KR101264292B1 - 공시체 영상 판독식 공진주 시험기 - Google Patents

공시체 영상 판독식 공진주 시험기 Download PDF

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Abstract

본 발명은, 흙 시료인 공시체에 대한 비틂전단시험 중에 발생되는 공시체의 변형을 영상 판독식으로 측정하는 공시체 영상 판독식 공진주 시험기에 관한 것으로서, 이를 위한 본 발명은, 시료인 공시체(S)를 멤브레인(M)으로 측면을 감싸고 단부에 드라이브 플레이트(30)를 고정한 후에 드라이브 플레이트(30)에 회전 가진력을 가하면서 공시체(S)의 변형율을 획득하여 공시체(S)의 물성 특성치를 얻는 공진주 시험기에 있어서, 공시체(S)에 고정되는 부분에 눈금(200)이 새겨지고, 상기 눈금(200)을 촬영하는 카메라(100)가 설치되며, 영상 판독에 따른 눈금(200)의 변형에 근거하여 공시체의 변형율을 산출한다.

Description

공시체 영상 판독식 공진주 시험기{RESONANT COLUMN TESTING APPARATUS WITH IMAGE-BASED ANALYSIS SYSTEM FOR DEFORMATION MODES OF SPECIMEN USING HIGH SPEED CAMERA}
본 발명은, 지반에서 채취한 시료인 공시체의 비틂전단시험을 수행하는 공진주 시험기에 있어서, 비틂전단시험 중에 발생되는 공시체의 변형을 영상 판독식으로 측정하는 공시체 영상 판독식 공진주 시험기에 관한 것이다.
공진주 시험기는, 흙 시료에 대한 전단탄성계수 또는 감쇠정수를 구하는 비파괴식 시험기로서, 원주형의 흙 시료로 이루어지는 공시체를 챔버 내에 수용한 후에 지반의 환경에 맞추기 위하여 주위압(ambient stress)를 가하고 비틂 가진장치(vibration excitation device) 또는 종방향 가진장치를 이용한 가진(vibraion excitation)을 공시체에 가하면서 공시체의 변형율을 측정하며, 측정한 변형율에 근거하여 공시체의 전단탄성계수 또는 감쇠정수를 산출한다.
여기서, 공시체에 비틂 가진(torsional vibration excitation)을 가하는 비틂전단시험(torsional shear test)은 공시체에 다양한 주파수로 비틂 가진을 하였을 때에 공시체의 저항에 의해 발생하는 토오크 및 비틂 변위를 측정한 후에, 측정한 데이터값에 공시체의 크기(단면적 및 길이)를 적용하여 전단응력(shear stress) 및 전단변형율(shear strain)을 산출하고, 산출한 전단응력 및 전단변형율의 상호관계에 근거하여 전단탄성계수와 감쇠정수를 구하는 시험이다.
이러한 공진주 시험기에 대한 종래기술로는 한국공개특허 제10-2009-0011204호, 한국등록특허 제10-0994424호 등이 있었으며, 이들 종래기술들에 근거하여 제작 사용되는 공진주 시험기는 내부 공간을 투시하게 도시한 도 1처럼 구성된다.
상기 도 1을 참조하면 종래 공진주 시험기는 챔버(10), 서포트 플레이트(20), 드라이브 플레이트(30), 가진수단(40), 센싱수단(50), 컨트롤러(미도시) 및 특성산출장치(60)를 포함하여 구성된다.
챔버(10) 내부에 수용되는 공시체(S)는 지반에서 채취한 흙 등의 원기둥형 시료로서, 원통형의 멤브레인(M) 내부에 다져지고, 챔버(10) 바닥면 및 드라이브 플레이트(30)에 직접 고정하기 어려우므로 시편 고정단판(14, 15)을 상단 및 하단에 각각 고착한다. 이러한 시편 고정단판(14, 15)은 공시체(S)의 단부에 고착하기 위해서 일반적으로 공시체(S)와의 접촉면에 요철이 형성된 것을 사용한다.
상기 챔버(10)는 멤브레인(M)으로 외주면을 감싸고 상하단에 시편 고정단판(14, 15)을 고착한 공시체(S)를 내부 바닥면에 입설식으로 고정하게 하고 바닥면에 입설시킨 지주(12)의 상단에 환상의 고정 플레이트(13)을 고정하여 고정 플레이트(13)가 공시체(S)의 상단 둘레를 거리를 두고 감싸게 하며, 서포트 플레이트(20), 드라이브 플레이트(30), 가진수단(40) 및 센싱수단(50)을 내부에 설치한 후에 중공의 원통형 몸체(11')로 에워싸고 원통형 몸체(11')의 상부 개구를 상판(11)으로 덮어 밀폐하는 구조를 갖춘다. 도 1에는 도시되지 아니하였지만, 실제 지반에 상응하는 환경을 챔버(10) 내부에 조성하기 위해서 챔버(10)의 내부공간을 가압(예를 들면, 공압식으로 할 경우에 규정된 내부 기압으로 높임)하여 공시체(S)에 주위압을 가하는 수단도 설치된다.
