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문제 정의
- 동축케이블의 외부도체를 철근과 평행하게 위치시켜서 측정하는 방법은 지반에 이미 설치된 쏘일네일에 대해서는 적용하기 어렵다는 한계가 있다. 따라서 본 연구에서는 동축케이블의 외부도체를 철근과 평행하게 위치시키지 않고도 이미 설치된 쏘일네일에도 적용 가능한 방법을 개발하기 위해 동축케이블의 외부도체를 접지로 연결한 실험도 수행하였다. 접지 케이블의 길이는 22 m로 모든 길이의 철근에 대해 동일 하게 적용하였다.
- 그러므로 인발시험과 한계평형해석법을 통해 검토된 안정성에 신뢰를 더하기 위해서는 실제 시공된 쏘일네일의 길이를 정확히 파악해야 한다. 따라서 본 연구에서는 비파괴기법을 이용하여 지중에 설치된 쏘일네일의 길이를 평가할 수 있는 기법을 개발하고자 한다.
- 이 경우 신호가 철근의 끝단까지 전달되지 않을 수 있다. 따라서 본 연구에서는 탄성파와 전자기파를 이용하여 커플러의 유무에 따라 신호의 특성이 어떻게 달라지는지를 파악하기 위해 실험을 수행하였다.
- 본 연구는 비파괴기법을 이용하여 시공된 쏘일네일의 길이를 파악하기 위한 선행 연구로써, 공기 중 그라우팅되지 않은 쏘일네일에 대해 탄성파와 전자기파를 이용하여 실내실험을 수행하였다. 철근에 전파하는 신호에 커플러가 미치는 영향을 파악하기 위해 가속도계와 AE 센서를 이용하여 탄성파를 측정하였고, TDR 장비를 이용하여 전자기파를 측정하였다.
- 철근이 단본인 경우와 철근이 커플러로 연결된 경우에 나타나는 탄성파와 전자기파의 신호 특성을 연구하기 위한 실험을 수행하였다. 길이 2 m인 철근 단본과 길이가 각각 3 m와 2 m인 철근을 커플러로 연결한 철근에 대해 탄성파를 이용하여 철근의 길이를 평가하기 위한 실험을 수행하였다.
제안 방법
- Fig. 7과 같이 길이 1 m∼15 m 철근에 대해 TDR 기법을 이용하여 전자기파 신호를 측정하였으며, 그 결과를 Fig. 8에 나타내었다.
- 2에 나타내었다. TDR 장비로부터 발생된 전기적 펄스로부터 전자기파가 발생된 후 임피던스 변화가 발생하는 부분(그림에서는 철근의 끝단)에서 반사되어 돌아오는 신호를 TDR 장비로 수신한 후 PC에 저장 후 분석한다. 이 때 반사되어 돌아오는 신호의 도달시간으로부터 쏘일네일의 길이를 산정할 수 있으며, 다음 식과 같이 나타낼 수 있다.
- 본 실험에서는 SD500 (D29) 이형철근을 길이 1 m ∼15 m로 준비하여 각 길이별로 나타나는 전자기파 신호의 양상을 측정하고 비교하였다. TDR 장비에 동축 케이블을 연결하여 실험을 수행하였으며, 내부도체는 철근에 연결하고 외부도체는 철근과 평행하게 위치시킨 구리선과 연결하였다. 구리선의 길이는 철근 길이가 1 m∼5 m인 경우는 5 m로 하였고, 철근 길이가 5 m∼10 m인 경우는 10 m, 철근 길이가 10 m∼15 m인 경우는 15 m로 하였다.
- TDR을 이용하여 철근 길이에 따라 달라지는 전자기파 신호의 양상을 측정하였다. 실험에 사용된 철근의 길이는 1 m∼15 m로 1 m씩 길이를 증가시켰다.
