[논문]CFRP 판 보강 RC보의 균열 및 박리 손상 모니터링

윤준호; 한정헌; 조두용; 박선규

doi:10.11112/jksmi.2011.15.4.185

CFRP 판 보강 RC보의 균열 및 박리 손상 모니터링
Crack and Debonding Donitoring of RC Beams Strengthened with CFRP Plates 원문보기

구조물진단학회지 = Journal of the Korea Institute for Structural Maintenance Inspection, v.15 no.4 = no.68, 2011년, pp.185 - 192

윤준호 (성균관대학교 u-City공학과) , 한정헌 (성균관대학교 u-City공학과) , 조두용 (성균관대학교 건설환경시스템공학과) , 박선규 (성균관대학교 건설환경시스템공학과)

초록
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CFRP 보강공법은 구조물에 내하력을 증가시키기 위해 사용되고 있는데 실제 교량에 적합하고 연구 활용성이 좋다. 하지만, CFRP로 보강된 콘크리트 보에서 휨파괴와 전단파괴 뿐만 아니라 부착파괴 또한 추가적으로 발생하게 된다. 이러한 CFRP 부착파괴는 취성파괴를 유발하게 된다. 따라서 이러한 CFRP로 보강된 콘크리트보 박리에 대한 모니터링은 매우 중요한 의미를 갖는다. 본 논문에서는 국부적인 손상 파악에 유리한 PZT센서를 이용한 임피던스 기반 손상검색 방법을 사용하여 CFRP로 보강된 콘크리트보에서 박리 모니터링에 대한 적용가능성을 검증해 보았다.

Abstract ▼ AI-Helper

A CFRP (Carbon Fiber-Reinforced Plastic) strengthening method being widely used to increase the load-carrying capacity of structures is very suitable for existing bridge structures. However, not only flexure and shear failures but also debonding failure might be additionally occured in reinforced concrete(RC) beams strengthened with the CFRP plates. The CFRP debonding failure would cause a brittle fracture of the beam. Therefore, health monitoring for the CFRP bonding condition is strongly required. In this study, a feasibility of the impedance-based damage detection method using PZT sensors was investigated through a series of experimental studies for realtime structural health monitoring(SHM) for the CFRP laminated concrete structures.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 논문에서는 PZT센서를 이용한 임피던스 기법을 CFRP 판 보강 RC보의 균열 및 박리 손상 모니터링에 적용하기 위한 실험을 수행해 다음과 같은 결론을 얻었다.
본 논문에서는 이러한 국부적인 손상 파악에 유리한 PZT센서를 이용한 임피던스 기법을 통하여 콘크리트 균열과 CFRP 박리 모니터링에 대한 적용성을 확인하였고, 계측기법과 손상평가 방법에 대해 고찰해 보았다. 또한, CFRP로 보강된 콘크리트 보에 적용하여 정적 실험을 수행하여 손상 단계별 임피던스 계측 및 분석을 통하여 구조물의 취약부 및 전체 파괴거동을 평가해 보았다.
본 실험에서는 CFRP로 보강된 콘크리트 보에 하중을 주어서 균열이 발생하거나 CFRP의 박리를 임피던스의 신호변화에 어떤 영향을 끼치는지를 통하여 손상정도를 확인하고자 한다.
본 연구에서는 실제 교량에 적용빈도가 높고 활용성에 대한 기대가 큰 보수․보강 공법인 FRP보강공법이 적용된 구조물에 PZT센서를 이용한 손상 모니터링 기법에 대한 적용 방법을 연구하기 위한 목적으로 수행되었다. 구조물에 FRP보강공법이 적용되면 변화하는 파괴모드로 인해 파괴거동을 파악하기 어렵게 된다.
하중단계 별로 임피던스를 측정하였다. 이를 통해 FRP로 보강된 철근콘크리트 보의 국부적 및 전체적인 거동을 분석하여 FRP보강 공법이 적용된 구조물의 손상 모니터링 기법에 대하여 임피던스를 기반으로 한 PZT센서의 적용성을 검토하고 모니터링 방법에 대해 고찰을 수행하였다.

가설 설정

(1) 구조물이 손상 등의 이유로 상태가 변하면 그 물성이 변하고 구조물의 고유주파수가 변하게 된다. 이로 인해 구조물-PZT센서의 전기-역학적 임피던스 및 공진주파수가 변하게 되며 이러한 특성은 콘크리트와 CFRP의 재료에서도 적용이 가능했고 PZT센서를 이용한 임피던스 기법을 사용해 CFRP 판 박리를 확인할 수 있었다.

