력을 제거하여 앵커체인의 순 인발지지력을 도출하여 표 3.4.4에 정리하였다. 표에서 제시된 바와 같 이 매설깊이가 깊어짐에 따라 지지력은 증가하는 것을 알 수 있다. 표 3.4.4에 제시된 는 전체 인 발지지력 중에서 수동저항력이 얼마나 큰 기여를 하고 있는지를 나타내는 계수로 다음과 같은 식으 로 나타낼 수 있다. 따라서 계수 가 커질수록 전체 지지력에 대한 수동저항의 기여도가 큰 것을 나 타낸다.
여기서, 는 수동저항력으로 전체 인발지지력으로부터 마찰저항을 제거한 값을 나타낸다. 따 라서 마찰저항 예측값이 참값으로 가정하여 구한 값이며 마찰저항을 구하는 공식은 상대적으로 검증 이 되었다고 판단되어 사용된 방법은 합리적으로 판단된다. 기여도 계수인 를 계산한 결과 매설 깊이에 상관 없이 74~89% 정도로 계산되었으며, 이는 모래에서의 앵커체인 인발력이 마찰저항보다는 대부분 수동저항에 의해 발생한다는 것을 의미한다.
그림 3.4.13 변위에 따른 매설깊이에 대한 인발지지력
Depth
(mm) Case Relative density
(%)
Water content
(%)
Dry unit weight ()
Saturated unit weight ()
Pullout capacity
(N)
100 1 58.0 27.1 14.9 19.0 4.8 0.83
2 55.4 27.5 14.8 19.0 4.9 0.83
200 1 58.0 27.1 14.9 19.0 9.5 0.83
2 55.4 27.5 14.8 19.0 8.0 0.80
300 1 55.2 27.6 14.8 19.0 9.4 0.74
2 54.1 28.2 14.8 19.1 21.7 0.89
표 3.4.4 조성된 지반의 물성값
실내실험을 통해 측정한 실험값과 앞에서 제시한 이론적인 예측값을 비교하여 실험 측정값에 대해서 교차 검증을 해 보았다. 총 6개의 실험결과 중 매설 깊이가 얕은 100과 200 mm에서의 값은 매우 일치하는 것으로 나타났으나 300 mm에서의 값들은 상당한 오차를 보였다. 이는 도르래에서 힘의 방향을 전환하는 과정에서 모래가 틈에 끼어드는 현상이 발생하여 생긴 오차로 판단되며, 추가적인 실험이 필요하다. 한 개의 링크를 이용하여 실험을 수행한 결과 전체 인발지지력 중 수동저항력의 기 여도가 매우 큰 것을 알 수 있었다.
Embedment depth(mm) Case
Pullout capacity (N)
Experimental results Analytical solution
100 1 4.8 4.7
2 4.9 4.7
200 1 9.5 9.5
2 8.0 9.5
300 1 9.4 14.2
2 21.7 14.4
표 3.4.5 실험 결과값과 이론해 비교
다. 앵커체인 링크 개수에 따른 인발지지력 변화
앞에서는 매설 깊이 300mm에서 앵커체인의 링크 개수를 다르게 하여 인발지지력과 수동저항 기여 도계수인 값이 어떻게 변하는지 실내모형실험을 통해 연구하였다. 그림 3.4.14는 링크 개수 변화에 따른 인발지지력 변화를 보여주고 있다. 링크의 개수가 증가함에 따라 인발 지지력 역시 증가하는
것을 판단할 수 있으나 그 값이 선형으로 증가하지 않는 것을 알 수 있다. 실험 결과를 기여도 계수 인 , 그리고 지반의 상대밀도 정보와 함께 표 3.4.6에 정리되어 있다. 표에서 보여지듯 링크 개수 증가에 따라 기여도 계수 값은 점점 감소하는 것을 알 수 있다. 그림 3.4.15는 링크 개수에 따른 기여도 계수의 변화를 보여주고 있다. 링크 개수가 증가함에 따라 수동저항이 전체 인발력에서 차지 하는 비율이 급격하게 감소하는 것을 알 수 있으며, 이는 인발지지력이 수렴되는 수동저항력과 마찰 저항의 합으로 이루어져 있음을 유추할 수 있다. 홍익대학교에서 보유하고 있는 토조의 크기 제한에 따라 실험 앵커체인의 링크 개수는 최대 18개 까지 실험이 가능하며, 이 경우 수동저항력이 전체 지 지력 대비 차지하는 비율이 50% 근처까지 감소함을 알 수 있다. 이는 1개의 링크를 사용했을 때의 90%에 비해 현저하게 감소한 값이다.
