[논문]콘크리트의 탄성계수 및 감쇠비 결정에 대한 충격공진시험 적용

정범석; 이재환; 권기철

doi:10.4334/jkci.2010.22.5.625

콘크리트의 탄성계수 및 감쇠비 결정에 대한 충격공진시험 적용
Application of Impact Resonance Test to the Determination of Elastic Modulus and Damping Ratio of Concrete 원문보기

콘크리트학회논문집 = Journal of the Korea Concrete Institute, v.22 no.5, 2010년, pp.625 - 632

정범석 (동의대학교 토목공학과) , 이재환 (동의대학교 토목공학과) , 권기철 (동의대학교 토목공학과)

초록
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콘크리트의 탄성계수 결정을 위해 다양한 시험기법이 사용되고 있다. 충격공진시험(IR: impact resonance test)은 비파괴시험으로서 간편한 시험장치와 단순한 시험방법이며 반복성이 뛰어나다. 또한 충격공진시험은 탄성계수 뿐만 아니라 감쇠비 결정이 가능하다. 이 연구에서는 콘트리트 시편에 대한 충격공진시험의 다양한 영향요소(시편거치 방법, 충격하중원의 특성, 신호획득 속도 등)를 평가하고 최적의 시험조건을 제시하였다. 이 연구에서 적용한 모든 시험조건 범위에서 충격공진시험에서 측정된 결과의 변동량은 공진주파수 결정에 있어서 ${\pm}0.3%$, 감쇠비 결정에 있어서 ${\pm}10.0%$로 나타났다. 충격공진시험에서 결정된 탄성계수와 정적시험에서 결정된 탄성계수를 변형률 크기를 고려하여 비교하면 비교적 서로 잘 일치함을 확인하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

The moduli of concrete has been determined by various testing methods. The impact resonance (IR) method has been shown to be truly a simple nondestructive testing method which produces consistent results. It is possible to determine not only the modulus but also damping ratio from the IR test. However, the values of elastic modulus and damping ratio of concrete from the test is known to be affected by various test conditions including, specimen support condition, impact steel ball size and sampling rate. In this study, the optimum IR test conditions are suggested and validated experimentally. The test results showed that the recommended test conditions yielded a variation of resonant frequency within ${\pm}0.3%$ and damping ratio ${\pm}10.0%$. In addition, the modulus from the IR test was comparable to that from a static test when the effect of strain amplitude was properly taken into account.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

¹⁾ 쇠구슬 직경이 작을수록 발생 가능한 주파수 영역이 확장되지만, 직경이 감소함에 따라서 가해지는 충격하중의 에너지 성분이 줄어들어, 결과적으로 신호/잡음비(signal to noise ratio)가 줄어드는 단점이 있다. 이 연구에서는 직경 8.7 mm부터 15.8 mm 사이의 5종의 서로 다른 쇠구슬을 사용하여 충격하중의 영향을 검토하였다. 충격하중에 의한 응답을 시간영역에서 가속도 신호로 측정한다.
이 연구에서는 콘크리트 시편에 대한 충격공진시험에서 충격하중의 타격위치, 시편 거치조건, 충격하중원의 특성, 신호획득 속도, 신호처리기법 등의 영향요소를 평가하여 최적의 시험조건을 제시하며, 시험 결과로부터 콘크리트에 대한 최적의 충격공진시험 조건 설정, 콘크리트의 동적 감쇠비 특성, 전체 변형률 영역에서 탄성계수 결정 가능성 등을 확인하고자 한다.
이 연구에서는 콘크리트 재료에 있어서, 충격공진시험에 대한 미소변형률 영역에서 결정되는 탄성계수와 정적 시험에서 결정된 탄성계수를 변형률 크기를 고려하여 비교하여 보았다. 시멘트 콘크리트의 정적 탄성계수는 KS F 2438 “콘크리트 원주 공시체의 정탄성계수 및 포아송비 시험방법”을 적용하여 평가하였다.
이 연구에서는 콘크리트에 대한 충격공진시험의 영향 요소를 평가하여 최적의 충격공진시험 조건, 시멘트 콘크리트의 감쇠비 특성, 전체 변형률 영역에서 탄성계수 결정 가능성을 평가하였다. 세부적인 결론은 다음과 같다.
충격공진시험의 적용성을 평가하기 위하여 일반적인 콘크리트 시편에 대한 시험을 수행하였다. 이 연구의 목적은 충격공진시험에서 시험조건의 상대적인 영향 정도 평가에 국한하였으므로 목표강도를 얻기 위한 배합설계의 수정과 절대값의 비교 대상이 되는 시험은 별도로 수행하지 않았다. 직경 100 mm, 높이 200 mm의 원기둥 공시체를 KS F 2403 “콘크리트의 강도 시험용 공시체 제작 방법”에 의하여 물-시멘트비를 50%에서 30%까지 변경시켜 6종의 공시체로 제작하였고 28일 수중양생 후 압축강도 20~60 MPa 범위의 결과를 얻을 수 있었다.
충격공진시험의 적용성을 평가하기 위하여 일반적인 콘크리트 시편에 대한 시험을 수행하였다. 이 연구의 목적은 충격공진시험에서 시험조건의 상대적인 영향 정도 평가에 국한하였으므로 목표강도를 얻기 위한 배합설계의 수정과 절대값의 비교 대상이 되는 시험은 별도로 수행하지 않았다.

