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문제 정의
- 본 연구는 그라우저 효과를 적절히 고려하여 야지궤도차량의 지반추력을 평가하기 위한 기초연구로서 수행되었다. 우선 여러 연구자들(Janosi and Hanamoto, 1961; Wong, 1983)이 제시하고 있는 전단력-전단변위 관계를 바탕으로 야지궤도차량 전체지반추력 평가방법을 새로이 제안하였다.
- 우선 여러 연구자들(Janosi and Hanamoto, 1961; Wong, 1983)이 제시하고 있는 전단력-전단변위 관계를 바탕으로 야지궤도차량 전체지반추력 평가방법을 새로이 제안하였다. 본 연구에서 제안된 방법 및 기존의 평가방법을 바탕으로 그라우저의 길이와 간격 및 형상비(=간격/길이)가 야지궤도차량의 지반추력에 미치는 영향을 평가였고, 그 결과를 야지궤도차량 운용 시 활용 가능하도록 하였다.
- 그라우저의 길이와 간격의 비를 의미하는 형상비는 야지궤도차량의 구동성능에 지배적인 영향을 미친다(Park, 1996). 본 연구에서는 여섯 가지 형상비(1.3, 1.9, 2.5, 3.8, 4.8, 7.6)를 가지는 그라우저가 야지궤도차량에 부착된 경우 전체지반추력을 각각 산정하여, 그라우저 형상비가 야지궤도차량의 구동성능에 미치는 영향을 평가하였다. 앞서 언급한바와 같이, 기존방법은 그라우저 형상 비에 따른 지반추력 차이를 고려할 수 없기 때문에 본연구에서 제안된 방법만을 분석에 활용하였다.
- 본 연구에서는 지반-궤도 접지면의 전단메커니즘을 바탕으로 그라우저가 부착된 야지궤도차량의 지반추력을 평가하기 위한 새로운 방법을 제안하였다. 본 연구에서 제안된 방법 및 기존의 평가방법을 바탕으로 그라우저의 길이와 간격 및 형상비(=간격/길이)가 야지궤도차량의 지반추력에 미치는 영향을 평가였고, 다음과 같은 결론을 얻을 수 있었다.
제안 방법
- 앞서 언급한바와 같이, 기존방법은 그라우저 형상 비에 따른 지반추력 차이를 고려할 수 없기 때문에 본연구에서 제안된 방법만을 분석에 활용하였다. 그라우저 형상비가 야지궤도차량 전체지반추력에 미치는 영향을 보다 정량화하여 평가하기 위하여, Fig. 7 및 Fig. 8에나타낸 그라우저가 부착된 경우의 전체 최대지반추력을 그라우저가 부착되지 않았을 때의 전체 최대지반추력으로 정규화 시켰다. Fig.
- 또한 국내의 대표적인 그라우저 제작사인 현대제철(Hyundai steel)의 상용 그라우저 길이(약 25∼70mm) 및 형상비(약 2.3∼3.9)를 고려하여, 평가 시 적용할 그라우저의 길이(25mm, 50mm, 70mm)와 형상비(1.3, 1.9, 2.5, 3.8, 4.8, 7.6)를 결정하였다.
- 두 대상지반의 전단력-전단변위 관계가 각각 hardening behavior 및 softening behavior를 보였으므로, Table 1과 Table 2에 제시된 구동조건을 각각 식 (4)와 (9) 및 식 (5)와 (10)에 대입하여 전체지반추력-슬립율 관계를 도출하였다. 또한 평가대상 야지궤도차량에 그라우저가 부착되지 않은 경우(h=0)의 전체지반 추력-슬립율 관계도 평가하여 그라우저 효과분석 시 활용하였다. 그라우저가 부착된 경우 지반추력은 지반블 록을 따라 발현되는 전단력(점착력 및 마찰각)으로 결정되지만, 그라우저가 부착되지 않은 경우에는 무한궤도와 지반의 접촉면에서의 전단(지반-궤도의 부착력 및마찰계수)에 따라 지반추력이 발현된다.
