[국내논문]프리스트레스트 보의 콘크리트 응력 수준 평가를 위한 비선형 초음파 공진 기법의 적용 Adoption of Nonlinear Resonant Ultrasonic Spectroscopy for the Evaluation of Stress State on Concrete in Prestressed Beam원문보기
프리스트레스트 보의 인장력 변화에 따른 콘크리트 응력 수준을 평가하기 위하여, 초음파를 이용하는 기존의 방법보다 개선된 비선형 초음파 공진 기법의 도입을 제안하였다. 이는 동일하게 초음파를 사용하는 선형의 기법보다 월등히 높은 민감도를 보이므로 초기 상태의 응력 평가에도 유리하다. 비선형 초음파 공진 기법은 초음파 통과시 매질 상태에 따른 공진 주파수의 변화의 정도로부터 계산되는 비선형 인자의 값을 측정하며, 측정 결과는 콘크리트의 응력 상태와도 밀접한 연관을 갖는다. 본 연구에서는 유압 펌프를 통한 인장력 작용에 따른 비선형 인자의 측정을 수행함으로써 두 인자 사이에 밀접한 연관성이 있음을 확인하고, 반복적인 하중 이력의 작용이 비선형 인자의 변화에 미치는 영향을 분석하였다. 추가적으로, 선형 초음파 전파 속도 측정 결과를 비교하여 제안한 방법의 민감도를 검증하였다. 측정 결과를 통해 프리스트레스트 보의 콘크리트 응력 수준 평가를 위한 비선형 초음파 공진 기법의 적용 가능성을 확인하였다.
프리스트레스트 보의 인장력 변화에 따른 콘크리트 응력 수준을 평가하기 위하여, 초음파를 이용하는 기존의 방법보다 개선된 비선형 초음파 공진 기법의 도입을 제안하였다. 이는 동일하게 초음파를 사용하는 선형의 기법보다 월등히 높은 민감도를 보이므로 초기 상태의 응력 평가에도 유리하다. 비선형 초음파 공진 기법은 초음파 통과시 매질 상태에 따른 공진 주파수의 변화의 정도로부터 계산되는 비선형 인자의 값을 측정하며, 측정 결과는 콘크리트의 응력 상태와도 밀접한 연관을 갖는다. 본 연구에서는 유압 펌프를 통한 인장력 작용에 따른 비선형 인자의 측정을 수행함으로써 두 인자 사이에 밀접한 연관성이 있음을 확인하고, 반복적인 하중 이력의 작용이 비선형 인자의 변화에 미치는 영향을 분석하였다. 추가적으로, 선형 초음파 전파 속도 측정 결과를 비교하여 제안한 방법의 민감도를 검증하였다. 측정 결과를 통해 프리스트레스트 보의 콘크리트 응력 수준 평가를 위한 비선형 초음파 공진 기법의 적용 가능성을 확인하였다.
In order to evaluate a stress state of concrete according to the change of tensile force of prestressed beam, improved nonlinear resonant ultrasonic spectroscopy(NRUS) method is proposed. This technique is advantageous to evaluate the stress state in initial state because the method shows much highe...
In order to evaluate a stress state of concrete according to the change of tensile force of prestressed beam, improved nonlinear resonant ultrasonic spectroscopy(NRUS) method is proposed. This technique is advantageous to evaluate the stress state in initial state because the method shows much higher sensitivity than existing linear ultrasonic methods. The NRUS technique measure a nonlinearity parameter, which is calculated from the resonant frequency shift of ultrasonic wave related to the medium state, and the result is also closely related to the stress state of concrete. In this study, the nonlinearity parameter was measured with the change of tensile force to verify the close relationship between the two factors, and the effect of repetitive load cycle on the change of nonlinearity parameter was analyzed. In addition, sensitivity comparison with the linear ultrasonic pulse velocity method was performed. Through the experimental results, the possibility of NRUS technique for the evaluation of stress state in prestressed beam was confirmed.
