교량 상판을 평가하는데 있어 주 교통부 (department of transportation: DOT) 에 의해 가장 많이 사용되는 방법은, 시각적 검사 (visual inspection) 와, 체인 드래깅 (chain dragging) 과 해머 사운딩 (hammer sounding) 과 같은 단순한 비파괴 방법들임. 콘크리트 교량 상판에 대한 현대적인 비파괴 검사는, 특정한 열화 과정이나 결함을 발견하고 파악하기 위해서 다양한 물리적 현상 (예를 들어, 음향, 탄성파, 전기, 전자기, 및 열) 을 사용함. 일반적으로, 모든 비파괴 검사들의 목적은 적용 지역에 대한 반응으로부터 주어진 중간부재의 특성에 대해 아는 것임.

이 연구의 궁극적인 목적은 교량 상판에서 열화를 발견하고 파악할 수 있는 비파괴 검사 기술의 효과적인 사용을 제시하는 것임. 이 목적을 달성하기 위해 다음의 구체적인 목적이 달성될 필요가 있음.

• 콘크리트 교량 상판의 신속한 상태 평가를 위한 비파괴 검사 기술들을 파악하기
• 정확성, 정밀성, 사용의 용이성, 속도 및 비용 등의 관점에서 적용가능한 비파괴 검사 기술들의 강점과 제한사항을 확인하기
• 가장 효과적으로 유망 기술들을 적용하기 위한 시험 절차 및 프로토콜을 제안하기
• 담당자들을 전자 저장장치에 필요한 제안 기술들에 대한 정보를 모아서 정리하기

이 보고서는 프로젝트 내내 수행된 모든 임무를 요약함. 첫번째 부분은 비파괴 검사 기술의 확인 임무에 포함되어 있는 기술들의 파악 및 선정에 관한 것임. 이 부분에서는 일반적인 콘크리트 교량 상판 열화 형태 및 이를 평가하기 위해 사용되는 비파괴 검사 기술들을 종합하고 있음. 비파괴 검사 기술들의 순위를 매기기 위한 방법도 제시됨. 두번째 부분은 유망한 비파괴 검사 기술들의 확인과 관련된 것임. 이는 시험을 확인하기 위한 계획임. 여기에는 테스트 베드의 선정, 확인 시험, 및 확인 시험 결과의 분석이 포함됨. 마지막으로, 세번째 부분은 교량을 위한 비파괴 검사 기술들의 일반적인 특성을 구성하고, 담당자들을 위한 전자 저장장치 (NDToolbox로 불리는 웹 기반의 도구) 를 개발함.

프로젝트의 초기 성과물 중의 하나는 콘크리트 상판에서의 열화 과정, 이를 감지하기 위한 중요 비파괴 검사 기술들에 대한 통합적인 문헌검토 보고서였음. 이 연구는 음파/탄성파, 전자기, 전기화학, 및 열 원리를 이용한 네개 그룹의 비파괴 검사 기술들에 집중하고 있음. 시각적 검사, 체인 드래깅, 해머 사운딩, 및 염소 농도 측정과 같은 보다 전통적이고 일반적으로 사용되는 기술들도 묘사되었음. 각 기술을 통해서 감지되고 파악될 수 있는 구조적, 재료적 결함들의 형태 및 운용원리도 제시되었음. 적용 및 성능 변수들 (정확성, 정밀성, 사용 편의성, 속도 및 비용) 도 정리하였음. 각 기술의 장점 및 단점에 대한 명확한 정보도 문헌에서 가용한 범위내에서 제시되었음. 이 연구의 결론에 의하면, 하나의 단일 기술로 열화 과정 및 결함 전체에 대해 정보를 제공하는 것은 불가능하다는 것임. 또한, 각 기술들은 사용의 편의성, 비용, 데이타 수집, 분석 및 해석에서 필요한 전문지식의 정도, 데이타 수집 속도, 및 제공된 정보의 정확성 등의 측면에서 상당한 차이점이 존재함.

가장 유망한 비파괴 검사 기술의 특성을 파악하고 순위를 매기기 위한 방법은 정책 제안을 개발하는데 필수적이었음. 이러한 방법은 다음과 같은 정보에 따라 구성되었음.

