선택한 단어 수는 입니다.
최소 단어 이상 선택하여야 합니다.
최소 단어 이상 선택하여야 합니다.
선택한 단어 수는 30입니다.
최대 10 단어까지만 선택 가능합니다.
최대 10 단어까지만 선택 가능합니다.
문제 정의
- IR 기법을 이용하여 동적강성도와 운동성 변화를 통해 콘크리트 하부공동 변화를 확인하고자 하였다. 김형우와 김동수(2006)는 고주파수 대역의 충격원을 사용하는 IE 기법과 달리 저주파수 대역의 임펄스 해머를 사용하고, 휨모드 신호에 의한 해석을 실시하여, 저주파수 대역(0-1 kHz) 상의 휨 모드의 판 응답을 확인하였다.
- 이 연구에서는 콘크리트 하부 공동의 탐지를 위해 충격반향기법(impact echo, IE)과 충격응답기법(impulse response, IR)에 대한 연구를 실시하였다. IE 기법과 IR 기법은 다양한 형상의 구조물에 대한 진단이 용이하고, 철근의 영향을 적게 받는 장점이 있어 국내외로 터널 라이닝이나 다리의 안정성 조사, 콘크리트 말뚝에 대한 연구가 활발히 이루어지고 있다.
- 노명근 외(2009)는 댐의 건설 제원을 동일하게 반영한 실제 스케일의 콘크리트 모형을 제작하여 하부 공동에 대한 해석 연구를 실시한 바 있다. 이를 통해 콘크리트 하부의 공동의 변화양상을 확인 할 수 있었는데, 본 연구에서는 선행 연구 결과에서 보다 정확한 자료를 제공한 IE 및 IR 기법에 대해 추가 측정을 실시하고 그 결과를 정량적으로 분석하고자 하였다. 특히, 본 연구에서는 기존의 IE 및 IR 연구들이 주로 콘크리트 말뚝의 건전도에 주로 이용되었던 것을 극복하기 위해, 콘크리트 베드의 배면 공동을 조사하기 위해 적절한 주파수 영역을 선정하였다.
- 이를 통해 콘크리트 하부의 공동의 변화양상을 확인 할 수 있었는데, 본 연구에서는 선행 연구 결과에서 보다 정확한 자료를 제공한 IE 및 IR 기법에 대해 추가 측정을 실시하고 그 결과를 정량적으로 분석하고자 하였다. 특히, 본 연구에서는 기존의 IE 및 IR 연구들이 주로 콘크리트 말뚝의 건전도에 주로 이용되었던 것을 극복하기 위해, 콘크리트 베드의 배면 공동을 조사하기 위해 적절한 주파수 영역을 선정하였다. 콘크리트 베드는 말뚝에 비해 그 두께가 얇아 상대적으로 고주파 영역에서 나타나는 운동성(mobility)이 실제 베드의 배면을 잘 나타내 줄 것으로 판단하였다.
- 현재 콘크리트 대형 구조물은 베드(bed)형태를 갖는 경우가 많은데, 그 배면의 상태를 파악하고 분석 할 수 있는 방법으로 IE 및 IR 기법을 제안하고, 그로부터 구조물의 보수 보강에 대한 대책을 세우는 방안을 제시하고자 한다. 노명근 외(2009)는 댐의 건설 제원을 동일하게 반영한 실제 스케일의 콘크리트 모형을 제작하여 하부 공동에 대한 해석 연구를 실시한 바 있다.
제안 방법
- 피크에 대한 비교를 실시한 결과 공동이 존재하는 P16에서 P4보다 높은 주파수영역에서 높은 운동성의 값을 갖는 것을 보았다. 각 측정지점의 높은 운동성 나타내는 값을 이용하여 contour map으로 나타내어 관찰 하였다(Fig. 9).
