KR101709407B1 - 구조성능 평가를 위한 무선계측시스템 - Google Patents

구조성능 평가를 위한 무선계측시스템 Download PDF

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은희창
이민수
안영준
이승국
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강원대학교산학협력단
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Abstract

본 발명은 구조물에 외력이 작용할 때 구조물로부터 발생되는 데이터를 측정하여 구조물의 구조성능을 평가하기 위한 구조성능 평가를 위한 무선계측시스템에 관한 것으로서, 특히 구조물 상에서 이동하는 이동대차와; 상기 이동대차에 설치되고, 구조물에 자극을 가하여 응답신호를 발생시키는 가력부와; 상기 이동대차에 설치되고, 상기 가력부의 자극에 의한 구조물의 응답신호를 측정하여 데이터를 형성하는 계측부와; 상기 계측부에서 측정한 데이터를 수집하는 데이터 수집부와; 수집된 데이터를 저장하고 분석하는 데이터 분석부와; 상기 이동대차, 가력부, 계측부, 데이터 수집부 및 데이터 분석부를 제어하는 제어부;로 구성되어, 사용 및 조작의 편의성을 높일 수 있을 뿐만 아니라 가속도계와 마이크로폰에 의해 동시에 계측하기 때문에 데이터의 신뢰성을 향상시킬 수 있는 효과가 있다.

Description

구조성능 평가를 위한 무선계측시스템{Wireless Measuring System for Structural Performance Evaluation}
본 발명은 구조성능 평가를 위한 무선계측시스템에 관한 것으로서, 특히 구조물에서 발생되는 응답 측정 및 손상추정 등을 두 개의 계측센서에 의해 자동으로 실시하여 편의성 및 신뢰성을 향상시킬 수 있는 구조성능 평가를 위한 무선계측시스템에 관한 것이다.
슬래브, 보, 교량, 철도레일 등과 같은 구조물에 결함이 있는지를 알기 위해서 각 구조물의 내부를 적절한 도구를 사용하여 일일이 직접 시각적으로 확인하는 것이 가장 확실하겠지만, 현실적으로 그러하지 못하기 때문에 각 구조물을 절단하거나 훼손하지 않은 원형 그대로의 상태에서 구조물에 결함이 존재하는지, 결함이 존재한다면 구조물의 어느 곳에 결함이 존재하는지를 비파괴검사를 통해 조사하는 것이 중요하다.
특히 최근에는 땅이 갑자기 지하로 꺼져버리는 현상, 즉 싱크홀 현상의 발생 빈도가 증가하여 사회적으로 큰 문제가 발생되고 있는데, 이렇게 구조적으로 성능이 저하된 영역을 탐지하고 추정하는 기술이 필요하다.
이러한 이유 때문에 최근 들어 비파괴 검사를 통해 구조물의 내구성능을 파악하고 보수 및 보강을 하는 구조물 유지 관리분야가 건설시장의 한 분야로 성장하고 있다.
비파괴 검사란 구조물 내부의 기공(氣孔)이나 균열 등의 결함, 용접부의 내부 결함 등을 제품의 형상이나 기능을 변화시킴이 없이 외부에서 검사하는 방법으로 여러 가지 방법들이 종래에 제시되어 왔다.
그러나, 아직까지는 조작이 편리하고 충분히 만족할 만한 신뢰성 있는 데이터를 제공하는 기술이 제시되고 있지 않다.
출원번호:10-2008-0042516 (등록번호:10-0955783 발명의 명칭:응력파를 이용한 콘크리트 구조물의 비파괴검사 방법)
본 발명은 상기한 종래기술의 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 구조물에 대한 가력(加力)과 이로 인해 발생되는 응답 측정 및 손상추정 등을 자동으로 실시하여 사용 및 조작의 편의성을 높일 수 있고, 데이터의 신뢰성을 향상시킬 수 있는 구조성능 평가를 위한 무선계측시스템을 제공하는데 그 목적이 있다.
상기한 과제를 해결하기 위한 본 발명에 의한 구조성능 평가를 위한 무선계측시스템은 구조물에 외력이 작용할 때 구조물로부터 발생되는 데이터를 측정하여 구조물의 구조성능을 평가하기 위한 것으로서; 구조물 상에서 이동하는 이동대차와; 상기 이동대차에 설치되고, 구조물에 자극을 가하여 응답신호를 발생시키는 가력부와; 상기 이동대차에 설치되고, 상기 가력부의 자극에 의한 구조물의 응답신호를 측정하여 데이터를 형성하는 계측부와; 상기 계측부에서 측정한 데이터를 수집하는 데이터 수집부와; 수집된 데이터를 저장하고 분석하는 데이터 분석부와; 상기 이동대차, 가력부, 계측부, 데이터 수집부 및 데이터 분석부를 제어하는 제어부;로 구성된다.