그림 3.4.14 변위에 따른 링크 개수에 대한 인발지지력
Number of chain links
Relative density
(%)
Water content
(%)
Dry unit weight ()
Saturated unit weight ()
Pullout capacity
(N)
1 54.1 28.2 14.8 19.1 21.7 0.89
3 61.5 26.2 14.9 18.9 30.1 0.83
5 77.9 26.5 15.4 19.6 42.2 0.72
8 76.4 26.1 15.3 19.5 57.4 0.67
13 54.6 27.3 14.8 19.0 72.2 0.59
18 73.7 26.9 15.3 19.6 92.1 0.53
표 3.4.6 조성된 지반의 물성값
그림 3.4.15 체인 링크 개수에 따른
라. 계류라인의 경사각에 따른 인발지지력
계류라인이 매설되는 경우 직선형태이기 보다는 곡선형태로 해저면으로 연결된다. 따라서 계류라 인의 거동을 이해하기 위해서는 계류라인의 경사각에 따른 거동도 매우 중요한 인자이다. 경사각이 변화할 때의 지지력 변화를 알아보기 위해 13개 링크로 이루어진 앵커체인을 이용하여 경사각 0, 10, 20, 30로 변화시켜가며 실내모형실험을 수행하였다. 매설깊이는 앵커 체인의 가장 마지막 앵커체인을 기준으로 300mm에서 진행되었다. 경사각의 변화에 따른 실내실험결과가 그림 3.4.16~3.4.19에 제시되어 있으며 실험결과와 지반 정보가 표 3.4.7에 정리되어 있다. 인발 각도에 따 른 실험은 총 12회 수행 되었으며 각 각도에 따라 3회 반복 실험을 수행하였다. 경사각이 인 경 우 3회 실험을 수행하여 측정한 인발지지력은 78 N, 96 N, 72 N이었고 경사각이 인 경우 각각 89 N, 53 N, 52 N으로 측정되었다. 경사각이 인 경우 57N, 43N, 50N, 마지막으로 인 경우 34N, 36N, 33N의 지지력이 측정되었다.
수동저항력 기여도 는 앵커체인 링크 하나가 받는 유효응력이 서로 다르기 때문에 마찰저항력 계산하는 것이 불가능하기 때문에 제시되지 않았다. 반면 앵커체인의 인발력은 매설각도가 증가될 수록 감소하는 경향을 보였다.
그림 3.4.16 변위에 따른 인발각
에 대한 인발지지력그림 3.4.17 변위에 따른 인발각
에 대한 인발지지력그림 3.4.18 변위에 따른 인발각
에 대한 인발지지력그림 3.4.19 변위에 따른 인발각
에 대한 인발지지력Embedment
angle Case
Relative density
(%)
Water content
(%)
Dry unit weight ()
Saturated unit weight ()
1 70.0 26.6 15.2 19.2
2 58.8 25.7 14.9 18.9
3 57.8 26.2 14.9 18.9
1 72.1 25.5 15.2 19.1
2 68.6 25.6 15.1 19.2
3 59.6 25.5 14.9 18.9
1 66.4 25.9 15.1 19.0
2 86.5 26.7 15.6 19.8
3 70.1 25.2 15.2 19.2
1 67.1 27.0 15.1 19.2
2 67.3 26.2 15.0 19.1
3 69.8 25.8 15.2 19.3
표 3.4.7 조성된 지반의 물성값
마. 반복하중에 대한 앵커체인의 인발지지력
반복하중에 대한 앵커체인의 인발지지 거동 변화를 평가하기 위해 동일한 매설깊이 300 mm에서 앵커체인의 링크 개수를 변화시켜가며 인발실험을 수행하였다. 반복하중횟수는 인발 변위와 총 소 요 실험시간을 고려하여 반복 10회로 결정하였으며 한 방향 변위는 총 80 mm로 10회 반복에 의해 1,600 mm 변위를 발생시킨다. 이 경우 총 소요 시간은 12시간이다.
그림 3.4.20은 실험방식을 간략하게 나타낸 것이다. 앵커체인의 링크 개수는 정하중에 대한 링크개 수별 인발지지력 평가 때와 마찬가지로, 최소 1개부터 최대 18개까지 하여 실험하였다. 실험과정은 정하중 인발실험과 동일한 방법을 이용하였으며 반복하중 재하를 위해 80 mm 변위가 측정되는 시점 에서 하중의 재하 방향을 바꾸는 장치를 설정하여 총 10회 반복시험을 수행하도록 하였다. 반복시험 동안 로드셀과 LVDT를 통해 하중과 변위가 데이터 로거를 통해 컴퓨터에 저장하도록 하였다.
그림 3.4.21~3.4.26은 링크 개수의 변화에 따라 발생하는 앵커체인의 인발하중과 변위를 도식한 그 래프이다. 그래프의 x축은 변위를 나타내고 y축의 하중을 나타내는데 파란색 실선으로 표현되는 그 래프는 좌측에 설치되어 있는 로드셀에서 읽혀진 하중으로 좌측방향 인발시 수집되는 값이다. 이 값 은 y축의 양의 값에 표시되어 있다. 반면 빨간색 그래프는 우측 방향으로 인발 시 수집되는 값으로 그림의 y축 음의 값으로 표시되어 있다.
