[논문]콘크리트 보의 거동 측정을 위한 조합형 센서의 활용

김연태; 김상철

doi:10.4334/jkci.2003.15.3.454

[국내논문] 콘크리트 보의 거동 측정을 위한 조합형 센서의 활용
Application of Combined-Type Sensors for the Behavioral Measurement of Concrete Beams 원문보기

콘크리트학회논문집 = Journal of the Korea Concrete Institute, v.15 no.3, 2003년, pp.454 - 461

초록
AI-Helper

본 연구에서는 일반 전기저항식 변형률센서 및 광섬유센서, 변위계를 이용하여 콘크리트 보의 거동특성을 연구하고자 하였다. 이를 위하여 콘크리트 보를 제작하고 여기에 광섬유 및 일반 전기저항식 변형률센서를 표면에 부착 또는 내부에 매설하였고 또한, 보의 하면에는 변위계를 설치한 후 파괴에 이를 때까지 하중을 정적으로 점증시켜가면서 보의 하중단계별 거동을 조사하였다. 실험결과, 이 방식이 보의 거동을 조사하는 데 효과적임을 확인하였으며, 조합형 변형률센서가 보에 균열이 발생한 후의 거동을 파악하는데 매우 효과적임을 알 수 있었다. 아울러 보는 균열발생 전에는 인장부 콘크리트가 외력에 저항할 수 있으나 일단 균열이 발생한 후에는 보의 강성이 저하되어 처짐이 계속 증가되는 비선형거동을 하며, 이 때부터는 인장부 철근이 전적으로 외력을 담당하는 것을 본 연구를 통해 파악할 수 있었다.

Abstract ▼ AI-Helper

This study addressed a procedure to carry out an experimental study on a behavior of simple and continuous concrete beams. For this purpose, sample concrete beams were fabricated and sensors for the measurement of strains and deflections were attached both on the surface of the beams and inside them. Two types of sensors were used to measure strains associated with loading: electric resistance strain sensors and fiber optic sensors. Displacement gauges were also attached on the bottoms of beams to investigate the behavior of beams more rationally. The behavior of the beams was then evaluated throughout the results measured from different sensors while they were subject to steady loading up to failure. From results of this study, it was found that concurrent use of sensors and displacement gauges is helpful in investigating the behavior of concrete beams more effectively. Especially, combined-type strain sensors specifically fabricated in this experiment were found not to be affected by the occurrence of cracks so significantly and to be very effective in monitoring strains of concrete structure. It was also observed that beams show nonlinear force-displacement relationship and reinforcing bars take charge of resisting the external force once cracks occur in concrete beams.

Keyword

AI 본문요약
AI-Helper

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문제 정의

비교하였다. 전기저항식은 이미 알려져 있지만 광섬유 센서의 경우는 건설에 도입된 지 오래되지 않았기 때문에 균열이 발생하였을 때 표면 부착식의 문제점이나 적정성의 여부를 정량적으로 파악하고자 하였다. 또한 이들 게이지가 콘크리트에 균열이 발생한 후에는 보의 변형률이 균열 때문에 정확하게 측정되지 않는 점을 고려하여 고안한 조합형 센서를 본 연구에 적용, 비교함으로써 그 효과를 평가하고자 하였다.
전기저항식은 이미 알려져 있지만 광섬유 센서의 경우는 건설에 도입된 지 오래되지 않았기 때문에 균열이 발생하였을 때 표면 부착식의 문제점이나 적정성의 여부를 정량적으로 파악하고자 하였다. 또한 이들 게이지가 콘크리트에 균열이 발생한 후에는 보의 변형률이 균열 때문에 정확하게 측정되지 않는 점을 고려하여 고안한 조합형 센서를 본 연구에 적용, 비교함으로써 그 효과를 평가하고자 하였다.
3에서 보는 바와 같이 예상대로 단면력이 가장 크게 작용하는 보의 중앙에서 발생하였다. 하중 증가에 따른 변형률과 처짐량의 크기는 보 중앙과 보 우측 중앙부로에 따라 인장부 콘크리트의 하중저항능력이 균열 발생과 함께 소멸되고 철근으로 옮겨가는 변화추이현상을 알아보기 위하여 작도하였다. 먼저 보 중앙의 경우에 해당되는 Fig.
본 연구에서는 변형률센서, 변위계, 균열진전도 등을 종합적으로 이용하여 단순보 및 연속보에 대한 거동특성을 연구하였으며 다음과 같은 결론을 얻었다.

