2.1 초음파 전달속도법을 이용한 손상부 측정

콘크리트 내의 P파 속도는 식(1)과 같이 물리적인 계수로 정의되어 재료의 상태을 대변할 수 있다. 일반적인 콘크리트(ρ=2400kg/m3, E=35~55GPa, ν=0.2)의 경우 P파 속도는 약 4000m/s~5000m/s이며, 내부에 손상이 있는 경우 탄성계수의 저하로 그 속도는 줄어들게 된다.

P파를 이용하여 콘크리트 내의 균열을 검출하는 이 방법은 일정한 주파수를 콘크리트에 투과시키게 된다. 이때, 사용되는 초음파 가진원의 주파수(f)는 콘크리트의 골재 크기에 영향을 받는다. 초음파의 파장(λ)이 콘크리트의 골재 크기보다 작게 되면 산란된 신호로 인해 측정이 불가능하다. 초음파 가진원의 주파수에 대한 식은 (3)과 같다.

여기서, V는 콘크리트 내의 P파 속도(m/s)이며, λ는 파장(m), f는 가진원의 주파수(Hz)이다. 콘크리트에서 사용하는 최대 골재 크기를 2.5cm로 가정했을 때 측정이 가능한 주파수는 최대 160kHz이며, 이와 같은 제한적인 상황을 고려하여 콘크리트 구조물에서는 10~100kHz의 주파수가 주로 사용된다. 사용 주파수에 따른 파장의 범위는 0.04~0.4m로 파장 범위를 벗어나는 작은 균열을 전달 속도를 측정하여 검출하기에 어려움이 있다.

초음파 전달속도법에서는 측정한 초음파의 도달시간과 대상 콘크리트 부재의 두께를 이용하여 전달 속도를 계산한다. Fig. 1은 다양한 손상 종류에 따른 P파의 진행 방향을 나타낸다. 만약 균열의 방향과 P파의 진행 방향이 수직인 경우, P파가 통과하지 못하거나 굴절되어 느리게 도달한다. 하지만 균열의 방향과 P파의 진행 방향이 평행인 경우, 반사 또는 굴절에 간섭되는 영향이 줄어 속도변화가 미미하므로 내부 손상 관측이 힘들다.

균열에 따른 P파의 속도변화는 음향 임피던스와 반사 계수로 설명할 수 있다. 음향 임피던스란 음파가 전파될 때 흐름을 방해하는 척도를 의미한다(Chung et al, 2012; Malhotra and Carino, 2004)[7,]. 임피던스(Z)는 매질의 밀도($\rho$)와 음파의 속도($V$)로 정의되며 식(4)와 같이 표현된다.

파동이 서로 다른 음향 임피던스를 가지고 있는 두 매질의 경계를 만나게 되면 반사가 일어나며, 그 정도는 반사 계수(R) 값으로 결정된다.

여기서, Z1, Z2는 두 매질의 음향 임피던스 값을 의미한다. 콘크리트의 음향 임피던스 값은 8.36~11.3MRayl 이며 공기의 음향 임피던스 값은 0.00042MRayl로 콘크리트에 비해 매우 작다. 이와 같은 차이 때문에, 식(5)에 의해 계산된 콘크리트-공기 계면에서의 반사 계수는 0.99로 대부분 P파의 반사가 일어난다는 것을 알 수 있다.

추가적으로 초음파 전달속도법은 가진기와 수신기의 배치 방향에 따라 직접법, 표면법, 간접법으로 나뉜다. 진단을 위해 에너지의 이동이 최대가 될 수 있는 직접법을 원칙으로 하고 있으나, 현장에서 탐촉자의 배치를 직접법으로 할 수 없는 경우 표면법이나 간접법으로도 측정을 진행하고 있다. 이와 같이 장비를 콘크리트 표면에 직접 접촉해서 시험을 수행하여야 하는 접촉방식은 부재의 국부적인 면적에 적용된다는 점 때문에 현장의 대형 시설물의 전체적인 스캐닝이 현실적으로 불가능하다. 특히, 접촉식 센싱은 가진기 및 수신기와 콘크리트 계면의 음향 임피던스 차이를 최소화하기 위해 윤활제를 도포 해야 하며, 부재의 표면 거칠기와 윤활제의 도포 정도에 따라 측정 결과가 변동될 수 있다. 이러한 측정 방식의 문제는 실제 현장에서 그 사용의 실효성을 저하시킬 뿐만 아니라 데이터의 신뢰도에도 영향을 미칠 수 있는 요인으로 지적되고 있다.