- 본 연구에서는 지반-궤도 접지면의 전단메커니즘을 바탕으로 그라우저가 부착된 야지궤도차량의 지반추력을 평가하기 위한 새로운 방법을 제안하였다. 본 연구에서 제안된 방법 및 기존의 평가방법을 바탕으로 그라우저의 길이와 간격 및 형상비(=간격/길이)가 야지궤도차량의 지반추력에 미치는 영향을 평가였고, 다음과 같은 결론을 얻을 수 있었다.
- 과 같은 구동지반의 전단특성을 파악해야 한다. 본 연구에서는 Wong(1989)이 이와 같은 전단특성을 베바미터 (bevameter) 시험을 통해 제시하고 있는 다양한 사질토 지반 중, 전단력-전단변위 관계가 hardening behavior 및 softening behavior를 보이는 지반을 하나씩 선정하였다. 여기서, 베바미터 시험이란 Bekker(1969)가 개발한 이래 지형역학분야에서 가장 널리 활용되고 있는 현장지반의 강도 및 변형특성 평가방법으로, 전단링(shear ring)의 전단시험 및 평판(penetration plate)의 재하시험을 통해 지반의 전단특성 및 압축특성을 각각 평가한다(Fig.
- 본 연구에서는 제안된 방법 및 Bekker(1956)의 이론을 기반으로 하는 기존방법을 통해 사질토로 구성된 대상지반에서 야지궤도차량의 전체지반추력-슬립율 관계를 평가하였다. 두 대상지반의 전단력-전단변위 관계가 각각 hardening behavior 및 softening behavior를 보였으므로, Table 1과 Table 2에 제시된 구동조건을 각각 식 (4)와 (9) 및 식 (5)와 (10)에 대입하여 전체지반추력-슬립율 관계를 도출하였다.
- 6)를 가지는 그라우저가 야지궤도차량에 부착된 경우 전체지반추력을 각각 산정하여, 그라우저 형상비가 야지궤도차량의 구동성능에 미치는 영향을 평가하였다. 앞서 언급한바와 같이, 기존방법은 그라우저 형상 비에 따른 지반추력 차이를 고려할 수 없기 때문에 본연구에서 제안된 방법만을 분석에 활용하였다. 그라우저 형상비가 야지궤도차량 전체지반추력에 미치는 영향을 보다 정량화하여 평가하기 위하여, Fig.
- 본 연구는 그라우저 효과를 적절히 고려하여 야지궤도차량의 지반추력을 평가하기 위한 기초연구로서 수행되었다. 우선 여러 연구자들(Janosi and Hanamoto, 1961; Wong, 1983)이 제시하고 있는 전단력-전단변위 관계를 바탕으로 야지궤도차량 전체지반추력 평가방법을 새로이 제안하였다. 본 연구에서 제안된 방법 및 기존의 평가방법을 바탕으로 그라우저의 길이와 간격 및 형상비(=간격/길이)가 야지궤도차량의 지반추력에 미치는 영향을 평가였고, 그 결과를 야지궤도차량 운용 시 활용 가능하도록 하였다.
- 이상과 같이 제안된 방법을 통해 그라우저가 부착된 야지궤도차량의 슬립율에 따른 전체지반추력을 평가하여 구동력 및 구동효율 등을 예측할 수 있다. 또한 기존 연구와 달리 그라우저 간격(lt = l/N)에 따른 지반추력의 차이를 고려할 수 있어, 야지궤도차량의 지반추력에 지배적인 영향을 미치는 형상비(= lt/h)의 변화에 따른 전체지반추력을 평가함으로서 최적 그라우저 형상비 등을 평가하는데 활용될 수 있을 것으로 판단된다.
- 일반적으로 슬립율 0∼0.2 범위의 야지궤도차량 구동성능이 평가지표로 널리 활용되는 것을 참고하여(Wong, 1989), 본 연구의 전체지반 추력-슬립율 관계 또한 슬립율 0∼0.2 범위에 대해 도시하였다(Fig. 7 및 Fig. 8).
