KR101344228B1 - 시설물의 비대칭 형상을 고려한 지진계측 센서 및 이를 포함하는 지진 감시 시스템 - Google Patents

Abstract

본 발명은 비대칭 형상을 가져 지진에 취약한 비대칭 시설물들에 설치되어 시설물의 지진에 대한 취약 방향에 대한 지진 응답을 신속하게 계측하여 제공함으로써 효율적인 시설물 지진 대응이 가능하게 되는 시설물의 비대칭 형상을 고려한 지진계측 센서 및 이를 포함하는 지진 감시 시스템에 관한 것으로, 시설물에 설치되는 지진계측 센서로서, 남북 방향 진동 신호를 감지하는 남북 성분 진동 측정 장치; 및 동서 방향 진동 신호를 감지하는 동서 성분 진동 측정 장치; 를 포함하며, 상기 남북 성분 진동 측정 장치와 동서 성분 진동 측정 장치 중 하나의 진동 신호 감지 방향을 해당 시설물의 취약 방향과 일치시켜 설치하고, 취약 방향으로 설정된 진동 측정 장치에서 출력되는 계측 자료를 해당 시설물의 취약 방향 자료로 제공하는 것을 특징으로 한다.

Description

시설물의 비대칭 형상을 고려한 지진계측 센서 및 이를 포함하는 지진 감시 시스템{EARTHQUAKE MONITORING SENSOR AND EARTHQUAKE MONITORING SYSTEM INCLUDING THE SAME}

본 발명은 시설물의 비대칭 형상을 고려한 지진계측 센서 및 이를 포함하는 지진 감시 시스템에 관한 것으로, 특히 비대칭 형상을 가져 지진에 취약한 비대칭 시설물들에 설치되어 시설물의 지진에 대한 취약 방향에 대한 지진 응답을 신속하게 계측하여 제공함으로써 효율적인 시설물 지진 대응이 가능하게 되는 시설물의 비대칭 형상을 고려한 지진계측 센서 및 이를 포함하는 지진 감시 시스템에 관한 것이다.

지진(earthquake) 발생은 종종 막대한 인명과 재산 피해를 야기하게 된다. 지진에 따른 피해(earthquake-induced hazard) 정도는 지진 규모(earthquake magnitude), 진원 깊이(focal depth), 내진 대책(earthquake-resistant strategy)의 수준, 피해 지역의 인구나 시설물(facilities) 밀집 정도 등과 같은 여러 복합적 요인들에 의해 좌우된다.

특히, 지진이 발생한 지하 위치인 진원(hypocenter)이나 지표면 위치인 진앙(epicenter)으로부터 동일한 거리의 인접 위치에서도 그 피해 정도는 매우 크게 달라질 수 있으며, 각 위치의 지반 상태(geotechnical condition)에 따라 특정 위치의 부지(site)에 다른 부지들에 비해 큰 지반운동(ground motion)이 작용할 수 있다. 즉, 다른 부지들에 비해 지반운동이 특정 부지의 지반동적 특성(geotechnical dynamic characteristics)과 결부되어 상대적으로 증폭(amplification)되는 현상이 발생할 수 있기 때문이다. 이와 같은 유사한 진원거리(hypocentral distance) 또는 진앙거리(epicentral distance) 조건의 영역 내에서의 피해 편중 현상은 대상 영역 내에 시설물이 존재하게 되면 시설물들의 구조적 특성(structural characteristics)이 매우 다양하기 때문에 더욱 두드러질 수 있다.

시설물의 구조적 특성은 여러 다양하고 복잡한 요인들에 종속적이므로 단순하게 몇 가지 지표로 정리할 수 없으나, 시설물에 큰 영향을 주는 하중 요소(load component)는 자명하다. 즉, 지표면 부근에서 연직방향(vertical direction)에 비해 횡(또는 수평)방향(horizontal direction)의 하중 성분(load components)이 훨씬 더 큰 양상을 보이는 지진 현상의 경우, 횡방향으로 가해지는 하중으로 인해 실제 대부분의 시설물들이 붕괴되거나 파손된다. 이러한 이유로 시설물의 내진설계(seismic design)나 내진성능평가(seismic performance evaluation)에서는 연직방향에 비해 횡방향의 지진 시 저항 수준을 더 크게 제시하고 있으며, 시설물에서의 실제 지진계측자료(earthquake monitoring data)를 토대로 운영되는 시설물 지진대비(earthquake counterplan) 또는 지진경보(earthquake alert) 시스템에서는 주로 횡방향 계측 성분을 의사결정 지표(index for decision-making)로 이용한다.

지진피해 정도에 상응할 수 있는 시설물의 외적인 규모는 주로 면적 및 높이 또는 이에 상응하는 층수로 간단히 파악해 볼 수 있는데, 면적에 높이를 곱하는 간단한 개념의 규모를 생각해 보면 동일 규모에서도 다양한 면적 형상 및 높이의 존재가 가능하다. 동일 규모에서도 일반적인 시설물의 삼차원 외형을 생각해 볼 때, 반구(hemisphere)나 정육면체(cube)에 가까운 시설물이 삼차원 공간 상에서 비대칭적인 기하학적 형상(asymmetrical geometric shape)에 비해 지진과 같은 외부 하중이 가해졌을 때 구조적으로 훨씬 안정되어 있다.

