KR101653116B1 - 임팩트 해머 테스트를 통한 구조물의 변형률 추정 시스템, 전역적 및 국부적 안전성 평가 시스템 및 그 평가방법 - Google Patents

임팩트 해머 테스트를 통한 구조물의 변형률 추정 시스템, 전역적 및 국부적 안전성 평가 시스템 및 그 평가방법 Download PDF

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황진우
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Abstract

본 발명은 임팩트 해머 테스트를 통한 구조물의 변형률 추정 시스템, 전역적 및 국부적 안전성 평가 시스템 및 그 평가방법에 관한 것으로, 종래의 모델 업데이팅을 통한 건축 구조물의 안전성 평가 방법의 한계를 극복하기 위해 구조물의 전역적 안전성뿐만 아니라 모든 부재의 변형률, 응력 등의 예측을 통해 부재 단위의 국부적 안전성까지 평가할 수 있는 구조물의 전역적 및 국부적 안전성 평가 시스템 및 그 방법을 제공한다.

Description

임팩트 해머 테스트를 통한 구조물의 변형률 추정 시스템, 전역적 및 국부적 안전성 평가 시스템 및 그 평가방법{STRAIN ESTIMATION SYSTEM, GLOBAL AND LOCAL SAFETY EVALUATION SYSTEM, AND METHOD FOR STRUCTURE THROUGH IMPACT HAMMER TEST}
본 발명은 구조물 건전도 모니터링 기술에 관한 것으로, 보다 상세하게는 임팩트 해머 가력 테스트에서 얻은 진동, 변형률 계측값을 이용한 유한요소 해석 모델의 업데이팅을 통하여 구조물의 전역적 및 국부적 안전성을 평가할 수 있는 시스템 및 방법에 관한 것이다.
건축 구조물은 시공 후 풍하중, 지진하중, 사용하중 등의 여러 가지 외력에 노출되며 초기 설계시 고려하지 않았던 큰 하중이 작용하거나, 시간이 경과됨에 따라 재료의 노후화 등으로 구조물의 성능이 저하되면 건물의 안전성에 문제가 발생하게 된다.
이에 따라 구조물의 사용기간 동안 안전성을 평가하기 위해 구조 건전도 모니터링(Structural Health Monitoring)이 활발히 진행되어 왔다. 기존의 여러 가지 구조 건전도 모니터링 방법 중 구조물의 전역적 응답인 동적 특성(모달 파라미터)의 식별에 기반한 유한요소 해석 모델 업데이팅을 통해서 구조물의 안전성을 평가할 수 있는 방법이 있으나, 이 방법은 구조물의 동적 특성 식별을 통한 구조 시스템 레벨의 전역적인 안전성 평가와 손상된 부재의 위치 파악 등은 가능하지만 구조 부재의 안전성 평가에 있어서 가장 중요한 변형률, 응력 등의 국부 응답 예측은 부정확하므로 구조 부재 단위의 국부적 안전성 평가하는 한계를 보인다.
따라서 기존의 모델 업데이팅을 통한 건축 구조물의 안전성 평가 방법에서 더 나아가 구조물의 전역적 안전성뿐만 아니라 모든 부재의 변형률, 응력 등을 예측하여 부재 단위의 국부적 안전성까지 평가할 수 있는 안전성 평가 시스템 및 방법이 필요한 실정이다.
대한민국 공개특허공보 제10-2008-0082769호(공개일자: 2008년09월12일) 대한민국 공개특허공보 제10-2008-0021300호(공개일자: 2008년03월07일)
본 발명에 따른 임팩트 해머 테스트를 통한 구조물의 변형률 추정 시스템, 전역적 및 국부적 안전성 평가 시스템 및 그 평가방법은 다음과 같은 해결과제를 가진다.
첫째, 본 발명은 종래의 모델 업데이팅을 통한 건축 구조물의 안전성 평가 방법의 한계를 극복할 수 있는 시스템 및 방법을 제공하고자 함이다.
둘째, 본 발명은 일부 부재에서 계측한 변형률을 추가로 이용해서 모든 구조 물의 변형률 및 응력의 추정 또는 예측을 통해 구조물의 전역적 및 국부적 안전성을 평가할 수 있는 시스템 및 방법을 제공하고자 함이다.
본 발명의 해결과제는 이상에서 언급한 것들에 한정되지 않으며, 언급되지 아니한 다른 해결과제들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
상술한 과제를 해결하고자 하는 본 발명의 제1 특징은 임팩트 해머 테스트를 통한 구조물의 변형률 추정 시스템에 관한 것으로, 구조물에 설치되어 구조물의 가속도와 응력 또는 변형률을 측정하는 다수개의 센서; 구조물의 임의의 위치에 충격을 가하는 임팩트 해머 테스트 장치; 상기 센서 및 임팩트 해머 테스트 장치로부터 데이터를 수집하는 데이터 수집장치; 및 상기 임팩트 해머 테스트 장치 및 센서를 통한 구조물의 응답 특성을 획득하고, 구조물의 유한요소 해석 모델을 생성하고, 모달 파라미터와 일부 부재 위치에서 계측한 변형률 값을 이용하여 상기 유한요소 해석 모델을 업데이트하여 구조물의 변형률을 추정하는 변형률 추정장치를 포함한다.