- 길이 2 m 철근과 커플러로 연결된 길이 5 m (3 m + 2 m) 철근에 대해 탄성파를 발생시켜 가속도계와 AE 센서로 측정하였으며, 그 결과를 각각 Fig. 4와 Fig. 5에 나타내었다. 길이 2 m인 철근에 대해 가속도계와 AE 센서로 측정한 결과(Fig.
- 철근이 단본인 경우와 철근이 커플러로 연결된 경우에 나타나는 탄성파와 전자기파의 신호 특성을 연구하기 위한 실험을 수행하였다. 길이 2 m인 철근 단본과 길이가 각각 3 m와 2 m인 철근을 커플러로 연결한 철근에 대해 탄성파를 이용하여 철근의 길이를 평가하기 위한 실험을 수행하였다. 또한 길이 5 m인 철근 단본과 길이가 각각 3 m와 2 m인 철근을 커플러로 연결한 철근에 대해 전자기파를 이용하여 철근의 길이를 평가하기 위한 실험을 수행하였다.
- 길이 3 m와 2 m의 철근을 커플러로 연결한 5 m 철근에 대해 가속도계와 AE 센서를 이용한 실험을 수행하였으며, 그 결과를 Fig. 5에 나타내었다. Fig.
- 길이 5 m 철근 단본과 3 m와 2 m 길이의 철근을 커플러로 연결한 철근에 대해 TDR을 이용하여 전자기파를 측정하였으며, 그 결과를 Fig. 6에 나타내었다. 결과를 보면, 초기 펄스 신호 이후에 약 36.
- 동축 케이블의 외부도체를 접지선으로 연결하여 철근 길이에 따라 달라지는 전자기파 신호의 양상을 측정하였다. 길이 1 m∼15 m의 철근에 대해 실험을 수행한 결과 길이가 증가함에 따라 전자기파 신호의 도달 시간이 선형적으로 증가하였다.
- 외부도체를 철근과 평행하게 배치하는 방법은 이미 시공된 쏘일네일 철근에 대해서는 적용하기가 어렵기 때문에 이를 개선할 수 있는 방법이 필요하다. 따라서 동축케이블의 외부도체를 접저선으로 연결하는 방법을 적용하여 지중의 쏘일네일에서도 적용이 가능하도록 하였다. 전자기파 측정 결과, 철근의 길이가 증가함에 따라 도달 시간이 증가하였으며, 외부도체를 철근과 평행하게 배치한 결과와 거의 유사하였다.
- 길이 2 m인 철근 단본과 길이가 각각 3 m와 2 m인 철근을 커플러로 연결한 철근에 대해 탄성파를 이용하여 철근의 길이를 평가하기 위한 실험을 수행하였다. 또한 길이 5 m인 철근 단본과 길이가 각각 3 m와 2 m인 철근을 커플러로 연결한 철근에 대해 전자기파를 이용하여 철근의 길이를 평가하기 위한 실험을 수행하였다. 탄성파는 가속도계와 AE 센서로 측정하였으며, 전자기파는 TDR 장비를 이용하여 측정하였다.
- 커플러에 의한 영향이 없이도 철근의 길이를 평가할 수 있는 전자기파를 이용하여 철근 길이에 따른 전자기파의 전파 특성에 대한 실험을 수행하였으며, 신호의 도달시간과 철근의 길이와의 상관관계를 분석하였다. 또한 지중에 이미 설치된 쏘일네일에 대해서도 적용이 가능하도록 동축 케이블의 외부도체를 접지선으로 연결한 후 다양한 길이의 철근에 전파하는 전자기파의 도달시간을 분석하였다.
