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문제 정의
- 본고에서는 콘크리트에 적용할 수 있는 응력파 기반 비파괴 검사법에 ACS 적용에 관한 이론적 배경 및 지금까지 연구된 연구 결과, 응용 사례, 최근 연구되고 있는 향후 기술에 관하여 간단하게 소개하고자 한다.
제안 방법
- 입력원으로 지름 13mm의 쇠구슬을 이용한 콘크리트면의 직접타격을 이용하였으며, ASC와 가속계 각각 두개를 지점 B와 C에 설치하였다. 가속도계는 강력본드를 이용하여 콘크리트에 부착하여 커플링에 의한 효과를 최소할 수 있도록 하였다. Fig.
- 4(a)에서 보이는 바와 같이 실제 크기의 콘크리트 보 (길이 8280 mm 폭 530 mm 깊이 1060 mm)의 옆면에 표면파를 설치하기 위한 입력원과 센서를 위치하였다. 입력원으로 지름 13mm의 쇠구슬을 이용한 콘크리트면의 직접타격을 이용하였으며, ASC와 가속계 각각 두개를 지점 B와 C에 설치하였다. 가속도계는 강력본드를 이용하여 콘크리트에 부착하여 커플링에 의한 효과를 최소할 수 있도록 하였다.
- 필자는 기존 연구를 통하여 ‘비접촉 표면파 전달법’을 이용하여 실제 현장에서 타설된 프리스트레스 콘크리트 보 표면에 알칼리 실리카 반응/에트린자이트 지연 형성으로 발생한 다양한 종류의 표면 균열의 깊이 및 패턴을 평가하였다 (Fig. 7 참조).
대상 데이터
- 이론적으로 ACS를 이용하여 측정하는 물리값은 콘크리트 내부에서 발생된 응력파의 일부가 공기중으로 전파된 누설파 (Leaky wave)이다. 콘크리트 비파괴 검사에 주로 사용하는 100 kHz이하의 저주파를 측정할 경우 일반적으로 콘텐서마이크가 ACS로 사용될 수 있다.
이론/모형
- Zhu는 ACS를 이용하여 콘크리트 포장 도로의 상태를 평가하기 위하여 MASW를 수행하였다. 두 개의 고정된 ACS와 타격점의 위치를 변화시키면서 얻는 MSOR방식을 이용하였다. ACS를 이용하여 얻은 램파의 분산 곡선은 가속계로 얻은 결과 및 이론치와 매우 좋은 일치도를 보임으로서 ACS를 MASW에 적용 가능성을 보여주었다.
성능/효과
- 은 왼쪽 (지점 A) 및 오른쪽 (지점 D)에 위치한 입력원으로 발생된 표면파의 경로 BC에서 측정한 위상차를 의미한다. 13mm 지름의 쇠구슬을 이용하여 발생된 입력파의 특성상 중심주파수 17 kHz 근방에서 가장 좋은 결과의 일관성을 보이고 있다. 좋은 일관성을 보이는 유표주파수 영역에서 ACS에서 얻은 에너지 감쇠와 위상속도의 값은 가속도에서 얻은 값과 좋은 일치도를 보이는 것으로 나타났다.
- 5에서 보이는 바와 같이 ACS 배열을 이용하여 얻은 결과는 가속도계를 이용한 결과와 매우 높은 일치도를 보였다. ACS 배열을 이용할 경우 일반적인 성인의 걷는 속도 정도의 측정 속도가 나오는 것으로 나타났으며 이는 ACS 배열을 카트나 차량에 실어 콘크리트 표면을 음향스캔할 수 있다는 것을 의미한다. 또한 ACS를 이용할 경우 매우 일관적인 결과를 얻을 수 있음을 실험적으로 확인할 수 있었다.
- 두 개의 고정된 ACS와 타격점의 위치를 변화시키면서 얻는 MSOR방식을 이용하였다. ACS를 이용하여 얻은 램파의 분산 곡선은 가속계로 얻은 결과 및 이론치와 매우 좋은 일치도를 보임으로서 ACS를 MASW에 적용 가능성을 보여주었다. 최근 Ryden 등은 7개의 센서로 구성된 ACS배열을 이용하여 고속도로 콘크리트 포장 표면에서 표면파를 측정하였으며 MASW를 이용하여 램파의 분산곡선을 얻었다.