여기서, 상기 센서는, 구조물의 강재 골조에 분산하여 설치되는 것으로, 가속도계 및 변형률 센서를 포함하는 것이 바람직하고, 상기 가속도계는, 구조물의 보와 기둥이 만나는 접합부 위치에 설치되는 것이 바람직하다.
또한, 상기 변형률 추정장치는, 임팩트 해머 테스트 장치에 의해 구조물에 가력하고 상기 센서로부터 수집된 구조물의 응답 특성을 획득하는 임팩트 해머 응답부; 구조물의 유한요소 해석 모델을 생성하는 모델 생성부; 및 구조물 및 생성된 상기 유한요소 해석모델 간의 모달 파라미터와 일부 부재 위치에서 계측한 변형률 값을 이용하여 상기 구조물의 유한요소 해석 모델을 업데이트 하여 구조물 전체의 변형률을 추정하는 변형률 추정부를 포함하는 것이 바람직하다.
또한, 상기 임팩트 해머 응답부는, 임팩트 해머 테스트 장치가 구조물을 가력한 경우, 상기 센서로부터 수집된 데이터를 통해 구조물에 작용한 가력값과 가속도 값을 이용하여 주파수 응답 함수(FRF)를 산출하고 구조물의 동적 특성값을 추출하는 것이 바람직하고, 상기 구조물의 동적 특성값은, 주파수 응답 함수(FRF)를 통하여 추출되는 구조물의 고유주파수 및 모드형상인 것이 바람직하다.
더하여, 상기 모델 생성부는, 구조물의 접합부의 회전 강성값, 강재의 탄성계수, 모드 차수 만큼의 감쇠비를 변수로 하여 유한요소 해석 모델을 생성하는 것이 바람직하고, 변형률 추정부는, 구조물 및 생성된 상기 유한요소 해석모델 간의 모달 파라미터와, 센서로부터 측정된 변형률의 최대값과 동일 위치의 유한요소 해석모델의 변형률 최대값의 오차를 최소화하는 최적화 기법을 이용하여 최적의 변수를 탐색하고, 탐색된 변수를 통해 상기 유한요소 해석 모델을 업데이트 하는 것이 바람직하다.
또한, 변형률 추정부는, 시간 이력의 가력 값과 그 위치값을 상기 유한요소 해석 모델에 입력하여 해석 모델의 다자유도 운동방정식 계산을 통해 구조물의 최대 변형률을 계산하는 것이 바람직하다.
그리고, 본 발명의 제2 특징은 임팩트 해머 테스트를 통한 구조물의 전역적 및 국부적 안전성 평가 시스템에 관한 것으로, 구조물에 설치되어 구조물의 가속도와 응력 또는 변형률을 측정하는 다수개의 센서; 구조물의 임의의 위치에 충격을 가하는 임팩트 해머 테스트 장치; 상기 센서 및 임팩트 해머 테스트 장치로부터 데이터를 수집하는 데이터 수집장치; 및 상기 임팩트 해머 테스트 장치 및 센서를 통한 구조물의 응답 특성을 획득하고, 구조물의 유한요소 해석 모델을 생성하고, 구조물 및 생성된 유한요소 해석 모델의 제1 모달 파라미터와 일부 부재 위치에서 계측한 변형률 값을 이용하여 상기 유한요소 해석 모델을 업데이트 하여 구조물의 변형률을 추정하는 변형률 추정장치; 및 임팩트 해머 테스트 장치의 추가적인 충격에 의해 획득한 데이터로부터 제2 모달 파라미터를 산출하고, 상기 제1 모달 파라미터 및 제2 모달 파라미터를 비교하여 구조물의 전역적 안전성을 평가하고 추가적인 충격에 의해 획득한 시간이력의 힘 값과 힘의 위치를 업데이트된 해석 모델에 입력하여 모든 부재의 최대 변형률과 응력을 추정하여 부재 단위의 국부적 안전성도 평가하는 안전성 평가부를 포함한다.
여기서, 상기 변형률 추정장치는, 임팩트 해머 테스트 장치에 의해 구조물에 가력하고 상기 센서로부터 수집된 구조물의 응답 특성을 획득하는 임팩트 해머 응답부; 구조물의 유한요소 해석 모델을 생성하는 모델 생성부; 및 구조물 및 생성된 상기 유한요소 해석모델 간의 제1 모달 파라미터와 일부 부재 위치에서 계측한 변형률 값을 이용하여 상기 구조물의 유한요소 해석 모델을 업데이트 하여 구조물의 변형률을 추정하는 변형률 추정부를 포함하는 것이 바람직하다.
