[논문]FRCCs의 자가센싱 임피던스 응답에 미치는 균열 발생 및 온도 변화 영향성

강명수; 강만성; 이한주; 임홍재; 안윤규

doi:10.11112/jksmi.2018.22.3.069

FRCCs의 자가센싱 임피던스 응답에 미치는 균열 발생 및 온도 변화 영향성
Crack Initiation and Temperature Variation Effects on Self-sensing Impedance Responses of FRCCs 원문보기

한국구조물진단유지관리공학회 논문집 = Journal of the Korea Institute for Structural Maintenance and Inspection, v.22 no.3, 2018년, pp.69 - 74

강명수 (세종대학교 건축공학과) , 강만성 (세종대학교 건축공학과) , 이한주 (경북대학교 건설방재공학부) , 임홍재 (경북대학교 건설방재공학부) , 안윤규 (세종대학교 건축공학과)

초록
AI-Helper

Fiber-Reinforced Cementitious Composites (FRCCs)는 시멘트 복합체에 혼입한 전도성 섬유로 인해 전기 전도성을 가진다. 이러한 특성은 전기적 응답 계측을 통하여 별도의 센서 설치가 필요 없는 구조물의 균열 모니터링을 가능하게 한다. 하지만 전기적 응답은 균열 발생뿐만 아니라 온도의 변화에도 민감하게 변화하기 때문에 온도 요인은 전기적 응답 계측을 통한 균열 탐지를 방해하는 요소로 작용할 수 있다. 더욱이 전기적 응답을 측정하기 위한 탐침의 개수가 증가 할수록 원하지 않은 접촉 노이즈가 발생하기 때문에 이 논문에서는 탐침의 개수를 줄이기 위해 자체적인 자가센싱 임피던스 회로를 설계하였다. FRCC의 균열 발생과 온도 변화가 임피던스에 미치는 영향성은 자가센싱 임피던스 회로를 이용해 실험적으로 측정되었으며, 실험 결과, 임피던스 응답은 균열 발생보다 온도 변화에 더 민감하게 변화됨을 알 수 있었다.

Abstract ▼ AI-Helper

Fiber-Reinforced Cementitious Composites (FRCCs) have electrical conductivity by inserting reinforced conductive fibers into a cementitious matrix. Such characteristic allows us to utilize FRCCs for crack monitoring of a structure by measuring electrical responses without sensor installation. However, the electrical responses are often sensitively altered by temperature variation as well as crack initiation. The temperature variation may disturb crack detection on the measured electrical responses. Moreover, as sensing probes for measuring electrical reponses increase, undesired contact noises are often augmented. In this paper, a self-sensing impedance circuit is specially designed for reducing the number of sensing probes. The crack initiation and temperature variation effects on the self-sensing impedance responses of FRCCs are experimentally investigated using the self-sensing impedance circuit. The experiment results reveal that the electrical impedance response are more sensitively changed due to temperature variation than crack initiation.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

문제 정의

본 논문에서는 온도 변화 및 균열 발생 여부가 FRCCs로부터 취득된 전기 임피던스 응답에 미치는 영향성을 실험적으로 검토하였다. 특히, 전기 임피던스의 2점 측정을 위해 자가센싱 회로를 개발하여 적용하였으며, 사용된 FRCCs 시험체는 Long smooth와 Medium smooth 두 가지 종류의 섬유를 첨가하여 다양한 온도 및 하중 조건에서 응답 특성을 분석하였다.

