KR101891175B1 - 동특성 변화를 이용한 건물 구조물의 안전도 평가방법 및 시스템 - Google Patents

동특성 변화를 이용한 건물 구조물의 안전도 평가방법 및 시스템 Download PDF

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KR101891175B1
KR101891175B1 KR1020170035821A KR20170035821A KR101891175B1 KR 101891175 B1 KR101891175 B1 KR 101891175B1 KR 1020170035821 A KR1020170035821 A KR 1020170035821A KR 20170035821 A KR20170035821 A KR 20170035821A KR 101891175 B1 KR101891175 B1 KR 101891175B1
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유재욱
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연세대학교 산학협력단
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Abstract

본 발명은 동특성 변화를 이용한 건물 구조물의 안전도 평가방법 및 시스템에 관한 것으로, (a) 동특성 추정부가 일정시간 동안의 대상 구조물의 진동을 계측하고, 계측된 데이터로부터 구조물의 고유주파수를 식별하여 동특성을 추정하는 단계; (b) 동특성 변화량 산출부가 추정된 구조물의 동특성을 바탕으로 하중의 크기에 따른 구조물의 동특성 변화량 값을 산출하는 단계; 및 (c) 안전도 평가부가 상기 산출된 동특성 변화량 값을 이용하여 구조물의 안전도를 평가하는 단계를 포함하여 구성된다.

Description

동특성 변화를 이용한 건물 구조물의 안전도 평가방법 및 시스템{SAFETY EVALUATION METHOD FOR STRUCTURE USING MODIFIED DYNAMAIC CHARACTERISTICS}
본 발명은 구조 건전도 모니터링 기술에 관한 것으로, 더욱 상세하게는, 건물 구조물의 진동을 계측하고 동특성을 추정하며, 추정된 동특성의 지속적인 관찰을 통해 동특성 변화에 따른 구조물의 안전도를 평가할 수 있는 평가방법 및 시스템에 관한 것이다.
구조물의 상태를 평가하고 안전성을 확보하기 위해 구조 건전도 모니터링 기술이 활발히 발전되고 있다. 구조물의 건전도 모니터링은 동특성 혹은 모달계수를 추정하고 지속적으로 관찰함으로써 수행될 수 있다. 동특성이란 구조물의 진동계측을 수행하여 얻어진 시간이력 데이터를 압축하여 구조물의 동적 특성을 나타낸 것으로 고유주파수(혹은 고유주파수), 모드형상 그리고 모드 감쇠비가 있다. 구조물의 동특성을 추정하는 일련의 과정을 시스템 식별 혹은 모달해석 이라고 하며, 최근 이러한 기술이 비약적인 발전을 이루어 왔다.
고전적인 기술로는 "실험적 모달 해석"이 있으나, 구조물을 직접 가력해야 하기 때문에, 대형, 고층 건물에 적용하기 어렵다는 한계가 있다. 이를 타개하기 위해 최근에는 구조물에 가력없이, 구조물의 응답만을 이용하는 '응답기반 사용중 모달 해석' 기술이 개발되어 왔다.
대표적인 '응답기반 사용중 모달 해석' 기수로는 '주파수영역분해법'이 있다. 기존의 '주파수영역분해법' 기술은 종래 동특성을 추정하는 과정이 직관적이고 이해하기 쉬운 편으로, 많은 연구자들에 의해서 사용되어 왔다. 이러한 '모달 해석'을 통해 추정된 동특성은 구조물의 상태를 대표하는 지표로 사용이 될 수 있다.
구조물에 손상이 발생하였을 때, 손상의 정도와 위치를 파악하기 위한 손상탐지 연구가 활발히 수행되어 왔고, 기술들도 발전해 왔다. 손상을 탐지하는 과정은 구조물의 계측한 변형률을 이용하거나 변위를 이용하여 부재의 응력을 추정하는 부재레벨의 단계와 구조물의 진동 계측을 통해 얻은 가속도 응답을 이용하여 동특성을 추정하고 추정한 동특성을 이용하여 손상을 추정하는 구조물 전체 레벨로 나뉜다.
그러나 구조물의 동특성은 손상이 발생하지 않는 경우에도 변화할 수 있다. 건물 구조물에 작용하는 바람이나 지진동의 세기에 따라 구조물에 손상이 발생하지 않았음에도 불구하고 동특성이 변화할 수 있다.
따라서 동특성 변화에 따른 손상 탐지를 하기 위해서는 손상에 따른 동특성 변화와 하중에 따른 동특성 변화를 구분할 수 있어야 한다. 그러나 이를 구분하기 위한 경계가 딱히 제시되어 있지 않은 실정이다. 따라서 손상에 따른 동특성 변화와 하중의 크기에 따른 동특성 변화를 구분하여 손상을 탐지하는 기술이 요구된다.
