한국해양공학회지제 26 권제 6 호, pp 33-38, 2012 년 12 월 / ISSN(print) 1225-0767 / ISSN(online) 2287-6715 Journal of Ocean Engineering and Technology 26(6), 33-38, December, 2012 http://dx.doi.org/10.5574/ksoe.2012.26.6.033 해저표준관입시험장비의밀폐형항타부 CFD 해석 고진환 장인성 김우태 권오순 백원대 한국해양과학기술원연안개발 에너지연구부 CFD Analysis of Underwater Standard Penetration Test Equipment Jin Hwan Ko, In Sung Jang, Woo Tae Kim, O Soon Kwon and Won Dae Baek Coastal Development and Ocean Energy Research Division, KIOST, Ansan, Korea KEY WORDS: Offshore geotechnical investigations 수중지반조사, SPT(Standard Penetration Test) equipment 표준관입시험장치, Closed penetration part 밀폐형항타부, CFD analysis CFD 해석 ABSTRACT: In our study, a closed type penetration unit for standard penetration test (SPT) equipment was developed in order to operate in an underwater environment. This type causes energy dissipation, mainly due to the small gap between an airtight case and moving hammer. The dissipation was estimated through a CFD analysis. The computed dissipated energy was less than 1.2% compared to the potential energy of the hammer with the given gap. Subsequently, the impact energy of the underwater SPT equipment was within 1.2% of that for the SPT equipment on land. 1. 서론최근들어초장대교량이나인공섬, 해상풍력기초, 해양에너지발전구조물, 그리고해저터널등대수심에대한해양구조물의수요가점차적으로증대되고있다. 이렇듯다양한분야에서시도되고있는해양구조물을안전하게건설하기위해서는구조물을지지하고있는해저지반의특성을정확하게평가하는것이상당히중요하다. 지금까지국내해양구조물은대부분항만구조물로, 수심 20m 내외의저수심에서바지선을활용하여일반육상용보링장비및원위치시험장비를그대로적용하고있다. 하지만조류가센지역이나높은수심에대해서는시험결과의부정확성뿐만아니라시험자체가어려워지는경우가다수있다. 이에따라대수심조건에서신뢰성높은지반조사를수행할수있는해저지반조사장비의개발이필요하다. 해외의경우에는대수심석유시추개발을위한목적으로다운홀 (Downhole) 방식과착저식 (Seabed) 방식등으로구분하여많은장비가개발되어실제현장에서활용되고있지만 (MLTM, 2007; Cho, 2007; Freudenthal, 2006), 국내에서는연약지반에국한되는착저식해양콘관입시험기 (MLTM, 2007; Jang et al., 2007) 이외에모든지반조건에활용될수있는보링장비가없는실정이다. 이에따라초장대교량을비롯한해양구조물건설시대수심 용지반조사를수행하고자하는목적으로최근착저식지반조사장비의개발이진행되고있다 (Kim et al., 2011a; Kim et al., 2011b). 이장비를활용하면해상작업선으로부터해양구조물이설치되는지점으로이동하여목표수심으로내려진후해저면에착저하여원격조종을통해지반조사작업을하게된다. 여기서지반의물성을파악하기위한원위치시험으로표준관입시험 (SPT) 을활용하게되는데, 말뚝기초를비롯하여다양한해양구조물의설계기준에서조사시험항목으로포함되어있다. 이에따라수중에서 SPT를수행할수있는장비는 (Kim et al., 2011b) 초장대교량뿐만아니라다양한해양개발에서필수적인장비라할수있다. 기존의 SPT 장치는육상조건으로개발및활용되고있는것으로수중조건에서는물의저항등으로인해육상에서와동일한조건으로시험하기어려운문제점이있다. 