서 론 1.
댐은 1930년대부터 수자원 개발의 가장 합리적인 방법 으로 등장하였다 이러한 댐은 각 용도별 목적을 충족시킬. 수 있도록 운영되어야 하는데 이를 위해 강우량 유입량, , 수위 방류량 취수량 및 수질 등의 정보를 측정 분석하고, , , 수집된 정보나 각종 예측계산 등에 근거하여 합리적이고 경제적인 저수지 운영과 댐 조작을 하여야 한다.
댐에 의한 효과는 농업 생활 공업 하천유지용수 공급, , , 및 수력에너지 생산뿐만 아니라 저수지의 주변에 관광개 발이 가능하며 어족을 보호하고 하천연안의 침식작용을 경 감시켜주는 등 생산활동과 산업발전 그리고 국민복지 향 상에 큰 역할을 하게 된다 또한 과거 단순목적의 소규모. 댐에서 점차 대형화 되어가는 댐 시설물의 시공 및 관리의 소홀로 인한 붕괴는 엄청난 재난을 초래하기 때문에 댐 시 설물의 안정성 확보가 중요한 과제로 대두되고 있다 신방( 웅, 1997).
따라서 이러한 댐의 시공에 있어 계측은 댐 시공 중 시, 공관리에 필요한 자료를 수집 분석하고 구조물 완공 후에,
댐의 거동상태를 사전에 감시하여 설계 시에 적용한 각종 설계 기준값과 매설계기의 실제 계측치를 비교 분석함으 로써 댐의 안전을 위한 적절한 대책을 강구하며 댐 설계, 시 이론에 대한 확신을 얻음으로써 차후 댐 설계 기술발전 에 기여하는데 그 목적이 있으며 최근에는 계측에 의한 댐 거동 분석에 관한 연구가 활발히 진행되고 있다 송정락( ,
오병헌 정우성
1995; , 2000; , 2001).
매설계기의 측정자료 분석에 의한 현장계측방법은 최근 정밀한 계기의 출현과 관련 지식의 발전으로 건설도중과 중공 후 운영기간 중에 발생되는 댐체에 복잡한 거동현상 을 비교적 정량적으로 파악할 수 있는 유력한 수단이 되고 있다 이원호( , 1993).
본 연구에서는 연구대상을 선정하여 댐 제체 내부에 설치하고 시공 중 시공 후 상재하중의 증가
strain gauge , ,
저수위의 증감 등에 의해 발생되는 댐 제체 내 외부 변형･ 을 측정하였다 따라서 계측 결과로 부터 변형형태 위치. , 등을 파악하고strain gauge의 이상 계측으로 인한 댐 제체 거동 분석의 다른 계측 결과와 비교하여 문제점을 보완하 기 위한 방안을 제안 하고자한다.
댐 거동 분석에서의 Strain Gauge 를 이용한 단일 계측에 관한 연구
The Study on the Simple Measurement by Using the Strain Gauge at Dam Dynamic Behavior Analysis
이 승 호† Lee, Seungho
ABSTRACT : Internal stress variation in the face slab concrete induced by reservoir water pressure may affect on the stability of the dam so that the reclamation type of strain gauge is applied for measuring internal stress variation. In this study, internal as well as external stress variation of dam was measured by using strain gauge that was reclaimed to the ○○ dam. In the result, it was confirmed that other measurements by relevant gauges need to be supplemented as the use of strain gauge only is insufficient to evaluate the stability analysis and global behavior of the dam.
Keywords : Dam, Face slab con’c, Stability, Strain gauge, Stress variation
요 지 : 담수시 저수되는 수압에 의해 face slab con’c 내부의 응력변화가 발생하여 댐 제체의 안정성에 영향을 미칠 가능성이 있으 므로 face slab con’c 의 내부 응력변화를 측정하기 위하여 매립형 strain gauge 가 많이 적용되고 있다 따라서 본 연구에서는 . ○○ 댐에 적용된 strain gauge 를 이용하여 댐 제체 내 외부 변형을 측정하였다 그 결과 댐의 안정성 분석과 전체적인 경향을 파악함에 있어서 ･ .
의 계측 값만으로는 한계가 있으므로 관련 계기의 측정값을 함께 검토해야 할 것으로 사료된다
strain gauge .
