In the structures using prestressed steels or reinforcements, the tendon is utilized as a key member experiencing the high stress so that the evaluation of anchorage zone is essential in the monitoring of the overall structural health. However, the lift-off test, which is conventionally used in the field to measure the tensile force on the tendon, is time-consuming, expensive, and hazardous. To overcome these limitations of the conventional system and provide continuous monitoring during the long gap between regular inspections, a simple impedance-based method was newly proposed in this study. The proposed method can estimate the tensile force on the tendon and simultaneously monitor the health condition of anchorage zone.
Firstly, simulation studies were performed to investigate characteristics of impedance signatures depending on applied external loads. A 3-hole anchor head and bearing plate were modeled together using a commercial software, COMSOL Multiphysics. Then, changes in impedance signatures were observed under various external loads applied on the 3 holes. Results obtained from these simulations formed the foundation of experimental studies.
Then, various experimental studies were carried out on various scales of anchorage systems to monitor the anchorage zone of tendon. Multiple sensors were attached on the anchor head and bearing plate. Impedance signatures were measured from each sensor depending on tensile forces and RMSD indices were calculated. By regression analysis, a linear relationship was established between the RMSD index of each sensor and the tensile force applied on the anchorage system. Based on the developed relationship curve (baseline), unknown tensile force on the tendon can be easily estimated using only a calculated RMSD index. On the other hand, relationships among RMSD indices of multiple sensors were also established to monitor the health status of the anchorage zone. When a damage is occurred near the bearing plate, the RMSD index of the sensor on the bearing plate increases while the RMSD index of the sensor on the anchor head remains constant. It means that the relationship between these two sensors is varied due to an induced damage. Therefore, the proposed approach in this study utilized two relationship curves, i.e., each sensor`s own curve depending on the tensile force and a curve between two different sensors, to provide information on both the tensile force of tendon and the health status of anchorage zone. In addition, environmental effects such as temperature and humidity variations were examined in the estimation of the tensile force. The proposed method was applied to the 22-hole anchorage system with 19 inch strands, which is a full-scale system commonly used in the field. The experimental results showed that the proposed method can estimate the tensile force effectively with a fairly good match.
Finally, a low-cost portable impedance sensor node was utilized instead of the conventional impedance measuring system, because the conventional system is very expensive and bulky so that it is hard to set up in the field. To investigate the performance of the impedance sensor node in monitoring of the anchorage zone of tendon, experiments was conducted on the 3-hole anchorage block using a sensor node. The trend of measured impedance signals was similar to that obtained by using the conventional impedance analyzer and the tensile force was effectively evaluated quite well.
From simulations and experiments in this study, it was found that the proposed impedance-based method has a big potential for estimating the tensile force on tendon and monitoring the anchorage system simultaneously.
최근 재료기술의 급속한 발전에 따라, 주요 구조용 부재로써 고강도 긴장재의 이용이 급증하고 있다. 구조물의 긴장재는 평상시에도 매우 높은 응력상태에 있기 때문에 긴장재의 상태, 즉, 긴장력을 주기적으로 모니터링 하는 것은 구조물의 사용성 및 안정성과 밀접한 관련이 있다. 특히 구조적 결함이 방사능 누출, 원자로 폭발 등의 치명적인 사고로 이어질 수 있는 원자력 발전소 격납건물의 경우에는 정착부 및 긴장재의 모니터링이 필수적이다. 그러나 현재 원전 격납건물의 경우에 행해지는 정기 육안 검사 및 인장시험은 구조물의 가동을 멈추고 대규모의 인력을 동원하여 수행해야 하기에 많은 시간과 비용이 소모될 뿐만 아니라 정기검사 간에 5년이라는 긴 시간적 간격이 생긴다. 따라서 본 연구에서는 이러한 한계를 보완하기 위한 보조수단으로서 정기검사 사이에 지속적으로 수행 가능한 기전 임피던스 기반의 긴장력 추정 및 정착부 상태진단 기법을 제안하고자 한다.
