본 연구는 타설 콘크리트의 온도를 무선센서 방식으로 현장에서 직접 간편하게 계측할 수 있는 장치를 개발하고, 무선 전송네트워크시스템을 통하여 현장사무실 및 본사 등에서 실시간 효율적 온도이력관리를 할 수 있는 시스템을 구축하는데 목적이 있다. 실험결과, 우선 무선센서네트워크시스템의 기본이 되는 온도센서는 콘크리트 타설시 안정적으로 측정될 수 있도록 무선방식의 막대타입의 스텐레스 프로브형으로 제작하였으며, 거푸집에서의 탈부착이 간편하고 장기간의 내장전력공급이 가능한 거푸집일체형의 무선센서네트워크 장치를 개발하였다. 또한 무선센서네트워크시스템의 구성은 센서노드와 라우터, 게이트웨이 및 CDMA 통신방식으로 구성하였으며, 콘크리트의 동일한 양생조건 및 상이한 양생조건에서 온도를 측정한 결과, 기존의 유선방식과 동일한 온도분포를 보였다. 향후, 개발된 무선센서네트워크 장치를 현장에서 사용할 경우, 현장 사무실에서의 정량적인 콘크리트 온도관리가 효율적으로 이루어 질 것으로 판단되며, 감리 감독업무의 생산성 향상과 더불어 전반적인 콘크리트 구조체의 품질에 크게 기여할 것으로 판단된다.
본 연구는 타설 콘크리트의 온도를 무선센서 방식으로 현장에서 직접 간편하게 계측할 수 있는 장치를 개발하고, 무선 전송네트워크시스템을 통하여 현장사무실 및 본사 등에서 실시간 효율적 온도이력관리를 할 수 있는 시스템을 구축하는데 목적이 있다. 실험결과, 우선 무선센서네트워크시스템의 기본이 되는 온도센서는 콘크리트 타설시 안정적으로 측정될 수 있도록 무선방식의 막대타입의 스텐레스 프로브형으로 제작하였으며, 거푸집에서의 탈부착이 간편하고 장기간의 내장전력공급이 가능한 거푸집일체형의 무선센서네트워크 장치를 개발하였다. 또한 무선센서네트워크시스템의 구성은 센서노드와 라우터, 게이트웨이 및 CDMA 통신방식으로 구성하였으며, 콘크리트의 동일한 양생조건 및 상이한 양생조건에서 온도를 측정한 결과, 기존의 유선방식과 동일한 온도분포를 보였다. 향후, 개발된 무선센서네트워크 장치를 현장에서 사용할 경우, 현장 사무실에서의 정량적인 콘크리트 온도관리가 효율적으로 이루어 질 것으로 판단되며, 감리 감독업무의 생산성 향상과 더불어 전반적인 콘크리트 구조체의 품질에 크게 기여할 것으로 판단된다.
Temperature of fresh concrete can be effectively used to predict the strength of concrete being cured and make an informed decision for stripping the molds. A hygrothermograph and thermo-couple sensors that require an extensive wiring have been applied to measure a temperature of concrete at the ear...
Temperature of fresh concrete can be effectively used to predict the strength of concrete being cured and make an informed decision for stripping the molds. A hygrothermograph and thermo-couple sensors that require an extensive wiring have been applied to measure a temperature of concrete at the early stage of the curing process on site. However, these methods have limits to provide the temperature data in real time due to harsh working environment including frequent cutting of wires. Therefore, this study is aiming at developing a device based on wireless sensor network to measure the temperature of concrete being cured in formwork. The result showed that the wireless sensor with probe type thermistor which is developed had the same temperature data compared to the existed wire type thermistor, and we confirmed the temperature history of concrete in real time for 28 days throughout the gateway by wireless network that collects the temperature data measured from specimens in laboratory. Also, the network device for transmission can be easily separated from the probe sensor part and reused consistently. If the wireless sensor network device developed uses in the field, the temperature management of concrete will be systematically conducted from at the early stage of the curing, and especially be effective for cold weather concrete construction. In addition, it will contribute to the establishment of advanced quality control system for concrete and productivity of supervisors on site will be increased in the future.
