PURPOSES : In this study, a numerical clogging model that can be used to realistically visualize the movement of particles in cylindrical permeability test equipment was proposed based on the system coupling of computational fluid dynamics with the discrete element method and experimental permeability test results. This model can also be used to simulate the interaction of dust particles with bedding particles. METHODS: A 4-way system coupling method with multiphase volumes of the fluid model and porous media model was proposed. The proposed model needs to consider the influence of flow on the dust particles, interaction between the dust particles, and interaction between the dust particles and bedding layer particles. The permeability coefficient of the bedding layer in cylindrical permeability test equipment was not calculated by using the permeability test result, but was estimated by using the particle packing model and Ergun model. RESULTS : The numerical simulation demonstrated a good agreement with the experimental test results in terms of permeability and drain time. Additionally, the initial movement of particles due to the sudden drain hole opening was successfully captured by the numerical model. CONCLUSIONS : A 4-way coupling model was sufficient to simulate the water flow and particle movement in cylindrical permeability test equipment. However, additional tests and simulation are required to utilize the model for more realistic block pavement systems.

PURPOSES : In this study, a series of fundamental falling head permeability tests were conducted on a binary particle mix bedding to determine the minimum water level, bedding layer thickness, and amount of dust that can result in the stable permeability with high repeatability. The determined condition is used to develop a CFD-DEM coupled clogging model that can explain the movement of dust particles in flowing water of a block pavement system. METHODS: A binary particle mixture is utilized to experimentally simulate an ideal bedding layer of a block pavement system. To obtain a bedding layer with maximum packing degree, the well-known particle packing degree model, i.e., the modified Toufar model, was utilized. The permeability of the bedding layer for various water levels, bedding layer thicknesses, and amounts of dust was calculated. The permeability for a small water level drop was also plotted to evaluate the effect of dust on the bedding layer clogging. RESULTS: It was observed that a water level of 100 mm, bedding depth of 70 mm, and dust amount of 0.3 g result in a stable permeability condition with high repeatability. The relationship between the minimum dust amount and surface clogging of the bedding layer was suggested based on the evaluation of the volumetric calculation of the particle and void and the permeability change in the test. CONCLUSIONS: The test procedure to determine the minimum water level, bedding thickness, and dust amount was successfully proposed. The mechanism of clogging on the surface of the bedding layer was examined by relating the volumetric characteristics of dust to the clogging surface.

PURPOSES : In this paper, the flow of cement paste layers that were contoured at different times were simulated by computational fluid dynamics in 2D axisymmetric conditions to evaluate the effect of yield stress on the flow of cement paste layers. METHODS: In the 2D domain, the cylindrical-shaped bottom layer was placed on even ground and allowed to flow by gravitational force for only 25 s. The exact same shape of cement paste, the top layer, was placed on top of the bottom layer, and both layers were allowed to flow for an additional 25 s. The shape and pressure of both layers were evaluated. RESULTS: The relationship between the yield stress and diameter of the layer was clearly observed from the numerical simulation results. It was also observed that the interface between the top and bottom layers was affected by the yield stress and fluidity of materials. The total pressure underneath the bottom layer can be a good indicator of whether the material is still flowing or not. CONCLUSIONS: The Navier-Stokes equation with Bingham model is an excellent model to simulate the flow of contoured layers, which can be used to explain the flow of materials in various areas such as wet-on-wet pavement construction, structural member precasting, and 3D printing construction.

PURPOSES: In this paper, the packing degrees of binary granular mixtures under vibration compaction were simulated by using DEM with spherical particles to evaluate the applicability of the DEM for aggregate packing degree estimation. METHODS: The packing degrees of fine particles, coarse particles, and their mixture with different fine particle fractions were evaluated in DEM simulation for given various material property conditions. In order to check the validity of estimated packing degrees of particle mixtures, analytical model such as Furnas model that is capable of considering wall effect and loosening effect. RESULTS : DEM with spherical particles showed good agrement with analytical solution in terms of the packing degrees of binary granular mixtures with various fine particle fractions for most of conditions. Also, it was found that not the vibration amplitude but the ratio of particle diameter with vibration amplitude should be considered to explain the susceptibility of particle packing degree with vibration amplitude for the same acceleration condition and that the reduction in elastic modulus to shorten computational simulation time should be carefully considered when the packing degree is the most important concern. CONCLUSIONS: It was concluded that DEM with spherical particles are good enough to estimate the packing degree of binary granular particles for most of conditions. However, the effect of inter-particle frictions between fine and coarse particles have to be studied further in order to clarify the issue relating poor predictions for high inter-particle friction conditions.

