[논문]암석시편 파괴에 따른 acoustic emission 특성인자 분석

이종원; 오태민; 김현우; 김민준; 송기일

doi:10.9711/ktaj.2019.21.5.657

암석시편 파괴에 따른 acoustic emission 특성인자 분석
Analysis of acoustic emission parameters according to failure of rock specimens 원문보기

Journal of Korean Tunnelling and Underground Space Association = 한국터널지하공간학회논문집, v.21 no.5, 2019년, pp.657 - 673

이종원 (한국지질자원연구원 복합재난대응연구단) , 오태민 (부산대학교 사회환경시스템공학과) , 김현우 (한국지질자원연구원 복합재난대응연구단) , 김민준 (한국지질자원연구원 복합재난대응연구단) , 송기일 (인하대학교 사회인프라공학과)

초록
AI-Helper

최근 음향방출(Acoustic Emission, AE) 센서를 이용하여 지하 암반 내 구조물의 손상을 평가하는 기법이 활발하게 사용되고 있다. 암반 손상 시 발생되는 미소파괴음은 시간 및 주파수 영역에서 다양한 음향방출 특성인자로 분석된다. 암반 내 초기 균열 발생부터 최종 파괴까지의 특징을 파악하기 위해서는 외부응력 수준과 암반 강도에 따른 음향방출 특성인자 발생 양상을 이해하는 것이 중요하다. 본 연구에서는 경암과 연암 강도를 가진 화강암 시편을 이용하여 일축 압축시험을 수행하여, 암석 시편 파괴 시 발생하는 음향방출 특성인자를 분석하였다. 실험결과, 응력 비율이 증가할수록 이벤트 횟수, 실효값, 최대 진폭, 절대 에너지가 경암 시편에서 연암 시편 보다 높은 경향을 보였다. 또한, 주파수 관련 특성인자는 응력 비율 증가나 시편의 물성특성에 대해 민감도가 낮은 것으로 분석되었다. 본 연구에서 암석 시편 파괴에 따른 음향방출 특성인자 분석 결과, 실효값(RMS)이 가장 민감한 인자로 평가되었다. 본 연구의 결과는 음향방출 기반 모니터링 수행 시 암반 손상 정도 평가를 위하여 유용하게 활용될 수 있을 것으로 기대된다.

Abstract ▼ AI-Helper

A monitoring method based on acoustic emission (AE) sensor has been widely used to evaluate the damage of structures in underground rock. The acoustic emission signal generated from cracking in material is analyzed as various acoustic emission parameters in time and frequency domain. To investigate from initial crack generation to final failure of rock material, it is important to understand the characteristics of acoustic emission parameters according to the stress ratio and rock strength. In this study, uniaxial compression tests were performed using very strong and weak rock specimen in order to investigate the acoustic emission parameters when the failure of specimen occurred. In the results of experimental tests, the event, root-mean-square (RMS) voltage, amplitude, and absolute energy of very strong rock specimen were larger than those of the weak rock specimen with an increase of stress ratio. In addition, the acoustic emission parameters related in frequency were more affected by specification (e.g., operation and resonant frequency) of sensors than the stress ratio or rock strength. It is expected that this study may be meaningful for evaluating the damage of underground rock when the health monitoring based on the acoustic emission technique will be performed.

주제어

표/그림 (14)

그림 Fig. 1. Deformation characteristics for rock sample by loading (after Zhang et al., 2015)
그림 Fig. 2. ISRM classification of rocks according to level of uniaxial compressive strength
표 Table 1. Properties of rock specimen
그림 Fig. 3. Acoustic emission measurement setup with uniaxial compressive test
표 Table 2. Specifications of AE monitoring system
그림 Fig. 4. An example of acoustic emission parameters based on waveform (Feng et al., 2019)
그림 Fig. 5. Specimens under uniaxial loading conditions
그림 Fig. 6. Cumulative event with stress ratio
그림 Fig. 7. Root-mean-square (RMS) voltage with stress ratio
그림 Fig. 8. Amplitude with stress ratio
그림 Fig. 9. Absolute energy with stress ratio
그림 Fig. 10. Initial frequency with stress ratio
그림 Fig. 11. Peak frequency with stress ratio
그림 Fig. 12. Cumulative event and RMS for weak and strong specimens at ultimate failure

AI 본문요약
AI-Helper

* AI 자동 식별 결과로 적합하지 않은 문장이 있을 수 있으니, 이용에 유의하시기 바랍니다.

