서울⋅경기지역 화강암의 탄성파속도와 탄성계수에 의한 암석의 일축압축강도와의 상관성 연구

손인환,김병국,이벽규,장승진,이수곤 한국재난정보학회 2019 한국재난정보학회 논문집 Vol.15 No.2

연구목적: 본 연구에서는 서울 ․ 경기지역의 화강암을 대상으로 시추조사 시 채취된 암석 시료에서 측정된 물리적 특성 중 탄성파속도와 탄성계수로부터 암석의 일축압축강도와의 상관성을 분석하여 암석의 일축압축강도를 추정하는 것을 목 적으로 한다. 연구방법: 119개의 화강암 시추 코아 시료를 대상으로 탄성파 속도와 탄성계수 그리고 일축압축강도와의 상관관계를 도출하 기 위하여 실내 암석 실험을 실시하였다. 연구결과: 화강암에 대하여 탄성파속도와 일축압축강도 그리고 탄성계수와의 상호 관계를 단순회 귀와 다중회귀로 분석한 결과는 전반적으로 관계식에 나타난 것처럼 신뢰도가 낮음을 확인하였다. 이는 화강암의 구성 입자가 균질하지 못 하여 탄성파속도와 탄성계수를 이용한 압축강도 추정에 대한 활용성이 낮은 원인으로 사료된다. 결론: 본 연구에서 암석의 탄성파속도와 탄 성계수로부터 일축압축강도를 추정하기 위한 상관관계를 분석하기 위하여 단순회귀분석과 다중회귀분석 방법을 이용하였다. 단순회귀분 석은 결정계수(R2)가 0.61~0.67 이었으며 , 다중회귀분석은 0.71로 나타났다. 따라서 다중회귀분석을 이용하여 암석의 일축압축강도를 추 정할 때 다소 신뢰성이 높아질 수 있다. 또한, 향후 탄성파 속도와 탄성계수를 이용한 암석의 일축압축강도를 추정할 때 다양한 통계분석 기 법(회귀분석, 인공신경망, 빅데이터 분석 등)을 활용하면 보다 신뢰성이 높은 결과를 얻을 수 있을 것으로 본다. Purpose: The purpose of this study is to attain the correlation analysis and thereby to deduce the uniaxial compressive strength of rock specimens through the elastic wave velocity and the elastic modulus among the physical characteristics measured from the rock specimens collected during drilling investigations in Seoul and Gyeonggi region. Method: Experiments were conducted in the laboratory with 119 granite specimens in order to derive the correlation between the compressive strength of the rocks and elastic wave velocity and elastic modulus. Results: In the case of granite, the results of the analysis of the interaction between the compressive strength of a rock and the elastic wave velocity and elastic modulus were found to be less reliable in the relation equation as a whole. And it is believed that the estimation of the compressive strength by the elastic wave velocity and elastic modulus is less used because of the composition of non-homogeneous particles of granite. Conclusion: In this study, the analysis of correlation between the compressive strength of a rock and the elastic wave velocity and elastic modulus was performed with simple regression analysis and multiple regression analysis. The coefficient determination (R2) of simple regression analysis was shown between 0.61 and 0.67. Multiple regression analysis was 0.71. Thus, using multiple regression analysis when estimating compressive strength can increase the reliability of the correlation. Also, in the future, a variety of statistical analysis techniques such as recovery analysis, and artificial neural network analysis, and big data analysis can lead to more reliable results when estimating the compressive sterength of a rock based on the elastic wave velocity and elastic modulus.

그래픽 프로세서를 이용한 탄성파 수치모사의 계산속도 향상

( Norimitsu Nakata ),( Takeshi Tsuji ),( Toshifumi Matsuoka ) 한국지구물리·물리탐사학회 2011 지구물리와 물리탐사 Vol.14 No.1