2.2 비접촉 초음파를 이용한 손상부 측정

접촉식 측정방식을 개선하기 위해 국내외 연구진들은 비접촉식 센싱을 통한 진단 연구를 진행하고 있다. Zhu (2005)⁽⁸⁾와 Kee et al. (2011)⁽¹⁰⁾는 비접촉 센싱을 이용하여 콘크리트 도로포장 내부손상 여부를 평가하였다. 충격반향법에 기초하여 가진원의 위치를 지속적으로 변동시키고 그에 따른 신호의 변화를 고정된 지점에서 비접촉 측정방식으로 계측하였다. 콘크리트 로부터 공기 중으로 누설되는 파동을 계측하여 도로포장의 진동모드를 계측할 수 있음을 이론적, 실험적으로 증명하였다. 또한 Oh et al. (2013)⁽¹³⁾은 비접촉 센싱을 통하여 고차원의 진동모드를 계측할 수 있음을 실험적으로 증명하였다. 이러한 측정법의 발달은 여러 모드의 중첩으로 내부 손상의 형태까지 추정할 수 있어 데이터 분석의 확장성을 보여준 사례이다. Ryden et al. (2008)⁽⁹⁾은 동일한 간격으로 배열된 7개의 비접촉 센서로 시스템을 구성하여 다중채널분석을 통한 신호의 위상차이를 분석하기도 하였다.

본 연구에 활용된 비접촉 측정방식은 콘크리트로부터 누설된 표면파(leaky-surface wave)를 이용한다. 기존 연구에서 활용된 충격기반의 저주파 진동 모드의 계측과는 다르게 초음파 전달속도법에서 사용되는 주파수 대역을 사용하여 내부 손상파악의 민감도를 증가시켰다. 또한 다중채널분석을 통하여 데이터 분석의 신뢰도를 향상시키고자 하였다. 표면파는 큰 진폭으로 인해 공기 중으로 누설되는 신호의 계측이 가능하다. 비접촉 수신기로부터 계측되는 신호는 콘크리트 매질을 통과하는 누설 표면파와 가진원과 수신기 사이에 직접 전달되는 공기 중 음파(acoustics)로 나뉜다(Fig. 2). 두 가지 다른 성분의 신호는 매질의 차이에 따른 속도 및 진폭의 차이로 쉽게 구별이 가능하다. 이와 같은 비접촉 측정방법은 접촉식 센싱과 달리 부재의 표면 거칠기에 영향을 받지 않으며 빠른 데이터 측정으로 인해 넓은 면적의 스캔이 가능하다는 장점을 가지고 있다.

3.1 개발시스템 설계

IoT기반 비접촉 콘크리트 측정 시스템은 초음파 가진기와 송신부, 그리고 데이터 계측 프로그램이 포함된 PC로 구성되어 있다. Fig. 3에 무선 비접촉 콘크리트 측정 시스템 구성도를 나타내었다. 가진기로 부터 초음파가 가진 되면 센서 보드로 신호를 계측·수집하여 PC로 전송하게 된다. PC는 개발된 프로그램을 통해 데이터를 전송받고 이를 저장한다(Fig. 4). 개발된 시스템에서 사용된 가진기는 Senscomp사의 PID-615089로 정전기(electrostatic)기반으로 에너지를 전달하기 때문에 기존의 PZT 기반 가진기 보다 비접촉식 초음파 가진에 장점을 가지고 있다. 가진기는 50kHz의 narrow band를 200ms 간격으로 가진할 수 있도록 프로그램 되어 있으며, 해당 주파수 대역은 추가적으로 현장에서 발생될 가능성이 있는 저주파 노이즈 보다 고주파 대역으로 주변 환경의 영향을 최소화할 수 있다. 송신부는 신호를 수신하는 센서부와 신호를 증폭하고 PC에 송신하는 계측부로 나뉜다. 센서부는 5mm 간격으로 16개의 MEMS(Knowleges, SPU0410LR5H-QB)센서가 내장되어 있으며 관련 성능은 Tabel 1에 나타내었다.

