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문제 정의
- RMSD를 통해 분석한 결과 300KHz ~ 600KHz의 영역에서의 RMSD(%)가 약 2배 정도 크게 나와 CFRP 부착파괴의 감지는 300KHz ~600KHz의 고주파 범위에서 측정하는 것이 적합하다고 판단하였다. 따라서 본 논문에서는 300KHz ~ 600KHz의 가진 주파수 범위에서 임피던스를 계측하였다.
- 본 논문에서는 PZT센서를 이용한 임피던스 기반 손상 검색기법을 CFRP로 보강된 RC구조물 모니터링에 적용하기 위하여 콘크리트 균열 및 CFRP 부착파괴 모니터링에 실험을 수행하였으며 다음과 같은 결론을 얻었다.
- 본 연구에서는 CFRP로 보강된 콘크리트 구조물에 대표적인 압전센서 중 하나인 PZT(Piezo-electric) 센서를 이용한 손상 모니터링 기법에 대한 적용 방법을 연구하기 위한 목적으로 임피던스 기반 손상검색기법을 사용하여 콘크리트 균열 및 CFRP 부착파괴에 대한 모니터링 실험을 수행하였으며 계측 기법과 국부손상평가 방법에 대해 고찰해 보았다.
- 실험은 3가지 목적으로 수행되었다. 첫째, CFRP plate 재료에 적합한 측정 가진 주파수를 설정하기 위하여 가진 주파수의 변화를 주어 측정 주파수에 따른 계측 특성을 분석하였다.
제안 방법
- 5와 6은 가진 주파수를 다르게 하여 PZT#1에서 계측한 임피던스 신호이다. 100Hz ~ 5MHz의 가진 주파수 범위에서 CFRP와 PZT의 전기-역학적 임피던스를 계측한 결과 30KHz ~ 60KHz와 300KHz ~ 600KHz의 가진 주파수의 범위에서 공진이 뚜렷하게 나타나 두 가진 주파수 범위에서 임피던스를 계측하여 비교하였다.
- 가진 주파수는 100Hz ~ 5MHz 범위를 측정한 결과 공진 주파수가 가장 뚜렷하게 나타나는 200KHz ~ 600KHz로 설정하였으며 균열정도에 따른 임피던스의 변화를 파악 하기 위하여 콘크리트 시편의 한쪽 끝단에서 7cm 떨어진 지점에서 충격을 주어 0.1mm(Crack Level1) 및 1mm(Crack Level2)의 균열을 인위적으로 유발하여 임피던스를 계측하였다.해당 균열시나리오가 Table 1에 정리되었다.
- 그리고 셋째, 거리에 따른 PZT센서의 감지도를 분석하기 위하여 CFRP plate 한쪽 끝단에서 15cm 떨어진 지점부터 35mm×35mm의 PZT센서를 10cm간격으로 4개를 부착하여 임피던스를 측정하였다.
- 첫째, CFRP plate 재료에 적합한 측정 가진 주파수를 설정하기 위하여 가진 주파수의 변화를 주어 측정 주파수에 따른 계측 특성을 분석하였다. 둘째, CFRP 부착파괴에 따른 임피던스 신호의 변화를 분석하기 위해 CFRP 끝단에서부터 3cm, 6cm, 9cm로 CFRP를 부착파괴시켜 임피던스를 측정하였다. 그리고 셋째, 거리에 따른 PZT센서의 감지도를 분석하기 위하여 CFRP plate 한쪽 끝단에서 15cm 떨어진 지점부터 35mm×35mm의 PZT센서를 10cm간격으로 4개를 부착하여 임피던스를 측정하였다.
- 임피던스 신호는 각 5회 계측하여 평균값으로 계산하였고 항온 상태를 유지하여 계측을 실시하였다. Figs.
- 실험은 3가지 목적으로 수행되었다. 첫째, CFRP plate 재료에 적합한 측정 가진 주파수를 설정하기 위하여 가진 주파수의 변화를 주어 측정 주파수에 따른 계측 특성을 분석하였다. 둘째, CFRP 부착파괴에 따른 임피던스 신호의 변화를 분석하기 위해 CFRP 끝단에서부터 3cm, 6cm, 9cm로 CFRP를 부착파괴시켜 임피던스를 측정하였다.
