KR101874378B1 - IoT 기반의 잔교식 안벽 실시간 안전성 평가방법 및 그 시스템 - Google Patents
IoT 기반의 잔교식 안벽 실시간 안전성 평가방법 및 그 시스템 Download PDFInfo
- Publication number
- KR101874378B1 KR101874378B1 KR1020170041083A KR20170041083A KR101874378B1 KR 101874378 B1 KR101874378 B1 KR 101874378B1 KR 1020170041083 A KR1020170041083 A KR 1020170041083A KR 20170041083 A KR20170041083 A KR 20170041083A KR 101874378 B1 KR101874378 B1 KR 101874378B1
- Authority
- KR
- South Korea
- Prior art keywords
- real
- stress
- time
- safety
- sensor
- Prior art date
Links
- 238000000034 method Methods 0.000 title claims abstract description 23
- 238000003745 diagnosis Methods 0.000 claims abstract description 37
- 238000005259 measurement Methods 0.000 claims abstract description 24
- 238000004891 communication Methods 0.000 claims abstract description 21
- 238000004458 analytical method Methods 0.000 claims abstract description 13
- 238000006073 displacement reaction Methods 0.000 claims abstract description 9
- 238000007689 inspection Methods 0.000 claims description 28
- 238000013461 design Methods 0.000 claims description 22
- 238000011156 evaluation Methods 0.000 claims description 19
- 238000012552 review Methods 0.000 claims description 17
- 230000010354 integration Effects 0.000 claims description 10
- 238000012916 structural analysis Methods 0.000 claims description 9
- 238000012360 testing method Methods 0.000 claims description 8
- 230000003938 response to stress Effects 0.000 claims description 5
- 238000011835 investigation Methods 0.000 claims description 4
- 239000000835 fiber Substances 0.000 claims description 3
- 238000009991 scouring Methods 0.000 claims description 3
- 230000009471 action Effects 0.000 claims description 2
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 claims description 2
- 238000003032 molecular docking Methods 0.000 claims description 2
- 230000035515 penetration Effects 0.000 claims description 2
- 238000012774 diagnostic algorithm Methods 0.000 claims 1
- 230000035882 stress Effects 0.000 description 34
- 238000012423 maintenance Methods 0.000 description 7
- 239000013535 sea water Substances 0.000 description 7
- XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N water Substances O XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 5
- 230000008859 change Effects 0.000 description 4
- 239000013307 optical fiber Substances 0.000 description 4
- 238000010295 mobile communication Methods 0.000 description 3
- 238000012545 processing Methods 0.000 description 3
- 238000011179 visual inspection Methods 0.000 description 3
- 230000007797 corrosion Effects 0.000 description 2
- 238000005260 corrosion Methods 0.000 description 2
- 238000007654 immersion Methods 0.000 description 2
- 239000000463 material Substances 0.000 description 2
- 238000012544 monitoring process Methods 0.000 description 2
- 230000003287 optical effect Effects 0.000 description 2
- 230000008439 repair process Effects 0.000 description 2
- 238000012935 Averaging Methods 0.000 description 1
- 238000012351 Integrated analysis Methods 0.000 description 1
- 229910000831 Steel Inorganic materials 0.000 description 1
- 230000032683 aging Effects 0.000 description 1
- 230000002238 attenuated effect Effects 0.000 description 1
- 230000002457 bidirectional effect Effects 0.000 description 1
- 238000004140 cleaning Methods 0.000 description 1
- 238000010276 construction Methods 0.000 description 1
- 230000003247 decreasing effect Effects 0.000 description 1
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 1
- 230000007613 environmental effect Effects 0.000 description 1
- 239000003344 environmental pollutant Substances 0.000 description 1
- 229910052732 germanium Inorganic materials 0.000 description 1
- GNPVGFCGXDBREM-UHFFFAOYSA-N germanium atom Chemical compound [Ge] GNPVGFCGXDBREM-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 230000005484 gravity Effects 0.000 description 1
- 238000003780 insertion Methods 0.000 description 1
- 230000037431 insertion Effects 0.000 description 1
- 238000012986 modification Methods 0.000 description 1
- 230000004048 modification Effects 0.000 description 1
- 230000009022 nonlinear effect Effects 0.000 description 1
- 231100000719 pollutant Toxicity 0.000 description 1
- 230000001902 propagating effect Effects 0.000 description 1
- 238000004904 shortening Methods 0.000 description 1
- 239000010959 steel Substances 0.000 description 1
- 238000002604 ultrasonography Methods 0.000 description 1
- 238000012795 verification Methods 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01D—MEASURING NOT SPECIALLY ADAPTED FOR A SPECIFIC VARIABLE; ARRANGEMENTS FOR MEASURING TWO OR MORE VARIABLES NOT COVERED IN A SINGLE OTHER SUBCLASS; TARIFF METERING APPARATUS; MEASURING OR TESTING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- G01D21/00—Measuring or testing not otherwise provided for
