램파와 압전소자 극성을 사용한 강구조의 실시간 균열손상 감지기법 개발

김승범,손훈 한국지진공학회 2006 한국지진공학회논문집 Vol.10 No.6

A new methodology of guided wave based nondestructive testing (NDT) is developed to detect crack damage in civil infrastructures such as steel bridges without using prior baseline data. In conventional guided wave based techniques, damage is often identified by comparing the “current” data obtained from a potentially damaged condition of a structure with the “past” baseline data collected at the pristine condition of the structure. However, it has been reported that this type of pattern comparison with the baseline data can lead to increased false alarms due to its susceptibility to varying operational and environmental conditions of the structure. To develop a more robust damage diagnosis technique, a new concept of NDT is conceived so that cracks can be detected without direct comparison with previously obtained baseline data. The proposed NDT technique utilizes the polarization characteristics of the piezoelectric wafers attached on the both sides of the thin metal structure. Crack formation creates Lamb wave mode conversion due to a sudden change in the thickness of the structure. Then, the proposed technique instantly detects the appearance of the crack by extracting this mode conversion from the measured Lamb waves even at the presence of changing operational and environmental conditions. Numerical and experimental results are presented to demonstrate the applicability of the proposed technique to crack detection. 이 연구에서는 강교량과 같은 토목 구조물에서 유도파의(Guided waves) 한 종류인 램파(Lamb wave)를 이용하여 실시간으로 균열손상을 감지할 수 있는 새로운 비파괴 검사방법을 제안한다. 기존의 유도파를 이용한 기술들은, 손상을 감지하기 위해 비손상 상태의 자료를 저장하고 이를 새로이 얻어진 결과와 비교하는 방법을 사용함으로써 잠재적인 손상을 진단해 왔다. 그러나, 공용중인 강구조물은 다양한 하중 뿐 아니라 상시로 변화하는 자연환경에 노출되어 있기 때문에 동일한 비손상 상태의 응답을 얻는 것이 매우 어려우며 이러한 방법을 적용할 경우 오보(false alarm)의 우려도 매우 높다고 할 수 있다. 따라서 이 연구에서는 보다 안정적인 손상감지기법을 개발하기 위해 기존에 얻어진 초기치를 이용하지 않으면서 실시간으로 손상 여부를 판단할 수 있는 방법을 제안하고자 한다. 이 연구에서 제안된 감지 기술은, 압전소자의 극성과 판파의 특성을 이용하는 것으로 얇은 판의 양면에 부착된 압전소자를 통하여 균열손상에 의한 신호를 선택적으로 감지해 내는 데에 그 목적이 있다. 균열이 발생한 판에서 진행하는 판파는 균열로 인한 판의 두께변화로 인해 모드 변화를 일으키게 되는데, 제안된 감지기법으로 이러한 모드 변화만을 선택적으로 추출할 수 있다. 다양한 수치해석과 실험을 통해 이 연구에서 제안된 손상감지기법의 효율성과 적용성을 입증한다.

