KR101055314B1 - Structural damage detection method using acceleration and strain signals - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 진동파워를 이용한 구조물의 손상을 탐지하는 방법에 대한 것으로서 특히 상기 진동파워를 스트레인 게이지에 의해 측정되는 힘(전단력, 굽힘모멘트)과 가속도 센서에 의해 측정되는 가속도를 이용하여 추산한 후 이를 이용하여 손상지수를 산정하여 구조물의 손상을 보다 정밀하고도 용이하게 탐지할 수 있는 손상 탐지 방법에 대한 것이다.The present invention relates to a method of detecting damage of a structure using vibration power, and in particular, the vibration power is estimated by using the force (shear force, bending moment) measured by the strain gauge and the acceleration measured by the acceleration sensor. It is about damage detection method that can detect damage of structure more precisely and easily by calculating damage index.
일반적으로 구조물의 붕괴 등을 예방하기 위하여 다양한 손상 탐지 방법 내지 구조물 건전성 감시기술 등이 개발되고 있다. 구조물 손상 탐지 방법은 손상의 위치를 미리 예상할 수 있는지 여부에 따라 적용되는 기법이 달라지며, 크게 국부(local) 손상 탐지와 전역(global) 손상 탐지로 구분할 수 있다.In general, various damage detection methods or structural health monitoring techniques have been developed to prevent collapse of structures. The method of structural damage detection differs depending on whether the damage location can be predicted in advance, and can be classified into local damage detection and global damage detection.
국부 손상 탐지는 손상이 예상되는 주요 구조 부재의 인근에서 국부적인 응답특성의 변화로부터 손상을 규명하는 방법이며, 전역 손상 탐지는 손상의 위치와 무관하게 구조물의 전역적인 응답특성 변화로부터 손상을 규명하는 방법이다.Local damage detection is a method of identifying damage from changes in local response in the vicinity of the major structural member that is expected to be damaged, and global damage detection identifies damage from changes in the global response of a structure regardless of the location of the damage. It is a way.
상술한 국부 손상 탐지 방법에는 외관검사(visual inspection)를 포함하여 비파괴 검사(nondestructive evaluation; NDE) 방법이 적용되어 왔다. 근래에는 광섬유센서(fiber optic sensor; FOS) 및 압전(piezoelectric; PZT)센서 등과 같은 스마트 센서(smart sensor)를 활용한 다양한 기법들이 개발되고 있다.The nondestructive evaluation (NDE) method has been applied to the above-described local damage detection method including visual inspection. Recently, various techniques using smart sensors such as fiber optic sensors (FOS) and piezoelectric (PZT) sensors have been developed.
최근에는 진동파워를 이용한 구조물의 손상 탐지 방법이 제안되고 있다.Recently, a damage detection method of a structure using vibration power has been proposed.
상기 방법은 도 1에 도시된 바와 같이 측정 대상물(V)에 다수개의 가속도 센서(#1,#2,#3,#4)를 배치한 후 상기 가속도 센서에서 측정되는 신호를 이용하여 진동파워를 추산한다.In the method, as illustrated in FIG. 1, a plurality of
상기 추산된 진동파워를 손상 지수로서 산정하여 구조물의 손상을 탐지한다.The estimated vibration power is calculated as the damage index to detect damage to the structure.
즉, 상기 가속도 센서에 의해 전단력 Q와, 굽힘 모멘트 M 및 진동파워를 평가한다.That is, the shear sensor Q, bending moment M and vibration power are evaluated by the acceleration sensor.
이때, 이를 위해 상기 가속도 센서에 의해 가속도 응답 를 측정한다.At this time, the acceleration response by the acceleration sensor for this purpose Measure
이를 이용하여 시간평균 진동파워 를 아래의 수학식1에 의해 추산한다.Time-averaged vibration power using this Is estimated by
[수학식 1][Equation 1]
단 ω : 가진 주파수이고, ㅿ는 가속도 센서 간격이며, Gij는 수직방향 가속도 응답 와, 사이의 상호 스펙트럼 밀도이고 Im은 허수부이다.Where ω is the excitation frequency, ㅿ is the acceleration sensor interval, and G ij is the vertical acceleration response Wow, Is the spectral density between and Im is the imaginary part.
이와 같은 시간평균 진동파워를 이용하여 아래의 수학식2에 의해 손상 지수 DI를 산정한다.
