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문제 정의
- 따라서 내부 압력을 통제할 필요가 있는 진공튜브 시스템 특성 상 균열 발생에 의한 튜브 구조의 기밀성 변화 양상을 이해할 필요가 있으며 이를 통해 진공펌프 및 튜브 구조물의 합리적인 설계가 가능할 것이다. 본 연구에서는 균열의 발생이 진공튜브 구조물 내부의 압력 변화에 어떠한 영향을 미치는지 고찰하기 위해 일련의 콘크리트 튜브 구조물에 대해 균열에 따른 내부 압력의 변화를 측정하는 실험을 실시하였다. 먼저 균열이 발생하지 않은 튜브 구조물에 대해 기밀성 평가 실험을 수행하여 시스템의 등가투기계수를 산정하였다.
- 따라서 내부 압력을 통제할 필요가 있는 진공튜브 시스템 특성 상 균열 발생에 의한 튜브 구조의 기밀성 변화 양상을 이해할 필요가 있으며 이를 통해 진공펌프 및 튜브 구조물의 합리적인 설계가 가능할 것이다. 본 연구에서는 균열의 발생이 진공튜브 구조물 내부의 압력 변화에 어떠한 영향을 미치는지 고찰하기 위해 일련의 콘크리트 튜브 구조물에 대해 균열에 따른 내부 압력의 변화를 측정하는 실험을 실시하였다. 먼저 균열이 발생하지 않은 튜브 구조물에 대해 기밀성 평가 실험을 수행하여 시스템의 등가투기계수를 산정하였다.
제안 방법
- 균열 발생에 따른 기밀성능 평가 실험을 위해 Fig. 3과 같이 보 중앙부에 수직 집중하중을 가해 구조물에 균열을 발생하게 하였다. 집중하중을 점차 증가시키다가 눈에 띠일 만큼의 균열이 발생되면 가력을 멈추고 중앙부 수직 변위를 유지하도록 하중을 유지하면서 기밀성 실험을 수행했다.
- 먼저 균열이 발생하지 않은 튜브 구조물에 대해 기밀성 평가 실험을 수행하여 시스템의 등가투기계수를 산정하였다. 그 후 구조물에 외부하중을 가해 단계별 균열을 발생시킨 후 기밀성 평가 실험을 수행해 발생된 균열의 정도에 따른 튜브 구조의 기밀성능 변화를 관찰하였다. 마지막으로 추후 시스템 설계 시 균열 요건 수립을 위한 자료로 쓰일 수 있도록, 균열이 발생한 튜브 구조에 대해 정량적으로 평가된 기밀성능과 그 때 발생된 균열과의 관계를 고찰하였다.
- 집중하중을 점차 증가시키다가 눈에 띠일 만큼의 균열이 발생되면 가력을 멈추고 중앙부 수직 변위를 유지하도록 하중을 유지하면서 기밀성 실험을 수행했다. 그 후 다시 하중을 증가시킨 후 균열의 추가 전파가 확실히 관찰되면 다시 하중을 멈추고 기밀성 실험을 수행하였다. 예를 들어, Fig.
- (1)을 적용하여 시스템의 등가 투기계수 k를 산정할 수 있다. 그 후 시험체에 균열 발생을 유도하기 위해 Fig. 3과 같이 보의 중앙에 집중하중을 가해 구조물에 일정량의 균열이 발생한 상태에서 내부 압력의 변화를 관찰한다. 이후 하중의 세기를 조금씩 늘려 가면서, 즉 균열의 전파를 조금씩 늘려 가면서 각 단계별로 기밀성능을 확인한다.
- 1기압으로 하강 시킨다. 그 후 펌프 가동을 중단하고 시간에 따른 튜브 내부의 압력 변화를 관찰하여 균열 전 기밀성능을 확인하였다(Fig. 3). 구조물의 기밀성능은 시스템의 등가투기계수를 산정함으로써 확인할 수 있다.
- 5는 CIR-03 시험체에 대해 이런 방식으로 실험을 수행했을 때 생긴 하중-변위 곡선을 나타낸다. 그림에서 볼 수 있다시피 해당 시험체에 대해서는 총 4단계의 균열 단계(Step 1~Step 4)에 대해 기밀성 실험을 수행하였다. 하중-변위 곡선에서 각 단계에서 가력을 멈추었을 때 하중의 세기가 조금씩 감소하는 것을 볼 수 있다.
