전국의 노후 건축물의 수는 매년 빠르게 증가하고 있으며 이에 따라, 구조물 안전관리를 위한 모니터링 기술의 중요성과 관심이 높아지고 있다. 구조물의 변형을 파악하기 위해서 주요 구조 부재의 변위와 변형률을 측정하고, 그 값을 확인하는 방법이 주로 사용된다.
본 논문에서는 기존의 변위나 변형률을 측정하는 여러 센서의 단점을 보완하고, 전체적인 측정 비용을 줄일 수 있는 새로운 측정 시스템 개발을 목표로 하였다. 이를 위해 저렴한 가격과 높은 연동성을 갖는 HC-SR04 초음파 거리 측정 센서를 선정하였다. 초음파 센서는 컨트롤러 보드에 3개에서 최대 4개가 연결되어 하나의 모듈을 형성한다. 각 센서 모듈은 계측 대상의 관심 영역에 정방향 형태의 배열로 부착된다. 모듈 안의 초음파 센서는 모듈 간의 변위를 측정하여 각 모듈의 좌표를 도출한다. 측정이 진행되는 동안 좌표를 실시간으로 확인할 수 있으며, 좌표 데이터는 별도의 데이터 로거 없이 연결된 PC에 저장된다. 해당 초음파 센서는 초기 좌표 측정 테스트에서 비교적 정확한 값을 측정하였다. 하지만, 센서 특성상 측정이 진행되면서 상대적으로 큰 오차를 발생시키는 스파이크 노이즈가 발생한다. 이를 해결하기 위해, 센서 자체의 노이즈를 제거하는 필터 연구를 추가로 진행하였다.
변형률 도출 및 시각화 과정에는 유한요소법을 적용하였다. 각 모듈의 좌표 변화로 절점의 변형률을 계산하고 선형 보간을 통해 측정 영역 전체의 변형률을 도출한다. 변형 시각화 과정은 도출된 전체영역의 변형률을 사용하여 히트맵이나 등고선과 같은 형태의 그래프로 나타낸다. 상기 과정은 모두 MATLAB을 사용하여 알고리즘을 작성하였다.
센서 시스템 검증을 위해 콘크리트 보 전단 실험체의 전단 경간에 센서를 부착하고 변형을 측정하는 실험이 진행되었다. 실험이 진행되면서 각 모듈 좌표의 움직임을 실시간으로 확인할 수 있고, 이후 저장된 좌표 데이터를 사용한 변형 시각화 과정이 진행되었다. 실험체에 발생한 3mm 이상의 균열 폭은 균열이 발생한 위치에 있는 모듈 사이의 변위 값과 비슷한 값을 나타내었다. 변형 시각화 그래프는 실험체의 상단부와 하단부에서 발생한 균열과 유사한 형태의 변형률 분포를 보이며, 구조물의 거동을 효율적으로 나타내었다. 정밀한 센서의 사용, 무선 통신 등 향후 과제를 통해 센서 시스템의 활용성이 더욱 높아질 수 있으며 나아가 구조물 모니터링 기술에 적용할 수 있을 것으로 기대된다.