1. 서 론

항만은 내구성과 함께 구조적 안전성을 확보하여 목표 내구수명에 이르기까지 소요성능을 유지하여야 한다. 하지만 현재 우리나라 항만구조물의 25%이상이 1960~1970년대에 개발된 것으로서 항만구조물의 노후화가 빠르게 진전되고 있으며, 상시 염해에 노출되어 있어 내구성이 저하되고 있다. 2011년 8월에 발생한 태풍 ‘무이파’에 의해 파손된 가거도 방파제는 건설 후 30년이 경과한 구조물로서 항만구조물 유지관리의 중요성을 보여주고 있다. 즉, 기존 압축성장기에 대규모로 건설된 항만들은 사용연수가 증가함에 따라 노후화가 진행되고 있으며 바닷물의 침식 등에 의한 콘크리트 염해 등으로 인해 내구성이 저하되고 있다. 따라서 기존 항만구조물을 포함한 수중 콘크리트 구조물의 강도관리 및 안전진단 기술의 중요성은 날로 증가하고 있다(Hwang et al., 2007; Shin et al., 2014). 또한, 근래 국내 산업의 고도화와 수출입 증가에 따른 경제력 상승과 함께 항만시설의 확충과 해상구조물의 건설요구가 급증하고 있다. 그러나 이들 구조물의 기초, 하중지지 벽체 및 파일의 대부분은 건설 후 수면아래에 있게 되므로 구조물의 상태를 파악하기가 어렵고, 구조물의 보수나 보강이 충분하지 못한 상태이다(Lee et al., 2006). 수중 진단의 경우에는 탁도로 인한 시계 확보의 어려움으로 구조물의 수중영상 획득 및 정밀 위치 파악의 어려워 진단의 효율성이 상당히 저하되고 있다. 이에 육상에서 일반적으로 사용하는 슈미트 해머법, 초음파 속도법과 같은 비파괴검사 기법을 수중의 구조물의 진단에 적용하고자 하는 연구가 이뤄지고 있으나, 검사환경의 차이로 인해 강도 추정값에 오차가 발생하고 이에 대한 보상기법이 필요하다(Smith, 1984; Garlich, 1996).

이에 본 연구에서는 수중 항만구조물의 효율적인 유지관리를 통한 비용절감 및 안정성 증대를 위해 일반적인 비파괴검사 방법인 슈미트 해머법과 초음파 속도법의 실내 실험 결과와 현장 계측결과를 비교하여 수중 비파괴검사 장비의 현장 적용성을 검증하고, 수심의 영향으로 인한 계측값의 오차를 줄이기 위해 수심별 강도 추정식을 도출하고자 한다. 본 연구에서 개발 및 검증된 장비는 추후 수중 진단 장비중의 하나인 ROV (Remotely Operated Vehicle)시스템에 탑재되어 실제 수중 콘크리트 구조물의 강도 모니터링 진단에 활용될 것이다.

2. 수중 콘크리트 비파괴검사 기술동향 및 분석

2.1 슈미트해머를 이용한 수중 콘크리트 비파괴검사 기술

슈미트해머법은 콘크리트의 강도에 따라 반발경도가 변화하는 점을 이용한 방법으로 반발경도법 중 하나이다. 슈미트해머법은 시험방법이 간편하고, 짧은 시간에 강도 추정이 가능한 우수한 사용성과 콘크리트 구조물 전체에 대해 강도 측정이 가능하다는 점에서는 우수한 시험법이라고 할 수 있다(Kim, 2011). 슈미트해머 타격 시 해머 내의 중추 반동량을 반발도(R)로 표시하며, 이 반발도(R)의 크기에 따라 콘크리트의 압축강도를 추정한다. 하지만 콘크리트 표면부의 품질과 타격조건에 따라 영향을 받으므로 콘크리트 구조체 내부의 강도를 정확히 측정하기는 곤란하다(Shin et al., 2014). 수중에서 슈미트해머의 사용은 방수 하우징 내부에서 이루어지며, 특별하게 고안된 눈금을 포함하여 어느 정도 수중에서 사용이 가능하도록 장비가 개조되어 있다. 슈미트해머의 반발경도 측정결과를 바탕으로 한 콘크리트 강도추정 방법으로 다음 Eqs. (1)~(5)는 반발경도법을 이용한 강도추정식이다(Hong and Cho, 2011).

         일본 재료학회     (1)

         동경도 시험       (2)

         일본 건축학회     (3)

 U.S Army        (4)

        한국해양과학기술원                         (5)

여기서, : 압축강도(MPa), : 반발경도이다.

