KR102312771B1 - 초고속 이동체계용 콘크리트 운송관의 기밀성능 평가 시스템 및 그 방법 - Google Patents
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Abstract
하이퍼루프(Hyperloop)와 같은 초고속 이동체계용 운송관을 초고성능 콘크리트(UHPC)로 제작할 경우, 기밀성능 평가 실험장치를 사용하여 기압의 1/1000~1/100 범위인 아진공 상태에서 콘크리트 운송관에 대한 기밀성능을 정확하게 평가할 수 있고, 또한, 초고속 이동체계를 위한 콘크리트 운송관의 기밀성능 측정을 위한 표준적인 시험장치와 시험방법을 구현함으로써, 신뢰성 있는 분석결과를 확보할 수 있으며, 또한, 콘크리트 재료의 물리적 특성 및 제원에 따른 콘크리트 운송관의 기밀성능을 측정할 수 있고, 성능측정 결과를 이용하여 경제적이고 최적화된 콘크리트 운송관 단면을 설계할 수 있는, 초고속 이동체계용 콘크리트 운송관의 기밀성능 평가 시스템 및 그 방법 이 제공된다.
Description
본 발명은 초고속 이동체계용 콘크리트 운송관의 기밀성능 평가에 관한 것으로, 보다 구체적으로, 하이퍼루프(Hyperloop)와 같은 초고속 이동체계(High Speed Transportation System)용 운송관을 초고성능 콘크리트(Ultra High Performance Concrete: UHPC)로 제작할 경우, 기밀성능 평가 실험장치를 사용하여 콘크리트 운송관에 대한 기밀성능을 평가하는, 초고속 이동체계용 콘크리트 운송관의 기밀성능 평가 시스템 및 그 방법에 관한 것이다.
통상적으로, 초고속 튜브 트레인은 기존의 자기부상열차가 갖는 속도의 한계를 극복하기 위하여 튜브(Tube)라는 밀폐된 공간을 아진공(Partial Vacuum) 상태로 만들어 주행하는 튜브철도 시스템으로서, 철도의 궤도를 튜브로 감싼 후 진공 또는 아진공 상태로 만들어 공기저항을 최소화함으로써 동일 출력으로 더 큰 속도를 낼수 있다. 예를 들면, 초고속 튜브 트레인은 궤도를 튜브로 감싸고, 예를 들면, 0.05∼0.4기압의 아진공 상태에서 시속 700㎞ 이상으로 주행할 수 있다.
기존의 자기부상열차는 공기저항 및 점착 구동방식의 한계로 인하여 열차의 초고속화에 어려움이 있지만, 초고속 튜브 트레인 시스템은 튜브 구조물을 만들고, 그 내부에서 아진공 상태를 유지하여 공기저항을 줄이며, 선형 전동기를 이용하여 비점착(No-adhesive) 구동함으로써 700㎞/h 이상의 초고속 운행을 가능하게 한다.
이러한 초고속 튜브 트레인 시스템은 튜브 내부를 진공 또는 아진공 상태로 유지하므로 고도의 공기역학적 설계 및 정밀 제어 기술이 요구되며, 예를 들면, 기존의 초고속 튜브 트레인에서 튜브의 직경은 4.5m~10m 정도일 수 있다. 이러한 초고속 튜브 트레인 시스템의 차량은 초고속 자기부상열차가 유력하며, 가이드웨이 상에서 자기력으로 일정한 간격을 유지하면서 차량을 지지하고 선형전동기로 추진하는 구조이다.
한편, 최근 개발중인 하이퍼루프(Hyperloop)와 같은 초고속 이동체계(High Speed Transportation System)는 진공에 가깝게 조성된 지름 3.2m 터널을 만들고, 28인승 기차 1량이 그 내부를 주행하는 시스템이다. 이러한 하이퍼루프 초고속 이동체계는 이론상 최대 시속은 1223㎞로서, 780㎞ 정도인 여객기의 2배에 달한다. 이러한 초고속 이동체계는 도시화로 인한 인구집중, 교통정체, 교통사고, 환경 등의 문제 해결을 위한 것으로, 진공 또는 아진공 상태의 아진공 운송관을 개발하여 이동체계에 공기저항을 최소화시킴으로써 초고속으로 주행하는 지속가능한 미래 교통수단이라고 할 수 있다.
구체적으로, 이러한 하이퍼루프 초고속 이동체계는 열차 하부에는 자석을 부착하고, 터널 바닥은 자기장이 흐르도록 설계한다. 이때, 마찰을 최대한 줄이기 위해서 열차가 살짝 뜬 상태로 달려야 하며, 이를 위해 열차 뒤에 설치된 팬과 압축기로 터널 속에 남은 공기를 빨아들여 밑으로 뿜어냄으로써 공중에 뜬 상태를 유지한다. 이러한 방식을 통해, 예를 들면, 30t 무게의 열차를 시속 1200㎞ 이상으로 움직이게 한다. 또한, 자기장을 발생시키는 데 필요한 전기를 공급하기 위해 진공 터널 외벽에 태양광 패널을 설치하고, 주위에 풍력 발전기를 설치할 수 있다. 이러한 하이퍼루프 초고속 이동체계의 건설비는 고속철도 대비 10분의 1밖에 되지 않아 운임도 낮출 수 있다.
도 1은 하이퍼루프 초고속 이동체계를 설명하기 위한 도면이고, 도 2는 도 1에 도시된 하이퍼루프 초고속 이동체계에서 여객용 운송체를 구체적으로 나타내는 도면이며, 도 3은 도 1에 도시된 하이퍼루프 초고속 이동체계에서 운송관을 구체적으로 나타내는 도면이다
도 1의 a)에 도시된 바와 같이, 하이퍼루프 초고속 이동체계는 두 역 사이에 운송관을 설치하고, 진공펌프를 사용하여 튜브 속의 기압을 대기압의 1/1000~1/100 범위인 아진공 상태로 하여 공기저항을 최소화함으로써, 운송관 내부를 최고 시속 1,200㎞까지 달리게 할 수 있다. 이때, 운송관 내부의 기압을 진공에 가까운 수준으로 일정한 범위 내에 있도록 유지하기 위하여 외부로부터의 공기 유입을 차단하고 밀폐 성능을 확보하는 것이 관건이다.
이러한 하이퍼루프 초고속 이동체계의 운송체(10)는, 도 2에 도시된 바와 같이, 열차처럼 생기긴 했지만, 실제 작동 방식은 기존 열차와 많이 다르며, 또한, 기본적으로 운송관(20) 내부에서 운송체(10)를 이동시키는 형태의 운송수단으로서, 운송관(20) 내부에서 자기장을 이용해 운송체(10)의 추진력을 얻고, 바닥으로 공기를 분사해 마찰력을 줄일 수 있다. 여기에, 필요한 전력은 운송관(20)의 외벽을 감싼 태양광 패널로 얻는다. 또한, 진공튜브 형태의 운송관(20)은, 도 3에 도시된 바와 같이, 강관 운송관을 적용하여 하이퍼루프 시험선을 제작하고 있다.
한편, 도 4는 종래의 기술에 따른 초고속 튜브철도용 튜브 구조물을 나타내는 도면이다.
종래의 기술에 따른 초고속 튜브철도용 튜브 구조물은, 도 4에 도시된 바와 같이, 폐합된 원형의 튜브(20)가 궤도(30a, 30b)를 각각 감싸도록 시공되며, 강관을 연속적으로 접합하여 구성된 원형단면의 튜브 내부를 포드 형태의 운송체가 아음속으로 주행할 수 있게 한다.
하지만, 종래의 기술에 따른 초고속 튜브철도용 튜브 구조물은, 강재 튜브 운송관으로서, 중공 원형의 튜브(또는 운송관) 단면은 I형 또는 박스형 단면에 비해 단면 2차모멘트가 상대적으로 작아 휨 거동이 주된 거동 형태인 교량 구조에서는 불리한 형상이며, 또한, 원형 강관과 궤도 구조간의 합성을 유도하기 위한 별도의 연결재를 두어야 한다.
특히, 튜브(또는 운송관) 교체가 필요한 경우, 부분적으로 강관과 궤도구조 전체를 절단해야 하는 문제가 있다. 또한, 휨에 취약한 중공 원형 단면의 휨강성을 확보하기 위해 후프(Hoop) 형태의 보강재를 두어야 하며, 휨강성 확보를 위해 경간을 짧게 구성해야 하므로 비용이 증가하는 문제점이 있다.
한편, 초고속 이동체계용 아진공 운송관에서 가장 요구되는 성능은 1/1000 atm을 유지할 수 있는 기밀성으로, 종래에는 주로 강재를 대상으로 기초 연구들이 수행되었고, 시멘트를 기반으로 하는 콘크리트 운송관을 제작한 사례는 아직까지 없는 실정이다.
또한, 일반 강도를 갖는 콘크리트는 침매터널 등과 같이 수밀성을 확보할 수 있으나, 1/1000 atm과 같은 환경에서 기밀성 확보가 매우 어렵고 비경제적이다. 이를 확보하기 위해서는 피복 두께를 두껍게 해야 하나의 진공을 유지하기 위한 기밀성은 확보하기 어렵고, 확보하기 위해서는 매우 두꺼운 피복 두께를 유지하기 위한 콘크리트 외측에 10mm 정도 두께를 갖는 강재 거푸집이 필요하며, 일반 콘크리트는 자기충전성이 없기 때문에 원형으로 제작하기가 매우 어렵고, 또한, 일부 단면에서는 콘크리트 타설이 불량할 수 있어 기밀성을 확보하기가 어려우므로, 이에 대한 대책이 필요한 실정이다.
