한국지반공학회논문집제 34 권 11 호 2018 년 11 월 pp. 81 ~ 92 JOURNAL OF THE KOREAN GEOTECHNICAL SOCIETY ol.34, No.11, November 2018 pp. 81 ~ 92 ISSN 1229-2427 (Print) ISSN 2288-646X (Online) https://doi.org/10.7843/kgs.2018.34.11.81 실내실험을통한소형모형원형강관의동적반응평가 Laboratory Experiments for Evaluating Dynamic Response of Small-scaled Circular Steel Pipe 송정욱 1 Song, Jung Uk 이종섭 2 Lee, Jong-Sub 박민철 3 Park, Min-Chul 변용훈 4 Byun, Yong-Hoon 유정동 5 Yu, Jung-Doung Abstract For a marine bridge foundation construction, a large-circular-steel-pipe has been proposed for supporting vertical load and preventing water infiltration. However, a ship collision can adversely affect the structural stability. This paper presents a fundamental study on dynamic responses of the large-circular-steel-pipe by an impact load. In laboratory experiments, small-scaled steel pipe is installed in a soil tank. The soil height and water level are set to 23 cm and 25~70 cm, respectively. The upper part of the steel pipe is impacted using a hammer to simulate the ship collision. The dynamic responses are measured using accelerometers and strain gauges. Experimental results show that the strain decreases as the measured location is lowered. The higher frequency components appear in the impact load condition compared to the microtremor condition. However, the higher frequency components measured at the strain gauge located below the water level do not appear. For the accelerometer signal, the maximum frequency under the impact load is higher than that of the microtremor. The maximum frequency decreases as water level increases but it is larger than the maximum frequency of the microtremor. This study shows that strain gauge and accelerometer can be useful for evaluating the dynamic responses of large-circular-steel-pipes. 요 지 최근해상교량기초시공중차수및연직하중을지지하는역할을수행하는대형원형강관가설공법이제안되었다. 하지만, 대형원형강관의시공및운용중에발생할수있는선박충돌과같은위부요인은구조물의안정성에악영향을줄수있다. 따라서, 본연구에서는외부충격에의한대형원형강관의동적반응을평가할수있는기법을개발하기위해실내실험을통한기초연구를수행하였다. 실내실험에서는해상에설치된대형원형강관을모사하기위하여소형모형강관을토조에설치하였고, 토조속흙의높이와수위는각각 23cm와 25cm로설정하였다. 수위는 40cm, 55cm, 70cm로변화시켜가며실험을수행하였다. 선박충돌을모사하기위하여모형강관의상부를해머로타격하였으며, 모형강관의길이방향으로설치된변형률계와상부에설치된가속도계로신호를측정하였다. 