- 그 후 구조물에 외부하중을 가해 단계별 균열을 발생시킨 후 기밀성 평가 실험을 수행해 발생된 균열의 정도에 따른 튜브 구조의 기밀성능 변화를 관찰하였다. 마지막으로 추후 시스템 설계 시 균열 요건 수립을 위한 자료로 쓰일 수 있도록, 균열이 발생한 튜브 구조에 대해 정량적으로 평가된 기밀성능과 그 때 발생된 균열과의 관계를 고찰하였다.
- 본 연구에서는 균열의 발생이 진공튜브 구조물 내부의 압력 변화에 어떠한 영향을 미치는지 고찰하기 위해 일련의 콘크리트 튜브 구조물에 대해 균열에 따른 내부 압력의 변화를 측정하는 실험을 실시하였다. 먼저 균열이 발생하지 않은 튜브 구조물에 대해 기밀성 평가 실험을 수행하여 시스템의 등가투기계수를 산정하였다. 그 후 구조물에 외부하중을 가해 단계별 균열을 발생시킨 후 기밀성 평가 실험을 수행해 발생된 균열의 정도에 따른 튜브 구조의 기밀성능 변화를 관찰하였다.
- 먼저 튜브 시험체에 하중을 가하지 않은 상태에서 진공펌프를 가동해 튜브 시험체 내부의 기압을 대기압의 10%, 즉 0.1atm까지 하강시킨 다음에 진공펌프와 연결된 밸브를 잠근 후 시간에 따른 튜브 내부 압력의 변화를 기록하였다. Fig.
- 5mm 초과 의 5단계로 나누어 분류하였다. 시험체에 가한 하중의 단계 별로 균열의 총 개수, 발생 길이, Table 1의 기준에 따른 균열폭을 측정한 후 기밀성 실험을 통해 그에 해당하는 등가투기계수를 측정하였다.
- 2와 같이 원형 단면을 가진 콘크리트 원형관 구조이다. 애초에는 7개의 시험체에 대해 실험을 수행할 예정이었으나, 이 중 3개의 시험체는 하중 가력 시 갑작스런 균열의 전파로 인해 투기성 실험이 불가하였기 때문에 나머지 4개 시험체에 대해서만 투기성 실험을 진행하였으며 각각 CIR-01, CIR-02, CIR-03, CIR-04로 표기하기로 한다. 시험체의 길이는 각 2.
- 3과 같이 보의 중앙에 집중하중을 가해 구조물에 일정량의 균열이 발생한 상태에서 내부 압력의 변화를 관찰한다. 이후 하중의 세기를 조금씩 늘려 가면서, 즉 균열의 전파를 조금씩 늘려 가면서 각 단계별로 기밀성능을 확인한다. 여기서 중요한 것은 균열의 측정인데, 중공 단면을 가진 튜브 구조의 특성 상 휨, 전단변형 이외에 단면의 일그러짐에 의해 구조물 표면 전반에 걸쳐 균열이 산재되기 때문에 균열의 발생 위치를 특정하기 힘들어 균열센서 설치가 현실적으로 적절하지 않다.
- 본 연구에서는 균열의 발생이 진공튜브 구조물 내부의 압력변화에 어떠한 영향을 미치는지 고찰하기 위해 일련의 콘크리트 튜브 구조물에 대해 균열에 따른 내부 압력의 변화를 측정하는 실험을 실시하였다. 일련의 원형 콘크리트 튜브 구조의 양단을 밀봉하고 엑추에이터(actuator)로 횡하중을 가해 균열 발생을 유도한 후 균열의 진전 정도에 따른 기밀성능을 측정하였다. 먼저 미가력상태의 시험체에 대한 투기성 실험 결과 산정된 등가투기계수는 2.
- 3과 같이 보 중앙부에 수직 집중하중을 가해 구조물에 균열을 발생하게 하였다. 집중하중을 점차 증가시키다가 눈에 띠일 만큼의 균열이 발생되면 가력을 멈추고 중앙부 수직 변위를 유지하도록 하중을 유지하면서 기밀성 실험을 수행했다. 그 후 다시 하중을 증가시킨 후 균열의 추가 전파가 확실히 관찰되면 다시 하중을 멈추고 기밀성 실험을 수행하였다.
대상 데이터
- 실험에 사용한 시험체는 Fig. 2와 같이 원형 단면을 가진 콘크리트 원형관 구조이다. 애초에는 7개의 시험체에 대해 실험을 수행할 예정이었으나, 이 중 3개의 시험체는 하중 가력 시 갑작스런 균열의 전파로 인해 투기성 실험이 불가하였기 때문에 나머지 4개 시험체에 대해서만 투기성 실험을 진행하였으며 각각 CIR-01, CIR-02, CIR-03, CIR-04로 표기하기로 한다.