특히, 초고속 이동체계의 아진공 운송관은 시공이음 및 운송관 세그먼트 연결부 등 불연속 구간을 포함하고 있기 때문에 운송관 세그먼트 자체의 기밀성도 중요하지만 운송관 세그먼트를 연결함에 있어서 연결부에서 기밀성이 무엇보다도 중요한 것으로 알려져 있다.
이러한 콘크리트 운송관의 경우, 콘크리트 자체의 투기계수(air permeability)는 강도에 반비례하고 이음부가 많을수록 구조물의 등가투기계수가 높아지는 경향을 나타내므로, 예를 들면, 일체형 콘크리트 튜브의 내부 기압이 초기 10kPa에서 20kPa로 두 배 증가하는데 약 4~5시간이 소요되는 것으로 나타났다. 이러한 점은 일반적인 콘크리트를 사용하여 내부의 아진공을 유지하는 것이 어렵기 때문에 보다 양호한 기밀성능을 갖는 재료가 필요한 실정이며, 예를 들면, 초고성능 콘크리트가 그 대안이 될 수 있지만, 현재까지 초고성능 콘크리트(UHPC)를 사용한 초고속 이동체계용 아진공 운송관은 없으며, 아직까지 콘크리트 진공튜브를 이용한 초고속 이동체계는 실현되지 않고 개념만 제안되거나 연구가 진행 중인 상태이다.
또한, 운송관을 콘크리트 제작하는 경우, 콘크리트는 다공성 재료로서 재료 강도, 두께 등의 물리적 특성에 따라 부재 단면을 통한 공기 투과성능이 달라지며, 이러한 다공성 재료를 이용하여 제작된 원형 튜브의 내부 및 외부 기압 차이로 인한 공기 투과성능을 평가함으로써 재료 강도에 따라 적정한 두께로 운송관 단면을 설계해야 한다. 하지만, 현재까지 콘크리트 재료의 공기투과 특성을 평가할 수 있는 시험법이 없으며, 특히, 콘크리트 재료를 이용하여 일정한 형태를 갖는 구조체의 기밀성능을 평가하기 위한 시험 방법이 존재하지 않는 실정이다.
한편, 도 5a 및 도 5b는 각각 종래의 기술에 따른 재료 투수성 측정을 위한 시험장치를 나타내는 도면들이다.
도 5a 및 도 5b에 도시된 바와 같이, 종래의 기술에 따른 재료 투수성(또는 투기성) 측정을 위한 시험장치로서, 예를 들면, Proceq사의 콘크리트 투기성 측정을 위한 시험장치(Torrent 시험기)의 경우, 2중 고무 실링재를 구비한 진공 흡착부 내에서의 기압변화를 측정하여 투기계수를 결정할 수 있다.
하지만, 종래의 기술에 따른 재료 투수성(또는 투기성) 측정을 위한 시험장치는 1/10기압의 진공 수준에서 측정하기 때문에, 전술한 바와 같이 1/1000 기압 수준의 하이퍼루프 운송관의 투기성 평가에는 부적합하며, 단지 재료 특성간의 투기성능 차이를 비교하는 경우에만 활용할 수 있을 뿐이다.
한편, 도 6a 및 도 6b는 각각 종래의 기술에 따른 콘크리트 투기성 시험장치를 나타내는 도면들이다.
도 6a 및 도 6b에 도시된 바와 같이, 종래의 기술에 따른 콘크리트 투기성 시험장치의 경우, 100㎜ 직경 및 5㎜ 두께의 원형 디스크 형태의 시편을 이용한 가압형 투기성능 측정 장치로서, 구체적으로, 0.65MPa(대기압의 약 6배)로 가압하여 공기 투과에 따른 압력 변화를 측정할 수 있다.
하지만, 종래의 기술에 따른 콘크리트 투기성 시험장치의 경우, 고압의 가압에 따른 시멘트 페이스트 미세 구조의 손상 가능성이 있고, 또한, 전술한 바와 같이 내부 및 외부 기압 차이가 0.1MPa인 하이퍼루프 운송관의 투기성 평가에는 부적합하다는 문제점이 있다.
전술한 문제점을 해결하기 위한 본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는, 하이퍼루프(Hyperloop)와 같은 초고속 이동체계용 운송관을 초고성능 콘크리트(UHPC)로 제작할 경우, 기밀성능 평가 실험장치를 사용하여 기압의 1/1000~1/100 범위인 아진공 상태에서 콘크리트 운송관에 대한 기밀성능을 평가할 수 있는, 초고속 이동체계용 콘크리트 운송관의 기밀성능 평가 시스템 및 그 방법을 제공하기 위한 것이다.
본 발명이 이루고자 하는 다른 기술적 과제는, 초고속 이동체계를 위한 콘크리트 운송관의 기밀성능 측정을 위한 표준적인 시험장치와 시험방법을 구현할 수 있는, 초고속 이동체계용 콘크리트 운송관의 기밀성능 평가 시스템 및 그 방법을 제공하기 위한 것이다.
본 발명이 이루고자 하는 또 다른 기술적 과제는, 콘크리트 재료의 물리적 특성 및 제원에 따른 콘크리트 운송관의 기밀성능을 측정하여 최적화된 콘크리트 운송관 단면을 설계할 수 있는, 초고속 이동체계용 콘크리트 운송관의 기밀성능 평가 시스템 및 그 방법을 제공하기 위한 것이다.
전술한 기술적 과제를 달성하기 위한 수단으로서, 본 발명에 따른 초고속 이동체계용 콘크리트 운송관의 기밀성능 평가 시스템은, 고강도 콘크리트, 고성능 콘크리트 또는 초고성능 콘크리트를 사용한 초고속 이동체계용 콘크리트 운송관의 기밀성능 평가 시스템에 있어서, 초고속 이동체계용 운송관으로 사용할 수 있도록 콘크리트를 타설 및 경화시켜 형성되는 원통 형상의 콘크리트 운송관 실험체; 상기 콘크리트 운송관 실험체의 기압변화에 따른 기밀성능을 평가하도록 상기 콘크리트 운송관 실험체가 거치되고, 상기 콘크리트 운송관 실험체를 밀폐시킨 상태에서 아웃개싱 및 본실험 과정이 수행되는 기밀성능 평가 실험장치; 진공펌프로서, 상기 기밀성능 평가 실험장치의 외부에 설치되어 상기 기밀성능 평가 실험장치에 거치된 상기 콘크리트 운송관 실험체의 내부를 기설정된 범위에 따라 감압시키는 감압장치; 상기 콘크리트 운송관 실험체의 내부의 압력을 측정하도록 상기 기밀성능 평가 실험장치의 일측에 설치되는 압력센서; 상기 콘크리트 운송관 실험체의 내부의 기압이 변화하는 시간을 측정하는 타이머; 및 상기 기밀성능 평가 실험장치의 아웃개싱 및 본실험 과정에서의 기압변화 측정결과에 따라 상기 콘크리트 운송관 실험체의 기밀성능을 평가하는 기밀성능 평가 단말을 포함하되, 상기 콘크리트 운송관 실험체는 표면의 미세공극을 충전재로 충전하고, 상기 충전재를 경화시킨 후 마감재로 표면 처리되고, 상하 개방된 단면의 표면을 에폭시 또는 진공 실리콘으로 마감하여 표면에 있는 미세한 요철이 제거되며; 그리고 상기 콘크리트 운송관 실험체의 내부를 아진공 상태로 감압시킨 상태에서 상기 콘크리트 운송관 실험체의 원주 방향 표면을 통해 유입되는 공기량과 그에 따른 압력 변화만을 측정하는 것을 특징으로 한다.
여기서, 상기 기밀성능 평가 단말은, 상기 기밀성능 평가 실험장치를 이용한 상기 콘크리트 운송관 실험체 내의 아웃개싱 및 본실험 과정에서의 기압변화 측정 결과에 따라 상기 콘크리트 운송관 실험체 내의 기압변화 그래프를 도출하는 기압변화 그래프 도출부; 상기 기압변화 그래프로부터 상기 콘크리트 운송관 실험체의 체적 내부로 유입되는 단위 시간당 공기량을 산출하는 기압하중 산출부; 및 상기 콘크리트 운송관 실험체의 표면적당 공기유입 비율을 산출하는 공기유입률 산출부를 포함할 수 있다.
여기서, 상기 기압하중 산출부에서 산출되는 기압하중은, 
로 주어지고, 여기서, 
는 기압하중을 나타내며, 
는 일정 시간간격(
)에 대한 압력 변화량을 나타내며, 
는 콘크리트 운송관 실험체 내부의 체적을 나타내는 것을 특징으로 한다.
여기서, 상기 공기유입률 산출부에서 산출되는 공기유입률은, 
로 주어지고, 여기서, 
은 공기유입률을 나타내고, 
는 기압하중을 나타내며, 
는 콘크리트 운송관 실험체 내부 표면적을 나타내는 것을 특징으로 한다.
