KR101206044B1 - 다층 구조물의 손상율 평가 방법 - Google Patents

다층 구조물의 손상율 평가 방법 Download PDF

Info

Publication number
KR101206044B1
KR101206044B1 KR1020110009176A KR20110009176A KR101206044B1 KR 101206044 B1 KR101206044 B1 KR 101206044B1 KR 1020110009176 A KR1020110009176 A KR 1020110009176A KR 20110009176 A KR20110009176 A KR 20110009176A KR 101206044 B1 KR101206044 B1 KR 101206044B1
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
damage
displacement
flexibility
layers
mode
Prior art date
Application number
KR1020110009176A
Other languages
English (en)
Other versions
KR20120088088A (ko
Inventor
정형조
성승훈
구기영
Original Assignee
한국과학기술원
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 한국과학기술원 filed Critical 한국과학기술원
Priority to KR1020110009176A priority Critical patent/KR101206044B1/ko
Publication of KR20120088088A publication Critical patent/KR20120088088A/ko
Application granted granted Critical
Publication of KR101206044B1 publication Critical patent/KR101206044B1/ko

Links

Images

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01B—MEASURING LENGTH, THICKNESS OR SIMILAR LINEAR DIMENSIONS; MEASURING ANGLES; MEASURING AREAS; MEASURING IRREGULARITIES OF SURFACES OR CONTOURS
    • G01B21/00—Measuring arrangements or details thereof, where the measuring technique is not covered by the other groups of this subclass, unspecified or not relevant
    • G01B21/32—Measuring arrangements or details thereof, where the measuring technique is not covered by the other groups of this subclass, unspecified or not relevant for measuring the deformation in a solid
    • E—FIXED CONSTRUCTIONS
    • E01—CONSTRUCTION OF ROADS, RAILWAYS, OR BRIDGES
    • E01D—CONSTRUCTION OF BRIDGES, ELEVATED ROADWAYS OR VIADUCTS; ASSEMBLY OF BRIDGES
    • E01D22/00—Methods or apparatus for repairing or strengthening existing bridges ; Methods or apparatus for dismantling bridges
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01M—TESTING STATIC OR DYNAMIC BALANCE OF MACHINES OR STRUCTURES; TESTING OF STRUCTURES OR APPARATUS, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • G01M7/00—Vibration-testing of structures; Shock-testing of structures
    • G01M7/02—Vibration-testing by means of a shake table
    • G01M7/025—Measuring arrangements
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01P—MEASURING LINEAR OR ANGULAR SPEED, ACCELERATION, DECELERATION, OR SHOCK; INDICATING PRESENCE, ABSENCE, OR DIRECTION, OF MOVEMENT
    • G01P15/00—Measuring acceleration; Measuring deceleration; Measuring shock, i.e. sudden change of acceleration
    • G01P15/02—Measuring acceleration; Measuring deceleration; Measuring shock, i.e. sudden change of acceleration by making use of inertia forces using solid seismic masses

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Architecture (AREA)
  • Civil Engineering (AREA)
  • Structural Engineering (AREA)
  • Testing Of Devices, Machine Parts, Or Other Structures Thereof (AREA)
  • Measurement Of Mechanical Vibrations Or Ultrasonic Waves (AREA)

Abstract

본 발명은 층별로 가속도를 측정하고 측정된 가속도를 이용하여 간단하게 다층구조물의 층별 손상 정도를 평가할 수 있는 다층 구조물의 손상율 평가 방법을 제공하기 위한 것으로서, 탐지 대상이 되는 다층 구조물에 대하여 가속도계를 이용하여 복수 개의 층에서 일정시간 동안 가속도 신호를 측정하는 단계, 측정된 가속도 신호에 기초하여 복수 개의 층에 대한 모드유연도 행렬을 산출하는 단계, 산출된 모드유연도 행렬(Modal Flexibility Matrix)에 양전단력 유발 하중(Positive Shear Inspection Load)를 적용하여 상기 복수 개의 층 각각에 대한 모드유연도 기반 변위를 산출하는 단계, 서로 인접하는 상기 모드유연도 기반 변위와의 차이에 의해 상기 복수 개의 층 각각에 대해 층간 변위를 산출하는 단계, 상기 복수 개의 층 각각에 대하여 상기 모드유연도 기반 변위와 손상 전의 기준 모드유연도 기반 변위의 차이에 따른 층간 손상유발 변위(Damage-induced Inter-story Deflection)를 산출하는 단계 및 상기 복수 개의 층 각각에 대하여 층간 손상유발 변위의 층간 변위에 대한 비율로 층간 손상율을 산출하는 단계를 포함한다.

