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초록
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본 논문에서는 PSC 거더 내부 긴장재의 Prestress 변화를 계측하고, 그 손실을 관리하기 위하여 PSC 거더 내부에 매립이 가능한 매립형 EM 센서를 연구 및 제작하였다. 현재까지의 PSC 내부 긴장재의 긴장력 손실관리는 시공 시 설계 긴장력 도입 여부 검증에 머물러 있으며, 시공 후에는 관리가 제대로 이루어지고 있지 않다. 이에 본 논문에서는 강자성체자기장이 작용하면 비투자율인 강자성체 고유의 특성이 변화한다는 탄성-자기 이론을 기초로, PSC 거더의 정착구와 쉬스관 외관의 특성을 반영하여 PSC 거더 내부에 매립이 가능한 매립형 EM 센서를 설계하여 제작하였다. 제작 후에는 그 성능을 검증하기 위하여 소형 PSC 거더 모형에 제작된 매립형 EM 센서를 설치한 후 콘크리트를 타설하였다. 양생이 종료된 후 7가닥의 PS 텐던을 삽입한 후 텐던에 200, 710, 1070, 1300kN의 긴장력을 도입하면서 매립형 EM센서를 통해 비투자율의 변화를 계측하였다. 계측 결과 도입한 긴장력이 커질수록 PS 텐던의 비투자율이 낮아지는 변화가 있음을 확인하였으며, 도입 긴장력에 따른 투자율이 도입 긴장력을 충분히 추정할 수 있음을 확인하였다. 따라서 본 연구에서 제안한 매립형 EM 센서는 PSC 교량 내부로 매립이 가능함을 확인하였으며 매립형 EM 센서를 통한 비투자율 변화 계측을 통하여 PS 텐던의 긴장력 변화를 추정할 수 있음을 확인하였다.

Abstract AI-Helper 아이콘AI-Helper

In this paper, an embedded EM sensor was researched to estimate prestressing force of PS tendon in PSC girder. Recent methodologies for managing prestressing force loss were staying on verifying a applying prestressing force under construction, namely the loss management can not be controlled after ...