주요어 : 댐 제체 , Face slab con’c, 안정성 , Strain gauge, 응력변화
† 정회원 상지대학교 건설시스템공학과 교수 공학박사 , , (E-mail : [email protected]) 한국지반환경공학회 논문집
제 권 제 호 8 1 2007 년 월 2 pp. 5～11
연구대상 및 계측 현황 2.
연구대상 현황 2.1
본 연구대상은 ○○광역시○○군에 위치한○○댐 콘( 크리트 표면차수벽형 석괴댐 이다 이 형식은 석괴댐 전체) . 에 두께30 60cm～ 의 철근 콘크리트 차수벽을 설치하는 공 법이다 용수 수요 충족과 맑은 물 공급을 위한 신규 취수. 원 개발 및 용수 공급 시설 확충을 목표로 하였다. 1994년 월 조사 및 실시설계에 들어가 년 월 중공이 되었다
03 04 7 .
총저수량 천2 850만톤 높이, 52m, 길이 190m, 일일 평균
용수공급 만22
, 300kw의 소수력 발전댐이다 특히 본 연. 구대상은 총 예산500억원 가운데20%가 환경 관리 시설 에 투입될 만큼 친환경적으로 시공되었다.현장계측 현황 2.2
본 연구대상은 담수시 저수되는 수압에 의해 face slab 내부의 응력변화가 발생하여 댐 제체의 안정성에 영 con’c
향을 미칠 가능성이 있어face slab con’c의 내부 응력변화 를 측정하기 위한 매립형 strain gauge를 설치하였다.
설치위치는 댐의 거동분석 결과를 반영하여 댐 제체의 수
그림 1. 댐 전경 그림 2. 댐 후경
표 1. Strain Gauge 의 설치일자 및 위치
매설계기명 관리번호 설치일자 설치위치
Sta. No 지점 EL.m
Strain Gauge 측정방식 : V/W 진동형식 측정범위 : 3,300 microstrain 최소측정치 : 0.3 microstrain 적정온도 : -30 ℃～ ℃ 80
SG-1 2003.4.14 3+12.5
face slab con’c
110.0
SG-2 2003.4.8 5+0.0 110.0
SG-3 2003.3.29 6+12.5 110.0
SG-4 2003.4.14 3+12.5 92.0
SG-5 2003.4.8 5+0.0 92.0
SG-6 2003.3.29 6+12.5 92.0
SG-7 2003.4.8 5+0.0 75.0
C.L
Y Z
EL.110.0M EL.92.0M EL.75.0M
5 52.02 9.5 117.82 5
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10111213 SG - 1 SG - 2 SG - 3 SG - 4 SG - 5 SG - 6
SG - 7
X Y
그림 3. strain gauge 설치위치 단면도 그림 4. strain gauge 설치위치 평면도
평 및 수직변위가 가장 우세하게 나타난EL. (+)92, (+)110m 지점을 횡방향 기준점으로 설정하였다.
종방향은 종방향 단면의 길이가 가장 긴 Sta. No. 5 지 점 및plinth con'c의 곡률반경이 큰Sta. No. 4, 6+5인근의
지점과 추가적으로 지
Sta. No. 3+12.5, 6+12.5 Sta. No. 5 점의 최하단부를 선정하여 격자상으로 배열하였다 계측시. 기는2004년 11월 30일부터 2005년 월4 25일 까지였다.
는 방향의 응력 측정이 가능한 를 strain gauge 3 3 rossete
로 하여 댐 좌 우방향 축
1 set ･ (X , parallel), face slab con’c 면과 평행한 방향 축(Y , perpendicular), 댐 상 하방향 축･ (Z , 으로 설치하여 댐 저수위에 의한 응력 변화에 따른 normal)
변형률의 측정이 가능하도록 하였다.
계측 결과 3.
내부에 매설되는 매설형 는 수 face slab con’c strain gauge 압 등의 외부 응력의 변화를 측정하는 계측장치로○○댐 에는 개 단면3 (Sta. No. 3+12.5, 5+0, 6+12.5)에 개 표고3 지점에 개의 센서가 설치하였다 (EL.(+)75, (+)92, (+)110m) 7 . 각 계기별 응력의 변화는 부분적인 변화로 댐 제체의 전체적인 응력분포 상태와 이에 따른 변화 양상을 분석하
는데 한계성이 있을 것으로 판단되어 댐 제체의 거동에 관 련된 분석은 표고 및 단면별 분석을 실시하여 댐 제체의 응력변화를 파악하고자 하였다.