램파와 압전소자 극성을 사용한 강구조의 실시간 균열손상 감지기법 개발

손훈 김승범 한국지진공학회 2006 한국지진공학회논문집 Vol.10 No.6

이 연구에서는 강교량과 같은 토목 구조물에서 유도파의(Guided waves)한 종류인 램파(Lamb wave)를 이용하여 실시간으로 균열손상을 감지할 수 있는 새로운 비파괴 검사방법을 제안한다. 기존의 유도파를 이용한 기술들은, 손상을 감지하기 위해 비손상 상태의 자료를 저장하고 이를 새로이 얻어진 결과와 비교하는 방법을 사용함으로써 잠재적인 손상을 진단해 왔다. 그러나, 공용중인 강구조물은 다양한 하중 뿐 아니라 상시로 변화하는 자연환경에 노출되어 있기 때문에 동일한 비손상 상태의 응답을 얻는 것이 매우 어려우며 이러한 방법을 적용할 경우 오보(false alarm)의 우려도 매우 높다고 할 수 있다. 따라서 이 연구에서는 보다 안정적인 손상감지기법을 개발하기 위해 기존에 얻어진 초기치를 이용하지 않으면서 실시간으로 손상 여부를 판단할 수 있는 방법을 제안하고자 한다. 이 연구에서 제안된 감지 기술은, 압전소자의 극성과 판파의 특성을 이용하는 것으로 얇은 판의 양면에 부착된 압전소자를 통하여 균열손상에 의한 신호를 선택적으로 감지해 내는 데에 그 목적이 있다. 균열이 발생한 판에서 진행하는 판파는 균열로 인한 판의 두께변화로 인해 모드 변화를 일으키게 되는데, 제안된 감지기법으로 이러한 모드 변화만을 선택적으로 추출할 수 있다. 다양한 수치해석과 실험을 통해 이 연구에서 제안된 손상감지기법의 효율성과 적용성을 입증한다. A new methodology of guided wave based nondestructive testing (NDT) is developed to detect crack damage in civil infrastructures such as steel bridges without using prior baseline data. In conventional guided wave based techniques, damage is often identified by comparing the "current" data obtained from a potentially damaged condition of a structure with the "past" baseline data collected at the pristine condition of the structure. However, it has been reported that this type of pattern comparison with the baseline data can lead to increased false alarms due to its susceptibility to varying operational and environmental conditions of the structure. To develop a more robust damage diagnosis technique, a new concept of NDT is conceived so that cracks can be detected without direct comparison with previously obtained baseline data. The proposed NDT technique utilizes the polarization characteristics of the piezoelectric wafers attached on the both sides of the thin metal structure. Crack formation creates Lamb wave mode conversion due to a sudden change in the thickness of the structure. Then, the proposed technique instantly detects the appearance of the crack by extracting this mode conversion from the measured Lamb waves even at the presence of changing operational and environmental conditions. Numerical and experimental results are presented to demonstrate the applicability of the proposed technique to crack detection.

유도 초음파를 이용한 교량 구조물의 무기저 비파괴 검사

손훈 ( Sohn Hoon ),이창길 ( Lee Chang Gil ),김승범 ( Kim Seung Bum ),염철민 ( Yeum Chulmin ) 한국구조물진단유지관리공학회 2008 한국구조물진단유지관리공학회 학술발표대회 논문집 Vol.12 No.2

Recently, a reference-free damage detection technique based on guided wave and the characteristics of piezoelectric ceramic has been proposed by author's group and the developed technique is applied to in-service bridges, Samseung Bridge in Yeoju, Gyeonggi-do, Korea, Buffalo Creek Bridge in Armstrong County, Pennsylvania, US. First, raw signals using attached collocated PZT pairs are measured and then individual Lamb modes are decomposed. Finally, instantaneous damage classification technique is performed using the decoupled signals.

램파의 분산성과 파 반사가 시간반전과정에 미치는 영향의 이해

박현우,김승범,손훈,Park, Hyun-Woo,Kim, Sung-Bum,Sohn, Hoon 한국전산구조공학회 2009 한국전산구조공학회논문집 Vol.22 No.1

이 연구에서는 얇은 판형구조물의 손상탐지에 널리 사용되어오는 램파에 시간반전(time reversal)개념의 적용성을 이론적으로 규명한다. 고전적 시간반전 음향학에 의하면, 센서에서의 출력신호를 시간영역에서 반전 후 재입사시켜 원래의 가진점으로 돌려보내면, 그 가진점에서 원래 입력신호가 복원된다. 그러나 램파에 시간반전과정을 적용하게 되면 램파 고유의 분산성과 판 경계에서의 파 반사로 인해 시간반전성이 복잡한 양상을 띠게 된다. 이러한 램파의 시간반전성을 보다 잘 이해하기 위해 이 연구에서는 램파의 시간반전과정을 이론적으로 규명한다. 특히, 램파의 내부모드분산, 다중모드분산, 그리고 판 경계면에서의 램파의 반사가 시간반전성에 미치는 영향을 정식화하였다 간단한 수치예제를 통해 이 연구에서 제시된 이론적 발견들의 타당성을 검증한다. This study investigates the applicability of the time reversal concept in modem acoustics to the Lamb waves, which have been widely studied for defect detection in plate-like structures. According to conventional time reversal acoustics, an input signal can be reconstructed at an excitation point if an output signal recorded at another point is reversed in the time domain and emitted back to the original source point. However, the application of a time reversal process(TRP) to Lamb wave propagations is complicated due to velocity and amplitude dispersion characteristics of Lamb waves and reflections from the boundaries of a structure. In this study, theoretical investigations are presented to better understand the time reversibility of Lamb waves. In particular, the effects of within-mode dispersion, multimode dispersion, amplitude dispersion, and reflections from boundaries on the TRP are theoretically formulated. Simple numerical case studies are conducted to validate the theoretical findings of this study.

