KR101499016B1 - 가속도 및 변형률 측정값에 기반한 구조물의 중립축 추정을 통한 손상 감지 방법 - Google Patents

Abstract

가속도 및 변형률 측정값에 기반한 구조물의 손상 감지 방법이 개시된다. 본 발명의 일 실시예에 따른 가속도 및 변형률 측정값에 기반한 구조물의 손상 감지 방법은 구조물에 구조물의 길이 방향을 따라 복수개의 변형률계를 부착하여 구조물의 변형률을 측정하는 변형률 측정 단계, 상기 변형률 측정 단계에서 측정된 상기 변형률을 이용하여 상기 구조물의 변위를 산출하는 변형률 기반 변위 산출 단계, 상기 구조물의 특정 지점에 가속도계를 부착하여 상기 구조물의 가속도를 측정하는 가속도 측정 단계, 상기 가속도 측정 단계에서 측정된 상기 가속도를 이용하여 상기 구조물의 변위를 산출하는 가속도 기반 변위 산출 단계, 상기 변형률 기반 변위 산출 단계와 상기 가속도 기반 변위 산출 단계에서 산출된 각각의 변위를 주파수 영역으로 변환하고 1차 모드를 서로 비교하여 상기 구조물이 설치될 당시의 초기 중립축 위치를 산출하는 중립축 위치 산출 단계를 포함할 수 있다.

Description

가속도 및 변형률 측정값에 기반한 구조물의 중립축 추정을 통한 손상 감지 방법{Method of locating neutral axis for Detecting Damage of a Structure}

본 발명은 구조물의 손상을 감지하는 방법으로서, 보다 상세하게는 구조물의 가속도 및 변형률에 기반한 구조물의 중립축의 위치를 추정하여 구조물의 손상을 감지하는 가속도 및 변형률 측정값에 기반한 구조물의 손상 감지 방법에 관한 것이다.

토목 구조물 특히 교량의 경우, 차량하중이나 풍하중으로 인해 성능이 악화될 수 밖에 없다. 콘크리트 교량의 경우 내구성의 악화는 주로 콘크리트의 크랙으로 발생하며, 이러한 손상을 조기에 발견하는 것은 매우 중요한 일이다. 하지만, 육안검사로는 크랙을 찾기에 많은 시간과 인력이 소요되며, 또한 크랙의 정확한 깊이 및 그로인한 영향을 평가하기는 쉽지 않다. 크랙이 발생하면 구조물의 중립축의 위치가 변하게 된다. 중립축이란, 단면에서 변형률이 0이되는 위치를 의미한다. 일반적으로 교량의 상부는 압축을 하부는 인장을 받으므로 이를 찾기 위해서 현재는 굽힙을 받는 교량의 상-하면에 변형률계를 설치하여 변형률이 0이 되는 위치, 즉 중립축을 추정하였다. 하지만, 교량의 경우 상면에 차량주행으로 인해 변형률계의 설치가 어렵다는 단점이 있다. 이러한 단점을 극복하고자, 하면에 변형률계만 설치하되, 가속도계와 혼합하여 중립축을 추정하는 방식을 제안하였다. 방법의 기반이 되는 기술은 교량의 길이 방향으로 설치한 다수의 변형률 데이터로부터 변위를 추정하는 방식과, 교량에 설치된 가속도계를 통해 변위를 추정하는 방식이다. 변형률계로 추정된 변위는 실제교량의 변위와는 크기가 맞지 않으므로, 일정배율만큼을 곱해주어야 한다. 하지만 가속도계로 추정한 변위는 실제 동적인 변위를 매우 잘 묘사한다. 변형률로부터 추정된 변위를 실제 변위로 변환하기 위해서는 중립축정보를 알아야하며, 가속도계가 실제 동적변위를 나타낼 수 있다는 점에 착안하여, 본 발명에서는 변형률로부터 나온 변위를 가속도계로부터 나온 변위와 크기를 맞추어 주었으며, 여기에 필요한 변환계수가 바로 중립축 정보가 된다.

본 발명은 상기한 종래의 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 본 발명의 목적은 다음과 같다.

본 발명은 간단한 방법으로 신속하게 구조물의 손상 여부 및 손상 위치를 짐작할 수 있는 가속도 및 변형률 측정값에 기반한 구조물의 손상 감지 방법을 제공하고자 한다.

본 발명의 과제들은 이상에서 언급한 과제들로 제한되지 않으며, 언급되지 않는 또 다른 과제들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.