제안 방법

(3) 본 논문에서는 여러 개의 PZT센서의 손상지수를 바탕으로 CFRP 판 보강 RC보의 손상 감지와 거동 예측을 수행하였다. 하지만 임피던스 기법은 구조물의 재료특성, 형상 및 질량 그리고 온도, 손상의 종류 등 다양한 인자에 따라 임피던스 신호의 변화양상이 달라지기 때문에 정량적 평가 기준을 확립하기 어렵다.
아래의 Photo 1은 하중재하 및 임피던스 계측 장비를 보여주고 있다. 1000kN 용량의 UTM으로 4점 재하 정적 휨 실험을 실시하였고 PZT 센서의 임피던스 신호는 22.54kN(균열하중), 38.2kN, 58.5kN, 76.44kN(CFRP 탈락), CFRP탈락이후 주요균열 2mm정도로 확장되었을때 계측하였다. 38.
CFRP 박리를 모니터링 하기 위하여 CFRP 하면에 30cm 간격으로 35mm × 35mm 크기인 6개의 지능형 센서인 PZT를 부착하였고, 콘크리트의 휨 균열에 대한 모니터링을 위하여 집중 휨 균열이 발생하는 하중 재하 지점으로 부터 각각 7.5cm, 22.5cm, 37.5cm, 52.5cm 떨어진 지점에 35mm × 35mm 크기인 4개의 지능형 센서인 PZT 를 부착하였다.
CFRP 판에 부착된 PZT센서에서의 임피던스 계측은 하중을 가하지 않은 무손상 상태(Intact)를 포함하여 총 6단계로 계측하였다. 콘크리트 균열 모니터링 실험과 마찬가지로 하중 단계별로 임피던스 신호를 계측하였으며, 다른 부분은 CFRP 탈락 이전과 이후의 임피던스 신호를 계측하여 비교·분석 하였다.
하중은 변위제어 방법을 사용하였으며 수동으로 가력하여 각 하중단계별로 임피던스 신호를 계측하였다. 계측된 임피던스를 그래프로 보기위하여 PC에 LabVIEW 프로그램을 설치하여 확인하였다.
5kN은 균열 변화가 육안상으로 확연히 드러나는 시점이다. 계측을 위해 LCR 하이테스터를 사용하여 임피던스를 계측하였으며 가진 주파수는 100Hz ~ 5MHz 범위를 측정한 결과 공진 주파수가 가장 뚜렷하게 나타나는 200KHz ~ 600KHz로 설정하였다. 하중은 변위제어 방법을 사용하였으며 수동으로 가력하여 각 하중단계별로 임피던스 신호를 계측하였다.
이정미(2008)는 RMSD 기법의 결과가 앞선 기법들에 비해 더 선형적으로 나온 것을 확인하였으며 이는 추후 모니터링에 있어 RMSD 분석기법을 이용할 경우 가장 정확한 측정을 할 수 있을 것으로 판단하였다. 따라서 본 논문에서는 RMSD 기법을 사용하여 임피던스 변화를 관찰하였다.
또한 본 실험에서는 철근콘크리트 보 실험체를 제작하여 CFRP 판보강을 실시하였으며. 하중단계 별로 임피던스를 측정하였다.
본 논문에서는 이러한 국부적인 손상 파악에 유리한 PZT센서를 이용한 임피던스 기법을 통하여 콘크리트 균열과 CFRP 박리 모니터링에 대한 적용성을 확인하였고, 계측기법과 손상평가 방법에 대해 고찰해 보았다. 또한, CFRP로 보강된 콘크리트 보에 적용하여 정적 실험을 수행하여 손상 단계별 임피던스 계측 및 분석을 통하여 구조물의 취약부 및 전체 파괴거동을 평가해 보았다.
콘크리트 균열 모니터링 실험과 마찬가지로 하중 단계별로 임피던스 신호를 계측하였으며, 다른 부분은 CFRP 탈락 이전과 이후의 임피던스 신호를 계측하여 비교·분석 하였다.
콘크리트에 부착된 PZT센서에서의 임피던스 계측은 하중을 가하지 않은 무손상 상태를 포함하여 총 6단계로 계측하였다. 콘크리트 보의 중앙부인 하중재하 부분에 초기 균열이 발생하였으며 CFRP 탈락 이전에는 미소균열만이 발생하였고 CFRP 탈락 이후 급격히 균열 폭이 커졌다.
또한 본 실험에서는 철근콘크리트 보 실험체를 제작하여 CFRP 판보강을 실시하였으며. 하중단계 별로 임피던스를 측정하였다. 이를 통해 FRP로 보강된 철근콘크리트 보의 국부적 및 전체적인 거동을 분석하여 FRP보강 공법이 적용된 구조물의 손상 모니터링 기법에 대하여 임피던스를 기반으로 한 PZT센서의 적용성을 검토하고 모니터링 방법에 대해 고찰을 수행하였다.
계측을 위해 LCR 하이테스터를 사용하여 임피던스를 계측하였으며 가진 주파수는 100Hz ~ 5MHz 범위를 측정한 결과 공진 주파수가 가장 뚜렷하게 나타나는 200KHz ~ 600KHz로 설정하였다. 하중은 변위제어 방법을 사용하였으며 수동으로 가력하여 각 하중단계별로 임피던스 신호를 계측하였다. 계측된 임피던스를 그래프로 보기위하여 PC에 LabVIEW 프로그램을 설치하여 확인하였다.
구조물에 FRP보강공법이 적용되면 변화하는 파괴모드로 인해 파괴거동을 파악하기 어렵게 된다. 효율적인 손상 모니터링을 위하여 RC 보의 파괴양상을 파악하였으며 적절한 센서 위치와 계측 시 주목해야할 부분을 결정하였다.

