콘크리트 구조물 내의 철근탐사는 구조물의 상태를 평가하는 중요한 단계중의 하나이다. 본 연구에서는 비파괴 철근탐사기 중 전자기유도법과 전자파레이터법의 측정 정밀도 제고를 위한 제반 실험을 수행하였다. 시험에 크기가 1,000 mm(길이)${\times}300mm$(폭)이고 철근직경, 피복두께가 각기 다른 4개의 콘크리트 시험체를 이용하였다. 실험은 90일간의 공기중 건조 후와 3, 24, 48시간 및 28일간의 침수 후 실시되었다. 실험결과, 전자기유도법의 경우, 철근직경이 커짐에 따라 오차가 증가하는 것으로 나타났으며, 전자파레이더법의 경우에는 실제 피복두께에 맞는 비유전율에 따라 측정하여 깊은 심도의 경우에도 신뢰도가 우수한 것으로 나타났다. 수분함량이 3.6~5.5%로 증가함에 따라서 콘크리트 시험체의 비유전율도 증가하는 경향을 보이는 것으로 나타났다. 따라서 수분함량이 비유저율을 결정하는데 주요한 영향인자 중의 하나라는 것을 확인할 수 있었으며, 수분함유량에 따른 유전상수 산출식을 도출, 제시하였다.
콘크리트 구조물 내의 철근탐사는 구조물의 상태를 평가하는 중요한 단계중의 하나이다. 본 연구에서는 비파괴 철근탐사기 중 전자기유도법과 전자파레이터법의 측정 정밀도 제고를 위한 제반 실험을 수행하였다. 시험에 크기가 1,000 mm(길이)${\times}300mm$(폭)이고 철근직경, 피복두께가 각기 다른 4개의 콘크리트 시험체를 이용하였다. 실험은 90일간의 공기중 건조 후와 3, 24, 48시간 및 28일간의 침수 후 실시되었다. 실험결과, 전자기유도법의 경우, 철근직경이 커짐에 따라 오차가 증가하는 것으로 나타났으며, 전자파레이더법의 경우에는 실제 피복두께에 맞는 비유전율에 따라 측정하여 깊은 심도의 경우에도 신뢰도가 우수한 것으로 나타났다. 수분함량이 3.6~5.5%로 증가함에 따라서 콘크리트 시험체의 비유전율도 증가하는 경향을 보이는 것으로 나타났다. 따라서 수분함량이 비유저율을 결정하는데 주요한 영향인자 중의 하나라는 것을 확인할 수 있었으며, 수분함유량에 따른 유전상수 산출식을 도출, 제시하였다.
Detecting rebars in side the concrete structures is one of the important steps in assessing condition of the structure. In order to determine the detection capability of locating rebars inside the concrete, two types of equipments, which use radar system and electromagnetic system each, were tested....
Detecting rebars in side the concrete structures is one of the important steps in assessing condition of the structure. In order to determine the detection capability of locating rebars inside the concrete, two types of equipments, which use radar system and electromagnetic system each, were tested. Four concrete specimens which have the dimensions of $1,000mm(length){\times}300mm(width)$ with different thickness and diameter of steel bars were applied. A series of testing was achieved after drying in air for 90 days, immersed in water for 3, 24, 48 hour and 28 day. From the experimental outcome, it is shown that error is increased as the diameter of rebar enlarge in case of electromagnetic method. In case of radar method, the detection of embedded rebars in deep is good in the view of reliability. As moisture content increase from 3.6% to 5.5%, the relative permittivity of concrete test specimens show tendency to increase, too. Therefore, it is shown that moisture content is one of the major contributing factors to determine the relative permittivity. And the relative permittivity regression equation is suggested.
Detecting rebars in side the concrete structures is one of the important steps in assessing condition of the structure. In order to determine the detection capability of locating rebars inside the concrete, two types of equipments, which use radar system and electromagnetic system each, were tested. Four concrete specimens which have the dimensions of $1,000mm(length){\times}300mm(width)$ with different thickness and diameter of steel bars were applied. A series of testing was achieved after drying in air for 90 days, immersed in water for 3, 24, 48 hour and 28 day. From the experimental outcome, it is shown that error is increased as the diameter of rebar enlarge in case of electromagnetic method. In case of radar method, the detection of embedded rebars in deep is good in the view of reliability. As moisture content increase from 3.6% to 5.5%, the relative permittivity of concrete test specimens show tendency to increase, too. Therefore, it is shown that moisture content is one of the major contributing factors to determine the relative permittivity. And the relative permittivity regression equation is suggested.
