[논문]실대형 교각 실험을 통한 교각 세굴안정성 평가 실험 기법 정립

이명재; 유민택; 김기현; 이일화

doi:10.7843/kgs.2019.35.7.5

실대형 교각 실험을 통한 교각 세굴안정성 평가 실험 기법 정립
Establishment of Testing Method for Abutment Scour Stability by Real-scale Model Test 원문보기

韓國地盤工學會論文集 = Journal of the Korean geotechnical society, v.35 no.7, 2019년, pp.5 - 14

이명재 (철도기술연구원) , 유민택 (철도기술연구원) , 김기현 (철도기술연구원) , 이일화 (철도기술연구원)

초록
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본 연구는 교각 안전성 평가 기법을 확립하기 위해 실대형 교각을 구축하여 충격하중을 이용해 일련의 비파괴 실험을 수행하였다. 실대형 교각에 상재 하중은 0 tonf에서 2.5 tonf씩 적재하여, 최대 25 tonf 까지 적재하였다. 타격 방향에 따른 교각의 거동을 분석하기위해 교축 방향과 교축직각 방향 그리고 교각의 외측방향으로 타격하였고, 타격 높이도 교각의 상단과 하단으로 실험을 수행하였다. 계측기는 가속도계를 사용하여 타격했을 시의 가속도 응답을 측정하였다. 일련의 실험결과를 바탕으로, 고속 푸리에 변환(FFT)를 이용해 타격 방향 및 상재 하중에 따른 고유진동수를 산정했다. 또한 위상차를 이용해 교각의 1차 모드에서 4차 모드까지 분석이 가능했으며, 세굴에 대한 영향을 수치해석을 통해 분석했다. 그 결과, 2차 모드와 3차 모드를 통해 합리적인 교각의 안정성 평가가 가능한 것으로 판단된다.

Abstract ▼ AI-Helper

In this study, a prototype abutment was constructed to establish a safety assessment technique of pier and a series of non-destructive tests using impact load. The surcharge load was loaded from 0 tonf to 2.5 tonf on the prototype abutment, and maximum surcharge load was up to 25 tonf. To analyze the behavior of the piers according to the direction of impact, a total of three types of analysis were performed: the direction of the pier, the direction perpendicular to the pier, and the outer direction of the pier. The height of the impact was also tested at each top and bottom. The measuring instrument used an accelerometer to measure the acceleration response when impacted. Based on the series of experimental results, specific values were calculated according to the direction of an impact and the surcharge load using the Fast Fourier Transform (FFT). In addition, the phase difference was used to analyze the pier from the primary 1st mode to the 4th mode.

주제어

표/그림 (25)

표 Table 1. Natural frequency formula
그림 Fig. 1. Design of prototype abutment
그림 Fig. 2. Prototype abutment
그림 Fig. 3. Mode number of abutment
표 Table 2. Eigenvalue of abutment and election of impact direction
그림 Fig. 4. Instrument equipment and impact hammer
그림 Fig. 5. Experiment process of prototype abutment
그림 Fig. 6. Schematic view of instrument position and impact direction
표 Table 3. Experiment case of prototype abutment
그림 Fig. 7. Time - acceleration history
그림 Fig. 8. Calculation of natural frequency
그림 Fig. 9. Calculation of phase
그림 Fig. 10. 1^th mode of prototype abutment (Surcharge load 0 tonf)
그림 Fig. 11. Phase difference of prototype abutment (1^th mode)
그림 Fig. 12. 2^nd mode of prototype abutment (Surcharge load 0 tonf)
그림 Fig. 13. Phase difference of prototype abutment (2^nd mode)
그림 Fig. 14. 3^rd mode of prototype abutment (Surcharge load 0 tonf)
그림 Fig. 15. Phase difference of prototype abutment (3^rd mode)
그림 Fig. 16. 4^th mode of prototype abutment (Surcharge load 0 tonf)
그림 Fig. 17. Phase difference of prototype abutment (4^th mode)
그림 Fig. 18. Numerical analysis condition of scour progression
표 Table 4. Comparison of natural frequency by mode number
그림 Fig. 19. Variation of natural frequency according to scour progression
그림 Fig. 20. Variation of natural frequency according to surcharge load (1^th ~ 4^th mode)
표 Table 5. Natural frequency by mode number according to scour progression

