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문제 정의
- Figure 1. Rock types and microphotographs of experimental objects in this study. (A) YG; Yangju Granite, (B) GG; Geochang Granite, (C) IG; Iksan Granite, (D) NG; Namsan Granite, (E) GB; Chungju Gabbro, (F) QD; Gongju Quartz Diorite.
- 그러나 석조문화재의 초음파 측정에서는 아직까지 직접 및 간접전달방법에 대한 보정식과 보정계수가 없는 실정이다. 따라서 이 연구에서는 이러한 보정식과 보정계수를 획득하기 위하여 직접 및 간접전달방법 사이의 상관관계를 분석하였다. 이를 위해 우선 각 암석에 유형 2~5의 간접전달방법으로 초음파속도를 측정하였다.
- 따라서 이 연구에서는 초음파 측정의 과학적이며 정량적인 평가기술을 개발하기 위해 석조문화재 재질에 적합한 탐사방법을 설정하고 데이터의 신뢰도를 확보하기 위한 실험을 수행하였다. 이를 위해 석조문화재의 초음파탐사에 적합한 탐촉자 및 접촉매질을 선정하였고, 암종별 직접 및 간접전달방법의 초음파속도를 비교하여 상관관계를 분석하였다.
- 이 연구에서는 석조문화재의 초음파 측정 방법을 설정하기 위해 국내의 대표적인 화강암 4종과 반려암 및 석영섬록암을 20㎝ 정육면체 공시체로 제작하여 실험을 수행하였다. 이중 화강암은 양주, 거창, 익산 및 경주 남산에서 채취하였고(Figure 1A~1D), 반려암은 충주(Figure 1E), 석영섬록암은 공주에서 획득하였다(Figure 1F).
- 이 연구에서는 석조문화재의 초음파 측정에 적합한 탐사방법을 설정하고, 초음파속도의 신뢰도를 확보하기 위해 다양한 실험을 수행하였다. 이를 종합하면, 석조문화재의 초음파탐사는 UTREXTX(RX)54㎑ 탐촉자와 접촉매질로 고무찰흙을 사용한 유형 3이 가장 적합한 것으로 나타났다.
제안 방법
- 1. 이 연구에서는 6종의 암석을 공시체로 제작하고, 탐촉자 및 접촉매질에 따라 5개의 유형으로 구분하여 석조문화재의 초음파 측정에 적합한 탐촉자 및 접촉매질을 선정하였고, 직접 및 간접전달방법의 상관관계를 분석하였다.
- 이를 위해 우선 각 암석에 유형 2~5의 간접전달방법으로 초음파속도를 측정하였다. 그런 다음 동일암석의 축에 대하여 유형 1의 직접전달방법으로 초음파속도를 측정하여 비교하였다.
- . 따라서 이 실험에서는 동일 지점에 대해서 발신자와 수신자를 교환하면서 2회 측정하였고, 데이터의 신뢰도를 향상시키기 위해 전파시간의 오차범위를 2% 이내로 규정하였다.
- 이중 고무찰흙은 손쉽게 사용할 수 있으나 실리콘은 많은 종류가 있어 별도의 실험 없이는 쉽게 적용할 수 없는 단점이 있다. 따라서 이 실험의 건조성 접촉매질로는 고무찰흙을 선정하여 비교실험을 수행하였다.
- 만일 초음파속도의 분포 구간이 저속도부터 고속도대까지 넓은 분포를 나타내고, 앞으로 다양한 암석들의 데이터가 확보된다면 이 실험에서 산출된 상관계수보다 높을 것으로 판단된다. 따라서 이 실험의 직접 및 간접전달방법 속도보정은 회귀식을 이용하지 않고 보정계수를 산출하는 방법을 선택하였다(Figure 8, Table 5). 이 결과, 양주화강암은 유형 2에서 1.
