1. 서 론

우리나라는 1970년대부터 시작된 건설 활성화의 영향으로 현재 시설물의 급격한 노후화가 진행되고 있는 추세이며, 이 에 따른 유지관리 비용도 급증할 것으로 예상된다. 현재 시설 물의 안전 확보는 안전점검 및 정밀안전진단을 통하여 관리 하고 있다(KISTEC, 2016). 또한, 현장조사 및 각종 시험에 의 해 시설물의 물리적, 기능적 결함 검출과 내재되어 있는 위험 요인을 발견하고, 이에 대해 신속하고 적절한 보수·보강 방법 및 조치방안 등을 제시하고 있다. 하지만, 2016년 발생한 정릉 천 고가 텐던 파단 사고에서 확인할 수 있듯이 비파괴 방법 등 을 활용하여 현재의 안전점검 및 진단방법을 보완할 필요가 있다(^{Fallis and Peeler, 2009}; DaSilva, et al., 2009).

비파괴검사 방법의 일종인 음향방출(Acoustic Emission: AE) 기법은 인위적인 충격을 가하거나 강재의 파단에 의해 발생하는 음파를 AE센서로 감지하고, 발생 위치에서 측정위 치로의 도달시간을 이용하여 음원의 위치를 파악할 수 있는 방법이다(FHWA, 2013; ^{Colony et al., 2016}). AE기법은 교량 의 안전성 상태 평가를 목적으로 강연선의 부식 정도와 파단 위치를 파악하기 위하여 적용 가능한 방법이다. 한국콘크리 트학회(KCI, 2006)에서는 프리스트레스 콘크리트 교량의 텐 던 파단의 조사방법 및 교량의 안전성 평가기술 개발을 목적 으로 AE기법을 적용한 연구를 수행하였다. 이 보고서에서는 텐던의 파단 및 부식의 진행상황, 음파전달속도에 의한 긴장 재의 파단위치 추적, 장기적인 모니터링시스템 기술의 구축 등이 가능한 것으로 기술하고 있다. 현재 해외에서는 PSC 교 량 및 특수교(사장교, 현수교 등) 케이블 등에 적용 가능한 가 장 유효한 방법으로 평가되고 있다. 따라서 본 연구에서는 음 향방출 기법을 이용하여 교량 케이블 안전관리를 위한 적용 가능성을 실험적으로 검토하였다.

2. AE 센서 원리

AE 기법은 인위적인 충격을 가하거나 강재의 파단에 의해 발생하는 음파를 감지는 원리로 작동하며, AE 센서의 검출소 자는 PZT(티탄산지르콘산연)가 주로 사용된다. PZT 등의 압 전 재료는 힘을 가하면 전하를 발생시키는 특성을 가지고 있 어, 금속 등 표면을 통해 전파된 AE파가 AE 센서 내부의 PZT 에 전달되고, PZT의 변형에 의해 전기 신호로 변환되는 원리 로 작동한다. AE 센서는 검출 소자(PZT)의 기계적 공진을 이 용해서 신소를 검출하게 된다. 실제 사용시의 AE 센서는 부착 면에 고정되기 때문에 PZT의 공진 주파수는 일단고정 공진이 되며, 식 1과 같이 구할 수 있다.

여기서, l은 길이, c는 음속이다.

일반적으로 AE 센서의 감도-주파수 특성은 반 무한의 크기 를 가진 철 블록에 부착한 상태로 순수한 종파 또는 표면파로 측정한다. 그러나 실제 계측 대상은 유한의 크기이며 그 단면 에서 반사된 AE파가 복잡하게 뒤섞이고, 그 파형은 AE 센서 에 첨부된 주파수 특성 데이터와 같지 않은 경우가 많다.

AE 센서의 부착 방법은 그 검출면이 부착면이 되기 때문에 부착면에 접촉 매질(그리스 등)을 바르고 센서는 테이프로 고 정하거나 핫 멜트(Hot melt) 또는 접착제로 직접 부착하는 경 우도 있으며, 마그네틱식 홀더와 접착고정식 홀더를 이용하 여 고정하는 방법도 있다. 부착이 곤란한 현장에서 사용하기 위해 센서의 형상을 변경 설계하여 만든 플랜지형이나 나사 부착형 센서도 활용된다.

3. 실험 계획

2.1 실험 준비

AE센서에 의한 케이블 점검 방법의 성능 검증을 위해 실제 교량에 주로 사용되는 직경 15.2mm 강연선을 정상, 부식, 기 계적 손상 상태로 구분하여 시편을 제작하였다.

각 시편은 KS D 7002 규격에 따른 동일제강 제품을 사용 하였으며, 부식 강연선의 단면 결손량은 약 0.2%~1.3%로 상 대적으로 부식의 진전이 적은 시편을 대상으로 실험을 수행 하였다.

또한 강연선의 국부적 손상을 모사하기 위하여 Photo 1과 같 이 밀링머신을 사용하여 기계적인 손상을 1개 와이어에 인가하 였다. 강연선 시편 종류 및 특성은 Table 1과 같다.

