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IoT 기반 비접촉 초음파 측정 시스템 개발 및 적용
Development and Application of IoT-based Contactless Ultraosonic System 원문보기

한국구조물진단유지관리공학회 논문집 = Journal of the Korea Institute for Structural Maintenance and Inspection, v.24 no.3, 2020년, pp.70 - 79  

김지환 (한국철도기술연구원) ,  홍진영 (숭실대학교) ,  김률리 (숭실대학교) ,  우욱용 (숭실대학교) ,  최하진 (숭실대학교, 건축학부)

초록
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본 연구의 목적은 IoT기반 무선 비접촉 콘크리트 시스템(ICUS)을 개발하고 이를 성능 평가하는데 있다. 개발된 시스템은 16개의 MEMS, 2Mhz의 digitizer, 증폭 회로, FPGAwifi 모듈로 구성되어 있으며 무선 측정 시스템으로 콘크리트의 누설되는 표면파를 측정한다. 데이터 분석은 신호의 정확성을 높이기 위해 다중 채널 분석을 수행하였으며 이를 통해 누설 표면파 및 음향의 속도를 도출할 수 있다. 시스템의 성능을 평가하기 위해 기존의 초음파 전달속도 시험( UPV)과 결과비교 하였으며 이는 철도 현장의 콘크리트 침목에서 수행되었다. 시험 결과, 초음파 전달속도 시험(UPV)을 통해 균열을 검출하는 것은 침목의 균열 형태와 초음파 경로가 평행하거나 접촉식으로 현장 적용의 한계가 있음을 확인할 수 있었다. 하지만 개발된 IoT기반 비접촉 초음파 시스템(ICUS)은 손상되지 않은 침목에 비해 동탄성계수가 최대 59%감소하는 것을 확인할 수 있었다. 이를 통해 개발된 시스템의 표면파 신호 분석은 현장에서 균열을 평가하는데 활용될 수 있을 것으로 사료된다.

Abstract AI-Helper 아이콘AI-Helper

The main objective of this research to develop an IoT based wireless contactless ultrasonic system (ICUS) and its application to concrete structure. The developed system consists of 16 mems, 2Mhz digitizer, amplifying circuit, FPGA, and wifi module, enabling to measure leaky surface waves from concr...

주제어

표/그림 (16)

AI 본문요약
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문제 정의

  • 개발된 IoT기반 비접촉 초음파 시스템을 콘크리트 침목의 진단에 적용하여 그 성능을 검증하고자 하였다.
  • 7과 같이 누설된 표면파(Leaky surface waves)와 공기 중으로 전파되는 음파(Acoustics)로 나뉘게 되는데 표면파의 시작점과 멀어질수록 공기 중 음파와 혼합될 가능성이 존재한다. 따라서 표면파의 신호 분석 시, 신호의 정확성을 높이기 위하여 표면파 발생 시작점을 기준으로 3 cycle 이내의 신호를 선택하여 속도를 분석하고자 하였다.
  • 기존 연구에서 활용된 충격기반의 저주파 진동 모드의 계측과는 다르게 초음파 전달속도법에서 사용되는 주파수 대역을 사용하여 내부손상파악의 민감도를 증가시켰다. 또한 다중채널분석을 통하여 데이터 분석의 신뢰도를 향상시키고자 하였다. 표면파는 큰 진폭으로 인해 공기 중으로 누설되는 신호의 계측이 가능하다.
  • 본 연구는 실제 철도시설에 적용되어 사용된 콘크리트 침목을 대상으로 개발 시스템 성능을 검증하고자 하였다. 대상 침목은 2002년 제작되어 경부고속철도 1단계 대전남~영동 자갈궤도 구간(토공부 및 토공-교량 접속부)에 사용 중 교체된 60E1 레일용(고속선용) PSC침목으로 노후화된 콘크리트 침목을 육안검사(Visual inspection)를 통해 손상 정도에 따라 2-3개의 등급으로 나누고 등급에 따라 초음파 전달속도 시험 및 무선 비접촉 콘크리트 측정 시스템을 적용하였다.
  • 본 연구에서는  IoT기반 무선 비접촉 초음파 시스템을 개발하여 노후화 콘크리트 침목을 대상으로 그 성능을 검증하였다.
  • 본 연구에서는 기존의 인력 기반 비파괴 기법의 실효성을 개선하고자 IoT기반 비접촉 초음파 시스템을 개발하고 콘크리트 침목 진단에 적용하여 그 결과를 분석하였다. 비접촉 콘크리트 측정 시스템은 공기 중에 일정한 입사각으로 초음파를 가진했을 때 콘크리트 매질을 통과하여 다시 공기 중으로 누설된 표면파를 측정하는 방법으로, 최근 연구를 통해서 그 가능성이 입증되었다 (Zhu, 2005; Ryder et al, 2008; Kee et al, 2011).
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질의응답

