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제안 방법
- LDT를 사용하여 삼축압축실험을 하는 경우 그림 3과 같이 멤브레인에 힌지를 붙이고 힌지 사이의 거리를 정확히 측정한 다음, 힌지에 LDT의 양끝을 거치하고 실험을 수행한다.
- 각 하중단계별로 10회째의 정현파에서 측정된 하중과 변위로 축차응력의 편진폭, 축변형률의 편진폭, 등가탄성계수(Equivalent elastic modulus), 감쇠비(Damping ratio)를 산정한다. 먼저 반복 편차응력의 편진폭 σd (kN/m2 ), 축변형률의 편진폭 (εa)SA , 등가탄성계수 Eeq , 감쇠비 h(%) 를 각각 다음 식으로 산정한다.
- 그러나 이러한 장점이 있는 반면 검증시편의 점탄성 때문에 하중주파수가 증가하거나 온도가 감소할수록 강성도가 증가한다(Stokoe 등, 1990). 그러므로 각 실험을 유사한 실내온도에서 실시하고, 각 실험이 수행되는 하중주파수를 고려하여 탄성계수를 비교하는 방법을 적용하였다.
- 본 연구에서도 실험 시스템의 역학적 순응성 검증을 위하여 고유의 역학적 특성치(탄성계수)가 서로 다른 검증시편을 사용하였다. 동일한 검증시편에 대한 각각의 실험을 독립적으로 수행하고, 실험들에서 결정된 강성도를 하중 주파수의 영향을 고려하여 서로 비교하는 방법을 적용하여 시스템을 전반적으로 검증하고자 하였다.
- 한편, 우레탄 재료 특성상 하중주파수에 따라 증가하는 강성의 경향도 결과로 잘 나타나고 있다. 따라서 보다 합리적인 검증을 위해 다른 실험법과의 교차검증을 추가로 실시하여 주파수에 따른 영향도 검토하였다.
- 단부오차는 시료의 양쪽 끝부분에서의 평탄성 문제로 인하여 상대적으로 큰 변위가 발생하여 변형율이 크게 평가되는 것으로 시료를 성형할 때 아무리 정밀하게 하더라도 완전히 배제할 수 없는 오차 요인이다. 따라서 본 실험장비에서는 내부(internal)변형 및 국부(local)변형 측정을 위해 시편 내부에 변위센서(LDT, Local Deformation Transducer) 를 부착하여 미소변위를 측정하였다. LDT는 국부변위 측정방법의 하나로 1% 이하의 변형률을 측정하고자 할 때 사용되며, 일본의 Tatsuoka 등(1991)이 개발하여 사용되고 있다.
- 따라서 본 장비를 구축하면서 현장다짐조건에 근접한 하중 제어를 통한 공시체 제작을 위해 하중크기(최대 100kN)와 주파수제어(30Hz, ±1.85mm at 100kN)가 가능한 전용 다짐장비를 제작하여 시료를 성형하였다.
- 또한 대형오이도미터실험을 위해 오이도미터셀을 두 종류(1000Ø×600H, 600Ø×600H)로 구성하였다.
- 또한 시료를 포화시키는 작업이 필요할 경우 이산화탄소로 시편 내부의 공기를 치환하고 이중부압법, 배압법 등으로 포화도를 높일 수 있도록 하였다. 그리고 실험 도중 시편 내부의 배압(back pressure) 제어 시 고압에서 공기가 시편 내부 간극수로 녹아들어 발생될 수 있는 포화도 저하를 최소화하기 위해 질소, 산소 등 일반대기의 기체에 비해 그 용해도가 약 10-20%에 불과한 헬륨을 이용해 배압을 제어할 수 있는 시스템이 추가되었다.
- 또한 중간 주응력 실험을 위한 셀(cell)과 동결융해조건 실험용 셀(Cell)을 별도로 구성하여 효율적인 실험이 가능하도록 하였다. 모든 실험 셀(cell)은 최대 구속압 2MPa하에서 안전하도록 설계 제작되었다.
- 본 연구에서 구축한 대형삼축압축실험장비는 최대 입경 100mm 조립재료까지 실험할 수 있으며, 하중 및 변위제어가 가능하고 정확한 하중제어를 위해 로드셀을 셀내부에 설치하였다. 변위측정은 미소변위의 측정을 위한 정밀도 확보를 위해 단부오차(bedding error)를 제거할 수 있도록 국부(local)변형 측정을 위해 시편 내부에 변위센서를 부착하여 미소변위를 측정하였다. 이와 같이 구축된 대형삼축압축실험장비에 대해서 우레탄 검증 시편으로 장비를 검증하였으며, 향후 실제 조립재료에 대한 실험을 수행으로 유용한 결과들을 제시할 수 있을 것으로 기대한다.
