본 연구는 AE기법을 이용하여 콘크리트구조물의 균열발생원 탐사방법을 개발하기 위한 기초적인 연구이다. 본 실험에 앞서 무근 콘크리트 블록에 모의 AE 발생원 실험을 실시하였다. 센서배치에서는 삼각형 결함원 탐사기법과 사각형 결함원 탐사기 법을 적용하여 비교 .분석하였다. 실험 결과 콘크리트 보에서는 삼각형 결함원 탐사기법이 사각형 결함원 탐사기법보다 효과적인 것으로 분석되었다. 콘크리트 보에 균열원 탐사기법을 적용하기 위한 시험체는 콘크리트의 압축강도 수준비(물-시멘트비)를 실험변수로 즉, 물-시멘트비를 40%, 50%, 50%로 하여 각각 3개씩 총 9개를 제작하였다. 콘크리트의 손상정도를 평가하기 위해 하중재하방식은 반복 휭재하방식을 채택하였고, 파괴실험시 발생하는 AE 파라미터를 분석하여, 카이저효과와 펠리시티효과를 실험실적으로 확인하였다. 또한, FR값을 분석한 결과 구조물의 열화도지수로서 사용 가능함을 확인하였다. 콘크리트 강도수준에 관계없이 최대하중의 70%대에서 AE의 활동성이 높아지기 시작함을 알 수 있었으며, 실구조물에 적용시 파괴경보시스템구축에 적용 가능한 하나의 인자로 사료된다. 한편, 실제 균열 발생위치와 결함원탐사방법을 비교한 결과 육안조사에 의해 주균열이 발생하기 전에 AE 모니터링으로 사전 감지가 가능하였다.
본 연구는 AE기법을 이용하여 콘크리트구조물의 균열발생원 탐사방법을 개발하기 위한 기초적인 연구이다. 본 실험에 앞서 무근 콘크리트 블록에 모의 AE 발생원 실험을 실시하였다. 센서배치에서는 삼각형 결함원 탐사기법과 사각형 결함원 탐사기 법을 적용하여 비교 .분석하였다. 실험 결과 콘크리트 보에서는 삼각형 결함원 탐사기법이 사각형 결함원 탐사기법보다 효과적인 것으로 분석되었다. 콘크리트 보에 균열원 탐사기법을 적용하기 위한 시험체는 콘크리트의 압축강도 수준비(물-시멘트비)를 실험변수로 즉, 물-시멘트비를 40%, 50%, 50%로 하여 각각 3개씩 총 9개를 제작하였다. 콘크리트의 손상정도를 평가하기 위해 하중재하방식은 반복 휭재하방식을 채택하였고, 파괴실험시 발생하는 AE 파라미터를 분석하여, 카이저효과와 펠리시티효과를 실험실적으로 확인하였다. 또한, FR값을 분석한 결과 구조물의 열화도지수로서 사용 가능함을 확인하였다. 콘크리트 강도수준에 관계없이 최대하중의 70%대에서 AE의 활동성이 높아지기 시작함을 알 수 있었으며, 실구조물에 적용시 파괴경보시스템구축에 적용 가능한 하나의 인자로 사료된다. 한편, 실제 균열 발생위치와 결함원탐사방법을 비교한 결과 육안조사에 의해 주균열이 발생하기 전에 AE 모니터링으로 사전 감지가 가능하였다.
This study was conducted preliminarily to develop the crack source location technique for plain concrete beam using acoustic emission(AE). Before the main experiment, the test of virtual An source location was achieved in plain concrete block. The sensor layout was mutually compared between triangul...
This study was conducted preliminarily to develop the crack source location technique for plain concrete beam using acoustic emission(AE). Before the main experiment, the test of virtual An source location was achieved in plain concrete block. The sensor layout was mutually compared between triangular layout and rectangular layout. As the results of test, AE source location by triangular layout was evaluated more effective than that by rectangular layout. The specimen to apply he source location technique was man in total nine specimens (each three in 40 %, 50%, 60% of W/C ratio) which the experiment variable was the compressive strength level(W/C ratio). The bending loading method is selected by cyclic loadings to evaluate the degree of concrete damage. It is seen that Kaiser effect and Felicity effect exists through analysis of AE parameters in coming failure experiment. As a result of analyzing the felicity ratio(FR) values, it is shown that this values can be used for evaluating the degree of concerto damage. AE activity is started highly at the 70% of failure load without the compressive strength level. Thus considered by a index in constructing the system of the failure warning at application of the field structure. And the results compared the real cracking location with the source location has perceived by AE monitoring before it is appeared the primary crack by visual observation.
