KR101264375B1 - Smart interface plate for electro-mechanical impedance-based bolt-loose monitoring in bolt-connected plate - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 기전 임피던스를 이용한 볼트연결 판 볼트풀림 모니터링을 위한 스마트 계면 판에 관한 것으로, 이를 더욱 상세하게 설명하면, 스마트 계면 판의 사용을 통해 임피던스 무선 계측시스템의 계측 가능한 저주파수 대역(100kHz 이내)의 기전 임피던스 계측이 용이하고, 단일 PZT로부터 계측된 기전 임피던스를 활용하여 볼트연결 판의 다중 볼트풀림 식별을 용이하게 확인하기 위해 구성된 것을 특징으로 하는 기전 임피던스를 이용한 볼트연결 판의 볼트풀림 모니터링을 위한 스마트 계면판에 관한 것이다.
The present invention relates to a smart interface plate for the bolt connection plate bolt loosening monitoring using a mechanical impedance, more specifically, to the measurement of the low frequency band (within 100kHz) of the impedance wireless measurement system through the use of the smart interface plate Smart impedance measurement for bolt loosening of the bolted connection plate using the mechanical impedance, characterized in that it is easy to measure the mechanical impedance, and configured to easily identify the multiple bolt loosening of the bolted connection plate by using the mechanical impedance measured from a single PZT It relates to an interface plate.
최근의 교량 및 건축 구조물들은 콘크리트에 비해 자중이 작고 강성이 큰 강재를 사용하여 거대화하고 장대화되는 추세이다. 이러한 강구조물은 기본적으로 조립식 구조이기 때문에 부재간의 접합방법이 매우 중요하며, 강교에서 품질관리의 용이성으로 인해 널리 적용되는 강구조물의 접합으로 고장력 볼트에 의한 방법이 있으며, 고장력 볼트 연결의 가장 큰 특징은 축력을 도입하여 생긴 접합체 간의 압축력에 의해 작용외력을 전달하는 것이다.
In recent years, bridges and building structures have a tendency to be enormous and grand by using steel materials having a lower self-weight and greater rigidity than concrete. Since these steel structures are basically prefabricated structures, the joining method between members is very important, and the high strength bolts are a method of joining steel structures that are widely applied due to the ease of quality control in steel bridges. The external force is transmitted by the compressive force between the resulting joints.
따라서 고장력 볼트 체결부에서는 접합부에 생기는 전단력의 국부적인 집중현상이 없으며, 응력전달이 원활하고 강성 및 내력이 크며, 반복하중에 대해서도 높은 피로강도를 발휘할 수 있다. Therefore, in the high tension bolt connection part, there is no localized concentration of shear force generated at the joint, the stress transmission is smooth, the stiffness and the strength are high, and the fatigue strength can be exerted even against the repeated load.
따라서, 강구조물의 안전성과 사용성을 확보하기 위한 방안으로 볼트 연결부의 상태를 정확히 진단할 수 있는 구조건전성모니터링 기술이 필요하다.
Therefore, there is a need for a structural soundness monitoring technology capable of accurately diagnosing the state of the bolt connection in order to secure the safety and usability of the steel structure.
구조물 연결부의 구조건전성모니터링 기술의 유형으로, 첫 번째는 정적 변위와 변형률을 계측하여 외력에 대한 볼트 연결부의 정적응답 특성을 분석하는 기법이다. 이 기법은 신호의 계측과 분석이 간편하나, 구조 연결부가 복잡화되고, 외력의 생성 및 통제가 어려워 극히 일부조건에서만 사용되고 있다. 두 번째는 저주파수 대역에서 계측된 동적응답 특성을 이용하여 구조물 연결부의 상태를 식별하는 기법이다. 이 기법은 저주파수 대역에서의 동적응답 계측 및 모드 해석을 통해 구조 연결부의 상태를 진단한다. 이는 가진 조건의 제약이 적어 계측하기 쉽고, 신속한 상태 진단에 용이하여, 구조물 전체의 이상상태 발생 식별에 용이하다. 하지만, 볼트 연결부와 같은 국부위치의 이상상태 식별에는 용이하지 않다.
A type of structural health monitoring technology for structural joints. The first is to analyze the static response characteristics of bolted joints against external forces by measuring static displacements and strains. This technique is easy to measure and analyze signals, but it is only used in very few conditions due to the complicated structure connections and the difficulty of generating and controlling external forces. The second method is to identify the state of the structural joints using dynamic response characteristics measured in the low frequency band. This technique diagnoses the condition of structural connections through dynamic response measurements and mode analysis in the low frequency band. It is easy to measure because the constraint of the excitation condition is small, it is easy to quickly diagnose the condition, it is easy to identify the occurrence of abnormal state of the whole structure. However, it is not easy to identify abnormal state of local position such as bolt connection.
