전자기유도법과 전자파레이더법을 이용한 각종인자에 따른 철근탐사의 신뢰성에 관한 연구 A Study on the Reliability of Detecting Reinforcement Embedded in Concrete in Various Factors Using Electromagnetic Induction Method and Electromagnetic Wave Method원문보기
콘크리트 구조물 내의 철근탐사는 구조물의 상태를 평가하는 가장 중요한 단계중의 하나이다. 콘크리트 내의 철근 탐사 장비는 전자파레이더법과 전자기 유도법의 원리를 적용하고 있으며, 본 연구에서는 두 가지 원리를 적용한 비파괴시험장비의 철근직경, 피복두께 및 습윤상태에 따른 철근탐사 신뢰성을 시험적으로 분석하였다. 시험에는 1,000mm(길이)${\times}$300mm(폭)인 9개의 콘크리트 시험체가 이용되었으며, 시험체내 철근의 피복두께는 45, 60, 100mm로 변화시키고 배근간격은 100mm이상으로 하였다. 시험결과, 전자기 유도법의 경우, 철근직경이 커짐에 따라 오차가 증가하는 것으로 나타났다. 그 반면에 전자파레이더법의 경우, 실제 피복두께에 맞는 비유전율에 따라 계측하여 깊은 심도의 경우에도 신뢰성이 우수한 것으로 나타났다.
콘크리트 구조물 내의 철근탐사는 구조물의 상태를 평가하는 가장 중요한 단계중의 하나이다. 콘크리트 내의 철근 탐사 장비는 전자파레이더법과 전자기 유도법의 원리를 적용하고 있으며, 본 연구에서는 두 가지 원리를 적용한 비파괴시험장비의 철근직경, 피복두께 및 습윤상태에 따른 철근탐사 신뢰성을 시험적으로 분석하였다. 시험에는 1,000mm(길이)${\times}$300mm(폭)인 9개의 콘크리트 시험체가 이용되었으며, 시험체내 철근의 피복두께는 45, 60, 100mm로 변화시키고 배근간격은 100mm이상으로 하였다. 시험결과, 전자기 유도법의 경우, 철근직경이 커짐에 따라 오차가 증가하는 것으로 나타났다. 그 반면에 전자파레이더법의 경우, 실제 피복두께에 맞는 비유전율에 따라 계측하여 깊은 심도의 경우에도 신뢰성이 우수한 것으로 나타났다.
Probing inside of concrete structures is one of the important steps in assessing condition of the structure. For the assessment, electromagnetic induction method and electromagnetic wave method are currently applied to the measurement of cover depth, and the detection of reinforcement embedded in co...
Probing inside of concrete structures is one of the important steps in assessing condition of the structure. For the assessment, electromagnetic induction method and electromagnetic wave method are currently applied to the measurement of cover depth, and the detection of reinforcement embedded in concrete. To determine detection capability of locating reinforcement embedded in concrete, commercially available nondestructive testing (NDT) equipments have been tested. The equipments include electromagnetic wave system and electromagnetic induction system. In the tests, nine concrete specimens which have the dimensions of 1,000mm(length))${\times}$300mm(width) with thickness varying from 125mm to 150mm are used. The reinforcement are located at 45, 60, 100mm depth from the concrete surface. Horizontal reinforcement spacing has been set over 100mm. From the outcome, it is shown that error is increased as the diameter of reinforcement enlarge in case of using electromagnetic induction method. In case of using electromagnetic wave method, the detection of reinforcement embedded in deep is good in the view of reliability because of using the relative permittivity on the real cover depth.