- Yu 등(2013)은 록볼트의 건전도 평가를 위해 유도 초음파를 이용하였다. 록볼트 그라우트의 충진률이 줄어들수록 유도초음파의 속도가 증가하였으며, 이러한 경향으로부터 그라우트의 충진률을 평가하였다. Hong 등(2013)은 강간다단그라우팅의 건전도를 평가하기 위해 유도초음파의 속도와 주파수를 이용하였으며, 그라우트 충진률이 줄어들수록 유도초음파의 속도는 증가하고 주파수는 높아지는 경향이 나타났다
- 신호를 발생시키기 위해 철근의 두부를 해머로 타격하였다. 발생된 신호는 철근을 따라 전파하다 철근의 끝단에서 반사되어 되돌아와 두부에 설치된 가속도계와 AE 센서로 측정되었다. 이 신호를 각각 시그널 컨디셔너와 AE amplifier를 이용하여 증폭시켰으며, 증폭된 신호는 오실로스코프를 통해 PC에 저장하였다.
- 본 실험에서는 SD500 (D29) 이형철근을 길이 1 m ∼15 m로 준비하여 각 길이별로 나타나는 전자기파 신호의 양상을 측정하고 비교하였다.
- 1과 같이 수행되었다. 신호를 발생시키기 위해 철근의 두부를 해머로 타격하였다. 발생된 신호는 철근을 따라 전파하다 철근의 끝단에서 반사되어 되돌아와 두부에 설치된 가속도계와 AE 센서로 측정되었다.
- 길이 2 m의 SD500 (D29) 이형철근 단본과 길이 3 m와 2 m 철근을 커플러로 연결한 길이 5 m 철근에 대해 탄성파를 이용하여 실험을 수행하였다. 신호의 측정은 탄성파의 저주파와 고주파 영역에서의 비교를 위해 가속도계와 AE 센서를 사용하였다. 사용된 가속도계와 AE 센서의 측정 주파수 대역은 각각 0.
- 접지 케이블의 길이는 22 m로 모든 길이의 철근에 대해 동일 하게 적용하였다. 전기적 펄스를 발생시키기 위해 TDR 장비를 이용하였으며, 철근 끝단에서 반사되어 되돌아오는 신호를 다시 TDR 장비로 수신하였다. 수신된 신호는 PC에 저장하였다.
- 2 참조). 전자기파 신호를 발생시키기 위해 Fig. 3과 같이 TDR 장비에 동축 케이블(coaxial cable)을 연결하여, 내부도체(inner conductor)는 철근과 외부도체는(outer conductor)는 구리선(copper wire)과 연결하였다. 구리선의 길이는 철근과 동일한 5 m이며, 철근과 구리선은 3 cm 간격으로 평행하게 위치시켰다.
- 본 연구는 비파괴기법을 이용하여 시공된 쏘일네일의 길이를 파악하기 위한 선행 연구로써, 공기 중 그라우팅되지 않은 쏘일네일에 대해 탄성파와 전자기파를 이용하여 실내실험을 수행하였다. 철근에 전파하는 신호에 커플러가 미치는 영향을 파악하기 위해 가속도계와 AE 센서를 이용하여 탄성파를 측정하였고, TDR 장비를 이용하여 전자기파를 측정하였다. 커플러에 의한 영향이 없이도 철근의 길이를 평가할 수 있는 전자기파를 이용하여 철근 길이에 따른 전자기파의 전파 특성에 대한 실험을 수행하였으며, 신호의 도달시간과 철근의 길이와의 상관관계를 분석하였다.
- 추가로, 커플러로 연결된 철근과의 비교를 위해 전체 길이가 3 m∼15 m인 철근의 몇몇 곳을 커플러로 연결하였으며, 단본으로 구성된 철근(1 m, 2 m, 5 m, 10 m)과 비교하였다.
- 철근에 전파하는 신호에 커플러가 미치는 영향을 파악하기 위해 가속도계와 AE 센서를 이용하여 탄성파를 측정하였고, TDR 장비를 이용하여 전자기파를 측정하였다. 커플러에 의한 영향이 없이도 철근의 길이를 평가할 수 있는 전자기파를 이용하여 철근 길이에 따른 전자기파의 전파 특성에 대한 실험을 수행하였으며, 신호의 도달시간과 철근의 길이와의 상관관계를 분석하였다. 또한 지중에 이미 설치된 쏘일네일에 대해서도 적용이 가능하도록 동축 케이블의 외부도체를 접지선으로 연결한 후 다양한 길이의 철근에 전파하는 전자기파의 도달시간을 분석하였다.
