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문제 정의
- 본 연구에서는 인위박리시편을 통하여 전자기파 법과 초음파 법을 이용하여 탄소섬유 보강 콘크리트의 박리를 탐사하는데 성공하였고 효율적인 비파괴 검사기법을 위한 기초를 마련하였다. 본 연구에서 얻은 결론은 다음과 같다.
제안 방법
- 1) 전자기파법의 경우 기존 GPR 안테나 대신 고주파 및 광대역의 특성을 가진 혼 안테나를 이용하여 측정을 실시하였다. 또한 초음파법의 경우에는 공진 주파 수법을 이용하여 박리 측정 용으로 제작된 TR- 300 장비를 사용하여 측정을 실시하였다.
- 기존 GPR (ground penetration radar) 안테나 대신 이득이 높고 광대역의 특성을 가진 혼 안테나 (horn antenna, 안테나 사양은 중심 주파수 Fc=15GHz, 주파수 대역폭 B = 10 GHz, 이 득 Gain = 70 dB)를 사용하여 연구를 수행하였다. 추가적으로 초음파 장비를 이용한 실험을 실시하여 두 가지 기술의 비교분석을 통하여 효율적인 성능평가 기법을 제안하였다.
- 실시하였다. 또한 초음파법의 경우에는 공진 주파 수법을 이용하여 박리 측정 용으로 제작된 TR- 300 장비를 사용하여 측정을 실시하였다.
- 본 연구에서는 중심주파수 15 GHz, 대역폭 10 GHz 의 성능을 가진 혼 안테나를 사용하였다. 박리의 미세한 크기로 인하여 주파수 대역을 높게 잡아야 하지만 주파수가 높아질수록 투과 성능의 효율성이 떨어지는 문제점이 발생하고 측정매질인 FRP가 고주파로 올라갈수록 전자기파를 흡수하는 특성을 가지고 있으므로 이러한 문제점을 고려하여 15 GHz의 적정한 주파수를 선택하였다. 또한 대역폭이 10 GHz 정도의 광대역의 특성을 가지므로 미세 균열에 대한 높은 탐지 능력을 가질 수 있게 되었다.
- 본 연구에서는 먼저 검사의 정밀성과 신뢰성이 우수한 전자기파 법을 이용한 비파괴 검사 기술을 이용하였다. 기존 GPR (ground penetration radar) 안테나 대신 이득이 높고 광대역의 특성을 가진 혼 안테나 (horn antenna, 안테나 사양은 중심 주파수 Fc=15GHz, 주파수 대역폭 B = 10 GHz, 이 득 Gain = 70 dB)를 사용하여 연구를 수행하였다.
- 탐촉자 간의 거리는 선행 연구에서 100~200 mm 가 적절한 유효탐상거리로 판명된 것을 참고로 시편 크기를 고려하여 100 mm로 정하였다', . 상태별로 구분된 각 구역마다 도달 파형의 진폭변화에 대한 비교 분석을 통하여 결과를 나타내었다. 그 결과 무보강 구역 (Zone 1, Zone 2)에서는 도달파형이 극히 미소하였고 보강이 잘된 구역 (Zone 3)에서도 FRP오+ 콘크리트의 음향학적 임피던스가 비슷하여 도달파형이 미소하게 나타났다.
- 검출하는 공진법 등이 있다"). 이번 실험에서는 박리측정용으로 특수 제작된 탐촉자를 이용하여 공진주파수를 보내 파의 변화를 통하여 박리 측정을 실시하였다. 즉 매질의 경계면에서 생기는 진폭의 크기는 음향 학적 임피던스에 의하여 결정되며 수신용 탐촉자는 임피던스에 따라서 반응을 보이게 되는데 매질사이에 공극이 존재하게 되면 탐촉자의 반응이 크게 나타날 것이다.
- 기존 GPR (ground penetration radar) 안테나 대신 이득이 높고 광대역의 특성을 가진 혼 안테나 (horn antenna, 안테나 사양은 중심 주파수 Fc=15GHz, 주파수 대역폭 B = 10 GHz, 이 득 Gain = 70 dB)를 사용하여 연구를 수행하였다. 추가적으로 초음파 장비를 이용한 실험을 실시하여 두 가지 기술의 비교분석을 통하여 효율적인 성능평가 기법을 제안하였다.
