KR101027069B1 - 숏크리트 접착상태 평가 방법 - Google Patents

숏크리트 접착상태 평가 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 종래의 충격반향기법을 이용한 숏크리트와 콘크리트 및 숏크리트와 지반사이의 접착상태 평가 장치 및 방법에 대한 것으로서, 보다 상세하게는 충격반향시험으로부터 획득한 가속도 신호로부터 숏크리트의 두께, 숏크리트와 배면 지반과의 접착상태, 및 배면 지반의 종류 등을 획득할 수 있는 신호처리 장치 및 해석기법에 관한 것으로, 숏크리트가 시공되는 터널 또는 토목 구조물에서 숏크리트의 건전도 평가 및 품질관리 기술로 사용될 수 있다.
충격반향시험기법, 시간-주파수 영역 분석, 숏크리트 접착상태 평가, 숏크리트 건전도 및 품질 평가

Description

숏크리트 접착상태 평가 방법{Evaluation method for bonding state of shotcrete}
본 발명은 숏크리트 접착상태 평가 방법에 관한 것으로 더욱 상세하게는 충격반향시험을 통한 가속도 신호 획득 및 처리 기법과 신호처리를 통한 결과물을 분석하여 숏크리트의 접착상태, 두께, 배면 지반의 종류를 파악할 수 있는 숏크리트 접착상태 평가 방법에 관한 것이다.
터널의 지보재로서 숏크리트 라이닝은 내공변위 제어를 위해 굴착면에 타설되는 구조물로써, 숏크리트와 암반의 접착상태는 숏크리트 품질 관리의 핵심 요소인다.
막장 및 벤치부에서의 발파, 수축, 지반의 변형등에 의해 숏크리트는 배면에서 부착력을 잃고 탈락되거나 공동이 형성된다. 이 경우 숏크리트 자체의 파괴뿐만 아니라 공사 및 사용중 터널의 안정에도 악영향을 미친다.
따라서, 숏크리트의 시공 시 및 시공 이후 품질관리는 안전한 터널 시공을 위해서는 필수적인 요소이다.
그러나 숏크리트의 품질관리를 위해서 일반적으로 시추조사를 수행하고 있다. 이러한 시추조사는 숏크리트의 구조적 파괴 및 그에 따른 경제적 손실을 유발한다.
또한 시추조사를 수행한다 하더라도 숏크리트 구조의 전체적인 상태를 대변한다 할 수도 없다. 따라서 숏크리트의 정확한 타설 두께 검사와 숏크리트 배면의 접착상태를 비파괴 시험법을 이용하여 평가하는 것은 터널의 안전한 시공 관리, 품질관리 및 유지관리에 있어서 핵심적인 요소이며 이러한 비파괴 시험기법을 도입하여 보다 경제적으로 신속하게 숏크리트 품질을 평가할 수 있는 기술의 개발이 시급하다.
현재까지 국내에서는 콘크리트 라이닝의 품질을 평가하기 위한 비파괴 시험법이 개발 및 상용화 되어 있으나 막장 후방에서의 숏크리트와 암반의 접착상태를 평가할 수 있는 비파괴 기법은 제안되어 있지 않다. 그리고, 슬라브나 벽체와 같이 두께가 얇은 구조물에서 공동, 균열 및 두께 등과 같은 품질 평가를 위하여 Carino(1992), Sansalone(1997)등이 고속 푸리에 변환(FFT)을 통하여 획득한 시간 영역 신호를 주파수 영역 신호로 변환하고 최대 진폭에 해당하는 공진주파수를 찾아내어 반사파의 도달시간을 추정하고자 하는 반능동적인 해석 기법을 도입하였으나 암반에 접착되어 있는 숏크리트는 경계면이 한정되어 있는 일반 슬라브 구조물과는 달리 무한 매질인 암반에 접착되어 있으므로 그 신호특성을 분석하기가 난해하다.
상기의 문제점을 해결하기 위한 제안된 본 발명의 목적은, 시험대상면의 반대면에 임의의 임피던스(공기 또는 암반, 지반)의 매질이 존재하는 경우에도 적용할 수 있는 신호처리 기법을 제공하는 데에 있다.