- 충격응답기법(IR)의 기본 원리는 IE 기법과 같은 방법으로 측정하나, 그 해석 방법에서 차이가 난다. 고체에 해머 충격파를 가하여 구조체 자체가 가지고 있는 고유 진동을 발생시켜 측정하는 방법으로 반향파와 충격파로부터 말뚝의 동적 강성도 스펙트럼을 구하고, 이를 통하여 콘크리트의 건전도 및 길이를 추정한다. 콘크리트의 두께는 IE 기법과는 다르게 각 공진주파수의 간격 ∆f(Fig.
- 국내외에서 말뚝의 건정성 조사를 위해 널리 활용되는 IE 기법과 IR 기법을 이용하여 콘크리트 모형의 두께 및 공동에 대한 반응을 살펴보았다. IE와 IR 기법을 콘크리트 베드의 배면에 대한 조사에 이용할 때 몇 가지 특성을 파악할 수 있었다.
- 이는 IE 기법의 콘크리트 두께의 공진주파수와 근사한 주파수로 가장 높은 운동성을 확인할 수 있어, 측정 중심 주파수를 2000 Hz 대역으로 하여 측정을 실시하였다. 반응이 시작되는 부분과 끝나는 부분을 확인하기 위해서 측정범위를 1500-4000Hz 대역으로 결정하고, 측정결과를 관찰하였다.
- 이는 동적강성도와 다르게 운동성의 값을 통해 그려진 결과이기 때문에 나타나는 현상이다. 이 후 각 지점의 운동성의 값과 주파수를 이용하여 식 (4)을 대입하여 계산한 동적 강성값을 구하여 contour map을 통해 하부공동의 변화 양상을 살펴보았다(Fig. 10).
- 이 후 공동의 존재에 따른 IE 기법의 변화를 살펴보았다. 실제 콘크리트 내부에 진행되는 파는 P파로 고체, 액체, 기체 상태에서 파의 진행이 가능하다.
- 식 (2)를 통해 두께를 계산하기 위해서는 콘크리트 속도가 필요한데 이 연구에서는 IE 기법을 통해 측정된 3200 m/s의 속도를 사용하였다. 이 후 잡음 제거를 위해 이동평균필터링(moving average filtering)을 이용하여 측점 P3, P15, P36, P54의 측정결과를 확인하였다(Fig. 7). 측정결과를 확인하기 전 식 (2)를 이용하여 예상주파수간격(∆f)이 2285 Hz로 확인되어 저주파수 대역(0-1 kHz)에서 확인이 용이하지 않아 주파수 간격(∆f)를 볼 수 있게 5000 Hz까지의 운동성 거동 변화를 관찰하였다.
- 7의 변화를 살펴보면 2000 Hz에서 가장 높은 피크가 나타나는 것을 확인 할 수 있다. 이는 IE 기법의 콘크리트 두께의 공진주파수와 근사한 주파수로 가장 높은 운동성을 확인할 수 있어, 측정 중심 주파수를 2000 Hz 대역으로 하여 측정을 실시하였다. 반응이 시작되는 부분과 끝나는 부분을 확인하기 위해서 측정범위를 1500-4000Hz 대역으로 결정하고, 측정결과를 관찰하였다.
- 콘크리트 베드는 말뚝에 비해 그 두께가 얇아 상대적으로 고주파 영역에서 나타나는 운동성(mobility)이 실제 베드의 배면을 잘 나타내 줄 것으로 판단하였다. 이를 위해, IE 기법에서 공진성을 잘 보이는 주파수 영역에서의 최대 운동성을 보이는 주파수 구간을 선정하여 강성도와 평균 운동성의 값들을 나타내었다.
- 위 결과를 통해 철근의 유무에 상관없이 유사한 반응을 확인할 수 있어 공동에 대한 정보는 철근의 영향과 공동하부에서 돌아오는 파에 의한 영향력이 적어 콘크리트 구조물뿐만 아니라 철근 콘크리트 구조물의 하부 공동 조사에 이용이 가능할 것으로 생각된다. 이후 각 측정지점에 대해 콘크리트 두께와 공동 깊이에 의한 측정결과를 확인해보았다(Table 1).
