KR101897905B1 - 전자기파를 이용한 말뚝 건전도 평가 장치 - Google Patents

전자기파를 이용한 말뚝 건전도 평가 장치 Download PDF

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고려대학교 산학협력단
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Abstract

본 발명의 일 실시예에 따른 전자기파를 이용한 말뚝 건전도 평가 장치는, 말뚝기초에 내장된 복수의 철근; 복수의 철근에 인접하게 말뚝기초에 설치된 복수의 전선; 및 복수의 전선 중 어느 하나의 전선과 복수의 철근 중 어느 하나의 철근을 신호전송선로로 하여, 어느 하나의 철근과 어느 하나의 전선에 연결되어, 말뚝기초의 길이방향 및 말뚝기초의 원주방향을 따라 어느 하나의 철근과 어느 하나의 전선 사이에 존재하는 말뚝기초의 결함여부 및 결함위치를 검출하는 전자기파 측정부를 포함하고, 전자기파 측정부에서, 특성 임피던스(Characteristic impedance)가 변하는 곳에서 반사되어 되돌아오는 전자기파의 신호가 측정되고, 반사된 전자기파 신호의 도달시간(Round-trip travel time)과 전자기파의 속도를 이용하여 특성 임피던스가 변화하는 구간의 위치가 산출되어, 특성 임피던스가 변화하는 구간에 따른 말뚝기초의 결함여부 및 결함위치가 검출되는 것이 바람직하다.

Description

전자기파를 이용한 말뚝 건전도 평가 장치{Pile integrity testing apparatus for using electromagnetic waves}
본 발명은 전자기파를 이용한 말뚝 건전도 평가 장치에 관한 것이며, 상세하게는 주변지반의 굴착없이도 말뚝기초의 결함을 조사할 수 있는 전자기파를 이용한 말뚝 건전도 평가 장치에 관한 것이다.
말뚝 기초는 지지력이 약한 지반에 구조물을 설치하기 위하여 사용되는 공법이다. 말뚝 기초는 구조물의 하중을 깊은 깊이의 지지층까지 전달하여 구조물의 안정성을 확보하는 깊은 기초의 일종이다. 말뚝 기초는 지지력의 확보가 우수하며, 시공성, 경제성 등에서도 뛰어난 면모를 보이기 때문에 깊은 기초로서 가장 많이 사용되고 있다.
말뚝 시공 시 콘크리트의 재료분리, 시멘트 유실, 이물질 함유, 공벽 붕괴 등으로 인해 말뚝에 결함이 발생할 수 있다. 말뚝에 발생된 결함을 평가하는 기법으로 충격반향기법(Sonic echo), 공대공음파검출법(Crosshole Sonic Logging, CSL) 등이 널리 사용되고 있다.
하지만, 충격반향기법의 경우 말뚝길이와 직경비(L/D)가 30~60을 초과하면 조사 깊이에 한계가 있으며, 결함이 다수 발생했을 경우 모든 결함의 위치를 정확히 파악하기 어렵다. 또한, 말뚝의 결함을 길이 방향의 위치로만 파악할 수 있고, 원주 방향으로는 파악하기 어렵다.
공대공음파검출법은 말뚝 내에 다수의 검측공을 설치해야 하기 때문에, 말뚝의 몸체 및 주변지반의 손상을 초래할 수 있으며, 시간과 비용면에서 경제성이 낮다.
일본특허공개 특개평5-179646호에는 말뚝박 공사 품질 검사 방법이 개시되어 있다.