- G01D21/02—Measuring two or more variables by means not covered by a single other subclass
-
- G—PHYSICS
- G06—COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
- G06Q—INFORMATION AND COMMUNICATION TECHNOLOGY [ICT] SPECIALLY ADAPTED FOR ADMINISTRATIVE, COMMERCIAL, FINANCIAL, MANAGERIAL OR SUPERVISORY PURPOSES; SYSTEMS OR METHODS SPECIALLY ADAPTED FOR ADMINISTRATIVE, COMMERCIAL, FINANCIAL, MANAGERIAL OR SUPERVISORY PURPOSES, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- G06Q50/00—Information and communication technology [ICT] specially adapted for implementation of business processes of specific business sectors, e.g. utilities or tourism
- G06Q50/08—Construction
-
- G—PHYSICS
- G06—COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
- G06Q—INFORMATION AND COMMUNICATION TECHNOLOGY [ICT] SPECIALLY ADAPTED FOR ADMINISTRATIVE, COMMERCIAL, FINANCIAL, MANAGERIAL OR SUPERVISORY PURPOSES; SYSTEMS OR METHODS SPECIALLY ADAPTED FOR ADMINISTRATIVE, COMMERCIAL, FINANCIAL, MANAGERIAL OR SUPERVISORY PURPOSES, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- G06Q50/00—Information and communication technology [ICT] specially adapted for implementation of business processes of specific business sectors, e.g. utilities or tourism
- G06Q50/10—Services
- G06Q50/26—Government or public services
-
- G—PHYSICS
- G08—SIGNALLING
- G08C—TRANSMISSION SYSTEMS FOR MEASURED VALUES, CONTROL OR SIMILAR SIGNALS
- G08C17/00—Arrangements for transmitting signals characterised by the use of a wireless electrical link
- G08C17/02—Arrangements for transmitting signals characterised by the use of a wireless electrical link using a radio link
-
- H—ELECTRICITY
- H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
- H04L—TRANSMISSION OF DIGITAL INFORMATION, e.g. TELEGRAPHIC COMMUNICATION
- H04L67/00—Network arrangements or protocols for supporting network services or applications
- H04L67/01—Protocols
- H04L67/12—Protocols specially adapted for proprietary or special-purpose networking environments, e.g. medical networks, sensor networks, networks in vehicles or remote metering networks
Landscapes
- Business, Economics & Management (AREA)
- Engineering & Computer Science (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Physics & Mathematics (AREA)
- General Health & Medical Sciences (AREA)
- Tourism & Hospitality (AREA)
- Health & Medical Sciences (AREA)
- Marketing (AREA)
- Theoretical Computer Science (AREA)
- Human Resources & Organizations (AREA)
- Economics (AREA)
- Primary Health Care (AREA)
- Strategic Management (AREA)
- Computer Networks & Wireless Communication (AREA)
- General Business, Economics & Management (AREA)
- Medical Informatics (AREA)
- Computing Systems (AREA)
- Signal Processing (AREA)
- Development Economics (AREA)
- Educational Administration (AREA)
- Testing Of Devices, Machine Parts, Or Other Structures Thereof (AREA)
Abstract
본 발명은 사물인터넷(IoT) 기반으로 잔교식 안벽을 실시간으로 계측하고 진단을 위한 알고리즘으로 평가하는 방법에 관한 것이다. (a) 잔교식 안벽에서 수중부에 해당하는 부분에 FBG(Fiber Bragg Grating, 광섬유격자)센서로 구성되고 센서 네트워크로 접속된 복수의 변위계센서, 경사계센서, 변형률계센서 및 가속도계센서를 설치하는 단계; (b) 잔교식 안벽의 수중부 계측시스템(100)에서 센서 네트워크로 접속된 FBG센서들로부터 고유진동수, 경사 및 변형율을 포함하는 실시간 계측 값을 게이트웨이(112)를 거쳐 통신망으로 전송하는 단계; (c) 상기 통신망에 접속된 ICT기반 점검/진단 통합시스템(200)의 통합관제서버(210)가 수신한 FBG센서들의 실시간 계측 값으로부터 해당 구조물의 구조해석 기반 설계응력 응답과 더불어 FBG센서 기반 안전성 진단 알고리즘의 수행으로 진단된 안전성을 이용하여 상시 정량적 안전성을 분석하는 단계; (d) 상기 잔교식 안벽에서 육상부에 해당하는 부분에 대하여 관리자에 의하여 수집되어 관리자단말기(320)에 입력한 구조물의 상태를 접속된 통신망을 통해 전송하는 단계; (e) 상기 통신망에 접속된 관리자 인터페이스 시스템(300)의 서버(310)가 ICT기반 점검/진단 통합시스템(200)의 통합관제서버(210)에서 수신한 상시 정량적 안전성 분석정보와 관리자단말기(320)로부터 수신한 구조물의 상태정보를 설치된 손상정보 판단 알고리즘으로 실시간 종합 분석을 수행하는 단계; (f) 상기 관리자 인터페이스 시스템(300)의 서버(310)가 수행하여 산정한 종합 분석정보를 관리자단말기(320), 대시보드(330) 및 전광표시판(340)으로 전송하는 단계를 포함하여 이루어진 것이다. 본 발명은 무인화 장비에 통신, 계측, IT를 접목하여 장비의 기능을 높이고 수중 구조물에 대한 다양한 목적으로 활용될 수 있으며, 해상풍력용 해저케이블 또는 부유식 항만 구조물 등의 진단 등에 대한 활용성을 증대시킨 것이다.
Description
본 발명은 항만 구조물로서 잔교식 안벽의 안전성을 실시간으로 평가하는 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 사물인터넷(IoT) 기반으로 잔교식 안벽을 실시간으로 계측하고 진단을 위한 알고리즘으로 평가하는 방법과 시스템에 관한 것이다.
국내 항만시설의 대략 25%이상이 1960~1970년대에 개발된 것으로 항만 시설물의 노후화가 빠르게 진행되고 있는 실정이다. 더욱이 2011년 8월에 발생한 태풍 무이파에 의해 파손된 가거도 방파제는 건설된 지 무려 30년이 경과한 구조물로 항만구조물 유지관리의 중요성을 단적으로 보여주고 있다. 기존 항만시설물 유지관리시스템은 '시설물 안전 및 유지관리에 관한 특별법'에 의한 점검 및 진단으로 항만시설물의 안전성 평가를 실시하고 있지만, 시설물의 점검 및 진단조사방법은 대부분 육안조사를 통해 실시되고 있는 실정이다. 특히, 항만시설물에서 수중부는 잠수부를 통한 육안조사와 음파조사가 병행되지만 수중구조물 표면에 조개류나 오염물질들이 고착되어 있어 이를 분리하거나 청소를 실시한 후에 조사가 진행되어야 하는 어려움이 있다. 또한, 육안조사는 조사자의 주관적 견해가 반영되는 단점이 있으므로 객관적인 데이터를 기반으로 하는 안전성 평가가 필요한 실정이다.
