R&D최종보고서
| 과제고유번호 | 201818CTAP-C130207-02 | |||||
|---|---|---|---|---|---|---|
| 연구사업명 | 국토교통기술촉진연구사업 | |||||
| 연구과제명 | 교량시설물 안전관리를 위한 라만/형광분광법 및 산화알루미늄 증착기법을 이용한 비접촉식 케이블 앵커 응력 측정 시스템 개발 | |||||
| 총 연구기간 | 2017-04-01 ~ 2018-12-31 | |||||
| 연구책임자 | 조윤범 | |||||
| 당해년도 참여 연구원수 |
4명 | 총 연구기간 참여 연구원수 |
10명 | |||
| 당해년도 연구비 |
정부 : 206,000,000 원 기업 : 71,000,000 원 계 : 277,000,000 원 |
총연구비 | 정부 : 450,000,000 원 기업 : 152,400,000 원 계 : 602,400,000 원 |
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| 연구기관명 | (주)유디엔에스 | |||||
| 등록 발간번호 | - | |||||
| ISBN | - | |||||
| 주요 내용 |
？ 기반 시설물 첨단 진단기술 확보 중장기 계획 ● 국토교통부 기술정책과에서는 국민의 삶의 질 향상 및 행복한 사회의 전제 조건으로 국민 안전으로 보고 특히 시설물 안전은 복지？안전사회 구현을 위한 필수적 수단으로 인식하였으며, 한국사회 15대 메가 트렌드(Mega-Trend) 중 하나가 ‘국민의 삶의 질이 중시되는 복지사회’와 ‘증대되는 안전 위험성으로부터 국민이 적극 보호되는 안전사회’를 위해서 3S(Safe, Sustainable, Smart) 시설물로의 전환을 통한 종합적인 시설안전을 구현을 위한 ‘제3차 시설물의 안전 및 유지관리 기본계획(안) (2013~2017년)’을 작성함. ● 특히, 시설물 안전 및 유지관리 발전을 위한 추진전략의 하나로 기술된 ‘기반시설물 첨단 진단 기술 확보’에서는 시설물 점검 및 진단 업무의 비효율성과 시설물 점검 및 진단과 ICT기술의 접목 미흡, 진단장비 개발 및 효율적 활용 부족 등의 배경을 언급하였으며, 모바일 점검？진단 시스템의 고도화, IT 등 기술 융복합화를 통한 첨단 진단기술 개발, 진단장비의 개발 및 효율적 활용방안 마련의 방향으로 개발을 추진하도록 제시하고 있음. ？ 케이블 장력 관리 기법의 현황 및 한계 ● 공용 중 케이블의 장력관리를 효율적으로 추진하기 위해서는 정확한 케이블 장력 추정기법이 필요하며 관련된 많은 연구가 수행되어 왔으며, 현재 케이블의 장력의 추정기법은 직접법과 간접법으로 구분할 수 있음. ● 직접법은 케이블 끝단에 로드셀을 부착하여 케이블에 가해지는 장력을 바로 확인할 수 있는 방법으로 사장교 케이블 가설시 또는 프리스트레스트 콘크리트 텐던 긴장시 주로 사용하는 방법임. 그러나 사장교의 유지관리단계에서 이러한 직접법을 적용하기는 비용적인 측면에서 효율적인지 못하기 때문에, 최근 활발한 연구가 진행되고 있는 직접법 중 EM(Electro Magnetic)센서를 활용한 방법이 있음. 이 방법은 전자기유도에 의해 발생하는 웨이브의 속도를 측정해 장력을 추정하는 방법이나 대기 중에 노출된 계측관리시스템을 이용한 사장교의 경우는 추정이 가능하나 그라우팅 또는 그리스가 충진된 경우 추정이 거의 불가능한 것으로 알려져 있음. ● 장력추정을 위한 간접법으로는 케이블의 진동으로 인한 가속도로부터 고유진동수의 변화를 이용하는 방법이 사용되고 있으며, 현재 국내에서는 사장교의 케이블의 장력을 관리하기 위해서 케이블에 가속도계를 설치한 후 현 이론에 근거한 간접법을 활용하여 실시간으로 장력을 추정하여 모니터링을 실시하고 있는 추세임. ？ 라만/형광분광법을 케이블부 강재의 응력 측정 기술 개발 ● 토목구조물에서 사용되고 있는 강재는 압연, 냉각, 휨가공 등이 이루어진 후 설치되므로 각각의 강구조물의 경우 잔류응력이 포함되어있으며, 또한 일부 구조물(철도, PSC 강선 등)의 경우, 축력, 긴장력 등의 추가적인 외부응력이 가해짐. 