구조물의 강도 저하를 유발하는 균열의 조기 탐지 및 보수는 인적, 사회적 손실을 예방할 수 있는 중요한 부분이다. 이 논문에서는 균열 탐지를 위하여 적외선 열화상 기법 중 광-적외선 열화상 기술을 이용하여 콘크리트 시편의 균열 깊이에 따른 온도 특성을 분석하였다. 시멘트 반죽을 이용하여 0, 10, 20, 40, 80 mm의 인공 균열이 있는 시편을 제작하였으며, 인공 균열 부분은 깊이를 제외한 모든 부분을 같게 생성하였다. 실험은 시편의 온도 특성을 파악하기 위하여 열원을 통해 시편을 가열한 후 균열부의 최저 온도를 비교하였다. 시편의 균열 여부에 따라 시편 표면 온도 분포가 입사 에너지의 단일, 다중 반사 때문에 다르게 변화한다는 것을 확인하였으며, 시편의 온도 분포가 정상상태에 다다를수록 균열 깊이에 따른 온도가 감소하는 경향이 뚜렷해지는 것을 확인할 수 있었다. 정규화된 온도 데이터를 통하여 이 실험에 사용된 시편은 10분 후 정상 상태에 근접하였으며, 10분 이후의 온도 데이터를 선형 회기 분석한 선형 방정식 기울기의 표준편차는 0.0005, y 절편 표준편차는 0.0038이다. 이때 정규화된 온도데이터의 표준편차는 0.01 이하로 매우 정합하며 균열 깊이에 따라 온도가 선형적으로 감소하고 있다. 이러한 결과는 균열부의 다중 반사가 발생하는 면적과 밀접한 관계가 있는 것으로 판단되며, 다양한 시편을 통해 균열부 면적과 입사 에너지의 상관관계를 분석한다면 무작위성이 높은 빛의 난반사 거동 모사에도 적용할 수 있을 것이다.
구조물의 강도 저하를 유발하는 균열의 조기 탐지 및 보수는 인적, 사회적 손실을 예방할 수 있는 중요한 부분이다. 이 논문에서는 균열 탐지를 위하여 적외선 열화상 기법 중 광-적외선 열화상 기술을 이용하여 콘크리트 시편의 균열 깊이에 따른 온도 특성을 분석하였다. 시멘트 반죽을 이용하여 0, 10, 20, 40, 80 mm의 인공 균열이 있는 시편을 제작하였으며, 인공 균열 부분은 깊이를 제외한 모든 부분을 같게 생성하였다. 실험은 시편의 온도 특성을 파악하기 위하여 열원을 통해 시편을 가열한 후 균열부의 최저 온도를 비교하였다. 시편의 균열 여부에 따라 시편 표면 온도 분포가 입사 에너지의 단일, 다중 반사 때문에 다르게 변화한다는 것을 확인하였으며, 시편의 온도 분포가 정상상태에 다다를수록 균열 깊이에 따른 온도가 감소하는 경향이 뚜렷해지는 것을 확인할 수 있었다. 정규화된 온도 데이터를 통하여 이 실험에 사용된 시편은 10분 후 정상 상태에 근접하였으며, 10분 이후의 온도 데이터를 선형 회기 분석한 선형 방정식 기울기의 표준편차는 0.0005, y 절편 표준편차는 0.0038이다. 이때 정규화된 온도데이터의 표준편차는 0.01 이하로 매우 정합하며 균열 깊이에 따라 온도가 선형적으로 감소하고 있다. 이러한 결과는 균열부의 다중 반사가 발생하는 면적과 밀접한 관계가 있는 것으로 판단되며, 다양한 시편을 통해 균열부 면적과 입사 에너지의 상관관계를 분석한다면 무작위성이 높은 빛의 난반사 거동 모사에도 적용할 수 있을 것이다.
The thermal characteristics of concrete specimens were analyzed using cement paste specimens with artificial cracks. In order to understand the temperature characteristics of the specimen depending on the crack depth, the specimen was heated and the minimum temperatures of the specimens at which cra...
The thermal characteristics of concrete specimens were analyzed using cement paste specimens with artificial cracks. In order to understand the temperature characteristics of the specimen depending on the crack depth, the specimen was heated and the minimum temperatures of the specimens at which cracks appear were investigated according to the crack depth. It was confirmed that the surface temperature distribution of the specimen varies depending on whether the specimen is cracked or not, because of the single and multiple reflections of the incident energy. Furthermore, as the temperature distribution of the specimen reaches a steady state, the temperature data tends to decrease with the crack depth. Through the observation of the normalized temperatures, it was found that the temperature of the specimens obtained from this experiment reached a steady state after 10 minutes. At this time, the standard deviation of the normalized temperature is around 0.01 or less, and the temperature decreases linearly with increasing crack depth. This result is considered to be closely related to the area where multiple reflections occur in the cracked region. If the correlation between the crack region and the incident energy is analyzed for various specimens, it can be applied to the diffuse reflection of the light.