계측부는 Multiplexer, 증폭 회로, ADC(Analog/Digital Converter), FPGA Chipset, Wifi module로 구성하였다. 센서에 입력된 신호를 Multiplexer를 사용하여 선택적으로 수집하며 증폭 회로를 거쳐 2000배 증폭된다. ADC는 최대 2MHz의 속도로 데이터를 수집하며, 4000개의 신호 수집 기준 2ms의 시간이 걸린다. ADC는 16 bits로 아날로그 신호를 디지털 신호로 변환시켜 저장한다. FPGA Chipset은 ALTERA사의 EP3C40F484C6N, Wifi module은 SPI to Wifi로 RAK439를 사용하였다. 데이터의 최대 전송거리는 약 2m이다.

시스템 신호 계측에는 C#을 기반으로 GUI(Graphic user interface) 프로그램을 제작하였다(Fig. 5). 사용된 sampling rate은 2MHz, 데이터 개수는 2000개로 설정하였다. 프로그램은 time averaging 횟수와 자동 저장 시간 간격 등의 설정이 가능하며 10회 time averaging 기준 대략 30초가 소요된다. 제작된 측정시스템의 전/후면부를 Fig. 6에 나타내었다.

3.2 다중채널 분석

현장의 계측 환경은 다양한 신호의 유입 가능성이 존재하고 무선 시스템은 수신의 양호성에 따라 신호의 안전성이 변동될 수 있기에 결과의 유효성을 높이는 분석이 필요하다. 단채널 분석의 경우 신호를 수신 받는데 필연적으로 생길 수 있는 오차에 대응하기 어렵다. 다중채널 분석은 여러 신호를 통해 분석을 진행하기 때문에 이러한 오차를 낮춰줄 수 있다. 개발된 시스템은 16개 MEMS 센서로 array를 구성하여, 배치된 센서의 거리에 따라 순차적으로 신호를 계측하게 된다. 일정하게 배치된 5mm 센서 간격의 정보와 함께 도달 표면파 속도를 알 수 있다. Fig. 7(a)은 16개의 MEMS array를 통해 계측한 신호를 센서의 거리별로 나타낸 그래프이며, Fig. 7(b)는 표면파의 지연되는 도착 시간을 효과적으로 나타내기 위해 진폭을 색으로 표현한 B-scan이다. 계측된 신호는 Fig. 7과 같이 누설된 표면파(Leaky surface waves)와 공기 중으로 전파되는 음파(Acoustics)로 나뉘게 되는데 표면파의 시작점과 멀어질수록 공기 중 음파와 혼합될 가능성이 존재한다. 따라서 표면파의 신호 분석 시, 신호의 정확성을 높이기 위하여 표면파 발생 시작점을 기준으로 3 cycle 이내의 신호를 선택하여 속도를 분석하고자 하였다.

먼저, 16개의 센서에서 수신되는 파의 동일한 마루(Peak)지점을 기준으로 도달 시간을 기록한다. 시간과 센서간의 도달 거리 정보를 기반으로 회귀분석을 진행하고, 기울기를 도출하여 표면파의 속도를 기록한다.

개발된 시스템을 실험실 조건에서 성능 검증을 수행하였다. 초음파는 굴절의 법칙에 입각하여 에너지를 집중시킬 수 있는 각도가 존재한다. 또한 가진기와 수신기 사이의 거리, 시스템과 실험체의 높이 등에 따라 신호의 수신성이 변동 되므로 각도 및 간격 조절의 편의성을 위해 모듈을 제작하였다. 먼저 상용화된 제품을 이용하여 레일 프레임을 구축하고 가진기 및 수신기의 홀더를 3-D 프린팅으로 제작하였다.

Fig. 8은 개발된 시스템의 실험 구성도이다. 100(길이)×400(너비)×80(두께)mm 크기의 콘크리트 실험체로 실험을 수행하였다. 표면파의 에너지가 집중될 수 있도록 가진기는 표면으로부터 40mm, 수신기는 표면으로부터 25mm, 초음파 가진기와 수신기 사이의 거리는 200mm로 배치하였으며 초음파 가진기의 입사각은 5도로 하였다.

센서 보드를 통해 계측된 신호는 최대 2m거리에서 Wifi 공유기를 통해 PC로 전송되며 개발된 C#프로그램을 통해 실시간으로 시각적인 결과를 확인하였다. 실험 환경에서 발생할 수 있는 노이즈의 영향을 제거하기 위해 채널별로 10번의 time averaging을 적용한 데이터를 수집하고 이를 분석하였다. 계측된 신호는 다중채널 분석을 수행한 결과, 표면파는 2400m/s, 공기 중 음파의 경우 340m/s로 측정되었다(Fig. 7).