In order to evaluate a stress state of concrete according to the change of tensile force of prestressed beam, improved nonlinear resonant ultrasonic spectroscopy(NRUS) method is proposed. This technique is advantageous to evaluate the stress state in initial state because the method shows much higher sensitivity than existing linear ultrasonic methods. The NRUS technique measure a nonlinearity parameter, which is calculated from the resonant frequency shift of ultrasonic wave related to the medium state, and the result is also closely related to the stress state of concrete. In this study, the nonlinearity parameter was measured with the change of tensile force to verify the close relationship between the two factors, and the effect of repetitive load cycle on the change of nonlinearity parameter was analyzed. In addition, sensitivity comparison with the linear ultrasonic pulse velocity method was performed. Through the experimental results, the possibility of NRUS technique for the evaluation of stress state in prestressed beam was confirmed.
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문제 정의
본 연구에서는 인장력 도입에 따라 변화하는 프리스트레스트 보의 콘크리트 응력 상태를 비선형 초음파 공진 기법 도입을 통해 보다 높은 민감도 수준으로 평가하고자 하였다. 실험을 위해 제작한 프레스트레스트 보의 쉬스관 내에 긴장재를 삽입, 유압 펌프를 이용하여 힘을 가하는 과정에서 일정 수준 간격으로 공진 주파수의 변화를 측정하였다.
비선형 인자의 값은 콘크리트의 손상 정도, 즉 미세균열의 형성과 밀접한 연관이 있으며 이는 곧 외부 하중 작용에 따른 콘크리트의 응력 수준과 관계된다. 따라서 반복적인 하중의 작용이 측정 결과에 미치는 영향을 확인하고자 하였다.
본 연구에서는 비선형 초음파 공진 기법을 활용한 비선형인자의 측정을 통해, 프리스트레스트 보 내 콘크리트의 응력 상태 평가에 대한 방법을 제안하였다. 외부 하중의 작용에 따른 비선형 인자의 변화를 확인하였으며, 기존 선형 초음파 속도법의 측정 결과와 민감도 비교 검증을 수행하였다.
제안 방법
여기서, E0는 매질의 선형탄성계수이며 β는 물질의 2차 비선형 인자, α는 물질의 이력 현상과 이산기억에 따른 비선형 인자로, 본 실험에서는 비선형 인자 α의 값을 계산하기 위하여 공진주파수를 측정하였다(Holcomb, 1984; Guyer and Johnson,
본 연구에서는 인장력 도입에 따라 변화하는 프리스트레스트 보의 콘크리트 응력 상태를 비선형 초음파 공진 기법 도입을 통해 보다 높은 민감도 수준으로 평가하고자 하였다. 실험을 위해 제작한 프레스트레스트 보의 쉬스관 내에 긴장재를 삽입, 유압 펌프를 이용하여 힘을 가하는 과정에서 일정 수준 간격으로 공진 주파수의 변화를 측정하였다. 초기 상태 및 하중 변화에 따른 실험 결과를 토대로 외부 하중과 기법 측정 결과가 밀접한 관계가 있음을 확인하였으며, 이 때 선형 초음파 전파 속도를 측정 및 비교하여 제시한 기법의 민감도를 검증하였다.
이 과정에서 보의 긴장력이 증가함에 따라 인장 응력의 상쇄 전·후의 공진 주파수 천이를 측정하였다.
이 때, W는 물, C는 시멘트, W/C는 물시멘트비, S는 잔골재, G는 25mm 이하의 굵은 골재이다. 보는 타설 후 증기양생을 하였으며, 상대습도 60%의 조건에서 28일간 양생 및 건조하였다. Fig.
1은 보의 단면을 나타내고 있다. 지름 65mm의 쉬스관을 삽입, 각각 8가닥의 15.2mm 강선을 통해 인장력을 가하였으며 띠철근 및 스터럽을 통해 보강하였다. 5개의 공시체 압축강도 시험 결과 보의 강도는 30MPa로 측정되었다.