Description

다층 구조물의 손상율 평가 방법{Damage Rate Estimation Method of Multi-Story Structure}
본 발명은 다층 구조물의 손상율 평가 방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 다층의 구조물에 대해 층별로 일정시간 동안 가속도를 측정하고 이를 통해 층간 변위 및 손상유발 변위의 비율을 산출하여 층별 국부적인 손상 정도를 정량적으로 평가할 수 있는 다층 구조물의 손상율 평가 방법에 관한 것이다.
일반적으로, 빌딩과 같은 다층 구조물은 사용기간의 경과에 따라 노후화되면서 국부적으로 손상을 입게 되며, 이러한 국부적인 손상은 다층 구조물 붕괴의 원인으로 작용하여 금전적인 손해뿐만 아니라 인명 피해 등 큰 문제를 야기할 수 있다.
이를 예방하기 위해, 정기적으로 다층 구조물 전체에 대해 면밀하게 구조물 안전검사를 실시할 수도 있겠으나 이에 따른 시간과 비용이 많이 소요되어 현실적으로 매우 어려운 실정이다. 따라서, 비교적 간단한 방법에 의해 다층 구조물의 손상 정도를 정량적으로 평가할 수 있는 방법이 요구되고 있다.
본 발명의 목적은, 상기와 같은 요구에 부응하기 위한 것으로서, 층별로 가속도를 측정하고 측정된 가속도를 이용하여 간단하게 다층구조물의 손상 정도를 정량적으로 평가할 수 있는 다층 구조물의 손상율 평가 방법을 제공하기 위한 것이다.
상기한 과정을 해결하기 위한 본 발명의 손상탐지 방법은, 탐지 대상이 되는 다층 구조물에 대하여 가속도계를 이용하여 복수 개의 층에서 일정시간 동안 가속도 신호를 측정하는 단계, 측정된 가속도 신호에 기초하여 복수 개의 층에 대한 모드유연도 행렬을 산출하는 단계, 산출된 모드유연도 행렬(Modal Flexibility Matrix)에 양전단력 유발 하중(Positive Shear Inspection Load)를 적용하여 상기 복수 개의 층 각각에 대한 모드유연도 기반 변위를 산출하는 단계, 서로 인접하는 상기 모드유연도 기반 변위와의 차이에 의해 상기 복수 개의 층 각각에 대해 층간 변위를 산출하는 단계, 상기 복수 개의 층 각각에 대하여 상기 모드유연도 기반 변위와 손상 전의 기준 모드유연도 기반 변위의 차이에 따른 층간 손상유발 변위(Damage-induced Inter-story Deflection)를 산출하는 단계 및 상기 복수 개의 층 각각에 대하여 층간 손상유발 변위의 층간 변위에 대한 비율로 층간 손상율을 산출하는 단계를 포함한다.
여기서, 상기 층간 손상율(
Figure 112011007404247-pat00001
)는,
Figure 112011007404247-pat00002
로 산출될 수 있다. 여기서,
Figure 112011007404247-pat00003
는
Figure 112011007404247-pat00004
번째 측정지점의 층간 손상유발 변위이고,
Figure 112011007404247-pat00005
는
Figure 112011007404247-pat00006
번째 측정지점의 손상 후 층간 변위이다.
그리고, 상기 복수 개의 측정지점은, 상기 다층 구조물의 각 층별로 한 개씩 정의되며, 상기 가속도계를 각 층별로 구비하는 것이, 각 층별로 손상을 탐지하기 위해 바람직하다.
또한, 손상 전의 기준 모드유연도 기반 변위는, 손상상태 모드유연도 기반 변위를 구하는 과정과 마찬가지로, 손상이 되지 않은 상태의 다층 구조물에 대하여 가속도계를 이용하여 층별 복수 개의 측정지점에서 일정시간 동안 가속도 신호를 측정하고, 측정된 가속도 신호에 기초하여 복수 개의 지점에 대한 모드 유연도 행렬을 산출한 후, 산출된 모드유연도 행렬(Modal Flexibility Matrix)에 양전단력 유발 하중 (Positive Shear Inspection Load)를 적용하여 상기 복수 개의 측정지점 각각에 대해 산출할 수 있다.
한편, 상기 모드유연도 행렬은, 추계론적 부공간 규명기법(Stochastic Subspace Identification; SSI)에 의해 구해진 고유 진동수 행렬 및 모드형상 행렬에 의해 산출하는 것이 바람직하다.
그리고, 다층 구조물이 구비되는 외부 환경의 특성상, 고주파의 모드를 얻기 힘들다. 하지만, 모드유연도 행렬은 고유진동수의 역행렬 텀으로 구성되기 때문에, 저차 모드만 사용하여도 정확도 높은 결과를 얻어낼 수 있다는 장점을 지닌다.
여기서, 상기 양전단력 유발 하중 (Positive Shear Inspection Load)는, 특정 층에서의 모드유연도 기반 변위가 0이 되는 것을 방지하고, 손상과 변위의 관계를 단순화시켜주기 위하여, 상기 복수 개의 측정지점 각각에 같은 값의 양의 전단력으로 정의할 수 있다.
상기와 같은 구성을 가지는 본 발명의 손상탐지 방법은 다음과 같은 효과가 있다.
첫째, 다층 구조물의 층별로 가속도를 측정하고 이를 통해 손상유발 변위를 산출하여, 층간 손상유발 변위와 모드유연도 기반 변위에 대한 비율로 다층 구조물의 층별로 손상 정도를 정량적으로 평가할 수 있다. 이러한 방법 의해 판단된 손상 정도를 정적하중 재하 실험을 통해 검증해본 결과, 계측잡음 하에서 대략 0.5 % 의 평균 오차로 정확하게 손상율이 산출되는 것을 확인하였다.
따라서, 빌딩과 같은 다층 구조물의 노후화된 정도나 손상 정도 등을 각 층별로 충분한 정확도로 정량 평가할 수 있는 이점이 있다.
둘째, 양전단력 유발 하중을 각 층에 대해 동일한 값의 양의 전단력으로 정의하여, 상대적으로 크게 발생하는 전단빌딩 최상부 가속도계의 계측잡음의 영향을 최소화하고, 모드 유연도 기반 변위가 '0'이 되는 구역을 발생시키지 않아 보다 정확한 탐지가 가능하다.
본 발명의 효과들은 이상에서 언급한 효과들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 효과들은 청구범위의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
도 1은 본 발명에 따른 손상탐지 방법을 적용하기 위한 단순화된 다층 구조물의 해석모델을 나타내는 개략도;
도 2는 도 1의 해석모델에 인가하는 양전단력 유발 하중의 형태를 나타내는 그림;