상기한 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 일 실시예에 따른 가속도 및 변형률 측정값에 기반한 구조물의 손상 감지 방법은 변형률 측정 단계, 변형률 기반 변위 산출 단계, 가속도 측정 단계, 가속도 기반 변위 산출 단계, 중립축 위치 산출 단계를 포함할 수 있다.

상기 변형률 측정 단계에서는 구조물의 길이 방향을 따라 서로 일정 간격 이격되도록 변형률계를 구조물에 부착하여 구조물의 변형률을 측정할 수 있다.

상기 변형률 기반 변위 측정 단계에서는 상기 변형률 측정 단계에서 측정된 상기 변형률을 이용하여 상기 구조물의 변위를 산출할 수 있다.

상기 가속도 측정 단계에서는 상기 구조물의 특정 지점에 가속도계를 부착하여 상기 구조물의 가속도를 측정할 수 있다.

상기 가속도 기반 변위 산출 단계에서는 상기 가속도 측정 단계에서 측정된 상기 가속도를 이용하여 상기 구조물의 변위를 산출할 수 있다.

상기 중립축 위치 추정 단계에서는 상기 변형률 기반 변위 산출 단계와 상기 가속도 기반 변위 산출 단계에서 산출된 각각의 변위를 주파수 영역으로 변환하고 1차 모드의 주파수 값을 서로 비교하여 중립축을 구할 수 있다.

상기 변형률 기반 변위는 상기 구조물의 길이와 상기 구조물의 중립축에 대한 함수 관계를 가지는 변환행렬과 변형률의 곱을 통해 산출될 수 있다.

상기 변환행렬은

일 수 있다.

상기 중립축(

)은

이며, SUacc,i(f1)은 상기 가속도 기반 변위의 1차 모드의 크기이며, SUstrain,i(f1)은 상기 변형률 기반 변위의 주파수 영역에서의 1차 모드 크기일 수 있다.

한편, 본 실시예의 가속도 및 변형률 측정값에 기반한 구조물의 손상 감지 방법은 주기적으로 상기 중립축의 위치를 산출하고 구조물이 설치될 당시의 중립축의 위치와 새로 산출된 중립축의 위치를 비교하여 구조물의 손상 여부를 판단하는 손상 여부 판단 단계를 더 포함할 수 있다.

상기 손상 여부 판단 단계에서는 새로 산출된 중립축의 위치가 이동 허용 범위 이내이며 구조물에 손상이 없는 것으로 판단하고, 새로 산출된 중립축의 위치가 이동 허용 범위 밖이면 구조물에 손상이 생긴 것으로 판단할 수 있다.

또한, 가속도 및 변형률 측정값에 기반한 구조물의 손상 감지 방법은 중립축의 위치를 변화를 통하여 손상 위치를 판단하는 손상 위치 판단 단계를 더 포함할 수 있다.

상기 손상 위치 판단 단계에서는 새로 산출된 상기 중립축이 상기 구조물이 설치될 당시의 초기 중립축보다 상부에 위치하면 상기 구조물의 하부에 손상이 생긴 것으로 판단할 수 있다.

그리고, 상기 손상 위치 판단 단계에서는 새로 산출된 상기 중립축이 상기 구조물이 설치될 당시의 초기 중립축보다 하부에 위치하면 상기 구조물의 상부에 손상이 생긴 것으로 판단할 수 있다.

상기와 같이 구성된 본 발명의 효과에 대하여 설명하면 다음과 같다.

첫째, 본 발명의 일 실시예에 따른 가속도 및 변형률 측정값에 기반한 구조물의 손상 감지 방법에 의하면 변형률계와 가속도계를 이용하여 중립축의 상대적인 위치를 구하고, 구조물이 설치될 당시의 초기 중립축의 위치와 새로 산출된 중립축의 위치를 비교하여 구조물의 손상 여부 및 손상 위치를 간단하고 신속하게 판단할 수 있다.

둘째, 본 발명의 일 실시예에 따른 가속도 및 변형률 측정값에 기반한 구조물의 손상 감지 방법에 의하면 구조물이 설치될 당시의 초기 중립축의 위치를 1로 가정하고, 이에 대비한 상대적인 중립축의 변위를 이용하여 구조물의 손상 여부 및 손상 위치를 판단하기 때문에 중립축이 불확실한 구조물에서도 구조물의 손상 여부 및 손상 위치를 쉽게 판단할 수 있다.

