1. 서 론
2. 휘스톤 브릿지
3. 실험 구성
3.1 측정 시스템
3.2 모형 원형 강관
3.3 실험 방법
4. 시험 결과 및 분석
4.1 변형률계 신호
4.2 가속도계 신호
5. 요약 및 결론
1. 서 론
최근 건설 기술의 발달과 더불어 해상 구조물 및 교통로의 건설에 대한 수요가 증가하고 있으며, 이에 따라 초장대 해상 교량이 항로를 가로질러 건설되는 경우가 늘어나고 있다. 국내에서는 서남해안을 중심으로 해상 구조물 및 해안을 가로지르는 해상 교량의 건설이 증가하고 있다. 일반적으로 해상 교량의 기초 공사는 공정이 복잡하고 난이도가 매우 높은 것으로 알려져 있다(lee et al., 2017). 이와 같은 이유로 해상 기초 구조물은 공사 기간과 비용이 육상 교량의 기초 구조물에 비해 약 2~3배 정도 높으며, 하부 구조의 공사비가 전체 공사비의 약 30% 가까이 차지한다. 특히, 해상 지반의 조건이 좋지 않은 경우 공사비가 50%까지 증가한다. 육상 교량과 비교하여 해상 교량의 하부 구조물 공사에 어려움을 주는 가장 큰 요인으로 가설도로, 해상 작업대, 가물막이 등의 가설 공법 등으로 지적되어 왔다(Lee et al., 2017). 따라서, 하부 구조물 공사의 복합적인 문제점을 해결하고 비용을 절감할 수 있는 대체 공법이 요구되어 왔다.
2015년 한국건설기술연구원(KICT)은 해상 교량 건설에 있어 대두되는 해상 작업대 및 재래식 가물막이 공법의 복합적인 문제점을 해결하고 기술적, 경제적 경쟁력을 확보하고자 ‘대형 원형 강관 가설 공법’을 제안하였다. 대형 원형 강관 가설 공법의 시공 순서를 Fig. 1(Ssenyondo et al., 2017)에 나타내었다. 대형 원형 강관을 지반에 근입시키기 위하여 Fig. 1과 같이 석션 버켓 형태의 대형 원형 강관 내부의 물을 펌프로 배출하며, 이 과정에서 발생되는 석션압을 이용하여 근입시킨다. 원형 강관 상부의 커버를 제거한 후 다수의 원형 강관 세그먼트를 해수면 위까지 연결한다. 이 후 원형 강관 내부의 해수를 펌프로 퍼내어 가물막이 역할을 수행하도록 한다. 해수가 퍼내어진 원형 강관 내부에 기초를 시공한 후 각 원형 강관 세그먼트를 분리한다. 이와 같은 공정으로 시공되는 해상 교량 기초 시공 용 대형 원형 강관은 기존의 공법과 비교해 다음과 같은 장점을 지닌다(KICT, 2015). 해상 가물막이의 조립 및 해체 측면에서 보면, 기존의 해상 가물막이 공법은 다수의 부재간 조립과 차수를 위한 별도의 템플릿과 공법이 필요하다. 하지만 대형 원형 강관 가설 공법은 1개의 대형 가물막이 부재를 이용하기 때문에 별도의 템플릿과 차수 공법이 필요하지 않다. 기존의 해상 가물막이 공법은 내적 안정성을 확보하기 위해 사용된 각종 지보재와 영구 구조물인 기초와의 간섭 문제를 내재하고 있다. 또한, 가물막이 내측을 뒷채움재로 채워 육상화할 경우 발생하는 내측 토압과 기존에 존재하던 외측 수압 차이로 인해 발생할 수 있는 공학적인 문제를 내재하고 있다. 하지만, 대형 원형 강관은 1개의 대형 원형 부재를 사용하기 때문에 외부 수압이 부재의 압축력으로 전달되도록 하고, 인장강도와 압축강도가 유사한 강재를 사용하여 수압과 토압에 대해 내적 안정성을 확보할 수 있도록 한다. 기존 가물막이 공법은 외부 수압으로 인해 부재의 변형 등이 발생할 수 있어 근입 깊이가 상당히 깊어야 했다. 강널말뚝 가물막이 같은 경우는 대형 시공장비와 같은 상부 하중에 대한 지지력이 부족하였다. 하지만, 대형 원형 강관은 일체형 원형 부재를 사용하여 케이슨과 동일한 연직하중지지 메커니즘을 따르기 때문에 대형 장비의 하중에 대한 충분한 지지력을 확보할 수 있다.