또한, 상기 임팩트 해머 응답부는, 임팩트 해머 테스트 장치가 구조물을 가력한 경우, 상기 센서로부터 수집된 데이터를 통해 구조물에 작용한 가력값과 가속도 값을 이용하여 주파수 응답 함수(FRF)를 산출하고 구조물의 동적 특성값을 추출하는 것이 바람직하고, 상기 구조물의 동적 특성값은, 주파수 응답 함수(FRF)를 통하여 추출되는 구조물의 고유주파수 및 모드형상인 것이 바람직하다.
더하여, 상기 모델 생성부는, 구조물의 접합부의 회전 강성값, 강재의 탄성계수, 모드 차수 만큼의 감쇠비를 변수로 하여 유한요소 해석 모델을 생성하는 것이 바람직하고, 변형률 추정부는, 구조물 및 생성된 상기 유한요소 해석모델 간의 제1 모달 파라미터와, 센서로부터 측정된 변형률의 최대값과 동일 위치의 유한요소 해석모델의 변형률 최대값의 오차를 최소화하는 최적화 기법을 이용하여 최적의 변수를 탐색하고, 탐색된 변수를 통해 상기 유한요소 해석 모델을 업데이트 하는 것이 바람직하다.
그리고, 본 발명의 제3 특징은 임팩트 해머 테스트를 통한 강재 골조의 전역적 및 국부적 안전성 평가방법으로, 상술한 구조물의 전역적 및 국부적 안전성 평가 시스템을 이용하여, (a) 임팩트 해머 응답부가 구조물에 설치된 센서와 임팩트 해머 가력을 이용하여 전역적 및 국부적 응답을 획득하는 단계; (b) 모델 생성부가 구조물의 유한요소 해석 모델을 생성하는 단계; (c) 변형률 추정부가 제1 모달 파라미터와 일부 부재 위치에서 계측한 변형률 값을 이용하여 구조물의 유한요소 해석 모델을 업데이팅 하는 단계; 및 (d) 안전성 평가부가 추가적인 임팩트 해머 가력을 통한 구조물의 전역적 및 국부적 안전성을 평가하는 단계를 포함한다.
본 발명에 따른 임팩트 해머 테스트를 통한 구조물의 변형률 추정 시스템, 전역적 및 국부적 안전성 평가 시스템 및 그 평가방법은 다음과 같은 효과를 가진다.
첫째, 본 발명은 임팩트 해머 필드 테스트를 이용하여 종래의 안전성 평가 기법과 달리 모든 구조 부재의 변형률 예측 또는 추정이 가능한 시스템을 제공한다.
둘째, 본 발명은 구조물 시스템 레벨의 전역적인 안전성 평가와 구조 부재 단위의 국부적 안전성 평가 동시에 가능한 시스템 및 방법을 제공한다.
셋째, 본 발명은 일부 부재에서 계측한 변형률 계측값과 가속도 계측값 만으로 유한요소 해석 모델의 업데이팅을 실시하여 전체 구조물의 안전성 평가를 수행하므로, 추가적인 임팩 해머 테스트의 가력 위치와 힘의 크기 정보만 유한요소 해석 모델에 입력하면 모든 부재의 변형률과 응력을 예측하여 국부 안전성을 평가하기 위한 부재에 직접적인 변형률 계측 없이 모든 부재의 국부 안전성을 평가할 수 있는 시스템 및 방법을 제공한다.
본 발명의 효과는 이상에서 언급한 것들에 한정되지 않으며, 언급되지 아니한 다른 효과들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 임팩트 해머 테스트를 통한 구조물의 변형률 추정 시스템 및 이를 이용한 전역적 및 국부적 안정성 평가 시스템의 모식도이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 임팩트 해머 테스트를 통한 구조물의 변형률 추정 시스템 및 이를 이용한 전역적 및 국부적 안정성 평가 시스템 블록 구성을 나타낸 도면이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 임팩트 해머 테스트를 통한 구조물의 전역적 및 국부적 안전성 평가방법의 흐름을 나타낸 도면이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 적용되는 임팩트 해머 테스트에 의해 나타나는 주파수 응답 함수(FRF)의 그래프이다.
도 5는 업데이트된 모델에 임의의 정적인 하중 입력했을 때 전체 부재의 응력도 나타낸 도면이다.
본 발명의 추가적인 목적들, 특징들 및 장점들은 다음의 상세한 설명 및 첨부도면으로부터 보다 명료하게 이해될 수 있다.
본 발명의 상세한 설명에 앞서, 본 발명은 다양한 변경을 도모할 수 있고, 여러 가지 실시 예를 가질 수 있는바, 아래에서 설명되고 도면에 도시된 예시들은 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어" 있다거나 "접속되어" 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결되어" 있다거나 "직접 접속되어" 있다고 언급된 때에는, 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다.
본 명세서에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시 예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도는 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 명세서에서, "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.
또한, 명세서에 기재된 "...부", "...유닛", "...모듈" 등의 용어는 적어도 하나의 기능이나 동작을 처리하는 단위를 의미할 수 있다.
또한, 첨부 도면을 참조하여 설명함에 있어, 도면 부호에 관계없이 동일한 구성 요소는 동일한 참조부호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다. 본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다.
