초록 ▼

본 연구의 수행기간은 2개년이며, 본 연구의 1차년도 및 2차년도에 수행한 연구 내용 및 범위는 다음과 같다.
가. 1차년도(1999. 11. ～ 2000. 11.)
(1) 광섬유센서 활용기술 개발
- 변형률 측정용 센서를 중심으로 기존의 측정방식별 특성 비교
- 페브리-페롯, 광섬유 브래그 격자, OTDR(Optical Time Domain Reflectometry) 유형 광섬유센서 등에 대한 특성 분석
- 교량의 처짐 형상과 콘크리트의 균열탐사에 적합한 광섬유센서 활용기술 개발
- 처짐 및 균열탐

본 연구의 수행기간은 2개년이며, 본 연구의 1차년도 및 2차년도에 수행한 연구 내용 및 범위는 다음과 같다.
가. 1차년도(1999. 11. ～ 2000. 11.)
(1) 광섬유센서 활용기술 개발
- 변형률 측정용 센서를 중심으로 기존의 측정방식별 특성 비교
- 페브리-페롯, 광섬유 브래그 격자, OTDR(Optical Time Domain Reflectometry) 유형 광섬유센서 등에 대한 특성 분석
- 교량의 처짐 형상과 콘크리트의 균열탐사에 적합한 광섬유센서 활용기술 개발
- 처짐 및 균열탐사에 적합하도록 센서의 측정 신호감지도를 높이기 위한 활용기술 개발(플레이트 부착형 센서)
(2) 실내외 검증실험
- 단순보, 연속보, 슬래브형식의 시편 제작 및 재하실험 수행
- 현장실험 수행 및 통행하중에 의한 계측센서별 응답특성 분석
(3) 처짐탐사기법 개발
- 교량의 내하수준과 처짐 형상의 연관성 분석
- 교량거동특성 분석
- 구조물 처짐 추정을 위한 사전 모의실험
- 실내 및 현장실험 결과 분석
- 광섬유센서를 이용한 교량거동분석기법 연구
(4) 균열탐사기법 개발
- 균열의 특성에 관한 분석
- 콘크리트의 거동특성 분석
- 실내 및 현장실험 결과 분석
- 광섬유센서를 이용한 균열탐사기법 연구
나. 2차년도(2001. 6. ～ 2002. 5.)
(1) 광섬유센서 성능검증실험 수행
- 실내실험용 시편 단면 설계 및 센서 부착
- 광섬유센서 성능검증실험 수행
- 하중재하에 의한 응답특성 분석
- 주변환경 변화에 따른 응답특성 분석
(2) 광섬유센서를 이용한 용접부의 피로균열 탐사 방안
- 용접부 피로균열 특성 분석
- 적용 광섬유센서 선정 및 적용성 검토
- 제시된 피로균열 탐사방안 검증실험 수행
- 피로균열 검출방안의 실교량 적용성 검토
(3) 광섬유센서를 이용한 교량 안전진단기법의 적용성 검토
- 제시된 탐사 방안의 교량 안전진단 적용성 검토
- 제시된 탐사 방안의 실교량 적용성 검토
- 제시된 탐사 방안에 의한 응답 결과와 교량 내하력의 상관성 분석
- 광섬유센서의 교량안전진단 적용성 검토
(4) 광섬유센서를 이용한 상시계측시스템 운용방안
- 상시계측시스템 적용성 검토
- 상시계측에 의한 교량거동 도출항목 선정 및 적용방안 제시
- 상시계측시스템의 활용 및 운용방안 제시
- 상시계측시스템의 표준화 방안 제시

Abstract ▼

The period of this project is two years and the detailed research results are as follows
a. First one year
(1) Development of application techniques using fiber optic sensors
- Comparing of characteristics of strain fiber optic sensors by conventional measuring method
- Analysis of fiber

The period of this project is two years and the detailed research results are as follows
a. First one year
(1) Development of application techniques using fiber optic sensors
- Comparing of characteristics of strain fiber optic sensors by conventional measuring method
- Analysis of fiber optic sensor characteristics (Fabry-Perot, Bragg Grating, OTDR)