이러한 강재는 일반적으로 토목구조물의 주 부재이므로, 지속적인 응력이력의 측정이 요구되며, 특히 PSC교량 강선의 긴장력은 구조물의 건전도와 직접적인 연관이 있음 ● 토목 구조물 케이블부 강재의 건전도 평가를 위한 응력측정 방법은 파괴적인 방법과 비파괴적인 방법, 센서기반 계측 방법으로 나뉨. 파괴적인 방법(절단법, 홀 드릴링 등)은 기계적인 시험방법으로 정량적인 결과값을 도출할 수 있지만, 대상물을 파괴해야하는 단점으로 현장적용이 제한되며, 비파괴적인 방법으로는 X-선, 중성자 회절법, 초음파, 자기변형효과 등을 활용한 방법이 있으나, 이와 같은 방법들은 실험결과 해석에 숙련자를 요구하며, 평가자에 따라 결과해석의 차이가 발생하고, 계측시간이 길고, 경우에 따라 표면처리를 요구하는 등의 단점이 있음. ● 센서기반 응력 계측의 경우(e.g. 스트레인게이지, 로드셀 등), 정밀도가 높은 반면, 내구성이 약하고, 케이블 및 외부 전력을 필요로 하며, 센서와 계측장비의 유지관리가 어렵다. 이와 함께, 구조물의 설계 수명 주기에 대비하여, 센서의 수명이 현저히 짧다는 한계를 갖고 있음 ● 따라서 본 연구에서는 위와 같은 기존 계측방법의 단점을 보완할 수 있는, ‘라만/형광 분광법을 이용한 강구조물의 응력 측정 기술’을 개발하고자 함. 본 연구진은 기 수행한 자체 연구를 통해서 라만/형광분광법을 이용한 강재의 응력 및 부식측정 방법의 적용성을 이미 검증하였으며, 본 연구에서는 응력분해능을 향상시킬 수 있는 산화알루미늄 증착기법을 후속연구하여 이를 활용한 비접촉식 케이블 앵커 응력 측정 시스템 개발을 수행하고자 함. [최종목표] ？ 본 연구의 최종목표(교량시설물 케이블 응력 안전관리)를 달성하기 위한 라만/형광분광법 및 산화알루미늄 증착기법을 이용한 비접촉식 케이블 응력 측정 시스템 개발을 위해서 도로함몰 위험도 평가 및 분석 기술 개발을 위해서 ① 응력측정용 Passive 센서 제작 기술, ② 라만 파장 이동과 응력의 관계 규명 알고리즘 개발, ③ 케이블 강재 응력측정 전용 라만/형광분광시스템 개발, ④ 비접촉식 케이블 앵커 응력측정 시스템 현장적용 기술 개발이라는 네 가지 핵심기술요소(Core Technical Element, CTE)를 설정 ● CTE1 Passive 센서 제작 기술: 케이블 앵커 부 진공 박막증착 기법을 통한 Passive 센서 기술 개발 및 분해능 향상 방안 도출 ● CTE2 라만파장이동과 응력의 관계 규명: : 강재에 가해지는 응력과 라만분광법에 의해 측정되는 라만파장 이동값의 상관관계를 도출하여 장력 측정 알고리즘에 적용 ● CTE3 케이블 응력측정 전용 라만/형광분광시스템 개발: CTE1의 케이블 앵커부 Passive 센서의 응력 측정에 최적화 설계한 전용 프로브 개발과 응력 측정용 라만분광시스템 구축. CTE2의 알고리즘 탑재한 소프트웨어 및 실시간 모니터링용 계측프로그램 개발 ● CTE4 현장적용 기술 개발: 현장 수시점검용 시스템과 상시 모니터링용 시스템으로 구분하여 현장 적용 기술 개발하고, 향후 케이블지지교량에 확대적용할 수 있는 방안 연구 [연구내용 및 범위] (1) 핵심성과명1 ？ Passive Stress 센서 제작 기술 개발 ？ 응력 분해능과 내구성을 향상시킬수 있는 진공 박막증착 조합을 연구 개발함. ？ 강구조물의 응력 측정을 위한 Passive 센서 개발을 위하여, 센서 물질을 선정하고, deposition방법에 관한 연구를 수행함 ？ 센서 물질과 deposition방법이 결정되면, 시험 샘플을 만들고 하중 시험을 수행함. ？ 기 설치 앵커부에 Passive sensor target 형성 방안 도출 (2) 핵심성과명2 ？ 라만파장이동과 응력의 관계 규명 ？ Passive 센서 층과 기질층(구조용 강)으로 이루어진 복합재료(Composite material)에 대한 PS coefficient 규명을 위한 실험을 수행하고, 관계식을 도출함. ？ 