Much of the existing infrastructure in Korea has been in service for many years and continues to be used. However, due to a variety of physical, chemical, and environmental processes, concrete structures as well as other civil infrastructure may get deteriorated or damaged in unexpected way. Therefore, structural health monitoring (SHM) of these structures to provide the necessary maintenance has become critically important to our society and is an emerging technology in civil engineering. Especially nondestructive techniques that can detect, localize and characterize damage in the structure or assess the current condition of the structure are desired to develop for successful applications of SHM. The research detailed in this dissertation has complimentary efforts that seek to develop the nondestructive evaluation (NDE) techniques for concrete structures using Rayleigh waves. Those can be summarized as (1) analytical and numerical study of physical characteristics of Rayleigh wave propagation in solid media, (2) development of crack depth evaluation method in concrete structures, (3) development of improved Rayleigh wave velocity measurement technique, and (4) nondestructive strength gain evaluation of early-age concrete using Rayleigh wave velocity measurements.
To provide necessary background through the research, physical characteristics of Rayleigh wave propagation are studied firstly by reviewing wave propagation theory and performing numerical simulations.
Crack depth evaluation methods in concrete structures are presented in the first part of developments. These methods are based on the measurement of wave transmission in concrete structure. Self-calibrating technique is employed for reliable measurement of the wave transmission. Spectral energy method is proposed to estimate the depth of the crack from measured wave transmission function (TRF) in concrete slab. Experimental study to demonstrate the proposed method is performed on the reinforced concrete slab specimen in the University of Illinois at Urbana Champaign (UIUC). On the other hand, due to the difference in structural characteristics between slab and beam, the neural networks method incorporating principal component analysis is proposed instead of using the spectral energy method to evaluate the depth of crack in concrete beams. In this method, the measured wave TRF is reduced by operating principal component analysis, and then the reduced TRF is used as an input to the neural network systems. Experimental study is executed to show the effectiveness the proposed method.
Improved Rayleigh wave velocity measurement technique is presented to evaluate the strength and/or the elastic properties of concrete structure. In order to use the impact based one-sided technique (IBOST) in narrow testing zone, the maximum energy arrival concept with continuous wavelet transform (CWT) is proposed to measure the flight time of Rayleigh wave in the prescribed distance. Experimental study is conducted to demonstrate the effectiveness of the proposed method. Numerical simulation is presented for validation. Then the proposed method is applied to evaluate and monitor the strength gain of early-age concrete exposed to various curing conditions. Experimental study is performed to relate the Rayleigh wave velocity and strength of early-age concrete.
콘크리트 구조물을 포함한 토목 구조물은 물리적, 화학적, 환경적 요인 등에 의하여 시간에 따라 열화가 발생하게 되고, 손상을 입게 된다. 따라서, 이러한 구조물의 안전성과 사용성을 평가하여 적절한 보수/보강을 실시하는 한편, 구조물의 건전성을 감시하여 이로부터 합리적인 유지/관리를 수행함으로써 구조물을 장수명화하기 위한 스마트 구조 기술 및 구조 건전성 감시에 관한 연구가 큰 각광을 받고 있다. 특히, 구조물의 손상 유무와 위치, 크기 등을 평가할 수 있는 비파괴 평가 기법은 구조 건전성 감시 기술의 성공적 적용을 위해서 반드시 개발되어야 하는 중요한 부분이다.
본 연구는 레일리파를 이용하여 콘크리트 구조물의 비파괴 평가를 수행하기 위한 다양한 기법의 개발에 목적을 두고 있으며, 다음과 같이 그 내용을 요약할 수 있다.
우선 레일리파를 이용하여 콘크리트의 균열 및 강도를 평가하기 위해서 필요한 물리적 특성을 알아보기 위하여 콘크리트에서의 레일리파의 거동 특성에 관한 연구를 파동 전파 이론과 수치해석적 연구를 통하여 알아보았으며, 이로부터 레일리파를 이용하여 강도와 균열 평가를 수행할 수 있음을 알 수 있었다.
레일리파를 콘크리트의 표면 수직 균열 평가에 이용하기 위하여 자기 보정 표면파 투과 기법을 도입하였으며, 측정된 자기 보정 표면파 투과 함수를 이용하여 콘크리트 슬래브의 균열을 정량적으로 평가하기 위한 스펙트럴 에너지 투과비 (Spectral energy transmission ratio)를 제안하였다. 일리노이 주립 대학교에서 제작된 다양한 균열 깊이를 가진 콘크리트 슬래브를 이용하여 실험적인 연구를 수행하였으며, 이로부터 제안된 방법의 유효성을 알아보았고, 그 결과 제안된 방법이 균열 깊이 평가에 매우 유효한 방법임을 알 수 있었다.
한편, 콘크리트 슬래브에서의 균열 깊이 평가를 위한 스펙트럴 에너지 방법은 반사파 등에 의한 영향과 같은 3차원 효과로 인하여 콘크리트 보에 대해서는 적용하기가 어렵다. 따라서, 콘크리트 보의 균열 깊이 평가를 위하여 새로이 신경망 기법을 제안하였으며, 또한 신경망 기법의 효과적인 적용을 위하여 주성분 분석법을 이용한 표면파 투과 함수의 차원 축소 기법을 제안하였다. 주성분 분석법이 결합된 신경망 기법의 유효성을 검증하기 위하여 실험적인 연구를 수행하였으며, 이로부터 제안된 패턴인식적 접근법이 균열 깊이 평가에 있어서 유효한 방법임을 알 수 있었다.
한편, 레일리파의 속도를 콘크리트의 비파괴 강도 평가에 적용하기 위해 우선 콘크리트에서의 레일리파 속도 측정에 관한 개선된 기법을 개발하고자 하였다. 이를 위하여 신호 처리 기법인 연속 웨이블릿 변환을 최대 에너지 도달 개념과 접목하였으며, 이로부터 레일리파의 속도를 측정하는 방법을 제안하였다. 또한 제안된 방법의 유효성을 입증하기 위하여 실험적/수치해석적 연구를 수행하였으며, 이로부터 제안된 방법이 콘크리트에서의 레일리파 속도 측정에 있어서 기존 방법보다 매우 우수한 성능을 보이는 것을 알 수 있었다.
마지막으로 개발된 레일리파 속도 측정 기법을 초기 재령 콘크리트의 강도 발현 평가에 적용하고자 하였다. 이를 위하여 콘크리트의 양생 조건과 재령을 달리하여 레일리파의 속도를 측정하였으며, 측정된 레일리파 속도와 압축 강도 발현과의 비교를 위하여 압축 실험을 수행하였다. 이로부터 재령에 따른 레일리파 속도와 강도와의 상관 관계식을 구하였으며, 초기 재령 콘크리트의 강도 발현 평가에 레일리파 속도 측정법이 매우 유효함을 알 수 있었다.