따라서 항만 경계 내의 새로운 시설물 증가와 항만 고유기능의 효율성 증대를 위해 초대형 부잔교, 신개념 부유식 안벽, 침매터널 등 다양한 시설물이 건설 중에 있거나 계획되어 있다. 이러한 다양한 항만시설물의 증가에 대비하여 종래 시설물의 유지관리와는 차별화된 객관적이고 현실적인 유지관리 기법이 필요한 실정이다.
본 발명과 관련된 선행기술로서, 특허문헌1은 파일과 슬래브를 구비하여 된 계류시설의 일측에 장착되어 상기 계류시설의 변형 또는 변위를 감지하는 센서장치와, 상기 센서장치로부터 발생되는 신호를 무선으로 송신하기 위한 RF모듈과, 상기 센서장치의 신호를 상기 RF모듈에 송신하도록 연결하는 센서 인터페이스를 구비하여 된 응용센서와; 상기 RF모듈로부터 상기 센서장치의 신호를 수신하도록 구비된 RF 네트워크장치와; 상기 RF 네트워크장치로부터 수신된 상기 센서장치의 신호를 데이터화하여 상기 계류시설에 대한 정보를 분석 및 처리하는 데이터 처리장치와; 상기 데이터 처리장치에서 분석한 상기 계류시설에 대한 정보를 수신하여 실시간으로 모니터링하는 계류시설 모니터링 센터를 포함하는 항만 계류시설의 실시간 모니터링 시스템이 개시되어 있다.
본 발명은 상기 실정을 해결하기 위하여, 항만구조물에 IoT 기반의 광섬유센서를 적용하여 항만구조물의 상태를 실시간으로 계측하고 계측된 데이터를 이용하여 항만구조물의 안전성을 평가하고 판단하기 위한 것이 목적이다.
본 발명은 상기 목적을 달성하기 위하여, (a) 잔교식 안벽에서 수중부에 해당하는 부분에 FBG(Fiber Bragg Grating, 광섬유격자)센서로 구성되고 센서 네트워크로 접속된 복수의 변위계센서, 경사계센서, 변형률계센서 및 가속도계센서를 설치하는 단계; (b) 잔교식 안벽의 수중부 계측시스템에서 센서 네트워크로 접속된 FBG센서들로부터 고유진동수, 경사 및 변형율을 포함하는 실시간 계측 값을 게이트웨이를 거쳐 통신망으로 전송하는 단계; (c) 상기 통신망에 접속된 ICT기반 점검/진단 통합시스템의 통합관제서버가 수신한 FBG센서들의 실시간 계측 값으로부터 해당 구조물의 구조해석 기반 설계응력 응답과 더불어 FBG센서 기반 안전성 진단 알고리즘의 수행으로 진단된 안전성을 이용하여 상시 정량적 안전성을 분석하는 단계; (d) 상기 잔교식 안벽에서 육상부에 해당하는 부분에 대하여 관리자에 의하여 수집되어 관리자단말기에 입력한 구조물의 상태를 접속된 통신망을 통해 전송하는 단계; (e) 상기 통신망에 접속된 관리자 인터페이스 시스템의 서버가 ICT기반 점검/진단 통합시스템의 통합관제서버에서 수신한 상시 정량적 안전성 분석정보와 관리자단말기로부터 수신한 구조물의 상태정보를 설치된 손상정보 판단 알고리즘으로 실시간 종합 분석을 수행하는 단계; (f) 상기 관리자 인터페이스 시스템의 서버가 수행하여 산정한 종합 분석정보를 관리자단말기, 대시보드 및 전광표시판으로 전송하는 단계를 포함하여 이루어진 IoT 기반의 잔교식 안벽 실시간 안전성 평가방법을 제공한 것이 특징이다.
또한, 본 발명에서, 상기 (c) 단계에서, ICT기반 점검/진단 통합시스템의 통합관제서버는 위치정보, 점검이력, 보수이력 및 부재제원과, 균열, 박리, 박락, 백태 및 누수를 포함하는 외관조사와, 반발경도, 탄산화시험 및 초음파전달속도시험을 포함하는 내구성조사와, 상태평가 등급을 산정하는 상태평가와 더불어 종합 상태평가 등급을 산정할 수 있다.
또한, 본 발명에서, 상기 (c) 단계에서, FBG센서들의 실시간 계측 값으로부터 해당 구조물의 구조해석 기반 설계응력 응답으로, 강도설계법에 의한 검토기준과 허용응력설계법에 의한 검토기준을 포함하되, 강도설계법에 의한 검토기준은 설계모멘트를 적용모멘트를 나눈 값이 적용되고, 허용응력설계법에 의한 검토기준은 허용응력에 검토응력을 나눈 값이 적용될 수 있다.
또한, 본 발명에서, 상기 (c) 단계에서, FBG센서들의 실시간 계측 값으로부터 해당 구조물의 구조해석 기반 설계응력 응답으로, 잔교식 안벽의 파일 구조물에 발생하는 응력은 고정하중에 의한 응력과 고정하중 이외의 하중에 의한 응력으로 구분되고, 고정하중에 의한 응력은 구조해석을 통해 산정하며, 고정하중 이외의 하중인 선박의 접안에 따른 접안력, 풍압력, 파력, 조류력, 지진력을 포함하여 발생되는 응력은 FBG센서로 파일 구조물에 발생하는 실시간 변형률을 계측하고, 이를 실시간 발생응력으로 산정하며, 파일 구조물에 발생하는 전체응력은 고정하중에 의한 응력과 실시간 발생응력을 더하여 산정하되, 각 파일 구조물의 안전율(S.F)은 다음의 식, 
(여기서, f는 발생 응력이고, fd는 고정하중 응력이며, fl는 실시간 발생 응력( 
)이고, E는 파일의 탄성계수이며, εl는 실시간 변형률이다)을 적용하고, 각 파일 구조물의 지지력 안전율(S.F)은 다음의 식, 
(여기서, Qu는 허용 지반 지지력이고, n은 공칭안전율이며, N은 파일선단의 N치이고, 
은 근입된 파일의 평균 N치이며, A's는 근입된 파일의 전체 표면적(설계근입깊이 - 세굴량) × 파일 둘레 길이이다)을 적용할 수 있다.