4.1 육안검사(Visual inspection)

고속선에 약 15년간 사용 중 교체된 441정의 침목을 대상으로 1차 육안검사 결과 특정된 균열은 대부분 침목의 단부와 중앙부 측면을 따라 생성되는 장축방향 수평균열이 관찰되었다. 조사 대상 침목은 각 침목의 손상 정도(콘크리트의 균열 폭과 길이)를 고려하여 Table 2와 같이 2, 3, 4등급으로 분류하였다. Table 2와 같이 침목에 균열(미세균열 제외)이 없고 숄더나 레일 좌면부가 최상인 상태는 2등급, 침목의 최대 균열폭이 1.0mm 미만, 최대 균열 길이가 800mm 미만은 3등급, 침목의 최대 균열폭인 1.0mm 이상, 최대 균열 길이가 800mm 이상인 침목은 4등급으로 구분하였다. Table 2의 1등급 침목은 새로 제작된 침목이고, 5등급 침목은 콘크리트 재료적 열화로 인해 망상균열이 발생하여 교체 폐기된 침목이다. 이들 침목 중 중 비파괴 시험을 위해 1등급은 1개, 2등급은 12개, 3등급 13개, 4등급 11개, 5등급 2개의 샘플을 채취하였다.

4.2 초음파 전달속도 시험(UPV)

현장에서 콘크리트 구조물의 손상 여부를 판단하는 기법인 초음파 전달속도법을 적용하였다. 실험에는 가진주파수 50kHz 기준 0.1μs의 측정 분해능을 가지고 있는 Proceq사의 CT-133 제품을 사용하였으며, 침목의 양 끝단과 중앙 총 3곳의 P파 속도를 측정하였다(Fig. 10). 가진기와 수신기에 윤활제를 바르고 접근이 가능한 콘크리트 침목에 접촉하여 도달신호의 전달시간을 측정하였으며 직접 측정한 부재의 두께 정보로 전달속도를 도출하였다. 측정오차를 줄이기 위하여 각 지점에서 세 번의 측정을 통하여 평균값을 도출하였다. 등급별 속도를 측정한 결과를 다음 Table 3과 Fig. 11에 나타냈다.

초음파 전달속도법에 따른 콘크리트 내부 손상 여부 판별은 식(1)을 이용하여 1등급을 기준으로 속도 변화에 따른 동탄성계수의 감소가 20% 이상 일 때를 기준으로 하였다. 적용한 제품의 분해능을 기준으로 동탄성계수의 20% 미만은 실험오차로 간주될 수 있다. 실험 결과, 2-4등급에서 측정된 P파의 속도는 동탄성계수 기준 약 15%의 변화만을 보여 내부손상 여부 파악이 불가능함을 확인할 수 있었다. 5등급의 경우는 측정한 양끝단과 중앙부 모두에서 20%이상의 탄성계수 변화를 확인하였다. 5등급 침목의 경우, 최대 왼쪽에서 약 1200m/s 속도감소(동탄성계수 44% 감소), 중앙부는 약 530m/s 속도감소 (동탄성계수 21%감소), 오른쪽은 약 4200m/s 속도감소 (동탄성계수 99%감소)를 확인할 수 있었다.

초음파 전달속도법으로 검출된 손상의 경우, 육안검사로 확인이 안된 내부손상도 있었지만 Table 1에 제시했듯이 콘크리트 단면의 파괴로 추가 비파괴검사 여부와 상관없이 그 열화정도를 확인할 수 있는 경우도 있었다. 육안검사 결과의 2-4 등급과 초음파 전달속도법으로 측정된 속도는 매우 제한적인 상관관계를 보였다. 이는 앞서 설명했듯이 적용된 주파수 대역의 파장대비 1mm 이하의 균열폭이 상대적으로 너무 작기 때문이며, 콘크리트 침목을 검사하기 위한 가진기와 수신기의 접근이 주로 발생한 균열을 검출하기에 민감도가 떨어지는 방향 때문이기도 한 것으로 사료된다.

