KR100844893B1 - 구조 건전도 모니터링 장치 - Google Patents

구조 건전도 모니터링 장치 Download PDF

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KR100844893B1
KR100844893B1 KR1020070019339A KR20070019339A KR100844893B1 KR 100844893 B1 KR100844893 B1 KR 100844893B1 KR 1020070019339 A KR1020070019339 A KR 1020070019339A KR 20070019339 A KR20070019339 A KR 20070019339A KR 100844893 B1 KR100844893 B1 KR 100844893B1
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박준홍
김승준
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한양대학교 산학협력단
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Abstract

본 발명은 구조 건전도의 모니터링 장치에 관한 것이다. 상기 구조 건전도의 모니터링 장치는, 모니터링 대상의 구조물을 가진하여 발생하는 진동에서 특정지점의 가속도를 측정하여 구조물의 전달함수를 구하고, 구조물의 전달함수를 이용하여 구조물의 복소 파수(Complex wavenumber)를 구하여 구조물의 동특성(Dynamic Characteristic)을 계산하는 동특성 계산부와, 상기 동특성을 이용하여 구조물에 저장되어 있는 포텐셜 에너지, 결함이 있는 구조물의 동적강성 민감도 및 구조물의 손상척도를 계산하는 모니터링부를 포함한다. 이때 상기 동특성은 하기 수학식에 의해서 구해진다.
Figure 712008002025614-pat00120
상기 수학식에서,
Figure 712008002025614-pat00121
는 굽힘강성(Nm2)을 나타내고,
Figure 712008002025614-pat00122
는 각 주파수(rad/s)를 나타내고,
Figure 712008002025614-pat00123
는 단위 길이당 질량(kg/m)을 나타내며,
Figure 712008002025614-pat00124
는 복소 파수(Complex wavenumber)를 나타낸다.

Description

구조 건전도 모니터링 장치{STRUCTURAL HEALTH MONITORING APPARATUS}
도 1은 본 발명에 따른 구조 건전도 모니터링 장치에 대한 구성을 나타낸 도면.
도 2는 본 발명에 따른 구조 건전도 모니터링 장치를 이용하여 구조 건전도를 모니터링하는 방법에 대한 순서도.
도 3은 본 발명에 따른 동특성을 구하는 과정을 예시한 도면.
도 4는 본 발명의 수학식에 따라 구조물의 동적강성을 구하고 이를 나타낸 그래프.
도 5는 본 발명의 수학식에 따라 구조물의 손상척도을 구하고 이를 나타낸 그래프.
삭제
본 발명은 구조 건전도 모니터링 장치에 관한 것으로, 더욱 자세하게는 굽힘파 파동전달 특성을 이용하여 구조 건전도를 모니터링 하는 구조 건전도 모니터링 장치에 관한 것이다.
일반적으로 구조물의 건전도를 판별하는 방법으로는 주로 비파과적 기법이 사용되고 있다.
이러한 비파괴적 기법에는 눈으로 실제 결함을 확인하는 육안검사, 초음파를 이용한 초음파 검사, X-Ray 등을 이용하는 방사선 투과검사, 자기 공명 장치 등을 이용하는 자기검사, 유체 등을 이용한 누설검사 등이 있다.
또한, 비파괴적 기법에는 최근 제안되고 있는 새로운 비파괴적 방법인 구조물의 파동전달특성을 이용한 모니터링 기법 등이 있다.
이러한 비파괴적 기법은 생산 제품의 신뢰성 확보 및 공공안전을 확보하기 위해 구조물 건전도의 측정에 이용되며, 특히 건축물(교량, 건물, 시추선 등) 또는 기계설비(크레인, 기차궤도, 송유관, 배관 시스템 등)등의 안전도 판별과 감시에 이용되고 있다.
그러나, 이러한 종래의 비파괴적 구조 건전도의 모니터링 기술들은 사용되는 측정 물질과 장비들의 부피로 인한 구조물에의 접근성에 제약이 있다. 또한, 이러한 구조 건전도의 모니터링 기술들은 장비가 불필요한 기술의 경우 모니터링 결과에 신빙성이 떨어진다는 문제점이 있다.
