[논문]현장실험과 수치해석을 통한 GFRP 록볼트 센서의 적용성 연구

이승주; 장석현; 이강일; 김범주; 허준; 김용성

doi:10.12814/jkgss.2019.18.4.129

현장실험과 수치해석을 통한 GFRP 록볼트 센서의 적용성 연구
A Study on the Application of GFRP Rock Bolt Sensor through Field Experiment and Numerical Analysis 원문보기

한국지반신소재학회논문집 = Journal of the Korean Geosynthetics Society, v.18 no.4, 2019년, pp.129 - 138

이승주 (Department of Regional Infrastructure Engineering, Kangwon National University) , 장석현 (Department of Regional Infrastructure Engineering, Kangwon National University) , 이강일 (Department of Civil Engineering, Daejin Univ.) , 김범주 (Department of Civil and Environmental Engineering, Dongguk University) , 허준 (Rural Research Institute, Korea Rural Community Corporation) , 김용성 (Department of Regional Infrastructure Engineering, Kangwon National University)

초록
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본 연구에서는 모니터링이 가능한 나선형 철근 록볼트 센서와 GFRP 록볼트 센서를 대형 모형사면에 매설하여 사면붕괴 현장실험을 수행하고 개별요소법 및 유한요소법의 수치해석을 수행한 후 사면붕괴 초기에 발생하는 비탈면의 거동 특성을 분석하였다. 또한, 현장실험과 수치해석 결과를 비교·분석하고 나선형 철근 록볼트 센서와 GFRP 록볼트 센서의 암반 사면붕괴 모니터링으로 현장 적용성에 대해 고찰하였다. 본 연구를 통해 스마트 사면 붕괴 예·경보 시스템을 개발하였으며 향후 이 시스템은 산사태 및 지반 붕괴 전조정보를 사전에 감지하여 붕괴위험 지역에 거주하는 주민들의 원활한 대피를 유도하는데 활용될 수 있을 것으로 판단된다.

Abstract ▼ AI-Helper

In this study, the rebar rock bolt sensor and GFRP rock bolt sensor, which can be monitored, were embedded in a large model slope, and the behavior of slopes occurred in the early stage of slope collapse was analyzed after performing the field failure test, numerical analysis of the individual element method and finite element method. By comparing and analyzing the field test and numerical analysis results, field applicability of rock slope collapse monitoring on the rebar rock bolt sensor and GFRP rock bolt sensor was investigated. Through this study, smart slope collapse prediction and warning system was developed, which can be used to induce effective evacuation of residents living in the collapsible area by detecting landslide and ground decay precursor information in advance.

주제어

표/그림 (21)

그림 Fig. 1. Strain sensor
그림 Fig. 2. Schematic diagram of strain sensor
그림 Fig. 3. Measured data of rock bolt strain sensor
그림 Fig. 4. Monitoring system configuration diagram
표 Table 1. Product specification of strain sensor
그림 Fig. 5. Model used in analysis
표 Table 2. Contact material properties between rock mass
표 Table 3. Properties of shotcrete and rock bolt
표 Table 4. Material properties of rock mass and substructure
그림 Fig. 6. Ground displacement before slope excavation
그림 Fig. 8. Displacement and axial force distribution of rock bolt
그림 Fig. 7. Trend of displacement distribution after slope excavation
그림 Fig. 9. Material properties of rock mass and substructure
그림 Fig. 10. Plastic strain rate distribution
그림 Fig. 12. Spraying shotcrete
그림 Fig. 11. Construction of model slope
그림 Fig. 13. Slope excavation
그림 Fig. 14. Measurement using a data logger
그림 Fig. 15. Result of displacement generated on each rock bolt
그림 Fig. 16. Result of axial force and displacement generated on each strain sensor
표 Table 5. Analysis result comparison of field measurement, DEM discrete element analysis, FEM finite element analysis