탐사 지구물리학에서 수치 모사는 지하매질에서의 탄성파 전파 현상을 이해하는데 중요한 통찰력을 제공한다. 탄성파 모사는 음향파 근사에 의한 수치 모사보다 계산시간이 많이 소요되지만 전단응력 성분을 포함하여 보다 현실적인 파동의 모사를 가능하게 한다. 그러므로 탄성파 모사는 탄성체의 반응을 탐사하는데 적합하다고 할 수 있다. 계산 시간이 길다는 단점을 극복하기 위해 본 논문에서는 그래픽 프로세서(GPU)를 이용하여 탄성파 수치 모사 시간을 단축하고자 하였다. GPU는 많은 수의 프로세서와 광대역 메모리를 갖고 있기 때문에 병렬화된 계산 아키텍쳐에서 사용할 수 있는 장점이 있다. 본 연구에서 사용한 GPU 하드웨어는 NVIDIA Tesla C1060으로 240개의 프로세서로 구성되어 있으며 102GB/s의 메모리 대역폭을 갖고 있다. NVIDIA에서 개발된 병렬계산 아키텍쳐인 CUDA를 사용할 수 있음에도 불구하고 계산효율을 상당히 향상시키기 위해서는 GPU 장치의 여러 가지 다양한 메모리의 사용과 계산 순서를 최적화해야만 한다. 본 연구에서는 GPU 시스템에서 시간영역 유한차분법을 이용하여 2차원과 3차원 탄성파 전파를 수치 모사하였다. 파동 전파 모사에 가장 널리 사용되는 유한차분법 중의 하나인 엇갈린 격자기법을 채택하였다. 엇갈린 격자법은 지구물리학 분야에서 수치 모델링을 위해 사용하기에 충분한 정확도를 갖고 있는 것으로 알려져 있다. 본 논문에서 제안한 모델링 기법은 자료 접근 시간을 단축하기 위해 GPU 장치의 메모리 사용을 최적화하여 가능한 더 빠른 메모리를 사용한다. 이 점이 GPU를 이용한 계산의 핵심 요소이다. 하나의 GPU 장치를 사용하고 메모리 사용을 최적화함으로써 단일 CPU를 이용할 경우보다 2차원 모사에서는 14배 이상, 3차원에서는 6배 이상 계산시간을 단축할 수 있었다. 세 개의 GPU를 사용한 경우에는 3차원 모사에서 계산효율을 10배 향상시킬 수 있었다. Numerical simulation in exploration geophysics provides important insights into subsurface wave propagation phenomena. Although elastic wave simulations take longer to compute than acoustic simulations, an elastic simulator can construct more realistic wavefields including shear components. Therefore, it is suitable for exploration of the responses of elastic bodies. To overcome the long duration of the calculations, we use a Graphic Processing Unit (GPU) to accelerate the elastic wave simulation. Because a GPU has many processors and a wide memory bandwidth, we can use it in a parallelised computing architecture. The GPU board used in this study is an NVIDIA Tesla C1060, which has 240 processors and a 102GB/s memory bandwidth. Despite the availability of a parallel computing architecture (CUDA), developed by NVIDIA, we must optimise the usage of the different types of memory on the GPU device, and the sequence of calculations, to obtain a significant speedup of the computation. In this study, we simulate two- (2D) and threedimensional (3D) elastic wave propagation using the Finite-Difference Time-Domain (FDTD) method on GPUs. In the wave propagation simulation, we adopt the staggered-grid method, which is one of the conventional FD schemes, since this method can achieve sufficient accuracy for use in numerical modelling in geophysics. Our simulator optimises the usage of memory on the GPU device to reduce data access times, and uses faster memory as much as possible. This is a key factor in GPU computing. By using one GPU device and optimising its memory usage, we improved the computation time by more than 14 times in the 2D simulation, and over six times in the 3D simulation, compared with one CPU. Furthermore, by using three GPUs, we succeeded in accelerating the 3D simulation 10 times.

탄성파를 이용한 모래-실트 혼합토의 동결-융해 특성

강민구(Mingu Kang),김상엽(Sangyeob Kim),홍승서(Seungseo Hong),김영석(Youngseok Kim),이종섭(Jongsub Lee) 한국지반환경공학회 2014 한국지반환경공학회논문집 Vol.15 No.5