하지만, 공용중인 강교를 조사해 보면 이음부에 볼트 체결이 불량하거나 혹은 여러 가지 결함이 발생되어 있는 상태를 많이 발견하게 되는 문제점을 가지고 있으며, 공용중인 강교는 초기 체결 시공시의 조건에 비해 이음부재 및 볼트에 각종 하중이 작용하는 상태이고, 시간에 따른 볼트 축력의 감소, 이물질 혹은 부식에 의한 표면마찰 상태의 변화, 초기 마찰이음에서 지압이음으로의 변질 등 여러 가지 원인에 의해서 문제가 발생한다.
However, when examining the steel bridges in common, there is a problem that many bolts are poor or various defects are found in the joints. Various loads are applied to the bolt, and problems occur due to various factors such as decrease in bolt axial force over time, change of surface friction state due to foreign matter or corrosion, and change from initial friction joint to acupressure joint.
최근 교량의 유지관리 분야에서 비용과 시간을 절약하기 위한 방법으로 무선계측 시스템을 도입한 구조건전성모니터링 기술에 관한 연구가 활발히 수행되고 있으나, 현재까지의 임피던스 무선계측 시스템은 계측가능한 주파수 범위가 10kHz에서 100kHz로 제한적이라는 단점이 존재한다.
Recently, researches on structural health monitoring technology using radio measuring system have been actively conducted to save cost and time in bridge maintenance field. However, the impedance impedance measuring system has a measurable frequency range of 10kHz. The disadvantage is that it is limited to 100 kHz.
이에, 강교의 안전성과 사용성을 확보하기 위한 방안으로 볼트연결 판의 상태를 적절히 감시할 수 있는 구조건전성모니터링에 관한 것으로 임피던스 무선 계측 시스템의 적용 가능한 범위 내에서 볼트 연결부의 이상상태 식별을 위한 방법 제시가 필요하다.
In order to secure the safety and usability of steel bridges, the present invention relates to structural health monitoring that can properly monitor the status of bolt connection plates, and proposes a method for identifying abnormal conditions of bolt connections within the applicable range of impedance wireless measurement system. Is needed.
상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여, 본 발명에서는 볼트연결 판의 상태 감시를 위한 방법으로 고주파수 대역에서 계측된 동적응답특성을 이용하여 대상구조물의 상태를 식별하는 임피던스기반 구조건전성모니터링을 기초로 하였으며, 임피던스기반 구조건전성모니터링 기법은 최근 이슈화되고 있는 스마트재료로 압전재료의 하나인 PZT(Lead Zirconate Titanate)를 활용하였으며, PZT는 압전효과와 역압전효과를 통해 발생한 고주파수 대역의 응답특성을 이용하여 PZT 인접부에서 발생한 미세한 이상상태 식별에 매우 유용하다.
In order to solve the above problems, the present invention is based on the impedance-based structural health monitoring to identify the state of the target structure using the dynamic response characteristics measured in the high frequency band as a method for monitoring the state of the bolted connection plate, Impedance-based Structural Health Monitoring technique uses PZT (Lead Zirconate Titanate), one of piezoelectric materials, as a smart material that has recently been issued. It is very useful for identifying the microscopic abnormality occurring in the department.
이에, 항공기, 토목, 건축구조물 등 다양한 분야에서 활용되고 있으며, 강교의 볼트연결 판과 같은 국부적 위치에서 발생한 이상상태를 식별하고, 손상의 정도를 평가하는데 우수한 적용성을 보였다.
Therefore, it is used in various fields such as aircraft, civil engineering, and building structures, and showed excellent applicability in identifying abnormal conditions occurring at local locations such as bolted connection plates of steel bridges and evaluating the degree of damage.
그러나, 실제 강교에서 볼트 체결부는 수십개 이상의 볼트 체결로 구성되어 개별적인 볼트 체결력을 식별하는 것은 비효율적인 측면으로 이와 같은 한계점을 극복하기 위한 방법으로 스마트 계면 판의 도입으로 다중 볼트 체결부에 대한 상세 진단을 수행하는 방법을 제시하고자 하였다.
However, in actual steel bridges, the bolt fastening part consists of dozens of bolt fastenings, and it is inefficient to identify individual bolt fastening force.In order to overcome this limitation, the introduction of smart interface plate enables detailed diagnosis of the multi bolt fastening part. I tried to present a way to do it.
기존의 방법을 통해 단일 볼트 체결에 대한 이상상태 식별을 수행 시, 다수의 PZT 부착이 요구되어 시스템의 운용에 어려움이 따른다. 이에, 단일 PZT를 이용하여 다수의 볼트 체결에 관한 이상상태 식별을 위한 방법 제시가 필요하다.