구조물 건전성 감시를 위한 시간반전 능동감지기법

박현우(Park Hyun-Woo),김승범(Kim Seung-Bum),손훈(Sohn Hoon) 한국구조물진단유지관리학회 2005 한국구조물진단학회 학술발표회논문집 Vol.9 No.2

판에서의 구조물 건전성 감시를 위한 시간반전 능동센싱을 소개한다. 이 시간반전 능동센싱은 현대음향학의 시간반전기법을 근간으로 하고 있다. 시간반전 음향학에 따르면 가진점에서 입사된 입력신호에 대응되는 다른지점의 응답신호를 시간영역에서 반전시킨 후 재입사시키면 가진점에서 원래 입사시킨 입력파를 복원할 수 있다. 이 연구에서는 수치모사 및 실험을 통해 판구조물에서 발생하는 램파의 시간반전성을 이해하고, 시간반전성을 판구조물의 손상진단에 적용할 수 있는지 고찰하였다. Time reversal active sensing is introduced for structural health monitoring (SHM) of a plate. The key idea of this time reversal active sensing is originated from time reversal method of time reversal acoustics. According to the time reversal acoustics, an input signal can be reconstructed at an excitation point if an response signal recorded at another point is reversed in a time domain and emitted back to the original source point. In this study, numerical simulations and experimental studies are conducted to understand the time reversibility of Lamb waves and investigate the applicability of this time reversibility to detecting damage of a plate.

무기저 비파괴 검사 기법의 복잡한 기하 부재로의 적용

이창길(Lee Chang Gil),김승범(Kim Seung Bum),손훈(Sohn Hoon) 대한토목학회 2008 대한토목학회 학술대회 Vol.2008 No.10

구조물 건전성 감시를 위한 시간반전 능동감지기법

박현우 ( Park Hyun-woo ),김승범 ( Kim Seung-bum ),손훈 ( Sohn Hoon ) 한국구조물진단유지관리공학회 2005 한국구조물진단유지관리공학회 학술발표대회 논문집 Vol.9 No.2

판에서의 구조물 건전성 감시를 위한 시간반전 능동센싱을 소개한다. 이 시간반전 능동센싱은 현대음향학의 시간반전기법을 근간으로 하고 있다. 시간반전 음향학에 따르면 가진점에서 입사된 입력신호에 대응되는 다른지점의 응답신호를 시간영역에서 반전시킨 후 재입사시키면 가진점에서 원래 입사시킨 입력파를 복원할 수 있다. 이 연구에서는 수치모사 및 실험을 통해 판구조물에서 발생하는 램파의 시간반전성을 이해하고, 시간반전성을 판구조물의 손상진단에 적용할 수 있는지 고찰하였다. Time reversal active sensing is introduced for structural health monitoring (SHM) of a plate. The key idea of this time reversal active sensing is originated from time reversal method of time reversal acoustics. According to the time reversal acoustics, an input signal can be reconstructed at an excitation point if an response signal recorded at another point is reversed in a time domain and emitted back to the original source point. In this study, numerical simulations and experimental studies are conducted to understand the time reversibility of Lamb waves and investigate the applicability of this time reversibility to detecting damage of a plate.