문제 정의

만약 암반 강도 특성에 따른 음향방출 특성인자의 분석이 선행되지 않는다면 암반 손상의 특성을 평가할 수 없기 때문에 모니터링 기법의 신뢰성이 감소할 수 있다. 따라서 본 연구는 일축 압축시험을 실시하여 암석 시편의 강도에 따른 음향방출 특성인자의 특성을 사전에 파악함으로써 암반 구조물 손상 상태 평가를 위한 최적 음향방출 특성인자를 분석하는데 목적이 있다.

가설 설정

실효값(root-mean-square voltage, RMS)은 발생한 음향방출 이벤트 파형의 평균 진폭(전압) 값에 해당한다. 음향방출 센서의 압전 소자에서 발생되는 전압 값은 암석 시편 손상 발생 시 측정되는 물리적인 변형 크기에 따라 달라진다. 따라서 실효값은 하중에 의한 시편 내의 파괴 특성을 분석하는데 유용한 특성인자로 활용되고 있다(Dixon et al.

제안 방법

주파수는 센서 성능에 크게 영향을 받는 특성인자에 해당하기 때문에 파괴 특성을 평가하기에는 적합하지 않은 것으로 판단되었다. 따라서 연암과 경암의 음향방출 신호 특성을 누적 이벤트 수와 누적 실효 값을 이용하여 파괴가 발생할 때까지 누적된 음향방출 신호 특성을 분석 하였다.
획득한 음향방출 신호는 다양한 특성인자(이벤트, 실효값, 최대진폭, 절대 에너지, 초기 주파수, 최대 주파수)로 변환되어 고려하였다. 또한 하중 강도에 따른 특성인자 별 반응 특성을 복합적으로 분석하여 최적 특성 인자를 도출하였다. 본 연구에서 검증된 음향방출 특성인자는 암반 내 구조물의 안정성 평가를 위한 기초 연구 결과로 향후 현장 모니터링에서 유용하게 활용될 수 있을 것으로 기대된다.
이에 따라, 본 연구에서는 암석 시편의 강도에 따른 적합한 음향방출 특성인자를 분석하기 위하여 극단적인 두 그룹의 화강암 시편, 경암(very strong rock)과 연암(weak rock) 시편을 준비하였다. 또한, 일축 압축시험을 실시하여 암석 시편 내 손상 발생에 따른 음향방출 신호를 획득하여 분석하였다. 획득한 음향방출 신호는 다양한 특성인자(이벤트, 실효값, 최대진폭, 절대 에너지, 초기 주파수, 최대 주파수)로 변환되어 고려하였다.
본 연구에서는 발생한 음향방출 신호의 횟수에 해당하는 이벤트와 실효값, 최대 전압, 절대 에너지, 초기 주파수, 최대 주파수를 음향방출 특성인자로 선정하였으며, 서로 다른 강도의 암석 시편을 이용하여 일축 압축 파괴에 따른 음향방출 특성인자 발생 양상을 분석하였다. 또한, 실험을 통해 분석한 바와 같이 실효값, 최대 전압, 절대 에너지는 유사하게 발생한 신호의 크기를 나타내는 특징이 있다.
× 100, %)로 분석하였다. 본 연구에서는 음향방출 신호 특성인자를 이벤트(event), 실효값(RMS), 최대 진폭(amplitude), 절대 에너지(absolute energy), 주파수(frequency)로 선정하여 경암 및 연암의 파괴 시 특성을 분석하였다.
암석 시편 파괴 실험 이후 암석 강도에 따른 음향방출 신호 특성인자는 각 시편의 최대 응력에 해당하는 응력 비율(stress ratio, σ/σ_max × 100, %)로 분석하였다. 본 연구에서는 음향방출 신호 특성인자를 이벤트(event), 실효값(RMS), 최대 진폭(amplitude), 절대 에너지(absolute energy), 주파수(frequency)로 선정하여 경암 및 연암의 파괴 시 특성을 분석하였다.
암석 시편의 파괴에 따른 음향방출 신호 측정 실험 구성은 일축 압축시험 장비와 음향방출 신호 측정 시스템으로 구성하였다(Fig. 3).
3). 암석의 파괴는 일축 압축시험을 통하여 수행하였으며, 재하 속도는 한국암반공학회에서 제안한 표준시험법을 참고하여 하중을 가한 후 2~15분 내에 암석 시편이 파괴되도록 0.1 mm/min으로 설정하였다. 또한, 시편 표면의 축(axial) 방향 및 수평(lateral) 방향으로 변형률 게이지를 각각 부착하여 시편의 변형량을 측정하였다

