KR20150122012A - 콘크리트 내부의 철근 배근 상태 추정방법 및 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 철근 콘크리트를 파괴하지 않고 철근 배근 상태에 관한 정보를 파악할 수 있는 철근 배근상태 추정방법과 그 장치에 관한 것이다.
본 발명에 따른 철근의 배근상태 추정방법은, 기 철근 콘크리트 표면의 다수 위치에 인가된 전기신호의 응답신호 변화를 측정함으로써 콘크리트 내부의 철근 배근상태를 추정하는 것을 특징으로 한다.

Description

콘크리트 내부의 철근 배근 상태 추정방법 및 장치{ESTIMATING METHODE FOR THE STATUS OF BAR STEEL ARRANGEMENT IN THE CONCRETE AND THE APPARATUS FOR IT}

본 발명은 철근 콘크리트의 검사에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 철근콘크리트를 파괴하지 않고 철근이 배근된 위치, 철근직경 및 철근이 매설된 콘크리트 피복두께와 같은 철근 배근 상태에 관한 정보를 파악할 수 있는 철근의 배근상태 추정방법과 그 장치에 관한 것이다.

철근콘크리트는 콘크리트의 내부에 철근이 배열되어 콘크리트의 강도를 보강하도록 된 구조로서, 내구성 및 성형성의 장점으로 인해 현대의 건축에서 널리 사용되고 있다.

철근콘크리트 구조물은 우수한 내구성으로 인해 반영구적인 내구연한을 가진것으로 알려져 있지만, 실제 철근콘크리트 구조물은 표면의 균열이나 염소 이온, 이산화탄소 등이 표면으로부터 침투하여 내부에 배근된 철근의 부식을 촉진함으로써 그 내구성이 치명적으로 감소한다.

콘크리트의 철근 부식 정도를 측정하는 것은 구조물의 안전성을 점검하기 위한 필수적인바, 대한민국 특허등록 제0867114호와, 제0822369호의철근콘크리트 구조물의 안전진단을 위한 철근부식 확인장치가 제안되었다.

특허등록 제0867114호의 장치는, 철근 외주연에 부착고정되어 철근의 부식에 따라 외측으로 만곡되게 변형되는 광섬유관과, 광섬유관 상단에서 광섬유로 빛을 발산하는 투광틀과, 광섬유로 빛을 감지하는 수광틀과, 광섬유를 통해 광속을 체크하여 변동시 이를 알리는 제어부로 이루어져 있다. 상기 장치에 따르면, 철근 외주연 사방에 각각 부착고정된 광섬유관이 철근의 부식으로 인해 외측으로 변형 만곡되면, 투광틀에서 발상되는 광속과 수광틀에서 감지되는 광속의 차이 여부를 감지하여 철근의 부식여부를 판단한다.

그리고, 특허등록 제0822369호의 장치는, 철근의 외부를 감싸도록 끼워지는 탄성재질의 내부캡과, 철근이 관통하는 관통공이 상하방향으로 형성되며 하측에 지지부재가 삽입되는 삽입부가 형성되어 내부캡의 외부를 덮도록 철근에 끼워지는 외부케이스를 포함하는 하우징과; 상기 외부케이스와 내부캡 사이에 설치되어 내부캡이 팽창하는 것을 측정하는 압력감지수단과, 상기 압력감지수단 연결된 제어유닛과, 상기 제어유닛과 연결된 출력수단으로 이루어진다. 상기 장치에 따르면, 철근에 녹이 발생하면, 녹에 의해 하우징의 내부캡이 팽창하고 이를 제어유닛이 감지하여 철근의 부식을 판단한다.

하지만, 이와 같은 장치들은 모두 콘크리트 내부에 설치해야 하는 바, 콘크리트 타설시 함께 설치될 수 있을 뿐, 설치된 콘크리트 내부의 진단에는 사용할 수 없는 문제가 있다.

따라서, 콘크리트 구조물을 파괴하지 않고, 구조물의 표면에서 철근의 배근 위치와 같은 철근의 내부 상태 정보를 파악할 수 있는 방법이 필요한 실정이다.

대한민국 특허등록 제0867114호(발명의 명칭: 철근콘크리트 구조물의 안전진단을 위한 철근부식 확인장치) 대한민국 특허등록 제0822369호(발명의 명칭: 철근콘크리트 구조물의 안전진단을 위한 철근부식 확인장치)

따라서, 본 발명의 기술적 과제는 철근 콘크리트를 파괴하지 않고 철근이 배근된 위치와 같은 콘크리트 내의 철근 배근 상태에 관한 정보를 파악할 수 있는 철근의 배근상태 추정방법 및 장치를 제공하는 데 있다.