대상 데이터

스터럽은 H10 철근을 사용하였으며 100mm 간격으로 배치하였다. CFRP 판은 길이 2000mm, 폭 50mm로 콘크리트 보의 하면에 에폭시를 사용하여 부착하였다. CFRP 박리를 모니터링 하기 위하여 CFRP 하면에 30cm 간격으로 35mm × 35mm 크기인 6개의 지능형 센서인 PZT를 부착하였고, 콘크리트의 휨 균열에 대한 모니터링을 위하여 집중 휨 균열이 발생하는 하중 재하 지점으로 부터 각각 7.
보강실험을 위해 단면치수 200 × 300mm, 피복두께 30mm, 실험체 총 길이 2700mm, 순지간 길이 2400mm 인 콘크리트 보를 제작하였다.
보강실험을 위해 단면치수 200 × 300mm, 피복두께 30mm, 실험체 총 길이 2700mm, 순지간 길이 2400mm 인 콘크리트 보를 제작하였다. 휨파괴 및 부착파괴를 유도하기 위해 인장 측에는 H10 철근을 사용하였으며, 압축 측에는 H13 철근을 사용하였다. 휨 균열에 대한 모니터링을 용이하게 하기 위하여 압축철근을 더 많이 사용하였다.

성능/효과

7은 각각 콘크리트와 CFRP 보강판에 부착한 PZT센서에서 계측한 임피던스를 RMSD로 분석한 결과이다. CFRP 보강 RC보는 22.5kN에서 1번과 2번 균열이 발생하였고 C-PZT#1, C-PZT#2, C-PZT#3, C-PZT#4의 손상지수는 각각 5.750, 2.353, 2.115, 1.230으로 나타나 C-PZT#1 왼쪽 부분에 균열이 발생하였음을 확인할 수 있다.
44kN에서 8번 균열이 발생하였음을 예측할 수 있다. CFRP 탈락 이후 균열이 급 진전되면서 각각의 PZT센서의 손상지수 또한 급격하게 증가하였으며 C-PZT#1의 손상지수의 변화량이 현저하게 나타난 것을 바탕으로 보 지간 중앙부에 균열이 집중되어 휨 파괴 형상을 보임을 예측할 수 있다.
54kN의 초기 균열이후에 CFRP의 변형의 영향으로 CFRP에 부착된 PZT의 손상지수가 전체적으로 증가하였고, F-PZT#3, F-PZT#4의 손상지수의 변화가 크게 나타나 지간중앙에 균열이 발생하면서 CFRP 박리가 발생하였음을 예측할 수 있다. F-PZT#1의 손상지수는 하중이 증가함에 따라 큰 변화가 없어 CFRP 변형이외의 박리는 거의 발생하지 않은 것으로 판단되며, CFRP 탈락이 발생한 부분에 부착된 F-PZT#6의 손상지수는 하중이 증가함에 따라 뚜렷한 증가를 보였으며 CFRP 탈락 직전인 76.44kH의 하중이 가해졌을 때 신호의 급격한 증가를 보여 CFRP 탈락의 징후를 확인할 수 있었다.
2와 같이 균열이 진전됨에 따라 변화량이 더 커져 균열의 발생이 임피던스 신호의 변화에 영향을 줌을 확인할 수 있었다. 가한 하중이 22.54kN에서 초기 균열이 발생하였을 때 특히 임피던스 신호의 변화가 커졌으며 CFRP 탈락 이후 균열 폭이 급격히 증가함에 따라 임피던스 신호 역시 변화 폭이 커짐을 확인할 수 있었다.
(2) 구조물의 가진 주파수 설정은 임피던스 기법에서 중요하며 구조물 특성이 잘 나타나는 공진주파수가 존재하는 구간을 설정해야 한다. 본 논문의 실험 결과 CFRP는 200kHz~600kHz 사이의 범위에서 공진주파수가 뚜렷하게 나타났고 CFRP 박리 모니터링이 가능하였다.