여기서, 상기 가력부는 상기 이동대차에 회동가능하게 설치되어 구조물에 충격을 가하고, 일측에 레버가 설치된 임팩트 해머와; 상기 이동대차에 설치되고, 상기 제어부에 의해 작동되는 구동모터와; 상기 구동모터의 모터축에 설치되어 회전하고, 외주면에 상기 임팩트 해머의 레버를 들어 올렸다가 낙하시키는 쐐기단턱이 형성된 회전원판;으로 구성된다.
그리고, 상기 계측부는 상기 구조물의 가속도 응답을 측정하는 가속도계와; 상기 구조물로부터 발생되는 음압(音壓)을 측정하는 마이크로폰과: 상기 이동대차의 이동거리를 측정하는 거리측정기;를 포함하여 구성된다.
또한, 상기 제어부는 상기 이동대차, 가력부, 계측부, 데이터 수집부 및 데이터 분석부와 무선통신망으로 연결된 스마트폰이다.
상기와 같이 구성되는 본 발명의 구조성능 평가를 위한 무선계측시스템은 구조물에 외력을 가하는 작업과 이로부터 발생되는 데이터 측정 및 손상추정 등을 자동으로 할 수 있어서 사용 및 조작의 편의성을 높일 수 있을 뿐만 아니라 가속도계와 마이크로폰에 의해 동시에 계측하기 때문에 데이터의 신뢰성을 향상시킬 수 있는 이점이 있다.
또한, 스마트폰으로 자동으로 구동함으로써 계측이 용이하고, 교량이나 철도레일 및 도로 등 넓은 공간이나 장경간의 부재에서도 쉽게 활용이 가능한 이점이 있다.
도 1은 본 발명에 의한 구조성능 평가를 위한 무선계측시스템.
도 2는 본 발명에 의한 구조성능 평가를 위한 무선계측시스템을 옆에서 본 도.
도 3은 본 발명에 의한 구조성능 평가를 위한 무선계측시스템의 가력부와 계측부를 보인 도.
도 4a 내지 도 4b는 본 발명에 의한 구조성능 평가를 위한 무선계측시스템의 임팩트 해머가 움직이는 모습을 보인 도.
도 5는 본 발명에 의한 구조성능 평가를 위한 무선계측시스템을 시험하기 위한 시험장치를 보인 도.
도 6은 본 발명에 의한 구조성능 평가를 위한 무선계측시스템을 도 5에 도시된 시험장치에 사용하였을 때의 데이터값을 보인 그래프.
도 7은 본 발명에 의한 구조성능 평가를 위한 무선계측시스템을 시험하기 위한 다른 시험장치를 보인 도.
도 8은 본 발명에 의한 구조성능 평가를 위한 무선계측시스템을 도 6에 도시된 시험장치에 사용하였을 때의 데이터값을 보인 그래프.
이하, 본 발명에 의한 구조성능 평가를 위한 무선계측시스템의 실시 예를 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명한다.
도 1은 본 발명에 의한 구조성능 평가를 위한 무선계측시스템이고, 도 2는 본 발명에 의한 구조성능 평가를 위한 무선계측시스템을 옆에서 본 도이며, 도 3은 본 발명에 의한 구조성능 평가를 위한 무선계측시스템의 가력부와 계측부를 보인 도이다.
그리고, 도 4a 내지 도 4b는 본 발명에 의한 구조성능 평가를 위한 무선계측시스템의 임팩트 해머가 움직이는 모습을 보인 도이다.
본 발명에 의한 구조성능 평가를 위한 무선계측시스템은 슬래브, 보, 교량, 철도레일과 같은 구조물로부터 발생되는 데이터를 측정하여 구조물의 구조성능을 평가하기 위한 것임과 아울러, 특히 최근에 사회적으로 큰 문제가 되고 있는 싱크홀 등과 같은 구조적으로 성능이 저하된 영역을 탐지하는데 사용하기 위한 것이다.
