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ISSN : 2093-5145(Print)
ISSN : 2288-0232(Online)
Journal of the Korean Society for Advanced Composite Structures Vol.9 No.3 pp.1-8
DOI : https://doi.org/10.11004/kosacs.2018.9.3.001

Brillouin-OTDR Strain Response Analysis of Optical Fiber-embedded Carbon Fiber Sheet

Byeong-Cheol1 Kim1, Kyu-San Jung2, Joon-Seok Park3, Ki-Tae Park4
1Research Specialist, KICT, Structural Engineering Research Institute, Goyang, Korea
2Postdoctoral Research Associate, KICT, Structural Engineering Research Institute, Goyang, Korea
3Postdoctoral Research Associate, KICT, Structural Engineering Research Institute, Goyang, Korea
4Research Fellow, KICT, Structural Engineering Research Institute, Goyang, Korea
Corresponding author: Kim, Byeong-Cheol Structural Engineering Research Institute, Korean Institute of Civil Engineering and Building Technology, Goyangdae-ro 283, Goyang, Gyeonggi, 10223, Republic of Korea. Tel: +82-31-995-0880, E-mail: bckim@kict.re.kr
July 5, 2018 July 27, 2018 July 30, 2018

Abstract


Carbon fiber has high tensile strength and durability, and the reinforcement method of attaching the carbon fiber sheet to the surface of the structure is a typical method used for repairing and reinforcing a concrete structure. However, it is difficult to confirm the reinforcing performance after the construction. If an optical fiber is pre-embedded in the carbon fiber sheet and using it as a sensor, it will be possible to evaluate the reinforcing performance of the structure by finding detachment and separation. The object of this study is to confirm the basic feasibility of proposed sensing type reinforcement material. The optical fiber-embedded carbon fiber sheet specimens of variable size, optical fiber spacing are manufactured. Brillouin scattering of the optical fiber according to the deformation of the specimen is measured using BOTDR(Brillouin Optical Time Domain Reflectometer) and the strains responses are analyzed. From the results, the applicability of the sensing type carbon fiber sheet and the minimum requirements of the BOTDR are confirmed.



광섬유 매립 탄소섬유시트의 Brillouin-OTDR 변형률 응답 분석

김 병철1, 정 규산2, 박 준석3, 박 기태4
1한국건설기술연구원 구조융합연구소 전임연구원
2한국건설기술연구원 구조융합연구소 박사후연구원
3한국건설기술연구원 구조융합연구소 박사후연구원
4한국건설기술연구원 구조융합연구소 선임연구위원

초록


탄소섬유는 인장강도와 내구성이 우수하므로 구조물의 표면에 탄소섬유시트를 부착하는 보강공법은 콘크리트 구조 물의 보수 및 보강에 사용되는 대표적인 방법이다. 그러나 탄소섬유시트 부착공법은 시공 후 보강성능의 확인이 어려운 단점이 있다. 탄소섬유시트에 광섬유를 매입하여 계측이 가능한 보강재로 사용하는 경우 미부착이나 탈락된 부위를 찾아내어 구조물의 보강수준을 평가할 수 있을 것으로 기대된다. 본 연구는 제작된 센싱보강재의 기본적인 가능성을 확인하기 위해 센싱보강재의 크기와 매립된 광섬유의 간격을 변인으로 두고 센싱보강재 실험체를 제작하였다. BOTDR (Brillouin Optical Time Domain Reflectometer)을 사용하여 시편의 변형에 따른 광섬유의 산란광으로부터 변형률을 계측하고 응답을 분석하였다. 분석 결과로 부터 보강수준 정량화를 위한 센싱보강재의 적용성 및 BOTDR의 최소요구성능을 확인하였다.