The thermal characteristics of concrete specimens were analyzed using cement paste specimens with artificial cracks. In order to understand the temperature characteristics of the specimen depending on the crack depth, the specimen was heated and the minimum temperatures of the specimens at which cracks appear were investigated according to the crack depth. It was confirmed that the surface temperature distribution of the specimen varies depending on whether the specimen is cracked or not, because of the single and multiple reflections of the incident energy. Furthermore, as the temperature distribution of the specimen reaches a steady state, the temperature data tends to decrease with the crack depth. Through the observation of the normalized temperatures, it was found that the temperature of the specimens obtained from this experiment reached a steady state after 10 minutes. At this time, the standard deviation of the normalized temperature is around 0.01 or less, and the temperature decreases linearly with increasing crack depth. This result is considered to be closely related to the area where multiple reflections occur in the cracked region. If the correlation between the crack region and the incident energy is analyzed for various specimens, it can be applied to the diffuse reflection of the light.
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문제 정의
이러한 단점을 해결하기 위하여 이 연구에서는 적외선 열화상 기법으로 대상물의 균열 깊이에 따른 온도특성을 분석하였다. 본 연구는 산업 분야에서 가장 많이 사용되고 있는 능동기법 중 광원(Lamp)을 이용하는 광-적외선 열화상 기술(Flash thermography)을 사용하여 국부가열 실험의 단점을 해결하고자 하였다. 시멘트 페이스트를 이용하여 균열 깊이가 서로 다른 5개의 시편을 제작하였으며, 시편의 인공 균열부의 깊이에 따른 온도 특성을 정량적으로 분석하여 경향성을 확인할 수 있었다.
또한, 대상물과 균열의 위상차를 이용한 연구들은 다양한 주파수에서의 시험이 필요하며, 레이저 thermography를 이용한 방법은 균열부 부근의 국부 가열 위치에 따라 실험 결과 차이가 발생하여 실험 대상물마다 최적 가열 위치를 찾아야 하기 때문에 실험 정확도가 낮아진다는 단점이 있다. 이러한 단점을 해결하기 위하여 이 연구에서는 적외선 열화상 기법으로 대상물의 균열 깊이에 따른 온도특성을 분석하였다. 본 연구는 산업 분야에서 가장 많이 사용되고 있는 능동기법 중 광원(Lamp)을 이용하는 광-적외선 열화상 기술(Flash thermography)을 사용하여 국부가열 실험의 단점을 해결하고자 하였다.
제안 방법
(a) 균열부 깊이와 온도의 관계를 파악하기 위하여 균열부의 최저온도를 비교하였다.
광원을 이용하는 광-적외선 열화상 기술을 사용하여 균열 깊이에 따른 온도특성 분석 연구를 수행하였다. 시멘트 페이스트를 이용하여 균열 깊이가 서로 다른 5개의 시편을 제작하였으며, 일련의 실험과정과 분석된 인공균열부의 깊이에 따른 온도특성 결과는 다음과 같다.
균열 부분의 깊이에 따른 온도특성을 분석하기 위하여 시멘트 페이스트 시편을 제작하였다. 인위적으로 생성한 시편의 균열 부분은 깊이를 제외한 모든 부분을 같게 생성하였으며 Fig.
사용된 열화상 카메라는 FLIR의 A35SC모델이며, 할로겐램프의 최대 전력은 1000W/s이다. 균열부 깊이에 따른 온도특성을 파악하기 위하여 시편을 30분 동안 가열하였으며, 열화상 온도 분석프로그램인 Research IR을 사용하여 시편의 시간에 따른 온도 데이터를 획득하였다. 데이터 획득 방법은 Fig.
제작된 시편을 이용하여 균열 깊이에 따른 온도 특성을 분석하였다. 균열 주변부의 온도분포는 일정한 경향성을 찾아보기 힘들지만, 균열부에서는균열의 깊이가 깊어질수록 균열부 온도가 낮아지는 경향을 보였다.
대상 데이터
Fig. 4에서 볼 수 있는 것과 같이 실험에 사용된 균열 시편의 크기는 100 x 100 x 100 mm이며, 균열부의 크기는 길이 80 mm, 너비 2 mm, 깊이는 각각 0, 10, 20, 40, 80 mm로 제작되었다. 시편을 제작하기 위하여 일반적으로 많이 사용되는 Portland 시멘트페이스트를 사용하였다.
