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과제기본정보

사회기반시설물 상태평가를 위한 초음파와 머신러닝 기반의 절대응력 모니터링 (20 MPa 정밀도) 원천기술 개발2년차

사업개요
사업개요에 대한 사업명, 분류코드(기술분류), 과제명, 주관연구기관, 총괄연구 책임자(성명, 소속, 전화번호), 총 연구기간, 당해연도 연구기간 정보제공
사업명 국토교통기술촉진연구사업 과제번호 19CTAP-C141649-02
국가과학표준분류 1순위 건설 교통 | 시설물 안전 유지관리 기술 | 시설물점검 진단기술 적용분야 건설업
2순위 기계 | 측정표준 시험평가기술 | 신뢰성 비파괴평가 실용화대상여부 비실용화
3순위 재료 | 분석 물성평가기술 | 내구성평가 수명예측 기술 과제유형 기초
과제명 사회기반시설물 상태평가를 위한 초음파와 머신러닝 기반의 절대응력 모니터링 (20 MPa 정밀도) 원천기술 개발
주관연구기관 한국과학기술원
총괄연구 책임자 성명 김기영
소속 한국과학기술원 직위 연구조교수
기관 대표번호 042-350-2114 FAX 042-350-2210
총 연구기간 2018-04-17 ~ 2019-12-31
당해연도 연구기간 2019-01-01 ~ 2019-12-31

(단위:원)

년도별 정부출연금, 기업부담금, 계 정보제공
년도 정부출연금 기업부담금 계
현금 현물 소계
2차년도 165,000,000 0 0 0 165,000,000
과제기본정보의 연구개발개요, 최종목표, 연구내용 및 범위 정보제공
연구개발개요 1) 사회기반시설물 부재의 절대응력 모니터링의 필요성
o 교량과 같은 대형 사회기반시설물의 부재는 차량 등에 의해 가해지는 운용하중 이외에 구조물의 자중과 계절에 따른 온도변화에 의한 부재의 팽창 수축으로 인한 응력을 기본적으로 받고 있음.
o 특히 오래 사용되었거나 지진과 같은 재난에 노출된 구조물의 경우, 부재에 가해지는 응력의 분포가 설계치에서 변화할 수 있으며, 이 응력이 허용응력을 넘어 구조물의 안전성을 위협할 가능성이 있음.
o 부재의 절대응력의 변화는 부재의 변형, 균열 및 갑작스러운 파괴의 주 원인으로 구조물의 안전성과 사용수명에 큰 영향을 미치므로 절대응력을 지속적으로 모니터링 하는 기술의 개발이 필요함.
o 철도 레일의 경우, 계절에 따른 온도변화로 인해 팽창과 수축이 발생하며 이로 인해 국부적으로 높은 응력이 발생하고 국부좌굴로 이어지는 경우가 있어 철도차량의 안전운행을 위해 레일에 발생하는 절대응력의 계측 및 모니터링이 매우 중요함. 한국뿐만 아니라 세계적으로 이에 대한 많은 연구들이 수행되었으나 실제 철도 레일에 적용할 수 있는 기술이 개발되지는 않음.
o 지진, 선박 및 항공기의 충돌과 같은 큰 하중이 구조물에 가해질 경우, 구조물의 안전성을 신속히 진단하고 사용여부를 판단하는 것은 사회 및 경제적으로 매우 중요한 문제이며, 부재의 절대응력을 모니터링 하는 것은 이러한 문제를 해결하는데 필요한 기술임.
o 구조물에 가해지는 하중 및 응력을 모니터링하기 위해 설치하는 변형률계의 경우, 센서를 설치할 때의 응력 및 변형률을 기준으로 변형률의 변화를 계측하기 때문에 절대응력을 측정하지는 못함.
o 재료의 용접, 열처리 및 가공과정에서 재료 내부에 발생하여 외부 하중이 존재하지 않는 상태에서도 남아 있는 국부적인 잔류응력을 측정하기 위한 다양한 기법들이 개발되고 사용되고 있으나, 대부분 고가의 대형 장비를 사용하여 실험실 수준에서 측정이 가능하여 공용중인 사회기반시설물 부재의 상시 모니터링에는 활용이 불가능함.

