용접식 광섬유 센서는 철근 콘크리트 구조의 변형을 측정합니다.

줄리안 가르시아디아즈, 니베스 나바로 카노, 에델미로 루아 알바레즈는 마드리드 폴리테크닉 대학 건물 고등기술학교(UPM)의 연구팀입니다. 그들은 콘크리트의 균열을 감지하고 다른 하중 단계를 적용한 후 강철의 스트레인을 측정하기 위한 테스트를 실시했습니다.
이러한 방식을 활용해, 이 연구팀은 빔이 균열하기 시작한 정확한 순간을 알 수 있습니다.

Problem

마드리드 폴리테크닉 대학(UPM)의 연구팀은 콘크리트와 강철뿐만 아니라 내부에서 구조물 변형 측정에 대한 의뢰를 받았습니다. 이를 위해서는 최첨단 용접식 광섬유 센서와 데이터 레코딩 기술이 필요했습니다.

Solution:

연구팀은 광섬유 및 온도 센서, 변위 트랜스듀서, 데이터 수집(DAQ) 시스템 퀀텀X MX1615, FS22 인터로게이터 및 HBM(현 HBK's) catman Easy 소프트웨어로 구성된 측정 솔루션을 사용했습니다. 이 솔루션은 정확하고 연결하기 쉬우며 현장 작업에 적합한 사이즈입니다.

Result

HBK 제품을 활용한 이 테스트는 프로젝트에서 광섬유 센서가 잘 적용되는지를 확인했습니다. 또한, 기존의 재료 강도 공식으로 얻은 데이터보다도 더 콘크리트 구조 동작을 사실적으로 묘사했습니다.

내부에서 변형을 측정하기 위한 완벽한 선택으로 광섬유 센서

UPM 팀은 적외선 테르모그래피, 음향 방출, 디지털 이미지 상관관계(DIC), 초음파 센서, 플라스틱 광섬유 또는 탄소 나노튜브 센서와 같은 전통적인 방법 대신 FBG(파이버 브래그 격자)를 기반으로 용접식 광섬유 센서를 사용했습니다.

"센서를 철근에 용접할 수 있기 때문에 콘크리트뿐만 아니라 강철 자체의 내부에서 구조물 변형을 측정할 수 있었습니다." 건물의 기술 혁신 박사 과정 학생인 줄리안 가르시아 디아즈(Julián García Día Díaz)는 말했습니다.

광섬유 센서는 다음과 같은 이유 때문에 선택되었습니다. - 기존의 전기 스트레인 게이지에 비해 수명이 길고,  극한 조건에서도 장기적으로 신호가 안정적이고, 동일한 케이블에 여러 센서를 연결하는 옵션(멀티플렉싱)과 간섭(EMI/RFI)의 내성 때문 - . 또한 케이블 길이는 측정 프로세스에 영향을 주지 않습니다. 이 모든 것은 비용 이점과 성능 및 정확도 향상에 도움을 줍니다.

 광섬유 센서를  추가한 가르시아 디아즈와 그의 팀은 퀀텀X MX1615 데이터 수집 시스템,  FS22 인터로게이터catman Easy 소프트웨어의 다양한 기능을 통해 두 개의 콘크리트 빔(200mm × 300mm, × 500mm, 300mm × 500mm) 길이의 강철을 보강했습니다.

측정 시스템 설정

측정 시스템은 2개의 광섬유 센서와 온도 센서(광섬유 센서의 감도를 보정하기 위해), 16채널 QutantumX MX1615, 데이터 수집 시스템에 연결된 로드셀, 0.1%의 정확도로 MX1615B 앰프와 호환되는 20m potentiometer displacemen 트랜스듀서로 만들어진, 어레이로 구성되었습니다. 데이터 수집 시스템은 catman Easy 소프트웨어가 설치된 컴퓨터에 연결되었습니다. FS22 인터로게이터도 이 컴퓨터에 연결되었습니다.

"박사 학위 논문에 대한 연구를 시작한 후, 저는 용접 가능한 센서를 사용할 수 있는 옵션과 팀의 헌신과 전문성이라는 두 가지 이유로 HBM 제품을 활용해 왔습니다. 이 연구 기간 동안, HBM은 정확하고 연결하기 쉬운 시스템과 현장 작업에 이상적인 사이즈의 시스템을 제공했습니다. 그리고 것으로 충분하지 않은 경우, 결과는 즉시 컴퓨터의 catman Easy 소프트웨어를 통해 받아보았습니다."


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광섬유 측정은 중요한 통찰력을 제공합니다. 마이크로 크랙 감지

그 결과, 육안으로 보이지 않는 일부 미세 균열은 이제 광섬유로 찾아낼 수 있었습니다. 따라서 콘크리트의 동작을 분석하면, 어떻게 강철이 변형되는지 알 수 있습니다.
테스트는  강철 변형률이 이론적으로 계산된 것보다 크고, 이전 실험실 테스트에 표시된 것보다 오래 전에 발생한다는 것을 알아냈습니다.
가르시아 디아즈는

"그 결과는 시험을 통해 전통적인 재료 강도 공식으로 얻은 것보다 훨씬 더 현실적인 구조 행동을 달성할 수 있었습니다."

이러한 연유로 UPM 연구 그룹은 향후 구조 변형 측정 프로젝트에서 HBK 제품을 계속 사용할 계획입니다.

고객 정보: UPM 구조 엔지니어링 연구팀

구조 공학 연구팀은 마드리드 폴리 테크닉 대학(UPM)의 토목 공학의 구조 이론을 연구합니다.

토목 공학 대학에서 구조 공학 프로그램의 일부인 기본, 어드밴스 과목을 가르치는 것 외에,  연구팀은 구조 공학 분야에서 연구 프로젝트를 수행합니다. 또한 토목 분야의 기초 지점으로서 구조공학을 추진하고 공공 및 민간 부문에 특화된 서비스를 제공하기 위해 노력하고 있습니다.


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