Temperature of fresh concrete can be effectively used to predict the strength of concrete being cured and make an informed decision for stripping the molds. A hygrothermograph and thermo-couple sensors that require an extensive wiring have been applied to measure a temperature of concrete at the early stage of the curing process on site. However, these methods have limits to provide the temperature data in real time due to harsh working environment including frequent cutting of wires. Therefore, this study is aiming at developing a device based on wireless sensor network to measure the temperature of concrete being cured in formwork. The result showed that the wireless sensor with probe type thermistor which is developed had the same temperature data compared to the existed wire type thermistor, and we confirmed the temperature history of concrete in real time for 28 days throughout the gateway by wireless network that collects the temperature data measured from specimens in laboratory. Also, the network device for transmission can be easily separated from the probe sensor part and reused consistently. If the wireless sensor network device developed uses in the field, the temperature management of concrete will be systematically conducted from at the early stage of the curing, and especially be effective for cold weather concrete construction. In addition, it will contribute to the establishment of advanced quality control system for concrete and productivity of supervisors on site will be increased in the future.
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문제 정의
이에 따라 본 연구에서는 타설 콘크리트의 온도를 무선 센서 방식으로 현장에서 직접 간편하게 계측할 수 있는 장치를 개발하고, 무선 전송네트워크시스템을 통하여 현장사무실 및 본사 등에서 실시간 온도에 대한 이력관리를 할 수 있는 유비쿼터스 기반의 첨단 품질관리시스템 구축에 기여하고자 한다.
제안 방법
(2) 타설콘크리트의 온도를 효과적으로 측정하기 위하여 거푸집에서의 탈부착이 간편하고 장기간의 내장전력공급이 가능한 거푸집일체형의 무선센서네트워크 장치를 개발하였다.
(3) 무선센서네트워크시스템의 구성은 센서노드와 라우터 , 게이트웨이 및 CDMA 통신방식으로 구성하였으며, 라우터를 생략하여도 외부사무실에서의 무선네트워크에 의한 측정 온도자료 송신이 이루어졌다.
거푸집 일체형 무선온도 측정 장치는 Fig. 2와 Photo 2에서와 같이 기존 유선방식에서 완전히 탈피하여 콘크리트 타설 전 거푸집에 설치하는 방식으로 설계되었다. 거푸집의 종류 및 두께에 상관없이 사용 가능하도록 설계되었으며, 온도측정 부분인 프로브형 센서와 무선 전송장치(Zigbee)를 분리 가능하도록 설계하여 거푸집의 해체등 현장 특성에 효율적으로 대응토록 하였다.
2와 Photo 2에서와 같이 기존 유선방식에서 완전히 탈피하여 콘크리트 타설 전 거푸집에 설치하는 방식으로 설계되었다. 거푸집의 종류 및 두께에 상관없이 사용 가능하도록 설계되었으며, 온도측정 부분인 프로브형 센서와 무선 전송장치(Zigbee)를 분리 가능하도록 설계하여 거푸집의 해체등 현장 특성에 효율적으로 대응토록 하였다. 또한 불필요한 밧데리 소모를 줄이고 현장에서의 작동여부 확인을 위하여 LED 장치를 추가적으로 부착하였다.
거푸집의 종류 및 두께에 상관없이 사용 가능하도록 설계되었으며, 온도측정 부분인 프로브형 센서와 무선 전송장치(Zigbee)를 분리 가능하도록 설계하여 거푸집의 해체등 현장 특성에 효율적으로 대응토록 하였다. 또한 불필요한 밧데리 소모를 줄이고 현장에서의 작동여부 확인을 위하여 LED 장치를 추가적으로 부착하였다. 이들 온도센서 부분과 무선전송장치가 분리됨에 따라 온도센서는 콘크리트에 매설되고 무선전송장치는 재사용이 가능토록 고안하였다.