- 이는 54㎑ 탐촉자의 경우 조립질 이하의 암석까지 모두 적용할 수 있다는 것을 지시하는 것이며, 220㎑ 탐촉자는 조립질보다는 중립질 이하의 암석에 적합하다는 것을 의미한다. 따라서 이 연구에서는 54㎑와 220㎑의 주파수를 갖는 탐촉자들을 이용하여 주파수에 따른 초음파속도 분석을 실시하였고, 이를 통해 석조문화재의 초음파 측정에 적합한 탐촉자를 선정하였다.
- 이와 같이 각 면을 기준으로 초음파 전달방향에 따라 한 공시체당 12개의 축방향이 설정되었다(Table 3). 설정된 각 축은 발신자-수신자, 수신자-발신자 방법으로 총 2회씩 5개 지점에서 초음파속가 측정되었다. 이를 통해 한 공시체당 산출된 초음파속도는 직접 및 간접전달방법 각각 120개씩이다.
- 실험방법은 앞에서 설정한 탐촉자, 접촉매질, 탐사거리 및 측정점을 기본으로 각 암석별 6면에 A1과 A2(x축 방향에 수직인 면), B1과 B2(y축 방향에 수직인 면), C1과 C2(z축 방향에 수직인 면)을 지정하였다. 이후 동일지점에 대한 대응축을 지정하여 직접전달방법과 간접전달방법의 초음파속도를 비교하였다(Figure 3A, 3B).
- 우선 유형별 간접전달방법의 초음파속도를 자세히 살펴보았다. 이 결과, 반려암을 제외한 모든 암석은 유형 5가 가장 빠른 것으로 나타났다.
- 접촉매질은 젤타입의 수용성 글리세린(Couplant)과 건조 접촉매질인 고무찰흙을 사용하였다(Figure 2D). 이 연구에서는 이상의 탐촉자와 접촉매질을 유형 1에서 5까지 구분하여 실험을 수행하였다(Table 2).
- 따라서 이 연구에서는 초음파 측정의 과학적이며 정량적인 평가기술을 개발하기 위해 석조문화재 재질에 적합한 탐사방법을 설정하고 데이터의 신뢰도를 확보하기 위한 실험을 수행하였다. 이를 위해 석조문화재의 초음파탐사에 적합한 탐촉자 및 접촉매질을 선정하였고, 암종별 직접 및 간접전달방법의 초음파속도를 비교하여 상관관계를 분석하였다. 이 연구결과는 석조문화재의 초음파 측정 및 평가법을 확립하는데 크게 기여를 할 것으로 판단된다.
- 따라서 이 연구에서는 이러한 보정식과 보정계수를 획득하기 위하여 직접 및 간접전달방법 사이의 상관관계를 분석하였다. 이를 위해 우선 각 암석에 유형 2~5의 간접전달방법으로 초음파속도를 측정하였다. 그런 다음 동일암석의 축에 대하여 유형 1의 직접전달방법으로 초음파속도를 측정하여 비교하였다.
- 실험방법은 앞에서 설정한 탐촉자, 접촉매질, 탐사거리 및 측정점을 기본으로 각 암석별 6면에 A1과 A2(x축 방향에 수직인 면), B1과 B2(y축 방향에 수직인 면), C1과 C2(z축 방향에 수직인 면)을 지정하였다. 이후 동일지점에 대한 대응축을 지정하여 직접전달방법과 간접전달방법의 초음파속도를 비교하였다(Figure 3A, 3B). 예를 들면, C1면의 간접전달방법은 y축 방향으로 초음파가 전달되기 때문에 C1-y로 명명하였고, 이에 대응하는 직접전달방법은 y축 방향에 수직한 B1과 B2면이므로 B-y(T)로 명명하였다(Figure 3C).
대상 데이터
- 이중 유형 1과 2의 경우에는 초음파 측정 동안 각 탐촉자에서 가장 이상적인 초음파속도를 획득할 수 있는 조건이므로 비교대상으로 설정하였다. 유형 3~5는 석조문화재에 직접 적용할 수 있는 유형이므로 실험대상으로 선정하였다. 이 실험의 탐촉자 간 거리는 임홍절 외(2002)가 제안한 15㎝ 이상을 만족하는 16㎝(간접전달방법)와 20㎝(직접전달방법)로 설정하였다14.
