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탄성파시험의 이동성 확보를 위한 마이크로폰 센서의 활용
Utilization of a Microphone to Acquire Mobility in Seismic Testing 원문보기

대한토목학회논문집 = Journal of the Korean Society of Civil Engineers, v.33 no.4, 2013년, pp.1509 - 1521  

조성호 (중앙대학교 건설환경공학과) ,  부카리 (중앙대학교 토목공학과) ,  노리나 (중앙대학교 토목공학과)

초록
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구조물의 안정성에 대한 사회적 요구는 이를 충족시키기 위한 기술발전으로 이어지게 되었고, 지각구조를 이해하기 위해 개발된 탄성파기법도 구조물의 건전성을 평가하는 비파괴 기법으로 자리매김하게 되었다. 비파괴 탄성파기법의 핵심은 측정대상 매질의 탄성파 속도를 측정하는 것으로, 탄성파의 전파를 측정하는 센서를 필수적으로 사용하여야 한다. 기존의 탄성파기법은 접촉식 센서를 사용하기 때문에 이동중 연속시험이 불가능한 문제점이 있었고, 탄성파 시험의 효율성이 실용적 요구조건에 부합하지 못하는 한계성이 있었다. 본 연구에서는 비접촉식 센서의 일종인 보급형 마이크로폰을 센서로 활용하여 기존 탄성파 시험의 문제점을 극복하고자 하는 연구를 수행하였다. 다짐지반의 실시간 다짐품질 확인, 콘크리트 구조물의 재료강성 및 내부결함의 확인 등을 위한 표면파 시험과 공진시험 등을 마이크로폰 활용대상으로 설정하였고, 마이크로폰센서의 영향인자 연구, 실구조물에 대한 현장시험 등을 수행하였다. 이를 통하여 마이크로폰 센서의 신뢰성과 효율성을 확인할 수 있었으며, 최적의 마이크로폰 활용방안을 제안하였다.

Abstract AI-Helper 아이콘AI-Helper

Social demand for the stability of structures lead to the development of the technology to accomplish it. The non-destructive seismic technique, which is able to assess structural integrity of infrastructures, belongs to this category. Seismic technique is focused on the measurement of seismic veloc...