공사현장에서 콘크리트의 양생온도를 효율적으로 측정하고자 개발된 무선센서 및 네트워크에 대한 신뢰도를 검토코자 설정한 실험인자 및 수준은 Table 2에서와 같다. 먼저 콘크리트 종류는 보통콘크리트와 초기 수화열 저감 효과를 가지는 저발열 콘크리트(고로슬래그 30% 혼입)를 사용하였으며, 이들의 압축강도는 현장에서 주로 사용 하고 있는 21MPa, 27MPa로 정하였다. 양생온도는 기준이 될 상온(20±3℃)과 콘크리트 수화 반응에 필요한 최소 온도 조건인 저온(10℃) 그리고 수중양생으로 설정하여 양생 챔버 및 수조에서 등온·기건·수중 양생을 하였으며, 압축강도는 3, 7, 28일 등 총 3회에 걸쳐 측정하였다.
본 연구에서는 Fig. 3과 Fig. 4에서와 같이 콘크리트 시험체내 설치된 센서로부터 온도데이터를 측정하고 난후 지그비(Zigbee, 2.45KHz)통신을 통하여 게이트웨이로 무선 송신하고, 송신된 이들 데이터는 CDMA(장거리 영역무선통신)를 통하여 사무실내 인터넷에서 수신하는 방법으로 진행하였다. Fig.
제작된 센서의 정확 도를 측정하기 위하여 레미탈을 사용하여 모르타르 내부 에서 온도를 측정하였다. 센서는 모르타르 표면으로부터 5cm, 10cm의 깊이로 각각 2개씩 매립하였고, 온도측정 시스템의 온도이력 확인을 위하여 상온에서 1개의 써미 스터를 사용하여 외기온도를 측정하였다. 측정기간은 약 3일간, 5분 주기로 측정하였으며, 온도측정 및 측정데이터 전송장치는 총 5개를 사용하고, 각각 2개 센서에 연결 하여 사용하였다.
양생온도는 기준이 될 상온(20±3℃)과 콘크리트 수화 반응에 필요한 최소 온도 조건인 저온(10℃) 그리고 수중양생으로 설정하여 양생 챔버 및 수조에서 등온·기건·수중 양생을 하였으며, 압축강도는 3, 7, 28일 등 총 3회에 걸쳐 측정하였다.
사용된 온도센서는 반도체에서 사용되는 고감도용 써미스터(Thermistor)를 선정하였으며, 거푸집에 안정적으로 부착될 수 있도록 기존의 유선형(Cable wire type thermistor)에서 막대타입의 스텐레스 프로브형(Probe type thermistor)으로 제작하였다. 제작된 센서의 정확 도를 측정하기 위하여 레미탈을 사용하여 모르타르 내부 에서 온도를 측정하였다. 센서는 모르타르 표면으로부터 5cm, 10cm의 깊이로 각각 2개씩 매립하였고, 온도측정 시스템의 온도이력 확인을 위하여 상온에서 1개의 써미 스터를 사용하여 외기온도를 측정하였다.
제작된 시험체는 배합조건으로 구분하여 항온·항습실(20℃ 양생조건)과 저온챔버(10℃ 양생조건) 및 실험실의 수중상태에서 양생하여 각각 공시체의 내부 온도를 측정하였으며, 측정된 데이터는 유·무선네트워크에 의한 데이터 로거 및 게이 트웨이를 통하여 외부 사무실에서 공시체의 온도이력을 확인하도록 하였다.
센서는 모르타르 표면으로부터 5cm, 10cm의 깊이로 각각 2개씩 매립하였고, 온도측정 시스템의 온도이력 확인을 위하여 상온에서 1개의 써미 스터를 사용하여 외기온도를 측정하였다. 측정기간은 약 3일간, 5분 주기로 측정하였으며, 온도측정 및 측정데이터 전송장치는 총 5개를 사용하고, 각각 2개 센서에 연결 하여 사용하였다.
