[논문]비파괴충격파 시험법을 이용한 동탄성계수 평가

김도완; 장병관; 문성호

doi:10.7855/ijhe.2014.16.3.035

비파괴충격파 시험법을 이용한 동탄성계수 평가
Evaluation of the Dynamic Modulus by using the Impact Resonance Testing Method 원문보기

한국도로학회논문집 = International journal of highway engineering, v.16 no.3 = no.65, 2014년, pp.35 - 41

김도완 (서울과학기술대학교 건설시스템디자인공학과) , 장병관 (서울과학기술대학교 건설시스템디자인공학과) , 문성호 (서울과학기술대학교 건설시스템디자인공학부)

Abstract ▼ AI-Helper

PURPOSES : The dynamic modulus for a specimen can be determined by using either the non-destructed or destructed testing method. The Impact Resonance Testing (IRT) is the one of the non-destructed testing methods. The MTS has proved the source credibility and has the disadvantages which indicate the expensive equipment to operate and need a lot of manpower to manufacture the specimens because of the low repeatability with an experiment. To overcome these shortcomings from MTS, the objective of this paper is to compare the dynamic modulus obtained from IRT with MTS result and prove the source credibility. METHODS : The dynamic modulus obtained from IRT could be determined by using the Resonance Frequency (RF) from the Frequency Response Function (FRF) that derived from the Fourier Transform based on the Frequency Analysis of the Digital Signal Processing (DSP)(S. O. Oyadigi; 1985). The RF values are verified from the Coherence Function (CF). To estimate the error, the Root Mean Squared Error (RMSE) method could be used. RESULTS : The dynamic modulus data obtained from IRT have the maximum error of 8%, and RMSE of 2,000MPa compared to the dynamic modulus measured by the Dynamic Modulus Testing (DMT) of MTS testing machine. CONCLUSIONS : The IRT testing method needs the prediction model of the dynamic modulus for a Linear Visco-Elastic (LVE) specimen to improve the suitability.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구에서는 아스팔트 혼합물의 동탄성계수를 측정하기 위해 비파괴충격파 시험법(Non-Destructive Impact Wave Testing or Impact Resonance Testing, IRT)을 도입하였다. IRT 시험의 도입으로 인한 본 연구의 목적은 보다 저렴하고 빠른 동탄성계수를 도출해 내기 위함이며, 또한 아스팔트 혼합물의 동탄성계수를 구하는 것에 있어서 공신력을 가지고 있는 MTS 장비의 결과를 비교해 IRT 시험법을 평가하고자 한다.
본 연구는 IRT 시험법에 의해 도출되어진 동탄성계수 값과 MTS를 이용한 DMT 시험의 동탄성계수 값을 비교함으로써, IRT 시험결과를 평가하기 위함이다. 그 결과 현재 공신력을 가지고 있다고 평가되는 MTS에 의한 DMT 결과와 최대 8%의 오차를 갖는다는 결론을 내렸다.
본 연구에서 두 가지 시험방법을 통한 아스팔트 혼합물의 동탄성계수를 구하기 위해서 SMA 공시체를 제작하였다. SMA를 대상 공시체로 선택한 것은 소성변형, 균열에서 우수한 특성을 갖고 있기 때문에 일축인장/압축시험에서 공시체의 파괴 및 일탈을 최소화할 수 있다.