대상 데이터
- 본 연구에서는 Wong과 Huang(2006)의 연구를 참고하여, 실제로 운용되고 있는 군용 야지궤도차량인 11.3 톤 중량의 장갑차(armored personnel carrier)를 대상으로 지반추력 평가를 수행하였다. 또한 국내의 대표적인 그라우저 제작사인 현대제철(Hyundai steel)의 상용 그라우저 길이(약 25∼70mm) 및 형상비(약 2.
- 6)를 결정하였다. 즉, 서로 다른 18가지 제원을 가진 그라우저가 평가 대상 야지궤도차량에 부착되어 있는 경우의 지반추력을 각각 평가했는데, 그라우저 길이 및 형상비에 따른 중량 차이가 미미하다고 판단하여 모든 경우에 동일한 차량중량 11.3톤을 적용하였다. 지반추력 평가 시 활용한 야지궤도차량 및 그라우저의 형상 및 제원을 Fig.
성능/효과
- (1) 그라우저가 부착됨에 따라 특정 슬립율 수준에서 발현되는 야지궤도차량의 전체지반추력이 증가하여 구동성능이 개선되는 것으로 나타났다. 이는 그라우저가 궤도저면과 지반 사이에서 발생하는 전단을 지반과 지반사이의 전단으로 전환시켜 전단력을 증가시키며, 궤도 측면에서 측면지반추력을 추가로 발현시킴으로서 지반추력을 증가시키는 효과가 있었기 때문이다.
- (2) 그라우저 효과를 고려하여 평가된 야지궤도차량 전체지반추력-슬립율 관계는 기존방법과 제안된 방법에서 큰 차이를 보였으며, 기존방법이 전체 최대지 반추력을 더 크게 평가하는 것으로 나타나 야지궤도차량의 구동성능을 과대평가할 수 있음을 확인하였다. 기존방법은 지반추력이 지반-궤도 접지면을 따라 모두 동일하다고 보는 반면 제안된 방법은 야지궤도차량 진행방향 기준으로 앞쪽은 지반추력이 작고 뒤로 갈수록 전단이 진행되어 지반추력이 커진다고 보므로, 특정 슬립율 수준에서 지반-궤도 접지면의 전반적인 지반추력의 크기는 제안된 방법에 비해 기존방법에서 더 크게 나타나기 때문이다.
- (3) 그라우저의 길이가 증가하고 간격이 가까울수록 야지궤도차량의 전체지반추력이 더 크게 증가하는 것으로 나타났다. 다만, 그라우저 형상비가 7.
- 각각의 야지궤도차량은 구동에 필요한 구동력의 크기가 결정되어 있는데, 야지궤도차 량의 전체 최대지반추력 크기가 이보다 더 큰 경우에만 구동이 가능한 것이다. Fig. 7 및 Fig. 8에서 확인할 수 있듯이, 대상지반의 전단특성이 hardening behavior와 softening behavior를 보이는 경우 모두에서 기존방법이 야지궤도차량의 전체 최대지반추력을 더 크게 평가하는 것으로 나타나, 기존방법이 야지궤도차량의 구동성능을 과대평가할 수 있음을 확인하였다.
- Fig. 7과 Fig. 8에서 확인할 수 있듯이, 두 대상지반 모두에서 그라우저가 부착됨에 따라 특정 슬립율 수준 에서 발현되는 야지궤도차량의 전체지반추력이 증가하여 구동성능이 개선되는 것으로 나타났다. 이는 그라우저가 궤도저면과 지반 사이에서 발생하는 전단을 지반과 지반사이의 전단으로 전환시켜 전단력을 증가시키며, 궤도 측면에서 측면지반추력을 추가로 발현시킴으로서 지반추력을 증가시키는 효과가 있었기 때문이다.
- 9)를 표시하였다. 그 결과, 상용 그라우저 형상비 범위 내에서는 그라우저의 길이가 증가하고 형상비가 감소할수록(즉, 간격이 가까울수록) 야지궤도차량의 전체지반추력이 더 크게 증가하는 것으로 나타났다. 다만, Shin et al.