즉, 평면 영역에 비해 상대적으로 높이가 높다거나 평면 형상이 비대칭인 시설물은 횡방향 진동 하중이 지배적인 지진 현상에 대해서 더 취약한 방향이 존재하게 된다. 이를 테면, 아파트와 같이 판상 형상이 많은 시설물들은 평면 영역이 긴 직사각형 형상(long rectangular shape)을 보이는데 직사각형의 짧은 변(short side)에 평행하는 방향으로 삼차원 공간에서 다른 두 방향에 비해 횡방향의 외부 하중에 더 취약하다. 특히, 아파트 뿐만 아니라 평면 영역에서 한 방향으로 긴 형상을 하고 있는 비대칭 형상의 주요 기간 시설물들이나 민간 시설물들 역시 지진에 취약한 방향이 존재하게 되는데, 댐이나 방조제, 도로 및 철도 교량, 파이프라인, 대규모 옹벽, 제품생산 시설물 등 수많은 시설물들이 산재하고 있으며, 현실에서는 거의 모든 시설물들이 근본적으로 비대칭 형상을 보인다.

비대칭 시설물들을 포함한 시설물들에 대한 체계적 지진신속대응(systematic earthquake rapid response)과 종합적 지진대책 수립(synthetic establishment of earthquake strategy)을 위해 지진속도 계측(monitoring of earthquake velocity)도 가능하나 주로 지진가속도 계측(monitoring of earthquake acceleration)을 통한 지진경보 시스템들이 최근 개발 및 구축되고 있다.

시설물에 설치되고 있는 지진계측 장치(earthquake monitoring instrument)는 크게 지진과 같은 진동 신호(shaking and shocking signals)를 감지하는 센서(sensor)와 이 신호를 기록 저장하는 기록계(recorder 또는 digitizer)로 구분해 볼 수 있으며, 최근에는 유무선 통신기술과 연계하여 자료를 전송하는 장치가 부수적으로 연계되거나 기록계 내에 전송 기능을 포함하여 구성하기도 한다. 외부의 진동 신호를 처음으로 감지하게 되는 센서 안에는 직교 좌표축(rectangular coordinate axes)과 같은 3 개 성분(3 components)의 진동 측정 장치가 탑재되어 있는데, 이를 각각 종(축)성분(longitudinal component), 횡(축)성분(transverse component) 그리고 연직(축)성분(vertical component)이라고 하며, 대개 센서 설치 시에 나침반(compass)을 이용해 이 성분들을 각각 남북 방향, 동서 방향 그리고 중력에 대한 연직 방향으로 맞추게 된다.

절대 방위각을 고려하여 객관적인 방향 설정이 완료된 센서로부터 계측된 지진가속도 자료는 국가 기관을 비롯한 주요 자료 사용처에 제공될 수 있는데, 이 경우에 3 가지 성분의 방향을 각각 남북, 동서 및 연직 방향으로 일반 사용자들이 구분해서 확인하고 활용하게 된다. 그러나 이런 방향 설정 기반의 계측 가속도 자료는 시설물 측면에서의 지진 시 가장 취약한 거동에 대해 신속하고 직관적 파악을 위한 정보로는 한계가 있다.

즉, 시설물의 취약한 방향에 대한 가속도 자료를 얻기 위해서는 사용자가 필요 시에 수평 방향의 두 성분(종성분 및 횡성분)을 토대로 남북 (또는 동서) 방향과 시설물 취약 방향과의 각도를 고려하여 계측 자료를 재계산해야 한다. 실제, 일부 시설물 지진경보 시스템에서는 운영 소프트웨어 내에서 계측 가속도 자료의 수평방향 두 성분 또는 전체 세 성분을 기하학적으로 합산하여 지표면 수평방향 또는 삼차원 조건의 최대지반가속도(peak ground acceleration, PGA)를 제시하기도 한다. 그렇다 할지라도, 여기서의 최대지반가속도(PGA)는 시간 변화에 따라 그 지시 방향이 바뀌게 되므로 고정된 조건의 시설물 최대 취약 방향에 대한 직접적 유용 자료라고 할 수 없다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로, 그 목적은 비대칭 형상을 가져 지진에 취약한 비대칭 시설물들에 설치되어 시설물의 지진에 대한 취약 방향에 대한 지진 응답을 신속하게 계측하여 제공함으로써 효율적인 시설물 지진 대응이 가능하게 되는 시설물의 비대칭 형상을 고려한 지진계측 센서 및 이를 포함하는 지진 감시 시스템을 제공하는 것이다.

본 발명에 따르면, 시설물에 설치되는 지진계측 센서로서, 남북 방향 진동 신호를 감지하는 남북 성분 진동 측정 장치; 및 동서 방향 진동 신호를 감지하는 동서 성분 진동 측정 장치; 를 포함하며, 상기 남북 성분 진동 측정 장치와 동서 성분 진동 측정 장치 중 하나의 진동 신호 감지 방향을 해당 시설물의 취약 방향과 일치시켜 설치하고, 취약 방향으로 설정된 진동 측정 장치에서 출력되는 계측 자료를 해당 시설물의 취약 방향 자료로 제공하는 것을 특징으로 하는 지진계측 센서를 제공한다.

바람직하게는, 상기 지진계측 센서의 덮개 외면에서 취약 방향으로 설정된 진동 측정 장치의 지시 방향을 취약 방향과 일치시키는 것을 특징으로 한다.

바람직하게는, 상기 취약 방향은, 시설물의 지배적 발달 방향과 이에 직교하는 방향을 설정해 두 축의 교점이 시설물 평면 형상의 면적 중심에 해당되는 도심이 되면, 이 도심을 중심으로 직각 좌표계를 회전시켜 시설물 평면 형상의 면적과 동일한 등가 타원을 결정하고, 등가 타원을 이루는 단축 방향을 취약 방향으로 설정하는 것을 특징으로 한다.

