적외선 영상을 이용한 벽체 내 철근 탐지 기법 개발

Steel Tendon Detection in Reinforced Concrete Structures Using Infrared Thermography

Article information

J. Korean Soc. Hazard Mitig. 2017;17(6):341-349
Publication date (electronic) : 2017 December 31
doi : https://doi.org/10.9798/KOSHAM.2017.17.6.341
유승권*, 조남준**, 김현기
* Member, Research Assistant, Department of Civil and Environmental Engineering, Kookmin University
** Professor, Department of Civil and Environmental Engineering, Kookmin University
***Corresponding Author, Member, Associate Professor, Civil and Environmental Engineering, Kookmin University (Tel: +82-2-910-4692, Fax: +82-2-910-4939, E-mail: geotech@kookmin.ac.kr)
Received 2017 October 20; Revised 2017 October 25; Accepted 2017 October 30.

Abstract

본 연구는 콘크리트 표면에서 촬영한 적외선 영상을 이용하여 콘크리트 벽체 내에 근입된 철근을 탐지할 수 있는 비파괴 검사 기법을 제안하였다. 열적 확산현상에 의해 시간에 따른 표면 온도 변화는 벽체 배면부의 열적 특성이 어떻게 변화하는지를 반영하게 된다. 이를 위해 철근의 근입 깊이가 서로 다른 벽체를 다수 제작하여 실험하였고, 실험결과의 검증을 위해 수치해석을 병행하여 수행했다. 분석결과 근입 깊이가 2 cm 이내인 경우에는 벽체내부의 철근에 의해 발생하는 표면온도의 변화가 적외선 영상을 통해 확인되었으나, 근입 깊이가 그 이상이 되면 표면온도의 측정오차로 인해 철근으로 인한 영향을 정량적으로 평가하는 것이 어려운 것으로 나타났다.

Trans Abstract

A non-destructive testing method is proposed to detect the steel tendons embedded in the concrete wall structures using infrared images taken on the surface of the concrete wall. Based on the thermal diffusion process, the surface temperature changes of the concrete wall exposed to the designed heat source with time can reflect the spatial distribution of the thermal characteristics underneath the measured surface. The concrete walls with the steel tendon of different depths are prepared and tested. Numerical simulations are also conducted to confirm the experimental results. Results show that the steel tendon embedded within 2 cm depth can be detected with the thermal images taken on the concrete wall surface but the irregular measurement noises overwhelm the surface temperature differences due to the steel tendons, which are embedded deeper than 2cm.

1. 서론

1.1 연구배경 및 목적

옹벽은 도로인접사면, 산을 등진 아파트 및 빌라, 항만, 교대, 철도 등에서 작용하는 횡방향 토압을 지지할 수 있도록 설치하는 벽체 구조물로서 주로 구조적으로 안정된 철근콘크리트가 다수 사용되고 있다. 그러나 옹벽 구조물의 노후화로 인해 이들의 붕괴사고가 매년 수차례 이상 보고되고 있으며 심한 국지성 강우로 인해 향후 10년이 지나면 옹벽 붕괴와 관련된 재난이 현재보다 2배 이상 늘어날 것으로 우려되고 있다(Jang et al., 2012; Kim et al., 2014).

그리고 과거에 시공된 많은 도시 내 노후 시설물들은 설계도면이 명확히 있지 않아 보수 보강하는 것을 더욱 어렵게 하고 있다. 한국시설안전공단의 조사에 따르면 조사 대상 옹벽 시설물 1,290개 가운데 약 42%가 지어진 지 30년 이상 된 것으로 나타났으며, 이러한 시설물들은 정기 점검 및 보수 보강이 시급한 것으로 확인되었다(Korea Infrastructure Safety Corporation, 2017).

2012년 양천구 신월 7동에 위치한 약 20여년 된 노후옹벽에서 갑자기 배부름현상이 관측되면서 긴급 보수를 실시하였는데, 옹벽 인근에 200가구가 거주하고 있어 옹벽 붕괴시 인명피해와 추가 재해 발생에 대한 위험이 매우 큰 경우라고 할 수 있다. 2013년 7월에는 서울시 녹번동과 불광동에서 집중호우로 인해 노후화된 옹벽이 붕괴되면서 인명피해가 발생하였다. 2015년 2월에는 광주광역시 봉선동에서는 지어진지 22년 된 높이 15 m, 길이 30 m 가량의 옹벽구조물이 붕괴되면서 인근에 주차된 차량 30여대가 매몰되었고 자칫 큰 인명피해가 일어날 수도 있었던 사고가 발생하였다.

