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중요 교량에 대한 음향 배출 모니터링
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등록일2016-03-30
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| 리포트구분 | 기술리포트 | 콘텐츠구분 | 도로교통 |
|---|---|---|---|
| 출처 | Minnesota Department of Transportation | ||
| 원문제목 | Acoustic Emission Monitoring of a Fracture-Critical Bridge원문보기 | ||
| 언어 | 영어 | 국가 | 미국 |
| 등록일 | 2016-03-30 | 발행일 | 2014-03-00 |
| 첨부파일 | 등록된 첨부파일이 없습니다. | ||
□ 소개
이 프로젝트는 서비스 중인 파괴-임계 강제 교량(fracture-critical steel bridge)에서 첨단 건전도 모니터링 시스템을 시행하여 교량의 피로 파괴에 대해 미리 경고를 제공함. 파괴-임계 강제 교량은 본질적으로 안전하지 않지는 않음. 그러나, 이들은 노후화되어 감에 따라 더 잦은 검사를 필요로 함. 교량의 건전도 모니터링은 구조적 피로의 파악을 가능케 하여, 손상의 지표로써 가용함. 구조적 피로는 부재의 파괴나 교량의 붕괴에 대한 징후가 될 수 있음. 이 프로젝트는 파괴-임계 교량에서 피로를 파악하기 위한 건전도 모니터링 시스템을 선정하기 위해 미네소타 교통부(Minnesota Department of Transportation, MnDOT)를 위해 개발된 평가 기준을 결합하였음.
타이드 아치 교량(tied-arch bridge)이 하나 - 시다 애비뉴 교량(Cedar Avenue Bridge) - 선정되었고, 상업적으로 가용한 교량 건전도 모니터링 장비와 소프트웨어가 결합되어 설치되어 선택된 교량에서 구조적 피로에 대한 경고를 제공함. 선택된 교량은 공사가 완료되고 서비스를 시작한 1979년 이후로 피로 균열이 없었음. 따라서, 이 프로젝트는 문제 교량을 관리하기 위한 수단으로써 의도되지는 않았음. 시다 애비뉴 교량은 파괴-임계 강제 교량을 위한 음향 배출(acoustic emission, AE) 시스템을 개발하고 시행하며 테스트하기 위한 플랫폼으로써 작동함. 이 보고서는 이 시스템의 적절한 운영을 위해 장비의 설치, 데이타 처리 절차의 개발, 데이타 수집을 문서화함.
이 보고서는 8개의 장과 2개의 부록을 담고 있음. 제 2장은 이 프로젝트의 범위와 목적뿐만 아니라 파괴-임계 강제 교량과 음향 배출 모니터링에 대한 배경을 제공함. 제 3장은 제조업체의 명세서에 따라 장비가 운영되는지를 증명하기 위해 필요한 설치 계획 및 테스트뿐만 아니라 입수된 모니터링 장비를 서술함. 제 4장은 장비 제조업체의 해 제공된 소프트웨어 도구에 따라 음향 배출 데이타를 위한 처리 절차를 요약함. 제 5장은 음향 배출 모니터링 장비를 사용하여 파괴 신호의 특성을 파악하기 위해 필요한 세 번의 연구실 기반 강제 보(steel beams) 파괴 시험과 데이타 분석을 문서화함. 제 6장은 시다 애비뉴 교량으로부터의 AE 데이타를 평가하기 위해 제 4장으로부터의 소프트웨어 도구의 사용과 제 5장으로부터의 파괴 데이타를 서술함. 제 7장은 교량에서 수집된 일반적인 AE 신호에 대한 분석 결과를 제시하고, 현장의 데이타 수집과 관련된 다른 이슈들을 서술함. 제 8장은 프로젝트에서 도출된 결론과 제안사항을 포함함. 부록 A는 AE 데이타의 분석을 위해 제조업체가 공급한 소프트웨어(AEwin)에 대한 기본적 절차를 간략하게 요약함. 부록 B는 22개월 동안의 모니터링 기간 동안 수집된 모든 데이타 파일에 대한 특징을 묘사하는 그래프를 포함함.
□ 배경, 범위 및 목적
⊙ 배경
교량의 붕괴 경고에 대한 현재 기술은 붕괴에 의해 유발되고, 이들은 검사나 보수를 가능케 하는 초기 단계에 구조적 피로에 대해 미리 경고를 제공하지 않음. 그런, 운전하는 대중들의 사고를 피하고 교량의 사용자 및 소유자에 대한 재산상의 손실을 줄이기 위해 사전 경고는 필수적임. 이러한 이슈는 MnDOT가 자금을 지원하여 최근에 완료된 연구 프로젝트(Gastineau et al. 2009)에서 연구되었음. 그러나, 그 프로젝트는 특정 교량에 대해 가장 적합한 모니터링 시스템을 선정하기 위한 기준과 절차를 개발하는데 국한되었음. 이 보고서에서 문서화된 그 프로젝트는 교량의 건전도 평가를 위한 장비와 같은 시행 관련 이슈를 서술함.
