KR20010038725A - 콘크리트 구조물의 비파괴검사 방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 콘크리트 구조물의 비파괴검사 방법을 개시한다.
본 발명은 가진원과 두 개의 감지기 및 동적신호분석기를 콘크리트 구조물에 설치하는 단계와, 가진원으로부터 응력파를 발생시키는 단계와, 측정하고자 하는 응력파의 주파수 대역에 따라 수직방향 진동을 계측하는 단계와, 계측된 진동을 고속 푸리에 변환을 이용하여 주파수 영역으로 변환하여 두 개의 감지기 사이의 위상정보로부터 콘크리트 구조물의 표면파 속도를 획득하여 P파 속도를 결정하는 단계와,콘크리트 구조물의 표면과 내부 결함 또는 외부 경계면 사이에서 반사되는 응력파의 공진주파수를 구하는 단계와, 아래 수학식또는(여기서, VP는 매질의 P파 속도, f 는 공진주파수)에 의해 콘크리트 구조물의 두께 및 결함을 추정하는 단계로 이루어진다.
본 발명에 따르면, 검사하고자하는 위치에서 직접 표면파 속도를 얻을 수 있을 뿐만 아니라 완전 비파괴적으로 즉, 콘크리트 코아를 채취하지 않고도 표면파 속도 신뢰도를 높일 수 있어 콘크리트 구조물의 비파괴검사의 정확성을 기할 수 있다.
Description
본 발명은 콘크리트 구조물의 비파괴검사 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 표면파 기법(SASW, Spectral Analysis of Surface Wave Method)을 이용하여 콘크리트 부재의 표면파 속도를 구한 후 충격반향 기법(Impact-Echo Method)에 적용하여 보다 효율적이고 정확하게 콘크리트 구조물의 결함, 두께 , 강성 등을 평가할 수 있는 방법에 관한 것이다.
비파괴검사는 피검사물을 파괴하지 않고 내부의 성질, 결함을 찾아내는 것으로서, 비파괴검사 방법으로는 육안검사, 방사선투과 검사, 자기검사, 초음파 검사, 누설 시험 등이 있다.
최근 국내에 도입되고 있는 신뢰성 있는 비파괴 검사기법으로 탄성응력파를 이용한 충격반향기법이 있다.
종래의 충격반향 기법은 경계조건과 두께를 알고 있다면, 그 부위를 통과하는 P파 속도를 알 수 있다. 따라서, 충격반향 기법을 이용하여 비파괴검사를 실시할 때는 먼저 코아보링머신(Core Boring Machine)으로 검사하고자하는 콘크리트 구조물의 코아(Core)를 채취해야 한다. 이처럼 채취된 코아의 두께를 정확히 알 수 있으므로 계산식을 통해 P파 속도를 구할 수 있다. 한편, 콘크리트 구조물의 P파 속도를 구한 후 이를 콘크리트 구조물의 대표값으로 사용하여 콘크리트 부재의 두께 및 결함을 탐지할 수 있다.
그러나 이와 같은 종래의 비파괴검사 방법은 콘크리트 구조물에서 콘크리트 코아를 채취해야 하는 단점이 있으며, 터널이나 바닥 슬래브에서와 같이 한쪽 면만이 노출된 상태에서는 정확한 두께를 알 수 없으므로 콘크리트 코아를 채취하여야만 P파 속도를 구할 수 있는데, 구조물 특성 상 방수 및 손상방지 등의 이유로 콘크리트 코아를 채취하기에 부적절한 경우 비파괴검사를 실시하지 못하는 문제가 있었다.
또한, 종래의 비파괴검사 방법은 같은 콘크리트 구조물이라도 콘크리트 코아를 채취하는 위치에 따라 콘크리트의 물성치가 틀릴 수 있으므로 콘크리트 코아로부터 결정된 파속도가 구조물 전체를 대표하기에는 검사결과에 대한 신뢰도가 낮은 단점이 있었다.
