| 연구개발개요 |
대형 국가 기간 시설 구조물의 붕괴 사고 이후 구조물의 안전 문제가 심각한 사회 문제로 대두되었으며, 이에 따라 대형 구조물의 안전성 확보에 대한 사회적 관심의 증대와 함께 서해대교, 남해대교, 올림픽대교 등 장대교량을 중심으로 상시계측 시스템이 운용되고 있다. 이러한 상시계측 시스템 운용 사례 및 관련 연구는 구조물 전체 시스템의 동적 거동 계측을 이용한 이상 발생 유무의 탐지에 집중되고 있으나 토목 구조물과 같은 복잡한 구조계의 경우에 국부적 이상이 발생할 경우 전체 거동 계측을 이용한 방법으로는 그 유무를 탐지하기 어려운 단점이 있다. 따라서 이를 극복하기 위한 대안으로 국부적 손상의 발생 유무를 모니터링하고, 이를 정량적으로 측정할 수 있는 기술의 개발이 필요하다. 콘크리트 구조물은 시공 또는 공용 중에 다양한 원인으로 의한 균열이 발생되며 이러한 균열은 구조물의 안전성, 내구성, 사용성에 직접적으로 영향을 주고 구조 성능 또한 저하시키는 요인이 된다. 특히 공용 중인 콘크리트 구조물에 진전하는 균열이 발생하게 될 경우, 최악의 상황에서는 급작스런 붕괴로 이어질 수 있는 만큼 진전하는 균열의 발생 유무를 탐지할 수 있는 기술이 필요하나, 현재 이를 탐지할 수 있는 효과적인 기술이 개발되지 않아 그 필요성이 절실한 상황이다. 본 연구에서 이를 해결하기 위해 음향방출 (Acoustic Emission; AE) 기술을 이용한 Passive 기술을 개발하여, 국소적으로 발생하는 균열을 감지하는 시스템을 개발하고, Active 개념을 도입하여 NDT 신기술을 개발하고자 한다. 음향방출 기술은 다른 비파괴검사법에 비해 상대적으로 넓은 영역의 검사가 가능하며 공용상태에서의 실시간 계측이 가능하다는 장점이 있어 결함탐지에 적합한 비파괴기법으로 최근 관심이 모아지고 있다. 특히 콘크리트 구조물의 균열 및 손상 감시에 음향방출기술을 적용할 필요성이 최근 국내/외 연구진에 의하여 많이 제기되고 있다. 균열의 진전이후 균열 깊이의 진행정도를 알아보는 것은 구조물의 안전성 여부를 점검하는데 있어서 매우 중요한 지표이다. 따라서 진전하는 균열의 발생이 탐지되면 현장에서 즉석으로 균열의 깊이를 측정할 수 있는 기술이 필요하다. 현재 균열의 깊이를 측정하기 위해 현장에서 사용할 수 있는 대표적인 장비는 PUNDIT과 같은 것들이 있으나 PUNDIT의 사용설명서에도 나와 있듯이 콘크리트와 같이 비균질한 재료에서는 초음파 속도법을 이용하는 경우 결과에 대한 왜곡이 있어 현장에서 측정한 값에 대한 신뢰성이 매우 낮아 현장 기술자들이 큰 어려움을 겪고 있는 실정이며, 이에 대한 대안적인 방법이 매우 절실하다. 이에 따라 본 연구에서는 이를 해결하기 위해 표면탄성파를 이용한 Active 기술을 개발하고자 한다.
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| 최종목표 |
본 연구의 최종 목표는 “콘크리트 구조물의 손상 모니터링 및 현장 측정을 위한 능동/수동 비파괴 검사 신기술 개발 (Development of the Passive/Active New Nondestructive Testing Techniques for Damage Monitoring and In-situ Measurement of Concrete Structures)” 이며, 최종 목표를 달성하기 위하여 주관기관에서 세부과제인 음향방출법을 이용한 Passive 기술 개발하고, 협동기관에서 세부과제인 Active 기술 개발을 담당한다. 이러한 최종 목표를 달성하기 위하여 첫째로, 콘크리트에서의 음향방출 발생특성에 대한 데이터, 위험도 평가를 위한 신호분석 알고리즘을 얻기 위한 연구를 수행하게 되며 이를 근거로 하여 현장에 음향방출 기술을 적용하기 위한 장비 설치 및 신호처리 절차서, 그리고 이상신호 판정 기준 등의 최종 결과물로 제시하고자 한다. 둘째로, 한국과학기술원은 협동기관으로써 active 기술개발을 담당하며, 세부과제의 최종 목표는 Surface acoustic wave를 이용한 손상 측정 기술의 개발이다. 표면탄성파를 이용한 Active 기술 개발을 통해 균열의 깊이를 측정하기 위한 신호 해석 기법, 이를 정량화하기 위한 판정 알고리즘, 그리고 현장 응용을 위한 시스템 구성 방안을 최종 결과물로 제시한다. 이를 바탕으로 최종 목표의 성격을 설정하면 현장 또는 실무에서 사용 가능한 실용화 NDT 기술의 개발이라는 것이다. 이를 위하여 실험실 규모의 구조물 파괴실험 및 구조 실험 그리고 현장 실험을 통하여 현장에서 사용할 수 있는 현장 시스템 구성안의 제시까지를 연구의 최종 한계로 하였다. 이러한 연구의 최종 목표를 설정한 또 다른 근거는 현재 기술 수준이 요소 기술에 국한되어 있고, 각각의 요소 기술들이 아직까지 실용적으로 사용할 수 있는 기술의 수준으로 발전되지 않은 상태이기 때문에 이를 높이기 위한 연구가 필요하기 때문이다.
