선택한 단어 수는 입니다.
최소 단어 이상 선택하여야 합니다.
최소 단어 이상 선택하여야 합니다.
선택한 단어 수는 30입니다.
최대 10 단어까지만 선택 가능합니다.
최대 10 단어까지만 선택 가능합니다.
문제 정의
- 측정의 일관성을 높이고 측정속도를 향상시키기 위하여 컨덴서마이크를 활용한 비접촉센서를 사용하였다. 또한 본 연구에서는 기존의 TOFD (Time-of-flight Diffraction)방법과 비교하여 수정된 표면파 전달법의 향상된 정확도를 분석하였다.
- 본 연구의 목적은 슬래브 및 벽체와 같은 판형 구조물에 발생한 표면균열 깊이를 정확하게 평가하기 위한 수정된 표면 파전달법을 제안하는데 있다. 이를 위하여 유한요소해석을 통하여 판형 구조물에서 다중반사파 및 모드변화파의 영향을 고려한 수정된 표면파 전달함수를 제안하고, 제안된 모델을 실험적으로 검증하였다.
- 이번 연구의 주요 목적 중 하나는 판형 구조물에서 다중반사파의 영향을 고려한 수정된 표면파 전달 함수를 제안하는 것이다. 주파수 영역에서 좀 더 세밀한 해석을 위하여 정규표면파 전달율 (Trn)을 Eq.
- 이번 장에서는 본 연구에서 제안된 수정된 Trn-h/λ의 상관관계를 이용하여 콘크리트 슬래브의 깊이를 예측할 수 있는 실용적 측정모델을 제안하고자 한다.
- 수치 적분을 수행하는 동안 최대 시간 증가폭은 콘크리트 모델에서 P파가 한 개의 유한요소를 통과하는데 걸리는 시간보다 작은 값인 1 μs로 하였다. 이에 따라 수치해석의 수렴성 및 결과의 신뢰성을 높일 수 있도록 하였다. 수치해석의 효율을 높이기 위하여 총 8개의 CPU를 이용하여 ABAQUS 플랫폼에서 제공된 병렬해석을 수행하였다 (ABAQUS Inc.
제안 방법
- (1) 3차원 유한요소 해석을 통하여 두께 180 mm의 콘크 리트 슬래브에 발생한 표면균열의 깊이와 표면파전달 율의 상관관계를 연구하였다. B-scan 이미지를 통하여 다양한 다중반사파 및 모드변환파의 보강 및 상쇄간섭을 시각적으로 확인할 수 있었다.
- (3) 본 연구에서 실험 및 해석결과로 얻은 Trn-h/λ의 상관관계를 이용하여 콘크리트 슬래브의 깊이를 예측할 수있는 수정된 표면파 전달법을 제안하였다. 균열의 깊이는 최소제곱법 (Least Square Method)에 근거하여 측정값과 표면파 전달함수의 오차가 최소가 되는 점에서 구하였다.
- 다양한 깊이의 표면균열은 균열 양쪽 면이 서로 독립된 노드를 갖도록 표현하여 물리적인 균열 폭을 ‘0’로 하였다.
- 충격하중을 적용하였을 때 전체에너지의 약 60~70%는 표면파로 전파된다. 따라서 본 연구에서는 시간영역 신호에서 최소값을 중심으로 Window함수를 씌워 표면파를 분리했다. Fig.
- 이때 시간영역에서 측정된 신호를 고속푸리에변환 (Fast Fourier Transform: FFT)으로 주파수영역으로 변환하였고, 이를 각각 SAB, SBC라고 표현하였다. 또한 균열의 반대쪽 위치 D를 타격하여 표면파를 발생 시킨 후 위치 B와 C에 설치된 센서를 이용하여 누설파를 측정하였다. 이때 주파수 영역으로 변환 신호를 SDB, SDC라고 표현하였다.
- 다양한 깊이의 표면균열은 균열 양쪽 면이 서로 독립된 노드를 갖도록 표현하여 물리적인 균열 폭을 ‘0’로 하였다. 무한요소 (Infinite element)를 3차원 모델의 세 모서리에 배치하여 모델 경계에서 응력파 반사를 최대한 줄일 수 있도록 하였다. 응력파 해석에 필요한 콘크리트의 기계적 성질은 탄성계수 E = 38GPa, 질량밀도 ρ = 2500kg/m3, 포아송비 v = 0.