    1. 서 론

    탄소섬유는 인장강도 및 내구성 등 재료적 성능이 우 수하여 탄소섬유시트 부착공법은 콘크리트 구조물에 사용되는 대표적인 보수 및 보강 공법이다. 탄소섬유 시트 부착공법은 탄소섬유의 가볍고 유연한 특성으로 콘크리트 구조물에 대한 적용성이 높지만 시공된 이 후 탄소섬유시트와 부재 사이의 부착유무를 육안으로 확인하기 어려워 보강 성능 평가의 정량화가 어려운 단점이 있다. 현재 탄소섬유시트 부착공법은 수지에 함침 시킨 탄소섬유시트를 구조물에 부착하고 수지가 굳을 때 탈락되거나 미 부착된 부분을 탄성망치로 타 격하여 부착유무를 판단하고 있다. 인력에 의한 조사 방법은 공법의 신뢰도를 감소시키는 원인이 될 수 있 으며 시공이후 수지의 장기경화 과정 중에 탈락되는 부위를 찾아내기 위해서는 주기적으로 인력점검을 수 행해야하는 단점이 있다. 이러한 문제점을 해결하기 위해 광섬유 센서가 장착된 부착형 보강재를 이용한 구조물보강상태 분석방법이 제안된 바 있으나(2008, 황윤국 외) 분포형 센서로 활용되는 광섬유의 배치 및 신호처리 방법이 제안되지 않았다.

    광섬유를 센서로 이용하는 방법은 1990년대 후반 Fiber Bragg Grating (FBG) 방법이 개발된 이후 활발 한 연구가 진행되어 교량, 댐, 터널 및 지반 등의 변 형을 연속적으로 계측하는데 활용되고 있다. 그러나 FBG 방법은 특수하게 처리된 광섬유를 사용하여 측 점의 위치 변경이 불가능하고 측점의 개수에 한계가 있다. 분포형 센서인 Brillouin-OTDR은 FBG에 비해 상대적으로 정밀도가 낮은 편이지만 미리 특정되지 않 은 다수의 측정구간에서 계측이 가능한 장점이 있다.

    본 연구는 탄소섬유시트에 광섬유가 매립된 형태 로 보강과 계측을 동시에 수행할 수 있는 센싱형 계 측기술의 개발 가능성을 확인하기 위한 기초연구로써 센싱보강재 실험체를 제작하고 변형에 따른 Brillouin- OTDR 광신호의 변화를 분석하였다. 분석된 결과로부 터 센싱보강재의 손상 및 탈락의 위치와 면적을 효율 적으로 계측할 수 있는 광섬유의 적정 배치간격, 곡률 및 BOTDR 장비의 적정 계측간격과 신호처리 방법을 제안하였다.

    2. 분포형 광센서(Brillouin-OTDR)

    광섬유 내부에 빛이 입사되는 경우 매질의 특성에 의 해 빛이 내부에서 산란하여 극히 일부의 빛이 후방으 로 다시 반사된다. 후방 산란은 Rayleigh, Raman, Brillouin 산란으로 구분되며 산란광의 반사시간, 진폭, 파장을 분석하면 광섬유의 각 지점에 대한 반사율, 단 선, 온도, 변형률 등의 특성을 측정할 수 있다. 산란의 주된 원인인 Rayleigh산란은 매질의 굴절률 변화에 의 해 발생하며 입사광과 반사광의 파장이 동일하며 비 교적 간단한 장비로 계측 가능하므로 주로 광섬유의 단선과 광손실량을 측정하는데 사용된다. Raman 산란 은 Fig. 1과 같이 anti-stokes 범위에서 온도에 따라 진 폭이 변화한다. Brillouin산란은 광섬유의 변형률 및 온도에 따라 변화한다. BOTDR은 Brillouin산란의 파 장 변화를 계측하여 온도에 의한 오차를 보정하는 방 법으로 변형률을 산정한다.

    3. 센싱보강재 계측 실험

    콘크리트 구조물을 보강하기 위해 부착된 탄소섬유시 트는 시공과정에서의 결함에 의하여 손상 및 탈락이 발생할 수 있으며 이러한 손상 및 탈락은 탄소섬유시 트의 변형을 수반한다. 탄소섬유시트에 광섬유를 매립 한 센싱형 계측기술을 이용하여 탄소섬유시트의 변형 을 측정한다면 손상 및 탈락의 위치와 면적을 산정할 수 있다. 탄소섬유시트의 변형을 효과적으로 계측하기 위하여 광섬유를 배치한 센싱보강재를 고안하고 실험체 를 제작하였다. 제작된 센싱보강재 실험체의 변형에 따 른 광신호의 변화를 BOTDR을 이용하여 측정하였다.

