1. 서 론

지하구조물은 현대 도시의 중요한 부분으로 자리잡고 있으며, 그 역할은 도시화와 산업화의 발달과 더불어 점차적으로 확대 되어왔다. 이러한 구조물은 도시 인프라의 중요 구성 요소로써 이동, 수용, 관리 등의 다양한 목적으로 건설되었다. 특히 전기, 가스, 수도 등의 공급설비를 비롯하여 통신시설, 하수도시설 등의 다종의 시설물을 수용하기 위해 공동구가 건설되었으며, 현재 이는 도시 인프라의 주요 부분으로 자리매김하고 있다. 공동구는 시설물의 안전한 관리와 미관의 개선 등의 목적으로 지하에 건설된 터널 형태의 콘크리트 구조물을 의미하며, 국가적으로 국민의 안전을 위해 정기적인 안전관리가 이뤄지고 있다. 그러나, 과거 1970년대에 집중적으로 건설된 이후, 현재는 많은 부분 노후화가 진행되었으며, 시설물의 장기 사용으로 인한 문제나 지하구조물의 노후화로 인한 파손 등으로 인한 사고가 발생하여, 안전관리의 필요성이 강조되고 있다. 이에 터널, 공동구와 같은 지하구조물은 시설물 안전 및 유지관리 세부지침에 따라 건전도 및 내구성 평가에 기반하여 조사 및 정기적으로 관리가 되고 있다(Bae et al., 2001; Byun et al., 2022).

공동구와 터널과 같은 콘크리트 지하구조물의 안전 관리를 위하여 다양한 기술들이 개발되고 있다. 그 중에서도 콘크리트의 품질 평가를 위해 GPR 탐사, 초음파 탐사, 충격 반향 기법 등의 비파괴 검사들이 많이 활용되고 있다(Shin and Jo, 2009; Song et al., 2009; White et al., 2014). GPR 탐사는 전자기파를 활용하는 비파괴 검사 방법 중 하나로, 높은 해상도로 배면상태 탐사에 많이 활용된다. 벽면을 스캐닝 하는 방식으로 데이터를 취득 및 분석하여 많은 양의 데이터 처리가 가능하며 활용도가 높다는 장점이 있다(Peng et al., 2021). 초음파 탐사는 구조물의 강도 및 결함의 깊이 탐사에 주로 활용되는 비파괴 검사법 중 하나로, 전파 속도를 기반으로 경험식을 통해 강도와 결함의 깊이를 추정하는데 활용된다. 하지만, 200 mm 이상의 깊이에 대한 탐사는 제한적이기 때문에 누락된 피복두께, 구조물의 두께 등의 지하구의 설계 정보를 취득함에 있어 어려움이 있다. 충격 반향 기법은 P파 속도와 공진 주파수를 활용하여 두께를 추정하는 비파괴 검사 방법이다(Hong et al., 2016). 하지만 노후화된 콘크리트의 경우 P파 속도의 변화가 나타나며, 정확한 P파 속도를 도출하기 위해서 터널 현장에서는 코어의 채취 등이 활용이 필요하기 때문에 적용에 한계점이 있다. 공동구와 유사한 목적으로 건설되었으나, 민간이 관리 주체이며, 체계적인 안전관리형태가 정립되지 않은 일반 지하구는 안전관리의 사각지대에 놓여있어 관리가 더욱 시급한 상황이다. 이같은 일반 지하구는 공동구와 달리 안전관리를 위한 기본 설계정보들이 누락된 경우가 많을 뿐만 아니라, 관리 공간 역시 협소하기 때문에, 기존 비파괴 검사 방법을 그대로 적용하여 해당 지하구의 안전관리에 활용하기엔 한계점이 있다.

따라서 본 연구에서는 초음파법과 충격 반향 기법을 활용하여, 안전관리의 기초자료로 활용될 수 있는 구조물의 설계 두께 및 품질 평가를 위한 비파괴 검사 방법을 제안하였다. 벽체의 두께, 철근 유무, 내부 결함 유무 등의 다양한 일반 지하구의 상태를 고려하여 콘크리트 벽체 모형 실험체를 제작하였으며, 실험을 통해 제안한 방법의 효용성을 확인하였다.