한편, 최근의 외국 문헌에 나와 있는 P파 속도 측정의 다른 방법으로는 단순히 감지기 2개 사이의 표면파(Surface Wave)의 도달시간 차이를 이용하여 표면파 속도로부터 P파 속도를 추정하는 방법과, 감지기 2개 사이의 표면에서의 P파 도달시간 차이를 이용하여 P파 속도를 직접 측정하는 방법이 있다.
그러나, 이와 같이 콘크리트 코아를 채취하지 않고 P파 속도를 구할 수 있는 종래의 방법들은 시간 영역 해석이기 때문에 파의 도달시간을 정확하게 구하기 어렵고, 콘크리트 구조물의 표면층에서의 응력파만을 이용하기 때문에 표면 근처의 콘크리트 상태가 불량할 경우에는 전체 두께의 콘크리트 층에 대하여 적용이 불가능하다는 단점이 있다.
따라서 본 발명은 이와같은 종래의 문제점을 해결하기 위한 것으로, 검사하고자하는 위치에서 직접 P파 속도를 얻을 수 있을 뿐만 아니라 완전 비파괴적으로 즉, 콘크리트 코아를 채취하지 않고도 P파 속도의 신뢰도를 높일 수 있는 콘크리트 구조물의 비파괴검사 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
이와 같은 목적을 실현하기 위한 본 발명은 콘크리트 구조물의 비파괴검사 방법에 있어서, 가진원과 두 개의 감지기 및 동적신호분석기를 콘크리트 구조물에 설치하는 단계와, 가진원으로부터 응력파를 발생시키는 단계와, 측정하고자 하는 응력파의 주파수 대역에 따라 수직방향 진동을 계측하는 단계와, 계측된 진동을 고속 푸리에 변환을 이용하여 주파수 영역으로 변환하여 두 개의 감지기 사이의 위상정보로부터 콘크리트 구조물의 표면파 속도를 획득하여 P파 속도를 결정하는 단계와, 콘크리트 구조물의 표면과 내부 결함 또는 외부 경계면 사이에서 반사되는 응력파의 공진주파수를 구하는 단계와, 아래 수학식또는(여기서, VP는 매질의 P파 속도, f 는 공진주파수)에 의해 콘크리트 구조물의 두께 및 결함을 추정하는 단계로 이루어진다.
본 발명의 상기 목적과 여러 가지 장점은 이 기술 분야에 숙련된 사람들에 의해 첨부된 도면을 참조하여 아래에 기술되는 발명의 바람직한 실시예로부터 더욱 명확하게 될 것이다.
도 1은 본 발명에 따른 비파괴검사 방법을 도식적으로 나타낸 다이어그램,
도 2는 본 발명에 따른 P파 속도를 측정하기 위한 방법을 도시한 개념도,
도 3은 본 발명에 따른 충격반향 기법을 도시한 개념도.
＜도면의 주요부분에 대한 부호의 설명＞
1 ; 가진원 2 ; 감지기
3 ; 동적신호분석기 4 ; 콘크리트 구조물
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 일실시예를 상세하게 설명한다.
도 1은 본 발명에 따른 비파괴검사 방법을 도식적으로 나타낸 다이어그램이며, 도 2는 본 발명에 따른 P파 속도를 측정하기 위한 방법을 도시한 개념도이며, 도 3은 본 발명에 따른 충격반향 기법을 도시한 개념도이다.
본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 충격반향 기법을 이용하여 비파괴검사를 수행할 때 소위, 표면파 기법을 적용하여 P파 속도를 측정한 후 충격반향 기법에 적용하여 콘크리트 구조물(4)의 두께 및 결함을 파악하는 것을 특징으로 한다.
전술한 표면파 기법은 표면파의 분산 특성을 이용한 것으로, 표면파의 에너지는 깊이에 따라 표면으로부터 지수함수적으로 감쇠현상을 나타내며 파 에너지의 대부분은 거의 한 파장에 해당되는 깊이 안에 존재한다. 그러므로 다층구조에서 표면파 시험을 하게 되면 첫 번째 층 두께보다 짧은 파장을 가지는 파에 의한 입자거동은 첫 번째 층에만 국한되며, 파의 속도는 첫 번째 층의 강성도에만 영향을 받게된다.