또한, 구조물의 파동전달특성을 이용한 모니터링 기법들은 모드 형상을 측정하여 결함발생을 관측하는 기술은 측정부위를 옮겨가며 측정을 반복하거나 많은 수의 센서를 한꺼번에 써야하는 단점을 가진다.
그리고 구조물의 임피던스를 그 측정 척도로 하는 기술은 온도변화나 바람 등 기타 주변 환경요건이 변했을 때의 임피던스 변화를 고려하기 어려운 단점을 가진다.
구조파에 의한 모달 특성에 의한 진동을 그 측정 척도로 하고 있는 기술들은 인위적인 파동 전달 제어에 대한 요구조건이 필요한 단점을 가진다.
마지막으로 구조물에서 결함이 발생할 때 결함에 의한 비선형 특성을 이용한 측정방법은 그 수학적 모델 상 비선형 특성을 정량화하기 어렵고, 데이터 처리비용이 경제적이지 못하다는 문제점을 가진다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 창안된 것으로, 본 발명의 목적은 굽힘파 파동전달 특성을 이용한 구조 건전도를 모니터링 하는 구조 건전도의 모니터링 장치를 제공하는 것이다.
상기 목적을 달성하기 위해, 본 발명은
구조 건전도의 모니터링 장치에 있어서,
모니터링 대상의 구조물을 가진하여 발생하는 진동에서 특정지점의 가속도를 측정하여 구조물의 전달함수를 구하고, 구조물의 전달함수를 이용하여 구조물의 복소 파수(Complex wavenumber)를 구하여 구조물의 동특성(Dynamic Characteristic)을 계산하는 동특성 계산부와, 상기 동특성을 이용하여 구조물에 저장되어 있는 포텐셜 에너지, 결함이 있는 구조물의 동적강성 민감도 및 구조물의 손상척도를 계산하는 모니터링부를 포함하는 구조 건전도의 모니터링 장치를 제공한다. 이때, 상기 동특성은 하기 수학식에 의해서 구해진다.
Figure 712008002025614-pat00125

상기 수학식에서,
Figure 712008002025614-pat00126
는 굽힘강성(Nm2)을 나타내고,
Figure 712008002025614-pat00127
는 각 주파수(rad/s)를 나타내고,
Figure 712008002025614-pat00128
는 단위 길이당 질량(kg/m)을 나타내며,
Figure 712008002025614-pat00129
는 복소 파수(Complex wavenumber)를 나타낸다.
본 발명에 따른 구조 건전도의 모니터링 장치에 따르면, 모드형상을 측정하여 결함발생을 관측하는 기술에 비해 측정횟수가 적고 측정에 필요한 센서의 수가 적다는 장점을 가진다.
또한, 임피던스를 그 측정척도로 하는 기술에 비해 주변 환경변화에 측정 민감도가 둔감하다는 장점을 가진다.
구조파에 의한 모달 특성에 의한 진동을 그 측정 척도로 하고 있는 기술들에 비해 반사파에 대한 영향의 고려가 가능하다는 장점을 가진다.
마지막으로 구조물에서 결함이 발생할 때 결함에 의한 비선형 특성을 이용한 측정방법에 간단한 수학적 모델을 지닌다는 장점을 가진다.
이하 본 발명을 상세히 설명한다.
도 1은 본 발명에 따른 구조 건전도의 모니터링 장치에 대한 구성을 나타낸 것이고, 도 2는 본 발명에 따른 구조 건전도의 모니터링 장치를 이용하여 구조 건전도를 모니터링하는 방법을 순서도로 나타낸 것이다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 본 발명의 구조 건전도의 모니터링 장치는 동특성 계산부(10)와, 모니터링부(11)를 포함한다.