- 하지만 아직까지 이와 관련된 연구결과가 매우 부족한 실정이다. 본 연구에서 제안된 방법은 닫힌 균열에 대한 증폭효과를 고려하지 않았다. 따라서 ‘닫힌 균열’에 대하여 예측된 깊이보다 실제 균열깊이는 상당히 깊을 수도 있음에 주의가 요구된다.
- TOFD법에서 균열의 깊이는 표면균열을 통과하여 전파하는 초음파 (일반적으로 P파)의 시간을 측정함으로서 계산될 수 있다. 본 연구에서는 두 가지 다른 실험 방법을 이용하여 초음파의 전달 시간을 측정하였다. 먼저 Fig.
- 비접촉 센서는 약 4Hz~80kHz 주파수 대역을 지원하는 콘덴서마이크 (PCB377B01)를 이용하여 제작하였다. 센서 주위에 차음/흡음에 효과적인 재료를 둘러싸서 측정 시 주변소음의 영향을 최소화 할 수 있도록 하였다. 비접촉센서는 Fig.
- 표면균열을 포함한 콘크리트 슬래브는 8개의 절점을 갖는 브릭요소 (C3D8R)로 모델링하였다. 수치해석의 주요 변수로 균열깊이와 슬래브의 두께를 고려하였다. 다양한 깊이의 표면균열은 균열 양쪽 면이 서로 독립된 노드를 갖도록 표현하여 물리적인 균열 폭을 ‘0’로 하였다.
- 8구간에서는 증폭되는 것으로 나타났다. 슬래브에 대하여 수정된 표면파 전달함수를 회귀분석을 통하여 근사식으로 표현하였으며, 근사식의 정확성 및 효용성은 실험을 통하여 증명하였다.
- 9(b)에서는 지름이 약 8mm인 쇠구슬을 이용하여 콘크리트 표면 타격으로 발생한 P파의 이동시간 측정을 위한 실험도를 보여준다. 응력파는 표면균열을 기준으로 양쪽 콘크리트 표면에 부착된 가속도계를 이용하여 측정하였다. P파의 이동시간을 측정하면 균열의 깊이는 Eq.
- 5(a)의 B 와 C점에서 수직으로 약 20mm 높이에 설치된 비접촉 센서를 이용하여 누설파를 측정하였다. 이때 시간영역에서 측정된 신호를 고속푸리에변환 (Fast Fourier Transform: FFT)으로 주파수영역으로 변환하였고, 이를 각각 SAB, SBC라고 표현하였다. 또한 균열의 반대쪽 위치 D를 타격하여 표면파를 발생 시킨 후 위치 B와 C에 설치된 센서를 이용하여 누설파를 측정하였다.
- 본 연구의 목적은 슬래브 및 벽체와 같은 판형 구조물에 발생한 표면균열 깊이를 정확하게 평가하기 위한 수정된 표면 파전달법을 제안하는데 있다. 이를 위하여 유한요소해석을 통하여 판형 구조물에서 다중반사파 및 모드변화파의 영향을 고려한 수정된 표면파 전달함수를 제안하고, 제안된 모델을 실험적으로 검증하였다. 측정의 일관성을 높이고 측정속도를 향상시키기 위하여 컨덴서마이크를 활용한 비접촉센서를 사용하였다.
- , 2007). 이번 연구에서는 깊이가 0에서 90mm로 10mm 단위로 증가하는 표면균열에 따른 표면파 속도변화를 실험적으로 측정하였으며, 그 결과는 Fig. 7에 나타내었다. 위상속도는 Eq.
- 중심 주파수가 약 54kHz인 상용초음파 센서를 표면균열을 중심으로 양쪽 표면에 설치하여 발진기에서 수신기까지 P파의 이동시간 Δt를 측정하였다.