또한, 본 발명에서, 상기 (c) 단계에서, FBG센서 기반 안전성 진단 알고리즘은, 복수의 FBG센서가 설치된 잔교식 안벽의 진단을 위한 복수의 검토조건에 따라 상부공 제원 및 배치상태와 블록 크기 및 파일 단면과 배치상태를 각각 확인하고, 적재하중, 활하중 및 파력을 포함하는 연직력과 풍하중, 선박의 충격력 및 견인력을 포함하는 수평력에 관한 설계외력을 계산하며, 파일 단면의 응력과 지지력을 확인하고, 변형률을 고려한 실시간 응력을 확인하며, 세굴상태를 고려한 실시간 지지력을 확인하며, 토류벽 경사계센서와 변위계센서로 실시간 안전을 확인하고, 이후 세부부재 진단을 위한 검토조건에 따라 안전성을 진단하는 과정을 포함할 수 있다.
또한, 본 발명은, 변위계센서, 경사계센서, 변형률계센서, 가속도계센서를 포함하여 센서 네트워크로 접속된 FBG(Fiber Bragg Grating, 광섬유격자)센서가 잔교식 안벽의 수중부 주요 부위에 복수로 설치되고, FBG센서에서 감지된 신호를 게이트웨이를 거쳐 통신망을 통해 전송하는 잔교식 안벽의 수중부 계측시스템; 상기 잔교식 안벽의 수중부 계측시스템에서 통신망을 통해 수신된 복수의 FBG센서의 계측데이터로부터 잔교식 안벽의 안전성을 진단하는 안전성 진단 알고리즘을 포함하는 통합관제서버와, 상기 통합관제서버에서 안전성 진단 알고리즘의 수행으로 도출된 데이터를 저장 및 입출력하는 데이터베이스를 포함하는 ICT기반 점검/진단 통합시스템; 상기 ICT기반 점검/진단 통합시스템에서 도출된 점검 및 진단정보를 통신망을 통해 손상정보 판단 알고리즘을 포함하는 통합관제서버가 수신하여 손상정보를 관리자단말기, 대시보드 및 전광표시판으로 전송하는 관리자 인터페이스 시스템을 포함하여 이루어진 IoT 기반의 잔교식 안벽 실시간 안전성 평가시스템을 제공한 것이 특징이다.
본 발명에 따르면, 다음의 이점이 있다.
첫째, 국가시설 안전관리의 효율성을 향상과 수명연장을 추구하고, 항구 보유 민간사업자의 수익창출을 도모하는 시스템을 운영할 수 있다.
둘째, 항만시설물의 상시 계측으로 축척된 데이터를 활용하여 시설물의 점검을 추적조사하고, IoT 기반의 플랫폼 적용으로 재난상황과 손상발생 여부를 실시간으로 계측 및 판단할 수 있으며, 하자 유형을 분석하여 시설안전을 위한 유지관리 계획에 반영할 수 있다.
셋째, 항만시설물의 상시 계측으로 데이터를 이용한 실시간 안전성 지수를 제시하고, 선박들의 충돌 등에 의한 충격을 실시간으로 파악하여 손상유발 선박에 과태료 부과와 더불어 손상상태를 실시간으로 파악할 수 있어 적절한 정밀점검이나 긴급점검을 수행할 수 있다.
넷째, 점검과 진단 기간의 단축으로 인하여 비용을 감축하고, 재난이나 재해를 사전에 예방할 수 있어 경제적 손실을 감소시킬 수 있다.
다섯째, 스마트 디바이스를 활용하여 관리자와 점검자의 모바일 앱 서비스를 제공하고 사용자 분석을 통한 효과적인 사용자 인터페이스를 적용할 수 있다.
도 1은 본 발명에 따른 실시 예로, IoT 기반의 잔교식 안벽 실시간 안전성 평가시스템을 나타낸 구성도이다.
도 2는 본 발명에 따른 ICT기반 점검/진단 통합시스템에서 FBG센서 기반 해수용 구좌형 변형률계센서 및 지그를 나타낸 것이다.
도 3은 본 발명에 따른 ICT기반 점검/진단 통합시스템에서 FBG센서 기반 해수용 경사계센서를 나타낸 것이다.
도 4는 본 발명에 따른 IoT 기반의 잔교식 안벽 실시간 안전성 평가방법을 나타낸 흐름도이다.
도 5는 본 발명에 따른 IoT 기반의 잔교식 안벽 실시간 안전성 평가를 위한 알고리즘을 나타낸 흐름도이다.
도 2는 본 발명에 따른 ICT기반 점검/진단 통합시스템에서 FBG센서 기반 해수용 구좌형 변형률계센서 및 지그를 나타낸 것이다.
도 3은 본 발명에 따른 ICT기반 점검/진단 통합시스템에서 FBG센서 기반 해수용 경사계센서를 나타낸 것이다.
도 4는 본 발명에 따른 IoT 기반의 잔교식 안벽 실시간 안전성 평가방법을 나타낸 흐름도이다.
도 5는 본 발명에 따른 IoT 기반의 잔교식 안벽 실시간 안전성 평가를 위한 알고리즘을 나타낸 흐름도이다.
이하, 본 발명에 따른 IoT 기반의 잔교식 안벽 실시간 안전성 평가시스템에 관한 실시 예를 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.
도 1에서, IoT 기반의 잔교식 안벽에 대하여 실시간으로 안전성을 평가하는 시스템은 잔교식 안벽의 수중부 계측시스템(100), ICT기반 점검/진단 통합시스템(200), 그리고 관리자 인터페이스 시스템(300)로 대별된다. 각 시스템은 통신망, 예컨대, 이동통신사에서 제공하는 3G(3세대 이동통신), 4G 또는 5G 이상의 이동통신과 더불어 와이브로(Wibro)망이나 와이파이(WiFi)망 등으로 접속된다.
