Bolt-joint Structural Health Monitoring Technique Using Transfer Impedance

전달 임피던스를 이용한 볼트 접합부 구조 건전성 모니터링 기법

Abstract

A technique was researched to detect bolt looseness using a transfer impedance technique (the dual piezoelectric material technique) for monitoring the structural health of a bolt joint. In order to use the single piezoelectric material technique, an expensive impedance analyzer should be used. However, in the transfer impedance technique, low-cost fault detection can be performed using a general function generator and a digital multimeter. A steel plate frame test specimen composed of bolt joints was fabricated, and the tightening torques of the bolts were loosened step by step. By using the transfer impedance method, the damage index was obtained. It was found that the presence of faults could be reasonably estimated using the damage index, which increased with the degree of bolt looseness. An experiment was performed on the same specimen using the single piezoelectric material technique, and the results showed a similar tendency. It could be possible to estimate the damage of a bolt joint at low cost by eliminating the expensive impedance analyzer. This method could be used effectively for structural health monitoring after carrying out a study to estimate the fault location and severity.

본 연구에서는 볼트 접합부 건전성 모니터링을 위하여 이중(dual) 압전재료 기법인 전달 임피던스 기법(transfer impedance technique)을 이용하여 볼트 이완을 탐지할 수 있는 기법을 연구한다. 전달 임피던스 기법에서는 하나의 압전재료가 탄성파를 가진하고 다른 압전재료가 이를 센싱함으로서 결함 등에 의한 탄성파 전파의 변화를 감지한다. 한편, 단일 압전재료 기법을 이용하기 위해서는 고가의 임피던스 분석기(impedance analyser)를 이용해야 하지만, 전달 임피던스 기법은 임피던스 분석기를 대체하여 일반적인 함수발생기(function generator)와 디지털 멀티미터(digital multimeter)를 이용한 결함탐지가 가능하기 때문에 저비용의 결함탐지를 수행할 수 있다. 고력볼트 접합부로 구성된 강판 프레임 실험체를 제작하고, 볼트의 조임력을 단계적으로 감소시키며 실험을 수행하였다. 전달 임피던스 기법을 이용하여 손상지수를 구하였고 이를 이용하여 결함 유무를 합리적으로 판정할 수 있었으며, 볼트 이완의 정도가 커질수록 손상지수가 증가함을 알 수 있었다. 동일한 실험체에 대하여 임피던스 분석기를 이용한 단일 압전재료 기법에 대한 실험을 수행하여 결과를 비교하였는데, 결함정도가 커질수록 손상지수가 모두 증가하는 유사한 경향을 보였다. 즉, 고가의 임피던스 분석기를 배제하고 저비용으로 볼트 접합부의 결함상태 추정이 가능한 것으로 판단된다. 향후 결함위치 및 정도를 판정할 수 있는 연구가 추가된다면 볼트 접합부 건전성 모니터링에 효과적으로 활용될 수 있을 것으로 판단된다.

Fig. 1. Shape of the specimen (lengths in mm).

Fig. 2. Bolt and PZT patch locations (lengths in mm).

Fig. 3. Impedance analyzer.

Fig. 4. Real impedance before and after damage (100~300 kHz).

Fig. 5. Damage index, DI_S (100~300 kHz).

Fig. 6. Real impedance before and after damage (230~240 kHz).

Fig. 7. Damage index, DI_S (230~240 kHz).

Fig. 8. Function generator and digital multimeter.

Fig. 9. Frequency-dependent damage index.

Fig. 10. Damage index, DI_D .

Table 1. Damage scenario