- 또한 평가된 균열의 깊이는 코어샘플을 통하여 얻은 결과와 좋은 일치도를 보임을 확인하였다. ACS를 이용한 표면파 전달법이 대형 콘크리트 구조물 표면에 발생한 균열을 현장에서 신속하고 정확하게 측정하는데 효과적인 방법임을 확인할 수 있다.
- 최근 실험적 연구를 통하여 ACS를 이용함에 따라 커플링에 의한 실험적 불확실성이 현저히 줄어듦을 확인할 수 있었다. Fig. 6에서 보이는 바와 같이 ACS를 이용하여 얻은 결과는 수치해석 및 이론적 해석 결과와 상당히 높은 정확성을 보였다.
- ACS 배열을 이용할 경우 일반적인 성인의 걷는 속도 정도의 측정 속도가 나오는 것으로 나타났으며 이는 ACS 배열을 카트나 차량에 실어 콘크리트 표면을 음향스캔할 수 있다는 것을 의미한다. 또한 ACS를 이용할 경우 매우 일관적인 결과를 얻을 수 있음을 실험적으로 확인할 수 있었다.
- 7(c)에서 보이는 것과 같이 결과는 표면 균열의 패턴을 정확하게 평가하는 것으로 나타났다. 또한 평가된 균열의 깊이는 코어샘플을 통하여 얻은 결과와 좋은 일치도를 보임을 확인하였다. ACS를 이용한 표면파 전달법이 대형 콘크리트 구조물 표면에 발생한 균열을 현장에서 신속하고 정확하게 측정하는데 효과적인 방법임을 확인할 수 있다.
- 8에서 보이는 바와 같이 2차원 진동수 그래프로 표현되었으며 콘크리트 내부의 다양한 크기 및 깊이의 박리를 정확하게 평가하는 것으로 나타났다. 실험 결과의 일관성 및 균열에 대한 민감도 해석을 통하여 ACS를 이용할 경우 매우 높은 신뢰도를 얻을 수 있음을 확인하였다.
- 이에 대한 대책으로 Zhu와 Popovics는 판형 콘크리트에 형성된 램파를 측정하는데 ACS의 사용을 제안하였다. 실험실에서 축소 실험체를 제작하여 내부의 다양한 깊이와 크기의 박리를 탐지하고 평가하는데 ACS를 이용한 충격반향기법을 수행하였고, 그 결과를 바탕으로 ACS 사용의 효율성 및 실용성을 실험적으로 증명하였다. 또한 최근에는 ACS를 이용한 충격반향기법을 콘크리트 교량 상판의 내부 결함을 탐지 및 평가를 위한 보다 실용적인 문제에 적용한 연구 결과가 있다.
- 또한 최근에는 ACS를 이용한 충격반향기법을 콘크리트 교량 상판의 내부 결함을 탐지 및 평가를 위한 보다 실용적인 문제에 적용한 연구 결과가 있다. 실험의 결과는 Fig. 8에서 보이는 바와 같이 2차원 진동수 그래프로 표현되었으며 콘크리트 내부의 다양한 크기 및 깊이의 박리를 정확하게 평가하는 것으로 나타났다. 실험 결과의 일관성 및 균열에 대한 민감도 해석을 통하여 ACS를 이용할 경우 매우 높은 신뢰도를 얻을 수 있음을 확인하였다.
- 좋은 일관성을 보이는 유표주파수 영역에서 ACS에서 얻은 에너지 감쇠와 위상속도의 값은 가속도에서 얻은 값과 좋은 일치도를 보이는 것으로 나타났다. 이러한 실험적 결과를 통하여 ACS의 정확도는 커플링의 효과를 최소로 했을 때 가속도계에서 얻을 수 있는 정확도와 유사한 값을 나타내고 있음을 확인할 수 있다.