바람직하게는, 상기 지진계측 센서는 연직 방향 진동 신호를 감지하는 연직 성분 진동 측정 장치를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따르면, 시설물에 설치되는 지진계측 센서로서, 남북 방향 진동 신호를 감지하는 남북 성분 진동 측정 장치; 동서 방향 진동 신호를 감지하는 동서 성분 진동 측정 장치; 및 취약 방향 진동 신호를 감지하는 취약 성분 진동 측정 장치; 를 포함하며, 취약 성분 진동 측정 장치에서 출력되는 계측 자료를 해당 시설물의 취약 방향 자료로 제공하는 것을 특징으로 하는 지진계측 센서를 제공한다.

바람직하게는, 상기 취약 방향 진동 측정 장치는 방향 조정 후 나사로 고정되는 것을 특징으로 한다.

바람직하게는, 상기 취약 방향은, 시설물의 지배적 발달 방향과 이에 직교하는 방향을 설정해 두 축의 교점이 시설물 평면 형상의 면적 중심에 해당되는 도심이 되면, 이 도심을 중심으로 직각 좌표계를 회전시켜 시설물 평면 형상의 면적과 동일한 등가 타원을 결정하고, 등가 타원을 이루는 단축 방향을 취약 방향으로 설정하는 것을 특징으로 한다.

바람직하게는, 안정 방향 진동 신호를 감지하는 안정 성분 진동 측정 장치; 를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.

바람직하게는, 상기 취약 방향 진동 측정 장치는 방향 조정 후 나사로 고정되는 것을 특징으로 한다.

바람직하게는, 상기 안정 방향은, 시설물의 지배적 발달 방향과 이에 직교하는 방향을 설정해 두 축의 교점이 시설물 평면 형상의 면적 중심에 해당되는 도심이 되면, 이 도심을 중심으로 직각 좌표계를 회전시켜 시설물 평면 형상의 면적과 동일한 등가 타원을 결정하고, 등가 타원을 이루는 장축 방향을 안정 방향으로 설정하는 것을 특징으로 한다.

바람직하게는, 상기 지진계측 센서는 연직 방향 진동 신호를 감지하는 연직 성분 진동 측정 장치를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따르면, 시설물의 취약 방향 진동 계측자료를 포함하는 진동 계측자료를 전송하는 지진계측 센서; 및 상기 지진계측 센서로부터의 진동 계측자료를 분석하여 지진 발생 여부를 감시하는 감시 장치; 를 포함하고, 상기 감시 장치는, 상기 진동 계측자료를 수신하는 통신부; 상기 통신부에서 수신된 진동 계측자료를 분석하는 분석부; 및 상기 분석부에서 분석된 결과를 표시하는 표시부; 를 포함하며, 상기 표시부에는 취약 방향에 대한 분석 결과가 별도로 표시되는 것을 특징으로 한다.

바람직하게는, 상기 취약 방향 진동 계측자료는 지진계측 센서 내에서 취약 방향 진동 신호를 감지하는 취약 성분 진동 측정 장치로부터 생성되는 것을 특징으로 한다.

바람직하게는, 상기 지진계측 센서에서 전송하는 진동 계측자료는 시설물의 안정 방향 진동 계측자료를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.

바람직하게는, 상기 안정 방향 진동 계측자료는 지진계측 센서 내에서 안정 방향 진동 신호를 감지하는 안정 성분 진동 측정 장치로부터 생성되는 것을 특징으로 한다.

바람직하게는, 상기 표시부에는 안정 방향에 대한 분석 결과와 취약 및 안정 방향에 대한 비교 결과가 더 표시되는 것을 특징으로 한다.

바람직하게는, 상기 취약 방향 진동 계측자료는 지진계측 센서 내에서 남북 성분 진동 측정 장치와 동서 성분 진동 측정 장치 중 해당 시설물의 취약 방향과 일치된 진동 측정 장치로부터 생성되는 것을 특징으로 한다.

바람직하게는, 상기 분석부는 취약 방향과 일치된 진동 측정 장치로부터 전송된 취약 방향 진동 계측자료에 대하여 원래의 절대 방위각 자료로 재처리하는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따르면, 비대칭 형상을 가져 지진에 취약한 비대칭 시설물들에 설치되어 시설물의 지진에 대한 취약 방향에 대한 지진 응답을 신속하게 계측하여 제공함으로써 효율적인 시설물 지진 대응이 가능하게 되는 효과가 있다.

특히, 시설물에서의 지진계측 센서 적용은 항상 시설물의 가장 취약한 지진 응답(seismic response)을 최대한 신속하게 파악해야 하는 시설물 관리자에게 추가적인 연산이 필요 없이 실제 센서로부터의 계측 자료이자 동시에 시설물 취약 방향의 응답 자료(response data)로서 바로 제공할 수 있으므로, 신속하고 효율적인 시설물 지진경보대응 시스템(earthquake alert and response system)의 구현을 가능하게 한다.

이 뿐만 아니라, 구조적 취약 방향(W 방향)과 그에 직교하는 방향인 상대적으로 구조적 안정 방향(S 방향)과의 지속적인 진동 계측 자료 축적을 통해서 시설물의 구조 거동 모델의 도출 및 검증에도 활용될 수 있다.

또한 취약 방향과 안정 방향에 대한 직관적인 감시 화면 구성이 가능해 시설물 감시자에게 효율적인 업무 수행과 지진 감시가 가능토록 할 수 있다.

