KR100994424B1 - 대변형율 시험이 가능한 공진주 및 비틂전단 시험장치 - Google Patents

대변형율 시험이 가능한 공진주 및 비틂전단 시험장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 대변형율 시험이 가능한 공진주 및 비틂전단 시험장치에 관한 것으로, 시료의 상단에 비틂력을 발생시키는 구동플레이트에 설치된 구동자석(40)에 비틂 회전력을 발생시키는 4쌍의 구동코일(41A, 41B)(41C, 41D)(41E, 41F)(41G, 41H)을 병렬로 연결하여 구동코일에 인가되는 전류를 증가시켜 비틂력을 증가시키고, 시료(10)의 길이를 감소시킬 수 있도록 베이스 플레이트(70)에 설치된 시료 받침대(80)를 연장하여 대변형율이 발생할 수 있도록 하여 실제 지반에서 매우 강력한 지진이 발생한 경우와 같은 전단력을 발생시켜 지반의 Young계수 혹은 전단 탄성계수와 감쇠비를 구할 수 있다.

Description

대변형율 시험이 가능한 공진주 및 비틂전단 시험장치{Resonant column/ torsional shear equipment with great shear modulus}
본 발명은 대변형율 시험이 가능한 공진주 및 비틂전단 시험장치에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 구동코일을 병렬로 연결하여 구동코일에 인가되는 전류를 증가시켜 비틂력을 증가시키고, 시료의 길이를 감소시킬 수 있도록 베이스 플레이트에 설치된 베이스 받침대를 연장하여 대변형율이 발생할 수 있도록 구성한 대변형율 시험이 가능한 공진주 및 비틂전단 시험장치에 관한 것이다.
공진주 시험은 탄성파 전달이론에 근거하여 지반의 Young계수 혹은 전단탄성계수와 감쇠비를 구하는 시험이다. 공진주 시험기법은 1930년대 일본의 Iida에 의해 처음 시도되었으며 1960년대 이후 다양한 시험기가 개발되어 사용되어 오고 있다.
주로 시료에 전단력을 작용시켜 시험을 수행하며 도 1에 도시된 바와 같이 고정단-자유단 단부조건의 시험방법이 사용되어 왔다. 최근에는 시험방법과 데이터 정리방법이 상대적으로 간편하고 저변형율 및 중간변형율 영역에서 시험이 가능한 고정단-자유단 단부조건의 공진주시험이 주로 사용되고 있다.
텍사스 주립대학에서 공진주 시험과 비틂전단시험을 동일한 시료에 대하여 수행할 수 있는 (Stokoe식 공진주 및 비틂전단) 시험기가 1970년대부터 현재까지 개량되어 사용해 왔다.
공진주 시험의 기본원리는 원통형의 공시체에 진동수를 바꿔가면서 비틂 자극(torsional excitation)을 가하여 도 2에 도시된 바와 같이 1차 모드의 공진 진동수(fm)와 진동의 크기를 구한 후, 실험기의 특성 및 공시체의 크기, 공시체의 무게를 이용하여 전단파 속도, 전단 탄성계수 및 전단 변형율을 구한다.
스토크식 공진주 및 비틂전단 시험기는 비선형동적 지반 물성치 규명을 위하여 널리 사용되어 왔다. 이 시험기의 장점은 ① 동적시험인 공진주 시험과, 진동시험인 비틂전단시험을 동일한 공시체에 대하여 수행함으로 두 시험결과의 효율적인 비교가 가능하고, ② 순응도(compliance) 문제없이 저변형율(γ<10-3%) 이하에서의 비틂전단시험이 가능하며, ③ 비틂전단시험에서 진동주파수를 자유로이 조절할 수 있어서 주파수 변화에 대한 지반의 변형특성을 효과적으로 규명할 수 있다.
스토크식 공진주 및 비틂전단 시험기는 동적 물성을 측정하기 적합한 시험기이나 코일과 자석에 의해 발생하는 비틂력이 작아서 상대적으로 높은 강도를 가지는 시료에 대해서는 적용할 수 없고, 시험기에 적용할 수 있는 시료의 크기가 정해져 있는 문제점이 있었다.