2. 지하구 탐사 방법

본 장에서는 콘크리트 구조물을 대상으로 활용되는 비파괴 검사 방법인 초음파법과 충격 반향 기법의 기본 이론을 기술하였으며, 문헌조사를 바탕으로 콘크리트 구조물인 지하구에서 활용할 수 있는 탐사 방법을 제안하였다.

2.1 초음파법(Pulse-echo method)

초음파법은 대상 구조물에 초음파 신호를 인계하여 돌아오는 신호를 취득 후 분석하여 구조물을 평가하는 비파괴 검사 기법이다. 시험 장비는 신호 발신자와 신호 수신자로 구성되어 있으며, 발신자와 수신자가 동일한 펄스-에코법(Pulse-echo 방식), 대상체를 투과하는 신호를 수신하는 직접법(Through-transmission 방식) 및 표면을 따라 전달되는 신호를 수신하는 간접법(Indirect-transmission 방식)으로 분류된다(Yaman et al., 2001). 특히 직접법의 경우 대상 구조물을 투과하는 신호인 P파 속도를 발신 및 수신 탐촉자 사이의 거리와 전달 시간으로 손쉽게 계산할 수 있으며, 해당 P파 속도로 구조물의 강도를 기존 연구의 경험식을 통해 구할 수 있다(Naik et al., 2003). 공동구 및 지하구와 같이 한쪽 방향에서만 접근이 가능한 경우 직접법을 현장에서 적용할 수 없으며, 해당 상황의 경우 표면에 수신자와 탐촉자를 위치하는 간접법을 채택해야 한다. 간접법을 채택할 경우, 대상 표면을 통해 전달되는 표면파와 P파가 동시에 계측되며, 진폭이 더 큰 표면파로 인하여 P파와 표면파의 구별에 제약이 있다(Qixian and Bungey, 1996).

2.2 충격 반향 기법(Impact-echo method)

대상 구조물의 표면에 기계적 충격으로 인하여 발생된 응력파(Stress wave)는 P파, S파 등으로 이루어져 있다. 응력파의 속도는 탄성계수(E), 포아송 비(ν), 밀도(ρ)와 상관 관계를 띄며, 각 응력파 속도는 Table 1과 같이 이론적으로 계산할 수 있다(Carino, 2001). 충격 반향 기법은 해당 응력파가 불연속체나 이질 매질층의 경계면에서 반사되어 표면으로 되돌아오는 신호를 이용하게 된다. 이때 표면에서의 경계면으로 인해 다시 반사되어 매질 속으로 전파되며 경계면들 사이의 다중 반사에 의한 공진이 발생한다.

경계면을 기준으로 다른 두 매질의 고유 음향 임피던스(Z)의 차이에 따라 표면에서 계측 되는 신호의 공진을 자유면-자유면, 자유면-고정면의 두 가지 경우로 분류할 수 있다. 이때 두 매질 사이의 고유 음향 임피던스 차이에 따라 반사 계수(R)의 부호가 결정되며, 식 (1)과 같이 계산할 수 있다. 반사계수의 크기와 부호는 반사된 신호의 성질을 결정한다.

콘크리트 구조물에서 공동, 균열, 노후화 등이 발생되었을 경우 경계면을 기준으로 임피던스의 차이에 의해 반사 특징의 차이가 나타난다. 공동, 균열과 같이 대상 구조물의 고유 음향 임피던스(Z1)가 공기층과 같은 이밀 매질층(Z2)보다 강성이 높은 경우, 반사계수(R)가 음의 값을 가진다. 이 경우는 자유단-자유단 경계 조건으로 정의될 수 있으며, 반사된 응력파의 부호가 입사파의 반대인 역위상을 갖게 된다. 해당 조건에서 첫 번째 모드의 파장(λ)은 이질 매질층까지의 두께(T)의 2배로 정의할 수 있으며, 공진 주파수(f1)는 식 (2)와 같이 정의할 수 있다.