도 1은 본 발명에 따른 지진 감시 시스템을 설명하기 위한 도면.
도 2는 본 발명이 적용되는 시설물의 형상 및 이에 따른 취약 방향과 안정 방향을 설명하기 위한 도면.
도 3은 본 발명에 따른 시설물의 취약 방향 및 안정 방향에 대한 설정 원리를 설명하기 위한 도면.
도 4는 본 발명에 따른 기존 성분 설정변경 방식의 지진계측 센서를 설명하기 위한 도면.
도 5는 본 발명에 따른 취약 방향 성분 추가 방식의 지진계측 센서와 취약 방향 성분 및 안정 방향 성분 추가 방식의 지진계측 센서를 설명하기 위한 도면.
도 6은 본 발명에 따른 표시부의 화면 표시 상태를 설명하기 위한 도면.

이하 본 발명에 따른 시설물의 비대칭 형상을 고려한 지진계측 센서 및 이를 포함하는 지진 감시 시스템에 대하여 첨부한 도면을 참고하여 상세히 설명한다.

도 1은 본 발명에 따른 지진 감시 시스템을 설명하기 위한 도면이다.

도 1을 참조하면, 전체적으로 본 발명에 따른 지진 감시 시스템은 시설물의 취약 방향 진동 계측자료를 포함하는 진동 계측자료를 전송하는 지진계측 센서(10)와 상기 지진계측 센서로부터의 진동 계측자료를 분석하여 지진 발생 여부를 감시하는 감시 장치(50)를 포함하여 구성될 수 있다.

여기에서 상기 지진계측 센서(10)는 감시 대상 시설물에 설치될 수 있으며, 상기 감시 장치(50)는 시설물 내 시설물 관리자에 의해 운영되는 내부 지진 감시실에 설치되어 시설물 자체에서 운영되거나 시설물 외 외부기관(예컨데, 통합 지진감시 센터, 지역 지진감시 센터 등)에 설치되어 해당 시설물의 지진을 감시하도록 운영될 수 있다.

이를 위해 상기 지진계측 센서(10)와 감시 장치(50)는 감지된 지진과 같은 진동 신호를 기록 저장하는 기록계를 포함할 수 있으며, 해당 지진계측 센서(10)에는 유무선 통신기술과 연계하여 자료를 전송하는 장치가 부수적으로 연계되거나 기록계 내에 전송 기능을 포함하여 구성될 수 있다.

그리고 상기 감시 장치(50)는 지진계측 센서(10)로부터 전송되는 진동 계측자료를 수신하는 통신부(60)와, 상기 통신부(60)에서 수신된 진동 계측자료를 분석하는 분석부(70)와, 상기 분석부(70)에서 분석된 결과를 표시하는 표시부(80)를 포함하여 구성될 수 있다.

기본적으로, 본 발명에서는 중요한 시설물들의 지표면 영역에서의 비대칭 기하학적 형상에 따른 지배적 단변(short side) 방향이자 지진과 같은 횡방향 하중에 가장 취약한 방향에 대한 지진계측 센서의 수평 방향 한 성분의 고정 방향 설정 또는 기존 지진계측 센서 내에서의 방향 유동적 성분 추가에 대해 제시한다.

본 발명에 따른 지진계측 센서 및 이를 포함하는 지진 감시 시스템이 적용될 수 있는 시설물의 개요적인 형상과 그 대표적 시설 종류들은 도 2에서 확인할 수 있다.

도 2를 참조하면, 평면 영역에 비해 상대적으로 높이가 높다거나 평면 형상이 비대칭인 시설물은 횡방향 진동 하중이 지배적인 지진 현상에 대해서 더 취약한 방향이 존재하게 된다. 즉, 평면 영역에 비해 상대적으로 높이가 높다거나 평면 형상이 비대칭인 시설물은 횡방향 진동 하중이 지배적인 지진 현상에 대해서 더 취약한 방향이 존재하게 된다.

그 예로, 도 2의 (a)에 도시된 댐이나 방조제, 대규모 옹벽 등이나, 도 2의 (b)에 도시된 도로 및 철도 교량, 파이프라인, 제품생산 시설물 등의 경우 평면 영역에서 한 방향으로 긴 형상을 하고 있는 비대칭 형상을 가지고 있어 지진에 취약한 방향(W)이 존재하게 된다. 또한 도 2의 (c)에 도시된 아파트나 주거 및 근린 건축물, 공장 등의 경우 역시 판상 형상이 많은 시설물로서 평면 영역이 긴 직사각형 형상(long rectangular shape)을 보이며 직사각형의 짧은 변(short side)에 평행하는 방향(W)으로 삼차원 공간에서 다른 두 방향(S, Z)에 비해 횡방향의 외부 하중에 더 취약하다. 실제 현실에서는 거의 모든 시설물들이 근본적으로 비대칭 형상을 보인다.

공간 상에서의 연직 방향(Z)을 포함하여 취약 방향(vulnerable direction 또는 weak direction; W)과 이와 수평방향 평면 상에서 직교하는 안정 방향(stable direction; S)을 시설물의 형상에 따라 쉽게 파악해 볼 수 있다. 이러한 취약(W) 방향과 안정(S) 방향의 개념은 평면 형상이 직사각형이 아니어도 비대칭 또는 비정형 형상에 따라 구조적으로 취약 방향이 확연하게 예측 가능한 시설물들은 모두 적용 가능하다.