종래의 스토크식 공진주 및 비틂전단 시험기의 대표적인 예로서, 한국등록 특허10-0918664호에 암반 동적물성 시험장치가 개시되고, 도 3에 그 외관을 나타내는 사시도가 도시된다.
종래의 스토크식 공진주 및 비틂전단 시험기는 공진주 및 비틂 전단 시험 및 축하중을 시험할 수 있도록 시료(5)를 고정하는 시료 고정부(1), 공기압을 가하여 시료(5)의 현장응력 상태를 재현할 수 있도록 하는 압력 재하부(2), 시료(5)의 상측 자유단에 회동 가진력을 인가하는 회동 가진부(3) 및 축하중을 시험할 수 있도록 상기 시료(5)에 축하중을 인가하는 축하중 재하부(4)를 포함하여 구성된다.
이와 같이 구성된 종래의 스토크식 공진주 및 비틂전단 시험기는 길이와 지름의 비율이 2:1(전단변형률은 반지름/시료길이에 비례)로서 시험기의 회전 가능한 전단변형률은 저변형률(0.0001%~0.001%)과 중간변형률(0.001%~0.1%)까지만 측정이 가능하고, 최대 회전시 대략 1.5%의 최대 전단 변형율을 얻을 수 있다.
종래의 공진주 및 비틂전단 시험기는 3가지 요인, 첫째, 가진시험기의 제한된 비틂력, 둘째, 시험기의 제한된 회전거리, 셋째, 변형측정 시스템의 한계 등의 요인으로 인하여 대변형율 발생에 제한이 있어서, 흙시료의 대변형률에서의 동적물성치는 얻을 수가 없었다.
강도 6이 넘는 강진은 중간변형률(0.001%~0.1%)을 넘어 1.5% 이상의 변형률을 야기시킨다. 종래의 공진주 및 비틂전단 시험기는 실제 지반에서 매우 강력한 지진이 발생할 경우의 묘사가 어렵다는 문제점이 있었다. 따라서, 이러한 1.5% 이상의 대변형률을 측정할 수 있는 공진주 및 비틂전단 시험기가 필요하다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 본 발명의 목적은 실제 지반에서 매우 강력한 지진이 발생할 경우를 나타내는 대변형율 시험이 가능한 공진주 및 비틂전단 시험장치를 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 구동 플레이트에 비틂력을 제공하는 구동코일을 병렬로 연결하여 비틂력을 증가시키고, 가진기의 팔의 수를 증가시키고, 시료의 길이를 감소시켜 전단력을 증가시켜 변형률을 대변형율 영역으로 증가시킬 수 있는 공진주 및 비틂전단 시험장치를 제공하는 것이다.
본 발명에 의한 대변형율 시험이 가능한 공진주 및 비틂전단 시험장치는 바닥에 고정되는 베이스 플레이트와; 상기 베이스 플레이트에 지지되고, 시험 대상 시료의 하단부를 지지하고 연장이 가능하여 상기 시료의 높이를 조절할 수 있는 시료 받침대와; 상기 시험 대상 시료의 상단부에 접촉하여 부착되는 상부 캡과; 상기 상부 캡에 부착되어 회전가능하고 서로 직각을 이루는 4개의 팔을 구비하는 구동 플레이트와; 상기 구동 플레이트의 4개의 팔에 부착되는 4개의 자석과; 상기 4개의 자석의 N극과 S극에 자력을 각각 발생시켜 회전력이 발생하도록 하며 서로 직렬연결인 1쌍의 코일로 각각 구성되고, 각 쌍은 서로 병렬 연결인 4쌍의 구동코일과; 상기 4쌍의 구동코일을 상기 베이스 플레이트에 지지하는 지지수단과; 상기 구동 플레이트에 부착되어 가속도를 측정하는 가속도 측정기와; 상기 구동 플레이트의 중심에 설치된 프록시 타켓트를 감지하여 상기 구동 플레이트의 회전변위를 측정하는 프록시 미터와; 상기 가속도 측정기와 프록시 미터에서 측정된 값에 의해 상기 시료의 전단 변형율을 산출하는 산출수단을 구비하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 