- Application technique development of fiber optic sensor for measuring deflection and crack of bridges
- Development of CFRP fiber optic sensor to raise sensitivity
(2) Laboratory and field tests
- Manufacturing of specimens(simple beam, continuous beam, and slab type) and cyclic & static loading test
- Installation of fiber optic sensors(fabry-perot type) and resistive strain gauges (attached) in the field bridge and ambient vehicle loading test
(3) Development of deflection estimate technique
- Analysis of relations between load carrying capacity and deflection of bridges
- Analysis of bridge behavior characteristics
- Preliminary laboratory test for the verification of deflection estimate algorithm
- Analysis of laboratory and field test results
- Development of bridge inspection technique using fiber optic sensors
(4) Development of crack detection method
- Characteristics analysis of cracks
- Analysis of behavioral characteristics of concrete
- Analysis of experimental results
- Development of crack detection technique using fiber optic sensors
b. Second one year
(1) Performing verification tests of FOSs
- Specimen design for laboratory test and sensor attachment
- Performing verification tests of FOSs
- Analysis of response characteristics by loading
- Analysis of response characteristics by change of circumstance
(2) Fatigue crack detection method of welding point using FOSs
- Analysis of fatigue crack characteristics of welding point
- Selection of applicable FOSs and review of applicability
- Performing verification tests of proposed fatigue crack detection method
- Review of applicability of fatigue crack detection method to actual bridge
(3) Review of applicability of bridge inspection method using FOSs
- Review of applicability of proposed method for bridge diagnosis
- Review of applicability of proposed method to actual bridge
- Analysis of relationship between response by proposed method and load carrying capacity of bridge
- Review of applicability of bridge diagnosis using FOSs
(4) Review of health monitoring system using FOSs
- Review of applicability of health monitoring system