최근 대형 원형 강관 가설 공법에 대한 검증을 위해 다양한 연구들이 수행되고 있다. Ssenyondo et al.(2017)은 대형 원형 강관의 침투 안정성을 분석하기 위해 균질한 지반 조건과 정상상태 흐름 조건에서 수치해석을 수행하였고, 대형 원형 강관의 지중 근입깊이와 직경이 증가할수록 파이핑 안전율에 영향을 주는 유출동수경사가 감소함을 제시하였다. Jeong et al.(2017)은 파랑과 조류에 대한 대형 원형 강관의 구조적 거동을 수치해석을 이용하여 분석하였으며, 동수압, 조류력, 유체력이 대형 원형 강관의 전단력에 주는 영향을 고려한 설계가 필요함을 제시하였다. 큰 직경을 가지는 대형 원형 강관의 경우, 해수에 인접하는 면적이 넓어 큰 유체력을 받는다. 이로 인해 시공 중 원형 강관의 움직임 발생할 수 있어 수중 시공 시 어려움이 따른다(Kim et al., 2017). Kim et al.(2017)은 파랑에 의해 대형 원형 강관이 움직이는 것을 최소화 하기 위해 설치되는 수중 케이블이 구조물의 움직임에 미치는 영향을 수치해석을 통해 분석하였으며, 대형 원형 강관의 시공성 향상을 위한 케이블의 강성과 설치 시점을 제시하였다. 지금까지의 연구들은 대형 원형 강관의 구조적 설계 및 내적 안정성 확보를 위한 수치해석이 주를 이루고 있다. 하지만, 해상 구조물 내부 요인뿐만 아니라 선박 충돌과 같은 외부 요인으로 인한 위험에도 노출되어 있다. 대형 원형 강관과 같은 해상 구조물은 가시설물임에도 불구하고 손상 및 붕괴 시 막대한 인명 피해와 복구 비용과 같은 경제적 손실을 초래하기 때문에 영구 구조물 못지 않은 안정성 확보가 필요하다(KICT, 2015). Bae and Lee(2013)는 선박 충돌 문제는 지진, 바람 등과 더불어 해상 교량의 계획, 설계 및 유지관리 등의 각 단계에서 중요하게 다루어져야 하는 요소라고 하였다. 국내에서는 선박 충돌을 고려한 교량의 구조적인 해석에 대한 많은 연구들이 진행되고 있다(Bae and Lee, 2008; Cho, 2009; Lee et al., 6a; Lee et al., 2006b; Lee et al., 2011). 하지만, 이를 모니터링 하기 위한 연구는 미흡한 실정이다. 국외의 경우 선박 충돌에 의한 교량의 동적 거동 특성을 모니터링하는 기법을 개발하기 위한 다양한 연구들이 보고되고 있다. Wang et al.(2008)은 steel-wire-rope coil(SWRC)를 이용하여 선박과 교량의 충돌 시 측정되는 힘과 에너지를 이용하여 선박 충돌 시 발생되는 동적 거동 특성을 실험적으로 제시하였으며, 이를 수치해석을 통해 시뮬레이션 하였다. Nayeri et al.(2008)은 미국 LA의 빈센트 토마스 교량(Vincent Thomas Bridge)에 가속도계를 설치하여 실시간 모니터링을 수행하였고, 실제로 선박 충돌이 발생했을 경우와 그렇지 않은 경우에 대해 측정 신호를 분석하였다. Zheng et al.(2018)은 flexible quantum tunneling composite(QTC) 센서를 이용하여 일정 크기 이상의 선박 충돌 하중이 전달될 시 경보가 울리는 시스템을 개발하기 위한 실내 실험을 수행하였다.
