This study proposes an eddy-current-based tension-reduction-detection (ETRD) technique for a post-tensioning (PT) tendon in a pre-stressed concrete (PSC), and develops a ETRD wireless sensor node (ETRD-WSN) to achieve (1) automatic detection of tension reduction using low cost and low power consuming eddy current sensor (ECS), and (2) semi-permanent monitoring during the whole life-span of a bridge without direct access of human resource. An ECS is attached on PT anchorage holding a PT tendon, and the stress alteration on the PT anchorage is evaluated by investigating the eddy current response varying with its stress condition due to the magnetoelastic effect in a ferromagnetic material. The developed ETRD-WSN consumes only 6 W (12V, 500 mA), and its stable operation is possible under embedded condition by adopting wireless power and data transfer (WPDT) module.
The performance of the developed ETRD-WSN is experimentally validated. In laboratory environment, a full-scale mono-strand PT tendon and a jacking instrument were prepared, and it successfully detects an excessive tension reduction over 20 % of initially-introduced tension. Then, the test results in detecting the complete disconnection of a 4.4 m-long bonded external PT tendon system demonstrated the successful performance of the ETRD-WSN. In addition, the actual field application to a 35 m-long PSC girder validated the feasibility of the ETRD-WSN.
본 연구는 포스트텐셔닝 (Post-tensioning, PT) 텐던 긴장력 수준에 따라 변화하는 정착부 응력을 평가하는 프리스트레스드 콘크리트 (Pre-Stressed Concrete, PSC) 교량 내장형 무선 센서노드를 개발함으로써, 교량 전 생애주기 동안 PT텐던 긴장력 손실을 진단한다. PT텐던 정착부 설치·운영이 용이한 소형 코일 형태의 저비용·저전력 와전류 센서를 앵커헤드 표면에 부착하고, 강자성체의 자기탄성 효과 (magnetoelastic effect)에 의하여 PT텐던 긴장력 크기에 따라 변화하는 와전류의 크기를 계측·분석한다. 긴장력 도입 전과 후에 계측된 와전류 신호와 긴장력 손실 과정에서 계측된 와전류 신호 사이의 표준편차 값을 활용하여 임의의 계측시점에서의 손실량을 평가하고 과도한 손실을 자동적으로 경고하는 알고리즘이 제안되었다.
개발된 내장형 무선 센서노드는 실험실 환경에서 초기 긴장력 대비 20 % 이상의 긴장력 손실에 대한 자동경고 성능을 검증하였다. 전력선 및 배터리의 사용 대신, 무선 전력 및 데이터 전송 모듈과 통합 운영함으로써 별도의 내장배터리 없이 사용 가능하며 인력의 직접적인 접근 없이 교량 생애주기 동안 반영구적인 모니터링이 가능하다. 또한, 35m PSC 거더를 활용한 테스트베드 환경에서 그 성능이 평가·검증되었으며, 양방향 무선 전력/데이터 전송 모듈로 운영되었을 때에도 유사한 감지 성능이 유지되는 것이 실험적으로 검증되었다.