- 이 탐촉자는 박리측정용으로 특수제작된 것으로 매질의 임피던스 차에 의하여 수신용 탐촉자에서 신호를 받아들이게된다. 탐촉자 간의 거리는 선행 연구에서 100~200 mm 가 적절한 유효탐상거리로 판명된 것을 참고로 시편 크기를 고려하여 100 mm로 정하였다', . 상태별로 구분된 각 구역마다 도달 파형의 진폭변화에 대한 비교 분석을 통하여 결과를 나타내었다.
대상 데이터
- Zone 1 및 Zone 2는 무보강 콘크리트 시편을, Zone 3 및 Zone 4는 탄소섬유로 보강된 콘크리트 시편을 나타내고 있다. Fig. 4와 같이 인위적인 박리두께를 5mm, 10 mm로 하여 시편을 제작하였으며 FRP 및 에폭시의 두께 는 각각 1.5 mm, 3 mm로 제 작하였다.
- 두께 50 mm, 가로 600 mm, 세로 600 mm 장방형 무근콘크리트 시편을 Fig. 3과 같이 상태가 다른 4구역으로 나누어 제작하였다. 콘크리트 강도는 28일 압축강도 21 MPa로 제작하였고 수중양생 하였다.
- 그러나 기존 GPR 안테나는 표면 반사에 의한 안테나 효율이 감소하고 2 GHz 이내의 낮은 주파수 대역을 가지므로 이번 실험에서는 적합하지가 않았다. 본 연구에서는 중심주파수 15 GHz, 대역폭 10 GHz 의 성능을 가진 혼 안테나를 사용하였다. 박리의 미세한 크기로 인하여 주파수 대역을 높게 잡아야 하지만 주파수가 높아질수록 투과 성능의 효율성이 떨어지는 문제점이 발생하고 측정매질인 FRP가 고주파로 올라갈수록 전자기파를 흡수하는 특성을 가지고 있으므로 이러한 문제점을 고려하여 15 GHz의 적정한 주파수를 선택하였다.
- 실험 시편은 전자기파법을 이용한 실험에서 소개한 시편 (박리 두께 5 mm, 10 mm)을 사용하였다. 이번 실험에서는 콘크리트 균열 측정용으로 제작된 상용화 장비인 TR-300을 이용하였다.
- 또한 주파수를 더 높이면 효과적인 결과가 예상되나 주파수를 높일수록 투과성능이 떨어지는 점을 고려하여 적정 주파수 대역을 설정하여야 한다. 이번 실험에서는 중심주파수 15 GHz, 대역폭 10 GHz의 안테나를 사용하였다.
- (박리 두께 5 mm, 10 mm)을 사용하였다. 이번 실험에서는 콘크리트 균열 측정용으로 제작된 상용화 장비인 TR-300을 이용하였다. 탐촉자는 5 KHz의 주파수를 가진 송수신용 탐촉자를 이용하여 실험을 실시하였다.
- 즉 매질의 경계면에서 생기는 진폭의 크기는 음향 학적 임피던스에 의하여 결정되며 수신용 탐촉자는 임피던스에 따라서 반응을 보이게 되는데 매질사이에 공극이 존재하게 되면 탐촉자의 반응이 크게 나타날 것이다. 측정 장비로는 최근 상용화된 TR 300 초음파 탐상기를 사용하였고 탐촉자의 주파수는 5 KHz를 사용하였다.
- 이번 실험에서는 콘크리트 균열 측정용으로 제작된 상용화 장비인 TR-300을 이용하였다. 탐촉자는 5 KHz의 주파수를 가진 송수신용 탐촉자를 이용하여 실험을 실시하였다. 이 탐촉자는 박리측정용으로 특수제작된 것으로 매질의 임피던스 차에 의하여 수신용 탐촉자에서 신호를 받아들이게된다.