그런데 이러한 붕괴가 발생한 옹벽 내부를 관측한 결과 내부에 반드시 있어야 할 철근이 적절하게 매설되어 있지 않아 위에서 언급한 바와 같은 붕괴 사고로 이어진 경우가 적지 않다. 이에 본 연구에서는 철근 콘크리트 내부에 철근이 제대로 매설이 되어 있는지 아닌지를 평가할 수 있는 비파괴 검사 기법을 제안하고자 한다.

현재 사용되고 있는 콘크리트 벽체 내 철근을 탐지하는 비파괴평가기법으로 지표레이더탐사법(GPR), 탄성파탐사법, 전자파법, 자기법, 방사선법 등이 있다. 그러나, 탐사를 하는데 있어서 탐지 장치를 측정 대상 구조물에 직접적으로 접촉하거나 혹은 매우 가까운 거리에 위치해야만 측정이 가능한 경우가 대부분이고 이에 사용하는 장비들이 전자기파를 송수신 할 수 있는 장비다보니 장비 자체의 가격도 매우 고가이고 이를 운용하는데 있어서도 능숙한 전문가가 필요한 점이 있다. 게다가 그럼에도 불구하고 측정결과의 정확도나 신뢰도가 측정 주변의 환경에 따라 매우 낮게 나타날 수 있는 단점이 있다.

이에 본 연구에서는 적외선영상을 이용한 RC구조물내 철근 탐지 기법을 제안하고자 한다. 이 적외선 영상 기법은 주로 전자부품 및 자동차 등 정밀 분야에서 결함 추정 등에 활용되어 왔는데 최근 토목분야에서 아스팔트 포장, 콘크리트 구조물의 표면 및 내부 결함 등을 탐지하는 비파괴 기술로 다양하게 시도되고 있다(Sim and Kim, 2015).

1.2 이론적 배경

1.2.1 우리나라 노후 옹벽 관리 현황

한국시설안전공단에서는 2017년 4월에 우리나라의 노후 공공시설물에 대한 관리현황 자료를 발표하였는데, 공동주택을 제외하고 30년 이상 노후화된 시설물이 총 3,094개이고 이 가운데 옹벽은 158개, 건축물은 289개, 교량은 746개, 댐은 347개 상하수도 시설은 250개, 절토사면은 117개, 터널은 217개, 하천은 900개, 항만은 70개로 조사되었고, 개중에는 1900년에 지어진 시설도 있었다. 본 연구의 주제인 옹벽의 관리현황에 대해 살펴보면 어떠한 점검이 이루어 졌는지 알 수조차 없는 옹벽이 노후 옹벽 158개소 가운데 134개로 85%를 차지하였다. 정밀점검이 실시된 옹벽은 13개로 8%였으며 점검 후 보수 보강이 이루어진 옹벽은 10개로 6%를 차지하였다. 마지막으로 점검 결과 D등급 판정을 받아 붕괴위험이 있는 옹벽은 1개소로 나타났다.

1.2.2 노후된 무철근 옹벽의 붕괴 발생 사례

노후된 옹벽은 국지성 집중호우 등 기후변화에 매우 취약한 상태로 놓이는 경우가 많은데, 특히 옹벽내 철근이 적절히 설치되지 않은 경우에는 구조적 안정성이 특히 낮은 상태가 된다. Fig. 2(a)의 경우 서울 상도동에 주택 밑에 설치된 무철근 옹벽이 토압을 견디지 못하고 무너진 사례로써 이 경우 옹벽의 두께는 20 cm가 채 되지 않았다. 그리고 Fig. 2(b)는 경상북도 영천의 한 노후된 저수지에서 옹벽이 붕괴된 사례이다. 붕괴된 단면을 통해 육안으로 확인된 철근의 지름이 설계도와 다르게 나타난 것으로 나타났다. 적절한 비파괴 검사기법을 통하여 이러한 시설물들을 정밀하게 점검할 수 있다면 위에서와 같은 붕괴사고로 인한 인적 물적 재해를 예방하는 데 큰 도움이 될 것이다.