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

  • 다짐지반과 콘크리트 구조물에서 탄성파 시험의 실용성을 확보하기 위한 이동식 시험장비 개발의 일환으로 비접촉식 센서인 마이크로폰의 활용성을 연구하였다. 본 연구를 통하여 획득한 결과를 정리하면 다음과 같다.
  • 마이크로폰이 탄성파 시험용 센서로 효율적으로 활용되기 위해서 어떠한 설정이 가장 효율적인지 결정하기 위한 영향인자 연구를 실험적으로 수행하였다. 본 연구에서 고려한 영향인자로는 발진원과 마이크로폰 간의 간격, 마이크로폰의 설치 높이, 마이크로폰 센서에 효과적인 발진원의 종류, 마이크로폰의 차음(遮音) 여부 등을 포함하였다.
  • 탄성파를 이용한 공진시험에서 센서로서의 마이크로폰의 성능을 확인하였듯이, 콘크리트 구조물에서 표면파시험을 위한 센서로서의 성능을 평가하여 보았다. 본 연구에서는 강원도 원통리에 시공되어 있는 콘크리트 사방댐에 있어서 댐마루 표층 매질의 품질을 평가하기 위하여 표면파 시험을 수행하였는데, 가속도계와 마이크로폰을 동시에 사용하여 그 결과를 비교하였다. 비교시험이 수행된 콘크리트 사방댐은 시공에 있어서 일정한 배합과 골재를 이용하여 콘크리트를 타설하였을 가능성이 높기에 최소한 댐마루의 매질은 균질하게 조성되었을 가능성이 높다고 예상되는 상황이다.
  • 본 연구에서는 기존의 연구결과와 본 연구진의 탄성파 시험경험을 병합하여, 시험대상 매질에 따른 최적의 탄성파 시험구성을 제시하는 연구를 별도로 수행한 결과를 본 논문에 제시하였다.
  • 콘트리트 슬래브는 그 하부에 그라우팅재를 주입하여 슬래브의 높이를 조정하는 목적으로 활용되는 연구용 시험체로 슬래브 바닥에는 다짐된 토사가 지지하고 있다. 본 연구에서는 콘크리트 슬래브의 두께 및 콘크리트 재료의 강성을 평가할 목적으로 충격반향 시험 즉 공진시험을 수행하였다. 일부 제한된 개소보다는 시험체 전체를 평가할 목적으로 횡방향과 종방향 1m 간격으로 모두 72개의 절점을 시험위치로 설정하였다.
  • 후자의 경우 대표적인 사례로는 RDD (Rolling Dynamic Deflectometer; Bay, 1995)가 있으며, 주로 콘크리트 및 아스팔트 포장의 건전도 평가에 활용되고 있다. 본 연구에서도 다짐지반 및 콘크리트 구조체에 대한 평가시험에 있어서 실용성과 효율성을 확보할 수 있는 방안을 확보하는 연구를 수행하였다. 즉 신속한 이동식 시험을 위해서 필수적인 비접촉식 센서로서 보급형 음성용 마이크로폰을 탄성파 측정의 센서로 채택하고, 탄성파 시험에서 마이크로폰 센서의 성능을 최적화 할 수 있는 영향인자 연구를 실험적으로 수행하였다.
  • 마이크로폰은 공기압을 전기신호로 변환시키는 장치로서, 시험체 매질입자의 진동으로 인한 공기압만을 측정하기 위해서는 공기매질을 통해 전파되는 환경소음, 직접 전달 음파 등을 차단하는 것이 바람직하다. 본 절에서는 마이크로폰 주변 공간의 차음으로 인하여 얼마나 탄성파신호에 대한 마이크로폰 신호 품질이 개선되는지를 확인해 보고자 하였다. Fig.
  • 해머의 타격으로 발생된 탄성파는 매질을 따라 전파되다가 시험체 표면의 진동이 공기의 진동으로 변화되어 마이크로폰으로 전달된다. 이 때 마이크로폰의 높이에 따라 마이크로폰으로 전달되는 탄성파에너지 성분이 다를 것으로 판단되어, 탄성파 진동의 측정에 가장 효과적인 마이크로폰 위치를 결정하기 위한 시험을 수행하였다.
  • 본 연구에서도 다짐지반 및 콘크리트 구조체에 대한 평가시험에 있어서 실용성과 효율성을 확보할 수 있는 방안을 확보하는 연구를 수행하였다. 즉 신속한 이동식 시험을 위해서 필수적인 비접촉식 센서로서 보급형 음성용 마이크로폰을 탄성파 측정의 센서로 채택하고, 탄성파 시험에서 마이크로폰 센서의 성능을 최적화 할 수 있는 영향인자 연구를 실험적으로 수행하였다. 또한 다짐 지반 및 실제 콘크리트 구조물에 적용하여 최적의 시험조건을 확인하였는데, 다짐 지반의 경우는 표면파 시험에 대하여, 콘크리트 구조물의 경우는 공진시험과 표면파 시험 등에 대하여 집중적으로 연구하였다.
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질의응답