This study was conducted preliminarily to develop the crack source location technique for plain concrete beam using acoustic emission(AE). Before the main experiment, the test of virtual An source location was achieved in plain concrete block. The sensor layout was mutually compared between triangular layout and rectangular layout. As the results of test, AE source location by triangular layout was evaluated more effective than that by rectangular layout. The specimen to apply he source location technique was man in total nine specimens (each three in 40 %, 50%, 60% of W/C ratio) which the experiment variable was the compressive strength level(W/C ratio). The bending loading method is selected by cyclic loadings to evaluate the degree of concrete damage. It is seen that Kaiser effect and Felicity effect exists through analysis of AE parameters in coming failure experiment. As a result of analyzing the felicity ratio(FR) values, it is shown that this values can be used for evaluating the degree of concerto damage. AE activity is started highly at the 70% of failure load without the compressive strength level. Thus considered by a index in constructing the system of the failure warning at application of the field structure. And the results compared the real cracking location with the source location has perceived by AE monitoring before it is appeared the primary crack by visual observation.
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문제 정의
따라서 본 연구에서는 기초적 연구로서 무근 콘크리트보에 AE기법을 적용하기에 앞서, 모의 AE 발생원 실험을 실시하여 시스템의 성능검사 및 센서의 Layout방법을 제안하였으며, 제안된 방법을 콘크리트의 강도 수준별(3수준) 로 평가하여 기존의 연구결과 5-7)인 열화도 평가기준을 실험적으로 검증하고자 한다. 또한 결함원 탐사기법 (Source Location)을 실시하여, 실제 발생한 균열과 측정 결과를 상호 비교하여 균열진전 방향을 예측할 수 있음 을 확인함으로써 AE기법이 균열의 활동성 유무를 평가할 수 있는 유용한 NDT 방법임을 제시하고자 한다.
따라서 본 연구에서는 기초적 연구로서 무근 콘크리트보에 AE기법을 적용하기에 앞서, 모의 AE 발생원 실험을 실시하여 시스템의 성능검사 및 센서의 Layout방법을 제안하였으며, 제안된 방법을 콘크리트의 강도 수준별(3수준) 로 평가하여 기존의 연구결과 5-7)인 열화도 평가기준을 실험적으로 검증하고자 한다. 또한 결함원 탐사기법 (Source Location)을 실시하여, 실제 발생한 균열과 측정 결과를 상호 비교하여 균열진전 방향을 예측할 수 있음 을 확인함으로써 AE기법이 균열의 활동성 유무를 평가할 수 있는 유용한 NDT 방법임을 제시하고자 한다.
제안 방법
5와 같으며, 하중재하 방식은 반복 휨재하방식을 채택하였다. UTM으로 시험편에 하중을 재하하면 시험편내의 국부적인 미세 균열 에 의하여 AE 탄성파가 발생하는데 이 발생된 AE는 센서에 의해 감지된 후 예비증폭기(pre-amplifier)에서 40dB 증폭된 후 SPARTAN 2000에서 다시 2차적으로 20dB 증폭되어 각종 AE 파라미터들을 검측하였고, 이에 대한 분석을 실시하였다.
4와 같이 R15센서 4개를 가로 20 cm, 세로 20 cm 간격으로 배치하였다. 연필심 붕괴 위치는 먼저 Y축을 10 cm로 고정하고, X축은 0~30cm까지 5 cm 간격으로 실험을 실시하였고, 다음에 X축을 15cm로 고정하고서 Y축을 0~20cm까지 5cm 간격으로 실험을 실시하였다. 실험 결과는 Table 3과 같으며, 탐사 오차가 너무 크게 발생한 부위는 2개소로 나타났다.
휨강도 시편에 삼각형 결함원 탐사기법을 적용하였으며, 센서는 시험편의 측면에 4개를 부착하고, 3점 휨재하 실험을 실시하였다. 실험장비의 개요도는 Fig.
대상 데이터
R15센서 2개를 30 cm의 거리를 두고 선형 배치하여 연필심 붕괴 실험을 실시하였다. 연필심 붕괴 위치와 결함원 탐사 결과를 비교 • 분석한 결과는 Table 1과 같다.
콘크리트 강도 수준별 AE 특성 규명 및 결함 원탐사를 위한 시험체는 550X150X150 mm의 무근의 휨강도 시편이 며, WC비에 따라 각각 3개씩 총 9개를 제작하였다. 사용된 콘크리트 배합은 Table 4와 같고, 콘크리트의 압축 강도 측정 결과는 다음 Table 5와 같다.