상기와 같은 기술적 과제를 해결하기 위하여 본 발명에 따른 철근의 배근상태 추정방법은, 상기 철근 콘크리트 표면의 다수 위치에 인가된 전기신호의 응답신호 변화를 측정함으로써 콘크리트 내부의 철근 배근상태를 추정하는 것을 특징으로 한다.

또한 본 발명에 있어서, 상기 철근 콘크리트의 길이방향을 따라 평행하게 배열되는 제1위치에서의 응답신호 변화를 측정함으로써, 응답신호가 측정된 제1위치 하방에서의 철근 배근 여부를 추정할 수 있다.

또한 본 발명에 있어서, 길이방향을 따라 일정한 구간에 걸쳐 응답신호 변화가 측정된 경우, 변화가 측정된 상기 제1위치와 서로 다른 각도를 이루며 배열되는 제2위치에서의 응답신호 변화를 측정함으로써, 제2위치 하방에서의 철근 배향 방향을 추정할 수 있다.

또한 본 발명에 있어서, 직하방에 철근이 배근되었다고 추정된 제1위치 또는 제2위치의 연장선 상에 서로 다른 구간 거리로 배열되는 제3위치에서의 응답신호 변화를 측정함으로써, 매설된 철근직경, 콘크리트 피복두께, 콘크리트 비저항, 철근 비저항 중 어느 하나를 추정할 수 있다.

또한 본 발명에 있어서, 아래의 비저항 추정모델(REM)을 이용하여 상기 응답신호의 변화를 해석하여 철근 배근상태를 추정할 수 있다.

또한 본 발명에 있어서, 상기 비저항 추정모델(REM)은 콘크리트와 철근의 영향이 복합된 겉보기 비저항치와 콘크리트만의 비저항치와의 비를 나타내는 겉보기 비저항율을 이용하여 상기 응답신호의 변화를 해석할 수 있다.

한편, 본 발명에 따른 철근의 배근상태 추정장치는, 철근 콘크리트의 표면에 접촉하여 전기신호를 인가하고 응답신호를 수신하는 접촉부, 및 상기 접촉부에 연결되어 전기신호를 발생하고 수신되는 응답신호의 변화를 측정하는 측정본체를 구비하는 것을 특징으로 한다.

또한 본 발명에 있어서, 상기 접촉부는 콘크리트의 표면에 전류를 인가하는 한 쌍의 전류 전극과, 인가된 전류에 따른 전압을 측정하는 한 쌍의 전압 전극일 수 있다.

또한 본 발명에 있어서, 상기 측정본체는 응답신호가 출력되는 표시부를 구비할 수 있다.

또한 본 발명에 있어서, 상기 표시부는 전극이 이동되어 설치되는 다수위치에서의 응답신호를 비교하여 출력할 수 있다.

또한 본 발명에 있어서, 상기 표시부는 응답신호가 수신되는 한 쌍의 접촉부 사이의 거리에 따른 철근 콘크리트의 길이방향 또는 폭방향으로 배열되는 다수위치에서의 응답신호를 비교하여 출력할 수 있다.

또한 본 발명에 있어서, 콘크리트 표면에서의 접촉부의 이동거리를 검출하는 센서모듈을 더 구비할 수 있다.

본 발명에 따른 철근 배근 상태 추정방법 및 장치는 다음과 같은 장점이 있다.

첫째, 본 발명은 철근 콘크리트 구조물을 파괴하지 않고도 내부의 철근의 배근 위치를 파악할 수 있어 건축물의 안정성 검사에 손쉽게 사용될 수 있다.

둘째, 본 발명은 콘크리트 내부에서의 철근 배근 위치는 물론, 철근의 배양 방향, 철근직경, 및 철근이 매설된 콘크리트 피복두께도 파악할 수 있어, 외부에서 용이하게 콘크리트의 내부 구조를 분석할 수 있다.

셋째, 본 발명은 철근의 배근 위치를 미리 파악함으로써, 이후 콘크리트 비저항과 철근의 부식여부를 진단하는 비저항 추정모델(REM)에 따른 추정값의 신뢰성을 높힐 수 있다.