본 연구에서는 선박 충돌과 같은 외부 충격에 의해 발생하는 대형 원형 강관의 동적 반응 특성을 평가하기 위한 기초 연구를 수행하였다. 기초 연구 단계에서는 실제 대형 원형 강관의 상사비 및 세그먼트 간의 연결 조건을 고려하지 않았다. 또한, 지반 특성, 파도, 파고, 파력, 조류력 등과 같은 환경적인 요인들도 배제하였다. 소형 모형 원형 강관의 동적 반응 특성을 평가하기 위해 실내 실험을 수행하였으며, 선박 충돌을 모사하기 위해 해머로 모형 강관에 충격을 가했으며, 변형률계와 가속도계를 이용하여 신호를 측정하였다. 또한, 수위 변화에 따른 동적 반응 특성을 비교하였다. 신호의 분석은 변형률계로 측정된 변형률과 주파수 특성 그리고 가속도계로 측정된 신호의 주파수 특성을 이용하였으며, 상시미진동 상태일 때의 주파수와 비교하였다. 본 논문은 동적 반응 특성을 평가하기 위한 실험의 구성과 결과에 대한 분석을 포함한다.
2. 휘스톤 브릿지
변형률계는 주로 콘크리트, 강재구조물 등에 부착되어 부착된 부위의 변형률 혹은 응력의 변화를 측정하기 위하여 주로 사용된다. 변형률의 측정에 사용되는 원리에 따라 진동현식, 저항식 변형률계 등의 종류가 존재하며, 본 연구에서 사용한 저항식 변형률계의 경우, 금속 박막의 길이 변화에 따른 저항의 변화를 통해 변형률을 측정하게 된다. 변형률계의 저항 변화를 측정하기 위하여 휘스톤 브릿지 회로를 구성해야 한다. 본 연구에서 적용한 휘스톤 브릿지 회로의 개요는 Fig. 2와 같다.
Fig. 2의 휘스톤 브릿지 회로에서 점 B와 점 D사이에 발생하는 전압 VG는 아래의 식 (1)과 같이 나타난다.
| $$V_G=\left(\frac{R_4}{R_2+R_4}-\frac{R_3}{R_1+R_3}\right)\cdot V$$ | (1) |
본 연구에서는 충격 방향과 수평한 방향 및 수직한 방향으로 변형률계가 부착되었다. 충격 방향과 수평인 위치의 가속도계는 연직 방향의 변형률을 측정 가능하도록 부착되었고, 충돌 방향과 수직인 위치의 가속도계는 수평 방향의 변형률을 측정 가능하도록 부착되었다. 본 연구에서는 두 변형률계를 Fig. 2의 저항중 R1에 위치시키고, 나머지 저항값이 변형률이 존재하지 않는 경우 변형률계의 저항값과 동등하도록 쿼터 브릿지를 구성 하였으며, 각 쿼터 브릿지 회로에서 ΔR1 만큼의 저항 변화가 발생하는 경우, 계측되는 전압 VG는 아래의 식(2)~(7)과 같다.
| $$V_G=\left(\frac{R_4}{R_2+R_4}-\frac{R_3}{(R_1+\triangle R_1)+R_3}\right)$$ | (2) |
| $$Let\;R_1=R_2=R_3=R_4,\;\triangle R_1=\triangle R$$ | (3) |
| $$\frac{V_G}V=\frac12-\frac1{2+{\displaystyle\frac{\triangle R}R}}$$ | (4) |
| $$\frac{V_G}V=\frac{\left(2+{\displaystyle\frac{\triangle R}R}\right){\displaystyle-}{\displaystyle2}}{2\cdot\left(2+{\displaystyle\frac{\triangle R}R}\right)}$$ | (5) |
| $$\frac{\triangle R}R\ll2,\;2+\frac{\displaystyle\triangle R}{\displaystyle R}\approx2$$ | (6) |
| $$\frac{V_G}V=\frac{\displaystyle1}4\frac{\triangle R}R$$ | (7) |
변형률계에서 발생한 변형률과 그에 따른 저항 변화값은 식 (8)과 같이 변형률의 고유 값 KS를 비례 상수로 가지는 정비례 관계를 보이며, 변형률계에 발생하는 변형률과 브릿지 회로 상에서 측정되는 전압 VG간의 관계는 식 (9)와 같다.