즉, 도 3에 도시된 임의의 비정형 평면 형상을 갖는 시설물의 경우, 우선 기본적인 직각 좌표계(Cartesian coordinate system)를 설정해야 하는데, 시설물의 지배적 발달 방향(X)을 하나 설정하고 이에 직교(orthogonal)하는 방향(Y)을 설정하여 그 축들을 이동시켜 가면서 각 축을 중심으로 양 쪽으로 면적이 동일한 위치에 두 축을 고정시킨다. 고정된 두 축의 교점이 시설물 평면 형상의 면적 중심에 해당되는 도심(centroid)이 되면, 이 도심을 중심으로 직각 좌표계를 회전시켜서 시설물 평면 형상의 면적과 동일한 등가 타원(equivalent ellipse)을 결정할 수 있다. 등가 타원의 형상 매개변수들(shape parameters)은 타원을 이루는 장축의 길이(the major axis length; 2a)와 단축의 길이(the minor axis length; 2b), 그리고 직교 좌표축에 대한 타원의 기울어진 정도인 방향 각도(orientation angle; θ)이며, 이들을 변수로 타원의 관성 모멘트(the moment of inertia)가 최소가 되는 형상을 결정하여 이를 등가 타원으로 제시할 수 있다. 이렇게 도출된 등가 타원의 단축 방향(Y’)이 바로 시설물의 취약 방향(W)가 되고 타원의 장축 방향(X’)이 시설물의 상대적 안정 방향(S)이 된다.

이 같은 시설물의 취약 방향과 안정 방향의 설정은 감시 장치(50) 내 운영 소프트웨어 내에 시설물의 평면 형상 데이터를 입력하면 미리 프로그래밍된 내부 연산을 통해 간단히 도출될 수 있을 것이다.

시설물에서의 지진계측 센서(10)의 적용은 항상 시설물의 가장 취약한 지진 응답(seismic response)을 최대한 신속하게 파악해야 하는 시설물 관리자에게 추가적인 연산이 필요 없이 실제 센서로부터의 계측 자료이자 동시에 시설물 취약 방향의 응답 자료(response data)로서 바로 제공할 수 있으므로, 신속하고 효율적인 시설물 지진경보대응 시스템(earthquake alert and response system)의 구현을 가능하게 한다. 뿐만 아니라, 구조적 취약 방향(W 방향)과 그에 직교하는 방향인 상대적으로 구조적 안정 방향(S 방향)과의 지속적인 진동 계측 자료 축적을 통해서 시설물의 구조 거동 모델의 도출 및 검증에도 활용될 수 있다.

현재 보편적으로 설치 운영되고 있는 지진 속도나 가속도 계측 센서들은 그 외형이 비교적 짧은 높이의 원통이나 부드러운 모서리의 육면체 형상을 가진다. 원통형이든 육면체형이든 기본적으로 내부에는 중심에 대해 120° 간격의 3 개 진동 성분들이 배치되어 있으며, 이 3 성분들은 각각 연직(vertical; Z) 방향, 남북(North to South; N) 방향, 그리고 동서(East to West; E) 방향에 대한 일방향 성분(one-way component)들이다.

도 4는 본 발명에 따른 기존 성분 설정변경 방식의 지진계측 센서를 설명하기 위한 도면이다.

시설물에서의 지진계측 자료를 외부에 제공하거나 공유하지 않고 오로지 대상 시설물에 대한 지진경보대응 자료로 이용하는 경우에는 도 4에 도시된 바와 같이 직교 좌표계(rectangular coordinate system)의 X, Y 및 Z 방향에 따라 제시된 기존 센서 구성 부분에서 묘사된 기존 3성분 지진계측 센서의 덮개에 표시한 수평 방향 성분 중 한 방향 성분(도면에서는 N 성분)의 지시 방향을 시설물의 W 방향과 평행하게 설치하여 지진 시 시설물의 가장 취약한 거동을 아무런 추가 연산(additional operation)이나 자료처리(data processing) 없이 바로 파악하도록 할 수 있다.

뿐만 아니라 외부 기관들에 자료를 공유하는 시설물도 지진 발생 이후 일정 기간이 경과된 후에 지진 계측 자료를 제공하는 경우에는, 지진계측 센서의 수평 지시 방향 성분 중 한 지시 방향(도면에서는 N 방향)을 시설물의 W 방향과 일치시킨 상태로 설치 운영하고 계측 자료에 대해 대상 시설물에서의 W 방향과 N 방향의 각도 차이를 반영한 자료처리 과정을 여유 기간 동안 수행하여 일반적 절대 방위각에 따른 자료로 제시할 수 있다.

도 5는 본 발명에 따른 취약 방향 성분 추가 방식의 지진계측 센서와 취약 방향 성분 및 안정 방향 성분 추가 방식의 지진계측 센서를 설명하기 위한 도면이다.

도 4에서와 같이 기존 센서를 그대로 사용할 수도 있으나, 대개의 경우 시설물 관리자나 지진계측 자료 사용자는 다양한 자료의 실시간 확보를 편의적으로 도모코자 하며, 외부 자료와의 실시간 또는 준실시간 절대 비교 및 공유를 원하고 있다.

이와 같은 배경적 상황 하에서, 기존의 일반적인 지진계측 성분으로서의 N 방향, E 방향 및 Z 방향과 함께 대상 시설물의 가장 취약한 지진 거동을 실시간으로 동시에 파악하기 위한 W 방향의 자료를 실시간으로 확보하고자 하므로, 도 5에 도시된 바와 같이 W 방향 계측을 위한 일방향 지진계측 성분을 추가 설치하게 된다.