    3.1 센싱보강재 실험체 제작

    탄소섬유시트의 변형을 계측하기 위한 센싱보강재 실 험체는 Fig. 2와 같은 선형과 온돌형 2종류로 Table 1 과 같이 총 4개의 실험체를 제작하였다. 실험체는 모 재로 사용된 아크릴판 위에 9/125μm 규격의 single mode bare fiber를 배치하고 그 위에 레진을 도포하고 탄소섬유시트를 부착한 다음 다시 레진으로 마감하는 방법으로 제작 하였다. 광섬유 및 탄소섬유시트의 부 착에 사용한 레진은 EF200N 제품을 사용하였고 시트 부착 실험체 OT_B는 폭 50cm의 단위면적중량 200 g/m2의 탄소섬유시트를 적용하였다.

    3.2 센싱보강재 변형에 따른 BOTDR 응답 변화

    센싱보강재와 BOTDR은 광섬유를 융착접속하여 실험 을 진행하였으며 실험체를 변경할 때 마다 광섬유를 절단 후 재융착하여 실험을 진행하였다. 센싱보강재의 변형은 종방향 변형을 기본으로 3∼5단계에 나누어 실험체의 변형을 도입하였다. OT_A 및 OT_C 실험체 의 경우 횡방향의 변형을 도입하여 계측을 진행하였 다. 센싱보강재의 변형에 따른 광신호의 변화를 계측 하기 위한 BOTDR은 한국광해관리공단에서 보유하고 있는 Fig. 3의 장비를 사용하여 계측을 수행하였다. 실험 수행 시 BOTDR 시스템 설정은 Table 2와 같다. 장비 성능에 따라 가능한 최소 계측점 간격인 500mm 를 계측간격으로 설정하였다.

    센싱보강재 실험체의 제원 및 실험 방법을 Table 1에 정리하였다. BOTDR 장비는 온도의존성을 갖는 것으로 알려져 있으므로 약 20분간 예열 후 첫 번째 실험을 수행하였다. LT-1의 실험에 대하여 BOTDR 장비로 계측된 OTDR, Brillouin intensity, 반사광의 주 파수, 온도, 보정 및 무보정 변형률 값을 Fig. 4에 도 시하였다. BOTDR은 반사광의 Rayleigh산란 강도와 Brillouin산란 강도 및 주파수를 측정하여 온도와 변형 률을 산출한다. 산출된 변형률을 온도로 보정하여 보 정된 변형률을 얻을 수 있다. 계측 시작점 부터 약 115m 까지의 구간은 BOTDR 내부와 실험체 까지 연 결되는 광섬유로부터 계측된 값을 나타내며 약 128m 위치에서 광섬유가 단절되었다. BOTDR의 계측점 간 격이 0.5m이고 LT-1 실험체의 내부 광섬유 길이가 1.5인 것을 고려하면 실험체 내부의 광섬유의 계측 결 과값은 3∼5개의 계측점에 포함된다.

    실험체 주변의 온도 보정된 변형률과 초기값에 대 한 상대 변형률을 Fig. 6에 나타내었다. Fig. 6(a)(b) LT-1 실험체의 변형률 계측 결과는 Fig. 4의 응답 중 보정 및 무보정 변형률 응답을 확대한 것이며 다른 실험체들도 동일하게 실험체를 포함하는 응답구간을 확대하여 도시하였다. 사선으로 강조된 영역은 실험체 내부 구간에 해당된다. 실험체 내부 광섬유의 변형률 에 비해 실험체 이외 구간의 무응력 상태인 광섬유의 변형률은 Fig. 4의 130m 지점 이후의 응답과 같이 매 우 큰 노이즈를 나타낸다.

    모든 실험체의 결과에서 동일하게 Initial값은 실험 체를 평편한 바닥에 놓아둔 상태로 계측하였으며 Test 1에서부터 Test 5까지 숫자가 증가할수록 실험체의 종 방향 혹은 횡방향 휨변형의 크기가 증가함을 의미한 다. 실험체의 종방향 및 횡방향 휨변형 재하 방법은 Fig. 5와 같이 실험체 하부에 지지물을 삽입하고 지점 을 두어 강제 변위를 도입하였다.