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 손상탐지 방법의 순서도;
도 4는 실험 대상 구조물을 나타내는 사진;
도 5는 실험 대상 구조물의 손상 전과 손상 후의 측면부를 나타내는 도면;
도 6은 도 5의 실험 대상 구조물에 대해 층별로 측정된 시간영역에서의 가속도 신호를 나타내는 그래프;
도 7은 도 5의 실험 대상 구조물에 대해 측정된 가속도 신호를 주파수 영역에서 나타내는 그래프;
도 8은 정적하중 재하 실험 환경을 나타내는 사진;
도 9는 도 8의 실험 환경에서 시간에 따른 층간 변위 및 하중을 나타내는 그래프;
도 10은 도 8의 실험 환경에서 층간 변위에 따른 하중을 나타내는 그래프;
도 11는 정적 재하 실험에 의해 구해진 변위와 본 실시예에 의해 구해진 모드유연도 행렬 기반변위를 비교한 그래프;
도 12은 정적 재하 실험에 의해 구해진 변위에 대해 본 실시예에 의해 구해진 모드유연도 행렬 기반 변위를 나타내는 그래프; 및
도 13은 정적 재하 실험과 본 실시예에 의해 구해진 층간 손상율을 비교한 그래프이다.
이하 본 발명의 목적이 구체적으로 실현될 수 있는 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 설명한다. 본 실시예를 설명함에 있어서, 동일 구성에 대해서는 동일 명칭 및 동일 부호가 사용되며 이에 따른 부가적인 설명은 생략하기로 한다.
본 발명에 따른 손상탐지 방법은, 다층 구조물의 건전도를 모니터링하는 방법의 하나로서, 진동해석을 기반으로 구조물의 손상여부 및 손상이 된 구체적인 층 위치를 탐지하기 위한 방법이다.
도 1 내지 도 3을 참조하여, 본 발명에 따른 손상탐지 방법의 수행방법을 설명하면 다음과 같다. 여기서, 도 1은 본 발명에 따른 손상탐지 방법을 적용하기 위한 단순화된 다층 구조물의 해석모델을 나타내는 개략도, 도 2는 도 1의 해석모델에 인가하는 양전단력 유발 하중 의 형태를 나타내는 그림, 도 3은 본 발명에 따른 손상탐지 방법의 순서도이다.
본 발명에 따른 손상탐지 방법을 설명하기 이전에, 모드유연도 행렬과, 이를 통한 모드유연도 기반 변위 및 손상유발 변위의 산출방법을 설명하면 다음과 같다.
본 발명에 따른 손상탐지 방법을 위한 해석모델은, 도 1의 (a)에 도시된 바와 같이, 다층 구조물(10)의 각 층 바닥부(12)에 질량이 집중되어 있고, 전단거동이 지배하는 다층 구조물로 가정한다.
동특성 방정식(dynamic characteristic equation)에 의해,
Figure 112011007404247-pat00007
차까지의 저차 모드에서의 강성행렬
Figure 112011007404247-pat00008
과 모드유연도 행렬
Figure 112011007404247-pat00009
은 아래와 같은 식에 의해 얻어질 수 있다.
Figure 112012053852583-pat00096
Figure 112011007404247-pat00011
,
여기서,
Figure 112011007404247-pat00012
과
Figure 112011007404247-pat00013
는
Figure 112011007404247-pat00014
차의 고유진동수 행렬 및 모드형상 행렬로서,
Figure 112011007404247-pat00015
,
Figure 112011007404247-pat00016
는 번째 고유진동수,
Figure 112011007404247-pat00018
이고,
Figure 112011007404247-pat00019
,
Figure 112011007404247-pat00020
는 질량 정규화를 통한
Figure 112011007404247-pat00021
번째 모드형상을 의미한다.
그리고, 상기 수학식 1에 의해
Figure 112011007404247-pat00022
차 모드의 모드유연도 행렬이 얻어지게 되면, 임의의 부하
Figure 112011007404247-pat00023
의 인가조건에서 변위 행렬은
Figure 112011007404247-pat00024
는 아래 식에 의해 구해진다.
Figure 112011007404247-pat00025
본 발명에 따른 방법에서는,
Figure 112011007404247-pat00026
가 복수 개의 측정지점에서 모두 크기가 “1”인 양의 전단력이 작용하는 형태인 것으로 정의한다.
한편, 상기 수학식 2에 따라 손상 전의 변위
Figure 112011007404247-pat00027
와, 손상상태의 변위
Figure 112011007404247-pat00028
는 아래와 같이 산출된다.
Figure 112011007404247-pat00029
Figure 112011007404247-pat00030
,
여기서,
Figure 112011007404247-pat00031
는 손상 전의 모드유연도 행렬이고,
Figure 112011007404247-pat00032
는 손상상태의 모드유연도 행렬이다.
한편, 각 측정지점의 층간 변위는 도 1의 (b)에 도시된 바와 같이, 상부 층으로 갈수록 누적된다. 따라서, 순수하게 특정 층에서 발생하는 층간 변위(Inter-story Displacement)는 아래와 같은 식에 의해 산출할 수 있다.
Figure 112011007404247-pat00033
Figure 112011007404247-pat00034
따라서,
Figure 112011007404247-pat00035
번째 층에서 발생하는 층간 손상유발 변위(Damage-induced Inter-story Deflection)
Figure 112011007404247-pat00036
는 아래와 같이 계산된다.
Figure 112011007404247-pat00037
이와 같이, 손상 상태의 층간 변위에서 손상 전의 층간 변위를 차감하면, 순수하게 해당 층에서 손상에 의해 발생된 변위인 층간 손상유발 변위
Figure 112011007404247-pat00038
가 산출되게 된다.
한편, 손상 전과 손상 후의 동특성 방정식은, 아래와 같이 나타낼 수 있다.
Figure 112011007404247-pat00039
Figure 112011007404247-pat00040
(b)