실험 1 정회원, 고려대학교건축사회환경공학부박사과정 (Member, Ph.D. Student, School of Architecture and Civil Engrg., Korea Univ.) 2 정회원, 고려대학교건축사회환경공학부교수 (Member, Prof., School of Architecture and Civil Engrg., Korea University) 3 정회원, 고려대학교건축사회환경공학부박사수료 (Member, Ph.D. Candidate, School of Architecture and Civil Engrg., Korea Univ.) 4 정회원, 경북대학교농업토목 생물산업공학부조교수 (Member, Assistant Prof., School of Agricultural Civil & Bio-Industrial Engrg., Kyungpook National Univ.) 5 정회원, 고려대학교건축사회환경공학과연구교수 (Member, Reserch Prof., School of Architecture and Civil Engrg., Korea Univ., Tel: +82-3290-3838, Fax: +82-2-3290-5999, noorung2@korea.ac.kr, Corresponding author, 교신저자 ) * 본논문에대한토의를원하는회원은 2019년 5월 31일까지그내용을학회로보내주시기바랍니다. 저자의검토내용과함께논문집에게재하여드립니다. Copyright 2018 by the Korean Geotechnical Society This is an Open-Access article distributed under the terms of the Creative Commons Attribution Non-Commercial License (http://creativecommons.org/licenses/by-nc/3.0) which permits unrestricted non-commercial use, distribution, and reproduction in any medium, provided the original work is properly cited. 실내실험을통한소형모형원형강관의동적반응평가 81
결과, 변형률계로측정된변형률이모형강관의상부에서하부로내려갈수록감소하였다. 변형률계로측정된신호의주파수는충격이가해지면상시미진동주파수보다크게증가하였지만, 수위아래에위치한변형률계에서측정된주파수는큰증가를나타내지않았다. 가속도계로측정된신호의최대주파수는충격이가해지면상시미진동주파수보다크게증가하였다. 수위가증가하면최대주파수는감소하지만, 상시미진동주파수보다는크게나타났다. 본연구의결과는변형률계와가속도계가대형원형강관의동적반응특성을평가하는데유용한지표가될수있음을보여준다. Keywords : Accelerometer, Large Circular Steel Pipe, Dynamic Response, Ship Collision, Strain gauge 1. 서론최근건설기술의발달과더불어해상구조물및교통로의건설에대한수요가증가하고있으며, 이에따라초장대해상교량이항로를가로질러건설되는경우가늘어나고있다. 국내에서는서남해안을중심으로해상구조물및해안을가로지르는해상교량의건설이증가하고있다. 일반적으로해상교량의기초공사는공정이복잡하고난이도가매우높은것으로알려져있다 (lee et al., 2017). 이와같은이유로해상기초구조물은공사기간과비용이육상교량의기초구조물에비해약 2~3배정도높으며, 하부구조의공사비가전체공사비의약 30% 가까이차지한다. 특히, 해상지반의조건이좋지않은경우공사비가 50% 까지증가한다. 육상교량과비교하여해상교량의하부구조물공사에어려움을 주는가장큰요인으로가설도로, 해상작업대, 가물막이등의가설공법등으로지적되어왔다 (Lee et al., 2017). 따라서, 하부구조물공사의복합적인문제점을해결하고비용을절감할수있는대체공법이요구되어왔다. 2015년한국건설기술연구원 (KICT) 은해상교량건설에있어대두되는해상작업대및재래식가물막이공법의복합적인문제점을해결하고기술적, 경제적경쟁력을확보하고자 대형원형강관가설공법 을제안하였다. 대형원형강관가설공법의시공순서를 Fig. 1(Ssenyondo et al., 2017) 에나타내었다. 대형원형강관을지반에근입시키기위하여 Fig. 1과같이석션버켓형태의대형원형강관내부의물을펌프로배출하며, 이과정에서발생되는석션압을이용하여근입시킨다. 원형강관상부의커버를제거한후다수의원형강관세그먼트를해수면위까지연결한다. 이후원형강관 Fig. 1. Installation procedure of large-circular-steel-pipe (Ssenyondo et al., 2017) 82 한국지반공학회논문집제 34 권제 11 호
