KR102140963B1 - 인프라의 위험상태 검사방법 - Google Patents

Abstract

본 발명의 인프라의 위험상태 검사방법에 관한 것으로서, 검지대상물에서 발생하는 음향을 검지한 후 그 주파수를 분석하여 검지대상물의 열화정도를 파악함으로써, 교량이나 철교, 고속도로 등의 인프라가 위험상태에 있는지를 모니터링할 수 있도록 하는데 그 목적이 있다.
이를 위하여 본 발명은, 검지대상물에 A/E 센서(20)가 구비된 도파관(10)을 설치하는 제1단계; 도파관(10)으로 물을 공급한 후 A/E 센서(20)를 이용하여 물과 검지대상물(50)의 충돌음을 검출하는 제2단계; 검출된 음의 주파수를 분석하는 제3단계; 및 분석된 주파수를 이용하여 검지대상물(50)의 열화정도를 파악하는 제4단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

인프라의 위험상태 검사방법{Monitoring Method for Dangerous Condition of Infrastructure}

본 발명은 인프라의 위험상태 검사방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는, 검지대상물에서 발생하는 음향을 검지한 후 그 주파수를 분석하여 검지대상물의 열화정도를 파악함으로써, 교량이나 철교, 고속도로 등의 인프라가 위험상태에 있는 지를 모니터링할 수 있도록 한 인프라의 위험상태 검사방법에 관한 것이다.

인프라(Infra)란 인프라스트럭처(Infrastructure)의 준말로서, 생산이나 생활의 기반을 형성하는 주요 구조물을 의미하며, 이러한 인프라는 도로나 항만, 철도, 발전소 통신 시설 등의 산업기반과, 학교나 병원, 상수도 시설, 하수도 시설 등의 생활기반으로 이루어진다.

이러한 인프라는 산업 및 생활 안전과 매우 밀접한 관계에 있으며, 인프라의 붕괴 등이 발생할 경우에는 대형 사고로 이어질 수 있다,

따라서 이러한 인프라의 위험상태를 사전에 파악하는 것이 중요하다.

그러나 대부분의 경우에는 일정 주기마다 인프라의 위험상태를 검사하고 있을 뿐, 상시적인 모니터링이 이루어지지 않고 있다.

이에 따라 인프라의 위험상태를 실시간으로 파악하지 못한다는 문제점이 있다.

한편, 고체 내부의 국부적인 변형 혹은 국부적 파괴에 수반하여 음향이 방사되는 데 이를 통상 어쿠스틱 이미션(Acoustic Emission)이라 한다(이하 간단히 'A/E'라 칭하기로 한다).

따라서, 금속의 직이 외부 힘에 의해 파괴되는 경우에 A/E 센서를 통해 금속 특유의 파괴음을 검지함으로써, 어떤 금속이 파괴 또는 손상되었는지를 확인할 수 가 있다.

또한, 건축물의 경우에 그 구성 재료마다 스트레스 음을 방사하게 되는데, 이때의 발생음은 인간의 귀로는 듣지 못하는 고주파로 되어 있다.

즉, 금속이나 건축물 등에서 발생하는 음향은 가청 주파수(20Hz~20kHz) 이상의 초음파이기 때문에, A/E 센서 등의 초음파 센서를 통해 전기신호로 변환하여 측정할 수 있다.

상기한 A/E는 연속형 AE와 돌발형 AE로 구분할 수 있다.

상기 연속형 A/E는, 소성 변형시 발생하는 것으로 에너지는 비교적 작게 나타나며, 소성 변형시 항복응력 부근에서 높게 발생율을 보인다.

상기 돌발형 A/E, 미소한 갈라짐 등의 발생이나 갈라짐의 진전시에 발생하는 것으로, 에너지는 크지만 그 발생률은 낮다.

따라서, A,E를 검출하게 되면 각종 구조물에서의 미소한 갈라짐의 발생과 그 성장 등에 관한 정보를 얻을 수 있고, 이를 통해 결함이 발생한 위치도 확인할 수 가 있다.

상기 A/E 관련 기술은 석유산업을 비롯한 일반 산업에서의 설비진단, 파괴의 예지, 예측, 운전중의 구조물의 안전감시 등에의 적용되고 있으며, 향후의 안전, 방재 기술로서 주목을 받고 있다.

그리고 파괴음 등의 음향은 진동의 형태로 전달되는데, 금속의 종류에 따라 파괴주파수가 달라지게 된다.

예컨대 철(Fe)은 1㎒, 알루미늄(Al)은 500㎑, 섬유(Fiber)는 5㎒의 파괴음을 발생시킨다.