| $$\frac{\triangle R}R=K_s\cdot\varepsilon$$ | (8) |
| $$\frac{V_G}V=\frac14\cdot K_s\cdot\varepsilon$$ | (9) |
3. 실험 구성
3.1 측정 시스템
충격에 의한 모형 원형 강관의 동적 반응을 평가하기 위한 측정 시스템을 Fig. 3과 같이 구성하였다. 변형률계와 가속도계는 모형 강관의 0도와 90도 방향에 모두 설치되었다. 선박 충돌을 모사하기 위해 모형 강관의 0도 방향 상부를 알루미늄 팁이 장착된 해머(086D05, PCB Piezotronics)로 타격하였다. 또한 해머에 장착된 로드셀로 힘의 크기를 측정하였다. 해머 타격에 의해 모형 강관에 발생된 동적 반응 특성은 변형률계와 가속도계(356B11, Piezoelectrionics)로 측정하였다. 강관의 높이 방향으로 설치된 변형률계로부터 측정된 신호는 데이터로거(QuantumX, HBM)를 통해 수집되고 컴퓨터에 저장하였다. 가속도계는 삼축 가속도계로 충격이 발생된 방향과 동일한 방향의 가속도 성분을 측정하였다. 가속도계로 측정되는 신호는 시그널 컨디셔너(482C15, PCB Piezotronics)에서 노이즈 제거 및 증폭되고 오실로스코프(DSOX3024T, Keysight)에서 확인하였다. 오실로스코프를 통해 확인된 신호는 컴퓨터에 저장하였다.
3.2 모형 원형 강관
해상 지반에 설치된 해상 교량용 대형 원형 강관의 축소 모형을 Fig. 4와 같이 구성하였다. 대형 원형 강관을 모사하기 위하여 직경 32cm, 높이 90cm, 두께 3mm인 스테인레스 재질의 강관을 사용하였다. 해상 지반에 설치된 조건을 모사하기 위해 가로, 세로, 높이가 각각 1m, 1m, 1m인 토조에 물과 흙을 채웠다. 실험에 사용된 흙은 입도 #20~#30 mesh (0.85~0.6mm), 비중 2.65인 규사이다. 토조 안의 흙은 23cm의 높이가 되도록 하였으며, 해상 모래 지반과 유사한 조건을 모사하기 위해 수중낙사법으로 상대 밀도 30%인 포화 모래 지반을 조성하였다. 수중낙사법은 수중에 퇴적된 자연 상태 흙의 구조를 가장 잘 나타낼 수 있는 흙의 조성 방법으로 낮은 상대밀도의 흙이 조성되고 흙의 포화가 확실히 되는 장점이 있다(Lee et al., 2008; Yun et al., 2016). 실제 대형 원형 강관은 석션압을 이용하여 지반에 근입되며 강관 내부의 물을 펌프를 통해 제거한다. 본 실험에서는 이와 유사한 조건을 만족시키기 위해 강관 내부에 토조 안의 흙의 높이와 동일한 23cm의 흙을 조성하였으며, 펌프로 물이 제거된 조건을 만족시키기 위해 불포화 상태의 흙으로 조성하였다.
3.3 실험 방법
본 연구에서는 모형 강관에 발생하는 변형률을 측정하기 위해 Fig. 4와 같이 변형률계를 0도와 90도 위치에 각각 8개씩 총 16개를 설치하였다. 변형률계는 모형 강관의 0도와 90도 위치에 상부로부터 2.5cm 아래에 변형률계를 설치하였으며, 모형 강관의 하부로부터 10cm 간격으로 7개의 변형률계를 설치하였다. 즉, 변형률계의 설치 위치는 상부로부터 2.5cm, 20cm, 30cm, 40cm, 50cm, 60cm, 70cm이다. 변형률계는 실리콘을 이용하여 방수처리하였다. 가속도계는 삼축 가속도계로 모형 원형 강관 상부로부터 2.5cm 아래에 0도와 90도 위치에 각각 1개씩 총 2개가 설치되었으며, 변형률계로부터 우측으로 약 5mm의 간격을 두고 설치하였다. 선박 충돌을 모사하기 위해 팁이 알루미늄 재질인 해머로 모형 강관 0도 위치의 상부로부터 2.5cm 아래 지점을 타격하였으며, 타격된 힘의 크기는 해머에 장착된 로드셀로 측정하였다.
만조와 간조로 인해 해수면의 높이가 바뀌는 것에 대한 영향을 고려하기 위하여, 수위를 15cm 간격으로 변화시켜 가며 실험을 수행하였다. 즉, 실험에서 설정된 수위는 25cm, 40cm, 55cm, 70cm이다. 변형률계로 측정된 신호는 변형률과 주파수 분석을 통해 평가하였으며, 가속도계로 측정된 신호는 신호의 감쇠와 주파수 분석을 통해 평가하였다. 변형률계와 가속도계로 분석된 주파수는 상시미진동 상태의 주파수와 비교하였다.