- 이를 위하여 유한요소해석을 통하여 판형 구조물에서 다중반사파 및 모드변화파의 영향을 고려한 수정된 표면파 전달함수를 제안하고, 제안된 모델을 실험적으로 검증하였다. 측정의 일관성을 높이고 측정속도를 향상시키기 위하여 컨덴서마이크를 활용한 비접촉센서를 사용하였다. 또한 본 연구에서는 기존의 TOFD (Time-of-flight Diffraction)방법과 비교하여 수정된 표면파 전달법의 향상된 정확도를 분석하였다.
- , 2000)을 이용하여 측정하여, 콘크리트의 비대칭성, 센서 및 임팩트 하중에 관한 불확실성에 따른 측정오차를 최소가 될 수 있도록 하였다. 콘크리트 내부에서 응력파를 발생시키기 위하여 지름 13mm 쇠구슬을 Fig. 5(a)의 A지점을 타격하였다. 콘크리트 내부의 에너지는 공기 중으로 누설되며, Fig.
- 5(a)의 A지점을 타격하였다. 콘크리트 내부의 에너지는 공기 중으로 누설되며, Fig. 5(a)의 B 와 C점에서 수직으로 약 20mm 높이에 설치된 비접촉 센서를 이용하여 누설파를 측정하였다. 이때 시간영역에서 측정된 신호를 고속푸리에변환 (Fast Fourier Transform: FFT)으로 주파수영역으로 변환하였고, 이를 각각 SAB, SBC라고 표현하였다.
- 콘크리트 슬래브에 발생된 표면균열과 표면파의 상호작용을 연구하기 위하여 ABAQUS/Explicit (ABAQUS Inc., 2011)를 이용하여 유한요소해석 모델을 개발하였다. 수치해석에서 고려된 콘크리트 슬래브는 가로, 세로, 높이가 각각 1.
- 콘크리트는 1종 보통 포틀랜드시멘트, 강모래, 최대 골재치수가 19mm인 자갈을 이용하여 제작하였다. 콘크리트의 압축강도는 20MPa로 계획하였다. 실제 실험 시 5개의 실린더에서 측정한 공칭압축강도는 22.
- 1(b)과 같이 반쪽모델이다. 표면균열을 포함한 콘크리트 슬래브는 8개의 절점을 갖는 브릭요소 (C3D8R)로 모델링하였다. 수치해석의 주요 변수로 균열깊이와 슬래브의 두께를 고려하였다.
대상 데이터
- 5에서는 비접촉 센서를 이용한 표면파전달율 측정 장치를 보여준다. 비접촉 센서는 약 4Hz~80kHz 주파수 대역을 지원하는 콘덴서마이크 (PCB377B01)를 이용하여 제작하였다. 센서 주위에 차음/흡음에 효과적인 재료를 둘러싸서 측정 시 주변소음의 영향을 최소화 할 수 있도록 하였다.
- , 2011)를 이용하여 유한요소해석 모델을 개발하였다. 수치해석에서 고려된 콘크리트 슬래브는 가로, 세로, 높이가 각각 1.2m, 1.2m, 0.18m로 모델링 되었다. 모델은 y축에 대칭이기 때문에, y=0로 정의되는 평면에서 Uy=θx=θz=0 (U와 θ는 각각 변위와 회전각을 의미한다) 구속조건을 부여하여 수치해석에 사용된 모델은 Fig.
- 실험적 연구를 수행하기 위하여 크기가 1500×1500×180 mm3인 콘크리트 슬래브 (Fig. 4)를 실험실에서 타설하였다.
- 응력파 해석에 필요한 콘크리트의 기계적 성질은 탄성계수 E = 38GPa, 질량밀도 ρ = 2500kg/m3, 포아송비 v = 0.2로 고정하였다.
- 콘크리트는 1종 보통 포틀랜드시멘트, 강모래, 최대 골재치수가 19mm인 자갈을 이용하여 제작하였다. 콘크리트의 압축강도는 20MPa로 계획하였다.