본 말명의 다른 목적은 신호처리를 통해 획득한 신호특성을 바탕으로 숏크리트의 접착상태, 숏크리트의 두께, 시험 대상 배면의 매질을 알아낼 수 있는 방법을 제공하는데 있다.
상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 숏크리트에 충격을 가하여 가속도 신호를 획득하는 단계; 상기 가속도 신호를 시간-주파수 그래프로 해석하는 단계; 및 상기 시간-주파수 그래프를 기준 시간-주파수 그래프와 비교하여 경암-완전접착상태, 경암-부분비접착상태, 경암-비접착상태, 부분공동상태, 공동상태 중 어느 하나로 판단하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 숏크리트 접착상태 평가 방법이다.
상기에서 공동상태로 판단되는 경우에, 공진 주파수, 기하학적 감쇠비(GDR), 공진시간을 계산하는 단계; 계산된 공진 주파수, 기하학적 감쇠비로부터 기준 GDR-공진주파수 그래프를 이용하여 숏크리트의 두께 및 배면지반의 상태를 결정하는 단계; 및 계산된 공진 주파수, 공진시간으로부터 기준 공진주파수-공진시간 그래프를 이용하여 접착상태 또는 비접착상태를 결정하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 기준 시간-주파수 그래프는 완전접착 조건의 영상함수에 대한 상관계수(ρ) 의 크기에 따라, ρ>0.9인 경우에는 경암-완전접착상태이고, 0.6≤ρ≤0.9인 경우에는 경암-부분비접착상태이며, ρ=0.6이면 경암-비접착상태이고, 0.3≤ρ≤0.6이면 부분공동상태이며, ρ<0.3인 경우에는 공동상태인 것을 특징으로 한다.
본 발명을 통해서 터널에서 시공되는 숏크리트의 두께, 접착상태, 배면 지반의 상태등을 종합적으로 평가할 수 있다. 또, 본 발명을 적용하여 숏크리트의 건전도 평가 및 품질 관리를 효과적으로 신속하게 수행할 수 있다.
지하공간 시공시 안전성을 높이고 시공되는 구조물의 성능을 조기에 평가하여 향후 발생할 수 있는 위험 요소를 제거할 수 있다. 또한 숏크리트가 콘크리트등에 적용된 경우에도 적용하여 콜드조인트나 여러 요인에서 발생할 수 있는 시공상의 불완전한 요소에 대하여도 신속하게 평가하여 문제점을 개선할 수 있다.
이하, 본 발명을 바람직한 실시예를 첨부한 도면을 참조하여 설명하기로 한다. 하기의 각 도면의 구성 요소들에 참조 부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성 요소들에 한해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호를 가지도록 하며, 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 공지 기능 및 구성에 대한 상세한 설명은 생략한다.
본 발명에서는 충격반향시험 기법을 이용하여 숏크리트의 접착상태를 평가한다.
충격반향시험기법은 콘크리트 구조물의 결함 탐지를 위해 널리 사용되고 있는 비파괴 시험 기법으로써, 대상 구조물의 표면에 충격을 가하여 발생된 응력파의 전파 특성을 획득하여 불연속면이나 이질 매질 층간의 경계면에서 반사되어 표면으로 돌아오는 파형 및 공진 주파수를 해석하여 구조체의 품질판정,두께 측정,균열 및 공동 탐사 등에 적용되는 방법이다.
시험 대상 구조물의 표면에 가진원에 의해 발생되는 응력파는 시험체 내부의 균열, 공동과 같은 결함에 의한 불연속면이나 내부 및 외부의 이질 매질층 사이의 경계면 등과 같은 다양한 경계조건에 의해 반사 또는 굴절되어 표면으로 돌아온다.
따라서 응력파가 발생한 표면과 내부 결함 또는 외부 경계면 사이에는 다중 반사에 의한 공진 상태가 유발된다. 이때 표면에서 감지기가 가진원 근처에 위치하면 반사된P파에 의한 표면 변위가 S파에 의한 표면변위보다 훨씬 크므로,감지되는 파형은P파에 의한 파형으로 볼 수 있다.