Fig. 2

Failure Cases of the Aged Retaining Walls

Fig. 1

Status of Public Facilities Aged Over 30 Years Old: Retaining wall (After KISTEC, 2017)

Fig. 3

Schematic Diagram and Photo of the Testing Mold

Fig. 4

Tested Concrete Plates

1.2.3 콘크리트 벽체 내 철근 조사를 위한 비파괴탐사 기법

콘크리트 벽체 내 철근을 조사 할 수 있는 기법은 자기법, 전자파법, 방사선법 등이 있다((Korea Infrastructure Safety Corporation, 2013). 자기법은 발생하는 교류자기장의 영향 내에 금속(철근)이 존재하면 피복두께와 철근직경의 함수에 따라 코일전압을 변화시키는 것이다. 전자유도 시험법을 이용한 철근탐사기가 스위스제품과 미국제품이 시판되고 있다. 측정은 비교적 용이하나 배근 상태가 조밀한 경우 탐사가 곤란하고 깊이가 10 cm 이상 매설된 철근 탐사가 곤란하다는 단점이 있다.

전자파법(레이더법)은 전자파(마이크로파)가 일정한 속도로 매질 속을 직진하는 성질을 이용하여 물체에 송신한 전자파가 전기적 성질이 다른 물질(공동 등)의 반사파 신호를 받아 영상처리 하여 위치와 규모를 파악한다. 기기의 탐사가능 깊이는 20~30 cm 이하로써 배근상태가 조밀한 경우 탐사가 곤란하고 숙련된 검사자가 아니면 정확한 판독 불가하며 목표물이 반복하여 나타나는 ringing 현상에 의해 철근 위치를 정확하게 판독하기 어려운 단점이 있다. 그러나, 조사 방법의 정확도가 비교적 높은 편이라 터널벽면에 발생한 공동조사 등에 적용하여 많이 연구되고 있다.

방사선법은 X선 또는 γ 선을 써서 이미징 플레이트(IP)또는 필름에 의해 콘크리트구조물의 내부의 상태를 시험하기 위해 투과사진을 촬영하는 방법이다. X선 또는 γ 선이 물체를 투과하는 강도는 파장과 투과되는 물체를 구성하는 재질의 종류 및 두께에 따라 정해져 물체의 불균질이나 두께의 변화는 투과된 방사선의 강도를 측절하므로 구체적으로 알 수 있다. 철근 및 공극을 가진 콘크리트에 방사선을 투과하면 반대쪽으로 X선 필름 등의 감광재료로 투광된 방사선에 강약의 차이가 생겨 철근 및 공극이 검출되는 것이다. 철근의 형태를 뚜렷하게 관찰할 수 있지만 조사자가 방사선에 노출되는 위험이 있어 안전에 유의해야 한다.

일반적인 철근 탐사기법들은 고가의 측정 장비를 벽체 표면에 직접 연결하거나 최대한 측정 범위에 접근시켜야만 결과의 신뢰도를 어느 정도 확보할 수 있고 경우에 따라서는 방사선 노출의 단점이 있다. 이에 본 연구에서는 기존의 비파괴검사 기법에서 잘 활용하지 않은 적외선 영상을 통한 표면 온도의 분포를 측정하여 벽체 내 철근을 탐지하는 기법을 제안하고자 한다.

1.2.4 적외선 열화상 기법

Sim et al. (2008)의 연구에서 토목 구조물의 비파괴 검사기법으로 적외선 열화상을 적용하는 데 있어서 기본 원리 및 활용 예시, 제한 사항 등을 국내외 주요 연구 성과와 함께 분석하였다. 전자기적 열유도방법과 적외선 열화상기법을 이용하여 부식이 진행되면서 발생하는 철근의 열적 특성 차이를 활용한 콘크리트 내부 철근 부식의 비파괴검사기법으로 제안되기도 하였다(Kwon and Park, 2012). 콘크리트 구조물에 할로겐등이나 태양열 등으로 가열하거나 냉각수를 이용하여 냉각시키는 방법으로 철근과 콘크리트 사이의 온도 차이를 적외선 열화상으로 측정하여 활용하는 연구가 이루어졌다(Kim and Lee, 2016). 열화상을 이용한 섬유 강화 폴리머 복합재로 강화 된 철근 콘크리트 비파괴 검사로 복합재료의 결함을 검출하였다(Brown and Hamilton, 2003).