내부의해수를펌프로퍼내어가물막이역할을수행하도록한다. 해수가퍼내어진원형강관내부에기초를시공한후각원형강관세그먼트를분리한다. 이와같은공정으로시공되는해상교량기초시공용대형원형강관은기존의공법과비교해다음과같은장점을지닌다 (KICT, 2015). 해상가물막이의조립및해체측면에서보면, 기존의해상가물막이공법은다수의부재간조립과차수를위한별도의템플릿과공법이필요하다. 하지만대형원형강관가설공법은 1개의대형가물막이부재를이용하기때문에별도의템플릿과차수공법이필요하지않다. 기존의해상가물막이공법은내적안정성을확보하기위해사용된각종지보재와영구구조물인기초와의간섭문제를내재하고있다. 또한, 가물막이내측을뒷채움재로채워육상화할경우발생하는내측토압과기존에존재하던외측수압차이로인해발생할수있는공학적인문제를내재하고있다. 하지만, 대형원형강관은 1개의대형원형부재를사용하기때문에외부수압이부재의압축력으로전달되도록하고, 인장강도와압축강도가유사한강재를사용하여수압과토압에대해내적안정성을확보할수있도록한다. 기존가물막이공법은외부수압으로인해부재의변형등이발생할수있어근입깊이가상당히깊어야했다. 강널말뚝가물막이같은경우는대형시공장비와같은상부하중에대한지지력이부족하였다. 하지만, 대형원형강관은일체형원형부재를사용하여케이슨과동일한연직하중지지메커니즘을따르기때문에대형장비의하중에대한충분한지지력을확보할수있다. 최근대형원형강관가설공법에대한검증을위해다양한연구들이수행되고있다. Ssenyondo et al.(2017) 은대형원형강관의침투안정성을분석하기위해균질한지반조건과정상상태흐름조건에서수치해석을수행하였고, 대형원형강관의지중근입깊이와직경이증가할수록파이핑안전율에영향을주는유출동수경사가감소함을제시하였다. Jeong et al.(2017) 은파랑과조류에대한대형원형강관의구조적거동을수치해석을이용하여분석하였으며, 동수압, 조류력, 유체력이대형원형강관의전단력에주는영향을고려한설계가필요함을제시하였다. 큰직경을가지는대형원형강관의경우, 해수에인접하는면적이넓어큰유체력을받는다. 이로인해시공중원형강관의움직임발생할수있어수중시공시어려움이따른다 (Kim et al., 2017). Kim et al.(2017) 은파랑에의해대형원형강관이움직 이는것을최소화하기위해설치되는수중케이블이구조물의움직임에미치는영향을수치해석을통해분석하였으며, 대형원형강관의시공성향상을위한케이블의강성과설치시점을제시하였다. 지금까지의연구들은대형원형강관의구조적설계및내적안정성확보를위한수치해석이주를이루고있다. 하지만, 해상구조물내부요인뿐만아니라선박충돌과같은외부요인으로인한위험에도노출되어있다. 대형원형강관과같은해상구조물은가시설물임에도불구하고손상및붕괴시막대한인명피해와복구비용과같은경제적손실을초래하기때문에영구구조물못지않은안정성확보가필요하다 (KICT, 2015). Bae and Lee(2013) 는선박충돌문제는지진, 바람등과더불어해상교량의계획, 설계및유지관리등의각단계에서중요하게다루어져야하는요소라고하였다. 국내에서는선박충돌을고려한교량의구조적인해석에대한많은연구들이진행되고있다 (Bae and Lee, 2008; Cho, 2009; Lee et al., 6a; Lee et al., 2006b; Lee et al., 2011). 하지만, 이를모니터링하기위한연구는미흡한실정이다. 국외의경우선박충돌에의한교량의동적거동특성을모니터링하는기법을개발하기위한다양한연구들이보고되고있다. Wang et al.(2008) 은 steel-wire-rope coil(swrc) 를이용하여선박과교량의충돌시측정되는힘과에너지를이용하여선박충돌시발생되는동적거동특성을실험적으로제시하였으며, 이를수치해석을통해시뮬레이션하였다. Nayeri et al.(2008) 은미국 LA의빈센트토마스교량 (incent Thomas Bridge) 에가속도계를설치하여실시간모니터링을수행하였고, 실제로선박충돌이발생했을경우와그렇지않은경우에대해측정신호를분석하였다. Zheng et al.(2018) 은 flexible quantum tunneling composite(qtc) 센서를이용하여일정크기이상의선박충돌하중이전달될시경보가울리는시스템을개발하기위한실내실험을수행하였다. 본연구에서는선박충돌과같은외부충격에의해발생하는대형원형강관의동적반응특성을평가하기위한기초연구를수행하였다. 기초연구단계에서는실제대형원형강관의상사비및세그먼트간의연결조건을고려하지않았다. 또한, 지반특성, 파도, 파고, 파력, 조류력등과같은환경적인요인들도배제하였다. 소형모형원형강관의동적반응특성을평가하기위해실내실험을수행하였으며, 선박충돌을모사하기위해해머로모형강관에충격을가했으며, 변형률계와가속 실내실험을통한소형모형원형강관의동적반응평가 83
도계를이용하여신호를측정하였다. 또한, 수위변화에따른동적반응특성을비교하였다. 신호의분석은변형률계로측정된변형률과주파수특성그리고가속도계로측정된신호의주파수특성을이용하였으며, 상시미진동상태일때의주파수와비교하였다. 본논문은동적반응특성을평가하기위한실험의구성과결과에대한분석을포함한다. 2. 휘스톤브릿지변형률계는주로콘크리트, 강재구조물등에부착되어부착된부위의변형률혹은응력의변화를측정하기위하여주로사용된다. 변형률의측정에사용되는원리에따라진동현식, 저항식변형률계등의종류가존재하며, 본연구에서사용한저항식변형률계의경우, 금속박막의길이변화에따른저항의변화를통해변형률을측정하게된다. 변형률계의저항변화를측정하기위하여휘스톤브릿지회로를구성해야한다. 본연구에서적용한휘스톤브릿지회로의개요는 Fig. 2와같다. Fig. 2의휘스톤브릿지회로에서점 B와점 D사이에발생하는전압 G 는아래의식 (1) 과같이나타난다. R R (1) 4 3 G = R2 + R4 R1+ R3 본연구에서는충격방향과수평한방향및수직한방향으로변형률계가부착되었다. 