잔교식 안벽의 수중부 계측시스템(100)은 항만구조물로서 잔교식 안벽의 수중부에 복수의 광섬유격자(Fiber Bragg Grating, FBG)센서(110)가 설치된다. FBG센서(110)는 게르마늄(Ge)이 첨가된 광섬유 코어 부분을 강한 자외선에 노출시켜 굴절률이 증가하는 현상을 이용하여 제작된 광섬유 소자이다. 구조물의 안전성을 모니터링하기 위한 FBG센서는 다양한 구조물에 설치하여 그 구조물에서 발생하는 여러 물리적인 변형을 감지하는 것이다. FBG센서가 감지한 물리적 변화량을 자동계측시스템으로 측정하여 수치나 그래프 등으로 변환 및 분석함으로써 구조물의 안전성을 평가하고 효율적인 유지관리를 수행하는 것이다. 더욱이 FBG센서를 물리량 등의 측정 목적이나 응용 분야에 적용할 수 있도록 한 것으로, FBG센서는 광섬유를 따라 진행하는 빛이 광섬유 내에서 감쇄, 흡수, 분산, 파장 변화, 굴절률 변화, 위상 변화, 반사, 산란, 간섭, 회절, 비선형 효과 등에 의한 광신호의 변화를 이용하며, 이의 분석을 통해 외부 환경 조건에 따라 변화하는 다양한 물리량을 정밀하게 측정할 수 있다.
잔교식 안벽의 수중부의 주요 부위에 해당하는 구조물에 복수로 설치되는 FBG센서(110)로서 변위계센서, 경사계센서, 변형률계센서 및 가속도계센서를 포함한다.
도 2a 및 도 2b는 FBG센서 기반 해수용 구좌형 변형률계센서를 나타낸 것이다. 그리고 도 2c 및 도 2d는 해수용 구좌형 변형률계센서 양단을 고정하는 지그를 나타낸 것이다. 정성적으로 평가되던 파손과 충격손상은 변형률계센서를 이용하여 변형률로 측정한 응력을 허용응력과의 비에 따른 정량적인 값을 가지고 등급을 제시하며, 발생된 변형률을 이용하여 균열의 발생여부를 확인하여 균열폭에 따른 등급을 제시한다. 더욱이 변형률계센서의 측정범위는 대략 500mm 이상이고, 게이지 길이는 500 이상이며, 분해능은 1/1,000 미만이고, 반치대역폭이 0.15 이하이며, 침수 시험 후 오차는 대략 ±0.5%(FS) 이내(IP등급 : 55)이다. 따라서 변형률계센서는 침수에 대한 방수기능, 해수 접촉 때에 내부식성 소재 및 구조로 제작되는 것이 좋다.
도 3은 FBG센서 기반 해수용 경사계센서를 나타낸 것이다. 경사계센서는 잔교식 안벽 파일에 부착되어 경사를 정량적으로 측정하고, 중력식 안벽에 경사 각도에 따른 평가 기준을 활용하여 등급을 제시하는 것이다. 더욱이 경사계의 측정범위는 대략 ±15°이상이고, 분해능은 1/100 이하이고, 반치대역폭이 0.15 이하이며, 침수 시험 후 오차는 대략 ±0.5%(FS) 이내(IP등급 : 68)이다. 따라서 경사계센서는 침수에 대한 방수기능, 해수 접촉 때에 내부식성 소재 및 구조로 제작되는 것이 좋다.
또한, 잔교식 안벽 구조물에 FBG센서(110)인 가속도계센서, 변형률계센서, 경사계센서를 적용하게 되며, 가속도계로 고유진동수를 계측한다. 그리고 구조해석에서 산정된 고유진동수와 비교하여 손상여부를 판단하고, 경사계센서를 토류벽에 부착하여 토압에 따른 변형 여부를 각도를 이용하여 계측하며, 변형률계센서를 선박 접안 때에 충격이 발생할 수 있는 수면부와 말뚝 연결부 및 최대응력발생 위치에 부착하여 변형 발생여부를 실시간 확인한다.
더욱이 FBG센서(110)에 의하여 구조해석을 수행하여 구조물에 발생하는 설계모멘트와 작용모멘트의 비를 확인함과 더불어 구조물의 고유진동수를 확인하여 이론 고유진동수를 확인하고, 박리와 침식에 따라 구조물의 두께가 감소하여 구조물 강성이 변화되면 이에 따라 실측 고유진동수 변화를 파악하여 등급을 제시한다.
또한, 각 FBG센서(110)들은 센서 네트워크로 접속된다. 각 FBG센서(110)는 광케이블로 연결되어 센서 네트워크로 접속된다. 그리고 FBG센서(110)에서 감지된 신호는 게이트웨이(112)를 거쳐 통신망을 통해 전송된다. 더욱이 각 FBG센서(110)에서 감지된 신호는 데이터로거에 저장된다. 데이터로거는 FBG센서(110)의 변화량 데이터를 수집하고 이를 원격의 관리용 서버나 관리자단말기로 전송한다. 관리용 서버나 관리자단말기에는 실시간으로 데이터를 변환, 분석 및 평가하는 하드웨어 및 소프트웨어를 포함한다.
ICT기반 점검/진단 통합시스템(200)은 잔교식 안벽의 수중부 계측시스템(100)에서 통신망을 통해 수신된 복수의 FBG센서(110)의 계측데이터로부터 잔교식 안벽의 안전성을 진단하는 안전성 진단 알고리즘을 포함하는 통합관제서버(210)가 설치된다. 그리고 통합관제서버(210)에서 안전성 진단 알고리즘의 수행으로 도출된 데이터를 저장 및 입출력하는 데이터베이스(212)가 구비된다.