PURPOSES : This paper proposes a design framework for planetary road infrastructure by considering the characteristic environment, natural resource, and loading conditions on the Moon and Mars. METHODS : From the perspective of civil engineering, available literatures such as technical articles, NASA (National Aeronautics and Space Administration) Technology Roadmaps 2015, Strategic Knowledge Gap, and mechanistic-empirical pavement design method are comprehensively reviewed for planetary road construction. The concept of in situ resource utilization (ISRU) is re-interpreted by comparing ISRU on the Earth and Moon with emphasis on the significance of interconnection between resource utilization and infrastructure development. RESULTS : According to the literature reviews, the factors that have significant effect on planetary road pavement design, construction, and maintenance are selected and evaluated. In addition, by considering the interconnection issue, a design framework is suggested that includes the resource issues not only of planetary road pavement but also of construction equipment. Subsequently, the framework is widened to apply for preliminary planetary infrastructure. CONCLUSIONS : Although the proposed preliminary design framework is not conclusive and has to be elaborated, an initial framework to consider interconnection issues and ISRU is suggested for planetary road pavement. The suggested framework will be applied for road pavement design and will be used to evaluate the cost-benefit ratio of alternatives.

PURPOSES : In this research, the initiation and development of corrugation on a gravel road with certain wheel and boundary conditions were evaluated using a coupled discrete-element method (DEM) with multibody dynamics (MBD). METHODS: In this study, 665,534 particles with a 4-mm diameter were generated and compacted to build a circular roadbed track, with a depth and width of 42 mm and 50 mm, respectively. A single wheel with a 100-mm diameter, 40-mm width, and 0.157-kg mass was considered for the track. The single wheel was set to run slowly on the track with a speed of 2.5 rad/s so that the corrugation was gradually initiated and developed without losing contact between the wheel and the roadbed. Then, the shape of the track surface was monitored, and the movement of the particles in the roadbed was tracked at certain wheel-pass numbers to evaluate the overall corrugation initiation and development mechanism. RESULTS : Two types of corrugation, long wave-length and short wave-length, were observed in the circular track. It seems that the long wave-length corrugation was developed by the longitudinal movement of surface particles in the entire track, while the short wave-length corrugation was developed by shear deformation in a local section. Properties such as particle coefficients, track bulk density, and wheel mass, have significant effects on the initiation and development of long-wave corrugation. CONCLUSIONS : It was concluded that the coupled numerical method applied in this research could be effectively used to simulate the corrugation of a gravel road and to understand the mechanism that initiates and develops corrugation. To derive a comprehensive conclusion for the corrugation development under various conditions, the driver’s acceleration and deceleration with various particle gradations and wheelconfiguration models should be considered in the simulation.

PURPOSES: In this paper, the applicability of DEM to a coarse graining method was evaluated by simulating a series of minicone tests for cement pasteMETHODS: First, the fundamental physical quantities that are used in a static liquid bridge model were presented with three basic quantities based on the similarity principle and coarse graining method. Then, the scale factors and surface tensions for six different sizes of particles were determined using the relationship between the physical quantities and the basic quantities. Finally, the determined surface tensions and radii were utilized to simulate the fluidal behavior of cement paste under a minicone test condition, and the final shape of the cement paste with reference DEM particle radii was compared with the final shape of the others.RESULTS : The simulations with adjusted surface tensions for five different radii of particles and surface tension showed acceptable agreement with the simulation with regard to the reference size of the particle, although disagreement increases as the sizes of the particle radii increase. It seems reasonable to increase the particle radii by at least 0.196 cm considering the computational time reduction of 162 min.CONCLUSIONS: The coarse graining method based on the similarity principle is applicable for simulating the behavior of fluidal materials when the behavior of the materials can be described by a static liquid bridge model. However, the maximum particle radius should be suggested by considering not only the scale factor but also the relationship of the particle size and number with the radius of the curve of the boundary geometry.