상기 서포트 플레이트(20)는 고정 플레이트(13)의 상측에 고정되되 볼트(21)의 채결 깊이 변경으로 높이 조절을 가능하게 고정되며, 공시체(S)의 상단에 여유있게 관통되는 환상의 형태로 형성된다.
상기 드라이브 플레이트(30)는 상기 공시체(S)의 상단에 고착된 시편 고정단판(15)의 상면에 고정되며, 원판 형상에 가깝게 형성되고 외측으로 연장되는 돌기를 테두리를 따라 복수 개로 구비하여서 후술하는 자석(42)을 각각의 돌기에 설치할 수 있다. 여기서, 상기 서포트 플레이트(20)의 높이와 상기 드라이브 플레이트(30)의 높이는 후술하는 가진수단(40)의 코일(41) 및 자석(42) 간의 정확한 전자적 결합을 위해서 맞춘다.
상기 가진수단(40)은 상기 드라이브 플레이트(30)의 돌기들에 각각 고정되는 자석(42)과, 자석(42)의 위치에 맞게 상기 서포트 플레이트(20)의 상면에 설치되는 코일(41)을 포함하여 구성된다. 이에 따라, 상기 코일(41)에 전기를 공급하면 상기 코일(41)과 자석(42)의 전자석 상호작용에 의해서 상기 드라이브 플레이트(30)에 회동 가진력을 가할 수 있고, 이렇게 가해진 회동 가진력은 공시체(S)에 전달된다.
상기 센싱수단(50)은 상기 가진수단(40)에 의한 회동 가진력을 가함에 따라 발생되는 상기 드라이브 플레이트(30)의 변위를 측정하는 구성요소로서, 드라이브 플레이트(30)의 수직 변위를 감지하는 선형변위측정기(51, LVDT), 드라이브 플레이트(30)의 회전 변위를 측정하는 프록시미터(52) 및 드라이브 플레이트(30)의 회전 가속도를 측정하는 가속도측정기(53)를 포함한다.
상기 컨트롤러(미도시)는 상기 챔버(10) 내의 주위압 및 상기 코일(41)에의 전기공급을 제어한다.
상기 특성산출장치(60)는 비틂전단시험의 결과치를 얻는 장치로서, 상기 센싱수단(50)으로 공시체에 발생하는 토오크 및 비틀림 변위량을 측정하고 공시체의 단면적 및 길이를 적용하여 전단응력(shear stress) 및 전단변형율(shear strain)을 산출하며, 전단응력 및 전단변형율의 상호관계로부터 전단탄성계수 및 감쇠정수를 구한다.
이와 같이 구성되는 종래 공진주 시험기는, 상기 도 1처럼 셋팅된 상태에서 코일(41)에 공급되는 전기 주파수 및 전력(power)을 변경하면 코일(41)과 자석(42) 간의 전기전자적 상호작용에 의해서 드라이브 플레이트(30)에 회전 가진력이 가해지고, 가해진 회전 가진력이 공시체(S)에 전달되어 공시체(S)의 물성 특성에 의한 반응이 드라이브 플레이트(30)에 나타나므로, 회전 가진력이 가해질 시에 드라이브 플레이트(30)의 변위를 상기 센싱수단(50)으로 측정하여서 공시체(S)의 물성 특성(전단탄성계수와 감쇠정수)을 산출할 수 있다.
하지만, 종래 공진주 시험기는, 드라이브 플레이트(30)의 회전 변위를 측정하는 프록시미터(52)를 드라이브 플레이트(30)의 상부에 설치해야 하여 드라이브 플레이트(30)의 상부 구조가 복잡하고 설치하기도 어려울 뿐만 아니라, 미소하게 발생하는 공시체(S)의 전단변위를 얻어야 하는 조건에서 프록시미터(52)의 부정확성에 의해 정확한 데이터를 얻기도 어려워 동일 조건하에 반복 실험해야 하며, 이는 반복 실험 중에 공시체(S)의 수축이 발생하여 동일 조건을 만들기 위해 도 1처럼 셋팅된 것을 해체하고 내부 상태를 조정한 후에 재셋팅하는 번거로움이 있다.
또한, 종래 공진주 시험기는 공시체(S) 자체의 변위를 측정하는 것이 아니라 공시체(S)의 단부에 고정된 드라이브 플레이트(30)의 변위를 측정하여 공시체(S)의 변위를 간접 측정하는 방식을 취하므로, 공시체(S)와 드라이브 플레이트(30)의 고정상태에 영향을 받게 된다. 즉, 공시체(S)의 상부에 고정한 시편 고정단판(15)을 드라이브 플레이트(30)에 견고하게 고정할 수는 있지만, 공시체(S)와 시편 고정단판(15) 간의 고착상태는 그에 비해 견고하게 고정되지 아니하므로, 드라이브 플레이트(30)의 회전량과 공시체(S) 단부의 회전량 간에 차이가 발생할 수 있다. 이에 더하여, 공시체(S)의 하단과 하단측 시편 고정단판(14)과도 회전량의 차이가 발생하여, 공시체(S)의 실제 변위와는 차이가 발생할 수 있다.