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| 연구내용 및 범위 |
주관연구기관인 한국표준과학연구원에서는 1차 년도에 실내 시편 실험을 통한 음향방출 위험도평가 핵심기술 도출을 목표로 하여 콘크리트 파괴거동 단계를 분류하였고, 파괴 단계별로 음향방출 신호원을 분석하였으며, 각종 시편실험을 통한 파괴 단계별 음향방출 신호를 취득하였다. 이후 2006년 7월 29일부터 시작되는 2차 년도에서는 시편실험을 통한 파괴 단계별 음향방출 신호를 취득 실험을 수행하여, 정상신호와 이상신호의 신호패턴을 분석하고, 그리고, 이상거동 판정을 위한 음향방출 분석 알고리즘 개발하여, 2차년도 목표인 콘크리트에서 이상거동 판정을 위한 음향방출 신호 분석？평가 알고리즘 개발을 수행하고자한다. 3차 년도에서는 사용자 편의를 위한 현장 적용 절차서를 확립하고, 프로토타입 장비 개발하며, 모형 실험을 통한 적용성 평가 및 보완 연구를 통해 음향방출 기술의 현장 적용을 위한 절차서 개발 및 적용성 검증에 관한 연구를 수행한다. 그리고, 협동연구기관인 한국과학기술원에서는 1차 년도에 콘크리트 표면탄성파 해석을 위한 거동 연구를 목표로 하여 파동 전파 해석을 통한 콘크리트에서의 균열 깊이에 따른 표면탄성파 특성 분석, 표면탄성파 출력 특성에 맞는 신호처리기법 연구, 콘크리트의 특성을 고려한 표면탄성파 발신 및 수신 시스템 조사를 연구한다. 이후 2차년도에서는 시편 실험을 통한 콘크리트의 균열 깊이별 표면탄성파 신호 취득, 균열 깊이별 신호 특성 분석, 균열 깊이 판정 기법 개발, 파동 전파 해석을 통한 철근 콘크리트에서의 균열 깊이에 따른 표면탄성파 특성 분석을 통해 콘크리트 균열 깊이 측정 Active 기법 개발을 목표로 한다. 3차년도에서는 현장 적용을 고려한 균열 깊이 측정 Active 기법을 개발하기 위한 실험을 통한 철근 콘크리트의 균열 깊이별 표면탄성파 신호 취득, 철근의 영향을 고려한 균열 깊이 판정 기법 개발, 현장 응용을 위한 프로토 타입 시스템 구성 및 현장 적용 실험을 수행한다.비파괴 신기술이 개발되면 구조물의 건전성을 평가함에 있어서 신뢰성 있는 정보를 제공할 수 있다. 만약 이러한 정보를 건전성 평가기술과 접목하여 건전성 평가를 수행할 경우 보다 신뢰성 높은 구조물의 건전성 평가를 이룰 수 있고, 평가 결과에 따라 합리적으로 보수/보강을 실시함으로써 수명 비용(Life Cycle Cost; LCC)의 절감 및 유지관리 예산을 효율적으로 집행할 수 있도록 하여 매우 큰 비용의 절감이 기대된다. 또한 산업 파급 효과가 매우 큰 사회간접자본인 대형 구조물의 사고를 미연에 방지할 수 있도록 하는 구조물 건전성 모니터링 기술과 접목한다면 급격한 대형 사고를 예방할 수 있기 때문에 국가 산업의 안정적 운용에 큰 기여가 가능하므로 본 기술의 개발이 매우 중요하다고 할 수 있다.
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