Vol. 69, No. 4, April 2019, pp. 348∼354 http://dx.doi.org/10.3938/NPSM.69.348
Comparison of Ultrasonic Waves in a Concrete Pipe According to Defect Shape
Yeon-Su Lim · Yun-Taek Yeom · Hak-Joon Kim · Sung-Jin Song
School of Mechanical Engineering, Sungkyunkwan University, Suwon 16419, Korea
Woo-Young Kang
EPS Engineering, Anyang 13930, Korea
Sung-Duk Kwon
∗Department of Physics, Andong National University, Andong 36729, Korea (Received 27 November 2018 : revised 3 January 2019 : accepted 4 January 2019)
Much damages in cities is caused by subsidence. Of the damage, 81.4% is caused by damage to sewage pipes so a need to a inspect sewage pipes is emerging. Sewage pipes are made of materials suitable for the shape of the ground, construction, cost, etc. Most popular materials in sewage pipes are concrete, polyethylene and glass fiber. Concrete is widely used as a rigid pipe because it is low cost and has high strength. However, concrete is easily cracked by impact and corrosion due to acids easily occurs corrosion, so periodic inspection is essential. Ultrasonic testing is considered to be a useful technique for inspecting concrete pipes. However, a to study of ultrasonic signals for various types of defects is essential because of the complexity of the concrete pipes’ structures. In this study, we analyze ultrasonic waves according to defect shape by using finite-element-method (FEM) simulation and conduct a test with water flowing in concrete pipes.
PACS numbers: 81.70.Cv, 43.35.+d
Keywords: Ultrasonic testing, Concrete pipe, Defect types, FEM simulation
결함 형상에 따른 콘크리트 배관 내 초음파 신호 비교 연구
임연수 · 염윤택 · 김학준 · 송성진
성균관대학교 기계공학부, 수원 16419, 대한민국
강우영
EPS 엔지니어링, 안양 13930, 대한민국
권성덕
∗안동대학교 물리학과, 안동 36729, 대한민국
(2018년 11월 27일 받음, 2019년 1월 3일 수정본 받음, 2019년 1월 4일 게재 확정)
현재 도심 내 지반침하로 인한 피해가 다수 발생하고 있고, 이 중 발생원인의 81.4%가 하수배관의 파손으로 하수배관 예방 정비 및 검사에 대한 필요성이 대두되고 있다. 하수배관은 지반의 형태, 시공성,
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비용 등에 따라 적합한 재질로 제작되며 대표적으로 사용되는 재질로는 콘크리트, 폴리에틸렌, 유리 섬유 등이 있다. 이 중 콘크리트는 비용이 저렴하고, 강한 강도를 가진 강성관으로 널리 사용되고 있다. 하지만 콘크리트는 충격에 약해 쉽게 깨지고 내식성, 내산성이 약해 쉽게 부식이 발생하므로 주기적인 검사가 필수적이다. 초음파 탐상 시험은 콘크리트 배관의 비파괴적인 평가에 매우 유용한 기법으로 판단되나 철근, 자갈 그리고 시멘트로 이루어진 콘크리트 배관 구조물의 복잡성으로 인해 다양한 결함형상에 대한 초음파 신호 분석연구가 필수적이다. 본 연구는 콘크리트 배관 내 물이 흐르는 구간에 발생하는 결함에 대하여 유한요소법(Finite Element Method) 시뮬레이션과 모사 결함 시험편을 통한 초음파 신호 분석을 통하여 결함 형상에 따른 초음파의 거동과 신호에 대하여 분석하였다.