처음 인발하는 경우 앵커체인의 하중-변위 곡선은 항복점이 관찰된다. 항복점 이후의 거동은 링크 의 개수와 상대밀도에 따라 차이를 두고 있으나 적은 링크의 개수에서는 항복점 이후 지지력이 완만 하게 증가하는 경향을 보인 반면 링크의 개수가 많은 실험에서는 항복점 이후 급격하게 감소하는 경 향을 보였다. 이후 역방향으로 앵커체인을 인발하게 되는 두 번째 인발에서부터는 첫 번째 인발에서 관찰되었던 지지력의 선형 증가와 항복점은 관찰되지 않았으며 첫 번째 인발시와 비교할 때 매우 작 은 지지력을 나타냈다. 두 번째 인발부터 이십번째 인발시 까지의 거동을 관찰하면 인발 저항이 변위 가 커짐에 따라 급격하게 증가하는 현상이 관찰되었다. 또한 인발 회수가 증가할수록 50 mm 이후 의 대변위에서의 인발저항이 증가하는 경향을 확인할 수 있었다.
대변위에서 반복회수가 커질수록 지지력이 증가하는 것은 체인의 링크의 크기로부터 기인한 것으 로 판단된다. 사용된 체인 링크의 너비는 40 mm로 전체 변위량의 반 정도이다. 첫 번째 인발에서 80 mm의 변위가 발생하면 모래 내부에는 80 mm의 공동이 발생하게 되어 주변 모래가 무너져 공간 을 채우게 된다. 이후 역방향으로 앵커를 인발하는 과정을 거치면 채워진 모래가 압축되는 과정을 거 치게 된다. 따라서 빈 공동을 만들고 모래가 채워진 후 압축을 받아 조밀해지는 과정을 여러 번 거 침에 따라 지지력은 급격하게 증가하는 것으로 판단된다. 이는 앵커체인의 지지력 산정 시 수동저항 부분이 급격하게 증가하는 것을 의미한다.
그림 3.4.21 변위에 따른 반복하중에 대한 인발지지력 (1 link)
그림 3.4.22 변위에 따른 반복하중에 대한 인발지지력 (3 links)
그림 3.4.23 변위에 따른 반복하중에 대한 인발지지력 (5 links)
그림 3.4.24 변위에 따른 반복하중에 대한 인발지지력(8 links)
그림 3.4.25 변위에 따른 반복하중에 대한 인발지지력 (13 links)
그림 3.4.26 변위에 따른 반복하중에 대한 인발지지력 (18 links)
Number of chain links
Relative density
(%)
Water content
(%)
Dry unit weight ()
Saturated unit weight ()
1 58.2 26.5 14.9 19.0
3 66.8 26.9 15.1 19.3
5 77.9 26.5 15.4 19.6
8 76.4 26.1 15.3 19.5
13 54.6 27.3 14.8 19.0
18 73.7 26.9 15.3 19.6
표 3.4.8 조성된 지반의 물성값
실험에서 사용한 최대 변위인 80 mm에서 발생하는 인발저항값은 인발의 반복횟수가 증가함에 따 라 급격하게 증가하여 링크 개수와 관련 없이 100 N의 내외로 측정되었다. 이는 앞서 기술한 바와 같이 모래 압축에 의한 조밀화 현상에 의해 발생한 것으로 판단되며, 링크의 크기에 비해 과도하게 큰 변위에 의해 발생하는 현상으로 판단되었다. 따라서 이러한 효과가 없을 것으로 판단되는 적은 변 위에서의 인발지지력을 분석한다면 반복하중에 의한 인발지지력 감소 현상을 관찰할 수 있을 것으로 판단되었다. 최대 변위인 80 mm에서의 인발력은 물론 링크 1개의 너비에 해당하는 40 mm와 그 반 에 해당하는 20 mm의 변위에서 인발력을 수집하여 분석해 보았으며, 결과값은 그림 3.4.27~3.4.29에 도식하였다.
그림 3.4.27은 80 mm 변위에서 링크의 개수와 인발 반복회수에 따라 인발저항을 보여주고 있다.
인발 저항은 1개의 링크일 때 급격하게 증가하는 것으로 나타났으며 링크의 개수가 증가 정도가 감 소하다가 가장 많은 18개의 링크에서는 증가 정도가 미미한 것으로 나타났다. 이는 적은 개수의 링 크에서 수동저항력의 기여도가 크기 때문에 반복 인발에 따라 수동저항력이 급격하게 증가하는 현상 에 의한 것으로 판단된다. 반면 40 mm의 인발 변위에서는 첫 번째 인발 시 발생하는 인발 저항에 비해 인발 저항이 급격하게 감소하는 것을 관찰할 수 있었으며 감소의 정도가 1개의 링크에서 18개 의 링크에 비해 훨씬 심각한 것으로 관찰되었다. 이는 공동을 채운 모래가 압축되기 이전으로 수동저 항이 거의 발생하지 않은 변위이기 때문에 수동저항의 영향을 많이 받는 1개 링크의 경우에 영향을 크게 받는 것으로 판단된다. 반면 링크의 개수가 많아짐에 따라 마찰 저항의 기여도가 커 인발력의 감소가 크지 않은 것으로 나타났다. 동일한 현상이 더 작은 변위인 20 mm에서의 인발저항에서도 나타났으며 동일한 이유로 사료된다.