(a)=(b)이므로, 상기 두 식을 정리하면, 아래와 같다.
Figure 112011007404247-pat00041
손상에 의한 강성 변화
Figure 112011007404247-pat00042
는
Figure 112011007404247-pat00043
와 같이 손상 전의
Figure 112011007404247-pat00044
에 대한 상대적인 값으로 나타낼 수 있고,
Figure 112011007404247-pat00045
는 강성이 저감된 비율, 즉, 손상의 비율인 손상율을 의미하며, 이를 통해 손상의 정도를 정량적으로 평가할 수 있다.
따라서, 수학식 7은 아래와 같이 바꾸어 표현할 수 있다.
Figure 112011007404247-pat00046
상기 식을
Figure 112011007404247-pat00047
에 대해 정리하면, 층별 손상 정도를 정량적으로 나타내는 층간 손상율(
Figure 112011007404247-pat00048
)을 아래와 같이 산출할 수 있다.
Figure 112011007404247-pat00049
따라서,
Figure 112011007404247-pat00050
번째 측정지점의 층간 손상율은
Figure 112011007404247-pat00051
로 산출될 수 있다. 여기서,
Figure 112011007404247-pat00052
는
Figure 112011007404247-pat00053
번째 측정지점의 층간 손상유발 변위이고,
Figure 112011007404247-pat00054
는
Figure 112011007404247-pat00055
번째 측정지점의 손상 후 층간 변위이다.
상기와 같은 내용을 기초로, 도 3을 참조하여, 본 발명에 따른 손상탐지 방법을 설명하면 다음과 같다.
우선, 탐지 대상이 되는 다층 구조물의 층별 복수 개의 측정지점에서 일정시간 동안 가속도 신호를 측정한다(S10).
상기 다층 구조물에는 제한이 없으며, 예를 들어 빌딩이나 아파트와 같은 건물이 될 수 있다. 다만, 본 발명에 따른 가정모델이 전단거동을 기반으로 했기 때문에, 15층 이하의 건물에 적용하는 것이 바람직하다. 그리고, 층별 가속도 신호의 측정은, 일반적인 가속도계를 적용할 수 있다. 다음으로, 가속도계에 의해 측정된 일정시간 동안의 가속도 신호에 기초하여 모드유연도 행렬을 산출한다(S20).
모드유연도 행렬은 앞서 설명한 바와 같이, 고유진동수 행렬과 모드형상 행렬에 의해 산출되며, 계측된 신호를 통해 고유진동수와 모드형상을 산출하는 기법은 동특성 추출기법에 의해 이루어질 있다.
본 실시예에서는, 동특성 추출기법 중에서도 추계론적 부공간 규명기법(Stochastic Subspace Identification; SSI)을 적용하였다. 측정된 신호는 층별 노이즈가 포함되어 있기 때문에 cross correlation에 의해 노이즈를 제거하는 것이 바람직하다.
가속도신호에 의해 시스템 파라미터를 산출하는 동특성 추출기법은, 당업자에게 잘 알려진 기법이므로 이에 대한 상세한 설명은 생략하기로 한다.
여기서, 모드유연도 행렬은 저차 모드에서 산출될 수 있다. 실제 건물에서는 고주파 모드를 얻기가 매우 힘들기 때문에, 저차 모드만으로도 확실하게 손상유발 변위를 탐지할 수 있는 본 발명의 이점이기도 하다.
그런 다음, 산출된 모드유연도 행렬에 양전단력 유발 하중 를 적용하여 상기 복수 개의 측정지점 각각에 대한 모드유연도 기반 변위를 산출하고(S30), 인접하는 변위의 차이에 의해 층간 변위를 산출한다(S40).
그런 다음, 상기 복수 개의 측정지점 각각에 대하여 상기 손상상태 모드유연도 기반 변위와 손상 전의 기준 모드유연도 기반 변위의 차이에 따른 층간 손상유발 변위(Damage-Induced Deflection)를 산출한다(S50).
구체적으로, 상기 층간 손상유발 변위는, 상기 층간 변위에서 기준 층간 변위와의 차이로 산출되며, 기준 층간 변위는 앞서 설명한 방법과 동일하게, 손상되지 않은 초기 상태의 다층 구조물에서 구할 수 있다.
다음으로, 이와 같은 방법에 의해 산출된 층간 손상유발 변위와 층간 변위에 대한 비율로 층간 손상율(
Figure 112011007404247-pat00056
)을 산출한다(S60). 이상의 과정을 통해, 다층 구조물의 층별로 손상 정도를 정량적으로 평가할 수 있게 된다.
도 4 및 도 5를 참조하여, 본 발명에 따른 실험 대상 구조물의 실험 조건을 설명하면 다음과 같다.
먼저, 실험 대상 구조물은 도 4에 도시된 바와 같다. 실험실 내부에서 실험하는 경우 입력되는 외력이 거의 없기 때문에, 모드 형상에 관한 최소한의 가속도 신호를 얻기 위하여, 대상 구조물의 하부에 진동대를 구비하여, 외부 건물조건과 유사하게 랜덤 하중을 인가하였다.
참고로, 실제 건물에서는 바람이나 기류 등에 의해 랜덤한 하중이 인가되기 때문에 가속도 신호를 얻기 위해 별도의 외력을 입력하는 수단이 마련되지 않아도 된다.
실험 대상 구조물의 물성치와 형상은 아래 표 1과 같다.
Figure 112011007404247-pat00057
그리고, 손상된 상태에서의 손상유발 변위를 보기 위하여, 도 5에 도시된 바와 같이, 손상 후의 조건은 구조물의 측면부 단면을 줄이는 형태로 설정하였다.
손상 전과 대비할 때, Damage 1과 Damage 2의 손상에 대한 조건은 아래 표 2와 같다.
Figure 112011007404247-pat00058
이와 같은 조건에서, 각 층별로 가속도계를 부착하여 900초 동안 각 층별 가속도 신호를 측정한 결과는 도 6에 도시된 바와 같다.
그리고, 이를 FFT(Fast Fourier Transform)에 의해 주파수 영역으로 변환한 그래프는 도 7에 도시된 바와 같다. 도 7에 도시된 바와 같이, 본 실험 구조물은 1차 모드에서 5차 모드까지 고유진동수가 분포되는 것을 볼 수 있다. 본 실시예에서는, 1차, 2차, 3차, 4차 모드만을 사용하여 해석을 수행하였다.
실험 대상 구조물과 대비할 때 실 구조물에서는 고주파 모드를 얻기 힘들기 때문에, 저차 모드만을 가지고 손상탐지를 수행하는 본 발명이 실 건물에 적용하기 유용한 이점이 있다.
그리고, 손상 전, Damage 1 및 Damage 2에 대해, 손상 전후의 고유진동수의 변화는 아래 표 3과 같다.