본 발명의 효과들은 이상에서 언급한 효과들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 효과들은 청구범위의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.

아래에서 설명하는 본 출원의 바람직한 실시예의 상세한 설명뿐만 아니라 위에서 설명한 요약은 첨부된 도면과 관련해서 읽을 때에 더 잘 이해될 수 있을 것이다. 본 발명을 예시하기 위한 목적으로 도면에는 바람직한 실시예들이 도시되어 있다. 그러나, 본 출원은 도시된 정확한 배치와 수단에 한정되는 것이 아님을 이해해야 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 가속도 및 변형률 측정값에 기반한 구조물의 손상 감지 방법에 따라 구조물의 중립축의 위치를 구하기 위하여 구조물에 변형률계 및 가속도계를 부착한 모습을 도시한 도면;
도 2는 구조물이 설치될 당시의 초기 중립축의 위치를 나타내는 도면;
도 3은 구조물의 하부에 손상이 생겨 중립축이 상부로 이동한 모습을 나타내는 도면; 및
도 4는 구조물의 상부에 손상이 생겨 중립축이 하부로 이동한 모습을 나타내는 도면이다.

이하 본 발명의 실시예에 대하여 첨부한 도면을 참조하여 상세하게 설명하기로 한다. 다만, 첨부된 도면은 본 발명의 내용을 보다 쉽게 개시하기 위하여 설명되는 것일 뿐, 본 발명의 범위가 첨부된 도면의 범위로 한정되는 것이 아님은 이 기술분야의 통상의 지식을 가진 자라면 용이하게 알 수 있을 것이다.

그리고, 본 발명의 실시예를 설명함에 있어서, 동일 기능을 갖는 구성요소에 대해서는 동일 명칭 및 동일부호를 사용할 뿐 실질적으론 종래기술의 구성요소와 완전히 동일하지 않음을 미리 밝힌다.

또한, 본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.

본 발명의 일 실시예에 따른 가속도 및 변형률 측정값에 기반한 구조물의 손상 감지 방법은 변형률 측정 단계, 변형률 기반 변위 산출 단계, 가속도 측정 단계, 가속도 기반 변위 산출 단계, 중립축 위치 산출 단계를 포함할 수 있다.

이하, 본 실시예에서는 구조물(100)이 교량인 것을 예로 들어 설명하기로 한다. 그리고, 교량은 단순보(Simple Beam)라고 가정한다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 가속도 및 변형률 측정값에 기반한 구조물의 손상 감지 방법에 따라 구조물의 중립축의 위치를 구하기 위하여 구조물에 변형률계 및 가속도계를 부착한 모습을 도시한 도면이다.

도 1에 도시된 바와 같이, 변형률 측정 단계에서는 변형률계(Strain Gauge: 200)를 구조물(100)에 부착하여 구조물(100)의 변형률을 측정할 수 있다. 여기서, 변형률계(200)는 구조물(100)의 길이방향을 따라 복수개가 구비될 수 있으며, 상호 인접한 변형률계(200)는 서로 이격되도록 배치될 수 있다. 여기서, 변형률계(200)는 적어도 세 개 이상 구비될 수 있다.

변형률 기반 변위 산출 단계에서는 변형률 측정 단계에서 측정된 변형률을 이용하여 구조물(100)의 변위를 산출할 수 있다. 변형률 기반 변위는 다음의 수학식 1과 같이 변형률은 변위로 변환하는 변환행렬과 변형률의 곱을 통하여 구할 수 있다.

여기서, 변환행렬 [D]는 다음의 수학식 2와 같다.

변형률을 변위로 변환하는 수학식 2의 변환행렬은 구조물(100)의 길이(L)와 구조물(100)의 중립축(110)의 위치(y_c)에 대한 함수관계를 가질 수 있다.

가속도 측정 단계에서는 도 1에 도시된 바와 같이 구조물(100)의 특정 지점에 가속도계(300)를 부착하여 구조물(100)의 가속도를 측정할 수 있다.

가속도 기반 변위 산출 단계에서는 다음의 수학식 3과 같이 가속도 측정 단계에서 측정된 가속도를 두 번 적분하여 가속도계(300)가 부착된 지점의 구조물(100)의 동적 변위를 산출할 수 있다.

