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문제 정의
- 이와 같은 기존의 직접 및 비파괴 강도측정법에서 야기되는 여러 가지 결점 및 문제점들을 줄이기 위해서 Son & Kim(2017)은 임팩에코 응답신호를 이용하여 콘크리트시편의 압축강도를 비파괴적으로 산정하는 방법에 대해서 제시한 바 있다. 본 연구는 이와 같은 새로운 비파괴시험법의 신뢰성을 추가적으로 확보하기 위한 확장연구로서 콘크리트가 아닌 화강편마암 시편에 대해서 관련 시험법을 적용하여 그 결과를 분석하고 직접압축강도시험을 통한 시편별 측정 압축강도와 상호 비교하였다. 이를 통해 화강편마암의 압축강도뿐만 아니라 향후 다양한 암석 및 콘크리트 등의 압축강도 또한 새로운 비파괴시험법을 통해 산정할 수 있음을 파악하고자 하였다.
- 본 연구는 이와 같은 새로운 비파괴시험법의 신뢰성을 추가적으로 확보하기 위한 확장연구로서 콘크리트가 아닌 화강편마암 시편에 대해서 관련 시험법을 적용하여 그 결과를 분석하고 직접압축강도시험을 통한 시편별 측정 압축강도와 상호 비교하였다. 이를 통해 화강편마암의 압축강도뿐만 아니라 향후 다양한 암석 및 콘크리트 등의 압축강도 또한 새로운 비파괴시험법을 통해 산정할 수 있음을 파악하고자 하였다.
제안 방법
- (1) 화강편마암 암석시편에 대해서 초기타격 및 반발작용에 의한 연속적인 반복타격 시 발생하는 사운드압력에 대한 응답신호를 모두 측정하고 이를 누적한 전체 사운드 신호에너지를 이용하여 화강편마암의 압축강도를 비파괴적으로 산정하는 방법을 제시하고 그 결과를 확인하였다. 본 연구에서 제시한 방법은 슈미트해머와 같이 단 한 번의 타격이 아닌 반발작용에 의한 연속적인 반발타격을 고려함으로써 시편의 재질에 따른 에너지 감쇄특성을 반영할 수 있는 장점이 있다.
- (3) 회귀분석식을 이용하여 회귀식 결정에 사용되지 않은 새로운 화강편마암 시편들에 대해서 압축강도를 예측하고 직접 측정된 압축강도와 비교하였다. 두 강도사이의 밀접성을 파악하기 위하여 통계분석을 실시한 결과 회귀식을 이용한 추정 압축강도가 직접측정된 압축강도와 90% 이상의 신뢰도를 가지면서 매우 유사하다는 것을 확인할 수 있었다.
- 각 타격지점당 초기타격은 타격봉을 타격면과 89°의 각도를 이루는 위치에서 회전 자유낙하에 운동에 의해 이루어졌으며 초기타격 후 타격구의 반발작용에 의한 연속적인 반복타격이 자유롭게 발생하여 소멸될 때까지 사운드압력 응답신호를 측정하였다(Fig. 2).
- 더 나아가 Fig. 5로부터 얻어진 회귀식을 이용하여 다른 화강편마암의 압축강도를 추정할 수 있는지 조사하였다. 이때 사용된 시편은 회귀식 결정에 이용되지 않은 새로운 시편(15개 시편)으로 구성하였다.
- 본 연구에서 사용된 타격장치는 타격높이 조절대, 타격구(직경: 15mm, 무게: 13.7g중), 타격봉(길이: 200mm, 직경: 2mm, 무게: 7.7g중)로 이루어져 있으며 타격봉은 타격 높이 조절대에 힌지로서 연결되어 회전 자유낙하에 의한 시편의 초기타격 및 반발작용에 의한 연속적인 반발타격이 발생할 수 있도록 하였고 타격구는 타격봉의 일단에 고정되도록 하였다. 이와 같은 타격장치에 의해서 시편에 가해지는 초기타격 에너지와 다른 시험법들에 의해 발생하는 타격에너지를 비교하여 Table 1에 나타냈다.