Figure 112011007404247-pat00059
1차, 2차, 3차, 4차 모드 각각에서 고유진동수가 감소하며, 예상대로 Damage 2가 Damage 1보다 고유진동수 감소폭이 더 큰 것으로 알 수 있다.
상기와 같이, 구해진 고유진동수 및 모드형상 행렬을 통해 모드유연도 행렬을 산출하고, 산출된 모드 유연도 행렬에 의해 모드유연도 기반 변위 및 각 층별 층간변위를 산출할 수 있으며, 수학식 10에 의해 최종적으로 각 층별로 층간 손상율을 산출할 수 있다.
정적하중 재하 실험
본 발명에 따른 층간 손상율의 정확도를 검증하기 위하여, 별도로 정적하중 재하 실험을 실시하였다. 도 6 내지 도 8을 참조하여, 정적하중 재하 실험 과정을 설명하면 다음과 같다.
실험 환경은 도 8에 도시된 바와 같이, 하부에 진동대가 구비되어, 최상층 고정부를 통해 실험 대상 구조물의 최상층을 벽에 고정하여 변위가 ‘0’이 되도록 한다. 이러한 조건은, 비록 아래의 진동대가 움직이지만, 최상층부에 일정함 힘으로 외력을 가해 미는 상황과 동일한 상황이 된다.
또한, 실험 대상 구조물의 측면부에는 레이저 변위계를 구비하여,
Figure 112011007404247-pat00060
번째 층과
Figure 112011007404247-pat00061
번째 층을 계측하여 상기 수학식 4를 통해 층간 변위를 구할 수 있다.
한편, 훅의 법칙(Hooke's law)에 따라
Figure 112011007404247-pat00062
에서, 임으로 설정하는 정적 하중
Figure 112011007404247-pat00063
과 측정에 의해 구해진 층간 변위
Figure 112011007404247-pat00064
를 통하여, 각 층별 강성
Figure 112011007404247-pat00065
를 구할 수 있다. 이와 같이 구해진,
Figure 112011007404247-pat00066
,
Figure 112011007404247-pat00067
,
Figure 112011007404247-pat00068
,
Figure 112011007404247-pat00069
Figure 112011007404247-pat00070
를 통하여 실험 대상 구조물 전체의 강성 행렬은 아래와 같이 구성할 수 있다.
Figure 112011007404247-pat00071
유연도 행렬
Figure 112011007404247-pat00072
는
Figure 112011007404247-pat00073
의 관계에 있으므로 상기 강성행렬에 역행렬을 취하여 산출이 가능하다.
따라서, 손상 전후의 유연도 행렬 기반 변위는 아래와 같이 산출된다.
Figure 112011007404247-pat00074
Figure 112011007404247-pat00075
.
그리고, 수학식 4 및 수학식 5에 의해 정적하중 재하 실험에서의 층간 변위 및 층간 손상유발 변위를 구할 수 있다.
도 9는 상기 실험 환경에서, 손상 전의 상태에서 1층에서의 시간에 따른 층간 변위 및 하중을 나타내는 그래프이다. 도 9에서와 같이, 각 층별로 시간에 따른 층간 변위 및 하중을 산출할 수 있으며, 정적하중은 최상층에 로드셀을 장착하여 계측이 가능하다.
도 10은 도 9의 결과를 통하여 층간 변위와 하중과의 상관관계를 나타내는 그래프이다. 도 10의 기울기는 힘/변위으로 나타나므로 층별 강성을 의미한다. 이와 유사하게, 다른 층에서의 층별 강성을 산출할 수 있다.
본 실시예와 정적하중 재하 실험 결과의 비교
도 11 내지 도 13을 통해, 본 실시예에 따른 평가방법과 정적하중 재하 실험에 따른 결과를 설명하면 다음과 같다.
도 11는 정적 재하 실험에 의해 구해진 변위와 본 발명에 의해 구해진 모드유연도 행렬 기반변위를 비교한 그래프이고, 도 12는 정적 재하 실험에 의해 구해진 변위에 대해 본 발명에 의해 구해진 모드유연도 행렬 기반 변위를 나타내는 그래프이다.
도 11에서, 손상 전, Damage 1 및 Damage 2에 대해 본 발명에 따른 모드 유연도 기반 변위와 정적하중 재하 실험에서의 강성행렬에 의해 구해진 유연도행렬 기반 변위가 거의 유사하게 나오는 것을 확인할 수 있다. 또한, 도 12를 참조할 때, 본 발명에 따른 모드 유연도 기반 변위와 정적하중 재하 실험에서의 강성행렬에 의해 구해진 유연도행렬 기반 변위가
Figure 112011007404247-pat00076
의 직선 상에 존재함을 통하여 그 정확도를 확인할 수 있다.
최종적으로 본 발명에 따라 평가된 층별 손상율은 도 13에 도시된 바와 같다. 도 13은 총 8 번씩의 실험을 수행하였고, 이에 대한 평균과 편차를 그래프로 나타낸 것이다.
도 13을 참조할 때, 일정 정도의 오차가 발생하지만 계측잡음을 고려할 때 본 실시예에 따른 층간 손상율은 정적하중 재하 실험의 결과와 매우 흡사한 것을 확인할 수 있다. 즉, 정적하중 재하 실험에 따라 산출된 손상율과 비교할 때, 모든 층에서 계측잡음 하에서 대략 0.5 % 의 평균 오차로 정확하게 손상율이 산출되는 것을 확인할 수 있다.
이와 같이, 본 발명은 계측된 동적 응답신호를 이용해 간편하게 손상의 정도를 확인할 수 있으며, 유한요소 모델과 같이 복잡한 알고리즘이 불필요하여 실시한 처리가 가능하며, 유한요소 모델로의 변환에 따른 오차의 증폭 등이 방지된다.
또한, 양전단력 유발 하중을 각 층에 대해 동일한 값의 양의 전단력으로 정의하여, 상대적으로 크게 발생하는 전단빌딩 최상부 가속도계의 계측잡음의 영향을 최소화하고, 모드 유연도 변위가 ‘0’이 되는 구역을 발생시키지 않는다.
이상과 같이 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 살펴보았으며, 앞서 설명된 실시예 이외에도 본 발명이 그 취지나 범주에서 벗어남이 없이 다른 특정 형태로 구체화 될 수 있다는 사실은 해당 기술에 통상의 지식을 가진 이들에게는 자명한 것이다. 그러므로, 상술된 실시예는 제한적인 것이 아니라 예시적인 것으로 여겨져야 하고, 이에 따라 본 발명은 상술한 설명에 한정되지 않고 첨부된 청구항의 범주 및 그 동등 범위 내에서 변경될 수도 있다.
10: 다층 구조물
12: 층별 측정지점

