[논문]초음파를 이용한 비접촉식 콘크리트 내구성 진단기술

민지영

doi:10.14190/mrcr.2013.8.4.038

[국내논문] 초음파를 이용한 비접촉식 콘크리트 내구성 진단기술
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문제 정의

압전체(piezoelectric materials)의 특성을 이용하여 초음파를 발생시키는 트랜스듀서의 경우, 자동화가 가능한 장점이 있으나 가진할 수 있는 주파수 영역에 제한이 있으며 에너지도 작은 편이라 대형 시편에서의 적용이 어렵다. 본고에서는 기존의 초음파 시스템이 가지는 복잡하고 어려운 문제들을 해결하기 위한 일환으로 2000년대 이후 미국을 중심으로 연구되고 있는 비접촉식 초음파 진단 시스템을 소개하고 콘크리트에의 적용 가능성을 살펴보고자 한다.

제안 방법

철근은 60mm와 200mm 깊이에 위치하며, 콘크리트의 28일 강도는 30-40MPa였다. 다양한 형태와 사이즈를 가지는 플라스틱 필름과 폼보드를 서로 다른 깊이에 삽입하여 내부 손상을 인위적으로 모사하였다. 슬래브를 100×100mm 그리드로 나눈 후 각 그리드마다 IE 실험을 수행하였으며, 그림 1은 간단한 스펙트럼 해석을 통해 진단 결과를 하나의 이미지로 나타낸 것이다.
뿐만 아니라 비접촉식 MEMS 마이크로폰의 경우 시중에 판매되는 접촉식 가속도계 시스템에 비해 약 37배, 콘덴서 마이크로폰에 비해 약 140배 저렴하기 때문에 시스템 측면에서 상당한 비용을 절감할 수 있다. 비접촉식 초음파 시스템은 기존의 시스템이 가지는 여러 문제들, 특히 발신기 및 감지기를 이동시킬 때마다 달라지는 부착 상태로 인한 신호의 품질 및 신뢰성 저하 문제, 매 부착시 수행해야 하는 표면처리 문제, 시스템의 고비용 문제에 대한 해결 방안을 제시한다. 또한 다른 콘크리트 비파괴 검사기술에 비해 넓은 검사 영역, 저렴한 시스템 비용, 손쉬운 사용법, 하드웨어 확장성 등을 고려하면 비접촉식 초음파 시스템은 매우 매력적이라 할 수 있다.
슬래브를 100×100mm 그리드로 나눈 후 각 그리드마다 IE 실험을 수행하였으며, 그림 1은 간단한 스펙트럼 해석을 통해 진단 결과를 하나의 이미지로 나타낸 것이다.
초음파(ultrasonic waves)를 이용한 진단기법은 기본적으로 매질의 물성에 따라 파의 전달속도와 전파·반사되는 특성이 달라지는 것에 기반을 둔다. 표면에 밀착된 발신자에서 생성된 초음파가 콘크리트 매질을 통해 인접한 수신자로 돌아오는 시간을 측정하고 속도를 계산함으로써 콘크리트의 압축강도, 동탄성계수, 내부결함, 콘크리트 두께 등을 진단한다. 콘크리트 품질평가의 결과로서 한 가지 절대값을 명확하게 제공하며, 현장에 대한 적용성도 다른 기법에 비해 높은 편이다.

성능/효과

비접촉식 초음파 시스템은 기존의 시스템이 가지는 여러 문제들, 특히 발신기 및 감지기를 이동시킬 때마다 달라지는 부착 상태로 인한 신호의 품질 및 신뢰성 저하 문제, 매 부착시 수행해야 하는 표면처리 문제, 시스템의 고비용 문제에 대한 해결 방안을 제시한다. 또한 다른 콘크리트 비파괴 검사기술에 비해 넓은 검사 영역, 저렴한 시스템 비용, 손쉬운 사용법, 하드웨어 확장성 등을 고려하면 비접촉식 초음파 시스템은 매우 매력적이라 할 수 있다. 최종적으로 로봇·전자·IT 기술과 융합하여 접목시킴으로써 그림 5와 같이 콘크리트 자동 스캐닝 시스템, 이동형 검진용 로봇 등의 형태로 교량, 건물, 원전 설비·격납구조물, 철도, 도로 등 다양한 사회기반 시설물 진단에 활용할 수 있을 것으로 기대된다.
슬래브를 100×100mm 그리드로 나눈 후 각 그리드마다 IE 실험을 수행하였으며, 그림 1은 간단한 스펙트럼 해석을 통해 진단 결과를 하나의 이미지로 나타낸 것이다. 피복두께(60mm)보다 깊은 곳에 위치한 손상은 탐지가 어려웠으나 피복두께 내에 위치한 손상은 명확하게 탐지하면서 IE 기법에 동적 마이크로폰을 적용할 수 있음을 보여주었다. 최근에는 200 V의 DC bias가 가능한 고성능 정전형 초음파 트랜스듀서를 발신기로 사용하고, 휴대폰에 사용되는 고성능 MEMS 마이크로폰을 수신기로 사용하여 콘크리트 내부에 발생한 미세균열을 검사하는 실험을 수행하였다[5].