균열부 깊이에 따른 온도특성을 파악하기 위하여 시편을 30분 동안 가열하였으며, 열화상 온도 분석프로그램인 Research IR을 사용하여 시편의 시간에 따른 온도 데이터를 획득하였다. 데이터 획득 방법은 Fig.6과 같이 프로그램 내 ROI(Region on interest)의 좌표값을 일정하게 설정하여 시편 중앙부에 가상의 선을 생성하였으며, 시편의 x 방향 픽셀값에 대응되는 온도 데이터를 획득하였다. 실험의 온도 데이터는 시편 당 3번씩 측정 되었으며, 측정된 결과의 평균으로 균열 깊이에 따른 온도 특성을 분석하였다.
5와 같이 열화상 카메라를 시편 정면에 위치시켜 온도분포를 확인하였다. 사용된 열화상 카메라는 FLIR의 A35SC모델이며, 할로겐램프의 최대 전력은 1000W/s이다. 균열부 깊이에 따른 온도특성을 파악하기 위하여 시편을 30분 동안 가열하였으며, 열화상 온도 분석프로그램인 Research IR을 사용하여 시편의 시간에 따른 온도 데이터를 획득하였다.
광원을 이용하는 광-적외선 열화상 기술을 사용하여 균열 깊이에 따른 온도특성 분석 연구를 수행하였다. 시멘트 페이스트를 이용하여 균열 깊이가 서로 다른 5개의 시편을 제작하였으며, 일련의 실험과정과 분석된 인공균열부의 깊이에 따른 온도특성 결과는 다음과 같다.
4에서 볼 수 있는 것과 같이 실험에 사용된 균열 시편의 크기는 100 x 100 x 100 mm이며, 균열부의 크기는 길이 80 mm, 너비 2 mm, 깊이는 각각 0, 10, 20, 40, 80 mm로 제작되었다. 시편을 제작하기 위하여 일반적으로 많이 사용되는 Portland 시멘트페이스트를 사용하였다. 시멘트와 물의 비율(W/C)은 0.
데이터처리
(b) 각 시편의 같은 좌표에서 온도데이터를 획득하였으며, 선형회귀분석을 통하여 온도특성을 확인하였다.
6과 같이 프로그램 내 ROI(Region on interest)의 좌표값을 일정하게 설정하여 시편 중앙부에 가상의 선을 생성하였으며, 시편의 x 방향 픽셀값에 대응되는 온도 데이터를 획득하였다. 실험의 온도 데이터는 시편 당 3번씩 측정 되었으며, 측정된 결과의 평균으로 균열 깊이에 따른 온도 특성을 분석하였다.
성능/효과
(d) 정규화된 시편의 온도데이터를 이용한 선형 회기 모델의 기울기 표준편차는 0.0005, y 절편의 표준편차는 0.0038이며, 이때 정규화된 온도데이터들의 표준편차는 0.01 이하로 매우 정합하였고 균열 깊이에 따라 온도가 선형적으로 감소하고 있음을 확인하였다.
(e) 균열 시편의 온도특성은 시편의 온도분포가 정상상태에 다다를수록 균열 깊이에 따른 온도데이터가 선형적으로 감소하는 경향이 뚜렷해졌다.
제작된 시편을 이용하여 균열 깊이에 따른 온도 특성을 분석하였다. 균열 주변부의 온도분포는 일정한 경향성을 찾아보기 힘들지만, 균열부에서는균열의 깊이가 깊어질수록 균열부 온도가 낮아지는 경향을 보였다. 각 시편에 따른 표면 온도 데이터는 Fig.
8-(a) 와 같이 각 시편의 균열부 온도 데이터를 가열 시간에 따라 비교하였다. 비균열 시편 온도는 다른 균열 시편의 균열부 픽셀 위치에서 획득한 데이터이며, 시간에 따른 균열부 온도 그래프의 경향이 모두 비슷하다는 것을 확인하였다. 하지만 비균열 시편 표면의 단일 반사에 의한 온도분포와 균열 시편 균열부의 다중 반사에 의한 온도분포 차이로 인해 비균열 시편과 10 mm 균열 시편 사이에 급격한 온도구배가 보인다.
본 연구는 산업 분야에서 가장 많이 사용되고 있는 능동기법 중 광원(Lamp)을 이용하는 광-적외선 열화상 기술(Flash thermography)을 사용하여 국부가열 실험의 단점을 해결하고자 하였다. 시멘트 페이스트를 이용하여 균열 깊이가 서로 다른 5개의 시편을 제작하였으며, 시편의 인공 균열부의 깊이에 따른 온도 특성을 정량적으로 분석하여 경향성을 확인할 수 있었다.
