KR101926979B1 - 철근 콘크리트 부재 내 열화인자 확산 모니터링 장치, 철근 콘크리트 부재 내 열화인자 모니터링 시스템 및 철근 콘크리트 부재 내 열화인자 모니터링 방법 - Google Patents
철근 콘크리트 부재 내 열화인자 확산 모니터링 장치, 철근 콘크리트 부재 내 열화인자 모니터링 시스템 및 철근 콘크리트 부재 내 열화인자 모니터링 방법 Download PDFInfo
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Abstract
철근 콘크리트 부재 내 열화인자 확산 모니터링 장치가 개시되며, 상기 철근 콘크리트 부재 내 열화인자 확산 모니터링 장치는, 상기 철근 콘크리트 부재 내부에 배치되어 저항값을 측정하는 복수의 다채널 센서군; 및 상기 복수의 다채널 센서군으로부터 측정된 저항값에 기반하여 상기 철근 콘크리트 부재 내부의 환경 부식경향에 관한 데이터를 생성하는 분석부를 포함하되, 상기 복수의 다채널 센서군은, 상기 철근 콘크리트 부재 내부에서 서로 상이한 깊이에 위치하도록 깊이 방향을 따라 간격을 두고 배치되고, 상기 복수의 다채널 센서군 각각은, 동일한 깊이에 대응하여 배치되는 복수의 센서를 포함한다.
Description
본원은 철근 콘크리트 부재 내 열화인자 확산 모니터링 장치, 철근 콘크리트 부재 내 열화인자 모니터링 시스템 및 철근 콘크리트 부재 내 열화인자 모니터링 방법에 관한 것이다.
일반적으로 철근 콘크리트 부재는 압축에 잘 견디는 콘크리트와 인장에 잘 견디는 철근으로 구성되어 대형 건축물이나 토목 구조물 등에 널리 이용되고 있다.
철근 콘크리트 부재 내부에 사용되는 철근은 정상적인 경우에는 콘크리트의 강알칼리 환경에서 부동태 보호 피막을 형성하므로 잘 부식되지 않는다. 그러나 철근 콘크리트 부재 내의 균열 또는 미세 공극을 통해 염화 이온(Cl-), 이산화탄소(CO2), 황산 이온(SO4 2-) 등의 열화인자가 침투할 경우, 철근이 부식될 수 있다.
열화인자는 철근 콘크리트 부재 내부에 침투되어 소정 시간의 잠복기를 거친 후 철근을 부식시키게 되는데, 철근이 부식되면 부식으로 인한 생성물의 부피가 불어나면서 내부의 압력이 증가하게 되어 철근을 둘러싸고 있는 콘크리트가 파손될 수 있다.
콘크리트가 파손되면 열화인자들이 철근에 더 쉽게 도달할 수 있으므로 철근의 부식은 더욱 가속화된다. 따라서, 콘크리트 표면에서 균열이나 녹이 발견되었다면, 내부에서 철근의 부식이 상당히 진전되었음을 의미한다. 따라서, 철근 콘크리트 부재 내 열화인자를 모니터링하여 철근 콘크리트 부재의 부식을 예측하고 조기 발견할 필요가 있다. 특히, 철근 콘크리트 부재의 부식 예측 및 조기 발견은 건물의 보수 및 보강 계획을 수립하게 하여 건물의 붕괴를 미연에 방지시킬 수 있다는 점에서 중요하다 할 수 있다.
이런 이유로, 철근 콘크리트 부재 내의 열화인자를 모니터링하기 위한 연구가 계속되고 있으며, 특히, 철근 콘크리트 부재에 영향을 주지 않는 비파괴 방식으로 모니터링하기 위한 연구가 진행되고 있다.
또한, 철근 콘크리트 부재 내의 열화인자를 모니터링할 경우, 데이터를 외부 관리 장치로 전송하여 해당 건물에 대한 부식 및 내구성 등을 관리할 필요가 있다.
본원의 배경이 되는 기술은 일본등록특허 제4688080호에 개시되어 있다.
본원은 전술한 종래 기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 철근 콘크리트 부재에 영향을 주지 않는 비파괴 방식으로 철근 콘크리트 부재 내의 열화인자를 모니터링하기 위한 장치와 방법을 제공하고, 열화인자를 모니터링하여 외부 관리 장치로 전송하기 위한 시스템을 제공하는 것을 목적으로 한다.
다만, 본원의 실시예가 이루고자 하는 기술적 과제는 상기된 바와 같은 기술적 과제들도 한정되지 않으며, 또 다른 기술적 과제들이 존재할 수 있다.
상기한 기술적 과제를 달성하기 위한 기술적 수단으로서, 본원의 제 1 측면에 따른 철근 콘크리트 부재 내 열화인자 확산 모니터링 장치는, 상기 철근 콘크리트 부재 내부에 배치되어 저항값을 측정하는 복수의 다채널 센서군; 및 상기 복수의 다채널 센서군으로부터 측정된 저항값에 기반하여 상기 철근 콘크리트 부재 내부의 환경 부식경향에 관한 데이터를 생성하는 분석부를 포함하되, 상기 복수의 다채널 센서군은, 상기 철근 콘크리트 부재 내부에서 서로 상이한 깊이에 위치하도록 깊이 방향을 따라 간격을 두고 배치되고, 상기 복수의 다채널 센서군 각각은, 동일한 깊이에 대응하여 배치되는 복수의 센서를 포함할 수 있다.
본원의 제 2 측면에 따른 철근 콘크리트 부재 내 열화인자 확산 모니터링 시스템은, 상기 철근 콘크리트 부재 내부의 환경 부식경향에 관한 데이터를 생성하는 철근 콘크리트 부재 내 열화인자 확산 모니터링 장치; 및 상기 열화 인자 확산 모니터링 장치로부터 상기 데이터를 수집하여 상기 철근 콘크리트 부재의 부식 상태를 관리하고 건물의 내구성을 분석하는 부식 관리부를 포함하되, 상기 철근 콘크리트 부재 내 열화인자 확산 모니터링 장치는, 상기 철근 콘크리트 부재 내부에 배치되어 저항값을 측정하는 복수의 다채널 센서군; 및 상기 복수의 다채널 센서군으로부터 측정된 저항값에 기반하여 상기 철근 콘크리트 부재 내부의 환경 부식경향에 관한 데이터를 생성하는 분석부를 포함하고, 상기 복수의 다채널 센서군은, 상기 철근 콘크리트 부재 내부에서 서로 상이한 깊이에 위치하도록 깊이 방향을 따라 간격을 두고 배치되고, 상기 복수의 다채널 센서군 각각은, 동일한 깊이에 대응하여 배치되는 복수의 센서를 포함할 수 있다.
본원의 제 3 측면에 따른 철근 콘크리트 부재 내 열화인자 확산 모니터링 방법은, (a) 상기 철근 콘크리트 부재 내부에 배치되는 복수의 다채널 센서군이 저항값을 측정하는 단계; 및 (b) 분석부가 상기 복수의 다채널 센서군으로부터 측정된 저항값에 기반하여 상기 철근 콘크리트 부재 내부의 환경 부식경향에 관한 데이터를 생성하는 단계를 포함하되, 상기 복수의 다채널 센서군은, 상기 철근 콘크리트 부재 내부에서 서로 상이한 깊이에 위치하도록 깊이 방향을 따라 간격을 두고 배치되고, 상기 복수의 다채널 센서군 각각은, 동일한 깊이에 대응하여 배치되는 복수의 센서를 포함할 수 있다.
상술한 과제 해결 수단은 단지 예시적인 것으로서, 본원을 제한하려는 의도로 해석되지 않아야 한다. 상술한 예시적인 실시예 외에도, 도면 및 발명의 상세한 설명에 추가적인 실시예가 존재할 수 있다.
전술한 본원의 과제 해결 수단에 의하면, 철근 콘크리트 부재 내부에 배치되는 복수의 다채널 센서군이 측정하는 저항값을 이용해 분석부가 콘크리트 부재 내부의 환경 부식경향에 관한 데이터를 생성할 수 있어, 비파괴 방식으로 철근 콘크리트 부재의 부식을 예측하거나 조기 발견할 수 있다. 또한, 복수의 다채널 센서군이 철근 콘크리트 부재 내부에서 깊이 방향을 따라 간격을 두고 배치되므로, 철근 콘크리트 부재 내부에서의 깊이 방향으로의 열화인자의 침투 여부, 침투 위치 및 침투 속도 등이 모니터링 될 수 있다.
도 1은 본원의 일 실시예에 따른 철근 콘크리트 부재 내 열화인자 확산 모니터링 장치가 철근 콘크리트 부재에 위치하는 것을 설명하기 위한 개략적인 개념도이다.
도 2a는 바닷물 조건과 유사한 수용액 내에 배치된 시편의 일(day) 별 저항 변화를 도시한 그래프이다.
도 2b는 바닷물 조건과 유사한 수용액 내에 배치된 시편의 일(day) 별 부식비를 도시한 그래프이다.
도 2c는 실제 열화인자 중 가장 영향을 크게 주는 염화 이온(Cl-)의 양을 프로파일 해본 결과를 도시한 그래프이다.
도 2d는 [Cl-]/[OH-]의 비율에 따른 시편의 부식도(rate of corrosion)를 나타내는 그래프이다.
도 2e는 철근 콘크리트 부재 내에서 표면으로부터의 거리에 따른 염화 이온 농도를 나타내는 그래프이다.
도 3은 본원의 일 실시예에 따른 철근 콘크리트 부재 내 열화인자 확산 모니터링 장치가 철근 콘크리트 부재 내에 위치하는 것을 설명하기 위한 개략적인 단면도이다.
도 4 및 도 5는 본원의 일 실시예에 따른 철근 콘크리트 부재 내 열화인자 확산 모니터링 장치의 개략적인 개념 사시도이다.
도 6은 본원의 일 실시예에 따른 철근 콘크리트 부재 내 열화인자 확산 모니터링 장치의 센서의 막 구조를 설명하기 위한 개략적인 개념도이다.
도 7은 본원의 일 실시예에 따른 철근 콘크리트 부재 내 열화인자 확산 모니터링 장치의 일 구현예에 따른 패턴을 갖는 막 구조의 개략적인 평면도이다.
도 8은 본원의 일 실시예에 따른 철근 콘크리트 부재 내 열화인자 확산 모니터링 장치의 다른 구현예에 따른 패턴을 갖는 막 구조의 개략적인 평면도이다.