본 연구는 벽체 구조물 내에 매립한 철근에 열전도 특성 차이를 동일한 조건하에서 가열 및 냉각을 하여 발생하는 벽체 표면의 온도 변화를 적외선 영상촬영기법을 통하여 시간에 따라 측정함으로써 해당 벽체 내의 철근 존재 여부를 추정하고자 하였고, 이를 위해 적외선 열화상 기법을 활용한 실내 실험과 수치해석을 수행하였다.

2. 실험 장비 및 실험 방법

2.1 실내 모형 실험 장비 및 방법

콘크리트 벽체 내의 철근 탐지하기 위해 적외선 화상을 이용해 추정하는 기법의 활용성과 신뢰성을 검토하기 위해 실험을 하였다. 실험을 위해 내열과 단열성능이 뛰어난 폴리에틸렌 재질의 몰드를 가로, 세로 50 cm, 높이 100 cm의 직육면체의 형태로 제작하였다. 몰드의 상부에는 핀 타입 방식의 발열장치로 시료를 가열하고 몰드의 벽면을 기준으로 10 cm, 콘크리트 표면에서 위로 10 cm 떨어진 위치의 모서리 부분에 각각 1개씩 총 4개를 설치하여 아래 방향으로 열이 고르게 전달되도록 하였다. 그리고 이 발열장치로부터 15 cm 떨어진 곳에 설치된 PT-100온도계로 측정되는 값을 기준으로 발열장치를 제어하였다. 실험은 가열 18시간, 냉각 6시간으로 총 24시간을 진행하였으며, 각각 가열과정과 냉각과정은 발열장치를 섭씨 100도로 가열하여 콘크리트의 표면에 열에너지를 공급하는 방식과 발열장치를 끄고 추가적인 열에너지의 공급을 차단하는 방식으로 진행하였다. 철근 콘크리트 벽체에 가열과 냉각과정 동안 발생한 벽체 표면의 온도의 시간 별 변화를 온도센서와 적외선 카메라로 측정하였다.

모형실험을 위해 매입깊이 1 cm 간격으로 8개의 철근을 매설한 콘크리트 벽체와 피복두께 1.5 cm, 2.5 cm, 4.5 cm, 5.5 cm로 철근 1개만을 매설한 콘크리트 벽체, 리고 철근을 매설하지 않은 콘크리트 벽체 등을 제작하였다.

가열과 냉각에 따른 벽체 표면의 온도 변화를 측정하기 위해 몰드 상부에 적외선 카메라를 설치하였으며, 본 연구에 사용한 적외선 카메라의 재원은 Table 1에 정리하였다.

Characteristics of Infrared Camera (FLIR, 2014)

2.2 수치모형 해석 방법

본 연구에서는 몰드 내부의 열에너지 이동으로 인한 벽체 표면온도의 변화를 모사하기 위하여 GEOSTUDIO사의 TEMP/W를 이용해 수치해석을 수행하였다(Rees et al., 2000; GEO-STUDIO, 2014). 열적 경계조건은 실내실험에서 T-type 온도센서로 모형실험에서 히터의 온도를 측정한 값을 사용하였고, 몰드의 내부에서의 열확산 현상에 의해 열에너지가 벽체에 전달되는 것으로 가정하였으며, 공기의 열전달 현상 중 복사에 대한 영향을 고려하기 위해 공기의 열적 물리량은 온도센서 측정결과를 역해석하여 사용했다. 콘크리트 벽체, 철근과 몰드재료의 열전도도와 용적열용량은 Table 2에 정리하였다.