Using such time average vibration power, damage index DI is calculated by
[수학식 2][Equation 2]
이와 같은 손상탐지 방법은 특허등록 제997810호에 자세히 나와있으므로 중복되는 설명은 생략한다.Such damage detection method is described in detail in Patent Registration No. 997810, and thus redundant description thereof will be omitted.
그런데 상술한 바와 같은 종래의 손상탐지 방법의 경우 수학식1에서와 같이가속도 신호만으로 전단력 Q와 굽힘모멘트 M을 추산하기 때문에 변위 도함수의 유한차분 근사화에 따른 고차성분(2차, 3차) 오차가 존재하고 또한 전자기장의 유입 등에 의한 가속도 신호의 측정에 어려움이 발생하는 문제점이 있었다.However, in the conventional damage detection method as described above, since the shear force Q and the bending moment M are estimated only by the acceleration signal as shown in
본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 위한 것으로서 전단력 Q와 굽힘모멘트M의 추산 시 가속도 센서가 아닌 스트레인 게이지를 이용하므로 변위 도함수의 유한차분 근사화에 따른 고차성분 오차가 발생하지 않고 광섬유 센서 등을 스트레인 게이지로 활용할 경우 전자기장의 간섭 없이 신뢰성 높은 손상 탐지 결과를 산정할 수 있기 때문에 가속도와 변형률 측정을 이용한 구조물의 손상 탐지 방법을 제공함에 목적이 있다.The present invention is to solve the above-mentioned problems, and since strain gauges are used instead of acceleration sensors when estimating shear force Q and bending moment M, strain gauges such as optical fiber sensors are not generated without high order component errors due to finite difference approximation of displacement derivatives. The purpose of this study is to provide a damage detection method of structures using acceleration and strain measurement because it can calculate reliable damage detection results without electromagnetic interference.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명은 시간평균 진동파워에 의해 산정된 손상지수를 이용하여 손상 위치를 탐지하는 방법에 있어서, 상기 시간평균 진동파워는 단순한 보 형상을 측정 대상물로 하며, 상기 측정 대상물의 특정 평가 위치에서의 전단력 Q와 굽힘모멘트 M은 스트레인 게이지를 이용하여 추산하되, 아래의 수학식3에 의하고, 상기 특정 평가 위치에서의 속도()와 속도의 일차 도함수()는 가속도를 이용하여 추산하는 구조물의 손상 탐지 방법에 그 특징이 있다.In order to achieve the above object, the present invention provides a method for detecting a damage location using a damage index calculated by time average vibration power, wherein the time average vibration power is a simple beam shape as a measurement target, The shear force Q and the bending moment M at a specific evaluation position are estimated using a strain gauge, but by the following
[수학식 3]&Quot; (3) "
(1)
(2)
(3)
(One)
(2)
(3)
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단 ω : 가진 주파수이고, ㅿ는 가속도 센서 간격이며, Sij는 변형율 εi 와 수직방향 가속도 사이의 상호 스펙트럼 밀도이고 Im은 허수부이고, w는 변위(특정 평가 위치 x0에서의 변위)이다.Where ω is the excitation frequency, ㅿ is the acceleration sensor interval, and S ij is the strain ε i and the vertical acceleration Is the imaginary part and w is the displacement (displacement at a specific evaluation position x0).
또한, 속도와 속도의 일차 도함수는 각각 , 이다.In addition, velocity and the first derivative of velocity are , to be.
이때, 상기 전단력 Q는 단순한 보 형상의 측정 대상물(B)에서 측정 평가 위치(x0)를 기준으로 v자 형상으로 배치되는 제1 및 제2 스트레인 게이지(130,140)에 의해 측정되고, 상기 굽힘 모멘트(M)는 상기 측정 평가 위치(x0)에 대응되는 상기 측정 대상물의 저면에 배치되는 제3 스트레인 게이지(150)에 의해 측정되며, 상기 가속도()는 상기 측정 평가 위치(x0)지점을 중심으로 상기 측정 대상물의 일 표면에 위치한 2개의 가속도 센서(110,120)에 의해 측정될 수 있다.In this case, the shear force Q is measured by the first and second strain gauges (130,140) arranged in a v-shape on the basis of the measurement evaluation position (x 0 ) in the simple beam-shaped measurement object (B), the bending moment (M) is measured by the
또한, 상기 전단력 Q는 상기 제1스트레인 게이지(130) 및 제2스트레인 게이지(140)로부터 측정된 동적 변형률을 이용하여 아래의 수학식 4에 의해 추산될 수 있다.In addition, the shear force Q may be estimated by
[수학식 4]&Quot; (4) "
단 k는 전단계수, A는 단면적,
G : shear modulus (로 정의),
E: 영률, 는 프와송 비
: 제2스트레인 게이지에 의해 측정된 동적 변형률: 제1스트레인 게이지에 의해 측정된 동적 변형률이다.
