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과제기본정보

콘크리트 구조물에 적합한 페인터블 응력 측정센서 개발2년차

사업개요
사업개요에 대한 사업명, 분류코드(기술분류), 과제명, 주관연구기관, 총괄연구 책임자(성명, 소속, 전화번호), 총 연구기간, 당해연도 연구기간 정보제공
사업명 국토교통기술촉진연구사업 과제번호 20CTAP-C151927-02
국가과학표준분류 1순위 건설 교통 | 시설물 안전 유지관리 기술 | 시설물점검 진단기술 적용분야 건설업
2순위 None | None | None 실용화대상여부 비실용화
3순위 None | None | None 과제유형 기초
과제명 콘크리트 구조물에 적합한 페인터블 응력 측정센서 개발
주관연구기관 세종대학교산학협력단
총괄연구 책임자 성명 정상엽
소속 세종대학교산학협력단 직위 조교수
전화번호 02-3408-3965 FAX 02-3408-3557
총 연구기간 2019-04-15 ~ 2020-12-31
당해연도 연구기간 2020-01-01 ~ 2020-12-31

(단위:원)

년도별 정부출연금, 기업부담금, 계 정보제공
년도 정부출연금 기업부담금 계
현금 현물 소계
2차년도 100,000,000 0 0 0 100,000,000
과제기본정보의 연구개발개요, 최종목표, 연구내용 및 범위 정보제공
연구개발개요 ○ 페인터블 급속 응력측정 센싱기술 개발
- 본 연구에서 제안하는 페인터블(Paintable) 응력 측정용 센서는 센싱용 물질을 콘크리트 구조물에 도장하고, 레이저를 이용하여 비접촉식으로 응력을 측정할 수 있는 기술임
- 레이저기반 기술 특성상, 추가적인 배선 및 전력 공급이 필요 없음
- 가진 레이저 조사와 응력계측을 동시에 진행할 수 있는 급속 응력측정기술임
- 단가가 저렴한 재료를 응력센싱에 사용하여, 시공비가 저렴한 경제적인 센싱기법임

○ 피에조분광법을 이용한 응력 측정기술
- 분광법 : 재료분석에 사용되는 기술로서, 재료가 갖는 화학적 지문(fingerprint)인 스펙트럼을 기반으로 화학조성을 분석함
- 피에조분광법 : 대상물이 압축(또는 인장)응력을 받으면, 스펙트럼이 무응력(Stress-free)상태 스펙트럼의 좌(또는 우)로 이동하며, 그 이동(shift)하는 양은 가해진 응력의 크기와 비례함 ☞ “피에조분광 효과(Piezo-spectroscopic effect)”
최종목표 ○ 최종목표
- 콘크리트 구조물 비접촉식 응력 측정에 적합한 페인터블 센서 및 제반 기술 개발

○ 세부목표
- 비접촉식 콘크리트 응력센싱용 도료 제작
- 압축·인장시험을 통한 페인터블 센서의 피에조분광현상 규명
- 모재와 응력센서 층간의 응력전달 관계 규명

○ 연차별 개발 목표
[1차년도]
- 비접촉식 응력센싱용 도료 제작
- 모재와 응력센서 층간의 응력전달 관계 규명

[2차년도]
- 압축/인장시험을 통한 페인터블 센서의 피에조분광현상 규명
- 페인터블 응력 센싱 기술을 이용한 콘크리트 구조물 응력 측정방법 설계
연구내용 및 범위 ○ 연구내용 및 범위
: 본 연구의 최종 목표는 피에조분광기술을 기반으로한 콘크리트 구조물 응력 측정용 페인터블 센서 및 제반 기술 개발임. 비접촉식, 급속응력 측정 및 경제적 센싱 기법인 본 기술 개발을 위하여, 3가지 핵심요소기술(CTE)을 설정함

- CTE 1 : 비접촉식 콘크리트 응력센싱용 도료 제작
비접촉식 콘크리트 응력센싱용 도료 제작을 위하여, 피에조분광현상을 갖고있는 페인트 혼합용 센싱물질을 선정하고, 응력측정을 위해 필요한 혼합비율에 대한 연구를 수행할 예정임. 주로 실내실험이 수행될 예정이며, 응력센싱물질이 도포된 시멘트 모르터 시편에대한 분광검출율 측정시험이 수행될 예정임