성능/효과
- 2) 중심 주파수 15 GHz, 대역폭 10 GHz의 성능을 가진 혼 안테나 측정 결과 박리 예상 구역에서 신호의 차이를 보이고 있어 박리 유무의 구별이 가능하였다. 단, 박리의 크기를 판별하기 위해서는 안테나의 성능을 높이는 연구가 필요할 것으로 예상된다.
- 3) 초음파 장비 (TR-300)를 이용하여 측정한 결과 박리 유무에 따른 신호가 확실하게 구별이 되었다. 단, 탐촉자의 이격거리 및 측정각도에 따라서 결과물의 차이를 보이고 있어 실구조물에서의 적용을 위해서는 더욱 세밀한 연구가 필요할 것으로 예상된다.
- 4) 전자기파법 및 초음파법을 이용한 실험을 비교하면 박리 유무에 대한 판정이 가능하였다. 그러나 두 방법 모두 적정한 조합의 측정 매개변수를 선정하여적용시켜야지만 더욱 정확하고 정밀한 검사가 가능하였다.
- 상태별로 구분된 각 구역마다 도달 파형의 진폭변화에 대한 비교 분석을 통하여 결과를 나타내었다. 그 결과 무보강 구역 (Zone 1, Zone 2)에서는 도달파형이 극히 미소하였고 보강이 잘된 구역 (Zone 3)에서도 FRP오+ 콘크리트의 음향학적 임피던스가 비슷하여 도달파형이 미소하게 나타났다. 그러나 보강이 제대로 안 된 구역 (Zone 4) 에서는 임피던스의 차에 의하여 수신용 탐촉자에서 받은 도달파형이 큰 진폭을 나타내었다.
- 박리의 미세한 크기로 인하여 주파수 대역을 높게 잡아야 하지만 주파수가 높아질수록 투과 성능의 효율성이 떨어지는 문제점이 발생하고 측정매질인 FRP가 고주파로 올라갈수록 전자기파를 흡수하는 특성을 가지고 있으므로 이러한 문제점을 고려하여 15 GHz의 적정한 주파수를 선택하였다. 또한 대역폭이 10 GHz 정도의 광대역의 특성을 가지므로 미세 균열에 대한 높은 탐지 능력을 가질 수 있게 되었다. Fig.
- 9~12는 time-gating 기능을 이용하여 해당 시간 범위에서 신호를 나타내고 있다. 무보강 구역에서는 스티로폼의 영향으로 인하여 시간이 뒤로 이동됨을 확인하였고 보강 구역에서는 박리의 유무에 따른 신호차가 나타나고 있다.
- 최소화시켜야 한다. 즉 시편 앞면과 시편 뒷면의 두께가 60 mm 정도로 얇기 때문에 시편의 앞면에서 nano second 단위의 시간영역에서 신호를 분석하는 것이 효과적이라고 판단되었다. 따라서 먼저 시간영역에서 시편의 표면에 해당하는 포인트를 찾는 작업을 하였다.
후속연구
- 단, 탐촉자의 이격거리 및 측정각도에 따라서 결과물의 차이를 보이고 있어 실구조물에서의 적용을 위해서는 더욱 세밀한 연구가 필요할 것으로 예상된다.
- 않았다. 즉 도달파형의 진폭만으로는 박리의 크기 및 위치에 대한 정보를 얻을 수가 없었고 또한 탐촉자의 이격 거리 및 탐촉자의 측정 각도에 따라서 결과물이 많은 차이를 보이고 있으므로 적정한 변수를 산정하고 결과 그래프를 분석하는 연구가 추후에 진행되어야 할 것이다.
- 0 으로 적용하였다E3). 콘크리트의 유전율은 배합 시 사용된 골재의 종류, 수분과 염소이온 함량 정도에 따라 변하므로, 유전율 변화에 따른 심층 조사가 추후 필요하다
- 그러나 두 방법 모두 적정한 조합의 측정 매개변수를 선정하여적용시켜야지만 더욱 정확하고 정밀한 검사가 가능하였다. 향후 연구는 이러한 방향으로 진행할 예정이다.
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