콘크리트 시험체(Φ10×20cm) 중앙의 내부온도를 측정하기 위하여 Photo 3에서와 같이 플라스틱 몰드에 구멍을 뚫어서 써머커플과 써미스터 및 프로브형 써미스터를 설치한 후에 콘크리트를 타설하였다.
양생온도는 기준이 될 상온(20±3℃)과 콘크리트 수화 반응에 필요한 최소 온도 조건인 저온(10℃) 그리고 수중양생으로 설정하여 양생 챔버 및 수조에서 등온·기건·수중 양생을 하였으며, 압축강도는 3, 7, 28일 등 총 3회에 걸쳐 측정하였다. 콘크리트 온도 측정센서는 유선형 써머커플과 무선형 써미스터 그리고 거푸집 일체형 프로브형 써미스터를 사용했으며 상온과 저온의 시험체에 각각의 센서를 설치 하여 콘크리트의 내부온도를 측정하였다.
대상 데이터
목표 슬럼프는 150±25mm로 설정 하였으며, 저발열콘크리트의 경우 고로슬래그를 30% 중량 치환하여 혼화재료로 사용하였다.
사용된 온도센서는 반도체에서 사용되는 고감도용 써미스터(Thermistor)를 선정하였으며, 거푸집에 안정적으로 부착될 수 있도록 기존의 유선형(Cable wire type thermistor)에서 막대타입의 스텐레스 프로브형(Probe type thermistor)으로 제작하였다. 제작된 센서의 정확 도를 측정하기 위하여 레미탈을 사용하여 모르타르 내부 에서 온도를 측정하였다.
성능/효과
(1) 무선센서네트워크시스템의 기본이 되는 온도센서는 콘크리트 타설시 보다 안정적으로 측정될 수 있도록 무선방식의 프로브형으로 제작하였으며, 모르타르를 대상으로 검토한 내부 온도 측정값은 기존의 유선센서와 유사한 것으로 나타났다.
(4) 본 거푸집일체형의 무선센서네트워크 장치를 이용하여 콘크리트의 동일한 양생조건 및 상이한 양생 조건에서 온도를 측정한 결과, 기존의 유선방식과 동일한 온도분포를 보였다
(5) 상기의 결과에서와 같이, 개발된 무선센서네트워크 장치를 현장에서 사용할 경우, 현장 사무실에서의 정량적인 콘크리트 온도관리는 효율적으로 이루어 질 것으로 판단되며, 감리·감독업무의 생산성 향상과 더불어 전반적인 콘크리트 구조체의 품질에 크게 기여할 것으로 판단된다
거푸집 부착용으로 개발된 프로브형 센서는 Fig. 1에서와 같이 기존의 유선센서와 같이 거의 동일한 온도 측정 결과를 보이고 있으며, 측정오차는 거의 없은 것으로 나타났다. 또한 센서의 매립 깊이별 온도 측정결과, 표면으로부터 10cm 깊이와 5cm 깊이에서의 온도 측정값 차이는 최대 2.
무선센서네트워크에 의한 측정온도 데이터는 게이트웨이로의 전송이 원활히 이루어졌으며, 또한 게이트웨이에서 CDMA 방식으로 외부 서버가 있는 사무실로 측정 데이터가 효율적으로 전송된 것을 알 수있었다. 두 센서간의 온도이력 측정값의 비교 결과, 써머 커플에 비하여 무선방식의 써미스터가 약 0.3~0.5℃ 정도 높은 온도 분포를 보여 센서간의 약간의 차가 발생한 것으로 나타났다. 하지만 두 센서에 의한 28일간의 온도 이력을 비교해보았을 때, 최대 1℃ 이하의 오차범위를 가지는 것으로 나타나 효율적인 무선온도센서 네트워크가 구성될 것으로 판단된다.
