음향방출 검사(AET)에 의한 구조적 건전상태 모니터링(SHM)

[사무국]

한국시니어과학기술인협회 수학·물리·천문분과 · 황 선 태

실시간적으로 구조적 건전상태 모니터링(Structural Health Monitoring: SHM)을 위한 음향방출검사(Acoustic Emission Testing: AET)는 물체에서 응력의 급격한 재분배에 의하여 생성 되는 과도적 탄성파의 생성을 기반으로 하는 비파괴검사(NDT)의 일종으로 물체 내에 어떤 결함을 미리 감지해 찾아낼 수 있는 수동적 모니터링 기술을 응용한다. 음향방출 분석은 AET 대상 물체의 건전상태에 대한 구조적 안전성 정보를 제공한다. AET에 의하여 수집된 정보의 신뢰성은 다른 어떤 시험 방법보다도 더 우수 하다. 오늘날 자본 집약적 자산의 운영자들과 그 유지보수 관리자들은 구조물의 안전성과 신뢰성을 최대한 보장하기 위하여 효율적 비용으로써 구조물들의 안전성을 신뢰할 수있는 점검 및 모니터링 해법을 모색하지 않을 수 없다. 특히, 구조물의 설계코드는 안전관리 및 인명보호 차원에서 구조 물들의 연장된 유효수명이 필요하게 된다. 일례로서, 캐나 다의 고속도로의 교량 설계코드(S6-14)에서는 새롭게 건설되는 교량의 유효수명을 75년으로 간주하고 있다. 근래에 와서 지방자치단체, 지방 및 중앙정부에서 “스마트 시티 (Smart City)”개념이 대두되고 있다. 이러한 관심의 비전은 일반 공중과 도시 행정을 위해 부가가치 서비스를 창출하기 위한 첨단기술의 구현을 목표로 하고 있다. 따라서 수많은 구조물에 대한 정기점검과 그 유지보수 문제가 과거 어느 때보다도 중요해지고 있다. 특히, 현대의 구조적 건전상태 모니터링과 혁신적 비파괴검사(NDT) 기술의 해법으로서 AET 기술이 국제적으로 널리 보급되어 있다.
SHM의 다른 중요한 응용은 기존의 사회기반 시설의 안정성 개선이다. 실례로서, 북미 지역에서는 그러한 사회기 반시설들의 설계 유효수명이 신속히 그 종료기에 접근하고 있다. 2015년도 캐나다 국립연구위원회(NRCC)에 의하면, 그 교량들의 거의 1/3은 구조적 또는 기능적 결함을 나타내고 있다고 한다. 2018년 8월 14일 오전에 발생한 이탈리아의 제노아(Genoa) 폰테 미란디(Ponte Mirandi) 교량 붕괴는 기존의 사회기반시설들에 대하여 직접적 주의가 요망된 다는 것을 분명히 보여 주고 있다. 여기에서, SHM은 구조 물들의 유효수명 동안 모니터링 데이터를 수집·분석하기 위하여 연결된 일련의 센서들의 배열에 의한 음향방출 검출에 기반을 두고 있으며 그러한 SHM 시스템의 목적은 유효수명 기간 내에 발생할 수 있는 구조물들의 어떤 내부 손상 또는 노후화 상태를 식별하고 정량화하는 것이다. 한편, SHM 시스템은 그 설계 구성과 전개에 따라 변화가 있겠지만 모두 네 가지의 독특한 기술 부문들을 포함한다. 즉, 일련의 센서들의 배열에 의한 주기적 측정, 구조적 식별, 내부 손상 식별을 위한 데이터 처리 및 결과분석이다. AET에서 이른바 음향방출(AE)은 물체 내에서 국부적인 응력 에너지의 신속한 방출 때문에 발생하는 과도적 고주파 탄성파로서 대부분 에너지는 1 kHz~1 MHz 범위 내에 있다. 그러한 AET 기술은 비파괴 검사에서 급속히 표준기술로서 주목을 받고 있다.
AE에 의해 생성된 탄성파는 SHM는 물론, 품질관리, 공정 모니터링 등에서 실질적으로 큰 관심의 대상이다. SHM 응용 프로그램에서 AE는 일반적으로 음향방출 원을 감지하고 위치를 파악하여서 구조물들 내부의 손상 상태를 사전에 특성화하는데 매우 유용하다.

필자소개 :
한국과학기술원 공과대학 박사(핵공학)

한국표준과학연구원 방사선연구실 실장/명예연구원

미국 국립표준기술원 객원연구원/IAEA Fellow

한국과학기술원 양자·원자력공학과 객원교수

(주)아이디케이 AET 연구고문