대상 데이터

본 연구에서는 암석 시편의 파괴에 따른 음향방출 신호 수집을 위하여 총 4개의 화강암 시편을 준비하였다. 화강암 시편은 ISRM에서 제시한 화강암의 일축 압축강도에 따른 분류에 의하여 연암(weak rock)과 경암(very strong rock)에 해당한다(Brown, 1981) (Fig.
본 연구에서는 일축 압축하중 조건에서 음향방출 특성인자 평가를 위하여 한정된 강도의 화강암 시편만을 고려하였다. 따라서 음향방출 모니터링 기법을 활용하기 위한 암반 손상 평가 기준을 정립할 때, 다양한 암종 및 암석 강도별 손상 실험을 실시한다면 최적화된 손상 평가 가이드라인을 설계할 수 있을 것으로 판단된다.
음향방출 신호는 PAC에서 개발한 Micro-II Express-Express 8 시스템과 R.45IC 센서를 이용하여 수집하였다. 본 연구에 사용된 AE 시스템의 성능은 Table 2와 같다.
이에 따라, 본 연구에서는 암석 시편의 강도에 따른 적합한 음향방출 특성인자를 분석하기 위하여 극단적인 두 그룹의 화강암 시편, 경암(very strong rock)과 연암(weak rock) 시편을 준비하였다. 또한, 일축 압축시험을 실시하여 암석 시편 내 손상 발생에 따른 음향방출 신호를 획득하여 분석하였다.

데이터처리

6은 응력 비율(stress ratio) 증가에 따른 경암(S1, S2) 및 연암(W1, W2) 시편에서 발생한 누적 이벤트를 측정한 결과이다. 응력 비율은 각 시편의 최대 일축 압축강도 대비 해당하는 응력이며, 이때 발생하는 이벤트 횟수를 0%부터 누적하여 암석 시편 강도에 따른 결과를 비교 분석하였다. 누적 이벤트 수는 응력 비율이 100%에 도달할수록 증가하는 결과를 보였다(Fig.
6 MPa (W2)에 해당한다. 이러한 암석 시편의 강도 특성에 따른 음향방출음 측정 결과를 각 시편의 응력 비율을 이용하여 분석하였다.

성능/효과

, 2016). 따라서 본 연구의 경암 시편에서는 응력 비율이 약 40% 부근에서 큰 규모의 균열이 생성되고 약 70%에서는 큰 규모의 균열이 확장 및 연결되는 것으로 분석된다. 이와 반대로 연암 시편에서는 이미 공극이 많이 존재하기 때문에 한번에 (경암처럼) 대규모의 파괴 보다는, 작은 규모의 파괴 및 균열 연결이 지속적으로 발생하여 응력 비율이 100%에 도달할수록 실효값이 점점 증가하는 것으로 분석된다.
시편의 최종 파괴가 발생하는 동안 누적 이벤트 수와 누적 실효값은 경암 시편이 연암 시편에 비하여 큰 결과를 보였다. 또한, 경암이 연암에 비하여 누적 이벤트 수는 약 3.8배, 누적 실효값은 약 6.5배 높은 것으로 분석되어 실효값이 이벤트에 비하여 암석 시편 강도에 따른 음향방출 신호 특성 분석에 적합한 특성인자로 평가되었다(Fig. 12).
실험 결과, 일축 압축하중이 증가할 때, 암석 시편의 강도가 높을수록 누적 음향방출 이벤트 횟수가 증가하는 경향을 보였다. 이벤트 수는 일축 압축하중 작용에 따라 암석 시편 내 부분적인 파괴나 최대 하중에 가까워질수록 급격히 증가하는 것으로 파악되었으며, 경암 시편에서 연암 시편에 비하여 이벤트 횟수가 약 3배 높게 측정되었다.
(2016)은 암석 시편 내 일축 압축하중 증가에 따라 발생되는 음향방출 특성인자 중 실효값 발생 양상을 분석하였다. 실효값과 최대 진폭은 음향방출 신호의 크기와 관련이 있는 특성인자로써 하중 증가에 따른 음향방출 이벤트 횟수가 급격히 증가할 때 실효값과 최대 진폭 또한 크게 증가하는 결과를 보였다.
암석 시편의 강도에 따른 음향방출 신호 발생 결과는 경암이 연암에 비하여 누적 이벤트 수가 더 높은 결과를 보였다. 측정된 누적 이벤트 수는 최대 일축 압축강도(응력 비율 = 100%)에서 경암은 약 25,000~35,000 (Fig.
실험 결과, 일축 압축하중이 증가할 때, 암석 시편의 강도가 높을수록 누적 음향방출 이벤트 횟수가 증가하는 경향을 보였다. 이벤트 수는 일축 압축하중 작용에 따라 암석 시편 내 부분적인 파괴나 최대 하중에 가까워질수록 급격히 증가하는 것으로 파악되었으며, 경암 시편에서 연암 시편에 비하여 이벤트 횟수가 약 3배 높게 측정되었다. 또한, 음향방출 신호의 크기를 나타내는 실효값, 최대 진폭, 절대 에너지는 일축 압축하중 증가에 따라 강도가 높은 시험편군에서 높게 측정되는 결과를 보였다.
마지막으로, 주파수 특성인자는 응력 비율이나 암석 재료의 특징 보다는 센서의 운영 주파수나 공진 주파수의 영향을 크게 받아 파괴 상태를 평가하는 지표로서 사용하기에는 무리가 있을 것으로 분석된다. 일축 압축하중 조건에서 분석된 음향방출 특성인자를 종합적으로 분석하면, 이벤트와 실효값을 함께 사용한다면 손상에 의한 암석 시편의 파괴 특성을 분석하는데 유리할 것으로 판단된다.

