St udy on Crack Moni t ori ngSyst em i n St eelSt ruct ure
이 재 선
1 )
․ 장 경 호2 )
† ․ 황 지 훈3 )
․ 박 현 찬4 )
․ 전 준 태5 )
․ 김 유 철6 )
Lee,JaeSun Chang,KyongHo Hwang,JeeHoon Park,HyunChan Jeon,JunTaiKim,YouChul요 약：최근 강구조물의 건설이 지속적으로 증가되고 있고,이에 따른 모니터링 시스템의 중요성이 더욱 부각되고 있는 실정이다.강구 조물의 노화로 인한 피로균열 및 부식은 강구조물의 수명저하에 가장 큰 요인이 된다.구조물이 큰 교량의 경우에는 사람의 접근이 어렵고,균 열 측정 방법 또한 시간이 오래 걸리며,많은 비용이 소비된다.따라서,초기에 균열을 발견하고 보수,보강 작업을 수행함으로써 비용을 절감 할 수 있는 모니터링 시스템의 개발이 절실히 요구된다.본 연구에서는 강부재의 전위차법(EPDM :ElectricPotentialDropMethod)에 의한 모니터링 기법에 의해 쉽게 관찰되지 않는 피로균열의 발생 및 진전 상황을 추적하고 또한 잔여수명을 예측하였다.
ABSTRACT：Steelstructureconstruction iscurrentlyincreasingon accountofthemanymeritsofsteelstructures.Dueto numerous environmental factors, many cracks and extensive corrosion occur in steel structures, which cause the deterioration ofthe performance and life cycle ofsuch structures.Maintenance ofsteelstructures is thus strongly demanded,forsafetycontrol.Theinspection methodsthatarecurrentlybeingused,however,areverylimited and can detectonlylocaldefectsinsteelstructures.Theyalsotakemuchtimetouseandincurhighmaintenancecosts.Moreover, such methodscannotbeapplied tohugesteelstructures,which men find unapproachable.Theyalsorequiremuch time duetotheneedforperiodicchecks,andmayleadtocostloss.Therefore,thedevelopmentofamonitoringsystem that can detectdefectsinwholestructuresandcanreducetherepairandstrengtheningcostsatanearlystageisverymuch needed.In thisstudy,thegeneration and propagation ofcracksweremonitored via theelectric-potential-drop method (EPDM).
핵 심 용 어 :전위차,강구조물,모니터링,균열,피로
KEYWORDS:electricpotentialdrop,steelstructures,monitoring,fatigue,cracks
1.서 론
최근까지 국내에서는 경제개발 계획에 따라 중공업,석유화 학,건설 및 플랜트 분야에서 강구조물의 건설이 빠른 속도로 증대되어 왔다.
경제 개발 초기에 건설된 각종 강 구조물들은 상당 부분 노 후화되어 일부 시설에 대해서는 교체가 진행 중에 있으며,다 른 노후 강 구조물들 또한 교체를 고려하고 있다.따라서 노 후 시설에 대한 안전성 진단에 대한 필요성이 강하게 대두되
1)중앙대학교 토목공학과,연구원(ddungj s@hanmai l . net) 2)교신저자.중앙대학교 건설환경공학 교수,공학박사
(Tel :02-820-5337,Fax:02-823-5337,E-mai l :changkor@cau. ac. kr) 3)중앙대학교 토목공학과,연구원(f absj ay@gami l . net)
4)한국철도기술연구원 철도구조연구실,공학박사(struc21@wm. cau. ac. kr) 5)인하공업전문대학교 토목환경과 교수,공학박사(j tj eon@i nhatc. ac. kr) 6)OSAKA Uni versi tyJWRI교수,공학박사(ki my@j wri . osaka-u. ac. j p)
고 있다.또한 시설의 안전성 확보와 대형사고의 사전 예방, 공용 중 갑작스런 가동 중지에7)의하여 발생되는 비용증가의 사전 차단 등이 필요한 시점이다.또한 열약한 사용 조건,고 온,고압,고속,대형화됨에 따라 일단 사고가 발생 했을 경 우 지금까지의 사고 유형보다 더욱 대형 참사가 예상되며,제 작 단계에서 강구조물의 안전진단 검사의 강화뿐만 아니라 공용 중 모니터링 체제 확립이 무엇보다도 시급히 필요한 시 점이다.
