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콘크리트 양생 강도 모니터링을 위한 매립형 지능형 센서의 적용성 연구
A Study on Applicability of Embedded Smart Sensor for Concrete Curing Monitoring 원문보기

콘크리트학회논문집 = Journal of the Korea Concrete Institute, v.23 no.2, 2011년, pp.219 - 224  

박승희 (성균관대학교 사회환경시스템공학과) ,  김동진 (성균관대학교 u-City 공학과) ,  홍석인 ((주)대우건설기술연구원) ,  이창길 (성균관대학교 사회환경시스템공학과)

초록
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이 논문은 고강도 콘크리트의 양생 강도 발현을 모니터링하기 위하여 콘크리트 내부에 매립이 가능한 지능형 센서를 제작하고 제작된 지능형 센서를 이용하여 콘크리트 내부의 유도 초음파 전달 시간을 측정함으로써, 콘크리트의 양생 강도를 실시간 추정할 수 있는 기법을 보여준다. 압전 소자를 콘크리트 내부에 삽입하는데 있어, 콘크리트의 수화열과 양생 시의 미세 변형으로부터 보호되어야 하므로, 방수 코팅과 모르타르 케이싱을 하였으며 이렇게 제작된 지능형 센서로부터 저비용의 셀프 센싱 기반 유도 초음파를 계측하여 콘크리트 내부의 유도 초음파 전달 시간을 모니터링하는 기법을 제안하였다. 콘크리트의 양생이 진행됨에 따라 콘크리트의 강도가 증가하게 되는데, 이는 즉 콘크리트의 탄성 계수가 증가하기 때문이며 이로 인해, 유도 초음파의 전달 시간이 빨라지는 것이므로, 이를 측정하여 콘크리트 양생 강도를 추정할 수 있게 된다. 제안된 기법의 적용가능성을 검증하기 위하여 설계 압축강도 100 MPa의 공시체 내부에 지능형 센서를 매립하고 양생기간 동안 유도 초음파를 측정, 비교 분석하였다. 유도 초음파 신호는 양생이 진행됨에 따라 더 빠르게 전달되었으며, 특히 강도 변화가 급격하게 일어나는 초기 재령에서의 유도 초음파 전달속도 변화가 가장 크게 나타났고 그 이후로 점차 감소하는 경향을 보여주었다. 또한, 유도 초음파 전달 시간과 강도 사이의 선형 상관관계를 이용하여 유도 초음파의 전달 시간을 이용해 발현강도를 추정하는 콘크리트 양생강도 추정식을 제안하였다. 결과적으로 이 연구를 통해 개발된 매립형 지능형 센서를 이용하여 고강도 콘크리트의 양생 강도를 실시간 모니터링할 수 있음이 검증되었다.

Abstract AI-Helper 아이콘AI-Helper

In this study, a piezoelectric smart sensor that can be embedded inside of concrete structures is developed to investigate the early stage of concrete curing. A waterproof coating is used to protect the piezoelectric sensor from moistures of concrete mixture. Also, a mortar case is utilized to encap...