도 1은 본 발명에 따른 철근의 배근상태 추정장치의 사용상태를 도시한 도면이다.
도 2는 철근 콘크리트의 표면에서의 전류 및 전압 전극 배치를 도시한 도면이다.
도 3은 본 발명에 따른 철근의 배근상태 추정장치의 블록도이다.
도 4는 본 발명에 따른 철근의 배근상태 추정방법의 흐름도이다.
도 5는 철근 콘크리트의 폭방향(Y축)에 평행하게 철근이 배근된 철근 콘크리트 표면에서의 응답신호의 측정을 설명하기 위한 도면이다.
도 6은 도 5에 따라 측정된 응답신호의 변화를 도시한 그래프이다.
도 7은 철근 콘크리트 폭방향(Y축)과 소정 각도로 이루며 철근이 배근된 철근 콘크리트 표면에서의 응답신호의 측정을 설명하기 위한 도면이다.
도 8은 도 7에서 철근 콘크리트 길이방향(X축)에 평행하게 배열된 제1위치에 서의 응답신호의 변화를 도시한 그래프이다.
도 9는 콘크리트 표면에서 도 8의 제1위치와 서로 다른 각도로 배열되는 제2위치를 설명하기 위한 도면이다.
도 10은 도 9의 제2위치에서의 응답신호의 변화를 도시한 그래프이다.
도 11은 철근이 배근되었다고 추정된 위치에서 폭방향을 따라 서로 다른 간격으로 배열되는 제3위치에서의 응답신호 측정을 설명하기 위한 도면이다.
도 12는 도 11의 제3위치에서 측정된 응답신호의 변화를 도시한 그래프이다.
도 13은 철근중심으로부터 거리에 따른 시료1~5 저항을 나타낸 그래프이다.
도 14는 비저항추정모델(REM)의 해석에 의해 철근직상부로부터의 거리에 따른 철근 콘크리트 피복두께의 영향을 설명하기 위한 그래프이다.
도 15는 비저항추정모델(REM)의 해석에 의해 철근직상부로부터의 거리에 따른 철근 직경의 영향을 설명하기 위한 그래프이다.
도 16은 비저항추정모델(REM)의 해석에 의해 철근직상부로부터 0.05m 떨어진 위치에서의 겉보기 비저항율의 변화를 도시한 그래프이다.

이하, 본 발명에 대하여 상세히 설명하기로 한다. 이에 앞서, 본 명세서 및 특허청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다.

도 1은 본 발명에 따른 철근의 배근상태 추정장치의 사용상태를 도시한 도면으로, 본 발명은 철근 콘크리트(30)의 표면에 접촉하는 접촉부(10)와, 접촉부(10)에 연결되는 측정본체(20)로 이루어진다.

접촉부(10)는 철근 콘크리트(30)의 표면에 접촉하여 전기신호를 인가하고 응답신호를 수신하는 구성으로, 콘크리트(30)의 표면에 전류를 인가하는 한 쌍의 전류전극(12)과, 인가된 전류에 따른 전압을 측정하는 한 쌍의 전압전극(11)으로 이루어질 수 있다. 도 2는 철근 콘크리트의 표면에서의 전류 및 전압 전극 배치를 도시한 도면으로, 도 2에 도시된 바와 같이 전압전극(11)과 전류전극(12)은 철근 콘크리트(30)의 표면 일직선 상에 등간격(a)으로 배치되는데, 외측에 배치된 전류전극(12) 사이에 전압전극(11)이 배치되어, 전류(I)가 인가됨에 따라 전압(V)이 측정된다.

측정본체(20)는 접촉부(10)에 연결되어 전기신호를 발생하고, 이로부터 수신되는 응답신호의 변화를 측정하는 구성으로, 이의 구성을 도시한 도 3을 참조하면 전원공급부(21), 저장부(22), 표시부(23), 제어부(24) 및 통신부(25)를 구비한다.

전원공급부(21)는 접촉부(10)의 전류전극(12)으로 전류를 공급하는 구성인데, 공급되는 전원은 교류 전원이 공급되어 임피던스에 따른 응답전압이 측정되는 것이 바람직하다.

저장부(22)는 철근콘크리트(30) 표면에 인가된 전류(I)의 크기 및 주파수, 응답신호인 전압(V)의 크기 및 주파수, 철근콘크리트(30) 표면에서의 전극(11,12)이 위치, 전극(11,12) 사이의 간격크기(a)가 저장되는 구성이다.

제어부(24)는 인가된 전류정보와 응답신호인 전압정보를 저장부(22)에 저장하고, 저장부(23)에 저장된 전압의 변화량을 비교하여 표시부(23)로 출력하는 구성이다. 제어부(24)는 응답신호가 수신된 철근콘크리트(30)의 위치를 후술하는 센서모듈(50)로부터 수신하여 저장부(23)에 저장하고 표시부(23)로 출력하는데, 응답신호의 변화가 발생한 위치를 연산하여 표시부(23)에 입체적인 화면으로 출력할 수도 있다.