4.3 IoT기반 비접촉 초음파 시스템 적용

개발된 IoT기반 비접촉 초음파 시스템을 콘크리트 침목의 진단에 적용하여 그 성능을 검증하고자 하였다. 초음파 전달속도법과 달리 비접촉 초음파 시스템은 가진기와 수신기의 접촉이 필요하지 않아 Fig. 12와 같이 침목의 중앙부에 위치시켜 실험을 진행하였다. 또한 측정을 시작하고 추가적인 작업을 요구하지 않기 때문에 전체적인 진단검사의 시간을 절약할 수 있었다. 표면파의 계측은 앞선 성능검증실험을 통해 도출된 거리 및 각도와 동일하게 진행하였으며, 3.2장에 소개된 다중채널 분석 신호처리 과정을 통하여 표면파 및 공기 중 음파의 속도를 측정할 수 있었다.

다중신호분석을 통한 계측 신호를 분석한 결과를 Table 3과 Fig. 13에 나타냈다. 내부손상 여부를 판단하는 지표로 식(2)를 활용하였으며, 초음파 전달속도법의 분석과 동일하게 1등급 침목을 기준으로 동탄성계수의 감소가 20% 이상 일 때 내부 손상이 있는 것으로 간주하였다. 분석 결과, 20%이상의 탄성계수 변화를 보인 콘크리트 침목은 2등급 4개, 3등급 4개, 4등급 7개, 5등급 1개였다. 등급별 최대 동탄성계수 변화량은 각각 2등급 58%, 3등급 51%, 4등급 59%, 5등급 24%이었다. 육안검사 등급에 따라 동탄성계수 감소 비율이 증가하지는 않았으나 측정한 침목 개수 대비 손상 검출 콘크리트 침목 비율은 등급에 따라 증가하였다.

비접촉 표면파 시험의 경우, 현장의 여건 상 콘크리트 침목 중앙부에 적용하였기 때문에 부재에 대한 전체적인 스캐닝이 이루어지지 않았으나 초음파 전달속도법 보다 내부 손상에 대해 더욱 민감한 진단 결과를 보였다. 또한 시험결과, 육안검사에서 발견되었던 침목 중앙부 수평균열 여부에 따라 표면파 속도의 차이를 확인할 수 있었다. 이는 체적파인 P파와 S파의 반사로 인하여 유도되는 표면파의 특징에 따라 콘크리트 침목 장축방향의 균열이 표면파의 유도과정에 영향을 주는 것으로 사료된다.

수평 균열의 경우, 그 길이는 매우 길지만 대부분 폭이 1mm이하인 것으로 확인되어 철도 현장에서 기본적인 초음파 전달속도법의 적용만으로는 쉽게 검출이 불가능할 가능성이 높다. 비접촉 표면파의 적용으로 콘크리트 침목에서 주로 발견되는 수평균열에 대한 검출이 가능할 것으로 사료된다.

추가적으로 공기 중으로 통과하는 음파의 분석 결과, 음파의 평균속도는 352m/s이며, 이는 식(6)에 따라 대기 온도 34℃를 의미한다.

여기서 Vair은 공기 중의 음파속도(m/s), t는 온도(℃)이다. 음속은 공기의 온도에 따라 변화하며 밀도가 작을수록, 온도가 높을수록 매질은 진동하기 쉬워져 음속이 빨라진다. 식(6)을 통하여 도출된 온도는 온도계를 통하여 측정된 현장 온도와 동일한 값으로, 비접촉 초음파를 통한 대기 중 온도 측정은 신뢰도 높은 현장정보를 제공할 수 있을 것으로 사료된다.

개발된 비접촉 시스템을 노후화 콘크리트 침목의 진단에 적용한 결과 다음과 같은 성능을 확인할 수 있었다 첫째, 초음파 가진기와 수신기를 시편의 표면에 접촉하지 않아 효율적이고 안정적인 데이터 수집이 가능하였다. 노후화된 콘크리트 침목의 경우 그 표면의 거칠기가 일정하지 않았지만 다중채널 분석이 가능한 신호를 수신할 수 있었다. 둘째, 인력에 의해 수행되는 초음파 전달속도법과는 달리 수행자에 따라 실험 편차가 존재하지 않는다. 개발된 시스템은 여러 개의 전선 및 윤활제가 필요하지 않은 시스템으로 제한된 현장 여건 속에서 자유롭다. 또한 16개의 MEMS 센서가 받는 순차적인 데이터에 대한 속도를 계측함으로써 단일 센서를 통해 계측한 것보다 신뢰도 높은 데이터를 확보할 수 있다.