골재 도로에서의 콜루게이션은 골재 도로의 주요한 파손 형태일 뿐만 아니라 교통량이 집중되는 구간에서의 아스팔트 콘크리트 포장의 러팅(rutting) 및 시멘트 콘크리트 포장에서의 국지적 줄눈부 파손의 발생 및 진전과도 역학적 연관성이 높다. 또한 콜루게이션의 발생을 설명하는데 활용되는 차륜과 지반의 상호작용은 사막을 포함한 극한지 탐사차량의 주행성이나 견인력 문제와도 관련성이 매우 높기 때문에, 콜루게이션의 발생과 진전 원인을 역학적으로 규명하는 것은 매우 중요한 의미를 갖는다고 할 수 있다. 본 연구에서는 골재 도로에서의 콜루게이션 발생 및 진전을 설명하기 위하여 기존의 연구에서 실험적이거나 이론적으로 설정한 가설에 대하여, 이산요소법(discrete element method, DEM)과 다물체동역학(multibody dynamics, MBD)을 조합한 수치해석기법을 통하여 검증할 수 있는 지를 확인하고자 하였다. 이를 위하여 원형 트랙을 일정한 각속도로 회전하는 단일 차륜과 해당 차륜과 상호작용하는 토질 입자를 각각 MBD와 DEM으로 모사하였으며, 가장 단순한 조건에서 전형적인 콜루게이션의 발생을 기존의 가설 및 실내 실험과 유사한 방법으로 설명할 수 있는지를 확인하였다. 이에 따른 결론은 다음과 같으며, 원형 트랙에서의 프로파일과 표면 입자의 흐름은 각각 Fig. 1과 Fig. 2에 나타나 있다. ⦁주어진 원형 트랙에서 발생된 콜루게이션은 긴 파장과 짧은 파장의 콜루게이션으로 구분될 수 있다. ⦁긴 파장의 콜루게이션은 지반의 초기 밀도 조건이나 차륜의 운동 조건에 의하여 발생의 경향이 결정될 가능성이 매우 높은 것을 확인하였다. ⦁원형 트랙에서 긴 파장의 콜루게이션은 전단변형과 같이 부피가 변화하지 않는 형태의 변형이 아닌, 상부층 중심 입자의 주행방향 이동이 주요 원인인 것으로 확인되었다. ⦁또한 긴 파장의 콜루게이션은 50회 또는 100회 이하의 초기 차륜통과 조건에서 대부분 발달하며, 이후에는 느린 속력으로 주행방향을 따라 전체적으로 회전하는 경향을 나타내는 것으로 확인되었다. ⦁짧은 파장의 콜루게이션은 긴 파장의 콜루게이션에 비하여 상대적으로 느리게 발달하며, 차륜의 통과 횟수가 증가함에 따라서 선명해지는 경향을 나타내었다. ⦁모사 결과를 바탕으로 짧은 파장의 콜루게이션은 부피가 크게 변화하지 않는 국지적 지반의 밀도 변화, 즉 전단변형이 주요한 원인으로 추정될 수 있다.