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

  • 본 연구에서는 PSC 거더 내부의 PS 텐던의 긴장력 추정을 위한 매립형 EM 센서를 제작하여 그 매립 가능성을 검증하였다. 탄성-자기 이론을 이용하여 강자성체에 자기장이 작용하고 긴장력이 도입되면, 강자성체가 가지는 비투자율 특성이 변화함에 따라 도입된 긴장력의 변화를 추정할 수 있는 기초 이론 연구를 하였다.
  • 본 연구에서는 앞 절에서 설명한 바와 같이 실제 PSC 교량의 내부에 위치한 PS 텐던의 긴장재의 긴장력을 상시 계측하기 위한 PSC 거더 내부 매립형 EM 센서를 Fig. 3과 같이 설계하였다
  • 이 장에서는 EM 센서에 적용되며 비교적 간단한 비파괴평가기술(Wang et al., 2001)인 탄성-자기 이론에 대하여 간략히 소개하고, 이를 통하여 PS텐던의 긴장력 추정기법에 대하여 말하고자 한다.
  • 이에 본 논문에서는 긴장력 계측의 현장 적용성을 향상시키는 PSC 거더 내부에 매립이 가능한 계측 센서의 개발을 위해 기존 기법 중 내부 매립이 가능하고, 내구성이 좋아 이론적으로 영구적인 수명을 가지는 EM(elasto-magnetic) 센서를 제작하여 그 성능을 검증하고자 한다. 이를 위한 기초연구로서 PSC 거더의 정착구의 특성과, EM 센서의 설계 및 장력에 따른 센서의 출력 값의 특성 분석을 통해 EM 센서를 활용한 PS 긴장재 긴장력 계측기법을 연구하고자 한다.
  • 기존 EM 센서는 현장에서 시공 전의 단계에서 텐던의 긴장력 변화를 계측하는 시험은 진행된 바가 있지만, 위와 같은 PSC 거더의 경우 시공완료 후 PS 텐던이 정착부에서 전혀 노출이 되지 않으므로 현장 적용성이 어려운 실정이다. 이에 본 논문에서는 PSC 거더와 정착구의 구조와 현장성을 고려하여 PSC 거더 내부에 매립이 가능하며 생애 주기 동안의 PS 텐던의 긴장력 변화 계측이 가능한 매립형 EM 센서를 개발하였다.
  • 이에 본 논문에서는 긴장력 계측의 현장 적용성을 향상시키는 PSC 거더 내부에 매립이 가능한 계측 센서의 개발을 위해 기존 기법 중 내부 매립이 가능하고, 내구성이 좋아 이론적으로 영구적인 수명을 가지는 EM(elasto-magnetic) 센서를 제작하여 그 성능을 검증하고자 한다. 이를 위한 기초연구로서 PSC 거더의 정착구의 특성과, EM 센서의 설계 및 장력에 따른 센서의 출력 값의 특성 분석을 통해 EM 센서를 활용한 PS 긴장재 긴장력 계측기법을 연구하고자 한다.
  • 이와 같이 계측된 자속 밀도 및 인가된 자기장을 자기 이력 곡선(B-H curve)으로 변환하고 이를 해석하여 투자율(permeability) 및 영의 계수 등과 같은 자기 특성을 추출한 후 회귀분석 및 패턴인식 기법을 이용하여 부식률을 추정할 수 있으며, 또한 초기 긴장력 상태의 투자율과의 상대투자율 변화를 계측하여 본 논문에서 목표를 두고 계측하고자 하는 PS 텐던의 긴장력 손실량을 추정할 수 있다.
  • 본 연구에서는 PSC 거더 내부의 PS 텐던의 긴장력 추정을 위한 매립형 EM 센서를 제작하여 그 매립 가능성을 검증하였다. 탄성-자기 이론을 이용하여 강자성체에 자기장이 작용하고 긴장력이 도입되면, 강자성체가 가지는 비투자율 특성이 변화함에 따라 도입된 긴장력의 변화를 추정할 수 있는 기초 이론 연구를 하였다.

가설 설정

  • 양생 종료 후 쉬스관 내부에 강연선 7가닥을 삽입하고, 유압잭을 이용하여 PS 텐던에 200, 710, 1070, 1300kN의 긴장력을 주어 긴장을 실시하면서 EM 센서의 몸체부로부터 노출된 전압인가용 코일과 계측용 코일을 계측용 장비에 연결하여 PS 텐던의 긴장력 변화에 따른 자화 성질의 변화를 계측하였다. 가해진 긴장력은 정착구와 정착판 사이에 설치된 로드셀값을 이용하여 계측하였으며 쉬스관과 정착구가 선형형태로 설치되었으므로 쉬스관-텐던 사이의 마찰 손실은 없는 것으로 가정하여 로드셀을 이용하여 계측된 끝단의 긴장력 값이 EM 센서가 설치된 부분의 긴장력 값과 동일한 것으로 판단하였다.
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질의응답

핵심어 질문 논문에서 추출한 답변
EM 센서의 측정 원리는? EM 센서의 측정원리는 전압인가용 코일을 통해 외부로부터 전압이 인가되어 자기장(magnetic force, H)을 형성하면, 이에 의해 몸체부를 관통하는 PS 텐던이 자화되며, 자화된 PS 텐던의 자속 밀도(flux density, B)가 계측용 코일에 의해 계측되는 것이다.
매립형 EM 센서의 각 코일은 어디에 위치하는가? 4와 같이 매립형 EM 센서를 제작하였다. 제작함에 있어 각 코일은연결될 쉬스관과 PSC 거더 정착구에 의해 측정값이 영향을 받지 않도록 쉬스관과 PSC 거더 정착구와 중첩이 되지 않는 몸체부의 중앙에 위치하였다. EM 센서는 아세탈 재질의 보빈에 1차코일 및 2차코일을 권선하여 제작되었다.
PSC거더란 무엇인가? 현재까지 많은 교량에 사용되고 있는 PSC(prestressed concrete) 거더는 콘크리트 거더에 초기 응력을 도입함으로써 기존의 콘크리트 거더 보다 뛰어난 성능을 가지며 저비용으로 설계 및 제작이 가능한 거더이다(Rens et al., 1997).
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참고문헌 (13)