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구에서는 모니터링이 가능한 나선형 철근 록볼트 센서와 GFRP 록볼트 센서가 시공된 실규모 사면을 대상으로 굴착실험을 수행한 후 록볼트에 부착된 센서로부터 획득된 데이터를 분석하고 굴착단계를 고려한 개별요소법 및 유한요소법의 수치해석을 수행하였으며, 그 결과를 실규모 현장 굴착실험 결과와 비교하여 암반사면에서의 GFRP 록볼트 센서의 적용성을 고찰하였다.
본 연구에서는 버럭 성토체를 실제 암반사면에 숏크리트가 타설된 현장과 유사하게 모사하기 위해 숏크리트를 사면전면에 10cm 두께로 타설(Fig. 12 참조)하였다.
본 연구에서는 붕괴초기에 발생하는 비탈면의 거동 특성을 분석하기 위하여 모니터링이 가능한 나선형 철근 록볼트 센서와 GFRP 록볼트 센서를 사용하여 버럭으로 조성된 모형사면에서 굴착에 따른 암반사면의 거동 특성을 분석하고 록복트의 적용성을 고찰하였다. 본 연구에서 얻어진 결론은 다음과 같다.
본 연구에서는 터널공사 현장에서 반출한 버럭으로 구성된 사면에서 사면굴착에 따른 지반 거동을 파악하기 위하여 3차원 불연속체 해석프로그램인 3DEC를 사용하였다.

가설 설정

해석 편의상 횡방향으로의 변위는 완전 구속을 가정한 3차원 모델을 사용하였다. 원지반의 측부 및 하단이 변위 구속된 상태로 초기 지중응력해석이 수행되었으며, 시공단계가 진행됨에 따라 사면층의 우측 경계면 및 횡방향으로 변위 구속조건이 활성화되도록 하였다.