이론/모형
사각형 탐사방법과 삼각형 탐사방법을 상호 비교한 결과, 삼각형 탐사방법이 탐사오차가 작게 나타났다 또한 본 연구 대상인 콘크리트보에 적용 시 휨인 장부에 균열이 집중적으로 발생함으로 동일한 센서의 수에서 사각형 탐사방법이 넓은 면적의 탐사 범위를 갖는 만큼 정밀도가 떨어지고 삼각형 탐사방법은 하나의 센서가 부담하는 탐사영역이 작아 더욱 정밀한 계측이 가능한 장점도 갖고 있다. 따라서, 휨강도시 편의 반복 휨하중에 의한 파괴시험에서는 R15센서 4개를 사용하여 삼각형 결함원 탐사기법을 적용하였다.
휨강도 공시체에 삼각형 결함원 탐사기법을 이용하여 결함원 위치탐사를 실시하였다. 육안조사에 의한 실제 균 열위치와 결함원 탐사위치 결과를 상호 비교한 결과는 Fig.
성능/효과
한편 AE활동성 증가 시의 하중과 휨 파괴 하중 측정결과는 Table 7과 같다. 압축 강도 수준별 휨강도는 일반적인 콘크리트의 압축 강도와 휨강도비 1/5~1/8보다 상당히 저평가 되었음을 확인할 수 있다（"비 40 %와 50 %인 경 우）. 이의 원인은 실험 시 반복하중의 재하속도 및 크기의 차이와 기타 측정 오차에 의한 현상으로 판단된다.
1) 모의 결함원 탐사(연필 심 붕괴실험) 결과에 의하면 센서의 검측 범위가 동일할 경우에 삼각형 결함원 탐사기법이 사각형 결함원 탐사기법보다 경제적이고 적합한 기법임을 알 수 있었다.
1) 콘크리트 재료 자체가 비균질하고, 비등 방성을 나타내기 때문에 AE파의 파속은 일정한 속도를 갖지 못한다. 2) 결함원 탐사 방법은 음원의 위치를 알지 못하고 센서사이의 도달시간 차만을 이용, 역으로 결함 원의 위치를 추정하기 때문에 오차를 갖는다. 3) 연필심 붕괴 시 발생하는 가상의 AE파는 항상 동일한 AE파를 발생시키지 못하고, 또한 발생된 파가 방향성(완전한 전방향성을 가지지 못함)을 갖기 때문에 오차를 갖는다.
2) 콘크리트의 강도 수준에 관계없이 콘크리트의 손상 여 부를 판단할 수 있는 카이저 효과와 펠리시티 효과를 실험적으로 확인할 수 있었다.
2) 결함원 탐사 방법은 음원의 위치를 알지 못하고 센서사이의 도달시간 차만을 이용, 역으로 결함 원의 위치를 추정하기 때문에 오차를 갖는다. 3) 연필심 붕괴 시 발생하는 가상의 AE파는 항상 동일한 AE파를 발생시키지 못하고, 또한 발생된 파가 방향성(완전한 전방향성을 가지지 못함)을 갖기 때문에 오차를 갖는다. 4) 일반적으로 AE파 의 진폭은 음원에서 거리(r)의 증가에 따라 비율로 감소하는 것으로 알려져 있으며, 콘크리트와 같은 복합재료 는 강재와 같은 재료보다 파의 감쇄가 더욱 심하여, 오차가 더욱 커진다.
3) 콘크리트의 강도 수준에 관계없이 최대 하중의 약 70 % 범위에서 AE 활동성이 매우 높아지기 시작함을 알 수 있었으며, 이는 실구조물의 파괴경보 시스템 구축 시 중요한 하나의 인자로 사용이 가능할 것으로 판단된다. 다만 휨강도 수준별 AE활동성과의 관계는 추가 실험을 통하여 검증되어야 할 것으로 사료된다.
3) 연필심 붕괴 시 발생하는 가상의 AE파는 항상 동일한 AE파를 발생시키지 못하고, 또한 발생된 파가 방향성(완전한 전방향성을 가지지 못함)을 갖기 때문에 오차를 갖는다. 4) 일반적으로 AE파 의 진폭은 음원에서 거리(r)의 증가에 따라 비율로 감소하는 것으로 알려져 있으며, 콘크리트와 같은 복합재료 는 강재와 같은 재료보다 파의 감쇄가 더욱 심하여, 오차가 더욱 커진다. 한편, 1차원 결함원 탐사 결과는 오차율이 10% 이내에 존재하는 것으로 나타나 양호한 결과 값을 얻 었다.
4) 카이저 효과의 소멸과 하중 제거 단계에서의 높은 AE 활동성이 콘크리트의 손상 정도를 판단하는 기준이 될 수 있음을 확인할 수 있었으며, FR를 활용하면 보수 • 보강된 구조물의 일체성 평가 기준으로도 활용이 가능하다고 판단된다.