반대로, 암반에 근입 되어 있는 콘크리트 또는 보강 철근과 같이 대상 구조물의 고유 음향 임피던스(Z1)가 이밀 매질층(Z2)보다 작은 경우, 자유단-고정단 경계 조건으로 정의될 수 있으며, 반사 계수(R)가 양의 값을 가지며 반사된 응력파의 부호가 입사파와 동일한 정위상을 같게 된다. 정위상의 신호의 첫 번째 모드의 파장(λ)은 이질 매질층까지의 두께(T)의 4배이다. 해당 관계는 P파 속도(VP) 및 첫 번째 모드의 공진 주파수(f1)로 식 (3)과 같이 나타낼 수 있다(Cheng and Sansalone, 1993). 이같은 특징을 활용하여 P파 속도와 수집한 신호의 공진 주파수를 기반으로 불연속면의 위치의 파악하는 것이 가능하다.

2.3 초음파법와 충격 반향 기법을 활용한 비파괴 검사 방법

초음파법과 충격 반향 기법은 콘크리트 구조물을 대상으로 진단 혹은 탐사를 위해 목적과 대상에 맞게 활용된다. 각 방법은 Fig. 1에 표시된 것과 같이 입력 및 수집 센서를 설치하여 신호를 수집할 수 있다. 먼저 간접 초음파법을 이용하여 구조물의 두께를 진단하는 경우 식 (4)를 활용할 수 있다. 구조물의 두께는 센서 간의 간격(W) P파 속도(VP), P파의 도달 시간을 통해 도출할 수 있다. 하지만 간접법으로 계측 시, 대상 표면을 통해 전달되는 응력파는 표면파와 P파가 동시에 계측되며, 진폭이 더 큰 표면파로 인하여 P파와 표면파의 구별에 제약이 있어, P파 속도 및 P파가 도달한 시간을 정확하게 판단하는 것에 어려움이 있다. 다음으로 충격 반향 기법을 활용하여 구조물의 두께를 진단하는 경우 식 (5)를 활용할 수 있다. 여기서 fn은 1차 모드 공진 주파수, β는 형상계수를 의미하며, 특히 β는 주로 0.96 사이의 값을 활용한다(Carino, 2001). 이처럼 충격 반향 기법은 대상 구조물의 치수를 알고 있는 경우(e.g. 깊이), 공진 주파수를 활용하여 응력파의 속도를 추정할 수 있으며, 추정된 속도를 기반으로 최종적으로 구조물의 강성도를 평가할 수 있다. 또한 응력파의 속도를 알고 있는 경우, 구조물 내부의 불연속면의 위치를 평가할 수 있다. 하지만 노후 지하구와 같이 설계도가 부재한 구조물을 평가할 때, 대상 구조물의 제원을 알 수 없으며, 코어의 채취 등의 방법 외에는 손쉽게 응력파 속도를 도출하는 것이 불가능하다.

Fig. 1.

Schematic diagram of pulse-echo and impact-echo testing

이에 본 연구에서는 설계 정보가 부재한 콘크리트 지하구의 설계 두께 및 품질 평가를 위해 두 종류의 비파괴 검사법의 특징을 관찰하고 이를 기반으로 현장조건을 반영한 비파괴 검사 방법을 제시한다. 구체적인 평가 방법을 제시하기에 앞서, 동일한 콘크리트 벽면에 초음파법과 충격반향 기법을 적용했을 때 수집되는 시간 영역의 신호와 해당 신호를 고속 푸리에 변환(Fast Fourier Transform, FFT)을 하여 관찰하였다. Fig. 2는 각 비파괴 검사 방법 별 시간 영역 신호 및 주피수 영역 신호를 나타낸다. 시간 영역의 신호는 충격이 가해지는 위치로부터 10, 20, 30 cm 떨어진 위치에서 가속도계를 활용하여 수집하였으며, 각각 P1, P2 그리고 P3으로 지정하였다. 주파수 영역의 신호는 이 중에서도 가장 근거리에서 수집된 10 cm (P1) 떨어진 위치에서 수집된 신호를 고속 푸리에 변환하여 나타내었다.

Fig. 2.

