2.1. 수중 콘크리트 진단 기술 동향

콘크리트 항만 시설물은 육상에 노출된 부분뿐만 아니라 수중에 잠긴 부분에 대해서도 검사를 수행하여야 하나, 현재 는 대부분 잠수부의 육안검사 또는 사진촬영 및 판독을 통하 여 이러한 검사가 이루어지고 있어 정량적인 평가를 위한 기 법 또는 시스템의 개발이 필요한 실정이다. 최근에는 ROV 를 이용하여 수중 콘크리트 시설물에 대한 평가를 전문가 시 스템과 연동하여 수행하는 것에 관한 연구가 진행 중에 있 다. 다음의 Fig. 1은 ROV를 활용한 수중 콘크리트 시설물의 진단 시스템의 개념도를 보여주고 있다. 현재 연구에서는 음 향, 탄성파, 그리고 Side Scan Sonar, Radar 등을 이용하여 수중 구조물에 대한 비파괴검사를 할 수 있는 방법을 연구 중에 있다 (Hedayati et al., 2009).

Fig 1.

ROV system concept

본 논문에서는 간단하면서도 신뢰성 있는 현장비파괴 진 단법 중의 하나인 반발경도법과 초음파속도법을 활용하고자 하였고 이를 위해 최근 활발히 개발되고 있는 ROV 시스템 에 탑재될 수 있는 슈미트해머와 초음파센서의 수중케이스 를 개발하였다.

2.2. 반발경도를 이용한 콘크리트 강도예측기술

반발경도법은 콘크리트 표면경도를 측정하여, 이 측정치로 부터 콘크리트의 압축강도를 판정하는 검사방법이다. 반발경 도법은 타격법 중의 하나의 방법이며, 콘크리트의 표면을 해 머로 타격하여 표면의 손상 정도나 반발 정도를 측정하므로 이 시험법은 코어채취에 의한 강도측정방법에 비해 시험방 법이 간편하고 비파괴로 측정할 수 있기 때문에 콘크리트 재 령에 따른 강도증진을 확인하고자 하는 경우나 코어채취가 불가능할 경우, 많은 개소에서의 강도추정이 필요한 경우 등 에 이용되고 있다.

반발경도법에는 낙하식 해머법, 스프링식 해머법, 회전식 해머법, 슈미트해머법 등 여러 종류가 있으나 슈미트해머법 이 가장 널리 사용되고 있다. 슈미트 해머법은 콘크리트의 강도에 따라 반발경도가 변화하는 점을 이용한 방법으로 시 험방법이 간편하고 국제적으로 표준화된 장점이 있으나 압 축강도의 범위가 10~60MPa이고 굵은 골재의 최대직경이 40mm 이하인 콘크리트 구조물을 대상으로 하며 콘크리트 표 면부의 품질과 타격조건에 따라 영향을 받으므로 콘크리트 구조체 내부의 강도를 명확히 측정하기는 곤란하다 (Shin, 2006). 반발도 측정결과를 바탕으로 한 콘크리트 강도추정의방법 으로 다음 식 (1)~(4)는 반발경도법을 이용한 강도추정식이 다 (^{Hong and Cho, 2011}; ^{Department of Structure Civil Soil, 2001}). Fig. 2.

Fig 2.

Rebound hardness test

여기서, F_c : 압축강도 (MPa), R : 반발경도

2.3. 초음파속도를 이용한 콘크리트 강도예측기술

초음파 속도법은 매질을 통과하는 음파의 속도와 탄성물 성치 사이의 관계를 이용하여 콘크리트 부재의 압축강도를 평가한다. 실험체 내에서의 초음파 펄스의 도달 시간과 초음 파 센서간 거리로부터 초음파의 전달 속도를 결정할 수 있으 며, 이 속도를 이용하여 균열, 비정상 단면의 위치 등을 평가 할 수 있다. 한편 초음파 속도법의 경우 부재의 양쪽에 센서 를 설치하여 직접 부재 내부를 통과하는 음파의 속도를 이용 하는 직접법과 두께가 깊어 부재 양쪽에 센서를 설치하는 대 신 동일한 표면에 센서를 설치하여 속도를 결정하는 간접법 이 있다. 일반적으로 현장 비파괴 시험 시에는 직접법을 실 시하기 어려운 환경이 많으므로, 일반적으로 간접법을 실시 하여 그 값을 보정해 주고 있으며, 원주형 시편 또는 직사각 형 시편과 같이 소형 시편에 적용하는 경우에는 센서를 양쪽 끝에 설치하여 직접법으로 초음파의 속도를 구할 수 있도록 한다. 직접법의 경우 신뢰도가 매우 높은 편이나 간접법의 경우 오차가 증가하는 것이 일반적이므로, 이 경우에는 평가 결과의 정확성에 있어 평가자의 숙련도가 중요한 요인이 될 수 있다 (^{Yi et al., 2011}).