    실험체의 휨에 대한 절대변형률 계측 결과 Fig. 6 (a)(c)(e)(g)(i)(k)에서 변형이 없는 Initial응답이 주변부 와 높은 변형률 차이를 보이는 것은 센싱보강재의 제 작 단계에서 도포한 수지가 경화하는 과정에서 광섬 유에 초기 응력을 도입시켰기 때문으로 판단된다. 센 싱보강재에 휨변형을 도입하지 않은 초기 광섬유 응 답 변형률 결과 Initial을 기준으로 한 상대 변형률은 Fig. 6(b)(d)(f)(h)(j)(l)에 도시하였다.

    4. 결과 분석

    분포형 광계측 장비인 BOTDR은 특정점 계측 방식에 비해 일반적으로 정밀도가 낮은 것으로 알려져 있다. 강제 변형을 도입하지 않은 상태의 초기상태에 대한 계측을 2번 이상 수행한 실험 LT-2, OT-1, OT-3에서 실험체 내부에 해당하는 구간의 기준 초기 변형률값 에 대한 초기값의 최대 오차를 Table 3에 나타내었다. 실험체에 변형이 없이 반복적으로 계측한 결과에서도 종방향 재하에 대한 결과인 LT-2와 OT-1에서 최대 40.6μϵ의 평균오차를 보였고, 횡방향 재하 실험체 OT-3에서는 30.4μϵ의 평균 오차를 보였다. 오차의 최 대값은 각 계측마다 22.2∼133.1μϵ의 값을 나타내었 고, 오차의 표준편차는 12.1∼38.3μϵ 범위에 있다. 평 균오차와 표준편차에 비해 상대적으로 오차의 절대값 이 큰 값을 나타내었다. 실험 초기값의 오차값으로 미 루어 BOTDR로 계측된 상대변형률이 구간평균인 경 우 40.6μϵ 이상, 단일계측점의 경우 133.1μϵ 이상인 경우 센싱보강재의 변형을 확인할 수 있다. 동일 회차 에서 광섬유의 길이방향의 상대 변형률은 정밀도가 높은 반면 OT-1과 OT-2 실험의 Unload 상태의 결과 에서도 확인되는 것와 같이 반복실험에 대한 계측값 의 일관성은 상대적으로 낮은 것으로 확인되었다.

    실험체 내부 광섬유의 가장 큰 상대변형률 응답이 계측된 지점의 실험체 변형 증가에 따른 상대변형률 을 Table 4와 Fig. 7에 나타내었다. 실험체의 변형 단 계 증가에 따른 광섬유의 변형률 변화의 1차 추세선 기울기는 종방향 휨변형에 대해서는 4.6∼29.3μϵ의 값 을 나타내었고 횡방향 휨변형에 대해서는 186.1∼ 196.8μϵ의 값을 나타내었다. 추세선의 결정계수 R2는 종방향 휨변형에 대해서 0.217∼0.897, 횡방향 휨변형 에 대해서 0.864∼0.877의 값을 나타냈다.

    LT실험체는 Fig. 2(a)와 같이 길이방향으로 3개의 광섬유가 매립되어 있으며 한 가닥만을 BOTDR에 연 결하여 계측한 결과는 LT-1, 광섬유 종점에서 다른 한 가닥의 광섬유를 연결한 결과를 LT-2에 해당한다. LT-2의 첫 번째 영역 결과는 LT-1과 동일 조건, 동일 광섬유의 응답을 나타낸다. LT-2의 결과와 같이 두 개의 실험체를 연이어 계측하는 경우 계측결과의 결 정계수가 0.842에서 0.217∼0.707로 감소하였다. 센싱 보강재에 매립된 광섬유가 두 개 이상의 계측구간을 통과하도록 연결하는 경우 계측결과의 정밀도가 감소 할 것으로 예상된다. LT-2의 실험에서 첫 번째로 연 결된 계측구간(LT-2(1st))의 결정계수가 두 번째 계측 구간(LT-2(2nd))의 결정계수보다 작은 것으로 볼 때 계측 시점과 계측점의 거리가 멀수록 오차가 증가하 는 경향성을 갖지 않는 것으로 확인하였다.