이전의 프로젝트(Schultz and Thompson 2010)에서 파괴-임계 교량에서 피로의 파악을 위한 건전도 모니터링 시스템을 선택하기 위해 Gastineau et al. (2009)에 의해 개발된 평가 기준이 사용되었고, 그 시스템을 위한 프레임워크가 개발되었음. 타이드 아치 교량(시다 애비뉴 교량)이 선택되었고, 선택된 교량에서 구조적 피로의 파악을 위해 상업적으로 가용한 교량의 모니터링 장비에 대한 기본적 환경설정이 개발되었음. 현재의 보고서에서 문서화된 연구는 그와 같은 장비에 대한 계획을 정교화하는데, 여기에는 환경 설정 및 설치, 데이타 처리 프로토콜의 개발 등이 포함됨. 이 보고서는 또한 설치 절차를 문서화하고, 파괴-임계 교량의 음향 배출 모니터링의 다른 측면들을 논의함.
⊙ 이전의 연구
- 교량 모니터링 시스템: 1995년에 Fish et al.은 파괴-임계 교량의 검사에 사용될 수 있는 비파괴 시험 기술을 파악하였음. 이 연구는 두 개의 거더와 파괴-임계 타이드 아치 교량의 거더 플랜지에서 주요 균열을 발견함으로써 유발되었음. 위스콘신 교통부(Wisconsin Department of Transportation)가 위탁하고 아이오와 주립대학(Iowa State University)의 교통 연구 및 교육센터(Center for Transportation Research and Education)가 수행한 최근의 연구는 구조적 건전도 모니터링 기술에 대한 정보를 종합하였음(Phares et al. 2005).
- 음향 배출 모니터링: Pollock(2003)과 Ono(2011)은 음향 배출 모니터링의 원리, 사용, 편익 및 단점에 대한 요약을 제공함. Yu et al.(2011)은 강제 교량에서 균열의 발달을 평가하기 위한 음향 배출 모니터링 시스템의 사용에 대해 현장 연구를 수행하였음. Nair and Cai(2010)은 강제 및 프리스트레스트 콘크리트 교량을 모니터링하기 위한 음향 배출 기술의 사용을 연구하였음.
- 파괴-임계 강제 교량: 강제 타이드 아치 교량에서의 균열 문제는 오랜 역사를 가지고 있음. 1994년에 Koob et al.은 오레곤 주의 포틀랜드에 있는 프레몽트 교량(Fremont Bridge)에서 타이 거더와 아치 리브의 교차점에서 용접 부위의 균열을 발견하였음. Stallings et al.(1996)은 앨라배마 주의 타이드 아치 교량의 트러스에서 필러 플레이트(filler plate)의 균열을 보고하였음. Miller and Amadi(2007)은 펜실베이니아 주의 피츠버그에 있는 네빌 아일랜드 교량(Neville Island Bridge)에서 다양한 취성 파괴의 설계, 제조 및 시공을 보고함. Thompson and Schultz(2010)는 타이 거더 박스 단면에서 응력의 집중을 파악하였음.
⊙ 범위
이 보고서에서 문서화된 프로젝트는 Gastineau et al.(2007)에 의해 개발된 평가 기준 및 시행 프로그램을 사용하여 파악된 모니터링 기술을 받아들여, 구조적 피로의 탐지 및 경고를 위한 파괴-임계 강제 교량에서 이들을 적용함. 이 보고서에서 서술된 프로젝트 활동에는 장비 설치, 데이타 처리 절차의 개발, 데이타의 수집이 포함됨.
⊙ 목적
이 연구의 목적은 (1) 시다 애비뉴 교량의 특성을 연구하고, (2) 최종 시스템과 센서 환경설정을 최적화하며, (3) 데이타 처리에 필요한 프로토콜을 개발하고, (4) 시스템의 적절한 운영을 확실히 하기에 충분한 데이타를 수집함.