- Selection of measuring items and presentation of application method by bridge health monitoring
- Presentation of utilization and application method of bridge health monitoring system
- Presentation of standardization method of bridge health monitoring

목차 Contents

• 표지 ...1
• 제출문 ...2
• 요약문 ...4
• Executive Summary ...11
• 제목 차례 ...19
• 표 차례 ...29
• 그림 차례 ...33
• CONTENTS ...46
• List of Table ...56
• List of Figure ...60
• 제1장 서론 ...74
• 제1절 개요 ...74
• 제2절 연구개발 목표 및 내용 ...76
• 1. 최종 목표 ...76
• 1.1 연구개발 목표 ...76
• 1.2 최종목표의 성격 및 설정 근거 ...77
• 2. 연구내용 및 범위 ...79
• 제3절 연구 동향 ...81
• 1. 실내 연구사례-국외 ...85
• 2. 현장 연구사례-국외 ...88
• 3. 국내사례 ...95
• 제2장 광섬유센서 일반 사항 ...100
• 제1절 개요 ...100
• 제2절 광섬유센서의 종류 ...102
• 1. 측정 범위에 따른 분류 ...102
• 2. 측정방식에 따른 분류 ...103
• 2.1 광강도 센서 ...103
• 2.2 간섭형 센서 ...105
• 2.3 브래그 격자 광섬유센서 ...112
• 제3절 광섬유센서 비교 ...116
• 1. 광섬유센서의 특징 비교 ...116
• 2. 제작사별 광섬유센서의 비교 ...117
• 제3장 실험 계획 및 시편 제작 ...124
• 제1절 개요 ...124
• 제2절 강재 용접부 피로균열 탐사기법 검증실험 ...125
• 1. 시편 제작 및 단면 설계 ...125
• 1.1 시편 제작 ...125
• 1.2 시편 단면 설계 ...126
• 2. 변형률게이지 및 광섬유센서 부착 ...130
• 2.1 변형률게이지 부착 ...130
• 2.2 광섬유센서 부착 ...134
• 2.3 센서 부착 위치 ...139
• 3. 실내실험 수행 ...142
• 제3절 광섬유센서의 검증실험 ...147
• 1. 하중재하에 의한 응답특성 ...148
• 1.1 광섬유센서의 선형성 검증실험 ...148
• 1.2 센서응답의 복원성 검증실험 ...152
• 1.3 횡방향 거동이 종방향 측정값에 미치는 영향 분석 ...153
• 1.4 광섬유센서의 동적응답 특성 분석 ...153
• 2. 주변환경 변화에 따른 응답특성 ...158
• 2.1 12시간 신호안정성 검증실험 ...158
• 2.2 온도에 따른 광섬유센서의 응답특성 분석 ...159
• 2.3 노이즈의 영향 ...163
• 2.3.1 무전기 사용에 의한 영향 ...164
• 2.3.2 실내실험시 크레인 작동에 의한 영향 ...164
• 3. 하중재하 및 주변환경에 따른 응답특성 ...166
• 3.1 하중재하 상태에서 온도 변화에 따른 변형률 응답 분석 ...166
• 3.2 습기 또는 수분에 의한 영향 ...167
• 4. 현장실험 ...168
• 4.1 현장실험 개요 ...168
• 4.2 현장실험 절차 ...170
• 제4절 소결 ...172
• 제4장 광섬유센서 성능 검증 ...174
• 제1절 개요 ...174
• 제2절 하중재하 및 주변환경 변화에 따른 응답특성 ...175
• 1. 하중재하에 의한 응답특성 ...175
• 1.1 광섬유센서의 선형성 검토 ...175
• 1.2 센서응답의 복원성 검토 ...182
• 1.3 횡방향 거동이 종방향 측정값에 미치는 영향 ...185
• 1.4 보정계수를 적용한 경우의 광섬유센서 응답특성 검토 ...187
• 2. 주변환경 변화에 따른 응답특성 ...191
• 2.1 12시간 신호안정성 검증실험 ...191
• 2.2 온도에 따른 응답특성 분석 ...193
• 2.3 노이즈의 영향 ...197
• 2.4 습기 또는 수분의 영향 ...201
• 제3절 동적응답 및 현장 적용성 분석 ...204