- 콘크리트 균열손상에 대한 PZT센서의 감지영향을 파악하기 위하여 10cm 간격으로 3개의 PZT센서를 배치하였다. 측정 온도는 항온 상태를 유지하였고 다른 환경적인 변수 및 오차율을 확인하기 위하여 Baseline과 같은 상태(Intact)에서 임피던스를 계측하였다.
- 해당 균열시나리오가 Table 1에 정리되었다. 콘크리트 균열손상에 대한 PZT센서의 감지영향을 파악하기 위하여 10cm 간격으로 3개의 PZT센서를 배치하였다. 측정 온도는 항온 상태를 유지하였고 다른 환경적인 변수 및 오차율을 확인하기 위하여 Baseline과 같은 상태(Intact)에서 임피던스를 계측하였다.
대상 데이터
- 본 논문에서는 압전 다결정 소자 중 납, 지르콘산염, 티탄산염으로 이루어진 PZT센서를 사용하였다. PZT센서는 압전특성이 우수하여 감지도가 높고 가격이 저렴하고 작은 전압으로 작동이 가능하다.
- 본 논문에서는 콘크리트의 균열정도에 따른 임피던스의 변화를 파악하기 위하여 Photo 3과 같이 100mm×100mm×400mm의 콘크리트 시편에 35mm×35mm×0.254mm 의 PZT센서를 이용하는 실험을 수행하였다.
- CFRP 부착파괴 모니터링을 위하여 Photo 4와 같이 150mm×200mm×1000mm의 콘크리트 보를 CFRP plate로 보강하였다. 사용된 CFRP는 1방향 CFRP를 사용하였으며 50cm길이로 에폭시를 사용하여 부착하였다.
- 측정장비는 Photo 2와 같이 HIOKI 3532-50 LCR 하이테스터를 사용하였다. 측정 주파수는 43Hz에서 5MHz의 고주파 영역까지 측정이 가능하며 기본 정확도는 0.
성능/효과
- 1) 구조물은 손상을 받거나 상태가 변화하게 되면 질량, 강성, 감쇠 및 고유주파수가 변화하게 된다. 이러한 변화로 인해 구조물-PZT센서의 전기-역학적 임피던스의 크기 및 공진주파수가 변화하게 된다.
- 2) 구조물-PZT센서의 전기-역학적 임피던스는 가진 주파수에 따라 변화하며 구조물의 역학적 임피던스 신호의 공진주파수가 잘 표현되는 구간을 설정해주어야 하며 측정 대상 구조물에 따라 그 범위가 다르다. 콘크리트와 CFRP는 측정결과 각각 200KHz ~300KHz, 300KHz ~ 600KHz사이의 고주파 영역에서 균열 및 부착파괴에 대한 임피던스 신호의 변화가 가장 잘 나타남을 확인할 수 있었다.
- 3) 미세한 콘크리트 균열과 CFRP 부착파괴의 감지를 위해 PZT센서의 센싱 범위는 콘크리트 균열 모니터링은 18cm이내 CFRP 부착파괴 모니터링은 25cm이내로 측정하는 것이 신뢰성 있는 결과를 얻을 수 있음을 확인할 수 있었다.
- 30KHz ~ 60KHz의 범위에서 측정한 임피던스 신호는 임피던스의 크기의 변화는 거의 나타나지 않았고 공진주파수의 변화를 확인할 수 있었다. 이에 비해 300KHz ~600KHz의 범위에서 측정한 임피던스 신호는 공진 주파수의 변화보다 임피던스 크기의 변화가 두드러지게 나타났다.
- 4) 콘크리트 균열과 CFRP 부착파괴 모니터링 실험을 통하여 임피던스 기반 손상검색 기법이 국부적인 상태 변화감지에 효과적인 모니터링 기법임을 확인함으로서 CFRP로 보강된 RC구조물 모니터링에 적용 가능성을 확인하였다.