KR 10-2009-0011204 A 2009.02.02. KR 10-0994424 B1 2010.11.16.
따라서, 본 발명의 목적은, 공시체(S)의 변위를 정확하게 측정하고, 드라이브 플레이트(30)의 상면측을 간소화한 공시체 영상 판독식 공진주 시험기를 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은, 드라이브 플레이트(30)를 통한 간접적 측정방식이 아니라 공시체(S) 자체의 변위를 직접 측정하는 공시체 영상 판독식 공진주 시험기를 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은, 공시체(S)의 구속상태도 감시하여 정확한 데이터의 산출을 위한 시험환경 하에 공시체(S)의 물성 특성을 얻을 수 있는 공시체 영상 판독식 공진주 시험기를 제공하는 것이다.
상기한 과제를 달성하기 위해 본 발명은, 시료인 공시체(S)를 멤브레인(M)으로 측면을 감싸고 단부에 드라이브 플레이트(30)를 고정한 후에 드라이브 플레이트(30)에 회전 가진력을 가하면서 공시체(S)의 변형율을 획득하여 공시체(S)의 물성 특성치를 얻는 공진주 시험기에 있어서, 공시체(S)에 고정되는 부분에 눈금(200)이 새겨지고, 상기 눈금(200)을 촬영하는 카메라(100)가 설치되며, 영상 판독에 따른 눈금(200)의 변형에 근거하여 공시체의 변형율을 산출함을 특징으로 한다.
상기 눈금(200)은, 상기 멤브레인(M)의 표면에 새겨지는 눈금(202)을 포함하고, 상기 멤브레인(M)의 표면에 새겨진 눈금(202)의 변형에 근거하여 공시체(S)의 변형율을 산출함을 특징으로 한다.
상기 눈금(200)은, 상기 드라이브 플레이트(30)의 표면에 새겨지는 눈금(201)을 포함하고, 상기 드라이브 플레이트(30)의 표면에 새겨진 눈금(201)의 변형에 근거하여 상기 드라이브 플레이트(30)의 회전 변위량을 산출한 후에 공시체(S)의 전단 변형율을 산출함을 특징으로 한다.
상기 멤브레인(M)의 표면에 새겨지는 눈금(202)은, 멤브레인(M)의 상단에서 시작하여 하단에 이르게 새겨지고, 상기 멤브레인(M)의 표면에 새겨진 눈금(202)의 변형에 근거하여 공시체(S)의 높이별 변형율을 산출함을 특징으로 한다.
상기 멤브레인(M)의 표면에 새겨지는 눈금(202)은, 격자형 눈금임을 특징으로 한다.
상기 멤브레인(M)의 표면에 새겨진 눈금(202)의 수직 변형에 근거하여 공시체(S)의 신축 변형율을 산출함을 특징으로 한다.
상기 멤브레인(M)의 표면에 새겨진 눈금(202)을 촬영하기 위한 카메라는, 2대를 마련하여 하나는 상기 눈금(202)의 상부측을 촬영하고 다른 하나는 상기 눈금(202)의 하부측을 촬영하게 설치함을 특징으로 한다.
상기 눈금(200)은, 상기 드라이브 플레이트(30)의 표면에 새겨지는 눈금(201)과, 상기 멤브레인(M)의 표면에 새겨지는 눈금(202)을 포함하고, 상기 눈금들(201, 202)을 각각 촬영한 영상의 판독에 근거하여 얻는 상기 드라이브 플레이트(30)의 회전 변위와 상기 드라이브 플레이트(30)에 고정된 공시체(S) 단부의 비틀림 변위를 상호 비교하여서, 공시체(S)와 드라이브 플레이트(30)의 고정된 상태를 감시함을 특징으로 한다.
상기와 같이 구성되는 본 발명은 공시체(S)에 고정되는 멤브레인(M) 또는 드라이브 플레이트(30)에 눈금을 새기어 눈금의 변형을 영상 판독으로 측정하므로, 종래 영점 조정 등의 부정확성에 의해 오차를 야기하던 프록시미터 또는 선형변위측정기에 비해 더욱 정확하게 측정할 수 있고, 가진하기 전의 셋팅작업도 용이하다.
또한, 본 발명은 멤브레인(M)에 새긴 눈금의 이미지를 판독하여 공시체(S)의 실제 변형량을 측정할 수 있으므로, 드라이브 플레이트(30)를 통한 간접적인 측정방식을 보완하여 더욱 정확한 데이터를 얻을 수 있고, 이에 더하여, 공시체(S)의 부위별 변형량도 측정할 수 있어서 가진에 의한 공시체(S)의 전체적인 변형 특성도 정확하게 얻을 수 있다.