도 9는 본원의 일 실시예에 따른 철근 콘크리트 부재 내 열화인자 확산 모니터링 장치의 음이온 교환막의 외면의 SEM 이미지이다.
도 10은 본원의 일 실시예에 따른 철근 콘크리트 부재 내 열화인자 확산 모니터링 장치의 음이온 교환막의 내부 단면의 SEM 이미지이다.
도 11은 본원의 일 실시예에 따른 철근 콘크리트 부재 내 열화인자 확산 모니터링 장치의 센서의 단자를 설명하기 위한 개략적인 센서의 평면도이다.
도 12는 동일한 건물 내에서 서로 다른 철근 콘크리트 부재에 구비되는 본원의 일 실시예에 따른 철근 콘크리트 부재 내 열화인자 확산 모니터링 장치를 설명하기 위한 개념도이다.
도 13은 본원의 일 실시예에 따른 철근 콘크리트 부재 내 열화인자 확산 모니터링 장치의 통신부의 배치를 설명하기 위한 개략적인 개념도이다.
도 14a는 10 cm × 10 cm × 10 cm의 규격의 콘크리트 부재 내에서의 무선 통신을 시뮬레이션 하였을 때 나타난 파동의 거동을 도시한 사진이다.
도 14b는 20 cm × 20 cm × 20 cm의 규격의 콘크리트 부재 내에서의 무선 통신을 시뮬레이션 하였을 때 나타난 파동의 거동을 도시한 사진이다.
도 15는 본원의 일 실시예에 따른 철근 콘크리트 부재 내 열화인자 확산 모니터링 장치의 전력 공급 커넥터에 의한 전력 수신을 설명하기 위한 개략적인 개념도이다.
도 16은 본원의 일 실시예에 따른 철근 콘크리트 부재 내 열화인자 확산 모니터링 장치의 보호 레이어의 효과를 설명하기 위해, pH 7 환경에서 염분 농도(NaCl)를 달리하여 시간에 따른 센서의 저항 변화(R/R0)를 측정한 그래프이다.
도 17은 pH 12 환경에서 염분 농도(NaCl)을 달리하여 본원의 일 실시예에 따른 철근 콘크리트 부재 내 열화인자 확산 모니터링 장치의 센서의 저항 변화(R/R0)를 측정한 그래프이다.
도 18은 철근 콘크리트 부재 내 위치에 따른 열화인자 침투 시간을 나타내는 그래프이다.
도 19는 본원의 일 실시예에 따른 철근 콘크리트 부재 내 열화인자 확산 모니터링 방법을 설명하기 위한 개략적인 흐름도이다.
도 2a는 바닷물 조건과 유사한 수용액 내에 배치된 시편의 일(day) 별 저항 변화를 도시한 그래프이다.
도 2b는 바닷물 조건과 유사한 수용액 내에 배치된 시편의 일(day) 별 부식비를 도시한 그래프이다.
도 2c는 실제 열화인자 중 가장 영향을 크게 주는 염화 이온(Cl-)의 양을 프로파일 해본 결과를 도시한 그래프이다.
도 2d는 [Cl-]/[OH-]의 비율에 따른 시편의 부식도(rate of corrosion)를 나타내는 그래프이다.
도 2e는 철근 콘크리트 부재 내에서 표면으로부터의 거리에 따른 염화 이온 농도를 나타내는 그래프이다.
도 3은 본원의 일 실시예에 따른 철근 콘크리트 부재 내 열화인자 확산 모니터링 장치가 철근 콘크리트 부재 내에 위치하는 것을 설명하기 위한 개략적인 단면도이다.
도 4 및 도 5는 본원의 일 실시예에 따른 철근 콘크리트 부재 내 열화인자 확산 모니터링 장치의 개략적인 개념 사시도이다.
도 6은 본원의 일 실시예에 따른 철근 콘크리트 부재 내 열화인자 확산 모니터링 장치의 센서의 막 구조를 설명하기 위한 개략적인 개념도이다.
도 7은 본원의 일 실시예에 따른 철근 콘크리트 부재 내 열화인자 확산 모니터링 장치의 일 구현예에 따른 패턴을 갖는 막 구조의 개략적인 평면도이다.
도 8은 본원의 일 실시예에 따른 철근 콘크리트 부재 내 열화인자 확산 모니터링 장치의 다른 구현예에 따른 패턴을 갖는 막 구조의 개략적인 평면도이다.
도 9는 본원의 일 실시예에 따른 철근 콘크리트 부재 내 열화인자 확산 모니터링 장치의 음이온 교환막의 외면의 SEM 이미지이다.
도 10은 본원의 일 실시예에 따른 철근 콘크리트 부재 내 열화인자 확산 모니터링 장치의 음이온 교환막의 내부 단면의 SEM 이미지이다.
도 11은 본원의 일 실시예에 따른 철근 콘크리트 부재 내 열화인자 확산 모니터링 장치의 센서의 단자를 설명하기 위한 개략적인 센서의 평면도이다.
도 12는 동일한 건물 내에서 서로 다른 철근 콘크리트 부재에 구비되는 본원의 일 실시예에 따른 철근 콘크리트 부재 내 열화인자 확산 모니터링 장치를 설명하기 위한 개념도이다.
도 13은 본원의 일 실시예에 따른 철근 콘크리트 부재 내 열화인자 확산 모니터링 장치의 통신부의 배치를 설명하기 위한 개략적인 개념도이다.
도 14a는 10 cm × 10 cm × 10 cm의 규격의 콘크리트 부재 내에서의 무선 통신을 시뮬레이션 하였을 때 나타난 파동의 거동을 도시한 사진이다.
도 14b는 20 cm × 20 cm × 20 cm의 규격의 콘크리트 부재 내에서의 무선 통신을 시뮬레이션 하였을 때 나타난 파동의 거동을 도시한 사진이다.
도 15는 본원의 일 실시예에 따른 철근 콘크리트 부재 내 열화인자 확산 모니터링 장치의 전력 공급 커넥터에 의한 전력 수신을 설명하기 위한 개략적인 개념도이다.
도 16은 본원의 일 실시예에 따른 철근 콘크리트 부재 내 열화인자 확산 모니터링 장치의 보호 레이어의 효과를 설명하기 위해, pH 7 환경에서 염분 농도(NaCl)를 달리하여 시간에 따른 센서의 저항 변화(R/R0)를 측정한 그래프이다.
도 17은 pH 12 환경에서 염분 농도(NaCl)을 달리하여 본원의 일 실시예에 따른 철근 콘크리트 부재 내 열화인자 확산 모니터링 장치의 센서의 저항 변화(R/R0)를 측정한 그래프이다.
도 18은 철근 콘크리트 부재 내 위치에 따른 열화인자 침투 시간을 나타내는 그래프이다.
도 19는 본원의 일 실시예에 따른 철근 콘크리트 부재 내 열화인자 확산 모니터링 방법을 설명하기 위한 개략적인 흐름도이다.
아래에서는 첨부한 도면을 참조하여 본원이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 본원의 실시예를 상세히 설명한다. 그러나 본원은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 그리고 도면에서 본원을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다.
본원 명세서 전체에서, 어떤 부분이 다른 부분과 "연결"되어 있다고 할 때, 이는 "직접적으로 연결"되어 있는 경우뿐 아니라, 그 중간에 다른 소자를 사이에 두고 "전기적으로 연결"되어 있는 경우도 포함한다.
본원 명세서 전체에서, 어떤 부재가 다른 부재 "상에", "상부에", "상단에", "하에", "하부에", "하단에" 위치하고 있다고 할 때, 이는 어떤 부재가 다른 부재에 접해 있는 경우뿐 아니라 두 부재 사이에 또 다른 부재가 존재하는 경우도 포함한다.
본원 명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함" 한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성 요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.
본원은 철근 콘크리트 부재 내 열화인자 확산 모니터링 장치, 철근 콘크리트 부재 내 열화인자 모니터링 시스템 및 철근 콘크리트 부재 내 열화인자 모니터링 방법에 관한 것이다.
먼저, 본원의 일 실시예에 따른 철근 콘크리트 부재 내 열화인자 확산 모니터링 장치(이하 '본 모니터링 장치'라 함)(100)에 대해 설명한다.
도 1은 본 모니터링 장치가 철근 콘크리트 부재에 위치하는 것을 설명하기 위한 개략적인 개념도이다.
본 모니터링 장치(100)는 철근 콘크리트 부재(10) 내부의 열화인자 확산 추이를 모니터링 한다. 도 1을 참조하면, 예시적으로, 본 모니터링 장치(100)는 건물을 구성하는 철근 콘크리트 부재(10)에 구비(매립)되어 철근 콘크리트 부재(10)를 부식시키는 열화인자를 모니터링하고, 모니터링 된 데이터(모니터링 데이터)에 기반하여 철근 콘크리트 부재(10)의 부식 상태를 관리하며 건물의 내구성을 분석할 수 있다. 참고로 여기서 철근 콘크리트 부재(10)의 부식은 콘크리트 자체의 물리적 특성이 퇴화되는 것이 아니라 콘크리트 내부에 보강재로 삽입된 철근 등의 부식을 의미할 수 있다. 실제 철근 콘크리트 부재(10)가 설치된 후, 일정 시간이 경과되면 파손이 일어나는데, 파손의 원인의 대부분은 콘크리트 내부의 철근 등의 부식일 수 있다.
따라서, 철근 콘크리트 부재(10)의 부식도를 측정하기 위해 콘크리트 내에 삽입된 철근 등의 부식도가 측정될 수 있다. 일반적으로 정상적인 조건에서 콘크리트 내 철근의 부식은 잘 일어나지 않는다. 그 이유와 관련해서 설명하자면, 일반적으로, 콘크리트를 구성하는 시멘트에서는 가수분해가 일어나며, 사용된 시멘트의 약 30%가 Ca(OH)2로 변하여 오염되지 않은 시멘트에 의해 완전히 둘러 쌓인 철근은 pH 12 이상의 강한 알칼리성 분위기에 존재하게 될 수 있다. 이러한 경우, 콘크리트 내의 철근 표면에는 철산화물 피막이 매우 얇게 형성되는데, 비록 얇은 피막이라 하더라도 형성된 피막은 철근 표면의 전극전위를 크게 바꾸어 양극이 되는 것을 저지할 수 있다. 이에 따라, 일반적으로 콘크리트 내 철근의 부식은 방지되어 잘 일어나지 않을 수 있다.