의한 시료 받침대는 상기 시료의 밑면을 지지하면서 압력을 가하는 베이스 압반과, 상기 베이스 압반의 밑면을 지지하면서 그 중심에 형성된 관통구멍을 통과하는 체결볼트에 끼워져서 고정되는 연장 실린더 로드와, 상기 연장 실린더 로드의 밑면을 지지하면서 그 중심에 형성된 관통구멍을 통과하는 체결볼트에 끼워져서 고정되는 실린더 로드와; 상기 실린더 로드를 아래에서 지지하면서 그 중심에 형성된 관통구멍을 통과하는 체결볼트에 끼워져서 고정되는 베이스 플레이트와; 상기 베이스 플레이트, 실린더 로드, 연장 실린더 로드의 중심에 형성된 관통 구멍을 통하여 삽입되어 상기 베이스 압반의 볼트구멍에 체결되는 체결볼트로 구성되는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 의한 상기 구동플레이트의 팔을 32개로 증가시키고 실린더의 원주 길이도 증가시켜 상기 팔의 끝단부에 32쌍의 코일을 설치한 것을 특징으로 한다.
본 발명에 의한 상기 구동플레이트의 팔을 32개로 증가시키는 경우 상기 프록시미터 타켓트와 중심 "O" 와의 거리에 해당하는 반지름 r과 프록시미터 지지포스트와 중심 "O" 와의 거리에 해당하는 반지름 R의 비율에 따라 프록시미터 지지포스트와 구동플레이트의 팔의 거리 D1, D2를 결정하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 의하면 시험대상 시료에 회전 토크를 가하는 구동코일을 병렬로 연결하여 구동코일에 인가되는 전류를 증가시켜 비틂력을 증가시키고, 베이스 플레이트에 설치된 베이스 받침대를 연장하여 시료의 길이를 감소시킴으로써 대변형율이 발생할 수 있도록 구성하여 실제 지반에서 매우 강력한 지진이 발생한 경우와 같은 전단력을 발생시켜 지반의 Young계수 혹은 전단 탄성계수와 감쇠비를 구할 수 있다.
도 1은 고정단-자유단 단부조건의 시료를 사용하여 시험하는 방법,
도 2는 원통형의 공시체에 진동수를 바꿔가면서 비틂 자극을 가하여 발생하는 1차 모드의 공진 진동수(fm)와 진동의 크기를 나타내는 그래프,
도 3은 종래의 스토크식 공진주 및 비틂전단 시험기를 이용하여 암반의 물적 특성을 측정하는 장치의 사시도,
도 4a는 본 발명에 의해 개량된 공진주 및 비틂전단 시험기의 도 4b의 A-A선을 따라 자른 단면도,
도 4b는 본 발명에 의해 개량된 공진주 및 비틂전단 시험기의 평면도,
도 4c는 본 발명에 의해 구동플레이트의 팔을 8개로 증가시키고 코일의 갯 수를 8쌍으로 증가시켜 8배 강한 비틂력 토크를 얻을 수 있는 개량된 공진주 및 비틂전단 시험기의 평면도,
도 4d는 본 발명에 의해 실제 강진시에 발생하는 전단변형률을 시험할 수 있도록 구동플레리트의 팔을 32개로 증가시킨 공진주 및 비틂전단 시험기의 실시예,
도 5a는 종래의 직렬로 연결된 구동코일,
도 5b는 본 발명에 의해 병렬로 연결된 구동코일,
도 6은 본 발명에 의해 시료를 고정하는 베이스 받침대가 압반과 연장 실린더 로드가 추가되어 연장되는 시험기의 개략도,
도 7은 본 발명에 의해 개량된 공진주 비틂전단 시험기를 사용하여 사질토를 측정한 결과를 나타내는 이력곡선이다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부한 도면을 참조하여 상세히 설명한다.
도 4a는 본 발명에 의해 개량된 공진주 및 비틂전단 시험기의 A-A선을 따라 자른 단면도이고, 도 4b는 본 발명에 의해 개량된 공진주 및 비틂전단 시험기의 평면도이다.