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여기서, 상기 기밀성능 평가 실험장치는, 상기 콘크리트 운송관 실험체가 거치되는 디스크 형태의 하부 강재마감판; 상기 콘크리트 운송관 실험체를 인양할 수 있도록 상기 콘크리트 운송관 실험체의 양 측면에 형성된 돌출부에 결합하는 실험체 인양고리; 상기 하부 강재마감판 상에 거치된 상기 콘크리트 운송관 실험체의 상부를 덮도록 거치되는 디스크 형태의 상부 강재마감판; 상기 콘크리트 운송관 실험체의 실링을 위해 상기 하부 강재마감판의 상부 및 상기 상부 강재마감판의 하부에 배치되는 적어도 하나 이상의 고무링; 상기 하부 강재마감판의 단부에 수직 방향으로 연장 설치되고, 상측 단부에 나사산이 형성된 다수의 마감판 고정볼트; 상기 다수의 마감판 고정볼트 각각이 관통할 수 있도록 상기 상부 강재마감판 단부에 각각 형성된 다수의 볼트 설치 관통홀; 상기 다수의 볼트 설치 관통홀을 각각 관통하는 상기 다수의 마감판 고정볼트 상에 배치되는 워셔; 상기 워셔가 상기 다수의 마감판 고정볼트 상에 배치된 상태에서 상기 다수의 마감판 고정볼트에 각각 체결되는 다수의 고정너트 및 상기 하부 강재마감판 및 상기 상부 강재마감판을 인양할 수 있도록 상기 하부 강재마감판의 양측 단부 및 상기 상부 강재마감판의 중앙에 설치되는 강재 마감판 인양고리를 포함할 수 있다.
여기서, 상기 기밀성능 평가 실험장치의 실험체 인양고리와 체결될 수 있도록 상기 콘크리트 운송관 실험체의 외주면 양측에 돌출부와 체결홀이 형성된 것을 특징으로 한다.
한편, 전술한 기술적 과제를 달성하기 위한 다른 수단으로서, 본 발명에 따른 초고속 이동체계용 콘크리트 운송관의 기밀성능 평가 방법은, 고강도 콘크리트, 고성능 콘크리트 또는 초고성능 콘크리트를 사용한 초고속 이동체계용 콘크리트 운송관의 기밀성능 평가 방법에 있어서, a) 초고속 이동체계용 콘크리트 운송관 실험체의 표면을 처리하는 단계; b) 상기 콘크리트 운송관 실험체를 기밀성능 평가 실험장치에 거치하고 밀폐시키는 단계; c) 상기 콘크리트 운송관 실험체가 초기에 갖고 있는 공기량을 제거하도록 공기를 배출하는 아웃개싱을 수행하는 단계; d) 상기 아웃개싱이 완료된 후, 본실험을 위해 감압장치인 진공펌프를 사용하여 상기 콘크리트 운송관 실험체 내부를 소정 기압으로 감압시키는 단계; e) 압력센서를 이용하여 상기 콘크리트 운송관 실험체 내부의 기압변화를 계측하는 단계; f) 타이머를 사용하여 기압 증가에 따른 시간을 측정하는 단계; g) 상기 콘크리트 운송관 실험체를 소정 시간 방치한 후, 상기 콘크리트 운송관 실험체 표면으로부터 공기 유입에 의한 기압변화를 측정하여 기압변화 그래프를 도출하는 단계; 및 h) 실험 결과로서, 상기 기압변화 그래프로부터 기압하중 및 공기 유입률을 각각 산출하는 단계를 포함하되, 상기 콘크리트 운송관 실험체는 표면의 미세공극을 충전재로 충전하고, 상기 충전재를 경화시킨 후 마감재로 표면 처리되고, 상하 개방된 단면의 표면을 에폭시 또는 진공 실리콘으로 마감하여 표면에 있는 미세한 요철이 제거되며; 그리고 상기 콘크리트 운송관 실험체의 내부를 아진공 상태로 감압시킨 상태에서 상기 콘크리트 운송관 실험체의 원주 방향 표면을 통해 유입되는 공기량과 그에 따른 압력 변화만을 측정하는 것을 특징으로 한다.
여기서, 상기 b) 단계는, b-1) 상기 기밀성능 평가 실험장치의 하부 강재마감판의 정중앙에 위치하도록 상기 콘크리트 운송관 실험체를 거치하는 단계; b-2) 상기 콘크리트 운송관 실험체를 상부를 상부 강재마감판으로 덮는 단계; 및 b-3) 마감판 고정볼트를 이용하여 상부 및 하부 강재마감판을 체결함으로써 상기 콘크리트 운송관 실험체를 밀폐시키는 단계를 포함할 수 있다.
여기서, 상기 c) 단계는, c-1) 감압장치인 진공펌프를 사용하여 초기 대기압 상태에서 1/1000 기압으로 감압시키는 단계; c-2) 1/1000 기압에서 상기 콘크리트 운송관 실험체 내부 기압이 자연 증가하도록 1시간 방치하는 1차 아웃개싱을 수행하는 단계; c-3) 1시간 경과 후, 1/1000 기압으로 재감압한 후 1시간 방치하는 2차 아웃개싱을 수행하는 단계; 및 d) 1시간 경과 후, 1/1000 기압으로 재감압한 후 30분 방치하는 3차 아웃개싱을 수행하는 단계를 포함할 수 있다.
여기서, 상기 d) 단계의 소정 기압은 대기압의 1/1000 기압인 것을 특징으로 한다.
여기서, 상기 g) 단계는 상기 콘크리트 운송관 실험체 내의 아웃개싱 및 본실험 과정에서의 기압변화 측정 결과에 따라 상기 콘크리트 운송관 실험체 내의 기압변화 그래프를 도출할 수 있다.
여기서, 상기 h) 단계에서 20시간 이상 방치하여 상기 콘크리트 운송관 실험체 표면으로부터 공기 유입에 의한 기압변화를 측정하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따르면, 하이퍼루프(Hyperloop)와 같은 초고속 이동체계용 운송관을 초고성능 콘크리트(UHPC)로 제작할 경우, 기밀성능 평가 실험장치를 사용하여 기압의 1/1000~1/100 범위인 아진공 상태에서 콘크리트 운송관에 대한 기밀성능을 정확하게 평가할 수 있다.
본 발명에 따르면, 초고속 이동체계를 위한 콘크리트 운송관의 기밀성능 측정을 위한 표준적인 시험장치와 시험방법을 구현함으로써, 신뢰성 있는 분석결과를 확보할 수 있다.
본 발명에 따르면, 콘크리트 재료의 물리적 특성 및 제원에 따른 콘크리트 운송관의 기밀성능을 측정할 수 있고, 성능측정 결과를 이용하여 경제적이고 최적화된 콘크리트 운송관 단면을 설계할 수 있다.
도 1은 하이퍼루프 초고속 이동체계를 설명하기 위한 도면이다.
도 2는 도 1에 도시된 하이퍼루프 초고속 이동체계에서 여객용 운송체를 구체적으로 나타내는 도면이다.
도 3은 도 1에 도시된 하이퍼루프 초고속 이동체계에서 운송관을 구체적으로 나타내는 도면이다
도 4는 종래의 기술에 따른 초고속 튜브철도용 튜브 구조물을 나타내는 도면이다.
도 5a 및 도 5b는 각각 종래의 기술에 따른 재료 투수성(투기성) 측정을 위한 시험장치를 나타내는 도면들이다.
도 6a 및 도 6b는 각각 종래의 기술에 따른 콘크리트 투기성 시험장치를 나타내는 도면들이다.
도 7은 본 발명의 실시예에 따른 초고속 이동체계용 콘크리트 운송관의 기밀성능 평가 시스템에서 콘크리트 운송관를 예시하는 도면이다.
도 8은 본 발명의 실시예에 따른 초고속 이동체계용 콘크리트 운송관의 기밀성능 평가 시스템에서 콘크리트 운송관 실험체의 조성을 나타내는 도면이다.
도 9는 본 발명의 실시예에 따른 초고속 이동체계용 콘크리트 운송관의 기밀성능 평가 시스템의 구성도이다.
도 10은 본 발명의 실시예에 따른 초고속 이동체계용 콘크리트 운송관의 기밀성능 평가 시스템에서 기밀성능 평가 실험장치의 전경을 나타내는 도면이다.
도 11은 본 발명의 실시예에 따른 초고속 이동체계용 콘크리트 운송관의 기밀성능 평가 시스템에서 기밀성능 평가 실험장치를 나타내는 사시도이다.
도 12는 본 발명의 실시예에 따른 초고속 이동체계용 콘크리트 운송관의 기밀성능 평가 시스템에서 콘크리트 운송관 실험체의 형상을 나타내는 단면도들이다.
도 13은 본 발명의 실시예에 따른 초고속 이동체계용 콘크리트 운송관의 기밀성능 평가 시스템에서 콘크리트 운송관 실험체의 형상을 나타내는 사시도들이다.
도 14는 본 발명의 실시예에 따른 초고속 이동체계용 콘크리트 운송관의 기밀성능 평가 방법의 동작흐름도이다.