본연구에서개발되는 SPT 장치는수밀된케이스내에재하해머를설치하는방식으로육상조건과동일한시험과정을구현할수있다. 한편, SPT의결과인 N값 (63.5kg 해머를 76cm 높이자유낙하조건에서, SPT 샘플러가지중으로 30cm 관입될때까지의타격회수 ) 을산정하는데있어해머가로드로전달되는에너지가중요하다 (Korea highway corporation, 2002). 이에따라수밀된케이스와재하해머사이의간격이로드전달에너지에미치는영향을파악하는것이필요하다. Received 2 May 2012, revised 28 September 2012, accepted 11 December 2012 Corresponding author In Sung Jang: +82-31-400-7810, isjang@kiost.ac c 2012, The Korean Society of Ocean Engineers 33
34 고진환 장인성 김우태 권오순 백원대 본연구에서는 SPT 해머를감싸고있는밀폐케이스의존재유무에따라자유낙하하는해머가받는힘 ( 중력방향힘 ) 의상대비교와함께소모되는에너지량을추출하는것을주목적으로하고있다. 유체와구조물의상대거동분석에주로활용되고있는 CFD(Computational fluid dynamics) 해석을통해일반적인육상 SPT 조건과개발장비를활용한수중에서의 SPT 조건을서로비교하고소모되는에너지량를예측하고자한다. 2. 해저착저형지반조사장비 2.1 전체구성도 Fig. 1은본연구에서개발중인해저착저형지반조사장비로서수심 100m 조건에서심도 50m까지의지반굴착을할수있는장치와표준관입시험 (Standard penetration test, SPT) 을위하여자동착탈식로드, 토사지반공벽보호용케이싱장치, 로드및케이싱자동연결및분리시스템, 로드및케이싱자동공급및수납시스템, 무인원격조정이가능한장비제어시스템, 다양한해저지반에착저가가능한프레임장치기술을포함하고있다. 해저착저형지반조사장비의모식도는 Fig. 1과같고전체적인운용매커니즘은다음과같다. 해저면에장비를착저하여 50m 심도로보링을하기위해서는연결용로드 (Dirll rod) 나케이싱을지중속으로관입하여야한다. 여기서케이싱은지반시추시토사로이루어진공벽이무너지는것을막는역할을한다. 본장비에는 89mm 외경의케이싱, 73mm 외경의케이싱, SPT 를수행하기위한연결용 45mm 외경의연결로드, 45mm 외경의연결로드 + SPT 샘플러등 4종류의로드가활용되는데, 로드보관모듈 (5) 에는보링시로드나케이싱을공급하고회수시다시보관하는모듈이다. 로드공급모듈 (3) 은 2기의그리퍼 (Gripper) 를장착하고있으며이그리퍼를이용하여로드보관모듈에서케이싱이나로드를잡아서자동관입모듈 (4) 에로드를공급하고회수하게된다. 여기서의자동관입모듈은로드나케이싱을지중속으로관입하기위해회전이나상하왕복, 순환수공급등의역할을수행한다. 보링작업시로드공급모듈 (3) 로공급된케이싱을자동관입모듈 (4) 에서보링작업을하고표준관입시험작업시에는 AW로드 +SPT 샘플러를공급받아표준관입시험재하장치 (2) 에공급하여 SPT 항타를하게된다. 항타후샘플 러를회수하고연장되는케이싱을공급받아굴착작업을진행한다. 이와같은작업을반복수행하여심도 50m까지보링및표준관입시험을수행하게된다. 한편, 내압탱크 (1) 는각모듈의유압시스템과전기제어시스템그리고장비로부터얻어지는데이터의송수신장치를장착하고있으며, 수심 100m 조건에서도수압을견딜수있는구조로되어있다. 2.2 표준관입시험장치소개 Fig. 2는해저착저형지반조사장비를개발하기위한중요모듈중의하나인표준관입시험모듈로해저지질조사용표준관입시험장치이다. 기존의육상에서사용되는표준관입시험장치를수중에서도동일한조건에서표준관입시험을수행할수있도록제작을하였다. 수중표준관입시험을위한항타부를 Fig. 2(a) 와같이밀페케이스를제작하여물이들어오는것을막고또한육상과동일한조건의자유낙하가가능하도록제작을하였으며하부의연결부는수밀처리와방식처리를하여물의유입을차단하였다. Fig. 2(b),(c) 에서와같이유압액츄에이터 (Actuator) 의상승으로무게 63.5kg 의해머를일정한 76cm 높이까지들어올려자유낙하시키며가이드라인에의하여연결롯드로수직낙하를유도한다. 이와같은운동을반복하여표준관입시험을하게되며, 표준관입시험의결과인 N값은지반의설계정수산정에활용하게된다. N값을육상과동일하게산정하기위하여해머가자유낙하하여얻어지는결과와수밀된케이스와재하해머사이의간격에따른에너지전달에미치는영향을파악하는것이중요한요소중의하나이다. 본연구에서는이영향을 CFD 해석을통해예측하고자한다. FIg. 1 Schematics of offshore geotechnical investigation equipment (a) SPT apparatus (b) Before free-falling (c) After droping hammer Fig. 2 Underwater standard penetration test equipment(kim et al., 2011a)