이러한 본 발명의 구조성능 평가를 위한 무선계측시스템은 이동대차(10)와, 상기 이동대차(10)의 후방 부분에 설치되는 가력부(20)와, 상기 이동대차(10)에 설치되어 상기 가력부(20) 주위에 배치되는 계측부(30)와, 상기 이동대차(10)의 상면 부분에 설치되는 데이터 수집부(40)와, 상기 이동대차(10)의 상측에 설치되어 상기 데이터 수집부(40) 옆에 위치되는 데이터 분석부(50)와, 상기 이동대차(10)와 가력부(20)와 계측부(30)와 데이터 수집부(40) 및 데이터 분석부(50)를 제어하는 제어부(60)를 포함하여 구성된다.
상기 이동대차(10)는 상기 제어부(60)의 무선 조작 신호에 의하여 작동되는 것으로서, 이동대차(10)가 구조물 위를 이동하며 주기적으로 정지하여 가력하고 이 하중에 의하여 구조물에서 응답신호가 발생하게 된다. 이렇게 구조물에서 발생되는 응답신호를 상기 계측부(30)가 측정한다.
만약, 구조물에서 좀 더 확실한 응답신호가 발생되도록 하는 것이 필요하다면 본 발명과 같이 구조물에 자극을 가하여 응답신호를 발생시키는 가력부(20)를 이용한다.
상기 가력부(20)는 상기 구조물에 자극을 가하여 구조물에서 응답신호가 발생되도록 하는 것으로서, 임팩트 해머(21)와, 구동모터(22)와, 회전원판(23)으로 구성된다.
상기 임팩트 해머(21)는 일단이 핀 결합에 의하여 상기 이동대차(10)의 후방측에 회동가능하게 설치되고, 일측에 레버(21a)가 설치된다. 그리고, 임팩트 해머(21)의 타단은 임팩트 해머(21)가 핀을 중심으로 회동될 때 일정 간격으로 구조물에 단타로 충격을 가한다.
상기 구동모터(22)는 상기 이동대차(10)에 후방측에 설치되고, 상기 제어부(60)의 조작신호에 의하여 작동된다.
상기 회전원판(23)은 상기 구동모터(22)의 모터축에 설치되어 모터축이 회전할 때 함께 회전한다. 이러한 회전원판(23)은 외주면에 쐐기단턱(23a)이 형성된다.
상기 쐐기단턱(23a)은 회전원판(23)의 회전에 의해 상기 임팩트 해머(21)의 레버(21a)를 들어 올렸다가 낙하시킨다. 즉, 임팩트 해머(21)의 레버(21a)는 회전원판(23)이 회전할 때 회전원판(23)의 외주면을 따라 움직이고 연이어 쐐기단턱(23a)을 따라 움직이다가 쐐기단턱(23a)의 끝부분에서 이탈된다. 이때 구조물 위에 위치되어 있던 임팩트 해머(21)의 타단이 하측으로 회동하면서 구조물을 타격하게 된다.
이렇게 구조물에 자극을 주게 되면 구조물에서 자극에 의한 응답신호가 발생하게 된다. 이 응답신호를 측정하여 분석함으로써 구조물의 구조성능을 추정하게 된다.
상기와 같이 상기 가력부(20)의 자극에 의한 구조물의 응답신호를 측정하여 데이터를 형성하는 것이 계측부(30)이다.
이러한 계측부(30)는 가속도계(31)와, 마이크로폰(32) 및 거리측정기(33)로 구성된다.
상기 가속도계(31)는 상기 데이터 분석부(50)와 전기적으로 연결되어 있고, 상기 구조물의 가속도 응답을 측정한다. 이러한 가속도계(31)는 이동대차에 연결된 별도의 트레일러(31a)에 설치하여 이동대차(10)와 함께 움직일 수 있도록 하였다.
상기 마이크로폰(32)은 상기 데이터 분석부(50)와 전기적으로 연결되어 있고, 상기 구조물로부터 발생되는 음압(音壓)을 측정한다.
이동대차(10)가 구조물 위에서 일정거리 이동한 후 정지를 하고, 이 정지상태에서 구동모터(22)가 작동하여 임팩트 해머(21)가 구조물에 타격을 가하면, 구조물로부터 여러 가지 응답이 발생하게 되고, 이 응답 중에서 구조물의 가속도 응답을 상기 가속도계(31)가 측정을 하고, 동시에 구조물로부터 발생되는 음압을 마이크로폰(32)이 측정하게 된다. 이렇게 가속도계(31)와 마이크로폰(32)에 의하여 측정된 데이터는 상기 데이터 수집부(40)로 전송된다.