PACS numbers: 81.70.Cv, 43.35.+d
Keywords: 초음파 탐상, 콘크리트 배관, 결함형상, FEM 시뮬레이션
I. 서 론
현재 국내외적으로 지반침하로 인해 발생하는 싱크홀에 대한 관심이 집중되고 있다. 싱크홀은 상·하수배관 파손, 지하수 유실 등으로 발생하는 지반 내 공동으로 인해 발생 하는 지반침하의 일종이다. 현재 국·내외 여러 도심에서 싱크홀로 인해 인적, 경제적 피해가 발생하고 있어 이에 대한 대책이 시급한 상황이다. 국내에서는 인천지하철도 2 호선 공사장에서 하수관 파손, 굴착 공사 등의 원인에 따라 싱크홀이 발생하여 도로함몰이 발생하였으며, 해외에서는 2008년 오사카 한난시의 주택지에서도 싱크홀이 발생하여 큰 피해가 발생하였다. 서울시 내 2010년부터 2015년까지 도심 내 싱크홀은 연간 675건이 발생하였으며, 이에 따른 원 인으로는 하수관 파손이 81.5%로 가장 큰 비중을 차지했다.
이에 따라 하수관로 파손에 대한 예방과 정비가 필수적이다 [1].
하수관로에 많이 사용되는 재질은 콘크리트, 폴리에틸렌 (Polyethylene, PE), 우리 섬유 등이 있으며 주변 지반과 위치를 고려하여 알맞은 재질의 하수관로를 매설한다. 특 히 콘크리트 재질의 경우 강도가 강하며, 비용이 저렴하여 주된 하수관로 재질로 사용되고 있다. 하지만 내산성이 약해 내부 부식이 잘 일어나며, 충격에 약해 균열이 자주 일어나는 단점이 있어 해당 재질의 약점을 보완할 필요성이 제기되었다. 현재 국·내외로 초음파를 활용한 결함 탐상과 콘크리트에 대한 비파괴 탐상 기법이 활발히 연구되고 있다.
성균관대학교의 이택규 등은 레일리 파를 활용하여 Shot Peening 시험편 내 잔류응력을 평가하였으며 [2], 김훈희 등은 초음파 내 감쇠를 측정하여 Al6061-T6 열화에 대하여 평가하였다 [3]. 해외의 경우 Piervincenzo Rizzo 등은 하수 배관에 대한 비파괴 검사 기법 분석을 수행하였으며 [4], 독 일의 M.Krause 등은 콘크리트를 진단하기 위하여 Rader, Impact-echo, 초음파 탐상 기법을 활용해서 각 방법에 대해
∗E-mail: [email protected]
Fig. 1. (Color online) A-Scan signal in sound pipe.
비교하였으며 [5], 미국 University Park 주의 Shivprakash lyer 등은 콘크리트 배관 내 결함에 대하여 유도 초음파 및 초음파 신호 분석을 수행하였다 [6].
본 연구는 콘크리트 배관 내 흐르는 물 밑에 발생할 수 있는 결함에 대하여 FEM 시뮬레이션 및 모사 결함 시험 편을 활용한 초음파 신호 수집에 따른 결함 신호 분석을 수행하였다.
II. 이 론
1. 초음파 탐상
초음파는 20 kHz 이상의 주파수를 가진 파동으로서 매 질을 투과하며 서로 다른 매질은 통과하는 경우, 투과와 반사가 일어나는 특성을 가지고 있다. 이를 통해 초음파를 한 매질에 입사시켜 초음파가 거동되는 동안 매질의 불연속 지점을 지날 때 반사되어 수집되는 초음파 신호를 통하여 결함을 판별하는 것이 초음파 탐상이다.
초음파를 매질에 입사하는 방식은 크게 Pulse-echo 기 법과 Pitch-Catch 기법으로 나뉜다 (Fig. 1). Pulse-echo 기법은 하나의 탐촉자가 수신자와 송신자 역할을 하는 기 법이다. 이 기법의 경우 송신과 수신이 동시에 일어나므로 송신에 의한 초음파 초기 신호가 수집되는 것이 특징이며,
Table 1. Material property of concrete pipe.
Material Water Cement Gravel Steel Reinforcement Velocity (m/s) 1480 4060 5600 5800 Density (g/cm2) 1 2.16 2.7 7.87
Fig. 2. Scattering and Diffraction.
하나의 탐촉자를 활용하기 때문에, 탐촉자의 진입이 어려운 좁은 공간에 활용하기 좋은 이점이 있다.