표시부(23)는 응답신호를 출력하는 구성으로 LCD, LED로 이루어진 화면일 수 있다. 출력의 형태는 철근콘크리트(30) 표면에서 측정된 하나의 응답신호의 수치이거나, 다수의 표면에서 측정된 복수의 응답신호를 비교하여 나타낼 수 있는데, 이에 대해서는 후술토록 한다.

통신부(25)는 접촉부(10) 및 센서모듈(50)로부터 데이터를 송수신하기 위한 구성이다.

센서모듈(50)은 콘크리트(30)의 표면에서 전극위치 및 간격크기(a)를 측정하기 위하여 구비되는 것으로, 전극(11,12)에 일체로 설치되거나 철근콘크리트(30)의 표면에 설치될 수 있다. 센서모듈(50)은 광 커플러와 같은 소자로 이루어질 수 있으며, 측정본체(20)의 통신부(24)에 연결되어 측정한 데이터를 전송한다.

도 4는 본 발명에 따른 철근의 배근상태 추정방법의 흐름도이고, 도 5는 철근 콘크리트의 폭방향(Y축)에 평행하게 철근이 배근된 철근 콘크리트 표면에서의 응답신호의 측정을 설명하기 위한 도면이다. 이하, 도 4,5를 참조하여 철근콘크리트 내부 철근의 배근상태를 추정하는 방법을 이하 설명한다.

측정하고자 하는 철근콘크리트(30)의 표면에 전압 및 전류전극이 설치되는데(S100), 도 2 및 5에 도시된 바와 같이, 외측에 배치된 전류전극(12) 사이에 전압전극(11)이 직선을 이루며 설치된다.

그런 다음, 측정본체(20)의 전원공급부(21)로부터 철근콘크리트(30)의 표면에 전류(I)가 인가되어 응답신호인 전압(V)이 측정되는데(S200), 이때 관련 데이터 즉, 인가된 전류(I)의 크기 및 주파수, 응답신호인 전압(V)의 크기 및 주파수, 철근콘크리트(30) 표면에서의 전극 위치, 및 전극 사이의 간격크기(a) 등은 측정본체(20)의 저장부(22)에 저장된다.

측정이 완료되면, 도 5에 도시된 바와 같이 콘크리트(30)의 길이방향(도 5의 X축)을 따라 상기 단계(S100 및 S200)를 반복하여, 길이방향을 따라 다수개로 평행하게 배열되는 제1위치(L₁,L₂,...L_N)에서의 응답전압(V)을 측정한다(S300).

이때, 이동되는 전극위치는 센서모듈(50)에 의해 측정되어, 응답전압(V)과 함께 측정본체(20)로 전송되고, 길이방향에 따라 측정이 완료되면 제어부(24)는 측정된 응답전압(V)을 비교하여 표시부(23)로 출력한다. 출력의 형태는 수치로 나열하거나 그래프로 출력할 수 있는데, 도 6에는 상기 제1위치에 따라 측정된 응답전압(V)의 변화가 그래프로 도시되어 있다.

제1위치(L₁,L₂,...L_N)에서의 응답전압(V)이 측정되면, 비저항 추정모델 (REM: Resistivity Estimation Method)을 이용하여 철근(40)이 매설된 위치를 추정할 수 있다.

비저항 추정모델(REM)은 비저항의 매질로 이루어진 반무한의 공간인 콘크리트 내에 철근(40)과 같은 원통형 모델이 콘크리트 표면으로부터 소정 깊이에 묻혀 있을 때, 철근(40)이 매설된 콘크리트 표면에 공급한 전류(I)에 의해 발생하는 응답전압(V)을 이론적으로 산출할 수 있는 아래와 같이 표현되는 수학적 모델이다.

위 비저항 추정모델(REM)를 이용하면, 측정영역에서 철근(40)의 영향, 즉 콘크리트와 철근의 영향이 복합된 겉보기 비저항치와 콘크리트만의 비저항치와의 비인 겉보기 비저항율의 차이에 따른 응답전압(V)의 변화를 측정함으로써 철근(40)이 매설된 위치를 추정할 수 있다.