그러나 내재염분 및 외래염분으로 인하여 콘크리트 내에 염화 이온(Cl-) 또는 황산 이온(SO42-)이 존재하게 되거나, 콘크리트 미세 공극 내의 수산화칼슘과 공기 중의 이산화탄소(CO2)가 반응하여 콘크리트 내의 알칼리도가 감소할 경우, 중성화 또는 탄산화가 발생하여 위와 같은 철 +3가의 부동태 피막이 파괴되면서 철근이 부식될 수 있다. 이 과정에서 염화 이온(Cl-), 이산화탄소(CO2), 황산이온(SO42-) 등의 열화인자는 철근 콘크리트 부재(10)에 침투하여 부동태 피막이 파괴될 때까지 잠복기를 거치게 된다. 따라서, 철근 콘크리트 부재(10)의 부식이 상당히 진행되기 전에 부식을 예측하고 조기 발견하기 위하여 열화인자를 모니터링하는 것이 중요할 수 있다.
도 2a는 바닷물 조건과 유사한 수용액 내에 배치된 시편의 일(day) 별 저항 변화를 도시한 그래프이며, 도 2b는 바닷물 조건과 유사한 수용액 내에 배치된 시편의 일(day) 별 부식비를 도시한 그래프이며, 도 2c는 실제 열화인자 중 가장 영향을 크게 주는 염화 이온(Cl-)의 양을 프로파일 해본 결과를 도시한 그래프이다.
이와 관련하여, 바닷물 조건과 유사한 수용액 내에 배치된 시편(예를 들어, 철근이 박힌 콘크리트 부재)의 일(day) 별 저항 변화(도 2a 참조) 및 부식비(부식도(rate of corrosion))(도 2b 참조)를 측정한 실험에 대해 설명한다. 참고로, 이러한 방식의 실험에 의하면 실제 해안가 근처의 교각 및 구조물의 조건과 유사한 조건으로 실험이 이루어질 수 있다.
도 2a를 참조하면, 저항비의 변화가 매설 깊이가 깊을수록 천천히 이루어진다는 것을 확인할 수 있다. 또한, 도 2a를 참조하면, 저항비의 변화는 초반에 급격하게 변화(상승)하다가 어느 기준 이후로는 변화가 안정화되는 것을 확인할 수 있는데, 이를 통해 콘크리트가 수용액에 노출된 직후에는 급격한 열화인자들의 유입으로 인해 환경의 부식경향도 급격하게 변하지만 이후 안정화되어 경향의 변화도 안정화되는 것을 확인할 수 있다. 참고로, 도 2b를 참조하면, 부식비를 통해 확인한 결과, 50일 이전에는 수용액이나 [Cl]/[OH]비가 0.15 정도의 환경에 노출되었을 때 보이는 부식경향과 유사한 것으로 보인다.
또한, 도 2c를 참조하면, 실제 열화인자 중 가장 영향을 크게 주는 염화 이온(Cl-)의 양을 프로파일 해본 결과, 도 2b의 부식비가 실제 염화 이온의 확산과 관련이 있다는 점을 확인할 수 있다.
도 2d는 [Cl-]/[OH-]의 비율에 따른 철근 콘크리트 부식도(rate of corrosion)를 나타내는 그래프이다. 공극수 내에 NaCl을 혼입한 용액의 [Cl-]/[OH-] 비율을 0 에서 0.15, 0.3, 0.45, 0.6, 0.75, 0.9까지 조절하였다. 이 용액에 철근 콘크리트 부재의 시편을 침지시킨 후 철근 콘크리트 부재의 시편의 부식도를 측정하였다.
도 2d를 참조하면, [Cl-]/[OH-]의 비율이 높아질수록 철근 콘크리트 부식도가 증가하는 양상을 나타내는 것으로, [Cl-]/[OH-] 비율 상승이 철근 콘크리트 부재의 부식에 영향을 준다는 것을 알 수 있다.
도 2e는 철근 콘크리트 부재 내에서 표면으로부터의 거리에 따른 염화 이온 농도를 나타내는 그래프이다. 구체적으로, 도 2e는 후술할 본 모니터링 장치(100)의 센서가 설치되고 10일, 20일, 50일, 100일 각각이 경과될 때 철근 콘크리트 부재의 벽면으로부터 10mm 거리 단위로 염화 이온 농도를 측정한 그래프이다.
도 2e를 참조하면, 10일이 경과되었을 때, 철근 콘크리트 부재의 벽면(즉, 건물 외벽)으로부터 10mm 거리 내에서 약 0.1~1.4의 염화 이온 농도가 측정되었고, 15mm 내지 50mm 거리에서는 염화 이온이 측정되지 않았다. 즉, 10일이 경과했을 때는 염화 이온이 10mm 내외로 침투한 것을 알 수 있다.
한편, 20일이 경과되었을 때, 철근 콘크리트 벽면으로부터 20mm 거리 내에서 약 0.1~1.4의 염화 이온 농도가 측정되었고, 20mm 내지 50mm 거리에서는 염화 이온이 측정되지 않았다. 또한, 50일이 경과되었을 때, 철근 콘크리트 벽면으로부터 30mm 거리 내에서 약 0.1~1.4의 염화 이온 농도가 측정되었고, 30mm 내지 50mm 거리에서는 염화 이온이 측정되지 않았다. 또한, 100일이 경과되었을 때, 철근 콘크리트 벽면으로부터 40mm 거리 내에서 약 0.1~1.5의 염화 이온 농도가 측정되었고, 40mm 내지 50mm 거리에서는 염화 이온이 측정되지 않았다.
즉, 도 2e에서와 같이, 염화 이온은 시간이 경과할수록 철근 콘크리트 부재의 벽면으로부터 내부로 침투하며, 시간이 경과할수록 각 거리 별 염화 이온 농도가 높게 측정되는 것을 알 수 있다. 이와 같이 시간이 경과하여 염화 이온이 철근 콘크리트 부재의 벽멱으로부터 내부로 침투할 경우 부식 가능성이 높아지므로, 철근 콘크리트 부재의 벽면 내의 다양한 거리(또는 위치)에서 염화 이온을 모니터링하여 철근 콘크리트의 부식을 예측하고 조기 발견할 필요가 있다.
정리하면, 구조물의 안전을 위해서 철근 콘크리트 부재(10)의 일정 수준 이상의 강도와 내구성이 확보되어야 하며, 이를 파악하기 위한 예측과 진단은 필수적이다. 이때 철근의 부식은 구조물의 내구성에 가장 큰 영향을 미치기에 이를 예측하는 것은 매우 중요하고, 철근을 부식시키는 가장 큰 요인은 콘크리트 내부의 중성화와 열화인자의 확산이므로, 이를 모니터링 할 높은 반응성과 안정성을 모두 보이는 센서, 개발된 센서를 통신모듈과 연결하여 외부에서 데이터를 송신할 수 있도록 하여 완벽한 smart monitoring system의 개발이 필요하다.
이를 위해, 본 모니터링 장치(100)는 철근 콘크리트 부재(10) 내부의 열화인자를 모니터링 함으로써, 철근 콘크리트 부재(10)의 부식 상태가 파악되게 할 수 있다. 예를 들어, 본 모니터링 장치(100)는 열화인자의 확산 추이를 모니터링할 수 있다. 이를테면, 철근 콘크리트 부재(10) 내의 각 깊이에서의 평균 저항 변화량 기울기, 열화인자의 철근 콘크리트 부재(10) 내로의 침투 여부, 열화인자가 어느 지점까지 침투되었는지, 어떤 속도를 가지고 침투되었는지 등 중 하나 이상을 모니터링함으로써, 열화인자의 침투 상태(열화인자의 확산 추이)를 모니터링 할 수 있다.
참고로, 상술한 바와 같이, 염화 이온(Cl-), 이산화탄소(CO2), 황산이온(SO42-) 등의 열화인자에 의해 철근 콘크리트 부재(10)에 부식이 발생될 수 있으므로, 본 모니터링 장치(100)에 의해 모니터링되는 열화인자는 염화 이온(Cl-), 이산화탄소(CO2) 및 황산이온(SO42-) 중 적어도 하나일 수 있다.
도 3은 본 모니터링 장치가 철근 콘크리트 부재 내에 위치하는 것을 설명하기 위한 개략적인 개념도이다.
도 3을 참조하면, 본 모니터링 장치(100)는 철근 콘크리트 부재(10) 내에 매설되고, 강유전체 매질로 이루어진 바디(110)를 포함할 수 있다. 이는 전자기파가 바디(110)를 잘 통과하도록 하기 위함이다. 참고로, 강유전체 매질은 석영 물질일 수 있다. 또한, 바디(110)는 바 또는 기둥 형상일 수 있다. 또한, 상술한 바와 같이, 바디(110)의 단면은 사각형 등과 같은 다각형 형상을 가질 수 있다. 또는 바디(110)의 단면은 원형일 수 있다. 다만, 철근 콘크리트 부재(10) 내에 용이하게 매립될 수 있도록, 바디(110)는 사각 기둥임이 바람직하다. 후술하겠지만, 바디(110)는 철근(410) 상에 부착된 상태로 콘크리트 내에 매립될 수 있다.
또한, 도 1 및 도 3을 함께 참조하면, 본 모니터링 장치(100)는 철근 콘크리트 부재(10) 내부에 배치되어 저항값을 측정하는 복수의 다채널 센서군(120)을 포함한다.
도 3을 참조하면, 복수의 다채널 센서군(120)은 철근 콘크리트 부재(10) 내부에서 서로 상이한 깊이에 위치하도록 깊이 방향을 따라 간격을 두고 배치된다.
예를 들어, 도 3을 참조하면, 복수의 다채널 센서군(120)은 바디(110)의 외면에 깊이 방향을 따라 상호 이격되도록 배치될 수 있다. 또한, 바디(110)는 그 길이 방향이 철근 콘크리트 부재(10)의 깊이 방향을 향하도록 철근 콘크리트 부재(10) 내부에 배치될 수 있다. 이에 따라, 복수의 다채널 센서군(120) 각각은 철근 콘크리트 부재(10) 내부에서 서로 상이한 깊이에 위치할 수 있다.
또한, 복수의 다채널 센서군(120) 각각은, 동일한 깊이에 대응하여 배치되는 복수의 센서(121)를 포함한다. 여기서, 복수의 다채널 센서군(120) 각각의 복수의 센서(121)가 동일한 깊이에 대응하여 배치된다는 것은, 시공 오차, 배치 오차 등을 고려하였을 때 하나의 다채널 센서군(120)을 이루는 복수의 센서(121)가 서로 동일한 깊이에 배치되었다고 인식될 수 있는 깊이 범위 이내의 배치를 의미할 수 있다.