• 1. 광섬유 가속도계의 동적응답 특성 분석 ...204
• 2. 현장실험 ...208
• 2.1 접지 및 쉴드 케이블을 사용하지 않은 경우(case 1) ...208
• 2.1.1 발전기를 센서 인근에 위치시킨 경우(case 2) ...211
• 2.1.2 발전기를 로거 인근에 위치시킨 경우(case 3) ...215
• 2.2 접지를 하고 쉴드 케이블을 사용하지 않은 경우(case 4) ...216
• 2.2.1 발전기를 센서 인근에 위치시킨 경우(case 5) ...217
• 2.2.2 발전기를 로거 인근에 위치시킨 경우(case 6) ...218
• 2.3 쉴드 케이블을 사용하고 접지를 안한 경우(case 7) ...219
• 2.3.1 발전기를 센서 인근에 위치시킨 경우(case 8) ...220
• 2.3.2 발전기를 로거 인근에 위치시킨 경우(case 9) ...221
• 2.4 접지와 쉴드 케이블 모두 사용한 경우(case 10) ...222
• 2.4.1 발전기를 센서 인근에 위치시킨 경우(case 11) ...222
• 2.4.2 발전기를 로거 인근에 위치시킨 경우(case 12) ...223
• 제4절 소결 ...225
• 제5장 광섬유센서를 이용한 용접부의 피로균열 탐사 방안 ...228
• 제1절 개요 ...228
• 제2절 용접부 피로균열 특성 분석 ...231
• 1. 발생원인에 따른 분류 및 특성 분석 ...231
• 1.1 잔류응력 ...235
• 1.2 결함 ...237
• 1.3 응력집중 ...244
• 1.4 반복하중 ...245
• 2. 피로균열과 강재료 및 강구조 파손의 상관성 분석 ...246
• 2.1 피로균열과 강재료 변형특성 ...246
• 2.2 피로균열과 강교량의 파손 ...247
• 2.2.1 제 1시기 파손 ...248
• 2.2.2 제 2시기 파손 ...248
• 2.2.3 제 3시기 파손 ...250
• 2.3 피로균열과 국부좌굴 ...252
• 2.4 응력부식 균열 및 부식피로 ...252
• 제3절 적용 광섬유센서 선정 및 적용성 검토 ...254
• 1. 광섬유센서의 선정...254
• 2. 적용성 검토...255
• 2.1 광섬유센서를 이용한 강재료 거동특성 도출방안...255
• 2.2 광섬유센서의 응답특성과 신호처리 ...256
• 2.3 광섬유센서에 의한 용접부 피로균열 탐사방안 연구 ...259
• 2.3.1 기초시편 ...259
• 2.3.2 노치가 있는 기초시편 ...260
• 2.3.3 용접부 시편 ...260
• 제4절 광섬유센서에 의한 용접부 피로균열 탐사실험 결과 및 고찰 ...261
• 1. 기초시편 ...261
• 2. 노치가 있는 기초시편 ...264
• 3. 용접부 시편 ...269
• 제5절 피로균열 탐사방안의 실교량 적용성 검토 ...272
• 1. 부착형 광섬유센서의 실교량 적용성 ...274
• 2. 탈부착형 광섬유센서의 실교량 적용성 ...274
• 제6절 소결 ...275
• 제6장 콘크리트 균열 탐사 방안 ...276
• 제1절 개요 ...276
• 제2절 1차년도 연구결과 분석 ...277
• 1. 콘크리트 균열 탐사 방안 검증 실험 ...277
• 2. 검증 실험 결과 ...279
• 제3절 콘크리트 균열 탐사 방안 ...281
• 1. 기존 균열 탐사 방법 ...282
• 1.1 계측을 통한 균열 탐사 ...282
• 1.2 비파괴장비를 이용한 균열 탐사 ...283
• 2. 매개변수 변화를 고려한 콘크리트 균열 탐사 방안 ...291
• 2.1 실험 결과 분석 ...291
• 2.1.1 변형률 변화 ...292
• 2.1.2 변형률 변화율 ...294
• 2.1.3 중립축 변화 ...296
• 2.2 균열 발생 하중 추정결과 비교 ...299
• 2.3 측정 변형률을 이용한 균열 탐사 방안 ...301
• 2.3.1 정밀안전진단 수행 ...301
• 2.3.2 콘크리트 균열의 상시계측 ...302
• 3. 광섬유센서의 원리를 이용한 균열 탐사 방안 ...305
• 제4절 소결 ...307
• 제7장 계측결과를 이용한 처짐 추정 방안 ...309
• 제1절 개요 ...309
• 제2절 1차년도 연구결과 분석 ...310
• 1. 측정변형률을 이용한 처짐 추정기법 및 실내실험 수행 ...310