제안 방법

굴착 구간 및 깊이는 동일한 조건으로 적용하였으며, 굴착 구간별 대기시간을 부여하여 사면의 거동을 계측하였다.
13 참조) 모형사면의 붕괴거동을 고찰하였다. 굴착은 백호우를 이용하여 절토면이 평지와 수직이 되도록 3.0m 굴착과 4.0m 굴착 등 2단계로 수행하였다.
길이 3,000mm, 외경 25mm의 록볼트(Fig. 2 참조)를 4등분하여 재료표면에 폭 10mm, 길이 100mm의 직사각형 영역에 센서 부착을 위하여 매끄럽게 연마 한 후, 센서를 수평으로 설치하여 절연 테이프로 센서를 보호하고 절연 및 방수가 되도록 부착하였다. 록볼트 센서의 외부는 비탈면 매설 시 센서 케이블의 파단을 막기 위해 록볼트 센서 부착 후 코팅제를 사용하여 마감 처리하였다.
무기 비금속 및 유기 비금속 복합체로 구성된 GFRP 재료는 플라스틱 베이스 복합 재료로서 접착성과 전기 절연성이 우수하고, 내열성 및 기계적 강도 또한 우수하다. 또 성형 수축 및 가소성이 적고, 경량이며, 시공이 간편한 장점이 있어 본 연구에 적용하였다. 나선형 철근 록볼트는 시중에서 판매하고 있는 제품을 구입하여 활용하였다.
이를 극복하기 위해 숏크리트는 원지반 및 사면과 별도의 격자망을 가지도록 모델을 형성하였고, 숏크리트와 지반영역 간 경계면에는 Tie Constraint에 의해 경계면에서의 절점이 일체적으로 거동될 수 있도록 하여 해석모델의 효율성을 제고하고자 하였다. 또한 록볼트는 축력만 받는 부재로 고려하였고, 표층 숏크리트와 사면 상단에 매입되어 상호작용할 수 있도록 Embedded Constraint를 적용하였다. 이를 통해 록볼트의 강성을 숏크리트 및 사면에 분산 적용시키는 것이 가능하고, 록볼트의 부재력 및 변형을 평가할 수 있다.
본 연구에서 사용된 록볼트 센서의 성능 검증을 위해 암반사면에 나선형 철근 록볼트 센서와 GFRP 록볼트 센서를 암반사면에 매설 후 붕괴 실험을 통하여 검증하는 것이 타당하나 실제로 암반사면을 붕괴시킬 수 있는 실험 장소를 찾기에는 쉽지 않기 때문에 본 연구에서는 터널 공사현장에서 반출한 버럭을 사용하여 계측용 모형사면을 조성 후 센서를 매설하여 사면붕괴 실험을 수행하였다.
본 연구에서는 Table 4에서 제시된 바와 같이 원지반에 버럭이 성토된다는 점을 고려하여 사면모델의 물성을 두가지로 나누어 정의하였다. 원지반에서의 점착력은 실제로 존재하지 않거나 매우 낮은 값일 것으로 추정되나 버럭간 맞물림이 존재하기 때문에 0.
본 연구에서는 개별요소 해석법과 동일하게 시공과정 및 굴착단계를 고려하여 해석 가능한 범용 유한요소해석 프로그램인 ABAQUS ver.6.14를 사용하여 탄소성 해석을 수행하였으며 이를 통해 록볼트의 변형, 사면 파괴 거동을 계측 및 검토하였다. 해당 프로그램은 지반거동을 재현을 위한 Mohr-Coulomb, Clay Plasticity, Drucker-Prager 등의 여러 탄소성 구성방정식 모델을 제공하며, 시공단계 재현이 가능하다.
본 연구에서는 사면 높이 3m, 4m 위치에서 단계적으로 굴착을 실시하여(Fig. 13 참조) 모형사면의 붕괴거동을 고찰하였다. 굴착은 백호우를 이용하여 절토면이 평지와 수직이 되도록 3.
사면의 변형을 센서의 저항변화에 의한 전압검출을 기본원리로 하는 센서시스템의 신호처리 하드웨어와 알고리즘에 따라 센서의 미소한 전압의 변화를 드리프트신호(경년변화)와 구분하고 노이즈 성분을 제거하여 아날로그 신호를 디지털로 변환하여 신호처리 하는 방식으로 설계하여 사면의 붕괴 전조를 Fig. 3에서 보인 것과 같이 사전에 파악할 수 있게 하였다.
센서 매설 후 물과 시멘트 1:3의 비율로 모르타르 혼합물을 실제 록볼트 타설 조건과 유사하게 조성하기 위해 록볼트 센서 주위에 타설하였으며, 시멘트 주변을 사석으로 고르게 덮은 후 성토하였다.
5m 간격으로 매설하였다. 센서에서 계측한 데이터는 데이터 케이블을 통하여 Data Logger에 전송하여 계측 데이터를 자동으로 기록하도록 하였다.
우선 75mm 크기의 암반 버럭을 세로 15m, 가로 10m 규모로 성토하여 모형사면을 축조하고 나선형 철근 록볼트 센서와 GFRP 록볼트 센서를 매설 후 굴착하여 암반사면을 붕괴시키는 실험을 수행하였다.
본 연구에서는 Table 4에서 제시된 바와 같이 원지반에 버럭이 성토된다는 점을 고려하여 사면모델의 물성을 두가지로 나누어 정의하였다. 원지반에서의 점착력은 실제로 존재하지 않거나 매우 낮은 값일 것으로 추정되나 버럭간 맞물림이 존재하기 때문에 0.3MPa의 점착력 값을 적용하였다.
해석 편의상 횡방향으로의 변위는 완전 구속을 가정한 3차원 모델을 사용하였다. 원지반의 측부 및 하단이 변위 구속된 상태로 초기 지중응력해석이 수행되었으며, 시공단계가 진행됨에 따라 사면층의 우측 경계면 및 횡방향으로 변위 구속조건이 활성화되도록 하였다.
숏크리트의 두께가 사면에 비해 상당히 얇기 때문에 연속된 격자망을 적용하는 것은 조밀한 격자망 생성이 불가피하며, 막대한 해석시간을 요구하게 된다. 이를 극복하기 위해 숏크리트는 원지반 및 사면과 별도의 격자망을 가지도록 모델을 형성하였고, 숏크리트와 지반영역 간 경계면에는 Tie Constraint에 의해 경계면에서의 절점이 일체적으로 거동될 수 있도록 하여 해석모델의 효율성을 제고하고자 하였다. 또한 록볼트는 축력만 받는 부재로 고려하였고, 표층 숏크리트와 사면 상단에 매입되어 상호작용할 수 있도록 Embedded Constraint를 적용하였다.
제작한 록볼트 센서는 IoT Sensor Node를 통해서 작은 아날로그 전압 값을 증폭시키고, 노이즈를 제거하기 위한 필터를 통과시켜 ADC를 통해 디지털 값으로 변환시킨다. 디지털 값은 MCU에서 통신규약에 의해 데이터 패킷을 만들고 LoRa 통신 모듈과 안테나를 이용하여 무선구간의 게이트웨이를 통해 서버와 스마트폰으로 전송된다.
14를 사용하여 탄소성 해석을 수행하였으며 이를 통해 록볼트의 변형, 사면 파괴 거동을 계측 및 검토하였다. 해당 프로그램은 지반거동을 재현을 위한 Mohr-Coulomb, Clay Plasticity, Drucker-Prager 등의 여러 탄소성 구성방정식 모델을 제공하며, 시공단계 재현이 가능하다.