도 4 및 도 5는 본 모니터링 장치의 개략적인 개념 사시도이다. 참고로, 도 4는 단면이 원형인 바디를 도시한 것이고, 도 5는 단면이 사각형인 바디를 도시한 것이다.
예를 들어, 복수의 다채널 센서군(120)은 바디(110)의 외면 상에 일정 간격으로 이격된 복수의 영역에 배치될 수 있고, 각 영역에 배치된 다채널 센서군(120)은 센서(121)가 각 영역에서 바디(110)의 외면을 둘러싸도록 구비될 수 있다.
도 4 및 도 5를 참조하면, 바디(110)의 외면 상에는 일정 간격으로 이격된 제1 내지 제3 영역(1251, 1252, 1253)이 있을 수 있다. 제1 내지 제3 영역(1251, 1252, 1253) 각각에 다채널 센서군(120)이 바디(110)의 외면을 둘러싸도록 배치될 수 있다. 또한, 상술한 바와 같이, 다채널 센서군(120)은 하나 이상의 센서(121)를 포함할 수 있는데, 예를 들어, 도 4를 참조하면, 바디(110)가 단면이 원형인 기둥(또는 바)인 경우, 센서(121)는 바디(110)에서 제1 내지 제3 영역(1251, 1252, 1253) 각각의 외부면을 둘러싸도록, 제1 내지 제3 영역(1251, 1252, 1253) 각각에 2개씩 배치될 수 있다. 또한, 도 5를 참조하면, 바디(110)가 단면이 사각형인 기둥(또는 바)인 경우, 센서(121)는 바디(110)에서 제1 내지 제3 영역(1251, 1252, 1253) 각각의 외부면을 둘러싸도록, 제1 내지 제3 영역(1251, 1252, 1253) 각각에서 4 개의 측면 각각에 1개씩 배치될 수 있다.
이에 따라, 제1 내지 제3 영역(1251, 1252, 1253) 각각에 대하여 동일 영역에 배치된 적어도 하나의 다채널 센서(121)는 해당 영역에서 열화인자에 따른 저항값을 측정하는 하나의 다채널 센서군(다채널 센서 그룹)(120)이 될 수 있다. 이를테면, 도 4의 경우, 제1 영역(1251)에 배치된 2개의 다채널 센서(121)는 제1 영역(1251)에서 열화인자에 따른 저항값을 측정하는 제1 다채널 센서군(120)이 될 수 있다. 이와 마찬가치로, 제2 영역(1252)에 배치된 2개의 다채널 센서(120)는 제2 영역(1252)에서 열화인자에 따른 저항값을 측정하는 제2 다채널 센서군(120)이 될 수 있으며, 제3 영역(1253)에 배치된 2개의 다채널 센서(120)는 제3 영역에서 열화인자에 따른 저항값을 측정하는 제3 다채널 센서군(120)이 될 수 있다.
다만, 영역의 개수 및 각 영역에 배치되는 다채널 센서군(120)의 개수는 이에 한정되지 않으며, 참고로, 도 5에는 제1 내지 제4 영역(1251, 1252, 1253, 1254) 및 제1 내지 제4 영역(1251, 1252, 1253, 1254) 각각에 배치되는 4 개의 다채널 센서군(120)이 도시되어 있다.
도 6은 본 모니터링 장치의 센서의 막 구조를 설명하기 위한 개략적인 개념도이다.
센서(121)는 막 구조로 구비될 수 있다. 철근 콘크리트 부재(10) 내에 열화인자가 침투할 경우, 센서(121)의 저항 변화에 의해 저항값이 측정될 수 있다.
도 6을 참조하면, 예를 들어, 센서(121)는 기판(1211), 기판(1211) 상에 간격을 두고 배열되는 복수의 아이언 라인(1212)을 포함하는 아이언 레이어, 및 아이언 레이어 상에서 복수의 아이언 라인(1212)을 가로지르게 형성되되 상호 간격을 두고 배열되는 2 개의 골드(gold) 라인(1213)을 포함할 수 있다. 기판(1211)은 PET(polyester) substrate일 수 있다. 또한, 아이언 라인(1212) 철(Fe)로 이루어질 수 있다. 이러한 센서(121)의 막 구조는 PET(polyester) 기판 상에 철(Fe)로 이루어진 금속 박막이 증착된 후 패터닝됨으로써 제조될 수 있다.
도 6에 따른 패턴을 갖는 막 구조의 평면도가 도 7에 도시되어 있다.
또한, 다른 구현예에 따른 막 구조의 패턴은 도 8과 같을 수 있다. 예를 들어, 복수의 아이언 라인(1212)이 ㄷ자 형상을 가지되, 복수의 ㄷ자 형상의 아이언 라인(1212) 중 제1 ㄷ자 형상의 아이언 라인(1212)을 중심으로 제2 ㄷ자 형상의 아이언 라인(1212)이 제1 ㄷ자 형상의 아이언 라인(1212)을 감싸고, 제3 ㄷ자 형상의 아이언 라인(1212)이 제2 ㄷ자 형상의 아이언 라인(1212)을 감싸는 형태로 복수의 아이언 라인(1212)이 배열됨으로써, 도 8에 도시된 패턴을 갖는 막 구조가 구현될 수 있다.
참고로, 안정적인 측면에서, 아이언 라인(1212)은 병렬 구조로 연결됨이 바람직하다.
또한, 센서(121)는 세로 약 3㎝, 가로 약 3㎝의 크기(사이즈)를 가질 수 있다. 그러나, 센서(120)의 사이즈는 이에 한정되지 않으며 3㎝보다 더 작거나 더 클 수 있다. 다만, 다채널 센서(120)의 세로와 가로의 길이 비율은 100 이하인 것이 바람직하다.
또한, 본 모니터링 장치(100)에 의한 환경 부식경향에 관한 데이터가 신뢰성을 갖기 위해서는 센서(121)는 적은 양의 부식경향에 대해서도 잘 반응, 다시 말해, 부식경향에 대한 소정 이상의 일정 이상의 민감도를 확보 해야 하고, 철근 콘크리트 부재(10) 내부에서 안정적일 필요가 있다. 그런데, 초기 전기적 데이터를 저항으로 할 경우, 부식에 의한 질량 손실이나 전기적 특성 변화는 센서의 두께에 영향을 받으므로, 적은 양의 부식에 대해서도 높은 양의 반응성을 확보하기 위해 센서(121)는 막 구조로 구비될 수 있고, 민감한 반응성을 갖기 위해 센서(121)는 500 nm 미만의 두께를 갖는 박막 구조로 형성됨이 바람직하다. 정리하면, 센서(121)는 500 nm 미만의 두께를 가짐으로써, 보다 작은 양의 염화 이온(Cl-), 이산화탄소(CO2), 황산이온(SO4 2-) 등의 침투로 인한 저항값 변화를 측정할 수 있어 향상된 센서 민감도를 가질 수 있다.
또한, 센서(121)가 박막 구조를 갖는 경우, 센서(121)의 철근 콘크리트 부재(10) 내부 매설 시 발생하는 외부적인 스트레스에 의해 센서(121)는 쉽게 손상될 수 있다. 예를 들어, 외부적인 스트레스로 인해 센서(121) 내부의 일부 구성이 끊어질 수 있다. 따라서, 센서(121)는 보호층에 의해 보호됨이 바람직하다. 이에 따라, 도 5를 참조하면, 본 모니터링 장치(100)의 센서(121)에 있어서, 막 구조의 일면과 타면에는 보호 레이어(122)가 형성될 수 있다. 보호 레이어(122)는 외부에서 작용되는 스트레스로부터 센서를 보호하도록 형성될 수 있다. 이에 따라, 철근 콘크리트 부재(10) 내의 좋지 않은 조건 속에서도 안정적이고 정확하게 작동할 수 있는 센서가 구현될 수 있다.
보호 레이어(122)는 음이온을 선택적으로 통과시키는 음이온 교환막을 포함할 수 있다. 상술한 바와 같이, 열화인자 중 가장 많은 영향을 주는 열화인자는 음이온인데, 보호 레이어(122)가 음이온 교환막으로 포함함으로써, 본 모니터링 장치(100)에 의하면, 센서(121)가 효과적으로 보호되면서, 열화인자 중 가장 많은 영향을 주는 음이온들이 선택적으로 센서(121)에 접근(교환)될 수 있다. 즉, 음이온 교환막을 포함하는 보호 레이어(122)에 의하면, 센서(121)에 대한 보호성뿐만 아니라, 음이온들을 선택적으로 센서(121)에 접근(교환)시키는 선택성 또한 확보할 수 있다.
예를 들어, 음이온 교환막은 음이온이 선택적으로 통과되도록, -NH3+, -NR2H+, -NR3 +, -PR3 +, SR2 + 등의 양전하를 띠는 이온 그룹을 갖는 재질일 수 있다. 이러한 음이온 교환막은 4급 암모늄기에 의해 형성될 수 있다.
도 9는 본 모니터링 장치의 음이온 교환막의 외면의 SEM 이미지이고, 도 10은 본 모니터링 장치의 음이온 교환막의 내부 단면의 SEM 이미지이다.
참고로, 도 9 및 도 10을 참조하면, 음이온 교환막의 외면(센서(121)를 향하는 방향과 반대되는 방향을 향하는 면, 다시 말해, 센서(121)의 외측을 향하는 면)에는 복수 개의 pour이 형성되고 음이온 교환막의 내부에는 pour로부터 연장되는 연결로가 형성되어(참고로, 연결로는 수직적으로 랜덤하게 형성될 수 있다.) 음이온들이 충분히 센서(121)로 확산될 수 있다.
또한, 센서(121)는 음이온 교환막 외의 다른 보호막으로 실링될 수 있다.
도 11은 본 모니터링 장치의 센서의 단자를 설명하기 위한 개략적인 센서의 평면도이다.
또한, 도 11을 참조하면, 센서(121)는 2 개의 골드 라인(1213) 각각으로부터 연장 형성되어 골드 라인(1213)과 후술하는 분석부(130)를 전기적으로 연결하는 2 개의 단자(1214)를 포함할 수 있다. 예시적으로, 단자(1214)는 골드 라인(1213)의 저항값을 측정할 수 있다. 또한, 단자(1214) 각각과 분석부(130)는 전선 라인(미도시)에 의해 연결될 수 있다. 전선 라인은 센서(121)에서 측정한 저항값을 분석부(130)로 전달할 수 있다. 또한, 센서(121)는 채널(1215)을 포함할 수 있다. 기판(1211) 상에 간격을 두고 배열되는 복수의 아이언 라인(1212)(상술함)이 채널(1215)을 이룰 수 있다.