2) 사회기반시설물 부재의 절대응력 계측 기술 개발 전망
o 대형 사회기반시설물 부재의 절대응력 계측 기술은 다음과 같은 방향으로 개발되어야 함.
o 비파괴적인 기법
- 구조물에 구멍을 뚫는 등의 파괴적인 방법은 구조물에 추가적인 손상을 야기할 위험이 있으므로, 비파괴적인 기법의 개발 및 적용이 필요함.
o 상시 모니터링
- 사람 또는 무인검사장비가 대형 구조물의 각 부재에 접근하여 절대응력을 측정하는 방법은 상시 모니터링이 불가능하고, 재난이 발생하였을 때 구조물의 신속한 검사 및 진단이 불가능하므로, 구조물에 센서를 설치하고 상시적으로 응력을 모니터링 할 수 있어야 함.

3) 개발 기술의 독창성
o 본 과제에서는 초음파와 머신러닝 기법을 활용하여 사회기반시설물 부재의 절대응력 모니터링 원천기술을 개발하고자 하며 다음과 같은 독창성이 있음.
o 비파괴적 절대응력 측정
- 초음파는 대표적인 비파괴적인 응력계측 방법으로 구조물에 손상을 가하지 않고 절대응력을 측정할 수 있음.
o 머신러닝을 이용한 절대응력 추정
- 최근 컴퓨터 하드웨어의 비약적인 발전과 기술적 난제들이 해결되면서 다양한 분야에 활용중인 인공신경망을 이용하여 다양한 초음파 선형/비선형 전파특성을 동시에 고려한 절대응력 추정이 가능함 (세계최초).
o 손상의 영향을 받지 않는 절대응력 모니터링
- 초음파는 부재의 응력변화에 전파특성이 변화하지만 균열과 같은 손상에도 전파특성이 변화함. 본 과제에서는 초음파의 전파특성 중 응력에는 민감하나, 손상에는 민감하지 않는 선형/비선형 초음파 전파특성을 추출하여 손상의 영향을 받지 않고 절대응력 모니터링이 가능함.
o 상시 모니터링
- 초음파 발생과 계측에 사용되는 압전센서는 작게 제작할 수 있고 경량이기 때문에 구조물에 부착하여 상시 모니터링이 가능하며, 센서의 단가가 다른 계측기법 (X-선, 분광기법)에 비해 저렴해 경제적임.
o 활용 분야의 다양성
- 대형 구조물에 대한 절대응력 모니터링 기술은 교량과 같은 사회기반시설물뿐만 아니라 원자력발전소의 배관, 선박, 철도레일, 기계설비 등의 절대응력 모니터링에 활용될 수 있어 그 적용 범위가 매우 넓음.
- 최근 초음파를 이용한 사회기반시설물 손상 모니터링 기법이 실구조물에 적용중임. 응력 계측에 활용하는 초음파센서와 계측 시스템이 손상 모니터링 시스템과 유사성이 많아 향후 이를 통합하여 단일 시스템으로 손상과 절대응력 모니터링이 가능함.
최종목표 o 단축하중이 가해지는 강 부재에 대하여 선형/비선형 초음파와 인공신경망을 이용한 절대응력 모니터링 원천기술 개발 (세계최초)
- 절대응력과 초음파 선형/비선형 전파특성 상호관계파악 및 응력에는 민감하나 손상의 영향을 받지 않는 초음파 전파특성들 추출
- 추출된 다양한 초음파 선형/비선형 전파특성들을 인공신경망의 입력으로 한 절대응력 모니터링 원천기술 개발
o 절대응력 모니터링을 위한 선형/비선형 초음파 가진 및 센싱 시스템 구성 및 최적화
- 응력측정을 위한 초음파 계측 파라미터 조사
- 다양한 초음파 선형/비선형 전파특성을 계측하기 위한 초음파 가진 및 세싱 시스템 구성 및 최적화
- 응력계측에 최적화된 압전센서 설계
o 20 Mpa 응력 모니터링 정밀도 (세계최고수준) 및 성능 검증
- 하중시험기를 이용하여 20 Mpa 단위로 실험시편에 단축하중을 가해 목표 정밀도 달성 여부 검증
연구내용 및 범위 1) 단축하중이 가해지는 강 부재에 대한 초음파와 인공신경망 기반 절대응력 모니터링 원천기술 개발
- 문헌조사 및 실험을 통한 응력에 민감함 초음파 선형/비선형 전파특성 조사. 간단한 문헌조사 결과 초음파의 전파속도 변화, 주파수 변화 및 비선형 성분의 발생 등을 활용하여 응력을 계측한 사례가 있어 이들을 고려할 계획이며, 실험 및 문헌조사를 통해 추가적인 초음파 선형/비선형 전파특성을 찾을 계획임.
- 실험을 통해 각 전파특성의 응력에 대한 민감도를 평가하고 부재의 손상에 영향을 받지 않는 초음파 전파특성을 추출함.
- 추출된 다양한 초음파 선형/비선형 전파특성을 인공신경망의 입력으로 한 절대응력 추정 및 모니터링 기술 개발.
- 인공신경망은 이론적으로 비선형 회귀분석 방법 중 하나이므로 분류문제뿐만 아니라, 회귀문제에도 활용될 수 있음. 본 과제에서는 먼저, 인공신경망을 구성하고 다양한 응력에서 계측된 초음파 선형/비선형 전파특성들을 이용하여 인공신경망을 학습시킨 후, 학습된 인공신경망에 응력을 모르는 부재에서 계측된 초음파 선형/비선형 전파특성을 입력으로 넣어 절대응력을 추정 및 모니터링함.
- 개발 기술의 성능검증을 위해 로드셀, 스트레인게이지 및 DIC 기법 등으로부터 측정된 응력값과 개발기술을 이용한 측정값의 비교를 수행함.
- 목표 정밀도 (20 Mpa) 달성 검증을 위해, 센서가 부착된 부재 시편을 하중시험기에 설치하고 하중시험기로 20 MPa 단위로 하중을 가하여 응력증가를 계측할 수 있는지 검증을 수행할 계획임.