따라서, 본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 주변지반의 굴착없이도 전자기파의 전파 특성을 이용하여 말뚝기초의 결함여부 및 결함위치를 측정할 수 있는 전자기파를 이용한 말뚝 건전도 평가 장치 및 이를 이용한 말뚝 건전도 평가 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명은 말뚝기초의 길이 및/또는 직경에 영향을 받지 않고, 말뚝기초의 결함을 측정할 수 있는 전자기파를 이용한 말뚝 건전도 평가 장치 및 이를 이용한 말뚝 건전도 평가 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명은 조사에 사용되는 방법이 매우 간편하며, 장비의 사용법과 획득 신호의 해석법이 간단하여 측정과 동시에 말뚝의 결함 위치를 파악할 수 있는 전자기파를 이용한 말뚝 건전도 평가 장치 및 이를 이용한 말뚝 건전도 평가 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 전자기파를 이용한 말뚝 건전도 평가 장치는, 말뚝기초에 내장된 복수의 철근; 복수의 철근에 인접하게 말뚝기초에 설치된 복수의 전선; 및 복수의 전선 중 어느 하나의 전선과 복수의 철근 중 어느 하나의 철근을 신호전송선로로 하여, 어느 하나의 철근과 어느 하나의 전선에 연결되어, 말뚝기초의 길이방향 및 말뚝기초의 원주방향을 따라 어느 하나의 철근과 어느 하나의 전선 사이에 존재하는 말뚝기초의 결함여부 및 결함위치를 검출하는 전자기파 측정부를 포함하고, 전자기파 측정부에서, 특성 임피던스(Characteristic impedance)가 변하는 곳에서 반사되어 되돌아오는 전자기파의 신호가 측정되고, 반사된 전자기파 신호의 도달시간(Round-trip travel time)과 전자기파의 속도를 이용하여 특성 임피던스가 변화하는 구간의 위치가 산출되어, 특성 임피던스가 변화하는 구간에 따른 말뚝기초의 결함여부 및 결함위치가 검출되는 것이 바람직하다.
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본 발명의 일 실시예에 따른 전자기파를 이용한 말뚝 건전도 평가 장치는, 말뚝기초에 내장된 복수의 철근; 복수의 철근에 인접하게 말뚝기초에 설치된 복수의 전선; 및 복수의 전선 중 복수의 철근 중 서로 다른 위치에 놓인 두 개의 철근에 각각 인접하게 위치된 두 개의 전선을 신호전송선로로 하여, 두 개의 전선에 연결되어, 말뚝기초의 길이방향 및 말뚝기초의 원주방향을 따라 두 개의 철근 사이에 존재하는 말뚝기초의 결함을 검출하는 전자기파 측정부를 포함하고, 전자기파 측정부에서, 특성 임피던스(Characteristic impedance)가 변하는 곳에서 반사되어 되돌아오는 전자기파의 신호가 측정되고, 반사된 전자기파 신호의 도달시간(Round-trip travel time)과 전자기파의 속도를 이용하여 특성 임피던스가 변화하는 구간의 위치가 산출되어, 특성 임피던스가 변화하는 구간에 따른 말뚝기초의 결함여부 및 결함위치가 검출되는 것이 바람직하다.
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본 발명은 조사에 사용되는 방법이 매우 간편하며, 장비의 사용법과 획득 신호의 해석법이 간단하여 측정과 동시에 말뚝기초의 결함 위치를 파악할 수 있다.
본 발명은 전선을 철근을 따라 배치함으로써 말뚝기초의 전 길이에 대해 말뚝에 발생한 복수의 결함을 평가할 수 있다. 이에, 본 발명은 건전도 평가 시험과 동시에 현장에서 바로 말뚝기초에 발생된 결함의 위치를 파악할 수 있다.
본 발명은 전자기파의 신호전송선로로 전선과 말뚝의 철근을 이용하고 전자기파의 전파 특성을 이용하여 말뚝에 발생한 결함을 조사할 수 있어, 기존의 말뚝 건전도 평가법보다 시간과 비용을 크게 절약할 수 있다.
본 발명은 주변지반의 굴착 없이 말뚝의 결함 위치를 파악할 수 있고, 결함이 다수 발생된 경우에도 결함의 위치를 구분할 수 있다.
본 발명은 말뚝의 직경과 길이의 제한 없이 말뚝의 결함을 조사할 수 있어, 결함이 발생한 위치를 길이 방향 뿐 아니라 원주 방향으로도 파악할 수 있다.