- 7 m의 콘크리트 모형은 시간영역 해석이 어렵다고 판단하여 주파수 영역 해석을 통한 진폭의 변화를 확인하였다. 이후 공진 주파수를 이용하여 콘크리트의 두께를 계산하고, 하부 공동에 의한 변화를 관찰하였다. 콘크리트 모형은 총 4부분으로 나누어 측정을 실시하였는데, 고주파 성분의 잡음제거를 위해 10개의 값에 대해 이동평균법(moving average method)을 이용하여 결과를 관찰하였다(Fig.
- 두 결과를 보면 공동이 존재하는 P28은 700-1500 Hz 사이에 작은 peak을 통해 공동의 영향이 예상되는 부분이 나타남을 알 수 있다. 저주파수 대역의 변화를 확인하고자 콘크리트 속도와 공기 중의 속도를 이용하여 속도를 계산하였다. 0.
- 철근 콘크리트에서의 공동에 의한 반응은 콘크리트 반응과 유사할 것으로 예상되었는데, Fig. 6의 결과를 통해 변화양상을 살펴보았다. 저주파수 대역의 진폭 변화를 살펴보면 P41의 결과는 P28과 같이 공진 주파수까지 증가양상은 보이지 않는다.
- 7). 측정결과를 확인하기 전 식 (2)를 이용하여 예상주파수간격(∆f)이 2285 Hz로 확인되어 저주파수 대역(0-1 kHz)에서 확인이 용이하지 않아 주파수 간격(∆f)를 볼 수 있게 5000 Hz까지의 운동성 거동 변화를 관찰하였다.
- 측정에 사용된 장비는 자체 개발한 장비로 IE 기법과 IR 기법을 동시에 측정할 수 있도록 제작하였다(노명근 외, 2009). 에너지원으로 사용된 해머는 로드 셀을 장착한 1 kg 이상 무게의 해머를 사용하고, 측정결과수집은 24 bit 신호수집장치를 이용하였다.
- 노명근 외(2009)의 실험에서는 양생 기간이 짧고, 측정을 3번에 걸쳐 실시하였지만, 본 실험에서는 양생기간이 2년 이상이 되고, 60개 측점을 동시에 측정하여 시간 변화에 따른 영향이 적을 것으로 예상된다. 콘크리트 모형은 콘크리트 부분과 철근 콘크리트 부분으로 나누고 공동 존재 유무에 따라 4부분으로 나누어 각 부분의 15측점으로 측정을 실시하였다. Fig.
- 문헌에서 P파는 공기 중에 속도는 300 m/s로 알려져 있고, 터널과 같은 공동은 진행속도를 감소시킨다. 콘크리트와 공동의 경계에서 파의 반사가 발생하지만 일부의 P파는 공동 내에 진행할 것으로 예상되어 변화양상을 관찰하였다. 노명근 외(2009)는 IE 기법을 통해 1500 Hz에서 발생하는 작은 피크으로부터 공동의 존재 유무를 판별하였는데 실제 공기 중의 탄성파 속도와 콘크리트 속도를 혼합속도를 사용하여 공동의 깊이를 계산하였다.
대상 데이터
- 측정에 사용된 장비는 자체 개발한 장비로 IE 기법과 IR 기법을 동시에 측정할 수 있도록 제작하였다(노명근 외, 2009). 에너지원으로 사용된 해머는 로드 셀을 장착한 1 kg 이상 무게의 해머를 사용하고, 측정결과수집은 24 bit 신호수집장치를 이용하였다. 그리고 수신기로 사용된 가속도계는 미국 Wilcoxon 사의 모델 726으로 0.
- IE 기법을 통해 콘크리트 경계면에서 나타나는 반응은 시간영역(Time domain)의 해석과 주파수영역(Frequency domain) 해석으로 나눌 수 있다. 연구 대상인 두께 0.7 m의 콘크리트 모형은 시간영역 해석이 어렵다고 판단하여 주파수 영역 해석을 통한 진폭의 변화를 확인하였다. 이후 공진 주파수를 이용하여 콘크리트의 두께를 계산하고, 하부 공동에 의한 변화를 관찰하였다.