4. 시험 결과 및 분석
4.1 변형률계 신호
4.1.1 변형률
모형 강관을 해머로 타격하여 변형률계로 측정된 신호의 최대 변형률(이하 변형률)을 측정하였으며, 수위 변화에 따른 변형률계의 위치별 변형률을 Fig. 5에 나타내었다. 측정된 변형률은 해머에 장착된 로드셀로 측정된 힘으로 나누어 정규화하였다. 즉, Fig. 5에 나타낸 변형률은 타격된 힘의 크기에 대한 상대적인 변형률을 나타낸다.
수위가 25cm 일 때 측정된 변형률을 보면, 타격 방향과 수평인 방향(0도 위치)에서 측정된 변형률이 타격 방향과 수직인 방향(90도 위치)의 변형률보다 비교적 크게 나타났다. 이는 0도 방향은 힘의 방향과 휨이 발생하는 단면이 수직인 휨 모멘트가 발생하는 반면, 90도 방향에서는 전단 모멘트가 지배적이기 때문으로 사료된다. 또한 변형률의 측정 위치가 강관의 하부로 갈수록 측정된 변형률이 이차함수 혹은 지수함수의 형태로 감소하는 경향이 나타났다. 모형 원형 강관은 하부로부터 23cm가 흙으로 지지되고 있다. 이를 통하여 미루어 보았을 때, 모형 강관 충격이 가해진 후 모형 강관의 거동이 캔틸레버의 휨 거동과 유사함을 보여주는 것으로 사료된다. 수위 변화에 따른 변형률 변화 양상을 보면, 수위가 40cm, 55cm, 70cm로 변화함에 따른 변형률 감소 양상은 수위가 25cm일 때와 유사한 경향을 나타내지만, 수위 변화가 변형률에 주는 영향은 거의 미미함을 보여준다. 하지만, 수압이 매우 높은 현장의 대수심 조건에서는 수위가 변형률에 영향을 줄 수 있을 것으로 사료된다. 강관의 변형은 주변의 지반 조건 혹은 흐름 조건에 따라 매우 다른 특성을 보인다(Saadeldin et al., 2015). 따라서 이를 고려한 연구가 추가로 이루어져야 할 것이다.
4.1.2 주파수
변형률계로 측정된 신호의 주파수를 분석하였으며, 상시미진동 상태일 때의 주파수와 충격이 발생하였을 때 측정된 신호의 주파수를 비교하였다. 측정된 주파수 성분의 세기(magnitude)는 최대 값이 1이 되도록 정규화 하였다. 수위가 25cm일 때 모형 강관의 상부로부터 2.5cm에 위치한 변형률계로 측정한 상시미진동 신호의 주파수 스펙트럼을 Fig. 6에 나타내였다. 상시미진동 상태일 때 측정된 최대 주파수는 61Hz이며, 0도와 90도에서 동일하게 나타났다. 또한, 61Hz 이후에는 지배적인 주파수 성분이 나타나지 않았다. 상시미진동 상태일 때의 최대 주파수는 변형률계의 설치 위치(2.5cm~80cm)와 수위변화(25cm~70cm)에 상관없이 동일하게 61Hz로 나타났다.