공진주 및 비틂전단 시험기는 흙으로 된 실린더형 시료(10)를 베이스 받침대(71)의 위에 올려놓고 상부 캡(63)으로 눌러 고정시킨다. 이와 같이 고정된 시료(10)는 욕조(60)에 담겨져 있는 액체(예, 실리콘 액체)로 둘러싸여 있게 된다. 상부 캡(63)은 구동 플레이트(42)에 나사(42a)에 의해 고정되고, 구동 플레이트(42)는 구동코일(41)과 구동자석(40)에 의해 회전하여 비틂력을 발생시키게 된다.
구동코일(41)은 구동코일 고정대(43)에 의해 지지 플레이트(32)에 고정되어 있고, 지지 플레이트(32)는 고정용 볼트(33)에 의해 고정 플레이트(31)에 체결되어 고정된다. 또한 지지 플레이트(32)는 레벨 조정용 볼트(34)에 의해 내부 실린더(30)의 상단부 플랜지(30a)에 지지되지만, 상기 레벨 조정용 볼트(34)의 감김 회전과 풀림 회전에 의해 상승 또는 하강하여 레벨이 조정될 수 있다.
상기 내부 실린더(30)는 원통형으로 되어 있으며, 그 하단부 플랜지(30b)에 형성된 볼트구멍에 체결되는 하단 플랜지 고정나사(30c)에 의해 베이스 플레이트(70)에 고정된다.
원통형 욕조(60)의 내부 바닥에는 베이스 받침대(85)가 나사(72)에 의해 베이스 플레이트(70)에 체결되어 고정된다. 또한, 베이스 플레이트(70)는 도시되지는 않았지만, 실험실 바닥이나 실험대 등에 볼트 등으로 고정된다.
이렇게 구성된 공진주 및 비틂전단 시험기는 일정한 간격을 가지며 2개를 1조로 하여 구성된 4쌍의 구동코일(41)들이 서로 마주 보며 90°로 설치되어 있고, 이렇게 구성된 4쌍의 구동코일(41A, 41B)(41C, 41D)(41E, 41F)(41G, 41H)의 사이에 구동 플레이트(42)의 4개의 팔이 각각 삽입된다.
상기 구동 플레이트(42)의 4개의 팔에는 구동자석(40)이 부착되어 있어서 구동코일(41)에 전기를 통하면 N극과 S극이 형성되면서 자력이 발생하여 구동자석(40)이 회전하게 된다.
상기 구동자석(40)의 회전력은 구동 플레이트(42)에 그대로 전달되어 구동 플레이트(42)도 회전하게 되고, 상기 구동 플레이트(42)는 상부 캡(63)에 나사(42a)에 의해 고정된 상태이므로 상부 캡(63)도 따라서 회전하여 시료(10)의 상부는 회전하게 된다.
시료(10)의 상부는 회전하지만, 시료(10)의 하부는 시료 받침대(80)에 밀착되어 회전하지 않으므로 시료(10)는 비틂 전단력을 받게 된다. 시료(10)의 상부가 회전할 때, 구동 플레이트(42)에 부착된 가속도 측정기(50)가 가속도를 측정하고, 프록시 미터(20)가 회전 변위를 측정하고, 거리측정기(24)는 시험중 시료(10)에 압밀이 일어날 경우 시료가 수축되므로 시료(10)의 수축량(높이의 변위)을 측정한다.
전단변형률은 시료의 길이(높이)에 반비례하고 시료의 반지름에 비례하므로본 발명에 의한 시료 받침대(80)는 종래의 베이스 받침대와 달리 시료의 높이를 감소시켜 최대의 전단 변형율을 얻기 위하여 실린더 로드(83)와 연장 실린더 로드(82)를 추가하여 도시된 바와 같이 시료 받침대(80)의 높이를 증가시킴으로써 시료의 길이(높이)를 1/4로 감소시켰다. 따라서, 길이가 1/4로 감소된 시료를 종래와 같이 회전시키면 전단변형률은 4배가 발생한다.