    Table 4에 나타낸 추세선의 기울기는 제작된 실험 체의 휨변형 단계에 따른 변형률의 변화량을 나타내 므로 계측 민감도로 생각할 수 있다. 동일한 실험체에 서 변형의 방향을 다르게 계측한 OT-3과 OT-2의 계 측 결과에서 확인되는 것과 같이 종방향 휨변형에 대 한 계측 민감도는 27.5, 횡방향 휨변형에 대한 계측 민감도는 196.8로 횡방향 휨변형에 대한 민감도가 종 방향에 비하여 7배 이상 높게 나타났다. OT 실험체의 경우 Fig. 2(b)와 같이 실험체의 횡방향으로 많은 광 섬유가 배치되어 있어 더 높은 계측 민감도를 나타내 는 것으로 확인된다. 계측간격 만큼의 길이에 해당하 는 구간(계측간격 500mm)의 광섬유 변형률 평균값을 산정하는 BOTDR의 장비 특성을 고려하면 광섬유가 온돌형으로 배치된 센싱보강재 광섬유의 배치 간격 (Table 1)보다 BOTDR의 계측간격이 더 작거나 같은 경우에 종방향 계측의 민감도를 확보할 수 있을 것으 로 판단된다. 현재 연구에서 사용한 BOTDR의 계측간 격을 50mm 이하까지 정밀도를 확보하는 경우 센싱보 강재의 국부적인 변형까지도 계측 할 수 있을 것으로 예상된다.

    5. 결 론

    본 연구는 콘크리트 구조물의 대표적인 보강 공법인 탄소섬유시트 부착 공법의 신뢰도를 높이기 위하여 탄소섬유시트에 광섬유를 매립한 센싱형 계측기술을 제안하였다. 센싱보강재 실험체의 변형에 따른 광신호 의 변화를 BOTDR 장비를 이용하여 계측하여 다음과 같은 결론을 얻을 수 있었다.

    • 1) 탄소섬유시트 부착 공법에 센싱보강재를 적용 하고 BOTDR을 이용하여 계측을 수행하는 경우 실험 초기값의 오차로 미루어 센싱보강재에 포함된 광섬유 의 변형률이 50μϵ 이상의 차이를 나타내어야 센싱보 강재의 변형 유무를 구분할 수 있을 것으로 판단된다.

    • 2) 센싱보강재에 매립된 광섬유가 두 개 이상의 계측구간을 통과하도록 연결하는 경우 계측결과의 정 밀도가 감소할 것으로 예상된다. 또한 두 개 이상의 계측점에서 계측 시점과 계측점의 거리가 멀수록 오차 가 증가하는 경향성을 갖지 않는 것으로 확인하였다.

    • 3) 광섬유가 온돌형으로 배치된 센싱보강재의 경 우 횡방향 휨에 대하여 민감한 광신호 변화를 나타내 지만 종방향에 대한 민감도는 상대적으로 낮다. 종방 향의 변형에 대한 민감도를 확보하기 위해서는 BOTDR의 계측간격은 센싱보강재 광섬유의 배치 간 격 이하로 설정하여야 한다.

    탄소섬유시트에 광섬유를 매립하여 부착 공법을 시공한 이후 광섬유를 센서로 이용하여 시트의 탈락 과 손상 등의 변형을 계측하는 경우 구조물의 보강 성능을 정량적으로 평가할 수 있다. 본 연구의 결과로 부터 센싱보강재를 이용한 탄소섬유시트 부착 공법의 개선 가능성을 확인하였다. 향후 BOTDR의 정밀도와 계측간격이 개선되고 센싱보강재 사이의 연결에 의한 광신호 감쇠가 개선되는 경우 안정적인 탄소섬유시트 부착 공법의 모니터링이 가능할 것으로 기대된다.

    ACKNOWLEDGMENT

    이 연구는 국토교통부 건설기술연구개발사업의 연구 비지원(과제번호: 17SCIP-B128496-01)에 의해 수행되 었습니다.

    Figure

    KOSACS-9-1_F1.gif
    Characteristics of OTDR scattering light
    KOSACS-9-1_F2.gif
    Test specimen of sensing type reinforcements
    KOSACS-9-1_F3.gif
    Brillouin-OTDR equipment
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    BOTDR measured values of test LT-1
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    Longitudinal and lateral bending of specimens
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    Compensate strain of specimens ( : range of specimen)
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    Measured relative compensate strains of optical fiber at each maximum relative strain response position with respect to the increasing specimen deformation

    Table

    Specification of sensing type reinforcements test specimens
    BOTDR system status at experiment
    BOTDR initial strain error at each specimen
    Measured relative compensate strains of optical fiber at each maximum relative strain response position with respect to the increasing specimen deformation and the trend line slopes

    Reference

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