충격방향과수평인위치의가속도계는연직방향의변형률을측정가능하도록부착되었고, 충돌방향과수직인위치의가속도계는수평방향의변형률을측정가능하도록부착되었다. 본연구에서는두변형률계를 Fig. 2의저항중 R 1 에위치시키고, 나머지저항값이변형률이존재하지않는경 우변형률계의저항값과동등하도록쿼터브릿지를구성하였으며, 각쿼터브릿지회로에서 ΔR 1 만큼의저항변화가발생하는경우, 계측되는전압 G 는아래의식 (2)~(7) 과같다. R R (2) 4 3 G = R2 + R4 ( R1+Δ R1) + R3 Let R1 = R2 = R3 = R4, Δ R1 =Δ R (3) G G 1 1 = 2 ΔR 2 + R ΔR 2+ 2 R = ΔR 2 2+ R ΔR ΔR << 2, 2 + 2 R R G = 1 4 ΔR R 변형률계에서발생한변형률과그에따른저항변화값은식 (8) 과같이변형률의고유값 K S 를비례상수로가지는정비례관계를보이며, 변형률계에발생하는변형률과브릿지회로상에서측정되는전압 G 간의관계는식 (9) 와같다. (4) (5) (6) (7) Δ R = Ks ε R (8) G 1 = Ks ε 4 (9) 3. 실험구성 3.1 측정시스템 Fig. 2. Schematic diagram of wheatstone bridge circuit 충격에의한모형원형강관의동적반응을평가하기위한측정시스템을 Fig. 3과같이구성하였다. 변형률 84 한국지반공학회논문집제 34 권제 11 호
계와가속도계는모형강관의 0도와 90도방향에모두설치되었다. 선박충돌을모사하기위해모형강관의 0 도방향상부를알루미늄팁이장착된해머 (086D05, PCB Piezotronics) 로타격하였다. 또한해머에장착된로드셀로힘의크기를측정하였다. 해머타격에의해모형강관에발생된동적반응특성은변형률계와가속도계 (356B11, Piezoelectrionics) 로측정하였다. 강관의높이방향으로설치된변형률계로부터측정된신호는데이터로거 (QuantumX, HBM) 를통해수집되고컴퓨터에저장하였다. 가속도계는삼축가속도계로충격이발생된방향과동일한방향의가속도성분을측정하였다. 가속도계로측정되는신호는시그널컨디셔너 (482C15, PCB Piezotronics) 에서노이즈제거및증폭되고오실로스코프 (DSOX3024T, Keysight) 에서확인하였다. 오실로스코 프를통해확인된신호는컴퓨터에저장하였다. 3.2 모형원형강관해상지반에설치된해상교량용대형원형강관의축소모형을 Fig. 4와같이구성하였다. 대형원형강관을모사하기위하여직경 32cm, 높이 90cm, 두께 3mm 인스테인레스재질의강관을사용하였다. 해상지반에설치된조건을모사하기위해가로, 세로, 높이가각각 1m, 1m, 1m인토조에물과흙을채웠다. 실험에사용된흙은입도 #20~#30 mesh (0.85~0.6mm), 비중 2.65인규사이다. 토조안의흙은 23cm의높이가되도록하였으며, 해상모래지반과유사한조건을모사하기위해수중낙사법으로상대밀도 30% 인포화모래지반을조성 Fig. 3. Measurement system Fig. 4. Schematic diagram of small-scaled circular steel pipe installed in soil tank 실내실험을통한소형모형원형강관의동적반응평가 85
하였다. 수중낙사법은수중에퇴적된자연상태흙의구조를가장잘나타낼수있는흙의조성방법으로낮은상대밀도의흙이조성되고흙의포화가확실히되는장점이있다 (Lee et al., 2008; Yun et al., 2016). 실제대형원형강관은석션압을이용하여지반에근입되며강관내부의물을펌프를통해제거한다. 본실험에서는이와유사한조건을만족시키기위해강관내부에토조안의흙의높이와동일한 23cm의흙을조성하였으며, 펌프로물이제거된조건을만족시키기위해불포화상태의흙으로조성하였다. 3.3 실험방법본연구에서는모형강관에발생하는변형률을측정하기위해 Fig. 4와같이변형률계를 0도와 90도위치에각각 8개씩총 16개를설치하였다. 변형률계는모형강관의 0도와 90도위치에상부로부터 2.5cm 아래에변형률계를설치하였으며, 모형강관의하부로부터 10cm 간격으로 7개의변형률계를설치하였다. 즉, 변형률계의설치위치는상부로부터 2.5cm, 20cm, 30cm, 40cm, 50cm, 60cm, 70cm이다. 변형률계는실리콘을이용하여방수처리하였다. 가속도계는삼축가속도계로모형원형강관상부로부터 2.5cm 아래에 0도와 90도위치에각각 1개씩총 2개가설치되었으며, 변형률계로부터우측으로약 5mm의간격을두고설치하였다. 선박충돌을모사하기위해팁이알루미늄재질인해머로모형강관 0도위치의상부로부터 2.5cm 아래지점을타격하였으며, 타격된힘의크기는해머에장착된로드셀로측정하였다. 만조와간조로인해해수면의높이가바뀌는것에대한영향을고려하기위하여, 수위를 15cm 간격으로변화시켜가며실험을수행하였다. 즉, 실험에서설정된수위는 25cm, 40cm, 55cm, 70cm이다. 변형률계로측정된신호는변형률과주파수분석을통해평가하였으며, 가속도계로측정된신호는신호의감쇠와주파수분석을통해평가하였다. 변형률계와가속도계로분석된주파수는상시미진동상태의주파수와비교하였다. 4. 시험결과및분석 4.1 변형률계신호 4.1.1 변형률모형강관을해머로타격하여변형률계로측정된신호의최대변형률 ( 이하변형률 ) 을측정하였으며, 수위변화에따른변형률계의위치별변형률을 Fig. 5에나타 (a) Water level = 25 cm(b) Water level = 40 cm (c) Water level = 55 cm(d) Water level = 70 cm Fig. 5. Normalized strain according to gauge location at different water levels 86 한국지반공학회논문집제 34 권제 11 호