그리고, 변형률 기반 변위 산출 단계와 가속도 기반 변위 산출 단계에서 산출된 각각의 변위를 주파수 영역으로 변환하면 서로 유사한 모드 형상이 나타날 수 있다. 따라서, 중립축 산출 단계에서는 각각의 변위를 주파수 영역으로 변환하고 각각의 동적 변위의 저차 모드인 1차 모드의 크기를 비교하여 중립축(y_c) 을 구할 수 있다.

상기 수학식 4에서, S_Uacc,i(f₁)은 주파수 영역상에서, 가속도로부터 구한 변위의 첫번째 모드의 크기를 의미하며, S_Ustrain,i(f₁)은 스트레인으로부터 구한 변위의 주파수 영역에서의 첫번째 모드 크기를 의미한다.

상기와 같은 방법을 이용하여 주기적으로 구조물(100)의 중립축(110)의 위치를 산출할 수 있다.

도 2는 구조물이 설치될 당시의 초기 중립축의 위치를 나타내는 도면이다.

도 2의 중립축(110)은 구조물(110)에 가해지는 수직응력이 0이 되는 점을 연결한 선이다.

그리고, 본 실시예의 가속도 및 변형률 측정값에 기반한 구조물의 손상 감지 방법은 구조물(100)이 설치될 당시의 중립축(110)의 위치(y=1)와 새로 산출된 중립축(110)의 위치를 비교하여 구조물(100)의 손상(120) 여부를 판단하는 손상 여부 판단 단계를 더 포함할 수 있다.

손상 여부 판단 단계에서는 중립축(110)의 위치가 이동 허용 범위 이내이면 구조물(100)에 손상(120)이 없는 것으로 판단하고, 중립축(110)의 위치가 이동 허용 범위 밖이면 구조물(100)에 손상(120)이 있는 것으로 판단할 수 있다.

예를 들어, 초기 중립축(110)의 위치를 y=1이고, 이동 허용 범위가

이라 가정하면, 새로 산출된 중립축(110)의 위치가 1.05이면 구조물(100)에 손상(120)이 없는 것으로 판단하고, 새로 산출된 중립축(110)의 위치가 0.8이면 구조`물에 손상(120)이 있는 것으로 판단할 수 있다.

한편, 중립축(110)의 상부는 압축 응력을 받고, 중립축(110)의 하부는 인장 응력을 받는다.

따라서, 중립축(110)이 상부로 이동하였다는 것은 구조물(100) 하부가 받는 인장응력이 커졌다는 것을 의미하고, 중립축(110)이 하부로 이동하였다는 것은 구조물(100) 상부가 받는 압축응력이 커졌다는 것을 의미할 수 있다.

즉, 중립축(110)이 상부로 이동하였다는 것은 구조물(100)의 하부에 손상(120)이 생겼다는 의미일 수 있으며, 중립축(110)이 하부로 이동하였다는 것은 구조물(100)의 상부에 손상(120)이 생겼다는 의미일 수 있다.

이에 기반하여, 본 실시예의 가속도 및 변형률 측정값에 기반한 구조물의 손상 감지 방법은 손상 위치 판단 단계를 더 포함할 수 있다.

도 3은 구조물의 하부에 손상이 생겨 중립축이 상부로 이동한 모습을 나타내는 도면이고, 도 4는 구조물의 상부에 손상이 생겨 중립축이 하부로 이동한 모습을 나타내는 도면이다.

손상 위치 판단 단계에서는, 도 3에 도시된 바와 같이, 새로 산출된 중립축(110)의 위치가 구조물(100)이 설치될 당시의 초기 중립축(110)의 위치보다 상부에 위치하면 구조물(100)의 하부에 손상(120)이 생긴 것으로 판단할 수 있다.

또한, 손상 위치 판단 단계에서는, 도 4에 도시된 바와 같이, 새로 산출된 중립축(110)의 위치가 구조물(100)이 설치될 당시의 초기 중립축(110)의 위치보다 하부에 위치하면 구조물(100)의 상부에 손상(120)이 생긴 것으로 판단할 수 있다.

예를 들면, 도 3에 도시된 바와 같이, 초기 중립축(110)의 위치를 y=1로 가정하고, 이동 허용 범위를

이라 가정하면, 새로 산출된 중립축(110)의 위치가 1.3이면 이동 허용 범위를 벗어나므로 손상(120)이 생긴 것으로 판단하며, 새로 산출된 중립축(110)의 위치가 초기 중립축(110)의 위치인 1보다 크므로 중립축(110)이 상부로 이동한 것으로 간주하고 구조물(100)의 하부에 손상(120)이 생긴 것으로 판단할 수 있다.

