 모사할 수 있기 때문에, 기존에 발표된 전단강도 거동을 효과적으로 표현할 수 있을 것으로 판단된다.
해석은 2D-modeling 으로 요소를 ‘plane-strain’으로 구성하였으며, 경계조건은 하단 숏크리트는 하단(U2=0)과 측면(U1=0)을 고정하고, 상단 숏크리트는 실제 전단시험처럼 왼쪽면을 오른쪽으로 변위 이동시켜 마찰면에서 전단력이 발생하도록 하였다. 상단 숏크리트의 변위 이동에 따른 전단력 발생에서 숏크리트에는 소성 변형이 발생하지 않기 때문에 탄성 모델이 사용되었다. 이에 따라 숏크리트의 물성은 실제 실험을 통해 도출된 값을 사용하였으며, 탄성계수(Elastic modulus)와 포아송비(Poisson’s ratio)는 각각 25.
앞서 언급된 바와 같이 멤브레인의 두께가 3mm이고,수직응력이 0.3, 0.6MPa일 때에는 마찰계수를 이용한 Coulomb 마찰 모델을 적용하였다. 이에 따라 수직응력이 크고, 마찰계수가 커질수록 최대 전단응력은 증가하는 경향을 보였다(Fig.
5cm 두께의 숏크리트 사이에 차수용 박 층 멤브레인이 각각 3, 5, 7mm 사용된 것으로 모델을 작성하였다. 해석에는 접촉면 점착 모델을 적용할 수 있는 범용 유한요소 해석프로그램 ABAQUS(SIMULIA, 2014)를 사용하였다.

성능/효과

(1) 기존 문헌에 따른 전단시험 결과 차수용 박층 멤브레인의 두께가 3mm 경우 전단력이 가해지면 멤브레인재료 자체의 전단파괴가 발생하였으며, 두께가 두꺼워지는 5mm, 7mm 경우 재료 자체의 파괴가 아닌 접촉면에서의 파괴가 나타났다.
(2) 차수용 박층 멤브레인의 접촉 특성은 두께가 얇고, 공시체에 작용하는 수직응력이 작을 경우(t = 3 mm, σn =0.3, 0.6MPa) 수직응력이 증가할수록 전단응력은 증가하는 경향을 보였으며, 수치해석적으로 모사할 때에는 마찰 접촉 모델을 사용하여야 한다.
(3) 차수용 박층 멤브레인의 두께가 두껍고, 공시체에 작용하는 수직응력이 같을 경우 수직응력에 따른 전단응력 변화는 미비하였으며, 수치해석적으로 모사할 때에는 수직응력에 영향을 받지 않는 점착 접촉 모델을 사용해야 한다. 이때 해석 변수로는 “Cohesive stiffness”, “Maximum nominal stress at damage initiation”, “Fracturing energy”가 있다.
(4) 멤브레인의 두께가 두꺼울수록 탄성영역을 나타내는“Cohesive stiffness”는 증가하며, 손상지점을 지정하는 “Maximum nominal stress at damage initiation”와손상 이후 거동을 결정하는 “Fracturing energy”는 감소하는 경향을 보였다.
멤브레인의특성상 강한 부착력을 기반으로 재료의 거동을 보이는 재료이기 때문에 마찰 모델로 표현하더라도 1이하의 마찰계수를 갖는 일반적인 재료 범위의 마찰계수를 보이지 않았으며 2.81∼4.53 사이의 마찰계수로 나타났다.
5와 Table 1은 숏크리트 두께에 따른 직접전단 시험 결과를 나타낸다. 수직응력에 따른 최대 전단응력 분석 결과 숏크리트 재료 사이에 3mm 적용된 시료의 경우, 수직응력이 증가함에 따라 0.9MPa까지 전단강도가 증가하는 경향을 보이다가 0.9MPa 이후에 수렴하는 경향을 보였다. 멤브레인 두께가 5mm와 7mm인 경우, 수직응력의 증가하더라도 전단강도의 증가 경향이 보이지 않았으며 그림과 같이 일정 수준을 유지하는 것으로 나타났다.
6MPa일 때에는 마찰계수를 이용한 Coulomb 마찰 모델을 적용하였다. 이에 따라 수직응력이 크고, 마찰계수가 커질수록 최대 전단응력은 증가하는 경향을 보였다(Fig. 8). 시료에 가해진 수직응력 증가에 따라 전단강도 증가 경향을 보인 멤브레인 3mm인 경우, Table 2와 같은 접촉면 물성으로 해석이 가능하였다.
일반 숏크리트 재료의 전단강도 특성과는 다르게 차수용 박층 멤브레인이 삽입된 재료에서 전단강도의 수준이 낮게 측정되었으며, 멤브레인이 설치된 두께에 따라 수직 응력의 증가에도 크게 변동이 없는 형태로 나타났다. 이는 두께가 두꺼워질수록 재료 자체의 전단파괴보다는 접촉면(interface)에서의 전단파괴 양상이 주요 원인으로 분석되며 이를 Mohr-Coulomb 전단강도 식으로 표현했을 때, 재료에 가해지는 수직응력이 증가하더라도 일정한 전단강도 양상을 보이는 경향으로 표현할 수 있다.
이후 숏크리트를 처음 양생했던 두께만큼 채우고 양생하여 제작된다. 전단시험 결과 그림에서 나타나듯이 멤브레인이 3mm 경우, 멤브레인 재료 자체의 전단파괴 양상으로 나타나며 두께가 두꺼워지는 5mm, 7mm 경우, 접촉면 파괴 양상으로 나타났다.
(5) 실제 터널 설계에서 1cm 이하의 두께를 갖는 멤브레인을 해석에 직접 고려하기 어렵기 때문에 본 연구에서는 두께별 접촉면 물성을 제시하는 방식으로 멤브레인 두께를 고려하였다. 즉, 본 연구에서 수행된 해석 결과를 숏크리트 설계에 사용할 경우, 타설되는 멤브레인의 두께에 따라 전단강도 식을 선택하여 사용하는 것이 가능하다.
이에 따라 멤브레인의 두께가 두꺼울수록 초기 강성은 강하지만 손상될 가능성이 크다고 할 수 있다. 즉, 차수용 박층 멤브레인 시공에 있어서 두께를 줄이는 것이 유리할 것이라 판단된다.
점착 모델은 점착 강성, 손상이 발생하는 최대 응력과 파괴 에너지로 표현할 수 있으며 해석에서 나타난 각각의 물성을 표로 나타냈다. 해석결과, 두께가 두꺼워질수록 점착 강성은 증가하고 손상이 발생하는 최대 응력과 파괴 에너지는 낮아지는 것으로 나타났다. 앞서 언급한 바와 같이, 멤브레인 두께 3mm의 경우 수직응력 0.