Where k is the shear modulus, A is the cross-sectional area,
G: shear modulus ( As defined),
E: Young's modulus, The Poisson Rain
: Dynamic strain measured by a second strain gauge : Dynamic strain measured by the first strain gauge.
또한, 상기 굽힘 모멘트M는 상기 제3스트레인 게이지(150)로부터 측정된 동적 변형률을 이용하여 아래의 수학식5에 의해 추산될 수 있다.In addition, the bending moment M may be estimated by Equation 5 below using the dynamic strain measured from the
[수학식 5][Equation 5]
단 E : 영률, I : 단면 1차 모멘트, h : 측정 대상물의 두께
: 제3스트레인 게이지에 의해 측정된 동적 변형률
Where E is the Young's modulus, I is the first moment in cross section, and h is the thickness of the measurement object.
: Dynamic strain measured by a third strain gauge
또한, 상기 시간평균 진동파워는 아래의 수학식7에 의한 손상 전 진동파워와 수학식8에 의한 손상 후 진동파워로 아래의 수학식 6에 의해 손상 지수(DI)로 산정될 수 있다.
단, 단 E : 영률, I : 단면 2차 모멘트, h : 측정 대상물의 두께,: 제3스트레인 게이지에 의해 측정된 동적 변형률이다.In addition, the time average vibration power is the vibration power before damage by the following equation (7) And vibration power after damage by Equation 8 The damage index (DI) can be calculated by Equation 6 below.
Where E is the Young's modulus, I is the secondary moment in cross section, and h is the thickness of the measurement object. : Dynamic strain measured by the third strain gauge.
[수학식 6]
: 추산된 손상전의 진동파워
손상 후 진동파워
&Quot; (6) "
: Estimated vibration power before damage
Vibration power after damage
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[수학식 7][Equation 7]
단, : 손상 전 측정 대상물의 진동파워의 전단력 성분
: 손상 전 측정 대상물의 진동파워의 굽힘 모멘트 성분
: 손상 전 측정 대상물의 변형율 εi 와 가속도 사이의 상호 스펙트럼 밀도
only, : Shear force component of the vibration power of the measurement target before damage
: Bending moment component of vibration power of the measurement target before damage
: Strain ε i and acceleration of the object to be measured before damage Cross Spectral Density Between
[수학식 8][Equation 8]
단, : 손상 전 측정 대상물의 진동파워의 전단력 성분
: 손상 전 측정 대상물의 진동파워의 굽힘 모멘트 성분
: 손상 전 측정 대상물의 변형율 εi 와 가속도 사이의 상호 스펙트럼 밀도
only, : Shear force component of the vibration power of the measurement target before damage
: Bending moment component of vibration power of the measurement target before damage
: Strain ε i and acceleration of the object to be measured before damage Cross Spectral Density Between
또한, 상기 제1 및 제2 스트레인 게이지(130,140)는 하단부가 상호 맞닿도록 배치되되 상단부로 갈수록 상호 이격되도록 배치되며, 상기 상호 맞닿는 하단부는 상기 측정 대상물(B)의 폭방향 중앙 지점에 배치될 수 있다.
In addition, the first and
이상 설명한 바와 같은 본 발명에 의해 종래보다 간단하고도 정밀하게 손상 탐지가 가능한 효과가 있다.According to the present invention as described above, there is an effect capable of detecting damages more simply and precisely than before.
도 1은 종래의 손상 탐지 방법을 설명하는 개념도이고,
도 2는 본 발명의 손상 탐지 방법을 설명하는 개념도이다.1 is a conceptual diagram illustrating a conventional damage detection method,
2 is a conceptual diagram illustrating a damage detection method of the present invention.
본 발명의 여러 실시 예들을 상세히 설명하기 전에, 다음의 상세한 설명에 기재되거나 도면에 도시된 구성요소들의 구성 및 배열들의 상세로 그 응용이 제한되는 것이 아니라는 것을 알 수 있을 것이다. Before describing the various embodiments of the present invention in detail, it will be appreciated that the application thereof is not limited to the details of construction and arrangement of components described in the following detailed description or illustrated in the drawings.