상기 거리측정기(33)는 상기 이동대차(10)의 거리를 측정한다. 이동대차가 한 지점에서 구조물에 타격을 가한 후 구조물의 응답에 대한 데이터 측정이 완료되면다음 위치로 이동을 하여야 하는데, 이것이 상기 거리측정기(33)에 의해서 이루어진다. 예를 들면, 3m 간격으로 계측을 실시하라고 제어부(60)가 명령을 하면 한 위치에서 계측 완료 후 3m 이동을 하고, 이후 다시 정차한 후 다음 계측이 이루어지는 과정이 반복된다. 이러한 거리측정기(33)는 경첩(H)에 의하여 폴딩가능하도록 구성된다.
상기 데이터 수집부(40)는 상기 이동대차(10)에 설치되고, 상기 계측부(30)와 전기적으로 연결되어 있어서 상기 계측부(30)에서 측정한 데이터를 수집한다.
상기 데이터 분석부(50)는 상기 이동대차(10)에 설치되고, 상기 데이터 수집부(40)와 전기적으로 연결되어 데이터 수집부(40)에서 수집된 데이터를 저장하고 분석한다. 데이터를 분석한 후에는 데이터 분석부(50)에 구비된 디스플레이창을 통하여 그래프와 표 등으로 그 값을 출력한다.
상기 제어부(60)는 상기 이동대차(10), 가력부(20), 계측부(30), 데이터 수집부(40) 및 데이터 분석부(50)를 제어한다. 이러한 제어부(60)는 상기 이동대차(10), 가력부(20), 계측부(30), 데이터 수집부(40) 및 데이터 분석부(50)와 무선통신망으로 연결된 스마트폰으로 이루어진다. 따라서, 제어부(60)는 상기한 구성요소들을 원거리에서 원격으로 조종할 수 있다.
상기와 같이 구성된 본 발명에 의한 구조성능 평가를 위한 무선계측시스템을 통하여 구조물의 결함을 측정할 때 구조물 내에 결함이 없다면 측정된 데이터들이 연속적으로 나타나지만, 결함이 있다면 그 영역에서 응답이 급격하게 변화하여 불연속적인 데이터값이 나타나게 되고, 불연속적인 데이터값이 나타나는 지점에 결함이 있음을 추정할 수 있다. 즉 손상추정을 할 수 있다.
이러한 손상추정을 검증하기 위하여 본 발명에 의한 무선계측시스템을 사용하기 전에 도 5에 시험장치에서 2.74kg의 이동대차를 이동시켜 이동하중에 따른 가속도계의 계측에 의한 손상추정을 확인하였다.
도 5는 본 발명에 의한 구조성능 평가를 위한 무선계측시스템을 시험하기 위한 시험장치를 보인 도이고, 도 6은 본 발명에 의한 구조성능 평가를 위한 무선계측시스템을 도 5에 도시된 시험장치에 사용하였을 때의 데이터값을 보인 그래프이다.
도 5는 길이가 1,200mm이고, 단면이 100mm * 100mm인 강철보(B)에 일정 간격으로 11개의 가속도계(31)가 설치되어 있는 것을 나타내고 있고, 3번 가속도계 설치위치와 4번 가속도계 설치 위치 사이에 결함이 있는 것을 나타내고 있다. 이러한 강철보(B) 위에서 이동대차를 좌에서 우로, 그리고 우에서 좌로 이동시키면서 각 위치에 설치된 가속도계가 측정한 데이터를 실시간으로 취합하였다.
이렇게 가속도계에 의해 측정 취합된 데이터를 FFT(Fast Fourier Transform)에 의해 주파수 영역의 데이터로 변환한다. 주파수 영역으로 변환된 데이터를 POD(Proper Orthogonal Decomposition, 적정직교분해) 기법을 사용하여 변환하고 그 결과에 대한 1차 POV(Proper Orthogonal Value, 적정직교치)에 해당하는 POM(ProPer Orthogonal Mode, 적정직교모드) 곡선을 도 3의 (a)에 도시하였고, 그 곡률을 도 6의 (b)에 도시하였다.
도 6의 (b)를 통하여 시각적으로 명확하게 확인할 수 있듯이 3번 가속도계 설치위치와 4번 가속도계 설치위치 사이에서 POM 곡률값의 급격한 변화를 알 수 있고, 이로써 3번 가속도계 설치위치와 4번 가속도계 설치위치 사이에 결함이 있다는 손상추정을 할 수 있다.
위에서는 단순히 이동대차를 이동시킬 때의 이동하중을 통하여 손상추정을 하였고, 아래에서는 본 발명에 의한 무선계측시스템을 사용하여 손상추정을 하였다.