이처럼 취약 방향 성분이 추가된 지진계측 센서도 내부에 Z 방향, N 방향 및 E 방향 성분을 포함하므로 기존 센서처럼 센서의 덮개 상부에 N 성분 지시 방향의 표시가 포함되어야 한다.

또한, 도 5의 취약 및 안정 방향 성분 추가 부분과 같이 시설물의 구조적 상태 평가를 위한 복합 자료로서의 직관적 및 체계적 활용을 위해 W 방향 외에도 S 방향 지진계측을 위한 성분 또한 더불어 추가 설치할 수 있다.

다만, 기존 센서의 N 방향, E 방향 및 Z 방향 이 외의 추가 설치되는 W 방향 및 S 방향의 요소는 수평 평면 영역에서 최대 90° 범위 내에서 정밀하게 각도 조정이 가능해야 한다.

이 각도 조정은 설치 대상 시설물의 N 방향과 W 방향이 센서 제작 전에 파악된 경우, 각 방향 성분 상부에 표현되는 진동방향 표시 화살표를 시설물의 실제 W 방향이나 S 방향과의 평행 일치시킴으로써 제작 과정 또는 센서의 유지보수 과정에서 미리 반영할 수 있다. 아울러, Z 방향 성분을 제외한 N 방향 및 E 방향 성분의 상부에도 진동방향 화살표를 추가 적용하여 각 방향 성분 간의 상대적 각도 차이 파악을 위한 직관적인 지시자(indicator)로 이용할 수 있다.

W 방향이나 S 방향 성분의 방위 각도 조정 이후에는 반드시 추가 성분을 센서 내에 고정해야 하는데, 이 고정은 제작이나 보수 과정에서는 센서 덮개를 열고서 용이하게 진행할 수 있다. 그러나 대상 시설물에 대해서 N 방향과 W 방향을 파악하여 주문하는 방식이 아닐 수 있으며, 여러 가능 방향 조건들에 대해 적용할 수 있는 범용 지진계측 센서의 경우, 대상 시설물 내 또는 주변의 계측 위치에서 N 방향을 파악하고 더불어 W 방향을 결정하게 되므로 센서 외부에서 W 방향이나 S 방향의 각도 조정이 가능해야 한다.

이런 목적의 범용 지진계측 센서에 대해서는 도 5의 센서 외부 취약 방향 성분 회전 고정 부분에 묘사된 센서 바닥의 취약 방향 성분 연장 부분을 역시 최대 90° 범위 내에서 회전시킬 수 있도록 허용할 수 있다. 이 회전 기능은 추가 취약(W) 방향 성분(또는 추가 안정(S) 방향 성분)의 진동 방향 표시를 양각(emboss)의 도출 형태(protruding configuration)로 구성하여 이를 회전 손잡이(knob)이자 지시자(indicator)로 사용하게 된다. 더불어 센서 바닥 부분의 추가 성분 이 외의 영역에는 센서 덮개 상부와 같이 N 성분 지시 방향 표시를 포함시켜서 N 방향과 W 방향 간의 각도를 직접적이고 정량적으로 파악할 수 있도록 한다. 센서의 W 방향 성분을 대상 시설물 W 방향과 평행하게 일치시킨 이후에는 도 5의 센서 외부 취약 방향 성분 회전 고정 부분 및 센서 내 취약 방향 성분 고정 부분에 묘사된 센서 외부 바닥에 위치한 탑재형 나사를 통해 추가 성분이 더 이상 각도 변화가 생기지 않도록 고정하게 된다.

시설물 지진대책으로서의 지진계측은 센서 및 기록계 등의 현장 설치와 관리자의 실내 감시(inspection)로 이루어 질 수 있다. 위에서 제시된 시설물 구조적 취약 방향에 대한 지진계측 센서 구성이 이루어 지면, 기존에 일반적으로 이루어지던 센서 계측 성분들의 단순 나열식 감시 화면(관리자가 감시 효율성 저하)이 아닌 보다 간단하고 직관적이며 효율적인 화면 구성이 가능하다.

시설물에 대한 지진대책의 가장 기본적이면서 대표되는 방법은 미리 정해놓은 특정한 수준의 가속도 값을 초과하는 가속도가 계측되면 이 상황을 이벤트(event)로 보고 시설물에 대한 긴급 점검을 수행하는 것이다. 이러한 이벤트는 지진에 의해 발생할 수도 있고 대상 시설물에 심각한 외적인 영향이 있을 경우에도 발생할 수 있다.

도 6의 (a)에 도시된 화면은 이벤트가 발생하지 않은 평상시의 지진감시 화면 구성인데, 취약(W) 방향 성분에 대한 감시만을 외적으로 표출하고 그 외 성분들의 표출은 내부적으로만 진행하게 된다.

실제 지진이나 외부 공격 같은 충격 및 횡방향 하중이 작용하게 되면 일반적으로 시설물의 구조적 취약 방향에서 가장 민감하게 반응한다. 한 성분에 해당되는 화면의 한 성분 행의 경우 첫 번째로 표출한 성분을 표시하는 창(a-1)이 있고 그 다음 두 번째로는 현재 시간에서의 가속도(또는 속도)의 절대값을 표현하는 세로 막대를 표시하는 창(a-2)이 있는데 막대의 상단부는 큰 무게가 느껴지는 다각형(원, 사각형, 오각형, 폭발형 등)을 적용하여 관리자의 직관적 효과를 극대화하게 된다. 여기에서 실제 시설물 점검을 위한 의사 결정 이벤트 기준 가속도값을 지시선(a-3)으로 처리하여 관리자의 직관적인 상황 파악이 가능하도록 할 수 있다. 세 번째로는 시간 변화에 따른 가속도의 실제 계측 자료를 시계열(time-series)로 표출하는 계측 가속도 이력 표시 창(a-4)이 있으며, 표출 상자 내에는 양(positive)과 음(negative)의 이벤트 기준 가속도 값에 대한 표시선을 추가하여 역시 관리자의 직관적 상황 파악을 돕도록 한다. W 방향 성분에 대한 지진계측 정보 표출 부분을 제외하고는 평상 시에 화면의 나머지 아래 부분(a-5)에서는 기준 가속도 값에 도달하지 않아 이벤트가 발생하지 않은 평상시에 관리자가 다른 일반적 시설물 관련 업무 및 작업을 가능토록 제공하는 잉여 영역이다.