상기 동특성 계산부(10)는 모니터링 대상의 구조물을 가진하여 발생하는 진동에서 특정지점의 가속도를 측정하고, 측정된 가속도를 이용해 구조물의 전달함수를 구한다. 이어서, 동특성 계산부(10)는 구해진 구조물의 전달함수를 이용하여 구조물의 복소파수(Complex wavenumber)를 수치적으로 구한다. 다음으로, 동특성 계산부(10)는 구해진 복소파수를 이용해 구조물의 동특성(Dynamic Characteristic)을 구한다.
도 3은 본 발명에 따른 동특성을 구하는 과정을 예시한 도면이다.
도 3을 참조하면, 본 발명의 동특성 계산부(10)은 구조물을 가진(Forced vibration of structure)하여 발생하는 진동에서 구조물의 특정지점
Figure 712008002025614-pat00059
에서의 구조물 횡적 변위
Figure 712008002025614-pat00060
를 측정한다.
이때, 특정지점
Figure 712008002025614-pat00061
에서의 구조물 횡적 변위는
Figure 712008002025614-pat00062
이며, 그 지점에서의 가속도는
Figure 712008002025614-pat00063
이고, 가속도와 횡적변위는 비례관계에 있다.
동특성 계산부(10)는 이러한 특정지점의 가속도를 이용하여 전달함수(Transfer function)를 구한다. 그리고 구해진 구조물의 전달함수를 이용하여 파의 진행(Wave propagation)을 해석하고, 해석된 결과에 따라 복수파수(Complex wavenumber)를 구한다. 이후, 동특성 계산부(10)는 구해진 복소파수를 이용하여 구조물의 동특성을 하기 수학식 1을 이용하여 구한다.
Figure 712008002025614-pat00064
(상기 수학식 1에서,
Figure 712008002025614-pat00065
는 굽힘강성(Nm2)을 나타내고,
Figure 712008002025614-pat00066
는 각 주파수(rad/s)를 나타내고,
Figure 712008002025614-pat00067
는 단위 길이당 질량(kg/m)을 나타내며,
Figure 712008002025614-pat00068
는 복소파수(Complex wavenumber)를 나타낸다.)
이때 굽힘강성을 나타내는
Figure 712008002025614-pat00069
는
Figure 712008002025614-pat00070
Figure 712008002025614-pat00071
로도 나타낼 수 있는데, 이때
Figure 712008002025614-pat00072
는 영률이고,
Figure 712008002025614-pat00073
는 면적 관성 모멘트이며,
Figure 712008002025614-pat00074
는
Figure 712008002025614-pat00075
와
Figure 712008002025614-pat00076
의 곱을 나타낸다.
한편, 본 발명의 모니터링부(11)는 동특성 계산부(10)에서 구해진 구조물의 동특성을 이용하여 구조물에 저장되어 있는 포텐셜 에너지, 결함이 있는 구조물의 동적강성 민감도 및 구조물의 손상척도를 계산한 뒤 화면에 디스플레이한다.
이때, 모니터링부(11)는 구해진 구조물의 동특성을 하기 수학식 2에 대입하여 구조물에 저장되어 있는 포텐셜 에너지를 구한다.
Figure 712008002025614-pat00077
(상기 수학식 2에서,
Figure 712008002025614-pat00078
는 평균 포텐셜 에너지를 나타내고,
Figure 712008002025614-pat00079
은 구조물의 길이(m)를 나타내고,
Figure 712008002025614-pat00080
는 구조물의 횡적 변위를 나타내고,
Figure 712008002025614-pat00081
는 구조물에 굽힘이 일어난 경우에 굽힘의 곡률반경을 나타내며,
Figure 712008002025614-pat00082
는 상기 식에서 설명한 바와 같다.)
이어서, 모니터링부(11)는 상기 수학식 1 및 수학식 2에 의해 구해진 동특성 및 포텐셜 에너지를 하기 수학식 3에 대입하여 결함이 있는 구조물의 동적강성 민감도를 구한다.
Figure 712008002025614-pat00083
(상기 수학식 3에서,
Figure 712008002025614-pat00084
는 구조물에서 임의의 지점을 나타내고,
Figure 712008002025614-pat00085
는 구조물에 굽힘이 일어난 경우에 굽힘의 곡률반경을 나타내며,
Figure 712008002025614-pat00086
,
Figure 712008002025614-pat00087
,
Figure 712008002025614-pat00088
및
Figure 712008002025614-pat00089
는 상기 식에서 설명한 바와 같다.)