- CTE 2 : 압축·인장시험을 통한 페인터블 센서의 피에조분광현상 규명
콘크리트에 도포된 응력센싱물질이 일정 수준 이상의 피에조분광효과(또는 피에조분광 계수)를 보여야 응력센싱이 가능함. 따라서, 콘크리트 시편에 대한 압축(또는 인장) 시험을 수행하여, 배합비에 따른 피에조분광현상을 규명하고, 최종적으로 최적 배합비를 선정함

- CTE 3 : 모재와 응력센서 층간의 응력전달 관계 규명
모재에 가해지는 응력을 페인트 층에서 정확하게 측정하기 위해서는, 모재인 콘크리트와 응력센서 페인트 층간의 응력전달 관계를 규명해야함. 따라서, 유한요소해석을 이용하여 응력전달 관계를 규명하고, 이를 응력센싱용 도료 제작 디자인에 반영함

즉, 본 연구의 최종 성과물은 콘크리트 구조물 응력측정을 위한 페인터블 응력 센서임. 따라서, 응력센싱을 위한 페인트 혼합용 센싱물질을 선정하는 과정과 함께, 다수의 하중시험을 통한 페인터블 응력센서의 피에조분광현상 규명이 이루어질 예정이며, 유한요소해석을 통하여 모재와 응력센서 층간의 응력전달 관계가 규명될 예정임. 최종적으로는, 위에서 개발된 페인터블 응력 센서 및 제반 기술들을 콘크리트 구조물 응력측정에 적용하기 위한 설계서가 제시될 예정임


○ 세부연구내용
- 비접촉식 응력센싱용 도료 제작
▶ (문헌연구) 피에조분광현상을 갖고 있는 페인트 혼합용 센싱물질 가선정
▶ (실내실험) 응력센싱물질의 혼합비가 다른 페인트가 도포된 시편제작 및 분광검출율 측정

- 모재와 응력센서 층간의 응력전달 관계 규명
▶ (시뮬레이션) 다양한 두께, 재료, 혼합비를 갖는 페인터블 센서 및 콘크리트 시편에 대한 유한요소모델을 구성하고, 이를 해석하여 콘크리트와 페인트의 응력전달관계 규명
▶ (실내시험) 시뮬레이션 중 1건 이상의 케이스에 대한 시편제작 및 실내실험을 수행하고, 그 결과를 비교/검증함

- 압축·인장시험을 통한 페인터블 센서의 피에조분광현상 규명
▶ (시편제작) 1차년도에서 선정된 응력센싱물질이 포함된 페인트가 도포된 시편제작
▶ (실내시험) 압축(또는 인장)시험을 통한 페인터블 센서의 피에조분광현상 규명
▶ (실내시험) 응력측정센서의 품질일관도 평가를 위한 응력 맵핑 수행

- 페인터블 응력 센싱 기술을 이용한 콘크리트 구조물 응력 측정방법 설계
▶ (실내시험) 국소적응력 측정기술을 전역적 응력에 적용하기 위한 장초점 렌즈를 적용한 하중시험 수행
▶ (실내시험) 적용성 확대를 위한 다양한 콘크리트 배합비(2종 이상)에 대한 시험 수행
▶ (설계서작성) 페인터블 응력 센서 및 제반 기술들을 콘크리트 구조물 응력 측정에 적용하기 위한 구상 및 설계서 작성
건설기술연구개발사업 주요내용
건설기술연구개발사업 주요내용의 구분, 연구개발목표, 연구개발 내용 및 방법 정보제공
구분 연구개발목표 연구개발 내용 및 방법
2차년도 - 비접촉식 응력센싱용 도료 제작
- 모재와 응력센서 층간의 응력전달 관계 규명 		- 비접촉식 응력센싱용 도료 제작
▶ (문헌연구) 피에조분광현상을 갖고 있는 페인트 혼합용 센싱물질 가선정
▶ (실내실험) 응력센싱물질의 혼합비가 다른 페인트가 도포된 시편제작 및 분광검출율 측정