즉, 도 6에 도시된 바와 같이 콘크리트의 중앙인 N/2 지점에서는 철근(40)의 영향이 증가하여 겉보기 비저항율도 작아져 응답전압(V)이 작은 반면에, 이외의 영역(0~N/2 , N/2 ~N)에서는 철근(40)의 영향정도가 극미하여 겉보기 비저항율이 커서 응답전압(V)이 크게 된다. 따라서, 응답전압(V)의 변화가 발생한 N/2지점 하방에서 철근의 배근을 추정할 수 있다.

한편, 콘크리트의 폭방향(Y축)에 평행하게 철근이 매설된 도 5와 달리, 도 7은 폭 방향(Y축)과 소정 각도(_K)를 이루며 수평방향으로 경사지게 배근된 철근(40)이 도시되어 있다.

도 7의 경우, 제1위치(L₁,L₂,...L_N)에서의 응답전압(V) 측정 시 경사지게 배근된 철근(40)으로 인해, 도 8에 도시된 바와 같이 콘크리트 길이방향을 따라 일정한 구간(N/3 ~ 2N/3)에 걸쳐 응답신호의 변화가 측정된다. 본 발명에 따르면, 도 9에 도시된 바와 같이 변화가 측정된 철근 콘크리트 표면에서 상기 제1위치(L₁,L₂,...L_N)와 서로 다른 각도를 이루는 제2위치(θ₁,.θ_K,.θ_N)에 전극(11,12)을 설치하여 응답전압(V) 변화를 측정한다. 도 10에는 제2위치(θ₁,.θ_K,.θ_N)에서 측정된 응답전압(V)의 변화가 그래프로 도시되어 있다.

제2위치(θ₁,.θ_K,.θ_N)에서의 응답전압(V)이 측정되면, 상술한 비저항 추정모델(REM)을 이용하여 철근(40)의 배향각을 추정할 수 있다.

즉, 도 10에 도시된 바와 같이, 철근(40)의 경사각(_K)과 동일하게 배향된 영역에서 철근(40)의 영향이 증가하여 겉보기 비저항율도 작아져 응답전압(V)이 작은 반면에, 이외의 영역(0~θ_K ,θ_K~θ_N)에서는 철근(40)의 영향정도가 극미하여 겉보기 비저항율이 커서 응답전압(V)이 크게 된다. 따라서, 응답전압(V)의 변화가 발생한 경사각(_K)으로 철근의 배향을 추정할 수 있다.

한편, 본 발명에서의 콘크리트(30)의 길이방향이라 함은, 응답전압(V)의 급격한 변화(도 6참조)가 측정되는 방향(도 5의 X축)으로서, 응답전압(V)의 변화가 미미한 타측 방향(도 5의 Y축)과 구별되는데, 이는 최초 콘크리트 표면에서 양 방향 측정을 통해 구분할 수 있다.

철근(40)의 매설위치와 배향각이 추정되면 그 하부에 매설된 콘크리트 피복두께와 철근(40) 직경 또한 추정할 수 있다.

제1위치(L₁,L₂,...L_N)의 측정에 따라 철근(40)이 배근되었다가 추정된 콘크리트 표면에서, 제2위치(θ₁,.θ_K,.θ_N)의 측정을 통해 직하방에 철근이 배근되었다고 추정된 콘크리트(30) 표면에 전극을 배치한 후(S400), 폭방향(Y축)을 따라 배열되는 제3위치(M₁,M₂,...M_N)에서의 응답전압(V)을 측정한다(S500). 제3위치(M₁,M₂,...M_N)는 제1위치 또는 제2위치의 연장선 상에, 도 11에 도시된 바와 같이, 서로 다른 간격(a₁<a₂<a₃)으로 배열된다. 제3위치(M₁,M₂,...M_N)에서의 측정이 완료되면, 제어부(24)는 측정된 응답전압(V)을 비교하여 표시부(23)로 출력한다.

도 12는 도 11을 통해 측정된 응답전압(v)의 변화를 도시한 그래프이다. 도 12를 참조하면, 전압전극(11)의 간극이 a1,a2인 경우는 응답전압의 변화가 적으나, 간격이 a3로 되면 철근(40)의 영향으로 응답전압(V)의 상당한 변화가 있음이 도시되어 있다. 이 역시, 비저항 추정모델(REM)의 해석에 의해, 전극 간격크기(a)에 따른 철근(40)의 영향에 따른 것이다.