도 6에 제시한 화면은 지진계측 센서 한 개 적용에 대한 표출 구성이므로 센서가 여러 개인 경우에는 이를 분할 또는 병합하여 재구성할 수 있다.

지진과 같은 이벤트가 발생하여 정해진 가속도(또는 속도) 수준보다 큰 가속도가 계측되면 화면에 보이지 않고 숨겨진 상태였던 안정(S), 남북(N), 동서(E) 및 연직(Z) 방향 성분들의 지진계측 정보들이 도 6의 (b)의 화면으로 묘사된 바와 같이 화면에 평상 시에 표출되고 있던 취약(W) 방향 성분 하단에 펼쳐지면서 표출된다. 안정(S) 방향 성분과 관련된 2 개의 행 부분들은 기존 3 성분 센서에 취약(W) 방향 뿐만 아니라 안정(S) 방향 성분도 추가 설치된 경우에 표출 가능한 것으로서, S 성분 표출 행(b-2)은 W 성분 표출 행(b-1)과 같은 구성이다.

그러나 그 아래의 W/S ratio 표출 행(b-3)은 성분 표시창이나 실시간 절대 가속도 값 표출 막대 표시창 대신 그냥 단순하게 이 행의 의미를 제시하는 표시창과 두 번째 항목으로 실시간으로 계측된 W 성분의 가속도 절대값 대 S 성분 가속도 절대값의 비율을 시계열에서 표출하게 되는데, 이 행의 시계열에서는 다른 시계열과는 달리 W/S ratio가 1인 값에 대한 비교 파악을 위해 값이 1인 선을 함께 가시화한다.

이벤트 상황에서 펼쳐진 그 아래의 N 방향, E 방향 및 Z 방향의 경우 기존 3 성분 센서에 취약(W) 방향의 센서만이 추가 설치된 센서나 안정(S) 방향 성분도 함께 추가 설치된 센서 모두에서 공통으로 표출되는 지진계측 성분 정보 확인 행 부분이다. 이 세 성분(N, S 및 Z 방향)의 행(b-4)에서의 첫 번째부터 세 번째까지의 구성은 위의 W 및 S 방향의 정보 확인 행과 동일하다. 이와 같은 감시 화면 구성은 시설물 감시자에게 효율적인 업무 수행과 지진 감시가 가능토록 할 수 있다.

이상과 같이 도면과 명세서에서 최적 실시 예가 개시되었다. 여기서 특정한 용어들이 사용되었으나, 이는 단지 본 발명을 설명하기 위한 목적에서 사용된 것이지 의미 한정이나 특허청구범위에 기재된 본 발명의 범위를 제한하기 위하여 사용된 것은 아니다. 그러므로 본 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시 예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의해 정해져야 할 것이다.

10 : 지진계측 센서 50 : 감시 장치
60 : 통신부 70 : 분석부
80 : 표시부

Claims (18)

1. 시설물에 설치되는 지진계측 센서로서,
   남북 방향 진동 신호를 감지하는 남북 성분 진동 측정 장치; 및
   동서 방향 진동 신호를 감지하는 동서 성분 진동 측정 장치; 를 포함하며,
   상기 남북 성분 진동 측정 장치와 동서 성분 진동 측정 장치 중 하나의 진동 신호 감지 방향을 해당 시설물의 지진 취약 방향과 일치시켜 설치하고, 지진 취약 방향으로 설정된 진동 측정 장치에서 출력되는 계측 자료를 해당 시설물의 지진 취약 방향 자료로 제공하며,
   상기 지진 취약 방향은, 비정형 평면 형상을 갖는 시설물에 대하여 시설물의 평면 영역에서의 장축 방향과 이에 직교하는 방향을 설정해 두 축의 교점이 시설물 평면 형상의 면적 중심에 해당되는 도심이 되면, 이 도심을 중심으로 직각 좌표계를 회전시켜 시설물 평면 형상의 면적과 동일한 등가 타원을 결정하고, 등가 타원을 이루는 단축 방향을 지진 취약 방향으로 설정하는 것을 특징으로 하는 지진계측 센서.
   
2. 제 1항에 있어서,
   상기 지진계측 센서의 덮개 외면에서 지진 취약 방향으로 설정된 진동 측정 장치의 지시 방향을 지진 취약 방향과 일치시키는 것을 특징으로 하는 지진계측 센서.
   
3. 삭제
4. 제 1항 또는 제 2항에 있어서,
   상기 지진계측 센서는 연직 방향 진동 신호를 감지하는 연직 성분 진동 측정 장치를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 지진계측 센서.
   