본 발명은 다른 실시 예들로 구현되고 실시될 수 있고 다양한 방법으로 수행될 수 있다. The invention can be implemented and carried out in other embodiments and can be carried out in various ways.
또, 장치 또는 요소 방향(예를 들어 "전(front)", "후(back)", "위(up)", "아래(down)", "상(top)", "하(bottom)", "좌(left)", "우(right)", "횡(lateral)" 등과 같은 용어들에 관하여 본원에 사용된 표현 및 술어는 단지 본 발명의 설명을 단순화하기 위해 사용되고, 관련된 장치 또는 요소가 단순히 특정 방향을 가져야 함을 나타내거나 의미하지 않는다는 것을 알 수 있을 것이다.
In addition, device or element orientation (e.g., "front", "back", "up", "down", "top", "bottom" The expressions and predicates used herein with respect to terms such as "," left "," right "," lateral ", etc. are used merely to simplify the description of the present invention, It will be appreciated that the element does not simply indicate or mean that it should have a particular direction.
이하 첨부된 도면을 참조로 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하도록 한다. 이에 앞서, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니 되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다.Hereinafter, exemplary embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. Prior to this, terms or words used in the present specification and claims should not be construed as being limited to the common or dictionary meanings, and the inventors should properly explain the concept of terms in order to best explain their own invention. Based on the principle that can be defined, it should be interpreted as meaning and concept corresponding to the technical idea of the present invention.
따라서, 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 일 실시예에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형 예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.
Therefore, the embodiments described in the specification and the drawings shown in the drawings are only the most preferred embodiment of the present invention and do not represent all of the technical idea of the present invention, various modifications that can be replaced at the time of the present application It should be understood that there may be equivalents and variations.
이하, 도 2와 실시예를 통해 본 발명을 상세히 설명한다.
Hereinafter, the present invention will be described in detail with reference to FIGS.
실시 예Example
본 발명은 상술한 바와 같이 시간평균 진동파워를 추산함에 있어 특정 평가 위치에서의 변형률 신호와 가속도 신호를 이용한다.The present invention uses the strain signal and the acceleration signal at a specific evaluation position in estimating the time average vibration power as described above.
종래에는 상기 시간평균 진동파워를 추산함에 있어 모두 가속도 신호를 이용하였다.In the related art, the acceleration signals are used in estimating the time average vibration power.
특허 특허등록 제997810호에 제시된 손상 탐지 방법의 경우 전단력과 굽힘모멘트 추산 시 가속도 신호를 이용하기 때문에 변위 도함수의 유한차분 근사화에 따른 고차성분 오차가 존재하고 또한 전자기장의 유입 등에 의한 가속도 신호의 측정에 어려움이 발생하는 문제점이 있었다.In the damage detection method proposed in Patent Registration No. 997810, since the acceleration signal is used to estimate the shear force and bending moment, there is a high order component error due to the finite difference approximation of the displacement derivative, and also to measure the acceleration signal due to the inflow of electromagnetic fields. There was a problem of difficulty.
본 발명은 이러한 문제를 해결한 것으로서 특정 평가 위치에서 전단력과 굽힘모멘트는 스트레인 게이지에 의해 추산하여 종래보다 고차성분의 오차가 발생하지 않아 신호의 측정이 용이하고, 광섬유 센서를 스트레인 게이지로 활용할 경우 전자기장 간섭이 없어 보다 정밀하게 측정할 수 있다.The present invention solves this problem, and the shear force and bending moment are estimated by the strain gauge at a specific evaluation position, so that the error of the higher order components does not occur than in the prior art, so that the measurement of the signal is easy, and when the optical fiber sensor is used as the strain gauge, the electromagnetic field There is no interference, so you can measure more precisely.
이때, 상기 시간평균 진동파워는 단순한 보 형상을 측정 대상물로 하며, 상기 측정 대상물의 특정 평가 위치에서의 전단력 Q와 굽힘모멘트 M은 상술한 바와 같이 스트레인 게이지를 이용하여 추산하고 속도( )와 속도의 일차 도함수는 가속도 센서에 의해 측정된 가속도를 이용하여 추산하되, 아래의 수학식3에 의한다.