Thermal Properties of the Tested Standard Iron, Concrete Plate and Mold Material (Cha, 2016)

3. 실험 결과 및 분석

3.1 철근 8개가 매입된 콘크리트 모형 벽체 실험

실험을 위해 직경 10 mm의 철근(D10) 8개를 배근한 두께 10 cm, 가로 폭 50 cm의 철근 콘크리트 모형 벽체를 제작하였다. 각각의 철근은 다음의 Fig. 5와 같이 횡방향으로 간격 5 cm씩을 두고 피복두께는 1.5 cm부터 8.5 cm까지 1 cm씩 차이를 두어서 배근하였다. 마지막 9.5 cm 지점은 배근을 하지 않고 빈 구멍으로 두었다. TEMP/W를 이용한 수치해석으로 5시간 가열할 때와 16시간 가열할 때의 표면 온도 변화를 계산하였고, 철근이 배근되지 않은 상태와의 온도차이 ΔT를 산정하여 Fig. 5(a)와 같이 도시하였다. 수치해석 결과를 살펴보면 철근이 표면에 가깝게 배근된 부분일수록 콘크리트 표면의 온도가 더 낮게 나타나고 온도 구배가 크게 나타났는데 이는 철근이 콘크리트보다 열전도도가 100배 정도 크기 때문에 철근이 위치한 부분에 열에너지의 확산이 더 활발하게 이루어져 표면의 온도가 더 낮게 나타나게 된다. 그러나 피복두께가 두꺼워지게 되면 콘크리트 벽체 내에서 발생하는 열확산의 영향이 점점 더 커지게 되어 표면온도의 차이가 점점 줄어드는 것으로 보인다. 그리고 또한 5시간 가열조건 결과와 16시간 가열조건 결과를 비교해보면 알 수 있듯이 가열시간이 길어지게 되면, 벽체 내부에 전반적으로 열에너지의 확산이 일어나면서 표면온도의 차이가 점점 줄어들게 된다. 단, 피복두께 4 cm 이상이 되면 철근 배근으로 인한 표면온도의 차이가 0.1°C 이내로 되어 매우 정밀한 온도 측정을 하지 못하면 벽체 내부에 배근되어 있는 철근의 존재 여부를 파악하기가 어려워지는 것으로 나타났다.

Fig. 5

Numerical and Laboratory Testing Results for the Concrete Plate with Equally Spaced Eight Steel Tendons

Fig. 5(b)는 모형 실험을 실시하여 8시간 가열한 후 모형 벽체의 표면온도와 이를 무철근 콘크리트표면에서 측정한 표면온도의 차이를 산정하여 도시한 결과인데, 수치해석결과와는 다르게 철근이 매설된 부분의 표면온도가 주변보다 낮게 나타나지 않았다. 이는 벽체의 거칠기 등으로 인해 표면 온도가 위치에 따라 일부 차이가 존재할 수 있는데 측정 결과에 따르면 이러한 온도차이가 0.5°C 이상 발생할 수 있는 것으로 나타나 철근으로 인한 표면 온도 감소에 의한 철근 유무의 판정이 어려운 것으로 나타났다.

3.2 철근 1개가 매입된 콘크리트 모형 벽체 실험

위와 같이 여러 개의 철근이 근입된 벽체의 경우에는 철근 탐지가 어려운 것으로 나타나 철근이 한 개만 매설된 철근콘크리트 벽체에 대한 모형실험을 실시하였다.

시험특성상 벽체 전체에 균일하게 열에너지를 공급하는 것에 어려움이 있고, 가열 및 냉각 과정에서 철근이 근입된 부분과 근입되지 않은 부분의 표면온도를 비교하기 위하여 철근이 없는 콘크리트 모형 벽체를 추가로 제작하여 같은 열적 조건 하에서 표면온도의 변화를 측정하였다. Fig. 6(a)의 점선은 무철근 콘크리트 벽체 모형에 대해 2시간 가열후 표면온도를 평균적 추세선과 함께 도시한 것으로 그래프 상의 10 cm 지점이 벽체 모형의 중앙부이다. 열원의 특성상 벽체의 가운데 지점에 보다 많은 열에너지가 공급된 것으로 나타나고 있다.

Fig. 6

Laboratory Testing Results for the Concrete Plate with One Reinforcing Steel Bar at the Coating Depth of 1.5cm

깊이 1.5 cm에 철근을 매입한 모형 벽체에 동일한 열적 환경에서 2시간동안 가열하고 표면 온도의 분포를 적외선 영상으로 측정하고 Fig. 6(a)에 실선으로 도시하였다. 그림에서 보이는 것과 같이 콘크리트 모형 벽체 중앙부에 매설된 철근 부분으로 표면 온도가 주변 온도보다 낮은 M자 형태의 온도 분포를 관찰하였다.