이하에서 본 발명의 바람직한 실시예를 도면을 참조하여 상세히 설명하기로 한다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 임팩트 해머 테스트를 통한 구조물의 변형률 추정 시스템 및 이를 이용한 전역적 및 국부적 안정성 평가 시스템의 모식도이고, 도 2는 이의 블록 구성을 나타낸 도면이고, 도 3은 본 발명의 실시예에 따른 임팩트 해머 테스트를 통한 강재 골조의 전역적 및 국부적 안전성 평가방법의 흐름을 나타낸 도면이다.
도 1에 나타낸 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 구조물의 변형률 추정 시스템(300)은, 구조물에 설치되어 구조물의 가속도, 응력 또는 변형률을 측정하는 다수개의 센서(200); 구조물의 임의의 위치에 충격을 가하는 임팩트 해머 테스트 장치(100); 상기 센서(200) 및 임팩트 해머 테스트 장치(100)로부터 데이터를 수집하는 데이터 수집장치(250); 및 상기 임팩트 해머 테스트 장치(100) 및 센서(200)를 통한 구조물의 응답 특성을 획득하고, 구조물의 유한요소 해석 모델을 생성하고, 모달 파라미터와 일부 부재에서 계측한 변형률을 이용하여 상기 유한요소 해석 모델을 업데이트하여 구조물의 변형률을 추정하는 변형률 추정장치(310)를 포함하여 구성된다.
여기서, 상기 변형률 추정장치(310)는, 도 2에 나타낸 바와 같이, 임팩트 해머 테스트 장치(100)에 의해 구조물에 가력하고 상기 센서(200)로부터 수집된 구조물의 응답 특성을 획득하는 임팩트 해머 응답부(311); 구조물의 유한요소 해석 모델을 생성하는 모델 생성부(313); 및 구조물 및 생성된 상기 유한요소 해석모델 간의 모달 파라미터와 변형률의 오차가 최소화 되도록 상기 구조물의 유한요소 해석 모델을 업데이트 하여 구조물 전체의 변형률을 추정하는 변형율 추정부(315)를 포함하여 구성되는 것이 바람직하다.
이와 같이 본 발명의 실시예는 유한요소 해석 모델의 업데이팅을 통한 구조물의 변형률 추정 시스템(300), 안전성 평가 시스템(400) 및 방법을 제안한다. 여기서, 전역적 안전성 평가는 구조물 전체의 동적 특성, 최대 층간 변위 등 시스템 레벨의 안전성을 평가하는 개념이고 국부적 안전성 평가는 부재의 축응력, 전단응력, 휨응력과 같은 부재 단위의 안전성을 평가하는 개념이다.
보다 구체적으로, 본 발명의 실시예는 도 1 내지 도 3에 나타낸 바와 같이, 임팩트 해머 응답부(311)가 구조물에 설치된 센서(200)와 임팩트 해머 가력을 이용하여 전역적 및 국부적 응답을 획득하고((a) 단계), 모델 생성부(313)가 회전 강성값, 강재의 탄성계수 및 감쇠비 등을 바탕으로 구조물의 유한요소 해석 모델을 생성하고((b) 단계), 변형율 추정부(315)가 구조물 및 생성된 유한요소 해석 모델간의 제1 모달 파라미터와 일부 부재에서 계측한 변형률의 오차가 최소화하도록 구조물의 유한요소 해석 모델을 업데이팅 하고((c) 단계), 안전성 평가부(350)가 추가적인 임팩트 해머 가력을 통한 제2 모달 파라미터와 상기 제1 모달 파라미터의 비교, 구조물 전체의 변형률 또는 응력 예측을 통한 구조물의 전역적 및 국부적 안전성을 평가하는 시스템 및 방법을 제공한다.
여기서 임팩트 해머 테스트(Impact Hammer Test) 장치는, 구조물 등의 대상체에 충격을 가하고, 대상체에서 발생하는 진동의 주파수 응답을 통해 구조물의 건전성을 모니터링하는 비파괴적인 장치를 말한다. 도 1에 나타낸 바와 같이, 본 발명이 실시예에 적용되는 임팩트 해머 테스트 장치(100)는 구조물의 임의의 위치에 충격을 가하고, 충격으로 발생하는 대상체의 진동 주파수 신호를 데이터 수집장치(250)(data logger)에 의해 수집하고, 수집된 데이터는 변형률 추정장치(310)로 전송되는 구성을 가진다.
그리고, 본 발명의 실시예에서 적용되는 구조물의 변형률을 측정하는 센서(200)는 가속도계 및 변형률 센서(200)를 포함하는 것이 바람직하다. 이는 구조물에 임팩트 해머에 의해 충격을 가했을 때, 구조물의 모달 파라미터를 식별하기 위해 가속도계가 필요하고, 이와 같은 가력에 의해 나타나는 구조물의 일부 부재의 응력 또는 변형률을 측정하기 위해 변형률 센서(200)가 필요하기 때문이다. 여기서, 가속도계는 효율적이고 정확하게 구조물의 모달 파라미터를 식별하기 위해 구조물의 보와 기둥이 만나는 접합부 위치에 설치되는 것이 바람직하다.