내었다. 측정된변형률은해머에장착된로드셀로측정된힘으로나누어정규화하였다. 즉, Fig. 5에나타낸변형률은타격된힘의크기에대한상대적인변형률을나타낸다. 수위가 25cm 일때측정된변형률을보면, 타격방향과수평인방향 (0도위치 ) 에서측정된변형률이타격방향과수직인방향 (90도위치 ) 의변형률보다비교적크게나타났다. 이는 0도방향은힘의방향과휨이발생하는단면이수직인휨모멘트가발생하는반면, 90도방향에서는전단모멘트가지배적이기때문으로사료된다. 또한변형률의측정위치가강관의하부로갈수록측정된변형률이이차함수혹은지수함수의형태로감소하는경향이나타났다. 모형원형강관은하부로부터 23cm가흙으로지지되고있다. 이를통하여미루어보았을때, 모형강관충격이가해진후모형강관의거동이캔틸레버의휨거동과유사함을보여주는것으로사료된다. 수위변화에따른변형률변화양상을보면, 수위가 40cm, 55cm, 70cm로변화함에따른변형률감소양상은수위가 25cm일때와유사한경향을나타내지만, 수위변화가변형률에주는영향은거의미미함을보여준다. 하지만, 수압이매우높은현장의대수심조건에서는수위가변형률에영향을줄수있을것으로사료된다. 강관의변형은주변의지반조건혹은흐름조건에따라매우다른특성을보인다 (Saadeldin et al., 2015). 따라서이를고려한연구가추가로이루어져야할것이다. 화하였다. 수위가 25cm일때모형강관의상부로부터 2.5cm에위치한변형률계로측정한상시미진동신호의주파수스펙트럼을 Fig. 6에나타내였다. 상시미진동상태일때측정된최대주파수는 61Hz이며, 0도와 90도에서동일하게나타났다. 또한, 61Hz 이후에는지배적인주파수성분이나타나지않았다. 상시미진동상태일때의최대주파수는변형률계의설치위치 (2.5cm~80cm) 와수위변화 (25cm~70cm) 에상관없이동일하게 61Hz로나타났다. 수위가 2.5cm 일때, 충격발생후모형강관의상부로부터 2.5cm 위치에설치된변형률계로측정된주파수스펙트럼을 Fig. 7(a) 에나타내었다. 상시미진동상태일 (a) Location = 2.5 cm 4.1.2 주파수변형률계로측정된신호의주파수를분석하였으며, 상시미진동상태일때의주파수와충격이발생하였을때측정된신호의주파수를비교하였다. 측정된주파수성분의세기 (magnitude) 는최대값이 1이되도록정규 (b) Location = 40 cm Fig. 6. Frequency response for microtremor measured using strain gauge at 2.5 cm location with water level of 25 cm (c) Location = 70 cm Fig. 7. Frequency response of strain gauge for water level of 25 cm 실내실험을통한소형모형원형강관의동적반응평가 87
때의주파수특성과달리 3kHz 이하의영역에서다양한주파수성분이나타나는것을볼수있다. 이러한경향은 Fig. 7(b) 와같이모형강관상부로부터 40cm 위치에서변형률계로측정된주파수스펙트럼에서도볼수있다. 하지만, Fig. 7(c) 와같이모형강관상부로부터 70cm ( 수위아래 ) 에위치한변형률계에서측정된주파수스펙트럼을보면, 상시미진동상태일때보다는높은주파수성분들이나타나지만 0.5kHz 이상에서는지배적인주파수성분들이나타나지않는것을보여준다. 이러한경향은수위를 40cm~70cm까지변화시킨실험에서도동일하게나타난다. 충격발생후수위 40cm일때측정된 주파수스펙트럼을보면, Fig. 8(a) 와 Fig. 8(b) 와같이상부로부터 2.5cm와 40cm( 수위위 ) 에서측정된신호에서는 3kHz 이하에서다양한주파수성분들이나타난다. 하지만, 상부로부터 70cm인수위아래 (Fig. 8(c)) 에서측정된신호는 1 khz 이후로는주파수특성이나타나지않는것을볼수있다. 수위가 55cm일때충격후발생된신호의주파수스펙트럼을 Fig. 9에나타내었다. 수위위 ( 상부로부터 2.5cm) 에서측정된신호 (Fig. 9(a)) 를보면 3kHz 이하에서다양한주파수성분들이나타나는것을볼수있다. 수위보다는높은곳에위치하지만수위와가까운곳 ( 상부로부터 40cm) 에서측정된주파수 (a) Location = 2.5 cm (a) Location = 2.5 cm (b) Location = 40 cm (b) Location = 40 cm (c) Location = 70 cm Fig. 8. Frequency response of strain gauge for water level of 40 cm (c) Location = 70 cm Fig. 9. Frequency response of strain gauge for water level of 55 cm 88 한국지반공학회논문집제 34 권제 11 호