겨울철의 낮은 기온으로 인하여 지반 내부의 간극수는 동결과 융해를 반복한다. 지반에 이러한 동결-융해작용이 반복되면 흙의 입자구조 변형이 발생하며 이는 지중 기반시설에 손상을 가져올 수 있다. 본 연구는 흙의 동결-융해 과정에서의 탄성파 속도변화를 통하여 흙의 강성 변화 양상을 알아보기 위하여 수행되었다. 40 %, 60 %, 80 %의 3가지 모래-실트의 무게비를 가진 모래-실트 혼합토를 포화도 40 %, 상대밀도 70 %로 동일하게 조성하였다. 각 시료를 동결-융해를 위해 제작된 사각형 형태의 셀에 다짐법으로 조성하였다. 탄성파를 측정하기 위하여 한 쌍의 벤더 엘리먼트와 피에조 디스크 엘리먼트를 시료 양편에 설치하였으며, 시료의 온도 변화 양상을 관찰하기 위하여 탄성파 트랜스듀서와 같은 깊이의 중앙부에 열전대를 설치였다. 조성한 시료에 대하여 시료를 20 ℃에서 -10 ℃까지 동결시킨 후 -20 ℃를 18시간 동안 유지하였으며, 다시 실험실 상온(20 ℃)까지 온도를 서서히 올려 융해시켰다. 이 과정에서 온도, 전단파, 그리고 압축파를 측정하였다. 연구결과, 융해 이후의 탄성파 속도는 같은 온도의 동결 이전보다 감소하였다. 이때 전단파의 속도가 압축파의 속도보다 더 큰 비율로 감소하는 모습을 보였다. 실트의 함량이 40 %에서 80 %까지 증가함에 따라 탄성파의 속도는 증가하는 양상을 보였다. 본 연구를 통해 동결-융해가 불포화토의 입자구조를 느슨하게 만들며, 그 영향은 압축파에 비해 전단파 속도의 변화에서 잘 나타남을 알 수 있었다. In winter season, the pore water inside the ground freezes and thaws repetitively due to the cold air temperature. When the freezing-thawing processes are repeated on the ground, the change in soil particle structure occurs and thus the damage of the infrastructure may be following. This study was performed in order to investigate the stiffness change of soils due to the freeze-thaw by using elastic waves. Sand-silt mixtures are prepared with in the silt fraction of 40 %, 60 % and 80 % in weight and in the degree of saturation of 40 %. The specimens are placed into the square freezing-thawing cell by the temping method. For the measurement of the elastic waves, a pair of the bender elements and a pair of piezo disk elements are installed on the cell, and a thermocouple is inserted into soils for the measurement of the temperature. The temperature of the mixtures is decreased from 20 ℃ to -10 ℃ during freezing, is maintained at -20 ℃ for 18 hours, is gradually increased up to the room temperature of 20 ℃ to thaw the specimens. The shear waves, the compressional waves and the temperature are measured during the freeze-thaw process. The experimental result indicates that the shear and the compressional wave velocities after thawing are smaller than those of before freezing. The velocity ratio of after thawing to before freezing of shear wave is smaller than that of the compressional wave. As silt fraction increases from 40 % to 80 %, the shear and compressional wave velocities are gradually increased. This study suggests that the freezing-thawing process in unsaturated soil loosens the soil particle structure, and the shear wave velocity reflects the effect of freezing-thawing more sensitively than the compressional wave velocity.