도 1은 본 발명의 제 1 실시예에 따른 전자기파를 이용한 말뚝 건전도 평가 장치의 구성도를 개략적으로 도시한 것이다.
도 2의 (a)는 결함이 존재하는 말뚝기초의 구조도를 개략적으로 도시한 것이고, 도 2의 (b)는 신호전송선로로의 전자기파 제공시, 결함이 존재하는 말뚝기초에 대한 전자기파 측정 신호를 그래프를 개략적으로 도시한 것이다.
도 3은 도 2의 (a)의 X-X선에 따른 단면도를 개략적으로 도시한 것이다.
도 4는 제 1 실시예의 다른 예에 따른 말뚝기초를 개략적으로 도시한 것이다.
도 5의 (a)는 본 발명의 제 2 실시예에 따른 전자기파를 이용한 말뚝 건전도 평가 장치의 구성도를 개략적으로 도시한 것이다. 도 5의 (b)는 본 발명의 제 2 실시예에 따른 말뚝기초의 구조도를 개략적으로 도시한 것이다.
도 6의 (a)는 본 발명의 제 3 실시예에 따른 전자기파를 이용한 말뚝 건전도 평가 장치의 구성도를 개략적으로 도시한 것이다. 도 6의 (b)는 본 발명의 제 3 실시예에 따른 말뚝기초의 단면도를 개략적으로 도시한 것이다.
이하에서는 첨부도면을 참조하여, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 전자기파를 이용한 말뚝 건전도 평가 장치 및 전자기파를 이용한 말뚝 건전도 평가 방법에 대해 설명하기로 한다.
제 1 실시예
도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명은 철근(110), 전선(120) 및 전자기파 측정부(130)로 이루어진다. 본 발명의 일 실시예에 따른 전자기파를 이용한 말뚝 건전도 평가 장치(100)는, 말뚝기초(10)의 결함여부 및 결함위치를 측정하여, 말뚝기초(10)의 건전도를 평가한다.
본 실시예에서, 전자기파 측정부(130)는 철근(110)과 전선(120)을 신호전송선로로 하여, 말뚝기초(10)의 결함을 측정한다. 전자기파 측정부(130)의 동축케이블은 철근(110)과 전선(120)에 연결된다.
전자기파 측정부(130)는 전자기파가 신호전송선로를 따라 진행하다가 특성 임피던스(Characteristic impedance)가 변하는 곳에서 반사되어 되돌아오는 신호를 측정하고, 반사된 신호의 도달시간(Round-trip travel time)과 전자기파의 속도를 이용하면 특성 임피던스가 변화하는 구간의 위치를 파악할 수 있다.
철근(110)이 동축케이블의 내부도체에 연결되고, 전선(120)이 동축케이블의 외부도체에 연결되어, 신호전송선로로서 역할을 할 수 있다. 또는, 철근(110)이 동축케이블의 외부도체에 연결되고, 전선(120)이 동축케이블의 내부도체에 연결될 수 있다. 즉, 본 발명은 철근(110)과 전선(120)이 한세트로 입력신호와 출력신호를 주고받으면 되도록 구성된다.
철근(110)과 전선(120)은 말뚝기초(10)에 마련된 것이다. 서로 인접하게 배치된 철근(110)과 전선(120)은 철근(110)의 길이방향을 따라 평행하게 배치된 것이 바람직하다. 철근(110)과 전선(120)의 설치개수는 말뚝기초(10)의 크기 및 구조에 따라 다양하게 가변될 수 있다.
도 2(a)에 도시된 바와 같이, 철근(110)은 말뚝기초(10)의 길이방향을 따라 설치된다. 전선(120)은 철근(110)에 인접하게 배치되다. 일예로, 도 2(a)에 도시된 바와 같이, 한 개의 전선(120)이 인접하게 위치된 철근(110)에 평행하게 배치될 수 있다. 또는, 다른 예로, 도 4에 도시된 바와 같이, 전선(120)은 철근(110)의 길이방향을 따라 철근(110)의 외주면에 감긴 형태로 말뚝기초(10)에 설치될 수 있다.