도 1은 종래기술에 따른 충격반향기법의 개략도로써, 콘크리트 구조물(10)에 가속도계(20)를 설치하고, 외부에서 충격을 가해 얻어지는 가속도(진동) 신호를 구하여, 가속도계로부터 측정된 시간영역 신호를 도 2와 같이 그대로 분석하거나 시 간영역 신호를 고속 푸리에 변환(FFT)을 통해 도 3과 같이 주파수 영역으로 변환하여 다중반사에 의한 주파수 특성을 획득하여 구조물의 내적 결함 및 품질 등을 평가분석할 수 있다.
충격반향기법의 적용 시 첫 번째 모드의 주파수와 콘크리트 두께 사이의 관계는 경계조건에 의해서 결정되는데, 이러한 경계 조건은 크게 양단 자유단 조건과 자유단-고정단 조건이다. 양단 자유단 조건은 구조물 내부에 공동 및 균열이 있는 경우이고, 자유단-고정단 조건은 매질 내부에 매질에 비해 현저하게 강성도가 큰 이질 매질이 존재할 때의 조건으로 콘크리트가 콘크리트보다 임피던스가 큰 철근이나 극경암과 같은 매질에 접해있는 경계조건이다.
이러한 종래기술에 따른 충격완화기법은 시험대상면의 반대면이 임피던스가 큰 매질(공기 등)에 완전 접착되어 있는 경우에 적용할 수 있는 한계점이 있다. 즉, 숏크리트와 같이 시험면의 반대면에 임피던스가 작은 매질(암반 또는 토사)이 존재하는 경우 해석 및 분석이 어려운 문제가 있다.
즉, 터널 내부에 시공된 숏크리트는 가진원의 반대면이 암반이나 토사등의 다양한 지반조건에 접하여 있는 상태이므로 시간영역 및 주파수 영역 해석으로부터 그 건전도를 평가하기가 난해하다. 따라서 새로운 신호처리 및 해석기법이 필요하다.
따라서, 본 발명에서는 숏크리트에 충격반향기법을 적용하기 위하여, 종래기술과 달리 주파수-시간 그래프를 통하여 숏크리트의 접착상태를 평가한다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 숏크리트 접착상태 평가 방법의 개략도로 써, 가속도 신호를 얻어내는 것까지는 도 5에 도시된 바와 같이 종래기술과 동일한 방법을 사용하며, 이에 대한 구체적인 설명은 생략한다.
도 6은 도 4의 숏크리트 접착상태 평가 방법에서 가속도계로 얻은 가속도 신호(시간영역 신호)를 STFT를 기반으로 시간-주파수 영역에서 해석한 결과이다.
이 때, 도 5는 경암이고 완전접착상태인 경우이다.
도 7은 숏크리트 접착상태 평가 방법에서 가속도계로 얻은 가속도 신호(시간영역 신호)를 능동적 신호 처리 기법인 STFT(Short-Time Fourier Transform)를 기반으로 시간-주파수 영역에서 해석한 그래프로써, 경암 비접착상태이다.
도 8은 숏크리트 접착상태 평가 방법에서 가속도계로 얻은 가속도 신호(시간영역 신호)를 STFT를 기반으로 시간-주파수 영역에서 해석한 그래프로써, 임의지반상태이다.
따라서, 숏크리트와 암반이 밀착되어 있는 경우에는 도 6 및 도 7과 같이 좁은 시간범위에서 주파수가 크게 증가하고, 있고, 숏크리트와 암반 사이에 공동 또는 연약지반이 존재하는 경우 두 경우 모두 윤곽선이 주파수 축에 대하여는 일정한 범위를 갖고 시간축을 따라서 길게 꼬리를 형성하는 형상을 동일하게 보여주고 있다.