When performing abnormal state identification for single bolt fastening through the conventional method, it is difficult to operate the system because multiple PZT attachments are required. Therefore, there is a need for a method for identifying an abnormal state regarding a plurality of bolt fastenings using a single PZT.
상기와 같은 스마트 계면 판의 개발은 계면 판 내에 연결된 단일 PZT로 부터 계측된 기전 임피던스를 활용하여 다수의 볼트 체결부에 대한 볼트 풀림의 식별이 가능하며, 스마트 계면 판의 적절한 설계를 통해 무선 임피던스 계측시스템의 활용성을 높일 수 있는 것으로, 본 발명에서는 단일 PZT를 활용하여 볼트 연결부 판의 다중 볼트 체결에 대한 볼트 풀림을 효과적으로 식별하고자 기전 임피던스를 이용한 볼트연결 판의 볼트풀림 모니터링을 위한 스마트 계면 판을 제공하고자함에 그 목적이 있다.
The development of the smart interface plate as described above is possible to identify the bolt loosening of a plurality of bolted joints by using the mechanical impedance measured from a single PZT connected in the interface plate, wireless impedance measurement through the appropriate design of the smart interface plate In order to increase the utility of the system, the present invention provides a smart interface plate for bolt loosening monitoring of a bolted connection plate using electromechanical impedance in order to effectively identify bolt loosening for multiple bolting of a bolted connection plate using a single PZT. The purpose is to provide.
이상의 설명에서와 같이, 본 발명은 기전 임피던스를 이용한 볼트연결 판의 볼트풀림 모니터링을 위한 스마트 계면 판은 기존 강구조물의 볼트 연결부는 수십에서 수백개의 볼트 연결부가 존재하여 단일 볼트 체결에 대한 이상상태 식별을 수행 시, 다수의 PZT 부착이 요구되어 시스템의 운용에 어려움이 따르는 문제점을 본 발명에서는 단일 PZT를 이용하여 다수의 볼트 체결에 관한 이상상태 식별을 위한 방법으로 스마트 계면 판에 부착된 PZT로부터 계측된 기전 임피던스가 볼트 풀림에 민감하게 반응함으로서 스마트 계면 판의 도입을 통해 단일 PZT를 활용하여 계면 판 내에 다수의 볼트 체결에 대한 볼트 풀림 식별이 가능한 효과를 가진다.
As described above, the present invention is a smart interface plate for bolt loosening monitoring of the bolt connection plate using the electrostatic impedance, the bolt connection of the existing steel structure dozens to hundreds of bolt connection is present to identify the abnormal state for single bolt fastening In the present invention, the problem of difficulty in operating the system because a plurality of PZT attachments are required is measured in the present invention from a PZT attached to the smart interface plate as a method for identifying abnormal conditions regarding multiple bolting using a single PZT. Since the mechanism impedance is sensitive to bolt loosening, the bolt loosening identification of multiple bolted joints in the interfacial plate can be made by using a single PZT through the introduction of a smart interfacial plate.
두 번째로, 현재 활발하게 개발이 진행되고 있는 임피던스 무선 계측시스템과 함께 적용이 용이하다. 스마트 계면 판은 설치 전에 계획된 설계와 제작을 통해 임피던스 무선 계측시스템이 요구하는 주파수범위(10kHz-100kHz)내의 기전 임피던스의 계측이 용이하다. 세 번째로, 스마트 계면 판의 제작과정에서 볼트 연결 판의 형태를 고려하고, 임피던스 무선 계측시스템의 적용이 용이한 주파수범위 내에 존재하도록 제작이 가능한 효과를 가진다.
Secondly, it is easy to apply with the impedance wireless measurement system which is currently being actively developed. Smart interface plates allow for the measurement of the mechanical impedance within the frequency range (10 kHz to 100 kHz) required by impedance wireless measurement systems through design and fabrication planned before installation. Third, considering the form of the bolt connection plate in the manufacturing process of the smart interface plate, and has the effect that can be manufactured so that the application of the impedance wireless measurement system is within the easy frequency range.
