[논문]확장형 공통중간점법 기반 지표투과레이더를 이용한 콘크리트 교량 바닥판 열화 상태 평가

백종은; 이현종; 오광진; 엄병식

doi:10.11112/jksmi.2012.16.6.082

확장형 공통중간점법 기반 지표투과레이더를 이용한 콘크리트 교량 바닥판 열화 상태 평가
Evaluation of Concrete Bridge Deck Deterioration Using Ground Penetrating Radar Based on an Extended Common Mid-Point Method 원문보기

한국구조물진단유지관리공학회 논문집 = Journal of the Korea Institute for Structural Maintenance and Inspection, v.16 no.6, 2012년, pp.82 - 92

백종은 (세종대학교 건설환경공학과) , 이현종 (세종대학교 건설환경공학과) , 오광진 (한국시설안전공단 기술본부 시설안전연구소) , 엄병식 (한국건설기술연구원 SOC성능연구소 도로연구실)

초록
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본 연구에서는 콘크리트 교량 바닥판의 열화를 비파괴시험인 지표투과레이더(GPR)를 이용하여 평가하는 방법을 개발하였다. 콘크리트 교량 바닥판의 유전 상수를 계산하기 위하여 비접촉식 GPR 안테나를 이용하여 2층 구조체에 적용할 수 있는 확장형 공통중간점 방법을 개발하였다. 콘크리트 교량 바닥판의 열화 깊이와 열화 상태는 콘크리트 교량 바닥판의 유전 상수와 표면대비 평균 유전상수비를 이용하여 평가하였다. 제안된 방법을 검증하기 위하여 GPR 현장 시험을 공용수명이 오래된 콘크리트 교량에서 실시하였다. 시험 결과 새로 제안된 방법을 이용하여 추정된 두께와 열화 깊이가 어느 정도 신뢰성을 가지는 것으로 나타났다.

Abstract ▼ AI-Helper

This study proposed a new non-destructive evaluation method for concrete bridge deck deterioration using ground penetrating radar (GPR). To calculate dielectric constant of the concrete bridge deck, an extended common mid-point (XCMP) method was developed for a two-layered structure using an air-coupled GPR antenna setup. The deterioration conditions of the concrete bridge deck such as deterioration depth was evaluated based on the dielectric constant and surface-to-average dielectric constant ratio of the concrete bridge deck. A GPR field test was conducted on an old concrete bridge with asphalt concrete surfacing to validate the new evaluation method. The test results showed that the newly proposed method estimated pavement thickness and deterioration depth of the concrete deck in a reasonable level.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구에서는 비파괴시험인 지표투과레이더(GPR)를 이용하여 아스팔트 교면포장을 가지는 콘크리트 바닥판의 유전상수를 측정하고 콘크리트의 표면대비평균 유전상수비를 근거로 하여 교량 바닥판의 열화 상태를 평가할수 있는 방법을 제안하였다. 비접촉식 GPR 시험에 적합한 확장형 공통중간점(XCMP) 방법을 아스팔트 표층을 가지는 콘크리트 바닥판에 적용할 수 있도록 개선하였다.
본 연구에서는 콘크리트 교량 바닥판의 열화 상태를 GPR을 이용하여 보다 정밀하게 평가하기 위한 방법을 개발하였다. 이를 위하여 전파속도를 기반으로 하는 공통중간점법을 이용하여 교면포장 하부 콘크리트 바닥판의 유전상수를 추정할 수 있는 확장형 공통중간점 방법을 개발하였다.
아스팔트 콘크리트 교면포장 하부 콘크리트 바닥판의 유전상수를 측정하기 위하여 기존의 Leng(2011)이 제안한 1층 포장구조체용 XCMP 방법을 개선한 2층 포장구조체용 XCMP 방법을 본 연구에서 제안하였다. 콘크리트 바닥판의 열화는 우수나 제설재가 교면포장을 투과하여 상부 철근 위쪽에 주로 발생하기 때문에 바닥판의 상부 열화의 평가가 더욱 중요하다.