또한, 도 4에 도시된 바와 같이, 새로 산출된 중립축(110)의 위치가 0.8이면 이동 허용 범위를 벗어나므로 손상(120)이 생긴 것으로 판단하며, 새로 산출된 중립축(110)의 위치가 초기 중립축(110)의 위치인 1보다 작으므로 중립축(110)이 하부로 이동한 것으로 간주하고 구조물(100)의 상부에 손상(120)이 생기 것으로 판단할 수 있다.

이로써, 본 발명의 일 실시예에 따른 가속도 및 변형률 측정값에 기반한 구조물의 손상 감지 방법에 의하면 구조물(100)의 손상(120) 여부 및 손상(120) 위치를 신속하게 판단할 수 있다.

또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 가속도 및 변형률 측정값에 기반한 구조물의 손상 감지 방법에 의하면 구조물(100)이 설치될 당시의 초기 중립축(110)의 위치를 알 수 있고, 이에 대비한 상대적인 중립축(110)의 위치를 이용하여 구조물(100)의 손상(120) 여부 및 손상(120) 위치를 판단하기 때문에 중립축(110)이 불확실한 구조물(100)에서도 구조물(100)의 손상(120) 여부 및 손상(120) 위치를 쉽게 판단할 수 있다.

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.

100: 구조물
110: 중립축
120: 손상
200: 변형률계
300: 가속도계

Claims (6)

1. 구조물에 구조물의 길이 방향을 따라 복수개의 변형률계를 부착하여 구조물의 변형률을 측정하는 변형률 측정 단계;
   상기 변형률 측정 단계에서 측정된 상기 변형률을 이용하여 상기 구조물의 변위를 산출하는 변형률 기반 변위 산출 단계;
   상기 구조물의 특정 지점에 가속도계를 부착하여 상기 구조물의 가속도를 측정하는 가속도 측정 단계;
   상기 가속도 측정 단계에서 측정된 상기 가속도를 이용하여 상기 구조물의 변위를 산출하는 가속도 기반 변위 산출 단계;
   상기 변형률 기반 변위 산출 단계와 상기 가속도 기반 변위 산출 단계에서 산출된 각각의 변위를 주파수 영역으로 변환하고 각각의 1차 모드를 서로 비교하여 상기 구조물이 설치될 당시의 초기 중립축 위치를 산출하는 중립축 위치 산출 단계;
   를 포함하며,
   주기적으로 상기 중립축의 위치를 산출하고 구조물이 설치될 당시의 중립축의 위치와 새로 산출된 중립축의 위치를 비교하여
   새로 산출된 중립축의 위치가 이동 허용 범위 이내이면 구조물에 손상이 없는 것으로 판단하고,
   새로 산출된 중립축의 위치가 이동 허용 범위 밖이면 구조물에 손상이 생긴 것으로 판단하는 손상 여부 판단 단계를 더 포함하는 가속도 및 변형률 측정값에 기반한 구조물의 손상 감지 방법.
2. 제 1항에 있어서,
   상기 변형률 기반 변위는,
   상기 구조물의 길이와 상기 구조물의 중립축에 대한 함수 관계를 가지는 변환행렬과 변형률의 곱을 통해 산출되는 가속도 및 변형률 측정값에 기반한 구조물의 손상 감지 방법.
3. 제 2항에 있어서,
   상기 변환행렬은,
   

   

   인 가속도 및 변형률 측정값에 기반한 구조물의 손상 감지 방법.
4. 제 1항에 있어서,
   상기 중립축(

   

   )은

   

   이며,
   SUacc,i(f1)은 상기 가속도 기반 변위의 1차 모드의 크기이며, SUstrain,i(f1)은 상기 변형률 기반 변위의 주파수 영역에서의 1차 모드 크기인 가속도 및 변형률 측정값에 기반한 구조물의 손상 감지 방법.
5. 삭제
6. 제 1항에 있어서,
   새로 산출된 상기 중립축이 상기 구조물이 설치될 당시의 초기 중립축보다 상부에 위치하면 상기 구조물의 하부에 손상이 생긴 것으로 판단하고,
   새로 산출된 상기 중립축이 상기 구조물이 설치될 당시의 초기 중립축보다 하부에 위치하면 상기 구조물의 상부에 손상이 생긴 것으로 판단하는 손상 위치 판단 단게를 더 포함하는 가속도 및 변형률 측정값에 기반한 구조물의 손상 감지 방법.

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