여기서 베이스 압반(81), 연장 실린더 로드(82), 실린더 로드(83) 및 베이스받침대(85)의 중심에 뚫려있는 볼트구멍(86)의 좌우에 형성된 구멍(87a, 87b)은 시료(10)에 수분을 공급하기 위한 수분 공급구멍이다.
비틂력의 한계는 (가) 가진 신호를 증폭시키거나 (나) 강한 자석을 이용, (다) 시험기 코일 연결방법의 변형 등으로 극복할 수 있다.
비틂력 T는 다음 식(1)을 사용하여 얻을 수 있고,
T=kii ............(1)
여기서, T=비틂력 토크,
ki=토크-전류 계수,
i= 전류
다음의 오옴의 법칙 식(2)를 사용하면,
i=v/R .............(2)
도 5a는 종래의 구동코일이 직렬로 연결된 상태를 나타내고, 도 5b는 본 발명에 의해 병렬로 연결된 구동코일을 나타낸다.
종래의 구동코일(41a-41h)들은 도 5a에 도시된 바와 같이 직렬로 연결되어 8개의 코일 저항(Rc)들이 합산되어 총저항(Rseries)은 8*Rc가 되고, 상용 교류 전원 v(t)에 연결되어 교류 전원이 인가되는 경우 전체 전류 i=v(t)/8Rc가 된다.
본 발명에 의한 구동코일(41A-41H)들은 도 5b에 도시된 바와 같이 구동코일(41A)과 구동코일(41B), 구동코일(41C)과 구동코일(41D), 구동코일(41E)과 구동코일(41F), 구동코일(41G)과 구동코일(41H)은 서로 직렬로 연결되고, 이렇게 서로 직렬연결인 4쌍의 구동코일(41A, 41B), 구동코일(41C, 41D), 구동코일(41E, 41F), 구동코일(41G, 41H)은 병렬로 연결되어 8개의 코일 저항(Rc)들을 산출하면 Rc/2가 되어 전체전류 i=2*v(t)/Rc가 흐르게 되고, 식(3)과 같이 직렬일 때에 비해 16배 전류가 흐르게 된다.
그리고 한쌍의 코일에서 발생하는 비틂력은 토크-전류게수와 각 코일에 흐르는 전류의 곱과 같다. 4쌍의 코일이 직렬로 연결된 경우 각 코일에 흐르는 전류는 전체전류(i직렬)과 동일하므로 한쌍의 코일에서 발생하는 비틂력(t직렬)은
t=ki *(i짖렬)=ki*v(t)/(8Rc).....(3)
전체 비틂력(T직렬)은 총 4쌍의 코일에서 발생하는 비틂력이므로,
T=4*t=(ki)*v(t)/(2Rc)......(4)
4쌍의 코일이 병렬로 연결된 경우 각 코일에 흐르는 전류는 전체전류(i병렬)의 4분의 1이 흐르므로 한쌍의 코일에서 발생하는 비틂력(t병렬)은
t= ki *(i)=(ki)*v(t)/(2Rc) .........(5)
전체 비틂력(T병렬)은 총 4쌍의 코일에서 발생하는 비틂력이므로,
T=4*t=2*ki*v(t)/(Rc)......(6)
따라서, 식 (4)와 식 (6)을 비교해 보면 병렬연결시 비틂력 토크는 직렬연결시 비틂력 토크보다 4배 강한 비틂력 토크를 얻을 수 있다.
그런데 비틂력 토크는 구동코일의 수에 비례하므로 직렬로 연결된 종래의 구동코일보다 8배 강한 비틂력 토크를 얻기 위해 도 4c에 도시된 바와 같이 구동플레이트(42)의 팔을 8개로 증가시켜 각 팔(44A-44H)의 단부에 한쌍의 코일(43A-43P)을 각각 설치하여 코일의 갯 수를 8쌍으로 증가시켜 설치할 수 있다.
