1. 서 론

국내에서도 이미 미국, 일본 등의 선진국에서와 같이 기존에 건설된 사회 기반 시설의 노후화가 빠르게 진행되고 있다. 특히 노후교량에 대한 안전사고 발생으로 인한 안전문제가 사회적으로 이슈화되고 있으며, 유지관리 투자 비중을 꾸준히 늘려나가고 있다. Fig. 1과 같이 한국건설기술연구원에 따르면 미국은 1950년대부터, 일본은 1980년대부터 급속한 노후화가 진행되었다. 우리나라는 2015년부터 노후화가 급격히 진행되어, 유지관리 비용이 점점 증가하는 추세이다 (Ahn, et al., 2016, Jeong, et al., 2016c)^(1,6).

국내 교량 중 30년 이상의 노후교량은 현재 8%이며, 10년후 32%, 20년후 71%까지 급격히 늘어날 전망이다. 이에 노후교량에 대한 유지관리 비용의 상승은 필연적이나, 예방적 유지관리나 적절한 시기에 적용되는 사후 유지관리의 적용으로 유지관리 비용의 급격한 상승을 완화해야 할 것이다 (KOSIS, 2015; Jeong, et al., 2016a; Jeong, et al., 2016b)^(13,4,5).

Fig. 1. Deterioration of Infrastructures in U.S., Japan and Korea

강교량은 콘크리트 교량에 비해 재료적인 성질은 우수하지만, 외부 요인에 의한 부식에 단면손실 등 치명적 기능적 손상과 녹물발생, 도장들뜸 등의 미관상의 문제를 발생시킬 수 있다. 강교량은 Fig. 2과 같이 현재에 비해 추후 20년 이내에 대부분의 교량이 노후화 되므로 이에 대한 대비가 절실한 실정이다.

강교량의 손상은 주로 도장불량 및 열화, 부식, 누수, 용접 불량 등이 있다. 이 중 부식은 대기부식환경 작용으로 인해 강재 주위의 여러 가지 물질과 염분, 온도, 습도 등에 따라 화학 반응을 일으키며 장기간에 걸쳐 발생하고, 부재 단면을 감소시켜 강도저하를 초래한다. 부식이 현저히 진행된 경우에는 안전성 확보가 곤란해지며 보수 및 보강범위가 광범위할 경우 경제적 손실 또한 증가하게 된다. 따라서, 국내외에서 부식손상으로 인한 구조물 파괴사례 등이 보고 되고 있으며, 이에 대응하기 위한 연구가 활발히 진행되고 있다. (Kim, et al., 2011; Ahn, et al., 2016)^(10,1)

Fig. 2. Increase of Deteriorated Steel Girder Bridges

강재의 부식은 주로 신축이음의 누수나 연결부의 작지만, 지속적인 누수, 습도가 높은 대기환경 등에 의해 발생할 가능성이 높으므로 주로 국부적이나 광범위한 부분에 동시다발적으로 발생할 가능성이 높다.

특히 폐합부재의 경우 내부를 관측할 수 없어 외부에서 부식을 비파괴 검사법으로 탐지하는 것은 많은 어려움이 있다. 기존의 폐합부재 부식상태를 조사하는 방법으로는 음향 탐상법, 적외선 검사법, 방사선 투과법, 와전류 탐상법, 초음파 탐상법 등이 있고, 각각의 장단점은 Table 1에 정리되어 있다 (Lee et al., 2015)⁽⁷⁾.

Andrade and Alonse (1996)⁽²⁾은 전기화학적 방법을 이용하여 시간에 따른 부식으로 인한 단면손실을 측정하고자 하였다. Yun et al. (2006)⁽¹⁵⁾은 노출된 철근에 직접 전류를 가하여 변화된 철근의 열특성을 이용하여 부식을 조사하는 방법을 이용하였다. 하지만, 이 방법들은 노출된 부위에 적용가능하며, 광범위한 부분을 조사하여 단면손실을 측정하기 위한 시간과 장비의 공간이 현실적인 교량에 적용하기에는 한계가 있다. 최근 연구 중 적외선 열화상 카메라를 이용한 방법 또한, 비파괴 방법으로 각광받고 있다. Kwon and Park (2012)⁽¹⁴⁾는 가열된 매립철근의 열특성 변화를 적외선 열화상 카메라를 이용한 방법을 활용하였으나, 강교량의 강재 거더를 가열하기에는 현실적인 제약이 따른다.