현재 국내에서 노후화된 강구조물의 균열 모니터링 시스템에
본 논문에 대한 토의를 2011년 10월 31일까지 학회로 보내주시면 토의 회답
을 게재하겠습니다.
관한 연구는 매우 미흡하며,현재 강구조물의 검사 방법은 RT(Radio graphic Testing:방사선투과검사)와 UT(Ultra- sonicTesting:초음파 탐상검사)에 의해 검사를 하고 있다.
현재 사용되고 있는 검사 방법들은 사람이 직접현장에 가서 국부적인 결함을 찾는 방법들이 대부분이다.
이러한 방법들을 많은 시간과 경비가 소요되며 또한 검사 범위가 국부적이어서 거대한 구조물 혹은 사람의 근접이 어 려운 곳에는 적용이 매우 어렵다.또한 주기적 점검 작업으로 인한 막대한 시간과 비용의 손실이 발생하고 있으며 초기 결 함을 조기에 인지하지 못함으로써 적절한 보수․보강 대책이 이루어지지 않아 보수․보강 비용의 증대를 초래해 왔다.더 욱이,결함이 진전된 이후에도 이것을 정확히 인지하지 못하 여 적절한 대응을 하지 않는다면 대형사고로 이어질 수도 있 다.따라서 강구조물에 대한 효율적인 유지관리가 가능하고, 초기결함으로부터 균열이 진전하여 붕괴되는 사고를 미연에 방지하며,초기에 보수․보강 작업을 수행함으로서 보수․보 강 비용도 절감할 수 있는 지속적인 모니터링 시스템 개발이 절실히 요구되고 있다.
현재 국내외 초고층 빌딩이나 장대교량에 대해서는 구조건 전성 모니터링 시스템을 설치하여 운용 중에 있다.국외에서 는 모니터링 기법을 고속도로에 적용하였고,우리나라에서도 서해대교에 온도,바람,처짐,차량 등의 영향을 모니터링 하 기위해 10개 종류,약 176개의 계측센서를 설치하였다.
전위차 법에 대한 기존 연구는 피로 시험 시 균열의 시작에 대한 평가 등을 CT시험편(CompactTension Specimen) 레벨에서 손상 발생의 유·무(김영석 등(2005)),(Costanza, etal.1990),손상량의 추정 등을 할 수 있는 식을 만들어 적용한 연구(임재규 등(1997))들이 있고,결함 검출 및 배 관 감육 등에 연구 등이 있었으나 그 대상이 시편 중심이고 전위차를 탐촉 할 수 있는 탐촉자의 수가 2~4개인경우로 결 함 검출 범위가 매우 한정된 검출 방법에 대한 연구였다.이 러한 경우 토목 강구조물처럼 대형 구조물에 대해서 전체를 한 번에 모니터링을 할 수 없다는 단점이 있다.이와 같은 단 점을 보완 하여 탐촉자를 원하는 만큼 배치하여 모니터링 할 수 있는 pair구성방법을 통하여 새롭게 방법을 고안하였다.
본 연구에서는 전위차 법(Electric Potential Drop Method:EPDM)을 이용하여 대형 강구조물에 적용하기 위 해 다 탐촉자를 이용한 pair구성 방법으로 균열을 모니터링 할 수 있는 방법을 강부재에 적용하였고,균열의 발생 및 진 전방향과 전위차의 특징을 밝혔다.또한 균열 진전 시 육안으 로 확인 할 수 없는 상태의 미세 균열을 전위차 법에 의해 모니터링 할 수 있음을 밝혔다.