해저 표준관입시험 장비의 밀폐형 항타부 CFD 해석 3. 항타부 CFD 모델링과 해석 35 전산유체역학(CFD)은 유체 현상을 수학적으로 모델링한 나 으로, Fig. 4(a)는 입체도를, Fig 4(b)는 해머 부분을 중심으로 단 면을 나타내었다. 바닥에서 해머까지의 위치는 760mm로써, 밀 폐형의 자유낙하 높이와 같도록 형상을 설정하였다. 비에-스토크스 방정식(Navier-stokes equation)을 유한차분법, 유한요소법, 유한 체적법 등의 방법들로 이산화하여 수치적으 로 유체 유동문제를 풀고 해석하는 방법을 나타낸다(Anderson, 3.2 격자구성도 Fig. 5는 유체 격자 형태를 보여주고 있는데 밀폐형의 경우는 1995). 이산화를 앞서 먼저 다음의 형상 모델링이 요구된다. 3.1 치수 및 형상 모델링 계산량 저감과 해석 편이성을 위해 실제 모델의 단순화가 필 요하였다. Fig. 3과 같이 위쪽의 그리퍼(Gripper) 시스템을삭제 하여 단순화되었으며 이는 해석에 직접적으로 미치는 영향이 적다고 가정되었다. 해머와 밀폐 케이스와의 간격은 그림과 같 이 40mm가 되며 낙하 시 아래 부분의 공기가 위 부분으로 유 통하는데 저항이 적도록 설정된 값이다. Fig. 4는 개방된 형태의 경우 해머와 전체 형상을 나타낸 것 Wedge cell로 격자가 구성되어 있고 4개의 파티션으로 나누어져 있다. Wedge cell은 삼각 기둥형태이며 해석에서 Dynamic layering을 적용하기 위해 위와 아래 표면을 삼각형으로 격자를 만 들고 이를 진행방향으로 층을 쌓으면서 생성된 형태이다. 격자수 는 235,222개이고 절점수는 128,731이며 Fig. 5의 왼편에 해머와 단 면의 격자 형태를 도식하였다. 개방형의 경우는 Mixed cell로 격 자가 구성되어 있고 역시 4개의 파티션으로 나누었다. Mixed cell 은 위와 아래 표면을 삼각형과 사각형 격자를 만들고 진행방향으 로 층을 쌓으면서 생성된 형태이다. 격자수는 404,094이고 절점수 는 326,990이며 Fig. 5에 해머와 단면의 격자 형태를 나타내었다. 3.3 해석조건 해석에는 ANSYS FLUENT ver. 13 (ANSYS, 2010a)이 활용되 었고 시간에 따라 변화가 있으므로 비정상 해석을 수행하였다. 자세한 적용 조건은 다음과 같다. - 이상기체방정식 적용 - k- 난류모델 적용 - 압축성 유체 해석 적용 - Time step size : 0.002(s) (196 steps) - Moving deforming mesh (dynamic layering 기법) - User defined function(ansys, 2010b)을 통해 등가속도 조 건 적용 (a) Geometry (b) Modeling diagram Fig. 3 Geometric modeling of the closed-type penetration part (a) Modeling diagram (b) Section view Fig. 4 Geometric modeling of the open-type penetration part (a) Closed type Fig. 5 Detailed grid meshes (b) Open type
36 고진환 장인성 김우태 권오순 백원대 Fig. 7 Comparison of drag forces on hammers (a) Closed type (b) Open type Fig. 6 Boundary conditions 마지막에주어진등가속도조건은유체저항에의한감속효과를무시하고중력가속도 9.8m/s 2 에의해가속되는조건을주었다. 이는밀폐형에대해서는실제의경우보다시간별속도가더크게되는조건으로에너지감쇠량이더많은조건이된다. 즉실제의에너지감쇠량은해석결과의감쇠량보다적게되는것이다. 격자시스템의경우물체근처의격자형태의변형정도에따라해의정확성에지대한영향을미치게된다. 