도 2(a)에 도시된 바와 같이, 결함이 말뚝기초(10)의 길이방향을 따라 서로 다른 위치에 마련된 경우, 도 2(b)에 도시된 바와 같이 결함이 마련된 부분에서 임피던스 변화가 나타난다. 이는, 말뚝기초(10)를 이루는 콘크리트가 있는 부분과 없는 부분과의 물성 차이로 인한 것이다.
말뚝기초(10)의 선단과 끝단을 제외한 부분에서, 임피던스 변화가 발생하면, 임피던스 변화가 일어나는 부분에 결함이 발생한 것이다. 즉, 도 2의 (b)에 도시된 바와 같이, 결함이 발생된 부분은 결함이 발생되지 않은 부분과 비교하여 임피던스의 변함이 있음을 알 수 있다.
도 2(b)에 도시된 말뚝길이에 따른 임피던스 변화는 결함이 생긴 부분에 인접하게 위치된 철근(110)과 전선(120)에 연결된 경우에 해당된다. 만약, 결함이 발생되지 않은 부분에 위치된 철근(110)과 전선(120)을 신호전송선로로 선택된 경우, 말뚝길이에 따른 임피던스 변화는 말뚝길이의 선단과 끝단 부분을 제외한 부분은 임피던스가 변화가 없다.
이하에서는, 본 발명의 일 실시예에 따른 전자기파를 이용한 말뚝 건전도 평가 방법에 대해 설명하기로 한다.
도 2(a) 및 도 3에 도시된 바와 같이, 전선(120)이 철근(110)에 인접하게 말뚝기초(10)에 설치된다. 전선(120)은 철근(110)의 길이방향을 따라 철근(110)과 인접한 위치에서 철근(110)과 나란하게 배치된 것이 바람직하다.
이후, 전자기파 측정부(130)가 측정을 원하는 곳에 위치된 철근(110)과 전선(120)에 연결된다. 여기서, 철근(110)과 전선(120)은 서로 인접하게 위치된 것으로서, 전자기파 측정부(130)의 동축케이블에 연결된다. 상술했듯이, 철근(110)과 전선(120)은 전자기파 측정부(130)의 신호전송선로로 이용된다.
다음으로, 전자기파 측정부(130)에서 신호전송선로로 전자기파가 제공되고, 전자기파가 신호전송선로를 따라 진행하다가 특성 임피던스(Characteristic impedance)가 변하는 곳에서 반사되어 되돌아오는 반사신호가 측정된다. 전자기파 측정부(130)에서, 반사신호의 도달시간(Round-trip travel time)과 전자기파의 속도에 의해, 특성 임피던스가 변화하는 구간의 위치가 산출된다. 특성 임피던스가 변화하는 구간이 말뚝기초의 결함(11)이 존재하는 부분이다.
본 발명은 특성 임피던스가 변화하는 구간의 유무에 따라 말뚝기초(10)의 결함(11)의 개수를 산출할 수 있고, 전선(120)을 철근(110)을 따라 배치함으로써 말뚝기초(10)의 전 길이에 대해 말뚝에 발생한 복수의 결함을 평가할 수 있다.
본 발명은 반사신호의 도달시간(Round-trip travel time)과 전자기파의 속도에 의해 특성 임피던스가 변화하는 구간의 위치가 산출되어, 건전도 평가 시험과 동시에 현장에서 바로 말뚝기초(10)에 발생된 결함의 위치를 파악할 수 있다. 본 발명은 주변지반의 굴착 없이 말뚝의 결함 위치를 파악할 수 있고, 결함이 다수 발생된 경우에도 결함의 위치를 구분할 수 있다.
본 발명은 전자기파의 신호전송선로로 전선(120)과 말뚝의 철근(110)을 이용하고 전자기파의 전파 특성을 이용하여 말뚝에 발생한 결함을 조사할 수 있어, 기존의 말뚝 건전도 평가법보다 시간과 비용을 크게 절약할 수 있다.