성능/효과
- 4단계까지의 균열 단계에 대해 기밀성 실험을 한 CIR-03의 경우 2단계까지는 튜브관 측면의 축방향 균열이 주를 이루었으나 3단계에 휨균열이 발생하기 시작해 4단계에는 수직방향의 휨균열이 많이 발생한 것을 볼 수 있다. CIR-04 시험체는 측면 균열의 발생 없이 휨균열만이 발생했으며 초기균열임에도 불구하고 균열폭이 상대적으로 크게 나타났다.
- 각 시험체에 해당하는 등가투기계수를 산정해 본 결과 2.3×10-17m2에서 1.05×10-15m2까지 비교적 넓은 범위에 산재하는 것으로 나타났다.
- 다만 각 균열 단계에서 실험에 쓰인 펌프를 가동해 구조물 내부 압력을 하강할 수 있어야 기밀성 실험이 가능한데, 취성재료인 콘크리트의 특성 상 4개의 시험체에 대해 실험을 수행했을 때 시험체 별로 균열의 갑작스런 진전 등의 이유로 기밀성이 급격히 떨어져 내부 압력을 하강할 수 있는 균열 단계가 많지 않았다. 결과적으로 CIR-01은 2 단계, CIR-02는 1단계, CIR-03은 4단계, CIR-04는 1단계의 균열 발생에 대해 각각 기밀성 실험을 할 수 있었다.
- 05×10-15m2까지 비교적 넓은 범위에 산재하는 것으로 나타났는데, 이는 시험체의 제작 상 존재하는 불확실성, 그리고 이동 및 운반 과정에서의 초기 균열 발생 등이 그 원인으로 판단된다. 균열 발생 시험체에 대한 기밀성 실험 결과 균열이 진전될수록 구조물의 기밀성능은 급격히 떨어지는 것으로 나타났는데, 균열의 길이와 균열면적(균열길이와 균열폭의 곱)의 경우 등가투기계수와의 관계가 시험체 별로 다르게 나타났다. 이는 시스템의 기밀성에 영향을 주는 균열의 성질을 표현하기에는 균열의 길이 또는 균열폭만으로는 부족하다는 것을 의미하며 기밀성과의 상관성을 가지고 있는 합리적인 균열지수의 정의를 위해서는 균열과 관련된 보다 다양한 변수를 고려해야 할 필요가 있다고 사료된다.
- 이는 튜브 시험체가 동시에 같은 품질로 만들어진 것이 아니기 때문에 제작 및 양생 시의 여러 가지 조건에 의해 콘크리트 품질의 변화가 있었기 때문이라고 추정되며 또한 시험체의 이동, 운반 시 초기균열이 발생해 등가투기계수의 변동을 초래했을 가능성도 있다. 그리고 건조수축에 의한 균열 발생 가능성도 존재하며 또한 균열이 발생하지 않은 표면에서 공기 유입 소리가 감지된 경우도 있었던 것으로 볼 때 제작 시 콘크리트의 충분한 다짐이 되지 않았을 가능성도 있다고 판단된다.
- 먼저 미가력상태의 시험체에 대한 투기성 실험 결과 산정된 등가투기계수는 2.3×10-17m2에서 1.05×10-15m2까지 비교적 넓은 범위에 산재하는 것으로 나타났는데, 이는 시험체의 제작 상 존재하는 불확실성, 그리고 이동 및 운반 과정에서의 초기 균열 발생 등이 그 원인으로 판단된다.
- 애초에는 7개의 시험체에 대해 실험을 수행할 예정이었으나, 이 중 3개의 시험체는 하중 가력 시 갑작스런 균열의 전파로 인해 투기성 실험이 불가하였기 때문에 나머지 4개 시험체에 대해서만 투기성 실험을 진행하였으며 각각 CIR-01, CIR-02, CIR-03, CIR-04로 표기하기로 한다. 시험체의 길이는 각 2.0m이며 시험체에 사용된 콘크리트의 제원 상 압축강도는 40MPa인데, 슈미트 해머를 이용한 측정 결과 압축강도의 평균치가 40.65MPa로 측정되었다.
후속연구
- 따라서 구조물의 변위와 그에 해당하는 기밀성과의 관계를 고찰한다면 진공튜브 시스템의 설계 단계에서 기밀성을 예측할 수 있을 것이며, 이를 위해서는 보다 일반적인 하중이 적용되는 다양한 상황에서의 시스템 기밀성능에 대한 연구가 뒤따라야 할 것이다. 다만 실험 연구만을 수행하기에는 시스템에 내재된 재료적, 구조적 불확실성과 균열 측정의 어려움이 존재하므로(Ziariand Kianoush, 2009; Frosch, 1999) 실험과 병행하여 유한요소법을 이용한 균열 해석 연구가 동반되어야 할 것으로 판단된다.