• 1.1 측정된 변형률을 이용한 처짐 추정기법 ...310
• 1.2 실내실험 수행 ...311
• 1.2.1 강재 시편을 이용한 실내실험 수행 ...311
• 1.2.2 콘크리트 시편을 이용한 실내실험 수행 ...313
• 1.3 처짐 탐사 기법의 실교량 적용방안 연구 ...316
• 1.3.1 단순보 중앙점에 하중재하시의 처짐형상 추정 ...316
• 1.3.2 단순보 임의점에 하중재하시의 처짐형상 추정 ...319
• 1.3.3 처짐형상 추정 알고리즘 검증 ...321
• 제3절 기존 처짐 탐사 방법 ...328
• 1. 변위계를 이용한 처짐 탐사 ...328
• 1.1 변위계 거치 방식 분류 ...328
• 1.2 변위계 설치오차 ...330
• 2. 경사계를 이용한 처짐 탐사 ...334
• 2.1 경사계 2개 설치한 경우 ...336
• 2.2 경사계 4개 설치한 경우 ...338
• 2.3 경사계 6개 이상 설치한 경우 ...339
• 3. 레이저 변위계를 이용한 처짐 탐사 ...341
• 제4절 처짐 탐사 방안 제시 ...343
• 1. 변형률을 이용한 처짐 탐사 방안 ...343
• 1.1 정밀안전진단 수행 ...343
• 1.2 상시 발생 처짐 추정 ...346
• 1.2.1 산술평균 작업에 의한 처짐 추정 ...348
• 1.2.2 저대역 통과 필터링 작업에 의한 처짐 추정 ...351
• 2. 가속도를 이용한 처짐 탐사 방안 ...361
• 2.1 연구동향 ...361
• 2.2 처짐 추정 알고리즘 ...364
• 2.2.1 초기속도 미고려로 인한 처짐 추정의 편기오차 ...365
• 2.2.2 초기변위 미고려로 인한 처짐 추정의 오차 ...370
• 2.2.3 필터링에 의한 편기오차 보정과 제안된 초기속도 추정기법 ...370
• 2.3 초기변위가 0이 아닌 경우의 추정처짐 ...373
• 2.4 처짐 추정 알고리즘의 실험적 검증 ...375
• 2.4.1 트랜지언트파(transient signal) ...375
• 제5절 소결 ...387
• 제8장 광섬유센서를 이용한 구조물의 동특성 추정과 손상탐지 ...390
• 제1절 개요 ...390
• 제2절 광섬유센서를 이용한 동특성 추정방안 ...391
• 1. 변형률모드 시험법 ...394
• 2. 강제진동계측법에 의한 변형률모드 시험법의 이론적 배경 ...397
• 3. 상시진동계측법 ...398
• 3.1 이론적 배경 ...398
• 3.2 상시진동계측법에 의한 모드 형상의 평가 ...403
• 3.2.1 진동파형으로부터 구하는 방법 ...403
• 3.2.2 스펙트럼 해석에 의한 방법 ...404
• 3.2.3 분리 계측에 의한 방법 ...405
• 제3절 손상탐지기법 ...406
• 1. 손상탐지기법 분류 ...407
• 2. 동특성 변화를 이용한 손상탐지기법의 종류 ...421
• 3. 수치해석 결과를 이용한 손상탐지기법의 적용 예 ...440
• 제4절 강부재의 손상탐지를 위한 축소모형실험 ...454
• 1. 실험방법 ...455
• 2. 실험결과 ...456
• 2.1 응답신호의 특성 ...456
• 2.2 고유진동수의 결정 및 변화 ...458
• 2.3 변형률모드 및 변위모드 형상 ...461
• 2.4 손상검출기법의 적용 ...466
• 2.5 손상단계별 정량화 가능성 검토 ...471
• 2.6 축소모형실험 결과 분석 ...472
• 제5절 광섬유센서의 동적응답 특성 분석 ...473
• 1. 고유진동수 비교 ...473
• 2. 모드 형상 ...479
• 제6절 소결 ...483
• 제9장 광섬유센서를 이용한 교량안전진단기법의 적용성 검토 ...486
• 제1절 개요 ...486
• 제2절 처짐 및 손상 탐사 결과와 교량 내하력의 상관성 분석 ...487
• 1. 처짐-내하력 관계 분석 ...487
• 1.1 정밀안전진단을 수행하는 경우의 처짐량과 내하력의 상관관계 ...488
• 1.1.1 기준 대상 구조물 ...490
• 1.1.2 대상 구조물의 내하력 산정 ...491
• 1.1.3 측정처짐의 추정 ...494
• 1.1.4 분석 결과 ...496
• 1.1.5 내하력 산정시 측정처짐 적용 사례 ...498
• 1.2 상시계측시스템에서의 처짐량과 내하력의 상관관계 ...499