Probing inside of concrete structures is one of the important steps in assessing condition of the structure. For the assessment, electromagnetic induction method and electromagnetic wave method are currently applied to the measurement of cover depth, and the detection of reinforcement embedded in concrete. To determine detection capability of locating reinforcement embedded in concrete, commercially available nondestructive testing (NDT) equipments have been tested. The equipments include electromagnetic wave system and electromagnetic induction system. In the tests, nine concrete specimens which have the dimensions of 1,000mm(length))${\times}$300mm(width) with thickness varying from 125mm to 150mm are used. The reinforcement are located at 45, 60, 100mm depth from the concrete surface. Horizontal reinforcement spacing has been set over 100mm. From the outcome, it is shown that error is increased as the diameter of reinforcement enlarge in case of using electromagnetic induction method. In case of using electromagnetic wave method, the detection of reinforcement embedded in deep is good in the view of reliability because of using the relative permittivity on the real cover depth.
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문제 정의
따라서 본 연구에서는 배근제원의 실측이 가능한 각 인자별 시험체를 일반적으로 사용되는 전자기유도법과 전자파 레이더법의 장비를 이용하여 철근의 직경, 피복 두께 및 습윤상태에 따라 계측을 실시하고 분석하여 이러한 인자에 대한 신뢰성에 대하여 알아보고자 한다.
가설 설정
각 피복깊이에 따른 가설검정을 위해 "실측값과 A 와 B의 계측값은 동일하다"라는 귀무가설(歸無假說, null hypothesis)을 세웠다.
제안 방법
t 검정 쌍체비교결과는 Table 4와 같다. 귀무가설은 두 그룹의 데이터의 크기를 예측할 수 없는 경우에 해당하므로, "실측치=B"라고 가정하여 5% 유의수준 내에서 양측 검정을 실시하였다.
필요하다.(11) 본 시험에서는 피복두께에 대한 실측이 가능하므로 실제 피복두께에 근접하도록 장비의 7가지 측정모드(mode)중 최적 모드를 선정하여 측정 (KS F 2735 : 2004, Table 1에 따라 6.2〜 10.7 범위의 비유전율을 -3 〜 3cm 만큼 보정)하였다. Fig.
본 연구에서는 철근콘크리트구조물의 철근탐사에 대한 신뢰성 제고의 일환으로 철근탐사 신뢰도의 주요인 자인 철근직경, 피복두께, 습윤상태별 시험 및 결과분석을 실시하였다. 그 결과, 기존 문헌⑶, (10),(14)의 내용과도 잘 일치하는 것으로 나타났다.
시험방법은 시험체 좌측에서 우측으로, 반대로 우측에서 좌측으로 각각 5회씩 총 10회를 실시한 후 시험체의 중앙에 배근된 4개의 철근 피복두께에 대한 시험체 각각의 계측값(총 40개)을 대상으로 분석하였다.
시험체를 습윤조건으로 만들기 위해 수조에 48시간 침수 후 바로 꺼낸 경우, 일정시간 건조후, 기건상태로 구분하였다. 시험체의 상대수분함량은 실제 현장 조건인 기건상태를 기준으로 식 2와 같이 계산하였다.
시험체의 습윤상태에 따른 영향을 분석하기 위하여 기존의 기건상태와 상대수분함량 2.6%, 5.8%에 대하여 시험하였다. 시험결과는 Table 6과 같으며 이에 대한 대표적인 그래프를 Fig.
연구목적 특성상 장비명을 비공개로 하였으며 편의상 전자기유도법의 장비(자기감응방식, 제조국가 : 스위스)를 A, 전자파레이더법의 장비(레이더방식, 제조국가 : 일본, 주파수범위 : 400〜950MHz, 깊이보정 : 7단계)를 B로 지정하였다.
주요 인자별 분석은 콘크리트 시험체에 매입된 철근들의 직경, 피복두께, 콘크리트의 습윤상태에 대해 각각 수행하였다.
대상 데이터
사용된 철근은 D13, D19, D25이다.