도 15는 본 발명의 실시예에 따른 초고속 이동체계용 콘크리트 운송관의 기밀성능 평가 방법에서 실험체 표면 처리 절차로서 충전재로 표면의 미세공극을 충전하는 것을 나타내는 사진이다.
도 16은 본 발명의 실시예에 따른 초고속 이동체계용 콘크리트 운송관의 기밀성능 평가 방법에서 실험체 표면 처리 절차로서 충전재를 경화시킨 후 마감재로 표면 처리하는 것을 나타내는 사진이다.
도 17은 본 발명의 실시예에 따른 초고속 이동체계용 콘크리트 운송관의 기밀성능 평가 방법에서 기밀성능 평가 실험장치에 진공펌프 및 압력센서를 연결한 것을 예시하는 사진이다.
도 18은 본 발명의 실시예에 따른 초고속 이동체계용 콘크리트 운송관의 기밀성능 평가 방법에서 아웃개싱 및 본실험 과정의 기압변화 측정 결과를 예시하는 도면이다.
도 19는 본 발명의 실시예에 따른 초고속 이동체계용 콘크리트 운송관의 기밀성능 평가 방법에서 기압변화 측정 그래프를 예시하는 도면이다.
도 20a는 본 발명의 실시예에 따른 초고속 이동체계용 콘크리트 운송관의 기밀성능 평가 방법에서 실험결과로서 기압하중을 산출하는 것을 나타내고, 도 20b는 실험결과로서 공기유입률을 산출하는 것을 나타내는 도면이다.
도 2는 도 1에 도시된 하이퍼루프 초고속 이동체계에서 여객용 운송체를 구체적으로 나타내는 도면이다.
도 3은 도 1에 도시된 하이퍼루프 초고속 이동체계에서 운송관을 구체적으로 나타내는 도면이다
도 4는 종래의 기술에 따른 초고속 튜브철도용 튜브 구조물을 나타내는 도면이다.
도 5a 및 도 5b는 각각 종래의 기술에 따른 재료 투수성(투기성) 측정을 위한 시험장치를 나타내는 도면들이다.
도 6a 및 도 6b는 각각 종래의 기술에 따른 콘크리트 투기성 시험장치를 나타내는 도면들이다.
도 7은 본 발명의 실시예에 따른 초고속 이동체계용 콘크리트 운송관의 기밀성능 평가 시스템에서 콘크리트 운송관를 예시하는 도면이다.
도 8은 본 발명의 실시예에 따른 초고속 이동체계용 콘크리트 운송관의 기밀성능 평가 시스템에서 콘크리트 운송관 실험체의 조성을 나타내는 도면이다.
도 9는 본 발명의 실시예에 따른 초고속 이동체계용 콘크리트 운송관의 기밀성능 평가 시스템의 구성도이다.
도 10은 본 발명의 실시예에 따른 초고속 이동체계용 콘크리트 운송관의 기밀성능 평가 시스템에서 기밀성능 평가 실험장치의 전경을 나타내는 도면이다.
도 11은 본 발명의 실시예에 따른 초고속 이동체계용 콘크리트 운송관의 기밀성능 평가 시스템에서 기밀성능 평가 실험장치를 나타내는 사시도이다.
도 12는 본 발명의 실시예에 따른 초고속 이동체계용 콘크리트 운송관의 기밀성능 평가 시스템에서 콘크리트 운송관 실험체의 형상을 나타내는 단면도들이다.
도 13은 본 발명의 실시예에 따른 초고속 이동체계용 콘크리트 운송관의 기밀성능 평가 시스템에서 콘크리트 운송관 실험체의 형상을 나타내는 사시도들이다.
도 14는 본 발명의 실시예에 따른 초고속 이동체계용 콘크리트 운송관의 기밀성능 평가 방법의 동작흐름도이다.
도 15는 본 발명의 실시예에 따른 초고속 이동체계용 콘크리트 운송관의 기밀성능 평가 방법에서 실험체 표면 처리 절차로서 충전재로 표면의 미세공극을 충전하는 것을 나타내는 사진이다.
도 16은 본 발명의 실시예에 따른 초고속 이동체계용 콘크리트 운송관의 기밀성능 평가 방법에서 실험체 표면 처리 절차로서 충전재를 경화시킨 후 마감재로 표면 처리하는 것을 나타내는 사진이다.
도 17은 본 발명의 실시예에 따른 초고속 이동체계용 콘크리트 운송관의 기밀성능 평가 방법에서 기밀성능 평가 실험장치에 진공펌프 및 압력센서를 연결한 것을 예시하는 사진이다.
도 18은 본 발명의 실시예에 따른 초고속 이동체계용 콘크리트 운송관의 기밀성능 평가 방법에서 아웃개싱 및 본실험 과정의 기압변화 측정 결과를 예시하는 도면이다.
도 19는 본 발명의 실시예에 따른 초고속 이동체계용 콘크리트 운송관의 기밀성능 평가 방법에서 기압변화 측정 그래프를 예시하는 도면이다.
도 20a는 본 발명의 실시예에 따른 초고속 이동체계용 콘크리트 운송관의 기밀성능 평가 방법에서 실험결과로서 기압하중을 산출하는 것을 나타내고, 도 20b는 실험결과로서 공기유입률을 산출하는 것을 나타내는 도면이다.
아래에서는 첨부한 도면을 참조하여 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 본 발명의 실시예를 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 그리고 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다.
명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다. 또한, 명세서에 기재된 "…부" 등의 용어는 적어도 하나의 기능이나 동작을 처리하는 단위를 의미하며, 이는 하드웨어나 소프트웨어 또는 하드웨어 및 소프트웨어의 결합으로 구현될 수 있다.
[초고속 이동체계용 콘크리트 운송관의 기밀성능 평가 시스템(300)]
도 7은 본 발명의 실시예에 따른 초고속 이동체계용 콘크리트 운송관의 기밀성능 평가 시스템에서 콘크리트 운송관를 예시하는 도면이고, 도 8은 본 발명의 실시예에 따른 초고속 이동체계용 콘크리트 운송관의 기밀성능 평가 시스템에서 콘크리트 운송관 실험체의 조성을 나타내는 도면이다.
도 7에 도시된 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 초고속 이동체계용 콘크리트 운송관의 기밀성능 평가 시스템에서 콘크리트 운송관(100)는 초고성능 콘크리트(UHPC)로 제작되며, 이때, 내부 및 외부 거푸집(210, 220)은 콘크리트 운송관용 시멘트복합체를 충전하도록 제작 설치된다.
또한, 도 8에 도시된 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 초고속 이동체계용 콘크리트 운송관에서, 상기 콘크리트 운송관 실험체(310)를 초고성능 콘크리트(UHPC)로 형성하기 위한 시멘트복합체는, 결합재(B)로서 100중량부의 시멘트; 결합재(B)로서 20~30중량부의 실리카퓸; 결합재(B)로서 15~25중량부의 석영질 분말; 100~120중량부의 잔골재; 20~28중량부의 배합수(W); 4~7중량부의 고성능감수제; 및 1.6~2.2중량부의 소포제를 포함한다.
이때, 배합수(W)/결합재(B)의 비(W/B)는 0.2이고, 상기 초고성능 콘크리트(UHPC)는 단섬유를 추가로 혼입하여 시멘트복합체를 형성하며; 그리고 상기 단섬유는 상기 시멘트복합체 전체 체적의 1.5~2%가 혼입된다. 예를 들면, 상기 단섬유는 강섬유, 유리섬유, 탄소섬유, 아라미드섬유 또는 바잘트섬유 중에서 선택되며, 길이가 20㎜ 이하인 것이 바람직하다.
이에 따라, 상기 시멘트복합체는 압축강도 80~180MPa, 휨강도 15MPa 이상, 직접인장강도 7MPa 이상, 내구수명 100~200년 및 수축변형률 700 이하일 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에 따른 초고속 이동체계용 콘크리트 운송관(100)의 경우, 초고성능 콘크리트를 사용하여 콘크리트 운송관를 제작하는 것으로 설명하였지만, 이에 국한되는 것은 아니며, 고강도 콘크리트 또는 고성능 콘크리트 등이 적용될 수 있다는 점은 당업자에게 자명하다.
한편, 도 9는 본 발명의 실시예에 따른 초고속 이동체계용 콘크리트 운송관의 기밀성능 평가 시스템의 구성도이다.
도 9를 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 초고속 이동체계용 콘크리트 운송관의 기밀성능 평가 시스템(300)은, 고강도 콘크리트, 고성능 콘크리트 또는 초고성능 콘크리트를 사용한 초고속 이동체계용 콘크리트 운송관의 기밀성능 평가 시스템으로서, 콘크리트 운송관 실험체(310), 기밀성능 평가 실험장치(320), 감압장치(330), 압력센서(340), 타이머(350) 및 기밀성능 평가 단말(360)을 포함하며, 상기 기밀성능 평가 단말(360)는 기압변화 그래프 도출부(361), 기압하중 산출부(362) 및 공기유입률 산출부(363)를 포함할 수 있다.