즉, 전극간격이 좁은 a1,a2에서는 측정영역에 포함되는 철근의 영향정도가 극미하여 겉보기 비저항율이 커서 응답전압(V)이 크지만, 전극간격이 넓은 a3에서는 측정영역에 포함되는 철근의 영향이 증가하여 겉보기 비저항율도 작아져 응답전압(V)이 작다. 이와 같은 응답전압(V) 변화의 측정을 통해, 철근직경과 콘크리트 피복두께를 추정할 수 있는데, 이는 후술하는 실험예에서 자세히 설명된다.

본 발명에 따르면, 비저항 추정모델 (REM)을 이용하여 철근(40)이 매설된 콘크리트의 표면에서 겉보기 비저항치에 미치는 철근의 영향을 분석함으로써 철근의 배근 상태 즉, 철근의 위치, 배향방향을 물론, 철근직경 및 철근이 매설된 피복두께 등에 대해 보다 신뢰성있는 추정을 할 수 있다.

<실험예>

물시멘트비(W/C=60)인 모르타르를 사용하여 철근콘크리트 시료를 제작하였다. 모르타르는 포틀랜트 시멘트와 강모래를 사용하고 타설 24시간 후 탈형하여 수중 20°온도에서 45일간 양생하였다. 철근은 콘크리트의 중앙 직하방에 길이방향으로 나란하게 배근하되, 아래 표1에 도시된 바와 같이 피복두께(T)과 직경()을 달리하여 5종류의 시료를 제작하였다.

측정전극은 비저항 8.3×10^-6의 전도성 겔을 직경 3mm정도의 넓이로 시료 표면의 측정위치에 도포하고, 그 위에 직경1mm 동선을 올려놓고 전극이 움직이지 않도록 고정하였다. 전극은 외측에 두 개의 전류전극과 내측에 두 개의 전위전극을 직선상에 배치하되 등간격(a)으로 설치하여 측정하였다. 전극은 철근의 직상부를 중심으로 좌우 0.14m로 측정범위를 설정하였다. 또한, 전극 간격(a)을 20, 30, 40mm로 달리하여 측정하였다. 주파수가 100 Hz인 1mA의 교류전원을 시료에 인가하여 전압전극을 통해 응답신호를 측정하여, 철근중심으로부터 거리에 따른 저항을 나타낸 결과가 도 13이다. 도 13에 나타난 바와 같이, 철근 직상부에서의 저항은 각 전극간격에서 가장 낮은 비저항을 보였다. 이것은 철근 직상부가 콘크리트만이 존재하는 바깥쪽의 영역보다 비저항이 낮은 철근의 영향을 가장 크게 받고 있음을 나타내는 것으로, 콘크리트 표면에서 전기 응답신호의 측정으로 철근 배근 위치를 추정할 수 있었다.

<비저항 추정모델(REM)에 따른 콘크리트 내부 철근 상태 해석>

비저항 추정모델(REM)을 이용하여 콘크리트 내부 철근 상태를 아래와 같이 해석하였다. 먼저, 철근길이 방향과 측정전극을 평행하게 배열시키는 것으로 가정하고 철근직상부에서 원거리로 측정위치가 이동할 때의 상대적 위치관계에 따른 응답전압 및 저항의 변화를 검토하였다. 해석조건은 콘크리트의 비저항을 100Ω·m로, 철근의 비저항을 0Ω·m로 가정하고 1mA의 전류를 측정위치에 통전시키는 것으로 가정하였다. 측정위치는 철근직상부를 중심으로 좌우 0.2m의 거리내 (-0.2m ~ +0.2m)를 측정범위로 설정하였다.

1. 콘크리트 피복두께에 의한 영향

철근직경은 Φ10(0.01m)로, 콘크리트 피복두께는 d10(0.01m), d20(0.02m) 및 d30(0.03m)로 변화시켜 응답전압 및 저항을 추정하였다. 전극간격은 0.01m, 0.03m 및 0.05m로 3간격으로 설정하였다.

먼저 도 14의 a)는 d10-Φ10 (피복두께 d=0.01m, 철근직경 Φ=0.01m)의 응답전압에 대한 해석결과로서, 철근중심으로 측정위치를 이동함에 따라 응답전압이 감소하고 철근부근에서 급격히 낮아져 철근직상부에서는 응답전압이 최저치를 나타내고 있다. 하지만 측정위치가 철근직상부에서 먼 ±0.2m의 위치로 이동할수록 응답전압이 일정한 값에 수렴하고 있다.

이는 모든 전극간격에 유사한 경향을 보이며 철근의 영향이 철근부근에 가까워짐에 따라 급격히 증가하고, 멀어짐에 따라 철근의 영향이 감소되어 콘크리트만의 영향이 남는다는 것을 확인할 수 있다.