2에는 유압 펌프를 통해 힘을 가하기 위한 인장기가 나타나있다. 두 개의 인장기를 이용하여 총 16가닥의 강선을 고정하고, 위 아래 단면 각각 6.75MPa의 응력에 도달할 때까지 힘을 가하였다. 이 과정에서 보의 긴장력이 증가함에 따라 인장 응력의 상쇄 전·후의 공진 주파수 천이를 측정하였다.
한편, 비선형 초음파 공진 기법의 민감도를 검증하기 위해 동일한 조건에서 선형 초음파 전파속도(ultrasonic pulse velocity)를 측정하였다.(Daponte et al.
6는 본 실험에 적용된 전체 하중 이력을 보여주고 있다. 반복적인 하중의 작용이 콘크리트에 미치는 영향을 확인하기 위하여, 30MPa의 압축강도를 기준으로 45%, 즉 13.5MPa의 응력 수준을 상한으로 하여 2회 반복하였다. 하중의 간격은 압축강도를 기준으로 7.
첫 번째와 두 번째 구간은 각각 16단계로 구성되어 있으며, 마지막 구간은 8단계로 보가 파괴될 때까지 하중을 지속적으로 증가시켰다. 특히, 보다 미세한 하중 변화에 따른 측정 결과를 확인하기 위하여, 최고 하중에 도달한 후의 다섯 단계는 하중의 간격을 1.5%로 세밀화하여 실험을 진행하였다.
프리스트레스트 보에 하중을 가하며 콘크리트에 초음파를 통과시켰을 때에, 공진 주파수 천이의 정도를 통해 계산된 비선형 인자의 값을 하중 단계별로 나타내었다. Fig.
다음으로, 측정된 비선형 인자의 절대 값에 대한 분석을 수행하였다. 비선형 인자의 절대 값은 단위가 없으며, 콘크리트의 초기 비선형성을 포함하여 하중이 가해짐에 따라 변화하는 측정 결과를 비교할 수 있는 지표가 된다.
본 연구에서는 비선형 초음파 공진 기법을 활용한 비선형인자의 측정을 통해, 프리스트레스트 보 내 콘크리트의 응력 상태 평가에 대한 방법을 제안하였다. 외부 하중의 작용에 따른 비선형 인자의 변화를 확인하였으며, 기존 선형 초음파 속도법의 측정 결과와 민감도 비교 검증을 수행하였다. 추가적으로, 초기하중 상태를 포함한 반복적인 하중 이력의 적용을 통해 이러한 하중이 비선형 인자에 미치는 영향을 분석하였다.
외부 하중의 작용에 따른 비선형 인자의 변화를 확인하였으며, 기존 선형 초음파 속도법의 측정 결과와 민감도 비교 검증을 수행하였다. 추가적으로, 초기하중 상태를 포함한 반복적인 하중 이력의 적용을 통해 이러한 하중이 비선형 인자에 미치는 영향을 분석하였다. 이러한 실험 결과로부터 얻은 결론은 다음과 같다.
다음으로 전체 하중 이력 적용에 따른 비선형 인자의 변화를 확인하였다. 일정 수준 이하의 하중이 작용하는 경우 비선형 인자는 하중 이력에 반비례하는 경향을 따르는데, 이는 콘크리트 내의 미세균열이 하중 작용에 의해 닫히고 다시 열리는 현상에 의한 것으로 생각된다.
대상 데이터
실험을 위하여 단면 240mm×500mm, 길이 3000mm의 프리스트레스트 보가 제작되었다.
데이터처리
2kHz로 측정된 것을 확인할 수 있는데, 진폭이 증가함에 따라 미세하게 천이되는 것을 확인할 수 있다. 공진 주파수의 천이는 매트랩을 활용, 피크 값을 비교하는 통계적 방법인 상호 상관 기법을 통해 자동으로 계산하여 진폭에 따른 천이 값으로 나타내었다.
이론/모형
자유 진동을 하는 콘크리트의 경우 주파수 대역에서의 피크값은 오직 하나만 나타나는데, 구속조건 등의 실험 환경에 의해 실제로는 여러 개의 피크가 나타나 공진 주파수 천이의 계산에 있어 오차의 원인 된다. 이 때 피크 값 천이를 비교하는 통계적 방법인 상호상관(cross-correlation) 기법을 도입하여 오차를 최소화 하였다(Santamarina and Fratta, 2005).