초음파 속도법에서 발진자와 수진자의 배치에 따라 직접 법, 사각법, 간접법 등의 종류가 있으며 이 가운데 직접법이 가장 신뢰성이 있다. 본 논문에서는 수중이라는 특수성과 ROV에 적용시키기 위해 간접법으로 초음파속도를 계측하였다.

초음파 속도 측정결과를 바탕으로 한 콘크리트 강도추정 은 식 (5)~(8)까지의 강도추정식이 주로 사용된다 (^{Hong and Cho, 2011}; ^{Department of Structure Civil Soil, 2001}). Fig. 3

Fig 3.

Ultrasonic pulse velocity test

여기서 F_c 는 압축강도 (MPa), V_p 는 초음파 속도 (km/sec) 이다.

3.1. 슈미트해머 기술의 수중화 방안

현장에서 구조물의 강도측정을 위해서 사용하는 Fig. 4(a) 에 있는 기존의 슈미트 해머를 수중에서도 사용하기 위한 케 이싱이 필요한데 다수의 해양 및 항만구조물의 수중부가 존 재함에도 불구하고 이 부분에 대한 강도를 측정할 수 있는 기구는 거의 전무하다. 이에 수중에서도 비파괴 검사를 실시 할 수 있는 있도록 육상 슈미트해머에 대한 방수케이스를 Fig. 4(c), (d)의 설계 과정을 거쳐 Fig. 4(b)와 같이 기존의 슈미트해머에 수중 케이스를 씌워서 수중에서 사용하고자 하였다

Fig 4.

Schmidt hammer

3.2 초음파 검사 기술의 수중화 방안

일반 현장에서 사용되는 Fig. 5의 (a)에 나와있는 기존의 초음파 탐촉자의 헤드는 BNC케이블로 연결되어 있어서 수 중에서 사용할 수 없기 때문에 수중에서 사용하기 위해 기존 의 초음파 탐촉자 헤드에 직접 케이블을 연결시켜 우레탄폼 으로 방수처리 후 매립하였다. Fig. 5의 (b)는 매립된 후의 초음파 탐촉자의 사진이다.

또한, 수중에서 초음파의 산란을 막기 위하여 Fig. 55(c), (d)과정을 거쳐 센서의 하부면을 제외한 방수케이스를 제작 하였다.

Fig 5.

Underwater Ultrasonic Sensor

3.3 복합법에 의한 강도예측 기술

본 논문에서는 슈미트해머를 사용하여 계측된 반발경도 값과 초음파 탐촉자를 사용하여 계측된 초음파속도를 조합 하여 콘크리트 강도를 추정하고자 한다. 이를 복합법이라고 하는데 강도추정의 정확도 및 신뢰도를 높이는 실험법이다. 각종 비파괴 실험값을 조합시키는 방법으로는 2종 실험법 조합과 3종 실험법 조합이 있으며, 단일법과 비교 할 때 상 관계수 및 결정계수가 높은 강도 추정 시 높은 신뢰성의 확 보가 가능하다.

실제로 기건상태의 콘크리트 강도 추정에는 복합법이 주 류를 이루고 있으며, 초음파 속도법 및 반발경도법이 상세하 게 규정된 복합 추정식이 사용되고 있다. 다음 식 (9)~(12)는 기건상태의 콘크리트에서 많이 이용되고 있는 복합법에 의 한 강도 추정식이다 (^{Hwang et al., 2002}; ^{Department of Structure Civil Soil, 2001}).

4.1. 실험절차 및 방법

본 실험에 사용되는 콘크리트 공시체의 배합강도는 25MPa 와 44MPa 사이이며 양생은 수중양생을 하였다. 반발경도의 실험용 공시체의 규격은 20×40×15 (cm)이며 초음파속도의 실험용 공시체의 규격은 15×40×15 (cm)이다. 본 실험은 재 령 28일 차에 실시되었으며 각각의 배합비는 다음 Table 1 과 같다.