도 7은 본 발명에 의한 구조성능 평가를 위한 무선계측시스템을 시험하기 위한 다른 시험장치를 보인 도이고, 도 8은 본 발명에 의한 구조성능 평가를 위한 무선계측시스템을 도 6에 도시된 시험장치에 사용하였을 때의 데이터값을 보인 그래프이다.
도 7에 도시된 강철보(B)는 길이가 1,200mm, 단면이 50 * 9mm이고, 강철보(B)의 좌단으로부터 930mm인 위치에 50mm * 6mm로 단면이 손상되었다.
상기와 같은 강철보(B) 위에서 본 발명에 의한 이동대차(10)를 일정거리 이동시킨 후 임팩트 해머(21)로 강철보(B)의 상면에 충격을 가하고, 이 순간에 강철보(B)에서 발생되는 응답을 본 발명에 의한 가속도계(31)와 마이크로폰(32)으로 측정하였다. 이러한 과정을 일정거리마다 이동시켜 반복한다. 그리고, 이렇게 취합된 데이터를 위에서 기재한 손상추정과 같은 동일한 기법을 사용하여 처리한 후 도 8의 (a)에 마이크로폰에 의해 계측된 데이터의 곡률을 도시하였고, 도 8의 (b)에 가속도계에 의해 계측된 데이터의 곡률을 도시하였다.
도 8의 (a)를 보면 강철보(B)의 15지점과 16지점 사이에서 급격한 그래프의 변화를 볼 수 있고, 도 8의 (b)를 보면 강철보(B)의 14지점과 15지점 사이에서 급격한 그래프의 변화를 볼 수 있고, 이로써 강철보(B)의 15지점 근처에서 결함이 있다는 것을 대략적으로 추정할 수 있다.
10: 이동대차 20: 가력부
21: 임팩트 해머 21a: 레버
22: 구동모터 23: 회전원판
23a: 쐐기단턱 30: 계측부
31: 가속도계 31a: 트레일러
32: 마이크로폰 33: 거리측정기
40: 데이터 수집부 50: 데이터 분석부
60: 제어부
B: 강철보

Claims (4)

  1. 구조물에 외력이 작용할 때 구조물로부터 발생되는 데이터를 측정하여 구조물의 구조성능을 평가하기 위한 것으로서,
    구조물 상에서 이동하는 이동대차(10)와; 상기 이동대차(10)에 설치되고, 구조물에 자극을 가하여 응답신호를 발생시키는 가력부(20)와; 상기 이동대차(10)에 설치되고, 상기 가력부(20)의 자극에 의한 구조물의 응답신호를 측정하여 데이터를 형성하는 계측부(30)와; 상기 계측부(30)에서 측정한 데이터를 수집하는 데이터 수집부(40)와; 수집된 데이터를 저장하고 분석하는 데이터 분석부(50)와; 상기 이동대차(10), 가력부(20), 계측부(30), 데이터 수집부(40) 및 데이터 분석부(50)와 무선통신망으로 연결된 스마트폰으로 이루어진 제어부(60);로 구성되고,
    상기 계측부(30)는 상기 이동대차(10)에 연결된 트레일러(31a)에 설치되어 이동대차(10)와 함께 움직임으로써 상기 구조물의 가속도 응답을 측정하는 가속도계(31)와; 상기 구조물로부터 발생되는 음압(音壓)을 측정하는 마이크로폰(32); 상기 이동대차(10)의 이동거리를 측정하고, 경첩(H)에 의하여 폴딩가능하도록 구성된 거리측정기(33);로 구성되며,
    상기 가력부(20)는 일단이 핀 결합에 의해 상기 이동대차(10)에 회동가능하게 설치되어 구조물에 충격을 가하고, 일측에 레버(21a)가 설치된 임팩트 해머(21)와; 상기 이동대차(10)에 설치되고, 상기 제어부(60)에 의해 작동되는 구동모터(22)와; 상기 구동모터(22)의 모터축에 설치되어 회전하고, 일단이 핀을 중심으로 회동하는 임팩트 해머(21)의 레버(21a)를 들어 올렸다가 낙하시켜 임팩트 해머(21)의 타단이 구조물에 충격을 가하도록 하는 쐐기단턱(23a)이 외주면에 형성된 회전원판(23);으로 구성된 것을 특징으로 하는 구조성능 평가를 위한 무선계측시스템.
  2. 삭제
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