데이터처리
- P60 측점에서는 콘크리트 부분에서 측정한 P4와 같은 결과를 볼 수 있었다. P41 측점의 저주파수에서 나타난 피크에 대한 깊이를 콘크리트 부분에서 사용한 값을 이용하여 계산을 실시하였다. 1200 Hz와 1600 Hz의 주파수를 통해 계산한 결과는 각각 0.
이론/모형
- IE 기법과 IR 기법을 이용한 콘크리트 모형실험은 노명근 외(2009)의 연구에 사용된 모형 위의 총 60 개의 측점에서 이루어졌다. 노명근 외(2009)의 실험에서는 양생 기간이 짧고, 측정을 3번에 걸쳐 실시하였지만, 본 실험에서는 양생기간이 2년 이상이 되고, 60개 측점을 동시에 측정하여 시간 변화에 따른 영향이 적을 것으로 예상된다.
- IR 기법의 해석은 주파수에 따른 운동성(mobility)의 변화양상을 살펴보고 주파수간의 차이를 통해 콘크리트의 두께를 알아낼 수 있다. 식 (2)를 통해 두께를 계산하기 위해서는 콘크리트 속도가 필요한데 이 연구에서는 IE 기법을 통해 측정된 3200 m/s의 속도를 사용하였다. 이 후 잡음 제거를 위해 이동평균필터링(moving average filtering)을 이용하여 측점 P3, P15, P36, P54의 측정결과를 확인하였다(Fig.
- 이후 공진 주파수를 이용하여 콘크리트의 두께를 계산하고, 하부 공동에 의한 변화를 관찰하였다. 콘크리트 모형은 총 4부분으로 나누어 측정을 실시하였는데, 고주파 성분의 잡음제거를 위해 10개의 값에 대해 이동평균법(moving average method)을 이용하여 결과를 관찰하였다(Fig. 4). 콘크리트의 P파 속도는 일반적으로 3000-4000 m/s로 알려져 있는데 본 연구에서 직접 측정한 콘크리트 모형의 P파 속도는 3200 m/s로 나타났다.
성능/효과
- 9의 결과를 살펴보면 공동이 존재하는 2-4 m 사이의 운동성이 공동이 존재하지 않는 0-2 m와 4-6 m 사이 보다 높은 것을 확인할 수 있다. 공동이 존재하는 부분에서 운동성이 높게 나타나는 것을 통해 지지조건에 따라 운동성이 변화하는 것을 관찰할 수 있었다. 콘크리트 하부 공동의 범위를 예상할 수 있지만 공동의 존재하지 않는 부분에서도 높은 운동성을 나타내는 것을 볼 수 있다.
- 두 결과를 보면 공동이 존재하는 P28은 700-1500 Hz 사이에 작은 peak을 통해 공동의 영향이 예상되는 부분이 나타남을 알 수 있다. 저주파수 대역의 변화를 확인하고자 콘크리트 속도와 공기 중의 속도를 이용하여 속도를 계산하였다.
- IE 기법은 콘크리트의 두께를 비교적 정확하게 결정할 수 있을 것으로 예상된다. 또한 본 연구에 사용한 콘크리트 베드에 대해 IE 기법에 의해 1000 Hz 부근에서 작은 peak가 나타나는 것을 발견할 수 있었다. 이 현상은 공동에서 반사되는 파로 분석되었으며, 콘크리트 내부의 속도와 공기 중 탄성파 속도를 고려하여 식 (1)을 통해 계산한 결과 실제 값인 1m에 근사한 값을 나타내는 것을 확인할 수 있었다.