In this case, the time average vibration power is a simple beam shape as the measurement object, and the shear force Q and the bending moment M at the specific evaluation position of the measurement object are estimated by using a strain gauge and the speed ( ) And the first derivative of speed Equation is estimated using the acceleration measured by the acceleration sensor, according to
[수학식 3]
(1)
(2)
[Equation 3]
(One)
(2)
(3)
단, P(x;), <P(x;t)>T : 시간평균 진동파워, ω : 가진 주파수 (3)
Where P (x;), <P (x; t)> T: time-averaged vibration power, ω: excitation frequency
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Q : 전단력 , M : 굽힘 모멘트, w : 변위( 특정 평가 위치 x0에서의 변위)
Q: shear force, M: bending moment, w: displacement (displacement at specific evaluation position x0)
이때, k : 전단계수, E : 영률(Young's Modulus), A : 단면적, ㅿ : 가속도 센서 간격
G : shear modulus (로 정의),
E: 영률, 는 프와송 비Where k is the shear modulus, E is the Young's Modulus, A is the cross-sectional area, and ㅿ is the acceleration sensor spacing.
G: shear modulus ( As defined),
E: Young's modulus, The Poisson Rain
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는 변형율 와 가속도 사이의 상호 스펙트럼 밀도, Im은 허수부이다. Is strain And acceleration Cross spectral density between, Im is the imaginary part.
이때, 하첨자 1,2는 후술하는 가속도 센서(110,120)을 뜻하고 하첨자 3,4,5는 후술하는 스트레인 게이지(130,140,150)을 뜻한다.
In this case, the
상술한 본 발명에 의해 종래 기술보다 오차를 줄일 수 있다.According to the present invention described above it is possible to reduce the error than the prior art.
즉, 종래의 경우 수학식1의 (1)에 나타난 바와 같이 2차 내지 3차의 변위 도함수가 사용되어 변위 도함수의 유한차분 근사화에 따른 고차 성분의 오차가 많이 발생하는 문제점이 있었다.That is, in the conventional case, as shown in Equation 1 (1), the second to third order displacement derivatives are used, and there is a problem in that the error of the higher order component occurs due to the finite difference approximation of the displacement derivatives.
그러나, 본 발명에 의한 경우 상기 수학식3에 나타난 바와 같이 1차의 변위 도함수만이 사용되어 변위 도함수의 유한차분 근사화에 따른 오차 발생을 현격하게 줄일 수 있게 된다.
However, according to the present invention, as shown in
이상 설명한 수학식3을 이용하여 시간평균 진동파워를 추산한 후 종래와 같은 방법에 의해 손상 탐지를 할 수 있다.After estimating the time-averaged vibration
한편, 도 2에 도시된 바와 같이 상기 전단력 Q는 단순한 보 형상의 측정 대상물(B)에서 측정 평가 위치를 기준으로 v자 형상으로 배치되되 상기 측정 대상물의 폭방향 중앙 지점에서 맞닿도록 설치되는 제1 및 제2 스트레인 게이지(130,140)에 의해 측정될 수 있다.Meanwhile, as shown in FIG. 2, the shear force Q is disposed in a v-shape based on a measurement evaluation position in a simple beam-shaped measurement object B, and is installed to abut on a widthwise center point of the measurement object. And
즉, 도2에 도시된 바와 같이 제1스트레인 게이지(130)와 제2스트레인 게이지(140)의 하단부가 상호 맞닿도록 배치되되 상단부로 갈수록 상호 이격되도록 배치하여 전체적으로 V자 형상이 되도록 한다.That is, as shown in FIG. 2, the lower ends of the
특히 상기 상호 맞닿는 하단부는 상기 측정 대상물(B)의 폭방향(높이방향, 방향z) 중앙지점에 배치되도록 하는 것이 바람직하다.In particular, it is preferable that the lower end portions which are in contact with each other are arranged at a center point in the width direction (height direction, direction z) of the measurement object B.
이때 상기 제1스트레인 게이지(130)와 제2스트레인 게이지(140)는 도시된 바와 같이 z축으로부터 각각 45도만큼 경사지게 배치될 수 있다.
In this case, the
한편, 상기 전단력 Q는 상기 제1스트레인 게이지(130) 및 제2스트레인 게이지(140)로부터 측정된 동적 변형률을 이용하여 아래의 수학식 4에 의해 추산될 수 있다.Meanwhile, the shear force Q may be estimated by
[수학식 4]&Quot; (4) "
단 k : 전단계수, A : 단면적
G : shear modulus (로 정의), Where k is the shear modulus and A is the cross-sectional area.