4.1.1. 수중 초음파속도 계측 시험

초음파 시험기는 스위스 Proceq사의 초음파 시험기 (TICO) 를 사용하였고 탐촉자의 주파수는 54kHz이다. 또한, 시험 전 교정기로 검증하여 오차율을 줄였고 계측 시 실험실의 온도 는 약 25℃였다.

콘크리트 공시체를 사용하여 간접법으로 초음파 탐촉자간 거리 200mm, 2회 측정 후 오차율을 줄이기 위해 그 평균값 을 초음파 속도로 하였고 공기 중의 초음파속도와 수중에서 의 초음파속도를 각 강도 당 20개씩 취득하였다. Fig. 6, 7.

Fig 6.

Ultrasonic pulse velocity test

Fig 7.

Rebound Hardness Test

4.2. 실험결과

4.2.2. 수중에서의 콘크리트 강도 추정식 도출

위 결과를 바탕으로 수중에서의 반발경도와 수중에서의 초음파속도 그리고 실제 압축강도를 기반으로 일반회귀 분 석을 하여 반발경도를 기반으로 하는 식 (13)과 초음파속도 를 기반으로 하는 식 (114) 도출하였고 다중회귀분석을 통하 여 반발경도와 초음파속도를 복합적으로 사용하는 식 (15)을 도출하였다. Fig. 8, 9, 10.

Fig 8.

Rebound Hardness - Compressive Strength

Fig 9.

Ultrasonic Pulse Velocity - Compressive Strength

Fig 10.

Rebound Hardness& Ultrasonic Pulse Velocity - Compressive Strength

(13)

F c = 8.7097 e 0.027 R

여기서 R은 수중 반발경도이다.

(14)

F c = 0.546 e 0.0009 V p

여기서 Vp는 수중 초음파속도이다.

(15)

F c = 1.34 R + 0.013 V p + 3.28 × 10 - 4 R ⋅ V p - 27.53

여기서 R은 수중 반발경도이며 Vp는 수중 초음파속도이다.

4.2.3 기존의 식과 비교 및 분석

위의 회귀분석에서 도출된 3가지 식에서 얻어진 추정강도 값과 기존 강도 추정식에서 도출된 추정강도 값의 실제 강도 값과 추정강도 값의 그래프는 Fig. 11과 같다. 각각의 비교 그래프에서 실선은 실제강도 값의 추세선을 나타내고 있으 며 이를 통해 추정강도 값과의 차이를 알 수 있다. Fig. 12.

Fig 11.

Estimation strength & Real strength by rebound hardness

Fig 12.

Estimation strength & Real strength by ultrasonic pulse velocity

압축강도만을 변수로 두는 콘크리트 강도 추정식에서 도 출된 추정 강도 값들과 실제 강도 값과의 상대오차율은 새롭 게 도출된 식 (13)에서 가장 낮아 기존의 추정식보다 정확한 추정 값을 보이는 것으로 확인되었다. 이는 사용된 반발경도 값이 수중케이스에 의하여 공기 중의 동일 강도일 때의 반발 경도 값보다 높아진 상태이며 기존의 추정식들은 공기 중에 서의 반발경도를 바탕으로 만들어진 추정식이기 때문이다.

초음파속도를 기반으로 하는 추정식에서 도출된 강도 값 들과 실제 강도 값과의 상대오차율 확인해보면 J.Pyszniak식 과 山田和夫 및 일본건축학회식이 높은 정확도를 가지고 있 었고 새롭게 도출된 식 (14)는 상대적으로 높은 오차율을 가 지고 있는데 이는 회귀분석에 이용된 변수들의 평균치와 도 출된 추정식의 그래프와 일정간격으로 벌어져있어 누락변수 로 인한 편의의 가능성이 내포되어 있는 것으로 판단된다. 이러한 오차율을 줄이기 위해 다중회귀분석으로 통하여 식 (15)를 도출했고 결과는 Fig. 13과 같다.

Fig 13.

Estimation strength & Real strength by rebound hardness and ultrasonic pulse velocity

복합식을 기반으로 하는 강도 추정 정확도는 새롭게 도출 된 식 (15) 정확도가 가장 높았으며 이는 단순 회귀분석을 통하여 도출 된 식 (13)과 식 (14)보다 정확하였다. 또한, 높 은 정확도를 가지고 있던 기존의 반발경도 기반, 초음파속도 기반의 강도 추정식보다도 높은 정확도를 가지고 있어 수중 에서의 활용성이 클 것으로 예측된다.