이때 프록시미터 지지대(23)는 6번째 팔(44F)에 설치되는 한쌍의 구동 코일(43K, 43L)에 간섭받을 수 있으므로, 도시된 바와 같이 프록시미터 지지대(23)를 반시계 방향으로 360°/16=22.5° 회전시키거나 또는 시계방향으로 22.5°회전시켜 설치할 수 있다.
상기 실시예에서는 8 쌍의 구동코일을 사용했지만, 8 쌍의 구동코일의 병렬연결에 의해서는 기존의 4쌍의 직렬연결된 구동코일에 비해 8배 강한 비틂력 토크를 얻을 수 있고, 여기에 더하여 시료의 길이(높이)를 1/2로 하면 16배 강한 비틂력 토크를 얻을 수 있다.
따라서 종래의 직렬연결 공진주 및 비틂전단 시험기는 대략 전단변형률 0.1875%까지 시험할 수 있지만 비틂력 토크를 증가시킴에 따라 시험할 수 있는 전단변형률도 비례하여 증가하므로 병렬연결시에는 4배 강한 비틂력 토크와 시료의 길이(높이)를 1/4에 의해 0.75% 전단변형률을 시험할 수 있고, 8 쌍의 구동코일의 병렬연결로 8배 강한 비틂력토크와 시료길이 1/4에 의해 0.15% 전단변형률을 시험할 수 있다.
목표 시험 전단변형률은 6%이므로 32쌍의 구동코일의 병렬연결과 시료길이 1/2로 하여야 목표 시험 전단변형률 6%를 얻을 수 있다.
도 4d에 본 발명에 의해 실제 강진시에 발생하는 전단변형률을 시험할 수 있도록 구동플레이트의 팔을 32개로 증가시킨 공진주 및 비틂전단 시험기의 실시예가 도시된다.
본 실시예에 의해 구동플레이트(42)의 팔을 32개로 증가시킨 공진주 및 비틂전단 시험기의 팔(47)의 끝단부에 설치된 코일(46)에 전원을 인가하면 구동플레이트(45)가 회전 진동하게 되고, 그럼에 따라 프록시미터 타켓트(21a, 21b)와 프록시미터(20a, 20b) 사이의 거리 d1, d2가 좁혀져서 회전거리가 산출되어 전단변형률을 산출하게 된다.
이때 프록시미터 타켓트(21a, 21b)와 프록시미터(20a, 20b) 사이의 거리 d1, d2는 약 2.5㎜ 이상이 되면 프락시미터가 계측할 수 없는 비선형 구간에 놓이기 때문에 프록시미터 타켓트(21a, 21b)와 프록시미터(20a, 20b) 사이의 최대거리는 대략 2.5㎜이다.
따라서, 프록시미터 타켓트(21a, 21b)가 대략 2.5㎜ 회전진동함에 따라 프록시미터 지지포스트(22a)에 시험기의 팔(47)이 닿아서 회전에 제한을 받지 않도록 하여야 한다.
그러므로 프록시미터 타켓트(21a, 21b)와 중심 "O" 와의 거리에 해당하는 반지름 r과 프록시미터 지지포스트(22a)와 중심 "O" 와의 거리에 해당하는 반지름 R의 비율에 따라 프록시미터 지지포스트(22a)와 구동플레이트(42)의 팔(47a, 47b)의 거리 D1, D2를 결정해야 한다.
이때 코일(46)의 크기는 4쌍인 경우나 32쌍인 경우나 변화가 없으므로 기존의 실린더(30)의 원주 길이로는 32쌍의 코일을 설치할 수 없다. 왜냐하면 실린더(30)의 원주 길이와 코일이 설치되는 원주의 길이는 거의 비슷하기 때문이다. 따라서 도 4c에 도시된 바와 같이 실린더(30)의 원주길이는 8쌍의 코일을 설치하면 꼭 차게 되므로 32쌍의 코일을 설치하는 경우 실린더(30)의 원주길이도 4배로 증가시켜 32쌍의 코일이 설치될 수 있도록 한다.
이와 같이 구동플레이트(42)의 팔의 수를 2배, 3배, 4배, 6배, 8배 증가시키고, 그 팔에 구동코일을 설치하여 비틂력 토크를 구동코일의 쌍에 비례하여 발생시켜 원하는 더 강한 비틂력 토크를 얻을 수 있다.