2.전위차(EPDM)법의 기본원리
이 연구에 사용된 균열의 검사방법은 EPDM법을 적용한 모니터링 검사이다.그림 1은 EPDM법에 의한 강구조물 모 니터링 시스템을 보여주고 있다.
그림 1에서 보이는 모니터링 장비는 충전식으로써 전류를 흘려보내어 다수 센서에서 측정된 전위차를 다시 확인 할 수 있도록 구성하였기 때문에 베터리만 있으면 언제든지 균열을 진단 및 모니터링 할 수 있다.
또한 EPDM법은 전도성의 검사대상물에 사람에게 해가되 지 않는 초미세 전류를 공급,전기장을 형성하여 그 전기장 내의 특정장소의 전위차를 계측하는 방법이다.여기서 전위차 는 단면적이 작아지면 전기 저항이 커진다는 옴의 법칙 V=
R×I원리를 이용한 것으로 균열의 발생이 단면감소와 같은 현 상이므로 적용이 가능한 것이다(J.Ducreuxetal.(1982)).
그림 1.EPDM 법에 의한 구조물 모니터링
그림 2는 위의 내용을 EPDM법에 의한 강구조물의 균열발 생 및 진전 모니터링 원리를 그림으로 나타내고 있다.
일반적으로 건전 부위의 전위차(V0)와 균열발생 부위의 전 위차(V1)의 전위차비(V1/V0)의 시간에 따른 변화를 계측하 여 계측치를 비교함으로써 균열의 유·무를 알 수 있고 이를 정량화할 수 있다.
따라서 전기저항이 커짐에 따라 측정 EPDM이 상승함으로 서 균열의 발생 및 진전을 모니터링 할 수 있는 원리이다.
한편,전류의 공급방법은 직류와 교류 두 가지가 있지만 연 구에서 쓰인 전위차 법은 직류 펄스법 으로 사용되었다.
직류 전위차 법은 검사대상 부위에 직류 전류를 흐르게 하 여 그 전기장 내의 특정장소의 전위차를 측정하는 방법이며 높은 전류를 낮은 전력으로 공급 가능한 직류 펄스법이 일반 적으로 적용된다.전기전도재료인 검사대상부분에 일정의 전 류를 흐르게 하는 동시에 임의의 다수개의 측정 점을 구성하 는 방법으로 균열의 발생 및 진전을 모니터링을 하였다.
이 연구의 모니터링에 대한 EPDM법의 장점은 전도성을
가지고 있는 모든 물체에 측정이 가능하며,균열 및 부식의 진단이 가능할 뿐 아니라 실시간으로 모니터링이 가능하다.
또한 설치 후 현장 접근이 불필요하며 형상에 따른 영향을 받지 않는다는 장점이 있다.
( a)EPDM법의 기본원리
(b)균열발생 및 진전 모니터링 원리 그림 2.강구조물의 모니터링 기본원리
그림 3.균열 발생 시 자기장의 변화
그림 3은 균열 발생 시 자기장의 변화를 보여주고 있다.균 열이 발생 전 센싱핀 간의 거리가 일정하기 때문에 센싱핀 간의 전기장의 강도 또한 일정하다.
그러나 센싱핀 사이에 균열이 발생하게 되면 보는 것과 같 이 센싱핀 간의 전기장의 강도가 증가하게 되어 센싱핀 간의 전위차가 상승하게 된다.이러한 형태로 균열이 일어나게 되 면 전위차가 상승되는 것을 알 수 있는 것이다.
그림 4.균열 진전에 따른 전위차 변화량 그래프
그림 4는 균열 진전에 따른 전위차 변화량 그래프를 나타 내고 있다.균열 발생 전 센서를 통해 측정된 전위차의 변화 량은 0에 가깝고 균열이 발생하고 균열이 센서 방향으로 증 가하게 되면 전위차의 변화량은 상승을 하게 된다.여기서 균 열이 센서를 통과하게 되면 그래프에서 보이는 것과 같이 전 위차 변화량은 상당히 올라가게 된다.이렇게 전위차의 변화 량으로서 균열의 발생 및 생성 위치 등을 알 수 있는 것이다.