G: shear modulus ( As defined),
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E: 영률, 는 프와송 비
: 제2스트레인 게이지에 의해 측정된 동적 변형률E: Young's modulus, The Poisson Rain
: Dynamic strain measured by a second strain gauge
: 제1스트레인 게이지에 의해 측정된 동적 변형률
: Dynamic strain measured by the first strain gage
상기 굽힘 모멘트(M)는 상기 측정 평가 위치(x0)에 대응되는 상기 측정 대상물의 저면에 배치되는 제3 스트레인 게이지(150)에 의해 측정될 수 있다.The bending moment M may be measured by a
이때, 상기 굽힘 모멘트M는 상기 제3스트레인 게이지(150)로부터 측정된 동적 변형률을 이용하여 아래의 수학식5에 의해 추산될 수 있다In this case, the bending moment M may be estimated by Equation 5 below using the dynamic strain measured from the
[수학식 5][Equation 5]
단 E : 영률, I : 단면 2차 모멘트, h : 측정 대상물의 두께Where E is the Young's modulus, I is the secondary moment in cross section, and h is the thickness of the measurement object.
: 제3스트레인 게이지에 의해 측정된 동적 변형률
: Dynamic strain measured by a third strain gauge
상기 상호 스펙트럼 밀도(Sij)를 추산하기 위한 가속도는 상기 측정 평가 위치(x0)지점을 중심으로 상기 측정 대상물의 일 표면에 위치한 2개의 가속도 센서(110,120)에 의해 측정될 수 있다.Acceleration for estimating the cross spectral density (S ij ) May be measured by two
이때, 도시된 바와 같이 상기 가속도 센서(110,120)는 측정 대상물(B)의 상단부 표면에 상호 ㅿ 거리만큼 이격되도록 배치될 수 있다.
In this case, the
한편, 상기 수학식3의 방정식(3)에서 손상 후의 전단강성을 뜻하는 kAG와 굽힘강성 EI는 사전에 예측하기가 불가능하므로 단위 크기의 전단강성(unit kAG)과 굽힘강성(unit EI)에 대한 진동파워를 활용해야 한다.
On the other hand, kAG and bending stiffness EI, which represent the shear stiffness after damage in Equation (3) of
즉, 손상전의 진동파워 와 손상 후 진동파워를아래의 수학식7 및 수학식8에 의해 추산할 수 있다.
That is, vibration power before damage And vibration after damage Can be estimated by the following equations (7) and (8).
[수학식 7][Equation 7]
(1) (One)
(2) (2)
단 : 손상 전 측정 대상물의 진동파워의 전단력 성분only : Shear force component of the vibration power of the measurement target before damage
: 손상 전 측정 대상물의 진동파워의 굽힘 모멘트 성분 : Bending moment component of vibration power of the measurement target before damage
: 손상 전 측정 대상물의 변형율 εi 와 가속도 사이의 상호 스펙트럼 밀도
kAG : 보의 전단강성, EI : 보의 굽힘 강성,
ω:가진 주파수, △ 가속도계 간격,
c : h/2 (단 h는 측정 대상물(보)의 두께)
: Strain ε i and acceleration of the object to be measured before damage Cross Spectral Density Between
kAG: Shear stiffness of beam, EI: Bending stiffness of beam,
ω: frequency, Δ accelerometer spacing,
c: h / 2 (where h is the thickness of the measurement object (beam))
[수학식 8][Equation 8]
(1) (One)
(2) (2)
단 : 손상 후 측정 대상물의 진동파워의 전단력 성분only : Shear Force Component of Vibration Power of Measurement Object after Damage
: 손상 후 측정 대상물의 진동파워의 굽힘 모멘트 성분 : Bending moment component of the vibration power of the measurement object after damage
: 손상 후 측정 대상물의 변형율 εi 와 가속도 사이의 상호 스펙트럼 밀도
: Strain ε i and acceleration of the measured object after damage Cross Spectral Density Between
이와 같이 추산된 손상 전의 진동파워 와 손상 후 진동파워를 이용하여 아래의 수학식6에 의해 손상 지수(DI)를 산정할 수 있다.The vibration power before the damage thus estimated And vibration after damage The damage index (DI) can be calculated by using Equation 6 below.
