한국건설기술연구원 - 아스팔트 혼합물의 재료물성 및 공용성 시험에서의 데이터 수집 및 해석 시스템 구축

Author(s):
최지영 연구원 - 한국건설기술연구원 도로연구부

Industry:
Basic Materials - Steel/ Lumber/ Construction

Products:
LabVIEW, SCXI

The Challenge:
다양한 온도와 하중주기에서의 동탄성계수, 크립계수, 회복탄성계수는 도로포장 설계에 있어 중요한 입력변수들이며, 온도와 하중주기에 따라 민감하게 변화한다.

The Solution:
SCXI 시스템과 LabVIEW 프로그램을 통하여 데이터를 저장하고, 쉽고 빠르게 해석하도록 하였다.

요약:
본 시스템은 아스팔트 혼합물의 재료물성 및 공용성 시험에서 발생하는 데이터를 수집‧저장하고, 해석하기 위하여 개발하였다.
아스팔트 혼합물은 탄성물성 뿐만 아니라, 점소성(Visco-Plastic) 특성을 나타내는 혼합물로서 다양한 시험을 통하여 물성을 정량화 하고 있다. 특히, 다양한 온도와 하중주기에서의 동탄성계수(Dynamic Modulus), 크립계수(Creep Compliance), 회복탄성계수(Resilient Modulus)는 도로포장 설계에 있어 중요한 입력변수들이며, 온도와 하중주기에 따라 민감하게 변화한다.
다양한 시험에 적합하게 SCXI 시스템과 LabVIEW 프로그램을 통하여 데이터를 저장하고, 쉽고 빠르게 해석하도록 하였다.

개발 배경
본 시스템에서 해결하고자 했던 목표는 크게 다음과 같다.
- 각 채널에서 들어오는 데이터의 동기화를 통하여 시간지연(time-delay) 문제 해결
- 대용량 데이터를 쉽고 빠르게 해석하는 프로그램 개발
- 매우 작은 변형률을 측정하기 위한 시스템의 개선

기존의 실험 시스템은 유압장비를 GPIB통신을 통하여 컨트롤 및 데이터 저장을 하는 기본시스템에 변형률게이지를 위한 시그널 컨디셔닝 장치가 추가로 구성되어 운영되어 왔다.
그러나 이 시스템은 빠른 하중재하속도에서는 하중값과 변형률값에 시간지연현상이 발생하는 문제점을 갖고 있었다. 이에 모든 데이터 값을 시간지연 없이 모든 채널을 동기화 할 수 있는 시그널 컨디셔닝장비로 NI사의 SCXI 시스템과 LabVIEW프로그램을 채택하였다.

본론:

 
그림 1. 기존 시스템 구성도

1. 시간지연(time-delay) 문제 해결
도로연구부에서는 포장재료의 물성측정을 위하여 10톤과 500톤의 유압장비를 보유하고 있다. 로드셀에서 발생하는 하중 값과 실험을 위하여 추가로 설치된 변위계의 증가로 모든 채널들의 신호들을 동기화 하기 위하여 각각의 시스템에 SCXI 시스템을 설치하였다.
기존에는 하나의 컨트롤 컴퓨터에서 컨트롤과 데이터 수집을 동시에 하는 시스템이었다. 그러나,시간 지연 문제 해결을 위하여 컨트롤과 데이터 수집을 위하여 2대의 컴퓨터를 설치하였다.
데이터수집 시스템은 SCXI 1000 샤시에 로드셀, 엑츄에이터, 변위계, 온도를 위한 모듈들(SCXI-1520, SCXI-1540, SCXI-1102B)을 설치하여, 데이터를 수집, 저장하도록 설치하였다.