Claims (7)

  1. 탐지 대상이 되는 다층 구조물에 대하여 가속도계를 이용하여 복수 개의 층에서 일정시간 동안 가속도 신호를 측정하는 단계;
    측정된 가속도 신호에 기초하여 복수 개의 층에 대한 모드유연도 행렬을 산출하는 단계;
    산출된 모드유연도 행렬(Modal Flexibility Matrix)에 양전단력 유발 하중(Positive Shear Inspection Load)를 적용하여 상기 복수 개의 층 각각에 대한 모드유연도 기반 변위를 산출하는 단계;
    서로 인접하는 상기 모드유연도 기반 변위와의 차이에 의해 상기 복수 개의 층 각각에 대해 층간 변위를 산출하는 단계;
    상기 복수 개의 층 각각에 대하여 상기 모드유연도 기반 변위와 손상 전의 기준 모드유연도 기반 변위의 차이에 따른 층간 손상유발 변위(Damage-induced Inter-story Deflection)를 산출하는 단계; 및
    상기 복수 개의 층 각각에 대하여 손상 전에 비해 강성이 저감된 비율로 정의되는 층간 손상율을 층간 손상유발 변위의 층간 변위에 대한 비율에 의해 산출하는 단계를 포함하며;
    상기 층간 손상율(
    Figure 112012053852583-pat00097
    )는,
    Figure 112012053852583-pat00098