또한, 본 발명은 드라이브 플레이트(30)와 공시체(S) 간의 구속상태도 감시하여 구속상태의 약화에 따른 데이터의 오류를 방지할 수 있는 실험환경 기반을 제공한다.
도 1은 종래 공진주 시험기의 투시 사시도.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 공시체 영상 판독식 공진주 시험기의 내부를 투시하게 한 사시도.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 공시체 영상 판독식 공진주 시험기의 내부를 투시하게 한 측면도.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 공시체 영상 판독식 공진주 시험기에 있어서, 드라이브 플레이트(30)에 회전 가진력을 가하기 전의 공시체(S)의 사시도.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 공시체 영상 판독식 공진주 시험기에 있어서, 드라이브 플레이트(30)에 회전 가진력을 가한 후의 공시체(S)의 사시도.
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 공시체 영상 판독식 공진주 시험기에 있어서, 멤브레인(M)의 표면에 새긴 눈금을 격자형으로 할 수 있음을 보여주는 도면.
이하, 본 발명의 바람직한 실시 예를 첨부한 도면을 참조하여 당해 분야에 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 설명한다. 첨부된 도면들에서 구성 또는 작용에 표기된 참조번호는, 다른 도면에서도 동일한 구성 또는 작용을 표기할 때에 가능한 한 동일한 참조번호를 사용하고 있음에 유의하여야 한다. 또한, 하기에서 본 발명을 설명함에 있어, 관련된 공지의 기능 또는 공지의 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략한다.
도 2 및 도 3은 본 발명의 실시예에 따른 공시체 영상 판독식 공진주 시험기를 설명하기 위한 도면으로서, 도 2는 사시도이고 도 3은 측면도이며, 도 2 및 도 3을 도시할 시에 내부를 투시하게 도시하였다.
상기 도 2 및 도 3은 참조하면 본 발명의 실시예에 따른 공진주 시험기는, 종래 공진주 시험기를 도시한 도 1을 참조하여 본 발명의 해결하려는 과제에 기술한 바와 같이 중공관형 멤브레인(M)의 내부에 다져지고 상하단에 각각 시편 고정단판(14, 15)를 고착한 공시체(S)를 챔버(10)의 바닥면에 입설한 상태에서 서포트 플레이트(20), 드라이브 플레이트(30), 가진수단(40) 및 가속도측정기(53)를 장착한 후에 원통형 몸체(11') 및 상판(11)으로 내부를 밀폐하고, 가진수단(40)에 전기를 공급하여 드라이브 플레이트(30)에 가진력을 가하고 드라이브 플레이트(30)의 변위량에 따라 공시체(S)의 전단탄성계수 및 감쇠정수을 특성산출장치(300)로 산출한다. 상기 도 2 및 도 3에는 도시되지 아니하였지만 챔버(10)의 내부 기압을 높이는 장치와 상기 드라이브 플레이트(30)의 회전 가진력을 가하기 위한 장치도 구비된다.
여기서, 공시체(S)를 에워싸거나 고착되는 멤브레인(M) 및 시편 고정단판(14, 15), 챔버(10)의 구조, 챔버(10)의 내부에 장착되는 서포트 플레이트(20), 드라이브 플레이트(30) 및 가진수단(40), 센싱수단(50) 중에 가속도측정기(53) 등은 도 1을 참조하여 설명한 바와 같이 종래 공진주 시험기를 구성하는 요소와 동일하므로, 중복하여 상세하게 설명하지 아니하고 간략하게만 기술한다. 공진주 시험기는 밀폐되는 챔버(10)의 내부에 공시체(S)를 입설식으로 세워 공시체(S)의 하부를 고정하고 공시체(S)의 상부에 드라이브 플레이트(30)를 고정되며, 드라이브 플레이트(30)의 테두리에 연장되게 고정되는 자석(42)에 전기전자적으로 상호작용하여 자석(42)에 힘을 가하는 코일(41)을 드라이브 플레이트(30)의 둘레를 따라 환형으로 고정되는 서포트 플레이트(20)에 설치하여서, 코일(41)에 공급되는 전기에 의해 드라이브 플레이트(30)에 회전 가진력을 가하게 한다. 그리고, 드라이브 플레이트(30)에 회전 가진력을 가할 시에 드라이브 플레이트(30)의 변위를 측정하여 공시체(S)의 전단탄성계수 및 감쇠정수을 산출한다. 도 1을 참조하면, 종래 공진주 시험기에서 드라이브 플레이트(30)의 회전 변위를 측정하는 프록시미터(52)는, 일단이 서포트 플레이트(20)에 고정된 상태에서 드라이브 플레이트(30)의 상면에 고정되는 타겟과의 이격 변화를 감지하여 드라이브 플레이트(30)의 회전변위를 측정하고, 선형변위측정기(51, LVDT)는 상기 프록시미터(52)의 지지프레임에 고정된 상태에서 드라이브 플레이트(30)의 수직 변위를 측정하여 공시체(S)의 전단 회전변위 및 수축에 따른 수직 변위를 얻었다.
