R&D최종보고서
| 과제고유번호 | 201717CTAP-C114934-02 | |||||
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| 연구사업명 | 국토교통기술촉진연구사업 | |||||
| 연구과제명 | SOC 시설물 재해 ·재난 방지를 위한 자가센싱 섬유보강 시멘트 복합재료 기반의 스마트 모니터링 시스템 | |||||
| 총 연구기간 | 2016-06-22 ~ 2018-06-21 | |||||
| 연구책임자 | 김동주 | |||||
| 당해년도 참여 연구원수 |
4명 | 총 연구기간 참여 연구원수 |
7명 | |||
| 당해년도 연구비 |
정부 : 220,000,000 원 기업 : 0 원 계 : 220,000,000 원 |
총연구비 | 정부 : 400,000,000 원 기업 : 0 원 계 : 400,000,000 원 |
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| 연구기관명 | 세종대학교산학협력단 | |||||
| 등록 발간번호 | - | |||||
| ISBN | - | |||||
| 주요 내용 |
○ SOC 시설물의 노후화로 인한 빌딩, 교량, 그리고 댐 등의 SOC 시설물의 급작스러운 붕괴는 재해 및 재난으로 이어져 많은 인명피해와 사회적 비용을 발생시킨다. ○ 재해와 재난을 야기하는 SOC 시설물의 붕괴를 미연에 방지하고, 효율적인 SOC 시설물의 유지관리 체계를 구축하기 위해 구조물 상시 모니터링에 대한 사회적 요구가 급증하고 있다. ○ 한국시설안전공단이 2014년에 발표한 자료에 따르면 SOC 시설물 중 노후화 된 교량, 건축물은 각각 약 500여개 이상에 달하며, 그 중 콘크리트 구조물의 비중은 약 60.1%에 해당한다. ○ 대한민국 건설교통부에서 2003년에 22,000개의 고속도로 교량을 위한 규칙적인 외관 감시를 포함하는 엄중한 감시지침(안전점검 및 정밀안전진단 지침, 2003-170호)을 발행한 바 있으며, 미국의 Federal Highway Administration (FHWA)에서 발행한 2003년 Technical Report에는 미국의 약 600,000개의 고속도로 교량이 주기적으로 관찰되어야 한다고 명시한 바 있다. ○ 콘크리트 SOC 시설물의 초기 손상 모니터링 및 안전도 평가를 위해 다양한 방안들이 제안되어 사용되고 있으나, 아직까지 아래와 같은 한계점들이 해결되지 않고 있다: 1) 육안검사: 전문가의 판단 의존성이 높고, 인건비 및 검사 시간이 많이 소요되며, 검사결과의 신뢰성이 낮음; 2) 구조물 진동기반 건전성 평가: 손상 감지 정확도 향상을 위한 센서 수량의 증가는 높은 비용을 발생시키고, 센서의 유지 관리 및 초기 손상 감지 성능에 대한 문제점이 제기되고 있음 [Hong and Kim (2009), Shengfa et al. (2013)]; 3) 부착식 센서: 콘크리트의 특성상 센서의 고유 성능에 대한 신뢰도와 센서의 내구성 및 사용수명이 낮고, 광역범위의 모니터링을 위한 센서 수량의 증가는 높은 비용을 발생시킴; 4) 비접촉식 레이저 스캐닝기법: 환경요인에 따른 적용성의 한계가 있고 [Gastineau (2009)], 외부 스캐닝에 따른 콘크리트 내부 검사는 불가능함 [Mostafa (2013)]. ○ 현재까지 제안된 콘크리트 SOC 시설물의 초기 손상 모니터링 및 안전도 평가를 위한 건전성 평가 기술의 한계점을 극복하기 위하여, 본 연구에서는 SOC 시설물 재해·재난 방지를 위한 자가센싱 섬유보강 시멘트 복합재료 (Self-Sensing Fiber-Reinforced Cementitious Composites, SS-FRCCs) 기반의 스마트 모니터링 시스템을 개발하고자 한다. - 제안 기술은 초기 손상 감지가 가능한 자가센싱 능력을 갖춘 구조 부재를 재료 수준에서부터 개발함으로써 SOC 시설물의 건전도 모니터링에 대한 페러다임을 변화시킬 수 있음. - 재해·재난을 야기하는 SOC 시설물의 급작스러운 붕괴를 방지할 수 있도록 초기 손상 정도에 대한 정보를 제공할 수 있는 꼭 필요한 원천 신기술임. - 기존의 부착식 센서 및 레이저 스캐닝 검사 기반의 단점을 해소하고, 자동화 계측 시스템 및 즉시적 손상 진단 알고리즘을 개발함으로써 실시간으로 콘크리트 초기 손상을 감지할 수 있다는 점에서 