[논문]화강석 건조물의 표면 거칠기별 초음파속도법에 의한 강도 추정

김정섭; 신용석; 김정훈

doi:10.5345/jkic.2010.10.1.137

화강석 건조물의 표면 거칠기별 초음파속도법에 의한 강도 추정
Granite Strength Estimation of Construction Considering Surface Roughness Effect on Ultrasonic Velocity Method 원문보기

한국건축시공학회지 = Journal of the Korea Institute of Building Construction, v.10 no.1 = no.39, 2010년, pp.137 - 145

김정섭 (조선대학교 건축학부) , 신용석 (조선대학교 대학원) , 김정훈 (조선대학교 군사학부)

초록
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석조 건조물의 역학적 성질은 일반적으로 석재 강도의 관점에서 설명된다. 강도를 측정하기 위해서 문화재의 훼손이 없는 초음파속도의 측정 방법이 이용되고 있다. 현재 시행되고 있는 초음파속도법은 표면거칠기, 석재 두께 등에 대한 보정을 실시하지 않고 있는 실정이다. 그리고 그리스와 같은 접촉재 사용으로 문화재의 표면에 오염이 발생할 수 있다. 따라서 본 연구에서는 석조 건조물의 강도를 간접법으로 추정하기 위하여 석재 표면거칠기, 석재두께, 접촉재의 종류, 초음파속도 측정방법 등을 주변수로 석재 간접법 강도 추정식을 제안한다. (1) 잔다듬 석재 초음파속도법에 의한 강도 추정식 : $f_{su}=19.1{\times}V_p+18.3(R^2=76.0)$ (2) 거친다듬 석재 초음파속도법에 의한 강도 추정식 : $f_{su}=7.9{\times}V_p+64.6(R^2=69.8)$.

Abstract ▼ AI-Helper

The mechanical properties of stone structures are generally characterized according to the strength of the stone used. An ultrasonic velocity method that does not damage cultural heritages is used to measure the strength of stone. However, there is no correction involved for surface roughness and thickness of the stone in the ultrasonic method currently used. In addition, a contact agent such as grease can cause contamination on the surface of a cultural heritage. Accordingly, this study suggests an indirect method of strength estimation formula for stone structures based on the surface roughness of the structure, its thickness, and the type of contact agent. (1) Rock strength estimation formula using ultrasonic velocity method of dabbed finish : $f_{su}=30.51\;Vp^{0.82}(R^2=95)$ (2) Rock strength estimation formula using ultrasonic velocity method of harsh finish : $f_{su}=61.52\;Vp^{0.32}(R^2=92)$.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

따라서 석조 건조물의 강도 측정시 석재 표면에 오염이 발생하지 않고 모재와 탐촉자의 밀착이 양호한 접촉재한 접촉재의 선정 및 석조 건조물의 강도 추정을 위한 비파괴 시험식을 제안함으로써 실제 석재 강도에 근접한 강도를 추정하는데 목적이 있다.
본 연구는 석조 건조물의 초음파속도법을 적용한 비파괴 강도 추정을 위해 파괴실험과 비파괴실험을 통해 석재 강도 추정식을 제안한 것으로, 그 결론은 다음과 같다.

제안 방법

따라서 본 연구에서는 석조 건조물의 강도 추정을 위하여 석재 표면거칠기, 석재두께, 접촉재의 종류, 초음파속도 측정방법 등을 주변수로 실험과 연구를 실시한다.
실험체를 제작하여 석재 표면 거칠기, 두께, 접촉재 등에 따라 초음파속도를 측정 후 100㎜×100㎜×100㎜ 크기로 압축파괴 실험체를 제작 및 가공하여 그림 5와 같이 파괴압축강도 실험을 실시한다.

대상 데이터

따라서 실험에 사용된 석재는 석조 건조물의 보존 및 활용성의 확대 등 실험의 취지에 부합되도록 화강암 석조문화재가 비교적 풍부하게 산재하는 익산지역의 황등석을 사용한다. 실험체는 표 1, 그림1~그림 2와 같이 크기 및 거칠기별로 1개 이상 총 12개를 제작한다.
따라서 실험에 사용된 석재는 석조 건조물의 보존 및 활용성의 확대 등 실험의 취지에 부합되도록 화강암 석조문화재가 비교적 풍부하게 산재하는 익산지역의 황등석을 사용한다. 실험체는 표 1, 그림1~그림 2와 같이 크기 및 거칠기별로 1개 이상 총 12개를 제작한다.
초음파속도는 그림 6의 방법에 따라 동일한 실험체에 대하여 그림 7과 같이 직접법과 간접법을 중복 실시하며 초음파속도 측정시 탐촉자와 실험체의 밀착을 위해 그림 8과 같은 그리스, 수용성 젤, 스너그(SNUG) 등을 접촉재로 사용한다.