5. 시설물에 설치되는 지진계측 센서로서,
   남북 방향 진동 신호를 감지하는 남북 성분 진동 측정 장치;
   동서 방향 진동 신호를 감지하는 동서 성분 진동 측정 장치; 및
   지진 취약 방향 진동 신호를 감지하는 지진 취약 성분 진동 측정 장치; 를 포함하며,
   지진 취약 성분 진동 측정 장치에서 출력되는 계측 자료를 해당 시설물의 지진 취약 방향 자료로 제공하며,
   상기 지진 취약 방향은, 비정형 평면 형상을 갖는 시설물에 대하여 시설물의 평면 영역에서의 장축 방향과 이에 직교하는 방향을 설정해 두 축의 교점이 시설물 평면 형상의 면적 중심에 해당되는 도심이 되면, 이 도심을 중심으로 직각 좌표계를 회전시켜 시설물 평면 형상의 면적과 동일한 등가 타원을 결정하고, 등가 타원을 이루는 단축 방향을 지진 취약 방향으로 설정하는 것을 특징으로 하는 지진계측 센서.
   
6. 제 5항에 있어서,
   상기 지진 취약 방향 진동 측정 장치는 방향 조정 후 나사로 고정되는 것을 특징으로 하는 지진계측 센서.
   
7. 삭제
8. 제 5항에 있어서,
   시설물에서 횡방향 진동 하중에 대한 안정 방향인 지진 안정 방향 진동 신호를 감지하는 지진 안정 성분 진동 측정 장치; 를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 지진계측 센서.
   
9. 제 8항에 있어서,
   상기 지진 취약 방향 진동 측정 장치는 방향 조정 후 나사로 고정되는 것을 특징으로 하는 지진계측 센서.
   
10. 제 8항에 있어서,
    시설물에서 횡방향 진동 하중에 대한 안정 방향인 상기 지진 안정 방향은, 비정형 평면 형상을 갖는 시설물에 대하여 시설물의 평면 영역에서의 장축 방향과 이에 직교하는 방향을 설정해 두 축의 교점이 시설물 평면 형상의 면적 중심에 해당되는 도심이 되면, 이 도심을 중심으로 직각 좌표계를 회전시켜 시설물 평면 형상의 면적과 동일한 등가 타원을 결정하고, 등가 타원을 이루는 장축 방향을 지진 안정 방향으로 설정하는 것을 특징으로 하는 지진계측 센서.
    
11. 제 5항, 제 6항, 그리고 제 8항 내지 제 10항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 지진계측 센서는 연직 방향 진동 신호를 감지하는 연직 성분 진동 측정 장치를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 지진계측 센서.
    
12. 시설물의 지진 취약 방향 진동 계측자료를 포함하는 진동 계측자료를 전송하는 지진계측 센서; 및
    상기 지진계측 센서로부터의 진동 계측자료를 분석하여 지진 발생 여부를 감시하는 감시 장치; 를 포함하고,
    상기 감시 장치는,
    상기 진동 계측자료를 수신하는 통신부;
    상기 통신부에서 수신된 진동 계측자료를 분석하는 분석부; 및
    상기 분석부에서 분석된 결과를 표시하는 표시부; 를 포함하며,
    상기 표시부에는 지진 취약 방향에 대한 분석 결과가 별도로 표시되며,
    상기 지진계측 센서에서 지진 취약 방향 진동 계측자료는 지진계측 센서 내에서 지진 취약 방향 진동 신호를 감지하는 지진 취약 성분 진동 측정 장치로부터 생성되고, 상기 지진 취약 방향은 비정형 평면 형상을 갖는 시설물에 대하여 시설물의 평면 영역에서의 장축 방향과 이에 직교하는 방향을 설정해 두 축의 교점이 시설물 평면 형상의 면적 중심에 해당되는 도심이 되면, 이 도심을 중심으로 직각 좌표계를 회전시켜 시설물 평면 형상의 면적과 동일한 등가 타원을 결정하고, 등가 타원을 이루는 단축 방향을 지진 취약 방향으로 설정하는 것을 특징으로 지진 감시 시스템.
    
13. 삭제
14. 제 12항에 있어서,
    상기 지진계측 센서에서 전송하는 진동 계측자료는 시설물에서 횡방향 진동 하중에 대한 안정 방향인 지진 안정 방향 진동 계측자료를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 지진 감시 시스템.
    
15. 제 14항에 있어서,
    상기 지진 안정 방향 진동 계측자료는 지진계측 센서 내에서 시설물에서 횡방향 진동 하중에 대한 안정 방향인 지진 안정 방향 진동 신호를 감지하는 지진 안정 성분 진동 측정 장치로부터 생성되는 것을 특징으로 하는 지진 감시 시스템.
    
16. 제 14항 또는 제15항에 있어서,
    상기 표시부에는 시설물에서 횡방향 진동 하중에 대한 안정 방향인 지진 안정 방향에 대한 분석 결과와 지진 취약 및 지진 안정 방향에 대한 비교 결과가 더 표시되는 것을 특징으로 하는 지진 감시 시스템.
    
17. 제 12항에 있어서,
    상기 지진 취약 방향 진동 계측자료는 지진계측 센서 내에서 남북 성분 진동 측정 장치와 동서 성분 진동 측정 장치 중 해당 시설물의 지진 취약 방향과 일치된 진동 측정 장치를 지진 취약 성분 진동 측정 장치로 설정하여 생성되는 것을 특징으로 하는 지진 감시 시스템.
    
18. 제 17항에 있어서,
    상기 분석부는 지진 취약 방향과 일치된 진동 측정 장치로부터 전송된 지진 취약 방향 진동 계측자료에 대하여 원래의 절대 방위각 자료로 재처리하는 것을 특징으로 하는 지진 감시 시스템.
    

Images