KR100260324B1 - 이동하중에 의한 보의 변위응답 산정을 위한 가속도측정치의 신호처리 방법 - Google Patents

이동하중에 의한 보의 변위응답 산정을 위한 가속도측정치의 신호처리 방법 Download PDF

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Abstract

이동하중에 의한 천이영역(transient region)에서의 동적변위를 측정하고자 하는 대상교량에 대하여 가속도계와 초음파센서를 설치하고; 이동하중(차량)에 의한 가속도신호를 측정하고; 초음파센서로 이동하중의 진입/진출시각을 측정하고; 측정 데이타를 디지털 데이타로 변환하고; 시간영역 및 주파수영역에서 적분하여 동적변위를 구하는 시험방법중 기준점을 마련하는데 많은 비용이 드는 기존의 방법에 비하여 경제성이 우월한 구조물의 시험방법이다.

Description

이동하중에 의한 보의 변위응답 산정을 위한 가속도측정치의 신호처리방법
본 발명은 교량과 같은 대형구조물이나 산업설비의 노후도 진단을 위하여 동적재하시험을 수행할 때, 이에 관련되는 현장시험을 경제적으로 수행할 수 있게 하는 방법에 관한 것으로 노후도 판단의 중요한 요소인 동적변위를 직접 측정하지 않고 현장에서 간단히 측정할 수 있는 가속도 신호를 적분하여 동적변위를 예측하는 방법에 관한 것이다.
교량과 같은 구조물의 안전진단을 위하여 구조물의 동적재하 시험을 수행하고 그 결과를 분석함으로써 구조물의 안전성을 평가한다. 구조계의 동적 응답을 분석시 가장 중요한 요소는 변위의 파형 및 스펙트럼성분으로 스펙트럼성분은 가속도신호를 주파수 분석함으로써 쉽게 규명할 수 있으나, 응력과 비례 관계를 지니는 변위의 파형은 변위계를 직접 사용하여야 측정할 수 있으나 특히 피로나 균열과 같은 파괴메카니즘은 응력과 직접적인 관련이 있으므로 측정데이타의 분석시 진동변위의 파형을 정량적으로 알아야 한다. 또한 대부분의 공학적 기준(engineering standards)은 변위를 기초로 기술된 경우가 많으므로 가속도보다는 변위를 사용하는 것이 일반적이라 할 수 있다. 그러나 변위는 그 특성상 측정이 어려운 것이 현실이며, 현장측정시 기준점(reference point)을 마련하기 어려울 뿐 아니라 변위센서 자체의 주파수특성이 제한되는 등 계측기상의 단점을 지니고 있다. 반면 가속도신호는 기준점이 필요없고 관성형(inertia-type) 센서를 부착함으로써 원하는 위치의 신호를 쉽게 측정할 수 있으므로 가속도신호를 이용한 변위응답추정의 필요성이 구조물의 동적재하시험을 중심으로 대두되어 왔다.
기존의 시험방법은 도 1과 같이 물이 흐르는 교량의 하부에 기준점을 설치하고 이 위에 변위계를 설치하여 교량의 동적 변위응답을 측정하는 것으로 교량하부에 기준점을 마련하는데는 많은 경비가 들고 변위센서 자체의 주파수특성이 제한되어 고주파의 신호를 감지 못하는 단점이 있다.
제1도는 종래의 측정방법.
제2도는 본 발명에 따른 측정방법.
제3도는 본 발명에 따른 측정흐름도.
본 발명은 상기한 목적을 달성하기 위하여 안전성을 평가하고자 하는 대상 교량에 대하여 교량상부에 도 2와 같은 시험장비를 설치하고 초음파센서를 이용하여 이동하중(차량)의 통과시에 진입/진출 시각을 측정하고 교량의 동적변위를 측정하고자 하는 위치에서의 가속도를 측정한 뒤, 다음과 같은 신호처리기법을 이용하여 변위를 산출하다.
(가) 시간 영역의 적분
측정된 가속도 기록을 a(t)라 하면 속도 성분은 식(1)과 같이 표현된다.
식(1)을 적분하면 변위성분 x(t)는 식(2)와 같고
식(2)의 변위성분 중, 측정된 가속도 기록에 의한 항과 초기 조건에 의한 항을 구분하여 표시하면 추정된 변위는 식(3)과 같다.
즉 초기 조건이 0인 경우에는 식(4)와 같이 측정된 가속도 신호만을 적분하여 변위응답을 구할 수 있다.
(나) 주파수 영역이 적분
푸리에 변환의 정의로부터 측정된 가속도 응답의 푸리에 변환을 구하고 이를 식(6)과 같이 푸리에 사인변환과 푸리에 코사인변환으로 분리하여 표시할 수 있다.
측정된 가속도 기록의 푸리에 변환으로부터 변위응답을 구하기 위하여 식(7)의 미분치정리를 도입하여, 식(6)에 대입하면
식(8)의 관계식을 유도할 수 있다.
여기서
측정된 가속도 신호의 푸리에 변환으로부터 식(8-b)을 이용하여 변위응답의 푸리에변환 X(ω)를 구할 수 있으며 시간 영역에서의 변위응답 x(t)는 식(9)의 푸리에 역변환으로부터 구할 수 있다.
교량구조물의 안전진단을 위하여 변위계로 직접 동적변위를 측정하는 경우, 기존의 방법으로는 도 1과 같이 교량하부에 기준점을 마련하는데 막대한 비용이 소요되지만 도 2와 같은 본 발명의 시험방법을 이용하는 경우에는 교량상부에 가속도계 및 초음파센서만을 설치하여 간단하게 동적변위를 예측할 수 있다. 따라서 본 발명은 현장작업을 최소화하며 경제적으로 교량의 안전성을 평가할 수 있는 우수한 교량의 시험법이다.
본 발명은 구조물의 동적재하시험에서 측정된 가속도신호를 이중적분하여 변위응답을 구하는 신호처리 기법을 개발하고 이를 이용하여 교량과 같은 대형구조물의 충격계수 및 안정성을 신속하고 경제적으로 판단하는데 그 목적을 둔다.

Claims (1)

  1. 이동하중에 의한 교량의 동적 영향을 평가하는 방법에 있어서, 교량의 진입부와 진출부에 초음파센서를 설치하고; 동적변위를 산정하고자 하는 위치의 가속도신호를 측정하고; 이동하중의 진입/진출시각을 초음파센서로 측정하고; 초기조건 및 최종조건을 결정하고; 측정데이타를 디지털 데이타로 변환하고; 시간영역 또는 주파수영역에서 이중적분하여 천이영역(transient region)에서 교량의 동적변위를 구하는 단계로 구성됨을 특징으로 하는 이동하중에 의한 보의 변위응답 산정을 위한 가속도측정치의 신호처리방법.
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