그리고 본 발명의 또 다른 실시예로서, 구조물의 전역적 및 국부적 안전성 평가 시스템(400)은, 구조물에 설치되어 구조물의 가속도, 응력 또는 변형률을 측정하는 다수개의 센서(200); 구조물의 임의의 위치에 충격을 가하는 임팩트 해머 테스트 장치(100); 상기 센서(200) 및 임팩트 해머 테스트 장치(100)로부터 데이터를 수집하는 데이터 수집장치(250); 상기 임팩트 해머 테스트 장치(100) 및 센서(200)를 통한 구조물의 응답 특성을 획득하고, 구조물의 유한요소 해석 모델을 생성하고, 구조물 및 생성된 유한요소 해석 모델의 제1 모달 파라미터와 일부 부재에서 계측한 변형률의 오차가 최소화도록 상기 유한요소 해석 모델을 업데이트 하여 구조물의 전체의 변형률을 추정하는 변형률 추정장치(310); 및 임팩트 해머 테스트 장치(100)의 추가적인 충격에 의해 획득한 데이터로부터 제2 모달 파라미터를 산출하고, 상기 제1 모달 파라미터 및 제2 모달 파라미터를 비교 및 구조물 전체의 변형률 및 응력의 예측을 통해 구조물의 안전성을 평가하는 안전성 평가부(350)를 포함하여 구성된다.
이와 같은, 구조물의 전역적 및 국부적 안전성 평가 시스템(400)은, 변형률 추정장치(310)를 이용하고, 안전성 평가부(350)가 추가적인 임팩트 해머의 충격을 통해 제2 모달 파라미터를 산출하고 구조물 전체의 응력 및 변형률을 예측하여 제1 모달 파라미터와 제2 모달 파라미터의 비교와 예측된 구조물의 응력 및 변형률을 통하여 구조물의 전역적 및 국부적 안전성을 평가하는 시스템을 구성하게 된다.
여기서, 변형률 추정 시스템(300) 및 안전성 평가 시스템(400)은 임팩트 해머 테스트 장치(100)와 데이터 수집장치(250)와 연결되어 구조물의 변형률 추정 및 안전성을 평가하기 위한 프로세스를 처리할 수 있는 컴퓨터, 노트북, 그 밖에 연산처리를 수행할 수 있는 컴퓨팅 장치로 구성되는 것이 바람직하다. 또한 임팩트 해머 테스트 장치(100)와의 연결은 유선으로 연결하는 것도 가능하고, 무선으로 연결하여 원거리에서 구조물의 안전성을 실시간으로 모니터링할 수 있음은 물론이다.
이하에서는 본 발명의 실시예에 따른 구조물의 변형률을 추정하여 안전성을 평가하는 시스템의 프로세스를 단계별로 도면을 참조하여 상세히 설명하기로 한다.
1. 임팩트 해머 가력을 통한 전역적/국부적 응답 획득
도 1 및 도 2에 나타낸 바와 같이, 구조물 또는 강재 골조의 일부 위치 또는 일부 부재에 최소 1개이 이상의 가속도계(가속도계1, 가속도계2)와 변형률 센서(200)(변형률계1, 변형률계2)를 설치하고, 도 1의 화살표 위치와 같은 임의의 위치에 임팩트 해머를 가력한다. 이 후 변형율 추정부(315)의 임팩트 해머 응답부(311)는 각 센서(200)에서 계측한 가속도, 변형률 계측값을 획득하고 임팩트 해머에서 구조물에 작용한 힘 값을 획득한다. 그리고 임팩트 해머 가력시 얻은 힘(입력신호)과 가속도 값(출력신호)을 이용하여 도 4의 예시한 바와 같이 주파수 응답 함수(frequency response function:FRF)을 구하여 구조물의 동적 특성인 고유주파수 및 모드형상을 추출한다. 도 4는 본 발명의 실시예에 적용되는 임팩트 해머 테스트에 의해 나타나는 주파수 응답 함수(FRF)의 그래프이다.
2. 구조물의 유한요소 해석 모델 생성
변형률 추정장치(310)의 모델 생성부(313)는, 도 1 및 도 2에 나타낸 바와 같이, 보와 기둥이 만나는 접합부 부분(k5, k6), 기둥과 지점이 만나는 부분(k1), 기둥과 접합부가 만나는 부분(k2, k3, k4)의 회전 강성값과 강재의 탄성계수, 고려하는 모드 차수 만큼의 감쇠비를 변수로 하는 유한요소 해석 모델을 구성한다.
3. 구조물의 유한요소 해석 모델 업데이팅
변현율 추정부가 모델 생성부(313)에서 생성한 유한요소 해석 모델에 도 1의 1번에서 계측한 가력 값을 실제 가력한 위치와 동일한 위치에 입력한다. 그리고 실제 구조물과 해석 모델 간의 모달 파라미터와, 실제 구조물의 일부 부재에서 계측한 변형률의 최대값과 해석 모델의 해당 위치에서의 변형률의 최대값 간의 오차가 최소화 되도록 다목적 최적화 기법인 유전 알고리즘인 NSGA-Ⅱ(Non-dominated Sorting Genetic Algorithm-II)를 이용하여 유한요소 해석 모델의 최적의 변수(회전 강성값, 강재의 탄성계수, 고려하는 모드 차수 만큼의 감쇠비)를 탐색한다.