- 평균운동성비와 peak가 나타나는 위치는 콘크리트의 두께와 공동 유무에 대한 정보를 제공하고 있다. 또한 콘크리트 베드 형태에서는 두께를 측정하기 위해서 광범위한 주파수의 거동을 살펴야 하는 것으로 파악되었다. 이를 고려하여 5000 Hz까지의 영역에서 해석을 실시한 결과 실제값에 근사한 콘크리트 두께의 값을 얻을 수 있다.
- 이후 공동의 유무에 따른 변화를 살펴보았는데, 콘크리트 말뚝과 같이 깊은 심도를 가지고 있을 경우 저주파수에서 콘크리트의 반응이 일어나지만, 이 연구와 같이 낮은 심도를 가지고 있을 경우 상대적으로 고주파수 영역에서 유사한 반응이 나타났다. 이를 통해 1500-4000 Hz 범위에서 피크가 발생하는 것을 발견할 수 있었고, 범위 내의 평균운동성은 공동이 존재하는 부분이 공동이 존재하지 않는 부분보다 높은 운동성이 나타나 공동 유무 파악에 용이할 것으로 예상되었다. 그 범위 내의 운동성을 이용하여 Fig.
- 이를 고려하여 5000 Hz까지의 영역에서 해석을 실시한 결과 실제값에 근사한 콘크리트 두께의 값을 얻을 수 있다. 이후 공동의 유무에 따른 변화를 살펴보았는데, 콘크리트 말뚝과 같이 깊은 심도를 가지고 있을 경우 저주파수에서 콘크리트의 반응이 일어나지만, 이 연구와 같이 낮은 심도를 가지고 있을 경우 상대적으로 고주파수 영역에서 유사한 반응이 나타났다. 이를 통해 1500-4000 Hz 범위에서 피크가 발생하는 것을 발견할 수 있었고, 범위 내의 평균운동성은 공동이 존재하는 부분이 공동이 존재하지 않는 부분보다 높은 운동성이 나타나 공동 유무 파악에 용이할 것으로 예상되었다.
- 철근 콘크리트 모형의 실제 측정값은 철근이 파의 진행에 간섭을 하게 되어 예상주파수보다 높은 결과가 나타날 것으로 예상하고, 철근에서 반사된 파의 영향으로 콘크리트 경계면의 주파수와 같이 큰 진폭을 나타낼 것으로 예상되었다. 철근 콘크리트의 주파수 영역을 통해 철근의 위치와 콘크리트 두께를 계산 할 수 있다(홍성욱 외, 2006).
- 4c, 4d 결과를 보면, 두 주파수에서 진폭의 변화가 크게 나타나는 것을 확인할 수 있다. 철근이 콘크리트 내부에 존재하고 있어 콘크리트와 지면 경계에서 반사하는 파와 철근에서 반사하는 파가 혼합되어 실제 공진주파수보다 높은 주파수를 가지고 있을 것으로 예상되었다. 실제 철근의 위치를 식 (1)을 통해 계산한 예상주파수는 4500 Hz이지만, 실제 나타난 철근의 위치에 대한 공진주파수는 3000 Hz를 나타내고 있다.
- 운동성의 거동을 볼 때 초기 반응은 2000 Hz에서 시작되어 점차 증가하는 양상을 보이고 있다. 초기반응은 공동이 존재하지 않는 부분인 P4의 운동성이 높게 나타나고 있지만 이 후 주파수에 따른 거 동은 공동이 존재하는 콘크리트에서 운동성의 값이 증가하는 것을 볼 수 있고, 높은 운동성 값을 가지고 있을 때 공동이 존재한 콘크리트 부분에서 고주파수의 값을 나타냈다. 이를 식 (3)에 대입하여 각각의 평균운동성을 계산한 결과 P4지점은 2.
- 특히, 본 연구에서는 기존의 IE 및 IR 연구들이 주로 콘크리트 말뚝의 건전도에 주로 이용되었던 것을 극복하기 위해, 콘크리트 베드의 배면 공동을 조사하기 위해 적절한 주파수 영역을 선정하였다. 콘크리트 베드는 말뚝에 비해 그 두께가 얇아 상대적으로 고주파 영역에서 나타나는 운동성(mobility)이 실제 베드의 배면을 잘 나타내 줄 것으로 판단하였다. 이를 위해, IE 기법에서 공진성을 잘 보이는 주파수 영역에서의 최대 운동성을 보이는 주파수 구간을 선정하여 강성도와 평균 운동성의 값들을 나타내었다.