- 이 실험에 사용된 초음파 탐사기는 암석 및 콘크리트 분야에서 널리 사용되고 있는 영국 CNS Farnell사의 PUNDITplus이다. 이때 측정조건은 발신자 전압을 1200V로 하고, 초음파 펄스는 1초에 10회가 발생하는 연속모드로 설정하였다.
- . 이 연구에 사용된 탐촉자의 주파수는 54㎑와 220㎑이고, 일반적인 암석의 초음파속도는 주로 500~6,000㎧ 범위에서 측정된다. 따라서 54㎑의 주파수를 갖는 탐촉자는 0.
- 이중 유형 1과 2의 경우에는 초음파 측정 동안 각 탐촉자에서 가장 이상적인 초음파속도를 획득할 수 있는 조건이므로 비교대상으로 설정하였다. 유형 3~5는 석조문화재에 직접 적용할 수 있는 유형이므로 실험대상으로 선정하였다.
- 이 연구에서는 석조문화재의 초음파 측정 방법을 설정하기 위해 국내의 대표적인 화강암 4종과 반려암 및 석영섬록암을 20㎝ 정육면체 공시체로 제작하여 실험을 수행하였다. 이중 화강암은 양주, 거창, 익산 및 경주 남산에서 채취하였고(Figure 1A~1D), 반려암은 충주(Figure 1E), 석영섬록암은 공주에서 획득하였다(Figure 1F). 특히 경주 남산화강암은 불국사 석가탑 및 다보탑과 남산지역 석조문화재의 원산지 암석으로 규명된 바 있으며13, 공주 석영섬록암은 마곡사오층석탑의 원산지로 보고된 바 있다6 .
- 또한 탐촉자는 현재 국내에서 시판되고 있는 탐촉자 중 P파 전용으로 사용되고 있는 UTR54㎑(Figure 2A), 거친면에 사용하는 UTREXTX(RX)54㎑(Figure 2B), 자체 실리콘 접촉매질을 가지고 있는 UTR220㎑이다(Figure 2C). 접촉매질은 젤타입의 수용성 글리세린(Couplant)과 건조 접촉매질인 고무찰흙을 사용하였다(Figure 2D). 이 연구에서는 이상의 탐촉자와 접촉매질을 유형 1에서 5까지 구분하여 실험을 수행하였다(Table 2).
데이터처리
- 일반적으로 두변수들의 상호간 관련성을 규명하기 위해서는 수학적 모형을 데이터로부터 추정하는 회귀분석이 주로 사용된다. 따라서 이 연구에서는 동일암석과 축에서 측정된 직접 및 간접전달방법의 초음파속도를 이용하여 회귀 분석을 실시하였다. 우선 화강암 4종에 대한 회귀분석 결과, 유형 2는 Vd=1.
이론/모형
-
Figure 7. Regression analysis results using the mean ultrasonic velocity of direct-indirect method.
- Figure 6. Regression analysis results using the ultrasonic velocity of direct-indirect method.
성능/효과
- 2. 초음파속도 측정 결과, 대부분의 유형에서 축 방향별로 경향성이 잘 일치하였으며, 간접전달방법보다는 직접전달방법의 초음파속도가 더욱 뚜렷한 경향을 보였다. 또한 동일축에서 획득한 초음파속도는 간접전달방법보다 직접 전달방법에서 높게 나타났다.
- 3. 탐촉자 및 접촉매질 선정실험 결과, 유형 3의 탐촉자 (UTREXTX(RX)54㎑와 접촉매질(고무찰흙)이 석조문화재의 초음파탐사에 가장 적합한 것으로 판단된다. 특히 직접전달방법의 초음파속도는 유형 3이 유형 4보다 18~56㎧정도 높게 나타났다.
- 4. 직접 및 간접전달방법의 상관관계 분석 결과, 유형 3의 암종별 보정계수는 양주화강암 1.49, 거창화강암 1.49, 익산화강암 1.49, 경주 남산화강암 1.51로 평균 1.50으로 산출되었고, 반려암은 1.38, 석영섬록암은 1.58로 나타났다.