한편, 비선형 초음파 공진 기법의 민감도를 검증하기 위해 동일한 조건에서 선형 초음파 전파속도(ultrasonic pulse velocity)를 측정하였다.(Daponte et al., 1995) 선형 응력 파를 기반으로 하는 본 기법은 ASTM C 597-09 에 따라 수행되었으며, 민감도 계산 식을 아래에 나타내었다.
성능/효과
이 때, 높은 민감도를 갖는 비선형 초음파 기법의 경우, 낮은 수준의 하중이 가해질 때에도 초음파적 측정 결과가 미세하게 달라지는 것을 확인할 수 있다(Jhang, 2009). 보다 높은 수준의 하중이 작용함에 따라 기존에 형성되어 있던 미세균열들이 연결 및 전파되기 시작하며, 최종단계에 이르러 보다 큰 규모의 균열이 형성되는 것을 확인할 수 있다.
실험을 위해 제작한 프레스트레스트 보의 쉬스관 내에 긴장재를 삽입, 유압 펌프를 이용하여 힘을 가하는 과정에서 일정 수준 간격으로 공진 주파수의 변화를 측정하였다. 초기 상태 및 하중 변화에 따른 실험 결과를 토대로 외부 하중과 기법 측정 결과가 밀접한 관계가 있음을 확인하였으며, 이 때 선형 초음파 전파 속도를 측정 및 비교하여 제시한 기법의 민감도를 검증하였다. 추가적으로, 반복적인 하중 이력을 설계하고 적용하여 이러한 하중 이력이 측정 결과에 미치는 영향을 분석하고, 이 과정에서 콘크리트에서 발생하는 응력 기억 효과를 확인할 수 있었다.
초기 상태 및 하중 변화에 따른 실험 결과를 토대로 외부 하중과 기법 측정 결과가 밀접한 관계가 있음을 확인하였으며, 이 때 선형 초음파 전파 속도를 측정 및 비교하여 제시한 기법의 민감도를 검증하였다. 추가적으로, 반복적인 하중 이력을 설계하고 적용하여 이러한 하중 이력이 측정 결과에 미치는 영향을 분석하고, 이 과정에서 콘크리트에서 발생하는 응력 기억 효과를 확인할 수 있었다. 최종적으로 외부 하중(인장력)과 측정 결과를 토대로 계산한 비선형 인자의 관계를 확인함으로써, 비선형 초음파 공진 기법을 적용한 프리스트레스트 보의 콘크리트 응력 상태 평가에 대한 가능성을 확인할 수 있었다.
추가적으로, 반복적인 하중 이력을 설계하고 적용하여 이러한 하중 이력이 측정 결과에 미치는 영향을 분석하고, 이 과정에서 콘크리트에서 발생하는 응력 기억 효과를 확인할 수 있었다. 최종적으로 외부 하중(인장력)과 측정 결과를 토대로 계산한 비선형 인자의 관계를 확인함으로써, 비선형 초음파 공진 기법을 적용한 프리스트레스트 보의 콘크리트 응력 상태 평가에 대한 가능성을 확인할 수 있었다.
2mm 강선을 통해 인장력을 가하였으며 띠철근 및 스터럽을 통해 보강하였다. 5개의 공시체 압축강도 시험 결과 보의 강도는 30MPa로 측정되었다. Fig.
(a)는 240V 입사파 진폭에서의 시간 축 측정 결과이며, 같은 단계 내에서 10V부터 240V까지의 주파수대역 측정 결과를 중첩한 결과가 (b)에 나타나있다. 공진 주파수의 값은 36.2kHz로 측정된 것을 확인할 수 있는데, 진폭이 증가함에 따라 미세하게 천이되는 것을 확인할 수 있다. 공진 주파수의 천이는 매트랩을 활용, 피크 값을 비교하는 통계적 방법인 상호 상관 기법을 통해 자동으로 계산하여 진폭에 따른 천이 값으로 나타내었다.