- 본 실험장비에는 주로 정적인 압축실험과 오이도미터실험을 위한 대용량(2000kN)의 액츄에이터와 미소변형수준의 동적 실험을 위한 200kN 액츄에이터를 분리 설치하여 실험 종류에 따라 사용할 수 있도록 하였다. 2000kN 액츄에이터는 총 스트로크 400mm로 최고속도 500mm/min와 최저속도 0.
- 본 실험장비에서는 보다 다양한 입도의 조립재료와 현실적인 환경 및 구속조건에 대한 요소실험이 가능하도록 여러 종류의 삼축셀을 구축하였다. 먼저 일반 삼축압축조건의 실험을 위해서 150Ø×300H, 300Ø×600H, 500Ø×1000H의 공시체의 실험이 가능하였다.
- Seed 등(1986)은 많은 자료 조사를 통하여 모래와 자갈에 대한 대표 비선형 동적 변형특성을 제안하였으며, 국내에서는 이세현 등(2009)이 국내외 연구결과를 바탕으로 D/B를 구축하고 대표곡선을 제안한 바 있다. 본 연구에서 구축한 대형삼축압축실험장비는 최대 입경 100mm 조립재료까지 실험할 수 있으며, 하중 및 변위제어가 가능하고 정확한 하중제어를 위해 로드셀을 셀내부에 설치하였다. 변위측정은 미소변위의 측정을 위한 정밀도 확보를 위해 단부오차(bedding error)를 제거할 수 있도록 국부(local)변형 측정을 위해 시편 내부에 변위센서를 부착하여 미소변위를 측정하였다.
- 삼축압축실험은 구속조건과 경계조건의 정의가 명확하고 이들의 제어가 가능한 실내실험법이다. 본 연구에서 사용한 삼축압축실험장비는 하중 및 변위제어가 가능한 장비이며 정확한 하중제어를 위해 로드 셀을 셀내부에 설치하였다. 변위측정은 내부와 외부에서 측정하는 방법이 있으나, 외부 측정 변위는 미소변위의 측정을 위한 정밀도 확보가 어렵고, 단부오차(bedding error)를 포함하기 때문에 미소변형수준의 변위 측정에 적합하지 않다.
- 또한 권기철(1999)의 연구결과에서 우레탄 검증시편은 하중주파수의 대수적 증가에 따라 거의 직선적으로 증가하고 있음을 검증한 바 있다. 본 연구에서 수행된 실험들, 비틂전단실험(TS), 공진주실험(RC), 대형삼축압축실험(LTX)도 각 실험이 수행된 하중주파수가 다르므로 이를 고려하여 평가하였다. 즉 하중주파수의 영향정도를 평가하기 위해 각 실험들에서 얻어진 탄성계수를 0.
- 삼축압축실험을 위해서는 시료의 포화, 시료 내부 배압 및 구속압 제어와 부피 측정 등을 위한 루프 (loop)시스템이 필요하다. 본 장비에서는 시료의 포화를 위해 Air Compressor, Air Drying 시스템, De-airing장비, 이산화탄소 공급장치, 고압레귤레이터, 진공펌프 등으로 구성된 루프시스템을 구축하였다.
- 새로 구축된 KRRI 대형삼축압축실험장비 전체 시스템 검증을 위해 소형 우레탄시편에 대한 공진주 (RC)/비틂전단실험(TS), 대형 우레탄 시편에 대한 대형삼축압축실험(LTX), 두 가지 시편에 대해 모두 충격반향(IET, Impact Echo)실험을 수행하여 그 결과를 비교 검증하였다. 검증시편의 강성도는 구속응력의 영향을 받지 않는 장점이 있으므로 대기압 상태에서 실험을 수행하였으나 실험 하중 주파수의 영향을 받게 된다.
- 본 장비의 메인프레임은 2개의 액츄에이터(2000kN, 200kN)를 거치하고 하중의 반력대로 사용되는 Cross Head(약 180kN), Cross Head의 상하이동을 위한 400kN급의 유압실린더, Cross Head를 4축 Post에 고정시키는 4800kN의 유압클램프, 중간주응력을 제어할 수 있는 300kN 액츄에이터(2ea)와 이를 고정 및 이동시킬 수 있는 베이스플레이트 및 삼축압축실험셀을 거치하고 이동할 수 있는 무빙플레이트(Moving Plate) 등으로 구성되어 있다. 실험장비의 최대 높이는 약 6m 정도로 최대 1m 높이의 공시체와 이를 위한 삼축셀, 로드셀 등 각종 지그류의 설치가 가능하도록 하였다.