본 연구에서는 초음파 속도법(Hong et al. 2018; Kim et al. 2016)^(3,11)을 활용하여 부식손상을 탐지하고자 하였다. 초음파 속도법은 KS F 2731 콘크리트 압축강도 추정을 위한 초음파 펄스 속도 시험방법에 규정된 것과 같이 구조물의 비파괴 검사의 방법으로 널리 사용되고 있다. 그리고, 초음파 속도법의 경우 초음파의 속도를 이용하여 측정하므로 밀도가 높은 강재의 경우 빠른 속도로 측정할 수 있어, 빠른 시간내에 측정이 가능하다. 따라서, 본 연구에서는 넓은 면적에 대한 빠른 검토를 위하여 0.2 m/s의 속도로 80% 이상의 부식 탐지를 목표로 설정하였다. 부식으로 의심되는 구간에 대해서는 속도를 조절하여 부식 면적이나 두께에 대한 정보를 판별하는 것도 필요할 것이다. 이를 활용하면 넓은 범위의 강재에 대해서 스캐닝(scanning)을 통해서 전체 부재의 부식손상을 탐지할 수 있을 것으로 기대된다.

2. 초음파 속도법

미국의 ASTM C 597과 국내의 KS F 2731에 정의된 초음파 속도법은 콘크리트의 압축강도를 예측하기 위한 시험으로 사용되고 있다. 펄스 신호를 만드는 발진자와 이를 수신하는 수신자 사이에 대상 매질이 있을 경우, 펄스의 통과 시간으로부터 초음파 속도를 측정함으로써 콘크리트 압축강도와 초음파 속도와의 상관관계를 설정하여 콘크리트 압축강도를 추정할 수 있다. 하지만, 콘크리트의 재료와 밀도가 비균질하기 때문에 높은 정확도를 기대하기는 어려워, 대략 29% 정도의 오차를 예상하고 있다(Hong et al. 2018)⁽³⁾.

초음파 속도법은 Fig. 3과 같이 초음파를 생성시키는 송신부(pulser)를 매질의 한 쪽에 접촉시키고, 매질을 통과한 신호를 받는 수신부(receiver)부를 다른 한 쪽에 위치시켜 신호가 매질을 통과하는 파형을 기록하므로써 초음파의 통과속도를 기록하게 된다. 탄성체 내부를 통과하는 길이방향의 경계조건에 따라 두 가지의 형태로 나타낼 수 있다. 축방향의 변위가 비구속된 경우의 비구속 압축파는 식(1)로, 구속된 경우의 종파는 식(2)과 같이 나타낼 수 있다.

Fig. 3. Schematics of Ultrasonic Wave System

여기서, $V_{p}=$ 종파의 속도 (m/s),

$E=$ 매질의 동탄성계수 (MPa)

$\nu =$ 매질의 푸아송 비 (Poisson ratio)

$\rho =$ 매질의 밀도 (${kg}/{m}^{3}$)

식(1), (2)로부터 종파의 속도는 매질의 재료 특성값으로부터 추정이 가능하다는 결론을 얻을 수 있다. 특히, 콘크리트와 달리 비교적 균질한 재료인 강재의 경우 종파의 속도 추정이 더욱 유리할 것으로 판단된다.

3. 시스템 설계 및 스캐닝 실험

3.1 시스템 구조 설계

본 연구에서 강박스 거더의 내부 U-리브를 대상으로 내부의 부식손상을 짧은 시간 안에 탐지할 수 있도록 휴대성을 고려한 시스템을 설계하고자 하였고, 이를 위한 기초실험으로 간단한 실험환경을 구성하여 이에 대한 시스템의 검증을 수행하였다. 초음파 속도법의 활용 가능성을 검증하기 위한 시스템의 구성은 Fig. 4와 같다. 초음파 탐촉자는 펄서(Pulser)로부터 –90 V, 5 MHz의 임펄스를 발생시켜 오실로스코프 매질을 통해 반사된 파의 주파수를 읽는 실험을 하였다. Fig. 5와 같이 KDS3503 (SS400) 강재를 가공하여 두께가 2~10 mm로 각각 2 mm의 차이가 있는 두께를 가진 판재를 제작하여 각각의 두께별로 초음파의 속도를 측정하여 초음파 속도와 두께와의 상관관계를 조사하였다. Fig. 6은 오실로스코프를 활용하여 각각의 두께에 대하여 측정한 초음파의 입력값(pulse input)과 반향된 값을 나타내며, 처음 입력한 파가 일정 시간동안 지속적으로 에코(echo)되어 돌아오는 시간들의 간격을 측정하므로써, 각 판재의 두께의 특성값을 얻을 수 있다.