후속연구
마지막으로 이러한 결과는 무작위로 다중반사가 발생하는 균열 내부에서 입사에너지의 감소량이 균열부 면적과 비례함 암시하며, 다양한 시편으로 균열부 면적과 입사 에너지의 상관관계를 분석한다면 흑체 공동(black cavity)이라고 볼 수 있는 균열부와 빛의 밀접한 관계 때문에 무작위성(randomness)이 높은 빛의 난반사 거동 모사에도 적용할 수 있을 것이다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
적외선 열화상 기술은 무엇이고 어떤 특성을 이용하는가?
구조물의 균열 탐지에 관련된 검사 방법 중 비파괴 검사 기술은(NDT, Non-Destructive Testing) 일반적으로 재료나 제품의 원형과 기능에 변화를 주지 않는 검사를 말하며, 제품을 분해하거나 파괴하지 않고 그것의 성질, 상태, 내부구조 등을 알아내는 모든 검사방법을 말한다. 여러 가지 비파괴기술 중 적외선 열화상 기술(Infrared thermography)을 이용한 검사방법은 적외선 카메라를 이용하여 대상물의 이상을 진단하는 비파괴 검사방법으로, 대상물의 온도 신호를 이용하여 결함, 균열 등이 대상물에 비 균일한 온도 분포를 발생시키는 특성을 이용한다[1, 2].
비파괴 검사 기술은 무엇인가?
그렇기 때문에 구조물에 발생한 균열의 조기 탐지 및 보수는 사회적 손실을 예방할 수 있는 아주 기본적이고 중요한 절차이다. 구조물의 균열 탐지에 관련된 검사 방법 중 비파괴 검사 기술은(NDT, Non-Destructive Testing) 일반적으로 재료나 제품의 원형과 기능에 변화를 주지 않는 검사를 말하며, 제품을 분해하거나 파괴하지 않고 그것의 성질, 상태, 내부구조 등을 알아내는 모든 검사방법을 말한다. 여러 가지 비파괴기술 중 적외선 열화상 기술(Infrared thermography)을 이용한 검사방법은 적외선 카메라를 이용하여 대상물의 이상을 진단하는 비파괴 검사방법으로, 대상물의 온도 신호를 이용하여 결함, 균열 등이 대상물에 비 균일한 온도 분포를 발생시키는 특성을 이용한다[1, 2].
(본 실험에서) 레이저 thermography를 이용한 방법의 단점인 실험 정확도가 낮아진다는 것을 해결하기 위해 어떻게 하였는가?
또한, 대상물과 균열의 위상차를 이용한 연구들은 다양한 주파수에서의 시험이 필요하며, 레이저 thermography를 이용한 방법은 균열부 부근의 국부 가열 위치에 따라 실험 결과 차이가 발생하여 실험 대상물마다 최적 가열 위치를 찾아야 하기 때문에 실험 정확도가 낮아진다는 단점이 있다. 이러한 단점을 해결하기 위하여 이 연구에서는 적외선 열화상 기법으로 대상물의 균열 깊이에 따른 온도특성을 분석하였다. 본 연구는 산업 분야에서 가장 많이 사용되고 있는 능동기법 중 광원(Lamp)을 이용하는 광-적외선 열화상 기술(Flash thermography)을 사용하여 국부가열 실험의 단점을 해결하고자 하였다.
참고문헌 (7)
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S. Ranjit, K. S. Kang, and W. T. Kim, "Investigation of lock-in infrared thermography for evaluation of subsurface defects size and depth," International Journal of Precision Engineering and Manufacturing, pp. 2255-2264, October, 2015. DOI: https://doi.org/10.1007/s12541-015-0290-z
M. Basheer, P. Ravindran, and K. Balasubramaniam, "A thermographic approach for surface crack depth evaluation through 3D finite element modeling," In AIP Conference Proceedings, pp. 1782-1789, march, 2015. DOI: https://doi.org/10.1063/1.4914802
J. Qiu, C. Pei, H. Liu, and Z. Chen, "Quantitative evaluation of surface crack depth with laser spot thermography," International Journal of Fatigue, pp. 80-85, February, 2017. DOI: https://doi.org/10.1016/j.ijfatigue.2017.02.027
F. C. Sham, N. Chen, and L. Long, "Surface crack detection by flash thermography on concrete surface," Insight-Non-Destructive Testing and Condition Monitoring, pp. 240-243, May, 2008. DOI: https://doi.org/10.1784/insi.2008.50.5.240
W. J. Parker, R. J. Jenkins, C. P. Butler, and G. L. Abbott, "Flash method of determining thermal diffusivity, heat capacity, and thermal conductivity," Journal of applied physics, pp. 1679-1684, 1961. DOI: https://doi.org/10.1063/1.1728417
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