2) 절대응력 상시 모니터링을 위한 선형/비선형 초음파 생성 및 계측 시스템 개발
- 초음파 기반 절대응력 계측을 위한 계측 파라미터 조사 및 계측 시스템 구성. Natioanl Instrument (NI) 사의 PXI 시스템을 활용할 계획이며, 선형/비선형 초음파를 계측하기 위한 NI PXI 시스템은 기본적으로 파형생성기(AWGs), 디지타이저 (DIG) 및 컨트롤러로 구성됨. AWG는 구조물에 초음파를 가진하며 DIG 는 센서로부터 계측된 신호를 신호처리를 위한 디지털 데이터로 변환함. 전체 시스템은 컨트롤러가 제어하며 Lab View 소프트웨어를 이용해 사용자가 목적에 맞게 시스템을 구성하고 제어할 수 있음.
- 추출된 초음파 선형/비선형 전파특성만을 계측할 수 있도록 계측 파라미터 및 계측 시스템을 최적화 할 계획임.
- 초음파의 가진과 센싱을 위해 압전센서가 사용됨. 압전센서는 전기적인 신호를 기계적인 신호로, 기계적인 신호를 전기적인 신호로 변환시키는 소재로써, 초음파의 가진과 센싱에 널리 활용되고 있음. 또한 가격이 저렴하고 무게가 가벼우며 크기가 작아 구조물의 손상을 모니터링하는데 사용되고 있음. 본 연구에서는 부재의 응력에 따른 초음파 선형/비선형 전파특성을 계측하기 위한 최적 압전센서의 크기, 형상 및 배치에 대한 연구를 수행할 계획임.
- 절대응력 계측을 위한 압전센서의 크기, 형상 및 배치에 따라 압전센서를 패키지화 할 계획임. 패키지화된 압전센서는 압전센서의 케이블, 커넥터 부분을 패키지화 하여, 연결부의 접촉불량으로 인한 잡음을 줄이고, 외부 온도 및 습도에 대한 내구성을 높여 사회기반시설물 현장환경에 용이하게 적용할 수 있음.
건설기술연구개발사업 주요내용
건설기술연구개발사업 주요내용의 구분, 연구개발목표, 연구개발 내용 및 방법 정보제공
구분 연구개발목표 연구개발 내용 및 방법
2차년도 하중이 가해지는 알루미늄과 강 부재 (평판)에 대하여 초음파기반 절대응력 모니터링 원천기술 (세계최초)을 개발하고 성능 검증 (20 MPa 정밀도, 세계최고) - 1차년도에서 수행한 알루미늄에 대하여 정적 및 동적 하중 하에서 응력계측과 관련된 추가 실험을 진행하여1차년도 계획대비 미달성한 SCI(E)급 학술지 게재 목표를 달성할 계획임.
- 1차년도에서 추출된 응력에 민감한 초음파 전파특성 (저주파 S0 모드의 속도변화)을 이용하여 현재 계측된 초음파 신호를 사용하여 응력계측이 가능한 절대응력 추정 및 모니터링 기술 개발.
- 과제 중간 모니터링에서 실구조물 적용을 고려할 때 알루미늄보다는 강재에 대한 실험을 수행하는 것이 효과적이라는 의견이 있어, 이를 반영하여 강재에 대한 응력계측 연구도 함께 수행할 계획임.
- 인공신경망은 이론적으로 비선형 회귀분석 방법 중 하나이므로 분류문제뿐만 아니라, 회귀문제에도 활용될 수 있음. 본 과제에서는 인공신경망을 구성하고 다양한 응력에서 계측된 초음파 전파특성을 이용하여 인공신경망을 학습시킨 후, 응력을 모르는 부재에서 계측된 초음파 전파특성을 입력하여 절대응력을 추정 및 모니터링하는 기술개발을 수행하고자 함.
- 연구 수행과정에서 인공신경망을 사용하는 것이 실용적인지에 대한 검토과정을 거쳐 향후 실구조물에 대한 적용성을 높일 계획임.