[수학식 6]&Quot; (6) "
이상 설명한 바와 같이 전단력 Q와 굽힘모멘트 M의 추산에서 수학식4, 수학식5를 적용한 본 발명의 방법에 의해 종래보다 변위 도함수의 유한차분 근사화에 따른 고차성분(2차, 3차) 오차가 없고, 광섬유 센서를 스트레인 게이지로 활용할 경우 전자기장 간섭 없이 보다 정밀하게 측정할 수 있다.As described above, according to the method of the present invention applying equations (4) and (5) in the estimation of the shear force Q and the bending moment M, there are no higher-order component (secondary and third-order) errors due to finite difference approximation of the displacement derivatives than in the prior art. Using a fiber optic sensor as a strain gage allows more accurate measurements without electromagnetic interference.
110 : 제1가속도 센서 120 : 제2가속도 센서
130 : 제1스트레인 게이지 140 : 제2스트레인 게이지
150 : 제3스트레인 게이지110: first acceleration sensor 120: second acceleration sensor
130: first strain gauge 140: second strain gauge
150: third strain gauge
Claims (6)
상기 시간평균 진동파워는 단순한 보 형상을 측정 대상물로 하며, 상기 측정 대상물의 특정 평가 위치에서의 전단력 Q와 굽힘모멘트 M은 스트레인 게이지를 이용하여 추산하되, 아래의 수학식3에 의하고,
상기 특정 평가 위치에서의 속도()와 속도의 일차 도함수는 가속도 센서에 의해 측정된 가속도를 이용하여 추산되는 것을 특징으로 하는 변형률과 가속도 신호를 이용한 구조물의 손상 탐지 방법.
[수학식 3]
단, P(x;), <P(x;t)>T : 시간평균 진동파워, ω : 가진 주파수
Q : 전단력 , M : 굽힘 모멘트, w: 변위( 특정 평가 위치 x0에서의 변위)
이때, k : 전단계수, E : 영률(Young's Modulus), A : 단면적, ㅿ : 가속도 센서 간격
G : shear modulus (로 정의),
E: 영률, 는 프와송 비
는 변형율 와 가속도 사이의 상호 스펙트럼 밀도, Im은 허수부이다.In the method for detecting the damage location using the damage index calculated by the time average vibration power,
The time average vibration power is a simple beam shape as the measurement object, the shear force Q and the bending moment M at a specific evaluation position of the measurement object are estimated by using a strain gauge, according to Equation 3 below,
Velocity at the particular evaluation position ( ) And the first derivative of speed The damage detection method of the structure using the strain and the acceleration signal, characterized in that estimated using the acceleration measured by the acceleration sensor.
[Equation 3]
Where P (x;), <P (x; t)> T: time-averaged vibration power, ω: excitation frequency
Q: shear force, M: bending moment, w: displacement (displacement at specific evaluation position x0)
Where k is the shear modulus, E is the Young's Modulus, A is the cross-sectional area, and ㅿ is the acceleration sensor spacing.
G: shear modulus ( As defined),
E: Young's modulus, The Poisson Rain
Is strain And acceleration Cross spectral density between, Im is the imaginary part.
상기 전단력 Q는 단순한 보 형상의 측정 대상물(B)에서 측정 평가 위치(x0)를 기준으로 v자 형상으로 배치되는 제1 및 제2 스트레인 게이지(130,140)에 의해 측정되고,
상기 굽힘 모멘트(M)는 상기 측정 평가 위치(x0)에 대응되는 상기 측정 대상물의 저면에 배치되는 제3 스트레인 게이지(150)에 의해 측정되며,
상기 가속도()는 상기 측정 평가 위치(x0)지점을 중심으로 상기 측정 대상물의 일 표면에 위치한 2개의 가속도 센서(110,120)에 의해 측정되는 것을 특징으로 하는 변형률과 가속도 신호를 이용한 구조물의 손상 탐지 방법.The method of claim 1,
The shear force Q is measured by the first and second strain gauges 130 and 140 arranged in a v shape with respect to the measurement evaluation position (x 0 ) in a simple beam-shaped measurement object (B),
The bending moment M is measured by the third strain gauge 150 disposed on the bottom surface of the measurement object corresponding to the measurement evaluation position x 0 ,
The acceleration ( ) Is measured by two acceleration sensors (110, 120) located on one surface of the measurement object with respect to the measurement evaluation position (x 0 ) point.
상기 전단력 Q는 상기 제1스트레인 게이지(130) 및 제2스트레인 게이지(140)로부터 측정된 동적 변형률을 이용하여 아래의 수학식 4에 의해 추산되는 것을 특징으로 하는 변형률과 가속도 신호를 이용한 구조물의 손상 탐지 방법.