Example of the received signal for impact-echo and pulse-echo testing

첫 번째로 시간 영역 신호의 경우, 두 가지 비파괴 방법 모두 P파가 도달한 시점을 정의하는 것은 어려움이 있다. 하지만 나열된 가속도계를 활용하여 표면파 속도를 추정하는 것이 가능하다. 초음파법을 통해 수집된 신호의 경우 수집하는 센서의 거리가 충격위치로부터 멀어짐에 따라 지연이되는 것을 쉽게 확인할 수 있으며, 표면파 속도를 계산함에 있어 극소점 혹은 극대값으로 그 기준점을 쉽게 정의하는 것이 가능하다. 반면에 충격 반향 기법을 통해 수집된 신호 또한 거리에 따라 시간 지연이 발생함을 확인할 수는 있으나, 초음파 신호와 달리 충격 신호는 다양한 주파수 대역의 신호가 가해져 복잡한 형태를 띄기 때문에 수집된 신호 또한 복잡한 형태로 나타난다. 이로 인해 표면파 속도를 정의함에 있어 기준점을 잡는 과정에 어려움이 발생한다. 두 번째로 주파수 영역 신호의 경우, 서로 다른 양상이 나타나며, 초음파법을 통해 수집한 신호의 고속푸리에 변환 결과는 입력신호로 가해진 54 kHz와 유사한 영역대의 공진 주파수가 관찰된다. 반면에 충격 반향 기법의 경우, 시편의 두께에 해당하는 공진 주파수를 도출하여 관찰할 수 있다.

해당 신호들의 특성을 고려하여 설계 정보가 부재한 콘크리트 지하구를 평가하기 위하여 초음파법과 충격 반향 기법을 동시에 활용하는 현장조건을 반영한 비파괴 검사 방법을 제시하였다(Fig. 3). 탐사 방법은 신호 수집, 신호 처리, 평가의 3가지 단계로 구성된다. 초음파법과 충격 반향 기법에 기반하여 각각 P파 속도와 공진 주파수를 도출하여 대상 구조물을 평가하였다. P파 속도는 초음파법에 기반하여 도출할 수 있다. 다수의 가속도계를 사용하여 초음파 신호에 대한 시간 영역의 신호를 수집하고 각 가속도계 사이의 거리를 이용하여 표면파 속도를 계산할 수 있다. 기존 문헌에서의 경험식을 통해 표면파 속도를 P파 속도로 환산하였다. 공진 주파수는 충격 반향 기법에 기반하여 도출할 수 있다. 수집된 시간 영역의 신호를 고속 푸리에 변환을 하여 주파수 영역대에서 공진 주파수를 구하였다. 이같은 단계로 계산된 P파 속도와 공진 주파수를 이용하여 해당 지점의 경계면까지의 두께를 예측할 수 있다.

Fig. 3.

Proposed methodology for utility tunnel assessment

3. 실험방법

본 장에서는 제안된 탐사 방법의 유효성 검토를 위한 실험에 관해 자세히 기술하였다. 지하구 환경 모사를 위해 제작된 시편에 대한 세부사항과 초음파법과 충격 반향 기법을 기반으로 구성된 실험 방법으로 구분하여 서술하였다.

3.1 방법론 검증을 위한 콘크리트 시편 설계 및 제작

실내 실험은 Fig. 4와 같이 지하구 벽면에 대한 3가지 환경 조건에 대해 콘크리트 시편을 제작하여 수행하였으며, 각 시편별 상단에서 바라본 모식도 기준으로 붉은 선에 해당하는 면에서 측정을 수행하였다. 각 환경 조건별 활용된 시편의 세부 수치는 Table 2에 작성하였다. 첫 번째로, 각종 두께에 대한 방법의 유효성 검토를 위해 일반적인 지하구 두께의 범위 안에서 20 cm, 30 cm, 40 cm의 두께로 총 3가지 경우로 구분하여 시편을 제작하였다. 두 번째로, 철근의 위치에 대한 예측 성능을 평가하기 위해 30 cm 두께의 콘크리트 벽체 내부에 두 개의 철근을 삽입하여 두 가지 철근 깊이에 대해 실험이 가능하도록 제작하였다. 철근의 위치는 측정면으로부터 15 cm 깊이와 10 cm 깊이에 각각 위치하도록 구현하였으며, Fig. 4(b)의 투시도에 나타낸 것과 같이 철근은 각 삽입 위치에 D19 사이즈를 활용하여 삽입하여 제작하였다. 마지막으로 내부 결함에 대한 모사를 위해 콘크리트와 임피던스 차이가 큰 스티로폼을 삽입하여 시편을 제작하였다. 42 cm 두께의 콘크리트 벽체 내부에 4 cm 두께의 스티로폼을 측정면으로부터 20 cm 깊이에 위치하도록 구현되었다.

