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문제 정의
- 2) 기존 연구에서는 두께 측정을 위해 탄성파를 이용한 연구 3)들이 이루어지거나, 포장두께에 대한 연구, 그리고, FM CW 레이더를 이용한 연구들이 이루어 졌다. 본 논문에서는 Ground Penetrating Radar (GPR)을 이용하여 건축 구조물의 두께를 측정하기 위하여, 900 MHz, 1, 000 MHz, 그리고 1, 500 MHz의 세 종류의 안테나를 이용한 콘크리트 두께 측정 가능성을 알아보고, 100 MHz의 안테나를 사용하여 원자력 발전소 격납건물 벽체 실물 모형에 대해서 실험하였다. 또한, 일반 상용레이더의 영상을 신호 처리하여 향상된 데이터를 그래프를 이용해 콘크리트 뒷표면위치를 찾아내었다.
제안 방법
- 900 MHz , 1 GHz 그리고 1.5 GHz의 안테나를 사용하여 모르타르 시편의 두께를 100mm, 150 mm, 200 mm, 250 mm, 그리고 300 mm 로 바꾸어서 모르타르 시편의 두께를 측정하였다. 또한 공동이 매립된 시편과 철근이 매립된 시편에 대해서도 두께를 측정하였다.
- Fig. 12에서 보는 바와 같이 20 cm 간격으로 격자 (grid)를 나누고, a, b, c, d 4부분에 대하여 두께 측정을 수행하였으며, 안테나는 100 MHz 를 사용하였다. 그 이유는 이 시편의 경우 두께가 매우 두꺼워 900 MHz, 1, 000 MHz, 그리고 1, 500 MHz 등의 고주파수 안테나는 파의 감쇠가 심하여 두께 측정을 할 수 없었다.
- 기본시편 및 간섭시편의 실험은 시편의 표면에 안테나를 가만히 놓고 1초간 측정하였다. 매질의 변화에 따른 수신 파의 변화를 통해 시편의 앞면과 뒷면을 찾아낼 때, 파의 감쇠로 인하여 뒷면은 찾아내기가 어렵다.
- 5 GHz의 안테나를 사용하여 모르타르 시편의 두께를 100mm, 150 mm, 200 mm, 250 mm, 그리고 300 mm 로 바꾸어서 모르타르 시편의 두께를 측정하였다. 또한 공동이 매립된 시편과 철근이 매립된 시편에 대해서도 두께를 측정하였다. 이러한 모든 실험에서 모르타르 시편의 두께를 측정할 수 있었고, 두께 측정의 가능성을 모두 확인하였다.
- 본 논문에서는 Ground Penetrating Radar (GPR)을 이용하여 건축 구조물의 두께를 측정하기 위하여, 900 MHz, 1, 000 MHz, 그리고 1, 500 MHz의 세 종류의 안테나를 이용한 콘크리트 두께 측정 가능성을 알아보고, 100 MHz의 안테나를 사용하여 원자력 발전소 격납건물 벽체 실물 모형에 대해서 실험하였다. 또한, 일반 상용레이더의 영상을 신호 처리하여 향상된 데이터를 그래프를 이용해 콘크리트 뒷표면위치를 찾아내었다. 그러나 두께 측정 시에는 2차원 영상을 필요로 하지 않아 신호처리된 그래프를 사용하였다
- 시편의 앞표면은 ①번 반사파의 도달시간을 통해 알 수 있다. 복합시편의 실험은 이미 뒷표면에 철판이 부착되어있기 때문에 시편 표면에 4곳의 측정영역을 정한 후 안테나를 놓고 각각 1초간 두께를 측정하였다.
- 유전상수 측정 시 양생에 따른 유전상수의 변화를 알기 위해 1 주 단위로 즉정하였다 콘크리트 시편의 두께는 Table 1와 Table 2 값들을 통해서 계산된 유전상수의 값들을 식 ⑸에 대입하여 구할 수 있다. 시편제작이 동시에 이루어 졌고, 보관 상태도 동일하므로 이 유전상수 값들의 평균값을 이용하여 두께 계산에 적용하였다.
- 안테나의 주파수는 주파수가 높을수록 해상도와 분해능은 우수해지지만, 투과 심도가 얕아지는 단점이 있다. 이러한 안테나의 영향 요인을 알아보기 위해 기본시편에 대해서 900 MHz, 1000 MHz, 1500 MHz 의 3 종류의 안테나를 사용하여 탐사성능을 비교하였다.
- 일반적으로 유전상수 값은 코어 채취를 통하여 얻을 수 있지만, 본 실험에서는 미리 알고 있는 시편의 두께를 이용하여 유전상수 값을 계산하는 방법을 사용하였다.
- 철근 시편과 같이 하나의 시편을 세 가지 안테나를 이용하여 각각 측정하였다. Fig.
대상 데이터
- 각각 측정하였다. Fig. 11에서 사용된 공동시편의 크기는 길이 1000 mm X 폭 600 mm x 두께 140 mm 이며, Fig. 10에서 처럼 모르타르 시편 내부에 두께 (d2) 50 mm인 스티로폼을 피복두께 (dl) 30 mm로 매립하여 제작하였다.