데이터처리
- 6에서 해석 및 실험을 통하여 얻은 정규 균열깊이 h/λ와 정규 표면파 전달율 Trn의 관계를 보여주고 있다. 3차원유한 요소 해석을 통하여 얻은 결과는 점선으로 표현하였고, 실험을 통하여 얻은 결과는 점으로 표현하였다. 또한 비교연구를 위하여 두께 500mm의 콘크리트 구조물의 해석 결과로 얻은 Trn-h/λ관계를 굵은 선으로 표현하였다.
- 본 연구에서는 Eq. 6에서 정의된바와 같이 최소제곱법(Least Square Method)에 근거하여 실험에서 얻은 전달 함수값와 측정모델에서 제안된 전달 함수값의 오차가 최소가 되도록 하는 점에서 최적균열깊이를 찾았다.
- 이에 따라 수치해석의 수렴성 및 결과의 신뢰성을 높일 수 있도록 하였다. 수치해석의 효율을 높이기 위하여 총 8개의 CPU를 이용하여 ABAQUS 플랫폼에서 제공된 병렬해석을 수행하였다 (ABAQUS Inc., 2011).
- 이번 장에서는 수정된 표면파 전달법에서 얻은 결과를 TOFD에 근거한 초음파법을 이용하여 얻은 결과와 비교하였다. TOFD법에서 균열의 깊이는 표면균열을 통과하여 전파하는 초음파 (일반적으로 P파)의 시간을 측정함으로서 계산될 수 있다.
- 4보다 커지면 h/λ가 커짐에 따라 Trn는 서서히 감소하는 경향을 보인다. 해석 및 실험을 통하여 검증된 데이터를 이용하여 수정된 표면파 전달함수를 표현하는 근사식을 비선형 회귀분석을 이용하여 Eq. 5와 같이 제안하였다.
이론/모형
- -h/λ의 상관관계를 이용하여 콘크리트 슬래브의 깊이를 예측할 수있는 수정된 표면파 전달법을 제안하였다. 균열의 깊이는 최소제곱법 (Least Square Method)에 근거하여 측정값과 표면파 전달함수의 오차가 최소가 되는 점에서 구하였다.
- 비교연구를 위하여 Spectral analysis of surface waves (SASW) (ACI 228, 1998)를 이용하여 표면파의 위상속도를 계산하였다. 신호 SAB와 SAC 사이의 위상차를 ΔΦBC라고 하고, 신호 SDC와 SDB 사이의 위상차를 ΔΦCB라 정의할 때 경로 BC를 지나는 표면파의 위상속도는 두 위상차의 평균을 이용하여 Eq.
- 5(a)에서 표현된 바와 같이 콘크리트 표면에서 약 20mm 이격되어 설치되었으며, 콘크리트 표면에서 공기 중으로 누설되는 에너지 (누설파)를 측정하는데 효과적인 것으로 검증되었다 (Kee and Zhu, 2010). 표면파전달율은 자기보정법 (Self-calibrating method) (Popovics et al., 2000)을 이용하여 측정하여, 콘크리트의 비대칭성, 센서 및 임팩트 하중에 관한 불확실성에 따른 측정오차를 최소가 될 수 있도록 하였다. 콘크리트 내부에서 응력파를 발생시키기 위하여 지름 13mm 쇠구슬을 Fig.
성능/효과
- (2) 해석적인 방법으로 콘크리트 슬래브에서 얻은 표면파 전달함수는 콘크리트 두께가 무한히 두꺼운 이상적인 반무한체에서 얻은 결과와 비교하여 h/λ가 0.25보다 작은 구간에서 다소 작은 Trn을 보이고, h/λ가 0.25에서 0.8구간에서는 증폭되는 것으로 나타났다.
- (4) 수정된 표면파 전달법으로 예측된 표면균열 깊이는 기존 TOFD에 바탕을 둔 초음파법에서 얻은 결과보다 향상된 정확도를 보이는 것으로 나타났다. 특히 비접촉 센서의 특성상 매우 향상된 측정 속도 및 측정값의 일관성은 현장 적용성 및 실용성을 획기적으로 높일 수 있을 것으로 예상된다.