2.2 초음파센서를 이용한 수중 콘크리트 비파괴검사 기술

초음파 속도법은 매질을 통과하는 초음파 속도와 탄성 물성치 사이의 관계를 이용하여 콘크리트 부재의 압축강도를 평가한다. 실험체 내에서의 초음파 펄스의 도달 시간과 초음파센서 간의 거리로부터 초음파의 전달 속도를 결정할 수 있으며, 이 속도를 이용하여 균열, 비정상 단면의 위치 등을 평가할 수 있다. 한편 초음파 속도법의 경우 부재의 양쪽에 센서를 설치하여 직접 부재 내부를 통과하는 음파의 속도를 이용하는 직접법과 두께가 깊어 동일한 표면의 부재 양쪽에 센서를 설치하여 속도를 결정하는 간접법이 있다. 직접법의 경우 신뢰도가 매우 높은 편이나 간접법의 경우에는 오차가 증가하는 것이 일반적이므로, 이 경우에는 평가 결과의 정확성에 있어 평가자의 숙련도가 중요한 요인이 될 수 있다(Yi et al., 2011). 초음파속도 측정결과를 바탕으로 한 콘크리트 강도 추정은 Eqs. (6)~(10)까지의 강도 추정식이 사용된다(Hong and Cho, 2011).

         일본 건축학회    (6)

     山田知夫 외 식  (7)

 J.Pyszniak 식     (8)

      谷川 외 식      (9)

        한국해양과학기술원                          (10)

여기서, : 압축강도(MPa), : 초음파속도()이다.

2.3 수중 콘크리트 비파괴검사 기술 동향 분석

현재 전 세계적으로 다양한 방법의 비파괴검사가 개발되고 있으나, 우리나라의 수중 비파괴 검사 적용사례는 극히 드문 실정이며 기술과 장비의 해외 의존도가 높고, 회사마다 결과가 다르게 나오는 등 신뢰성이 떨어지는 경향이 있다. 따라서 신뢰도 높은 검사를 위한 비파괴검사 기술과 장비, 해석기술개발에 관한 연구가 필요한 상황이다. 또한, 최근 비파괴검사의 동향은 센서의 미세화와 검사의 자동화를 통한 상시감시를 이루어 온라인상으로도 모니터링이 가능한 유비쿼터스 개념의 통합된 비파괴 검사 시스템을 구축하는 것이다. 따라서 기존의 수중 비파괴검사로 주로 이용되는 초음파 속도법과 반발경도법의 자동화와 온라인상으로도 볼 수 있도록 장비와 해석기술의 개발 및 적용이 필요하다.

3. 비파괴검사 장비의 수중화 및 방수성능 개선

3.1 슈미트해머의 수중화 및 방수성능 개선

수중 현장에서 구조물의 강도측정을 위해 그림처럼 기존의 슈미트해머를 수중에서도 사용하기 위한 방수케이스가 필요하지만 다수의 해양 및 항만구조물에는 수중부가 존재함에도 불구하고 수중부에 대한 강도를 측정할 수 있는 기구는 거의 전무하다. 이에 수중에서도 비파괴검사를 실시할 수 있도록 지상 슈미트해머에 대한 방수케이스를 그림의 설계 과정을 거쳐 제작하였다(Shin, 2014)(Figs. 1 and 2).

한편, 기존의 자석으로 타격봉과 고정시켰던 초크부가 타격 시 자석이 깨져나가 타격봉과의 밀착력이 떨어져 문제가 발생하여 자석대신 그림과 같이 고무와 스프링을 결합하여 타격봉과 초크부를 고정시키고, 고무자바라가 수압으로 인해 사용성이 떨어지는 것을 방지하고자 그림과 같이 고무자바라를 강화시킬 수 있는 강화링을 제작하였다. 또한, 현장 실험 시 높은 수압으로 인해 미세한 틈 사이로 물이 침투하는 것을 방지하기 위해 방수성능이 뛰어난 레진과 에폭시를 이용하여 슈미트해머 방수케이스의 방수성능을 개선시켰다.

3.2 초음파센서의 수중화 및 방수성능 개선

일반 현장에서 사용되는 기존 초음파센서의 헤드는 BNC케이블로 연결되어 있어서 수중에서는 사용이 불가능하기 때문에 수중에서도 사용하기 위해 기존의 초음파 탐촉자 헤드에 직접 케이블을 연결시켜 우레탄폼으로 방수처리 후 매립하였다. 또한, 기존의 케이블 매립형 센서는 센서의 헤드가 물에 잠겼을 때 초음파신호가 물속에서 산란되어 정확한 계측이 어려워 초음파 센서의 상부면을 덮을 수 있는 수중케이스를 제작하였다(Shin, 2014)(Figs. 3 and 4).