- 사용하였다. 그리고, 복합시편에는 100 MHz의 중심주파수를 갖는 안테나를 연결해서 사용하였다. 실험에 사용된 안테나는 송신안테나와 수신안테나가 상자 안에 따로 분리되어 있는 형태이다.
- 기본 시편은 5개를 제작한 후 두께를 측정하였으며, 시편의 배합비 (물 : 시멘트 : 잔골재)는 1 : 2.22 : 5.61 이다. 시편의 단면은 길이 900 mm x 폭 600 mm 의 크기에 두께를 100 mm, 150 mm, 200 mm, 250 mm, 그리고 300 mm 로 변화시켜 가면서 실험을 진행하였다
- 기본시편 및 간섭시편에는 레이더에 900 MHz와 1000 MHz 그리고 1500 MHz의 중심주파수를 갖는 안테나를 연결해서 사용하였다. 그리고, 복합시편에는 100 MHz의 중심주파수를 갖는 안테나를 연결해서 사용하였다.
- 레이더로 두께를 측정하는데 있어 철근의 영향을 알아보기 위해 철근이 매립된 시편을 제작하여 두께 측정을 실시하였다 시편의 제조에 사용된 모르타르의 배합비 (물 : 시멘트 : 잔골재)는 1 : 2.22 : 5.61 이고, 시편의 크기는 길이 1000 mm X 폭 1(X)0 mm x 두께 140 mm 이며, 모르타르 내부에 직경 19 mm의 철근을 피복두께 (dl) 30 mm로 매립하여 제작하였다.
- 복합 시편은 원자력 발전소 격납건물 벽체 모형 시편을 사용하였다. 이 시편 안에 있는 공동의 위치와 크기가 사전에 공개되지 않은 상태로 실험이 진행되었다.
- 61 이다. 시편의 단면은 길이 900 mm x 폭 600 mm 의 크기에 두께를 100 mm, 150 mm, 200 mm, 250 mm, 그리고 300 mm 로 변화시켜 가면서 실험을 진행하였다
- Photo 1 은 복합 시편의 실물 사진이다. 시편의 크기는 길이 4, 200 mm X 폭 1, 800 mm x 두께 1, 200 mm 이다. 이 시편의뒷표면에는 실제 원자력 발전소 격납건물처럼 철판이 이미 부착되어 있다
- 그리고, 복합시편에는 100 MHz의 중심주파수를 갖는 안테나를 연결해서 사용하였다. 실험에 사용된 안테나는 송신안테나와 수신안테나가 상자 안에 따로 분리되어 있는 형태이다. 수신안테나에서 받은 반사파는 본체 제어부에 저장되고 여기서 측정된 데이터는 신호처리를 위한 데이터 분석용 프로그램에서 분석된다.
성능/효과
- 8 는 1, 500 MHz 안테나를 사용한 실험 결과로서, 900 MHz, 1, 000 MHz 안테나를 사용한 결과와 비교할 때, 투과 깊이가 작아지는 것을 알 수 있다. 1, 500 MHz 안테나를 사용한 경우에는, 신호처리를 하더라도 두께 150 mm 정도까지만 투과가 가능한 것으로 나타났다. 결과적으로 세 안테나 모두 앞표면 신호를 정확히 찾아낼 수 있었다.
- 1, 500 MHz 안테나를 사용한 경우에는, 신호처리를 하더라도 두께 150 mm 정도까지만 투과가 가능한 것으로 나타났다. 결과적으로 세 안테나 모두 앞표면 신호를 정확히 찾아낼 수 있었다.
- 결과적으로 저주파로 갈수록 투과 깊이가 깊어지는 반면에 분석의 정확도는 떨어지고, 고주파로 갈수록 투과 깊이가 얕아지지만 해상도가 높아져서 좀 더 정확한 깊이를 측정할 수 있다는 것을 알 수 있다.
- 9는 원신호를 신호 처리한 것으로 이를 통해 철근이 매립된 시편의 경우 뒷면을 찾아내는데 어려움은 없었다 실험 결과에서 보는 바와 같이, 뒷면에 부착된 철판에 의한 신호와 철판이 없는 경우의 신호를 명확하게 구분해낼 수 있었고, 그 두 신호의 차이를 통하여 뒷면을 정확하게 찾아낼 수 있었다. 결과적으로 철근 간섭은 두께 측정에 있어 큰 영향을 주지 않는 것으로 나타났다.
- 또한 응용시편에 대한 두께 측정에 있어서도 100 MHz 안테나를 사용하여 두께를 정확하게 측정할 수 있었다. 시편 뒷면에 철판을 대었을 경우 그렇지 않았을 경우보다 뒷표면을 확인하는 것 이용이 하였고, 더욱이 두 경우의 차이값을 구하는 신호처리과정을 거치면 뒷표면의 위치가 선명하게 나타났다.
- 또한 공동이 매립된 시편과 철근이 매립된 시편에 대해서도 두께를 측정하였다. 이러한 모든 실험에서 모르타르 시편의 두께를 측정할 수 있었고, 두께 측정의 가능성을 모두 확인하였다. 또한 응용시편에 대한 두께 측정에 있어서도 100 MHz 안테나를 사용하여 두께를 정확하게 측정할 수 있었다.
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