- 접촉센서와 비교하여 결과의 정확도 및 일관성, 실험속도면에서 ACS는 탁월한 성능을 보이고 있다. 하지만 ACS로 주로 사용되는 콘덴서 마이크의 낮은 민감도 (sensitivity)는 ACS의 현실적 문제의 적용성 및 실용성에 한계를 주고 있다.
- 13mm 지름의 쇠구슬을 이용하여 발생된 입력파의 특성상 중심주파수 17 kHz 근방에서 가장 좋은 결과의 일관성을 보이고 있다. 좋은 일관성을 보이는 유표주파수 영역에서 ACS에서 얻은 에너지 감쇠와 위상속도의 값은 가속도에서 얻은 값과 좋은 일치도를 보이는 것으로 나타났다. 이러한 실험적 결과를 통하여 ACS의 정확도는 커플링의 효과를 최소로 했을 때 가속도계에서 얻을 수 있는 정확도와 유사한 값을 나타내고 있음을 확인할 수 있다.
- 지금까지 발표된 연구결과를 통하여 대부분의 응력파에 기반한 비파괴 검사법에 ACS를 사용할 수 있음을 확인할 수 있었다. 하지만 대부분의 연구는 아직 잘 통제된 실험실 환경에서 이루어졌다.
- 응력파에 기반한 검사법은 먼저 입력원 (변환기 또는 직접타격)을 통하여 콘크리트에 응력파를 발생시키고, 콘크리트를 통하여 전파된 응력파를 다양한 종류의 센서를 통하여 측정하는 과정을 포함한다. 측정된 응력파의 분석을 통하여 전파된 매질의 기계적 성질 및 내부의 결함과 같은 유용한 정보를 얻을 수 있다. 하지만 기존의 가속계, 변위계, 지오폰과 같은 대상 매질에 부착하여 측정값을 얻는 ‘부착 센서’를 사용할 경우 표면 처리, 센서의 부착 및 이동에 따른 추가적인 시간이 소요되고, 센서와 구조물의 불완전한 커플링으로 인한 측정 결과의 신뢰성 및 일관성을 유지하기 어렵게 한다.
- 표면파의 전달율은 식 (3)을 이용하여 계산할 수 있다. 하지만 불균질재료인 콘크리트에 표면파 전달법을 적용할 때 측정 시 개입되는 높은 실험적 불확실성이 결과의 신뢰도 및 일관성에 큰 영향을 주는 것으로 나타났다. 실험적 불확실성은 주로 결함의 모서리(균열의 경우 균열의 끝)에서 발생하는 탄성파의 근거리장 산란 현상과 불규칙한 콘크리트 표면에서 일관적이지 않은 센서의 커플링에 기인한다.
후속연구
- 같은 원리로 현재 연방 도로청 (FHWA)과 국가표준기술연구소 (NIST)에서는 각종 비파괴 검사를 위한 센서를 장착한 로봇을 이용하여 자동으로 구조물의 비파괴 검사를 수행하기 위한 연구를 위한 연구 프로젝트를 지원하고 있다. 로봇은 응력파에 기반한 비파괴 기법 뿐만 아니라 고해상도 카메라, 열화상 카메라를 이용한 시각적 방법, 전자기파를 이용한 GPR, 전기-화학적 방법등의 다양한 센서를 포함할 예정이다. 응력파를 이용한 검사를 수행하기 위해 필요한 센서로 기존의 접촉센서가 갖는 단점은 전체 로봇 시스템의 속도를 현저히 떨어뜨리고, 또한 커플링에 의한 효과는 결과의 신뢰도 및 일관성에 큰 영향을 줄 수 있다.
- 멀지 않은 미래에는 ACS를 장착한 무인 로봇이 다양한 종류의 건축/토목 구조물의 건전도를 평가하기 위하여 종횡무진 활약하는 모습을 현실 속에서 볼 수 있을 것이라 기대한다.
- 따라서 현재 연구자들은 이러한 문제의 해결책으로 ACS를 차세대 센서로서 연구를 진행하고 있다. 이제 Curiosity와 같은 각종 센서를 장착한 무인 로봇이 대형 건축/토목 구조물의 건전도를 평가를 위해 활약이 멀지 않은 미래에 현실화될 것이라 기대한다.
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