    여기서,
    Figure 112012053852583-pat00099
    는
    Figure 112012053852583-pat00100
    번째 측정지점의 층간 손상유발 변위,
    Figure 112012053852583-pat00101
    는
    Figure 112012053852583-pat00102
    번째 측정지점의 손상 후 층간 변위,
    인 것을 특징으로 하는 다층 구조물의 손상율 평가 방법.
  2. 삭제
  3. 제1항에 있어서,
    상기 복수 개의 측정지점은,
    상기 다층 구조물의 각 층별로 한 개씩 정의되는 것을 특징으로 하는 다층 구조물의 손상율 평가 방법.
  4. 제1항에 있어서,
    손상 전의 기준 모드유연도 기반 변위는,
    손상이 되지 않은 상태의 다층 구조물에 대하여 가속도계를 이용하여 층별 복수 개의 층에서 일정시간 동안 가속도 신호를 측정하고, 측정된 가속도 신호에 기초하여 복수 개의 층에 대한 유연도 행렬을 산출한 후, 산출된 모드유연도 행렬(Modal Flexibility Matrix)에 양전단력 유발 하중(Positive Shear Inspection Load)를 적용하여 상기 복수 개의 층 각각에 대해 산출하는 것을 특징으로 하는 다층 구조물의 손상율 평가 방법.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 모드유연도 행렬은, 추계론적 부공간 규명기법(Stochastic Subspace Identification; SSI)에 의해 구해진 고유 진동수 행렬 및 모드형상 행렬에 의해 산출하는 것을 특징으로 다층 구조물의 손상율 평가 방법.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 고유 진동수 행렬 및 모드형상 행렬은, 실제 구조물에서 획득 가능한 저차 모드 만을 산출하는 것을 특징으로 하는 다층 구조물의 손상율 평가 방법.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 양전단력 유발 하중 (Positive Shear Inspection Load)는,
    상기 복수 개의 층 각각에 같은 값의 양의 전단력인 것을 특징으로 하는 다층 구조물의 손상율 평가 방법.
KR1020110009176A 2011-01-31 2011-01-31 다층 구조물의 손상율 평가 방법 KR101206044B1 (ko)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020110009176A KR101206044B1 (ko) 2011-01-31 2011-01-31 다층 구조물의 손상율 평가 방법