2. 산란 및 회절
초음파가 물체의 표면에 도달하였을 때, 물체의 형상 및 특성에 따라 사방으로 초음파가 퍼지는 현상을 산란 (scattering) 이라고 한다. 해당 현상에 따라 반사되거나 투과된 초음파의 에너지가 감소한다. 또한 초음파가 전파 중 결함이나 작은 불연속점에 도달하면 반사되는 파 이외 에 좁은 틈을 통과하여 퍼지는 현상이 발생하며 이를 회절 (diffraction) 이라고 한다. Fig. 2는 산란과 회절에 대하여 나타내었다.
III. 시뮬레이션
1. 시물레이션 설정
FEM 시뮬레이션은 COMSOL Multiphysics를 활용하여 수행하였다. 배관의 형태는 콘크리트 내부의 자갈과 철근을 모사하여 임의적으로 자갈의 배치하여 진행하였으며, 외경 의 크기는 Φ300, 두께 20 mm의 실제 사용되는 콘크리트 배관을 모사하여 진행하였다. 콘크리트 배관 내 초음파가 거동 되는 재질을 물, 시멘트, 자갈, 철근 총 4가지로 형상 화하였고, 각 매질에 대한 물성치는 Table 1로 나타내었다.
또한, 탐촉자의 형상은 Φ20으로 평면형 탐촉자의 형태로
Table 2. Optimization of Ultrasonic frequency.
Diameter Φ 20
Shape Planner
Frequency 250 kHz 500 kHz 1 MHz
Fig. 3. (Color online) Geometry of sound pipe simula- tion.
설계하였으며, Water Path는 30 mm로 설정하였다. 이에 따른 설정을 Table 2로 나타내었다.
2. 건전부 탐상 및 최적 주파수 선정
시뮬레이션 설정에 따라 콘크리트 배관에 입사할 최적 주파수를 선정하기 위하여 건전부 배관 내 신호를 수집하고 이에 따라 다양한 주파수를 활용하여 콘크리트 배관의 건전 부에 초음파 거동 시뮬레이션을 진행하여 배관 내 초음파의 신호 크기를 분석하였다. 수행한 주파수의 영역은 Table 2 로 나타내었다. 이에 따른 시뮬레이션 형상을 Fig. 3으로 나타내었다. 콘크리트 배관 내 형상을 모사하기 위하여 무 작위로 배관 내 자갈 모양을 형상화하였다.
Fig. 4는 각 주파수에 따른 건전부 내 초음파 A-Scan 신 호이다. 각 신호는 처음에 발생하는 초기 신호를 제외한 후 수집하였다. 각 신호의 약 41 µs와 56 µs에서 각각 표면 신호와 저면 신호가 수집되며 콘크리트 내부에 배치한 자 갈로 인한 산란 및 회절에 따른 노이즈 신호가 수집되었다.
콘크리트 배관은 초음파의 감쇄가 심한 재질로서 이에 따라 감쇄의 효과를 가장 적게 받는 주파수 탐상을 위하여 저면 신호의 크기를 분석하였다.
Fig. 4. A-Scan signal in sound pipe according to Fre- quency (FEM Simulation).
Fig. 5. (Color online) Bottom signal amplitude of each frequency.
Fig. 5는 건전부 배관 내 저면 신호 크기를 주파수별로 비 교한 것이다. 500 kHz일 때 가장 강한 저면 신호의 크기를 형성하였으며 이에 따라 주파수를 500 kHz로 선정하였다.
실제 실험에서 250 kHz는 잔향현상으로 여러 경계면 신호 의 겹칩이 보였고, 고주파 1 MHz는 회절 및 심한 산란으로 인해 신호수집의 어려움이 나타났다. 분해능 향상을 위한 고주파 사용에서는 초점형 탐촉자의 사용이 필요하다.
3. 결함 형상에 따른 초음파 거동 분석
Fig. 6. (Color online) Geometry in concrete pipe.