이론/모형

석재 표면 거칠기에 대한 정량적으로 평가하기 위해 그림 3과 같은 JRC(Joint Roughness Coefficient)³⁾에 의해서 석재의 표면 거칠기를 측정한다.

성능/효과

1. 접촉재 종류에 따른 초음파 속도는 간접법의 경우 잔다듬 실험체에서는 젤과 스너그를 사용한 속도는 거의 유사한 것으로 나타났다. 그러나 거친다듬 실험체의 경우 스너그를 접촉재로 사용할 때의 초음파 속도가 가장 빠른 것으로 나타났다.
2. 스너그는 젤의 경우와 달리 패드의 쿠션이 부재 표면의 요철을 고르게 메워 탐촉자와 부재의 밀착이 양호하여 탐촉자 거리별 초음파속도의 편차가 적은 것으로 판단된다. 석조 건조물에서는 오염을 유발시키는 그리스와 젤보다 스너그를 접촉재로 사용하는 것이 바람직할 것으로 사료된다.
3. 간접법 실험체에서 탐촉자간 거리에 따른 초음파속도는 접촉재 및 거칠기에서 거리가 증가할수록 초음파속도는 저하되는 것으로 나타났다. 직접법 실험체의 경우, 그리스를 접촉재로 사용한 잔다듬 실험체에서는 거리의 증가에 따른 초음파속도 또한 저하되는 경향을 보였으나 그 외의 거칠기 및 접촉재에서는 이 같은 양상이 나타나지 않아, 상관관계가 명확하지 않은 것으로 사료된다.
4. 실험결과를 종합한바, 석조 건조물에서 초음파속도에 의한 석재의 압축강도를 추정할 경우, 초음파 전달속도와 실제 조사방법의 접근성 등을 고려할 때 간접법과 접촉재를 스너그로 사용하는 것이 신뢰성이 높은 것으로 사료된다.
거친다듬 실험체에 대해 기존 제안식별 추정강도와 파괴압축강도를 비교한 결과, 익산미륵사지 진단식은 25% 정도, 본 연구 추정식은 5% 정도 실제 압축강도에 비해 과소평가되는 경향을 보였다. 백승철 외 4인식은 실제 압축강도보다 최대 100% 정도 과대평가되는 경향을 보였다.
거친다듬 실험체의 경우, 그리스는 2~6% 정도, 스너그는 6~11% 정도 초음파속도가 빨라지는 경향을 보였으나, 젤의 경우는 앞의 잔다듬 실험체와 마찬가지로 탐촉자 거리별 1% 정도의 차이를 보여, 직접법으로 초음파속도를 측정하였을 경우 신뢰성있는 초음파속도의 측정이 가능할 것으로 사료된다.
거친다듬 실험체의 경우도 잔다듬 실험체와 마찬가지로 그리스는 10~16% 정도, 젤은 23~27% 정도, 스너그는 10~12% 정도 초음파속도는 저하되는 경향을 보였으며 젤이 거리에 따른 초음파속도의 차가 가장 크게 나타났다.
본 연구에서는 거칠기를 변수로 하여 제안된 적용식으로 기존 제안식은 표면거칠기 및 접촉재를 적용하지 않아본 연구의 적용식과 기존 제안식은 다소 차이를 보이는 것으로 사료된다.
잔다듬 실험체의 경우, 탐촉자간 거리가 증가할수록 그리스는 5~7% 정도, 젤은 4~9% 정도, 스너그는 9~11% 정도 초음파속도는 저하되는 것으로 나타났다.
잔다듬 실험체에 대해 본 연구의 추정식을 평가하기 위하여 백승철외 4인 제안식과 익산미륵사지 진단식을 비교한 결과는 표 11 및 그림 14와 같다. 잔다듬 실험체의 제안식별 추정강도와 파괴압축강도를 비교한 결과, 익산미륵사지 진단식은 30% 정도, 본 연구의 추정식은 4% 정도 실제 압축강도에 비해 과소평가되는 경향을 보였다. 백승철 외 4인 제안식은 실제 압축강도보다 94% 정도 과대평가되는 경향을 보였다.
잔다듬에서 직접법 초음파속도를 간접법의 초음파속도로 나눈 초음파속도 비는 그리스의 경우 10~15%, 젤은 6~15%, 스너그는 8~29% 정도 탐촉자 거리별로 직접법에 비해 간접법의 초음파속도가 빠른 경향을 보였으며, 그리스와 젤은 거의 비슷한 초음파속도 비를 나타내었다.
탐촉자 거리별 잔다듬 실험체에서 직접법 초음파속도의 경우, 탐촉자간 거리가 증가할수록 그리스는 1~2% 정도, 젤은 1% 정도 초음파속도가 저하되었으며 스너그는 3~7% 정도 빠른 경향을 보였다.
회귀분석결과 잔다듬 실험체의 95%, 거친다듬 실험체는 92%로 거친다듬 실험체 추정식의 신뢰성을 나타내는 결정계수가 다소 낮게 나타났다.