- 39의 보정계수를 가졌다. 경주 남산화강암은 유형 2에서 1.48, 유형 3에서 1.51, 유형 4에서 1.53으로 평균 1.51로 산출되었고, 유형 5는 1.45로 확인되었다. 한편 반려암은 유형 2에서 1.
- 이 유형 3과 4를 자세히 비교하면, 간접전달방법의 유형 3은 거창화강암, 남산화강암, 석영섬록암에서 빠른 초음파 속도를 나타냈고, 유형 4는 양주화강암, 익산화강암, 반려암에서 빠른 초음파속도를 보였다. 그러나 직접전달방법의 초음파속도는 모든 축과 암석에서 유형 3이 유형 4에 비해 상대적으로 18~56㎧ 정도 높게 나타났다(Table 4). 이처럼 유형 3이 4보다 높은 초음파속도를 보이는 것은 접촉매질로 사용한 고무찰흙이 암석 표면과 탐촉자 사이의 공극을 없애면서 탐촉자를 암석표면에 충분히 밀착시켰기 때문이라고 판단된다.
- 40을 나타냈다. 두 개의 석영섬록암은 유형 2에서 1.58과 1.60, 유형 3에서 모두 1.58, 유형 4에서 1.59와 1.61을 보였고, 평균 보정계수는 1.58과 1.60으로 산출되었다. 유형 5의 보정계수는 1.
- 58의 보정계수를 보였다. 따라서 유형 3의 간접전달방법으로 석조문화재의 초음파탐사를 실시할 경우 초음파속도의 보정은 화강암의 경우 1.50, 반려암의 경우 1.38, 석영섬록암의 경우 1.58이라는 보정계수를 적용해야 할 것으로 판단된다.
- 또한 각 축에서 5개씩 측정한 초음파속도를 평균하여 회귀분석을 실시한 결과, 값의 집중도가 좋아졌으며, 특히 직접 및 간접전달방법의 상관계수 범위가 0.76~0.87로 약 0.5정도 높아졌다(Figure 7). 그러나 이 실험에 사용된 암석 들은 상대적으로 신선하여 초음파속도의 저속도대 구간까지는 회귀식을 도출할 수 없었다.
- 초음파속도 측정 결과, 대부분의 유형에서 축 방향별로 경향성이 잘 일치하였으며, 간접전달방법보다는 직접전달방법의 초음파속도가 더욱 뚜렷한 경향을 보였다. 또한 동일축에서 획득한 초음파속도는 간접전달방법보다 직접 전달방법에서 높게 나타났다.
- 탐촉자 및 접촉매질 선정 실험결과, 대부분의 유형에서축 방향별로 경향성이 잘 일치하였으며, 간접전달방법보다는 직접전달방법이 더욱 뚜렷한 경향을 보였다(Figure 4). 또한 동일축의 초음파속도는 간접전달방법보다 직접전달 방법이 높게 나타났다. 이처럼 직접 및 간접전달방법의 초음파속도가 큰 차이를 보인 이유는 크게 두 가지의 이유로 설명할 수 있다.
- 이를 종합하면, 석조문화재의 초음파탐사는 UTREXTX(RX)54㎑ 탐촉자와 접촉매질로 고무찰흙을 사용한 유형 3이 가장 적합한 것으로 나타났다. 또한 유형 3의 간접전달방법으로 측정된 초음파속도의 보정계수는 화강암 1.50, 반려암 1.38, 석영섬록암 1.58로 산출되었다. 이러한 초음파탐사 방법과 간접전달방법의 보정계수는 석조문화재에 그대로 적용되어 비파괴진단의 신뢰도를 높이는 중요한 역할을 할 것으로 기대된다.
- 특히 유형 5의 경우 화강암 4종의 초음파속도는 다른 유형과 큰 차이 없이 미세하게 높았으나 석영섬록암에서는 약 1,000㎧ 정도의 차이를 보였다. 또한 직접전달방법의 초음파속도는 모든 암석에서 유형 1이 가장 높은 것을 알 수 있는데, 이는 간접전달방법의 보정을 위한 기준속도가 될 수 있음을 말해준다. 유형 1 다음으로는 실리콘 재질의 자체 접촉매질을 가지고 있는 유형 5가 유형 2~4에 비해 상대적으로 높은 초음파속도를 나타냈다(Figure 4).