또한 센싱핀의 간격에 따른 전위차의 변화량은 다음과 같이 나타 낼 수 있다.그림 5와 같이 4cm,8cm,12cm 간격으 로 센서를 설치하고 이에 따른 전위차의 변화량을 아래의 표 로 나타내었다.총 8개의 센서를 부착시켜 4개의 페어를 구 성하였으며, 전류량은 간격 4cm, 8cm, 12cm에 똑같은 30A의 전류를 흘려보내었다.
그림 5.센싱핀 간격이 4cm일때의 전위차 측정실험
표 1에서 나온 것과 같이 센싱핀 간격이 4cm의 경우보다 8cm의 경우가 2배 정도 전위차 값이 높게 나왔으며 4cm의 경우 보다 12cm의 경우가 약 3배 정도 전위차 값이 높게 나 옴을 알 수 있었다.
따라서 센싱핀 간격의 길이가 길어지게 길이에 비례하여 전 위차 값이 증가되는 것을 알 수 있었다.
Pai rNo. 4cm 8cm 12cm
Pai r1 1433. 903 2800. 278 4269. 117 Pai r2 1528. 325 3051. 808 4847. 822 Pai r3 1503. 26 3065. 443 4850. 387 Pai r4 1378. 772 2766. 797 4293. 015
표 1.센싱핀 간격에 따른 전위차 값(mv)
3.균열 모니터링
3. 1실험 조건
총 균열 모니터링 실험을 3회 실시 하였으며 표 2에 실험 조건을 나타내었다.
Case1과 Case2는 균열의 발생하여 진전과정을 모니터 링 한 실험이며 Pair구성이 표 3과 표 4와 같이 각각 다 르다.
Case 3은 EPDM법의 정밀도에 대한 실험으로 육안으로 확인되지 않는 초기 미세균열 측정 실험이다.초기 균열이 예 상되는 부분을 채취하여 광학현미경으로 500배로 확대하여 관찰하였으며 이를 바탕으로 균열의 유·무를 확인하였다.사 용강재는 각각 SS400과 SM490을 사용하였다.
실험 종류 실험 내용 강 재
Case1 균열 모니터링 실험 SS400 Case2 균열 모니터링 실험 SS400 Case3 초기 미세균열 측정 실험 SM490
표 2.실험 조건
본 연구에서는 그림 4과 같이 균열의 발생 및 진전,미세균 열의 측정을 위하여 부재레벨에서 피로시험을 수행하였다.
피로시험기는 그림 6에서 나온 최대 재하용량 250kN,최 대변위 ±100mm인 MTS유압 제어 시험기를 사용하였다.
최대하중은 Case1과 2에서는 133.33kN, 최소 하중 13.33kN, Case 3에서는 최대하중 66.66kN, 최소하중 6.66kN으로 실험을 실시하였다.
일정진폭 인장 피로실험을 실시하였고 반복속도는 3Hz로 실험하였다.좌측에 노치를 제작하여 균열이 노치 부분에서 일어날 수 있도록 하였다.또한 전류를 흐르게 하고 균열 위
치를 파악하기 위하여 그림 8과 같이 전극 및 센싱핀을 부착 하였다.
3. 2시편 및 센싱핀 구성 조건
Case1에서 보면 시편은 인장강도 400MPa의 SS400강 재를 사용하였으며,균열의 진전을 빠르게 재현하기 위해 시 편 좌측에 노치를 제작하였다.
EPDM비 값과 균열 발생 및 진전방향과의 관계를 파악하 기 위하여 그림 9와 같이 센싱핀을 표 3과 같이 한 쌍(Pair) 씩 구성하여 전위차를 측정하였다.