Fig. 4.

Design and specimens of concrete structure

3.2 실험 구성 및 방법

대상체의 두께, 내부 결함 및 철근의 위치 파악을 위해서 두 가지 종류의 신호가 인가 되어야한다. 각각 인가 신호 종류에 따른 실험은 Fig. 5(a)와 같이 구성하여 수행하였다. 두 실험 모두 신호 수집을 위한 가속도계(PCB 352A60), 시그널 컨디셔너(PCB 482C16) 및 기록을 위한 오실로스코프(Keysight DSO3024T)을 이용하여 신호 측정 시스템을 구축하였다. 특히 가속도계의 경우 공진 주파수 대역이 95 kHz 이상, 사용 주파수 대역은 5 Hz~60 kHz로 30 cm 콘크리트 대상체의 고주파 대역에서의 신호 계측에 적합한 모델을 선정하여 활용하였다.

세부적으로 초음파 신호에 대한 실험을 위해 초음파 신호는 건설 장비용 초음파 탐촉자(James Instruments V-C-4898), 전기 신호 파형을 발생시키는 신호 발생기(Agilent 33500)를 추가적으로 구성하여 실험을 수행하였다(Fig. 5(b)). 초음파 신호는 신호 발생기로 초음파 탐촉자 대역에 맞는 10 V 전압의 54 kHz의 신호를 사각파(Square wave), 버스트(Burst) 형태로 발생시켰다. 이때 사각파 형태의 신호는 도착 시간에 영향을 주지 않지만, 도착 시점을 정의하는 과정의 용이성을 위해 해당 형태의 신호를 활용하였다(Lee and Santamarina, 2005). 실험은 초음파 탐촉자와 대상 시험체의 원활한 접촉을 위하여 커플란트를 사용하여 시험마다 탐촉자에 도포하여 신호를 인가하였으며, 초음파 탐촉자의 위치에서 10 cm, 20 cm, 30 cm 간격으로 떨어진 총 3개의 가속도계를 실리콘 진공 그리스를 이용하여 시험체에 부착하여 신호를 수집하였다. 수집된 신호를 통한 표면파의 속도는 각 가속도계에서 획득되는 최대 진폭의 시점을 이용하여 도출할 수 있다. 최대 진폭은 표면파가 통과할 때에 발생되며, 3개의 가속도계 사이의 거리와 각 가속도계의 최대 진폭이 나타난 시간의 차이를 이용하여 표면파 속도를 계산하였다. 총 7번의 측정을 진행 후 최대 최소의 표면파의 속도를 제외한 5번의 신호를 평균 내에 해당 측점의 표면파를 정의하였다.

다음으로 충격 반향 기법에 대한 실험은 기계적 충격을 주는 충격 망치(PCB 086C03)를 활용해 신호를 인가하고, 수집된 신호를 분석하는 방식으로 수행되었다(Fig. 5(c)). 직경 0.63 cm, 무게 0.16 kg의 충격 망치를 이용하여 점하중으로 충격파를 발생시켰으며, 충격 망치로 타격하는 지점을 기준으로 10 cm만큼 떨어진 위치에 가속도계를 부착하여 신호를 수집하였다. 초음파법과 동일하게 총 7번의 측정을 진행 후 최대와 최소의 값을 제외하고 평균을 내어 정의하였다.

Fig. 5.