그 이유는 앞서 언급한 바와 같이 철근의 열전도도가 콘크리트의 열전도도보다 100배 정도 높기 때문에 같은 가열 조건 하에서도 철근이 근입된 부분의 열에너지 흐름이 보다 활발하여 주변부의 표면온도보다 더 낮은 온도가 나타난 것으로 볼 수 있다.

철근 콘크리트 모형 벽체에서 측정된 표면온도와 무철근 콘크리트에서 측정된 표면온도의 추세선과의 차이 ΔT를 산정하여 Fig. 6(b)와 같이 도시하였다. Fig. 6(b)에 함께 표시된 점선은 벽체 중앙부에 배근된 철근의 위치를 표시한 선이다. 그림에서 보이는 것과 같이 철근이 배근된 부분 방향으로 온도가 서서히 낮아져서 중심부에서는 최대 약 1.5°C 정도까지 주변부보다 온도가 낮게 측정되었고, 이와 같이 철근 콘크리트 벽체의 표면온도 측정을 통해 철근의 배근 위치 및 배근 깊이에 대한 추정이 가능함을 확인하였다.

가열시간에 따라 근입된 철근이 콘크리트 모형벽체의 표면온도에 미치는 영향을 알기 위하여 16시간 동안 가열하면서 표면온도의 변화를 측정하였다. 측정 위치에 따른 표면온도 분포의 차이가 있을 수 있기 때문에 전체 열화상 촬영범위에서 3개의 측선을 정하여 각 측선을 따라 표면온도 분포를 계측하였다. 모형벽체 표면상에서 열화상 촬영이 이루어진 부분과 각 측선의 위치를 Fig. 7에 도시하였다.

Fig. 7

Thermal Image-captured Region on the Reinforced Concrete Plate. The Dotted Lines Indicate the Location of the Steel Tendon

총 16시간 가열을 하고 모형 벽체를 찍은 열화상과 각 측선별 표면 온도분포를 Fig. 8에 함께 나타냈다. 그림에 보이는 것과 같이 철근이 위치한 지점을 중심으로 대칭형으로 표면온도의 하강현상을 관측할 수 있었다.

Fig. 8

Spatial Distributions of the Heated Reinforced Concrete Plate Surface with One Steel Bar Embedded 1.5cm deep: 0.5, 1, 8 and 16 Hour Heating Cases (Thermal images also included)

Fig. 8은 가열시간이 30분, 1시간, 8시간, 16시간 일 때, 동일한 측선 Line 1, Line 2, Line 3에 대하여 측정된 표면온도 분포를 도시하였는데, 그림에서 보이는 것과 같이 가열시간이 길어질수록 콘크리트 모형벽체 주변 표면 온도와 철근이 매설된 부분의 표면 온도의 차이가 작아짐을 볼 수 있고 표면 온도의 노이즈 또한 점차 작아지는 것을 볼 수 있었다. 이는 모형벽체 내부에서 시간에 따른 열확산이 진행되면서 가열시간이 길어질수록 벽체 표면의 온도 분포가 좀 더 균일하게 되기 때문이다.

Fig. 9는 16시간 동안 가열하고 8시간 동안 자연 냉각상태로 두었을 때, 철근이 배근된 부분의 표면온도와 철근이 배근되지 않은 콘크리트 모형 벽체의 표면온도 사이의 최대 온도 차이를 측정시간에 따라 도시한 것이다. 그림에서 나타난 바와 같이 가열시간에 따라 온도 차이가 점차 증가하다가 가열을 시작한 지 약 2시간 정도 시간이 지났을 때 최대의 표면온도 차이를 보이고 그 이후로는 점차 온도차이가 주어들다가 약 4시간 이후에는 1°C 정도의 온도 차이에서 더 이상 큰 변화가 발생하지 않는 것을 측정하였다. 16시간 가열 이후 발열장치의 전원을 끄고 외부 온도와의 차이로 인한 냉각과정을 진행하였는데 냉각 1시간 만에 온도 차이가 0.3°C 정도로 급감하였고, 8시간의 추가 냉각에도 온도 차이의 변화는 크게 나타나지 않은 것으로 측정되었다.