관리자 인터페이스 시스템(300)은 ICT기반 점검/진단 통합시스템(200)에서 도출된 점검 및 진단정보를 통신망을 통해 손상정보 판단 알고리즘을 포함하는 통합관제서버(210)가 수신하여 손상정보를 관리자단말기(320), 대시보드(330) 및 전광표시판(340) 및 스피커 등으로 전송한다. 관리자 인터페이스 시스템(300)에는 관리자용 PC나 태블릿 또는 휴대용 단말기를 포함한다. 또한, 관리자용 단말기에는 양방향 점검 및 관리용 하이브리드 모바일 앱/웹 등을 포함한다.
이와 같이 이루어진 IoT 기반의 잔교식 안벽의 실시간 안전성 평가시스템을 이용하여 안전성을 평가하는 방법에 관하여 설명한다.
먼저, 도 4에서, 잔교식 안벽에서 수중부에 해당하는 부분에 FBG센서(110)로 구성되고 센서 네트워크로 접속된 복수의 변위계센서, 경사계센서, 변형률계센서 및 가속도계센서 등을 각각 설치한다(S1). 그리고 잔교식 안벽의 수중부 계측시스템(100)에서 센서 네트워크로 접속된 FBG센서들로부터 고유진동수, 경사 및 변형율을 포함하는 실시간 계측 값을 게이트웨이(112)를 거쳐 통신망으로 전송한다(S2). 통신망에 접속된 ICT기반 점검/진단 통합시스템(200)의 통합관제서버(210)가 수신한 FBG센서(110)들의 실시간 계측 값으로부터 해당 구조물의 구조해석 기반 설계응력 응답과 더불어 FBG센서 기반 안전성 진단 알고리즘의 수행으로 진단된 안전성을 이용하여 상시 정량적 안전성을 분석한다(S3).
더욱이 ICT기반 점검/진단 통합시스템(200)의 통합관제서버(210)는 위치정보, 점검이력, 보수이력 및 부재제원과, 균열, 박기, 박각, 백태 및 누수를 포함하는 외관조사와, 반발경도, 탄산화시험 및 초음파전달속도시험을 포함하는 내구성조사와, 상태평가 등급을 산정하는 상태평가와 더불어 종합 상태평가 등급을 산정한다.
또한, FBG센서들의 실시간 계측 값으로부터 해당 구조물의 구조해석 기반 설계응력 응답으로, 강도설계법에 의한 검토기준과 허용응력설계법에 의한 검토기준을 포함한다. 강도설계법에 의한 검토기준은 설계모멘트를 적용모멘트를 나눈 값이 적용되고, 허용응력설계법에 의한 검토기준은 허용응력에 검토응력을 나눈 값이 적용된다. 이때, 잔교식 안벽의 경우에는 표본추출 백분율을 적용하여 가중 평균하는 외관상태평가와는 달리 바닥판, 가로보, 세로보 및 하부구조(강파일 또는 콘크리트파일)에서의 각 부재별 중요도는 구조검토에서 고려하지 않는다.
FBG센서들의 실시간 계측 값으로부터 해당 구조물의 구조해석 기반 설계응력 응답으로, 잔교식 안벽의 파일 구조물에 발생하는 응력은 고정하중에 의한 응력과 고정하중 이외의 하중에 의한 응력으로 구분되고, 고정하중에 의한 응력은 구조해석을 통해 산정하며, 고정하중 이외의 하중인 선박의 접안에 따른 접안력, 풍압력, 파력, 조류력, 지진력을 포함하여 발생되는 응력은 FBG센서로 파일 구조물에 발생하는 실시간 변형률을 계측하고, 이를 실시간 발생응력으로 산정하며, 파일 구조물에 발생하는 전체응력은 고정하중에 의한 응력과 실시간 발생응력을 더하여 산정하되, 각 파일 구조물의 안전율(S.F)은 다음의 수학식,
(수학식 1)
여기서, fa는 허용응력이며, f는 발생 응력이고, fd는 고정하중 응력이며, fl는 실시간 발생 응력( 
)이고, E는 파일의 탄성계수이며, εl는 실시간 변형률이다.
파일 지지력의 안전성으로, 파일 지지력에 대한 검토는 계측을 통해 파일에 발생되는 축력을 확인하기 곤란하므로, 파일 주변에 발생된 세굴을 이용하여 허용지지력을 재산정하고 이를 통해 지지력을 실시간으로 확인한다. 세굴을 실시간으로 측정하기 위해서 파일 하단에 고정식 소나 센서를 설치하여 지반의 상태를 관찰함으로서 지반의 세굴 여부를 확인한다. 또한, 지반의 세굴은 파일 지지력에 관련되는 항목으로 지반에 세굴이 발생하지 않으면 지지력은 양호한 것으로 평가한다.
따라서 각 파일 구조물의 지지력 안전율(S.F)은 다음의 수학식,
(수학식 2)
여기서, Qu는 작용 반력이며, Qa는 허용 지반 지지력이고, n은 공칭안전율이며, N은 파일선단의 N치이고, 
은 근입된 파일의 평균 N치이며, A's는 근입된 파일의 전체 표면적(설계근입깊이 - 세굴량) × 파일 둘레 길이이다.
또한, 도 5에서, FBG센서 기반 안전성 진단 알고리즘으로, 복수의 FBG센서가 설치된 잔교식 안벽의 진단을 위한 복수의 검토조건이 결정된다(S11). 검토조건이 결정되면 잔교식 안벽의 상부공 제원 및 배치상태를 확인하고(S12), 블록 크기 및 파일 단면과 배치상태를 각각 확인한다(S13). 또한, 연직력으로 적재하중, 활하중(자동차, 크레인 등) 및 파력(파랑이 거셀 때)을 포함하고, 수평력으로 풍하중(크레인 등), 선박의 충격력 및 견인력의 설계외력을 계산한다(S14). 그리고 파일 단면의 응력과 지지력을 확인하고(S15), 변형률을 고려한 실시간 응력을 확인하며(S16), 세굴상태를 고려한 실시간 지지력을 확인하며(S17), 토류벽 경사계센서와 변위계센서로 실시간 안전을 확인하고(S18), 이후 세부부재를 진단을 위한 검토조건에 따라 각각의 안전성을 진단한다(S19).