이하에서는 분석부(130)에 대해 설명한다.
본 모니터링 장치(100)는 분석부(130)를 포함한다. 분석부(130)는 복수의 다채널 센서군(120)으로부터 측정된 저항값에 기반하여 철근 콘크리트 부재 내부의 환경 부식경향에 관한 데이터를 생성한다.
본 모니터링 장치(100)는 열화인자의 확산으로 인한 철근 콘크리트 부재(10) 내부의 환경 변화를 관측하여 열화인자의 확산량과 그로 인해 유도되는 환경의 부식경향(Rate of corrosion)을 산출할 수 있다. 이때, 부식경향은 기존의 저항이 아닌 저항 변화량의 기울기가 환경 부식경향의 지표로 이용될 수 있다.
구체적으로, 분석부(130)는 복수의 다채널 센서군(120) 각각에 포함되는 복수의 센서가 측정한 저항값을 평균한 평균 저항값을 이용하여, 복수의 다채널 센서군(120) 각각에 대응하는 깊이에서의 평균 저항 변화량 기울기를 환경 부식경향에 관한 데이터로 생성할 수 있다.
구체적으로, 평균 저항값 기울기는 수학식 1에 의해 산출될 수 있다.
[수학식 1]
여기서 R0는 제1 평균 저항값, R은 시간간격 t 이후 산출된 제2 평균 저항값을 의미할 수 있다. 또한, 제1 평균 저항값은 초기 평균 저항값일 수 있는데, 이 값은 기 저장된 값일 수 있다.
환경 부식경향에 관한 데이터 생성시, 평균 저항값을 이용하는 이유는, 하나의 깊이에 대한 대표성을 부여하기 위해서이다. 구체적으로, 복수 개의 센서(121)(복수 개의 센서(121)로 이루어진 다채널 센서군(120))를 깊이 별로 위치시키고, 깊이 별로 배치된 복수 개의 센서(121)에 의한 평균 저항값을 취해 상기 수학식 1을 통해 환경 부식경향에 관한 데이터를 산출할 수 있다.
또한, 분석부(130)는, 복수의 다채널 센서군(120) 각각에 대응하는 평균 저항 변화량 기울기를 기반으로, 철근 콘크리트 부재(120) 내부에서 깊이 방향으로 열화인자가 확산되는 추이를 모니터링할 수 있다. 깊이 별로 복수 개의 센서군(120) 각각이 위치하므로, 깊이 별로 환경 부식경향에 관한 데이터가 산출될 수 있고, 이에 따라, 철근 콘크리트 부재(10)의 표면(19)으로부터 깊이 별 확산 추이가 확인될 수 있다. 이에 따라, 철근 콘크리트 부재(10)의 표면(19)으로부터 깊은 곳, 이를테면 철근이 있는 깊은 곳까지 열화인자의 확산 정도가 파악될 수 있다.
또한, 분석부(130)는 복수의 다채널 센서군(120)을 그룹별로 식별하여 각 다채널 센서군(120)에 포함된 센서(121)들의 평균 저항값을 산출하여 산출된 평균 저항값을 제1 평균 저항값과 비교하여 철근 콘크리트 부재(10) 내 열화인자의 침투 여부를 판단할 수 있다.
예를 들어, 제1 다채널 센서군에 포함된 다채널 센서(121)들의 평균 저항값이 제1 평균 저항값보다 클 경우, 분석부(130)는 제1 다채널 센서군에 열화인자가 침투한 것으로 판단할 수 있다. 이때, 제1 평균 저항값과의 차이가 클수록 열화인자의 침투(또는 침투 농도)가 심각한 것으로 판단할 수 있다. 또한, 분석부(130)는 측정된 평균 저항값과 제1 평균 저항값의 차이에 따라 침투 정도(또는 침투 농도)를 수치화하여 판단할 수 있다.
또한, 분석부(130)는 각 다채널 센서군(120)간의 평균 저항값을 비교하여 철근 콘크리트 부재(10) 내 열화인자의 침투 여부를 판단할 수 있다.
또한, 분석부(130)는 복수 개의 다채널 센서군(120) 중 적어도 어느 하나의 다채널 센서군(120)에서 열화인자의 침투 여부가 감지되면, 해당 다채널 센서군(120)이 위치하는 영역을 이용하여 열화인자의 침투 위치를 측정할 수 있다.
예를 들어, 제1 영역(1251)에 배치된 제1 다채널 센서군의 평균 저항값이 제1 평균 저항값과 다르고, 제2 및 제3 영역(1252, 1253)에 배치된 제2 및 제3 다채널 센서군의 평균 저항값이 제1 평균 저항값과 동일한 경우, 분석부(130)는 제1 영역(1251)까지 열화인자가 침투된 것을 감지할 수 있다. 즉, 열화인자의 침투 위치를 제1 영역(1251)으로 측정할 수 있다.
또한, 분석부(130)는 복수 개의 다채널 센서군(120) 중 적어도 어느 하나의 다채널 센서군(120)에서 열화인자의 침투 위치가 측정되면, 열화인자의 침투 위치 별 열화인자의 침투 소요 시간을 기반으로 열화인자의 침투 속도를 측정할 수 있다. 예를 들어, 열화인자의 침투 위치가 제2 영역(1252)이고, 열화인자가 제2 영역(1252)까지 침투되는데 소요된 시간(즉, 침투 소요 시간)이 30일인 경우, 제2 영역(1252)까지의 길이와, 30일의 시간을 이용하여 열화인자의 침투 속도를 측정할 수 있다.
또한, 도 1을 참조하면, 본 모니터링 장치(100)는 철근 콘크리트 부재(10) 내부에서 너비 방향을 따라 간격을 두고 배치될 수 있다. 이에 따라, 본 모니터링 장치(100)는 철근 콘크리트 부재(10)의 너비 방향으로 여러 지점에 배치될 수 있고, 이러한 본 모니터링 장치(100)의 배치를 통해, 제어부는 철근 콘크리트 부재(10)의 너비 방향으로의 여러 지점에서의 열화인자 확산 추이를 산정할 수 있다.
도 12는 동일한 건물 내에서 서로 다른 철근 콘크리트 부재에 구비되는 본 모니터링 장치를 설명하기 위한 개념도이다.
또한, 도 12를 참조하면, 본 모니터링 장치(100)는 동일한 건물 내에서 서로 다른 철근 콘크리트 부재(10)에 매립되어 각 철근 콘크리트 부재(10)에서의 열화 인자의 확산 추이가 모니터링 되게 할 수 있다.
상술한 바와 같이, 분석부(130)는 환경 부식경향에 관한 데이터를 생성할 수 있다. 이러한 데이터는 평균 저항 변화량 기울기를 포함할 수 있다. 또한, 데이터는 본 모니터링 장치(100)의 식별 정보, 본 모니터링 장치(100) 가 매립된 건물의 식별 정보 및 위치 정보, 열화인자의 침투 위치 및 침투 속도 등을 포함할 수 있다.
도 4 및 도 5를 참조하면, 또한, 본 모니터링 장치(100)는 통신부(150)를 포함할 수 있다. 통신부(150)는 바디(110)의 외면에 위치하고 분석부에서 생성된 데이터를 외부 단말로 무선 전송할 수 있다. 예를 들어, 통신부(150)는 블루투스, 와이파이 등의 근거리 무선 통신이 가능한 모듈일 수 있다.
도 13은 본 모니터링 장치의 통신부의 배치를 설명하기 위한 개략적인 개념도이고, 도 14a는 10 cm × 10 cm × 10 cm의 규격의 콘크리트 부재 내에서의 무선 통신을 시뮬레이션 하였을 때 나타난 파동의 거동을 도시한 사진이고, 도 14b는 20 cm × 20 cm × 20 cm의 규격의 콘크리트 부재 내에서의 무선 통신을 시뮬레이션 하였을 때 나타난 파동의 거동을 도시한 사진이다.
예시적으로, 도 13을 참조하면, 통신부(150)는 철근 콘크리트 부재(10)의 표면(19)으로부터 2 cm 이내의 거리에 위치하도록 배치될 수 있다. 바디(110)는 그 일단부가 철근 콘크리트 부재(10)의 표면(19)에서 2 cm 이내에 위치하도록 배치될 수 있다. 이러한 경우에 대하여 통신부(150)는 바디(110)의 일단부에 배치될 수 있다.
부식 상태에 따른 보수 및 보강 작업의 필요성을 판단하기 위하여 열화인자의 침투 상태에 대한 데이터를 철근 콘크리트 부재(10)의 외부 또는 건물 외부에 존재하는 부식 관리 장치로 전송하는 것은 필수적일 수 있다. 종래의 데이터 전송 기술들은 센서 장치에 구비된 별도의 안테나 또는 AP(Access Point)를 이용하여 데이터를 전송하였다. 그러나, 별도의 안테나는 무선 신호 전송을 위하여 철근 콘크리트 부재(10)의 벽면(19)을 통해 노출되어야 하고, 철근 콘크리트 부재(19)에 의한 신호 세기 저하 및 주파수 대역 쉬프트가 발생하며, AP는 내벽 배선을 필요로 한다.
따라서, 철근 콘크리트 부재(10) 내 열화인자의 침투 상태를 정확히 파악하고, 데이터의 무선 전송이 용이한 형태의 열화인자 모니터링 기술이 필요하다. 특히, 도 14a 및 도 14b를 함께 참조하면, 공기(air)중에서 무선 전송이 이루어질 때와는 달리, 콘크리트 내부에서는 신호의 감쇠가 상당히 심하다는 것을 알 수 있다. 따라서, 콘크리트 내부에서도 무선 전송이 용이하도록, 적당한 optimal frequency, 안테나 구조 등이 필요하다.
본 모니터링 장치(100)에 의하면, 데이터의 안정적 송수신을 위해, 바디(110)는 강유전체 물질로 이루어질 수 있고, 바디(110)는 그 일단부가 철근 콘크리트 부재(10)의 표면(19)에서 2 cm 이내에 위치하도록 배치될 수 있고, 통신부(150)는 바디(110)의 일단부에 배치될 수 있다. 이에 따라, 철근 콘크리트 부재(10)의 두께에 의한 신호 세기 저하 및 주파수 대역 쉬프트가 최소화될 수 있어, 무선 신호 전송을 위한 통신부는 철근 콘크리트 부재(10)의 벽면으로 노출될 필요가 없고, 강유전체 매질로 이루어진 바디(110)에 의해 별도의 안테나를 없이도 무선 통신이 이루어질 수 있다.