마지막으로, 모니터링부(11)는 상기 수학식으로부터 얻은 동특성 및 동적강성 민감도를 하기 수학식 4에 대입하여 구조물의 손상척도를 구한 후에 화면에 디스플레이한다.
Figure 712008002025614-pat00090
(상기 수학식 4에서,
Figure 712008002025614-pat00091
는 구조물의 임의의 지점
Figure 712008002025614-pat00092
에서의 손상척도(Damage Indicator)를 나타내고,
Figure 712008002025614-pat00093
는 k번째 각 주파수를 나타내고,
Figure 712008002025614-pat00094
는 임의의 각 주파수에서 결함이 없는 구조물에서의 굽힘강성과 결함이 있는 구조물의 굽힘 강성의 변화량을 나타내며,
Figure 712008002025614-pat00095
는 구조물에 결함이 있는 위치에 저장되어 있는 포텐셜 에너지를 평균화하기 위한 민감도를 나타낸다.)
이하, 본 발명의 이해를 돕기 위하여 바람직한 실시예를 제시한다. 그러나 하기의 실시예는 본 발명을 보다 쉽게 이해하기 위하여 제공되는 것일 뿐, 실시예에 의해 본 발명의 내용이 한정되는 것은 아니다.
실시예 1
특정위치에서의 결함을 결함이 없는 모델로 등가화하여 보 전달 함수법을 이용해 보의 동특성을 수치적으로 구하였다. 이어서 얻은 동적강성을 사용하여 본 발명의 수학식에 따라 손상척도를 계산하고, 이를 이용해 결함의 위치와 그 크기를 검출하였다. 그 결과는 각각 도 4 및 도 5, 표 1에 나타내었다.
도 5는 각 결함에서의 손상척도를 구조물의 전체 길이에 대해서 구하여 선으로 연결한 그래프이다. 일반적으로 결함이 없는 구조물에서의 손상척도 DI는 '0'이 되어야 한다. 그러나, 손상척도는 결함이 발생하여 그 크기가 증가할수록 커지게 된다. 도 5를 참조하면, 손상척도는 결함의 크기가 증가할수록 점점 커지게 됨을 알 수 있다. 이때, 결함의 위치를 여러 길이의 구조물에서의 값과 비교하기 위하여 구조물의 전체 길이로 나누어 정규화시킨다.
한편, 손상척도에 대한 오차를 아래 표 1에 나타내었다.
crack magnitude (h, mm) xc=2L/3
First maximum Second maximum
2 0.137 0.747(8%)
4 0.99 0.677(1%)
6 0.673(0.7%) 0.133
8 0.673(0.7%) 0.267
10 0.673(0.7%) 0.073
12 0.677(1%) 0.077
14 0.68(1.3%) 0.08
16 0.687(2%) 0.08
18 0.69(2.33%) 0.247

표 1은 도 5에서의 손상 척도 그래프들의 첫 번째와 두 번째 크기의 극대값들의 위치를 구하여 그 오차를 구조물의 결함의 크기에 따라 나타낸 것이다. 이때, xc는 구조물에 진동이 가해진 지점으로부터 결함이 발생한 위치까지의 길이를 의미하고, h는 결함의 크기를 의미한다. 여기서, 결함의 실제 위치가 0.67(2/3)이라면 그 오차는 0%가 된다.
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본 발명에 따른 구조 건전도의 모니터링 장치에 따르면, 모드형상을 측정하여 결함발생을 관측하는 기술에 비해 측정횟수가 적고 측정에 필요한 센서의 수가 적다는 장점을 가진다.
또한, 임피던스를 그 측정척도로 하는 기술에 비해 주변 환경변화에 측정 민감도가 둔감하다는 장점을 가진다.
구조파에 의한 모달 특성에 의한 진동을 그 측정 척도로 하고 있는 기술들에 비해 반사파에 대한 영향의 고려가 가능하다는 장점을 가진다.