철근탐사 계측결과의 신뢰성 평가를 위하여 철근직경 D13에서 D25, 철근간격 100mm이상, 피복두께 45mm에서 100mm인 1, 000mm(길이) x300mm(폭) (fck = 21MPa, W/C = 55, C = 160kg/m3, S = 291kg/m3, G=832kg/m3, Gmax=$25) 콘크리트 시험체 9 개를 이용하여 시험하였고, Fig. 3에 시험체의 제원을 도시하였다. Table 1은 본 시험에 적용한 각 인자를 나타낸 것이고, Photo 1, 2는 시험체 전경 및 시험전경을 나타낸 사진이며 Fig.
피복두께를 45mm, 60mm, 100mm로 하였다.
데이터처리
변인은 피복이며 피복별 데이터는 3개의 그룹으로 나누어지므로 요인이 하나인 시험에 대한 분산분석에 해당하므로 일원배치법인 One-Way ANOVA 분석을 실시하였다. 일원일류 분산분석은 시험단위들이 처리의 각 수준에 랜덤하게 배정되는 완전확률화 계획법에 의해 시험이 실시되는 것을 전제로 하며, 유의수준 5%에서 Table 3과 같은 결과를 얻었다.
적용하였다. 이 경우 요인 하나에 2 그룹의 데이터만을 비교하여야 하므로 일원일류분산을 적용할 수 없어 t 검정(쌍체 비교)을 실시하였다. t 검정 쌍체비교결과는 Table 4와 같다.
주요 인자별 결과분석를 실시하기 전에 실제 피복값과 측정방법의 표본에 대한 측정결과가 참인지 거짓인지 판정하는 통계적 기법인 가설검정(hypothesis testing)을 위해 Table 2에 피복두께별로 분류하였다. 각 피복깊이에 따른 가설검정을 위해 "실측값과 A 와 B의 계측값은 동일하다"라는 귀무가설(歸無假說, null hypothesis)을 세웠다.
이론/모형
피복 100mm에서 전자기유도법을 적용하지 못하는 관계로 B방법에 의해 전자파레이더법에 의한 계측값만 적용하였다. 이 경우 요인 하나에 2 그룹의 데이터만을 비교하여야 하므로 일원일류분산을 적용할 수 없어 t 검정(쌍체 비교)을 실시하였다.
성능/효과
1) 철근직경에 대한 영향은 전자기유도법의 경우 철근 직경이 증가함에 따라 오차가 증가하여 최대 5.4%의 오차율을 나타내었다. 반면에 전자파 레이더법의 경우는 철근직경의 영향이 작은 것으로 나타났다.
2) 피복두께에 대한 영향은 전자파레이더법의 경우 피복두께가 증가함에 따라 오차율은 대체적으로 감소하는 경향을 보였으며, 이는 장비 특성상 콘크리트 상태에 적합한 비유전율의 조절이 가능하기 때문인것으로 사료된다. 한편, 전자기유도법은 피복두께 100mm인 경우 자기장의 영역이 멀어져 측정이 불가하였으며, 철근직경의 간섭이 적은 철근직경이 작은 경우①13이하)의 결과를 고려할 때 피복이 증가할수록 오차율은 증가하는 경향을 나타내는 것으로 판단된다.
3) 습윤상태에 대한 영향은 전자파레이더법의 경우에 수분함량 증가에 따라 오차율이 증가하는 것으로 나타났다. 이는 상대수분함량의 증가와 함께 전도율 및 비유전율이 증가하면서 오차율이 커지는 것으로 판단된다.
실시하였다. 그 결과, 기존 문헌⑶, (10),(14)의 내용과도 잘 일치하는 것으로 나타났다. 요약하면, 전자기유도법의 경우, 철근직경 및 피복두께가 증가함에 따라 오차가 증가하며 전자파레이더법의 경우, 실제 피복두께에 맞는 비유전율에 따라 계측하여 깊은 심도의 경우에도 신뢰성이 우수한 것으로 나타났다.