그림 6.부재레벨에서의 피로시험
그림 7.하중조건의 일례
그림 8.전극 및 센싱핀 설치
센서사이의 거리는 70mm이고 좌측에 1cm정도의 노치를 주어 균열이 노치 부분에서 일어날 수 있게 하였다.시험편에 초미세 전류를 흐르게 하여,전위차 값을 측정함으로써 균열 의 발생 및 진전방향을 확인하였다.표 3은 센싱핀의 구성을 나타내고 있다.Pair의 구성은 균열 발생 및 진전 예상 부위 와 균열이 발생,진전하지 않을 부위를 선정하여 좌측부터 상,하 1쌍식 9쌍으로 하였다.
센서의 사이가 멀어지면 면적이 증가하는 것과 마찬가지이 기 때문에 전위차는 상승한다.균열의 발생 및 진전은 단면적 이 감소하면서 발견하는 방법이기 때문에 처음 측정된 전위 차 값을 기준으로 하여 변화된 전위차비 값을 보고 균열을 찾는다.따라서 처음에 측정된 전위차 값과 변화된 전위차의 값은 매우 중요하다고 할 수 있다.모니터링 구역의 크기의 유무에 따라 센서의 사이의 길이를 조정 한다면 효율적인 모 니터링을 할 수 있을 것이다.
그림 9.전극 및 센싱핀 부착위치
SensorPai rNo. Sensor Pi nNo.-No.
No. 1 1- 2
No. 2 2- 3
No. 3 3- 4
No. 4 5- 6
No. 5 6- 7
No. 6 7- 8
No. 7 9-10
No. 8 10- 11
No. 9 11- 12
표 3.센싱핀의 페어구성
Case2에서 보면 Case2에서는 EPDM비 값에 따른 균 열진전을 모니터링 하기 위해 SS400강재를 사용하여 시편 을 제작하고 그림 10과 같이 센싱핀을 부착하였다.
페어의 구성은 표 4에 나타내었으며,센서사이의 거리는 90mm로 좌측부터 상,하 1쌍식 4쌍으로 하였으며,균열의 진전 재현을 위해 양쪽 2개의 3mm의 노치를 제작하여 응력 이 집중되어 균열이 발생하게 하였다.
그림 10.전극 및 센싱핀 부착위치
SensorPai r Pai rNo.
Sensor Pi nNo.-No.
No. 1 1- 5
No. 2 2- 6
No. 3 3- 7
No. 4 4- 8
표 4.센싱핀의 페어구성
Case3에서 보면 Case3에서는 초기 미세균열을 확인하 고 전위차법의 정밀도를 확인하기 위하여 실험을 하였다.사 용강재는 SM490이고 시편의 좌측에 노치를 제작하여 응력 을 집중시켜 균열이 노치 부분에서 일어날 수 있게 하였다.
그림 11에서 나온 것과 같이 센서 사이의 길이는 40mm이 고 좌측에 1cm정도의 노치를 주어 균열이 노치부분에서 발 생하도록 하였다.
실험 중 EPDM값의 변화를 분석하여 전위차 값의 변화를 확인하고 전위차 값이 변화 했지만 육안으로 관찰되지 않는 초기 균열에 대한 모니터링을 위해 전위차 값이 변한 부분에 균열이 발생했을 것으로 추측하고,그 부분의 시편을 그림 17과 같이 채취하여 에칭을 실시한 후 광학현미경을 이용해 미세균열의 유·무를 확인하였다.
그림 11.전극 및 센싱핀 부착위치
Sensor Pai rNo.
Sensor Pi nNo.-No.
No. 1 1-2
No. 2 3-4
No. 3 5-6
No. 4 7-8
표 5.센싱핀의 페어구성
4.균열 모니터링 실험 결과 및 분석
Case1은 전위차 법을 이용해 균열의 유무를 판별하기 위 하여 실험을 실시하였으며 그 결과를 그림 12에 전위차 값으 로 나타내었다.이를 근거로 하여 각각의 Pair값을 비교함 으로서 균열이 발생한 Pair와 균열이 발생하지 않은 Pair의 구분을 보다 명확히 알 수 있으며 최종적으로 균열의 발생 유무를 확인할 수 있다.