- RMSD(%)의 분석결과 무 손상상태(Intact)에서의 기본 오차율은 0.4% 이내로 나타났으며 부착파괴 위치에서 가장 가까운 PZT#1센서의 RMSD(%)의 경우 CFRP debonding정도에 따라 각각 2.218%, 3.903%, 7.001%로 부착파괴 정도를 RMSD를 통해 정량적으로 표현할 수 있었으며 PZT#2, PZT#3에서 계측한 임피던스 신호역시 비슷한 양상을 나타내었다. Fig.
- Table 4에 PZT#1에서 측정한 임피던스 신호의 RMSD(%)를 나타내었다. RMSD를 통해 분석한 결과 300KHz ~ 600KHz의 영역에서의 RMSD(%)가 약 2배 정도 크게 나와 CFRP 부착파괴의 감지는 300KHz ~600KHz의 고주파 범위에서 측정하는 것이 적합하다고 판단하였다. 따라서 본 논문에서는 300KHz ~ 600KHz의 가진 주파수 범위에서 임피던스를 계측하였다.
- RMSD의 분석 결과 무 손상 상태에서의 기본 오차율은 0.5% 이하로 나타났으며, 균열 지점에서 8cm 떨어진 PZT#1센서의 RMSD(%)는 0.1mm균열이 발생하였을 때 12.286%, 1mm일 때 32.616%로 균열 정도를 RMSD를 통해 정량적으로 표현할 수 있음을 확인할 수 있었다. 하지만 균열 지점에서 PZT센서의 거리가 멀어질수록 손상에 대한 감지도는 현저히 떨어짐을 알 수 있었다.
- 임피던스 신호는 신호잡음을 제거하기 위해서 계측치에 대해 5회 평균값을 사용하였고, Baseline과 Intact의 신호는 거의 차이가 없어 다른 환경적인 영향요소는 없는 것으로 나타났다. 각각의 PZT센서에서 계측된 임피던스 신호는 균열이 발생하면서 공진주파수의 양상이 다소 변화하고 임피던스 크기가 커지는 경향이 나타났다. 또한, 0.
- 각각의 PZT센서에서 계측된 임피던스 신호는 균열이 발생하면서 공진주파수의 양상이 다소 변화하고 임피던스 크기가 커지는 경향이 나타났다. 또한, 0.1mm의 균열상태 보다 1mm의 균열이 발생하였을 때 임피던스 신호의 변화량은 현저하게 변화함을 알 수 있었고 균열 지점에서 거리가 멀어질수록 신호의 변화량은 적음을 확인할 수 있었다.
- 부착파괴 지점에서 거리가 멀어질수록 PZT센서의 감지도가 감소하는 경향을 보이지만 25cm이내에 있는 PZT#1과 PZT#2에서 계측한 임피던스 신호의 RMSD는 크게 차이를 보이지 않음을 알 수 있다. 또한, PZT센서가 30cm이상 떨어졌을 경우 감지도가 현저히 감소함을 확인할 수 있었다. 특히 40cm이상 떨어져 있는 PZT#4에서 측정함 임피던스 신호의 RMSD의 경우에는 CFRP 부착파괴와 관계없이 신뢰할 수 없는 수치가 계측되었다.
- 이러한 변화로 인해 구조물-PZT센서의 전기-역학적 임피던스의 크기 및 공진주파수가 변화하게 된다. 이러한 특성을 통하여 PZT센서를 이용한 임피던스 기반 손상검색 기법은 콘크리트 균열과 CFRP 부착파괴 모니터링에 적용이 가능함을 확인할 수 있었다.
- 30KHz ~ 60KHz의 범위에서 측정한 임피던스 신호는 임피던스의 크기의 변화는 거의 나타나지 않았고 공진주파수의 변화를 확인할 수 있었다. 이에 비해 300KHz ~600KHz의 범위에서 측정한 임피던스 신호는 공진 주파수의 변화보다 임피던스 크기의 변화가 두드러지게 나타났다. Table 4에 PZT#1에서 측정한 임피던스 신호의 RMSD(%)를 나타내었다.