4. 수중 비파괴검사 장비 현장실험 및 결과

4.1 현장실험 준비

현장실험에 사용되는 콘크리트 공시체의 배합강도는 30~45 MPa이며 양생은 일반 공기 중에서 양생을 하였다. 실험용 공시체의 규격은 거제도 한국해양과학기술원 남해분원 현장까지의 이동을 고려해 300 x 150 x 200 (mm)의 크기로 서로 다른 강도를 가진 3개의 공시체를 제작하였고, 공시체를 지상에서 수중으로 내리기 위해 쇠말뚝을 공시체 상부에 삽입하였다. 본 실험은 재령일 28일차에 실시되었으며 각 공시체의 배합비는 아래 Table 1과 같다. 기준이 되는 실제 강도값을 측정하기 위해 시편 제작시 동일한 배합비의 콘크리트 표준 공시체를 강도별로 3개씩 제작하였고, 본연구의 수중시험일과 동일한 재령일 28일에 UTM을 이용하여 압축강도를 측정하였습니다(Fig. 5).

4.2 슈미트해머 및 초음파센서 현장실험 방법

슈미트 해머는 스위스 Proceq사의 DIGI SCHMIDT (ND)를 사용하였고, 측정 지점은 끝단으로부터 10 cm 이상 떨어진 곳으로 측정하였다. 타격점 상호간의 간격은 3 cm를 표준으로 하며, 종으로 5열, 횡으로 4열의 선을 그어 직교되는 20점을 타격하였다. 수중에서의 반발경도 값을 각 공시체마다 수심별로 20개씩 취득하였다. 초음파센서는 스위스 Proceq사의 초음파 시험기(TICO)를 사용하였고 초음파센서의 주파수는 54 kHz이다. 간접법으로 초음파센서 간 거리 200 mm, 한 면당 1개소에 대해 1회 측정 후 오차율을 줄이기 위해 그 평균값을 초음파속도로 하였고, 수중에서의 초음파속도를 각 공시체마다 수심별로 20개씩 취득하였다. 현장 수중실험을 진행하기 전, 슈미트해머와 초음파센서의 지상 계측값과 수중에서의 계측값을 비교하기 위해 지상에서 공시체마다 반발경도 값과 초음파 속도를 각각 20회씩 계측하였다. 공시체 상부에 삽입한 쇠말뚝을 밧줄로 연결하여 공시체를 수중으로 내리고, 잠수부가 직접 슈미트해머와 초음파센서를 사용하여 공시체의 반발경도 값과 초음파속도를 측정하였다. 수심 2 m, 4 m (총 수심 4 m)에서 각각 실험을 진행하였다(Figs. 6 and 7).

4.3 현장실험 결과

슈미트해머의 현장실험 도중 방수상의 문제가 발생하였다. 슈미트해머가 수중에서 공시체를 타격하는 순간, 초크부에 가해지는 충격으로 인해 고무자바라와 초크부 사이에 미세한 틈이 생기게 되었고, 미세한 틈과 수압으로 인해 물이 침투한 것으로 보여진다. 슈미트해머 방수케이스의 방수성능에 대한 예비실험에서 방수성능은 문제가 없었으나, 현장실험의 경우 슈미트해머가 타격하면서 생기는 반발력과 수심에 따른 수압의 영향으로 인해 슈미트해머 방수케이스의 방수성능은 취약한 것으로 판단된다.

한편, 초음파센서 현장실험에서 방수자체의 문제는 없었으나, 해수의 화학적 성질로 인해 초음파속도가 발산하는 값을 나타내었다. 해수는 일종의 전해질로 염화나트륨(NaCl)이 녹아있고, 이것은 Na+, Cl-로 이온화되어있기 때문에 전류가 흐르게 되면서 초음파속도에 교란을 일으키게 된다. 따라서 이러한 문제점을 해결하기 위해 해수 중에서 초음파센서 간에 전류가 흐르지 않도록 초음파센서에 절연테이프를 테이핑한 후 다시 실험을 진행하였다. 절연테이프로 테이핑 한 초음파센서를 이용하여 다시 수중에서 실험한 결과, 초음파속도는 발산하지 않고 안정된 계측값을 나타내었다. 초음파센서와 슈미트해머의 현장실험 수심별 결과값은 Table 2와 같다.