- 그라우저 효과를 고려하여 평가된 야지궤도차량 전체지반추력-슬립율 관계는 기존방법과 제안된 방법에서 큰 차이를 보였다(Fig. 7 및 Fig. 8). 기존방법은 특정 슬립율 수준에서 발생되는 슬립변위가 지반-궤도 접지 면을 따라 모두 동일하다고 보는 반면, 제안된 방법은 야지궤도차량 진행방향 기준으로 앞쪽은 슬립변위가 작고 뒤로 갈수록 전단이 진행되어 슬립변위가 커진다고 보고 지반추력을 산정하기 때문이다.
- 9에 나타낸바와 같이, 대상지반의 전단특성이 hardening behavior를 보이는 경우가 softening behavior 인 경우에 비해 정규화 된 최대지반추력이 더 크게 평가 되어, 전단강도가 작은 느슨한 사질토 지반(hardening behavior)에서 그라우저 부착에 따른 구동성능 개선효 과가 더 큰 것으로 나타났다. 그라우저의 길이가 동일한 경우 형상비가 작을수록(즉, 그라우저 간격이 가까울수록) 야지궤도차량의 전체지반추력이 더 크게 증가하는 것으로 나타났다. 이는 그라우저 간격이 가까워지면 그라우저 사이에서 형성되는 지반블록의 크기가 작아지므로, 낮은 슬립율 수준에서도(즉, 작은 슬립변위만 발생되어도) 각각의 지반블록에서 큰 지반추력이 발현될 수 있었기 때문이다.
- 이때, 특정 슬립율 수준에서 지반-궤도 접지면의 전반적인 슬립변위 크기는 제안된 방법에 비해 기존방법이 더 크다. 따라서 지반추 력이 슬립변위에 따라 증가하다가 특정 슬립변위 이상이 되면 최대지반추력에 수렴하는 hardening behavior를 보이는 경우, 기존방법을 통해 전체지반추력을 평가하면 제안된 방법에 비해 더 크게 산정된다(Fig. 7). 지반추력이 softening behavior를 보이는 경우에도 기존방법을 통해 산정된 전체지반추력이 제안된 방법에 비해 전반적으로 큰 경향을 보이지만, 슬립율이 약 0.
- 이는 그라우저 간격이 가까워지면 그라우저 사이에서 형성되는 지반블록의 크기가 작아지므로, 낮은 슬립율 수준에서도(즉, 작은 슬립변위만 발생되어도) 각각의 지반블록에서 큰 지반추력이 발현될 수 있었기 때문이다. 또한 그라우저의 길이가 증가하면 측면지반추력이 크게 발현되므로 전체지반추력 증가 효과가 전반적으로 크게 나타났지만, 그라우저 형상비가 7.6인 경우에는 길이가 긴 그라우저의 전체지반추력 증가효과가 오히려 작았다. 이는 그라우저의 형상비와 (a) (b) Fig.
- 여러 연구자들(Bekker, 1956; Grecenko, 2007a; Baek, 2018)은 그라우저 효과를 평가하기 위한 연구를 수행하여, 그라우저가 궤도 측면에서 추가적인 전단력을 발현시킴으로서 지반추력을 증가시키는 효과가 있음을 밝혔다. 연구결과에 따르면 무한궤도에 부착된 그라우저에 의해 지반블록이 형성되고 전단되며 지반블록의 저면 및 측면에서 발생된 전단력(각각 저면지반추력 및 측면지반추력)을 통해 지반추력을 평가할 수 있다. 이들 연구는 지반블록에서 발생하는 전단력이 지반-궤도 접지면을 따라 동일하다고 보고 지반추력을 평가하는데, 실제로는 각각의 그라우저 사이에서 독립된 지반블록이 형성되고 전단되므로 각 지반블록에서 발현되는 슬립변위 및 지반추력은 위치에 따라 다르게 나타난다(Grecenko, 2007b).