이는 콘크리트 내부의 미세균열이 증가하면서 매질의 탄성 계수가 감소하는 현상에 따른 것으로 보인다. 그러나 초기값을 기준으로 각 측정 인자의 변화를 계산해 보면, 초음파 전파 속도법의 경우는 45% 하중 수준에서 1.05%, 비선형 초음파 공진 기법의 경우는 약 42%로 월등한 차이가 나타나는 것을 알 수 있다. 또한, 초기 하중 단계인 10% 수준에서도 각각 0.
05%, 비선형 초음파 공진 기법의 경우는 약 42%로 월등한 차이가 나타나는 것을 알 수 있다. 또한, 초기 하중 단계인 10% 수준에서도 각각 0.17%, 26.1%로 큰 차이가 나는 것을 확인할 수 있는데, 이를 통해 콘크리트의 미세한 손상 평가에 있어 비선형 초음파 공진 기법이 적합한 방법이라는 결론을 내릴 수 있다.
콘크리트에 하중이 가해지면서 추가적인 미세균열이 형성되며, 이에 따른 결과는 하중이 제거되었을 때에 나타나는 것으로 생각된다. 이 때 응력 기억 효과가 나타나는 것을 확인할 수 있는데, 첫 번째 최고 하중(단계 7) 이후에 측정되는 비선형 인자의 최대값은 단계 17과 단계 32에서의 1793, 1827으로 거의 비슷한 수준이나, 초기 값은 1650으로 10% 가량 차이가 난다.
또한, 미세한 수준의 응력 변화, 즉 압축 강도를 기준으로 약 1.5% 수준의 하중 변화를 주었을 때에도 비선형 인자의 측정 결과가 구분 가능한 수준에서 변화하는 것을 확인할 수 있다. 그러나 몇 몇의 단계는 예외적인 결과를 보이고 있는데, 이는 실험 수행 과정에서 발생한 오차에 의한 것으로 생각된다.
비선형 초음파 공진 기법을 도입하여 측정한 비선형 인자와 하중의 관계로부터, 프리스트레스트 보에서 비선형 인자의 측정을 통한 외부 하중 수준의 파악과, 이에 따른 콘크리트의 응력 상태 평가에 대한 가능성을 확인할 수 있었다. 반복적인 하중이 작용할 때에는 비선형 인자의 값이 크게 변화하지 않으나, 기존의 최고 하중보다 높은 하중이 가해지는 경우 비선형 인자는 변화하는 것으로 보인다.
특히, 낮은 수준의 하중이 가해지는 경우와 하중이 미세하게 변화할 때에도 측정 값이 민감하게 변화하는 것을 알 수 있는데, 이는 보의 초기 상태 평가에 있어 기존의 선형 초음파 기반 기법들과 차별화되는 장점이다. 이로부터 비선형 초음파 공진 기법이 프리스트레스트 보의 응력 수준 평가에 적합하다는 결론을 내릴 수 있었다.
먼저, 콘크리트 응력 상태 평가에 있어 비선형 초음파 공진 기법이 적합한 방법이라는 것을 확인하였다. 초기 하중 수준에서의 측정 결과를 포함하여, 일정 수준의 하중이 작용함에 따라 공진 주파수의 천이가 발생하며 이에 따라 비선형 인자의 값이 변화한다.
초기 하중 수준에서의 측정 결과를 포함하여, 일정 수준의 하중이 작용함에 따라 공진 주파수의 천이가 발생하며 이에 따라 비선형 인자의 값이 변화한다. 추가적으로, 선형 초음파 속도법과의 민감도 비교를 수행하였는데, 초기 값을 기준으로 한 변화량은 10% 하중 수준에서 각각 0.16%와 26.1%, 그리고 40% 하중 수준에서는 각각 0.37%와 42%로 월등한 차이를 보였다.