그리고, 가청 주파수 이상의 초음파의 전달거리는 공기 중에서 대략 20㎝ 정도가 한계이나, 기름이나 물 등의 액체를 통해 전달되는 경우에는 더욱 멀리까지 전달할 수가 있다.

한편, 국내 공개특허 제10-2019-0105927호는 '로라 기술을 이용한 사면 위험 모니터링 시스템'이 개시하고 있는데, 이는 경사면에 설치되어 해당 위치의 환경정보를 센싱하는 적어도 하나 이상의 센서와, 센서들을 통해 센싱된 환경정보를 수집하고, 수집된 환경정보를 포함하는 메시지를 전달하는 노드 제어부, 및 노드 제어부를 통해 전송되는 환경정보를 포함하는 메시지를 로라 무선 네트워크를 통해 전송하는 로라 노드 통신부를 포함하여 이루어진 하나 이상의 노드; 및 노드들로부터 로라 무선 네트워크를 통해 환경정보를 포함하는 메시지를 수신하는 게이트 로라 통신부와, 게이트 로라로 통신부를 통해 수신된 환경정보를 포함하는 메시지를 원거리 무선 네트워크를 통해 모니터링 서버로 전송하는 게이트웨이;를 포함하여 이루어진다.

또한 국내 등록특허 제10-1989975호는 '지하수 수위 모니터링에 기반한 지반침하 위험 경고방법 및 지반침하 위험 경고장치'를 개시하고 있는데, 이는 도심지의 건물 지하부분 굴착공사 현장 등과 같은 굴착지의 주변지반에서 지반굴착 공사가 진행되는 과정에서 지하수 수위 변화를 모니터링하여, 시간에 따른 지하수 수두구배의 변화가 사전에 정해둔 기준치 이상으로 급격하게 발생할 경우에는, 지반굴착 공사 주변 지반의 침하 위험도가 높은 것으로 판단하여 경고를 발생시킴으로써, 지반침하에 대한 적절한 대책을 신속하게 수립할 수 있도록 하여 지반침하로 인한 사고를 사전에 효과적으로 예방할 수 있도록 한다.

또한 국내 공개특허 제10-2010-0064096호는 '사면파괴 평가를 위한 AE 데이터 처리 방법'을 개시하고 있는데, 이는 사면파괴 평가를 위해 대상 사면 내부에 매설된 1개 이상의 AE 센서로부터 계측된 후에 AE 데이터로 변환되어 수집된 AE 데이터를 처리하는 사면파괴 평가를 위한 AE 데이터 처리 방법에 있어서, AE 데이터를 수집하여 저장하는 단계; 파괴평가 정지기간이 설정되었는지를 판단하는 단계 및 상기 파괴평가 정지기간이 설정된 경우에는 상기 파괴평가 정지기간을 적용하여 상기 저장된 AE 데이터를 처리하고 그렇지 않은 경우에는 이를 무시한 채로 상기 저장된 AE 데이터를 처리하는 단계를 포함하여 이루어진다.

: 국내 공개특허 제10-2019-0105927호(2019.09.18 공개) : 국내 등록특허 제10-1989975호(2019.06.19 공고) : 국내 공개특허 제10-2010-0064096호(2010.06.14. 공개)

본 발명은 상기한 종래 기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로, 검지대상물에서 발생하는 음향을 검지한 후 그 주파수를 분석하여 검지대상물의 열화정도를 파악함으로써, 교량이나 철교, 고속도로 등의 인프라가 위험상태에 있는 지를 모니터링할 수 있도록 하여, 인프라의 대형 사고를 사전에 예방할 수 있도록 하는데 그 목적이 있다.

본 발명의 다른 목적은, 교량이나 터널 및 콘크리트 구조물 등의 인프라의 위험 상태 및 하천의 범람 등을 미리 예측할 수 있도록 하는 데 있다.

상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 인프라의 위험상태 검사방법은, 검지대상물에 A/E 센서가 구비된 도파관을 설치하는 제1단계; 도파관으로 물을 공급한 후 A/E 센서를 이용하여 물과 검지대상물의 충돌음을 검출하는 제2단계; 검출된 음의 주파수를 분석하는 제3단계; 및 분석된 주파수를 이용하여 검지대상물의 열화정도를 파악하는 제4단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.

또한 검지대상물을 통과하는 물체의 하중에 의해 발생하는 음을 검출하여 주파수를 분석하는 것을 특징으로 한다.

또한 하천을 흐르는 물에 A/E 센서가 구비된 도파관을 투입한 후, 하천에서 발생하는 충돌음을 검출하여 주파수를 분석하는 것을 특징으로 한다.