따라서 그림 12에서 보면 Pair2,Pair5,Pair8의 값이 다른 Pair값과 비교하여 상대적으로 큰 값을 가짐을 알 수 있으며 이것은 Pair2,Pair5,Pair8이 구성된 부분에 전 위차가 크므로 균열이 발생되었음을 시사하고 있는 것이다.
또한 시편에 발생한 균열은 그림 13에서도 확인할 수 있으 며 이 그림 13과 그림 12의 그래프를 비교함으로서 균열의 시작위치와 진전 방향도 예측할 수 있다.
그림 12에서 전위차 값이 Pair2,Pair5,Pair8의 전위 차 값이 Pair2>Pair5>Pair8 순서로 크기가 변화하는 것 으로서 균열은 시편의 좌측인 Pair2에서 균열이 발생하였고 EPDM비 값의 크기에 따라서 우측으로 진전하고 있음을 알 수 있으며 이처럼 균열의 진전 방향은 그림 12에서 그래프를 보고 명확하게 알 수 가 있다.
그림 13은 반복횟수 23,000회에서의 균열 발생을 나타낸 것 이다.이때의 전위차 값은 각각 Pair2는 119,Pair5는 95, Pair8은 76을 나타내고 있으며,앞에서 나타나있듯이 전위차 값의 크기의 순서로 균열의 진전방향이 Pair2에서 Pair8의 방향으로 즉,시편의 좌측에서부터 진전된 것임을 그래프와 시 편을 직접 확인하는 실험을 통해 그래프가 전위차를 이용하는 실험과 일치하는 것을 알 수 있었다.그러므로 그래프만으로 균열의 진전 방향을 알 수 있다는 것이 증명이 되었다.
한편,EPDM법을 이용하여 균열의 유무를 판단할 때 전위 차 값이 약 5～10에 도달을 하면 육안으로 확인할 수 없는 초기 미세균열이 발생한 것으로 판단되므로 case3에서 는 전 위차의 변화는 있으나 표면 균열이 육안으로 확인 되지 않는 상황에서 내부 초기 미세균열을 모니터링 가능한지에 대한 실험을 실시하였다.
그림 12.균열진전에 따른 EPDM 값
그림 13.균열의 발생 및 진전(23, 000회)일 떄
Case2실험은 Pair구성을 다르게 하여 전위차 값의 변 화와 균열의 발생 및 진전방향을 좀 더 자세히 분석하고자 실시하였다.그림 14는 반복횟수에 따른 전위차 값의 변화를 나타내었고 그림 15는 시험편에서의 반복횟수에 따른 균열 발생 위치 및 균열 길이를 상세히 나타내었다.
그림 14에서도 마찬가지로 균열의 진전에 따라 전위차 값이 증대됨을 확인 할 수 있다.Case1과 마찬가지로 전위차 값
은 Pair1>Pair2>Pair3>Pair4의 순서로 변화하는 것으로 서 균열은 시편의 좌측에서 우측으로 진전하고 있음을 알 수 있다.그림 15에서는 반복횟수에 따른 EPDM 값의 변화와 균열의 발생,균열 크기,균열의 진전방향을 시각적으로 판단 할 수 있다.그림 15(c)에서 반복횟수 29,000회 일 때 균열 은 약 23mm로서 Pair2의 영역까지 진전함을 확인할 수 있 으며,이때의 Pair1에서의 전위차 값은 160를 나타내고 있 다.반복횟수 32,000회에서는 균열이 Pair3영역까지 확대 되었으며 이때의 균열크기는 약 28mm에 이르렀으며 모든 Pair값들은 300이상의 값을 나타내었다.따라서 EPDM법 에 의한 균열 모니터링 방법은 전위차 값의 변화를 분석함으 로서 균열의 발생 및 균열의 진전방향을 확인할 수 있다.