계측 결과 분석 4.
표고별 계측 결과 분석 4.1
지점 4.1.1 EL. (+)110m
에 설치된 의 측정결과 축은 담 EL. (+)110m strain gauge X 수가 시작된 초기에는 모든 계측장치가 유사한 응력을 보였 으나 수위가 점차 상승함에 따라 좌안부(strain gauge-3)는 인장응력을 나타내는 반면에 우안부(strain gauge-1)는 압 축응력을 보이며 특히 수위가 급상승하기 시작하는, 2005 년 월 일 이후로는 이러한 경향이 더욱 명확하였다3 9 .
와 평행한 방향으로 설치된 축의 경우 Face Slab Con’c Y
수위의 상승에 따라 좌안부와 우안부의 상반된 응력분포 가 뚜렷하게 구분되며 Z축도 다른 방향과 동일한 경향을 보인다 이러한 응력 분포양상은 좌안부의 미세한 침하로. 인해 좌안부는 폭의 감소가 우안부는 폭의 증가를 보이는, 경향이 일치하였다.
그림 5. strain gauge 설치상세도
그림 6. strain gauge 설치위치 후면도
즉 좌안부의 미세한 침하중 좌안부, (strain gauge-3)의 모 든 축은 압축응력을 보이고 우안부(strain gauge-1)는 인장 응력을 나타내며 중앙부, (strain gauge-2)는 중간적인 수치 를 기록하였다.
그러나 응력의 변화가 수위의 상승에 따라 변하며 그, 측정값이 수압 및 제체의 하단부 침하에 따른 응력변화 로 댐의 안정성에 영향을 미치는 정도는 아닌 것으로 판 단된다.
지점 4.1.2 EL. (+)92m
에 설치된 의 측정결과를 살펴보 EL. (+)92m strain gauge
면X축의 경우 담수 초기에 좌안부(strain gauge-6)는 다소 큰 응력변화 폭을 보이다 점차 안정적인 값을 나타내었다.
는 수위가 설치위치에 근접하는 년 strain gauge-4, 5 2004 월에 약간의 측정값 변화를 보이나 그 이후는 비교적 균 12
일한 응력분포를 보였다.
지점과 응력의 분포양상을 비교하면 좌안부 EL. (+)110m
는 압축응력을 보이는 반면에 우안부 (strain gauge-6) (strain
는 인장응력을 나타내고 있어 상반된 결과를 보이 gauge-4)
는 것이 특징적이다.
이러한 양상은 댐 제체의 좌안부의 미세 침하로 인한 응력분포가EL. (+)92m지점에서는 상부 EL. (+)110m지 점에 비하여 수압에 의한 수평응력과 하류측으로의 변형 이 더욱 크게 나타날 것으로 예측된 결과와 동일한 것으로 판단된다.
축의 경우 축과 동일한 경향을 보이나 중앙부
Y X , (strain
그림 7. strain gauge(EL. (+)110.0m 단면 축 그래프 X )
그림 8. strain gauge(EL. (+)110.0m 단면 축 그래프 Y )
그림 9. strain gauge(EL. (+)110.0m 단면 축 그래프 Z )
그림 10. strain gauge(EL. (+)92.0m 단면 축 그래프 X )
그림 11. strain gauge(EL. (+)92.0m 단면 축 그래프 Y )
그림 12. strain gauge(EL. (+)92.0m 단면 축 그래프 Z )
의 압축응력이 가장 크게 나타난다 이는 중앙부
gauge-5) .
의 face slab con’c 사면이 좌 우안부에 비하여 길기 때문･ 에 제체의 자중에 의한 압축력이 더욱 크게 나타나는 것으 로 판단된다.
다만 2005년 월 일 이후 압축응력이 수위의 증가에4 4 비하여 기하급수적으로 상승하여 최근에는 약40kg/cm2에 달하는데 이 응력은 수압과 하중을 고려하여도 매우 큰 응 력이며 하부EL. (+)75m에 설치된strain gauge-7에서 측정 되는 0.8MPa미만의 인장응력과 비하여도 매우 높은 수치 이므로 보다 지속적인 측정과 분석 후 자료의 신뢰성을 판 단하여야 할 것이다.