탄성파의 매질 내 이동속도 산정방법 비교

김태식(Taesik Kim) 한국지반환경공학회 2014 한국지반환경공학회논문집 Vol.15 No.5

탄성파는 지반 및 지반환경 관련 과업에서 다양한 형태로 활용되어 왔다. 일반적으로는 현장에서 탄성파 탐사를 수행하여 시추조사와 더불어 지반의 물성값을 평가하는 목적으로 사용되고 있으며, 지하공동의 위치파악 등에도 사용되고 있다. 환경복원이 필요한 버려진 부지에 매립된 유류 저장시설의 위치 파악 등 지반환경공학과 관련하여서도 탄성파의 활용은 활발히 이루어지고 있다. 또한 지반의 미소변형률 구간에서의 지반 거동 분석에도 탄성파를 활용하고 있다. 탄성파의 매질 내 이동속도가 주요 인자로서 활용되고 있는데, 이는 시간 영역과 주파수 영역에서 산정할 수 있다. 시간 영역에서의 탄성파의 이동속도 평가방법은 동일 위상을 갖는 특정한 점들의 시간차이를 분석하는 방법, 상호상관법을 활용한 방법으로 나뉠 수 있다. 주파수 영역에서의 탄성파의 이동속도는 진원과 수신점에서의 입력 파형과 수신파형의 위상 차이를 분석하여 산정할 수 있다. 본 연구에서는 시카고 지역에서 채취한 불교란 빙하퇴적 점성토 시료에 벤더 엘리먼트를 이용한 탄성파 시험을 실시, 동일한 탄성파에 대해 여러 가지 산정 방법을 적용하여 탄성파의 이동속도를 분석하였다. 시간영역에서 탄성파의 이동속도를 분석한 결과 데이터로거의 표본화 주파수에 영향을 크게 받는 것으로 분석되었으며, 신호에 포함되어있는 노이즈 및 수신파형의 요철 특성으로 인하여 같은 위상을 갖는 점을 정확히찾는 것은 불가능하였다. 상호상관법으로 분석한 경우도 입력 파형과 수신파형의 주기의 차이로 인해 탄성파의 정확한 이동속도를 산정하는 것은 불가능하였다. 주파수 영역에서의 이동속도 산정의 경우 영채우기를 통해 주파수 분해능을 개선시킬 수 있어 데이터로 거의 표본화 주파수에 영향을 받지 않았다. 과도파 사용으로 인한 지배주파수가 유일 값이 아닌 범위로 나타나는 단점이 있었으나, 지배주파수 범위 내의 탄성파의 이동속도의 범위는 시간 영역에서 산정한 값보다 정밀한 것으로 나타났다. In situ investigations and laboratory tests using elastic wave have become popular in geotechnical and geoenvironmental engineering. Propagation velocity of elastic wave is the key index to evaluate the ground characteristics. To evaluate this, various methods were used in both time domain and frequency domain. In time domain, the travel time can be found from the two points that have the same phase such as peaks or first rises. Cross-correlation can also be used in time domain by evaluating the time shift amount that makes the product of signals of input and received waveforms maximum. In frequency domain, wave propagation velocity can be evaluated by computing the phase differences between the source and received waves. In this study, wave propagation velocity evaluated by the methods listed above were compared. Bender element tests were conducted on the specimens cut from the undisturbed hand-cut block samples obtained from Block 37 excavation site in Chicago, IL, US. The evaluation methods in time domain provides relatively wide range of wave propagation velocities due to the noise in signals and the sampling frequency of data logger. Frequency domain approach provides relatively accurate wave propagation velocities and is irrelevant to the sampling frequency of data logger.

탄성파 속도를 활용한 암석의 균열밀도 산정

변지환,김영석,홍승서,윤형구 한국방재학회 2014 한국방재학회논문집 Vol.14 No.5

The stability of structures constructed on the rock has been estimated by porosity without the consideration of crack existed in rock. The objective of this study is to suggest the method for estimating the crack density, which can represent the characterization of crack,by using the elastic wave velocity. The Biot-Gassmann model is adopted for developing the equation in terms of crack density. Thespecimen is extracted in the field and the specimen is abraded into the shape of cylinder for increasing the efficiency of measuringelastic wave velocity. The each transducer for compressional wave and shear wave is applied to obtain the profile of elastic wave. Theporosity is first estimated before calculating the crack density of specimen. The calculated crack density shows the similar trend withdata performed by previous study. Furthermore, the crack porosity is also estimated through the equation and thus, the suggestedmethod may be widely applied to assess the stability of rock structures. 암석에 시공된 구조물들은 균열에 의한 영향을 받지만 안정성은 주로 간극률을 통해 해석되고 있다. 본 연구에서는 균열의 공학적 지표인 균열밀도를 탄성파 속도로 산정할 수 있는 기법을 제시하고자 하였으며, 실제 획득한 탄성파 속도 값을 통해 균열밀도를 도출하였다. 균열밀도를 산정하기 위하여 활용한 이론은 Biot-Gassmann 모델이며, 모델과 동일한 가정사항을 통해 균열밀도에 대한 수식을제시하였다. 시료는 경기도 이천 터널 현장에서 채취한 시추코어를 이용하였으며 탄성파 측정에 적합하도록 원기둥 모양으로 절삭하였다. 탄성파는 압축파와 전단파에 적합한 트랜스듀서로 측정하였으며 이방성 등에 대한 오차를 줄이기 위하여 시료의 각 3방향(x, y그리고 z)에서 측정한 값을 활용하였다. 균열밀도는 시료의 간극률을 통해 도출할 수 있으며 암석역학에 준하는 방법으로 간극률을 산출하였다. 탄성파 속도와 간극률을 통해 최종적으로 균열밀도를 계산하였으며, 선행연구 결과의 지표 값과 비교하여 본 연구의 신뢰성을 평가하였다. 또한 계산된 균열밀도를 활용하여 균열의 간극률도 함께 분석하였으며, 본 연구에서 활용된 기법은 균열을 포함하고있는 구조물의 안정성 평가에 다양하게 활용될 수 있을 것으로 판단된다.