• 1.2.1 처짐 형상-교량내하력 ...499
• 1.2.2 처짐량 계측에 의한 내하력평가 ...500
• 2. 콘크리트 손상-내하력 관계 분석 ...503
• 2.1 손상과 저항 모멘트 ...506
• 2.2 손상과 저항 전단 ...508
• 2.3 손상과 발생 처짐 ...510
• 2.3.1 철근콘크리트보 ...510
• 2.3.2 프리스트레스트보 ...519
• 제3절 광섬유센서를 이용한 교량안전진단 방안 ...533
• 1. 광섬유센서를 이용한 교량 정밀안전진단 ...533
• 1.1 광섬유센서의 적용성 ...533
• 1.2 광섬유센서를 이용한 기존 센서의 대체 ...534
• 2. 경제성 분석 ...537
• 제4절 소결 ...548
• 제10장 광섬유센서를 이용한 상시계측 시스템 적용성 검토 ...550
• 제1절 개요 ...550
• 제2절 국내외 상시계측시스템 구축현황 ...553
• 1. 국내현황 ...553
• 1.1 서해대교 ...553
• 1.1.1 계측항목 ...554
• 1.1.2 계측시스템의 구성 ...557
• 1.2 기타 교량 ...560
• 1.2.1 돌산대교(사장교) ...560
• 1.2.2 남해대교(현수교) ...562
• 1.2.3 진도대교(사장교) ...564
• 1.2.4 상진대교(강박스거더교) ...566
• 1.2.5 김포대교(PSC박스거더교) ...567
• 1.2.6 올림픽대교(사장교) ...568
• 1.2.7 신행주대교(사장교) ...569
• 2. 국외현황 ...571
• 2.1 일본 ...571
• 2.2 미국 ...576
• 2.3 기타국가 ...576
• 제3절 광섬유센서를 이용한 상시계측시스템 ...579
• 1. 상시계측시스템의 일반사항 ...579
• 1.1 계측기기 선정 ...580
• 1.1.1 계측기의 조건 및 원리 ...580
• 1.1.2 교량특성을 고려한 계측항목 선정 ...586
• 1.1.3 계측기기의 유지관리 ...592
• 1.2 계측결과 분석 ...593
• 1.2.1 데이터 수집 시스템 ...594
• 1.2.2 데이터 수집관련 용어 및 신호처리 ...595
• 1.3 정보처리 ...602
• 2. 광섬유센서를 이용한 교량거동 도출항목 및 적용방안 ...603
• 2.1 광섬유센서를 이용한 교량거동 도출항목 ...603
• 2.2 광섬유센서를 이용한 상시계측시스템의 활용 및 운용방안 ...606
• 3. 광섬유센서를 이용한 상시계측시스템의 표준화 ...611
• 3.1 일반사항 ...613
• 3.1.1 적용 대상 교량 및 계측기 선정시 고려사항 ...613
• 3.1.2 경보수준의 설정 ...615
• 3.1.3 분석기술 ...617
• 3.2 계측항목 ...618
• 3.2.1 변형률 ...618
• 3.2.2 가속도 및 지진가속도 ...624
• 3.2.3 기타 항목 ...625
• 3.3 데이터 전송 ...626
• 3.4 운용 및 유지관리방안 ...626
• 3.5 광섬유센서를 이용한 상시계측시스템 표준화의 예 ...627
• 3.5.1 개요 ...628
• 3.5.2 광섬유센서를 이용한 상진대교의 상시계측시스템 ...629
• 제4절 소결 ...632
• 제11장 광섬유센서의 실용화 방안 ...634
• 제1절 개요 ...634
• 제2절 제안된 광섬유센서 활용기술 ...635
• 1. 성능검증실험 ...635
• 2. 처짐 추정 방안 ...643
• 2.1 측정 변형률을 이용한 처짐 추정 방안 ...643
• 2.1.1 처짐 추정 방안1 ...643
• 2.1.2 처짐 추정 방안2 ...646
• 2.2 측정 가속도를 이용한 처짐 추정 방안 ...649
• 3. 동특성 추정과 손상탐지 ...652
• 4. 콘크리트 균열 탐사 방안 ...655
• 5. 용접부의 피로균열 탐사 방안 ...659
• 제3절 광섬유센서의 성능비교 및 응용분야 ...662
• 1. 기존 센서시스템과 광섬유센서의 특성 분석 ...662
• 2. 광섬유센서를 이용한 토목 구조물의 주요 측정항목 및 응용분야 ...667
• 3. 광섬유센서의 문제점 분석 및 개선방향 ...675
• 4. 향후 연구과제 ...677
• 제12장 결론 ...678
• 가. 1차년도...678
• 나. 2차년도...683
• 제13장 참고문헌 ...694