재령 2일 까지는 일부 센서네트워크의 통신문제로 높아졌으나, 재령 2일 이후부터는 양생온도 10℃를 유지하면서 두 센서 모두 정상적으로 측정된 것을 알 수 있었다. 두 센서간의 온도이력을 비교해보면 약 0.5℃ 정도의 차이로 프로브형이 일반형의 써미스터에 비하여 약간 높은 온도이력을 보였다. 이상의 결과로 볼때, 센서에 따라 측정되는 온도 차이는 약간 있지만 1℃ 이하이며, 특히 현장에서의 활용성을 고려하여 제안된 프로브형 써미스터 센서는 무선네트워크를 기반으로 하여 효율적으로 온도를 측정하고 전송할 수 있다는 것을 알 수 있었다.
1에서와 같이 기존의 유선센서와 같이 거의 동일한 온도 측정 결과를 보이고 있으며, 측정오차는 거의 없은 것으로 나타났다. 또한 센서의 매립 깊이별 온도 측정결과, 표면으로부터 10cm 깊이와 5cm 깊이에서의 온도 측정값 차이는 최대 2.5~3℃인 것으로 나타났으며, 이는 표면보다는 중심부에서 수화반응이 활발하게 이루어져 온도가 높아진 것을 알 수 있었다. 이상의 결과로부터 거푸집 부착용으로 개발된 프로브타입의 온도센서는 기존의 유선형 센서와 동일한 특성을 보였으며, 현장에서의 콘크리트 온도 센서로서의 효율적인 활용을 기대할 수 있다.
5는 보통콘크리트 21MPa를 20℃에서 28일간 등온 양생한 공시체의 온도이력에 대하여 유·무선센서로 부터 측정한 것이다. 무선센서네트워크에 의한 측정온도 데이터는 게이트웨이로의 전송이 원활히 이루어졌으며, 또한 게이트웨이에서 CDMA 방식으로 외부 서버가 있는 사무실로 측정 데이터가 효율적으로 전송된 것을 알 수있었다. 두 센서간의 온도이력 측정값의 비교 결과, 써머 커플에 비하여 무선방식의 써미스터가 약 0.
5℃ 정도의 차이로 프로브형이 일반형의 써미스터에 비하여 약간 높은 온도이력을 보였다. 이상의 결과로 볼때, 센서에 따라 측정되는 온도 차이는 약간 있지만 1℃ 이하이며, 특히 현장에서의 활용성을 고려하여 제안된 프로브형 써미스터 센서는 무선네트워크를 기반으로 하여 효율적으로 온도를 측정하고 전송할 수 있다는 것을 알 수 있었다.
이상의 결과로부터 유·무선센서네트워크에 의한 온도 측정 및 전송은 콘크리트의 온도변화에 관계없이 효율적으로 이루어진 것으로 나타났다.
6은 보통콘크리트 21MPa를 10℃에서 등온 양생한 공시체의 온도이력에 대하여 써미스터와 프로브형 써미스터로 측정된 온도이력에 대한 그래프이다. 재령 2일 까지는 일부 센서네트워크의 통신문제로 높아졌으나, 재령 2일 이후부터는 양생온도 10℃를 유지하면서 두 센서 모두 정상적으로 측정된 것을 알 수 있었다. 두 센서간의 온도이력을 비교해보면 약 0.
7에서와 같이 기중에서 양생한 21MPa 의 보통콘크리트 및 저발열콘크리트 공시체의 온도이력 분포로서 보통콘크리트에는 프로브형 써미스터를 저발열 콘크리트에는 일반형 써미스터를 설치하였다. 측정결과, 두 센서에서 측정된 온도이력 분포는 거의 동일한 것으로 나타났으며, 두 센서간의 편차 또한 거의 없는 것을 알 수있었다. 또한 Fig.
후속연구
5~3℃인 것으로 나타났으며, 이는 표면보다는 중심부에서 수화반응이 활발하게 이루어져 온도가 높아진 것을 알 수 있었다. 이상의 결과로부터 거푸집 부착용으로 개발된 프로브타입의 온도센서는 기존의 유선형 센서와 동일한 특성을 보였으며, 현장에서의 콘크리트 온도 센서로서의 효율적인 활용을 기대할 수 있다.