동일한 피복두께에 대해 상대수분함량이 변화할 때의 영향을 분석하여 보면 전자기유도법의 경우 수분함량이 증가하여도 대체적으로 오차율의 변화가 적은 경향을 나타내었으며 반면에 전자파레이더법의 경우 대체적으로 수분함량이 증가함에 따라 오차율도 증가하여 2.6% 상대습윤상태에서 오차율이 8.1%까지 증가하는 것으로 나타났다. 이는 임홍철(1999)(1이에 의하면 전자파는 매질의 전도율이 낮을수록 더 깊이 투과하므로 습윤상태의 경우가 기건상태보다 전도율이 크기 때문에 전자파의 투과율이 낮아져 오차율이 다소 증가하는 것으로 보인다.
그 결과, 기존 문헌⑶, (10),(14)의 내용과도 잘 일치하는 것으로 나타났다. 요약하면, 전자기유도법의 경우, 철근직경 및 피복두께가 증가함에 따라 오차가 증가하며 전자파레이더법의 경우, 실제 피복두께에 맞는 비유전율에 따라 계측하여 깊은 심도의 경우에도 신뢰성이 우수한 것으로 나타났다. 주요 항목별로 정리하면 다음과 같다.
피복두께가 일정하고 철근직경이 변하는 경우에 대해 분석해보면 전자기유도법은 철근직경이 증가함에 따라 낮은 피복(45mm)에서는 오차율이 증가하는 경향을 보였으며, 깊은 피복(60mm이상)에서는 일관되지 않은 오차율을 나타내었다. 이는 피복이 60mm 이상인 경우에는 장비의 측정한계(약100mm)에 근접하여 자장 검출능력이 저하되기 때문인 것으로 판단되며, 김영환(2000)⑶의 ‘철근직경이 커질수록 자장이 크게 형성되어 철근직경이 작은 동일 배근간격의 조건에 비해 주변의 철근에 더 많은 영향을 받기 때문인것으로 판단된다'는 연구결과와 일치하고 있다.
다만 D19철근의 경우 일부 다른 경향을 나타내고 있는 것은 장비 특성상 적정 비유전율의 선정이 곤란하였기 때문인 것으로 판단된다. 한편, 전자기유도법(장비 A)은 피복두께 100mm인 경우 자기장의 영역이 멀어져 측정이 불가하였으며, 철근지경 D13인 경우 피복이 증가함에 따라 오차율이 증가한 반면, D19 이상인 경우 피복이 증가함에 따라 오차율은 다소 감소하는 경향을 나타내었다. 이는 철근직경이 미치는 자장의 간섭이 발생하기 때문인 것으로 판단되며, 다만 D13과 같이 철근직경이 작은 경우 철근직경의 영향이 배제된 것으로 간주할 때 피복이 증가할수록 오차율은 증가하는 것으로 판단된다.
후속연구
4) 향후 철근탐사의 신뢰성제고를 위한 다양한 조건의 추가 실험이 필요할 것으로 판단되며 또한 콘크리트 내 수분함량의 변화에 따른 전도율 및 비유전율의 정량적인 변화를 파악하기 위한 심도 있는 연구 및 관련 추정식의 제안이 필요할 것으로 사료된다.
참고문헌 (17)
임창덕, "전자파, 방사선, 적외선 등을 이용한 비파괴시험", 한국콘크리트학회, 콘크리트구조물의 비파괴검사 및 안전진단 제2회 기술강좌, 1993. 2
건교부, 시설안전기술공단, "시설물 안전진단 장비의 사용 및 유지관리 매뉴얼", 2000.12. pp. 11-92
Rhim, H. C., "Detection of Steel Reinforcing Bars inside Concrete Using Radar", by Non-Destructive Testing in Civil Engineering, Edited by Taketo Uomoto, 2000, pp. 577-581
Cheng, D.K., "Field and Wave Electromagnetics", Addison-Wesley Pub. Co., Massachusetts, 1989, pp. 703
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