후속연구

(6) 본 연구에서는 멤브레인과 숏크리트의 접촉면을 매끄러운 면으로 가정하고 있으나 실제 시공현장에서는멤브레인과 숏크리트 접촉면에서의 거칠기(Surface roughness)가 존재하고 이에 따른 전단특성이 변화할 가능성이 존재하기 때문에 향후 연구에서는 이에 대한 고려가 필요할 것으로 판단된다

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	터널 굴착구간의 차수 및 방수 대책으로서 일반적으로 사용되는 것은 무엇인가?	,2015). 터널 굴착구간의 차수 및 방수 대책으로서 일반적으로 PVC 등의 재질로 제작된 방수 시트 멤브레인(sheet waterproofing membrane)을 사용하고 있다. 이러한 방수재료의 시공 이후에 콘크리트 라이닝과 같은 공정을 진행하게 되며 시공 도중 발생한 손상은 구조물 건설 이후에 누수로 이어지게 된다.
	차수용 박층 멤브레인은 무엇인가?	차수용 박층 멤브레인은 폴리머로 구성된 재료로 기존 방수포(sheet membrane)와 비교했을 때, 시공에 있어서 뿜어 붙이는 방식을 사용하기 때문에 타설이 용이하고 상대적으로 높은 부착성능을 보이는 재료이다. 하지만, 차수용 박층 멤브레인은 최근에 개발된 재료로 그 성능이나 구조물과의 거동 양상은 충분히 보고되지 못한 실정이다.
	지하공사나 터널 굴착공사에서 지하구조물의 차수가 설계에 중요한 고려사항인 이유는 무엇인가?	그리고 구조물의 환경변화로 인한 별도의 유지관리를 최소화할 수 있으며, 구조물의 설계수명 동안 기능을 할 수 있도록 한다. 또한 지하공사나 터널 굴착공사 중 유입되는 지하수는 구조물의 성능과 내구성을 저하시킬 수 있어서 굴착구간 인근의 지표침하나 지반함몰을 야기할 수 있기 때문에 차수는 설계에 중요한 고려사항이다(Nakashima et al.,2015).

참고문헌 (12)

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Holter, K. G. (2015), Properties of Waterproof Sprayed Concrete Linings, Ph.D. Thesis, Norwegian University of Science and Technology.
Johnson, R. P., Swallow, F. E. and Psomas, S. (2016), "Structural properties and durability of a sprayed waterproofing membrane for tunnels", Tunnelling and Underground Space Technology, Vol.60, pp.41-48.

상세보기
Kim, Y, S. (2014), Modeling Contact with Abaqus/Standard, V-Eng., Next Printing. (in Korean)
Lee, K., Kim, D., Chang, S. H., Choi, S. W. and Lee, C. (2017), "Analysis of Reinforcement Effect of TSL (Thin Spray-on Liner) as Supports of Tunnel by Numerical Analysis," Journal of Korean Geosynthetics Society, Vol.16, No.4, pp.151-161. (in Korean)
Nakashima, M., Hammer, A. L., Thewes, M., Elshafie, M. and Soga, K. (2015), "Mechanical behavior of a sprayed concrete lining isolated by a sprayed waterproofing membrane", Tunneling and Underground Space Technology, Vol.47, pp.143-152.

상세보기
Park, P., Lee, C., Choi, S. W., Kang, T. H., Kim, J., Choi, M. S., Jeon, S. and Chang, S. H. (2018), "Interfacial properties of composite shotcrete containing sprayed waterproofing membrane", Geomechanics and Engineering, Vol.16, online published version.

상세보기
SIMULIA (2014), 6.14 Documentation Collection., ABAQUS/CAE User's Manual.
Su, J. and Bloodworth, A. (2016), "Interface parameters of composite sprayed concrete linings in soft ground with spray-applied waterproofing", Tunnelling and Underground Space Technology, Vol.59, pp.170-182.

상세보기
Tannant, D. D. (2001), "Thin Spray-on Liners for Underground Rock Support", Proceedings of the 17th International Mining Congress and Exhibition of Turkey-IMCET 2001, pp.57-73.
Verani, C. A. and Aldrian, W. (2010), Composite linings: ground support and waterproofing through the use of a fully bonded membrane, Shotcrete: Element of a System, Taylor & Francis, London.

저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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