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문제 정의
- 현재 내진성능 보강을 비롯한 보강 및 보수재로 널리 사용되고 있는"3)유리섬유와 탄소섬유를 다시 조합하여 가장 효과적인 조합의 복합 섬유 보강재를 파악하려 하였다. 본 연구의 휨 실험은 그림 8과 같은 가력방법을 이용하여 GCO (유리섬유와 탄소섬유의 조합)와 GGO(유리섬유와 유리섬유의 조합) 두 가지 경우를 콘크리트 보의 옆면과 보강재로 보강된 밑면의 변형률을 비교함으로서 일반적인 복합재료 보강재의 단점인 조기 탈락을 경보할 수 있는 새로운 진단기법을 개발하고자 하였다.
- 조합의 복합 섬유 보강재를 파악하려 하였다. 본 연구의 휨 실험은 그림 8과 같은 가력방법을 이용하여 GCO (유리섬유와 탄소섬유의 조합)와 GGO(유리섬유와 유리섬유의 조합) 두 가지 경우를 콘크리트 보의 옆면과 보강재로 보강된 밑면의 변형률을 비교함으로서 일반적인 복합재료 보강재의 단점인 조기 탈락을 경보할 수 있는 새로운 진단기법을 개발하고자 하였다. 한편 그림 9와 같이 보 실험의 경우 탄소섬유와 탄소섬유의 조합으로 두 층의 복합재료 보강재 사이와 콘크리트와 보강재 사이에 극소강관을 사용하여 광섬유를 보호하여, 두 지점의 변형률을 측정함으로서새롭게 조기 탈락을 경보할 수 있는 방법을 시도하였다.
제안 방법
- 각 재하위치에서 하중계를 사용하여 하중을 검출하였으며, 접합부와 기둥, 보 부재가 접하는 위치에서 주근과 보강근의 변형을 측정하기 위하여 주요부위에 9개의 wire strain gage를 이용하여 철근의 변형도를 측정하였고, 접합부 변형 및 부재 회전을 측정하기 위해 접합부 및 보 기등의 소성힌지 부분을 LVDT(linear variable displacement transducer),potentio meter 등으로 측정하였는데, 포일형 스트레인 게이지를 콘크리트표면에 부착하지 못하였는데 이는 전단균열에 의하여 게이지가 쉽게 손상되기 때문이며, 보의 끝단에는 Long LVDT를 사용하여 보의 변위를 측정하였다.
- 기존의 extensometer 는 중량이 3Kg 이고 크기도 대단히 커서 용접하지 않으면 고정이 되지를 않는데 반하여 FBG센서 고정구는 무게가 1/10에 불과하고 크기도 매우 작아 작업이 용이하다. 광섬유 센서는 이전 실험에 사용하였던 것과 마찬가지로 광섬유 안에 내장되도록 하여 pre-strain을 가하였으며 센서와 광섬유가 일체가 되도록 하여 센서의 게이지길이가 57m가 되도록 하였다. FBG센서는 고정구를 이용하여 벽면에 부착된 후 아라미드섬유와 플라스틱으로 피복된 광섬유를 리드선으로 하여 시스템에 연결하였다.
- 구조물 자동화 계측에 적합한 고분해능의 광섬유 FBG센서를 활용하기 위한 실험의 일환으로 고층구조물의 취약부 (보-기둥 접합부)에 대한 장기계측을 위한 각 센서의 성능을 비교 평가할 수 있었다. 스트레인게이지와 LVDT, potentio meter, 광섬유 FBG센서, 이렇게 4종의 센서 중 보-기둥 접합부의 거동을 정확히 계측하기 위해서는 광섬유 FBG센서가 가장 적합함을 알 수 있었다.
- 반복하중상태에서의 접합부의 거동을 얻기 위하여, 기둥 부분에 일정한 축력을 유지하면서 보 양끝단에 반복하중을 주어 그에 따른 내력상태를 재현하였다 기등의 양 끝단에는 재하판을 설치하고 재하판과 기둥 양 단부사이에는 hydraulic jack과 하중계(loadcell)를 설치하여 축력을 도입하였으며, 실제 건물 변형에서의 반곡점을 재현하며 비틀림을 방지하기 위해 그림 3에서와 같이 상하 가력판의 연결점을 힌지로 처리하였다.
- 보-기둥 접합부의 실제적인 거동을 파악하기 위하여 슬래브가 있는 접합부 시편을 제작하여 실험을 실시하였다.
- 4m인 장방형 복근 보로 제작하였다. 아울러 시험체의 전단파괴를 방지하기 위하여 전단보강은 D10 철근을 10cm 간격으로 하였다.
- 원자력 격납구조물에 FBG센서 시스템을 이용하여 성공적으로 긴 길이의 변형을 측정하였다. 외부 해치부분에 설치된 FBG센서는 전체적으로 해치부분의 거동을 작 묘사하였다.