가설 설정

이러한 입사각과 굴절각과 각 층의 두께(d)와 송수신용 안테나의 수평 이격거리(x)를 이용하여 전자기파의 이동경로를 계산할 수 있다. 이때 아스팔트 교면포장과 콘크리트 바닥판의 유전율은 모두 균일하며, 수평방향 길이는 무한대이며 서로 평행하다고 가정하였다. 만일 교면포장 또는 콘크리트 바닥판이 경사지거나 굴곡이 많은 경우 반사한 실체의 위치가 왜곡되게 나타날 수 있다.

제안 방법

6과 같다. GPR 시험으로부터 안테나의 높이 및 수평이격거리를 측정하고, 1층 및 2층 포장구조체용 XCMP 방법을 이용하여 각각 아스팔트 교면포장 및 콘크리트 바닥판의 유전상수를 순차적으로 계산한다.
XCMP 방법을 이용한 유전상수 측정과 콘크리트 바닥판의 열화 상태 평가 방법을 검증하기 위하여 현장시험을 실시하였다. 현장시험은 경상북도 문경시에 위치한 진남2교에서 한국도로공사의 2.
이를 통하여 콘크리트 바닥판의 평균 유전상수를 반사계수가 아닌 전파속도를 이용하여 보다 정밀하게 추정할 수있는 알고리즘을 개발하였다. 또한 GPR 현장 시험 결과로부터 콘크리트 표면의 유전상수와 평균 유전상수와의 비가 콘크리트 바닥판의 열화 깊이와 상관성이 있음을 밝히고, 이를 이용하여 열화 깊이를 추정할 수 있는 방법을 제안하였다. 보다 신뢰성 있는 열화 상태 평가 방법 개발을 위하여 향후 많은 현장 시험을 실시할 예정이다.
이때 안테나의 수평이격거리가 클수록 이동시간의 차가 크게 되어 해석이 용이하게 되는 장점이 있다. 반면에 여러 안테나에 의한 간섭이 크게 되므로 R₂안테나의 위치를 변경하면서 예비시험을 실시한 후 최적인 위치에 시험을 실시하였다.
본 연구에서는 비파괴시험인 지표투과레이더(GPR)를 이용하여 아스팔트 교면포장을 가지는 콘크리트 바닥판의 유전상수를 측정하고 콘크리트의 표면대비평균 유전상수비를 근거로 하여 교량 바닥판의 열화 상태를 평가할수 있는 방법을 제안하였다. 비접촉식 GPR 시험에 적합한 확장형 공통중간점(XCMP) 방법을 아스팔트 표층을 가지는 콘크리트 바닥판에 적용할 수 있도록 개선하였다. 이를 통하여 콘크리트 바닥판의 평균 유전상수를 반사계수가 아닌 전파속도를 이용하여 보다 정밀하게 추정할 수있는 알고리즘을 개발하였다.
본 연구에서는 콘크리트 교량 바닥판의 열화 상태를 GPR을 이용하여 보다 정밀하게 평가하기 위한 방법을 개발하였다. 이를 위하여 전파속도를 기반으로 하는 공통중간점법을 이용하여 교면포장 하부 콘크리트 바닥판의 유전상수를 추정할 수 있는 확장형 공통중간점 방법을 개발하였다. 콘크리트 바닥판의 유전상수와 표면대비평균 유전상수비를 이용하여 열화 상태 및 열화 깊이를 추정할 수 있는 방법을 제안하고 이를 현장시험을 통하여 검증하였다.
비접촉식 GPR 시험에 적합한 확장형 공통중간점(XCMP) 방법을 아스팔트 표층을 가지는 콘크리트 바닥판에 적용할 수 있도록 개선하였다. 이를 통하여 콘크리트 바닥판의 평균 유전상수를 반사계수가 아닌 전파속도를 이용하여 보다 정밀하게 추정할 수있는 알고리즘을 개발하였다. 또한 GPR 현장 시험 결과로부터 콘크리트 표면의 유전상수와 평균 유전상수와의 비가 콘크리트 바닥판의 열화 깊이와 상관성이 있음을 밝히고, 이를 이용하여 열화 깊이를 추정할 수 있는 방법을 제안하였다.
이를 위하여 전파속도를 기반으로 하는 공통중간점법을 이용하여 교면포장 하부 콘크리트 바닥판의 유전상수를 추정할 수 있는 확장형 공통중간점 방법을 개발하였다. 콘크리트 바닥판의 유전상수와 표면대비평균 유전상수비를 이용하여 열화 상태 및 열화 깊이를 추정할 수 있는 방법을 제안하고 이를 현장시험을 통하여 검증하였다.
현장에서 채취한 코어를 이용하여 교면포장의 두께를 측정하고 이를 XCMP 방법으로 추정한 두께와 비교하였다. Table 2에 나타낸 바와 같이 B와 E 지점에서 XCMP 방법으로 추정한 교면포장의 두께가 코어를 이용하여 측정한 교면포장의 두께와 비교하여 ±0.