- 모재와 응력센서 층간의 응력전달 관계 규명
▶ (시뮬레이션) 다양한 두께, 재료, 혼합비를 갖는 페인터블 센서 및 콘크리트 시편에 대한 유한요소모델을 구성하고, 이를 해석하여 콘크리트와 페인트의 응력전달관계 규명
▶ (실내시험) 시뮬레이션 중 1건 이상의 케이스에 대한 시편제작 및 실내실험을 수행하고, 그 결과를 비교/검증함
연구성과 기술적 기대성과 - 피에조분광효과를 기반으로한 페인터블 응력 센싱기술은 전세계적으로 극소수의 기관만이 보유한 독보적인 기술이므로, 지석재산권을 확보함으로써 세계 최초의 원천 기술 개발 가능
- 페인터블 센서의 개발과 함께, 분광기의 분해능을 개선하여 정밀도를 개선하기 위한 하드웨어 분야의 발전 촉진
- 재료, 광학, 건설, 기계 등 융합학문 발전의 벤치마킹 모델
사회 경제적 파급효과 ○ 사회적 효과
- 토목 구조물 유지관리 기술의 발전을 통한 구조물 안전성 확보 및 인명피해 예방
- 안전하고 지능적인 구조물 건설을 통한 신성장 동력 마련
- 전문엔지니어의 부족, 인구 노령화 등을 극복 가능한 미래형 건설 재료 산업 육성

○ 경제적 효과
- 콘크리트는 강재와 함께 토목/건축 구조물의 대표적인 재료이며, 큰 하중을 담당하는 주요 부재로 사용되므로 응력 모니터링이 필수적임. 본 연구에서 개발될 페인터블 응력센서는 일반적인 도장 작업이외에 별도의 센서 설치, 전선 매립, 전원 공급 등이 요구되지 않으므로, 한해 47,725백만원 (2012년 기준)에 이르는 시설물 정밀안전진단 비용을 현저히 낮출 수 있을 것으로 기대됨
- 페인터블 응력센서를 이용한 콘크리트 응력 측정을 통하여 경제성을 확보할 경우, 막대한 건설 시장 개척 가능
- 콘크리트 건설 및 도장재료와 함께 분광기에 대한 장비 분야의 발전
활용방안 ○ 미래 원천 기술 확보
- 전세계적으로 많은 비접촉식 응력 측정기술이 연구되어지고 있으나, 피에조분광법을 이용하여 페인터블 응력센서를 개발한 연구는 매우 적음. 특히, 단가가 저렴한 재료를 응력센싱에 사용한 경우가 극히 적음. 따라서, 본 연구를 통하여 비접촉식 콘크리트 응력 측정기술의 원천기술을 확보하고, 해당 시장을 선점할 수 있을 것으로 판단됨

○ 실용화, 제품화 방안
- 지적재산권 확보
▶ 피에조분광현상을 이용한 페인터블 응력센싱 기법에 대한 지적재산권 확보
- 기술사업화 과제 추진
▶ 신설되는 토목/건축 구조물에 시범적용하고, 지속적인 응력 측정을 수행하여 적용성 검증
▶ 계측 장비 및 분석프로그램 패키징 등 사업화 추진
▶ 기술 이전 및 실시 계약 체결
- 건설 신기술 지정
▶ 개발된 페인터블 응력 센서를 이용한 시험시공 및 현장 검증
▶ 개발된 페인터블 응력 센서에 대한 경제성 분석
▶ 건설 신기술 지정·신청

○ 수요처
- 교량, 댐, 발전시설 등 신설 콘크리트 구조물 (신설구조물의 경우 절대응력 모니터링)
- 보수보강이 필요한 콘크리트 구조물 (보수보강 시에는 추가하중 모니터링)
- 지속적인 유지관리가 필요한 중요 구조 부재에 1차적으로 적용하고, 경제성에 대한 상세 분석이 이루어진 후, 일반 부재에 확대 적용
- 콘크리트 도장 및 유지관리관련 업체에서 활용 → 大 시장

○ 신산업 창출
- 새로운 미래 첨단 도장 재료 (비접촉식 응력 측정이 가능한 도장(또는 페인트) 신산업 육성
- 분광기술을 건설/유지관리 분야에 적용하는 첨단 계측산업 육성
핵심어
핵심어의 구분, 핵심어, 핵심어1~핵심어5 정보제공
핵심어 핵심어1 핵심어2 핵심어3 핵심어4 핵심어5
국문 페인터블 센서 응력 센싱 피에조분광법 콘크리트 도장 비접촉센싱
영문 Paintable Sensor Stress Sensing Piezospectroscopy Concrete Paint Non-contact Sensing
최종보고서
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최종보고서 콘크리트 구조물에 적합한 페인터블 응력 측정센서 개발 최종보고서.pdf   다운로드

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