도 1은 실 강구조물의 볼트 연결부 체결형식의 예시도
도 2는 본 발명의 강구조물의 볼트 연결 판의 다중 볼트 풀림 식별을 위한 스마트 계면 판의 구성도
도 3은 스마트 계면 판의 도입을 통해 볼트 연결부의 손상 식별을 수행하기 위한 이론적 모델
도 4는 선형연구를 통해 수행된 계면 판의 이론적 모델에 관한 검증 결과도
도 5는 스마트 계면 판을 도입하여 볼트 연결부의 손상 식별을 수행하기 위한 방법을 예시도
도 6은 스마트 계면 판의 적용성 검증을 위해 제작된 모형 구조물의 형상도
도 7은 스마트 계면 판의 적용성 검증으로 계면 판의 손상 도입 전후에 계측된 기전 임피던스의 비교 결과도
도 8은 스마트 계면 판의 적용성 검증으로 계면 판의 손상 도입 전후에 계측된 기전 임피던스의 RMSD를 이용한 정량적 분석 결과도1 is an illustration of the bolt connection part fastening type of the seal steel structure
2 is a block diagram of a smart interface plate for the identification of the multiple bolt loosening of the bolt connection plate of the steel structure of the present invention
3 is a theoretical model for performing damage identification of bolted connections through the introduction of smart interface plates.
4 is a verification result of the theoretical model of the interface plate carried out through a linear study
5 illustrates a method for performing damage identification of a bolted connection by introducing a smart interface plate.
6 is a shape diagram of a model structure fabricated for applicability verification of a smart interface plate
7 is a comparison result of the measured mechanical impedance before and after the damage introduction of the interface plate by verifying the applicability of the smart interface plate
8 is a quantitative analysis result using the RMSD of the electromechanical impedance measured before and after the damage introduction of the interface plate to verify the applicability of the smart interface plate
본 발명은 기전 임피던스를 이용한 볼트연결 판 볼트풀림 모니터링을 위한 스마트 계면 판에 관한 것으로, 이를 더욱 상세하게 설명하면, 스마트 계면 판의 사용을 통해 임피던스 무선 계측시스템의 계측 가능한 저주파수 대역(100kHz 이내)의 기전 임피던스 계측이 용이하고, 단일 PZT로부터 계측된 기전 임피던스를 활용하여 볼트연결 판의 다중 볼트풀림 식별을 용이하게 확인하기 위해 구성된 것을 특징으로 하는 기전 임피던스를 이용한 볼트연결 판의 볼트풀림 모니터링을 위한 스마트 계면판에 관한 것이다.
The present invention relates to a smart interface plate for the bolt connection plate bolt loosening monitoring using a mechanical impedance, more specifically, to the measurement of the low frequency band (within 100kHz) of the impedance wireless measurement system through the use of the smart interface plate Smart impedance measurement for bolt loosening of the bolted connection plate using the mechanical impedance, characterized in that it is easy to measure the mechanical impedance, and configured to easily identify the multiple bolt loosening of the bolted connection plate by using the mechanical impedance measured from a single PZT It relates to an interface plate.
도 1은 실 강구조물의 볼트 연결부 체결형식의 예시도를 나타낸 것으로, 교각과 같은 곳에 설치되는 실 강구조물의 볼트 연결부는 수십에서 수백개의 볼트 연결부가 존재한다.
Figure 1 shows an exemplary view of the bolt connection part fastening type of the seal steel structure, the bolt connection of the seal steel structure is installed in the same place as the piers there are dozens to hundreds of bolt connections.
하기 실시예 및 실험예는 본 발명을 구체적으로 설명하기 위한 것으로, 본 발명의 범주가 이들 실시 예 및 실험예에 국한되는 것은 아니다.
The following Examples and Experimental Examples are intended to specifically illustrate the present invention, and the scope of the present invention is not limited to these Examples and Experimental Examples.
[실시예 1] 기전 임피던스를 이용한 볼트연결 판의 볼트풀림 모니터링을 위한 스마트 계면판(SP)[Example 1] Smart interface plate (SP) for bolt loosening monitoring of bolt connecting plate using electrostatic impedance
도 2는 본 발명의 강구조물의 볼트 연결 판의 다중 볼트 풀림 식별을 위한 스마트 계면 판의 구성도를 나타낸 것으로, 도 2와 같이 볼트 연결 판 내의 4개의 볼트 풀림을 식별할 수 있는 일정한 형상 및 두께를 가진 스마트 계면 판(SP)은 판의 모서리에 볼트 체결을 위한 홀(3)을 뚫었으며, 스마트 계면 판(SP)의 상면(1) 중앙에 볼트 풀림을 식별하기 위해 PZT(P)를 부착하였고, 상기 PZT의 부착으로 볼트 풀림의 감지능력을 극대화하기 위해 스마트 계면 판(SP)의 하면(2) 중앙에 판의 두께를 얇게 절단한 요홈부(4)를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 기전 임피던스를 이용한 볼트연결 판의 볼트풀림 모니터링을 위한 스마트 계면판을 제공한다.