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

  • 하지만 기존의 방법인 외부에서의 가진 및 측정을 통한 강도 추정은 그 정확성이 떨어져 최근엔 압전 센서를 콘크리트 내부에 매립하여 콘크리트의 강도 및 손상을 모니터링하는 연구가 진행되었다.6,7) 이에 이 연구는 구조물의 강도와 밀접한 관계를 가지는 탄성 계수에 따라 유도 초음파가 변화되는 것에 초점을 맞추어 매립형 압전 센서를 이용한 유도 초음파 계측 기술을 응용하여 self-sensing을 통한 하나의 센서로 고강도 콘크리트의 발현 강도를 측정하는 기법에 대한 적용 가능성을 연구하기 위한 목적으로 수행되었다.
  • 이 연구는 매립형 지능형 센서를 사용하여 콘크리트의 강도를 추정할 수 있는 기술을 연구하였다. 이 연구를 통하여 다음과 같은 결론을 도출할 수 있었다.
  • 이에 이 연구에서는 향후 건설 분야에 유비쿼터스 환경에 맞는 IT 융합 기술을 적용한 고강도 콘크리트 강도발현 모니터링의 가능성 검토를 위하여, 기존 구조물 건전성 평가 방법으로 많이 연구되던 압전 센서를 이용한 유도 초음파 기법을 콘크리트 강도 발현 모니터링에 이용하고자 한다. 유도 초음파는 매질을 따라 초음파가 전달되고 이때, 매질의 상태 변화에 따라 그 신호가 변화 된다.
  • 1) 하지만 이러한 방법은 대상 콘크리트 구조물을 파괴해야만 하므로 사용 중이거나 양생 중인 구조물에 대해서 적용하기 힘들다. 이에 콘크리트의 강도 발현 비파괴 평가를 위하여 온도, 음파, 전기 특성, 자성, 광학 특성, 방사선 촬영, 물성과 같은 여러 가지 특성들을 이용한 여러 가지 방법이 연구되었다.2-5) 이러한 평가 방법들은 수학적인 모델링에 의해 제안된 이론식 뿐만 아니라 실제 실험을 수행하거나 경험에 근거한 식의 형태로도 제안되고 있는데, 이들은 고가의 장비가 필요하거나 제안식 자체가 복잡하고 또한 수동적인 계측을 할 수밖에 없어 현장에서 크게 활용되지 못하는 실정이다.
  • 유도 초음파는 종파 및 횡파의 조합으로 이루어져 있으며 주파수에 의해서 그 전달 속도가 변화한다. 콘크리트 내부에서의 유도 초음파 전달 양상은 추후 연구를 통하여 구명될 것이며 이 연구에서는 주파수를 한정 시켰을 경우 콘크리트의 강도 증가에 의해 탄성 계수가 증가하게 되면 유도 초음파의 전달 시간이 빨라지는 점을 통하여 유도 초음파의 전달 시간을 측정하여 콘크리트의 강도를 모니터링의 가능성을 실험적으로 확인하였다.

가설 설정

  • 최종적으로 종파 및 횡파 전달 속도는 아래 식과 같이 매질의 탄성 계수과 포아송 비, 밀도와 같은 매질의 물리적 특성에 따라 변화한다. 이 연구에서는 양생이 진행됨에 따라 증가하는 강도가 탄성 계수의 영향을 지배적으로 받는다는 가정 하에 각각의 파속이 탄성 계수에 의해 변화한다고 가정하였다.
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질의응답