반면에, 본 발명의 실시예에 따른 공진주 시험기는, 상기 도 2 및 도 3에 도시된 바와 같이, 프록시미터(52) 및 선형변위측정기(51)를 구비하지 아니하고, 대신에 공시체(S)의 회전 변위 및 수직 변위를 영상 판독으로 얻으며, 가속도측정기(53)는 구비한다.
다음으로, 종래 공진주 시험기와 차이 나는 본 발명의 특징들로서, 드라이브 플레이트(30)의 회전 변위량을 카메라 영상으로 측정하기 위한 구성요소들과, 공시체(S) 자체의 변위량을 카메라 영상으로 측정하기 위한 구성요소들과, 영상 처리로 변위량을 측정하여 공시체(S)의 물성 특성(전단탄성계수 및 감쇠정수)을 산출하는 특성산출장치(300)에 대해 설명한다.
본 발명의 실시예에 따른 공진주 시험기는, 공시체(S)에 고정되는 부분에 눈금(200 : 201. 202, 202')을 새기고, 새긴 눈금(200 : 201. 202, 203)을 카메라(100 : 101, 102, 102')로 촬영하며, 촬영하여 얻은 영상에서 눈금 이미지의 변형을 특성산출장치(300)에서 판독하여 공시체(S)의 변위량을 산출한 후에 이에 근거하여 물성 특성(전단탄성계수 및 감쇠정수)을 얻는다. 여기서, 눈금(200 : 201. 202, 202')이 새겨지는 부분은 공시체(S)의 외주면을 감싸는 멤브레인(M) 또는 공시체(S)의 상부에 고정된 드라이브 플레이트(30)의 표면이고, 카메라(100 : 101, 102, 102')는 눈금(200 : 201. 202, 202')을 촬영할 수 있는 챔버(10)의 내부에 설치된다.
구체적으로 설명하면, 드라이브 플레이트(30)의 회전 변위를 측정하기 위해서, 종래처럼 프록시미터(52)를 드라이브 플레이트(30)에 장착하지 아니하고, 대신에 드라이브 플레이트(30)의 상면에 눈금(200:201)을 새기고, 이 눈금(200 : 201)을 촬영하기 위한 카메라(100 : 101)를 상판(11)의 저면에 고정한다. 그리고, 특성산출장치(300)는 상기 카메라(100: 101)에서 촬영된 영상에서 눈금(200:201)의 변형량을 판독하여 드라이브 플레이트(30)의 회전 변위를 산출하도록 구성된다.
본 발명의 실시예를 설명하기 첨부된 도 2 및 도 3에서, 상기 드라이브 플레이트(30)의 상면에 새긴 눈금(200:201)은 상기 드라이브 플레이트(30)의 중심을 기준으로 원호를 그리는 방향으로 새겨지지만, 도면에 도시된 눈금의 형태에 한정할 필요는 없다.
본 발명의 실시예에서 상기 특성산출장치(300)는, 입자화상속도계측(Particle Image Velocimetry) 기법으로 드라이브 플레이트(30)의 회전 변위를 획득하도록 구성될 수 있다. 즉, 카메라로 촬영되는 영상을 판독함으로써 눈금(200:201)에서 간격을 이루게 연속으로 새겨진 단위 눈금들(유동장의 입자들)을 감지하여 변위량을 산출하는 입자화상속도계측 기법을 사용하여 상기 드라이브 플레이트(30)의 회전 변위를 산출하는 것이다. 이와 같이 산출한 드라이브 플레이트(30)의 변위량은 공시체(S)의 전단 회전변형량에 대응된다. 입자화상속도계측 기법은 측정 대상의 속도장 정보를 제공하는 기법으로서 유동장의 입자(본 발명에서는 눈금) 변위를 영상처리로 산출하는 일반적으로 알려진 기술이므로 상세 설명을 생략한다.
이러한 드라이브 플레이트(30)의 회전 변위량에 근거하여 공시체(S)의 전단 변위량을 측정하는 간접 측정방식은 드라이브 플레이트(30)에 고정되는 시편 고정단판(15)을 공시체(S)의 상단에 어느 정도 견고하게 고착하였는가에 따라 결과치의 정확성이 좌우된다.
다음으로, 본 발명의 실시예는 공시체(S) 자체의 실제 변형량을 직접 측정하기 위해서, 공시체(S)의 외주면을 감싸는 멤브레인(M)의 표면에 눈금(200: 202,202')을 새기고, 이 눈금(200:202,202')을 촬영하기 위한 카메라(100:102,102')를 공시체(S)의 측면 방향으로 이격되게 설치한다. 그리고, 상기 특성산출장치(300)는, 멤브레인(M)의 표면에 새긴 눈금(200: 202,202')의 이미지의 변형에 근거하여 공시체(S)의 변형량을 산출한다.