The system of generating signal and acquisition

4. 실험 결과 및 토의

다양한 일반적인 지하구의 상태를 고려하여 전절에서 구체적으로 나열한 초음파법과 충격 반향 기법에 기반한 탐사 방법을 활용하여 벽체의 두께, 철근과 내부 결함의 유무 및 위치를 판단하기 위한 실험을 수행하였다. Table 3은 대상체의 두께 변화에 따른 탐사 결과를 나타낸다. 대상 구조물의 두께와 무관하게 비교적 유사한 표면파 속도가 관찰되었으며, 이는 동일한 재료로 제작된 비교적 건전부에서 실험을 수행하였기 때문으로 판단된다. 시편의 두께가 커짐에 따라 낮은 공진 주파수가 관찰되었으며 두께 추정에서 높은 성능을 확인할 수 있다.

두 번째로, 실험 시편은 철근이 삽입된 철근콘크리트 구조물의 상황을 모사하였으며, 각각 시편에 대해 제시한 방법론의 유효성 검토를 수행하였다. 구조물의 철근 위치 파악을 위한 모사 실험 결과를 Table 4에 정리하였다. 초음파법에 기반하여 도출된 P파 속도는 두 가지 실험 조건에서 모두 근사한 값이 도출되었다. 표면파는 P파와 달리 표면을 따라 전달된 파를 의미하기 때문에 내부에 삽입된 철근, 결함 등의 조건과 상관없이 유사한 값이 계측되었다고 판단할 수 있다.

30 cm 콘크리트에 철근이 15 cm 깊이와 10 cm 깊이에 각각 삽입된 모사 시편에 인가된 충격 신호에 대한 수집된 시간 영역의 신호와 해당신호를 고속 푸리에 변환(FFT)을 수행한 주파수 영역의 신호는 Fig. 6에 나타난 것과 같다. 공통적으로 두 가지 대역에서 공진 주파수가 관찰되었으며, 각각 시편의 두께와 철근의 깊이에 해당하는 공진 주파수로 추정할 수 있다. 두 경우에서 모두 관찰된 6.20~6.40 사이의 공진 주파수는 시편의 30 cm 두께로 역산 할 수 있는 수치이며, 최대 1.97 cm 오차가 나타나 결과적으로 근사한 시편의 두께를 추론할 수 있음을 본 모사 실험을 통해 확인할 수 있다. 또한 15 cm 위치에 철근이 삽입된 시편의 경우 평균 7.37 kHz 대역에서 추가적인 공진 주파수가 나타난 반면에, 10 cm 깊이에 철근이 삽입된 시편의 경우 평균 12.76 kHz 대역에서 공진 주파수가 관찰되었다. 이처럼 관찰된 공진 주파수는 각 시편의 철근 깊이에 해당하는 공진 주파수로 판단할 수 있다. 여기서 콘크리트 두께에 해당하는 공진 주파수 대역과 비교했을 때, 철근의 깊이에 해당하는 대역에서 보다 다수의 공진 주파수들이 관찰된 것은 철근 주변에서 매질의 변화가 더 많이 발생하기 때문으로 판단된다. Fig. 7(a)에 나타난 것과 같이 무근 콘크리트의 경우에는 콘크리트-공기 사이의 매질의 변화가 나타나는 반면, 철근이 삽입된 경우는 Fig. 7(b)에 나타난 것과 같이 콘크리트-공기 사이의 매질의 변화 뿐만 아니라, 콘크리트-철근, 철근-콘크리트와 같은 작은 거리 내에서 많은 매질 변화가 관찰되기 때문에 보다 산발적인 결과를 얻었음을 추정할 수 있다. 또한 해당시편은 각 지정된 깊이에 D19 사이즈의 철근이 삽입된 형태로, 실제 철근이 삽입된 위치에서 매질의 변화는 실제 깊이보다 앞쪽에서 발생하게 된다. 즉, 철근이 15 cm 깊이에 있는 경우 콘크리트 두께에 비해 철근의 위치에 대한 예측 오차가 크고 14.05 cm 깊이에서 콘크리트-철근 매질 변화가 관찰되며, 10 cm 깊이에 철근이 삽입된 경우엔 9.05 cm 깊이에서 매질변화가 관찰된다. 따라서 본 연구를 통해 제안한 방법은 구조물의 내구성 파악에 중요 요소인 표면부터 철근까지의 깊이를 의미하는 피복두께를 관찰이 가능하지만, 철근의 깊이에 대한 구체적인 파악을 위해서는 철근의 두께, 철근의 위치와 측정 지점사이의 관계 등의 파악을 위한 내용의 보완이 필요할 것으로 판단할 수 있다.