5) AE 기법을 적용하여 무근 콘크리트보의 휨 파괴실험을 육안관찰과 AE측정을 동시에 모니터링함으로써 균 열발생 위치의 예측이 가능했으며 균열진 전 모니터링도 가능함을 확인할 수가 있었다. 따라서 AE기법이 결함원 탐사기법으로서 효율적인 NDT 방법임을 확인할 수 있었다.
5) AE 기법을 적용하여 무근 콘크리트보의 휨 파괴실험을 육안관찰과 AE측정을 동시에 모니터링함으로써 균 열발생 위치의 예측이 가능했으며 균열진 전 모니터링도 가능함을 확인할 수가 있었다. 따라서 AE기법이 결함원 탐사기법으로서 효율적인 NDT 방법임을 확인할 수 있었다.
Type I에서는 다수의 AE 이벤트가 균열진전 방향 쪽으로 발생하였으며, 균 열 발생위치 및 균열진전 방향도 탐사가 가능하였다. 또한, Type D, HI도 대체적으로 균열 진전과 균열발생위치를 사전에 잘 탐사하고 있음을 알 수 있었다. 본 실험 결과에 의하면 삼각형 결함원 탐사기법이 AE 결함원 탐사기법으로서 아주 양호한 결과를 얻을 수 있음을 확인하였다.
또한, Type D, HI도 대체적으로 균열 진전과 균열발생위치를 사전에 잘 탐사하고 있음을 알 수 있었다. 본 실험 결과에 의하면 삼각형 결함원 탐사기법이 AE 결함원 탐사기법으로서 아주 양호한 결과를 얻을 수 있음을 확인하였다.
사각형 탐사방법과 삼각형 탐사방법을 상호 비교한 결과, 삼각형 탐사방법이 탐사오차가 작게 나타났다 또한 본 연구 대상인 콘크리트보에 적용 시 휨인 장부에 균열이 집중적으로 발생함으로 동일한 센서의 수에서 사각형 탐사방법이 넓은 면적의 탐사 범위를 갖는 만큼 정밀도가 떨어지고 삼각형 탐사방법은 하나의 센서가 부담하는 탐사영역이 작아 더욱 정밀한 계측이 가능한 장점도 갖고 있다. 따라서, 휨강도시 편의 반복 휨하중에 의한 파괴시험에서는 R15센서 4개를 사용하여 삼각형 결함원 탐사기법을 적용하였다.
하중 단계 I 에서 Type I 은 모두 카이저 효과가 나타났으며, Type II에서 2개는 카이저 효과, 1개는 펠리시티 효과가 나타났고, Type 山에서 1개는 카이저 효과, 2개는 펠리시티 효과가 나타났다. 하중 단계 II에서 Type I은 카이저 효과가 나타난 반면에 Type H, 山은 모두 펠리시티 효과만 나타났는데, 이와 같은 실험 결과는 강도 수준별 반복 휨하중재하시 하중비율에 의한 결과로서 정밀한 실험(강도수준별 반복 재하수와 재하 하중비율의 세밀한 구분) 수행 시 강도 수준에 관계없이 모두 유사한 효과가 나타날 것으로 사료된다.
후속연구
Table 7의 실험 결과에 의하면 강도 수준에 관계없이 AE 활동성이 증가시 하중과 휨 파괴 하중의 비율이 Type I 은 평균 74%, Type Ⅱ는 평균 77%, Type HIe 평균 76 %로 나타났다 즉 최대 휨강도의 70 % 대에서 AE의 활동성이 매우 증가되었으며, 이런 특성치는 철근 콘크리트 구조물로 확장할 경우, 더 큰 연성을 확보하고 있으므로 실구조물의 AE모니터링 구축 시 파괴경보의 하나의 인자로서 활용이 가능할 것으로 보이며, 이에 대한 더 많은 연구가 필요하다고 판단된다.
3) 콘크리트의 강도 수준에 관계없이 최대 하중의 약 70 % 범위에서 AE 활동성이 매우 높아지기 시작함을 알 수 있었으며, 이는 실구조물의 파괴경보 시스템 구축 시 중요한 하나의 인자로 사용이 가능할 것으로 판단된다. 다만 휨강도 수준별 AE활동성과의 관계는 추가 실험을 통하여 검증되어야 할 것으로 사료된다.
위치탐사가 되지 않은 부위가 3개소에서 발생되었는데, 이의 원인은 실험방법에서 찾아볼 수 있다. 연필심 붕괴 실험은 1개소당 3회 실시한 결과를 평균치로 구한 것이며, 측정회수를 증가시키면 그만큼 탐사 오차는 감소하며, 위치 탐사도 가능할 것이다. 그러나 본 실험에서는 사각형 탐사방법과 삼각형 탐사방법의 탐사정도를 비교하기 위해 동일한 측정 횟수의 선정에 의한 결과이다 (즉 엄밀한 의미의 탐사불능이 아님).
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