후속연구

따라서 젤과 달리 그리스와 스너그는 거칠기에 따른 초음파속도의 편차가 적어 석조 건조물에 적용 시 접촉재로 사용하는 것이 좋을 것으로 사료된다. 그러나 그리스 접촉재는 석조 건조물의 오염을 유발시킬 수 있어 스너그를 접촉재로 사용하는 것이 문화재의 손상을 방지할 수 있어 바람직할 것으로 판단된다.
스너그는 젤의 경우와 달리 패드의 쿠션이 부재 표면의 요철을 고르게 메워 탐촉자와 부재의 밀착이 양호하여 탐촉자 거리별 초음파속도의 편차가 적은 것으로 판단된다. 석조 건조물에서는 오염을 유발시키는 그리스와 젤보다 스너그를 접촉재로 사용하는 것이 바람직할 것으로 사료된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	2004년 기준 국내 석조문화재의 숫자는?	우리나라의 국보 및 보물로 지정된 건조물 문화재 중에서 석재로 만들어진 석조문화재는 2004년 6월경 조사당시 국보 64기(基), 보물 449기 등 총 533기의 국가지정문화재와 673기의 각시도 유형문화재가 있으며, 이외에도 지정되지 않은 유물 또한 많다.
	석조건조물에는 어떤 것들이 있는가?	현존하는 한국 문화재의 다수를 차지하고 있는 석조건조물에는 석탑, 석불, 부도, 당간지주, 비석, 성곽, 홍교 등이 있다. 석조건조물의 보존에 있어서 가장 위험 요소가 되는 요인들은 석재의 자체의 풍화현상과 지반의 불안정에 의한 부동침하, 석재 적층의 불합리 및 불균등에 의한 균열 및 변형 등이다.
	석재의 특정 강도와 초음파속도 간 상관관계는 무엇을 통해 확립되어야 하는가?	석재의 강도를 추정할 경우에는 대상 석재의 특정 강도와 초음파속도 간 상관관계를 먼저 확립하는 것이 필요하다. 이 상관관계는 실험적으로 예상되는 강도의 범위를 포함하고 통계적으로 신뢰도를 가질 수 있는 만큼의 충분한 실험을 통해 확립되어야 한다.

참고문헌 (6)

국립문화재연구소, 문화재 모니터링 기술개발, 2007.12
백승철, 김용태, 김홍택, 윤준식, 이윤규, 초음파 속도를 이용한 암석의 일축압축강도 평가, 한국지반환경공학회 논문집 제7권 제2호, pp.33-42, 2006.4

원문보기 상세보기
이상헌, 박경립, 석조문화재의 특징과 암석에 대한 지질학적 연구(I) - 강원도 원주시. 원주군. 횡성군 및 홍천군 지역, 제1권 제1호, 1992.
조기만, 좌용주, 석조문화재의 석재공급지에 관한 연구(익산지역에 대한 지형학적 및 암석학적 접근), 한국암석학회 논문집 제14권 제1호, pp.24-37, 2005
(재)한국건설안전기술원, 익산미륵사지 석탑 안전진단, pp34, 1998.
Barton, N. and Choubey, The Shear strength of rock joints in theory and practice, Rock Mech. Vol.10, pp.1-54, 1977

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저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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