- 이상과 같이 야지궤도차량의 전체지반추력과 슬립율의 관계는 구동지반의 전단강도 및 변형특성과 무한궤도 및 그라우저의 재원으로 나타낼 수 있으며, 슬립율에 따른 전체지반추력을 평가하여 그라우저가 부착된 야지궤도차량의 구동력 및 구동효율 등을 예측할 수 있다. 그러나 앞서 언급한바와 같이, 야지궤도차량 구동 시 지반추력이 지반-궤도 접지면을 따라 균등하게 발현되지 않기 때문에 그 결과는 실제와 차이가 있을 것으로 판단된다(Grecenko, 2007b).
- 지반추력이 softening behavior를 보이는 경우에도 기존방법을 통해 산정된 전체지반추력이 제안된 방법에 비해 전반적으로 큰 경향을 보이지만, 슬립율이 약 0.05∼0.06 이상인 경우엔 제안된 방법을 통해 평가한 전체지반추력이 기존방법에 비해 다소 큰 것으로 나타났다(Fig. 8).
후속연구
- 다만, Shin et al.(2018)의 연구에 따르면 그라우저의 길이가 증가하고 간격이 가까워짐에 따라 인접 그라우저 사이에서 간섭효과(interference effect)가 발현되어 야지궤도차량의 전체지반추력이 감소하므로, 이와 같은 상반된 효과를 동시에 고려하기 위한 추가연구를 수행한다면 야지궤도차량에 적용할 수 있는 최적의 그라우저 형상을 제시할 수 있을 것으로 판단된다.
- 특히 일반적인 상용 그라우저 형상비 범위에서는 그라우저의 길이가 증가하고 간격이 가까울수록 전체지반 추력이 커지므로, 형상비가 작은 그라우저를 통해 야지궤도차량의 구동성능을 크게 개선시킬 수 있을 것이라 판단된다. 다만, 앞서 언급한바와 같이 그라우저의 길이 증가 및 간격 감소에 따라 인접 그라우저 사이에서 간섭효과(interference effect)가 발현되어 지반추력이 감소할수 있으므로, 이와 같은 상반된 효과를 동시에 고려하기 위한 추가 연구가 필요하다. 또한 야지궤도차량의 전체 지반추력을 측정하기 위한 모형시험 및 수치해석 연구를 수행하여 이론적 접근에 의해 도출된 본 연구결과를 보완 및 검증할 필요가 있을 것으로 판단된다.
- 이상과 같이 제안된 방법을 통해 그라우저가 부착된 야지궤도차량의 슬립율에 따른 전체지반추력을 평가하여 구동력 및 구동효율 등을 예측할 수 있다. 또한 기존 연구와 달리 그라우저 간격(lt = l/N)에 따른 지반추력의 차이를 고려할 수 있어, 야지궤도차량의 지반추력에 지배적인 영향을 미치는 형상비(= lt/h)의 변화에 따른 전체지반추력을 평가함으로서 최적 그라우저 형상비 등을 평가하는데 활용될 수 있을 것으로 판단된다.
- 다만, 앞서 언급한바와 같이 그라우저의 길이 증가 및 간격 감소에 따라 인접 그라우저 사이에서 간섭효과(interference effect)가 발현되어 지반추력이 감소할수 있으므로, 이와 같은 상반된 효과를 동시에 고려하기 위한 추가 연구가 필요하다. 또한 야지궤도차량의 전체 지반추력을 측정하기 위한 모형시험 및 수치해석 연구를 수행하여 이론적 접근에 의해 도출된 본 연구결과를 보완 및 검증할 필요가 있을 것으로 판단된다.
- 본 연구결과는 그라우저가 부착된 야지궤도차량의 구동성능을 평가하는데 활용될 수 있을 것이라 기대된다. 특히 일반적인 상용 그라우저 형상비 범위에서는 그라우저의 길이가 증가하고 간격이 가까울수록 전체지반 추력이 커지므로, 형상비가 작은 그라우저를 통해 야지궤도차량의 구동성능을 크게 개선시킬 수 있을 것이라 판단된다.
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