제 3 절 원심모형실험을 통한 성능평가
그림 3.3.2 로드셀과 보호캡
그림 3.3.3 인장실험과 캘리브레이션 작업
앵커에 작용하는 하중의 방향을 변화시키기 위해 풀리 시스템이 제작되었다. 풀리 시스템은 그림과 같이 풀리와 풀리를 보호하는 박스로 구성되어 있다. 또한, 하중의 방향을 자유롭게 변화시키기 위해 원형토조에 설치되는 높이를 조절 할 수 있도록 하였다.
그림 3.3.4 풀리와 풀리박스
하중을 재하하는 시스템으로는 그림과 같이 선형 액추에이터가 사용되었다. 선형 액추에이터는 모 형스케일에서 최대 하중 1tonf (60g 조건에서 3600ton), 최고 속도 8.3mm/s가 가능한 재하기로 모든 시스템이 원심모형시험에서 사용될 수 있도록 원격시스템으로 구축되었다. 본 선형 액추에이터는 변 위 제어 시스템으로 제작되었으며, 변위 제어 패턴은 제어가 가능하여 반복 하중의 모사가 가능하다.
액추에이터의 안정적인 지지를 위하여, 원형 토조의 상부에 고정하였다.
그림 3.3.5 선형 액추에이터
실험에서 앵커의 종류로 직경 100mm, 높이 200mm, 그리고 두께 3mm의 석션 앵커를 사용하였다.
70g에서 모사되는 실대형 사이즈는 직경과 높이가 각각 7m, 14m이다. 앵커는 석션을 이용하여 설치 되었으며, 체인을 앵커에 연결하기 위하여 앵커 외벽에 pad-eye를 부착하였다. 앵커의 변위와 회전각 을 측정하기 위하여, 표와 같은 제원을 갖는 두 개의 레이저 센서와 카메라를 이용한 사진자료를 이 용하였다. 레이저 센서는 지중에 관입된 앵커 판을 붙여, 판의 움직임을 상부와 하부로 나눠 측정하 였고, 계산을 통해 앵커 상부의 변위를 구했다.
일반적으로 계류선으로는 체인과 와이어 타입이 있으며, 여기에서는 2mm의 와이어를 계류선으로 사용하였다.
그림 3.3.6 석션 앵커
레이저 센서 프루브 레이저 센서 타겟
그림 3.3.7 레이저 센서 설치
항 목 내 용
Sensor head 모델명 LB-11
Controller 모델명 LB-70
Reference distance 100 mm
Measuring range ±40 mm
Linearity 1.6% of F.S.
Resolution 10 μm
Power supply 12 to 24 VDC ±10%
Current consumption 120 mA max.
Output Voltage ±4 V (0.1 V/mm)
Impedance 100 Ω
표 3.3.1 레이저 변위 센서 주요 제원
나. 검증실험
① 모형지반 조성
원심모형시험 조건에서 테스트베드와 유사한 지반조건을 재현하기 위해 KAIST KOCED 지오센트리 퓨지 센터에 설치되어 있는 정적 수직 재하장치와 13.5kg의 원형 추를 이용하여 지반을 조성하였다.
모형 지반은 깊이별로 모형지반을 균일한 밀도로 제어하기 위해 각 시료를 최적함수비로 혼합하고, 9 층으로 분할하여 다짐을 실시하였다.
높이(mm) 무게(kg) 함수비(%) 습윤단위중량() 건조단위중량() 상대다짐도(%) 상대밀도(%)
541 519 18.4 1.829 1.545 93.6 81.9
표 3.3.2 지반조성 결과
② 실험 준비 절차
실험 절차는 크게 4가지 단계로 나누어진다. 빈 토조에 풀리 시스템을 계산되 높이에 맞추어 설치 한다. 그 뒤 9층으로 이루어진 지반을 앞서 서술한 것 과 같이 조성한다. 로드셀과 연결된 와이어를 풀리에 통과시켜 연결하며, 1g의 상태에서 석션을 이용해 앵커를 관입한다. 선형 액추에이터를 설치 하고, 와이어의 한 쪽 끝을 액추에이터에 설치된 로드셀에 연결한다.
(가) 하중 재하기(KAIST) (나) 추(13.5kg)
(다) 시료 투입 장면 (라) 추를 사용한 동다짐 장면
그림 3.3.8 모형지반 조성에 사용된 정적 다짐 장비 및 추
(a) (b)
(c) (d) 그림 3.3.9 실험 준비 절차
디음 그림은 실제로 각각의 주요 구성품들이 토조 박스에 설치된 모습이다. 그림에서 파란색 화살 표는 풀리 시스템을 나타내며, 녹색 화살표는 선형 액추에이터를 나타낸다. 붉은색 화살표는 아직 설 치되지 않은 석션 앵커의 모습이다.
석션 앵커 선형
액추에이터
풀리 시스템
그림 3.3.10 조성된 토조 및 설치된 앵커모형
다. 검증실험 결과
① 로드셀 하중 측정 결과
액추에이터에 설치된 기성 로드셀과, 앵커에 설치된 제작된 로드셀의 값이 매우 유사하게 계측되었 다. 그래프1에서 녹색 선은 기성 로드셀에서 계측된 값을 나타내는데, 기성 로드셀과 제작된 로드셀 값의 비가 거의 1:1인 것을 알 수 있다. 풀리를 통과하면서 발생한 마찰력과, 지반 상부에서 와이어 가 끌리면서 발생한 마찰력에 의해 제작된 미니어처 로드셀 값이 조금 작게 계측되었다.
기성 로드셀 1:1 선
그림 3.3.11 기성 로드셀과 제작된 로드셀의 하중 측정값 비교
② 하중-변위 관계 및 하중-회전각 관계 측정
앵커 상부에 설치된 두 개의 레이저 센서와 앵커 외벽에 설치된 로드셀을 이용해 계측하였다. 측정 된 두 개의 레이저 값을 이용해 앵커 상부의 변위값을 계산하였으며, 이를 통하여 앵커에 작용하는 하중과 그에 따른 변위와의 관계를 계산하였다.
그림 3.3.12 하중 변위 관계 측정
변위를 측정한 두 개의 레이저 계측값을 이용하여 회전각을 계산하였고, 결과는 다음 그림과 같다.
그림 3.3.13 하중과 회전각 관계 계산
③ 사진촬영과 계측값의 비교
앵커의 변위를 측정하기 위하여 카메라를 이용한 사진을 분석하였다. 실제로 그림20에서 나타낸 것 과 유사하게 레이저 계측 판에 10mm 간격으로 수직으로 점을 찍었으며, 실험 전, 후의 사진을 픽셀 을 이용하여 분석하여 앵커의 변위를 계측하였다. 점과 점 사이의 10mm 간격에는 84개의 픽셀이 있
으며, 이것을 실험 전, 후 기준으로 레이저 상부 포인트 부분에서 수평 방향의 변위를 측정한 결과 약 77개의 픽셀이 있었으며, 이는 약 95mm이며, 실대형 사이즈로 나타내면, 665mm로 실제 레이저로 계측된 값인 700mm와 유사한 결과를 나타난다.
(a) 실험 전
(b) 실험 후
그림 3.3.14 실험 전, 후 사진 분석