이상의 결과로부터 유·무선센서네트워크에 의한 온도 측정 및 전송은 콘크리트의 온도변화에 관계없이 효율적으로 이루어진 것으로 나타났다. 이에 따라, 현장에서 타설되는 콘크리트는 어떤 환경변화에서도 본 시스템을 효율적으로 활용할 경우 무선센서네트워크 기반의 콘크리트 온도관리를 실시간 정량적으로 실시하여 콘크리트의 품질성능을 제고시키는데 큰 기여를 할 것으로 기대된다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
무선센서네트워크시스템의 구성은?
실험결과, 우선 무선센서네트워크시스템의 기본이 되는 온도센서는 콘크리트 타설시 안정적으로 측정될 수 있도록 무선방식의 막대타입의 스텐레스 프로브형으로 제작하였으며, 거푸집에서의 탈부착이 간편하고 장기간의 내장전력공급이 가능한 거푸집일체형의 무선센서네트워크 장치를 개발하였다. 또한 무선센서네트워크시스템의 구성은 센서노드와 라우터, 게이트웨이 및 CDMA 통신방식으로 구성하였으며, 콘크리트의 동일한 양생조건 및 상이한 양생조건에서 온도를 측정한 결과, 기존의 유선방식과 동일한 온도분포를 보였다. 향후, 개발된 무선센서네트워크 장치를 현장에서 사용할 경우, 현장 사무실에서의 정량적인 콘크리트 온도관리가 효율적으로 이루어 질 것으로 판단되며, 감리 감독업무의 생산성 향상과 더불어 전반적인 콘크리트 구조체의 품질에 크게 기여할 것으로 판단된다.
온도센서의 정확도를 측정하기 위한 방법은?
사용된 온도센서는 반도체에서 사용되는 고감도용 써미스터(Thermistor)를 선정하였으며, 거푸집에 안정적으로 부착될 수 있도록 기존의 유선형(Cable wire type thermistor)에서 막대타입의 스텐레스 프로브형(Probe type thermistor)으로 제작하였다. 제작된 센서의 정확 도를 측정하기 위하여 레미탈을 사용하여 모르타르 내부 에서 온도를 측정하였다. 센서는 모르타르 표면으로부터 5cm, 10cm의 깊이로 각각 2개씩 매립하였고, 온도측정 시스템의 온도이력 확인을 위하여 상온에서 1개의 써미 스터를 사용하여 외기온도를 측정하였다.
콘크리트의 특징은?
콘크리트는 시멘트, 골재, 물과 혼화재 등 다양한 재료들이 혼합되기 때문에 재료간의 물리적 특성 뿐만이 아니라 환경조건에 따라서도 일정 변형을 가지며, 특히 경화 전이나 양생 중의 온도변화에 의해서 강도 및 내구성 등에 많은 영향을 미친다. 동절기와 같이 1일 평균 외부기온이 4℃ 이하로 내려가는 환경에서는 결합수의 동결 등에 의하여 내구성 및 수밀성의 저하가 발생하며, 콘크리트의 내부 수화열에 의한 내·외부의 온도 차이에 의하여 균열 발생 가능성도 있다.
참고문헌 (9)
이성복, 건설공사 현장에서의 RFID/USN 활용실태 및 적용에 관한 기초연구, 주택도시연구원, 2007.
이성복, 배기선, 이도헌, "무선센서네트워크에 의한 콘크리트 양생온도 계측에 관한 현장 적용성 연구", 한국건축시공학회지, 제11권 3호, 2011, pp.283-291.
Julian H. Kang, Jasdeep Gandhi, "Readability test of RFID temperature sensor embedded in fresh concrete", Journal of Civil Engineering and Management, vol. 16, No. 3, 2010, pp.412-417.
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