핵심어 질문 논문에서 추출한 답변
대형 구조물 건설이 늘어남에 따라 고강도 콘크리트에 기대하는 요소는? 최근 들어 우리나라는 물론 세계 각국마다 경제 산업 발전을 위한 사회기반시설의 확충으로 사회 공공핵심 구조물이 늘어나고 있으며 건설의 규모는 계속 대형화 되고 있다. 특히 초장대 교량이나 초고층 건물들의 건설이 활발해지고 있는데, 이러한 대형 구조물의 건설은 막대한 초기 건설 투자는 물론 건설 후 유지 관리에도 많은 비용이 소요되고 있으며 또한 이들 대형 구조물 건설이 늘어남에 따라 기존 강도의 콘크리트보다 압축강도가 높아 부재 단면을 축소시키고 자중이 감소되며 낮은 W/C 비에 따른 콘크리트 구조물의 내구성 향상을 기대할 수 있는 고강도 콘크리트의 사용이 늘어나고 있는 상황이다. 고강도 콘크리트의 효율적인 타설을 위하여 콘크리트 품질 관리 및 거푸집/동바리의 제거 시기 결정에 활용하기 위한 콘크리트 강도 발현 모니터링 기술이 필수적이다.
콘크리트의 강도 발현 비파괴 평가를 위한 방법들이 현장에서 활용되지 못하는 이유는? 이에 콘크리트의 강도 발현 비파괴 평가를 위하여 온도, 음파, 전기 특성, 자성, 광학 특성, 방사선 촬영, 물성과 같은 여러 가지 특성들을 이용한 여러 가지 방법이 연구되었다.2-5) 이러한 평가 방법들은 수학적인 모델링에 의해 제안된 이론식 뿐만 아니라 실제 실험을 수행하거나 경험에 근거한 식의 형태로도 제안되고 있는데, 이들은 고가의 장비가 필요하거나 제안식 자체가 복잡하고 또한 수동적인 계측을 할 수밖에 없어 현장에서 크게 활용되지 못하는 실정이다. 따라서 현장 타설 고강도 콘크리트의 발현 강도 평가를 고려한 효율적인 실시간 상시 계측 모니터링을 통하여 이상 거동을 감지하고, 적절한 조치를 취함으로써 시설물 붕괴를 미연에 방지해야 한다.
콘크리트 강도를 측정하는 가장 확실한 방법은 무엇인가? 실제 현장에서 콘크리트 강도를 측정하는 가장 확실한 방법은 강도 테스트를 수행하거나 코어를 채취해 코어 테스트를 하는 것이다.1)하지만 이러한 방법은 대상 콘크리트 구조물을 파괴해야만 하므로 사용 중이거나 양생 중인 구조물에 대해서 적용하기 힘들다.
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참고문헌 (11)

  1. Irie, H., Yoshida, Y., Sakurada, Y., and Ito, T., “Non-Destructive-Testing Methods for Concete Structures,” NTT Technical Review, Vol. 6, No. 8, 2008, pp. 1-8. 

  2. ACI Committee 228, In-Place Methods to Estimate Concrete Strength, Report No. 228. 1R-03, American Concrete Institute, Farmington Hills, MI, 2003, pp. 1-35. 

  3. Mehta, P. K. and Monterio, P. J. M., Concrete: Microstructure, Properties, and Materials 3rd ed., Mc Graw Hill Companies, New York, 2006, pp. 387-443. 

  4. Lamond, J. F. and Pielert, J. H., Significance of Tests and Properties of Concrete & Concrete-Making Materials, ASTM International, New York, 2006, pp. 125-141. 

  5. Tawie, R. and Lee, H. K., “Piezoelectric-Based Non- Destructive Monitoring of Hydration of Reinforced Concreteas an Indicator of Bond Development at the Steel-Concrete Interface,” Cement and Concrete Research, Vol. 40, No. 12, 2010, pp. 1697-1703. 

  6. Gu, H., Song, G., Dhonde, H., Mo, Y. L., and Yan, S., “Concrete Early-Age Strength Monitoring Using Embedded Piezoelectric Transducers,” Smart Materials and Structures, Vol. 15, No. 6, 2006, pp. 1837-1845. 

  7. Song, G., Gu, H., and Mo, Y. L., “Smart Aggregates: Multi- Functional Sensors for Concrete Structures-A Tutorial and a Review,” Smart Materials and Structures, Vol. 17, No. 3, 2008, Art. No. 033001. 

  8. Joseph, L. R., Ultrasonic Waves in Solid Media, Cambridge University Press, Cambridge, 1999, pp. 90-99. 

  9. Lee, S. J., Sohn, H., and Hong, J. W., “Time Reversal Based Piezoelectric Transducer Self-Diagnosis under Varying Temperature,” Journal of Nondestructive Evaluation, Vol. 29, No. 4, 2010, pp. 75-91. 

  10. Park, H. W., Sohn, H, Law, K. H., and Farrar, C. R., “Time Reversal Active Sensing for Health Monitoring of a Composite Plate,” Journal of Sound and Vibration, Vol. 302, Nos. 1-2, 2007, pp. 50-66. 

  11. Neville, A. M., Properties of Concrete. 4th ed., John Wiley & Sons, New York, 1996, pp. 269-270. 

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