앞 절에서 설정한 최적 주파수 500 kHz로 철근의 유무에 따른 각 결함에 대한 초음파 거동 시뮬레이션을 수행하였 다. 각 결함은 환경부가 제시한 하수관로·맨홀 조사 및 상 태등급 판단기준 표준 매뉴얼 [7]에 의거하여 결함 등급이 중 이상의 결함으로 설정하였다. 결함의 형상은 콘크리트 배관에서 발생하는 충격에 의한 균열 및 천공 형태로 수 행하였다. 이에 따라 Fig. 6은 시뮬레이션을 위한 다양한 결함 형상의 분류이다. 각 결함의 폭은 5 mm이며, 결함의 깊이는 철근이 드러날 수 있도록 배관의 50%인 15 mm로 내·외부 균열을 모사하였으며 누수가 일어나는 경우에 따라 완전히 관통된 형상을 모사하였다. 각 형상에 따라 초음파 신호를 수집하였다.
Fig. 7은 각 결함 형상에 따른 콘크리트 배관 내 초음파 신호 수집 결과이다. 외부에 발생한 결함은 철근의 유무와 관계없이 41 µs에서 표면 신호가 수집되었으며, 56 µs에서 저면 신호가 수집되었다. 철근이 있는 경우 저면 신호가 더 크게 수집되었으며, 건전부내 신호와 비교하였을 때 결함 이 있는 경우 건전부내 저면 신호보다 큰 폭으로 감소함을 확인하였다.
배관 내부에 내부 결함이 발생하였을 때, 철근의 유무에 상관없이 41 µs에서 배관 표면 반사 신호가 수집되었지만,
Fig. 7. A-Scan signal in Concrete pipe (FEM Simula- tion).
외부 균열과 다르게 내부 균열로 인한 물 내부에서의 이동 거리가 증가하여 62 µs에서 결함 신호가 수집되었다. 이때 철근의 유무에 따라 철근이 없는 경우 신호의 크기가 더욱 크게 수집되었다. 이후 배관 저면 신호는 배관 결함 신호와 겹쳐져 신호 형상이 나타나지 않았다.
관통형 결함의 경우 41 µs에서 배관 표면 반사 신호가 수집된 이후 철근이 없는 경우 노이즈 신호를 제외한 추 가적인 신호 수집이 일어나지 않았으며, 철근이 있는 경우 약 62 µs에서 철근 반사 신호가 수집되었다. 이는 관통형 결함에 따라 초음파가 결함을 따라 외부로 전파되어 기존 표면 신호보다 작게 수집되며, 콘크리트 내 감쇄가 일어나지 않아 철근 신호가 수집되는 것으로 판단된다.
이에 따라 결함 형상 별 신호의 특징에 대하여 정리하면 건전부 배관의 경우 배관 표면 신호와 저면 신호가 수집되 며, 내부에 결함이 발생하였을 때, 저면 신호가 물로 채워 진 내부 결함으로 인해 약 6 µs의 시간 지연이 발생한다.
외부에 발생한 결함은 저면 신호의 크기가 소폭 감소하며,
Fig. 8. (Color online) Concrete ultrasonic testing system.
Fig. 9. A-Scan signal in sound pipe (Experiment).
관통형 결함은 철근이 없는 경우 저면 신호가 사라지고 철 근이 있을 때는 약 62 µs에서 철근 신호가 수집되는 특징이 나타났다.
IV. 실 험
1. 실험 설정
다음으로 실제 콘크리트 배관 내 결함을 모사한 시험편을 통하여 초음파 신호를 수집하였다. 방식은 시뮬레이션과 같은 Pulse-echo 수직 입사 방식을 채택하였으며 수침식 탐상 기법을 활용하였다. Fig. 8은 배관을 탐상하기 위한 시스템이다. 사용한 탐촉자는 Panametrics사의 500 kHz (0.75′′) 평면형 탐촉자를 사용했다. 탐촉자와 배관 내부 표면 사이 물 경로는 30 mm를 유지하였다. 배관은 시뮬레 이션과 같은 외경 Φ300, 두께 30 mm의 콘크리트 배관으로 초음파 탐상을 수행하였다. 건전부와 결함부를 비교하기 위하여 배관 내 인공결함을 모사하였으며 형태는 시뮬레이 션 내 형성한 결함과 동일한 형태로 제작되었다.