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문제 정의
본 연구에서는 철근콘크리트구조물의 철근탐사에 대한 신뢰도 향상의 일환으로 철근탐사 신뢰도의 주요인자인 철근직경, 피복두께, 습윤상태별 시험 및 결과분석을 실시하였다. 그 결과, 기존 문헌(김영환, 2000; 임홍철, 1999, 1997)의 내용과도 잘 일치하는 것으로 나타났다.
제안 방법
따라서 본 연구에서는 철근 배근제원의 실측이 가능토록 각 인자별 시험체를 제작하고, 일반적으로 사용되는 전자기 유도법과 전자파레이더법의 장비를 이용하여 철근의 직경, 피복두께 및 표면의 습윤상태 등 주요 영향인자에 따라 실험을 실시·분석하여 이러한 인자의 영향을 평가하였다.
)의 제곱근에 반비례하는 관계이므로 매질에 따른 유전상수의 보정이 필요하다. 본 실험에서는 피복두께에 대한 실측이 가능하므로 이를 이용하여 실측에 근접한 유전상수로 보정한 측정값으로 하였다. 그림 4~5는 유전상수의 보정전과 보정후의 측정값의 일례를 나타낸 것이다.
시험체 표면의 수분함량에 따른 영향을 분석하기 위하여 침수 전 기건상태(3.6%), 침수후 습윤상태(3.9%, 4.7%, 5.0%, 5.5%)에 대하여 시험하였다. 분석대상은 피복두께의 영향이 적은 90~180 mm 깊이의 철근으로 하였다.
시험체를 습윤조건으로 만들기 위해 수조에 3시간~28일간 단계적으로 침수 후 꺼내어 표면의 물기를 부직포로 제거하고 고주파 표면수분측정기(장비C)로 측정하여 구분하였다(표면 40 mm기준 3.6~5.5%).
시험체에 대한 피복두께(D)의 실측이 가능함으로 이에 대한 유전상수를 프로그램에 내장된 화상분석을 통하여 구하였다.
연구목적 특성상 장비의 제조사나 장비명을 비공개로 하였으며 편의상 전자기유도법의 장비를 A, 전자파레이더법의 장비를 B로 지정하였다.
전자파레이더법 탐사방법은 시험체에 대한 전자파레이더의 모서리 영향을 고려하여 안테나를 시험체 종방향 중앙을 기준으로 허용속도 이내로 측정한 후 시험체의 중앙부위에 배근된 철근 4개의 피복두께에 대한 각각의 측정값을 대상으로 분석하였다(장비B, 사진 2(b) 참조).
콘크리트 시험체 표면의 수분함량 측정은 표면깊이 40 mm까지 측정이 가능한 표면 수분함량 측정장비를 이용하였으며, 장비를 표면에 밀착시켜 수렴되는 값을 측정하였다. 이때 유의수준 5%내에서 20점에 대한 평균값을 대표값으로 정하였다(장비C, 사진 2(c) 참조).
콘크리트내 철근에 대한 탐사방법은 전자기유도법의 경우, 미리 직경을 입력하였으며 통계적 측정모드(mode)에서 경보음을 참고하여 철근의 영향이 가장 적은 중앙부위를 따라 전후로 안테나를 수회 반복적으로 천천히 이동하여 가장 낮게 수렴되는 값으로 결정하였다(장비A, 사진 2(a) 참조).
대상 데이터
3.3절의 실험인자를 고려하여 철근직경은 D13에서 D25으로, 철근간격에 따른 상호영향을 최소화하기 위해 철근간격은 125mm이상으로(임홍철 외, 2000), 모서리 반사의 영향과 유효측정 영역 크기인 피복두께 45 mm에서 180 mm에 해당하는 1,000 mm×300 mm(임홍철, 1999)(쇄석골재, 최대골채치수 Φ19 mm, fck=21 MPa, 표 1 참조) 시험체 4개를 제작하였으며 그림 3에 시험체의 제원을 도시하였다.