- 또한 길이 5 m인 철근 단본과 길이가 각각 3 m와 2 m인 철근을 커플러로 연결한 철근에 대해 전자기파를 이용하여 철근의 길이를 평가하기 위한 실험을 수행하였다. 탄성파는 가속도계와 AE 센서로 측정하였으며, 전자기파는 TDR 장비를 이용하여 측정하였다.
대상 데이터
- 실험에 사용된 철근의 길이는 1 m∼15 m로 1 m씩 길이를 증가시켰다. 1 m, 2 m, 5 m, 10 m 길이의 철근은 단본으로 준비하였고 이를 제외한 3m 이상의 철근들은 커플러로 연결하였다. TDR을 이용한 전자기파 신호 측정 결과, 철근의 길이가 증가함에 따라 전자기파 신호의 도달 시간이 선형적으로 증가하였다.
- 5 m 길이의 SD500 (D29) 이형철근 단본과 길이 3 m와 2 m 철근을 커플러로 연결한 길이 5 m 철근에 대해 실험을 수행하였다. 전자기파를 이용한 실험을 위해 시간영역 반사법을 적용하였으며, 측정을 위해 TDR (Time Domain Reflectometer) 장비를 사용하였다(Fig.
- 길이 2 m의 SD500 (D29) 이형철근 단본과 길이 3 m와 2 m 철근을 커플러로 연결한 길이 5 m 철근에 대해 탄성파를 이용하여 실험을 수행하였다. 신호의 측정은 탄성파의 저주파와 고주파 영역에서의 비교를 위해 가속도계와 AE 센서를 사용하였다.
- 추가로, 커플러로 연결된 철근과의 비교를 위해 전체 길이가 3 m∼15 m인 철근의 몇몇 곳을 커플러로 연결하였으며, 단본으로 구성된 철근(1 m, 2 m, 5 m, 10 m)과 비교하였다. 또한 철근의 길이가 같아도 커플러의 연결부 위치에 따라 신호가 달라지는지 여부를 측정하기 위해 11 m, 12 m인 철근은 길이가 동일하지만 커플러로 연결된 위치가 다르게 준비하였다. 철근과 구리선의 간격은 3 cm로 철근 두부에서 끝단까지 평행하게 일치시켰다.
- 사용된 가속도계와 AE 센서의 측정 주파수 대역은 각각 0.3∼12 kHz와 15∼100 kHz이다.
- 실험에 사용된 철근의 길이는 1 m∼15 m로 1 m씩 길이를 증가시켰다.
이론/모형
- 반면, 전자기파를 이용하여 실험을 수행한 결과, 커플러로 연결되어 있어도 그 영향 없이 전자기파 신호의 도달 시간으로부터 철근의 길이를 쉽게 산정할 수 있었다. 따라서 본 연구에서는 쏘일네일의 길이 평가를 위한 비파괴 기법으로 전자기파를 이용하였다.
- 3∼12 kHz와 15∼100 kHz이다. 신호의 발생과 측정은 유도 초음파의 반사법(Yu et al., 2013)을 적용하였다. 가속도계와 AE 센서를 이용한 측정은 Fig.
- 5 m 길이의 SD500 (D29) 이형철근 단본과 길이 3 m와 2 m 철근을 커플러로 연결한 길이 5 m 철근에 대해 실험을 수행하였다. 전자기파를 이용한 실험을 위해 시간영역 반사법을 적용하였으며, 측정을 위해 TDR (Time Domain Reflectometer) 장비를 사용하였다(Fig. 2 참조). 전자기파 신호를 발생시키기 위해 Fig.