후속연구

12). 그러나 단일 음향방출 특성인자를 적용한 파괴 특성 분석은 한계가 있을 것으로 판단된다. 시편 내 미세 균열의 생성 시에는 다량의 음향방출 이벤트가 발생하지만 큰 규모의 균열로의 확장 시에는 오히려 음향방출 이벤트 수가 감소하고 실효값이 급격히 증가하는 특징을 보이기 때문이다(Moradian et al.
그러나 최대 전압 값은 암석 시편의 파괴 특성을 평가할 수 있는 음향방출 특성인자로써 활용하기에는 한계가 있을 것으로 분석된다. 최대 진폭은 암석 시편 강도에 따라 큰 변화를 보이지 않는 것으로 파악되었다.
본 연구에서는 일축 압축하중 조건에서 음향방출 특성인자 평가를 위하여 한정된 강도의 화강암 시편만을 고려하였다. 따라서 음향방출 모니터링 기법을 활용하기 위한 암반 손상 평가 기준을 정립할 때, 다양한 암종 및 암석 강도별 손상 실험을 실시한다면 최적화된 손상 평가 가이드라인을 설계할 수 있을 것으로 판단된다. 본 연구 결과를 통하여 파악된 암석 시편의 강도에 따른 음향방출 특성인자 분석 연구는 향후 현장에서 음향방출 기반 모니터링 수행 시 유용하게 활용될 수 있을 것으로 기대된다.
또한, 암석 시편 내 심각한 파괴가 발생하는 경우, 다량의 음향방출 이벤트가 발생한다(Chmel and Shcherbakov, 2013). 따라서 이벤트 발생 양상을 하중 증가에 따라 누적하여 그래프의 증감 경향성 특성을 분석한다면 시편 내부의 변형 발생 및 파괴 특성을 평가하는데 효과적이다.
, 2017). 따라서 하중에 의한 암석 시편의 손상을 평가하기 위해서는 주파수를 단일 평가 지표로 활용하기 보다는 다양한 음향방출 특성인자를 복합적으로 적용해야 할 것이다.
따라서 이벤트와 실효값을 연계하여 분석한다면 하중에 의한 암석 시편의 파괴를 분석하는데 유리할 것으로 판단된다. 또한, 향후 연구에서 손상에 따른 다양한 암반 강도 별 음향방출 특성인자 분석 연구를 실시한다면 현장에서 음향방출 신호 기반 모니터링 수행 시 기초데이터로 유용하게 활용될 수 있을 것으로 예상된다.
또한, 최대 진폭은 설정한 임계값과 측정 시스템의 성능에 따라 측정 범위가 제한되므로 본 연구에서 선정한 다른 특성인자들에 비하여 암석 시편의 파괴를 평가할 수 있는 민감도가 낮은 인자로 분석되었다. 마지막으로, 주파수 특성인자는 응력 비율이나 암석 재료의 특징 보다는 센서의 운영 주파수나 공진 주파수의 영향을 크게 받아 파괴 상태를 평가하는 지표로서 사용하기에는 무리가 있을 것으로 분석된다. 일축 압축하중 조건에서 분석된 음향방출 특성인자를 종합적으로 분석하면, 이벤트와 실효값을 함께 사용한다면 손상에 의한 암석 시편의 파괴 특성을 분석하는데 유리할 것으로 판단된다.
따라서 음향방출 모니터링 기법을 활용하기 위한 암반 손상 평가 기준을 정립할 때, 다양한 암종 및 암석 강도별 손상 실험을 실시한다면 최적화된 손상 평가 가이드라인을 설계할 수 있을 것으로 판단된다. 본 연구 결과를 통하여 파악된 암석 시편의 강도에 따른 음향방출 특성인자 분석 연구는 향후 현장에서 음향방출 기반 모니터링 수행 시 유용하게 활용될 수 있을 것으로 기대된다.
또한 하중 강도에 따른 특성인자 별 반응 특성을 복합적으로 분석하여 최적 특성 인자를 도출하였다. 본 연구에서 검증된 음향방출 특성인자는 암반 내 구조물의 안정성 평가를 위한 기초 연구 결과로 향후 현장 모니터링에서 유용하게 활용될 수 있을 것으로 기대된다.
위의 결과에서, 주파수를 암석 시편의 파괴를 평가할 수 있는 특성인자로 사용하기에는 한계가 있을 것으로 판단된다. 주파수는 응력 비율의 증가나 암석 시편의 일축 압축강도에 따라 큰 차이를 보이지 않았다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	고주파의 음향방출 신호 기반 모니터링 기법의 장점은 무엇인가?	, 2013). 이러한 고주파의 음향방출 신호 기반 모니터링 기법은 미세한 균열의 발생부터 최종 파괴까지의 손상 이력을 효율적으로 평가 할 수 있는 장점이 있다(Helmstetter and Garamobois, 2010; Cheon et al., 2014).
	음향방출음은 무엇인가?	음향방출음은 재료의 내부 혹은 표면에서 손상이 발생할 때 생성되는 탄성파 신호이다. 이러한 음향방출 데이터는 음향방출 측정 센서의 압전 소자(piezoelectric element)에서 전기적인(electrical) 신호의 형태로 변환되어 획득된다(Grosse and Ohtsu, 2008).
	음향방출(acoustic emission, AE) 모니터링 기법의 음향방출 신호를 분석하기 위한 특성 인자에는 어떤 것들이 있는가?	재료 내부의 손상으로 인하여 생성되는 음향방출 신호는 측정 센서를 통하여 파형(waveform) 신호로 수집된다. 음향방출 신호는 카운트, 에너지, 오름시간, 지속시간, 최대 진폭, 실효값(root-mean square voltage, RMS), 절대 에너지 등의 다양한 특성인자로 분석될 수 있다(Feng et al., 2019). 또한, 주파수 변환을 통하여 초기 주파수, 최대 주파수, 평균 주파수 등과 같은 주파수 기반 특성인자로 분석이 가능하다(Li et al., 2017). 이러한 특성인자는 암석 재료의 손상 정도(e.g., stress, damage level)나 재료의 특성(e.g., strength)에 따라 달라질 수 있다. 따라서 암반 내 구조물의 안정성 평가를 위해서는 암석 재료의 손상 정도와 재료의 특성에 따른 음향방출 특성인자 발생 양상을 사전에 평가하는 것이 중요하다.