하지만 테이핑 후 수심별 결과값을 보면 지상에서 절연테이프를 테이핑하기 전 초음파속도와 절연테이프를 테이핑한 후 초음파속도의 상대오차율은 27.14%로 매우 큰 상대오차율을 나타냈다. 이는 초음파센서의 테이핑한 부분과 공시체 사이에 간격이 발생하였고, 이로 인해 초음파센서 간의 초음파 전달에 영향을 미친 것으로 판단된다. 한편, 지상에서의 계측값과 동일하게 공시체의 강도가 높을수록 초음파속도는 큰 값을 나타냈고, 수심(2 m, 4 m)에 따른 초음파속도는 미세한 차이지만 수심이 깊어질수록 작아지는 값을 나타냈다. 테이핑 후 초음파센서의 초음파속도를 보정하여 테이핑 전의 초음파속도와 비교하였다. 각 공시체마다 테이핑 전‧후의 초음파속도 차이는 30 MPa의 경우 1217 m/s, 40 MPa의 경우 1224 m/s, 45 MPa는 1219 m/s의 차이를 보였다. 초음파속도가 최대차이인 40 MPa의 경우와 최소차이인 30 MPa의 경우만 비교하였을 때, 7 m/s라는 아주 적은 차이가 있었다. 따라서 각 공시체의 테이핑 전‧후의 초음파속도 차이의 평균을 구하고, 테이핑 후의 초음파속도에 테이핑 전·후의 평균속도차이를 합산하여 초음파속도를 보정하였다. 초음파센서의 절연테이프 테이핑 후의 초음파속도 보정식은 다음 Eq. (11)과 같다.

 (11)

위 식에서 는 보정된 초음파속도, 는 테이핑 후의 초음파속도, m/s은 3개 공시체 테이핑 전‧후 초음파속도 차이의 평균값이다. Eq. (11)의 보정식을 사용하여 절연테이프를 감은 후 초음파속도를 보정한 결과값은 Table 3과 같다.

보정된 초음파속도 결과값을 보면 절연테이프 테이핑 전 초음파속도와 테이핑 후 보정식을 사용하여 보정된 초음파속도의 상대오차율은 평균 0.06%로 거의 동일한 값을 나타냈다. 한편, 보정된 초음파속도와 수심 2 m에서의 초음파속도를 비교한 결과, 상대오차율은 평균적으로 0.82%를 나타냈고, 수심 4 m의 경우에서는 0.96%의 상대오차율을 나타냈다. 이는 물을 커플런트로 사용하여 초음파속도를 계측하여도 무관함을 알 수 있었다. 또한, 수심(2 m, 4 m)에 따른 초음파속도는 미세한 차이지만 수심이 깊어질수록 수압의 영향으로 인해 초음파속도가 느려지게 되고, 따라서 상대오차율은 커지게 된다.

4.4 수심별 콘크리트 강도 추정식 도출

본 논문에서는 현장실험에서 계측된 반발경도 값과 초음파속도를 조합하여 콘크리트 강도를 추정하고자 한다. 이를 복합법이라고 하는데 각종 비파괴검사의 실험값을 조합시키는 방법으로는 2종 실험법 조합과 3종 실험법 조합이 있으며, 단일법과 비교 할 때 상관계수 및 결정계수가 높은 강도 추정 시 높은 신뢰성의 확보가 가능하다. 다음 Eqs. (12)~(16)은 현재 가장 많이 이용되고 있는 복합법에 의한 강도 추정식이다(Hong and Cho, 2011; Shin, 2014). 여기서 R은 반발경도 값을, V_p 는 초음파 속도를 나타낸다.

일본 건축학회식

 (12)

Bellander 식

 (13)

谷川 외 식

 (14)

明石 외 식

 (15)

한국해양과학기술원

(16)

하지만 지금까지의 콘크리트 강도 추정식은 지상에서의 반발경도 값과 초음파속도를 기반으로 한 강도 추정식이 대부분이고, 수중 콘크리트 강도 추정식은 한국해양과학기술원의 Eq. (16)이 있지만 수심을 고려하지 않은 도출식이기 때문에 실 해역 현장에서 얻은 결과값을 적용하기에는 어려움이 따를 것으로 판단된다. 따라서 본 논문에서는 실 해역 현장실험 결과를 바탕으로 수심별 초음파속도, 실제 압축강도를 기반으로 회귀분석을 이용하여 수심별 초음파속도를 기반으로 하는 Eq. (17) 및 반발경도와 수심별 초음파속도를 복합적으로 사용하는 Eq. (18)을 도출하였다. 이때 초음파 속도값은 테이핑의 영향을 보정한 초음파 속도값을 의미한다.