도 14의 c)와 e)에서는 피복두께가 증가함에 따라 철근직상부에서의 응답전압이 증가하고 있는데 이것은 피복두께 증가에 의해 측정영역 내 철근의 영향이 감소하고 콘크리트의 영향이 증가한 결과로 해석할 수 있다. 하지만 측정위치가 바깥영역으로 이동하면 콘크리트만의 영향에 의해 전극간격별 일정한 값에 수렴하고 있다는 것을 알 수 있다.

다음은 그림 도 14의 b), d) 및 f)의 콘크리트 피복두께 변화에 따른 겉보기비저항의 해석결과를 살펴보면 측정위치에 따른 겉보기비저항의 변화에서도 철근직상부에서 원거리로 이동함에 따라 측정 영역내 철근의 영향은 감소하고 콘크리트의 영향만 남아 모든 전극간격의 겉보기비저항이 콘크리트의 비저항 100Ω·m에 수렴하고 있다는 것을 알 수 있다.

또한 피복두께의 증가에 따라 전극간격별 겉보기비저항의 해석치도 응답전압의 결과와 같이 비저항측정 영역내 철근의 영향이 감소하고 콘크리트의 영향이 증가하고 있음을 보여준다.

2. 철근직경에 의한 영향

피복두께를 d30(0.03m)로 가정하고 철근의 직경을 Φ13(0.013m), Φ19(0.019m) 및 Φ25(0.025m)로 변화시켜 측정위치에 따른 응답전압 및 겉보기비저항을 추정하였다. 전극간격은 0.02m, 0.03m 및 0.04m로 설정하였다. 도 15의 a), c) 및 e)에서 보는 것과 같이 응답전압의 변화는 철근직경이 증가하고 철근부근에 가까워짐에 따라 응답전압이 작아지고 있다. 이것은 측정영역내 철근의 기하학적 영역이 증가한 것에 기인한 것으로, 반대로 철근직상부에서 멀어질수록 철근의 영향이 감소하고 콘크리트만의 영향이 나타나 응답전압은 전극간격별 일정한 값에 수렴하고 있다.

겉보기비저항의 변화는 도 15의 b), d) 및 f)에서 보는 바와 같이 철근부근에서는 철근의 직경이 증가함에 따라 응답전압의 변화처럼 측정영역내 철근의 영향증가로 겉보기비저항이 작아지고 있다. 하지만 철근에서 멀어질수록 콘크리트의 영향만이 측정에 영향을 미쳐 전체 전극간격에서 그림 도 15의 b), d) 및 f)에서와 같이 콘크리트 비저항인 100Ω·m에 수렴하고 있음을 알 수 있다.

3. 겉보기 비저항율

콘크리트와 철근의 영향이 복합된 겉보기 비저항치와 콘크리트만의 비저항치와의 비를 통해 겉보기 비저항율을 산출하였다.

도 16는 도 14과 도 15의 해석결과를 토대로 철근직상부로부터 0.05m 떨어진 위치에서의 겉보기 비저항율을 산출한 결과이다. 도 15의 a)는 특정위치(철근직상부에서 0.05m위치)에서 콘크리트 피복두께 변화에 따른 겉보기 비저항율의 추이를 나타내고 있다. 피복두께가 증가함에 따라 측정영역내 콘크리트의 영향이 증가하고 철근의 영향은 감소하여 겉보기 비저항율은 증가하는 경향을 나타내고 있다.

한편, 전극간격이 좁은 0.01m에서는 측정영역에 포함되는 철근의 영향정도가 극미하여 겉보기 비저항율이 피복두께 3종류 모두 0.99로 거의 차이가 없었지만 전극간격이 0.05m에서 겉보기비저항율은 피복두께 d10(0.01m)는 0.82, d20(0.02m)는 0.76, d20(0.03m)는 0.70로 전극간격이 넓어짐에 따라 측정영역에 포함되는 철근의 영향이 증가하여 겉보기 비저항율도 명확한 차이를 나타내며 감소하고 있다.

도 16의 b)는 철근직경 변화에 의한 겉보기 비저항율을 분석한 결과로 콘크리트 피복두께의 해석결과에서와 같이 전극간격이 증가할수록 측정영역에 포함되는 철근의 영향이 증가하였으며 철근직경이 증가할수록 겉보기 비저항율이 감소하는 것을 알 수 있다.

