Cracks in concrete are common defects that may enable rapid deterioration and promote early failure of structures. Therefore, the early detection, assessment, and repair of the cracks in concrete are very important for maintaining structural health. Recently, self-calibrating surface wave transmission method (Popovics et al., 2000) is a promising nondestructive technique for surface-breaking crack depth inspection. However, determination of the crack depth using the cut-off frequency in the transmission function (TRF) is difficult, in part due to variability of the measurement data. Moreover, since the Rayleigh wave velocity of the test structure should be known in the cut-off frequency determination to quantify the depth of the crack, an additional test is needed. This study aims to develop an alternative method considering the above-mentioned problems. In this paper, the spectral energy transmission method, which employs the self-calibrating configuration, is proposed for crack depth estimation in concrete structures. A calibration curve between the crack depth and the spectral energy transmission ratio has been suggested using experimental data on a concrete slab with varying crack depths. The proposed curve is validated and updated using additional experimental data collected on various concrete slabs with various conditions considering the effect of composition and water inside the concrete. For advanced study, the proposed method has been also applied to reinforced concrete structures with various crack depths. The results show that the proposed method does not need a calibration process at various test environments and various concrete conditions, and there is also a clear trend between the crack depth and the spectral energy transmission although the reinforcing bar produces an effect on the spectral energy transmission. Therefore, the proposed method has excellent potential as a practical and reliable in-situ nondestructive method for in-place crack depth estimation in concrete structures.
콘크리트 구조물에서의 균열 깊이를 추정하기 위해 통상적으로 사용되는 방법으로는 초음파의 전달시간 차이를 이용한 전파시간 기반의 방법이 있으나, 콘크리트의 재료적 특성상 전파시간에 왜곡이 발생하여 결과의 신뢰성이 높지 않기 때문에 현장에서는 거의 사용하지 않고 있는 실정이다. 한편, 최근에 자기보정기법을 이용한 표면파 투과법이 균열 깊이의 측정을 위하여 개발되었으며, 균열 깊이 산정에 있어서 신뢰성이 높은 방법임이 입증되었다. 그러나 이 방법은 임의의 주파수 영역에서 투과함수가 감소하는 특성을 이용하는 것이기 때문에 구조물의 재료나 형상, 외부 환경, 측정 시스템 등에 의한 영향으로 투과함수가 뚜렷한 감소 특성을 보이지 않을 경우 균열 깊이 산정에 어려움이 있다. 본 연구에서는 콘크리트 구조물에 발생한 균열의 깊이를 추정하기 위해 스펙트럼 에너지 투과기법을 제안하였다. 스펙트럼 에너지 투과기법은 자기보정기법을 이용하여 구한 투과함수를 주요 주파수 구간에서 적분하여 스펙트럼 에너지를 계산함으로써 균열 깊이를 추정하는 것으로, 투과함수의 주파수 의존성을 없애고 간편하게 균열 깊이를 추정할 수 있을 뿐만 아니라 레일리파 속도를 측정하기 위한 추가 실험이 필요하지 않다는 장점이 있다. 제안된 기법의 유효성 검증은 다양한 균열 깊이를 가지는 콘크리트 공시체에 대한 실험 결과를 이용하여 수행하였으며, 제안된 기법이 기존의 차단 주파수 기법과 전파시간 기반의 기법보다 신뢰성이 높음을 알 수 있었다. 또한 실제 현장에서의 적용성을 살펴보기 위하여 다양한 배합비를 가지는 콘크리트 실험체와 내부의 수분 함량이 다른 콘크리트 실험체에서 실험을 수행하였으며, 그 결과 제안된 기법이 콘크리트의 재료적 특성 차이에 큰 영향을 받지 않아 현장 적용성이 매우 우수함을 확인할 수 있었다. 뿐만 아니라 제안된 기법이 내부에 철근이 있는 경우에도 적용할 수 있는지의 여부를 살펴보기 위하여 철근 콘크리트와 무근 콘크리트에서 비교 실험을 수행하였으며, 결과의 진위성을 판단하기 위하여 유한요소해석 결과와 비교해 보았다. 실험 및 해석 결과로부터 철근 콘크리트 구조물에도 제안된 기법을 적용할 수 있다고 판단할 수 있었으며, 즉, 제안된 기법은 콘크리트의 재료적인 특성 차이나 외부 환경의 변화 등에 의한 보정과정 없이 적용할 수 있는 가능성을 가지고, 철근의 유무에 관계없이 모두 적용할 수 있는 매우 편리하고 효과적인 방법임을 알 수 있다.