따라서움직이는물체인해머근처의격자의질향상을위해 FLUENT 의 Dynamic layering, Smoothing, Remeshing 기법이이용되었다. 이기법은지하철이터널을통과할때유발되는유동해석등에사용되었으며 (Huang, 2010) 본문제의해머움직임에의해발생되는유동해석에적합하다고판단되었다. Dynamic layering의경우는격자를진행방향으로층을이루게하고, 해머가특정층을지나가면그층은진행방향반대쪽으로위치하게하는방식이다. Smoothing은스프링계수를이용하여격자의질을향상시키며 Remeshing 은해머주위의격자만국부적으로다시구성하는방식으로격자질을향상시키게된다. 본비정상해석은해머의이동거리 760mm 직전까지해석이진행되며밀폐형의경우공기의유출은없다고가정된다. Fig. 6 의왼편, 밀폐형의경우에서케이스내부, 해머, 그리고연결롯드는 No slip wall 조건을주었고오른편개방형의경우는해머의경우만 No slip wall 조건이고나머지는대기압으로 Pressure inlet 조건을주었다. 4. 해석결과및분석해머가바닥에닿기까지시간은 0.393초이고, 자유낙하동안의 시간별항력의크기는 Fig. 7과같다. 그림에서보는바와같이개방형의경우, 해머가받는힘은상당히미미함을확인할수있다. 0.35초까지는하부공기의압축성효과에의해점진적으로증가하다가그이후는하부공기가거의다빠져나가감소하는결과를보였다. 밀폐형의경우상대적으로가파르게증가하다가해머가바닥에거의닿기직전항력이크게증가하는것을확인할수있다. 이는밀폐형에서해머와실린더간의좁은간격에의한유체의흐름이제한적이되면서상하간큰압력차가생겨주도적인영향을준다할수있다. 시작, 중간지점, 그리고충돌직전의현상을자세히보기위해동일한시점들 (t=0.01, 0.2, 그리고 0.39(s)) 에서압력분포를 Fig. 8과 Fig. 9에나타내었다. Fig. 8에나타낸밀폐형의경우는 0.01초에서상부와하부의압력분포가진행방향에따라층을이루면서차이가나기시작하다가 0.2초에서그차이가커지면서상하간압력차이가극명하게나는것을확인할수있다. 이런압력차의증가에의해항력이점진적으로증가하다가 0.39초에서는연결로드와의간격이최소화되면서연결로드부분의압력이크게증가하게됨으로써 Fig. 7과같이항력이급격히증가하게된다. 반면 Fig. 9의개방계의경우는 0.01초에서진행방향으로압력차가있으나하부의공기가사방으로퍼질수있기때문에압축정도가적으며또한밀폐형과다르게층형태는아니고넓게퍼진형태를보이고있다. 0.2초에서는속도증가에의해압력차가커지기는하나공기의압축정도가적기때문에밀폐형과비교하여최대압력이 1/10보다작게나타났다. 0.39초에서는충돌전하부의공기가급하게빠져나가면서해머밑면의가장자리에서다소높은압력이발생하지만압축공기가이미많이유출되면서 Fig. 7과같이항력이줄어들게되었다. 한편, Fig. 7의그래프에보는바와같이밀폐형의항력에의한에너지소모가개방형의비해월등히클것으로예상할수있다. 그러면다음으로밀폐형의에너지소모량은어느정도가되며얼마정도를허용할수있는지기준이필요하다. 먼저에너지소모량은각시간스텝에서의항력과이동거리를곱하고이를전시간에대해합치게되면식 (1) 과같이계산될수있다. 에너지소모량 = (1)
해저 표준관입시험 장비의 밀폐형 항타부 CFD 해석 37 (a) t=0.01sec (a) t=0.01sec (b) t=0.2sec (b) t=0.2sec (c) t=0.39sec Fig. 8 Pressure distributions at various time for closed type condition (c) t=0.39sec Fig. 9 Pressure distributions at various time for open type condition 여기서 NTS는 시간 스텝 수, FiD는 항력, 그리고 li는 이동거 리이다. 개방형의 경우의 에너지 소모량을 위 식을 통해 계산하 에너지소모량 (2) 위치에너지 면 0.436N m이 된다. 계산된 밀폐형의 에너지 소모량을 해머 가 가지는 위치에너지로 나누면 상대적인 양으로 식(2)과 같이 비교할 수 있다. 앞에서 기술한 바와 같이 항력에 의한 속도감소를 고려하지 않았으므로 계산된 에너지 소모량은 속도감소가 있는 경우보다 큰 값으로 간주할 수 있어, 1.2%보다 적은 소모량을 예측할 수