또한 상기 A/E 센서는, 후방측에 발생음에 의한 압력을 받는 면이 위치한 센서본체와, 작용 압력에 따라 전기를 발생하도록 상기 센서본체에 구비되는 압전소자와, 상기 센서본체의 전방에 설치되며 상기 압전소자에서 발생하는 전기를 이용하여 주파수 신호를 발생하는 신호발생부를 포함하는 것을 특징으로 한다.

또한 상기 A/E 센서는, 센서본체의 압전소자 후방에 배치되며 발포성 쿠션재로 이루어진 간섭재를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.

또한 상기 센서본체에 작용하는 발생음의 파장에 따라 상기 간섭재의 길이와 재질이 결정되는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따른 인프라의 위험상태 검사방법은, 교량이나 철교, 고속도로, 터널 등과 같은 인프라를 구성하는 검지대상물에서 발생하는 음향을 검지한 후, 그 주파수를 분석하여 검지대상물의 열화정도를 파악함으로써, 인프라의 위험상태를 실시간으로 모니터링하여 인프라의 대형 사고를 사전에 예방할 수 있도록 하는 효과가 있다.

또한 물이 통과하는 도파관에 A/E 센서가 구비됨으로써, 철이나 알루미늄, 구리 등 인프라를 구성하는 금속의 파괴음은 물론 콘크리트나, 철교의 상판 등이 비뚤어질 때 발생하는 소음 등으로 인한 저주파를 검출함으로써, 인프라의 위험상태를 모니터링할 수 있는 효과가 있다.

또한 A/E 센서의 압전소자와 압력을 받는 면 사이에 발포성 쿠션재로 이루어진 간섭재를 배치하되, 간섭재의 재질과 길이를 조절하는 것에 의해 콘크리트 등의다양한 재질에 대한 파괴음을 검출할 수 있는 효과가 있다.

도 1은 본 발명에 따른 인프라의 위험상태 검사방법을 나타낸 순서도.
도 2는 본 발명의 인프라의 위험상태 검사방법을 이용하여 교량의 위험상태를 검사하는 형태를 나타낸 예시도.
도 3은 본 발명의 인프라의 위험상태 검사방법을 이용하여 하천 및 철교의 위험상태를 검사하는 형태를 나타낸 예시도.
도 4는 본 발명의 인프라의 위험상태 검사방법에 적용되는 A/E 센서의 구조를 간략히 나타낸 도면.
도 5는 본 발명의 인프라의 위험상태 검사방법에서 주파수와 입자 사이의 관계를 나타낸 도면.
도 6은 철골부에 스트레스를 가했을 때 발생하는 배출음의 파형을 나타낸 도면.

이하, 본 발명에 따른 인프라의 위험상태 검사방법의 바람직한 실시예를 도 1 내지 6을 참조하여 설명한다.

본 발명에 따른 인프라의 위험상태 검사방법은, 도 1과 2에 도시된 바와 같이, 교량 등의 검지대상물(50)에 A/E 센서(20)가 구비된 도파관(10)을 설치하는 제1단계와; 상기 도파관(10)으로 물을 공급한 후 A/E 센서(20)를 이용하여 물과 검지대상물(50)의 충돌음을 검출하는 제2단계와; 검출된 음의 주파수를 분석하는 제3단계; 및 분석된 주파수를 이용하여 검지대상물(50)의 열화정도를 파악하는 제4단계;를 포함하여 이루어진다.

상기한 방식에 의해, 검출된 음의 주파수 레벨을 분석하여 검지대상물(50)의 열화 정도를 파악함으로써 위험상태 여부를 검사할 수 있다.

예를 들어 교량 등의 위험상태를 파악하는 경우, 도 2에 도시된 바와 같이, 검지대상물(50)인 교량의 하부에 수조(30)를 배치하고, 상기 수조(30)와 교량 사이에 도파관(10)을 설치한 후, 상기 수조(30)의 물을 교량에 분사하여 발생한 충돌음을 상기 도파관(10)에 설치된 A/E 센서(20)를 통해 측정하고, 상기 A/E 센서(20)에 의해 측정된 충돌음의 주파수를 분석하여 교량을 구성하는 금속 및 콘크리트의 열화 정도를 파악한다.

이에 따라, 교량과 같은 검지대상물(50)이 위험상태에 도달하였는지를 확인할 수 있게 된다.

참고로, 상기 A/E 센서(20)에 의해 측정되는 충돌음은, 그 주파수는 서로 달라지지만 도 6에 도시된 것과 유사한 파형의 신호를 갖게 된다.

이때, 상기 검지대상물(50)을 통과하는 물체(60)의 하중에 의해 발생하는 음을 검출하여 주파수를 분석함으로써, 과적차량 등의 통과에 의해 교량이 비뚤어지는 양을 검사할 수도 있다.