표 2는 본 시험에 적용한 각 인자를 나타낸 것이고, 사진 1은 시험체 전경 및 시험전경을 나타낸 사진이다. 기건상태의 경우 상면과 하면을 각각 시험하였고 습윤상태의 경우 직경 D16, 피복두께 93 mm에서 180 mm인 배근철근에 대하여 시험하였다.
5%)에 대하여 시험하였다. 분석대상은 피복두께의 영향이 적은 90~180 mm 깊이의 철근으로 하였다. 수분함유량은 투수성이 낮은 콘크리트의 특성상 단기간의 침수 조건에서 일정수준으로 수렴하였으며 실험결과는 표 4와 그림 9에 나타내었다.
사용된 철근은 D13, D16, D19, D25이다.
성능/효과
(1) 철근직경에 대한 영향은 전자기유도법의 경우 철근직경이 증가함에 따라 오차가 증가하여 최대 12.9%의 오차율을 나타내었다. 반면에 전자파레이더법의 경우는 철근직경의 영향이 상대적으로 작은 것으로 나타났다.
(2) 피복두께에 대한 영향은 전자파레이더법의 경우 피복두께가 커질수록 오차율이 0.6% 수준까지 낮아지는 것으로 나타났다. 반면에 전자기유도법은 피복두께가 90 mm이상인 경우 유효한 측정이 어려운 것으로 나타났다.
(3) 투수성이 낮은 콘크리트의 특성상 단기간의 침수조건에서 표면의 수분함유량을 일정수준으로 수렴되었다. 전자기유도법의 경우 수분함유량의 변화에 따른 영향은 거의 없는 것을 알 수 있었다.
동일한 철근직경을 사용하고 피복두께가 변화할 때의 영향을 분석하여 보면 전자파레이더법의 경우 피복이 증가함에 따라 오차율은 대체적으로 저하하는 경향을 나타내었으며 D16인 경우에는 오차율이 0.6%까지 작아지는 것으로 나타났다. 이는 피복두께가 증가함에따라 표면반사파와 철근에 의한 반사파의 중첩영향이 적어지기 때문인 것으로 보인다.
수분함유량은 투수성이 낮은 콘크리트의 특성상 단기간의 침수 조건에서 일정수준으로 수렴하였으며 실험결과는 표 4와 그림 9에 나타내었다. 분석결과, 수분함량이 증가함에 따라 오차율이 크게 증가하는 것으로 나타났다. 이는 수분함유량이 증가함에 따라 감쇠상수 및 유전상수가 증가하기 때문인 것으로 판단되며 이는 전자파가 매질의 전도율이 낮을수록 더 깊이 투과하므로 습윤상태의 경우가 기건상태보다 전도율이 크기 때문에 전자파의 투과율이 낮아져 오차율이 증가하는 것으로 보인다.
수분함량에 따른 실제 피복두께의 유전상수를 보정함에 따라 오차율이 최대 5.2% 수준으로 감소하는 것으로 나타났다. 실험을 통하여 산출된 표면 수분함유량에 따른 유전상수 산출식은 [y=1.
그 결과, 기존 문헌(김영환, 2000; 임홍철, 1999, 1997)의 내용과도 잘 일치하는 것으로 나타났다. 요약하면, 전자기유도법의 경우, 철근직경이 증가함에 따라 오차가 증가하며 전자파레이더법의 경우, 실제 피복두께에 맞는 유전상수에 따라 측정하여 깊은 심도의 경우에도 신뢰도가 우수한 것으로 나타났다. 주요항목별로 정리하면 다음과 같다.