제안 방법

충격공진시험의 가장 이상적인 조건은 아무런 지지없이 공기중에 완전한 자유 경계를 형성하는 것이지만 이것은 현실적으로 불가능하다. 따라서 시편을 어떠한 형태로던 거치하게 되는데, 이 연구에서는 Fig. 2와 같은 4종의 거치 조건에 대하여 검토하였다. Fig.
시멘트 콘크리트의 정적 탄성계수는 KS F 2438 “콘크리트 원주 공시체의 정탄성계수 및 포아송비 시험방법”을 적용하여 평가하였다. 시편의 변형측정은 Fig. 11과 같이, 콘크리트 공시체용 LVDT를 적용하는 방법과 시편에 변형률계를 부착하는 방식을 적용하였다. 시편은 배합강도 30 MPa 시편을 사용하였고, 하중재 하는 UTM을 사용하였다.
이 연구에서는 1 µs에서 40 µs 사이에서 신호획득 속도(sampling rate)를 변화시켰다.
직경 100 mm, 높이 200 mm의 원기둥 공시체를 KS F 2403 “콘크리트의 강도 시험용 공시체 제작 방법”에 의하여 물-시멘트비를 50%에서 30%까지 변경시켜 6종의 공시체로 제작하였고 28일 수중양생 후 압축강도 20~60 MPa 범위의 결과를 얻을 수 있었다.
충격하중원은 쇠구슬을, 신호측정은 PCB 353B15 가속도계와 PCB 480E09 신호안정기를 사용하였으며, 신호획득은 GRAPHTEC WR1000, 시간영역 신호를 주파수 영역으로의 전환과 공진주파수 및 감쇠비의 결정은 제작한 프로그램을 이용하였다.

대상 데이터

11과 같이, 콘크리트 공시체용 LVDT를 적용하는 방법과 시편에 변형률계를 부착하는 방식을 적용하였다. 시편은 배합강도 30 MPa 시편을 사용하였고, 하중재 하는 UTM을 사용하였다.

이론/모형

시멘트 콘크리트의 정적 탄성계수는 KS F 2438 “콘크리트 원주 공시체의 정탄성계수 및 포아송비 시험방법”을 적용하여 평가하였다.