제안 방법

본 연구에서는 철근콘크리트 보 시편을 대상으로 일반전기저항식 변형률게이지와 광섬유센서를 이용하여 표면에 부착한 경우와 내부 철근에 부착한 경우에 대해 변형률과 처짐값, 하중단계별 균열의 발생양상을 통해 보의 거동을 비교하였다. 전기저항식은 이미 알려져 있지만 광섬유 센서의 경우는 건설에 도입된 지 오래되지 않았기 때문에 균열이 발생하였을 때 표면 부착식의 문제점이나 적정성의 여부를 정량적으로 파악하고자 하였다.
시편은 Figs. 1, 2에 도시한 바와 같이 총 길이가 6m, 폭과 높이가 각각 35 cm, 50cm인 단순 보와 총 길이 7m(순지간 6m), 폭과 높이가 각각 35cm, 45cm의 연속보로 나누어 제작하였다. 보의 내부에 단순 보의 경우는 D29철근을 보의 상하부에 각각 2개와 3개씩 배근하였으며, 전단철근으로는 D16철근을 지점부 위치에서는 20cm, 중앙부에서는 40cm간격으로 배치하였다.
1과 2와 같이 전기저항식 변형률게이지, 광섬유센서, 변위계를 부착, 설치하였다. 특히, 연속보에서는 균열 후의 변형률을 측정하기 위하여 고안한 조합형 전기저항식 및 광섬유센서를 추가로 부착하였다.
단순보는 3점 휨재하 방식에 따라 500kN 용량의 엑츄에이터를 사용하여 철근이 항복하기 전까지는 하중조절방식을 적용하였고, 철근이 항복한 이후에는 변위조절방식에 따라 하중을 정적으로 점증시키면서 거동을 조사하였다. 거동조사는 시편 내부 철근에 부착한 전기저항식 변형률게이지와 외부의 동일 위치의 콘크리트 표면에 부착한 광섬유 센서 및 전기저항식 변형률센서를 통해 변형률을 측정하였고, 보의 하단에 설치한 변위계를 사용하여 처 짐값을 측정하였다.
조사하였다. 거동조사는 시편 내부 철근에 부착한 전기저항식 변형률게이지와 외부의 동일 위치의 콘크리트 표면에 부착한 광섬유 센서 및 전기저항식 변형률센서를 통해 변형률을 측정하였고, 보의 하단에 설치한 변위계를 사용하여 처 짐값을 측정하였다. 또한 각 하중단계별로 발생된 균열과 그 진전양상은 균열도(crack pattern diagram)로 도시하였다.
거동조사는 시편 내부 철근에 부착한 전기저항식 변형률게이지와 외부의 동일 위치의 콘크리트 표면에 부착한 광섬유 센서 및 전기저항식 변형률센서를 통해 변형률을 측정하였고, 보의 하단에 설치한 변위계를 사용하여 처 짐값을 측정하였다. 또한 각 하중단계별로 발생된 균열과 그 진전양상은 균열도(crack pattern diagram)로 도시하였다.가력방법은 10kN에서 100kN까지 5kN씩 증가시키면 서재하(loading), 제하(unloading)를 각 3회씩 반복 실시하였으며, 100kN 이후에는 10kN씩 증가시키며 같은 방법으로 실험을 진행하였다.
또한 각 하중단계별로 발생된 균열과 그 진전양상은 균열도(crack pattern diagram)로 도시하였다.가력방법은 10kN에서 100kN까지 5kN씩 증가시키면 서재하(loading), 제하(unloading)를 각 3회씩 반복 실시하였으며, 100kN 이후에는 10kN씩 증가시키며 같은 방법으로 실험을 진행하였다.
제외하고는 단순보와 동일하게 하였다. 가력방법은 5kN에서 50kN까지 5kM씩 증가시키면서 재하, 제하를 각1회씩 실시하였으며, 균열이 발생된 이후에는 10kN씩 증가시키며 실험을 진행하였다.
연속보의 거동특성을 파악하는 데에는 단순보에서 사용된 콘크리트 표면에 직접 부착하는 센서(단독형) 외에도 조합형 광섬유센서 및 조합형 전기저항식 센서를 추가로 부착하여 실험을 실시하였다. 조합형 센서란 미국 FISO사에 의뢰하여 제작한 센서로서 Photo 1과 같이 일정한 길이의 탄소섬유(CFRP)소재 위에 광섬유 또는 전기저항식변형률 센서를 코팅하여 부착시킨 것이다.
실험은 단순보와 동일한 방법으로 진행하였으며, 역시 변형률과 처짐, 균열양상을 상호 비교 분석하는 방법으로 거동을 평가하였다 Fig. 2의 시편에 하중을 가하기 시작하여 하중이 약 50kN에 도달하였을 때 Fig. 12에 도시한 균열이 육안으로 처음 발견되었으며, 그 위치는 보의 우측중앙부 하면이었다. 이어 하중을 증가시키면서 얻은 실험 결과를 좌·우측 경간 중앙부에 대하여 나타내면 Figs.
Figs. 15 및 16과 같이 좌우측 경간 중앙부에 서의 하중 단계별 처짐을 계즉하였고 이로부터 처짐기울기를 구하였다. 단순보와 다른 점은 연속보에서는 처짐 기울기를 작도할 때 하중단계별 증가분을 10kM으로 하였다.
부모멘트가 생기는 중앙 지점부에서는 70kN의하중재하에서 처음으로 균열이 확인되었다. 균열은 단순 보에서와 같이 예상대로 미세균열의 형태로 나타나다 점차 바닥 면과 상면을 가로지르는 형태로 진행하였으며, 하중이 증가함에 따라 균열은 보의 중립축으로 깊어지나 중립축을 넘어서면서부터는 단순보처럼 균열이 하중 집중점을 중심으로 모이고, 부모멘트가 작용되는 부분은 지점으로 균열이 향하는 이른바 사방향 형태로 균열이 진행되면서 파괴에 접근하였다. Fig.