Figure 2 shows the configuration of the smart interface plate for the identification of the multiple bolt loosening of the bolt connecting plate of the steel structure of the present invention, as shown in Figure 2 has a constant shape and thickness to identify the four bolt loosening in the bolt connecting plate Smart interface plate (SP) has a hole (3) for fastening bolts at the edge of the plate, PZT (P) is attached to the center of the upper surface (1) of the smart interface plate (SP) to identify the bolt loosening Mechanism, characterized in that it comprises a groove portion (4) thinly cut the thickness of the plate in the center of the lower surface (2) of the smart interface plate (SP) in order to maximize the detection ability of the bolt loosening by the attachment of the PZT It provides a smart interface plate for bolt loosening monitoring of bolt connection plate using impedance.
상기 스마트 계면 판의 볼트 연결부 홀(3) 뚫기를 할 때, 홀의 지름은 사용되는 볼트의 지름보다 약간 크게 제작하여 사용하며, 스마트 계면 판(SP)의 PZT 부착 면의 두께 조절을 위한 절단을 수행하고. 절단이 수행되는 요홈부(4)의 면은 PZT의 크기보다 커야 하며, 볼트 연결부인 홀(3)을 초과하지 않도록 조절하고 절단이 수행되는 요홈부(4) 면의 최소 두께는 1mm로 조절한다,
When drilling the bolt connection hole (3) of the smart interface plate, the diameter of the hole is used to make slightly larger than the diameter of the bolt used, and cut to adjust the thickness of the PZT attachment surface of the smart interface plate (SP) and. The surface of the
상기 스마트 계면 판에 PZT 부착면 두께의 절단은 PZT가 부착된 구조물의 형상과 두께에서 클수록 기전 임피던스의 감지 범위가 축소되는 단점을 보완하기 위함이다. 즉, 스마트 계면 판 내의 볼트 연결부는 도입된 축력에 대응하기 위해 원 두께로 제작되고, PZT가 부착되어 볼트 풀림을 식별하기 위한 단면은 얇게 제작되어 반응에 민감할 수 있도록 하였다.
Cutting the thickness of the PZT attachment surface on the smart interface plate is to compensate for the disadvantage that the detection range of the mechanical impedance is reduced as the PZT is attached to the larger shape and thickness of the structure. In other words, the bolt connection part in the smart interface plate is manufactured in a circle thickness to cope with the introduced axial force, and the PZT is attached to make the cross section for identifying the bolt loosening so as to be sensitive to the reaction.
도 3은 스마트 계면 판의 도입을 통해 볼트 연결부의 손상 식별을 수행하기 위한 이론적 모델을 나타낸 것으로, 볼트 연결부의 볼트 풀림을 식별하기 위해 제작된 스마트 계면 판(SP)은 볼트 체결력을 이상화하는 파라메터(스프링 강성 
Figure 3 shows a theoretical model for performing damage identification of the bolt connection through the introduction of the smart interface plate, the smart interface plate (SP) manufactured to identify the bolt loosening of the bolt connection is a parameter that idealizes the bolt tightening force ( Spring stiffness
도 4는 선형연구를 통해 수행된 계면 판의 이론적 모델에 관한 검증 결과도를 나타낸 것으로, 도 4과 같이 볼트 체결력에 의해 형성된 접촉력의 변화를 1)스프링 강성과 2)감쇠의 변화를 표현하는 방법을 제시하였으며, 연구결과로 접촉력 3×105 N/m2은 스프링 강성 
Figure 4 shows the verification result of the theoretical model of the interface plate carried out through a linear study, a method of expressing the change in the contact force formed by the bolt tightening force 1) the spring stiffness and 2) the attenuation as shown in FIG. As a result, the
도 5는 스마트 계면 판을 도입하여 볼트 연결부의 손상 식별을 수행하기 위한 방법을 예시도를 나타낸 것으로, 스마트 계면 판을 적용하여 볼프 풀림을 식별하기 위한 모식도를 보여주며, 핵심 개념은 스마트 계면 판에 부착된 PZT로부터 계측된 전기-역학적 임피던스의 변화는 스마트 계면 판(SP)의 구조 파라메터(
5 illustrates an example of a method for performing damage identification of a bolted connection by introducing a smart interface plate, and shows a schematic diagram for identifying a wolf loose by applying the smart interface plate, and the key concept is a smart interface plate. The change in electro-mechanical impedance measured from the attached PZT depends on the structural parameters of the smart interface plate (SP).