한편, 파장의 길이가 증가함에 따라 입자의 거동은 첫 번째 층 하부 층의 성질에도 영향을 받게 된다. 따라서, 층상구조 매질에서 파의 속도는 파장의 길이(또는 주파수)에 따라 변하는 분산특성을 갖게 된다. 그러므로 파장 길이에 대한 표면파 속도를 측정하여 깊이에 따른 각 층의 P파 속도를 추정하는 것이 가능하다.
도 2에 도시된 바와 같이, P파를 측정하기 위해서는 가진원(1)과 두 개의 감지기(2) 그리고 동적신호분석기가 필요하다.
가진원(1)과 감지기(2)는 가진원(1)으로부터 발생한 응력파가 제 1 감지기(2)와 제 2 감지기(2) 사이를 전파하는 신호를 계측할 수 있도록 일직선상에 배치하는 것이 바람직하다. 가진원(1)은 동적 하중을 지표면에 발생시킬 수 있는 기계적 장치를 사용하며, 가진원(1)에 의하여 발생된 응력파는 측정하고자 하는 주파수 대역에 따라 수직방향 진동 계측을 위한 속도계(Geophone) 또는 가속도계(Accelerometer)를 사용하여 측정한다.
이때, 기록된 파를 고속 푸리에 변환(FFT)을 이용하여 주파수 영역으로 변환하여 두 감지기 사이의 위상정보 및 상관함수(Coherence Function)를 이용하여 각 깊이에 따른 표면파 속도를 구할 수 있다. 일반적으로 다층 구조에서 표면파 기법을 수행하여 각 층에 따른 물성치를 구하기 위해서는 실험분산곡선(Experimental Dispersion Curve)과 이론분산곡선(Theoretical Dispersion Curve)을 비교하여 일치할 때까지 반복 계산하는 과정이 필요하며 이를 역산(Inversion)이라 한다. 하지만 콘크리트 구조물(4)에서 비파괴검사를 실시할 때는 콘크리트 층만의 물성치가 필요하고 콘크리트는 비교적 균질한 재료이므로 위의 역산 기법을 수행하지 않고도 쉽게 표면파 속도를 구할 수 있다. 즉, 표면파 기법을 이용하면 콘크리트 구조물(4)의 전체 층에서의 표면파 속도를 구할 수 있고, 이로부터 콘크리트 구조물(4) 전체 층에 해당하는 P파 속도를 구할 수 있다.
이와 같이 표면파 기법을 적용하여 P파 속도를 구한 후 충격반향 기법에 적용하여 비파괴검사를 실시한다.
도 3에 도시된 바와 같이, 충격반향 기법은 가진원(1)과 한 개의 감지기(2) 그리고 동적신호분석기로 구성된다. 가진원(1)은 동적 하중을 콘크리트 구조물(4) 표면의 한 점에발생시킬 수 있는 기계적 장치를 사용한다. 가진원(1)에서 발생된 충격 하중은 콘크리트 구조물(4) 내부로 응력파(P파, S파, R파)가 전달된다. 전파되는 응력파는 시험체 내부의 균열, 공동과 같은 결함에 의한 불연속면이나 내부 및 외부의 이질 매질층 사이의 경계면에서 반사되어 표면으로 돌아온다. 이러한 파들은 표면에서 다시 반사되어 콘크리트 구조물(4) 내부로 전파되며 불연속면이나 경계면에서 다시 반사된다. 따라서 응력파가 발생한 표면과 내부 결함 또는 외부 경계면 사이에는 다중 반사에 의한 공진 상태(Resonant condition)가 유발된다.