대상 데이터

본 연구에서 사용된 계측센서는 페브리-페롯 EFP방식의 광섬유센서, 전기저항식 변형률게이지, 변위계 등이며, 데이터로거는 광섬유센서용 DMI 시스템과 전기저항식 센서 및 변위계용으로는 TDS 303을 사용하였다. 본 실험에 사용된 주요장비 및 센서를 나타내면 Table 1과 같다.
본 실험의 수행을 위하여 설계기준강도 240kgf/cm², 슬럼프값 10cm, 공기량 4.5%의 단순보와 연속보 유형의 콘크리트 시편을 제작하였으며, 항복강도가 4,000kgf/cm²인 철근을 사용하였다. 시편은 Figs.

성능/효과

따라서 변형률에 대한 결과와 같이 놓고 판단하여 볼 때 보는 약 30kN 근처의 하중재하 시부터 콘크리트의 균열 발생으로 인하여 철근이 외력을 전적으로 부담하기 시작하며, 보의 강성저하로 인하여 보의 변형이 급하게 증가되는 것으로 분석된다. Figs.
8과 9는 보의 우측구간 중앙부에 대한 하중단계별 처짐값 및 이로부터 얻은 처짐기울기를 도시한 것이다 이 그림에 따르면 약 40kN의 하중재하 단계부터 처짐 폭이 증가되는 것을 알 수 있다. 따라서 변형률에 대한 결과와 같이 놓고 판단할 때, 보의 우측중앙부는 약 40 kN의 하중재하 단계부터 균열이 발생하기 시작하여 철근의 하중부담이 증가되고, 처짐은 비선형적으로 가속화되는 것을 알 수 있다.
이상의 균열양상, 변형률, 처짐값을 상호 비교 분석한 결과, 다소 약간의 차이는 있으나 대체로 균열이 발생한 후에는 철근이 주로 외력에 저항케 되고, 아울러 보의 강성이 저하됨에 따라 보의 처짐이 지속적으로 증가되는 비선형 거동을 함을 알 수 있다.
1) 콘크리트 보의 거동특성을 연구하는 데 있어 변형률센서, 변위계, 균열망도 등을 종합적으로 사용하면 각 센서의 문제점을 상호 검증하는 역할을 할 수 있으므로 거동해석시 효과적임을 확인하였다
2) 센서로 콘크리트 보의 거동을 파악하는데 있어서 균열이 발생한 이후에는 단독형보다는 변형된 조합형 센서를 사용할 경우 콘크리트 내부 철근에 변형률 센서를 부착하지 않고 단순히 외부 콘크리트 표면에 센서를 부착함으로써 편리하게 구조물의 변형률의 크기를 유추할 수 있음을 확인하였다.
3) 보에 균열이 발생하기 이전에는 인장부 콘크리트가 외력에 저항할 수 있으나 일단 균열이 발생한 이후부터는 보의 강성이 저하되어 처짐이 계속 증가되는 비선형 거동을 하게 되며, 이 때부터는 인장부 철근이 전적으로 외력을 담당하는 것을 알 수 있었다.

후속연구

그러나 이들 게이지들은 구조물을 축조하기 이전에 미리 매설되어야 효과적이며 시공이 이미 완료된 구조물에 적용하였을 때에는 균열발생 등의 불확실한 인자가 존재하므로 그 결과에 대해 신뢰하기 곤란한 문제점이 있다. 따라서 기 축조된 콘크리트 구조물에서도 안전성을 장기적으로 모니터링하기 위해서는 보다 효율적으로 변형률이나 변위를 측정할 수 있는 방법에 대한 연구가 필요한 것으로 판단된다
즉, 균열발생 후의 콘크리트 표면에서 얻은 변형률은 외력과 보의 강성간의 관계로부터 결정되는 변형률이라고 볼 수 없다. 따라서 콘크리트에 부착하는 센서를 사용할 경우에는 균열에 의한 영향을 없애거나 적어도 최소화할 수 있는 방안이 필요함을 본 실험을 통해 알 수 있다.

참고문헌 (11)

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상세보기
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동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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