충격탄성파법에 의한 공동의 피복 두께 추정
土谷組 正会員 ○秋松 和正 土谷組 正会員 土谷 勝彦
iTECS 技術協会 正会員 極檀 邦夫
1. 머리말
Concrete 판의 공동상부의 피복두께를 충격탄성파법에 의해 추정 하는 기초적 실험을 하였다. 실구조물에서는 들뜸, 박리나 내부에 공동이 있는 장소를 상정하고 있다. 실험을 단순하게 하기 위해, 공 시체에 매설하는 발포스티롤의 크기를 20cm×20cm로 고정하고 피복 두께만을 바꾸었다. 피복 두께가 얇으면 강구 타격에 의한 굴 곡 진동이 생기지만, 두꺼워지면 음향 impedance가 다른 경계면에 서 반사하는 다중 반사파가 탁월한 것을 알 수 있다. 실험 내용은 다음과 같다.
1) 굴곡 진동과 다중 반사 진동을 비교하기 위해 속도 파형을 열거 한다.
2) 강구 접촉 시간과 피복 두께의 관계를 조사한다.
3) 충격 탄성파로부터 최대 엔트로피법으로 고유 주파수를 구해 스 펙트럼으로 두께를 얻는다.
4) 두께의 등고선도를 그린다.
5) 강구 접촉 시간의 등고선도를 그린다.
6) 탄성 굴절파에 의해 피복 두께를 추정한다. 그림-1 피복두께와 속도파형
2. 공시체와 측정방법
공시체의 크기는, 1700×1700×200mm로, 설계 강도는 24MPa이다. 유사 공동에는, 발포 스틸 200×200×20mm를 매 설했다. 피복 두께는, 20, 40, 60, 80, 100, 120, 140, 160mm로 했다. 측정 점은, 10cm메쉬를 기록하고, 표면 256점, 배면 256점이다. 탄성파 속도는, 표면 탄성파 속도와 공시체를 가속도계로 사이에 두어, 투과 탄성파 속도도 측정했다. 충 격 탄성파는, 콘크리트 표면을 강구 16mm로 두드려, 약 5cm 떨어진 점에 가속도계를 손으로 눌러 측정했다. 측정기는 2ch 사양으로, 샘플링 시간 0.5μs, 샘플링 수 5000/ch를 사용했다. 탄성 굴절파의 측정은, 피복 두께 12cm까지는, 공동 부분의 중심으로부터 등 간격으로 가속도계와 강구를 1cm 단위로 측정했다.
3. 측정결과와 해석 3-1 피복두께와 속도파형
피복 두께가 20mm에서 160mm까지와 표면 공동이 없는 두께 200mm 의 점 및 배면의 두께 200mm의 점의 탄성파 속도를 그림-1에 나타낸 다. 그림-1로부터, 피복 두께가 얇으면 진폭과 주기가 모두 크고, 두꺼워 지면 진폭과 주기가 작아지는 경향을 알 수 있다. 두께가 얇은 경우, 피 복 두께가 40mm에서는 약 3Hz, 100mm에서는 4KHz가 되고, 두꺼워 지면 주파수가 증가하는 경향을 나타낸다. 타격 직후의 최초의 주기를 강 구 접촉 시간으로 간주하고, 그림에 기입했다. 아래로 향한 파형은 강구 가 콘크리트를 누르고 있는 시간으로, 위로 향한 파형은 콘크리트가 강구 를 되밀어내어 복원하고 있는 시간이다. 그림-2는 상부에 가속도를 수치 적분 하여 구한 속도 파형을 하부에는 스펙트럼을 나타냈다. 고유 주파수 는, 최대 엔트로피법(MEM)에 따라 구했다. 스펙트럼은 탄성파(속도 파 형)가 시간 경과에 따라 어떻게 변화하는지를 보기 위해서, 길이 1㎜/s의
그림-2 탄성파속도와 주파수 분포
데이터를 30μs간격으로 늦춘 것이다. 세로축은 두께로, 두께 D를 식 D =Vp/2f로 계산했다. 타격 직후는, 두께 방향의 다중 반사파가 지배하고 있지만, 시간이 경과하면 공시체 단부로 반사해 온 표면파의 영향을 볼 수 있다.