콘크리트 운송관 실험체(310)는 초고속 이동체계용 운송관으로 사용할 수 있도록 콘크리트를 타설 및 경화시켜 원통 형상으로 형성된다. 이때, 상기 콘크리트 운송관 실험체(310)는 표면의 미세공극을 충전재(Filler)로 충전하고, 상기 충전재를 경화시킨 후 마감재로 표면 처리되며, 예를 들면, 상기 콘크리트 운송관 실험체(310)는 상하 개방된 단면의 표면을 에폭시 또는 진공 실리콘으로 마감하여 표면에 있는 미세한 요철이 제거된다.
기밀성능 평가 실험장치(320)는 상기 콘크리트 운송관 실험체(310)의 기압변화에 따른 기밀성능을 평가하도록 상기 콘크리트 운송관 실험체(310)가 거치되고, 상기 콘크리트 운송관 실험체(310)를 밀폐시킨 상태에서 아웃개싱(Outgassing) 및 본실험 과정이 수행된다. 이때, 측정 결과의 신뢰성을 높이기 위한 실험 절차로서, 콘크리트 운송관 실험체(310) 자체에 내재된 공기량 영향을 최소화하기 위한 초기 안정화 단계(Outgassing Phase)를 수행한다. 예를 들면, 상기 콘크리트 운송관 실험체(310)가 가지고 있던 공기량을 제거하기 위해 상기 콘크리트 운송관 실험체(310) 내부를 1/1000기압으로 3번 감압(아웃개싱)시킨다.
감압장치(330)는 진공펌프로서, 상기 기밀성능 평가 실험장치(320)의 외부에 설치되어 상기 기밀성능 평가 실험장치(320)에 거치된 상기 콘크리트 운송관 실험체(310)의 내부를 기설정된 범위에 따라 감압시킨다.
압력센서(340)는 상기 콘크리트 운송관 실험체(310)의 내부의 압력을 측정하도록 상기 기밀성능 평가 실험장치(320)의 일측에 설치된다.
타이머(350)는 상기 콘크리트 운송관 실험체(310)의 내부의 기압이 변화하는 시간을 측정한다.
기밀성능 평가 단말(360)은 상기 기밀성능 평가 실험장치(320)의 아웃개싱 및 본실험 과정에서의 기압변화 측정결과에 따라 상기 콘크리트 운송관 실험체(310)의 기밀성능을 평가한다. 예를 들면, 상기 콘크리트 운송관 실험체(310)를 20시간 이상 방치하고, 상기 콘크리트 운송관 실험체(310)로 공기 유입에 의한 기압변화를 압력센서(340)를 이용하여 계측한 후, 상기 기밀성능 평가 단말(360)은 기압하중 및 공기유입률을 계산하여 기밀성을 평가할 수 있다.
구체적으로, 상기 기밀성능 평가 단말(360)의 기압변화 그래프 도출부(361)는 상기 기밀성능 평가 실험장치(320)를 이용한 상기 콘크리트 운송관 실험체(310) 내의 아웃개싱 및 본실험 과정에서의 기압변화 측정 결과에 따라 상기 콘크리트 운송관 실험체(310) 내의 기압변화 그래프를 도출한다.
상기 기밀성능 평가 단말(360)의 기압하중 산출부(362)는 상기 기압변화 그래프로부터 상기 콘크리트 운송관 실험체(310)의 체적 내부로 유입되는 단위 시간당 공기량을 산출한다.
상기 기밀성능 평가 단말(360)의 공기유입률 산출부(363)는 상기 콘크리트 운송관 실험체(310)의 표면적당 공기유입 비율을 산출한다.
본 발명의 실시예에 따른 초고속 이동체계용 콘크리트 운송관의 기밀성능 평가 시스템(300)은, 원형의 콘크리트 운송관 실험체(310)의 기밀성능 측정을 위하여 상기 콘크리트 운송관 실험체(310)의 양단을 밀폐하고, 또한, 상기 콘크리트 운송관 실험체(310)의 내부를 1/1000 기압 상태로 감압할 수 있다.
이때, 상기 콘크리트 운송관 실험체(310)의 개방된 단면을 디스크 형태의 하부 강재마감판 및 상부 강재마감판으로 막아 밀폐하기 위해 고무링을 배치함으로써, 경계부에서의 공기 유입을 차단하고, 또한, 여러 줄의 고무링을 두어 콘크리트 운송관 실험체의 직경이 다른 경우에도 적용할 수 있다.
또한, 디스크 형태의 하부 강재마감판 및 상부 강재마감판으로 상기 콘크리트 운송관 실험체(310)의 양단을 막음으로써 상기 콘크리트 운송관 실험체(310)의 의 원주방향 표면을 통해 유입되는 공기량과 그에 의한 압력 변화만을 측정할 수 있다.
한편, 도 10은 본 발명의 실시예에 따른 초고속 이동체계용 콘크리트 운송관의 기밀성능 평가 시스템에서 기밀성능 평가 실험장치의 전경을 나타내는 도면이고, 도 11은 본 발명의 실시예에 따른 초고속 이동체계용 콘크리트 운송관의 기밀성능 평가 시스템에서 기밀성능 평가 실험장치를 나타내는 사시도이다.
도 10 및 도 11을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 초고속 이동체계용 콘크리트 운송관의 기밀성능 평가 시스템에서 기밀성능 평가 실험장치(320)는, 하부 강재마감판(321), 고무링(322a, 322b, 322c), 실험체 인양고리(323), 상부 강재마감판(324), 다수의 마감판 고정볼트(325), 다수의 볼트 설치 관통홀(326), 다수의 워셔(327), 다수의 고정너트(328) 및 강재 마감판 인양고리(329a, 329b)를 포함한다.
하부 강재마감판(321)은 디스크 형태의 강판으로서 상기 콘크리트 운송관 실험체(310)가 거치된다.
고무링(322a, 322b, 322c)은 상기 콘크리트 운송관 실험체(310)의 실링(Sealing)을 위해 상기 하부 강재마감판(321)의 상부 및 상기 상부 강재마감판(324)의 하부에 적어도 하나 이상 배치된다.
실험체 인양고리(323)는 상기 콘크리트 운송관 실험체(310)를 인양할 수 있도록 상기 콘크리트 운송관 실험체(310)의 양 측면에 형성된 돌출부에 결합한다. 이때, 상기 기밀성능 평가 실험장치(320)의 실험체 인양고리(323)와 체결될 수 있도록 상기 콘크리트 운송관 실험체(310)의 외주면 양측에 돌출부와 체결홀이 형성된다.
상부 강재마감판(324)는 디스크 형태의 강판으로서, 상기 하부 강재마감판(321) 상에 거치된 상기 콘크리트 운송관 실험체(310)의 상부를 덮도록 거치된다.
다수의 마감판 고정볼트(325)은 상기 하부 강재마감판(321)의 단부에 수직 방향으로 연장 설치되고, 상측 단부에 나사산이 형성된다. 이에 따라, 상기 하부 강재마감판(321) 및 상부 강재마감판과 상기 콘크리트 운송관 실험체(310)를 서로 구속시킬 수 있다.
다수의 볼트 설치 관통홀(326)은 상기 다수의 마감판 고정볼트(325) 각각이 관통할 수 있도록 상기 상부 강재마감판(324) 단부에 각각 형성된다.
다수의 워셔(327)는 상기 다수의 볼트 설치 관통홀(326)을 각각 관통하는 상기 다수의 마감판 고정볼트(325) 상에 배치된다.
다수의 고정너트(328)는 상기 워셔(327)가 상기 다수의 마감판 고정볼트(325) 상에 배치된 상태에서 상기 다수의 마감판 고정볼트(325)에 각각 체결된다.
강재 마감판 인양고리(329a, 329b)는 상기 하부 강재마감판(321) 및 상기 상부 강재마감판(324)을 인양할 수 있도록 상기 하부 강재마감판(321)의 양측 단부 및 상기 상부 강재마감판(324)의 중앙에 설치된다.
본 발명의 실시예에 따른 초고속 이동체계용 콘크리트 운송관의 기밀성능 평가 시스템(300)에서 기밀성능 평가 실험장치(320)의 경우, 콘크리트 운송관 실험체의 재료 특성 및 크기 등을 고려할 수 있고, 특히, 시편 단위가 아닌 구조물 부재 단위의 투기성능을 측정할 수 있다.
또한, 콘크리트 운송관 실험체 외부의 대기압 상태, 내부의 기압변화 상관 관계를 고려할 수 있으며, 실제 구조물의 연속성을 고려하여 콘크리트 운송관 실험체 양단의 밀폐조건을 확보한다.
시간에 따른 공기 투과량으로 콘크리트 운송관 실험체의 내부 기압을 측정하고, 또한, 콘크리트 운송관 실험체 자체가 보유하고 있던 공기량을 배제하기 위한 아웃개싱을 수행한다.
한편, 도 12는 본 발명의 실시예에 따른 초고속 이동체계용 콘크리트 운송관의 기밀성능 평가 시스템에서 콘크리트 운송관 실험체의 형상을 나타내는 단면도들이고, 도 13은 본 발명의 실시예에 따른 초고속 이동체계용 콘크리트 운송관의 기밀성능 평가 시스템에서 콘크리트 운송관 실험체의 형상을 나타내는 사시도들이다.
도 12 및 도 13을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 초고속 이동체계용 콘크리트 운송관의 기밀성능 평가 시스템에서 콘크리트 운송관 실험체(310)는 원형 튜브 형태의 시험체로서, 예를 들면, 두께 100~250㎜ 범위에 적용할 수 있다.