아울러 인명안전을 확보하고 피해를 최소화하기 위해 탐지된 손상의 정도를 여러 단계로 구분하여 손상 정도에 따른 대응방안을 제시할 필요가 있다.
대한민국 등록특허공보 제10-1431237호(등록일자: 2014년08월11일) 대한민국 등록특허공보 제10-1578834호(등록일자: 2015년12월14일)
본 발명에 따른 동특성 변화를 이용한 건물 구조물의 안전도 평가방법 및 시스템은 다음과 같은 해결과제를 가진다.
첫째, 본 발명은 구조물의 손상에 따른 동특성 변화를 구분할 수 있는 건물 구조물의 안전도 평가방법 및 시스템을 제공하고자 함이다.
둘째, 본 발명은 동특성 변화에 따른 구조물의 손상 정도를 평가하고, 이에 따라 대응방안을 제시하여 인명안전을 적시에 효과적으로 확보할 수 있는 건물 구조물의 안전도 평가방법 및 시스템을 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, 동특성 변화를 이용한 건물 구조물의 안전도 평가방법으로, (a) 동특성 추정부가 일정시간 동안의 대상 구조물의 진동을 계측하고, 계측된 데이터로부터 구조물의 고유주파수를 식별하여 동특성을 추정하는 단계; (b) 동특성 변화량 산출부가 추정된 구조물의 동특성을 바탕으로 하중의 크기에 따른 구조물의 동특성 변화량 값을 산출하는 단계; 및 (c) 안전도 평가부가 상기 산출된 동특성 변화량 값을 이용하여 구조물의 안전도를 평가하는 단계를 포함한다.
여기서, 상기 (a) 단계에서, 구조물의 진동을 계측하는 것은, 구조물의 가속도 응답을 통해 계측하는 것이 바람직하고, 상기 (a) 단계는, 주파수영역 분해법(FDD)을 이용하여 구조물의 동특성을 추정하는 단계인 것이 바람직하다.
또한, 상기 (a) 단계는, (a1) 계측된 구조물의 가속도 데이터를 저역통과필터로 필터링하는 단계; (a2) 계측된 구조물의 가속도 데이터를 고역통과필터로 필터링하는 단계; (a3) (a1) 및 (a2) 단계에서 필터링된 데이터를 바탕으로 상호 스펙트럼 매트릭스(cross spectrum matrix)를 특이치 분해(Singular value decomposition) 하여 특이치 행렬을 생성하는 단계; 및 (a4) 생성된 특이치 행렬 일부를 이용하여 구조물의 고유주파수를 식별하여 구조물의 동특성을 추정하는 단계를 포함한다.
또한, 상기 (b) 단계는, 일정시간 동안의 고유주파수의 평균값과 최소값을 고려한 변화량 산출식을 통해 산출하는 단계인 것이 바람직하다.
한편, 상기 변화량 산출식은,
Figure 112017028176219-pat00001
(여기,
Figure 112017028176219-pat00002
는
Figure 112017028176219-pat00003
번째 고유주파수의 변화량을 %단위로 나타내고,
Figure 112017028176219-pat00004
는
Figure 112017028176219-pat00005
번째 고유주파수가 시간에 따라 변화하는 것을 나타내며, mean과 min은 각 평균값과 최소값을 나타낸다.)와 같은 식을 만족하는 것이 바람직하다.
더하여, 상기 (c) 단계는, 상기 (b) 단계에서 산출된 동특성 변화량과 (a) 단계에서의 특정 고유주파수와 (b) 단계가 종료된 이후의 계측된 데이터로부터 추정된 고유주파수의 차이비율 값과 비교하는 안전도 판단식을 통해 구조물의 안전성을 평가하는 것이 바람직하다.
또한, 상기 안전도 판단식은,
Figure 112017028176219-pat00006
(여기서,
Figure 112017028176219-pat00007
는 (a) 단계에서 식별한 구조물의 i번째 고유주파수이고,
Figure 112017028176219-pat00008
는 (b) 단계가 종료된 이후에 계측된 데이터로부터 추정된 고유주파수이고, α는 구조물의 손상정도를 나타내는 가중치 요소(factor)이다.)와 같은 식을 만족하는 것이 바람직하다.
여기서, 상기 α값은 구조물의 손상정도에 따라 기 설정하고, 상기 α값에 따라 구조물의 손상정도를 구분하여 판단하는 것이 바람직하다.