마지막으로 구조물에서 결함이 발생할 때 결함에 의한 비선형 특성을 이용한 측정방법에 간단한 수학적 모델을 지닌다는 장점을 가진다.
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Claims (12)

  1. 구조 건전도의 모니터링 장치에 있어서,
    모니터링 대상의 구조물을 가진하여 발생하는 진동에서 특정지점의 가속도를 측정하여 구조물의 전달함수를 구하고, 구조물의 전달함수를 이용하여 구조물의 복소 파수(Complex wavenumber)를 구하여 구조물의 동특성(Dynamic Characteristic)을 계산하는 동특성 계산부; 및
    상기 동특성을 이용하여 구조물에 저장되어 있는 포텐셜 에너지, 결함이 있는 구조물의 동적강성 민감도 및 구조물의 손상척도를 계산하는 모니터링부를 포함하며,
    상기 동특성은 하기 수학식 1에 의해서 구해지는 구조 건전도의 모니터링 장치.
    [수학식 1]
    Figure 712008002025614-pat00130
    (상기 수학식 1에서,
    Figure 712008002025614-pat00131
    는 굽힘강성(Nm2)을 나타내고,
    Figure 712008002025614-pat00132
    는 각 주파수(rad/s)를 나타내고,
    Figure 712008002025614-pat00133
    는 단위 길이당 질량(kg/m)을 나타내며,
    Figure 712008002025614-pat00134
    는 복소 파수(Complex wavenumber)를 나타낸다.)
  2. 삭제
  3. 제1항에 있어서,
    상기 포텐셜 에너지는 하기 수학식 2에 의해서 구해지는 것을 특징으로 하는 구조 건전도의 모니터링 장치:
    [수학식 2]
    Figure 112008016263516-pat00101
    (상기 수학식 2에서,
    Figure 112008016263516-pat00102
    는 평균 포텐셜 에너지를 나타내고,
    Figure 112008016263516-pat00103
    은 구조물의 길이(m)를 나타내고,
    Figure 112008016263516-pat00104
    는 구조물의 횡적 변위를 나타내고,
    Figure 112008016263516-pat00105
    는 구조물에 굽힘이 일어난 경우에 굽힘의 곡률반경을 나타내며,
    Figure 112008016263516-pat00106
    는 상기 식에서 설명한 바와 같다.)
  4. 제1항에 있어서,
    상기 동적강성 민감도는 하기 수학식 3에 의해서 구해지는 것을 특징으로 하는 구조 건전도의 모니터링 장치:
    [수학식 3]
    Figure 112008016263516-pat00107
    (상기 수학식 3에서,
    Figure 112008016263516-pat00108
    는 구조물에서 임의의 지점을 나타내고,
    Figure 112008016263516-pat00109
    는 구조물에 굽힘이 일어난 경우에 굽힘의 곡률반경을 나타내며,
    Figure 112008016263516-pat00110
    ,
    Figure 112008016263516-pat00111
    ,
    Figure 112008016263516-pat00112
    및
    Figure 112008016263516-pat00113
    는 상기 식에서 설명한 바와 같다.)
  5. 제1항에 있어서,
    상기 손상척도는 하기 수학식 4에 의해서 구해지는 것을 특징으로 하는 구조 건전도의 모니터링 장치:
    [수학식 4]
    Figure 112008016263516-pat00114
    (상기 수학식 4에서,
    Figure 112008016263516-pat00115
    는 구조물의 임의의 지점
    Figure 112008016263516-pat00116
    에서의 손상척도(Damage Indicator)를 나타내고,
    Figure 112008016263516-pat00117
    는 k번째 각 주파수를 나타내고,
    Figure 112008016263516-pat00118
    는 임의의 각 주파수에서 결함이 없는 구조물에서의 굽힘강성과 결함이 있는 구조물의 굽힘 강성의 변화량을 나타내며,
    Figure 112008016263516-pat00119
    는 구조물에 결함이 있는 위치에 저장되어 있는 포텐셜 에너지를 평균화하기 위한 민감도를 나타낸다.)
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