본 실험에서의 CFRP 판에 부착된 PZT 센서에서 76.44kN 이전에 계측된 임피던스 신호의 변화는 CFRP 박리 보다는 CFRP 판의 변형률에 따른 변화라고 판단된다. Fig.
(1) 구조물이 손상 등의 이유로 상태가 변하면 그 물성이 변하고 구조물의 고유주파수가 변하게 된다. 이로 인해 구조물-PZT센서의 전기-역학적 임피던스 및 공진주파수가 변하게 되며 이러한 특성은 콘크리트와 CFRP의 재료에서도 적용이 가능했고 PZT센서를 이용한 임피던스 기법을 사용해 CFRP 판 박리를 확인할 수 있었다.
콘크리트에 부착된 PZT센서에서 계측된 임피던스 신호는 Fig. 2와 같이 균열이 진전됨에 따라 변화량이 더 커져 균열의 발생이 임피던스 신호의 변화에 영향을 줌을 확인할 수 있었다. 가한 하중이 22.
4는 CFRP 판의 탈락이 발생한 위치인 F-PZT#6에서 계측한 임피던스 신호를 나타낸 것이다. 하중이 증가할수록 CFRP의 변형에 따라 임피던스 신호는 일정하게 변화함을 확인할 수 있었고, CFRP 판 탈락 직전에 임피던스 신호의 변화가 크게 증가하는 것으로 CFRP 박리가 발생하였음을 확인할 수 있다.

후속연구

따라서 실 구조물에 적용을 위해서는 먼저 대상 구조물의 거동을 미리 파악하여 위험 구간에서의 국부적인 손상 모니터링을 통하여 구조물의 건전성을 파악하는 것이 효율적인 방법이라 할 수 있다. 그리고 무 손상 상태에서 구조물-PZT센서의 전기-역학적 임피던스의 영향을 주는 인자들을 확인하고 그런 인자들로 인한 임피던스의 변화양상을 파악해야 한다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	보수․보강된 구조물의 설계 시 예측된 파괴모드는 어떻게 되는가?	보수․보강된 구조물은 기존 설계 시 예측되었던 파괴모드가 변화하게 된다. 이러한 변화는 결국 구조물의 예측 가능한 파괴 경향을 파악하기 어렵게 하는 중요한 변수가 된다.
	보수․보강된 구조물은 기존 설계 시 예측되었던 파괴모드가 변화하게 되는데 이는 어떤 변수로 작용하는가?	보수․보강된 구조물은 기존 설계 시 예측되었던 파괴모드가 변화하게 된다. 이러한 변화는 결국 구조물의 예측 가능한 파괴 경향을 파악하기 어렵게 하는 중요한 변수가 된다. 따라서 보수․보강된 구조물은 변화된 파괴모드를 고려한 실시간 상시계측을 통하여 구조물의 이상 거동을 감지하고, 적절한 유지관리를 도모함으로써 시설물의 붕괴를 미연에 방지해야 한다(류성찬 등 2010).
	임피던스 기법이 정량적인 평가 기준을 확립하기 어려운 이유는?	임피던스 기법은 구조물의 재료특성, 형상 및 질량 그리고 온도, 손상의 종류 등 다양한 인자에 따라 임피던스 신호의 변화양상이 달라기 때문에 정량적인 평가 기준을 확립하기 어렵다. 따라서 실 구조물에 적용을 위해서는 먼저 대상 구조물의 거동을 미리 파악하여 위험 구간에서의 국부적인 손상 모니터링을 통하여 구조물의 건전성을 파악하는 것이 효율적인 방법이라 할 수 있다.

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표제어: PCR

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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