그림 14.균열진전에 따른 EPDM 값
( a)균열길이 10mm(25, 000회)
( b)균열길이 15mm(28, 000회)
(c)균열길이 23mm(29, 000회)
(d)균열길이 28mm(32, 000회) 그림 15.균열진전에 따른 피로 횟수
Case3은 육안으로 관찰되지 않는 초기 미세균열에 대한 모니터링이 실제 되는가를 증명하기 위해 실험을 실시하였다.
실험중 시편의 균열을 확인 할 수 있을 때의 전위차 균열이 안보일 때의 전위차를 비교함으로서 미세균열이 발생되었을 것으로 판단되는 영역의 시편을 채취하여 에칭 후 광학 현미 경을 이용해 500배 배율로 미세균열을 유·무 확인하였다.
그림 16은 시험편을 채취한 것을 나타내고 있으며 총 시험 편은 6개를 이용하여 시험을 하였고 전위차 값에 변화에 따라 시험편을 채취하였다.그림 17은 전위차 값에 따라 채취한 시 험편을 보여주고 있다.또한 그림 18은 전위차 값이 5,전위 차 값이 10 값에서의 육안으로 확인할 수 없는 미세균열을 확인하고자 광학 현미경을 이용하여(×500)나타낸 것이다.
여기서 전위차 값이 5,전위차 값이 10값에서의 미세균열 의 크기는 약 400-500㎛임을 알 수가 있다.
따라서 전위차 값이 약 5～10에서는 육안으로 확인은 불가 능하지만 미세균열이 발생됨을 알 수가 있다.
그림 19는 균열의 발생 및 진전에 따른 전위차 값의 변화 추이를 나타내고 있다.
여기서,각각 전위차 값이 5일 때는 반복횟수 약 22,000 회,10일 때는 24,000회,13일 때는 약 27,000회였다.
특히 전위차 값이 13이후에는 전위차 값이 급격히 증가되 는 것을 알 수가 있다.이것은 전위차 값 13이후에 본격적
인 균열이 발생함을 의미하는 것이다.이와 같은 결과는 전위 차 값이 20일 때 채취한 시험편에서 육안으로 확인할 수 있 는 균열이 발생한 시험편 결과와도 일치함을 알 수 있다.
한편,전위차 값이 59에서 부터는 약 1만회 정도 이후 시 험편이 파괴되는 것을 확인할 수가 있었다.균열이 점차 확대 되면서 곡선의 기울기가 급격히 증가하는 구간은 전체 약 35 만회에서 약 5만회 이후 파단이 나는 것으로 보아 균열의 진 전 속도는 매우 빠름을 알 수 있었다.
이와 같은 미세균열이 일어나고 부터는 진전속도가 매우 빠 름을 알 수 있다.그림 19의 결과 그래프는 같은 시험편 일 경우는 같은 결과를 얻을 것은 자명하며 결과 그림 19를 토대 로 전위차 값의 변화를 자세히 관찰한다면 미리 균열을 예측 할 수 있고 또한 피로 수명 평가에 이용될 수 있으며,유지 관 리를 위해 이 결과를 이용할 수 있다.결국 보수·보강 대책을 세우는 시간을 벌게 되며 경제적인 관리가 이루어 질수 있다.