상기 멤브레인(M)에 새기는 눈금(200:202,202')은 멤브레인(M)의 상단에서 시작하여 하단에 이르게 새겨져서, 공시체(S)의 수직 방향 전체의 변위량을 높이별로 측정할 수 있게 한다. 여기서, 드라이브 플레이트(30)에 고정되는 공시체(S) 상단의 회전 변위량도 산출할 수 있어서, 실제 공시체(S)에 발생하는 전단 변형율을 얻는다.
한편, 챔버(10)의 내부 폭은 필요 이상으로 크게 하지 아니하므로, 챔버(10) 내벽과 공시체(S)의 외주면 사이의 공간에 설치할 카메라(100:102,102')를 두 대 마련하여 하나는 눈금(200:202,202')의 상부측을 촬영하고 하나는 눈금(200:202,202')의 하부측을 촬영하게 하는 것이 좋다. 그리고, 카메라(100:102,102')는 광각 카메라로 구성하는 것이 바람직하다. 본 발명의 실시예에서는 상기 멤브레인(M)에 새기는 눈금(200:202,202')을 멤브레인(M)의 외주면에 두 개 새겨서 어느 하나의 눈금(200:202) 하부측을 하나의 카메라(100:102)로 촬영하고 다른 하나의 눈금(200:202') 상부측을 나머지 카메라(100:102')로 촬영하도록 구성하여서 카메라를 설치하기 편하다.
도 4 및 도 5는 본 발명의 실시예에 따른 공진주 시험기로 비틂전단시험을 실시할 때에 공시체(S)의 변위 양태를 보여주기 위한 도면으로, 도 4는 드라이브 플레이트(30)에 회전 가진력을 가하기 전의 상태이고, 도 5는 드라이브 플레이트(30)에 회전 가진력을 가한 후 최대로 비틀린 상태이다. 여기서, 상기 도 4 및 도 5는 공시체(S)의 비틀림 상태를 보여주기 위한 것이므로 공시체(S)의 단부에 고착된 시편 고정단판(14, 15) 및 드라이브 플레이트(30)만 도시하였고, 도 5의 경우에 실제 공시체(S)의 최대 전단변형율은 매우 작은 값이지만, 본 발명을 보다 명확하게 이해시키기 위해서 드라이브 플레이트(30)의 회전각(즉 공시체의 전단 변형에 따른 회전각)을 과도하게 키워 도시하였다.
상기 4에 도시된 상태는, 상기 도 2 및 도 3처럼 비틂전단시험을 위해서 본 발명을 셋팅한 상태로서 코일(42)에 전기를 공급하기 전이므로, 드라이브 플레이트(30)가 진동하지 않고 초기 셋팅된 상태로 있어서, 멤브레인(M)에 새긴 눈금이 상하로 일직선을 이룬다.
이때, 특성산출장치(300)는 상기 도 4의 상태에서 촬영된 눈금들(201,202)의 영상을 메모리(미도시)에 저장한다.
그리고, 상기 도 5는 코일(42)에 전기를 공급하여 드라이브 플레이트(30)에 회동 가진력을 가함에 따라 공시체(S)의 상단이 회전하여 비틀리게 된 상태로서, 이에 따라 드라이브 플레이트(30)의 상면에 표기된 눈금(201)이 드라이브 플레이트(30)의 회전각 만큼 따라 회전 이동하고, 멤브레인(M)에 새긴 눈금(202)이 일직선을 이루지 못하고 상단의 비틀림 방향으로 곡선을 이룬다.
이때, 상기 특성산출장치(300)는 상기 도 5처럼 회동 가진력을 가함과 동시에 카메라들(101, 102)로 눈금들(201, 202)을 촬영하여 얻는 영상을 입력받아 영상의 프레임별로 눈금들(201, 202)의 변형량을 산출하고 가속도측정기(30)로 측정한 드라이브 플레이트(30)의 가속도값도 입력받는다. 여기서, 눈금들(201, 202)의 변형량은 입자화상속도계측(Particle Image Velocimetry) 기법을 채용하여 동작하는 프로세서(미도시)를 이용하여 상기 도 4의 상태에서 저장한 눈금들(201, 202)의 이미지와 도 5의 상태에서 촬영된 영상에서 추출한 눈금들(201, 202)의 이미지를 상호 비교하여 얻는다. 코일(42)에 전기를 가하면 상기 도 5의 상태로 정지하는 것이 아니라 진동하게 되므로, 영상의 프레임별로 변형량을 산출하여 변형량의 추이를 얻는다.
그리고, 상기 특성산출장치(300)는, 드라이브 플레이트(30)에 새긴 눈금(201)의 변형량에 근거하여 드라이브 플레이트(30)의 회전 변위를 얻을 수 있고, 이에 따라 드라이브 플레이트(30)의 회전 변위 및 가속도에 근거하여 공시체(S)의 토오크 및 비틂 변위를 얻을 수 있어 전단탄성계수 및 감쇠정수를 구할 수 있다.
아울러, 상기 특성산출장치(300)는, 멤브레인(M)에 새긴 눈금(202)의 변형량에 근거하여 공시체(S)의 실제 변형량을 얻을 수 있고, 이에 따라 공시체(S)의 높이별 회전 변위도 얻어 실제 공시체(S)의 전체적인 비틀림 상태도 확인할 수 있다.