- 4). 콘크리트의 P파 속도는 일반적으로 3000-4000 m/s로 알려져 있는데 본 연구에서 직접 측정한 콘크리트 모형의 P파 속도는 3200 m/s로 나타났다. 획득한 콘크리트 속도를 식 (1)에 대입하면 0.
- 피크에 대한 비교를 실시한 결과 공동이 존재하는 P16에서 P4보다 높은 주파수영역에서 높은 운동성의 값을 갖는 것을 보았다. 각 측정지점의 높은 운동성 나타내는 값을 이용하여 contour map으로 나타내어 관찰 하였다(Fig.
후속연구
- 다만 콘크리트 구조물에 대한 사전정보가 부족한 경우, 이를 극복하기 위한 다양한 비파괴 조사가 수반되어야 보다 신뢰성 있는 결과를 얻을 것으로 판단되며, 이러한 다양한 사전정보를 기반으로 IE 및 IR 기법의 적용이 이루어져야 할 것으로 보인다.
- 처음 나타난 peak를 통해 공동 하부 깊이와 유사한 값을 나타나는 것을 확인할 수 있다. 위 결과를 통해 철근의 유무에 상관없이 유사한 반응을 확인할 수 있어 공동에 대한 정보는 철근의 영향과 공동하부에서 돌아오는 파에 의한 영향력이 적어 콘크리트 구조물뿐만 아니라 철근 콘크리트 구조물의 하부 공동 조사에 이용이 가능할 것으로 생각된다. 이후 각 측정지점에 대해 콘크리트 두께와 공동 깊이에 의한 측정결과를 확인해보았다(Table 1).
- 그 연구 결과 운동성의 거동이 주파수 증가에 따른 일정한 변화와 주기의 변화를 관측할 수 있었다. 이를 해석하기 위해서는 저주파수 대역의 변화보다 고주파수대역의 변화를 살펴볼 필요가 있을 것으로 사료된다. Fig.
- 9와 같이 contour map을 통해 해석을 실시하면 하부 공동의 범위에 대한 정보를 얻을 것으로 예상된다. 이후 동적 강성도를 그려 확인한 결과 공동의 범위를 정확하게 알 수 있었고, 콘크리트의 부재 및 하부 공동에 따른 특성이 나타나 안전진단 및 보수에 중요한 정보로 이용이 될 것으로 예상된다. 철근의 존재 여부와 상관없이 반응이 나타나 콘크리트 구조물과 철근 콘크리트 구조물에서 적용이 가능할 것으로 보인다.
- 콘크리트와 지면이 경계를 이루는 0-2 m 부분과 철근 콘크리트와 지면이 경계를 이루는 4-6 m 부분이 공동이 존재하는 2-4 m 부분보다 높은 강성 값을 나타내고 있다. 철근 콘크리트 부분이 콘크리트 부분보다 높은 강성도를 나타내므로 콘크리트 상태에 대한 측정도 가능할 것으로 예상된다. 그림에서 파악할 수 있는 바와 같이, 철근이 존재하는 구간에서는 등고선의 분포가 다소 복잡하게 나타나는 것을 살펴볼 수 있다.
- 이후 동적 강성도를 그려 확인한 결과 공동의 범위를 정확하게 알 수 있었고, 콘크리트의 부재 및 하부 공동에 따른 특성이 나타나 안전진단 및 보수에 중요한 정보로 이용이 될 것으로 예상된다. 철근의 존재 여부와 상관없이 반응이 나타나 콘크리트 구조물과 철근 콘크리트 구조물에서 적용이 가능할 것으로 보인다.
※ AI-Helper는 부적절한 답변을 할 수 있습니다.