프록시미터 타켓트(21a, 21b)와 프록시미터(20a, 20b) 사이의 최대거리 대략 2.5㎜이며 시료 높이가 지름의 두배이고 코일이 8쌍인 경우 최대전단 변형율은 약 1.5%가 되도록 할 수 있으며, 개량된 공진주시험기의 새로운 베이스 플레이트를 사용하고 납작한 시료(시료높이가 지름의 0.5배인 경우) 및 32쌍의 코일을 사용할 경우 최대전단 변형율은 약 6% 가 되도록 할 수 있다.
시험기 회전거리의 한계는 짧은 시료를 사용하면 극복이 가능하다. 시험기에서 최대 전단변형율은 다음식 (7)을 사용하여 계산된다.
γ=r0/Lθ ......(7)
여기서, γ=전단력
r0 = 토양시료의 반지름,
θ= 회전각(rad)
시료의 길이(L)를 줄임으로써 주어진 회전각(θ)에서 증가된 전단변형률을 얻을 수 있다.
도 6은 본 발명에 의해 시료를 고정하는 베이스 받침대가 압반과 연장 실린더 로드가 추가되어 연장되는 시험기의 개략도이다.
본 발명에 의한 시료 받침대(80)는 시료(10)의 밑면을 지지하면서 압력을 가하는 베이스 압반(81)과; 상기 베이스 압반(81)의 밑면을 지지하면서 그 중심에 형성된 관통구멍을 통과하는 체결볼트(84)에 끼워져서 고정되는 연장 실린더 로드(82)와; 상기 연장 실린더 로드(82)의 밑면을 지지하면서 그 중심에 형성된 관통구멍을 통과하는 체결볼트(84)에 끼워져서 고정되는 실린더 로드(83)와; 상기 실린더 로드(83)를 아래에서 지지하면서 그 중심에 형성된 관통구멍을 통과하는 체결볼트(84)에 끼워져서 고정되는 베이스 플레이트(85)와; 상기 베이스 플레이트(85), 실린더 로드(83), 연장 실린더 로드(82)의 중심에 형성된 관통구멍을 통하여 삽입되어 상기 베이스 압반(81)의 볼트구멍에 체결되는 체결볼트(84)로 구성된다.
변형측정 시스템의 한계극복을 위해서는 대변형율 영역에서 덜 민감한 프록시미터(20, proximitor)를 사용하거나 시료 멤브레인에 부착할 수 있는 국부 변형율 측정이 가능한 스트레인 게이지를 이용할 수 있다.
사질토를 이용하여 개량된 공진주 비틂전단 시험기를 검증해 보았다. 이력곡선을 얻기 위하여 비틂전단 시험을 수행하였다. 개량된 장치로 도 7에 도시된 바와 같이 5.2%의 최대 전단변형율을 얻을 수 있다.
또한 반복 연화현상으로 인하여 대변형율에서 회전수가 증가함에 따라 응력이력의 기울기가 감소하는 것을 볼 수 있다. 대변형율 영역에서 전단탄성계수(G) 뿐만 아니라 감쇠비(D)도 개량형 시험기를 사용하여 얻을 수 있다. 자석이 코일을 지날 때 자석의 움직임을 방해하려는 전자기력이 발생하고 이것이 역기전력(back emf)이라고 알려져 있다.
공진주 시험에서 역기전력(back emf)이 공진 주파수와 감쇠비에 미치는 영향에 관한 연구가 계속되었고, 역기전력(back emf)이 공진 주파수에 미치는 영향은 미미하여 무시할 수 있다고 알려져 있다.
역기전력(back emf)에 기인한 기계적 감쇠비(Deq)도 공진주파수와 시스템의 질량 극관성 모멘트(mass polar moment of inertia)에 영향을 받는다. 그러므로 감쇠비 산정을 위하여 시료와 시험기에 따라 다른 적용이 필요하다. 비틂 전단시험에서는 역기전력(back emf)이 미치는 영향을 무시할 수 있다는 연구 결과가 있다.