Fig. 4. Schematics of Experimental Set-up

3.2 초음파 속도법의 검증

강재에 초음파 속도법을 사용하기 위해서 먼저 샘플 강재에 대한 초음파의 속도를 결정할 필요가 있다. Fig. 5의 시편의 5가지의 두께에 대하여 각각의 입력값(pulse input)에 대한 반향시간(echo time)을 조사하였다. Fig. 6에 나타나 있듯이 일정한 간격의 입력파를 보내고, 일정 시간 후에 순차적으로 돌아오는 반향파의 간격을 충분한 시간동안(50 μs) 지속적으로 조사하였다. 판재의 두께가 얇을수록 돌아오는 반향파의 간격은 좁았고, 판재의 두께가 증가할수록 시간은 증가하는 경향을 나타내었다. 각 두께별로 10회 측정을 실시하였고, 결과는 Table 2에 정리하였다. 각 두께별 초음파 반향속도는 평균 5,924 m/s로 나타났고, 각각의 두께에서 도출한 반향속도의 표준편차는 77.4 m/s로 나타났다. 본 실험에서는 두께가 증가할 수록 표준편차가 줄어드는 경향을 나타났다. 이는 두께가 얇을수록 초음파반향의 측정오차의 영향이 커지기 때문으로 추정된다. 추후 이 부분에 대한 추가적인 실험이 필요할 것으로 사료된다.

Fig. 5. Steel Specimen Details

Fig. 6. Oscilloscope Signal for Varying Thickness

시편의 두께를 반향시간을 나누어 각각의 두께에 대한 초음파 속도를 구하였고, 이들의 평균값은 약 5,924 m/s로 나타났다. 이는 식(1), (2)를 이용한 이론값을 구하기 위하여 탄성계수 210 GPa, 프아송 비 0.3, 밀도 7,850 ${kg}/{m}^{3}$인 구조용 강재에 대하여 계산하며 각각 5,172 m/s와 6,001 m/s로 나타났고, 본 실험에 의해 계산된 평균 매질전파속도 5,924 m/s는 적절한 것으로 판단된다.

Table 2. Experimental Data of Static Scanning

Thickness [mm]		2	4	6	8	10	Avg.
Echo Time [μs]	Avg.	0.688	1.346	1.990	2.701	3.384
	Std. ($\times 10^{-3}$)	4.84	10.77	6.76	5.17	4.22
Ultrasonic Velocity [m/s]	Avg.	5813	5942	6029	5925	5911	5924
	Std.	40.6	47.2	20.4	11.3	7.4	77.4
Predicted Thickness [mm]	Avg.	2.05	4.00	5.91	8.01	10.04
	Error (%)	2.3	-0.1	-1.6	0.1	0.4

판재의 5가지 두께에 대한 반향시간 값과 판재 두께 사이의 관계를 Fig. 7과 같이 나타내었고, 이를 선형회귀분석한 식은 식(3)과 같다.

(3)

$y=2.9641x+0.0072$

Fig. 7에 나타낸 것과 같이 기초실험에서 나온 실험값(검은색 동그라미)을 선형회귀분석한 식(빨간색 점선)은 결정계수 $R^{2}$ 값은 99.97%으로 상당히 높은 모사율을 나타내었으며, 이 회귀분석식을 활용한 두께 추정 값은 높은 정확도를 나타내었다. 이러한 부분은, 데이터를 많이 축적할수록, 그리고 회귀분석 모델을 개선함으로써 좀 더 높은 정확도를 나타낼 수 있을 것으로 예상된다.

Fig. 7. Relations of Echo Time vs. Steel Plate Thickness

Fig. 8. Test for Continuous Scanning Method

Fig. 9. Continuous Scanning Results

4. 결 론

본 연구는 강교량의 폐합부재 등 시각적으로 점검이 어려운 강재 부재에 대해서 효율적으로 빠른 시간내에 광범위한 범위의 부식을 탐지하기 위한 목적으로 연구가 시작되었다. 효율적인 비파괴 점검법으로 초음파 속도법 활용 가능성을 검토하기 위한 실험을 진행하였다. 실험결과 아래와 같은 결론은 얻었다.

1) 초음파 속도법은 입사된 초음파가 반향되어오는 시간차를 이용해 매질의 두께를 측정할 수 있는 효과적인 방법으로, 특히 강재와 같은 균질한 재료에서 정확도가 높은 값을 도출하였다.

2) 두께가 2~10 mm로 다른 강재에 대해서 초음파 속도법을 활용한 결과 평균 6,211 m/s의 매질전파속도를 나타내었고, 이 값은 측정값의 회귀분석의 결정계수($R^{2}$) 99.9%2로 매우 높은 정확도를 나타내었다.

3) 약 200 mm/s의 속도로 이동하는 연속스캐닝 기법의 검증에서도 각각의 두께에 대한 정적 스캐닝의 결과와 동일한 결과를 얻을 수 있어, 대상 구조물에 대해 이동식으로 제작한다면 광범위한 부위를 효과적으로 점검할 수 있는 방법이 될 것이다.

4) 도출된 회귀분석 식을 이용하여 추후 부식팽창 또는 부식으로 인한 단면손실 등을 효과적으로 탐지할 수 있을 것으로 기대된다.

추후 연구에서는 온도변화에 따른 초음파 속도의 변화, 부식에 따른 두께변화 등을 고려한 보정법 또한 연구가 필요할 것으로 예상된다.