- (1) 화강편마암 암석시편에 대해서 초기타격 및 반발작용에 의한 연속적인 반복타격 시 발생하는 사운드압력에 대한 응답신호를 모두 측정하고 이를 누적한 전체 사운드 신호에너지를 이용하여 화강편마암의 압축강도를 비파괴적으로 산정하는 방법을 제시하고 그 결과를 확인하였다. 본 연구에서 제시한 방법은 슈미트해머와 같이 단 한 번의 타격이 아닌 반발작용에 의한 연속적인 반발타격을 고려함으로써 시편의 재질에 따른 에너지 감쇄특성을 반영할 수 있는 장점이 있다.
- 시편타격으로부터 발생하는 사운드압력 신호의 측정 및 분석은 마이크로폰(EMM-13D082/S-P48/RM), 외장형 사운드카드(QUAD-CAPTURE) 및 사운드 분석프로그램(SpectraPLUSSC)을 통해 이루어졌으며 실험에 앞서 사운드 분석프로그램은 소리교정기(SC-1 Calibrator)를 이용하여 교정하였다. 연마가 된 실험시편에 5개의 타격지점(중앙부를 중심으로 상하좌우 각 1cm 간격지점)을 표시하고 각 타격지점당 2번씩 타격을 가해 시편 하나당 총 10개의 사운드압력 응답신호를 측정하였다.
- 제작된 시편은 두 그룹으로 나누어 한 그룹(42개 시편)은 실험을 통한 최적 회귀곡선을 도출하는 데 이용되었고, 또 다른 그룹(15개 시편)은 도출된 최적 회귀곡선을 통해 비파괴 압축강도를 신뢰성 있게 예측 및 산정할 수 있는지 검증하는 데 이용되었다. 실험시편의 표면은 연마석을 이용하여 평탄하게 연마하였다.
- 시편타격으로부터 발생하는 사운드압력 신호의 측정 및 분석은 마이크로폰(EMM-13D082/S-P48/RM), 외장형 사운드카드(QUAD-CAPTURE) 및 사운드 분석프로그램(SpectraPLUSSC)을 통해 이루어졌으며 실험에 앞서 사운드 분석프로그램은 소리교정기(SC-1 Calibrator)를 이용하여 교정하였다. 연마가 된 실험시편에 5개의 타격지점(중앙부를 중심으로 상하좌우 각 1cm 간격지점)을 표시하고 각 타격지점당 2번씩 타격을 가해 시편 하나당 총 10개의 사운드압력 응답신호를 측정하였다. 마이크로폰은 시편상단 가장자리에서 약 3mm 정도 이격하여 설치하였다.
- 제작된 화강편마암 실험시편에 대해 사운드압력 신호로부터 산정한 전체 사운드압력 신호에너지의 크기와 직접 측정한 압축강도와의 관계를 파악하기 위하여 실험시편을 대상으로 직접압축강도시험을 실시하고 강도를 측정하였다. 직접압축강도 측정시험은 2,000ton 용량의 만능시험기 (UTM: Universal Test Machine)를 사용하였으며 하중재하방식(1MPa/sec)으로 시험을 실시하였다.
- 제작된 화강편마암 실험시편에 대해 사운드압력 신호로부터 산정한 전체 사운드압력 신호에너지의 크기와 직접 측정한 압축강도와의 관계를 파악하기 위하여 실험시편을 대상으로 직접압축강도시험을 실시하고 강도를 측정하였다. 직접압축강도 측정시험은 2,000ton 용량의 만능시험기 (UTM: Universal Test Machine)를 사용하였으며 하중재하방식(1MPa/sec)으로 시험을 실시하였다. 본 기기의 정밀도는 측정강도에 대해 1%의 오차범위를 가지고 있다(Fig.