성능/효과
- TDR 기법을 적용하여 전자기파를 측정한 결과, 커플러로 연결된 철근과 그렇지 않은 철근의 경우 동일한 시간에서 신호가 반사되는 것으로 나타났다. 이는 전자기파를 이용한 기법이 커플러의 영향을 받지 않고 철근의 길이를 평가할 수 있는 방법임을 보여준다.
- 1 m, 2 m, 5 m, 10 m 길이의 철근은 단본으로 준비하였고 이를 제외한 3m 이상의 철근들은 커플러로 연결하였다. TDR을 이용한 전자기파 신호 측정 결과, 철근의 길이가 증가함에 따라 전자기파 신호의 도달 시간이 선형적으로 증가하였다. 철근이 커플러로 연결되어 있어도 도달 시간이 선형적으로 증가하는 경네일의 길이를향을 나타냈으며, 단본 철근과 커플러로 연결된 철근의 길이가 같은 5 m, 10 m 철근의 경우 도달 시간이 거의 동일했다.
- 이러한 경향은 길이 5 m인 단본 철근과 커플러로 연결된 철근에서 유사하게 나타난다. 결과로부터 커플러로 연결되어 있어도 커플러로 인한 신호의 영향이 없으며, TDR을 이용하여 신호의 측정이 잘 이루어질 수 있음을 알 수 있다.
- 6에 나타내었다. 결과를 보면, 초기 펄스 신호 이후에 약 36.475 ns에서 임피던스(impedance) 차로 인해 철근의 끝단에서 신호가 반사되어 기울기가 급격하게 변화는 것을 볼 수 있다. 이러한 경향은 길이 5 m인 단본 철근과 커플러로 연결된 철근에서 유사하게 나타난다.
- 길이 1 m∼15 m의 철근에 대해 실험을 수행한 결과 길이가 증가함에 따라 전자기파 신호의 도달 시간이 선형적으로 증가하였다.
- 동축케이블의 외부도체를 철근과 평행하게 배치하여 길이 1 m∼15 m의 철근에 대해 전자기파를 측정하였으며, 커플러로 연결되어 있어도 철근의 길이가 증가함에 따라 도달시간이 선형적으로 증가하였다.
- 커플러로 연결된 철근의 경우, 첫 번째 반사파 속도가 약 5,200 m/s로 나타났으며, 이는 커플러로 연결부에서 반사되어 돌아오는 신호이다. 두 번째 반사파는 철근 끝단에서 반사된 신호로 반사파의 속도는 약 4,300 m/s로 나타났다. 이는 파가 철근으로 직접 전달되지 않고 커플러를 통해 전달되었기 때문으로 판단된다.
- 본 실험의 결과는 TDR을 이용한 전자기파 측정 방법이 쏘일네일의 길이를 평가하는데 적용 가능한 기법임을 보여준다. 또한 외부도체를 접지선으로 연결하는 방법을 사용하면 지중에 이미 설치된 쏘일네일의 길이도 평가가 가능할 수 있음을 보여준다.
- 만약 철근의 길이와 커플러의 위치를 미리 알고 있지 않다면 이를 구분하기는 쉽지 않기 때문에 탄성파를 이용하는 방법은 더 많은 연구가 요구된다. 반면, 전자기파를 이용하여 실험을 수행한 결과, 커플러로 연결되어 있어도 그 영향 없이 전자기파 신호의 도달 시간으로부터 철근의 길이를 쉽게 산정할 수 있었다. 따라서 본 연구에서는 쏘일네일의 길이 평가를 위한 비파괴 기법으로 전자기파를 이용하였다.
- 이는 탄성파가 철근을 따라 전파하다가 커플러로 연결된 부위에서 철근으로 파가 직접 전달되지 않고 커플러를 통해 전달되었기 때문으로 판단된다. 반사파가 발생되는 시간은 가속도계와 AE 센서로 측정한 경우 모두 유사하게 나타나지만, AE 센서로 측정한 결과가 더 뚜렷하게 나타났다.
