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문제 정의
- 또한, P파는 콘크리트 내의 수분에 영향을 받기 때문에 최근에는 S파 및 R파를 이용한 초음파 시험이 늘어나고 있는 실정이다. 본 연구에서는 지진 이나 전단보강에 용이하여 최근 많이 시공되고 있으며 반사파의 영향이 미미하여 초음파 속도측정에 적합한 콘크리트 넓은 보에서의 P, S, R파 속도를 측정하고 각파 속도에 대한 통계적 분포를 조사하였고 이는 콘크리트 구조물에 대한 효과적인 초음파 법을 적용하기 위한 기초자료로 이용될 수 있을 것이다.
제안 방법
- MASW 시험 구성을 위해서 Fig. 7과 같이 5개의 가속도계(Model : PCB 353B16)를 100 mm 간격으로 구성하고 4가지 경로 (I, II, III 및 IV)를 따라 8개의 시험에 동일하게 적용하였다. 여기서 O는 가속도계의 측정위치이며 화살표는 시험방향을 나타낸다.
- 2. Test schemes for the P-, S-, and R-wave measurement.
- 단면 치수는 300 mm × 800 mm × 3100 mm(두께 x 폭 x 길이)이며 피복두께 250 mm에서 가로 564 mm, 세로 87.5 mm 간격으로 D13의 철근보강을 하였다(Fig. 4).
- 동일한 배치에서 150 mm × 300 mm 표준 실린더 10개를 제작하였고 28일 동안 공기 양생하여 ASTM C-39에 따라 압축강도시험을 수행하였고 ASTM C-469를 따라 탄성 계수 (Ec) 및 포아송비(v)를 측정하였다.
- 본 연구에서는 콘크리트 넓은 보에서의 상태평가를 위한 P파, S파 및 R파의 펄스 속도의 통계적분포를 조사하기 위해 펄서-리시버, MIRA, MASW시험법을 이용하여 일련의 시험을 수행하였으며 다음의 결론을 도출하였다.
- 콘크리트 P파 속도는 펄서-리시버(Model :Ultracon-170)에 연결된 한 쌍의 송수신기를 이용하였다. 송신기는 200 V의 50 kHz의 정사각형 종파 펄스를 생성하고 수신기는 콘크리트 보의 표면을 따라 전달되는 종파를 측정하였다.
- 시험 격자는 114 × 100 mm 간격으로 구성되었고 위치명은 가로방향으로 A, B, C, D, E, F로 세로방향으로 I, II, III, IV로 명명하였다.
- 펄서-리시버를 통해 측정된 신호는 디지털 오실로스코프(Model : NI-PXI 5105)로 전달되어 화면에서 신호를 확인하고 디지털 신호로 저장하였다. 파가 이동하는 동안의 전기적 잡음으로 신호식별에 있어서 오차가 발생하기 때문에 128번의 파형에 대해 시간평균법을(Time Average)를 적용하였다.
- 표준공시체에서 측정된 탄성계수(Ec)로 부터 계산된 동탄성계수(Ed)와 식(1), (2), (3)를 이용하여 초음파 펄스속도로부터 계산된 동탄성계수(Edu)를 비교함으로 시험측정값의 정확성을 검증하였다. Table 3에서 P파, S파, R파로부터 도출된 값과 표주공시체로부터 계산된 값과의 오차는 각각 7.
대상 데이터
- S파 측정은 P파 측정과 동일한 격자를 사용하였으며 MIRA의 폭과 길이를 고려하여 Fig. 6에서의 음영부분에 대하여 총 15번의 시험이 수행되었다. 가로방향 으로 A, B, C, D, E 세로방향으로 I , II, III으로 명명하였다.
- 콘크리트 P파 속도는 펄서-리시버(Model :Ultracon-170)에 연결된 한 쌍의 송수신기를 이용하였다. 송신기는 200 V의 50 kHz의 정사각형 종파 펄스를 생성하고 수신기는 콘크리트 보의 표면을 따라 전달되는 종파를 측정하였다.
- 콘크리트 구조물에 대한 초음파 속도의 통계적 분포를 조사하기 위해서 8개의 동일한 콘크리트 넓은 보를 제작하였으며 각각 W1, W2, ..
- 콘크리트 재료로써 보통포틀랜드 시멘트를 사용하였으며 물시멘트비(w/c)는 0.48, 공기 함량은 6%이었다. 콘크리트 타설시, 슬럼프는 150 mm, 밀도는 2250 kg/㎥로 측정되었다.
데이터처리
- • Kolmogorov-Smirnov 적합도 검정을 통해 R파의 시험값은 5% 유의 수준에서 정규 분포를 나타내며 통계적으로 신뢰할 수 있음을 확인하였다.
