The objective of this research work is to investigate the feasibility of using electro-mechanical impedance technique for non-destructive evaluation (NDE) of concrete, covering both strength prediction and damage detection. The impedance method is based on monitoring the changes in the electrical impedance which are due to the electro-mechanical coupling property of the PZT and the host structure and contain vital information concerning the phenomenological nature of structure. In this study, the PZT patches bonded on the concrete surface are used for actuating and sensing purposes simultaneously.
This research work is divided into two parts. In the first part, the strength development of early age concrete is monitored by performing a series of experiments on early age concrete specimens with various curing conditions. The PZT patch bonded onto the specimen is periodically interrogated for the acquisition of electrical admittance signatures for 3, 5, 7, 14 and 28 days. The electrical admittance signatures for the curing state at $3^{rd}$ day are then compared with the signatures at 5, 7, 14 and 28 days. The shifts of resonant frequency with increasing days is observed which is on account of the additional stiffening action due to bonding with concrete and the level of stiffening being directly related to strength. In the end a relationship is proposed between resonant frequency shift and compressive strength and also between RMSD values and compressive strength.
In the second part of this research work damage detection in concrete cube specimen is done by using active admittance signatures instead of raw signatures. This is done by filtering off the passive components from the coupled electromechanical admittance equation. In order to assess the different damage states, the shifts of resonant frequencies and root mean square deviation are used as damage indicators. The active admittance signatures show relatively greater sensitivity to damage than the conventional raw signatures. The above research work shows that impedance- based NDE technique can effectively be used for health monitoring of concrete structures.
본 논문에서는 PZT 센서의 임피던스를 이용하여 콘크리트의 강도 예측 및 손상 탐지를 비파괴적으로 수행할 수 있는가에 대한 연구를 수행하였다. 임피던스 방법은 PZT 센서와 대상 구조물간의 전기적, 기계적 커플링 효과에 의하여 발생하는 전기적 임피던스의 변화를 기반으로 하며, 구조물의 현상학적 본질을 내재하고 있는 중요한 정보를 포함한다. 본 연구에서는 동시에 콘크리트를 가진하고 계측하기 위하여, 콘크리트 공시체의 표면에 PZT 패치를 부착하였다.
본 연구는 크게 두 부분으로 나눌 수 있다. 우선 처음에는 다양한 양생 조건에서 제작된 초기 재령 콘크리트 공시체에 일련의 실험을 실시하여, 초기 재령 콘크리트의 강도 발현을 모니터링 하였다. 공시체 위에 부착된 PZT 패치를 이용하여 콘크리트의 양생 3, 5, 7, 14, 28일째의 Admittance 신호를 주기적으로 습득하였으며, 양생 3일째 시편의 전기적 Admittance 신호를 다른 5, 7, 14, 28일째 시편의 Admittance 신호와 비교하였다. 양생일수가 증가함에 따라서 공진주파수의 변화를 관찰할 수 있었으며, 이는 콘크리트에 PZT 패치를 부착함으로써 나타나는 추가적인 경화 반응과, 강도와 직접적으로 연관되어 있는 콘크리트의 경화 반응과 밀접한 관련을 가지고 있음을 관찰할 수 있었다. 마지막으로 공진주파수의 변화와 압축강도와의 관계 및 공진주파수 변화의 RMSD값과 압축강도와의 관계를 제안하였다.
다음으로는 신호 자체의 변화가 아닌, 서로 결합된 전기적, 기계적 Admittance 식으로부터 수동적 Admittance 신호를 잘라내어 얻은 능동적 Admittance 신호를 이용한 콘크리트 공시체에서의 손상 추정을 수행하였다. 다양한 손상 상태를 추정하기 위하여 공진주파수의 변화와 그 RMSD 값을 손상지수로 이용하였다. 이러한 능동적 Admittance 신호는 기존의 신호 자체를 이용하는 기법보다 더 손상에 민감한 것으로 나타났다. 이렇게 본 연구에서는 임피던스 기반의 NDE 기법이 콘크리트 구조물의 안전성 평가에 효과적으로 이용될 수 있음을 보였다.