- 두 번째 나타난 반사파의 속도는 약 4,300 m/s이다. 본 실험에 사용된 철근에서의 탄성파 속도가 5,200 m/s인 것과 비교해 약 900 m/s 정도 느리게 나타났다. 이는 탄성파가 철근을 따라 전파하다가 커플러로 연결된 부위에서 철근으로 파가 직접 전달되지 않고 커플러를 통해 전달되었기 때문으로 판단된다.
- 또한 길이가 11 m와 12 m인 철근에서 측정된 결과와 같이 커플러의 연결부 위치가 달라도 철근의 길이가 같으면 도달 시간이 거의 동일하게 나타났다. 본 실험의 결과가 철근의 길이에 따라 전자기파의 도달시간이 증가하고, 커플러로 연결된 철근도 단본인 철근과 거의 동일한 결과를 보이는 것으로 볼 때, TDR을 이용하여 전자기파를 측정하는 방법이 쏘일네일의 길이를 평가하기 위해 적용 가능한 방법임을 보여준다.
- 본 실험의 결과는 TDR을 이용한 전자기파 측정 방법이 쏘일네일의 길이를 평가하는데 적용 가능한 기법임을 보여준다. 또한 외부도체를 접지선으로 연결하는 방법을 사용하면 지중에 이미 설치된 쏘일네일의 길이도 평가가 가능할 수 있음을 보여준다.
- 13을 보면 두 실험에서 측정된 전자기파의 도달 시간이 거의 동일한 결과를 보여주고 있음을 볼 수 있다. 본 실험의 결과는 동축 케이블의 외부도체를 접지선으로 연결하는 방법이 이미 지반에 설치된 쏘일네일에 대해서도 적용 가능한 방법이 될 수 있음을 보여준다.
- 따라서 동축케이블의 외부도체를 접저선으로 연결하는 방법을 적용하여 지중의 쏘일네일에서도 적용이 가능하도록 하였다. 전자기파 측정 결과, 철근의 길이가 증가함에 따라 도달 시간이 증가하였으며, 외부도체를 철근과 평행하게 배치한 결과와 거의 유사하였다.
- 커플러로 연결된 철근에 대해 탄성파 실험을 수행한 결과, 커플러 연결부에서 반사되는 신호와 철근 끝단에서 반사되는 신호가 함께 나타났다. 만약 철근의 길이와 커플러의 위치를 미리 알고 있지 않다면 이를 구분하기는 쉽지 않기 때문에 탄성파를 이용하는 방법은 더 많은 연구가 요구된다.
- 탄성파 측정 결과 가속도계와 AE 센서로 측정한 결과가 유사하게 나타났으며, AE 센서로 측정한 결과에서 반사파의 특징이 더 두드러지게 나타났다. 이는 AE 센서가 가속도계보다 더 큰 고주파의 신호를 수진하기 때문으로 판단된다.
후속연구
- 이는 전자기파를 이용한 기법이 커플러의 영향을 받지 않고 철근의 길이를 평가할 수 있는 방법임을 보여준다. 따라서 TDR 기법을 적용하여 전자기파를 측정하면, 커플러의 영향 없이 지반에 설치되어 있는 쏘일네일의 길이를 평가할 수 있을 것으로 판단된다.
- 커플러로 연결된 철근에 대해 탄성파 실험을 수행한 결과, 커플러 연결부에서 반사되는 신호와 철근 끝단에서 반사되는 신호가 함께 나타났다. 만약 철근의 길이와 커플러의 위치를 미리 알고 있지 않다면 이를 구분하기는 쉽지 않기 때문에 탄성파를 이용하는 방법은 더 많은 연구가 요구된다. 반면, 전자기파를 이용하여 실험을 수행한 결과, 커플러로 연결되어 있어도 그 영향 없이 전자기파 신호의 도달 시간으로부터 철근의 길이를 쉽게 산정할 수 있었다.
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