- 타격에 의해 발생한 사운드의 응답은 시간에 따른 압력(Pa) 신호로 측정하였으며 신호에너지의 정의를 이용하여 초기타격 및 반발작용에 의한 연속적인 반복타격으로부터 발생한 전체 사운드압력 신호에너지를 아래와 같이 산정하여 사용하였다(Fig. 3).
대상 데이터
- 본 연구에서는 국내 전남 순천 공사현장에서 채취된 화강편마암 코어를 이용하여 실험시편(직경 50～52mm, 높이 100mm, Fig. 1)을 다수(57개 시편) 제작하였다. 제작된 시편은 두 그룹으로 나누어 한 그룹(42개 시편)은 실험을 통한 최적 회귀곡선을 도출하는 데 이용되었고, 또 다른 그룹(15개 시편)은 도출된 최적 회귀곡선을 통해 비파괴 압축강도를 신뢰성 있게 예측 및 산정할 수 있는지 검증하는 데 이용되었다.
- 5로부터 얻어진 회귀식을 이용하여 다른 화강편마암의 압축강도를 추정할 수 있는지 조사하였다. 이때 사용된 시편은 회귀식 결정에 이용되지 않은 새로운 시편(15개 시편)으로 구성하였다. Table 3 및 Fig.
- 1)을 다수(57개 시편) 제작하였다. 제작된 시편은 두 그룹으로 나누어 한 그룹(42개 시편)은 실험을 통한 최적 회귀곡선을 도출하는 데 이용되었고, 또 다른 그룹(15개 시편)은 도출된 최적 회귀곡선을 통해 비파괴 압축강도를 신뢰성 있게 예측 및 산정할 수 있는지 검증하는 데 이용되었다. 실험시편의 표면은 연마석을 이용하여 평탄하게 연마하였다.
데이터처리
- 2)를 이용하여 시편을 타격하고 타격 시 발생한 모든 사운드의 압력을 시간에 따른 신호로서 측정한 후 전체시간에 대하여 누적한 값(전체 사운드 신호에너지)을 이용하여 비파괴압축강도를 산정하는 것이다. 시편 타격으로부터 발생하는 사운드압력의 시간에 따른 신호는 사운드 분석프로그램인 SpectraPLUS-SC를 이용하였다.
- 표 및 그림에서 보는 바와 같이 전체 사운드 신호에너지가 증가할수록 측정된 일축압축강도 또한 증가한다는 것을 알 수 있다. 실험시편 전체에 대한 전체 사운드 신호에너지와 직접압축강도와의 관계에 대한 회귀분석을 실시하였으며 그 결과를 그림에 나타냈다. 그림에 나타낸 바와 같이 전체 사운드 신호에너지는 직접압축강도와 높은 결정계수를 가지고 직접적인 관계를 형성한다는 것을 알 수 있다.
성능/효과
- (2) 화강편마암의 각 시편에 대해서 타격을 통해 얻어진 전체 사운드 신호에너지는 해당 시편의 직접압축강도와 매우 밀접한 관계가 있다는 것을 확인하였으며, 회귀분석 결과 전체 사운드 신호에너지는 직접압축강도와 높은 결정계수를 가지고 직접적인 비례관계를 형성한다는 것을 알 수 있었다.
- 6에 나타냈다. 그림에서 보는 바와 같이 Pearson 상관계수는 아주 높게 나타난 반면 표준편차는 아주 낮게 나타나 회귀식을 이용한 추정 압축강도가 직접측정된 압축강도와 매우 유사하다는 것을 확인할 수 있었다. 이와 같은 결과를 통해 향후 화강편마암의 압축강도는 초기타격 및 반발에 의한 연속적인 반복타격에 의해 발생한 사운드압력의 응답신호로부터 산정한 전체 사운드 신호에너지를 이용하여 신뢰성 있게 측정할 수 있다는 새로운 사실을 알 수 있었다.