우주의 자원과 영토에 대한 개별 국가의 소유권을 인정하지 않는 「UN 외기권 우주조약(1967)」과는 달리, 달에 매장된 광물 채굴에 대한 이권을 보장한 「US 상업적 우주 발사 경쟁력 법」이 2015년 채택됨에 따라 미국 및 일본의 민간 기업은 접근 가능한 행성에 존재하는 고부가가치의 자원 채취를 위한 기술 개발을 선제적으로 진행하고 있다. 더욱이 미국, 유럽과 중국을 포함한 우주 기술 선진국은 행성 자원의 확보에 한정되지 않고, 달 또는 화성에서의 실제 거주 환경 조성을 위한 현지 자원 활용(In-situ Resource Utilization, ISRU) 개념을 활용한 유인 탐사 및 거주 환경 건설 로드맵을 구체화하는 추세이다. 유럽 우주국(European Space Agency, ESA) 경우 2030년 완공을 목표로 실제 우주인이 거주하는 문 빌리지(Moon Village)와 같은 대규모 거주지 건설계획을 2016년 발표하고 이를 실현하기 위한 컨소시엄을 구성하고 있으며, 중국에서도 최근 유사한 컨소시엄 구성하거나 유럽 우주국의 컨소시엄에 공조하는 등 행성 개발 주도권을 확보하기 위한 노력을 경주하고 있다. 컨소시엄 구성을 통한 행성 개발 전략은 주도국의 입장에서는 비용과 실패의 위험성을 분산시키는 장점이 있으며, 우리나라와 같은 참여국의 입장에서는 기여도에 따라 이권을 확보할 수 있는 기회가 된다는 점에서 매우 중요한 의미를 갖는다. 특히 투자 자원의 한계가 있는 우리나라의 경우에는 기술적인 기여를 통한 참여가 바람직한 것으로 판단되는데. 이는 행성 개발에 필요한 기반시설에 대한 설계법이나 통합 규정 등의 개발과 함께, 시공 장비 및 운송 기반시설 등에 포괄적으로 적용될 수 있는 전략 응용 기술을 포함하는 원천기술 개발에 집중하는 것이 효율적인 대안으로 예상된다. 그러나 행성 개발을 위하여 기초적으로 필요한 예상 인프라와 거주지의 종류 및 규모를 추산하기 위해서는 현지 가용 자원의 종류 및 양과 거주 인원 등에 대한 정보가 필요한 반면, 필요 자원의 종류 및 양과 거주 인원 역시 인프라와 거주지의 종류 및 규모에 대한 결정이 선행되어야 추산될 수 있는 순환 논리의 어려움이 대두된다. 따라서 본 연구에서는 행성 탐사 및 거주지 개발을 위하여 ESA와 미국 항공 우주국(National Aeronautics and Space Administration, NASA)에서 제안한 ISRU 개념을 활용한 행성 운송 인프라 건설의 필요성을 검토하기 위한 기초연구를 수행하였다. 이를 위하여 운송 인프라의 설계에 고려해야하는 행성의 환경 인자들에 대하여 세부적으로 고찰하고 선정하였으며, 이를 실현하기 위하여 요구되는 기술들을 구분하였다. 다음 Fig. 1과 Fig. 2는 본 연구에서 고찰한 목표 기술의 정의 방법과 PISCES(Pacific International Space Center for Exploration Systems)에서 제작한 이착륙 패드 건설 장비를 각각 나타내고 있다

현장에서 양생 또는 고형화 과정을 거치는 일반 시멘트 콘크리트, 자가다짐 시멘트 콘크리트, 아스팔트 콘크리트, 고분자 개질 혼합물과 같은 도로포장 재료의 유동 특성은 시공시점에서의 환경조건과 함께 도로포장 구조물의 초기 성능을 결정하는 중요한 요소이다. 따라서 재료의 양생이 완료되는 시점까지 포설 및 다짐에 영향을 미치는 재료의 유동 특성을 검토하는 것은 기존 혼합 및 포설 장비의 개선뿐만 아니라 새로운 장비의 개발을 통한 시공과정 개선 및 최적화를 위해서도 매우 중요한 과정이라 할 수 있다. 또한 건축 또는 토목 구조물의 시공 및 유지관리에 활용되는 건설정보 모델링이 향후 부재의 역학적 거동과 연계된 시공 및 유지관리를 포함하는 통합적인 수준으로 발전될 것임을 고려할 때, 경험에서 벗어나 실험적으로 검증된 역학적 기반의 설계 및 시공 방법을 제시하는 것은 매우 중요한 의미를 갖는다. 건설재료의 유동은 그 최종 형태에 따라 순수전단 유동, 신장유동, 이들의 중간 정도에 해당하는 유동의 3가지로 구분하여 분석적 해를 유도할 수 있다. 그러나 분석적 해를 활용하는 방법은 비교적 단순한 경계조건에 대한 재료의 유동적 특성을 예측하는데 유용하게 활용될 수는 있으나, 경계조건이 복잡해질수록 해를 계산하는 것이 거의 불가능하여 컴퓨터를 활용한 수치해석 기법을 적용하는 것이 합리적이다. 한편 유동성 재료의 동적 거동을 해석하는 방법으로는 이산요소법이나 전산유체역학(computational fluid dynamics, CFD)을 활용할 수 있는데, 입자형 재료 사이에 존재하는 유체의 양이 상대적으로 적어 입자와 입자 사이 또는 입자와 경계조건과의 상호작용이 중요하게 고려되어야 할 경우에는 이산요소법이 바람직한 반면, 시멘트 페이스트와 같이 균질의 재료로서 연속체의 특성을 나타내는 경우에는 CFD를 활용하는 것이 바람직한 것으로 알려져 있다. 본 연구에서는 연속체로 가정할 수 있는 유동성 재료의 시간에 따른 거동을 예측하기 위한 CFD의 활용성을 평가하고자 하였다. 이를 위하여 미니콘 실험에 대하여 분석적 해와 CFD를 활용한 결과를 비교하여 수치해석에 활용된 가정과 모형의 타당성을 검증하였으며, 검증된 모형을 활용하여 주요 입력변수에 대한 민감도 분석을 수행하여 시간에 따른 재료의 슬럼프와 퍼진 정도의 변화를 확인하였다.