이에 따라, 본 모니터링 장치(100)는 고분자인 콘크리트 내에서 외부로 무선통신이 진행될 때 높은 효율로 전달될 수 있는 안테나 구조의 디자인을 포함할 수 있고, 무선통신과 관련하여 optimal frequency를 조절 할 수 있다.
즉, 본 모니터링 장치(100)는 강유전체로 이루어진 바디(110)를 포함하고, 철근 콘크리트 부재(10)의 표면으로부터 2 cm 이내에 위치하는 바디(110)의 일단부에 통신부(150)를 배치함으로써, 별도의 안테나를 구비하지 않고 통신 장치를 철근 콘크리트 부재(10)의 외부에 노출시키지 않고도 분석부에서 생성된 데이터를 외부 단말로 무선 전송할 수 있다. 또한, 무선 신호 전송을 위해 별도의 안테나 또는 내벽 배선을 필요 없이 열화인자의 침투 상태를 모니터링하기 위한 바디(110) 구성과, 통신 모듈(150)이 일체화되어 제공될 수 있어, 구성이 간명해 질 수 있다. 또한, 강유전체 매질로 이루어진 바디(110) 상에 통신부(150)이 배치되므로, 데이터의 무선 전송시, 무선 신호의 세기 저하 및 주파수 대역 쉬프트가 감소될 수 있다.
참고로, 도 13을 참조하면, 본 모니터링 장치(100)는 철근(410) 상에 부착된 상태로 콘크리트 내에 매립될 수 있다.
또한, 참고로, 도 4 및 도 5를 참조하면, 상술한 분석부(130)는 바디(110)의 외면에 위치할 수 있다.
또한, 도 13을 참조하면, 예시적으로 외부 단말은 제1 부식 관리 장치(210) 및 제2 부식 관리 장치(220) 중 하나 이상일 수 있다. 제1 부식 관리 장치(210) 및 제2 부식 관리 장치(220)는 본 모니터링 장치(100)로부터 전송된 데이터를 수집하여 건물의 본 모니터링 장치(100)가 장착된 각 지점에서의 열화인자의 확산 추이를 관리하고 확산 추이로부터 부식 상태를 분석할 수 있고, 철근 콘크리트 부재(10), 건물 등의 내구성을 분석할 수 있다.
예시적으로, 도 13을 참조하면, 제1 부식 관리 장치(210)는 모바일 장치일 수 있다. 예를 들어 개인이 소지한 스마트폰이나 부식 상태 검침용 장치가 제1 부식 관리 장치(210)로 적용될 수 있다. 또한, 제2 부식 관리 장치(220)는 서버일 수 있다. 예를 들어, 건물의 관리 사무소, 부식 상태를 집중 관리하는 사설 기관에서 운영하는 서버, 부식 상태를 집중 관리하는 국가 기관에서 운영하는 서버가 제2 부식 관리 장치(220)로 적용될 수 있다.
제1 부식 관리 장치(210)는 환경 부식경향에 관한 데이터가 수신되면, 데이터를 직접 이용할 수도 있으나, 제2 부식 관리 장치(220)로 전송할 수도 있다.
제1 부식 관리 장치(210) 또는 제2 부식 관리 장치(220)는 데이터가 수집되면, 데이터를 기반으로 철근 콘크리트 부재(10)에 대한 부식 상태를 분석하고 건물의 내구성을 분석할 수 있다. 데이터는 철근 콘크리트 부재(10) 내 열화인자의 침투 위치 및 열화인자의 침투 속도를 포함하는 것으로, 침투 위치 및 침투 속도를 이용하여 철근 콘크리트 부재(10)의 부식 상태에 대한 단계를 산출할 수 있다.
예를 들어, 제1 부식 관리 장치(210) 또는 제2 부식 관리 장치(220)는 "상, 중, 하" 또는 "높음, 낮은" 또는 "5, 4, 3, 2, 1" 등으로 철근 콘크리트의 부식 상태를 분석하여 건물주 또는 관리자에게 통지할 수 있으며, 보수 및 보강에 대한 필요 여부를 안내할 수 있다.
제1 부식 관리 장치(210)는 건물의 건축 연도 또는 경과 년 수에 따른 부식 상태를 고려하여 건물의 내구성 등급을 평가할 수 있다. 건물의 내구성은 건축법에 따른 평가 방식을 이용하거나, 시설 안전 관리 기관에서 정한 평가 방식을 따르는 것이 바람직하다.
또한, 제1 부식 관리 장치(210) 또는 제2 부식 관리 장치(220)는 분석된 부식 상태 및 건물의 내구성에 기반하여 건물의 수명을 평가할 수 있어 재건축 시기를 제공하거나, 건물 붕괴와 같은 사고를 사전에 대처할 수 있도록 유도할 수 있다.
또한, 도 3을 참조하면, 본 모니터링 장치(100)는 RFID 모듈(190)을 포함할 수 있다. 또한, 본 모니터링 장치(100)는 습도 센서를 포함할 수 있다. RFID 모듈(190) 및 습도 센서는 바디(100)의 외면에 구비될 수 있다.
또한, 본 모니터링 장치(100)는 전력 공급부(140)를 포함할 수 있다. 전력 공급부(140)는 복수의 다채널 센서군(120), 분석부(130) 및 통신부(150) 중 하나 이상에 전력을 공급할 수 있다. 예시적으로, 전력 공급부(140)는 전력 공급 라인을 통해 복수의 다채널 센서군(120), 분석부(130) 및 통신부(150) 중 하나 이상과 연결되어, 연결된 대상에 전력을 공급할 수 있다.
도 13을 참조하면, 전력 공급부(140)는 외부 전력 공급 장치(230)로부터 전력을 공급받을 수 있다. 외부 전력 공급 장치(230)는 철근 콘크리트 부재(10)의 벽면(19)의 외측에 위치할 수 있다. 예시적으로, 도 13을 참조하면, 전력공급부(140)는 무선으로 전력을 수신할 수 있다.
도 15는 본 모니터링 장치의 전력 공급 커넥터에 의한 전력 수신을 설명하기 위한 개략적인 개념도이다.
도 15를 참조하면, 전력 공급부(140)는 철근 콘크리트 부재(10)의 벽면의 외측으로 연장된 전력 공급 커넥터(360)를 통해 전력을 수신할 수 있다.
상술한 바와 같은 본 모니터링 장치(100)에 의하면, 철근 콘크리트 부재(10) 내부에서의 열화인자의 확산 등을 이유로 한 내부 부식경향의 변화가 철근 콘크리트 부재(10) 내부에 직접 매설된 센서(121)를 통해 전기적 방식으로 파악될 수 있고, 이것이 통신부(130)의 무선 통신에 의해 외부에서 확인될 수 있어, 실제적인 hand free smart monitoring system이 구현될 수 있다.
센서(121) 단위의 설계를 넘어 시스템 단위까지 구성될 수 있다. 예를 들어, 깊이 별로 배치되는 다채널 센서군(120)에서 얻어진 저항값에 기반하여 환경 부식경향을 산출하는 분석부(130)는 통신부(150)에 연결되어 있어, 데이터의 외부로의 송신이 가능하고, 제1 부식 관리 장치(210) 및 제2 부식 관리 장치(220)를 통해, 송신된 데이터를 건물의 점검자가 수신할 수 있고, 건물의 점검자는 데이터를 외부의 진단자에게 전달할 수 있다.
이하에서는, 본 모니터링 장치(100)에 있어서, 보호 레이어(122)에 의한 효과를 살펴본다.
도 16은 pH 7 환경에서 염분 농도(NaCl)를 달리하여 시간에 따른 센서의 저항 변화(R/R0)를 측정한 그래프이다. 도 16에서 제1 센서는 보호 레이어(보호막)(122)가 구비되지 않은 센서(121)이고, 제2 센서는 보호 레이어(보호막)(122)에 의한 씰링된 센서(121)이다.
제1 센서의 저항 변화를 살펴보면, 제1 센서는 0.3M NaCl, 0.6M NaCl 및 0.9M NaCl에서 6시간 내에 모두 100 이상의 저항 변화(R/R0)를 나타낸다. 특히, 제1 센서는 0.6M NaCl에서 8시간 내에 600 이상의 저항 변화(R/R0)를 나타내며, 0.9M NaCl에서는 6시간 내에 600 이상의 저항 변화(R/R0)를 나타낸다. 이 같이 제1 센서는 저항 측정에 있어서 염분 농도에 영향을 받는 것으로, 센서가 보호막으로 씰링되지 않은 상태에서는 염분과 같은 요인에 의해 손상되거나 센서 정확도가 떨어질 수 있음을 의미한다.
한편, 제2 센서의 저항 변화(R/R0)를 살펴보면, 제2 센서는 0.3M NaCl, 0.6M NaCl 및 0.9M NaCl에서 8시간 경과 후에도 100 미만의 저항 변화(R/R0)를 갖는다. 특히, 제2 센서는 0.3M NaCl에서 12시간 경과 후에도 100 미만의 저항 변화(R/R0)를 나타내는 것으로, 제1 센서에 비해 현저히 낮은 저항 변화(R/R0)를 나타낸다. 이는 제2 센서가 보호막에 의해 씰링되어 염분에 의한 손상이 방지되기 때문으로, 센서정확도가 향상될 수 있음을 의미한다.
도 17은 pH 12 환경에서 염분 농도(NaCl)을 달리하여 센서의 저항 변화(R/R0)를 측정한 그래프이다. 여기서, 센서는 보호막에 의해 씰링된 것이다. 참고로, 도 17은 pH12 환경에서 염분 농도를 0, 0.15 M NaCl, 0.3M NaCl, 0.45M NaCl, 0.6M NaCl, 0.75M NaCl, 0.9M NaCl으로 하여 시간에 따른 센서의 저항 변화(R/R0)를 측정한 그래프이다.
센서는 0, 0.15M NaCl, 0.3M NaCl 및 0.45M NaCl에서 50시간 후에도 5 미만의 저항 변화(R/R0)를 나타낸다. 또한, 0.6M NaCl, 0.75M NaCl 및 0.9M NaCl에서는 50시간 경과 후에 저항 변화(R/R0) 증가하기는 하나, 10 전후의 값을 나타낸다. 이는 도 7에서 다른 조건은 동일하되 pH 환경만을 달리하여 측정한 제2 센서와의 저항 변화(R/R0)와 비교하더라도, 그 값이 현저히 낮은 것을 알 수 있다.