대상 데이터

5cm로 측정되었다. 여기서 안테나 케이스 바닥에서 송수신부까지의 높이는 직접 측정할 수 없었으므로, 문헌(Leng, 2011)자료를 이용하였다. 송수신기의 수평이격거리는 현장에서 측정한 결과 108.
XCMP 방법을 이용한 유전상수 측정과 콘크리트 바닥판의 열화 상태 평가 방법을 검증하기 위하여 현장시험을 실시하였다. 현장시험은 경상북도 문경시에 위치한 진남2교에서 한국도로공사의 2.0GHz 비접촉식 GPR 시스템을 이용하여 실시하였다. 진남2교는 연장 158.

데이터처리

본 연구에서 제안한 2층 포장구조체에 대한 XCMP 방법을 검증하기 위하여 XCMP 방법을 이용하여 측정한 유전상수 및 코어 두께를 반사계수법에 의한 GPR 시험 결과와 비교하였다. GPR 시험을 실시한 지점 중 5개 위치에 대하여 교면포장 및 콘크리트 바닥판 상부의 두께와 유전상수를 계산하여 Table 2에 나타내었다.

이론/모형

④ 1층 표면에서 굴절된 각은 Snell's 법칙과 삼각함수를 이용하여 GPR 송수신 안테나 사이의 수평 거리와 반사파의 경과 시간을 계산한다.

성능/효과

GPR 시험을 실시한 지점 중 5개 위치에 대하여 교면포장 및 콘크리트 바닥판 상부의 두께와 유전상수를 계산하여 Table 2에 나타내었다. 5개 위치에서 XCMP 방법을 이용하여 측정한 콘크리트 바닥판의 평균 유전상수가 반사계수법에 의한 표면 유전상수와 유사한 경향을 나타내고 있으나, 상대적으로 평균 18.5% 작게 나타났다. 이러한 차이는 콘크리트의 유전상수가 측정 방법의 차이, 즉 반사계수법은 표면 유전상수, XCMP는 평균 유전상수로 인한 것으로 사료된다.
0cm) 보다 50% 정도 크게 나타났다. 동일한 지점에서 반사계수법에 의한 교면포장 두께도 4.0cm로 나타나 코어두께 보다 33% 크게 나타났다. 이러한 결과로부터 XCMP 방법으로 추정한 콘크리트의 유전상수와 교면포장의 두께를 비교한 결과로부터 XCMP 방법이 어느 정도 신뢰성을 가질 수 있음을 확인할 수 있었다.
0cm로 나타나 코어두께 보다 33% 크게 나타났다. 이러한 결과로부터 XCMP 방법으로 추정한 콘크리트의 유전상수와 교면포장의 두께를 비교한 결과로부터 XCMP 방법이 어느 정도 신뢰성을 가질 수 있음을 확인할 수 있었다. 하지만 본 연구에서 사용한 비교 데이터가 매우 한정되었기 때문에 XCMP 방법의 신뢰성을 논의하기에는 충분하지는 않는 것이 사실이다.