그림 16.시험편 채취 공정
(a)EPDM 5 (b)EPDM 10
(c)EPDM 20 (d)EPDM 30
( e)EPDM 40
그림 17.EPDM 값에 따른 시험편의 채취 모습
<EPDM값 5> <EPDM값 10>
그림 18.미세균열(×500)사진
그림 19.균열진전에 따른 EPDM 값의 그래프
5.결 론
본 연구에서는 전위차 법에 의한 다수 센서링 구성법에 의 해 강부재의 균열을 모니터링 할 수 있음을 밝혔다.기존 연 구의 탐촉자(센서)수가 소수(2개~4개)이지만 이 논문에서 는 다수 탐촉자(다중 센서)를 사용하며,더욱이 효율적 pair 구성에 의해 하여 균열의 발생,위치 확인 등에 유용하게 사 용될 것으로 판단된다.수백m의 교량이라 할지라도 1~3m 에 센서 하나씩 구성하면 균열이 발생 시 전위차가 발생하므 로 그 균열이 발생한 부분을 알 수 있고,발생한 부분을 추 가 집중 센서링 하면 전체 및 국부적으로 균열을 관리 할 수 있을 것이라 판단된다.이 논문의 결과를 요약하면 다음과 같다.
(1)다수 센서링 구성에 의한 전위차 법에 의해 균열의 발생 및 진전방향을 알 수 있다.
(2)균열 진전 시 육안으로 확인 할 수 없는 상태의 미세 균 열을 전위차 법에 의해 모니터링 할 수 있음을 밝혔다.
감사의 글
이 논문은 2009학년도 인하공업전문대학 교내연구비 지원 에 의하여 연구되었음.
참 고 문 헌
김영석,정현철,안상복(2005)제하 컴플라이언스법 및 직류전 위차법을 이용한 Zr-2.5Nb압력관 휘어진 CT시편의 균 열시작 평가,대한기계학회논문집,대한기계학회,제29권, 제8호,pp.1118-1122.
배봉국,석창성(2000),직류전위차법을 이용한 결함검출에 관한 연구,대한기계학회논문집,대한기계학회,제24권,제4호, pp.874-880.
임재규,장진상(1997)직류전위차법을 이용한 AISI316강 시 효재의 탄소성 파괴인성 평가,대한기계학회논문집,대한 기계학회,제21권,제3호,pp.519-527.
장경호,박현찬,전준태,김유철(2009)강교량의 균열 모니터링 기법,2009년도 대한토목학회 정기학술대회 논문집,대한 토목학회,pp.360-363.
장경호,황지훈,김유철,켄타로 오쿠,박현찬(2009)강구조물 의 균열 발생 및 진전에 대한 모니터링에 관한 연구, 2009년도 한국강구조학회 학술대회 발표집,한국강구조학 회,제20권,제1호 pp.67-68.
Costanza,V.andMohaupt,U.H.(1990)A LocalField PotentialDrop Crack Measurement System for Sizing and Characterizing Cracks, Canadian FractureConference21,pp.351-357.
Ducreux, J. (1982) Theoretical and experimental investigation ofeffectofchemicalcomposition of steelon theirerosion-corrosion resistance,Paper 19 presented to the Specialists Meeting on Corrosion-Erosion ofSteelsin High Temperature WaterandWetSteam.
Lee.J.H.,Saka,M.,andAbe,H.(1997)Loadingeffect on ACPD ofa crack in ferromagnetic material, ExperimentalMech.Vol.37,pp.132-136.
Oku,K.,Arita,K.,and Kim,Y.C.(2006)Monitoring ofInitiation and Propagation ofFatigueCrack by Field Signature Method,SteelConstruction Engineering,13-50,pp.35-43(InJapanese).
Oku,K.,Arita,K.,and Kim,Y.C.(2006)Monitoring ofInitiation and Propagation ofFatigue Crack on SteelPlage Deck by FSM,4thInternational Symposium on Steel Structures, Vol, 1, pp.173-179.
奥健太郎,有田圭介,金裕哲(2006)電場指紋照合法による疲 労き裂の発生・進展モニタリング, 鋼構造論文集，Vol. 13,No.50, pp.35-43.
奥健太郎，川上順子，金裕哲(2007) 鋼橋に生じる疲労亀 裂 の監視に対する電場指紋照合法の適用， 土木学会第 62 回年次学術講演会論文集，I-426.
(접수일자 :2010.6.13/심사일 2010.7.2/
심사완료일 2010.10.29)