2. 건전부 탐상 신호 수집
Table 3. Ultrasonic signal analysis according to defect shape.
With steel reinforcement Without steel reinforcement0 Inner crack 8 µs time delay in back-wall signal 8 µs time delay in back-wall signal Outer crack 57% reduction in back-wall signal 61% reduction in back-wall signal Penetrated crack Disappear on back-wall signal and occur steel reinforcement signal Disappear on back-wall signal
Fig. 10. A-Scan signal in Concrete pipe (Experiment).
Fig. 9는 실험 설정에 따른 배관 내 건전부 신호 수집 결과이다. 시뮬레이션과 동일하게 40 µs에서 표면 신호가 수집되었으며 55 µs에서 저면 신호가 수집되었으며, 신호의 크기는 표면 신호가 저면 신호보다 크게 수집되었다.
3. 결함 탐상 신호 수집
Fig. 10은 각 결함 형상에 따른 콘크리트 배관 내 초음파 신호 수집 결과이다. 모사한 결함은 시뮬레이션과 동일한 형상으로 진행하였다. 외부에 발생한 결함은 철근의 유무 와 관계없이 약 40 µs에서 표면 신호가 수집되었으며, 이후 55 µs에서 저면 신호가 수집되며, 철근이 있는 경우 저면 신호가 더 작게 수집되었다.
내부 결함이 발생하였을 때는 표면 신호는 40 µs에서 동 일하게 수집되었지만, 시뮬레이션과 같이 결함 신호가 약 63 µs에서 발생하며, 철근이 없는 경우, 철근이 있을 때보다 신호가 더 작게 수집되었다.
관통형 결함의 경우 40 µs 표면 신호가 작게 수집된다.
시뮬레이션 결과와 같이 초음파가 결함을 따라 외부로 전파 되어 기존 표면 신호보다 작게 수집되며 철근이 있는 경우 철근에서 반사되는 신호가 수집되었다.
이에 따라 시뮬레이션 결과와 모사 결함 시험편을 통해 수집된 초음파 신호를 비교하였을 때, 결함에 형상에 따라 유사한 신호의 변화 양상을 보였다. 그 결과를 Table 3로 나타내었다.
V. 결 과
본 연구에서는 FEM 시뮬레이션과 모사 시험편을 활용 한 초음파 탐상 실험을 통해 콘크리트 내 발생하는 결함 형상에 따른 초음파 신호 분석을 수행하였다. 시뮬레이션 내 A-Scan 신호와 모사 결함실험 내 A-Scan 신호가 동일한 양상을 보였으며, 각 결함의 형상에 따라 건전부 배관과 다른 신호 양상을 보였다. 외부 결함의 경우 건전부 배관과 동일한 시간대에 표면 신호와 저면 신호가 수집되었지만, 초음파가 결함을 지나 일부 에너지가 소실되면서 저면 신 호가 약해지는 경향을 보였다. 특히 철근이 있는 경우 저면 신호의 크기가 더욱 감소하였다.
내부 결함의 경우 건전부 배관과 동일한 표면 신호가 수 집되지만, 저면 신호가 상대적으로 음속이 느린 물에 따라 더욱 전파되면서 결함 신호가 건전부 저면 신호와 비교하여 상대적으로 늦게 수집되었다. 관통형 결함의 경우 결함에 따라 초음파가 외부로 전파되면서 건전부 표면 신호보다 상대적으로 신호가 작게 수집되고, 철근이 없는 경우 표면 신호 이후 추가적인 신호가 발생하지 않았으며, 철근이 있는 경우 철근 신호가 수집되었다.
각 결함 형상에 따른 신호 분석을 통하여 초음파 신호를 통한 콘크리트 배관의 결함 유무 및 형태를 예측할 수 있음 을 확인하였다.
감사의 글
본 연구는 환경부의 환경정책기반공공기술개발사업(No.
2016000700003) 의 연구비지원에 의해 수행 되었습니다.
REFERENCES
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