As growing up of the industry, concrete structures have become bigger and older. The strength estimation and safety assessment of concrete is getting more important for the maintenance of existing structures, and have been studied in various civil engineering practices, including rebound hammer, probe penetration, ultrasonic pulse velocity (UPV), maturity, and cast-in-place cylinder. Among those, the wave velocity based methods are very attractive because of its cost effectiveness, nondestructiveness and simple configuration. The UPV method has been widely used for evaluating the strength of concrete structures, but it is hard to get the exact velocity because the wave propagation velocity is calculated by direct travel time measurement.
Impact Echo (IE) is a non-destructive test for obtaining internal flow, thickness and quality of structure using P-wave reflections. Spectral Analysis of Surface Waves (SASW) method has been used for determining shear wave velocity profile in layered media. This thesis focused on the development of the instrument for IE and SASW methods and field applications of IE and SASW methods for assessment of concrete structures.
The optimized testing system was developed by considering the characteristics of each method and the testing program for IE and SASW tests were developed based on Matlab.
In the IE method, P-wave velocity was determined in the frequency domain with the known wall thickness. In the SASW method, dispersion curve which is the relation between phase velocity and wavelength (or frequency) is determined. Then the representative average surface wave velocity was found using a sequence of statistical operations and P-wave velocity is derived using the Poisson's ratio of concrete structure.
To verify the feasibility of the IE and SASW methods, field tests were performed. Both IE and SASW methods were performed to make a relation between P-wave velocity and concrete strength on four wall-type concrete structures having different design strengths. UPV methods were also performed at the same testing points to compare with IE values. The uniaxial compression tests were performed to measure concrete strength using cores from all testing points. IE and SASW methods were also performed at the column-type concrete structures to study the applicability on columns.
The velocities measured by IE at the cores and the other velocities measured by IE at walls of the structures are compared and the relation between Rod-wave velocity and P-wave velocity was obtained. P-wave velocity measured by IE and P-wave velocity calculated by SASW are also compared and both velocities match well, it confirms the feasibility of IE and SASW methods. The relation between the P-wave velocity and concrete strength was proposed at the wall-type structure and compared with existing empirical relationships. Even though the result has same difference from the empirical relationships due to aging and frequency effects, it shows the reasonable trend. Finally IE and SASW methods were applied to column type structure and the feasibility of both methods were verified.
From the results, IE and SASW methods show the potentials to assess the quality and strength of concrete structures. Further studies should be done to investigate the effects of aging and frequency for concrete strength evaluation and to apply IE and SASW methods for various concrete structures.
산업이 발달함에 따라, 콘크리트 구조물들은 거대화 되어가고, 기존의 구조물들은 노후화 되어가고 있다. 이에 따라 콘크리트 구조물의 강도 예측이나 안전성 평가들은 기존 구조물의 유지 관리에 있어 중요한 항목임은 틀림없다. 실제로 이러한 항목들의 올바르게 평가를 위해 많은 연구들이 수행되어왔으며, 그 중에 파속도를 이용하는 방법은 경제적 측면, 비파괴 측면, 실험 수행의 간편성 등 여러 이유로 주목 받고 있다. 특히 직접 도달 시간 측정법으로 파의 전파 속도를 구하는 초음파 음속법은 콘크리트 구조물 평가 분야에서 널리 쓰이고 있지만, 정확한 파의 속도를 얻기는 힘들다.
충격반향기법은 P파의 다중 반사를 이용하여 매질 내부의 결함이나 구조물의 두께, 상태까지 측정 할 수 있는 비파괴 시험법이다. 또한 표면파기법(SASW)은 층을 가지는 매질의 전단 속도 주상도를 획득하는데 이용되어져 왔다. 본 논문은 충격반향기법과 표면파 기법을 수행하기 위한 테스트 시스템을 개발하고, 콘크리트 평가를 위한 현장 적용에 초점을 맞출 것이다.
각 기법의 특징을 고려하여 최적화된 테스트 시스템을 개발하고 Matlab을 기반으로 하는 각 기법의 프로그램도 적용하였다.
두께를 아는 벽체일 경우, 충격반향기법에서의 P파 속도는 주파수 영역에서 쉽게 결정 될 수 있다. 표면파 기법의 경우, 위상속도와 파장간의 관계를 나타내는 분산 곡선을 결정하고, 일련의 통계적인 계산을 통해 대표 평균 분산곡선을 결정한 후, 콘크리트의 포아송비를 이용하여 P파 속도를 산출한다.
충격반향기법과 표면파기법의 적용성을 확인하기 위하여 서로 다른 설계 강도를 가지는 4개의 벽체 구조물과 3개의 기둥 구조물에서 두 실험이 수행되었다.
우선 벽체 구조물에서는 두 기법 외 초음파 음속법을 이용하여 결과를 비교하였고, 실험이 수행된 지점에서 코어를 채취하여, 충격반향기법을 수행 후 콘크리트 압축 강도를 획득하였다. 코어에서의 충격반향기법을 통해 구해진 속도와 벽에서 충격반향기법을 통해 구해진 속도를 비교하였다. 여기서 두 속도는 각각 막대파와 P파 속도이다. 충격반향기법을 통해 구한 P파 속도와 표면파 기법을 통해 구한 P파 속도도 서로 비교하였고, 그 두 속도는 거의 일치했으며, 이로써 두 기법의 적용성을 확인 하였다. 이렇게 구해진 P파 속도와 콘크리트 강도와의 관계를 제안하였고, 기존의 강도 추정식과 비교하였다. 비록 재령효과나 주파수 영향에 의해 기존의 추정식과 약간의 차이를 보이나, 경향성은 확인 할 수 있었다. 기둥 구조물에서 수행된 결과로 충격반향기법과 표면파 기법의 적용성을 확인할 수 있었다.
이러한 결과들로 충격반향기법과 표면파기법의 콘크리트의 강도와 상태를 평가에 대한 가능성을 확인 하였다. 강도 추정에 있어서 재령이나 주파수 영향에 대해 추후 연구가 수행되고, 다양한 형태의 구조물에서 본 실험들이 수행된다면, 실제 콘크리트 구조물의 상태를 평가하거나 강도를 추정함에 있어 현장에서 폭 넓게 활용될 수 있을 것으로 기대된다.