또한, 도 12에 도시된 바와 같이, 상기 콘크리트 운송관 실험체(310)의 외주면 양측에 돌출부(311)와 체결홀이 형성됨으로써, 상기 기밀성능 평가 실험장치(320)의 실험체 인양고리(323)와 체결될 수 있다.
또한, 상기 콘크리트 운송관 실험체(310)은 높이를 변화시킬 수 있으며, 이때, 콘크리트 운송관 실험체(310)의 표면을 공극 처리한다. 예를 들면, 충전재로 충전 마감후, 우레탄 도막으로 마감할 수 있다.
결국, 본 발명의 실시예에 따른 초고속 이동체계용 콘크리트 운송관의 기밀성능 평가 시스템의 경우, 하이퍼루프(Hyperloop)와 같은 초고속 이동체계용 운송관을 초고성능 콘크리트(UHPC)로 제작할 경우, 기밀성능 평가 실험장치를 사용하여 기압의 1/1000~1/100 범위인 아진공 상태에서 콘크리트 운송관에 대한 기밀성능을 정확하게 평가할 수 있다.
[초고속 이동체계용 콘크리트 운송관의 기밀성능 평가 방법]
도 14는 본 발명의 실시예에 따른 초고속 이동체계용 콘크리트 운송관의 기밀성능 평가 방법의 동작흐름도이다.
도 14를 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 초고속 이동체계용 콘크리트 운송관의 기밀성능 평가 방법은, 고강도 콘크리트, 고성능 콘크리트 또는 초고성능 콘크리트를 사용한 초고속 이동체계용 콘크리트 운송관의 기밀성능 평가 방법으로서, 먼저, 초고속 이동체계용 콘크리트 운송관 실험체(310)의 표면을 처리한다(S110). 구체적으로, 초고성능 콘크리트(UHPC)를 사용하여 제작된 콘크리트 운송관 실험체(310)의 상하 개방된 단면의 표면을 에폭시 또는 진공 실리콘 등으로 마감하여 표면에 있는 미세한 요철을 제거한다. 예를 들면, 도 15는 본 발명의 실시예에 따른 초고속 이동체계용 콘크리트 운송관의 기밀성능 평가 방법에서 실험체 표면 처리 절차로서 충전재로 표면의 미세공극을 충전하는 것을 나타내는 사진이고, 또한, 도 16은 본 발명의 실시예에 따른 초고속 이동체계용 콘크리트 운송관의 기밀성능 평가 방법에서 실험체 표면 처리 절차로서 충전재를 경화시킨 후 마감재로 표면 처리하는 것을 나타내는 사진이다.
다음으로, 상기 콘크리트 운송관 실험체(310)를 기밀성능 평가 실험장치(320)에 거치하고 밀폐시킨다(S120). 구체적으로, 상기 기밀성능 평가 실험장치(320)의 하부 강재마감판(321)의 정중앙에 위치하도록 상기 콘크리트 운송관 실험체(310)를 거치하고, 이후, 상기 콘크리트 운송관 실험체(310)를 상부를 상부 강재마감판(324)로 덮고, 이후, 마감판 고정볼트(325)를 이용하여 상부 및 하부 강재마감판(321, 324)를 체결함으로써 상기 콘크리트 운송관 실험체(310)를 밀폐시킬 수 있다.
다음으로, 상기 콘크리트 운송관 실험체(310)가 초기에 갖고 있는 공기량을 제거하도록 공기를 배출하는 아웃개싱을 수행한다(S130). 구체적으로, 상기 콘크리트 운송관 실험체(310) 자체가 초기에 갖고 있는 공기량을 제거하기 위한 공기 배출절차로서 다음의 3단계 아웃개싱 절차를 거치게 된다. 먼저, 초기 대기압 상태에서 1/1000 기압으로 감압시키고, 이후, 1/1000 기압에서 상기 콘크리트 운송관 실험체(310) 내부 기압이 자연 증가하도록 1시간 방치하는 1차 아웃개싱을 수행하고, 이후, 1시간 경과 후, 1/1000 기압으로 재감압한 후 1시간 방치하는 2차 아웃개싱을 수행하며, 이후, 1시간 경과 후, 1/1000 기압으로 재감압한 후 30분 방치하는 3차 아웃개싱을 수행한다. 이때, 감압은 감압장치(330)인 진공펌프를 사용하여 수행한다. 예를 들면, 도 17은 본 발명의 실시예에 따른 초고속 이동체계용 콘크리트 운송관의 기밀성능 평가 방법에서 기밀성능 평가 실험장치에 진공펌프 및 압력센서를 연결한 것을 예시하는 사진으로서, 도 17의 a)에 도시된 바와 같이 기밀성능 평가 실험장치(320)에 감압장치(330)인 진공펌프를 연결할 수 있고, 또한, 도 17의 b)에 도시된 바와 같이, 압력센서(340)를 설치하여 압력을 측정할 수 있다.
다음으로, 총 3회의 아웃개싱을 완료한 후, 감압장치(330)인 진공펌프를 사용하여 감압시킨다(S140). 예를 들면, 기밀성능 평가 실험장치(320)의 내부를 1/1000 기압으로 감압시킨다
다음으로, 압력센서(340)를 이용하여 상기 콘크리트 운송관 실험체(310) 내부의 기압변화를 계측한다(S150). 예를 들면, 도 18은 본 발명의 실시예에 따른 초고속 이동체계용 콘크리트 운송관의 기밀성능 평가 방법에서 아웃개싱 및 본실험 과정의 기압변화 측정 결과를 예시하는 도면이다.
다음으로, 타이머를 사용하여 기압 증가에 따른 시간을 측정한다(S160). 구체적으로, 1/1000 기압으로부터 1/100기압까지 증가하는 시간을 측정한다.
다음으로, 상기 콘크리트 운송관 실험체(310)를 소정 시간 방치한 후, 상기 콘크리트 운송관 실험체(310) 표면으로부터 공기 유입에 의한 기압변화를 측정하여 기압변화 측정 그래프를 도출한다(S170). 구체적으로, 20시간 이상 방치하여 상기 콘크리트 운송관 실험체(310) 표면으로부터 공기 유입에 의한 기압변화를 측정한다. 예를 들면, 도 19는 본 발명의 실시예에 따른 초고속 이동체계용 콘크리트 운송관의 기밀성능 평가 방법에서 기압변화 측정 그래프를 예시하는 도면이다.
다음으로, 실험 결과로서 상기 기압변화 측정 그래프에 따라 기압하중 및 공기 유입률을 각각 산출한다(S180). 여기서, 상기 기압하중(Gas Load)은 콘크리트 운송관 실험체(310)의 체적 내부로 유입되는 단위 시간당 공기량을 의미하며, 상기 공기유입률(Outgassing Rate)은 상기 콘크리트 운송관 실험체(310)의 표면적당 공기유입 비율인 투기율을 나타낸다.
구체적으로, 상기 기압하중(
)은 기압변화 측정 그래프로부터 다음의 수학식 1과 같이 시간당 기압하중 변화량에 따라 산출할 수 있다.
[수학식 1]
여기서, 
는 기압하중을 나타내며, 
는 일정 시간간격(
)에 대한 압력 변화량을 나타내며, 
는 콘크리트 운송관 실험체(310) 내부의 체적을 나타낸다. 예를 들면, 도 20a는 본 발명의 실시예에 따른 초고속 이동체계용 콘크리트 운송관의 기밀성능 평가 방법에서 실험결과로서 기압하중을 산출하는 것을 나타내고, 도 20a에 도시된 바와 같이 기압하중을 산출할 수 있다.
또한, 상기 공기유입률(
)은 다음의 수학식 2와 같이 상기 기압하중(
)을 콘크리트 운송관 실험체(310) 내부 표면적으로 나누어 산출할 수 있다.
[수학식 2]
여기서, 
은 공기유입률을 나타내고, 
는 기압하중을 나타내며, 
는 콘크리트 운송관 실험체(310) 내부 표면적을 나타낸다. 또한, 도 20b는 실험결과로서 공기유입률을 산출하는 것을 나타내는 도면으로서, 도 20b에 도시된 바와 같이 공기유입률을 산출할 수 있다.
결국, 이러한 실험결과로부터 얻은 시간-기압변화 곡선을 이용하여 콘크리트 운송관 실험체(310)에 대한 고유의 물리적 특성치를 산출할 수 있다.
결국, 본 발명의 실시예에 따르면, 하이퍼루프(Hyperloop)와 같은 초고속 이동체계용 운송관을 초고성능 콘크리트(UHPC)로 제작할 경우, 기밀성능 평가 실험장치를 사용하여 기압의 1/1000~1/100 범위인 아진공 상태에서 콘크리트 운송관에 대한 기밀성능을 정확하게 평가할 수 있다. 또한, 초고속 이동체계를 위한 콘크리트 운송관의 기밀성능 측정을 위한 표준적인 시험장치와 시험방법을 구현함으로써, 신뢰성 있는 분석결과를 확보할 수 있다. 또한, 콘크리트 재료의 물리적 특성 및 제원에 따른 콘크리트 운송관의 기밀성능을 측정할 수 있고, 성능측정 결과를 이용하여 경제적이고 최적화된 콘크리트 운송관 단면을 설계할 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에 따른 기밀성능 평가 실험장치의 경우. 전술한 바와 같이 하이퍼루프 운송관 건설에 적용할 수 있으며, 또한, 수중터널, 해저터널, 박스형 교량, 지하시설물, 저장시설 등의 투기 또는 투수성능 평가를 위한 시험연구 분야에 적용할 수 있다.