도 6은 스마트 계면 판의 적용성 검증을 위해 제작된 모형 구조물의 형상도를 나타낸 것으로, 개발된 스마트 계면 판(SP)의 적용성을 검증하고자 도 6와 같은 모형 실험체를 제작하여 실험을 수행하였으며, 두 개의 H-형강 부재의 복부(web)에 볼트 연결 판과 4개의 볼트를 적용하여 체결하였다. 스마트 계면 판(SP)은 볼트 연결 판과 볼트 사이에 설치하였고, 스마트 계면 판의 적용성을 검증하기 위해 동일한 크기와 재질의 PZT(P)를 1)스마트 계면 판에 도입한 경우와 2)볼트 연결 판에 도입한 경우를 비교하였다. FIG. 6 is a diagram showing the shape of a model structure manufactured for applicability verification of a smart interface plate. In order to verify the applicability of the developed smart interface plate (SP), a model test body as shown in FIG. 6 was manufactured and tested. The bolts were fastened to the web of two H-shaped steel members by bolt connection plates and four bolts. Smart interface plate (SP) is installed between bolt connection plate and bolt, and 1) PZT (P) of same size and material is introduced into smart interface plate to verify applicability of smart interface plate. The case of introduction into the connecting plate was compared.
또한, PZT의 임피던스 신호의 계측은 무선 임피던스 계측시스템(Imote2/SSeL-I)을 적용하였으며, 무선 계측시스템의 도입을 위해 임피던스 신호의 계측 주파수 범위는 10kHz - 40kHz로 결정하였다. 볼트 체결력은 토크렌치(torque wrench)를 이용하여 도입이 이루어졌으며, 초기 볼트 체결력은 총 4개의 볼트(Bolt 1 ~ Bolt 4)에 대해 각각 160N이 도입되었다.
In addition, the measurement of the impedance signal of the PZT applied a wireless impedance measurement system (Imote2 / SSeL-I), and the measurement frequency range of the impedance signal was determined to be 10kHz-40kHz for the introduction of the wireless measurement system. The bolt fastening force was introduced by using a torque wrench, and initial bolt fastening force was introduced by 160N for a total of four bolts (
볼트 풀림 식별을 위한 손상 시나리오로, 손상이 없는 비손상 상태는 4개의 볼트가 각각 160Nm로 체결된 상태를 고려하였다. 손상은 표 1과 같이 각 볼트(Bolt 1 ~ Bolt 4) 연결부가 각각 40Nm로 볼트 풀림이 발생(160Nm에서 40Nm로 볼트 체결력 감소)한 상태(Bolt-1 ~ Bolt-4)를 고려하였다.
In the damage scenario for bolt looseness identification, the intact and non-damaged state is considered to have four bolts each fastened to 160 Nm. As shown in Table 1, each bolt (
도 7은 스마트 계면 판의 적용성 검증으로 계면 판의 손상 도입 전후에 계측된 기전 임피던스의 비교 결과도를 나타낸 것으로, PZT를 각각 1) 볼트 연결 판과 2) 스마트 계면 판에 부착한 경우에 손상 도입 전후의 임피던스 신호의 변화를 보여준다. FIG. 7 shows the results of comparison of the measured mechanical impedance before and after the introduction of damage to the interface plate by verifying the applicability of the smart interface plate. FIG. 7 shows the damages when the PZT is attached to 1) the bolt connecting plate and 2) the smart interface plate. It shows the change of impedance signal before and after introduction.
두 결과의 비교에서 볼 수 있듯이, 1) 볼트 연결 판에 PZT를 부착한 경우는 의미 할만한 기전 임피던스의 공진주파수 변화가 뚜렷하게 나타나지 않았다. As can be seen from the comparison of the two results, 1) when the PZT is attached to the bolted connection plate, there is no significant change in the resonant frequency of the mechanical impedance.
그러나 2)스마트 계면 판에 부착한 경우에 손상 도입 전후 및 임피던스 신호의 공진주파수 변화가 명확하게 발생하는 것을 볼 수 있었다.2) However, when attached to the smart interface plate, it can be seen that changes in the resonant frequency of the impedance signal before and after the damage are introduced clearly.
이는 1)볼트 연결 판에 부착된 PZT는 연결부의 구조 파라메터의 변화를 식별하는데 민감하지 않다는 사실을 보여준다.
This shows that 1) the PZT attached to the bolted connection plate is not sensitive to identifying changes in the structural parameters of the connection.