- 응력에 민감한 초음파 전파특성을 계측할 수 있도록 1차년도에 개발된 시스템의 계측 파라미터 및 시스템을 최적화 할 계획임.
- 하중이 가해지는 평판 강부재에 대하여 개발 기술을 검증할 계획임. 시편을 제작하고, 임의의 하중을 가한 후, 초음파 신호를 계측한 후 이를 이용하여 절대응력을 추정함.
- 개발 기술의 성능검증을 위해 로드셀, 스트레인게이지 및 DIC 기법 등으로부터 측정된 응력값과 개발기술을 이용한 측정값의 비교를 수행함.
- 개발 기술의 실구조물 적용성 향상을 위해 강재에 도포된 도막, 표면손상 등의 강재 표면상태가 응력 계측에 미치는 영향을 조사하고 이를 최소화 하는 연구 수행.
- 목표 정밀도 (20 Mpa) 달성 검증을 위해, 센서가 부착된 부재 시편을 하중시험기에 설치하고 하중시험기로 20 MPa 단위로 하중을 가하여 응력증가를 계측할 수 있는지 검증을 수행할 계획임.
연구성과 기술적 기대성과 o 대형 사회기반시설물 부재의 절대응력 모니터링 기술을 구조물의 유지관리를 위해 꼭 필요한 기술이나 현재 연구가 거의 진행된 바가 없음.
o 본 과제를 통해 절대응력 모니터링 기법에 대한 세계최초/최고 수준의 원천기술 확보 및 기술선점이 가능하며 향후 대형 사회기반시설물 부재의 절대응력 모니터링에 활용될 수 있음.
o 구조물의 절대응력은 구조물의 잔여 수명 추정에 매우 중요한 요소임. 본 과제를 통해 개발한 원천기술을 이용하여 향후 사회기반시설물의 잔여수명 예측에 활용할 수 있음.
사회 경제적 파급효과 o 본 과제를 통해 개발한 원천 기술의 추가 연구개발을 통해 국내뿐만 아니라 해외 구조물 유지관리 시장에 진출할 수 있음.
o 교량과 같은 사회기반시설물뿐만 아니라 원자력발전소의 배관, 선박, 철도레일 등의 절대응력 모니터링에 활용될 수 있어 그 적용 범위가 매우 넓어 그 경제적 효과는 매우 클 것으로 기대됨.
o 지진, 선박 및 항공기의 충돌과 같은 큰 하중이 구조물에 가해질 경우, 구조물의 안전성을 신속히 진단하고 사용여부를 판단하는 것은 사회 및 경제적으로 매우 중요한 문제임.
o 구조물의 절대응력 모니터링을 이용한 신속하고 정확한 구조물 상태평가로 사회기반시설물의 안전성과 국민의 안전에 대한 요구를 충족할 수 있음.
활용방안 1) 사회기반시설물의 현장조건을 고려한 절대응력 모니터링 기법 개발
o 실제 사회기반시설물의 부재는 단축하중 이외에 다축하중을 받는 경우도 많음. 또한 실험실과 비교하여 온도변화가 매우 큼.
o 이를 고려하여 다축하중에 대한 절대응력 측정 및 온도변화를 보상하는 기법의 추가 개발이 필요함.
o 센서 네트워크를 이용하여 초음파의 방향별 전파특성을 측정하는 방법으로 다축하중에 의한 복합응력을 계측할 수 있음.
o 후속 연구로 여러 센서를 설치하여 그리드 (Grid)를 구성하고, 각 그리드에서 응력을 계측하는 방법으로 부재에서 최대응력이 발생하는 위치 추정 및 응력을 시각화 할 수 있음. 이를 이용하여 구조물의 응력집중부위를 추정하고 이들 위치에 대한 집중적인 모니터링을 통해 보다 신뢰도 높은 구조물 유지관리가 가능함.
o 본 과제를 통해 얻은 최종성과물 및 과제수행에서 얻는 경험은 향후 절대응력 모니터링 기법의 추가 연구와 현장 적용에 적극적으로 활용될 수 있음.