케이씨씨엔지니어링
두께 스팩트럼
표면파 스팩트럼
진 폭
두 께
케이씨씨엔지니어링 3-2 두께의 등고선
그림-3에 스펙트럼으로부터 구한 두께의 등고선 분포를 나타낸다.
공동 상부의 피복 두께가 20mm에서 140mm까지는, 실제 치수보 다 모두 두꺼워졌다. 그림-1의 속도 파형을 보고 아는 대로, 굴곡 진동의 주파수가 다중 반사파의 주파수보다 저 진동이 되기 때문에 있다. 머리 두께 160mm의 계산 두께의 평균치는 172mm가 되었 다. 측정하면 공동 부분에서는 탄성파 속도가 늦어진다. 공동이 없 는 빠른 탄성파 속도로 두께를 계산하고 있으므로 조금 도톰하게 되
어 있다. 그림-1에서도 다중 반사파의 모습이 인정된다. 그림-3 두께의 등고선
3-3강구 접촉 시간의 등고선
그림-4에 강구 접촉 시간의 등고선 분포를 나타낸다. 등고선을 보면 강구 접촉 시간의 긴 영역이라든지 모습의 얇은 부분 과는 거의 일치하고 있다. 공동 주변에서는, 공동의 영향에 의해 약간 장시간의 곳도 있다. 피복 두께와 강구 접촉 시간과 의 관계는,
피복 두께 접촉 시간
20mm : 503μs
40mm : 315μs
60mm : 311μs
80mm : 293μs
100mm : 272μs
120mm : 271μs
140mm : 173μs
160mm : 157μs
위와 같이 되었다. 피복 두께가 140mm를 넘으면, 굴곡 진동의 영
향보다 다중 반사파의 영향이 큰 것 같다. 그림-4 강구접촉시간의 등고선
3-4굴절파에 의한 피복 두께의 추정
피복 두께가 얇을 때는 굴곡 진동이 발생하므로, 다중 반사파의 계 산식에서는, 공동 부분의 피복 두께를 구할 수 없다. 거기서, 물리 탐사에 이용되고 있는 굴절파를 적용해 보았다. 강구 타격에 의한 탄성파가 콘크리트에 입사하여 음향 impedance의 경계면에서 반 사하는 경우를 생각한다. 이때의 굴절 법칙은, 광선의 굴절에 있어 서의 스넬의 법칙과 유사하다. 그림-5에 피복두께 60mm의 측정 예를 나타낸다. 강구와 가속도계의 거리가 80mm 때는 하향파형,
100mm도 하향파형, 120mm는 상향파형, 160mm도 상향파형이 그림-5 탄성굴절파에 의한 피복두께 되고 있다. 초음파법으로 균열 깊이를 측정하는 방법으로 직각 회절법이 있지만, 피복 두께의 탄성 굴절파도 비슷하다.
이 데이터에서는, 120mm로 반전하고 있으므로, 피복 두께는 60mm가 된다. 다른 피복 두께의 측정 결과는, 실제 치수 20mm는 20mm, 40mm는 50mm, 80mm는 70mm, 100mm는 70mm, 120mm는 50mm가 되었다.
4. 정리
유사 공동으로서 20cm의 발포스티롤을 매설했다. 공동 상부의 피복 두께를 20mm, 간격 20mm에서 160mm까지 바꾸 었다. 얇으면 굴곡 진동이, 두꺼우면 다중 반사파가 탁월한 실험 결과를 정리하면 다음과 같다.
1. 피복 두께 120mm에서는 굴곡 진동이 탁월했다. 140mm이상에서는 다중 반사파가 탁월했다. 두께를 다중 반사파의 계산식으로 구하면, 굴곡 진동에서는 실제 치수보다 두꺼워졌다.
2. 공동 상부의 피복 두께가 얇은 곳에서는, 강구 접촉 시간은 140mm까지는 공동이 없는 부분과 비교하면 장시간이 되었다. 두께 가 얇아지면 강구 접촉 시간이 길어지는 관계를 알 수 있었다.
3. 탄성 굴절파로부터 피복 두께를 구했는데, 피복 두께가 80mm정도까지는 대개 일치한 결과를 얻었지만, 100mm를 넘으면 오차 가 커졌다. 향후 검토할 예정이다.