핵심어 질문 논문에서 추출한 답변
비파괴 탄성파기법의 핵심은 무엇인가? 구조물의 안정성에 대한 사회적 요구는 이를 충족시키기 위한 기술발전으로 이어지게 되었고, 지각구조를 이해하기 위해 개발된 탄성파기법도 구조물의 건전성을 평가하는 비파괴 기법으로 자리매김하게 되었다. 비파괴 탄성파기법의 핵심은 측정대상 매질의 탄성파 속도를 측정하는 것으로, 탄성파의 전파를 측정하는 센서를 필수적으로 사용하여야 한다. 기존의 탄성파기법은 접촉식 센서를 사용하기 때문에 이동중 연속시험이 불가능한 문제점이 있었고, 탄성파 시험의 효율성이 실용적 요구조건에 부합하지 못하는 한계성이 있었다.
기존의 탄성파기법의 문제점 및 한계점은? 비파괴 탄성파기법의 핵심은 측정대상 매질의 탄성파 속도를 측정하는 것으로, 탄성파의 전파를 측정하는 센서를 필수적으로 사용하여야 한다. 기존의 탄성파기법은 접촉식 센서를 사용하기 때문에 이동중 연속시험이 불가능한 문제점이 있었고, 탄성파 시험의 효율성이 실용적 요구조건에 부합하지 못하는 한계성이 있었다. 본 연구에서는 비접촉식 센서의 일종인 보급형 마이크로폰을 센서로 활용하여 기존 탄성파 시험의 문제점을 극복하고자 하는 연구를 수행하였다.
탄성파 측정방법이 정적인 방법에서 이동식 시험방법으로 바뀌어야 하는 이유는? 현재까지의 탄성파 측정은 탄성파 측정을 위한 센서를 시험대상 매질에 고정하여 시험을 수행하는 정적인 방법이었지만, 효율적이고 실용적인 향후의 탄성파 측정은 시험 및 해석의 자동화, 이동 중 시험 등의 기능을 구현하는 이동식 시험방법이어야 한다. 이는 다짐지반 및 콘크리트 구조물의 전반적인 건전도 상태를 평가하기 위해서는 시험체의 특정 지점에 대해서 제한적으로 평가를 수행하기 보다는 시험체 전체에 대하여 광범위하게 평가를 수행해야 하기 때문이다. 결과적으로 탄성파 시험이 수행되어야 하는 측점의 개수가 수백 또는 수천 지점에 이를 수 있고, 건전도 평가시험의 특성상 시험 및 결과보고가 신속하게 진행되어야 하는 시간제한적인 상황에 놓일 수도 있기 때문이다. 한편, 이동식 탄성파 측정이 가능하기 위해서는 탄성파를 감지하는 센서가 비접촉식이거나 또는 센서가 장착된 시스템이 이동식이어야 한다.
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참고문헌 (21)

  1. Bay, J. A., Stokoe, K. H., II, and Jackson, J. D. (1995). "Deve-lopment and preliminary investigation of a rolling dynamic deflectometer." Transportation Research Record 1473, Transportation Research Board (TRB), Washington, D.C., pp. 43-54. 

  2. Ramli, B. (2013). Accelerated resonance test based on non-contact sensors for nondestructive assessment of structural integrity of plate-like structures, MSc Thesis, Chung-Ang University. 

  3. Bueno, J. L., Stokoe, K. H. II, Allen, J. J. and Kalinski, M. E. (1999). "Evaluation of constructing increased single-lift thicknesses of unbound aggregate bases: Case Study in Georgia." In Trans- portation Research Record 1673, TRB, National Research Council, Washington, D.C., pp. 95-102. 

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  7. Joh, S.-H., Cho, M.-R., Kang, T.-H., Kwon, S. A. and Nam, J. H. (2008). "Pavement integrity scanner to characterize modulus contrast between near-surface and deeper material in concrete pavements." In Transportation Research Record 852, TRB, National Research Council, Washington, D.C., pp. 39-48. 

  8. Joh, S.-H., Jang, D.W., Kang, T.-H., Lee, I.-H. (2005). "Evaluation of shear stiffness structure for geological segments by CAPSASW Method." Journal of Korean Geotechnical Society, Vol. 21, No. 4, pp. 71-81. 

  9. Joh, S.-H., Kang, T.-H., Kwon, S. A. and Moon, C.-W. (2006). "Accelerated stiffness profiling of aggregate bases and subgrades for quality assessment of field compaction." In Transportation Research Record 2070, TRB, National Research Council, Washington, D.C., pp. 22-31. 

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  18. Viktorov, I. A. (1967). Rayleigh and lamb waves, Plenum, New York, 1967. 

  19. Zhu, J. (2005). Non-contact NDT of concrete structures using air-coupled sensors. PhD Thesis, University of Illinois at Urbana- Champaign. 

  20. Zhu, J. and Popovics, J. S. (2005). "Non-contact imaging for surface-opening cracks in concrete with air-coupled sensors." Materials and Structures, Vol. 38, pp. 801-806. 

  21. Zhu, J. and Popovics, J. S. (2006). "Air-coupled impact-echo method for NDT of concrete." AIP Conference Proceedings, p. 820. 

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