- (1) 3차원 유한요소 해석을 통하여 두께 180 mm의 콘크 리트 슬래브에 발생한 표면균열의 깊이와 표면파전달 율의 상관관계를 연구하였다. B-scan 이미지를 통하여 다양한 다중반사파 및 모드변환파의 보강 및 상쇄간섭을 시각적으로 확인할 수 있었다. 대략 200mm 이하의 콘크리트 슬래브의 경우 판 내부에서 갇힌 에너지 성분과 표면파의 간섭작용이 표면파 에너지 분석에 영향을 준다
- 하지만 최소 30mm (실내 흙에 접하지 않는 콘크리트 바닥판) 이상이 요구된다. Fig. 10에 따르면 본 연구에서 제안된 표면파전달법은 깊이 10mm에서 100mm 균열 깊이를 비교적 정확하게 예측하는 것으로 보인다. 즉 콘크리트 슬래브 및 벽체의 피복두께를 예측하는데 수정된 표면파 전달법이 효과적으로 사용될 수 있을 것으로 판단된다.
- 10에서는 수정된 표면파 전달법 (SWT)과 두 가지 TOFD법을 이용하여 측정한 표면균열 값의 오차 [즉, (측정 값-실제값)/실제값×100]를 균열 크기에 따라 표현하였다. Fig.10의 결과는 균열의 깊이가 10mm에서 100mm로 증가함에 따라 수정된 표면파 전달법에서 얻은 결과는 두 가지 다른 방법에 기반한 TOFD법에서 얻은 결과보다 향상된 정확도를 보이고 있음을 확인할 수 있었다. 세 가지 측정법에서 모두 균열의 깊이가 커짐에 따라 측정오차가 줄어드는 경향을 보이고 있다.
- 굳은 콘크리트에서 아연판의 분리는 타설 후 약 6시간이 경과한 후에 실시하였고, 이는 사용된 시멘트의 종결시간보다 약 20분가량 이른 시간이다. 결과적으로 Fig. 4에서 나타낸바와 같이 콘크리트 표면에 깊이 10mm에서 100mm까지 10mm 간격으로 증가하는 10개의 표면균열을 얻을 수 있었다.
- 균열의 보수가 필요한 시점을 결정하는 기준의 하나로 피복두께와 비교한 균열의 깊이를 생각해 볼 때 일반적으로 관심이 있는 균열 깊이는 대략적으로 30mm 이상의 균열이다. 따라서 본 연구에서 파악된 얕은 균열에서 오차는 실용적인 의미에서 허용 가능한 범위에 들어있다고 판단된다.
- 또한 비교연구를 위하여 두께 500mm의 콘크리트 구조물의 해석 결과로 얻은 Trn-h/λ관계를 굵은 선으로 표현하였다.
- 10의 결과는 균열의 깊이가 10mm에서 100mm로 증가함에 따라 수정된 표면파 전달법에서 얻은 결과는 두 가지 다른 방법에 기반한 TOFD법에서 얻은 결과보다 향상된 정확도를 보이고 있음을 확인할 수 있었다. 세 가지 측정법에서 모두 균열의 깊이가 커짐에 따라 측정오차가 줄어드는 경향을 보이고 있다. 이러한 현상은 TOFD법에서 두드러지게 나타난다.
- 콘크리트의 압축강도는 20MPa로 계획하였다. 실제 실험 시 5개의 실린더에서 측정한 공칭압축강도는 22.4MPa에서 24.3MPa의 분포를 보였으며, 평균 압축강도는 23.58MPa를 보유하였다. 콘크리트의 밀도는 2350kg/m3이고, 중심주파수가 약 54kHz 초음파 측정기를 이용하여 측정한 콘크리트의 P파 속도는 4331m/s에서 4386m/s로 이 값은 보통콘크리트의 일반적인 값에 속한다.
- 비교 연구를 위하여 Fig 7에는 균열 깊이 10mm에서 170mm로 10mm 단위로 증가하는 균열에 대한 유한요소 해석 모델에서 얻은 결과를 함께 표현하고 있다. 실험으로 얻은 표면파의 속도는 균열의 깊이 10mm에서 90mm로 증가했음에도 큰 변화가 없었다. 해석결과도 균열깊이 120mm까지 표면파의 속도는 큰 변화 없었고, 120mm 보다 깊은 균열에 대하여 표면파 속도가 서서히 감소하는 경향을 확인하였다.