동결에 따른 모래-실트 혼합토의 탄성파 특성

박정희(Park, Junghee),홍승서(Hong, Seungseo),김영석(Kim, Youngseok),이종섭(Lee, Jongsub) 한국지반환경공학회 2012 한국지반환경공학회논문집 Vol.13 No.4

대기의 온도가 0℃ 이하로 내려가면 지표면의 물이 얼기 시작한다. 체적팽창을 수반하는 지반의 동결현상은 흙의 거동에 영향을 미치며 지반구조물의 심각한 피해를 야기한다. 본 연구의 목적은 지표면에서 지반 내부로 진행되는 자연적인 동결현상을 반영할 수 있도록 제작된 동결용 셀을 이용하여 모래-실트 혼합토의 온도변화에 따른 탄성파의 특성을 파악하는 것이다. 나일론으로 제작된 동결용 셀에 모래와 실트로 구성된 시료를 조성한 후 시료의 깊이별로 상부, 중앙부 및 하부에 설치된 세 쌍의 벤더 엘리먼트와 피에조 디스크 엘리먼트를 이용하여 전단파와 압축파를 측정하였다. 시료의 온도가 20℃에서 -10℃로 변하는 동안 시료의 깊이에 따른 탄성파 속도, 공진주파수, 진폭을 연속적으로 측정하였다. 시료가 동결됨에 따라 전단파와 압축파의 속도 및 공진주파수는 0℃에서 큰 변화를 보였으며, 전단파와 압축파의 진폭은 각기 다른 경향을 나타내었다. 상온에서 전단파 속도는 유효응력의 영향을 받지만 흙이 동결된 후에는 흙입자와 얼음의 결합력에 큰 영향을 받는다. 본 연구는 흙의 동결에 따른 탄성파 특성의 기초적인 정보를 제공한다는 점에서 의의가 있다. The water in surface of the earth is frozen under freezing point. The freezing phenomenon, which causes the volume change of soils, affects on the behavior of soils and causes the significant damage on the geotechnical structures. The purpose of this study is to investigate the characteristics of elastic waves in sand-silt mixtures using small size freezing cells, which reflect the frozen ground condition due to temperature change. Experiments are carried out in a nylon cell designed to freeze soils from top to bottom. Bender elements and piezo disk elements are used as the shear and compressional wave transducers. Three pairs of bender elements and piezo disk elements are placed on three locations along the depth. The specimen, which is prepared by mixing sand and silt, is frozen in the refrigerator. The temperature of soils changes from 20℃ to -10℃. The velocities, resonant frequencies and amplitudes of the shear and compressional waves are continuously measured. Experimental results show that the shear and compressional wave velocities and resonant frequencies increase dramatically near the freezing points. The amplitudes of shear and compressional waves show the different tendency. The dominant factors that affect on the shear wave velocity change from the effective stress to the ice bonding due to freezing. This study provides basic information about the characteristics of elastic waves due to the soil freezing.