스펙트럼에서는 1.5kHz이하에서다양한주파수성분들이나타나지만그세기가많이작아진것을볼수있다. Fig. 9(c) 와같이완전히수위아래 ( 상부로부터 70cm) 에서측정된주파수스펙트럼을보면, 1kHz 이상의신호는완전히감쇠되어나타나지않는다. Fig. 10(a) 와같이수위가 70cm일때수위위 ( 상부로부터 2.5cm) 에서측정된주파수스펙트럼을보면 3kHz 이하에서다양한주파수성분들이나타나는것을볼수있다. 하지만, Fig. 10(b) 와 Fig. 10(c) 와같이상부로부터 40cm와 70cm( 수위아래 ) 에위치에서측정된신호의주파수성분들은 1kHz 이상에서는완전히감쇠되어나타나지않는것을볼수 있다. 모형강관에충격이발생하였을시수위에따라변형률계로측정된신호의주파수특성이다르게나타나는것은강관의동적변형과변형률계의측정신호도변화하기때문으로사료된다. 이와같은이유로충격이발생되면상시미진동주파수보다높은다양한주파수성분들이나타난다. 하지만, 수위아래에있으면물로인한신호의에너지감쇠로인해수위위에서측정된주파수성분들에비해낮은주파수성분들이나타나는것으로사료된다. 4.2 가속도계신호 (a) Location = 2.5 cm 모형강관의상부를해머로타격하여 0도와 90도위치에서가속도계로측정한신호를 Fig. 11에나타내었다. 해머의타격방향은 0도방향이며, 0도와 90 위치에설치된가속도계모두타격방향과동일한방향성분의신호를측정하였다. 측정된가속도신호는최대값이 1 이되도록정규화하였다. Fig. 11(a) 와같이수위에따라 0도에서측정한신호를보면수위가 20cm에서 70cm 로낮아짐에따라측정된가속도신호도감쇠하는것으로나타난다. 이러한경향은 Fig. 11(b) 와같이수위에 (b) Location = 40 cm (a) Signals at 0 degree (c) Location = 70 cm Fig. 10. Frequency response of strain gauge for water level of 70 cm (b) Signals at 90 degree Fig. 11. Normalized acceleration signals according to different water levels 실내실험을통한소형모형원형강관의동적반응평가 89
따라 90도에서측정한신호에서도동일하게나타나는것을볼수있다. 이러한결과는모형강관에전달되는충격에너지가물에의해감쇠되기때문으로사료된다. 가속도계로측정된신호에대한주파수분석을수행하였으며, 상시미진동상태일때가속도계로측정된신호의주파수스펙트럼을 Fig. 12에나타내었다. 측정된주파수스펙트럼을보면가속도계의설치위치가 0도일때와 90도일때나타나는최대주파수가동일한것을볼수있다. 수위변화에따른최대주파수는수위가 25cm 일때 (Fig. 12(a)) 12Hz, 40cm(Fig. 12(b)) 일때 24Hz, 55cm (Fig. 12(c)) 일때 37Hz, 70cm(Fig. 12(d)) 일때 61Hz로매우낮은주파수특성을보이는것으로나타났다. 하지만 Fig. 13과같이모형강관에충격이가해지면상시미진동상태일때보다고주파수대역에서다양한주파수성분들이나타나는것을볼수있다. 수위에따른최대주파수를보면수위가 25cm(Fig. 13(a)) 일때 1.35kHz, 40cm(Fig. 13(b)) 일때 0.68kHz, 55cm(Fig. 13(c)) 일때 0.44kHz, 70cm(Fig. 13(d)) 일때 0.43kHz로나타났다. 충격발생후에측정된수위에따른최대주파수와상시미진동주파수의비교를 Fig. 14에나타내었다. Fig. 14를보면, 충격발생후에측정된최대주파수가수위가증 가함에따라감소하는것으로나타났다. 하지만, 수위에따라최대주파수가감소하여도상시미진동상태일때보다는매우큰주파수를보이는것을볼수있다. 이는수위가증가함에따라타격시발생하는고주파수대역의진동이크게감쇠되기때문으로보인다. 모형강관에충격이가해진후측정된주파수가상시미진동주파수와다른이유는모형강관에충격이가해지면이에따라모형강관에동적거동이발생하기때문으로사료된다. 5. 요약및결론본연구에서는선박충돌과같은외부요인으로인해해상교량기초시공용대형원형강관에발생할수있는동적반응을평가하기위한기초연구를수행하였다. 모형강관을토조에설치하여실내실험을수행하였으며, 동적반응을측정하기위하여가속도계및변형률계를부착하였다. 선박충돌을모사하기위해해머로타격하여충격을발생시켰다. 만조와간조로인해해수면의높이가변화하는것을고려하기위해다양한수위조건에서실험을수행하였다. 본연구를통해얻은결론은다음과같다. (a) Water level = 25 cm(b) Water level = 40 cm (c) Water level = 55 cm(d) Water level = 70 cm Fig. 12. Frequency response for microtremor measured using accelerometer 90 한국지반공학회논문집제 34 권제 11 호