철근직경이 D13, D16, D19, D25인 시험체에 대한 계측 결과는 표 3에 나타낸 바와 같으며 이에 대한 그래프를 그림 6~7에 나타내었다. 유사한 수준의 피복두께에 대해 철근직경의 변화에 따른 영향을 분석해보면 전자기유도법은 철근직경이 증가함에 따라 피복두께가 작게 나타나는 경향을 보였으며, 특히 D25인 경우 최대 12.9%의 오차율을 나타내었다. 이는 철근직경이 증가 할수록 철근직경이 작은 경우보다 인접철근에 대한 영향도 커지므로 측정의 정밀도가 떨어지는 것으로 판단된다.
2%인 것으로 나타났으며 수분함유량이 유전상수의 주요한 인자임을 확인할 수 있었다. 이는 실제 현장에서 실시된 수리구조물 대상 시험 시 표면 수분함량을 고려한 유전상수의 보정으로 측정 정밀도를 높일 수 있음을 확인할 수 있었다. 실험을 통하여 산출된 표면 수분함유량(%) x에 따른 유전상수 y의 산출식은 [y=1.
전자기유도법의 경우 수분함유량의 변화에 따른 영향은 거의 없는 것을 알 수 있었다. 전자파레이더법의 경우 습윤정도의 변화에 따른 유전상수의 보정으로 오차율은 최대 5.2%인 것으로 나타났으며 수분함유량이 유전상수의 주요한 인자임을 확인할 수 있었다. 이는 실제 현장에서 실시된 수리구조물 대상 시험 시 표면 수분함량을 고려한 유전상수의 보정으로 측정 정밀도를 높일 수 있음을 확인할 수 있었다.
후속연구
(4) 향후 철근탐사의 정밀도 향상을 위하여 보다 다양한 조건에 대한 각 장비별 시험 등을 통한 심도 깊은 연구가 필요하며 특히, 전자파레이더법의 경우 주요 영향인자인 표면수분함유량에 따른 유전상수 산출식은 현장에서의 시험값에 대한 지속적인 자료축적 및 적용을 통하여 정밀도를 향상시킬 수 있을 것으로 판단된다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
전자기유도법에 의한 철근탐사가 콘크리트 내부의 철근탐사에 효과적으로 활용되는 이유는 무엇인가?
전자기유도법에 의한 철근탐사는 철근과 같이 강자성체를 띤 것에 적용되어 콘크리트나 비자성체에 의한 영향을 받지 않기 때문에 콘크리트 내부의 철근탐사에 효과적으로 활용된다. 전자기유도법을 이용한 장비는 기본적으로 평행 공진회로의 전압진폭 감소에 기초를 두고 있다.
철근의 피복이 정확하지 않은 측정값을 가지는 이유는 무엇인가?
철근탐사 주요 기능 중 하나인 철근 간격 측정은 장비에 따라 다소 다르기는 하지만 비교적 정확한 측정이 가능하나 철근의 피복은 철근직경과 철근간격 및 피복두께의 영향을 크게 받고 있어 정확하지 않은 측정값을 나타내고 있다(임홍철 등 2000). 특히 항만시설이나, 수리구조물인 상수도의 응집침전지 및 정수지 등은 표면이 상시 습윤상태로 있어 비파괴조사시 이에 대한 보정이 적절하지 않을 경우 측정값에 대한 오차는 더욱 커질 것이다.
본 논문에서 철근직경과 피복두께가 각기 다른 4개의 콘크리트 시험체를 이용하여 전자기유도법과 전자파레이터법의 측정 정밀도 제고를 위한 제반 실험한 결과는 어떠한가?
실험은 90일간의 공기중 건조 후와 3, 24, 48시간 및 28일간의 침수 후 실시되었다. 실험결과, 전자기유도법의 경우, 철근직경이 커짐에 따라 오차가 증가하는 것으로 나타났으며, 전자파레이더법의 경우에는 실제 피복두께에 맞는 비유전율에 따라 측정하여 깊은 심도의 경우에도 신뢰도가 우수한 것으로 나타났다. 수분함량이 3.6~5.5%로 증가함에 따라서 콘크리트 시험체의 비유전율도 증가하는 경향을 보이는 것으로 나타났다. 따라서 수분함량이 비유저율을 결정하는데 주요한 영향인자 중의 하나라는 것을 확인할 수 있었으며, 수분함유량에 따른 유전상수 산출식을 도출, 제시하였다.
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