- Kolmogorov-Smirnov 적합도 검정을8) 통해 각 파형의 통계학적 분포에 대한 분석을 하였다. 비록 R파의 경우에는 총 데이터 수가 32이지만 적합도 검정에 있어 데이터 수가 20개 이상이면 유효하고 30개 이상이면 적절한 것으로 판단할 수 있다9).
이론/모형
- 앞서 언급했듯이 효과적인 S파 측정을 위해 전단파토모그래피 상용장비인 MIRA를 사용하였다. 시험방법은 단순히 장비의 트리거 버튼을 통해 각 시험위치에 있어서의 S파 속도 평균값과 B-스캔 이미지를 얻을 수 있다.
- 펄서-리시버를 통해 측정된 신호는 디지털 오실로스코프(Model : NI-PXI 5105)로 전달되어 화면에서 신호를 확인하고 디지털 신호로 저장하였다. 파가 이동하는 동안의 전기적 잡음으로 신호식별에 있어서 오차가 발생하기 때문에 128번의 파형에 대해 시간평균법을(Time Average)를 적용하였다.
성능/효과
- 8개의 콘크리트 보(W1-W8)에 대한 P, S, R파 속도의 평균은 각각 3323 m/s, 2104 m/s 및 1864 m/s으로 나타났다. 이는 표준공시체로부터 측정된 동탄성계수21.
- Dmax는 일반적으로 사용되는 5% 유의수준에 해당 하는 임계값을 의미하며 R파의 시험값에 있어서만 5% 유의수준에서 정규분포를 만족되고 있음을 확인할 수 있었다. 또한 p-value는 관측된 표본통계가 통계적 가설과 같거나 그 이상인 확률을 나타내며 모든 데이터에 대해 귀무가설이 기각됨을 확인할 수 있었고 그 순서는 R파, S파, P파로 나타났다.
- R파와 S파의 표준 편차와 변동계수는 P파의 표준편차와 변동계수는 작은 것으로 나타났다. 이는 P파가 초음파 중 가장 큰 속도값(가장 빠른 속도)을 갖기 때문이며, 또한 R파 및 S파에 비해 내부공극, 수분 등의 경계조건에 영향을 크게 받기 때문이다.
- 표준공시체에서 측정된 탄성계수(Ec)로 부터 계산된 동탄성계수(Ed)와 식(1), (2), (3)를 이용하여 초음파 펄스속도로부터 계산된 동탄성계수(Edu)를 비교함으로 시험측정값의 정확성을 검증하였다. Table 3에서 P파, S파, R파로부터 도출된 값과 표주공시체로부터 계산된 값과의 오차는 각각 7.01, 6.43, 5.86%로 비교적 좁은 오차범위 내에 있었으며 앞 절의 통계분석과 마찬가지로 R파, S파, P파 순으로 정확성이 높음을 확인하였다.
- Dmax는 일반적으로 사용되는 5% 유의수준에 해당 하는 임계값을 의미하며 R파의 시험값에 있어서만 5% 유의수준에서 정규분포를 만족되고 있음을 확인할 수 있었다. 또한 p-value는 관측된 표본통계가 통계적 가설과 같거나 그 이상인 확률을 나타내며 모든 데이터에 대해 귀무가설이 기각됨을 확인할 수 있었고 그 순서는 R파, S파, P파로 나타났다. 이는 통계학적으로 R 파, S파, P파 순으로 보다 신뢰성이 높은 정규분포를 갖고 있다는 의미이다.
- 또한 초음파 속도 측정값에 대한 변동계수를 이용 하여 ACI 214R에7) 따라 데이터 적절성을 판단한 경우(Table 1의 COV) P파의 있어서는 5.9%로 변동계수 값이 Fair(5.0 ~ 6.0%)의 범주에 들어갔고 S파 및 R파에 있어서는 각각 2.6%, 1.3%로 Excellent(<3.00%)에 해당된 것으로 나타났다.
- 각 시편에 대한 평균(μ), 표준편차(σ), 변동계수(COV)값은 Table 1에 정리하였다. 일반적으로 파장이 약 90 mm인 50 kHz의 초음파의 경우 송신기와 수신기 사이의 파의 이동은 콘크리트 내부의 골재, 수분, 공극 등의 불균일성에 의해 영향을 받으며 초음파 신호에 잡음을 발생시키지만, 표에서 확인할 수 있듯이 P파, S파, R파 순으로 표준편차, 변동계수 값이 작게 산출되었으며 모든 초음파 속도 값들은 통계학적으로 유의함을 알 수 있다.
후속연구
- 본 연구는 최신기술의 초음파 펄스 속도측정방법을 사용하여 P파, S파-, R파 속도에 대한 신뢰할 만한 통계학적 정보를 얻었으며 이는 현장 적용에 있어서 기초자료로 사용될 수 있을 것이다.
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