AI 본문요약
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문제 정의

이에 본 연구는 실대형 교각을 구축하여, 비파괴 실험을 통해 교각의 안정성을 평가할 수 있는 고유진동수 산출 기법을 연구하였다. 그리고 타격 조건 및 상재 하중에 따라 교각의 거동이 어떻게 발생하는지에 대한 모드 차수 분석을 수행하여, 교각의 안정성 평가를 위한 실험방법을 확립하고자 했다.
하지만 우리나라의 경우 안전진단 및 점검 시 교량의 상부 재료 및 구조적인 문제에 초첨이 맞춰져 있으며, 하부구조에 대한 정량적인 평가법이 없는 실정이다. 이에 본 연구는 실대형 교각을 구축하여, 비파괴 실험을 통해 교각의 안정성을 평가할 수 있는 고유진동수 산출 기법을 연구하였다. 그리고 타격 조건 및 상재 하중에 따라 교각의 거동이 어떻게 발생하는지에 대한 모드 차수 분석을 수행하여, 교각의 안정성 평가를 위한 실험방법을 확립하고자 했다.

제안 방법

(1) 수치해석을 이용해 교각의 고유치(Eigenvalue)와 모드 차수를 도출하였다. 이를 통해 실대형 교각 실험에서 1, 2, 3 그리고 4차 모드까지 도출 가능한 교각의 안정성 평가를 위한 실험 방법을 확립하였다.
6은 타격 방향에 따른 실험케이스를 보여준다. 가속도계 위치는 교각의 상단에서 50cm 떨어진 지점과 하단에서 50cm 떨어진 지점, 그리고 교각의 중심지점 3 개소로 결정하였다. 그리고 교축 방향과 교축직각 방향을 측정할 수 있게 2 개씩 총 6개소에 부착했다.
14Hz 수준에서 발생하였다. 또한 교각의 거동을 분석하기위해 높이마다 측정한 계측 값을 이용해 위상을 구했다. Fig.
충격하중을 받는 교각에 대해 가속도를 측정해 고유진동수 및 위상차를 산정하였고, 교각의 상태를 판단할 수 있는 안정성 평가 방법을 확립하였다. 또한 교각의 모드 차수를 분석하였다. 연구의 결과를 다음과 같이 정리하였다.
본 연구에서는 실대형 교각을 구축하여 실내실험을 수행하였으며, 세굴 영향에 대해 수치해석을 수행하였다. 충격하중을 받는 교각에 대해 가속도를 측정해 고유진동수 및 위상차를 산정하였고, 교각의 상태를 판단할 수 있는 안정성 평가 방법을 확립하였다.
비파괴 실험을 통한 교각의 안정성 평가를 위해 총 8개의 가속도계와 충격하중을 적용하기 위해 임펙트 해머(Impact hammer)를 사용하였다. Fig.
20은 상재 하중에 따른 실대형 교각의 모드 차수별 고유진동수를 도출한 결과이다. 상재 하중은 2.5 tonf씩 순차적으로 증가시켜 0 tonf부터 25 tonf 까지 적용시켰다. 그 결과, 1차 모드의 경우 상재 하중이 증가함에 따라 고유진동수는 0 tonf에서 15.
상재 하중이 0 tonf 일 때 일련의 실대형 교각 실험으로부터 가속도 값을 이용해 실대형 교각의 고유진동수를 도출하였으며, 위상차를 이용해 1차～4차 모드의 거동을 판단하였다. 실대형 교각 실험의 고유진동수는 Table 4과 같이 수치해석을 통한 고유치(Eigenvalue) 분석결과와 비교하여 정리하였다.
실대형 교각의 실험 제한상, 세굴에 대한 교각의 고유진동수 영향은 수치해석으로 수행하여 분석했다. 상재하중 0 tonf인 실대형 교각을 사용했으며, 해석 조건은 교각기초 아래의 지반을 한 쪽에서 10%씩 제거하여 최대 50%까지 세굴을 모사하였다. Fig.
실대형 교각의 실험 제한상, 세굴에 대한 교각의 고유진동수 영향은 수치해석으로 수행하여 분석했다. 상재하중 0 tonf인 실대형 교각을 사용했으며, 해석 조건은 교각기초 아래의 지반을 한 쪽에서 10%씩 제거하여 최대 50%까지 세굴을 모사하였다.
(1) 수치해석을 이용해 교각의 고유치(Eigenvalue)와 모드 차수를 도출하였다. 이를 통해 실대형 교각 실험에서 1, 2, 3 그리고 4차 모드까지 도출 가능한 교각의 안정성 평가를 위한 실험 방법을 확립하였다.
일련의 실험을 통하여 교각의 모드 차수를 분석하였고, 모드별 교각의 고유진동수를 도출하였다. Fig.
본 연구에서는 실대형 교각을 구축하여 실내실험을 수행하였으며, 세굴 영향에 대해 수치해석을 수행하였다. 충격하중을 받는 교각에 대해 가속도를 측정해 고유진동수 및 위상차를 산정하였고, 교각의 상태를 판단할 수 있는 안정성 평가 방법을 확립하였다. 또한 교각의 모드 차수를 분석하였다.