□ 요약, 결론 및 제안사항
⊙ 요약
이 보고서에서 요약된 프로젝트의 목적은 파괴-임계 강제 교량에서 균열을 탐지하는 음향 배출 모니터링 시스템을 개발하는 것이었음. 센서가 파괴가 예측된 지역에 집중된 이전의 사례와 달리, 여기서 개발된 시스템은 타이드 아치 강제 교량에서 타이 거더 전체를 모니터링하기 위해 넓은 간격으로 분산된 센서를 활용함. 시다 애비뉴 교량의 북쪽 방향 부분이 모니터링을 위해 선택되었음. 그러나, 이 프로젝트는 교량의 상태를 결정할 목적으로 설계되지 않았음. 왜냐하면, 이 교량은 서비스를 시작한 지 34년 동안 균열을 보이지 않았기 때문임. 이 프로젝트의 목적은 음향 배출 기술이 파괴-임계 강제 교량의 글로벌 모니터링에 사용될 수 있는지를 검증하는 것임.
프로젝트의 활동에는 모니터링 장비의 획득, 제조업체의 명세서를 준수하는지 검증하기 위한 테스트, 선택된 교량에서의 장비 설치, 시스템을 검정하기 위한 현장 테스트, AE 데이타를 위한 데이타 처리 프로토콜의 개발, 22개월 동안 현장 데이타의 수집이 포함됨. 캔틸레버 강제 보(cantilever steel beams)의 파괴 테스트는 파괴에 대한 특징 데이타를 제공하기 위해 실험실에서 수행되었음.
⊙ 결론
이 프로젝트에 의하면, 균열의 형성 및 전파를 파악하기 위해 상업적으로 가용한 음향 배출 기술이 강제 교량의 글로벌 모니터링에 사용될 수 있음. 그러나, 임무를 달성하기 위해, 강제 교량 부재에서 파괴에 대한 AE 데이타를 생성하기 위해 필요한 것으로 밝혀졌음. AE 이외의 많은 사건이 사용중인 강제 교량에서 생성되었다고 할 때, 파괴 절차에 대한 특성을 파악하기 위해 이 데이타가 필요하였음.
이 프로젝트에 의하면, 파괴 사건의 특성을 파악하기 위해 필요한 AE 데이타를 생성하기 위해 단순한 테스트가 사용될 수 있음. 단순 캔틸레버 보의 시험편은 실험실 테스트를 통하여 환경 설정되고 최적화되었음. 파괴 시험 절차는 유압 잭과 수동 펌프만을 필요로 하고, 강제 교량에서 현장 테스트를 위해 현장에 배치될 수 있도록 설계되었음.
이 프로젝트는 시다 애비뉴 교량에서 생성된 AE 데이타를 평가하기 위해서 AE 장비의 제조업체에 의해 제공된 소프트웨어를 사용하여 데이타 처리 절차를 개발하였음. 그 절차는 최대 크기(peak amplitude: 최대 히트 수에 대응하는 AE 신호의 크기), 최대 주파수 중심(peak frequency centroid: 최대 히트 수에 대응하는 주파수 중심), 그리고 히트 수에서의 급속한 증가(시간에 따른 히트 수 그래프에서 정의됨)에 의존함. 데이타 처리 계획을 향상시키는데 있어 유망한 것으로 밝혀진 다른 인자들로는 최대 기간(maximum duration)과 절대 에너지(absolute energy)가 포함됨.
시다 애비뉴 교량에서 수집되고 이 프로젝트에서 개발된 절차를 사용하여 처리된 AE 데이타에 의하면, 22개월의 모니터링 기간 동안 균열 신호가 없었음. 이 관측치는 시다 애비뉴 교량의 과거 성능과, 그 상태에 대한 장기 전망과 일치함.
⊙ 제안 사항
캔틸레버 보 시험편을 활용한 파괴 시험은 시다 애비뉴 교량의 북쪽 방향 차선의 동쪽 타이 거더에서 수행되어야 함. 이 문서에서 보고된 프로젝트의 일환으로 수행된 모든 보 파괴 시험은 실험실에서 수행되었음.
데이타 처리 절차가 더 개선될 수 있도록 시다 애비뉴 교량에서 데이타가 지속적으로 수집되어야 함. 게다가, 제조업체가 명시한 소프트웨어의 제한사항 밖에 있는 데이타 처리가 연구되어야 함.
MnDOT의 교량 및 구조물 부서(Office of Bridges and Structures)는 균열의 기록을 가진 강제 교량에서 개발된 데이타 처리 절차와 AE 모니터링 장비를 사용하기 위한 또다른 프로젝트를 위탁해야 함.
MnDOT 교량 및 구조물 부서는 모니터링 시스템이 훨씬 더 오랫동안 운영되어야 한다면 시다 애비뉴 교량에서 모니터링 장비에 AC 전력을 제공하는 것이 제안됨.
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초록(Abstract)
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