추가로 제작되는 Passive 센서의 박막별, 구조별 가력 시험을 통해서 PS계수(응력변환계수)의 최적화을 진행함 (3) 핵심성과명3 ？ 라만파장이동과 응력의 관계 규명 ● 라만/형광 분광시스템을 구성하는 레이저 광원, 라만분광기, 프로브 3가지 모듈의 최적제품을 선정하여 시스템을 구성함. ● PSC교량의 케이블 측정을 위해서는 광학스위치를 이용하여 멀티채널을 구성해야 좀 더 효율적으로 응력측정이 가능해짐 ● CTE1의 케이블 앵커부 Passive 센서의 응력 측정에 최적화 설계한 전용 프로브 개발과 응력 측정용 라만분광시스템 구축. CTE2의 알고리즘 탑재한 소프트웨어 및 실시간 모니터링용 계측프로그램 개발 ● 케이블 앵커부 Passive 센서의 응력 측정에 최적화 설계한 전용 프로브 고도화 개발 (4) 핵심성과명4 ？ 현장 적용 기술 개발 ？ 현장 수시점검용 시스템과 상시 모니터링용 시스템으로 구분하여 현장 적용 기술 개발하고, 향후 케이블지지교량에 확대적용할 수 있는 방안 연구 ？ CTE1 Passive 센서 제작 기술 개발 ● 응력 분해능과 내구성을 향상시킬수 있는 진공 박막증착 조합을 연구 개발함. 강구조물의 응력 측정을 위한 Passive 센서 개발을 위하여, 센서 물질을 선정하고, deposition방법에 관한 연구를 수행함. 센서 물질과 deposition방법이 결정되면, 시험 샘플을 만들고 하중 시험을 수행함. ？ Piezo-spectroscopic(PS) coefficient 규명 ● Passive 센서 층과 기질층(구조용 강)으로 이루어진 복합재료(Composite material)에 대한 PS coefficient 규명을 위한 실험을 수행하고, 관계식을 도출함. ？ 센서의 응력 생성 및 응력전달관계 규명 ● 박막의 응력 생성 메커니즘 이해를 위한 문헌연구를 수행하고, 응력전달관계 규명을 위한 시뮬레이션 해석을 수행함. ？ 케이블 응력측정용 라만형광 분광시스템 구성 ● 라만/형광 분광시스템을 구성하는 레이저 광원, 라만분광기, 프로브 3가지 모듈의 최적제품을 선정하여 시스템을 구성함. ● PSC교량의 케이블 측정을 위해서는 광학스위치를 이용하여 멀티채널을 구성해야 좀 더 효율적으로 응력측정이 가능해짐 ● 라만 분광시스템 구성 (기본안) ● 전용 프로브 설계 및 개발 ？ 축소 모형 제작을 통한 시스템 검증 ● PSC교량의 케이블 긴장과 유사한 시험을 진행할 수 있는 축소모형을 다음과 같이 제작하여 성능 검증을 실시함. ● 축소모형 시험시, 개발한 프로브를 케이블 앵커부에 설치할 때 필요한 보조 지그를 설계 제작하여 검증함. 향후, 실제 교량 시험시 축소모형시험 결과를 바탕으로 개선점을 추가 보완하여 개발을 진행 ？ CTE1 Passive 센서 제작 기술 고도화 ● 응력 분해능과 내구성을 향상시킬수 있는 진공 박막증착 조합을 연구 개발함. ● 케이블 정착 앵커부 형상별 박막증착 기법 향상 ● 기 설치 앵커부에 Passive sensor target 형성 방안 도출 ？ CTE2 라만파장이동과 응력의 관계 규명 ● 변수를 추가하여 시험케이스를 늘려서 새로 제작한 Passive 센서의 박막별, 구조별 가력 시험을 통해서 PS계수(응력변환계수)의 최적화을 진행함 ？ CTE3 케이블 응력측정 전용 라만/형광분광시스템 개발 ● CTE1의 케이블 앵커부 Passive 센서의 응력 측정에 최적화 설계한 전용 프로브 개발과 응력 측정용 라만분광시스템 구축. CTE2의 알고리즘 탑재한 소프트웨어 및 실시간 모니터링용 계측프로그램 개발 ● 케이블 앵커부 Passive 센서의 응력 측정에 최적화 설계한 전용 프로브 고도화 개발 ？ CTE4 현장적용 기술 개발 ● 현장 수시점검용 시스템과 상시 모니터링용 시스템으로 구분하여 현장 적용 기술 개발하고, 향후 케이블지지교량에 확대적용할 수 있는 방안 연구 |
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