이와 같이 도 17에서 센서의 저항 변화(R/R0)가 상대적으로 작게 나타나는 것은, pH 12의 강한 알칼리성 환경에서 센서 상에 철산화물 피막이 형성되어 부식이 방지되기 때문으로 이해될 수 있다. 다만, 시간이 흘러 센서 주변의 알칼리도가 떨어질 경우에는 철산화물 피막이 파괴되어 염분에 의한 저항 변화가 나타날 수 있다.
이하에서는 열화인자 침투 시간과 관련하여 보다 보충한다.
도 18은 철근 콘크리트 부재 내 위치에 따른 열화인자 침투 시간을 나타내는 그래프이다. 구체적으로, 도 18은 본 모니터링 장치(100)가 철근 콘크리트 부재(10) 내에 설치된 후 복수의 다채널 센서군(120) 각각이 배치된 4개의 영역(깊이)(x1, x2, x3, x4)에 배치된 센서(121)에서 신호(저항 변화 신호)가 측정된 시간(t1, t2, t3, t4)을 나타낸 그래프로, 열화인자의 침투 속도를 나타낸다.
4개의 영역(x1, x2, x3, x4)은 열화 인자가 침투된 거리가 될 수 있으며, 신호가 측정된 시간(t1, t2, t3, t4)은 각 영역에 열화 인자가 침투되는데 소요된 시간이 될 수 있다. 만약, 철근 콘크리트 벽면(즉, 건물 외벽)으로부터 가장 먼 x4 위치에서도 열화 인자가 침투되었다면, 해당 건물의 부식이 이미 진행되고 있을 수 있으므로, x1 위치에 열화 인자가 침투되었을 때 건물의 보수 및 보강 계획을 수립할 수 있도록 모니터링 데이터를 외부의 부식 관리 장치로 무선 전송할 수 있다.
이하에서는, 본원의 일 실시예에 따른 철근 콘크리트 부재 내 열화인자 확산 모니터링 시스템(이하 '본 모니터링 시스템'이라 함)에 대하여 설명한다. 다만, 본 모니터링 시스템은 상술한 본 모니터링 장치를 포함하는 것으로서, 본 모니터링 시스템의 설명과 관련하여 앞서 살핀 본 모니터링 장치(100)에서 설명한 구성과 동일 또는 유사한 구성에 대해서는 동일한 도면부호를 사용하고, 중복되는 설명은 간략히 하거나 생략하기로 한다.
본 모니터링 시스템은 철근 콘크리트 부재(10) 내부의 열화인자 확산 추이를 모니터링 한다.
본 모니터링 시스템은 상술한 본 모니터링 장치(100)를 포함한다. 본 모니터링 장치(100)는 철근 콘크리트 부재(10) 내부의 환경 부식경향에 관한 데이터를 생성한다. 또한 본 모니터링 장치(100)는 철근 콘크리트 부재(10) 내의 너비 방향으로의 여러 지점에 구비되어 구비된 여러 지점 각각에 대한 철근 콘크리트 부재(10) 내부의 환경 부식경향에 관한 데이터를 생성할 수 있다.
또한, 본 모니터링 장치(100)는 철근 콘크리트 부재(10) 내부에 배치되어 저항값을 측정하는 복수의 다채널 센서군(120)을 포함할 수 있다. 복수의 다채널 센서군(120)은, 철근 콘크리트 부재(10) 내부에서 서로 상이한 깊이에 위치하도록 깊이 방향을 따라 간격을 두고 배치되고, 복수의 다채널 센서군(120) 각각은, 동일한 깊이에 대응하여 배치되는 복수의 센서(121)를 포함할 수 있다.
또한, 본 모니터링 장치(100)는 복수의 다채널 센서군(120)으로부터 측정된 저항값에 기반하여 철근 콘크리트 부재(10) 내부의 환경 부식경향에 관한 데이터를 생성하는 분석부(130)를 포함할 수 있다.
또한, 본 모니터링 시스템은 열화 인자 확산 모니터링 장치로부터 데이터를 수집하여 철근 콘크리트 부재(10)의 부식 상태를 관리하고 건물의 내구성을 분석하는 부식 관리부를 포함한다.
부식 관리부는 제1 부식 관리 장치(210) 및 제2 부식 관리 장치(220) 중 하나 이상을 포함할 수 있다. 제1 부식 관리 장치(210) 및 제2 부식 관리 장치(220)는 본 모니터링 장치(100)로부터 전송된 데이터를 수집하여 건물의 본 모니터링 장치(100)가 장착된 각 지점에서의 열화인자의 확산 추이, 이를 테면, 열화인자의 침투 상태를 관리하고 확산 추이로부터 부식 상태를 분석할 수 있고, 철근 콘크리트 부재(10), 건물 등의 내구성을 분석할 수 있다.
예시적으로, 도 13을 참조하면, 제1 부식 관리 장치(210)는 모바일 장치일 수 있다. 예를 들어 개인이 소지한 스마트폰이나 부식 상태 검침용 장치가 제1 부식 관리 장치(210)로 적용될 수 있다. 또한, 제2 부식 관리 장치(220)는 서버일 수 있다. 예를 들어, 건물의 관리 사무소, 부식 상태를 집중 관리하는 사설 기관에서 운영하는 서버, 부식 상태를 집중 관리하는 국가 기관에서 운영하는 서버가 제2 부식 관리 장치(220)로 적용될 수 있다.
제1 부식 관리 장치(210)는 열화인자의 확산 추이를 포함하는 데이터가 수신되면, 데이터를 직접 이용할 수도 있으나, 제2 부식 관리 장치(220)로 전송할 수도 있다.
제1 부식 관리 장치(210) 또는 제2 부식 관리 장치(220)는 데이터가 수집되면, 데이터를 기반으로 철근 콘크리트 부재(10)에 대한 부식 상태를 분석하고 건물의 내구성을 분석할 수 있다. 데이터는 철근 콘크리트 부재(10) 내 열화인자의 침투 위치 및 열화인자의 침투 속도를 포함하는 것으로, 침투 위치 및 침투 속도를 이용하여 철근 콘크리트의 부식 상태에 대한 단계를 산출할 수 있다.
예를 들어, 제1 부식 관리 장치(210) 또는 제2 부식 관리 장치(220)는 "상, 중, 하" 또는 "높음, 낮은" 또는 "5, 4, 3, 2, 1" 등으로 철근 콘크리트의 부식 상태를 분석하여 건물주 또는 관리자에게 통지할 수 있으며, 보수 및 보강에 대한 필요 여부를 안내할 수 있다.
제1 부식 관리 장치(210)는 건물의 건축 연도 또는 경과 년 수에 따른 부식 상태를 고려하여 건물의 내구성 등급을 평가할 수 있다. 건물의 내구성은 건축법에 따른 평가 방식을 이용하거나, 시설 안전 관리 기관에서 정한 평가 방식을 따르는 것이 바람직하다.
또한, 제1 부식 관리 장치(210) 또는 제2 부식 관리 장치(220)는 분석된 부식 상태 및 건물의 내구성에 기반하여 건물의 수명을 평가할 수 있어 재건축 시기를 제공하거나, 건물 붕괴와 같은 사고를 사전에 대처할 수 있도록 유도할 수 있다.
이하에서는, 본원의 일 실시예에 따른 철근 콘크리트 부재 내 열화인자 확산 모니터링 방법(이하 '본 모니터링 방법'이라 함)에 대하여 설명한다. 다만, 본 모니터링 방법의 설명과 관련하여 앞서 살핀 본 모니터링 장치(100) 및 본 모니터링 시스템에서 설명한 구성과 동일 또는 유사한 구성에 대해서는 동일한 도면부호를 사용하고, 중복되는 설명은 간략히 하거나 생략하기로 한다.
본 모니터링 방법은 철근 콘크리트 부재(10) 내부의 열화인자 확산 추이를 모니터링 한다.
도 19는 본 모니터링 방법을 설명하기 위한 개략적인 흐름도이다.
도 19를 참조하면, 본 모니터링 방법은 철근 콘크리트 부재(10) 내부에 배치되는 복수의 다채널 센서군(120)이 저항값을 측정하는 단계(S100)를 포함한다. 복수의 다채널 센서군(120)은 바디(110)의 외부면에 구비된 것일 수 있다. 복수의 다채널 센서군(120)은 철근 콘크리트 부재(10) 내부에서 서로 상이한 깊이에 위치하도록 깊이 방향을 따라 간격을 두고 배치된다. 또한, 복수의 다채널 센서군(120) 각각은, 동일한 깊이에 대응하여 배치되는 복수의 센서(121)를 포함한다.
또한, 도 19를 참조하면, 본 모니터링 방법은 분석부(130)가 복수의 다채널 센서군(120)으로부터 측정된 저항값에 기반하여 철근 콘크리트 부재(10) 내부의 환경 부식경향에 관한 데이터를 생성하는 단계(S300)를 포함한다.
S300 단계에서, 분석부(130)는 복수의 다채널 센서군(120) 각각에 포함되는 복수의 센서가 측정한 저항값을 평균한 평균 저항값을 이용하여, 복수의 다채널 센서군(120) 각각에 대응하는 깊이에서의 평균 저항 변화량 기울기를 환경 부식경향에 관한 데이터로 생성할 수 있다.
또한, 본 모니터링 방법은 생성된 데이터를 전송하는 단계를 포함할 수 있다. 생성된 데이터는 부식 관리부로 전송될 수 있다. 예를 들어, 무선 전송될 수 있다. 전송은 강유전체 물질로 이루어진 바디(110) 상에 배치된 통신부(150)에 의해 이루어질 수 있고, 바디(110)나 철근 콘크리트 부재(10)의 벽면 두께에 의한 신호 세기 저하 및 주파수 대역 쉬프트를 최소화됨이 바람직하다.
상술한 본 모니터링 장치(100), 본 모니터링 시스템 및 본 모니터링 방법 중 하나 이상에 의하면 Discrimination circuit/module이 구현될 수 있다. Discrimination circuit/module은 상술한 본 모니터링 장치(100), 본 모니터링 시스템 및 본 모니터링 방법 중 하나 이상에 의해 데이터를 저장, 정리, 분석, 판단 등을 할 수 있는 모듈로서 flexible phototransistor와 유기적으로 연계되어 사용될 수 있다.