도 8은 스마트 계면 판의 적용성 검증으로 계면 판의 손상 도입 전후에 계측된 기전 임피던스의 RMSD를 이용한 정량적 분석 결과도를 나타낸 것으로, PZT를 각각 스마트 계면 판과 볼트 연결 판에 부착한 경우에 손상 도입 전후의 기전 임피던스의 RMSD 변화를 보여준다. 임피던스 RMSD의 비교 결과는 기전 임피던스의 비교에서 언급했던 것과 동일하게 볼트 연결 판에 부착할 경우는 매우 적은 민감도를 보인다는 것을 볼 수 있었다. 반면, 스마트 계면 판에 부착할 경우는 각각의 손상(볼트 체결력 감소, Bolt-1 ~ Bolt-4)을 매우 명확하게 식별하였다. 이로부터, 스마트 계면 판의 도입을 통해 강구조물 볼트 연결 판의 볼트 풀림의 식별과 임피던스 무선 계측시스템의 도입에 매우 유용하다는 것을 검증하였다.Figure 8 shows the results of quantitative analysis using the RMSD of the electromechanical impedance measured before and after the introduction of damage of the interface plate to verify the applicability of the smart interface plate, the damage when the PZT is attached to the smart interface plate and bolt connection plate respectively Shows the RMSD change of the mechanical impedance before and after introduction. The comparison of impedance RMSD shows that the sensitivity is very low when attached to bolted connection plates, as mentioned in the comparison of mechanical impedance. On the other hand, when attached to the smart interface plate, each damage (reduced bolt tightening force, Bolt-1 ~ Bolt-4) was very clearly identified. From this, it was proved that the introduction of smart interface plate is very useful for the identification of bolt loosening of steel structure bolt connecting plate and the introduction of impedance wireless measuring system.
손상에 의한 기전 임피던스 변화를 정량화하기 위한 방법으로 다음과 같은 평균제곱근편차(root mean square deviation, RMSD)를 적용하였다.The root mean square deviation (RMSD) was applied as a method to quantify the change in the mechanical impedance due to damage.
여기서, 
끝으로, 기존의 방법을 통해 단일 볼트 체결에 대한 이상상태 식별을 수행 시, 다수의 PZT 부착이 요구되어 시스템의 운용에 어려움이 따른다. 이에, 단일 PZT를 이용하여 다수의 볼트 체결에 관한 이상상태 식별을 위한 방법 제시가 필요하다.
Finally, when performing abnormal state identification for single bolt fastening through the conventional method, it is difficult to operate the system because multiple PZT attachments are required. Therefore, there is a need for a method for identifying an abnormal state regarding a plurality of bolt fastenings using a single PZT.
[실시예 2] 스마트 계면판의 사용방법
Example 2 Usage of Smart Interface Plate
상기 본 발명인 스마트 계면 판(SP)의 모서리에 볼트 체결을 위한 홀(3)과 스마트 계면 판의 상면(1) 중앙에 부착된 PZT(P)와 스마트 계면 판의 하면(2) 중앙에 판의 두께를 얇게 절단한 요홈부(4)를 포함하여 구성된 스마트 계면판(SP)을 이용하여, 볼트 연결부의 볼트 풀림을 식별하기 위한 방법으로,
In the center of the lower surface (2) of the PZT (P) and the smart interface plate attached to the center of the hole (3) and the upper surface (1) of the smart interface plate for bolting to the corner of the present invention smart interface plate (SP) By using the smart interface plate (SP) configured to include the groove portion (4) thinly cut thickness, as a method for identifying the bolt loosening of the bolt connection portion,
먼저, 다수의 볼트 연결부를 가진 철구조물의 볼트 연결부에 스마트 계면판(SP)의 홀(3)에 볼트로 체결하여 스마트 계면판(SP)을 설치한 후, First, the smart interface plate (SP) is installed by fastening the bolts to the holes (3) of the smart interface plate (SP) to the bolt connection of the steel structure having a plurality of bolt connections,
스마트 계면 판(SP)은 볼트 체결력에 의해 형성된 접촉력의 변화를 PZT(P)와 스마트 계면 판(SP)의 경계면에 작용하는 스프링 강성(
Smart interface plate SP is a spring stiffness that acts on the interface between PZT (P) and smart interface plate SP.