모달 파라미터는 모달 해석(modal analysis)에 사용되는 파라미터로서, 모달 해석은 진동 문제를 고유 진동수, 고유 모드라는 수단으로 해석하는 것을 말하는 것이다. 즉 디지털 신호처리에 입각하여 구조물에 인위적인 진동력을 가하여(Impact Hammer Test) 그 응답을 동시에 측정함으로써 전달함수를 구하고, 이것을 구조물의 각 점에서 행하여 고유 진동수 및 고유 모드(이것을 모달 파라미터라고 한다.) 등을 최종적으로 계산하는 기법을 말한다.
여기서 모달 파라미터에 대한 오차 함수는 아래의 [수학식 1]과 같다. 모달 파라미터에 대한 오차 함수는 고려하는 모드 차수만큼 생성한다.
Figure 112015125184663-pat00001
여기서, fi me와 fi up은 각각 i번째 모드의 계측 고유주파수와 i 번째 모드의 유한요소 해석모델의 고유주파수이다. MAC는 실제 구조물과 유한요소 해석모델 간의 i 번째 모드의 모드 형상 유사도이고, n은 모델 업데이팅에서 고려하는 모드 차수이다. 또한 일부 부재에서 계측한 변형률에 대한 오차함수는 아래의 [수학식 2]와 같다.
Figure 112015125184663-pat00002
여기서
Figure 112015125184663-pat00003
와
Figure 112015125184663-pat00004
는 각각 계측한 최대 변형률과 모델에서 추출한 최대 변형률이다. m 은 계측한 변형률 개수이다.
변형율 추정부(315)에서 모델 업데이팅을 수행하기 위한 오차함수 계산을 위해 해(solution) 탐색과정에서 각 개체(하나의 해석 모델)에 대한 모드 해석과 위의 1번에 계측한 임팩트 가력에 대한 변형률 응답 계산이 이루어진다. 모드 해석은 유한요소 해석 모델의 모달 파라민터를 추출하기 위함으로, 변수들에 의해 만들어진 강성행렬에 의해 이루어진다. 감쇠 행렬은 레일리 댐핑(Rayleigh damping)으로 가정한다. 임팩트 가력(힘)에 대한 변형률 응답은 뉴마크 베타(Newmark beta) 방법을 사용하여 해석 모델의 다자유도 운동방정식을 풀어 산출된다. 계산을 통해 산출된 응답을 통해 시간 이력 변형률 값이 나오고 이 중 최대값을 이용하여 [수학식 2]를 계산한다.
변형율 추정부(315)는 유전 알고리즘인 NSGA-Ⅱ(Non-dominated Sorting Genetic Algorithm-II)를 이용하여 위 [수학식 1]과 [수학식 2]에서 설정한 n+m 개의 오차함수를 동시에 최소화하는 최적해 중 적합도가 가장 높은 것이 탐색된 하나의 최적해이며, 이 최적해가 갖는 변수(회전 강성값, 강재의 탄성계수, 고려하는 모드 차수 만큼 감쇠비 등)를 이용하여 모델 업데이팅을 실시한다.
4. 임팩트 해머 테스트를 통한 구조물의 전역적 및 국부적 안전성 평가
도 2에 나타낸 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 구조물의 전역적 및 국부적 안전성 평가 시스템(400)은, 건물의 사용기간 동안 추가적인 임팩트 해머 가력 테스트를 수행하여 상술한 1번 과정에서와 같이 주파수 응답 함수(FRF)을 통해, 제2 모달 파라미터를 추출한 후 이전에 산출된 제1 모달 파라미터와의 비교를 통해 구조물의 전역적 안전성을 평가한다.
또한 테스트를 통해 계측한 시간이력의 힘 값과 힘의 위치를 3번 과정을 통해 업데이트된 해석 모델에 입력하여 해석 모델의 다자유도 운동방적식 계산을 통해 모든 부재의 최대 변형률과 응력을 예측한다. 이를 통해 부재 단위의 국부적 안전성도 평가한다.
도 5는 업데이트된 모델에 임의의 정적인 하중 입력했을 때 전체 부재의 응력도를 나타낸 도면이다. 도 5에 나타낸 바와 같이, 구조물의 응력 또는 변형률의 예측이 잘 나타나고 있음을 알 수 있다.
이와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 임팩트 해머 테스트를 통한 변형률 추정 시스템(300), 구조물의 전역적 및 국부적 안전성 평가 시스템(400) 및 그 평가방법은 종래의 모델 업데이팅을 통한 건축 구조물의 안전성 평가 방법의 한계를 극복하기 위해 구조물의 전역적 안전성뿐만 아니라 모든 부재의 변형률, 응력 등의 예측을 통해 부재 단위의 국부적 안전성까지 평가할 수 있는 구조물 안전성 평가 시스템(400) 및 그 방법을 제공한다.