후속연구

0보다 상당히 크게 될 경우 열화가 콘크리트 바닥판의 상부에만 집중되어 있다는 것이고, 이는 열화 깊이가 깊지 않다는 것을 의미한다. 그러므로 유전상수비와 열화 깊이와의 상관성을 분석하면 GPR 시험으로부터 열화 면적뿐만 아니라 열화 깊이까지도 추정하여 보다 정확한 열화된 콘크리트의 보수 물량을 추정할 수 있을 것이라고 판단된다.
하지만 본 연구에서 사용한 비교 데이터가 매우 한정되었기 때문에 XCMP 방법의 신뢰성을 논의하기에는 충분하지는 않는 것이 사실이다. 따라서 추후에 많은 현장 시험을 통하여 최적의 안테나 조합과 시험 방법을 보완하고 보다 신뢰성 높은 방법으로 이를 검증해야 할 것으로 사료된다.
또한 GPR 현장 시험 결과로부터 콘크리트 표면의 유전상수와 평균 유전상수와의 비가 콘크리트 바닥판의 열화 깊이와 상관성이 있음을 밝히고, 이를 이용하여 열화 깊이를 추정할 수 있는 방법을 제안하였다. 보다 신뢰성 있는 열화 상태 평가 방법 개발을 위하여 향후 많은 현장 시험을 실시할 예정이다.
본 연구에서는 제한된 현장 시험 결과와 해석 결과로 인하여 열화 상태를 구분하기 위한 유전상수비를 명확하게 제안할 수는 없었다. 열화 깊이 추정에 대한 신뢰성 제고를 위해서는 콘크리트의 유전상수, 유전상수비와 열화도, 열화 깊이와의 상관관계를 실험을 통하여 규명하여야 할 것으로 사료된다.
본 연구에서는 제한된 현장 시험 결과와 해석 결과로 인하여 열화 상태를 구분하기 위한 유전상수비를 명확하게 제안할 수는 없었다. 열화 깊이 추정에 대한 신뢰성 제고를 위해서는 콘크리트의 유전상수, 유전상수비와 열화도, 열화 깊이와의 상관관계를 실험을 통하여 규명하여야 할 것으로 사료된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	바닥판의 역할은?	교량바닥판은 상부의 차량하중을 직접적으로 받는 부재로 교량 사용면에서 매우 큰 비중을 차지하고 있다. 바닥판은 통행차량의 쾌적하고 안전한 주행성 확보와 밀접한 관련이 있으며, 특히 교통하중의 충격 등에 의한 마모 및 전단에 저항하여 상부구조를 보호하는 역할을 한다. 교량 바닥판은 교량의 주부재 중 가장 먼저 손상이 발생되는 곳으로, 주행차량의 사고를 유발함과 동시에 특히, 노면은 사용자들에게 직접 노출되어 종종 언론에 보도되기도 한다.
	교량바닥판은 무엇인가?	교량바닥판은 상부의 차량하중을 직접적으로 받는 부재로 교량 사용면에서 매우 큰 비중을 차지하고 있다. 바닥판은 통행차량의 쾌적하고 안전한 주행성 확보와 밀접한 관련이 있으며, 특히 교통하중의 충격 등에 의한 마모 및 전단에 저항하여 상부구조를 보호하는 역할을 한다.
	콘크리트 교량 바닥판의 열화 상태를 조기에 평가해야만 하는 이유는?	콘크리트 바닥판의 열화로 인하여 철근이 부식되고 이과정에서 철근의 부피가 팽창함에 따라서 주변 콘크리트와의 부착강도가 감소하여 탈리, 균열, 또는 층분리가 발생하게 된다. 이로 인하여 철근이 노출될 정도로 심각하게 손상되고, 교면포장의 일부가 떨어져 나가는 포트홀(Pothole)이 발생된다. 교량 바닥판의 손상이 심각해질 경우 교량 바닥판 보수를 위하여 막대한 비용이 소요된다. 따라서 조기에 콘크리트 교량 바닥판의 열화 상태를 평가하는 것이 바람직하다.

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표제어: PCR

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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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