대상 데이터

또 성형 수축 및 가소성이 적고, 경량이며, 시공이 간편한 장점이 있어 본 연구에 적용하였다. 나선형 철근 록볼트는 시중에서 판매하고 있는 제품을 구입하여 활용하였다.
5는 해석에 사용된 모델을 도시한 것으로서 사면의 쇄석은 사면체의 개별블록으로 모델링하였으며 하부지반은 연속체로 구성하였다. 록볼트(3m 길이)는 케이블요소로, 숏크리트는 라이너요소를 이용하여 모델링하였다.
천단 시점부에서 1.5m 이격된 위치에 3개의 나선형 철근 록볼트 센서와 3개의 GFRP 록볼트 센서 총 6개를 수평간격 1.5m 간격으로 매설하였다. 센서에서 계측한 데이터는 데이터 케이블을 통하여 Data Logger에 전송하여 계측 데이터를 자동으로 기록하도록 하였다.
해석모델에서 지반에 적용된 요소는 3차원 정방형 고체요소이며, 숏크리트 영역 또한 고체요소를 사용하였다. 록볼트는 3차원 트러스 요소를 사용하였다.

이론/모형

지반의 경우 탄소성 모델을 적용한 것과 달리 강재 및 GFRP 록볼트의 재료모델은 선형모델을 적용하였다. 록볼트가 지반에 비해 큰 강성을 가지고 사면의 최종적인 파괴형상을 고려했을 때 록볼트가 소성영역에 다다르지 않았을 것으로 판단되므로 록볼트의 선형모델 적용은 타당성을 가진다.

성능/효과

(1) 사면붕괴 실험을 수행한 결과, GFRP 록볼트 센서 및 나선형 철근 록볼트 센서가 암반사면의 초기 거동 및 붕괴 시 사면에서 발생한 변형 거동을 계측 가능함을 확인하였다.
(2) 현장실험 계측결과, 높이 3m 굴착시 GFRP 록볼트 센서에서 최대변위값 203.0mm, 나선형 철근 록볼트 센서에서는 42.0mm, 높이 4m 굴착시 GFRP 록볼트 센서에서 217.0mm, 나선형 철근 록볼트 센서에서 170.0mm로 모든 계측값에서 변위값이 급가속적으로 증가 후 붕괴되는 경향을 나타내어 사면 붕괴 예측 시 나선형 철근 록볼트 센서 및 GFRP 록볼트 센서를 적용 할 수 있을 것으로 사료된다.
(3) 유한요소해석 결과는 실규모의 3차원 해석모델과 현장실험간 다소 상이한 사면 거동 및 록볼트 거동이 관찰되었으며, 개별요소해석 결과는 실제 현장에서 측정한 록볼트의 변위값이 비슷하게 나타나는 경향을 나타내었으며, 동일한 조건에서 GFRP 록볼트 센서의 변위 감지 성능이 나선형 철근 록볼트 센서보다 우수한 것으로 나타났다.
(4) GFRP 록볼트 센서가 나선형 철근 록볼트 센서보다 감지 성능 및 재질적인 측면에서 사면 예･경보시스템 구축에 유리 할 것으로 사료된다.
1mm로 동일하게 측정되었고, 축력값은 GFRP 록볼트가 나선형 철근 록볼트에 비해 높은 값이 측정되었다. 개별요소해석(3DEC)에서의 변위 및 축력값 모두 GFRP 록볼트가 나선형 철근 록볼트에 비해 높은 값이 측정되었다.
나선형 철근 록볼트와 GFRP 록볼트의 변위 및 축력 결과를 비교한 결과(Fig. 16 참조) 유한요소해석(ABAQUS)에서의 록볼트 변위값은 1.1mm로 동일하게 측정되었고, 축력값은 GFRP 록볼트가 나선형 철근 록볼트에 비해 높은 값이 측정되었다. 개별요소해석(3DEC)에서의 변위 및 축력값 모두 GFRP 록볼트가 나선형 철근 록볼트에 비해 높은 값이 측정되었다.
본 연구에서는 나선형 철근 록볼트 센서와 GFRP 록볼트 센서의 계측 성능 검증을 통해 록볼트 센서가 암반사면의 초기 거동 및 사면붕괴에 이르기까지의 거동을 계측할 수 있음을 확인하였다.
8(b) 참조)을 나타내고 있다. 사면 굴착 후 록볼트의 변위값과 축력값 모두 숏크리트가 타설된 영역부터 그 크기가 급격히 증가하나 사면에 관입된 방향을 따라 점차 감소되는 것을 알 수 있다.
Table 5는 현장실험과 수치해석(ABAQUS, 3DEC)의 변위 및 축력 결과를 나타낸 것이다. 사면의 암석블록을 불연속체로 모사한 3차원 불연속체 해석(3DEC)의 결과값은 현장계측결과와 유사한 경향을 나타낸 반면 사면을 연속체로 가정한 유한요소해석(ABAQUS)의 결과값은 실제 현장에서 측정한 변위값과 큰 차이를 나타냈다.
수치해석과 계측 자료 비교 분석 결과, 3차원 개별요소(불연속체)해석을 통한 록볼트의 변위결과가 실제 현장에서 측정한 록볼트의 변위값이 비슷하게 나타나는 경향을 나타내었다.
현장실험 계측결과, 높이 3m 굴착시 GFRP 록볼트 센서에서 최대변위는 203.0mm, 나선형 철근 록볼트 센서에서는 42.0mm로 나타났으며, 높이 4m 굴착시 GFRP 록볼트 센서에서는 217mm 나선형 철근 록볼트 센서에서 170mm의 최대변위값이 계측되었다.

