The objective of this study is to investigate the feasibility of an impedance-based damage detection technique using piezoelectric (PZT) transducers for civil infrastructures such as steel bridges. The basic concept of the technique is to monitor the changes in the electrical impedance to detect structural damages. These changes in the electrical impedance are due to the electromechanical coupling property of piezoelectric materials.
The smart PZT transducers which act as both actuators and sensors in a self-analyzing manner are emerging to be effective in non-parametric health monitoring of structural systems. This health monitoring technique can be easily adapted to existing structures, since only a small PZT patch is needed, giving the structure the ability to monitor constantly its own structural integrity. This impedance-based method operates at high frequencies (above 100 kHz), which enables it to detect incipient-type damage. It is not interfered by normal operating conditions, vibrations of the host structure, and changes in the host external body. The results of the experimental study on three kinds of members indicate that cracks or loosened bolts/nuts near the PZT sensors may be effectively detected by monitoring the shifts of the resonant frequencies of the impedance functions.
최근 들어, 국내ㆍ외적으로 대형 토목 구조물의 건전성 감시 시스템에 관한 연구가 활발히 이루어지고 있다. 이러한 연구의 궁극적인 목표는 최소한의 비용으로 구조물의 상시 모니터링이 가능한 on-line 자동화 시스템의 개발에 있다. 그러나 현재의 센서/모니터링 기술은 경제성과 효율성 면에서 많은 제약과 어려움을 겪고 있는 게 사실이다. 그러므로 스마트 무선 모니터링 기술과 PZT센서, FBG센서, MEMs 센서 등과 같은 저비용/고효율의 스마트 센서들의 개발이 필요하다. 특히, 압전/전왜 효과를 이용한 PZT센서는 Actuator와 Sensor의 역할을 동시에 적용시킬 수 있다는 측면에서 매우 유망하고 잠재성 있는 스마트 센서로 각광 받고 있다.
PZT센서의 EMI(Electro-Mechanical Impedance)를 이용한 구조물의 손상검색기법의 기본 원리는 대상 구조물에 부착된 PZT센서의 Electrical Impedance 신호의 공진주파수 변화를 통해 구조물의 손상을 감지하는 것이다. 구조물에 발생한 물리적인 손상들(Crack 또는 Loosened Bolt)은 전체 시스템(구조물+PZT센서)의 EMI를 변화시키고, 이는 PZT센서의 Electrical Impedance 신호의 공진주파수를 변화시키게 된다.
이번 연구를 통하여 토목 구조물의 건전성 감시 시스템으로서 PZT센서의 EMI를 이용한 손상검색기법의 적용 가능성이 입증되었다. Steel Plate와 Aluminum Plate 구조물을 이용한 실험에서 PZT센서 근방의 Crack이나 Loosened Bolt의 손상들이 PZT센서로부터 얻어진 Impedance 신호의 공진주파수의 변화를 통하여 정확하게 감지되었다. 그리고, 핀 연결 수직재의 피로파괴가 원인이 되어 발생했던 성수대교 붕괴사고를 모사하기 위한 손상검색 실험에서는 Vertical Truss Member Model에 부착된 PZT센서들이 근방의 Crack들을 정확하게 감지했음을 확인할 수 있었다. 이 연구는 그 동안의 토목 구조물의 건전성 모니터링 기법의 범위와 적용성 면에서 큰 향상을 가져온 계기가 되었다고 할 수 있다. 이 결과, 앞으로 대형 토목구조물의 새로운 건전성 감시 시스템으로서 PZT센서의 활발한 개발과 적용이 기대된다.