축의 경우 비슷한 경향과 응력범위를 가지고 있으나
Z ,
최근 좌안부(strain gauge-6)와 우안부(strain gauge-4)의 경 향이 상반되게 나타나고 있는 점에 유의하여야 한다.
앞서 EL. (+)92m 지점의 분석이 댐 제체가 좌안부에서 우안부로 미세한 침하와 거동을 보이는 것으로 설명한 바 와 같이 측정결과도 동일한 경향을 보이고 있다.
그러나 최근 수위가 다소 상승하면서 심한 응력의 편차 가 보임은 추가적인 제체의 거동이 진행될 가능성이 있음 을 시사하는 바로 판단되므로 향후 지속적인 측정과 분석, 이 필요할 것으로 사료된다.
지점 4.1.3 EL. (+)75m
댐 최하단부인EL. (+)75m지점에 설치된strain gauge-7 의 측정결과를 살펴보면X축은 담수에 따른 수위 상승에 도 큰 변화가 없었다.
축은 수위 상승으로 인장응력을 받는 반면에 축은
Y Z
압축응력을 보인다 이는 댐 제체의 최 하단부는 상류측으. 로 변형이 발생할 것으로 예측된 바와 동일하게 제체가 거 동함으로써face salb con’c와 평행한 방향의 Y축은 인장 응력이 작용하고 댐 상 하방향인 축은 압축응력이 작용, ･ Z 하는 현상을 보였다.
년 월의 급격한 수위 상승시 일시적으로 높은 측 2005 3
정값의 변화를 보였으나 수위가 상승함에 따라, Y축과 Z 축의 응력 차이가 점차로 증가함은 수압의 영향이 보다 크 게 작용하고 있음을 의미한다.
단면별 계측결과분석 4.2
단면 4.2.1 Sta. 3+12.5
댐 우안부에 해당되는Sta. 3+12.5단면에는strain gauge-1 를 설치하였다 (EL. (+)110m), strain gauge-4(EL. (+)92m) .
모든 축의 응력분포 경향이 동일하게 나타나며 하단부,
가 상부 보다 높은 인장력을
(strain gauge-4) (strain gauge-1) 나타내는 정상적인 상태이다.
그림 13. strain gauge(EL. (+)70.0m 단면 전체 그래프 )
그림 14. strain gauge(3+12.5 단면 축 그래프 X )
그림 15. strain gauge(3+12.5 단면 축 그래프 Y )
그림 16. strain gauge(3+12.5 단면 축 그래프 Z )
단면 4.2.2 Sta. 5+0
댐 중앙부에 해당되는Sta. No. 5+0단면에는strain gauge-2 (EL. (+)110m), strain gauge-5(EL. (+)92m), strain gauge-7(EL.
이 설치하였다 측정결과 축은 최 하단부
(+)75m) . X, Y strain
이 가장 높은 인장응력을 보이고 최상부의
gauge-7 , strain
가 낮은 인장응력 내지는 압축응력을 보였다 이는
gauge-2 .
댐의 거동은 댐 제체의 ∼ 지점에서 최대 변형이 발생 한다는 이론과 동일한 경향을 나타내고 있었다.
최상부에 설치된strain gauge-2의 축은 측정 유효범위를Z 벗어나 분석에 활용되지 못하였고 신뢰성이 있는 계측장치, 인srain gauge-5, 7의 축 측정결과를 보면Z strain gauge-5가 설치된 표고인EL. (+)92m 미만의 수위일 경우 비슷한 응 력을 보이나 수위가, EL. (+)92m를 상회하면서부터strain
는 인장응력 은 압축응력으로 상반
gauge-5 , strain gauge-7 된 응력분포 양상을 보였다.
이는 전술한 바와 같이 댐 거동 및 수압에 의한 영향이 댐 제체에 작용하고 있으며 그 작용은 일반적인 댐 해석, 경향과 동일하였다.
단면 4.2.3 Sta. 6+12.5
댐 좌안부에 해당되는Sta. 6+12.5단면에는strain gauge-3 을 설치하였다 (EL. (+)110m), strain gauge-6(EL. (+)92m) .