- 따라서 이 연구에서는 동일암석과 축에서 측정된 직접 및 간접전달방법의 초음파속도를 이용하여 회귀 분석을 실시하였다. 우선 화강암 4종에 대한 회귀분석 결과, 유형 2는 Vd=1.31Vi+337.25(R2=0.78)라는 회귀식을 얻었고, 유형 3은 Vd=1.44Vi+129.77 (R2=0.71), 유형 4는 Vd=1.33Vi+384.95(R2=0.73), 유형 5는 Vd=1.11Vi+752.62 (R2=0.82)의 회귀식이 산출되었다(Figure 6).
- 우선 유형별 간접전달방법의 초음파속도를 자세히 살펴보았다. 이 결과, 반려암을 제외한 모든 암석은 유형 5가 가장 빠른 것으로 나타났다. 특히 유형 5의 경우 화강암 4종의 초음파속도는 다른 유형과 큰 차이 없이 미세하게 높았으나 석영섬록암에서는 약 1,000㎧ 정도의 차이를 보였다.
- 따라서 이 실험의 직접 및 간접전달방법 속도보정은 회귀식을 이용하지 않고 보정계수를 산출하는 방법을 선택하였다(Figure 8, Table 5). 이 결과, 양주화강암은 유형 2에서 1.42, 유형 3에서 1.49, 유형 4에서 1.46으로 평균 1.46의 보정계수를 나타냈고, 유형 5는 1.37로 계산되었다. 거창화강암은 유형 2에서 1.
- 이 유형 3과 4를 자세히 비교하면, 간접전달방법의 유형 3은 거창화강암, 남산화강암, 석영섬록암에서 빠른 초음파 속도를 나타냈고, 유형 4는 양주화강암, 익산화강암, 반려암에서 빠른 초음파속도를 보였다. 그러나 직접전달방법의 초음파속도는 모든 축과 암석에서 유형 3이 유형 4에 비해 상대적으로 18~56㎧ 정도 높게 나타났다(Table 4).
- 이 연구에서는 석조문화재의 초음파 측정에 적합한 탐사방법을 설정하고, 초음파속도의 신뢰도를 확보하기 위해 다양한 실험을 수행하였다. 이를 종합하면, 석조문화재의 초음파탐사는 UTREXTX(RX)54㎑ 탐촉자와 접촉매질로 고무찰흙을 사용한 유형 3이 가장 적합한 것으로 나타났다. 또한 유형 3의 간접전달방법으로 측정된 초음파속도의 보정계수는 화강암 1.
- 이상의 실험결과를 종합한 결과, 석조문화재의 초음파 탐사는 유형 3의 탐촉자와 접촉매질이 적합한 것으로 판단된다. 특히 이 방법은 접촉매질로 고무찰흙을 사용하기 때문에 풍화가 심한 석조문화재의 표면에 더욱 활용도가 높을 것으로 사료된다.
- 탐촉자 및 접촉매질 선정 실험결과, 대부분의 유형에서축 방향별로 경향성이 잘 일치하였으며, 간접전달방법보다는 직접전달방법이 더욱 뚜렷한 경향을 보였다(Figure 4). 또한 동일축의 초음파속도는 간접전달방법보다 직접전달 방법이 높게 나타났다.
- 그러나 이 실험에 사용된 암석 들은 상대적으로 신선하여 초음파속도의 저속도대 구간까지는 회귀식을 도출할 수 없었다. 한편 남산화강암을 제외한 모든 화강암의 물성이 유사하여 일정 속도 구간에 집중되는 경향을 보였으며, 완벽한 추정회귀선을 만들만큼의데이터 분포가 충분하지는 않은 것으로 나타났다.