또한, 잔교식 안벽에서 육상부에 해당하는 부분에 대하여 관리자에 의하여 수집되어 관리자단말기(320)에 입력한 구조물의 상태를 접속된 통신망을 통해 전송한다(S4). 통신망에 접속된 관리자 인터페이스 시스템(300)의 서버(310)가 ICT기반 점검/진단 통합시스템(200)의 통합관제서버(210)에서 수신한 상시 정량적 안전성 분석정보와 관리자단말기(320)로부터 수신한 구조물의 상태정보를 설치된 손상정보 판단 알고리즘으로 실시간 종합 분석을 수행한다(S5). 관리자 인터페이스 시스템(300)의 서버(310)가 수행하여 산정한 종합 분석정보를 관리자단말기(320), 대시보드(330) 및 전광표시판(340)으로 전송한다(S6).
이상의 설명에서 본 발명은 특정의 실시 예와 관련하여 도시 및 설명하였지만, 청구범위에 의해 나타난 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 한도 내에서 다양한 개조 및 변화가 가능하다는 것을 이 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구나 쉽게 알 수 있을 것이다.
100: 잔교식 안벽의 수중부 계측시스템 110: FBG센서 112: 게이트웨이 200: ICT기반 점검/진단 통합시스템 210: 통합관서서버 212: 데이터베이스 300: 관리자 인터페이스 시스템 310: 서버 320: 관리자단말기 330: 대시보드 340: 전광표시판
Claims (6)
- (a) 잔교식 안벽에서 수중부에 해당하는 부분에 FBG(Fiber Bragg Grating, 광섬유격자)센서로 구성되고 센서 네트워크로 접속된 복수의 변위계센서, 경사계센서, 변형률계센서 및 가속도계센서를 설치하는 단계;
(b) 잔교식 안벽의 수중부 계측시스템(100)에서 센서 네트워크로 접속된 FBG센서들로부터 고유진동수, 경사 및 변형율을 포함하는 실시간 계측 값을 게이트웨이(112)를 거쳐 통신망으로 전송하는 단계;
(c) 상기 통신망에 접속된 ICT기반 점검/진단 통합시스템(200)의 통합관제서버(210)가 수신한 FBG센서들의 실시간 계측 값으로부터 해당 구조물의 구조해석 기반 설계응력 응답과 더불어 FBG센서 기반 안전성 진단 알고리즘의 수행으로 진단된 안전성을 이용하여 상시 정량적 안전성을 분석하는 단계;
(d) 상기 잔교식 안벽에서 육상부에 해당하는 부분에 대하여 관리자에 의하여 수집되어 관리자단말기(320)에 입력한 구조물의 상태를 접속된 통신망을 통해 전송하는 단계;
(e) 상기 통신망에 접속된 관리자 인터페이스 시스템(300)의 서버(310)가 ICT기반 점검/진단 통합시스템(200)의 통합관제서버(210)에서 수신한 상시 정량적 안전성 분석정보와 관리자단말기(320)로부터 수신한 구조물의 상태정보를 설치된 손상정보 판단 알고리즘으로 실시간 종합 분석을 수행하는 단계;
(f) 상기 관리자 인터페이스 시스템(300)의 서버(310)가 수행하여 산정한 종합 분석정보를 관리자단말기(320), 대시보드(330) 및 전광표시판(340)으로 전송하는 단계를 포함하되,
상기 (c) 단계에서, FBG센서들의 실시간 계측 값으로부터 해당 구조물의 구조해석 기반 설계응력 응답으로, 강도설계법에 의한 검토기준과 허용응력설계법에 의한 검토기준을 포함하되, 강도설계법에 의한 검토기준은 설계모멘트를 작용모멘트로 나눈 값이 적용되고, 허용응력설계법에 의한 검토기준은 허용응력을 검토응력으로 나눈 값이 적용되는 IoT 기반의 잔교식 안벽 실시간 안전성 평가방법.
- 제1항에 있어서, 상기 (e) 단계에서, ICT기반 점검/진단 통합시스템(200)의 통합관제서버(210)는 위치정보, 점검이력, 보수이력 및 부재제원과, 균열, 박리, 박락, 백태 및 누수를 포함하는 외관조사와, 반발경도, 탄산화시험 및 초음파전달속도시험을 포함하는 내구성조사와, 상태평가 등급을 산정하는 상태평가와 더불어 종합 상태평가 등급을 산정하는 IoT 기반의 잔교식 안벽 실시간 안전성 평가방법.
- 삭제
- 제1항에 있어서, 상기 (c) 단계에서, FBG센서들의 실시간 계측 값으로부터 해당 구조물의 구조해석 기반 설계응력 응답으로, 잔교식 안벽의 파일 구조물에 발생하는 응력은 고정하중에 의한 응력과 고정하중 이외의 하중에 의한 응력으로 구분되고, 고정하중에 의한 응력은 구조해석을 통해 산정하며, 고정하중 이외의 하중인 선박의 접안에 따른 접안력, 풍압력, 파력, 조류력, 지진력을 포함하여 발생되는 응력은 FBG센서로 파일 구조물에 발생하는 실시간 변형률을 계측하고, 이를 실시간 발생응력으로 산정하며, 파일 구조물에 발생하는 전체응력은 고정하중에 의한 응력과 실시간 발생응력을 더하여 산정하되, 각 파일 구조물의 안전율(S.F)은 다음의 식,
(여기서, fa는 허용응력이며, f는 발생 응력이고, fd는 고정하중 응력이며, fl는 실시간 발생 응력()이고, E는 파일의 탄성계수이며, εl는 실시간 변형률이다)을 적용하고,
각 파일 구조물의 지지력 안전율(S.F)은 다음의 식,
(여기서, Qu는 작용 반력이며, Qa는 허용 지반 지지력이고, n은 공칭안전율이며, N은 파일선단의 N치이고,은 근입된 파일의 평균 N치이며, A's는 근입된 파일의 전체 표면적(설계근입깊이 - 세굴량) × 파일 둘레 길이이다)을 적용하는 IoT 기반의 잔교식 안벽 실시간 안전성 평가방법.