- 그림에 나타낸 바와 같이 전체 사운드 신호에너지는 직접압축강도와 높은 결정계수를 가지고 직접적인 관계를 형성한다는 것을 알 수 있다. 다시 말해서 시편타격을 통해 얻어진 사운드 응답신호로부터 산정한 전체 사운드 신호에너지가 시편의 일축압축강도와 직접적인 관계를 가진다는 것을 확인하였다.
- 이와 같은 결과를 통해 향후 화강편마암의 압축강도는 초기타격 및 반발에 의한 연속적인 반복타격에 의해 발생한 사운드압력의 응답신호로부터 산정한 전체 사운드 신호에너지를 이용하여 신뢰성 있게 측정할 수 있다는 새로운 사실을 알 수 있었다. 더 나아가 향후 다양한 암석 및 콘크리트 등의 압축강도는 전체 사운드 신호에너지를 이용하여 비파괴적으로 예측할 수 있다는 것을 본 연구를 통해 확인할 수 있었다.
- (3) 회귀분석식을 이용하여 회귀식 결정에 사용되지 않은 새로운 화강편마암 시편들에 대해서 압축강도를 예측하고 직접 측정된 압축강도와 비교하였다. 두 강도사이의 밀접성을 파악하기 위하여 통계분석을 실시한 결과 회귀식을 이용한 추정 압축강도가 직접측정된 압축강도와 90% 이상의 신뢰도를 가지면서 매우 유사하다는 것을 확인할 수 있었다.
- 그림에서 보는 바와 같이 Pearson 상관계수는 아주 높게 나타난 반면 표준편차는 아주 낮게 나타나 회귀식을 이용한 추정 압축강도가 직접측정된 압축강도와 매우 유사하다는 것을 확인할 수 있었다. 이와 같은 결과를 통해 향후 화강편마암의 압축강도는 초기타격 및 반발에 의한 연속적인 반복타격에 의해 발생한 사운드압력의 응답신호로부터 산정한 전체 사운드 신호에너지를 이용하여 신뢰성 있게 측정할 수 있다는 새로운 사실을 알 수 있었다. 더 나아가 향후 다양한 암석 및 콘크리트 등의 압축강도는 전체 사운드 신호에너지를 이용하여 비파괴적으로 예측할 수 있다는 것을 본 연구를 통해 확인할 수 있었다.
- 표 및 그림에서 보는 바와 같이 전체 사운드 신호에너지가 증가할수록 측정된 일축압축강도 또한 증가한다는 것을 알 수 있다. 실험시편 전체에 대한 전체 사운드 신호에너지와 직접압축강도와의 관계에 대한 회귀분석을 실시하였으며 그 결과를 그림에 나타냈다.
- 이와 같은 타격장치에 의해서 시편에 가해지는 초기타격 에너지와 다른 시험법들에 의해 발생하는 타격에너지를 비교하여 Table 1에 나타냈다. 표에서 보는 바와 같이 본 연구에 적용된 타격장치의 타격에너지는 기존의 슈미트해머 시험법의 타격에너지보다 훨씬 작다는 것을 알 수 있으며 이로부터 슈미트해머와 같은 높은 타격에너지에 의해서 시험시편이 종종 파괴되는 문제를 해소할 수 있을 것으로 판단된다.
후속연구
- (4) 본 연구결과를 통해 향후 화강편마암의 압축강도는 초기타격 및 반발에 의한 연속적인 반복타격에 의해 발생한 사운드압력의 응답신호로부터 산정한 전체 사운드신호에너지를 이용하여 신뢰성 있게 측정할 수 있다는 사실을 알 수 있었으며, 더 나아가 다양한 암석 및 콘크리트 등의 압축강도 또한 전체 사운드 신호에너지를 이용하여 비파괴적으로 예측할 수 있을 것으로 판단된다.
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