  1. Chen, H.L., Wissawapaisal, K. (2001) Measurement of Tensile Forces in a Seven-wire Prestressing Strands using Stress Waves, ASCE J. Eng. Mech., 127(6), pp.599-606. 

  2. Kim, J., Park, J., Zhang, A., Lee, H., Park, S. (2015) Prestressing Loss Management for PSC Girder Tendon Based on EM Sensing, J. Comput. Struct. Eng. Inst. Korea, 28(4), pp.369-374. 

  3. Kim, J.M., Kim, H.W., Park, Y.H., Yang, I.H., Kim, Y.S. (2012) FBG Sensors Encapsulated into 7-Wire Steel Strand for Tension Monitoring of a Prestressing Tendon, Adv. Struct. Eng., 15(6), pp.907-917. 

  4. Kim, J.T., Hong, D.S., Park, J.H., Cho, H.M. (2008) Vibration-Based Monitoring of Prestress-Loss in PSC Girder Bridges, J. Comput. Struct. Eng. Inst. Korea, 21(1), pp.83-90. 

  5. Kim, J.T., Park, J.H., Hong, D.S., Cho, H.M., Na, W.B., Yi, J.H. (2009) Vibration and Impedance Monitoring for Prestress-loss Prediction in PSC Girder Bridges, Smart Struct. & Sys., 5(1), pp.81-94. 

  6. Kurokawa, S., Sumitro, S., Wang, M.L. (2001) Stress Measurement of Various Cables by EM Sensor, Proc. of JPCEA 10th Annual Conference, pp.101-106. 

  7. Rens, K.L., Wipf, T.J., Klaiber, F.W. (1997) Review of Nondestructive Evaluation Techniques of Civil Infrastructure, ASCE J. Perf. Const. Facil., 11, pp.152-160. 

  8. Sumitro, S., Jarosevic, A., Wang, M.L. (2002) Elasto-Magnetic Sensor Utilization on Steel Cable Stress Measurement, The First Fib Congress, Concrete Structures in the 21th Century, Session 15, pp.79-86. 

  9. Wang, M.L., Chen, Z. (2000) Magneto-Elastic Permeability Easurement for Stress Monitoring in Steel Tendons and Cables, Proc. of the SPIE 7th Annual Symposium on Smart Structures and Materials, Health Monitoring of the Highway Transportation Infrastructure, 3995, pp.492-500. 

  10. Wang, M.L., Lloyd, G.M., Hovorka, O. (2001) Development of a Remote Coil Magneto-Elastic Stress Sensor for Steel Cables, Proc. of the SPIE 8th Annual International Symposium on Smart Structures and Material, Health Monitoring and Management of Civil Infrastructure Systems, Newport Beach CA, 4337, pp.122-128. 

  11. Washer, G.A., Green, R.E., Pond, R.B. (2002) Velocity Constants for Ultrasonic Stress Measurement in Prestressing Tendons, Res. Nondestruct. Eval., 14(2), pp.81-94. 

  12. Weiher, H., Zilch, K. (2006) Condition of Post-Tensioned Concrete Bridges-Assessment of the German Stock by a Spot Survey of Damages, Proceedings of the First International Conference on Advances in Bridge Engineering, pp.26-28. 

  13. Youn, S.G., Kim, E.K. (2006) Deterioration of Bonded Post-Tensioned Concrete Bridges and Research Topics on the Strength Evaluation in ISARC, Proceedings of JSCE-KSCE Joint Seminar on Maintenance and Management Strategy of Infrastructure in Japan and Korea, 7. 

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