본 발명의 제2 특징은, 동특성 변화를 이용한 건물 구조물의 안전도 평가 시스템으로, 일정시간 동안 계측된 대상 구조물의 진동 데이터로부터 구조물의 고유주파수를 식별하여 동특성을 추정하는 동특성 추정부; 하중의 크기에 따른 구조물의 동특성 변화량 값을 산출하는 동특성 변화량 산출부; 및 상기 산출된 동특성 변화량 값을 이용하여 구조물의 안전도를 평가하는 안전도 평가부를 포함한다.
여기서, 상기 동특성 추정부는, 구조물에 산재하여 설치되어 가속도 응답을 측정하는 다수개의 센서를 포함하는 것이 바람직하고, 상기 동특성 변화량 산출부는, 일정시간 동안의 고유주파수의 평균값과 최소값을 고려한 변화량 산출식을 통해 산출하는 구조물의 동특성 변화량을 산출하는 것이 바람직하다.
또한, 상기 변화량 산출식은,
Figure 112017028176219-pat00009
(여기서,
Figure 112017028176219-pat00010
는
Figure 112017028176219-pat00011
번째 고유주파수의 변화량을 %단위로 나타내고,
Figure 112017028176219-pat00012
는
Figure 112017028176219-pat00013
번째 고유주파수가 시간에 따라 변화하는 것을 나타내며, mean과 min은 각 평균값과 최소값을 나타낸다.)와 같은 식을 만족하는 것이 바람직하다.
또한, 상기 안전도 평가부는, 동특성 추정부에서 계측한 특정 고유주파수와 동특성 변화량 산출이 종료된 이후의 계측된 데이터로부터 추정된 고유주파수의 차이비율 값과 비교하는 안전도 판단식을 통해 구조물의 안전성을 평가하는 것이 바람직하다.
더하여, 상기 안전도 판단식은,
Figure 112017028176219-pat00014
(여기서,
Figure 112017028176219-pat00015
는 동특성 추정부가 식별한 구조물의 i번째 고유주파수이고,
Figure 112017028176219-pat00016
는 동특성 변화량 산출이 종료된 이후에 계측된 데이터로부터 추정된 고유주파수이고, α는 구조물의 손상정도를 나타내는 가중치 요소(factor)이다.)와 같은 식을 만족하는 것이 바람직하다.
더하여, 상기 α값은 구조물의 손상정도에 따라 기 설정하고, 상기 α값에 따라 구조물의 손상정도를 구분하여 판단하는 것이 바람직하다.
그리고, 본 발명의 제3 특징은, 하드웨어와 결합되어, 상술한 동특성 변화를 이용한 건물 구조물의 안전도 평가방법을 실행시키기 위하여 컴퓨터가 판독 가능한 기록매체에 저장된 컴퓨터프로그램을 그 특징으로 한다.
본 발명에 따른 동특성 변화를 이용한 건물 구조물의 안전도 평가방법 및 시스템 다음과 같은 효과를 가진다.
첫째, 본 발명은 하중에 따른 동특성 변화와 구조물에 발생하는 손상에 따른 동특성 변화를 구분할 수 있는 건물 구조물의 안전도 평가방법 및 시스템을 제공한다.
둘째, 본 발명은 동특성 변화에 따른 구조물의 손상 정도를 평가할 수 있는 건물 구조물의 안전도 평가방법 및 시스템을 제공한다.
셋째, 본 발명은 구조물의 손상 정도에 따라 대응방안을 제시하여 인명안전을 확보할 수 있는 건물 구조물의 안전도 평가방법 및 시스템을 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 동특성 변화를 이용한 건물 구조물의 안전도 평가방법의 흐름을 나타낸 도면이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 동특성 변화를 이용한 건물 구조물의 안전도 평가 시스템의 블록 구성을 나타낸 도면이다.
도 3은 특이치 값을 이용한 구조물의 고유주파수를 나타내는 그래프이다.
도 4는 고유주파수가 변화하는 것을 나타내는 그래프이다.
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 동특성 변화를 이용한 건물 구조물의 안전도 평가방법의 흐름을 나타낸 도면이고, 도 2는 본 발명의 실시예에 따른 동특성 변화를 이용한 건물 구조물의 안전도 평가 시스템의 블록 구성을 나타낸 도면이다.
도 1에 나타낸 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 동특성 변화를 이용한 건물 구조물의 안전도 평가방법은, (a) 동특성 추정부(100)가 일정시간 동안의 대상 구조물의 진동을 계측하고, 계측된 데이터로부터 구조물의 고유주파수를 식별하여 동특성을 추정하는 단계; (b) 동특성 변화량 산출부(200)가 추정된 구조물의 동특성을 바탕으로 하중의 크기에 따른 구조물의 동특성 변화량 값을 산출하는 단계; 및 (c) 안전도 평가부(300)가 상기 산출된 동특성 변화량 값을 이용하여 구조물의 안전도를 평가하는 단계를 포함하여 구성된다.