수위가 2.5cm일 때, 충격 발생 후 모형 강관의 상부로부터 2.5cm 위치에 설치된 변형률계로 측정된 주파수 스펙트럼을 Fig. 7(a)에 나타내었다. 상시미진동 상태일 때의 주파수 특성과 달리 3kHz 이하의 영역에서 다양한 주파수 성분이 나타나는 것을 볼 수 있다. 이러한 경향은 Fig. 7(b)와 같이 모형 강관 상부로부터 40cm 위치에서 변형률계로 측정된 주파수 스펙트럼에서도 볼 수 있다. 하지만, Fig. 7(c)와 같이 모형 강관 상부로부터 70cm (수위 아래)에 위치한 변형률계에서 측정된 주파수 스펙트럼을 보면, 상시미진동 상태일 때보다는 높은 주파수 성분들이 나타나지만 0.5kHz 이상에서는 지배적인 주파수 성분들이 나타나지 않는 것을 보여준다. 이러한 경향은 수위를 40cm~70cm까지 변화시킨 실험에서도 동일하게 나타난다. 충격 발생 후 수위 40cm일 때 측정된 주파수 스펙트럼을 보면, Fig. 8(a)와 Fig. 8(b)와 같이 상부로부터 2.5cm와 40cm(수위 위)에서 측정된 신호에서는 3kHz 이하에서 다양한 주파수 성분들이 나타난다. 하지만, 상부로부터 70cm인 수위 아래(Fig. 8(c))에서 측정된 신호는 1 kHz 이후로는 주파수 특성이 나타나지 않는 것을 볼 수 있다. 수위가 55cm일 때 충격 후 발생된 신호의 주파수 스펙트럼을 Fig. 9에 나타내었다. 수위 위(상부로부터 2.5cm)에서 측정된 신호(Fig. 9(a))를 보면 3kHz 이하에서 다양한 주파수 성분들이 나타나는 것을 볼 수 있다. 수위보다는 높은 곳에 위치하지만 수위와 가까운 곳(상부로부터 40cm)에서 측정된 주파수 스펙트럼에서는 1.5kHz이하에서 다양한 주파수 성분들이 나타나지만 그 세기가 많이 작아진 것을 볼 수 있다. Fig. 9(c)와 같이 완전히 수위 아래(상부로부터 70cm)에서 측정된 주파수 스펙트럼을 보면, 1kHz 이상의 신호는 완전히 감쇠되어 나타나지 않는다. Fig. 10(a)와 같이 수위가 70cm일 때 수위 위(상부로부터 2.5cm)에서 측정된 주파수 스펙트럼을 보면 3kHz 이하에서 다양한 주파수 성분들이 나타나는 것을 볼 수 있다. 하지만, Fig. 10(b)와 Fig. 10(c)와 같이 상부로부터 40cm와 70cm(수위 아래)에 위치에서 측정된 신호의 주파수 성분들은 1kHz 이상에서는 완전히 감쇠되어 나타나지 않는 것을 볼 수 있다. 모형 강관에 충격이 발생하였을 시 수위에 따라 변형률계로 측정된 신호의 주파수 특성이 다르게 나타나는 것은 강관의 동적 변형과 변형률계의 측정 신호도 변화하기 때문으로 사료된다. 이와 같은 이유로 충격이 발생되면 상시미진동 주파수보다 높은 다양한 주파수 성분들이 나타난다. 하지만, 수위 아래에 있으면 물로 인한 신호의 에너지 감쇠로 인해 수위 위에서 측정된 주파수 성분들에 비해 낮은 주파수 성분들이 나타나는 것으로 사료된다.
4.2 가속도계 신호
모형 강관의 상부를 해머로 타격하여 0도와 90도 위치에서 가속도계로 측정한 신호를 Fig. 11에 나타내었다. 해머의 타격 방향은 0도 방향이며, 0도와 90 위치에 설치된 가속도계 모두 타격방향과 동일한 방향 성분의 신호를 측정하였다. 측정된 가속도 신호는 최대 값이 1이 되도록 정규화 하였다. Fig. 11(a)와 같이 수위에 따라 0도에서 측정한 신호를 보면 수위가 20cm에서 70cm로 낮아짐에 따라 측정된 가속도 신호도 감쇠하는 것으로 나타난다. 이러한 경향은 Fig. 11(b)와 같이 수위에 따라 90도에서 측정한 신호에서도 동일하게 나타나는 것을 볼 수 있다. 이러한 결과는 모형 강관에 전달되는 충격 에너지가 물에 의해 감쇠되기 때문으로 사료된다.