한편, 상기 특성산출장치(300)는, 드라이브 플레이트(30)에 새긴 눈금(201) 이미지에 대한 영상 판독에 근거하여 획득한 드라이브 플레이트(30)의 회전 변위와, 상기 멤브레인(M)에 새긴 눈금(202) 이미지에 대한 영상 판독에 근거하여 획득한 공시체(S) 단부의 비틀림 변위를 상호 비교하여서, 공시체(S)의 구속상태를 감시한다. 즉, 공시체(S)의 단부에 고착한 시편 고정단판(15)에 드라이브 플레이트(30)를 견고하게 고정하였으므로, 공시체(S) 단부와 드라이브 플레이트(30)의 회전 변위 차이값으로 공시체(S) 단부의 고착상태(구속상태)를 감시할 수 있다. 공진주 시험기는 드라이브 플레이트(30)로 공시체(S)에 비틂 가진력을 가하고, 비틂 가진력에 의한 반응을 드라이브 플레이트(30)의 변위로 측정하므로, 드라이브 플레이트(30)에 견고하게 고정되는 시편 고정단판(15)이 헛도는 일 없이 공시체(S)에 견고하게 고착되어야만 정확한 비틂전단시험을 할 수 있지만, 지반에서 채취한 공시체(S)의 특성상 시편 고정단판(15)에 견고하게 고정하기 힘들다. 따라서, 본 발명의 실시예에 따른 공진주 시험기는, 드라이브 플레이트(30)와 공시체(S) 단부의 회전량을 비교하여 그 구속상태를 감시함으로써, 양측 회전량의 차이가 미리 설정된 값을 초과하면 공시체(S) 단부를 견고하게 재고착한 후에 비틂전단시험을 하게 하는 것이다.
상기 특성산출장치(300)는, 상기 멤브레인(M)에 새기는 눈금(202)의 수직 방향 변형량을 산출하여 공시체(S)의 수직 방향 신축 변위량을 얻을 수 있어서, 종래 드라이브 플레이트(30)의 상부에 설치하였던 선형변위측정기(51)를 대신할 수 있다. 아울러, 수축 변위량을 높이별로도 얻을 수 있어서 공시체(S)의 수축 변위 특성을 더욱 정확하게 얻는 것도 가능하다.
상기 멤브레인(M)에 새기는 눈금(200:202,202')은, 도 6에 도시된 바와 같이 격자형 눈금으로 새길 수 있다.
상기 도 6을 참조하면, 상기 멤브레인(M)에 새기는 눈금(200:202,202')은 서로 평행한 수직선들과 둘레 방향으로 곡선을 이루며 서로 평행한 수평선들이 서로 격자를 이루게 되어, 상기 멤브레인(M)의 외주면에 넓게 새겨진다. 이에 따라, 특성산출장치(300)는 상기 멤브레인(M)에 새기는 격자형 눈금(200:202,202')의 변형에 근거하여 상기 멤브레인(M) 표면의 변형량을 산출하여서 상기 도 4에 도시된 하나의 수직선에 새겨지는 눈금에 비해 공시체(S)의 변형량을 더욱 정확하게 산출할 수 있다. 즉, 격자형 눈금에서 수직선과 수평선이 만나는 복수 점들의 변동을 입자화상속도계측(Particle Image Velocimetry) 기법으로 처리하여 공시체(S) 표면의 변형량을 산출하며, 높이별 변형량을 산출할 시에 동일 높이 있는 다지점의 변형량을 산출하여 더욱 정확한 데이터를 얻을 수 있다.
한편, 상기 드라이브 플레이트(30)의 표면에 새긴 눈금(201)과 상기 멤브레인(M)의 표면에 새긴 눈금(202, 202')을 촬영하는 카메라들(101, 102, 102')은 눈금(201, 201, 202')을 밝게 비춰줄 램프(110)를 각각 구비하여서 선명한 영상을 얻는 것이 바람직하다.
또한, 상기 카메라들(101, 102, 102')은 고속 카메라, 즉, 초당 촬영하는 프레임 수가 많은 카메라로 구성하여서, 상기 특성산출장치(300)에서 드라이브 플레이트(30)의 회전 및 공시체(S)의 비틀림을 더욱 정확하게 산출하게 함이 바람직하다.
또한, 본 발명의 실시예를 설명함에 있어서, 비틂전단시험에 대해서만 설명하였으나, 공시체(S)의 측면에 새긴 눈금(즉, 멤브레인에 새긴 눈금)의 변형에 근거하여 종방향 가진력을 가할 시의 응답특성을 산출할 수도 있다.
또한, 본 발명의 실시예를 설명함에 있어서 공시체(S)의 하단을 고정하고 상단을 가진하는 방식을 적용하는 공진주 시험기에 대해서만 설명하였으나, 공시체(S)의 하단을 가진하는 방식의 공진주 시험기와 공시체(S)의 상하단을 동시에 가진하는 공진주 시험기에도 적용 가능하다. 즉, 드라이브 플레이트(30)의 위치 변동에 따른 것에 불과하므로 본 발명의 실시예에서 설명한 기술내용에 근거하여 적용 가능한 것이다.