측정결과를 살펴보면X, Y축은 상부의strain gauge-3은 인장응력 하부, strain gauge-6은 압축응력을 나타내는데 이는 우안부와 상반된 경향이다.
이러한 경향의 차이는 전술한 바와 같이 댐 제체가 좌 안부에서 우안부로 침하와 거동이 발생하기 때문인 것으 로 판단된다.
축의 결과를 보면 이 설치된 표고인
Z strain gauge-6 EL.
이하에서는 계기가 동일한 응력분포를 보이나
(+)92m 2 ,
수위가EL. (+)92m를 상회하면서strain gauge-3은 변화의 폭이 적으나, strain gauge-6은 심한 변화의 폭을 보이고 있 었다.
그러나 응력변화의 경향은 동일하게 나타나고 있으므로 제체의 안정성은 문제가 없는 것으로 판단되며 상승하는, 수위에 의한 수압과 거동으로 응력의 변화가 보다 크게 작 용되는 것으로 추정되지만 이의 변화 양상은 좀 더 수위가 상승하였을 때 측정값의 변화를 보고서 판단함이 옳은 것 으로 사료된다.
결 론 5.
본 연구에서는 연구대상인 ○○댐 제체 내부에 strain 설치하여 시공 중 시공 후 상재하중의 증가 저수위
gauge , ,
의 증감 등에 의해 발생되는 댐 제체 내 외부 변형을 측정･ 하였다 따라서 계측 결과로 부터 변형형태 위치 등을 파. , 악하고 strain gauge의 이상 계측으로 인한 댐 제체 거동 분석의 다른 계측 결과와 비교하여 문제점을 보완하기 위 한 방안을 제안 하고자하였다.
측정치의 유효성을 검토한 결과 strain gauge-2 Z축이 년 월 일부터 신뢰성을 상실한 것으로 판단되어 2004 6 18
분석시 제외하였고 저수위가 형성되어 face slab con’c에 외력이 작용하는 담수 이후를 대상으로 실시하였다.
일반적으로 댐의 경우 년 정도에 댐체가 대체로 안정5 적인 침하 등의 변화가 거의 없는 상태 거동을 하는 것에( ) 비추어 볼 때 본 댐은 아직 안정적인 거동을 하는 시기가
그림 17. strain gauge(5+0 단면 축 그래프 X )
그림 18. strain gauge(5+0 단면 축 그래프 Y )
그림 19. strain gauge(5+0 단면 축 그래프 Z )
아닌 것으로 판단된다. strain gauge의 계측 값으로 댐 제 체 내부의 응력상태를 파악할 수 있었고 그 결과 응력은 수위의 상승에 따라 변하며 수압 및 제체의 하단부 침하, 에 따른 응력변화는 댐의 안정성에 영향을 주지 않는 것으 로 판단된다.
의 축과 같이 이상 계측이 발생한 경우 축 방향
SG-2 Z Z
의 보정 값 산정을 위해 이론상으로는 측정방향 사이의 삼 각함수를 이용하여 보정이 가능하나 측정값은 댐의 수위 변화, face slab의 길이 등 여러 변수가 복합적으로 작용한 결과이므로 이러한 수학적인 계산은 의미가 없다.
따라서 불안정하거나 측정값의 신뢰성이 없는 계기를, 제외하고도 보다 정확하고 체계적인 댐의 안정성을 분석 과 전체적인 경향을 파악함에 있어서strain gauge의 계측 값만으로 산정하기에 한계가 있으므로 상호 관련된 계기 의 측정값을 비교 분석을 통한 거동분석이 필요하며 그, 예로 주변 이음부 변위측정기(perimetric joint meter)를 설 치하여 콘크리트 표면 차수벽과 대좌 연결부에서 발생되 는 표면적인 균열이나 절리의 크기에 대한 측정을 연계하 고 수직 이음부 수평변위측정기, (face slab joint meter)를 설치하여 주변 온도의 효과로 인한 차수벽 자체의 변위발 생 값을 산정해야할 것으로 사료된다.
감사의 글
본 연구를 위해 자료를 제공해 주신 한국수자원공사의 박철숙 연구원과 삼부토건 관계자 여러분들께 감사의 말 씀을 드립니다.