- 이때 콘크리트에서 전파된 응력파의 중간 주파수는 약 10~20 kHz로, 이는 콘크리트 비파괴검사에 유용하게 사용할 수 있는 범위에 속한다. 유한 요소 모델의 한 변의 크기는 5mm로 하였으며, 결과적으로 최소한 10개의 유한요소가 본 연구에서 관심이 있는 최소 파장 (50mm 최대주파수 50kHz)을 묘사한다고 볼 수 있다. 수치 적분을 수행하는 동안 최대 시간 증가폭은 콘크리트 모델에서 P파가 한 개의 유한요소를 통과하는데 걸리는 시간보다 작은 값인 1 μs로 하였다.
- 특히 얕은 균열에서 높은 오차가 발생하는 것으로 나타났다. 이러한 오차는 본 연구에서 제안된 전달함수가 수치해석의 회귀분석에 기반한 근사식이라는 점, 콘크리트에 인공적인 균열을 생성 시 발생한 오차, 측정 시 사용된 센서 및 타격법에 관련된 측정 오차 등이 복합적으로 작용한 것으로 판단된다. 균열의 보수가 필요한 시점을 결정하는 기준의 하나로 피복두께와 비교한 균열의 깊이를 생각해 볼 때 일반적으로 관심이 있는 균열 깊이는 대략적으로 30mm 이상의 균열이다.
- 8은 측정모델을 이용하여 예측된 균열깊이와 실제 균열깊이의 관계를 표현한 그래프이다. 측정 모델을 이용하여 예측된 값이 실제 균열 깊이보다 최대 10% 정도 오차를 보이는 것으로 나타났다. 특히 얕은 균열에서 높은 오차가 발생하는 것으로 나타났다.
- 해석값과 해석값 모두 h/λ가 0에서 약 0.25로 증가함에 따라 Trn은 1에서 0.4로 단조 감소하는 경향을 보이며, 이후 h/λ가 0.25에서 0.4 구간에서는 Trn이 소폭 증가 및 안정화 경향을 보이다가, h/λ가 0.4보다 커지면 h/λ가 커짐에 따라 Trn는 서서히 감소하는 경향을 보인다.
- 실험으로 얻은 표면파의 속도는 균열의 깊이 10mm에서 90mm로 증가했음에도 큰 변화가 없었다. 해석결과도 균열깊이 120mm까지 표면파의 속도는 큰 변화 없었고, 120mm 보다 깊은 균열에 대하여 표면파 속도가 서서히 감소하는 경향을 확인하였다. 이러한 결과는 표면파의 시간차 (속도)는 균열깊이가 표면파 파장의 약 80% 보다 작을 경우 균열깊이에 따라 민감하게 변하지 않는다는 이전 연구자들의 연구 결과와 일치한다 (Masserey and Mazza, 2007).
- 해석적인 방법으로 두께 180mm 콘크리트 슬래브에서 얻은 Trn-h/λ관계는 두께가 충분히 두꺼운 경우와 비교하여 h/λ가 0.25 보다 작은 구간에서 다소 저감된 Trn을 보이고, h/λ가 0.25에서 0.8구간에서는 Trn가 상당히 증폭되는 것으로 나타났다.
후속연구
- 10에 따르면 본 연구에서 제안된 표면파전달법은 깊이 10mm에서 100mm 균열 깊이를 비교적 정확하게 예측하는 것으로 보인다. 즉 콘크리트 슬래브 및 벽체의 피복두께를 예측하는데 수정된 표면파 전달법이 효과적으로 사용될 수 있을 것으로 판단된다.
- (4) 수정된 표면파 전달법으로 예측된 표면균열 깊이는 기존 TOFD에 바탕을 둔 초음파법에서 얻은 결과보다 향상된 정확도를 보이는 것으로 나타났다. 특히 비접촉 센서의 특성상 매우 향상된 측정 속도 및 측정값의 일관성은 현장 적용성 및 실용성을 획기적으로 높일 수 있을 것으로 예상된다.
※ AI-Helper는 부적절한 답변을 할 수 있습니다.