볼트 풀림을 식별하기 위해 스마트 계면 판(SP)에 부착된 PZT(P)로 부터 계측된 전기-역학적 임피던스의 변화를 스마트 계면 판(SP)의 구조 파라메터(
초기체결상태의 초기정보(baseline)와 비교 분석을 통해 스마트 계면 판(SP)내의 볼트 연결부의 볼트 풀림을 식별하기 위한 것을 특징으로 하는 기전 임피던스를 이용한 볼트연결 판의 볼트풀림 모니터링을 위한 스마트 계면 판(SP)의 사용방법
Smart interface plate for monitoring bolt loosening of the bolted connection plate using the electromechanical impedance, characterized by identifying the bolt loosening of the bolt connection in the smart interface plate (SP) through the baseline and the comparative analysis of the initial fastening state How to use (SP)
SP : 스마트 계면 판 P : PZT(Lead Zirconate Titanate)
IS : 임피던스 무선계측 시스템
1 : 스마트 계면 판의 상면 2 : 스마트 계면 판의 하면
3 : 볼트 홀 4 : 스마트 계면 판의 하면 요홈부 SP: Smart Interface Plate P: Lead Zirconate Titanate
IS: Impedance Wireless Measurement System
1: upper surface of smart interface plate 2: lower surface of smart interface plate
3: bolt hole 4: lower groove of smart interface plate
Claims (3)
스마트 계면 판(SP)의 상면(1) 중앙에 볼트 풀림을 식별하기 위해 부착된 PZT(P)와;
상기 PZT의 부착으로 볼트 풀림의 감지능력을 극대화하기 위해 스마트 계면 판의 하면(2) 중앙에 판의 두께를 얇게 절단한 요홈부(4)를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 기전 임피던스를 이용한 볼트연결 판의 볼트풀림 모니터링을 위한 스마트 계면판
Smart interface plate (SP) having a predetermined shape and thickness is a hole (3) for fastening the bolt in the corner of the plate;
PZT (P) attached to the center of the upper surface (1) of the smart interface plate (SP) to identify the bolt loosening;
In order to maximize the detection ability of the bolt loosening by the attachment of the PZT bolt in the center of the lower surface (2) of the smart interface plate comprises a recessed portion (4) thinly cut plate thickness Smart interface plate for bolt loosening monitoring of connecting plates
상기 스마트 계면 판(SP)의 볼트 연결부 홀(3) 뚫기를 할 때, 홀의 지름은 사용되는 볼트의 지름보다 약간 크게 제작하여 사용하며,
스마트 계면 판(SP)의 PZT(P) 부착 면의 두께 조절을 위한 스마트 계면 판의 하면(2) 중앙에 판의 두께를 얇게 절단이 수행되는 요홈부(4)의 면은 PZT의 크기보다 커야 하며, 볼트 연결부인 홀(3)을 초과하지 않도록 조절하고 절단이 수행되는 요홈부(4)의 두께는 1mm로 조절되어져 구성되는 것을 특징으로 하는 기전 임피던스를 이용한 볼트연결 판의 볼트풀림 모니터링을 위한 스마트 계면판
The method of claim 1,
When drilling the bolt connection hole (3) of the smart interface plate (SP), the diameter of the hole is used to make slightly larger than the diameter of the bolt used,
The surface of the groove portion 4 where the thickness of the plate is thinly cut at the center of the lower surface 2 of the smart interface plate for adjusting the thickness of the PZT (P) attachment surface of the smart interface plate SP should be larger than the size of the PZT. And, so as not to exceed the hole (3) of the bolt connection portion and the thickness of the groove portion (4) to be cut is adjusted to 1mm for the bolt loosening monitoring of the bolt connection plate using a mechanical impedance Smart interface plate
먼저, 다수의 볼트 연결부를 가진 철구조물의 볼트 연결부에 스마트 계면판(SP)의 홀(3)에 볼트로 체결하여 스마트 계면판(SP)을 설치한 후,
스마트 계면 판(SP)은 볼트 체결력에 의해 형성된 접촉력의 변화를 PZT(P)와 스마트 계면 판(SP)의 경계면에 작용하는 스프링 강성(
볼트 풀림을 식별하기 위해 스마트 계면 판(SP)에 부착된 PZT(P)로 부터 계측된 전기-역학적 임피던스의 변화를 스마트 계면 판(SP)의 구조 파라메터(
초기체결상태의 초기정보(baseline)와 비교 분석을 통해 스마트 계면 판(SP)내의 볼트 연결부의 볼트 풀림을 식별하기 위한 것을 특징으로 하는 기전 임피던스를 이용한 볼트연결 판의 볼트풀림 모니터링을 위한 스마트 계면 판(SP)의 사용방법
Thinner plate thickness in the center of PZT (P) attached to the center of the upper surface (1) of the smart interface plate and the hole (3) for bolting to the edge of the smart interface plate (SP) and the center of the lower surface (2) of the smart interface plate By using the smart interface plate (SP) configured to include the cut groove 4, a method for identifying the bolt loosening of the bolt connection,
First, the smart interface plate (SP) is installed by fastening the bolts to the holes (3) of the smart interface plate (SP) to the bolt connection of the steel structure having a plurality of bolt connections,
Smart interface plate SP is a spring stiffness that acts on the interface between PZT (P) and smart interface plate SP.
In order to identify the bolt loosening, the change of the electro-mechanical impedance measured from the PZT (P) attached to the smart interface plate (SP) is determined by the structural parameters of the smart interface plate (SP).
Smart interface plate for monitoring bolt loosening of the bolted connection plate using the electromechanical impedance, characterized by identifying the bolt loosening of the bolt connection in the smart interface plate (SP) through the baseline and the comparative analysis of the initial fastening state How to use (SP)
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