(a) Water level = 25 cm(b) Water level = 40 cm (c) Water level = 55 cm(d) Water level = 70 cm Fig. 13. Frequency response of accelerometer after hammer impacting Fig. 14. Maximum frequency according to water level (1) 강관의상부에서하부로갈수록충격으로인해발생되는변형률감소하였으며, 캔틸레버와유사한 1 차모드로거동하는것으로나타났다. 이는강관하부가흙으로지지되어있기때문으로사료된다. 따라서지반의종류및상대밀도와같은지반조건에따라변형특성이달라지므로이에대한추가연구가필요하다. (2) 충격발생후변형률계와가속도계로부터측정된주파수특성은상시미진동상태일때보다고주파수인주파수특성을보인다. 이를통해강관에충격이발생했음을평가할수있을것으로사료된다. (3) 충격후가속도계로측정된신호의최대주파수는수위가증가함에따라감소하지만, 상시미진동주파수보다는매우크게나타난다. 이를통해해수면의변화와상관없이강관에가해지는충격을평가할수있을것으로사료된다. (4) 충격후수위위에위치하는변형률계로측정된주파수는상시미진동상태일때보다큰주파수특성을보이지만수위아래에서는고주파수영역이감쇠되어뚜렷하게나타나지않는다. 따라서, 변형률계를이용하여동적반응특성을평가할시에는수면위에서평가하는것이바람직할것으로사료된다. (5) 실제해상조건에서는파도, 파고, 조류력, 풍력등의환경조건에의해대형원형강관에상시진동이발생할수있다. 따라서, 이를고려한추후연구가요구된다. (6) 본연구에서는석션압을통해지반에근입된대형원형강관을모사하기위하여, 모형강관내부에불포화상태의규사를조성하였다. 하지만, 석션압을통해근입된강관주변의지반상태는이와다를수있으므로이를고려한연구가필요할것으로사료된다. 실내실험을통한소형모형원형강관의동적반응평가 91
감사의글본연구는국토교통부국토교통과학기술진흥원의건설기술연구사업 ( 케이블교량글로벌경쟁력강화를위한전주기엔지니어링및가설공법개발, 18SCIP-B119953) 의지원으로수행되었으며이에깊은감사를드립니다. 참고문헌 (References) 1. Bae, Y.G. and Lee, S.L. (2008), Analysis of Ship Collision behavior of Pile Supported Structure, Journal of Korean Society of Civil Engineers, ol.28, No.3A, pp.323-330 (in Korean). 2. Bae, Y.G. and Lee, S.L. (2013), Ship Collision Risk Assessment and Sensitivity Analysis for Sea-crossing Bridges, Journal of the Korean Society of Civil Engineers, ol.33, No.5, pp.1753-1763 (in Korean). 3. Cho, H.H. (2009), Probability analysis of ship-bridge collision using ship maneuvering simulation, Ph.D. Dissertation, Seoul National University, Korea (in Korean). 4. KICT, Korea Institute of Civil Engineering and Building Technology. (2015), Planning Research on Development of Marine Bridge Foundation Large Circular Steel Pile Construction Method, Final Report 14RDPP-C090994-01, Korea Agency for Infrastructure Technology Advancement, 268p (in Korean). 5. Kim, J., Park, M.S., Jeong, Y.J., and Song, S. (2017), Numerical Study on the Motion of a Large Marine Temporary Structure Using Submerged Cables under Construction, KSCE 2017 (Conference and Civil Expo), Korean Society of Civil Engineers, Busan, Korea, pp.275-276 (in Korean). 