- 1, 2, 3에 나타내었다. 임피던스 신호는 신호잡음을 제거하기 위해서 계측치에 대해 5회 평균값을 사용하였고, Baseline과 Intact의 신호는 거의 차이가 없어 다른 환경적인 영향요소는 없는 것으로 나타났다. 각각의 PZT센서에서 계측된 임피던스 신호는 균열이 발생하면서 공진주파수의 양상이 다소 변화하고 임피던스 크기가 커지는 경향이 나타났다.
- 6, 7, 8, 9에 300KHz ~ 600KHz의 가진 주파수 영역에서 각각의 PZT 센서에서 측정한 임피던스 신호를 나타내었고, Table 5에 RMSD(%)를 분석결과를 나타내었다. 임피던스 신호는 전체적으로 공진주파수의 변화보다는 임피던스 크기의 변화가 두드러지게 나타났고 3cm, 6cm, 9cm의 CFRP 부착파괴 정도가 커짐에 따라 임피던스 신호의 변화량도 크게 나타났다.
- 측정장비는 Photo 2와 같이 HIOKI 3532-50 LCR 하이테스터를 사용하였다. 측정 주파수는 43Hz에서 5MHz의 고주파 영역까지 측정이 가능하며 기본 정확도는 0.08%의 오차범위이며 최고 속도 5m/s로 고속측정이 가능하다. 계측 프로그램은 LabVIEW 8.
- 콘크리트 균열정도에 따른 임피던스의 변화는 모든 PZT센서에서 감지할 수 있었지만 미세균열의 모니터링을 위해서는 PZT센서의 계측 범위를 균열(0~7cm)에서 PZT#2(~25cm)사이의 거리인 18cm 이내로 설정하는 것이 바람직하다고 판단할 수 있었다.
- 2) 구조물-PZT센서의 전기-역학적 임피던스는 가진 주파수에 따라 변화하며 구조물의 역학적 임피던스 신호의 공진주파수가 잘 표현되는 구간을 설정해주어야 하며 측정 대상 구조물에 따라 그 범위가 다르다. 콘크리트와 CFRP는 측정결과 각각 200KHz ~300KHz, 300KHz ~ 600KHz사이의 고주파 영역에서 균열 및 부착파괴에 대한 임피던스 신호의 변화가 가장 잘 나타남을 확인할 수 있었다.
- 하지만 균열 지점에서 PZT센서의 거리가 멀어질수록 손상에 대한 감지도는 현저히 떨어짐을 알 수 있었다. 특히, 균열 지점에서 28cm 떨어진 PZT#3의 RMSD(%)를 살펴보면 Intact와 Crack level 1과 거의 차이가 없어 0.1mm의 미세한 균열은 거의 감지하지 못함을 알 수 있었다. Fig.
- 616%로 균열 정도를 RMSD를 통해 정량적으로 표현할 수 있음을 확인할 수 있었다. 하지만 균열 지점에서 PZT센서의 거리가 멀어질수록 손상에 대한 감지도는 현저히 떨어짐을 알 수 있었다. 특히, 균열 지점에서 28cm 떨어진 PZT#3의 RMSD(%)를 살펴보면 Intact와 Crack level 1과 거의 차이가 없어 0.
후속연구
- 제안된 기법의 현장 적용성을 검증하기 위한 향후 연구가 진행된다면, 대표적인 CFRP보강 콘크리트 구조물의 국부손상 평가기술로 발전할 수 있을 것으로 예상된다.
- 특히, 전체적인 거동이 변화하고 국부적인 손상이 구조물의 파괴에 큰 영향을 미치는 보수·보강된 구조물의 경우에 임피던스 기반 손상검색 기법을 통한 구조물 건전성 모니터링은 매우 효과적이라 판단된다. 하지만현재의 연구결과는 실험실의 이상적인 환경에서 얻어진 결과이므로 여러 가지 외부환경에 노출된 현장조건을 고려하여 계측기법 및 손상평가방법에 대한 지속적인 실험연구가 수반되어야 된다고 판단된다.
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