제안 방법

같은 비율로 공시체를 제작하되, 다짐을 실시하는 과정에서 충격으로 인한 공시체의 파괴 및 일탈을 줄이고, 현장의 롤러다짐과 가장 유사한 조건을 적용하기 위해 선회다짐법으로 다짐을 실시하였다. 공시체의 공극 별 동탄성계수 결과를 비교해 보기 위하여 공극률은 10, 15, 20%로 조정하였다.
같은 비율로 공시체를 제작하되, 다짐을 실시하는 과정에서 충격으로 인한 공시체의 파괴 및 일탈을 줄이고, 현장의 롤러다짐과 가장 유사한 조건을 적용하기 위해 선회다짐법으로 다짐을 실시하였다. 공시체의 공극 별 동탄성계수 결과를 비교해 보기 위하여 공극률은 10, 15, 20%로 조정하였다. 공시체는 높이 17.
두 가지 시험방법으로 결정되어진 동탄성계수 결과 값을 비교하기 위해서 공신력이 입증된 MTS결과를 기준으로 하였다. 또한 MTS에 의한 결과는 주파수 별 동탄성계수의 값을 제시하였으며, IRT 시험에 의한 결과는 온도에 따른 동탄성계수의 값을 제시하였기 때문에 기본 조건은 온도에 초점을 맞추도록 한다.
두 가지 시험방법으로 결정되어진 동탄성계수 결과 값을 비교하기 위해서 공신력이 입증된 MTS결과를 기준으로 하였다. 또한 MTS에 의한 결과는 주파수 별 동탄성계수의 값을 제시하였으며, IRT 시험에 의한 결과는 온도에 따른 동탄성계수의 값을 제시하였기 때문에 기본 조건은 온도에 초점을 맞추도록 한다. 그 이유는 IRT 시험의 공진주파수는 CF에 의하여 신뢰성을 구축해 놓은 상태여서 주파수 별 동탄성계수를 구하는 것에 있어서 신뢰성을 잃게 되기 때문이다.
본 연구에서 MTS 810 시스템을 사용하여 동탄성계수를 측정하는 과정에서 4가지의 실험온도(오차율 고려) 5, 20, 40, 54℃로 설정하였으며, 하중주기 주파수는 0.1, 0.5, 1, 5, 10, 20Hz로 설정하였다. 이러한 모든 시험수행은 AASHTO TP 62-03(AASHTO, 2005)의 절차에 의한 것이며, 일축압축/인장시험 시 85mm 변형측정자기센서(Linear Variable Differential Transformer, LVDT) 4기를 공시체에 120° 간격으로 설치하여 수직방향에 대한 변형을 측정하는 방식으로 수행되었다.
오차율의 크기를 구하기 위하여 MTS 810 시스템에 의한 결과를 기준으로 오차율과 RMSE(Root Mean Squared Error), 두 가지를 동시에 구하였다. 오차를 구하는 것에 있어서 온도나 주파수의 구별은 두지 않았으며 측정되어진 동탄성계수 값에만 의존하였다.
그 이유는 IRT 시험의 공진주파수는 CF에 의하여 신뢰성을 구축해 놓은 상태여서 주파수 별 동탄성계수를 구하는 것에 있어서 신뢰성을 잃게 되기 때문이다. 온도는 두 시험의 조건온도가 상이하며 예측 값을 사용할 경우 오차를 포함하기 때문에 이를 최소화하기 위하여 5℃, 20℃의 3가지 공시체에 대해서 비교를 실시한 후, 실제 오차율이 어느 정도인지 파악하고자 한다(회귀분석을 활용하여 오차를 보정하더라도 온도와 주파수에 대한 보정을 두 차례 실시할 경우 동탄성계수 값 비교 시 큰 오차를 갖을 수 있기 때문에 동등한 온도조건에서의 오차 비교실시).
이러한 모든 시험수행은 AASHTO TP 62-03(AASHTO, 2005)의 절차에 의한 것이며, 일축압축/인장시험 시 85mm 변형측정자기센서(Linear Variable Differential Transformer, LVDT) 4기를 공시체에 120° 간격으로 설치하여 수직방향에 대한 변형을 측정하는 방식으로 수행되었다.

대상 데이터

가속도계는 B&K사의 Accerlerometer-Types 4516를 사용하였다.
결국 최종적으로 시험에 사용되어질 공시체의 크기는 높이 15cm, 지름 10cm의 원기둥모양 공시체이다. 앞의 Fig.