- 이러한 설계시의 기본성능을 시공 후 발전소 가동 전에 압력을 부가하고 계측기를 부착하여 실제시험으로서 원자로격납건물의 구조적 안전성과 기밀성을 입증하기 위하여 구조적 건전성시험(SIT, Structural Integrity Test)을 수행하는데, 이의 내용은 격납건물을 가압 및 감압하면서 격납건물 구조물의 반경 및 수직방향 구조적 변위와 격납 건물 외부 콘크리트 벽의 균열진행상태를 측정하고 감압후의 변위값 및 회복률을 측정하여 탄성적 거동을 확인하는 시험이다. 이 시험에는 40여개의 extensometer를 시용하는데, 정확한 측정을 위하여 가볍고 프리스트레인를 적용하는 것이 가능한 긴 게이지 길이 FBG센서를 설치하여, 기존의 계측 방법인 extensometer와 병행하여 현장적용 가능성 평가하였다.(15)
- 이러한 광섬유 센서는 설치작업을 통해 각기 격납건물 내부의 시스템과 격납건물 외부에 설치된 시스템에 연결되도록 하였으며 내부의 시스템은 LAN을 통해 외부에서도 관찰하고 제어할 수 있도록 하였다.
- 철근 콘크리트 보-기둥 접합부의 반복하중상태에서의 거동을 계측하기 위하여 슬래브가 있는 보-기둥 접합부 시험체를 2개 제작하였으며, ACI 318-96 및 ACI-ASCE 352 위원회 설계지침에 만족하도록 설계하였다. 시험체의 콘크리트 압축강도는 270kg/cm2이며, 시험체의 제작은 가능한 실제 조건에 근접하도록 하였으며, 시험체의 상세는 ACI-318-96 지침에 따라 제작하였다.
- 본 연구의 휨 실험은 그림 8과 같은 가력방법을 이용하여 GCO (유리섬유와 탄소섬유의 조합)와 GGO(유리섬유와 유리섬유의 조합) 두 가지 경우를 콘크리트 보의 옆면과 보강재로 보강된 밑면의 변형률을 비교함으로서 일반적인 복합재료 보강재의 단점인 조기 탈락을 경보할 수 있는 새로운 진단기법을 개발하고자 하였다. 한편 그림 9와 같이 보 실험의 경우 탄소섬유와 탄소섬유의 조합으로 두 층의 복합재료 보강재 사이와 콘크리트와 보강재 사이에 극소강관을 사용하여 광섬유를 보호하여, 두 지점의 변형률을 측정함으로서새롭게 조기 탈락을 경보할 수 있는 방법을 시도하였다.3)
대상 데이터
- 시험체의 형태는 그림 3과 같으며, 기둥단면은 400mm X 270 mm, 보단면은 270mm x 370mm, 슬래브 두께는 95mm 이다.
- 휨 거동 관찰을 위한 시험체인 철근콘크리트 보는 단면 치수 15cm X 25cm, 유효춤(d=21cm), 철근량은 최대철근비 (pmax = 0.75pb = 0.01466)을 기준으로 압축철근 2-D10, 인장철근 2-D13, 길이 2.8m, 순 지간길이 2.4m인 장방형 복근 보로 제작하였다. 아울러 시험체의 전단파괴를 방지하기 위하여 전단보강은 D10 철근을 10cm 간격으로 하였다.
이론/모형
- 설계지침에 만족하도록 설계하였다. 시험체의 콘크리트 압축강도는 270kg/cm2이며, 시험체의 제작은 가능한 실제 조건에 근접하도록 하였으며, 시험체의 상세는 ACI-318-96 지침에 따라 제작하였다.
성능/효과
- 접합부의 대각부분과 대변형을 일으키는 부분으로 나눌 수 있다. 3~ 12 tonf 사이의 반복하중 가력 시, 접합부대 각부에서 측정한 광섬유 센서 1, 2의 결과를 보면, 그림 6과 같이 인장 시 0.38mm, 압축 시 0.1mm의 변형을 보였으며, 동일 위치의 LVDT의 경우 noise 및 resolution의 한계 때문에 접합부의 미소변형이 정확히 측정되지 못했다.
- 외부 해치부분에 설치된 FBG센서는 전체적으로 해치부분의 거동을 작 묘사하였다. FBG센서는 파장의 변화를 측정하는 것이기 때문에 중간에 데이터 취득이 안되더라도 자기 자신의 파장값을 가지고 있기 때문에 절대량의 변화를 알 수가 있어 중간에 리드선이 단락되더라도 이상 없이 측정할 수 있음을 확인하였고, 긴 게이지 길이 광섬유 격자센서는 이상없이 잘 작동되었다.