본 명세서에서 설명되는 실시 예와 첨부된 도면은 본 발명에 포함되는 기술적 사상의 일부를 예시적으로 설명하는 것에 불과하다. 따라서, 본 명세서에 개시된 실시예들은 본 발명의 기술적 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이므로, 이러한 실시 예에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아님은 자명하다. 본 발명의 명세서 및 도면에 포함된 기술적 사상의 범위 내에서 당업자가 용이하게 유추할 수 있는 변형 예와 구체적인 실시 예는 모두 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
100: 임팩트 해머 테스트 장치 200: 센서
300: 변형률 추정 시스템 311: 임팩트 해머 응답부
313: 모델 생성부 315: 변형률 추정부
350: 안전성 평가부 400: 안전성 평가 시스템

Claims (16)

  1. 구조물에 설치되어 구조물의 가속도와 응력 또는 변형률을 측정하는 다수개의 센서;
    구조물의 임의의 위치에 충격을 가하는 임팩트 해머 테스트 장치;
    상기 센서 및 임팩트 해머 테스트 장치로부터 데이터를 수집하는 데이터 수집장치; 및
    상기 임팩트 해머 테스트 장치 및 센서를 통한 구조물의 응답 특성을 획득하고, 구조물의 유한요소 해석 모델을 생성하고, 모달 파라미터와 일부 부재 위치에서 계측한 변형률 값을 이용하여 상기 유한요소 해석 모델을 업데이트하여 구조물의 변형률을 추정하는 변형률 추정장치를 포함하되,
    상기 변형률 추정장치는,
    임팩트 해머 테스트 장치에 의해 구조물에 가력하고 상기 센서로부터 수집된 구조물의 응답 특성을 획득하는 임팩트 해머 응답부;
    구조물의 유한요소 해석 모델을 생성하는 모델 생성부; 및
    구조물 및 생성된 상기 유한요소 해석모델 간의 모달 파라미터와 일부 부재 위치에서 계측한 변형률 값을 이용하여 상기 구조물의 유한요소 해석 모델을 업데이트 하여 구조물 전체의 변형률을 추정하는 변형률 추정부를 포함하는 것을 특징으로 하는 임팩트 해머 테스트를 통한 구조물의 변형률 추정 시스템.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 센서는,
    구조물의 강재 골조에 분산하여 설치되는 것으로, 가속도계 및 변형률 센서를 포함하는 것을 특징으로 하는 임팩트 해머 테스트를 통한 구조물의 변형률 추정 시스템.
  3. 청구항 2에 있어서,
    상기 가속도계는,
    구조물의 보와 기둥이 만나는 접합부 위치에 설치되는 것을 특징으로 하는 임팩트 해머 테스트를 통한 구조물의 변형률 추정 시스템.
  4. 삭제
  5. 청구항 1에 있어서,
    상기 임팩트 해머 응답부는,
    임팩트 해머 테스트 장치가 구조물을 가력한 경우, 상기 센서로부터 수집된 데이터를 통해 구조물에 작용한 가력값과 가속도 값을 이용하여 주파수 응답 함수(FRF)를 산출하고 구조물의 동적 특성값을 추출하는 것을 특징으로 하는 임팩트 해머 테스트를 통한 구조물의 변형률 추정 시스템.
  6. 청구항 5에 있어서,
    상기 구조물의 동적 특성값은,
    주파수 응답 함수(FRF)를 통하여 추출되는 구조물의 고유주파수 및 모드형상인 것을 특징으로 하는 임팩트 해머 테스트를 통한 구조물의 변형률 추정 시스템.
  7. 청구항 1에 있어서,
    상기 모델 생성부는,
    구조물의 접합부의 회전 강성값, 강재의 탄성계수, 모드 차수 만큼의 감쇠비를 변수로 하여 유한요소 해석 모델을 생성하는 것을 특징으로 하는 임팩트 해머 테스트를 통한 구조물의 변형률 추정 시스템.
  8. 청구항 1에 있어서,
    변형률 추정부는,
    구조물 및 생성된 상기 유한요소 해석모델 간의 모달 파라미터와, 센서로부터 측정된 변형률의 최대값과 동일 위치의 유한요소 해석모델의 변형률 최대값의 오차를 최소화하는 최적화 기법을 이용하여 최적의 변수를 탐색하고, 탐색된 변수를 통해 상기 유한요소 해석 모델을 업데이트 하는 것을 특징으로 하는 임팩트 해머 테스트를 통한 구조물의 변형률 추정 시스템.
  9. 청구항 1에 있어서,
    변형률 추정부는,
    시간 이력의 가력 값과 그 위치값을 상기 유한요소 해석 모델에 입력하여 해석 모델의 다자유도 운동방정식 계산을 통해 구조물의 최대 변형률을 계산하는 것을 특징으로 하는 임팩트 해머 테스트를 통한 구조물의 변형률 추정 시스템.