대상 데이터

교각 기초 슬래브의 크기는 길이, 폭 그리고 높이가 5.15m × 2.42m × 0.50m이며, 교각은 1.5m씩 콘크리트 타설과 양생을 3번 반복하여 높이 4.5m로 제작하였다.
5m로 제작하였다. 길이와 폭은 각각 4.15m와 1.42m로 제작했다. 실대형 교각의 제원은 Fig.
5는 실험에 사용된 장비 및 실험과정을 보여준다. 실험에 적용한 상재 하중은 0 tonf 부터 2.5 tonf 씩 점차적으로 증가시켜 25 tonf 까지 총 11가지 상재 하중을 적용했다.
교각 외측면에는 교축직각 방향으로 가속도를 측정할 수 있게 총 2개의 가속도계를 부착했다. 타격의 방향은 총 6곳이며 상재 하중을 고려하여 총 66번의 실험을 수행하였다. Table 3에 실험 케이스에 대해 정리하였다.

데이터처리

상재 하중이 0 tonf 일 때 일련의 실대형 교각 실험으로부터 가속도 값을 이용해 실대형 교각의 고유진동수를 도출하였으며, 위상차를 이용해 1차～4차 모드의 거동을 판단하였다. 실대형 교각 실험의 고유진동수는 Table 4과 같이 수치해석을 통한 고유치(Eigenvalue) 분석결과와 비교하여 정리하였다. 그 결과 실대형 교각 실험과 고유치(Eigenvalue) 분석의 고유진동수는 1차 모드, 2차 모드, 3차 모드 그리고 4차 모드에서 오차율이 5% 미만인 유사한 영역에서 나타나는 것으로 분석됐다.

이론/모형

실대형 교각실험 이전에 교각의 거동분석을 위해 유한요소프로그램인 Diana(2017)를 이용하여 교각의 고유치(Eigenvalue)를 도출했다. 해석에 사용된 교각의 크기는 실대형 교각 크기와 동일한 조건으로 수행했다.
실대형 교각은 노후화된 기초들을 평가하기 위해 직접 기초형식을 사용하였다. 교각 기초 슬래브의 크기는 길이, 폭 그리고 높이가 5.

성능/효과

(2) 상재하중을 받는 교각에서 1～4차 모드까지 분석 가능했지만, 4차 모드의 경우 상재하중이 증가하면서 도출하기 어려운 것으로 분석되었다. 또한 1차 모드의 경우 상재하중이 증가함에 따라 고유진동수가 점차 작아지는 경향을 보이며, 상재하중에 대한 영향이 큰 것으로 분석됐다.
(3) 수치해석을 통해 세굴에 대한 교각의 고유진동수 영향을 분석한 결과, 세굴 진행도가 커질수록 모든 모드 차수의 고유진동수가 감소하는 것으로 분석되었다. 이 중 2차 모드와 3차 모드에서의 영향이 가장 컸으며, 교각의 비틀림 거동을 보이는 3차 모드를 이용하면 교각기초지반에서의 세굴 진행도를 판단할 수 있을 것으로 사료된다.
10은 교각의 상단 부분을 교축 방향으로 타격한 Case-2에 해당하는 교각의 고유진동수 값이다. 그 결과 고유진동수 값은 15.14Hz 수준에서 발생하였다. 또한 교각의 거동을 분석하기위해 높이마다 측정한 계측 값을 이용해 위상을 구했다.
그 결과 고유진동수가 발생하는 지점의 위상차는 모두 0°으로 수렴하는 경향을 보였다.
실대형 교각 실험의 고유진동수는 Table 4과 같이 수치해석을 통한 고유치(Eigenvalue) 분석결과와 비교하여 정리하였다. 그 결과 실대형 교각 실험과 고유치(Eigenvalue) 분석의 고유진동수는 1차 모드, 2차 모드, 3차 모드 그리고 4차 모드에서 오차율이 5% 미만인 유사한 영역에서 나타나는 것으로 분석됐다.
5 tonf씩 순차적으로 증가시켜 0 tonf부터 25 tonf 까지 적용시켰다. 그 결과, 1차 모드의 경우 상재 하중이 증가함에 따라 고유진동수는 0 tonf에서 15.14Hz, 25 tonf에서 8.3Hz로 점차적으로 감소하는 경향을 보였다. 하지만 2차, 3차 모드의 경우에는 상재 하중변화와 무관하게 유사한 Hz 영역에서 고유진동수가 나타나는 것으로 분석되었다.
19는 수치해석 결과를 통해 세굴 진행도에 따른 고유진동수 변화를 나타냈다. 그 결과, 세굴이 진행될수록 1～4차 모드의 모든 고유진동수는 감소하는 것으로 분석되었다. Table 5와 같이 상재하중의 증가에 따른 고유진동수 최대감소비율은 1차 모드가 15.
(2) 상재하중을 받는 교각에서 1～4차 모드까지 분석 가능했지만, 4차 모드의 경우 상재하중이 증가하면서 도출하기 어려운 것으로 분석되었다. 또한 1차 모드의 경우 상재하중이 증가함에 따라 고유진동수가 점차 작아지는 경향을 보이며, 상재하중에 대한 영향이 큰 것으로 분석됐다. 그러므로 교각의 안정성 평가에 있어 상재하중에 영향을 받는 1차 모드보다 2차 모드를 사용하는 것이 더욱 적합한 것으로 판단된다.