6. Lee, G.H. and Hong, G.Y. (2011), A Study for the Evaluation of Ship Collision Forces for the Design of Bridge Pier, Journal of Korean Society of Civil Engineers, ol.31, No.3A, pp.199-206 (in Korean). 7. Lee, J.H., Cho, J.W., and Kim, H.M. (2017), Installation Method of Large Circular Steel Pipe Using Suction Pressure, KSCE 2017 (Conference and Civil Expo), Korean Society of Civil Engineers, Busan, Korea, pp.13-14 (in Korean). 8. Lee, M.J., Choi, S.K., Choo, H.W., Cho, Y.S., and Lee, W.J. (2008), Uniformity of Large Gypsum-cemented Specimens Fabricated by Air Pluviation Method, Journal of the Korean Geotechnical Society, ol.24, No.1, pp.91-99 (in Korean). 9. Lee, S.L. and Bae, Y.G. (2006a), Ship Collision Risk Assessment for Bridges, Journal of Korean Society of Civil Engineers, ol. 26, No.1A, pp.1-9 (in Korean). 10. Lee, S.L. and Bae, Y.G. (2006b), Ship Collision Risk of Suspension Bridge and Design essel Load, Journal of Korean Society of Civil Engineers, ol.26, No.1A, pp.11-19 (in Korean). 11. Saadeldin, R., Hu, Y., and Henni, A. (2015), Numerical Analysis of Buried Pipes under Field Geo-environmental Conditions, International Journal of Geo-Engineering, ol.6, No.6, pp.1-22. 12. Ssenyondon,., Tran,.A., and Kim, S.R. (2017), Numerical Investigation on Seepage Stability in Offshore Bucket Cut-off Walls, Journal of the Korean Geotechnical Society, ol.33, No.11, pp. 73-82 (in Korean). 13. Wang, L., Yang, L., Huang, D., Zhang, Z., and Chen, G. (2008), An Impact Dynamics Analysis on a New Crashworthy Device Against Ship bridge Collision, International Journal of Impact Engineering, ol.35, No.8, pp.895-904. 14. Yun, D.H., Suh, S.H., and Kim, Y.T. (2016), Settlement and Scour Characteristics of Artificial Reef According to Reinforced Ground, Journal of Ocean Engineering and Technology, ol.30, No.3, pp.186-193 (in Korean). 15. Yun, H., Nayeri, R., Tasbihgoo, F., Wahbeh, M., Caffrey, J., Wolfe, R., Nigbor, R., Masri, S.F., Abdel-Ghaffar, A., and Sheng, L.H. (2008), Monitoring the Collision of a Cargo Ship with the incent Thomas Bridge, Structural Control and Health Monitoring, ol. 15, No.2, pp.183-206. 16. Zheng, Q., Han, B., and Ou, J. (2018), Ship-bridge Collision Monitoring System based on Flexible Quantum Tunneling Composite with Cushioning Capability, Smart Materials and Structures, ol.27, No.7, pp.1-9. Received : November 12 th, 2018 Revised : November 16 th, 2018 Accepted : November 19 th, 2018 92 한국지반공학회논문집제 34 권제 11 호