제 2 실시예
이하에서는 도 5를 참조하여, 제 2 실시예에 따른 전자기파를 이용한 말뚝 건전도 평가 장치 및 전자기파를 이용한 말뚝 건전도 평가 방법에 대해 설명하기로 한다.
본 실시예에 따른 전자기파를 이용한 말뚝 건전도 평가 장치(100b) 및 전자기파를 이용한 말뚝 건전도 평가 방법은 전자기파 측정부(130)의 신호전송선로로 두 개의 전선을 이용한 것이다.
여기서, 두개의 전선은 제 1 전선(120a)과 제 2 전선(120b)으로 구분된다. 제 1 전선(120a)과 제 2 전선(120b)은 어느 하나의 철근(110)에 인접하게 설치된 것이다. 제 1 전선(120a)과 제 2 전선(120b)은 말뚝기초(10)의 길이방향을 따라 나란하게 위치된다. 제 1 전선(120a)과 제 2 전선(120b)은 전자기파 측정부(130)의 동축케이블에 연결된다. 본 실시예에서는 전자기파 측정부(130)의 전자기파가 철근(110)으로 제공되지 않는다.
본 실시예는 상술한 제 1 실시예와 비교하여 신호전송선로가 철근(110)과 전선에서 두 개의 전선으로 대체된 것 이외에는 말뚝기초(10)의 건전도를 평가하는 방법에 대해서는 상술한 제 1 실시예와 동일하다. 이에, 본 실시예에서는 전자기파를 이용한 말뚝 건전도 평가 방법에 대한 중복적인 설명은 생략하기로 한다.
제 3 실시예
이하에서는 도 6을 참조하여, 제 3 실시예에 따른 전자기파를 이용한 말뚝 건전도 평가 장치 및 전자기파를 이용한 말뚝 건전도 평가 방법에 대해 설명하기로 한다.
본 실시예에 따른 전자기파를 이용한 말뚝 건전도 평가 장치(100c) 및 전자기파를 이용한 말뚝 건전도 평가 방법은 전자기파 측정부(130)의 신호전송선로로 두 개의 전선을 이용한 것이다. 이때, 두 개의 전선은 서로 다른 철근(110)에 인접하게 설치된 것이다. 두 개의 전선은 전자기파 측정부(130)의 동축케이블에 연결된다.
본 실시예는 상술한 제 1 실시예와 비교하여 신호전송선로가 철근(110)과 전선에서 두 개의 전선으로 대체된 것 이외에는 말뚝기초(10)의 건전도를 평가하는 방법에 대해서는 상술한 제 1 실시예와 동일하다.
다만, 본 실시예는 서로 다른 철근(110)에 인접하게 위치된 두 개의 전선을 신호전송선로로 이용하여, 상술한 제 1 실시예와 달리 어느 하나의 철근(110)과 다른 하나의 철근(110) 사이에 생긴 결함을 측정할 수 있다.
본 실시예에서는 말뚝기초(10)에 복수의 철근(110)과 복수의 전선이 내장된 경우, 어떤 방식으로 두개의 전선을 이용하여 말뚝기초(10)의 결함을 측정하는지 여부에 대해 설명하기로 한다. 다만, 본 실시예에서는 설명의 편의를 위하여, 복수의 철근(110)에 각각 인접하게 위치된 복수의 전선에 대해 제 1 전선(120c1) 내지 제 4 전선(120c4)으로 구분지어 지칭하기로 한다.
본 발명은 제 1 전선(120c1) 내지 제 4 전선(120c4) 중 선택된 두 개의 전선을 통해, 선택된 두 개의 전선 사이에 존재하는 결함(11c)을 측정할 수 있다. 전자기파 측정부(130)는 제 1 전선(120c1)과 제 2 전선(120c2), 제 2 전선(120c2)과 제 3 전선(120c3), 제 3 전선(120c3)과 제 4 전선(120c4), 제 4 전선(120c4)과 제 1 전선(120c1), 제 1 전선(120c1)과 제 3 전선(120c3), 또는, 제 2 전선(120c2)과 제 4 전선(120c4) 중 어느 하나를 신호전송선로로 이용하여, 복수의 철근(110) 사이에 위치된 결함을 측정할 수 있다.