특히 이 겉보기 비저항율의 추정은 주변 철근의 영향정도를 정량적으로 산출할 수 있어 철근의 부식 환경을 나타내는 콘크리트의 비저항 추정에 철근의 영향을 고려하거나 철근 탐상시 철근의 위치정보를 제공해 줄 수 있을 것으로 판단된다.

이상 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 일 실시예에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.

10: 측정부 11: 전압전극 12: 전류전극
20: 측정본체 21: 전원공급부 22: 저장부
23: 표시부 24: 제어부 25: 통신부
30: 철근 콘크리트 40: 철근 50: 센서모듈
L₁,L₂,...L_N : 제1위치 θ₁,.θ_K,.θ_N : 제2위치
θ_K : 경사각 M₁,M₂,...M_N : 제3위치 a: 전극 간격 크기

Claims (12)

1. 철근 콘크리트 내부에 철근의 배근상태를 추정하는 방법으로서,
   상기 철근 콘크리트 표면의 다수 위치에 인가된 전기신호의 응답신호 변화를 측정함으로써 콘크리트 내부의 철근 배근상태를 추정하는 것을 특징으로 하는 철근의 배근상태 추정방법.
2. 제1항에 있어서,
   상기 철근 콘크리트의 길이방향을 따라 평행하게 배열되는 제1위치에서의 응답신호 변화를 측정함으로써, 응답신호가 측정된 제1위치 하방에서의 철근 배근 여부를 추정하는 것을 특징으로 하는 철근의 배근상태 추정방법.
3. 제2항에 있어서,
   길이방향을 따라 일정한 구간에 걸쳐 응답신호 변화가 측정된 경우, 변화가 측정된 상기 제1위치와 서로 다른 각도를 이루며 배열되는 제2위치에서의 응답신호 변화를 측정함으로써, 제2위치 하방에서의 철근 배향각을 추정하는 것을 특징으로 하는 철근의 배근상태 추정방법.
4. 제3항에 있어서,
   직하방에 철근이 배근되었다고 추정된 제1위치 또는 제2위치의 연장선 상에 서로 다른 구간 거리로 배열되는 제3위치에서의 응답신호 변화를 측정함으로써, 매설된 철근직경 또는 콘크리트 피복두께를 추정하는 것을 특징으로 하는 철근의 배근상태 추정방법.
5. 제1항 내지 제4항에 있어서,
   아래의 비저항 추정모델(REM)을 이용하여 상기 응답신호의 변화를 해석하여 철근 배근상태를 추정하는 것을 특징으로 하는 철근의 배근상태 추정방법.
   

   
6. 제5항에 있어서,
   상기 비저항 추정모델(REM)은 콘크리트와 철근의 영향이 복합된 겉보기 비저항치와 콘크리트만의 비저항치와의 비를 나타내는 겉보기 비저항율을 이용하여 상기 응답신호의 변화를 해석하는 것을 특징으로 하는 철근의 배근상태 추정방법.
7. 철근 콘크리트 내부에 철근의 배근상태를 추정하는 장치로서,
   철근 콘크리트의 표면에 접촉하여 전기신호를 인가하고 응답신호를 수신하는 접촉부; 및
   상기 접촉부에 연결되어 전기신호를 발생하고 수신되는 응답신호의 변화를 측정하는 측정본체; 를 구비하는 것을 특징으로 하는 철근의 배근상태 추정장치.
8. 제7항에 있어서,
   상기 접촉부는 콘크리트의 표면에 전류를 인가하는 한 쌍의 전류 전극과, 인가된 전류에 따른 전압을 측정하는 한 쌍의 전압 전극인 것을 특징으로 하는 철근의 배근상태 추정장치.
9. 제7항에 있어서,
   상기 측정본체는 응답신호가 출력되는 표시부를 구비하는 것을 특징으로 하는 철근의 배근상태 추정장치.
10. 제9항에 있어서,
    상기 표시부는 전극이 이동되어 설치되는 다수 위치에서의 응답신호를 비교하여 출력하는 것을 특징으로 하는 철근의 배근상태 추정장치.
11. 제10항에 있어서,
    상기 표시부는 응답신호가 수신되는 한 쌍의 접촉부 사이의 거리에 따른 철근콘크리트의 길이방향 또는 폭방향으로 배열되는 다수 위치에서의 응답신호를 비교하여 출력하는 것을 특징으로 하는 철근의 배근상태 추정장치.
12. 제11항에 있어서,
    콘크리트 표면에서의 접촉부의 이동거리를 검출하는 센서모듈을 더 구비하는 것을 특징으로 하는 철근의 배근상태 추정장치.

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