그림 2. 10톤 유압장비 모습과 컨트롤 및 데이터 수집 시스템

그림 3. 500톤 유압장비 모습 / 컨트롤러 및 데이터 수집 시스템

2. 데이터 수집 프로그램 및 해석 프로그램 개발
아스팔트 혼합물은 동탄성계수시험, 회복탄성계수시험, 크립계수시험, 피로시험을 실시하고 있으며 이러한 시험들은 ASTM 및 KS 규격에 준하여 시험이 이루어진다. 그림의 데이터 수집 프로그램은 시편에 부착한 4개의 변형률, 하중, 엑추에이터 변위, 항온챔버온도, 실내온도를 저장하도록 되어있으며, 다양한 시험에 따라 sampling rate와 시험시간이 다르게 적용 되도록 하였다. 또한, 피로시험에서는 사용자 정의된 강성 계산식을 적용하여 매 하중주기 마다 강성을 계산, 초기 강성의 30%까지 데이터를 수집 저장하도록 하였다.
데이터 해석프로그램은 시험규정에서 정하는 범위의 데이터를 추출하여 물성값을 계산하고 그래프와 계수값으로 표현되게 하였다
동탄성계수 해석 프로그램은 각 하중 주기별(25Hz, 10Hz, 1Hz, 0.1Hz, 0.01Hz)로 최종 5사이클의 평균값으로 동탄성계수를 계산하도록 하였다.
크립계수 해석 프로그램은 로그-로그 스케일에서 직선구간의 기울기 구간을 선정하여 기울기를 계산하고, 수렴부의 계수를 지정하여 사용자 정의 계산식의 계수값을 계산하도록 하였다.

그림 4. 동탄성계수 데이터 수집 / 피로시험 데이터 수집

그림 5. 피로시험 데이터 수집

그림 6. 동탄성 크리프계수 해석 프로그램

그림 7. 저장 데이터 초기화

그림 8. 데이터 초기화 및 응력, 변형률, 크립계수 계산

그림 9. 직선구간의 기울기 계산 및 크립계수 계산

그림 10. Prony 시리즈를 이용한 탄성계수로의 변환 및 그래프 출력

이상의 데이터 수집 및 해석 프로그램은 “프로그램 심의 조정 위원회”에 프로그램을 등록하여 아스팔트 혼합물의 재료물성 시험에 활용하고 있다.

그림 11. 프로그램 등록증

3. 매우 작은 변형률의 측정
아스팔트 혼합물은 고온에서 매우 취약하므로 상온 이상의 온도에서는 시험시편이 시험 중에 손상이 되지 않도록 작은 하중범위에서 시험을 실시한다. 변형률이 150 이하가 되도록 시험을 실시하는데 이를 위하여 12비트 DAQ 카드를 사용하던 시스템에 16비트 DAQ 카드로 교체하여 필요로 하는 측정결과를 얻을 수 있었다.
12비트와 16비트의 측정 정도를 확인하기 위하여 실린더 형태의 시편에 5mm LVDT를 장착한 후, 각각 12비트와 1비트의 DAQ카드를 가지는 동일한 SCXI 시스템에 연결 후 실험한 측정값을 비교 하였다. 2개의 LVDT는 동일하게 거동하였으나, 저장된 데이터 값의 정도는 16비트 DAQ 카드를 사용 함으로서 매우 훌륭하게 개선되었음을 알 수 있었다.

그림 12. STEEL시편 압축시험 결과 / 콘크리트시편 압축강도시험 결과

결론 및 솔루션 개발 후 얻게 된 이점:
NI SCXI 시스템과 LabVIEW 프로그램을 실험시스템에 도입함으로서, 기존의 시간지연 현상에 따른 물성평가의 불확실성을 제거할 수 있었다. 또한 실험데이터의 해석을 위하여 별도의 Excel 작업이나 해석프로그램의 외부용역 없이 해석프로그램을 개발할 수 있게 되었다. 해석프로그램을 외부로 용역을 줄 경우 분야가 상당한 시간이 걸리고 수정이 용이 하지 않다는 문제점이 있으나, LabVIEW 프로그램으로 연구자가 직접 수정 및 공동연구자에게 배포하기 편하였다.
실험의 데이터 기준이 이전 보다 정도가 높은 결과값을 요구함에 따라, 기존의 데이터 수집 시스템을 12비트에서 16비트로 업그레이드 함으로서 실험데이터의 분해능을 높이고 신뢰도를 향상 시킬 수 있게 되었다.

NI 솔루션을 선택한 이유:
- 시간지연 없이 모든 채널을 동기화 할 수 있는 점
- 데이터 수집 및 해석에 필요한 프로그램 개발이 용이한 점
- 추후 채널 추가와 조합이 용이한 점
- 채널 추가에 따른 비용상승이 크지 않은 점

Author Information:
For more information on this Case Study, contact:
최지영 연구원
한국건설기술연구원 도로연구부

Browse All Case Studies »