이론/모형

또한 파동의 전파를 기존 연구에서 P파로 가정하였다 뿐이지 사실상 P파가 아닌 다방향 전파이기 때문에 특정신호 외의 다른 신호를 함께 수용할 수밖에 없다. 따라서 실험의 신뢰도를 판단하기 위해 기여함수(Coference Function, CF)를 사용하도록 한다. 다음 Eq.
본 연구에서는 아스팔트 혼합물의 동탄성계수를 측정하기 위해 비파괴충격파 시험법(Non-Destructive Impact Wave Testing or Impact Resonance Testing, IRT)을 도입하였다. IRT 시험의 도입으로 인한 본 연구의 목적은 보다 저렴하고 빠른 동탄성계수를 도출해 내기 위함이며, 또한 아스팔트 혼합물의 동탄성계수를 구하는 것에 있어서 공신력을 가지고 있는 MTS 장비의 결과를 비교해 IRT 시험법을 평가하고자 한다.

성능/효과

본 연구는 IRT 시험법에 의해 도출되어진 동탄성계수 값과 MTS를 이용한 DMT 시험의 동탄성계수 값을 비교함으로써, IRT 시험결과를 평가하기 위함이다. 그 결과 현재 공신력을 가지고 있다고 평가되는 MTS에 의한 DMT 결과와 최대 8%의 오차를 갖는다는 결론을 내렸다. RMSE의 경우 2,000MPa 오차를 가지고 있으며 RMSE 오차는 온도가 높아짐에 따라서 줄어드는 양상을 보였다.
MTS 810 System을 이용하여 동탄성계수 시험 (Dynamic Modulus Testing, DMT)을 수행하는 경우 시험대상 공시체에 대하여 일축으로 인장 또는 압축을 가하면서 이에 대한 동탄성계수를 측정하게 된다. 따라서 이를 수행하는 MTS 810 시스템은 공시체의 동탄성 계수 뿐만 아니라 다른 실제 응력에 대한 변형의 크기 등의 결과를 도출해 내는 것이 가능하다.
다음 Table 3, 4는 MTS 810 시스템에 의한 동탄성 계수 및 IRT 시스템에 의한 동탄성계수를 나타낸다. 여기서 IRT 시험결과에 공진주파수와 Fig. 12의 CF결과를 비교해 보면 IRT 시험의 공진주파수는 신뢰성을 확보하였다고 판단할 수 있다. 여기서 DM은 동탄성계수(MPa)를 의미하며 RF는 공진주파수(Resonance Frequency, Hz)를 의미한다.
오차율을 계산한 결과, 최소 5%에서 최대 8%의 오차율을 보였으며 오차의 값은 최소 1,200MPa에서 최대 2,400MPa까지 발생하였다.