PURPOSES :Conductive and convective heat transfer simulations for an asphalt mixture were made by using discrete element method (DEM) and similarity principle.METHODS :In this research, virtual specimens composed of discrete element method particles were generated according to four different predetermined particle size distribution curves. Temperature variations of the four different particles for a given condition were estimated and were compared with measurements and analytical solutions.RESULTS :The virtual specimen with mixed particles and with the smallest particle show very good agreement with laboratory test results and analytical solutions. As particle size decreases, better heat transfer simulation can be performed due to smaller void ratio and more contact points and areas. In addition, by utilizing the similarity principle of thermal properties and corresponding time unit, analytical time can be drastically reduced.CONCLUSIONS :It is concluded that the DEM asphalt mixture specimens with similarity principle could be used to predict the temperature variation for a given condition. It is observed that the void ratio has critical effect on prediction of temperature variation. Comparing the prediction for a 4 mm particle specimen with a mixed particle specimen, it is also concluded that predicting the mixed particle specimen temperature is much more efficient considering the number of particles that are directly associated with computational time in DEM analysis.

PURPOSES :In this paper, the flow of construction material was simulated using computational fluid dynamics in a 2D axisymmetric condition to evaluate the effect of initial or varying material properties on the final shape of a specimen.METHODS :The CFD model was verified by using a well-known analytical solution for a given test condition followed by performing a sensitivity analysis to evaluate the effect of material properties on the final shape of material. Varying dynamic viscosity and yield stress were also considered.RESULTS :The CFD model in a 2D axisymmetric condition agreed with the analytical solution for most yield stress conditions. Minor disagreements observed at high yield stress conditions indicate improper application of the pure shear assumption for the given material behavior. It was also observed that the variation of yield stress and dynamic viscosity during curing had a meaningful effect on the final shape of the specimen.CONCLUSIONS :It is concluded that CFD modeling in a 2D axisymmetric condition is good enough to evaluate fluidal characteristics of material. The model is able to consider varying yield stress and viscosity during curing. The 3D CFD-DEM coupled model may be required to consider the interaction of aggregates in fluid.

PURPOSES : In this paper, the analytical solutions suggested to simulate the behavior of rheological fluids were rigorously re-derived and investigated for fixed conditions to evaluate the applicability for the solutions on a mini-cone slump test of cement paste. The selected solutions with proper boundary conditions can be used as reference solutions to evaluate the performance of numerical simulation approaches, such as the discrete element method. METHODS: The slump, height, and spread radius for the given boundary and yield stress conditions that are determined by five different analytical solutions are compared. RESULTS: The analytical solution based on fluid mechanics for pure shear flow shows similar results to that for intermediate flow at low yield stresses. The fluid mechanics-based analytical solution resulted in a very similar trend to the geometry-based analytical solution. However, it showed a higher slump at high yield stress and lower slump at low yield stress ranges than the geometry-based analytical model. The analytical solution based on the mini-cone geometry was not significantly affected by the yield criteria, such as von Mises and Tresca. CONCLUSIONS: Even though differences among the analytical solutions in terms of slump and spread radius existed, the difference can be considered insignificant when the solutions were used as reference to evaluate the appropriateness of numerical approaches, such as the discrete element method.