이상에서 본 발명의 기술적 사상을 예시하기 위해 구체적인 실시 예로 도시하고 설명하였으나, 본 발명은 상기와 같이 구체적인 실시 예와 동일한 구성 및 작용에만 국한되지 않고, 여러가지 변형이 본 발명의 범위를 벗어나지 않는 한도 내에서 실시될 수 있다. 따라서, 그와 같은 변형도 본 발명의 범위에 속하는 것으로 간주해야 하며, 본 발명의 범위는 후술하는 특허청구범위에 의해 결정되어야 한다.
S : 공시체 M : 멤브레인
10 : 챔버 11 : 상판 12 : 지주
13 : 고정 플레이트 14, 15 : 시편 고정단판
20 : 서포트 플레이트 21 : 볼트 30 : 드라이브 플레이트
40 : 가진수단 41 : 코일 42 : 자석
50 : 센싱수단 51 : 선형변위측정기 52 : 프록시미터
53 : 가속도측정기 60 : 특성산출장치
100,101,102,102' : 카메라 110 : 램프
200,201,202,202' : 눈금 300 : 특성산출장치

Claims (8)

  1. 시료인 공시체(S)를 멤브레인(M)으로 측면을 감싸고 단부에 드라이브 플레이트(30)를 고정한 후에 드라이브 플레이트(30)에 회전 가진력을 가하면서 공시체(S)의 변형율을 획득하여 공시체(S)의 물성 특성치를 얻는 공진주 시험기에 있어서,
    공시체(S)에 고정되는 부분에 눈금(200)이 새겨지고, 상기 눈금(200)을 촬영하는 카메라(100)가 설치되며, 영상 판독에 따른 눈금(200)의 변형에 근거하여 공시체의 변형율을 산출함을 특징으로 하는 공시체 영상 판독식 공진주 시험기.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 눈금(200)은, 상기 멤브레인(M)의 표면에 새겨지는 눈금(202)을 포함하고,
    상기 멤브레인(M)의 표면에 새겨진 눈금(202)의 변형에 근거하여 공시체(S)의 변형율을 산출함을 특징으로 하는 공시체 영상 판독식 공진주 시험기.
  3. 제 2항에 있어서,
    상기 멤브레인(M)의 표면에 새겨지는 눈금(202)은, 멤브레인(M)의 상단에서 시작하여 하단에 이르게 새겨지고,
    상기 멤브레인(M)의 표면에 새겨진 눈금(202)의 변형에 근거하여 공시체(S)의 높이별 변형량을 산출함을 특징으로 하는 공시체 영상 판독식 공진주 시험기.
  4. 제 3항에 있어서,
    상기 멤브레인(M)의 표면에 새겨진 눈금(202)의 수직 변형에 근거하여 공시체(S)의 신축 변형율을 산출함을 특징으로 하는 공시체 영상 판독식 공진주 시험기.
  5. 제 3항에 있어서,
    상기 멤브레인(M)의 표면에 새겨진 눈금(202)을 촬영하기 위한 카메라는, 2대를 마련하여 하나는 상기 눈금(202)의 상부측을 촬영하고 다른 하나는 상기 눈금(202)의 하부측을 촬영하게 설치함을 특징으로 하는 공시체 영상 판독식 공진주 시험기.
  6. 제 3항에 있어서,
    상기 멤브레인(M)의 표면에 새겨지는 눈금(202)은, 격자형 눈금임을 특징으로 하는 공시체 영상 판독식 공진주 시험기.
  7. 제 1항 내지 제 6항 중에 어느 하나의 항에 있어서,
    상기 눈금(200)은, 상기 드라이브 플레이트(30)의 표면에 새겨지는 눈금(201)을 포함하고,
    상기 드라이브 플레이트(30)의 표면에 새겨진 눈금(201)의 변형에 근거하여 상기 드라이브 플레이트(30)의 회전 변위량을 산출한 후에 공시체(S)의 전단 변형율을 산출함을 특징으로 하는 공시체 영상 판독식 공진주 시험기.
  8. 제 1항에 있어서,
    상기 눈금(200)은, 상기 드라이브 플레이트(30)의 표면에 새겨지는 눈금(201)과, 상기 멤브레인(M)의 표면에 새겨지는 눈금(202)을 포함하고,
    상기 눈금들(201, 202)을 각각 촬영한 영상의 판독에 근거하여 얻는 상기 드라이브 플레이트(30)의 회전 변위와 상기 드라이브 플레이트(30)에 고정된 공시체(S) 단부의 비틀림 변위를 상호 비교하여서, 공시체(S)와 드라이브 플레이트(30)의 고정된 상태를 감시함을 특징으로 하는 공시체 영상 판독식 공진주 시험기.
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