포화지반에서 탄성파속도와 전기비저항의 관계 고찰

이종섭,김영석,홍승서,윤형구 한국방재학회 2014 한국방재학회논문집 Vol.14 No.4

The geophysical methods including elastic wave velocity and electrical resistivity have been widely used to obtain the geotechnicalproperties. The objective of this study suggests the relationship between elastic wave velocity and electrical resistivity because the twoparameters are function of void ratio. The theory of Gassmann and Archie’s equation are applied for deducing the relation betweengeophysical methods and void ratio. The Field Velocity Resistivity Probe (FVRP) is used to obtain the elastic wave velocity and electricalresistivity in field which is southern part of Korea Peninsular. The data gathering is performed in the depth of 6.5~20.1 m atevery 10 cm for obtaining various data and investigating the subsurface characterization in detail. For verifying the suggested equation,the measured data applied. The deduced compressional wave velocity shows a similar value with the measured compressionalwave velocity. This study suggests that the proposed equation may be widely applied to estimate the reliability of measured valuesbased on the geophysical method. 건설 혹은 방재공학에서 사용자가 요구하는 물리적인 특성을 만족시키기 위하여 물리탐사 기법 중 탄성파 탐사 및 전기비저항 기법이활용되고 있다. 본 연구에서는 탄성파 속도와 전기비저항이 모두 간극비의 함수임을 고려하여 두 물리적인 특성간의 관계를 이론적으로 고찰하고자 한다. 탄성파 속도와 간극비의 관계는 Gassmann이 제시한 이론을 활용하였으며, 전기비저항과 간극비는 포화지반에 활용성이 상당히 높은 Archie 방정식을 이용하였다. 도출된 식의 활용성을 검증하고자 현장실험을 실시하였으며, 탄성파 속도와 전기비저항을 동시에 획득할 수 있는 관입형 탐사 장비(Field Velocity Resistivity Probe, FVRP)를 이용하였다. 대상 현장은 남해안의 광양지역이며, 관입실험은 심도 6.5 m에서 20.1 m까지 수행되었다. 탄성파 속도와 전기비저항은 탐사 장비 특성상 상세한 지층의 주상도를얻기 위하여 심도 10 cm 간격으로 측정하였다. 도출된 탄성파 속도와 전기비저항 값을 본 연구에서 제시한 수식에 입 력 후 실제 측정한 탄성파 속도과 비교해 보았다. 비교결과 균질한 심도에서 높은 신뢰성을 보여주며 추가적으로 입력상수에 대한 연구가 수행된다면수식의 활용성이 증대할 것으로 판단된다.

풍화에 따른 암석의 공학적 특성 평가

변지환,홍승서,윤형구 한국방재학회 2015 한국방재학회논문집 Vol.15 No.4

The Korea peninsula is surrounded by the sea on three sides and thus, the rock is easily weathered due to salt. Furthermore, the external force, erosion and thawing-freezing are also influence on the weathering of rock. The objective of this study is to estimate the characterization of weathering caused by the chemical and mechanical factors by using elastic wave. The specimen is extracted by drilling machine in the field of Icheon, Gyeonggi-Do of tunnel construction site and five specimens are selected to perform the experiment. The samples are fitted into a cylindrical shape for enhancing the measurement of elastic wave. Chemical and mechanical affections are performed by using salty water of high concentration and slake durability test, respectively. The initial average P-wave and S-wave velocity are 3828 m/s and 2211 m/s and then the P and S-wave velocity is reduced to 2601 m/s and 1371 m/s. And the porosity of rock increases from 0.59%~1.95% to 0.46~1.43% due to the weathering. The relationship between elastic wave velocity and weathering index is also suggested and thus, the result may be applied to provide the degree of weathering by using elastic wave. 국내에 분포하는 암석은 삼면이 바다로 둘러싸여 있는 지리적 영향으로 염분에 의한 풍화에 직간접적인 영향을 받는다. 또한 외력, 침식작용 그리고 온도 차에 의한 동결작용등을 통해 풍화의 영향을 받으며 뚜렷한 장마철 기후특성을 보이는 국내의 경우 국지성 호우에의한 풍화에도 큰 영향을 받는다. 본 연구에서는 포화염분용액에 의한 화학적 풍화(Chemical weathering)와 Slake durability test를 통한 물리적 풍화(Mechanical weathering) 현상을 발생시킨 후 매회에 걸쳐 압축파 속도, 전단파 속도, 간극률 그리고 Slake durability index 값을 통해 풍화에 따른 공학적 특성을 관찰하고자 하였다. 경기도 이천의 터널 공사 현장 및 고속도로 현장에서 시추된 시추코어를 시료로 선정하였으며, 해당 시료를 탄성파 속도 측정에 적합하도록 원기둥 형태로 가공하였다. 화학적 풍화(Chemical weathering) 와 물리적 풍화(Mechanical weathering) 실험이 진행됨에 따라 압축파와 전단파 속도는 각각 평균 3828 m/s, 2211 m/s에서 최종적으로2601 m/s, 1371 m/s로 감소, 간극률의 경우 0.46%~1.43%에서 0.59%~1.95%로 증가하였다. 이를 통해 풍화지수와 탄성파 속도간의 관계를 제시하였으며, 현장에서 탄성파 속도를 통해 풍화정도를 예측할 수 있을 것으로 판단된다.