38 고진환 장인성 김우태 권오순 백원대 있다. 또한밀폐형과개방형의전달되는에너지차이도 1.2% 미만임을알수있다. 이는표준관입시험 (SPT) 의허용오차안에있는수준으로판단된다. 만약해머와밀폐케이스의간격을줄인다면에너지소모량이늘어날수있는반면, 전체무게와부피및비용을줄일수있는효과가있으므로양측면을고려해서결정할필요가있을것으로보인다. 5. 결론해저착저형지반조사장비의핵심모듈인표준관입시험 (SPT) 항타부는수중이라는조건에적용하기위해밀폐형으로설계되었다. 육상의개방형항타부와비교해서큰차이점은내부가밀폐가되어있어해머가낙하할때밀폐케이스와해머사이간격으로유체흐름이제한적이되는이유로상하압력차가생기고이로인해높은항력이발생한다는데있다. 이런항력에의한에너지소모량을예측하기위해 ANSYS FLUENT 를활용하여 CFD 해석을하였고이때 layering/smoothing/remeshing 옵션과 User Defined Function 기능을활용하여진행하였다. 예상대로밀폐형의경우실린더와해머사이간격효과가주요항력의원인이되었고개방형에비해에너지소모가많은것이확인되었다. 다음으로밀폐형의에너지소모량을해머의위치에너지와비교하였고주어진간격에서 1.2% 보다낮은것을계산을통해알수있었다. 이는표준관입시험 (SPT) 에서허용할수있는범위이며본연구에서진행된수치적인접근법은밀폐형항타부설계에도움을줄것으로기대한다. 후기본연구는초장대교량사업단제3핵심과제를통해지원된국토해양부건설기술혁신사업 (08기술혁신E01) 에의하여수행되었으며이에감사드립니다. 참고문헌 Anderson, J.D. 1995. Computational Fluid Dynamics: The Basics With Applications, McGraw-Hill Science. ANSYS, inc., 2010a. ANSYS FLUENT User's guide. ANSYS, inc., 2010b. ANSYS FLUENT UDF Manual. Cho, S.M., 2007. Technical Trend of Offshore Geotechnical Site Investigations. 2007 Fall Korean Geotechnical Society Geotechnical Engineering Confernce,639-653 Freudenthal, T., and Wefer, G., 2006. "The Sea-floor Drill Ring "MeBo": Robotic Retrieval of Marine Sediment Cores, PAGES News, 14(1), 10. Huang, Y-D, Gao, W., and Kim, C-N., 2010. A numerical study of the train-induced unsteady airflow in a subway tunnel with natural ventilation ducts using the dynamic layering method, Journal of hydrodynamics, Ser. B, 22(2), 164-172. Jang, I.S, Kwon, O.S., Chung, C.K., 2007. Development of Unmanned Seabed type Marine Cone Penetration Testing System. 2007 Fall Korean Geotechnical Society Geotechnical Engineering Confernce, 611-622 Kim, W.T., Jang, I.S., Kwon, O.S., Lee, B., Hwang, I.C., 2011a. Development of unmanned underwater SPT(Standard Penetration Test) equipment. 2011 Fall Korean Geotechnical Society Geotechnical Engineering Confernce, 305-311. Kim, W.T., Jang, I.S., Lee, B., Hwang, I.C., 2011b. Development of unmanned underwater site investigation equipment, Proceedings on 2011 Korean Association of Ocean Science and Technology Conference, 2013-2016. Korea Highway Corporation., 2002. Normalizations of the Standard Penetration Test. 2002 KHC Research Report, 212. Ministry of Land, Transport and Maritime Affairs(MLTM), 2007. Development of marine cone penetration testing system(vi). MLTM, 260.