후속연구

따라서 록볼트 설치 시, 모니터링이 가능한 변위 센서와 사물 인터넷을 활용하여 서버나 관리자의 스마트폰으로 모니터링 계측 값 및 위험 상태 정보를 IoT시스템을 통하여 실시간으로 제공 가능한 모니터링 시스템을 개발한다면 터널 및 절취사면 등 암반사면의 유지관리에 활용성이 높을 것으로 판단된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	록볼트는 무엇인가요?	록볼트는 비탈면 및 터널 등의 시공 시 주변 암지반의 지보 기능을 유리하게 활용하기 위한 부재이며, 암반사면에 시공되어 붕괴 예방 및 장기 안정성을 확보한다. 그러나 공사의 부실, 지진, 크리프, 시간 경과에 따른 자연 풍화등의 다양한 원인으로 암지반이 활동하여 붕괴가 발생할수 있으며, 이를 사전에 파악하기 어려운 문제점이 있다.
	3DEC 프로그램의 특징은?	3DEC 프로그램은 암반에 존재하는 단층, 파쇄대, 절리등의 불연속면 특성을 효과적으로 모사 가능하며, 지반의응력 및 변형이 블록사이의 불연속면의 거동에 지배를 받는 경우 효과적으로 적용 가능하다.
	록볼트 센서는 사면의 붕괴 전조를 어떻게 예측하나요?	사면의 변형을 센서의 저항변화에 의한 전압검출을 기본원리로 하는 센서시스템의 신호처리 하드웨어와 알고리즘에 따라 센서의 미소한 전압의 변화를 드리프트신호(경년변화)와 구분하고 노이즈 성분을 제거하여 아날로그 신호를 디지털로 변환하여 신호처리 하는 방식으로 설계하여 사면의 붕괴 전조를 Fig. 3에서 보인 것과 같이 사전에파악할 수 있게 하였다.

참고문헌 (7)

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상세보기
Kim, J. S. (2013), A study on the construction of monitoring system based on USN for prediction of landslide collapse, Ph.D Thesis, Kangwon National University. (In Korean)
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상세보기
Moon, W. J., Im, H. D., Jung, K. B., Kim, J. S. and Lee, S. D. (2005), Supporting effects of system bolting at the tunnel in sandy ground, Proc. of Korean Society of Civil Engineers, pp.5555-5558. (In Korean)
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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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