- 반면 가력된 하중에 의해 발생된 구조물의 변위와 등가투기계수와의 관계는 상대적으로 상관성이 높은 것으로 나타났는데, 이는 균열의 발생 정도가 구조물의 변위와 밀접한 관계가 있다는 것을 의미하며 보다 일반적인 하중 상황에서의 구조물의 변위와 그에 해당하는 기밀성과의 관계를 고찰한다면 진공튜브 시스템의 설계단계에서 기밀성을 예측할 수 있을 것이다. 다만 실험 연구만을 수행하기에는 시스템에 내재된 재료적, 구조적 불확실성과 균열측정의 어려움이 존재하므로 실험과 병행하여 유한요소법을 이용한 균열 해석 연구가 동반되어야 할 것으로 판단된다.
- 이는 외부 하중에 의한 구조물 전체의 거동, 특히 구조물의 변위가 구조물에 발생하는 균열의 정도와 밀접한 관계가 있으며 그에 따른 시스템의 기밀성과도 밀접한 관계가 있다는 것을 의미한다. 따라서 구조물의 변위와 그에 해당하는 기밀성과의 관계를 고찰한다면 진공튜브 시스템의 설계 단계에서 기밀성을 예측할 수 있을 것이며, 이를 위해서는 보다 일반적인 하중이 적용되는 다양한 상황에서의 시스템 기밀성능에 대한 연구가 뒤따라야 할 것이다. 다만 실험 연구만을 수행하기에는 시스템에 내재된 재료적, 구조적 불확실성과 균열 측정의 어려움이 존재하므로(Ziariand Kianoush, 2009; Frosch, 1999) 실험과 병행하여 유한요소법을 이용한 균열 해석 연구가 동반되어야 할 것으로 판단된다.
- 하지만 콘크리트 구조는 일반적으로 사용하중 하에서 균열이 발생하게 되는데 이러한 균열의 발생이 시스템의 기밀성에 큰 영향을 줄 수 있을 것이다. 따라서 내부 압력을 통제할 필요가 있는 진공튜브 시스템 특성 상 균열 발생에 의한 튜브 구조의 기밀성 변화 양상을 이해할 필요가 있으며 이를 통해 진공펌프 및 튜브 구조물의 합리적인 설계가 가능할 것이다. 본 연구에서는 균열의 발생이 진공튜브 구조물 내부의 압력 변화에 어떠한 영향을 미치는지 고찰하기 위해 일련의 콘크리트 튜브 구조물에 대해 균열에 따른 내부 압력의 변화를 측정하는 실험을 실시하였다.
- 이는 시스템의 기밀성에 영향을 주는 균열의 성질을 표현하기에는 균열의 길이 또는 균열폭만으로는 부족하다는 것을 의미하며 기밀성과의 상관성을 가지고 있는 합리적인 균열지수의 정의를 위해서는 균열과 관련된 보다 다양한 변수를 고려해야 할 필요가 있다고 사료된다. 반면 가력된 하중에 의해 발생된 구조물의 변위와 등가투기계수와의 관계는 상대적으로 상관성이 높은 것으로 나타났는데, 이는 균열의 발생 정도가 구조물의 변위와 밀접한 관계가 있다는 것을 의미하며 보다 일반적인 하중 상황에서의 구조물의 변위와 그에 해당하는 기밀성과의 관계를 고찰한다면 진공튜브 시스템의 설계단계에서 기밀성을 예측할 수 있을 것이다. 다만 실험 연구만을 수행하기에는 시스템에 내재된 재료적, 구조적 불확실성과 균열측정의 어려움이 존재하므로 실험과 병행하여 유한요소법을 이용한 균열 해석 연구가 동반되어야 할 것으로 판단된다.
- 이는 발생된 균열의 총 길이만으로는 시스템의 기밀성을 적절히 예측할 수 없다는 것을 뜻한다. 외부 공기의 유입이 균열을 통해서 이루어진다고 할 때 기밀성과의 상관성을 고찰할 때 균열의 길이만을 생각하기보다는 균열의 길이와 균열폭을 동시에 고려하는 것이 보다 더 합리적인 판단이 될 것이다. 각각의 균열의 길이와 그 균열에 해당되는 균열폭(Table 1의 균열폭 범위의 중간값을 곱한 값)의 곱을 구한 후 발생된 모든 균열에 대해 이 값을 모두 더한 총합을 균열면적으로 정의할 때, Fig.
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