2) 다양한 구조물 적용
o 대형 구조물에 대한 절대응력 모니터링 기술은 교량과 같은 사회기반시설물뿐만 아니라 원자력발전소의 배관, 선박, 철도레일, 기계설비 등의 절대응력 모니터링에 활용될 수 있어 그 적용 범위가 매우 넓음.

3) 구조물 손상진단 시스템과의 통합
o 사회기반시설물의 피로균열과 같은 손상 모니터링 위해 초음파 계측 시스템이 현장에 적용되고 있음.
o 초음파 기반 절대응력 모니터링은 초음파 기반 손상 모니터링과 비교하여 하드웨어 시스템에 유사성이 많고, 본 과제를 통해 개발될 절대응력 모니터링 기술을 부재의 손상에 영향을 받지 않으므로, 향후 이들을 단일 모니터링 시스템으로 통합하여 구조물의 손상진단과 절대응력 모니터링을 동시에 수행할 수 있음.
핵심어
핵심어의 구분, 핵심어, 핵심어1~핵심어5 정보제공
핵심어 핵심어1 핵심어2 핵심어3 핵심어4 핵심어5
국문 절대응력 구조물상태모니터링 압전소자 초음파 머신러닝
영문 Absolute stress Structural health monitoring Piezoelectric transducer Ultrasonic Machine learning
최종보고서
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