10: 시료 20: 프록시 미터
24: 거리측정기 32: 지지플레이트
33: 고정용 볼트 34: 레벨 조정용볼트
40: 구동자석 41A-41H: 구동코일
42: 구동플레이트 50: 가속도계
60: 욕조 63: 상부 캡
80: 시료 받침대 81: 베이스 압반
82: 연장 실린더 로드 83: 실린더 로드
84: 체결 볼트 85: 베이스 받침대

Claims (4)

  1. 바닥에 고정되는 베이스 플레이트(70)와;
    시료(10)의 밑면을 지지하면서 압력을 가하는 베이스 압반(81)과, 상기 베이스 압반(81)의 밑면을 지지하면서 그 중심에 형성된 관통구멍을 통과하는 체결볼트(84)에 끼워져서 고정되는 연장 실린더 로드(82)와, 상기 연장 실린더 로드(82)의 밑면을 지지하면서 그 중심에 형성된 관통구멍을 통과하는 체결볼트(84)에 끼워져서 고정되는 실린더 로드(83)와; 상기 실린더 로드(83)를 아래에서 지지하면서 그 중심에 형성된 관통구멍을 통과하는 체결볼트(84)에 끼워져서 고정되는 베이스 플레이트(85)와, 상기 베이스 플레이트(85)와 실린더 로드(83) 및 연장 실린더 로드(82)의 중심에 형성된 관통구멍을 통하여 삽입되어 상기 베이스 압반(81)의 볼트구멍에 체결되는 체결볼트(84)로 구성되어 상기 베이스 플레이트(70)에 지지되고, 시험 대상 시료(10)의 하단부를 지지하고 연장이 가능하여 상기 시료(10)의 높이가 지름의 1/2배가 되도록 하여 전단변형율을 2배로 조절하여 시험할 수 있는 시료 받침대(80)와;
    상기 시험 대상 시료의 상단부에 접촉하여 부착되는 상부 캡(63)과;
    상기 상부 캡(63)에 부착되어 회전가능하고 상기 시료(10)의 전단변형률을 대변형율 영역으로 증가시킬 수 있는 다수개의 팔을 구비하는 구동 플레이트(42)와;
    상기 구동 플레이트(42)의 다수개의 팔에 부착되고, 상기 시료(10)의 전단변형률을 대변형율 영역으로 증가시킬 수 있는 다수개의 자석(40)과;
    상기 다수개의 자석(40)의 N극과 S극에 자력을 각각 발생시켜 회전력이 발생하도록 하며 서로 직렬연결인 1쌍의 코일로 각각 구성되고, 각 쌍은 서로 병렬 연결인 다수쌍의 구동코일과;
    상기 다수쌍의 구동코일을 상기 베이스 플레이트(70)에 지지하는 지지수단과;
    상기 구동 플레이트(42)에 부착되어 가속도를 측정하는 가속도 측정기(50)와;
    상기 구동 플레이트(42)의 중심에 설치된 프록시 타켓트(21a, 21b)와 중심 "O" 와의 거리에 해당하는 반지름 r과 프록시미터 지지포스트(22a)와 중심 "O" 와의 거리에 해당하는 반지름 R의 비율에 따라 프록시미터 지지포스트(22a)와 구동플레이트(42)의 팔(47a, 47b)의 거리 D1, D2를 결정하여 상기 회전하는 구동 플레이트(42)에 따라 상기 프록시미터 지지포스트(22a)가 상기 구동 플레이트(42)의 팔에 닿아 회전에 제한을 받지 않도록 하고, 상기 구동 플레이트(42)의 중심에 설치된 프록시 타켓트를 감지하여 상기 구동 플레이트(42)의 회전변위를 측정하는 프록시 미터(20)와;
    상기 가속도 측정기(50)와 프록시 미터(20)에서 측정된 값에 의해 상기 시료의 전단 변형율을 산출하는 산출수단을 구비하는 것을 특징으로 하는 대변형율 시험이 가능한 공진주 및 비틂전단 시험장치.
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