후속연구

이 중 2차 모드와 3차 모드에서의 영향이 가장 컸으며, 교각의 비틀림 거동을 보이는 3차 모드를 이용하면 교각기초지반에서의 세굴 진행도를 판단할 수 있을 것으로 사료된다. 그러나 세굴에 대해 제한적인 형상만으로 분석하였기 때문에 향후 연구에서 세굴의 여러 형상에 대해서도 연구할 계획이다.
4차 모드의 경우 상재 하중 5 tonf 이상부터 명확한 가속도 신호를 얻을 수 없었다. 이 결과를 토대로 교각의 안정성 평가를 위해선 상재 하중에 영향을 받는 1차 모드 보다는 상재 하중에 영향을 받지 않는 2차 모드를 사용하여 안정성을 평가하는 것이 더 합리적일 것으로 판단된다. 2차 모드의 경우 교각과 지반의 경계면 상태에 따라 큰 영향이 있을 것으로 판단되며, 또한 앞선 설명과 같이 3차 모드의 경우 교각 기초에서 지반의 세굴 정도를 판단할 수 있을 것으로 보인다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	본 연구에서 사용된 실대형 교각 실험체는 어떻게 제작되었는가?	실대형 교각은 노후화된 기초들을 평가하기 위해 직접 기초형식을 사용하였다. 교각 기초 슬래브의 크기는 길이, 폭 그리고 높이가 5.15m × 2.42m × 0.50m이며, 교각은 1.5m씩 콘크리트 타설과 양생을 3번 반복하여 높이 4.5m로 제작하였다. 길이와 폭은 각각 4.15m와 1.42m로 제작했다. 실대형 교각의 제원은 Fig.
	Breusers-equilibrium방법은 무엇에 기초한 것인가?	Delft Hydraulics에서는 흐름의 수리학적 특성과 세굴 재료 등에 관한 여러 가지 변수들을 고려한 수많은 실내 실험을 수행하여 시간과 위치의 함수로 된 반경험적 세굴 공식을 도출하였다. 세굴 현상에 대한 종합 기술 매뉴얼을 마련하였는데, 이는 Breusers-equilibrium방법이라 불리며 최대 세굴심에 대한 흐름의 평균 유속과 상대 난류 강도, 시간의 지배적 특성에 기초한 것이다(Breusers, 1966). 일본에서는 유수력을 이용해 교각의 진동을 측정하고 고유진동수 변화를 분석하여 기초의 안정성을 평가하는 기법 개발 및 건전도 진단 지표를 연구하고 있다(Samizo, 2010).
	세굴해석에 범용되고 있는 것은?	그러나 대부분의 연구가 사질토에 세워진 교량에 집중되었고, 이로 인해 사질토 이외의 지반 세굴특성은 고려하지 못하는 실정이다. 세굴해석에는 HEC-18에서 제안하는 공식이 범용되고 있는데, 이는 모래를 대상으로 한 실험에서 구한 것으로 모래와 다른 지반조건에서의 적용은 한계가 있다. 최근 점성토 지반에서는 시간에 따른 세굴률과 시간효과를 고려한 방법(Briaud et al.

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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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