• 특정 열화 형태의 결함에 따른 기술의 가치
• 교량 상판의 열화를 감지하는데 있어서 교통 유관기관에의 전체적인 가치

네 종류의 열화 형태 (부식, 박리, 수직 균열, 및 콘크리트 열화)를 감지하고 특성을 파악할 수 있는 기술들이 확인 검사를 위한 대상에 포함되었음. 비파괴 검사 기술들은 다섯 가지 성능 측정 (정확성, 정밀성 또는 재현성, 사용 편의성, 속도, 및 비용) 의 관점에서 평가되었음. 우선, 문헌 검색에 근거하여 가장 유망한 비파괴 검사 기술을 파악하였음. 정해진 순위는 확인 검사 과정에서 참가자들의 의견을 듣기 위한 토대가 되었음.

확인 검사 및 결과에 대한 후속 분석은 프로젝트에서 가장 중요하고 어려운 부분이었음. 확인 검사에서 첫번째 단계는 확인을 위한 테스트 베드를 계획하는 것이었음. 확인을 위한 테스트 베드가 파악되고, 관련 확인 검사 계획은 이미 결정된 성능 측정의 객관적인 평가를 위해서 개발되었음. 첫번째 확인 검사는 통제된 연구실 상황에서 이루어졌음. 이를 위해 인공적으로 만들어진 결함을 가진 콘크리트 판 (concrete slab) 이 사용되었고 열화에 대한 시뮬레이션을 실시하였음. 추가로, 고속도로 교량에서 제거된 상판의 일 부분이 확인 실험에서 사용되었음. 연구실에서의 확인은 비파괴 검사 기술들의 정확성 및 재현성의 평가에 중점을 두었음. 왜냐 하면 시험편 (cores) 로 부터 폭넓은 범위의 정보가 가용하였기 때문임. 현장 검사 (field testing) 은 실제 상황 하에서 시험이 가능하도록 되어 있어서, 현장의 확인 검사는 속도, 사용의 편의성, 정밀성, 및 비용의 평가에 집중하였음.

현장의 확인 검사는 FHWA의 장기 교량 성능 (Long-Term Bridge Performance: LTBP) 프로그램과 협조하여 2010년 10월과 11월 버지니아 주의 헤이마켓 (Haymarket) 에 있는 I-66 교량에 실시되었음. LTBP 프로그램은 2009년에 파괴 및 비파괴 수단을 이용하여 동일한 교량을 평가하였고 사전 평가로 부터 풍부한 정보를 제공하였음. 또한 이는 확인 검사를 위해 가장 안정적인 지역을 파악하는데 도움을 주었음. 시험 지역은 약 1,000 제곱 피트였음. 상판 위에 2 피트 x 2 피트의 그리드가 표시되었고 7개의 측량선을 교량의 길이 방향으로 설정하였음. 또한, 각 측량선을 따라 43개의 검사 지점을 설정하였음. 참가자들은 모든 검사 지점에서 측정을 하고 측정결과를 보고하도록 하였음. 또한 측량선 각각을 따라 측정을 되풀이하도록 하였음.

실험실에서의 확인 2010년 12월 초순 및 중순에 엘파소에 위치한 텍사스 대학교 (University of Texas, El Paso) 근처에서 수행되었음. 확인 검사를 위해 두 개의 검사 부재가 준비되었음. 첫번째 시험 부재는 새로 만들어진 콘크리트 판이었고, 다른 시험 부재는 그해 엘파소에서 파괴된 I-10 상의 교량 부재였음. 새로 만들어진 콘크리트 판은 20 피트 길이에 8 피트의 폭, 8.5 인치의 두께였으며, 세 개의 1.5 피트 폭의 프리스트레스트 거더 (prestressed girders) 로 지지되었음. 다양한 크기의 박리 지역, 다양 깊이의 수직 균열, 및 부식된 부재가 인공적으로 만들어 졌음. 파괴되었던 교량 부재는 9 피트 x 14 피트 아치 타입의 콘크리트 부재로 구성되었음. 새로 만들어진 콘크리트 판의 경우에는 그리드 검사 지점이 1 피트씩 떨어져 있었고, 실제 교량 부재의 경우에는 1.5 피트씩 떨어져 있었음. 열 개의 팀이 확인 검사에 참여했는데, 5개 팀은 산업계에서, 4개 팀은 학계에서, 나머지 1개 팀은 교통 유관기관에서 참여하였음. 확인 검사에서 사용된 10개의 기술들은, 지반 침투 레이다 (ground-penetrating radar), 충격 반향파 (impact echo), 초음속 표면파 (ultrasonic surface waves), 충격 반응 (impulse response), 해프셀 포텐셜 (half-cell potential), 전기 저항 (electrical resistivity), 갈바노스태틱 펄스 (galvanostatic pulse), 적외선 온도측정 (infrared thermography), 초음파 반향 (ultrasonic pulse echo) 및 체인 드래깅과 해머 사운딩을 포함하였음.