저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

내보내기 구분	파일저장 인쇄 메일전송
구성항목	기본정보 상세정보 관리번호, 논문명, 저널/프로시딩명, 저자 , 발행년, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, 발행기관 관리번호, 논문명, 대등논문명, 저자 , 저널/프로시딩명, 발행기관, 발행년, 발행언어, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, ISBN, ISSN, 주제분야, 키워드, 초록(한글), 초록(영문), 저자(소속기관)
저장형식	Text(ASCII format) Excel format RefWorks Direct Export RIS format (for Reference Manager, ProCite, EndNote), Scholar's Aids, Mendeley
메일정보	받는사람 (필수) @ 보내는사람 (선택) @ 제목 내용 KISTI 검색결과 이메일 서비스
안내	총 건의 자료가 검색되었습니다. 다운받으실 자료의 인덱스를 입력하세요. (1-10,000) 검색결과의 순서대로 최대 10,000건 까지 다운로드가 가능합니다. 데이타가 많을 경우 속도가 느려질 수 있습니다.(최대 2~3분 소요) 다운로드 파일은 UTF-8 형태로 저장됩니다. 파일의 내용이 제대로 보이지 않을실 때는 웹브라우저 상단의 보기 -> 인코딩 -> 자동선택 여부를 확인하십시오. ~ Text(ASCII format) Excel format

연합인증