후속연구
- 5. 이 연구는 석조문화재 초음파 측정의 신뢰도를 높이기 위한 최초의 연구로서 앞으로 지속적인 보완연구가 수행되어야 할 것이다. 이를 위해 탐촉자 및 접촉매질 선정 실험에서는 암석의 표면요철도를 고려하여 다양한 종류의 접촉매질을 비교분석해야 할 것이다.
- 6. 직접 및 간접전달방법의 정확한 보정을 위해서는 매우 풍화가 심한 암석부터 신선한 암석까지 다양한 범위의 초음파속도를 측정하여 서로의 상관관계를 분석하고, 석조 문화재의 산지별 암석에 대한 보정계수를 산출하여 지속적인 데이터베이스를 구축해야 할 것으로 판단된다.
- 그러나 이 연구는 초음파탐사의 신뢰도를 높이기 위한 최초의 연구로서 앞으로 지속적인 보완연구도 수행되어야할 것이다. 우선 석조문화재에 적용 가능한 접촉매질의 경우, 이 연구에서는 실리콘 등과 같은 다른 건조성 접촉매질은 다루지 않았다.
- 한편 간접전달방법은 직접전달방법에 비해 초음파 감도가 좋지 않으므로 이러한 영향에 더욱 민감할 수 있다. 따라서 석조문화재의 초음파 측정에 적합한 탐촉자는 UTREXTX(RX)54㎑ 탐촉자를 사용하는 유형 3과 4중에서 선택해야 할 것으로 판단된다.
- 그러나 이 연구에서는 앞서 언급하였듯이 실험에 사용된 암석들의 물성이 거의 유사하여 초음파속도가 일정 구간에 집중되는 경향을 보였고, 이로 인해 완벽한 추정회귀선을 만들 수 없었다. 따라서 직접 및 간접전달방법의 정확한 보정을 위해서는 매우 풍화가 심한 암석부터 신선한 암석까지 다양한 범위의 초음파속도를 측정하여 서로의 상관관계를 분석해야 할 것이다.
- 또한 실험에 사용된 6종의 암석 표면은 석조문화재처럼 표면요철이 없어 요철상태에 적합한 탐촉자 및 접촉매질의 특성을 살피지 못했다. 따라서 향후 탐촉자 및 접촉매질 선정 실험에서는 다양한 종류의 접촉매질과 표면 요철도를 고려한 결과를 제시해야 할 것이다.
- 만일 초음파속도의 분포 구간이 저속도부터 고속도대까지 넓은 분포를 나타내고, 앞으로 다양한 암석들의 데이터가 확보된다면 이 실험에서 산출된 상관계수보다 높을 것으로 판단된다. 따라서 이 실험의 직접 및 간접전달방법 속도보정은 회귀식을 이용하지 않고 보정계수를 산출하는 방법을 선택하였다(Figure 8, Table 5).
- 이를 위해 석조문화재의 초음파탐사에 적합한 탐촉자 및 접촉매질을 선정하였고, 암종별 직접 및 간접전달방법의 초음파속도를 비교하여 상관관계를 분석하였다. 이 연구결과는 석조문화재의 초음파 측정 및 평가법을 확립하는데 크게 기여를 할 것으로 판단된다.
- 58로 산출되었다. 이러한 초음파탐사 방법과 간접전달방법의 보정계수는 석조문화재에 그대로 적용되어 비파괴진단의 신뢰도를 높이는 중요한 역할을 할 것으로 기대된다.
- 이 연구는 석조문화재 초음파 측정의 신뢰도를 높이기 위한 최초의 연구로서 앞으로 지속적인 보완연구가 수행되어야 할 것이다. 이를 위해 탐촉자 및 접촉매질 선정 실험에서는 암석의 표면요철도를 고려하여 다양한 종류의 접촉매질을 비교분석해야 할 것이다.
- 이상의 실험결과를 종합한 결과, 석조문화재의 초음파 탐사는 유형 3의 탐촉자와 접촉매질이 적합한 것으로 판단된다. 특히 이 방법은 접촉매질로 고무찰흙을 사용하기 때문에 풍화가 심한 석조문화재의 표면에 더욱 활용도가 높을 것으로 사료된다.
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