- 격납건물의 내부와 외부에 각각 2지점씩 실제로 적용하여 측정하였으며 격납건물내의 측정지점에서는 내부에 설치된 컴퓨터가 과열로 인해 작동을 중지할 때까지 정확히 잘 측정되었으며, 그림 15에서 보여 주는 바와 같이 외부의 측정지점에서는 시험의 처음부터 끝까지 압력의 증가, 감소에 따라 부피팽창 및 감소를 잘 표현하였다. 그림에서 보이는 Calculated는 유한요소법에 의하여 해석된 계산값이며, Allowed는 계산값을 근거로 안전율을 감안하여 설정해놓은한계값이고, Extensometer는 기존의 센서에서부터 나온 데이 터이다.
- 광섬유 계측 기술을 활용하여 콘크리트와 복합재료 시트 사이의 층간분리 균열의 효과적으로 예측하고 모니터링할 수 있었다. 콘크리트에 부착된 광섬유센서와 보강용 탄소섬유 시트에 부착된 광섬유센서는 초기 하중에서는 동일한 거동을 보이다가 하중이 증가하면서 거동이 달라짐을 보인다.
- 또한 두 가지 다른 보강재 조합인 GGO와 GCO 모두 하중증가에 따라서 측면과 밑면의 변형률이 차이를 보여주고 있어 효과적인 탈락 경보 모니터링이라 사료된다. 광섬유센서 적용 시강 관으로 광섬유를 보호하여 실험하였고, 유효적절하게 변형률의 차이를 측정할 수 있음을 확인하였으며 층간 분리균열에 의한 보강재 탈락을 조기에 경보 할 수 있는 진단기법의 한 방편으로 사료된다.
- 그림에서 보이는 Calculated는 유한요소법에 의하여 해석된 계산값이며, Allowed는 계산값을 근거로 안전율을 감안하여 설정해놓은한계값이고, Extensometer는 기존의 센서에서부터 나온 데이 터이다. 광섬유센서로부터 측정된 데이터는 유한요소법에 의해 계산된 값과 유사함을 보이고 있으며, 시공성과 광섬유 센서의 장점을 고려해 볼 때 격납구조물의 모니터링에 아주 적합함을 알 수 있다. 그리고 본 연구에서 LAN을 통하여 내부시스템을 외부에서 제어할 수 있음을 보여 주었고, 같은 방식으로 격납구조물에 설치된 시스템을 본사 및 연구소에서도 원격 제어할 수 있음을 확인하였다.
- 스트레인게이지와 LVDT, potentio meter, 광섬유 FBG센서, 이렇게 4종의 센서 중 보-기둥 접합부의 거동을 정확히 계측하기 위해서는 광섬유 FBG센서가 가장 적합함을 알 수 있었다. 그리고 기존의 계측기 중 LVDT의 경우, 보-기둥 접합부에서의 미소변형에 대해서는 그 적용이 용이하지 못한 것으로 보이며, potentio meter의 경우 적용은 가능하나 신호에서 noise가 많이 측정되었으며, 스트레인게이지의 경우, 광섬유 FBG센서와 가장 유사하게 접합부의 거동을 계측할 수 있었으나 역시 미소변형에서는 noise가 많이 검출되었다. 따라서 보-기둥 접합부의 장기 계측을 위한 시스템을 구성하기 위하여 접합부의 대각변형계측을 위해서는 전단에 취약한 foil형 스트레인 게이지를 사용하는 것 보다는 광섬유 FBG센서를 사용하는 것이 가장 효과적이며, 보와 기등의 대변형을 계측에도 광섬유 FBG 센서가 대단히 유효한 것으로 판단되어 광섬유 FBG센서는대형구조물 장기 거동 측정에 대단히 유용한 센서이다.
- 광섬유센서로부터 측정된 데이터는 유한요소법에 의해 계산된 값과 유사함을 보이고 있으며, 시공성과 광섬유 센서의 장점을 고려해 볼 때 격납구조물의 모니터링에 아주 적합함을 알 수 있다. 그리고 본 연구에서 LAN을 통하여 내부시스템을 외부에서 제어할 수 있음을 보여 주었고, 같은 방식으로 격납구조물에 설치된 시스템을 본사 및 연구소에서도 원격 제어할 수 있음을 확인하였다.
- 긴 게이지 광섬유 센서를 강한 바람과 같은 외력으로부터 보호할 수 있는 방법을 모색해 보았는데, 프리스트 레인을 가하는 방법이 효과적이며, pre-strain 2400|ie 인가했을 때 노이즈 레벨이 1/10정도로 작았기 때문에 프리스트레인를적당히 조절하여 광섬유 센서를 긴 게이지 거리에 측정에 적용할 경우 현재 사용되고 있는 센서인 Extensometer를 대체할 수 있을 것으로 보여진다. 실제로 원자력 격납 구조물에 Extensometer를 대체하여 설치한 결과 설치 과정도 간편하고 노이즈도 적고 구조물 가압팽창시 구조물의 거동을 잘 묘사하였다.