성능/효과

가진원의 특성은 쇠구슬의 직경에 따라서 발생 가능한 주파수 범위가 달라진다.¹⁾ 쇠구슬 직경이 작을수록 발생 가능한 주파수 영역이 확장되지만, 직경이 감소함에 따라서 가해지는 충격하중의 에너지 성분이 줄어들어, 결과적으로 신호/잡음비(signal to noise ratio)가 줄어드는 단점이 있다. 이 연구에서는 직경 8.
1) 시멘트 콘크리트의 탄성계수와 감쇠비를 충격공진 시험으로부터 효과적이고 신뢰성 있게 결정할 수 있음을 확인하였다.
2) 충격공진시험에서 쇠구슬의 직경, 타격 및 신호측 정위치, 시편거치 조건, 신호획득 속도의 영향은 매우 작은 것으로 판단된다. 공진주파수에 있어서는 변동량이 ±0.
3) 빠른 신호획득 속도를 적용하는 경우 충분한 가진 하중을 모두 포함하는 충분한 길이의 시간영역 신호획득이 중요함을 확인하였다.
4) 충격공진시험에서 결정된 탄성계수는 정적시험에서 결정된 미소변형률 영역에서의 탄성계수와 비교적 일치하는 결과를 얻을 수 있음을 알 수 있다. 향후 보다 엄밀한 시험이 수행된다면 충격공진시험과 시멘트 콘크리트 재료의 비선형성을 결합하여 전체 변형률 영역의 탄성계수 평가방법의 개발이 가능할 것으로 판단된다.
공진주파수에 있어서는 변동량이 ±0.3% 이내로 영향이 거의 없는 것으로 평가 되었고, 감쇠비에 있어서는 변동량이 ±6.0% ~ ±10.0% 로 나타났다.
¹¹⁾ 이러한 실험적 오류의 원인이 현재까지 명확히 규명되지 못한 상태이다. 다만, 가속도계와 시편간의 불완전한 접촉, 충격하중 재하시 입력신호 자체의 불규칙한 오류, 시험 시스템의 전기적 잡음, 연속적인 충격하중 재하과정에서 시편의 미세한 운동 등이 복합적으로 작용하는 것으로 추측된다.
1회 충격하중 타격에 소요되는 시간이 불과 수초에 불과하고, 15회 정도 타격하면 10개 이상의 우수한 신호를 획득할 수 있었으며, 15회 타격에는 소요되는 시간은 30초 이내였다. 따라서 시험 횟수를 증가시키는 경우에도 시험 소요시간의 증가는 미미하여 충격공진시험의 간편성은 계속적으로 확보할 수 있었다.
0%로 나타났다. 변동량이 10% 이내로 작아 어떠한 시편 거치조건을 적용하여도 신뢰성 있는 충격공진시험을 수행할 수 있음을 확인할 수 있다.
0% 로 나타났다. 시험의 편의성과 시편 안정성을 고려한다면 직경 10 mm 내외의 쇠구슬, 시편 중앙 부분 타격 및 신호획득, 공기 중에 줄을 이용해 매달아 놓은 상태, 10~30 µs 사이의 빠른 신호획득 속도 조건이 콘크리트 재료에 대한 충격공진시험 조건으로 합당한 것으로 나타났다.
4에 나타내었다. 실험에 적용된 쇠구슬의 직경 변화 범위에서 쇠구슬 직경의 영향은 매우 작음을 확인할 수 있었다. 시편의 강도 및 강성도(공진주파수)가 증가할수록 대체로 감쇠비가 작게 결정되는 경향을 보이고 있다.
05 이하의 범위에서는 선형거동을 보이다가, 변형률 크기가 증가하면서 급격하게 탄성계수가 감소하는 비선형 거동을 나타내고 있다. 아울러, 충격공진시험에서 결정된 탄성계수는 정적시험에서 결정된 미소변형률 영역에서의 탄성계수와 비교적 일치하는 결과를 얻고 있음을 알 수 있다.
6의 straps-edge 조건)에는 변동량이 증가하고 있는데, 이는 시편의 중앙부분에 정밀한 가진을 할 수 없는 영향으로 판단된다. 이상적인 자유 경계조건을 다소 구속하는 경우(Fig. 6에서 frame, floor-hor, floorver 조건)에는 변동량이 증가하고 있음을 확인할 수 있다.
평균적으로 공진주파수 결정에 있어서는 ±0.18%, 감쇠 결정에 있어서는 ±6.0%의 변동이 있는 것으로 나타났다.

후속연구

4) 충격공진시험에서 결정된 탄성계수는 정적시험에서 결정된 미소변형률 영역에서의 탄성계수와 비교적 일치하는 결과를 얻을 수 있음을 알 수 있다. 향후 보다 엄밀한 시험이 수행된다면 충격공진시험과 시멘트 콘크리트 재료의 비선형성을 결합하여 전체 변형률 영역의 탄성계수 평가방법의 개발이 가능할 것으로 판단된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	충격공진시험의 장점은 무엇인가?	콘크리트의 탄성계수 결정을 위해 다양한 시험기법이 사용되고 있다. 충격공진시험(IR: impact resonance test)은 비파괴시험으로서 간편한 시험장치와 단순한 시험방법이며 반복성이 뛰어나다. 또한 충격공진시험은 탄성계수 뿐만 아니라 감쇠비 결정이 가능하다. 이 연구에서는 콘트리트 시편에 대한 충격공진시험의 다양한 영향요소(시편거치 방법, 충격하중원의 특성, 신호획득 속도 등)를 평가하고 최적의 시험조건을 제시하였다.
	콘크리트 구조물의 유지관리와 평가를 위해 사용되고 있는 비파괴 시험기법에는 어떤 것들이 있는가?	콘크리트 구조물의 유지관리와 평가를 위해 다양한 비파괴 시험기법이 사용되고 있다.1,2) 현재 활용되고 있는 비파괴 기법 중 대표적인 것으로는 반발경도법, 초음파 기법, 성숙도(maturity) 기법, 탄성파 기법 등이 있다.3) 탄성파를 이용한 기법으로는 표면파기법(SASW) 및 충격 반향기법(IE, impact echo)이 대표적으로 사용되고 있다.
	탄성파를 이용한 기법 중 대표적으로 사용되고 있는 것은 무엇인가?	1,2) 현재 활용되고 있는 비파괴 기법 중 대표적인 것으로는 반발경도법, 초음파 기법, 성숙도(maturity) 기법, 탄성파 기법 등이 있다.3) 탄성파를 이용한 기법으로는 표면파기법(SASW) 및 충격 반향기법(IE, impact echo)이 대표적으로 사용되고 있다. 이러한 기법은 부재의 두께와 탄성계수를 동시에 평가하는 장점이 있으나, 엄밀한 탄성계수 결정에는 한계를 가지고 있다.

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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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