후속연구

만약 기계·전자 분야와 공동으로 콘크리트 맞춤형 진단 시스템을 개발해 나간다면 더 정확한 고속 스캐닝 기반 진단이 가능할 것이다.
최종적으로 로봇·전자·IT 기술과 융합하여 접목시킴으로써 그림 5와 같이 콘크리트 자동 스캐닝 시스템, 이동형 검진용 로봇 등의 형태로 교량, 건물, 원전 설비·격납구조물, 철도, 도로 등 다양한 사회기반 시설물 진단에 활용할 수 있을 것으로 기대된다.
무엇보다도 초음파 트랜스듀서와 달리 광대역 특성을 보이기 때문에 고해상도의 영상작업이 가능하여 3차원 입체영상을 실현할 수 있는 가능성도 함께 가지고 있다[3]. 추후 cMUT 기술의 발전이 초음파를 이용한 콘크리트 비파괴 검사 분야에 큰 영향을 미치리라 기대한다.
콘크리트 비파괴 검사를 위한 비접촉식 초음파 진단 시스템에 관한 연구는 이제 시작단계로써 지속적인 연구를 통해 검증되어야 한다. 앞서 언급한 기초연구들은 기존의 초음파 기반 콘크리트 진단 시스템이 가지고 있는 시간, 비용 등 여러 문제점들을 극복하고 스캐닝 자동화 시스템으로 발전할 수 있는 가능성을 보여주었다.

핵심어

질문

논문에서 추출한 답변

임팩트 해머는 무엇에 많이 사용되는가?

초음파의 주파수 성분에 따라 감지영역과 감도가 달라지기 때문에 발신기와 수신기 타입 및 사양에 대한 주의도 필요하다. 콘크리트 비파괴검사에서 발신기로 많이 사용되는 임팩트 해머나 쇠공의 경우, 넓은 영역의 주파수 성분과 큰 에너지를 가지는 파를 발생시킬 수 있다는 장점이 있으나 기계적이라 검사자에 의존적이고 타격파의 시작지점을 찾는 것이 까다롭다.

초음파 진단 시스템은 어떤 과정을 통해 이루어지는가?

초음파(ultrasonic waves)를 이용한 진단기법은 기본적으로 매질의 물성에 따라 파의 전달속도와 전파·반사되는 특성이 달라지는 것에 기반을 둔다. 표면에 밀착된 발신자에서 생성된 초음파가 콘크리트 매질을 통해 인접한 수신자로 돌아오는 시간을 측정하고 속도를 계산함으로써 콘크리트의 압축강도, 동탄성계수, 내부결함, 콘크리트 두께 등을 진단한다. 콘크리트 품질평가의 결과로서 한 가지 절대값을 명확하게 제공하며, 현장에 대한 적용성도 다른 기법에 비해 높은 편이다.

초음파를 이용한 진단기법은 무엇에 기반을 두는가?

초음파(ultrasonic waves)를 이용한 진단기법은 기본적으로 매질의 물성에 따라 파의 전달속도와 전파·반사되는 특성이 달라지는 것에 기반을 둔다. 표면에 밀착된 발신자에서 생성된 초음파가 콘크리트 매질을 통해 인접한 수신자로 돌아오는 시간을 측정하고 속도를 계산함으로써 콘크리트의 압축강도, 동탄성계수, 내부결함, 콘크리트 두께 등을 진단한다.

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