또한, Discrimination circuit/module을 통해 얻어진 데이터는 Wireless communications을 통해 철근 콘크리트 부재(10) 외부로 송신이 가능하다. 이에 라, 철근 콘크리트 부재(10)에 대한 지속적이고 정확한 관측이 가능해진다. 즉, 본 모니터링 장치(100), 본 모니터링 시스템 및 본 모니터링 방법은 철근 콘크리트 부재(10)를 파괴하는 방식을 택하지 않고 비파괴적인 방식으로 철근 콘크리트 부재(10) 내부에 대한 지속적인 내구성 진단 모니터링을 한다고 할 수 있다.
전술한 본원의 설명은 예시를 위한 것이며, 본원이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자는 본원의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 쉽게 변형이 가능하다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다. 예를 들어, 단일형으로 설명되어 있는 각 구성 요소는 분산되어 실시될 수도 있으며, 마찬가지로 분산된 것으로 설명되어 있는 구성 요소들도 결합된 형태로 실시될 수 있다.
본원의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본원의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.
100: 철근 콘크리트 부재 내 열화인자 확산 모니터링 장치
110: 바디
120: 다채널 센서군
121: 센서
1211: 기판
1212: 아이언 라인
1213: 골드 라인
122: 보호 레이어
1251: 제1 영역
1252: 제2 영역
1253: 제3 영역
1254: 제4 영역
130: 분석부
140: 전력 공급부
150: 통신부
210: 제1 부식 관리 장치
220: 제2 부식 관리 장치
230: 외부 전력 공급 장치
360: 전력 공급 커넥터
410: 철근
110: 바디
120: 다채널 센서군
121: 센서
1211: 기판
1212: 아이언 라인
1213: 골드 라인
122: 보호 레이어
1251: 제1 영역
1252: 제2 영역
1253: 제3 영역
1254: 제4 영역
130: 분석부
140: 전력 공급부
150: 통신부
210: 제1 부식 관리 장치
220: 제2 부식 관리 장치
230: 외부 전력 공급 장치
360: 전력 공급 커넥터
410: 철근
Claims (21)
- 철근 콘크리트 부재 내부의 열화인자 확산 추이를 모니터링 하는 장치로서,
상기 철근 콘크리트 부재 내부에 배치되어 저항값을 측정하는 복수의 다채널 센서군; 및
상기 복수의 다채널 센서군으로부터 측정된 저항값에 기반하여 상기 철근 콘크리트 부재 내부의 환경 부식경향에 관한 데이터를 생성하는 분석부를 포함하되,
상기 복수의 다채널 센서군은, 상기 철근 콘크리트 부재 내부에서 서로 상이한 깊이에 위치하도록 깊이 방향을 따라 간격을 두고 배치되고,
상기 복수의 다채널 센서군 각각은, 동일한 깊이에 대응하여 배치되는 복수의 센서를 포함하며,
상기 분석부는, 상기 복수의 다채널 센서군 각각에 포함되는 복수의 센서가 측정한 저항값을 평균한 평균 저항값을 이용하여, 상기 복수의 다채널 센서군 각각에 대응하는 깊이에서의 평균 저항 변화량 기울기를 상기 환경 부식경향에 관한 데이터로서 생성하고,
상기 평균 저항값 변화량 기울기는, 하기 수학식 1에 의해 산출되는 것인,
[수학식 1]
여기서, R 0는 제1 평균 저항값, R은 시간간격 t 이후 산출된 제2 평균 저항값인 것인, 철근 콘크리트 부재 내 열화인자 확산 모니터링 장치. - 삭제
- 삭제
- 제1항에 있어서,
상기 분석부는, 상기 복수의 다채널 센서군 각각에 대응하는 평균 저항 변화량 기울기를 기반으로, 상기 철근 콘크리트 부재 내부에서 깊이 방향으로 열화인자가 확산되는 추이를 모니터링하는 것인, 철근 콘크리트 부재 내 열화인자 확산 모니터링 장치. - 제1항에 있어서,
상기 센서는 막 구조로 구비되고,
상기 막 구조의 일면과 타면에는 외부에서 작용되는 스트레스로부터 상기 센서를 보호하도록 보호 레이어가 형성되는 것인, 철근 콘크리트 부재 내 열화인자 확산 모니터링 장치. - 제5항에 있어서,
상기 보호 레이어는 음이온을 선택적으로 통과시키는 음이온 교환막을 포함하는 것인, 철근 콘크리트 부재 내 열화인자 확산 모니터링 장치. - 제5항에 있어서,
상기 막 구조는 500 nm 미만의 두께를 갖는 박막 구조인 것인, 철근 콘크리트 부재 내 열화인자 확산 모니터링 장치. - 제5항에 있어서,
상기 센서는, 기판, 상기 기판 상에 간격을 두고 배열되는 복수의 아이언 라인을 포함하는 아이언 레이어, 및 상기 아이언 레이어 상에서 상기 복수의 아이언 라인을 가로지르게 형성되되 상호 간격을 두고 배열되는 2개의 골드 라인을 포함하는 것인, 철근 콘크리트 부재 내 열화인자 확산 모니터링 장치. - 제8항에 있어서,
상기 센서는, 상기 2개의 골드 라인 각각으로부터 연장 형성되어 상기 골드 라인과 상기 분석부를 전기적으로 연결하는 2개의 단자를 더 포함하는 것인, 철근 콘크리트 부재 내 열화인자 확산 모니터링 장치. - 제1항에 있어서,
상기 철근 콘크리트 부재 내에 매설되고, 강유전체 매질로 이루어진 바디; 및
상기 바디의 외면에 위치하고 상기 분석부에서 생성된 데이터를 외부 단말로 무선 전송하는 통신부를 더 포함하고,
상기 복수의 다채널 센서군은, 상기 바디의 외면에 깊이 방향을 따라 상호 이격되도록 배치되고
상기 분석부는 상기 바디의 외면에 위치하는 것인, 철근 콘크리트 부재 내 열화인자 확산 모니터링 장치. - 제10항에 있어서,
상기 통신부는 상기 철근 콘크리트 부재의 표면으로부터 2 cm 이내의 거리에 위치하도록 배치되는 것인, 철근 콘크리트 부재 내 열화인자 확산 모니터링 장치. - 제10항에 있어서,
상기 강유전체 매질은 석영 물질인 것인, 철근 콘크리트 부재 내 열화인자 확산 모니터링 장치. - 제10항에 있어서,
상기 바디는,
바 형상 또는 기둥 형상을 가지며,
그 길이 방향이 상기 철근 콘크리트 부재의 깊이 방향을 향하도록 상기 철근 콘크리트 부재 내부에 배치되는 것인, 철근 콘크리트 부재 내 열화인자 확산 모니터링 장치. - 제10항에 있어서,
상기 바디는 그 일단부가 상기 철근 콘크리트 부재의 표면에서 2 cm 이내에 위치하도록 배치되고,
상기 통신부는 상기 일단부에 배치되는 것인, 철근 콘크리트 부재 내 열화인자 확산 모니터링 장치. - 제1항에 있어서,
상기 열화인자는,
염화 이온(Cl-), 이산화탄소(CO2) 및 황산이온(SO4 2-) 중 적어도 하나인, 철근 콘크리트 부재 내 열화인자 확산 모니터링 장치. - 제10항에 있어서,
상기 복수의 다채널 센서군, 상기 분석부 및 상기 통신부 중 하나 이상에 전력을 공급하는 전력 공급부를 더 포함하는, 철근 콘크리트 부재 내 열화인자 확산 모니터링 장치. - 제16항에 있어서,
상기 전력 공급부는, 외부 전력 공급 장치로부터 무선으로 전력을 수신하는 것인, 철근 콘크리트 부재 내 열화인자 확산 모니터링 장치. - 제16항에 있어서,
상기 전력 공급부는, 상기 철근 콘크리트 부재의 벽면의 외측으로 연장된 전력 공급 커넥터를 통해 전력을 수신하는 것인, 철근 콘크리트 부재 내 열화인자 확산 모니터링 장치. - 철근 콘크리트 부재 내부의 열화인자 확산 추이를 모니터링 하는 시스템으로서,
상기 철근 콘크리트 부재 내부의 환경 부식경향에 관한 데이터를 생성하는, 제1항에 따른 철근 콘크리트 부재 내 열화인자 확산 모니터링 장치; 및
상기 열화 인자 확산 모니터링 장치로부터 상기 데이터를 수집하여 상기 철근 콘크리트 부재의 부식 상태를 관리하고 건물의 내구성을 분석하는 부식 관리부를 포함하는, 철근 콘크리트 부재 내 열화인자 확산 모니터링 시스템. - 철근 콘크리트 부재 내부의 열화인자 확산 추이를 모니터링 하는 방법으로서,
(a) 상기 철근 콘크리트 부재 내부에 배치되는 복수의 다채널 센서군이 저항값을 측정하는 단계; 및
(b) 분석부가 상기 복수의 다채널 센서군으로부터 측정된 저항값에 기반하여 상기 철근 콘크리트 부재 내부의 환경 부식경향에 관한 데이터를 생성하는 단계를 포함하되,
상기 복수의 다채널 센서군은, 상기 철근 콘크리트 부재 내부에서 서로 상이한 깊이에 위치하도록 깊이 방향을 따라 간격을 두고 배치되고,
상기 복수의 다채널 센서군 각각은, 동일한 깊이에 대응하여 배치되는 복수의 센서를 포함하며,
상기 분석부는, 상기 복수의 다채널 센서군 각각에 포함되는 복수의 센서가 측정한 저항값을 평균한 평균 저항값을 이용하여, 상기 복수의 다채널 센서군 각각에 대응하는 깊이에서의 평균 저항 변화량 기울기를 상기 환경 부식경향에 관한 데이터로서 생성하고,
상기 평균 저항값 변화량 기울기는, 하기 수학식 1에 의해 산출되는 것인,
[수학식 1]
여기서, R 0는 제1 평균 저항값, R은 시간간격 t 이후 산출된 제2 평균 저항값인 것인, 철근 콘크리트 부재 내 열화인자 확산 모니터링 방법.
- 삭제
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| KR1020170068973A KR101926979B1 (ko) | 2017-06-02 | 2017-06-02 | 철근 콘크리트 부재 내 열화인자 확산 모니터링 장치, 철근 콘크리트 부재 내 열화인자 모니터링 시스템 및 철근 콘크리트 부재 내 열화인자 모니터링 방법 |
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- 2017-06-02 KR KR1020170068973A patent/KR101926979B1/ko active IP Right Grant
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