한편, 반사파 시간영역(Time-domain) 해석에서는 반사파의 도달시간을 명확히 찾아낼 수 없는 반면에 주파수영역(Frequency-domain) 해석에서는 유발된 공진(Resonance)에 의한 공진 주파수를 쉽게 얻을 수 있다. 따라서 표면에서 가진원(1) 근처에 위치한 감지기(2)(Receiver)에 의하여 측정되는 시간영역에서의 기록을 고속 푸리에 변환(Fast Fourier Transform, FFT)을 사용하여 주파수 영역으로 변환하면 다중반사에 의한 공진주파수를 얻게된다.
이때 반사된 P파에 의한 표면 변위가 S파에 의한 표면 변위보다 훨씬 크므로, 감지되는 파형은 P파에 의한 파형으로 볼 수 있다.
따라서 구하고자 하는 균열(Crack), 공동(Void)과 같은 결함, 또는 이질 매질층 등으로부터 감지기(2)가 부착되어 있는 표면까지의 거리(T)와 공진주파수 사이의 관계는 경계 조건에 의해 결정되는데, 충격반향기법 적용시 생길 수 있는 경계조건은 크게 자유면-자유면과 자유면-고정면으로 생각해 볼 수 있다.
자유면-자유면과 같은 경계 조건은 공동, 균열 등이 존재할 때의 경계조건으로서 앞서 설명한 표면파 기법에 의해 측정된 P파 속도를 이용하여 이질 매질층까지의 두께(T)를 수학식 1에 의해 구할 수 있다.
(여기서, VP는 매질의 P파 속도, f 는 공진주파수)
자유면-고정편과 같은 경계조건은 매질 내부에 매질에 비해 현저하게 강성도(stiffness)가 큰 이질 매질이 존재할 때의 조건으로, 콘크리트 구조물(4) 내부에 철근이 있는 경우의 경계조건이나, 콘크리트 구조물(4)이 콘크리트보다 강성이 큰 매질에 접해있는 경우의 경계조건이다. 그러므로 매질의 P파 속도를 알고 있을 때 이질 매질층까지의 두께 T는 수학식 2에 의해 구할 수 있다.
수학식 1과 수학식 2에서 알 수 있듯이 표면파 기법에 의해 측정된 P파속도를 구한 후, 충격반향 기법을 이용하여 콘크리트 구조물의 두께 및 결함을 추정할 수 있다.
이상, 상기 내용은 본 발명의 바람직한 일실시예를 단지 예시한 것으로 본 발명의 당업자는 본 발명의 요지를 변경시킴이 없이 본 발명에 대한 수정 및 변경을 가할 수 있음을 인지해야 한다.
상술한 바와 같이 본 발명에 따르면, 검사하고자하는 위치에서 직접 표면파 속도를 얻을 수 있을 뿐만 아니라 완전 비파괴적으로 즉, 콘크리트 코아를 채취하지 않고도 표면파 속도의 신뢰도를 높일 수 있어 콘크리트 구조물의 비파괴검사의 정확성을 기할 수 있는 효과를 얻을 수 있다.
Claims (1)
- 콘크리트 구조물의 비파괴검사 방법에 있어서,가진원과 두 개의 감지기 및 동적신호분석기를 상기 콘크리트 구조물에 설치하는 단계와;상기 가진원으로부터 응력파를 발생시키는 단계와;측정하고자 하는 응력파의 주파수 대역에 따라 수직방향 진동을 계측하는 단계와;계측된 진동을 고속 푸리에 변환을 이용하여 주파수 영역으로 변환하여 두 개의 감지기 사이의 위상정보로부터 콘크리트 구조물의 표면파 속도를 획득하여 P파 속도를 결정하는 단계와;상기 콘크리트 구조물의 표면과 내부 결함 또는 외부 경계면 사이에서 반사되는 응력파의 공진주파수를 구하는 단계와;수학식또는(여기서, VP는 매질의 P파 속도, f 는 공진주파수)에 의해 콘크리트 구조물의 두께(T) 및 결함을 추정하는 단계;로 이루어진 콘크리트 구조물의 비파괴검사 방법.
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