또, 도 8에서 숏크리트의 두께가 얇을수록 꼬리의 길이가 더 길게 나타난다. 이는 숏크리트의 음향학적 임피던스가 공동 또는 연약지반의 음향학적 임피던스보다 크기 때문에 충격에 의해 발생된 응력파의 에너지가 지반으로 전달 또는 굴절되지 않고 거의 모두 반사되어 에너지의 소산이 늦어지기 때문이다.
그리고, 숏크리트의 두께가 얇을수록 매질에 의한 감쇠가 덜 발생하여 반사파의 에너지가 덜 감소하게 되고, 결국 공진주파수에 해당하는 에너지가 잔류하는 시간이 더 길어지게 됨을 알 수 있다.
본 발명에서는 숏크리트의 접착상태를 정량적으로 평가하기 위하여 충격반향기법으로부터 획득한 시간-주파수 영역에서 나타나는 수치영상들에 대한 상관계수(ρ)를 도입하였다.
Figure 112008073746953-pat00001
여기서, σB, σS, σBS는 각각 완전 접착상태의 영상의 표준편차, 임의 평가 영상의 표준편차, 완전 접착 상태와 임의 평가 영상 사이의 공분산(covariance)이다. 시간-주파수 영역에서 나타나는 두 영상을 영상함수 gB(x, y), gS(x, y)라 하면 영상함수의 평균은 다음과 같이 획득할 수 있다.
Figure 112008073746953-pat00002
Figure 112008073746953-pat00003
또한 영상함수의 표준편차 및 공분산은 다음과 같이 획득할 수 있다.
Figure 112008073746953-pat00004
Figure 112008073746953-pat00005
Figure 112008073746953-pat00006
여기서, 두 수치 영상의 상관계수는 -1부터 1까지의 값으로 대응되는 영상소의 밝기값 그 자체보다는 전체적인 밝기값의 분포가 비슷한 경우 더 높은 값을 나타낸다.
따라서, 완전 접착상태로부터 획득한 시간-주파수 영역의 영상을 기준영상으로 설정하고 시험으로부터 획득한 여러 접착상태의 시간-주파수 영역의 영상과의 상관관계를 분석하여 현장 적용시 불량 접착상태를 상관계수를 이용하여 정량적으로 평가할 수 있다.
본 발명에서는 수치해석으로부터 획득한 완전 접착시의 시간-주파수 영상을 기준으로 실내시험으로부터 획득한 시간-주파수 영상과의 상관관계를 분석하여, 도 9와 같은 기준 주파수-시간 그래프를 정의하였다.
즉, 상관계수가 ρ>0.9인 경우에는 경암-완전접착상태이고, 상관계수가 0.6≤ρ≤0.9인 경우에는 경암-부분비접착상태이며, 상관계수가 ρ=0.6이면 경암-비접착상태이고, 상관계수가 0.3≤ρ≤0.6이면 부분공동상태이며, 상관계수가 ρ<0.3인 경우에는 공동상태이다.
따라서, 시간-주파수 영상을 도 6 내지 도 8과 같이 도출하면, 상기 기준 주파수-시간 그래프로부터, 경암-완전접착상태, 경암-부분비접착상태, 경암-비접착상태, 부분공동상태, 공동상태를 판단할 수 있다.
경암의 경우에는 충격파가 그대로 경암에 전달되어 숏크리트의 두께 등을 측정할 수 없지만, 공동상태 또는 임의의 지반에 접착되어 있는 경우에는 매질이 상이하여 반사파를 통해 숏크리트의 두께를 측정할 수 있다. 또한, 이와 동시에 접착여부를 판단할 수 있다.
이를 위하여 주파수-시간 그래프로부터 공진 주파수, 기하학적 감쇠비(GDR: Geometric Damping Ratio), 공진시간을 측정한다.
그리고, 도 10의 숏크리트 접착상태 평가 방법의 기준 GDR-공진주파수 그래프와, 도 11의 숏크리트 접착상태 평가 방법의 기준 공진주파수-공진시간 그래프에서 좌표를 파악한다.