Fig. 9

Maximum Difference of Surface Temperature on the Reinforced Concrete Plate with Time (16 hour heating and 8 hour cooling)

이는 콘크리트 벽체 전체의 온도 분포가 4시간 정도 지나게 되면 주어진 열적 경계 조건에 대한 수렴상태에 근접하기 때문인 것으로 판단되며, 최대 온도차이가 나타나는 2시간 정도에서 측정된 표면온도 분포가 가장 분명하게 배근된 철근의 존재 유무를 판단하는데 사용될 수 있는 것으로 생각된다.

다음의 Fig. 10은 피복두께를 2.5 cm로 하여 철근을 근입한 콘크리트 모형 벽체에 대하여 동일한 가열 및 냉각조건으로 실험한 후, 표면온도의 분포를 가열을 시작한 지 3시간, 8시간, 16시간 지난 시점에 대해 각각 촬영된 열화상과 함께 도시한 것이다.

Fig. 10

Spatial Distributions of the Heated Reinforced Concrete Plate Surface with One Steel Bar Embedded 2.5cm deep: 1, 8 and 16 Hour Heating Cases (Thermal images also included)

앞서 살펴본 피복두께 1.5 cm의 경우와는 달리, 철근이 매설된 부분의 표면에서의 온도 하강 현상이 분명하게 나타나지 않고 있다. 이는 피복 두께가 2.5 cm만 되더라도 내부 철근으로 인한 표면온도의 하강현상이 분명하게 측정되기 어려운 것을 의미한다. 단, 이번 실험에 사용된 철근의 직경이 10 mm인데, 만약 보다 굵은 철근이 매입된 경우라면 보다 깊은 깊이에 설치된다 할지라도 표면온도의 분포에 보다 크게 영향을 줄 것이다.

피복두께를 1.5 cm, 2.5 cm, 4.5 cm, 5.5 cm로 하여 제작된 각각의 벽체에 대하여 동일한 가열조건 하에서 2시간 동안 가열하고 측정한 최대 표면온도 차이 (ΔT)max를 산정하고 TEMP/W를 이용한 수치해석 결과를 다음 Fig. 11과 같이 함께 도시하였다. 그림에서 보이는 것과 같이 피복두께가 두꺼워 지면서 배근된 철근으로 인한 표면 온도 하강 효과는 급격하게 감소하는 것을 알 수 있으며 실험에서는 1.5 cm의 피복 두께를 가진 콘크리트 모형 벽체에서만 유의미한 온도 하강 효과를 관찰할 수 있었고, 피복 두께가 2 cm 이상이 되면 적외선 영상을 통한 벽체 표면 온도의 측정만으로 내부의 철근 배근 여부를 판단하는 것은 어려운 것으로 나타났다. 그리고 2시간 정도 가열하였을 때 표면의 온도 분포가 약 30°C 내외에 있었는데, 이는 자연광을 통해 가열하는 조건에서도 충분히 철근의 배근 정도를 확인하는 것이 가능할 수 있음을 의미한다.

Fig. 11

Maximum Difference of Surface Temperature vs. Embedment Depth of the Steel Tendon

4. 결론

본 연구에서는 적외선 영상으로 측정한 콘크리트 벽체 표면의 온도 분포를 이용하여 벽체 내부에 근입된 철근을 탐지하는 방법을 개발하고자 하였다. 이를 위해 적외선 카메라와 철근콘크리트 모형벽체를 이용한 실내 모형실험과 이를 모사한 수치모형 해석을 수행하였다. 벽체 표면에 균일하게 열에너지가 전달된다 할지라도 철근 재료의 열전도도가 콘크리트에 비해 약 100배 정도 크기 때문에 이로 인해 철근이 배근된 위치에 해당하는 표면은 주변보다 온도가 낮아지게 된다. 이는 철근이 콘크리트보다 열확산 계수가 크기 때문에 가열을 하여도 철근은 쉽게 가열 온도가 높아지지 않고 열이 철근의 끝으로 빠져나가는 것이다.

모형실험 결과를 통해 이러한 현상은 배근된 철근의 배근깊이가 얕아질수록 분명한 표면온도 차이를 보이고, 가열시간이 길어질수록 벽체 내부의 열확산 현상이 진행됨으로써 표면온도 차이가 점차 줄어드는 것으로 나타났다.