또한, 도 3에 도시된 바와 같이, 하천을 흐르는 물에 A/E 센서(20)가 구비된 도파관(10)을 투입한 후 하천에서 발생하는 충돌음을 검출하여 주파수를 분석함으로써, 하천의 수위 변화 또는 하천에 설치된 교량 등의 구조물에 대한 위험 여부를 파악할 수 있게 된다.

즉, 하천에 구비된 돌(41)의 충돌음 또는 물과 구조물 사이의 충돌음을 검출하여 분석함으로써, 하천의 수위 변화를 확인할 수 있게 된다.

한편, 상기 하천에 설치된 교량 등의 검지대상물(50')을 통과하는 물체(60')에 의한 음향을 검출함으로써, 차량의 통과에 의한 구조물의 이상 여부를 파악할 수도 있다.

상기 A/E 센서(20)는 도 4에 도시된 바와 같이, 후방측에 발생음에 의한 압력을 받는 면(21')이 위치한 센서본체(21)와, 작용 압력에 따라 전기를 발생하도록 상기 센서본체(21)에 구비되는 압전소자(22)와, 상기 센서본체(21)의 압전소자(22) 후방에 배치되며 발포성 쿠션재로 이루어지는 간섭재(23) 및 상기 센서본체(21)의 전방에 설치되며 상기 압전소자(22)에서 발생하는 전기를 이용하여 주파수 신호를 발생하는 신호발생부(25)를 포함하여 이루어진다.

여기서, 상기 센서본체(21)에 작용하는 발생음의 파장에 따라, 상기 간섭재(23)의 길이와 재질을 결정한다.

통상적으로 주파수(f)와 파장(λ)의 관계식은 f*λ=1로 나타낼 수 있으므로, 입자경이 1/2λ인 클러스터는, 도 5에 도시된 바와 같이, 음파 사이로 통과할 수 가 있다.

이러한 점을 고려하여, 검지대상물(50)(50')의 방출음에 따라 발포성 쿠션재질로 이루어지는 간섭재의 길이와 재질을 선택할 수 있다.

이상에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 예시적으로 설명한 것으로서 본 발명의 범위는 상기한 특정 실시예에 한정되지 아니한다. 해당 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 기술적 사상의 범위를 벗어남이 없이 다양한 변경 및 수정이 가능하다는 것을 이해할 수 있을 것이다.

10 : 도파관 20 : A/E 센서
21 : 센서본체 21' : 압력을 받는 면
22 : 압전소자 23 : 간섭재
25 : 신호발생부 30 : 수조
40 : 검지대상물 41 : 돌
42 : 구조물 50, 50' : 검지대상물
60, 60' : 물체

Claims (6)

1. 검지대상물에 A/E 센서(20)가 구비된 도파관(10)을 설치하는 제1단계;
   도파관(10)으로 물을 공급한 후, A/E 센서(20)를 이용하여 물과 검지대상물(50)의 충돌음을 검출하는 제2단계;
   검출된 음의 주파수를 분석하는 제3단계; 및
   분석된 주파수를 이용하여 검지대상물(50)의 열화정도를 파악하는 제4단계;를 포함하여 이루어지는 인프라의 위험상태 검사방법에 있어서,
   상기 A/E 센서(20)는,
   후방측에 발생음에 의한 압력을 받는 면(21')이 위치한 센서본체(21)와,
   작용 압력에 따라 전기를 발생하도록 상기 센서본체(21)에 구비되는 압전소자(22)와,
   상기 센서본체(21)의 전방에 설치되며 상기 압전소자(22)에서 발생하는 전기를 이용하여 주파수 신호를 발생하는 신호발생부(25)를 포함하여 구성되고,
   상기 A/E 센서(20)는, 센서본체(21)의 압전소자(22) 후방에 배치되며 발포성 쿠션재로 이루어진 간섭재(23)를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 인프라의 위험상태 검사방법.
2. 제 1 항에 있어서,
   상기 제2단계에서 검지대상물(50)을 통과하는 물체(60)의 하중에 의해 발생하는 음을 검출한 후, 상기 제3단계에서 주파수를 분석하는 것을 특징으로 하는 인프라의 위험상태 검사방법.
3. 제 1 항에 있어서,
   상기 제2단계에서 하천을 흐르는 물에 A/E 센서(20)가 구비된 도파관(10)을 투입하고 하천에서 발생하는 충돌음을 검출한 후, 상기 제3단계에서 주파수를 분석하는 것을 특징으로 하는 인프라의 위험상태 검사방법.
4. 삭제
5. 삭제
6. 제 1 항에 있어서,
   상기 센서본체(21)에 작용하는 발생음의 파장에 따라 상기 간섭재(23)의 길이와 재질을 결정하는 것을 특징으로 하는 인프라의 위험상태 검사방법.

Images