  10. 구조물에 설치되어 구조물의 가속도와 응력 또는 변형률을 측정하는 다수개의 센서;
    구조물의 임의의 위치에 충격을 가하는 임팩트 해머 테스트 장치;
    상기 센서 및 임팩트 해머 테스트 장치로부터 데이터를 수집하는 데이터 수집장치; 및
    상기 임팩트 해머 테스트 장치 및 센서를 통한 구조물의 응답 특성을 획득하고, 구조물의 유한요소 해석 모델을 생성하고, 구조물 및 생성된 유한요소 해석 모델의 제1 모달 파라미터와 일부 부재 위치에서 계측한 변형률 값을 이용하여 상기 유한요소 해석 모델을 업데이트 하여 구조물의 변형률을 추정하는 변형률 추정장치; 및
    임팩트 해머 테스트 장치의 추가적인 충격에 의해 획득한 데이터로부터 제2 모달 파라미터를 산출하고, 상기 제1 모달 파라미터 및 제2 모달 파라미터를 비교하여 구조물의 전역적 안전성을 평가하고 추가적인 충격에 의해 획득한 시간이력의 힘 값과 힘의 위치를 업데이트된 해석 모델에 입력하여 모든 부재의 최대 변형률과 응력을 추정하여 부재 단위의 국부적 안전성도 평가하는 안전성 평가부를 포함하는 것을 특징으로 하는 임팩트 해머 테스트를 통한 구조물의 전역적 및 국부적 안전성 평가 시스템.
  11. 청구항 10에 있어서,
    상기 변형률 추정장치는,
    임팩트 해머 테스트 장치에 의해 구조물에 가력하고 상기 센서로부터 수집된 구조물의 응답 특성을 획득하는 임팩트 해머 응답부;
    구조물의 유한요소 해석 모델을 생성하는 모델 생성부; 및
    구조물 및 생성된 상기 유한요소 해석모델 간의 제1 모달 파라미터와 일부 부재 위치에서 계측한 변형률 값을 이용하여 상기 구조물의 유한요소 해석 모델을 업데이트 하여 구조물의 변형률을 추정하는 변형률 추정부를 포함하는 것을 특징으로 하는 임팩트 해머 테스트를 통한 구조물의 전역적 및 국부적 안전성 평가 시스템.
  12. 청구항 11에 있어서,
    상기 임팩트 해머 응답부는,
    임팩트 해머 테스트 장치가 구조물을 가력한 경우, 상기 센서로부터 수집된 데이터를 통해 구조물에 작용한 가력값과 가속도 값을 이용하여 주파수 응답 함수(FRF)를 산출하고 구조물의 동적 특성값을 추출하는 것을 특징으로 하는 임팩트 해머 테스트를 통한 구조물의 전역적 및 국부적 안전성 평가 시스템.
  13. 청구항 12에 있어서,
    상기 구조물의 동적 특성값은,
    주파수 응답 함수(FRF)를 통하여 추출되는 구조물의 고유주파수 및 모드형상인 것을 특징으로 하는 임팩트 해머 테스트를 통한 구조물의 전역적 및 국부적 안전성 평가 시스템.
  14. 청구항 11에 있어서,
    상기 모델 생성부는,
    구조물의 접합부의 회전 강성값, 강재의 탄성계수, 모드 차수 만큼의 감쇠비를 변수로 하여 유한요소 해석 모델을 생성하는 것을 특징으로 하는 임팩트 해머 테스트를 통한 구조물의 전역적 및 국부적 안전성 평가 시스템.
  15. 청구항 11에 있어서,
    변형률 추정부는,
    구조물 및 생성된 상기 유한요소 해석모델 간의 제1 모달 파라미터와, 센서로부터 측정된 변형률의 최대값과 동일 위치의 유한요소 해석모델의 변형률 최대값의 오차를 최소화하는 최적화 기법을 이용하여 최적의 변수를 탐색하고, 탐색된 변수를 통해 상기 유한요소 해석 모델을 업데이트 하는 것을 특징으로 하는 임팩트 해머 테스트를 통한 구조물의 전역적 및 국부적 안전성 평가 시스템.
  16. 청구항 11의 구조물의 전역적 및 국부적 안전성 평가 시스템을 이용하여,
    (a) 임팩트 해머 응답부가 구조물에 설치된 센서와 임팩트 해머 가력을 이용하여 전역적 및 국부적 응답을 획득하는 단계;
    (b) 모델 생성부가 구조물의 유한요소 해석 모델을 생성하는 단계;
    (c) 변형률 추정부가 제1 모달 파라미터와 일부 부재 위치에서 계측한 변형률 값을 이용하여 구조물의 유한요소 해석 모델을 업데이팅 하는 단계; 및
    (d) 안전성 평가부가 추가적인 임팩트 해머 가력을 통한 구조물의 전역적 및 국부적 안전성을 평가하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 임팩트 해머 테스트를 통한 강재 골조의 전역적 및 국부적 안전성 평가방법.

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