일정 수준 이하의 하중이 작용하는 경우 비선형 인자는 하중 이력에 반비례하는 경향을 따르는데, 이는 콘크리트 내의 미세균열이 하중 작용에 의해 닫히고 다시 열리는 현상에 의한 것으로 생각된다. 또한, 반복적인 하중이 작용하는 경우에도 비선형 인자의 변화는 비슷한 경향을 보이지만, 이전보다 높은 수준의 하중이 작용했을 때에는 측정 값이 크게 차이가 나는 것을 확인할 수 있다. 이러한 결과는 콘크리트의 응력 기억 효과에 따른 것으로 보인다.
이러한 결과는 콘크리트의 응력 기억 효과에 따른 것으로 보인다. 더불어, 보다 미세한 수준에서 하중이 차이가 나는 경우에도 비선형 인자는 구분 가능한 수준에서 변화하며, 이를 통해 비선형 초음파 공진 기법의 높은 민감도를 다시 확인할 수 있었다.
실험 결과를 통해, 실험실 규모의 프리스트레스트 보에 대하여 비선형 초음파 공진 기법의 적용 가능성을 확인하였으며, 기존 선형 초음파 기법 대비 월등히 높은 민감도를 검증하였다. 특히, 낮은 수준의 하중을 받는 콘크리트에 대한 비선형 인자의 측정 결과는 본 기법을 이용한 구조물의 초기 상태 평가에 대한 적합성을 보여주며, 추가적인 실험 수행을 통해 보다 정확한 콘크리트 응력 상태 평가 기법으로서의 발전 가능할 것이다.
후속연구
실험 결과를 통해, 실험실 규모의 프리스트레스트 보에 대하여 비선형 초음파 공진 기법의 적용 가능성을 확인하였으며, 기존 선형 초음파 기법 대비 월등히 높은 민감도를 검증하였다. 특히, 낮은 수준의 하중을 받는 콘크리트에 대한 비선형 인자의 측정 결과는 본 기법을 이용한 구조물의 초기 상태 평가에 대한 적합성을 보여주며, 추가적인 실험 수행을 통해 보다 정확한 콘크리트 응력 상태 평가 기법으로서의 발전 가능할 것이다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
프리스트레스트 보의 인장력 변화에 따른 콘크리트 응력 수준을 평가하기 위해 무엇을 제안하였는가?
프리스트레스트 보의 인장력 변화에 따른 콘크리트 응력 수준을 평가하기 위하여, 초음파를 이용하는 기존의 방법보다 개선된 비선형 초음파 공진 기법의 도입을 제안하였다. 이는 동일하게 초음파를 사용하는 선형의 기법보다 월등히 높은 민감도를 보이므로 초기 상태의 응력 평가에도 유리하다.
초음파를 사용하는 선형의 기법보다 월등히 높은 민감도를 보여 초기 상태의 응력 평가에 유리한 기법은?
프리스트레스트 보의 인장력 변화에 따른 콘크리트 응력 수준을 평가하기 위하여, 초음파를 이용하는 기존의 방법보다 개선된 비선형 초음파 공진 기법의 도입을 제안하였다. 이는 동일하게 초음파를 사용하는 선형의 기법보다 월등히 높은 민감도를 보이므로 초기 상태의 응력 평가에도 유리하다.
비선형 초음파 공진 기법이란?
이는 동일하게 초음파를 사용하는 선형의 기법보다 월등히 높은 민감도를 보이므로 초기 상태의 응력 평가에도 유리하다. 비선형 초음파 공진 기법은 초음파 통과시 매질 상태에 따른 공진 주파수의 변화의 정도로부터 계산되는 비선형 인자의 값을 측정하며, 측정 결과는 콘크리트의 응력 상태와도 밀접한 연관을 갖는다. 본 연구에서는 유압 펌프를 통한 인장력 작용에 따른 비선형 인자의 측정을 수행함으로써 두 인자 사이에 밀접한 연관성이 있음을 확인하고, 반복적인 하중 이력의 작용이 비선형 인자의 변화에 미치는 영향을 분석하였다.
참고문헌 (25)
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