수중강판의 결함 및 열화 검출을 위한 탄성파 유한요소 시뮬레이션

우진호(Jinho Woo),나원배(Won-Bae Na) 한국해양공학회 2013 韓國海洋工學會誌 Vol.27 No.3

This paper presents the results of finite element simulations of elastic wave propagation in an underwater steel plate and the verification of a proposed method utilizing elastic wave?based damage detection. For the simulation and verification, we carried out the following procedures. First, three?dimensional finite element models were constructed using a general purpose finite element program. Second, two types of damages (mechanical defects and deteriorations) were applied to the underwater steel plate and three parameters (defect location, defect width, and depth) were considered to adjust the severity of the applied damages. Third, elastic waves were generated using the oblique incident method with a Gaussian tone burst, and the response signals were obtained at the receiving point for each defect or deterioration case. In addition, the received time domain signals were analyzed, particularly by measuring the magnitudes of the maximum amplitudes. Finally, the presence and severity of each type of damage were identified by the decreasing ratios of the maximum amplitudes. The results showed that the received signals for the models had the same global pattern with minor changes in the amplitudes and phases, and the decreasing ratio generally increased as the damage area increased. In addition, we found that the defect depth was more critical than the width in the decrease of the amplitude. This mainly occurred because the layout of the depth interfered with the elastic wave propagation in a more severe manner than the layout of the width. An inverse analysis showed that the proposed method is applicable for detecting mechanical defects and quantifying their severity.

주파수영역 탄성파모델링에 대한 CFS-PML경계조건의 적용 및 개선

손민경 ( Min Kyung Son ),조창수 ( Chang Soo Cho ) 한국지구물리·물리탐사학회 2012 지구물리와 물리탐사 Vol.15 No.3

탄성파의 수치 모델링은 유한한 경계에서 발생하는 인공적인 반사파의 제거를 위한 경계조건을 필요로 한다. 이 연구에서는 주파수영역의 탄성파 수치 모델링에 CFS-PML (Complex Frequency Shifted-Perfectly Matched Layer) 경계 조건을 적용하였다. 수치모델링 검증을 위해 Lamb`s Problem의 해석해와 수치모델링 결과를 비교한 결과 일치하였다. 모 형 내의 운동에너지, 최대크기오차, 그리고 스펙트럼오차를 통하여 CFS-PML경계조건이 기존의 흡수경계조건들 보다 유 한경계에서 발생한 인공적인 반사파를 효과적으로 제거할 수 있음을 확인하였다. CFS-PML경계조건의 변수 kmax와 αmax 의 최적값은 운동에너지를 이용하여 산정할 수 있었다. 또한, 주파수에 따른 함수로 정의된 αmax를 변수로 갖는 변형된 CFS-PML경계조건을 제안하여 기존 PML경계조건, CFS-PML경계조건, 그리고 변형된 CFS-PML경계조건의 성능을 운동 에너지, 최대크기오차, 스펙트럼 오차로 비교하였다. 기존 PML경계조건에서 나타난 스쳐가는 입사각에 대한 반사파 문제 가 CFS-PML경계조건, 그리고 변형된 CFS-PML경계조건에서는 개선되었다. Absorbing boundary conditions are used to mitigate undesired reflections that can arise at the model`s truncation boundaries. We apply a complex frequency shifted perfectly matched layer (CFS-PML) to elastic wave modeling in the frequency domain. Modeling results show that the performance of our implementation is superior to other absorbing boundaries. We consider the coefficients of CFS-PML to be optimal when the kinetic energy becomes to the minimum, and propose the modified CFS-PML that has the CFS-PML coefficient αmax defined as a function of frequency. Results with CFS-PML and modified CFS-PML are significantly improved compared with those of the classical PML technique suffering from large spurious reflections at grazing incidence.