[수학식 4]
단 k : 전단계수, A : 단면적
G : shear modulus (로 정의),
E: 영률, 는 프와송 비
: 제2스트레인 게이지에 의해 측정된 동적 변형률
: 제1스트레인 게이지에 의해 측정된 동적 변형률The method of claim 2,
The shear force Q is estimated by Equation 4 below using the dynamic strain measured from the first strain gauge 130 and the second strain gauge 140, damage to the structure using the strain and acceleration signal Detection method.
[Equation 4]
Where k is the shear modulus and A is the cross-sectional area.
G: shear modulus ( As defined),
E: Young's modulus, The Poisson Rain
: Dynamic strain measured by a second strain gauge
: Dynamic strain measured by the first strain gage
상기 굽힘 모멘트M는 상기 제3스트레인 게이지(150)로부터 측정된 동적 변형률을 이용하여 아래의 수학식5에 의해 추산되는 것을 특징으로 하는 변형률과 가속도 신호를 이용한 구조물의 손상 탐지 방법.
[수학식 5]
단 E : 영률, I : 단면 2차 모멘트, h : 측정 대상물의 두께
: 제3스트레인 게이지에 의해 측정된 동적 변형률The method of claim 2,
The bending moment M is a damage detection method of the structure using the strain and acceleration signal, characterized in that estimated by the following equation 5 using the dynamic strain measured from the third strain gauge (150).
&Quot; (5) "
Where E is the Young's modulus, I is the secondary moment in cross section, and h is the thickness of the measurement object.
: Dynamic strain measured by a third strain gauge
상기 시간평균 진동파워는 아래의 수학식7에 의한 손상 전 진동파워와 수학식8에 의한 손상 후 진동파워로 추산하며,
아래의 수학식 6에 의해 손상 지수(DI)로 산정되는 것을 특징으로 하는 변형률과 가속도 신호를 이용한 구조물의 손상 탐지 방법.
[수학식 6]
[수학식 7]
ω
단 : 손상 전 측정 대상물의 진동파워의 전단력 성분
: 손상 전 측정 대상물의 진동파워의 굽힘 모멘트 성분
: 손상 전 측정 대상물의 변형율 εi 와 가속도 사이의 상호 스펙트럼 밀도
kAG : 보의 전단강성, EI : 보의 굽힘 강성,
ω:가진 주파수, △ 가속도계 간격,
c = h/2 = (보의 두께)/2
[수학식 8]
단 : 손상 후 측정 대상물의 진동파워의 전단력 성분
: 손상 후 측정 대상물의 진동파워의 굽힘 모멘트 성분
: 손상 후 측정 대상물의 변형율 εi 와 가속도 사이의 상호 스펙트럼 밀도
c : h/2 (단 h는 측정 대상물의 두께)The method of claim 1,
The time average vibration power is the vibration power before damage by the following equation (7) And vibration power after damage by Equation 8 Estimated by
Damage detection method of the structure using the strain and acceleration signal, characterized in that calculated by the damage index (DI) by the following equation (6).
&Quot; (6) "
&Quot; (7) "
ω
only : Shear force component of the vibration power of the measurement target before damage
: Bending moment component of vibration power of the measurement target before damage
: Strain ε i and acceleration of the object to be measured before damage Cross Spectral Density Between
kAG: Shear stiffness of beam, EI: Bending stiffness of beam,
ω: frequency, Δ accelerometer spacing,
c = h / 2 = (thickness of beam) / 2
&Quot; (8) "
only : Shear Force Component of Vibration Power of Measurement Object after Damage
: Bending moment component of the vibration power of the measurement object after damage
: Strain ε i and acceleration of the measured object after damage Cross Spectral Density Between
c: h / 2 (where h is the thickness of the measurement object)
상기 제1 및 제2 스트레인 게이지(130,140)는 하단부가 상호 맞닿도록 배치되되 상단부로 갈수록 상호 이격되도록 배치되며,
상기 상호 맞닿는 하단부는 상기 측정 대상물(B)의 폭방향 중앙 지점에 배치되는 것을 특징으로 하는 변형률과 가속도 신호를 이용한 구조물의 손상 탐지 방법.The method of claim 2,
The first and second strain gauges 130 and 140 are disposed to be in contact with each other at the lower end, but are spaced apart from each other toward the upper end.
The lower end portion which abuts each other is disposed at the center point in the width direction of the measurement object (B), the damage detection method of the structure using the strain signal and the acceleration signal.
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