제안 방법

FRCCs의 전기 임피던스 측정은 AWG (Arbitrary Waveform Generator, NI PXI-5412)를 이용하여 교류 전압을 발생시켜 Digitizer (NI PXI-5122)를 통해 전류 응답을 측정하였으며, 자체 개발한 Labview 프로그램을 통해 제어 및 계측하였다. 온도 변화 실험을 위하여 항온항습 챔버를 이용하여 FRCCs의 온도를 조절하였으며, FRCCs 시험체가 설정 온도에 맞추어질 수 있도록 안정화시간을 거친 후 전기 임피던스 신호를 반복 측정하였다.
본 논문에서는 온도 변화 및 균열 발생 여부가 FRCCs로부터 취득된 전기 임피던스 응답에 미치는 영향성을 실험적으로 검토하였다. 특히, 전기 임피던스의 2점 측정을 위해 자가센싱 회로를 개발하여 적용하였으며, 사용된 FRCCs 시험체는 Long smooth와 Medium smooth 두 가지 종류의 섬유를 첨가하여 다양한 온도 및 하중 조건에서 응답 특성을 분석하였다.

대상 데이터

시험체에 사용된 FRCCs는 시멘트, 규사, 실리카흄, 실리카파우더, 고성능 감수제, 물 그리고 Mild glass fiber로 구성되었으며, 재료의 개별 입자의 크기는 0.1 mm 내지 0.3 mm이다. 제작 순서는 다음과 같다.

성능/효과

본 연구에서는 교류 임피던스 기반의 FRCCs 균열검사에 온도 변화가 미치는 영향을 분석하였다. 분석 결과, 균열에 의한 임피던스 변화폭에 비해 온도 변화에 따른 임피던스의 변화 폭이 더 큰 사실을 확인하였다. 다만, 현재 FRCCs의 제작 기술이 섬유의 방향성이나 밀집도의 정밀 제어가 어려우므로 이에 따른 전기 임피던스의 계측 값은 정확도나 그 경향성의 일반성 입증에 대한 불확실성에 노출될 수 있다.

후속연구

그럼에도 불구하고, 본 연구를 통해 알 수 있는 중요한 사실은 온도 변화에 따른 전기 임피던스 변화량이 균열 유무에 따른 그것보다 지배적일 수 있다는 것이다. 따라서, 공용 중인 콘크리트 구조물의 모니터링에 본 기술을 활용하기 위해서는 반드시 온도의 영향성을 배제하거나 보상하는 추가적인 연구가 필요한 것으로 판단되며 현재 이와 같은 적용 한계점을 극복하기 위하여 본 연구진은 Deep learning 등의 알고리즘 개발을 통한 환경영향성 배제 연구를 지속적으로 진행 중이다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	광섬유 센서를 이용한 측정법의 장단점은?	그 중 부착형 센서를 기반으로 하는 기법으로는 광섬유 센서를 이용한 측정법과 압전센서 (Piezoelectric ceramic lead Zirconate Titanate, PZT)를 활용한 측정법이 있다. 광섬유 센서는 저렴한 비용과 다수의 지점을 동시에 측정할 수 있다는 장점을 가지고 있지만, 센서가 물리적 손상에 취약하고, 초기 균열진단에 대한 민감도가 낮다는 단점이 있다(Verstrynge et al., 2014; Kazuro et al.
	FRCCs의 장점은?	, 2010). 일반적인 FRCCs는 강섬유 보강을 통해 보통의 콘크리트보다 연성과 강성이 뛰어나고(Song and Hwang, 2004), 전도성 섬유보 강으로 인한 전도성을 가지고 있기 때문에 별도의 센서 설치 없이 구조물 건전성 모니터링 용도로 사용가능하다(Chen and Chung, 1993). 특히, 구조물의 응력 집중부에 설치함으로써 효율적으로 균열 검사가 가능하다는 점에서 다양한 대형 콘크리트 구조물의 모니터링에 유용한 방법이다.
	이미지 기반 균열 검사 기법의 장단점은?	, 2006; Mentni and Hamel, 2006). 대형 콘크리트 구조물의 이미지를 기반으로 하여 균열을 진단하는 기술은 짧은 시간에 넓은 영역을 검사할 수 있다는 장점이 있지만, 고르지 못한 콘크리트의 외부 표면을 손상으로 분류해 오보를 유발할 수있으며, 표면균열만을 검사할 수 있기 때문에 정확한 초기 균열 진단이 어렵다(Koch et al., 2016).

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