- 제1항에 있어서, 상기 (c) 단계에서, FBG센서 기반 안전성 진단 알고리즘은,
복수의 FBG센서가 설치된 잔교식 안벽의 진단을 위한 복수의 검토조건에 따라 상부공 제원 및 배치상태와 블록 크기 및 파일 단면과 배치상태를 각각 확인하고, 적재하중, 활하중 및 파력을 포함하는 연직력과 풍하중, 선박의 충격력 및 견인력을 포함하는 수평력에 관한 설계외력을 계산하며, 파일 단면의 응력과 지지력을 확인하고, 변형률을 고려한 실시간 응력을 확인하며, 세굴상태를 고려한 실시간 지지력을 확인하며, 토류벽 경사계센서와 변위계센서로 실시간 안전을 확인하고, 이후 세부부재를 진단을 위한 검토조건에 따라 안전성을 진단하는 과정을 포함하는 IoT 기반의 잔교식 안벽 실시간 안전성 평가방법.
- 삭제
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| KR1020170041083A KR101874378B1 (ko) | 2017-03-30 | 2017-03-30 | IoT 기반의 잔교식 안벽 실시간 안전성 평가방법 및 그 시스템 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| KR1020170041083A KR101874378B1 (ko) | 2017-03-30 | 2017-03-30 | IoT 기반의 잔교식 안벽 실시간 안전성 평가방법 및 그 시스템 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| KR101874378B1 true KR101874378B1 (ko) | 2018-07-04 |
Family
ID=62912823
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| KR1020170041083A KR101874378B1 (ko) | 2017-03-30 | 2017-03-30 | IoT 기반의 잔교식 안벽 실시간 안전성 평가방법 및 그 시스템 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| KR (1) | KR101874378B1 (ko) |
Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR102047661B1 (ko) * | 2018-12-17 | 2019-11-22 | (주)에스유지 | IoT플랫폼 MOBIUS기반의 항만 지하 매설물 현황 관제 시스템 |
| KR20200112437A (ko) * | 2019-03-22 | 2020-10-05 | (주)다음기술단 | 계측장치 시스템을 이용한 구조물 시공 및 유지관리 방법 |
| CN116045783A (zh) * | 2023-04-03 | 2023-05-02 | 长安大学 | 一种桥梁墩柱沉降变形监测设备 |
-
2017
- 2017-03-30 KR KR1020170041083A patent/KR101874378B1/ko active IP Right Grant
Cited By (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR102047661B1 (ko) * | 2018-12-17 | 2019-11-22 | (주)에스유지 | IoT플랫폼 MOBIUS기반의 항만 지하 매설물 현황 관제 시스템 |
| KR20200112437A (ko) * | 2019-03-22 | 2020-10-05 | (주)다음기술단 | 계측장치 시스템을 이용한 구조물 시공 및 유지관리 방법 |
| KR102186746B1 (ko) * | 2019-03-22 | 2020-12-04 | (주)다음기술단 | 계측장치 시스템을 이용한 구조물 시공 및 유지관리 방법 |
| CN116045783A (zh) * | 2023-04-03 | 2023-05-02 | 长安大学 | 一种桥梁墩柱沉降变形监测设备 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| Tang et al. | An experimental study of acoustic emission methodology for in service condition monitoring of wind turbine blades | |
| US8640544B2 (en) | Method for analyzing structure safety | |
| KR101874378B1 (ko) | IoT 기반의 잔교식 안벽 실시간 안전성 평가방법 및 그 시스템 | |
| Schoefs et al. | Quantitative evaluation of contactless impact echo for non-destructive assessment of void detection within tendon ducts | |
| Gastineau et al. | Bridge health monitoring and inspections–a survey of methods | |
| JP5145501B2 (ja) | 大型建造物の診断システム、大型建造物の診断プログラム、記録媒体および大型建造物の診断方法 | |
| Vardanega et al. | Assessing the suitability of bridge-scour-monitoring devices | |
| JP2007047094A (ja) | 一次元標定のａｅ源を利用した構造物の損傷判定方法および装置 | |
| KR102197696B1 (ko) | 광섬유 기반 하이브리드 신경망 센서를 이용한 시설물 건전도 모니터링 시스템 및 그 방법 | |
| JP2006010595A (ja) | 交通荷重による２次起因のａｅ音による構造物損傷度判定方法 | |
| JP6103578B2 (ja) | コンクリートのひずみを用いたコンクリート構造物の非破壊検査システム、監視システムおよび非破壊検査方法と監視方法 | |
| Tamrakar et al. | In situ ultrasonic method for estimating residual tension of wedge fix type anchors | |
| JP2003065942A (ja) | コンクリート損傷度診断装置及び診断方法 | |
| KR20080092489A (ko) | 항만 계류시설의 실시간 모니터링 시스템 | |
| Vestli | Structural Health Monitoring of Offshore Jackets | |
| Roshan et al. | Review paper on structural health monitoring: Its benefit and scope in India | |
| Vestli et al. | Case studies on structural health monitoring of offshore bottom-fixed steel structures | |
| Arima et al. | Structural damage identification based on non-destructive and destructive investigation of PCT girder removed due to salt damage | |
| Norway | The use of digital solutions and structural health monitoring for integrity management of offshore structures | |
| CN114136776B (zh) | 一种装配式钢混梁连接构造测量评估系统及其评价方法 | |
| EP3088884A1 (en) | Method and system for ultrasonically determining the condition of a building structure | |
| Henrique et al. | Fast Tool for Structural Monitoring of a Pier After Impact of a Very Large Vessel Using Ambient Vibration Analysis | |
| Ghsoub | Structural health monitoring of offshore jacket platforms"=" Structural health monitoring of offshore jacket platforms | |
| Schoefs et al. | Probabilistic evaluation to improve design of impact–echo sources | |
| Karlsson et al. | Etterspente betongbruer Inspeksjonsmanual |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| GRNT | Written decision to grant |