확인 검사의 결과는, 비파괴 검사 기술들의 성능을 다섯가지의 성능 기준 (정확성, 정밀성, 사용의 편의성, 속도 및 비용) 의 측면에서 평가하기 위해 분석되었음. 기술 평가에서 사용된 등급은 1에서 5 사이에서 변하였고, 가장 우수한 성능은 5, 가장 낮은 성능은 1이었음. 정확성은, 기술이 정확한 평가를 보여준 검사지역의 퍼센트로 구해졌음. 정밀성 또는 재현가능성은, 현장 및 실험실 검사로부터 제출된 결과의 분산계수 (coefficient of variance) 를 통해서 구해졌음. 기술 및 참가자들 사이에서 객관적인 비교를 하는데 있어서 어려운 점은, 다양한 데이타 분석 및 해석 수준 때문이었음.

비파괴 검사 기술의 속도는 데이타 수집, 분석 및 해석의 관점에서 평가되었음. 데이타 수집속도는 현장 측량에서 실제 측정시간에 근거하여 평가되었음. 데이타 분석 및 해석 속도에 대한 평가는 필요한 시간에 대해 참가자들에 의해 제공된 정보에 따라 이루어졌음. 비슷한 방식으로, 사용의 편의성이 평가되었음. 데이타 수집에서 사용의 편의성은, 임무를 수행하기 위해 필요한 물리적 노력 및 전문지식의 수준에 근거하여 평가되었음. 데이타 분석 및 해석에서 사용의 편의성은, 임무를 성공적으로 수행하기 위해 필요한 전문지식에 대해 제공된 정보 및 결론에 근거하여 평가되었음. 마지막으로, 비용은 참가자들에 의해 제공된 정보에 근거하여 평가되었음.

콘크리트 상판의 열화를 감지하기 위해 시험된 비파괴 검사 기술의 성능 및 전체적인 가치에 대해 아래와 같은 결론이 도출되었음.

• 주요 열화 형태에 대해, 보통-우수 등급의 기술이 존재함. 그러나, 모든 열화 형태를 평가할 수 있는 단일 기술은 존재하지 않음.
• 박리 감지 및 특성 파악에서 보통-우수 등급을 가진 네 가지 기술이 파악되었음. 여기에는 충격 반향파, 체인 드래깅 및 해머 사운딩, 자외선 온도측정, 그리고 지반침투 레이다가 해당됨.
• 부식 방지에서 보통-우수 등급을 가진 네 가지 기술이 파악되었음. 여기에는 해프셀 포텐셜, 전기 저항, 갈바노스태틱 충격 측정, 그리고 지반침투 레이다가 해당됨.
• 수직 균열에서 우수 등급을 가진 기술은 하나 밖에 없었음. 그 기술은 표면파 검사였음.
• 콘크리트 열화 감지 및 특성 파악에서 우수 등급을 가진 기술은 초음속 표면파 기술 하나 였음.
• 콘크리트 상판의 열화를 감지하고 특성을 파악하는데 전체적인 가치를 고려하면, 지반침투 레이다, 충격 반향파, 그리고 초음속 표면파가 우수한 것으로 나타남. 하지만, 어떤 장비를 구매하고 어떤 기술을 사용할 것인지에 대한 궁극적인 결정은 다음의 요소에 달려있음: (1) 교통 유관기관에 가장 걱정이 되는 열화의 형태; 그리고 (2) 네트워크 단위의 상태 모니터링을 평가하는지, 프로젝트 단위의 유지 관리를 평가하는지 여부.
• 전체적인 가치 및 순위는, 선정된 성능 기준 및 평가시의 점수 부여 방법 등에 의해 어느정도 영향을 받을 수 있음.