예를 들어, 도 6(b)에 도시된 바와 같이, 결함이 제 1 전선(120c1)과 제 2 전선(120c2) 사이에 존재하는 경우, 전자기파 측정부(130)가 제 1 전선(120c1)과 제 2 전선(120c2)을 신호전송선로로 이용하는 경우 특성 임피던스 변화가 측정된다.
본 발명은 말뚝의 직경과 길이의 제한 없이 말뚝의 결함을 조사할 수 있어, 결함이 발생한 위치를 길이 방향뿐 아니라 원주 방향으로도 파악할 수 있다.
비록 본 발명의 몇몇 실시예들이 도시되고 설명되었지만, 본 발명이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 당업자라면 본 발명의 원칙이나 정신에서 벗어나지 않으면서 본 실시예를 변형할 수 있음을 알 수 있을 것이다. 발명의 범위는 첨부된 청구항과 그 균등물에 의해 정해질 것이다.
100, 100b, 100c: 전자기파를 이용한 말뚝 건전도 평가 장치
10, 10b,10c: 말뚝기초
110: 철근
120: 전선
130: 전자기파 측정부

Claims (12)

  1. 말뚝기초에 내장된 복수의 철근;
    상기 복수의 철근에 인접하게 상기 말뚝기초에 설치된 복수의 전선; 및
    상기 복수의 전선 중 어느 하나의 전선과 상기 복수의 철근 중 어느 하나의 철근을 신호전송선로로 하여, 상기 어느 하나의 철근과 상기 어느 하나의 전선에 연결되어, 상기 말뚝기초의 길이방향 및 상기 말뚝기초의 원주방향을 따라 상기 어느 하나의 철근과 상기 어느 하나의 전선 사이에 존재하는 상기 말뚝기초의 결함여부 및 결함위치를 검출하는 전자기파 측정부를 포함하고,
    상기 전자기파 측정부에서, 특성 임피던스(Characteristic impedance)가 변하는 곳에서 반사되어 되돌아오는 전자기파의 신호가 측정되고, 반사된 전자기파 신호의 도달시간(Round-trip travel time)과 전자기파의 속도를 이용하여 상기 특성 임피던스가 변화하는 구간의 위치가 산출되어, 상기 특성 임피던스가 변화하는 구간에 따른 상기 말뚝기초의 결함여부 및 결함위치가 검출되는 것을 특징으로 하는 전자기파를 이용한 말뚝 건전도 평가 장치.
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  7. 말뚝기초에 내장된 복수의 철근;
    상기 복수의 철근에 인접하게 상기 말뚝기초에 설치된 복수의 전선; 및
    상기 복수의 전선 중 상기 복수의 철근 중 서로 다른 위치에 놓인 두 개의 철근에 각각 인접하게 위치된 두 개의 전선을 신호전송선로로 하여, 상기 두 개의 전선에 연결되어, 상기 말뚝기초의 길이방향 및 상기 말뚝기초의 원주방향을 따라 상기 두 개의 철근 사이에 존재하는 상기 말뚝기초의 결함을 검출하는 전자기파 측정부를 포함하고,
    상기 전자기파 측정부에서, 특성 임피던스(Characteristic impedance)가 변하는 곳에서 반사되어 되돌아오는 전자기파의 신호가 측정되고, 반사된 전자기파 신호의 도달시간(Round-trip travel time)과 전자기파의 속도를 이용하여 상기 특성 임피던스가 변화하는 구간의 위치가 산출되어, 상기 특성 임피던스가 변화하는 구간에 따른 상기 말뚝기초의 결함여부 및 결함위치가 검출되는 것을 특징으로 하는 전자기파를 이용한 말뚝 건전도 평가 장치.


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