Fig. 6.

Signal in time and frequency domains for impact-echo testing

Fig. 7.

Schematic diagram for impact-echo testing

마지막으로 내부 결함이 있는 시편에 대한 실험 결과는 Table 5와 같다. 초음파 법에 기반하여 시편의 P파 속도를 측정 및 추정하는 것이 가능하였으며, 직접법을 활용하여 42 cm 시편에 대해 계측한 P파 속도는 4,619.3 m/s이다. 추정된 P파 속도와 비교하였을 때, 7.75% 정도의 다소 높은 오차 나타났으나, 이는 P파 속도를 추산하는 과정에서 필요한 포아송비, 밀도 등의 시편에 관한 정보들이 가정값으로 활용되었기 때문으로 판단된다.

무근 콘크리트와 내부균열이 모사된 콘크리트의 충격 신호에 대한 수집된 시간 영역의 신호와 해당신호를 고속 푸리에 변환(FFT) 처리를 수행한 주파수 영역의 신호는 Fig. 8에 나타난 바와 같다. 무근 콘크리트의 경우 평균적으로 4.46 kHz 대역에서 한 개의 공진 주파수가 관찰된 반면, 내부 결함이 있는 경우 두 개의 공진 주파수가 관찰된다. 각각은 결함의 위치와 대상체의 두께를 의미하는 공진 주파수로 판단되며, 결함의 위치에 대한 공진 주파수와 실제 두께에 해당하는 공진 주파수 보다 다소 작은 값의 공진 주파수가 관찰된다. 해당 공진 주파수와 앞서 추정된 P파 속도를 활용하여 제시한 방법론 기반의 시편의 두께와 내부 결함의 위치 추정치는 실제 시편에 모사된 깊이와 유사한 값으로 계산되었다. 나아가 도출된 실험 결과를 통해 현장에서 해당 방법론을 활용할 경우 건전부와 비 건전부의 수집된 신호의 고속 푸리에 변환 결과 비교를 통해 내부 결함 유무 및 위치의 파악이 가능할 것으로 예상된다.

Fig. 8.

Signal in time and frequency domains for impact-echo testing

5. 결 론

본 연구에서는 초음파신호와 충격신호를 활용한 지하구의 안전관리 방법을 제안하고 제안한 비파괴 검사방법의 유효성을 실험을 통해 검토하였다. 본 연구에 의한 주요 결론은 다음과 같다.

1. 지하구조물의 노후화 및 열화 등으로 인한 사고 관리를 위해 해당 구조물의 환경 조건에 적합한 안전관리 방법 개발이 필수적이며, 기개발되어 활용되고 있는 비파괴 조사법을 그대로 적용하는 것은 한계점이 있다. 이에, 초음파법과 충격 반향 기법을 기반으로 현장에서 활용하기 적절한 비파괴 검사 방법을 제안하였으며, 모사실험을 통해 해당 방법의 유효성을 검토하였다.

2. 지하구조물 벽체의 두께, 철근의 위치, 내부결함의 유무 등의 환경 조건을 모사하여 시편을 제작하였으며, 제안한 방법 성능을 모사실험을 기반으로 정량적으로 도출하였으며, 각 환경 조건별 실측값과 유사한 두께 및 위치를 예측할 수 있음을 확인하였다.

3. 실제 노후 지하구조물은 벽체 내부 철근이 삽입된 조건과 비균질한 환경 조건의 고려가 필요하다. 균열의 위치, 형상에 따른 다양한 경우에 대해 추가적인 방법 검증이 고려되어야 하며, 정확한 철근 깊이 추정을 방법론의 보완이 필요하다. 또한 추후 연구에서 다양한 벽체 두께 조건하에 강도가 다른 이질층 등의 구현을 통해 콘크리트의 노후도가 반영된 환경에서의 추가 검증이 수행되어야한다.