후속연구

RMSE의 경우 2,000MPa 오차를 가지고 있으며 RMSE 오차는 온도가 높아짐에 따라서 줄어드는 양상을 보였다. 이와 관련하여 IRT 시험법에서 공진주파수와 FRF를 이용하는 과정의 이론적 의미는 적합성을 가지고 있으나, 기존 연구의 탄성모델에 대한 적용보다 점탄성물체에 대한 실험적 모델을 개발해야 할 것으로 사료된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	포트홀이나 싱크홀, 균열의 원인은?	이와 관련하여전 세계적으로 발생하는 아스팔트 도로의 피해를 줄이기 위한 노력이 급격하게 이루어지고 있다. 그 중 아스팔트 포장 내의 포트홀이나 싱크홀, 균열 등은 포장의 성분에 따른 강도의 원인으로 발생되기도 한다.
	아스팔트 혼합물의 강도를 측정할 때 온도 및 하중재하 속도, 간격이 매우 중요한 요소로 작용하는 이유는?	아스팔트 혼합물에 대한 강도를 예측하고 그 성능을 파악하기 위해서 일반적으로 동탄성계수를 사용하며 동탄성계수가 높을수록 포장체의 강도는 크다고 판단한다. 아스팔트 혼합물에 대한 강도를 측정하는 경우 점탄성체라는 특성을 가지고 있기 때문에 온도 및 하중재하 속도, 간격이 매우 중요한 요소로 작용한다. 이러한 요소들을 충족시켜 주기 위해 국내에서는 고가의 장비를 구축하여 이에 의존하고 있다.
	동탄성계수 결과 값을 비교하기 위해서 MTS결과를 기준으로 하고, 기본 조건은 온도에 초점을 맞추도록 한 이유는?	또한 MTS에 의한 결과는 주파수 별 동탄성계수의 값을 제시하였으며, IRT 시험에 의한 결과는 온도에 따른 동탄성계수의 값을 제시하였기 때문에 기본 조건은 온도에 초점을 맞추도록 한다. 그 이유는 IRT 시험의 공진주파수는 CF에 의하여 신뢰성을 구축해 놓은 상태여서 주파수 별 동탄성계수를 구하는 것에 있어서 신뢰성을 잃게 되기 때문이다. 온도는 두 시험의 조건온도가 상이하며 예측 값을 사용할 경우 오차를 포함하기 때문에 이를 최소화하기 위하여 5℃, 20℃의 3가지 공시체에 대해서 비교를 실시한 후, 실제 오차율이 어느 정도인지 파악하고자 한다(회귀분석을 활용하여 오차를 보정하더라도 온도와 주파수에 대한 보정을두 차례 실시할 경우 동탄성계수 값 비교 시 큰 오차를 갖을 수 있기 때문에 동등한 온도조건에서의 오차 비교실시).

참고문헌 (10)

AASHTO TP 62-03, 2005. Standard method of Test for Determining Dynamic Modulus of Hot-mix Asphalt Concrete Mixtures, American Association of State and Highway Transportation Officials, 2005.
ISO 9052-1, 1989. Determination of dynamic stiffness
Jang, Byung Kwan, Kim, Dowan, Mun, Sungho and Jang, Youngsun. Evaluation for Moisture Susceptibility of Asphalt Mixtures using Non-Destructive Impact Wave, Journal of Korean Society of Road Engineers, 15(3), pp. 53-63. 2013.

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Jang, Byung Kwan, Yang, Sung Lin and Mun, Sungho. Study for Dynamic Modulus Change Measurement of Permeable Asphalt Mixtures with Various Porosity using Non-Destructive Impact Wave, Journal of Korean Society of Road Engineers, 15(3), pp. 65-74. 2013.

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KS F 2398, 2005. Standard test method for resistance of compacted asphalt mixtures to moisture induced damage
Kwan-Ho, Lee and Kyung-Rae, Cho. Evaluation of Dynamic Modulus based on Aged Asphalt Binder, Journal of Korean Society of Hazard Mitigation, 8(3), pp. 51-58. 2008.
Kweon Gi chul and Jae Hoan Lee. Evaluation of Effects on Impact Resonance Test for Determining Modulus of Asphalt Concrete, Journal of Korean Society of Road Engineers, 9(2), pp. 89-99. 2007.
Oyadiji S. O. and Tomlinson G.R. Determination Of The Complex Moduli Of Viscoelastic Structural Elements By Resonance And Non-Resonance Methods, Journal of Sound and Vibration, 101(3), pp. 277-298. 1985.

상세보기
Witczak, M. W. and Fonseca, O. A. Revised Predictive Model for Dynamic (Complex) Modulus of Asphalt Mixture, TRB Record, 1996.
Yang, Sung Lin, Baek, Cheolmin, Jeong, Kyu Dong, Kim, Young Min, Kim, Yong Joo and Hwang, Sung Do. A Study on Field Application and Laboratory Performance Evaluation of Warm Mix Asphalt, Journal of Korean Society of Road Engineers, 14(4), pp. 9-18. 2012.

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