전술한 본 발명의 설명은 예시를 위한 것이며, 본 발명이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 쉽게 변형이 가능하다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다. 예를 들어, 단일형으로 설명되어 있는 각 구성 요소는 분산되어 실시될 수도 있으며, 마찬가지로 분산된 것으로 설명되어 있는 구성 요소들도 결합된 형태로 실시될 수 있다.
본 발명의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.
100: 콘크리트 운송관
210: 내부 거푸집 220: 외부 거푸집
300: 기밀성능 평가 시스템
310: 콘크리트 운송관 실험체 320: 기밀성능 평가 실험장치
330: 감압장치 340: 압력센서
350: 타이머 360: 기밀성능 평가 단말
321: 하부 강재마감판 322a, 322b, 322c: 고무링
323: 실험체 인양고리 324: 상부 강재마감판
325: 마감판 고정볼트 326: 볼트 설치 관통홀
327: 워셔 328: 고정너트
329a, 329b: 강재 마감판 인양고리
361: 기압변화 그래프 도출부 362: 기압하중 산출부
363: 공기유입률 산출부
210: 내부 거푸집 220: 외부 거푸집
300: 기밀성능 평가 시스템
310: 콘크리트 운송관 실험체 320: 기밀성능 평가 실험장치
330: 감압장치 340: 압력센서
350: 타이머 360: 기밀성능 평가 단말
321: 하부 강재마감판 322a, 322b, 322c: 고무링
323: 실험체 인양고리 324: 상부 강재마감판
325: 마감판 고정볼트 326: 볼트 설치 관통홀
327: 워셔 328: 고정너트
329a, 329b: 강재 마감판 인양고리
361: 기압변화 그래프 도출부 362: 기압하중 산출부
363: 공기유입률 산출부
Claims (23)
- 고강도 콘크리트, 고성능 콘크리트 또는 초고성능 콘크리트를 사용한 초고속 이동체계용 콘크리트 운송관의 기밀성능 평가 시스템에 있어서,
초고속 이동체계용 운송관으로 사용할 수 있도록 콘크리트를 타설 및 경화시켜 형성되는 원통 형상의 콘크리트 운송관 실험체(310);
상기 콘크리트 운송관 실험체(310)의 기압변화에 따른 기밀성능을 평가하도록 상기 콘크리트 운송관 실험체(310)가 거치되고, 상기 콘크리트 운송관 실험체(310)를 밀폐시킨 상태에서 아웃개싱(Outgassing) 및 본실험 과정이 수행되는 기밀성능 평가 실험장치(320);
진공펌프로서, 상기 기밀성능 평가 실험장치(320)의 외부에 설치되어 상기 기밀성능 평가 실험장치(320)에 거치된 상기 콘크리트 운송관 실험체(310)의 내부를 기설정된 범위에 따라 감압시키는 감압장치(330);
상기 콘크리트 운송관 실험체(310)의 내부의 압력을 측정하도록 상기 기밀성능 평가 실험장치(320)의 일측에 설치되는 압력센서(340);
상기 콘크리트 운송관 실험체(310)의 내부의 기압이 변화하는 시간을 측정하는 타이머(350); 및
상기 기밀성능 평가 실험장치(320)의 아웃개싱 및 본실험 과정에서의 기압변화 측정결과에 따라 상기 콘크리트 운송관 실험체(310)의 기밀성능을 평가하는 기밀성능 평가 단말(360)을 포함하되,
상기 콘크리트 운송관 실험체(310)는 표면의 미세공극을 충전재(Filler)로 충전하고, 상기 충전재를 경화시킨 후 마감재로 표면 처리되고, 상하 개방된 단면의 표면을 에폭시 또는 진공 실리콘으로 마감하여 표면에 있는 미세한 요철이 제거되며; 그리고
상기 콘크리트 운송관 실험체(310)의 내부를 아진공 상태로 감압시킨 상태에서 상기 콘크리트 운송관 실험체(310)의 원주 방향 표면을 통해 유입되는 공기량과 그에 따른 압력 변화만을 측정하는 것을 특징으로 하는 초고속 이동체계용 콘크리트 운송관의 기밀성능 평가 시스템. - 제1항에 있어서, 상기 기밀성능 평가 단말(360)은,
상기 기밀성능 평가 실험장치(320)를 이용한 상기 콘크리트 운송관 실험체(310) 내의 아웃개싱 및 본실험 과정에서의 기압변화 측정 결과에 따라 상기 콘크리트 운송관 실험체(310) 내의 기압변화 그래프를 도출하는 기압변화 그래프 도출부(361);
상기 기압변화 그래프로부터 상기 콘크리트 운송관 실험체(310)의 체적 내부로 유입되는 단위 시간당 공기량을 산출하는 기압하중 산출부(362); 및
상기 콘크리트 운송관 실험체(310)의 표면적당 공기유입 비율을 산출하는 공기유입률 산출부(363)를 포함하는 초고속 이동체계용 콘크리트 운송관의 기밀성능 평가 시스템. - 제2항에 있어서, 상기 기압하중 산출부(362)에서 산출되는 기압하중은,
로 주어지고,
여기서,는 기압하중을 나타내며,
는 일정 시간간격(
)에 대한 압력 변화량을 나타내며,
는 콘크리트 운송관 실험체(310) 내부의 체적을 나타내는 것을 특징으로 하는 초고속 이동체계용 콘크리트 운송관의 기밀성능 평가 시스템.
- 제3항에 있어서, 상기 공기유입률 산출부(363)에서 산출되는 공기유입률은,
로 주어지고, 여기서,
은 공기유입률을 나타내고,
는 기압하중을 나타내며,
는 콘크리트 운송관 실험체(310) 내부 표면적을 나타내는 것을 특징으로 하는 초고속 이동체계용 콘크리트 운송관의 기밀성능 평가 시스템.
- 삭제
- 삭제
- 제1항에 있어서,
상기 콘크리트 운송관 실험체(310)를 초고성능 콘크리트(UHPC)로 형성하기 위한 시멘트복합체는, 결합재(B)로서 100중량부의 시멘트; 결합재(B)로서 20~30중량부의 실리카퓸; 결합재(B)로서 15~25중량부의 석영질 분말; 100~120중량부의 잔골재; 20~28중량부의 배합수(W); 4~7중량부의 고성능감수제; 및 1.6~2.2중량부의 소포제를 포함하되, 상기 배합수(W)/결합재(B)의 비(W/B)는 0.2이고; 상기 초고성능 콘크리트는 단섬유를 추가로 혼입하여 시멘트복합체를 형성하며; 그리고 상기 단섬유는 상기 시멘트복합체 전체 체적의 1.5~2%가 혼입된 것을 특징으로 하는 초고속 이동체계용 콘크리트 운송관의 기밀성능 평가 시스템. - 제7항에 있어서,
상기 단섬유는 강섬유, 유리섬유, 탄소섬유, 아라미드섬유 또는 바잘트섬유 중에서 선택되며, 길이가 20㎜ 이하인 것을 특징으로 하는 초고속 이동체계용 콘크리트 운송관의 기밀성능 평가 시스템. - 제7항에 있어서,
상기 시멘트복합체는 압축강도 80~180MPa, 휨강도 15MPa 이상, 직접인장강도 7MPa 이상, 내구수명 100~200년 및 수축변형률 700 이하인 것을 특징으로 하는 초고속 이동체계용 콘크리트 운송관의 기밀성능 평가 시스템. - 제1항에 있어서, 상기 기밀성능 평가 실험장치(320)는,
상기 콘크리트 운송관 실험체(310)가 거치되는 디스크 형태의 하부 강재마감판(321);
상기 콘크리트 운송관 실험체(310)를 인양할 수 있도록 상기 콘크리트 운송관 실험체(310)의 양 측면에 형성된 돌출부에 결합하는 실험체 인양고리(323);
상기 하부 강재마감판(321) 상에 거치된 상기 콘크리트 운송관 실험체(310)의 상부를 덮도록 거치되는 디스크 형태의 상부 강재마감판(324);
상기 콘크리트 운송관 실험체(310)의 실링(Sealing)을 위해 상기 하부 강재마감판(321)의 상부 및 상기 상부 강재마감판(324)의 하부에 배치되는 적어도 하나 이상의 고무링(322a, 322b, 322c);
상기 하부 강재마감판(321)의 단부에 수직 방향으로 연장 설치되고, 상측 단부에 나사산이 형성된 다수의 마감판 고정볼트(325);
상기 다수의 마감판 고정볼트(325) 각각이 관통할 수 있도록 상기 상부 강재마감판(324) 단부에 각각 형성된 다수의 볼트 설치 관통홀(326);
상기 다수의 볼트 설치 관통홀(326)을 각각 관통하는 상기 다수의 마감판 고정볼트(325) 상에 배치되는 워셔(327);
상기 워셔(327)가 상기 다수의 마감판 고정볼트(325) 상에 배치된 상태에서 상기 다수의 마감판 고정볼트(325)에 각각 체결되는 다수의 고정너트(328) 및