핵심어 질문 논문에서 추출한 답변
반발 경도법이란 무엇인가? 시설물의 진단에 활용되고 있는 대표적인 비파괴 시험 중, 콘크리트 부재의 내구성을 확인하는 방법에는 반발 경도법(KS F 2730)과 초음파 전달 속도법(KS F 2418)이 있다. 반발 경도법은 콘크리트 표면에 추를 낙하시켜 반발된 경도를 통해 강도를 측정하며, 이는 그 상관관계에 대한 경험적 수치를 근거로 하고 있다. 반발경도법은 사용법이 간단하고 전문적인 지식 및 경험을 필요로 하지 않기 때문에 대표적으로 사용되는 콘크리트 대상 비파괴 시험이지만, 콘크리트의 습윤상태 및 마감처리 등에 의해 영향을 받아 그 예측값이 변동될 가능성이 농후하다.
초음파 전달 속도법의 장점은 무엇인가? 반사 및 굴절은 초음파의 경로를 변화시키고 이는 속도의 변화로 이어져 측정부의 상대적 속도차이로 손상부를 검출하게 된다. 파동 전달의 매질 특성 차이를 이용하기 때문에 내부손상을 파악할 수있는 장점이 있으나, 균열의 방향성에 따라 정확성이 감소될가능성이 있다. 특히, 가진기와 수신기를 콘크리트에 접촉할때 충분한 에너지를 전달하기 위해 윤활제를 필요로 하여 광범위한 진단 대상에 적용하기에는 그 사용에 제한이 따른다(Malhotra and Carino, 2004).
반발경도법이 대표적으로 사용되는 콘크리트 대상 비파괴 실험인 이유는 무엇인가? 반발 경도법은 콘크리트 표면에 추를 낙하시켜 반발된 경도를 통해 강도를 측정하며, 이는 그 상관관계에 대한 경험적 수치를 근거로 하고 있다. 반발경도법은 사용법이 간단하고 전문적인 지식 및 경험을 필요로 하지 않기 때문에 대표적으로 사용되는 콘크리트 대상 비파괴 시험이지만, 콘크리트의 습윤상태 및 마감처리 등에 의해 영향을 받아 그 예측값이 변동될 가능성이 농후하다. 또한, 표면이라는 국부적인 면적에서 수행되어 콘크리트 내부 강도의 대표성을 띄지 못해 신뢰성이 높지 않은 것으로 알려져 있다(Malhotra and Carino, 2004).
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참고문헌 (14)

  1. Special act on the safety management of facilities, Korea Ministry of Government Legislation, Vol. 16497 

  2. Kim, Y. C., Shim, G. S., Kwon, S. G., Park, S. B., Back, I. C.,"Investigaion for defect status of PSC sleeper on ballast track of high-speed railroad", 2017 Conference Proceeding Paper of the Korean Society For Railway, Busan, pp. 1039-1043, 2017. 

  3. Bae,Y., Bae, J. H., Kim, M. C., Jang, S. Y.,"Flexural strength of cracked prestressed concrete sleepers used on gyeonbu high speed line", Journal of the Korean Society for Railway, 21(9), pp.900-915, 2018. 

  4. Kim, J., Bae, Y., Yi, N., "Delayed ettringite formation damage in prestressed concrete sleepers on gyeonbu high speed line", Journal of the Korean Society for Railway, 23(2), pp. 97-108, 2020. 

  5. KS F 2730, Testing method for rebound number to conclude compressive strength of concrete, KSA . 

  6. KS F 2418, Standard test method for ultrasonic velocity of concrete, KSA. 

  7. Malhotra, V. M., Carino, N. J., Handbook on nondestructive testing of concrete ASTM. 2nd ed. CRC Press, 2004. 

  8. Zhu, J. "Non-contact NDT of concrete structures using air-coupledsensors", Doctoral dissertation, Univ. of Illinois Urbana-Champaign, UrbanaChampaign, IL, 2005. 

  9. Ryden, N., Lowe, M. J. S. and Cawley, P., "Non-contact surface wave scanning of pavements using a rolling microphone array", Review of Progress in Quantitative Nondestructive Evaluation, vol. 27a and 27b, 975, Thompson DO, Chimenti DE, eds., Amer Inst Physics, Melville, pp. 1328-1332, 2008. 

  10. Kee, S. H., Oh. T., Popovics, J. S., Arndt, R. W. and Zhu, J. "Nondestructive bridge deck testing with air-coupled impact-echo and infrared thermography", Journal of bridge engineering ASCE, 17(6), inpress, 2012. 

  11. Viktorov, I.A. "Rayleigh and Lamb Waves - Physical Theory and Applications", Plenum Press, New York, 1967. 

  12. Chung, C., Suraneni, P., Popovics, J. S. and Struble, L. J., "Setting time measurement using ultrasonic wave reflection", ACI Materials Journal, 19(12), pp. 109-117, 2012. 

  13. Oh, T., Kee, S. H., Arndt, R., Popovics, J. S. and Zhu, J., "Comparison of NDT Methods for Assessment of a Concrete Bridge Deck", Journal of Engineering Mechanics, Vol. 139, Issue 3, pp. 305-314, 2013. 

  14. Choi, H., Hmin, S., Tran, Q., Roesler, J. R. and Popovics, J. S., "Contactless system for continuous monitoring of early-age concrete properties", Construction International, Vol.38, Issue 9, pp. 38-41, 2016. 

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