본 실험에서 사용된 직경 10 mm의 철근의 경우에는 약 1.5 cm의 피복두께를 가지고 배근되었을 때 약 2시간 정도의 가열시간에 대해 철근이 배근되지 않은 경우와 비교하여 약 1.3°C 정도의 최대 표면온도 하상 현상을 보이고, 철근이 위치한 부분을 열화상을 통해 확인하는 것이 가능하였으나, 그보다 피복 두께가 두꺼워지게 되면 표면온도의 하강정도가 표면온도 분포상의 노이즈 레벨 정도로 낮아지게 되어 철근의 존재 유무를 판단하는 것에 어려움이 있는 것으로 보인다.

물론 보다 굵기가 굵은 철근이 배근된 경우에는 보다 깊은 깊이에 매설된 경우라 할지라도 표면온도에 영향을 주어 적외선 영상을 통해 철근의 존재 유무를 판단할 수 있을 것으로 예상한다.

본 연구 결과를 바탕으로 볼 때, 적외선 영상으로 얻어진 콘크리트 벽체 표면온도의 분포를 통한 철근 탐지 기법이 기존의 다른 비파괴 검사에 비해 탁월하게 좋은 성능으로 벽체 내부의 철근을 탐지할 수 있는 것은 아니라고 판단이 되지만, 적외선 영상 촬영 장비의 가격이 전자기파를 활용한 다른 비파괴 검사장비에 비해 비교적 낮은 편이고 측정방법이 빠르고 간편하여 숙련된 시험자가 아니라 할지라도 시험결과의 신뢰도를 확보하는데 매우 용이한 점을 고려한다면 얕은 깊이에 철근이 설치된 벽체 구조물에 대해서는 보다 신속하고 경제적으로 철근의 존재 유무를 평가하는 데 적용할 수 있는 시험방법이라 할 수 있다.

감사의 글

본 연구는 국토교통부/국토교통과학기술진흥원 건설기술연구사업의 연구비지원(13건설연구S04)에 의해 수행되었습니다.

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Article information Continued

Fig. 1

Status of Public Facilities Aged Over 30 Years Old: Retaining wall (After KISTEC, 2017)

Fig. 2

Failure Cases of the Aged Retaining Walls

Fig. 3

Schematic Diagram and Photo of the Testing Mold

Fig. 4

Tested Concrete Plates

Table 1

Characteristics of Infrared Camera (FLIR, 2014)

Details
Thermal Image Resolution 16 Χ120 pixels
Spatial Sensitivity 2.72 mrad
Temperature Sensitivity < 0.07°C
Measurable Wavelength 7.5~13μm
Measurable Temperature Range 0~650°C

Table 2

Thermal Properties of the Tested Standard Iron, Concrete Plate and Mold Material (Cha, 2016)

Thermal conductivity [kJ/m·hr·°C] Volumetric heat capacity [kJ/m3·°C]
Iron 289 3537
Concrete 3.24 2300
Polyethylene 0.33~0.52 1900~2300
Air* 2.16 1.25
*

calibrated values to simulate the test results

Fig. 5

Numerical and Laboratory Testing Results for the Concrete Plate with Equally Spaced Eight Steel Tendons

Fig. 6

Laboratory Testing Results for the Concrete Plate with One Reinforcing Steel Bar at the Coating Depth of 1.5cm

Fig. 7

Thermal Image-captured Region on the Reinforced Concrete Plate. The Dotted Lines Indicate the Location of the Steel Tendon

Fig. 8

Spatial Distributions of the Heated Reinforced Concrete Plate Surface with One Steel Bar Embedded 1.5cm deep: 0.5, 1, 8 and 16 Hour Heating Cases (Thermal images also included)

Fig. 9

Maximum Difference of Surface Temperature on the Reinforced Concrete Plate with Time (16 hour heating and 8 hour cooling)

Fig. 10

Spatial Distributions of the Heated Reinforced Concrete Plate Surface with One Steel Bar Embedded 2.5cm deep: 1, 8 and 16 Hour Heating Cases (Thermal images also included)

Fig. 11

Maximum Difference of Surface Temperature vs. Embedment Depth of the Steel Tendon