따라서, 도 10으로부터 숏크리트의 두께와, 배면지반의 상태를 파악할 수 있으며, 도 11에서는 접착상태 또는 비접착상태를 확인할 수 있으며 도 10에서의 숏크리트 두께와 배면지반의 상태를 재확인할 수 있다.
이러한 과정을 거쳐 터널에 시공된 숏크리트의 건전도를 평가하고 품질을 관 리할 수 있다.
상기와 같이, 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만 해당 기술 분야의 숙련된 당업자라면 하기의 특허청구범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.
도 1은 종래기술에 따른 충격반향기법의 개략도이다.
도 2는 도 1의 충격반향기법에서 얻어지는 시간-진폭 그래프이다.
도 3은 도 1의 충격반향기법에서 얻어지는 자기스펙트럼밀도-주파수 그래프이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 숏크리트 접착상태 평가 방법의 개략도이다.
도 5는 도 4의 숏크리트 접착상태 평가 방법의 충격반향시험의 개략도이다.
도 6은 도 4의 숏크리트 접착상태 평가 방법으로 얻어진 주파수-시간 그래프로써, 경암 완전접착상태이다.
도 7은 도 4의 숏크리트 접착상태 평가 방법으로 얻어진 주파수-시간 그래프로써, 경암 비접착상태이다.
도 8은 도 4의 숏크리트 접착상태 평가 방법으로 얻어진 주파수-시간 그래프로써, 임의지반상태이다.
도 9는 도 4의 숏크리트 접착상태 평가 방법의 기준 주파수-시간 그래프이다.
도 10은 도 4의 숏크리트 접착상태 평가 방법의 기준 GDR-공진주파수 그래프이다.
도 11은 도 4의 숏크리트 접착상태 평가 방법의 기준 공진주파수-공진시간 그래프이다.
<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>
10: 콘크리트 구조물
12: 공동
20: 가속도계

Claims (3)

  1. 숏크리트에 충격을 가하여 가속도 신호를 획득하는 단계;
    상기 가속도 신호를 시간-주파수 그래프로 해석하는 단계; 및
    상기 시간-주파수 그래프를 기준 시간-주파수 그래프와 비교하여 경암-완전접착상태, 경암-부분비접착상태, 경암-비접착상태, 부분공동상태, 공동상태 중 어느 하나로 판단하는 단계를 포함하고,
    공동상태로 판단되는 경우에,
    공진 주파수, 기하학적 감쇠비(GDR), 공진시간을 계산하는 단계;
    계산된 공진 주파수, 기하학적 감쇠비로부터 기준 GDR-공진주파수 그래프를 이용하여 숏크리트의 두께 및 배면지반의 상태를 결정하는 단계; 및
    계산된 공진 주파수, 공진시간으로부터 기준 공진주파수-공진시간 그래프를 이용하여 접착상태 또는 비접착상태를 결정하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 숏크리트 접착상태 평가 방법.
  2. 삭제
  3. 제1항에 있어서, 상기 기준 시간-주파수 그래프는 완전접착 조건의 영상함수 에 대한 상관계수(ρ) 의 크기에 따라, ρ>0.9인 경우에는 경암-완전접착상태이고, 0.6≤ρ≤0.9인 경우에는 경암-부분비접착상태이며, ρ=0.6이면 경암-비접착상태이고, 0.3≤ρ≤0.6이면 부분공동상태이며, ρ<0.3인 경우에는 공동상태인 것을 특징으로 하는 숏크리트 접착상태 평가 방법.
    여기서, 상관계수(ρ)는
    Figure 112008073746953-pat00007
    이고,
    여기서, σB, σS, σBS는 각각 완전 접착상태의 영상의 표준편차, 임의 평가 영상의 표준편차, 완전 접착 상태와 임의 평가 영상 사이의 공분산이며,
    Figure 112008073746953-pat00008
    Figure 112008073746953-pat00009
    Figure 112008073746953-pat00010
    이고, gB(x, y), gS(x, y)는 시간-주파수 영역에서 나타나는 두 영상을 영상 함수이고, 영상함수의 평균은
    Figure 112008073746953-pat00011
    Figure 112008073746953-pat00012
    이다.
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