- 본 논문에서는 FBG 센서의 응용의 폭을 넓히기 위하여 여러 가지 응용분야를 찾았으며, 특히 전단응력이 많이 걸려 fbil형 스트레인 게이지를 사용하기 어려운 보 기둥 접합부에서 광섬유센서가 일반적으로 사용되는 변위 센서들과 정밀도가 대단히 차이가 나고 있음을 보여주고 있고, 복합재료와 콘크리트 접합 구조물에서 흔히 발생하는 결함인 delamination을 측정하는데 광섬유센서가 유효적절함을 보여주고 있으며, 원자력발전소 격납구조물과 같은 대형구조물의 변위를 측정함에 있어서 광섬유센서가 시공도 용이하고 데이터도 양호함을 보여주고 있어, 기존의 어떤 구조물도 광섬유센서를 활용하여 광섬유 스마트구조물화 할 수 있음을 보여준다.
- 본 연구을 통하여 효율적인 복합재료 보강재의 조합과 광섬유 계측 기술을 건축/토목 보강 구조물에 적용하여, 복합재료의 탈락을 효과적으로 예측할 수 있다. 득히 콘크리트에 부착된 광섬유센서와 보강용 탄소섬유시트에 부착된 광섬유 센서는 초기 하중에서는 동일한 거동을 보이다가 하중이 증가하면서 거동이 달라짐을 보인다.
- 평가할 수 있었다. 스트레인게이지와 LVDT, potentio meter, 광섬유 FBG센서, 이렇게 4종의 센서 중 보-기둥 접합부의 거동을 정확히 계측하기 위해서는 광섬유 FBG센서가 가장 적합함을 알 수 있었다. 그리고 기존의 계측기 중 LVDT의 경우, 보-기둥 접합부에서의 미소변형에 대해서는 그 적용이 용이하지 못한 것으로 보이며, potentio meter의 경우 적용은 가능하나 신호에서 noise가 많이 측정되었으며, 스트레인게이지의 경우, 광섬유 FBG센서와 가장 유사하게 접합부의 거동을 계측할 수 있었으나 역시 미소변형에서는 noise가 많이 검출되었다.
- 시스템을 구동하기위한 220V 전원 공급도 원활하지 못하여 연결챔버 내의 설치되어있는 동선으로 5V 직류 전원을 공급하여 시스템과 노트북 컴퓨터를 설치하여 구동하였으며, 격납구조물 내부의 시스템을 제어하기 연결 챔버의몇 개의 동선을 이용하여 LAN을 구성하고, 그 LAN을 통하여 원격 구동하였는데, FBG센서 시스템을 이용하여 성공적으로 긴 길이의 변형을 측정하는 것이 가능하였고, FBG센서는 긴 게이지 길이를 갖는 격납건물의 변형을 측정할 수 있는 좋은 수단임을 확인하였다.
- 이는 두 가지 구조시스템이 특정하중이상에서는 일체로 거동하지 않음을 보여주는 좋은 예이며 이를 이용하여 구조물의 두 층 사이에서균열이 발생하고 성장함을 판별해 낼 수 있는데, 그 원인은 콘크리트의 균열의 발생과 콘크리트와탄소보강체 사이의 delamination과 접착면에서의 슬립에 의해서 이다. 이러한 결과들을 이용하면 구조물의 효과적인 보강량과 추가적 보강 시점등을 산출해낼 수 있으며, 복합재료 보강구조물의 층간분리균열의 모니터 링이 광섬유 센서에 의하여 효과적으로 수행될 수 있음을 보여주고 있다.
후속연구
- 따라서, 고층 골조 구조물의 안전성 및 내진성능을 적절히 평가하기 위해서 보-기둥 접합부에 반복하중을 적용할 때의 광섬유 센서를 사용한 상시 계측에 대해 연구할 필요가 있다. 보-기둥 접합부의 실제적인 거동을 파악하기 위하여 슬래브가 있는 접합부 시편을 제작하여 실험을 실시하였다.
- 일조 할 수 있다. 아울러 보다 체계적이고 정량적인 기준을 수립하기 위해서는 광섬유 계측 기술의 발전과 더불어 복합재료 보강재의 실험적 연구자료가 보다 축척되어야할 것이다.
- 이러한 결과들을 이용하면 구조물의 효과적인 보강량과 추가적 보강 시점등을 산출해낼 수 있으며 구조물의 유지관리를 위한 정기적인 구조 진단에 따르는 비용을 절감하는데 일조 할 수 있다. 아울러 보다 체계적이고 정량적인 기준을 수립하기 위해서는 광섬유 계측 기술의 발전과 더불어 복합재료 보강재의 실험적 연구자료가 보다 축척되어야할 것이다.
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