가속도계로 측정된 신호에 대한 주파수 분석을 수행하였으며, 상시미진동 상태일 때 가속도계로 측정된 신호의 주파수 스펙트럼을 Fig. 12에 나타내었다. 측정된 주파수 스펙트럼을 보면 가속도계의 설치 위치가 0도일 때와 90도 일 때 나타나는 최대 주파수가 동일한 것을 볼 수 있다. 수위 변화에 따른 최대 주파수는 수위가 25cm일 때(Fig. 12(a)) 12Hz, 40cm(Fig. 12(b))일 때 24Hz, 55cm (Fig. 12(c))일 때 37Hz, 70cm(Fig. 12(d))일 때 61Hz로 매우 낮은 주파수 특성을 보이는 것으로 나타났다. 하지만 Fig. 13과 같이 모형 강관에 충격이 가해지면 상시미진동 상태일 때보다 고주파수 대역에서 다양한 주파수 성분들이 나타나는 것을 볼 수 있다. 수위에 따른 최대 주파수를 보면 수위가 25cm(Fig. 13(a))일 때 1.35kHz, 40cm(Fig. 13(b))일 때 0.68kHz, 55cm(Fig. 13(c))일 때 0.44kHz, 70cm(Fig. 13(d))일 때 0.43kHz로 나타났다. 충격 발생 후에 측정된 수위에 따른 최대 주파수와 상시미진동 주파수의 비교를 Fig. 14에 나타내었다. Fig. 14를 보면, 충격 발생 후에 측정된 최대 주파수가 수위가 증가함에 따라 감소하는 것으로 나타났다. 하지만, 수위에 따라 최대 주파수가 감소하여도 상시미진동 상태일 때보다는 매우 큰 주파수를 보이는 것을 볼 수 있다. 이는 수위가 증가함에 따라 타격 시 발생하는 고주파수 대역의 진동이 크게 감쇠되기 때문으로 보인다. 모형 강관에 충격이 가해진 후 측정된 주파수가 상시미진동 주파수와 다른 이유는 모형 강관에 충격이 가해지면 이에 따라 모형 강관에 동적 거동이 발생하기 때문으로 사료된다.
5. 요약 및 결론
본 연구에서는 선박 충돌과 같은 외부 요인으로 인해 해상 교량 기초 시공용 대형 원형 강관에 발생할 수 있는 동적 반응을 평가하기 위한 기초 연구를 수행하였다. 모형 강관을 토조에 설치하여 실내실험을 수행하였으며, 동적 반응을 측정하기 위하여 가속도계 및 변형률계를 부착하였다. 선박 충돌을 모사하기 위해 해머로 타격하여 충격을 발생시켰다. 만조와 간조로 인해 해수면의 높이가 변화하는 것을 고려하기 위해 다양한 수위 조건에서 실험을 수행하였다. 본 연구를 통해 얻은 결론은 다음과 같다.
(1) 강관의 상부에서 하부로 갈수록 충격으로 인해 발생되는 변형률 감소하였으며, 캔틸레버와 유사한 1차 모드로 거동하는 것으로 나타났다. 이는 강관 하부가 흙으로 지지되어 있기 때문으로 사료된다. 따라서 지반의 종류 및 상대 밀도와 같은 지반 조건에 따라 변형 특성이 달라지므로 이에 대한 추가 연구가 필요하다.
(2) 충격 발생 후 변형률계와 가속도계로부터 측정된 주파수 특성은 상시미진동 상태일 때보다 고주파수인 주파수 특성을 보인다. 이를 통해 강관에 충격이 발생했음을 평가할 수 있을 것으로 사료된다.
(3) 충격 후 가속도계로 측정된 신호의 최대 주파수는 수위가 증가함에 따라 감소하지만, 상시미진동 주파수보다는 매우 크게 나타난다. 이를 통해 해수면의 변화와 상관없이 강관에 가해지는 충격을 평가할 수 있을 것으로 사료된다.
(4) 충격 후 수위 위에 위치하는 변형률계로 측정된 주파수는 상시미진동 상태일 때보다 큰 주파수 특성을 보이지만 수위 아래에서는 고주파수 영역이 감쇠되어 뚜렷하게 나타나지 않는다. 따라서, 변형률계를 이용하여 동적 반응 특성을 평가할 시에는 수면 위에서 평가하는 것이 바람직할 것으로 사료된다.
(5) 실제 해상 조건에서는 파도, 파고, 조류력, 풍력 등의 환경 조건에 의해 대형 원형 강관에 상시 진동이 발생할 수 있다. 따라서, 이를 고려한 추후 연구가 요구된다.
(6) 본 연구에서는 석션압을 통해 지반에 근입된 대형 원형 강관을 모사하기 위하여, 모형 강관 내부에 불포화 상태의 규사를 조성하였다. 하지만, 석션압을 통해 근입된 강관 주변의 지반 상태는 이와 다를 수 있으므로 이를 고려한 연구가 필요할 것으로 사료된다.