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020110009176A KR101206044B1 (ko) 2011-01-31 2011-01-31 다층 구조물의 손상율 평가 방법

Publications (2)

Publication Number Publication Date
KR20120088088A KR20120088088A (ko) 2012-08-08
KR101206044B1 true KR101206044B1 (ko) 2012-11-28

Family

ID=46873426

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020110009176A KR101206044B1 (ko) 2011-01-31 2011-01-31 다층 구조물의 손상율 평가 방법

Country Status (1)

Country Link
KR (1) KR101206044B1 (ko)

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20180064905A (ko) * 2016-12-06 2018-06-15 한국과학기술원 외부환경 변동을 고려한 적응적 다변량 통계적 공정 모니터링 기반 구조물 건전성 평가 방법
KR102095751B1 (ko) * 2019-05-23 2020-04-01 세종대학교산학협력단 구조물 손상 감지 시스템 및 방법

Families Citing this family (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN107844622B (zh) * 2017-09-04 2021-05-11 湘潭大学 一种基于损伤状态均匀荷载面曲率的简支梁损伤识别方法
KR102272211B1 (ko) * 2018-12-27 2021-07-01 연세대학교 산학협력단 손실기반 해석방법을 이용한 내진성능 평가방법 및 평가시스템

Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR100844893B1 (ko) 2007-02-27 2008-07-09 한양대학교 산학협력단 구조 건전도 모니터링 장치

Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR100844893B1 (ko) 2007-02-27 2008-07-09 한양대학교 산학협력단 구조 건전도 모니터링 장치

Non-Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
논문.2007
논문.2010

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20180064905A (ko) * 2016-12-06 2018-06-15 한국과학기술원 외부환경 변동을 고려한 적응적 다변량 통계적 공정 모니터링 기반 구조물 건전성 평가 방법
KR101988956B1 (ko) 2016-12-06 2019-06-12 한국과학기술원 외부환경 변동을 고려한 적응적 다변량 통계적 공정 모니터링 기반 구조물 건전성 평가 방법
KR102095751B1 (ko) * 2019-05-23 2020-04-01 세종대학교산학협력단 구조물 손상 감지 시스템 및 방법

Also Published As

Publication number Publication date
KR20120088088A (ko) 2012-08-08

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Park et al. The determination of bridge displacement using measured acceleration
US10584964B2 (en) Slope monitoring system, device for slope stability analysis, method, and program
Kim et al. Multi-point displacement response measurement of civil infrastructures using digital image processing
Perera et al. Identification of damage in RC beams using indexes based on local modal stiffness
KR101206044B1 (ko) 다층 구조물의 손상율 평가 방법
KR101209886B1 (ko) 다층 구조물의 손상탐지 방법
JP6001740B1 (ja) 構造物の伝達関数の高精度評価・地震応答予測・劣化診断システム及びその方法
KR101747116B1 (ko) 주파수 응답 기반 교량 내하력 평가 방법
Li et al. Damping estimation of high‐rise buildings considering structural modal directions
Xu et al. Nonparametric identification for hysteretic behavior modeled with a power series polynomial using EKF-WGI approach under limited acceleration and unknown mass
Fayyadh et al. Condition assessment of elastic bearing supports using vibration data
JP2014173313A (ja) 鉄道橋梁の支承部の非接触測定方法
KR20150004127A (ko) 가속도 및 변형률 측정값에 기반한 구조물의 다 지점 변위 추정 방법
Liu et al. Substructural condition assessment based on force identification and interface force sensitivity
KR101558085B1 (ko) 하중의 입출력관계를 이용한 교량 평가 방법 및 그 방법을 수행하기 위한 프로그램이 기록된 컴퓨터 판독 가능한 기록매체
Nady et al. Comparative study of using rotation influence lines and their derivatives for structural damage detection
Kawamura et al. Structural health monitoring of layered structure by strain measurements
Entezami et al. Damage localization in shear buildings by direct updating of physical properties
JP2014102231A (ja) 免震建築物における安全性評価装置
KR101699856B1 (ko) 말뚝 및 타워형 구조물의 최 상단 가속도와 각속도를 이용한 손상 추정 방법
JP7145646B2 (ja) 建物の被災度判定方法及び建物の被災度判定システム
Fernando et al. Damage Detection and Condition Monitoring of Pre-stressed Concrete Bridges by using Vibration-based Health Monitoring Techniques
Pai et al. Identification and applications of boundary effects in beams
US20200003653A1 (en) Analyzing device, diagnosing device, analysis method, and computer-readable recording medium
Flore et al. Dynamic Mechanical Analysis of an Aircraft Wing with emphasis on vibration modes change with loading

Legal Events

Date Code Title Description
A201 Request for examination
E701 Decision to grant or registration of patent right
GRNT Written decision to grant
LAPS Lapse due to unpaid annual fee