상기 하부 강재마감판(321) 및 상기 상부 강재마감판(324)을 인양할 수 있도록 상기 하부 강재마감판(321)의 양측 단부 및 상기 상부 강재마감판(324)의 중앙에 설치되는 강재 마감판 인양고리(329a, 329b)를 포함하는 초고속 이동체계용 콘크리트 운송관의 기밀성능 평가 시스템. - 제10항에 있어서,
상기 기밀성능 평가 실험장치(320)의 실험체 인양고리(323)와 체결될 수 있도록 상기 콘크리트 운송관 실험체(310)의 외주면 양측에 돌출부와 체결홀이 형성된 것을 특징으로 하는 초고속 이동체계용 콘크리트 운송관의 기밀성능 평가 시스템. - 고강도 콘크리트, 고성능 콘크리트 또는 초고성능 콘크리트를 사용한 초고속 이동체계용 콘크리트 운송관의 기밀성능 평가 방법에 있어서,
a) 초고속 이동체계용 콘크리트 운송관 실험체(310)의 표면을 처리하는 단계;
b) 상기 콘크리트 운송관 실험체(310)를 기밀성능 평가 실험장치(320)에 거치하고 밀폐시키는 단계;
c) 상기 콘크리트 운송관 실험체(310)가 초기에 갖고 있는 공기량을 제거하도록 공기를 배출하는 아웃개싱을 수행하는 단계;
d) 상기 아웃개싱이 완료된 후, 본실험을 위해 감압장치(330)인 진공펌프를 사용하여 상기 콘크리트 운송관 실험체(310) 내부를 소정 기압으로 감압시키는 단계;
e) 압력센서(340)를 이용하여 상기 콘크리트 운송관 실험체(310) 내부의 기압변화를 계측하는 단계;
f) 타이머를 사용하여 기압 증가에 따른 시간을 측정하는 단계;
g) 상기 콘크리트 운송관 실험체(310)를 소정 시간 방치한 후, 상기 콘크리트 운송관 실험체(310) 표면으로부터 공기 유입에 의한 기압변화를 측정하여 기압변화 그래프를 도출하는 단계; 및
h) 실험 결과로서, 상기 기압변화 그래프로부터 기압하중 및 공기 유입률을 각각 산출하는 단계를 포함하되,
상기 콘크리트 운송관 실험체(310)는 표면의 미세공극을 충전재(Filler)로 충전하고, 상기 충전재를 경화시킨 후 마감재로 표면 처리되고, 상하 개방된 단면의 표면을 에폭시 또는 진공 실리콘으로 마감하여 표면에 있는 미세한 요철이 제거되며; 그리고
상기 콘크리트 운송관 실험체(310)의 내부를 아진공 상태로 감압시킨 상태에서 상기 콘크리트 운송관 실험체(310)의 원주 방향 표면을 통해 유입되는 공기량과 그에 따른 압력 변화만을 측정하는 것을 특징으로 하는 초고속 이동체계용 콘크리트 운송관의 기밀성능 평가 방법. - 삭제
- 삭제
- 제12항에 있어서, 상기 b) 단계는,
b-1) 상기 기밀성능 평가 실험장치(320)의 하부 강재마감판(321)의 정중앙에 위치하도록 상기 콘크리트 운송관 실험체(310)를 거치하는 단계;
b-2) 상기 콘크리트 운송관 실험체(310)를 상부를 상부 강재마감판(324)으로 덮는 단계; 및
b-3) 마감판 고정볼트(325)를 이용하여 상부 및 하부 강재마감판(321, 324)을 체결함으로써 상기 콘크리트 운송관 실험체(310)를 밀폐시키는 단계를 포함하는 초고속 이동체계용 콘크리트 운송관의 기밀성능 평가 방법. - 제12항에 있어서, 상기 c) 단계는,
c-1) 감압장치(330)인 진공펌프를 사용하여 초기 대기압 상태에서 1/1000 기압으로 감압시키는 단계;
c-2) 1/1000 기압에서 상기 콘크리트 운송관 실험체(310) 내부 기압이 자연 증가하도록 1시간 방치하는 1차 아웃개싱을 수행하는 단계;
c-3) 1시간 경과 후, 1/1000 기압으로 재감압한 후 1시간 방치하는 2차 아웃개싱을 수행하는 단계; 및
d) 1시간 경과 후, 1/1000 기압으로 재감압한 후 30분 방치하는 3차 아웃개싱을 수행하는 단계를 포함하는 초고속 이동체계용 콘크리트 운송관의 기밀성능 평가 방법. - 제12항에 있어서,
상기 d) 단계의 소정 기압은 대기압의 1/1000 기압인 것을 특징으로 하는 초고속 이동체계용 콘크리트 운송관의 기밀성능 평가 방법. - 제12항에 있어서,
상기 g) 단계에서 20시간 이상 방치하여 상기 콘크리트 운송관 실험체(310) 표면으로부터 공기 유입에 의한 기압변화를 측정하는 것을 특징으로 하는 초고속 이동체계용 콘크리트 운송관의 기밀성능 평가 방법. - 제18항에 있어서,
상기 g) 단계는 상기 콘크리트 운송관 실험체(310) 내의 아웃개싱 및 본실험 과정에서의 기압변화 측정 결과에 따라 상기 콘크리트 운송관 실험체(310) 내의 기압변화 그래프를 도출하는 것을 특징으로 하는 초고속 이동체계용 콘크리트 운송관의 기밀성능 평가 방법. - 제12항에 있어서,
상기 h) 단계에서 상기 기압변화 그래프로부터 상기 콘크리트 운송관 실험체(310)의 체적 내부로 유입되는 단위 시간당 공기량을 산출하되, 상기 기압하중 산출부(362)에서 산출되는 기압하중은,
로 주어지고,
여기서,는 기압하중을 나타내며,
는 일정 시간간격(
)에 대한 압력 변화량을 나타내며,
는 콘크리트 운송관 실험체(310) 내부의 체적을 나타내는 것을 특징으로 하는 초고속 이동체계용 콘크리트 운송관의 기밀성능 평가 방법.
- 제20항에 있어서,
상기 h) 단계에서 상기 콘크리트 운송관 실험체(310)의 표면적당 공기유입 비율을 산출하되, 상기 공기유입률 산출부(363)에서 산출되는 공기유입률은,
로 주어지고, 여기서,
은 공기유입률을 나타내고,
는 기압하중을 나타내며,
는 콘크리트 운송관 실험체(310) 내부 표면적을 나타내는 것을 특징으로 하는 초고속 이동체계용 콘크리트 운송관의 기밀성능 평가 방법.
- 제12항에 있어서, 상기 b) 단계의 기밀성능 평가 실험장치(320)는,
상기 콘크리트 운송관 실험체(310)가 거치되는 디스크 형태의 하부 강재마감판(321);
상기 콘크리트 운송관 실험체(310)를 인양할 수 있도록 상기 콘크리트 운송관 실험체(310)의 양 측면에 형성된 돌출부에 결합하는 실험체 인양고리(323);
상기 하부 강재마감판(321) 상에 거치된 상기 콘크리트 운송관 실험체(310)의 상부를 덮도록 거치되는 디스크 형태의 상부 강재마감판(324);
상기 콘크리트 운송관 실험체(310)의 실링(Sealing)을 위해 상기 하부 강재마감판(321)의 상부 및 상기 상부 강재마감판(324)의 하부에 배치되는 적어도 하나 이상의 고무링(322a, 322b, 322c);
상기 하부 강재마감판(321)의 단부에 수직 방향으로 연장 설치되고, 상측 단부에 나사산이 형성된 다수의 마감판 고정볼트(325);
상기 다수의 마감판 고정볼트(325) 각각이 관통할 수 있도록 상기 상부 강재마감판(324) 단부에 각각 형성된 다수의 볼트 설치 관통홀(326);
상기 다수의 볼트 설치 관통홀(326)을 각각 관통하는 상기 다수의 마감판 고정볼트(325) 상에 배치되는 워셔(327);
상기 워셔(327)가 상기 다수의 마감판 고정볼트(325) 상에 배치된 상태에서 상기 다수의 마감판 고정볼트(325)에 각각 체결되는 다수의 고정너트(328) 및
상기 하부 강재마감판(321) 및 상기 상부 강재마감판(324)을 인양할 수 있도록 상기 하부 강재마감판(321)의 양측 단부 및 상기 상부 강재마감판(324)의 중앙에 설치되는 강재 마감판 인양고리(329a, 329b)를 포함하는 초고속 이동체계용 콘크리트 운송관의 기밀성능 평가 방법. - 제22항에 있어서,
상기 기밀성능 평가 실험장치(320)의 실험체 인양고리(323)와 체결될 수 있도록 상기 콘크리트 운송관 실험체(310)의 외주면 양측에 돌출부와 체결홀이 형성된 것을 특징으로 하는 초고속 이동체계용 콘크리트 운송관의 기밀성능 평가 방법.
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- 2020-12-10 KR KR1020200171987A patent/KR102312771B1/ko active IP Right Grant
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