시멘트 페이스트의 동적인 거동을 수치적으로 해석하는 방법으로는 전산유체역학(Computational Fluid Dynamics, CFD)를 이용하는 방법과 이산요소법(Discrete Element Method, DEM)을 이용하는 방 법이 있다. 그러나 시멘트 페이스트와 같이 입자의 크기가 작은 건설재료에 대하여 이산요소법을 활용하 기 위해서는 매우 작은 입자(particle)를 적용해야하는데, 이때 필요한 해석시간은 급격하게 증가하기 때 문에 실제 적용에 어려움이 많다. 따라서 합리적인 수치해석 도구로서 이산요소법을 효율적으로 활용하기 위해서는 재료의 동적 특성에 대하여 상사성을 최대한 유지하는 조건에서 최대 입자크기를 합리적으로 결 정하는 것이 가장 현실적인 방법이라 할 수 있다. 이러한 결정조건을 활용하면, 이산요소법 또는 이산요 소법과 전산유체역학과의 결합(Coupling)을 통하여 도로하부의 동공의 발생이나 함몰의 발생, 자가다짐 콘크리트(Self-Compacting Concrete, SCC), 사면에서 흙의 전단파괴 및 3D 프린터에서 사용되는 유동 적 건설재료의 거동을 합리적으로 예측하거나 수치해석을 기반으로 조건에 맞는 재료의 조성을 결정할 있 는 가능성이 매우 높아진다. 영국의 Swansea 대학의 Feng 교수는 상사적 특성(Similarity)를 이용하여 해석시간을 단축시키기 위한 이론적인 접근 방법을 제시하기 위하여 기하학적 변수, 운동학적 변수 및 역 학적 물성 모두에 조정계수를 적용하는 완전 조정법(Exact Scaling Approach)과 특정조건에서 얻어진 역학적 물성을 상수로 취급하고 기하학적 변수와 운동학적 변수에만 조정계수를 적용하는 부분 조정법 (Partial Scaling Approach)을 제시하였다. 본 연구에서는 정적 액체 가교 모형(Static Liquid Bridge Model)에 부분 조정법을 적용하였으며, 이 산요소법을 이용하여 시멘트 페이스트에 대한 미니콘 실험(Mini-Cone Test)을 모사하고자 하였다. 해석 시간의 단축과 결과의 합리성을 판단하기 위하여 입자의 크기를 변화시키기고 이에 대하여 재료의 물성을 역학기반 이론으로 조정하여 모사를 수행하였다.

최근 대도시에서 빈번하게 발생하는 도로함몰로 인해 국민들의 불안감이 증대되는 가운데 도로함몰 발 생 원인 및 위험도 평가를 위한 기초연구가 필요한 실정이다. 이를 위해 한국건설기술연구원에서 보유한 포장가속시험기(Accelerated Pavement Tester, APT) 운영을 통해 동공 심도 및 크기에 따라 아스팔트 포장체 파손에 미치는 영향을 파악하고자 한다. 먼저 예비실험 및 동공 관련 문헌조사 결과 동공 생성에 얼음이 적합한 것으로 판단되어 테스트베드 구축 시 가로×세로×높이가 50cm×50cm×30cm인 얼음을 주문 제작하여 포장가속시험기 바퀴축의 중앙에 깊이 0.3m와 0.7m 지점에 매설하였다. 동공 매설 깊이 와 크기를 결정한 기준은 일본의 도로함몰 위험도 등급 기준과 서울시에서 발생된 동공의 심도 중 그 빈 도가 높은 위치를 선정하였다. 동공 매설 시 내시경 촬영을 위한 관을 매립하여 동공 생성 여부 및 함몰 진행상황을 모니터링 하였다. 테스트베드 구축한 후 FWD 장비를 이용하여 동공을 매설한 동공구간과 매설하지 않은 건전구간의 구 조적 지지력을 측정하였으며, 동공구간이 건전구간보다 처짐값이 약 10% 정도 낮은 것으로 파악되었다. 1차 포장가속시험 후(운행횟수 90,000회) 소성변형량 측정 결과 건전구간은 약 10mm 정도의 소성변형이 발생했으나 동공구간은 약 30mm정도 발생하여 약 3배의 차이가 나는 것으로 파악되었다.