Photo 1

Mechanical damage of 7-wire strand using milling machine

Table 1

Specimen description for tensile experiments

본 연구에서는 최적의 AE센서 선정을 위하여 공진형 센서 3 가지 종류(30, 60, 1500 kHz)와 광대역 형 1개를 적용하여 강연 선의 인장 실험을 수행하였고, 적용된 AE 센서의 주파수 특성 및 데이터 수집 장비의 상세 내용은 Table 2~3과 같다.

Table 2

AE sensor types and characteristics

Table 3

Sensor and DAQ information

2.2 인장 실험 수행

실내 인장실험은 한국건설기술연구원 구조실험동의 100 ton UTM (Universal Testing Machine)을 사용하여 수행하였다. 실험 세팅은 쐐기가 포함된 상부 모노콘과 하부 모노콘 사이의 거리 가 1,208mm, 상부 이동 지지대와 하부 고정 지지대 사이가 1,000mm로 세팅하였다. 강연선에 적용 가능한 AE 센서 주파수 특성을 파악하기 위하여 Table 2와 같이 4가지 유형의 센서를 상 하부 각각 Photo 2와 같이 부착하여 데이터를 취득하였다.

Photo 2

AE sensor location for tensile experiment

실험 시작전 강연선을 고정하는 쐐기의 정착강도를 높이기 위해 50 kN을 인가한 후 하중을 제거한 후 변위제어로 초당 0.04 mm의 속도로 하중을 인가하였다.

3. 실험결과 및 분석

실내 인장 실험을 통하여 Table 1과 같은 3가지 실험체의 손상 유형에 따른 AE 신호 특성을 확인하였다. 본 결과를 토 대로 현장에 적용할 수 있는 AE 센서 타입을 결정하고 강연선 파단 등의 손상 탐지 가능성을 확인하였다. 실험 결과는 강연 선 시편의 파단에 따른 AE 신호 정보의 크기 및 위치를 파악 하기 위하여 Fig. 2와 같이 시간에 따른 AE 신호의 크기로 그 래프를 도출하였다. 모든 경우에서 60 kHz 공진형 및 광대역 형 센서에서 신호 특성이 상대적으로 명확하였다(Fig. 2).

Fig. 2

Experiment results : Time vs AE signal activity

정상 시편(Case 1)의 경우 상·하부 AE 신호의 경우 약 300 초 부근 하중이 150kN으로 상승하는 구간에서 파단 이전의 전초 AE 신호가 발생되는 것을 확인하였다. 이를 통하여 항복 하중에 근접하면서 AE 신호가 발생되는 것을 추정된다.

부식 시편(Case 2)의 경우 상·하부 AE 신호의 경우 하중 약 200~260kN로 변화하는 구간에서 파단 이전 전초 AE 신호가 다수 발생하였다. 하부보다 상부에서 파단 이전의 전초 신호 가 다수 발생되는 것을 볼 때 하부보다는 상부의 시편에서 내 부 미세 균열이 다수 발생된 것으로 추정된다. 또한 부식 시편 의 경우 항복이후에 소성 구간이 정상시편에 비해 길게 발생 하였는데, 이에 대한 보다 면밀한 분석이 필요할 것으로 사료 된다. 본 연구에서 사용된 부식 시편의 부식 정도가 단면 결손 량 1.3% 미만으로 의미 있는 결과를 도출하기에 부족하였다 고 판단된다. 향후 부식의 단계를 파단 직전의 경우까지 제작 하여 실험할 필요가 있다고 사료된다.

기계적 손상(Case 3) 시편의 경우 상·하부 AE 신호의 경우 하중 50kN ~ 200kN 변화 구간에서 파단 이전 전초 AE 신호 가 다수 발생하였고, 하부의 경우 약 350초 부근에서 약 0.5[V]정도로 타 시편에 비해 전초 신호 중 가장 큰 신호 특성 이 확인되었다.

4. 결 론

교량에 사용되는 강연선 시편을 정상, 부식, 기계적 손상 으로 구분하여 인장실험을 수행한 결과 하중의 증가에 따른 AE Activity가 시편에 따른 특성을 가지면서 구분이 됨을 확 인하였다.

신호 분석 결과 상·하부 부근에 설치한 AE 센서에서 파단 이전 전초 신호가 발생되고 신호 Level은 약 0.2[V] 정도(하중 변화 상승 구간), 파단시점에는 Background 신호 대비 약 10 배 이상의 1.1~1.6[V]의 큰 신호 Level이 확인되었다.

실제 시편 실험 결과, 시편 별 파단 시점이 기계적 손상> 정 상 →부식 순으로 짧았으며, 이는 이론적으로 볼 때 정상 시편 이 파단까지 걸리는 시간이 길 것으로 생각되는 의견과 차이 가 있었다. 부식은 표면 부식으로 정상 시편 대비 단면적이 커 진 상태로 동일한 하중 조건일 때 단면적에 따른 하중 분산으 로 부식의 경우가 파단까지 오래 걸리는 것으로 추정된다. AE 주파수 특성을 볼 때 인장 실험 결과 기준으로 광대역 및 60kHz의 공진형 센서를 선정하는 것이 좋을 것으로 판단하였 다. 따라서 본 연구에서 강연선 모니터링에 가장 적합한 것으 로 선정된 60 kHz의 공진형 센서를 활용하여 강연선이 주로 적용되는 사장교 또는 PSC 교량에 적용하여 AE센서를 활용 한 교량 케이블 모니터링 가능성을 평가할 예정이다.