우선 범용 유한요소해석 프로그램인 COMSOL Multiphysics를 활용한 시뮬레이션 연구를 통하여, 긴장력이 임피던스 신호에 미치는 영향을 분석하였다. 앵커헤드의 측면과 베어링 플레이트의 상부에 각각 한 개씩의 압전센서를 부착한 소형 정착부를 모델링하였으며, 다양한 긴장력 하에서의 임피던스 신호를 계측하였다. 결과적으로 긴장력이 저하됨에 따라 anti-resonance peak 이 왼쪽으로 이동하였으며, 이것은 긴장력에 의해 유발된 응력/변형이 센서의 크기에 영향을 미쳤기 때문으로 판단된다. 이러한 신호의 변화를 RMSD 와 CC로 수치화 한 결과, CC지수에 비해 RMSD지수가 긴장력변화에 대해 보다 일관적이고 선형적인 변화를 보였다. 따라서 RMSD지수를 이어지는 실험적 연구의 기본적인 진단지수로 사용하였다.
다음으로, 실험적 연구를 수행하여 긴장력 추정과 손상진단을 위한 알고리즘을 제안하였다. 긴장력 추정을 위해 제안된 알고리즘은 다음과 같다. 먼저 데이터베이스를 이용해 RMSD지수와 긴장력 사이의 관계를 회귀분석 하여 긴장력 추정을 위한 식을 설정한다. 다음으로 손상진단을 위해 다수의 센서의 RMSD 지수들의 관계를 회귀분석 및 outlier analysis를 하여 센서들간의 관계식과 경계치를 설정하여 데이터베이스를 구축한다. 이 후, 각 센서에서 지속적으로 임피던스 신호를 계측하고, 센서들 간의RMSD지수를 비교하여 손상을 진단한다. 이 때, 미리 구축한 데이터베이스의 경계치를 벗어나게 되면 손상이 난 것으로 판단하고, 손상진단 식을 이용해 RMSD지수를 수정한다. 수정된 RMSD 지수는 긴장력 추정식에 대입하여 긴장력을 추정하게 된다. 제안된 기법은 소형 정착부모형과 22-strand 실규모 정창부 시편을 이용한 일련의 실험을 통해 성공적으로 긴장력을 추정하고 정착부의 상태를 모니터링함으로써 검증하였다. 그리고 보다 정확한 긴장력 추정을 위하여 임피던스에 영향을 미칠 수 있는 환경적인 요소인 온도와 습도에 대한 영향 또한 실험적 연구를 통해 고려하였다. 온도가 증가함에 따라 임피던스 신호는 좌측으로 이동하였으며 이 영향은 기존의 온도보상기법인 유효주파수 이동법을 변형하여 보상하였다. 반면에 습도의 변화에 의한 영향은 미미하였다.
마지막으로 고가의 이동이 불편한 기존 임피던스 측정장비를 현장에 적용하기에는 어려운 점이 많기에 이동이 용이하고 저렴한 임피던스 센서노드를 이용하여 현장 적용성을 판단하였다. 이 실험을 위하여 카이스트와 Cytroniq사에서 공동 개발한 임피던스 센서노드를 사용하였으며, 소형 정착부 모형에 압축력을 가하여 실험을 하였다. 앵커헤드와 베어링 플레이트 상부에 부착한 PZT센서를 임피던스 센서노드에 연결하여 임피던스 신호를 측정하고, 측정된 임피던스 신호를 바탕으로 RMSD지수를 계산하여 제안된 긴장력 추정 알고리즘을 적용하였다. 그 결과, 긴장력의 추정을 성공적으로 수행하였고, 제안된 알고리즘이 현장에 적용 가능함을 보였다.
결론적으로 제안된 기법은 압전센서를 통해 계측된 기전 임피던스 신호의 변화로부터 정착부 및 긴장재의 상태를 동시에 추정하는 것으로 본 연구에서는 이 기법의 개발을 위하여 시뮬레이션 연구를 통해 긴장력이 임피던스에 미치는 영향을 파악하였으며, 실험적 연구를 통해 제안된 기법을 검증하였다. 마지막으로 이동이 용이한 임피던스 센서노드를 활용하여 제안된 기법의 현장적용 가능성을 알아보았다.