, (17)

( : 초음파속도, : 수심

, (18)

( : 수심M)

지상에서의 초음파속도와 수중 수심별 초음파속도의 오차는 크지 않지만, 보다 정확한 강도 추정을 위해 위의 회귀분석을 통해 얻어진 추정강도 값과 기존 강도 추정식으로 도출된 추정강도 값의 실제 강도 상대오차율은 Table 4와 같다.

수심별 초음파속도를 기반으로 하는 강도 추정 오차율은 본 연구에서 새롭게 도출된 Eq. (17)에서 가장 정확한 추정 값을 보이는 것으로 확인되었다. 한편, 현장실험을 통해 얻은 계측 값 중 반발경도 값은 슈미트해머의 방수성능 문제로 현장실험에서 계측하지 못했으나, 수심 별 반발경도 값이 지상에서의 계측값과 같다고 가정하고, 지상에서 계측한 반발경도 값과 수심별 초음파속도를 기반으로 다중회귀분석을 통하여 복합 추정식을 도출하였다. 본 연구에서 도출한 복합 추정식과 기존 복합식으로 도출된 추정강도 값의 실제 강도 상대오차율은 Table 5와 같다.

복합식을 기반으로 하는 강도 추정 정확도는 새롭게 도출된 Eq. (18)의 정확도가 가장 높았으며, 특히 초음파속도의 수심에 대한 보정이 이루어져 있기 때문에 수중에서의 활용성이 클 것으로 예측된다. 본 Eq. (18)의 경우 본 실험에 사용한 배합비의 콘크리트에 한정적으로 사용가능하지만, 향후 연구를 통해, 다양한 콘크리트를 대상으로 복합식을 도출하고 이를 데이터베이스화 한다면 수중 콘크리트 구조물의 강도 추정에 효과적인 방법이 될 것이라 기대한다.

5. 결 론

본 연구에서는 수중 콘크리트 구조물의 효율적인 유지관리를 통한 비용절감 및 안전성 증대를 위해 콘크리트 비파괴검사 장비인 슈미트해머와 초음파센서를 수중화 하였으며 수중화한 비파괴검사 장비의 수중 현장 적용성과 수중 콘크리트 구조물의 강도 예측을 위해 진행되었고, 결과는 다음과 같다.

첫째, 현장실험 결과, 슈미트해머 방수케이스의 경우 공시체 타격 시 가해지는 반발력과 수압에 의해 방수성능이 취약한 것으로 나타났다. 따라서 슈미트해머의 초크부와 본체 부분이 일체형으로 이루어진 슈미트해머 방수케이스에 대한 연구 및 제작이 필요할 것으로 판단된다.

둘째, 초음파센서의 경우 현장실험에서 방수성능에는 문제가 없었으나, 해수의 화학적 성질로 인해 초음파센서 간에 전류가 흐르게 되면서 초음파속도에 교란이 일어났다. 따라서 해수에서 정상적인 초음파속도를 계측하기 위해 전류가 통하지 않는 방수케이스의 제작이 필요할 것으로 판단된다. 한편, 초음파센서에 전류가 흐르지 못하도록 절연테이프로 테이핑 한 후 수심별 초음파속도를 계측한 결과 수심이 깊어질수록 초음파속도가 느려지는 것을 확인할 수 있었다. 이는 수심이 깊어짐에 따라 받게 되는 수압의 영향으로 인해 초음파속도가 느려지게 되는 것을 알 수 있다.

셋째, 현장실험 결과를 토대로 회귀분석을 통하여 수심별 초음파속도 기반 강도 추정식과 반발경도와 수심별 초음파속도 기반 복합 강도 추정식을 도출할 수 있었다. 다중회귀분석을 통해 도출된 Eq. (18)은 다른 복합식들에 비해 가장 높은 정확도를 나타내고 있고, 특히 수심에 대한 보정이 이루어져 있어 수중에서의 활용성이 높을 것으로 판단된다.

넷째, 향후 활발히 개발되고 있는 수중 ROV에 본 연구에서 수중화한 슈미트해머와 초음파센서를 탑재시켜 수중 콘크리트 구조물의 진단에 활용한다면 노후화된 수중 콘크리트 구조물의 강도관리 및 안전진단에 용이할 것으로 판단된다. 또한, 수중 ROV에 탑재된 수중 비파괴검사 장비를 통해 신뢰도 높은 수중 콘크리트 구조물의 상태진단과 자동화를 통한 상시감시를 이루어 온라인상으로도 모니터링이 가능한 유비쿼터스 비파괴검사가 가능할 것으로 판단된다.