- 이 외에도 본 실험 장비에서는 일반적인 삼축압축실험(CD, CU, UU) 이외에도 Ko구속압 제어, 삼축인 장실험, 중간주응력제어실험, 온도제어(동결/융해), 미소변형 수준의 동적물성실험 등으로의 실험장비 확장이 가능하도록 하였다.
- 그리고 실험 도중 시편 내부의 배압(back pressure) 제어 시 고압에서 공기가 시편 내부 간극수로 녹아들어 발생될 수 있는 포화도 저하를 최소화하기 위해 질소, 산소 등 일반대기의 기체에 비해 그 용해도가 약 10-20%에 불과한 헬륨을 이용해 배압을 제어할 수 있는 시스템이 추가되었다. 포화시료의 실험 중에 시료의 부피변화는 시료 내부 간극수의 변화량으로 측정할 수 있으며, 불포화 시료의 경우 셀내부의 구속압을 제어하는 물의 부피변화로 부피변화를 측정할 수 있도록 하였다. 삼축압축실험을 위해서는 실험조건에 맞는 공시체의 제작이 중요한 과정이다.
대상 데이터
- 각 종류의 검증시편은 같은 강성도를 갖도록 배합된 우레탄재료를 직경 300mm, 높이 600mm와 직경 50mm/높이 100mm의 크기로 동시에 제작하였다.
- 강성도가 서로 다른 우레탄 5개 종류의 검증시편을 사용하여 실험장치를 검증하였다. 우레탄 재질의 검증시편은 변형률크기에 따라 탄성계수가 일정한 선형거동을 나타내고, 강성도가 구속응력이나 응력이력에 영향을 받지 않으며, 내구성이 좋아 반복사용에 따른 특성치 변화가 없어 취급이 용이한 장점을 갖고 있다(Stokoe 등, 1990).
- LDT(Local Deformation Transducer)는 얇은 인청동판에 4개의 스트레인게이지(Strain gauge)를 Full bridge 형태로 붙여서 동판이 휘어질 때 발생하는 변형률(출력신호)를 측정하여 변위를 측정하는 장치이다. 본 연구에서 사용한 동판은 길이 520mm로서 인가전압 3V에 출력은 약 4.5mV/V 범위 이내에서 측정되어 앰프를 이용해 최대 6V범위에서 측정하도록 하였다.
- 실험장비의 검증은 하중 및 변위 측정용 센서들의 일반적인 검증과 더불어 시스템의 역학적 순응성 (System compliance)에 대한 전체적인 검증이 필요하다(권기철 1999). 본 연구에서도 실험 시스템의 역학적 순응성 검증을 위하여 고유의 역학적 특성치(탄성계수)가 서로 다른 검증시편을 사용하였다. 동일한 검증시편에 대한 각각의 실험을 독립적으로 수행하고, 실험들에서 결정된 강성도를 하중 주파수의 영향을 고려하여 서로 비교하는 방법을 적용하여 시스템을 전반적으로 검증하고자 하였다.
- 본 장비의 메인프레임은 2개의 액츄에이터(2000kN, 200kN)를 거치하고 하중의 반력대로 사용되는 Cross Head(약 180kN), Cross Head의 상하이동을 위한 400kN급의 유압실린더, Cross Head를 4축 Post에 고정시키는 4800kN의 유압클램프, 중간주응력을 제어할 수 있는 300kN 액츄에이터(2ea)와 이를 고정 및 이동시킬 수 있는 베이스플레이트 및 삼축압축실험셀을 거치하고 이동할 수 있는 무빙플레이트(Moving Plate) 등으로 구성되어 있다. 실험장비의 최대 높이는 약 6m 정도로 최대 1m 높이의 공시체와 이를 위한 삼축셀, 로드셀 등 각종 지그류의 설치가 가능하도록 하였다.
- 이번 검증실험은 대형우레탄시편(직경 300mm)에 대해 수행하였으며, 지반재료에 대한 동적실험과 같이 JGS 기준으로 실험하였다. 검증시편은 균질, 등방, 탄성이라는 가정 하에서 Young계수와 전단탄성계수를 서로 계산하기 위해 다음 식을 적용하였다.
데이터처리
- 본 연구에서 수행된 실험들, 비틂전단실험(TS), 공진주실험(RC), 대형삼축압축실험(LTX)도 각 실험이 수행된 하중주파수가 다르므로 이를 고려하여 평가하였다. 즉 하중주파수의 영향정도를 평가하기 위해 각 실험들에서 얻어진 탄성계수를 0.5Hz로 정규화하여 그 값을 비교하였다(그림 9). 그림에서 볼 수있는 바와 같이 각 실험들이 수행된 하중 주파수별로 거의 직선적으로 증가되고 있음을 확인할 수 있었다.
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