그 차이점을 찾을 수 있음. - 또한, 실시간으로 측정된 손상이 특정 수위를 넘는 즉시 사용자에게 경보하는 시스템을 포함하고 있어 SOC 시설물 재해·재난 방지 시스템으로서의 역할을 수행할 수 있음. - 더 나아가 센서 자체로서의 기능뿐 아니라, 동시에 역학 설계상의 구조 부재 기능을 함으로써 구조물의 손상 감지를 통한 안전성 향상과 추가적인 센서 부착 및 유지관리 등과 관련된 비용의 절감을 꾀할 수 있음. [최종목표] 연구개발 목표는 “자가센싱 섬유보강 시멘트 복합재료 (Self-Sensing Fiber Reinforced Cementitious Composites, SS-FRCCs) 기반의 스마트 구조물 건전도 모니터링 시스템 개발”을 통하여 궁극적으로 강건하고 내구성이 우수한 SOC 시설물을 만드는 것이다. ● 전기-역학적 응답 민감도가 극대화된 고성능 자가센싱 섬유보강 시멘트 복합재료 (SS-FRCCs) 개발 ● SS-FRCCs으로부터 실시간 전기-역학적 응답을 계측 및 분석하기 위한 하드웨어 및 알고리즘 개발 ● 개발된 SS-FRCCs 기반 스마트 모니터링 시스템의 다양한 환경조건하에서 실내 성능검증 실험 및 구조 부재로서의 하중 지지력을 확보하여 실제 SOC 시설물에 적용방안 도출 [연구내용 및 범위] 상기의 “자가센싱 섬유보강 시멘트 복합재료 (이후 SS-FRCCs) 기반의 스마트 구조물 건전도 모니터링 시스템 개발”을 위하여 크게 두 가지 중점 연구내용을 아래와 같이 수행하고자 한다: 1) 전기-역학적 응답 민감도가 극대화된 SS-FRCCs의 개발; 그리고, 2) 실시간 전기 역학적 응답 계측 시스템 및 손상진단 알고리즘 개발이다. 1) 자가센싱 섬유보강 시멘트 복합재료 (SS-FRCCs): 인장 하중 하에서 변형경화 거동을 유지하면서, 손상 또는 균열이 발생함에 따른 전기저항 변화를 극대화하여, 전기-역학적 상관관계를 이용하여 손상 또는 균열의 발생정도를 진단할 수 있는 섬유보강 시멘트 복합재료 2) 실시간 전기 역학적 응답 계측 시스템 및 손상진단 알고리즘: 개발된 SS-FRCCs의 전기-역학적 응답을 실시간으로 계측 가능한 하드웨어 및 손상 진단 알고리즘을 포함 우선 자가센싱 섬유보강 시멘트 복합재료 (SS-FRCCs)의 개발을 위하여 세부적으로 아래와 같은 상세 연구를 계획하였다. ● 매트릭스 전기 저항성 증대를 위한 방안도출 ● 섬유 보강재의 전기 전도성 증대 방안도출 ● 매트릭스와 섬유 보강재 사이의 부착성능 평가 및 전기-역학적 거동 조사 ● SS-FRCCs의 인장, 압축시 전기-역학적 거동평가 및 개선안 도출 ● 온도와 습도의 변화가 개발 SS-FRCCs의 자가센싱 성능 검증 개발된 SS-FRCCs의 전기-역학적 신호를 실시간으로 측정하고 판단하는 실시간 전기 역학적 응답 계측 시스템 및 손상진단 알고리즘의 개발이다. 이를 위한 상세연구 내용은 아래와 같다. ● AC 또는 DC 전류 신호 기반의 실시간 전기-역학적 신호 취득 하드웨어 개발 ● 얻어진 전기-역학적 신호에 포함된 다양한 노이즈 성분을 디지털 필터를 디자인하여 노이즈 성분 최소화 ● 균열 및 부식 등의 손상에 대한 응답 특성 추출 알고리즘을 개발하여 응답의 특성만으로 손상을 진단하고자 함 ● 잔존하는 외부 환경 영향인자들에 의한 변화량을 제거하여 실제 손상정보만을 추출하기 위한 알고리즘 개발 ● 데이터 정규화를 통한 신호 응답의 저장 및 데이터 활용방안 도출 마지막으로, 추가적으로 개발된 SS-FRCCs 기반의 손상진단 성능을 평가하기 위하여 실제 SOC 시설물에 적용 가능한 시공방안을 도출하여 실험실에서 측정가능한 크기의 SS-FRCCs 기반의 자가센싱 능력을 가지는 구조부재 또는 기존 부재에 패치 형식의 SS-FRCCs의 적용한 경우에 대한 성능평가를 수행하고자 한다. |
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| 색인어 | 한글 | 자가센싱 | 스마트 건설재료 | 모니터링 | 실시간 알람 | 재해 재난 |
| 영문 | Self-sensing | Smart construction material | Structural health monitoring | Real time alarming | Disasters | |
| 최종보고서 | 기초원천_최종보고서_세종대학교_김동주.pdf | |||||