그리고, 도 2에 나타낸 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 동특성 변화를 이용한 건물 구조물의 안전도 평가 시스템은, 일정시간 동안 계측된 대상 구조물의 진동 데이터로부터 구조물의 고유주파수를 식별하여 동특성을 추정하는 동특성 추정부(100); 하중의 크기에 따른 구조물의 동특성 변화량 값을 산출하는 동특성 변화량 산출부(200); 및 상기 산출된 동특성 변화량 값을 이용하여 구조물의 안전도를 평가하는 안전도 평가부(300)를 포함하여 구성된다.
여기서, 동특성 추정부(100)는 평가 대상인 건물 구조물에 산재하여 설치되어 가속도 응답을 측정하는 다수개의 가속도 센서 등을 포함할 수 있다. 즉, 건물 구조물에 설치된 다수개의 센서로부터 주파수 응답 신호 또는 데이터를 수집하고, 수집된 데이터로부터 구조물의 고유주파수를 식별하여 동특성을 측정하게 된다. 그 외에도 본 발명의 실시예에 적용되는 건물 구조물 진동 계측 센서는 다양한 센서로 적용할 수 있음은 물론이다.
이하에서 본 발명의 실시예에 따른 동특성 변화를 이용한 건물 구조물의 안전도 평가 시스템 및 방법에 대해 단계적으로 상세히 설명한다.
구조물의 동특성 추정((a) 단계)
(a) 단계는 동특성 추정부(100)가 일정시간 동안의 대상 구조물의 진동을 계측하고, 계측된 데이터로부터 구조물이 고유주파수를 식별하여 동특성을 추정하는 단계이다. 본 발명의 실시예는 건물 구조물의 진동 계측을 수행함으로써 수행될 수 있다. 진동 계측은 주로 구조물의 가속도 응답을 계측하는 것으로 한다. 본 발명의 실시예를 실험적으로 적용하기 위해 진동 계측이 이루어진 건물은 송도에 위치한 국제화 M1단지 내 101동 건물로 (주)롯데건설이 시공한 65층의 고층건물이다.
1) 동특성 추정
동특성을 추정하는 단계로 기존에 동특성 추정을 위해 널리 사용되어온 주파수영역 분해법 (이하FDD)를 이용하여 동특성을 추정한다. 본 발명 실시예에서는 구조물의 동특성 중 고유주파수만을 사용하여 최대한 신속하게 구조물의 손상을 판단하는 것이 핵심이다. 따라서 고유주파수를 식별하는 단계로 그 과정은 아래와 같이 표현될 수 있다.
1-1) 데이터 취득
진동계측(주파수 응답)을 통해 건물 구조물의 가속도 데이터를 취득한다. 취득한 데이터는
Figure 112017028176219-pat00017
로 표기하고, [수학식 1]과 같다. 여기서 i=1,2,3...,N이고, N은 계측 센서의 수이다. 취득한 데이터에는 계측 센서의 오차 및 관심주파수 이상의 고주파성분이 노이즈로 포함되어 있다. 노이즈 성분의 제거를 위해서 저역통과필터(Low pass filter)를 통과시킨 신호를 이용한다.
Figure 112017028176219-pat00018
여기서 저역통과필터(low pass filter)는 저주파 영역성분만을 통과시키는 필터로서, 필터의 설계변수에는 필터종류, 컷오프 주파수(cut-off frequency)가 있을 수 있다. 컷오프 주파수(cut-off frequency) 이상의 성분은 완전히 제거되는 것은 아니나 그 진폭이 아주 작아지기 때문에 무시될 수 있다.
따라서 컷오프 주파수(cut-off frequency)를 적절히 선정하는 것이 중요하다. 컷오프 주파수(cut-off frequency)의 선정은 초기 FE 모델의 고유치 해석 결과를 참조하여 이루어질 수 있다. 고유치 해석 결과를 바탕으로 관심모드 및 관심 주파수를 선정한다.
예를 들어 관심모드는 X 병진 1,2,3차, Y 병진 1,2,3차, 비틀림 1,2,3차 9개를 선정할 수 있다. 관심 주파수는 이들 관심모드에 해당하는 주파수들 중에서 가장 큰 값으로 선정된다. 관심모드는 일반적으로 질량참여율 혹은 유효모드질량을 기준으로 90% 이상 모드로 선정한다.
엔지니어적 판단을 통해 선정된 관심주파수 근방을 컷오프 주파수(cut-off frequency)로 설정하고 저역통과필터(low pass filter)를 사용하여 필터링 된 신호를 OMA에 사용할 수 있다. 필터 종류로도 여러 가지가 있는데, 버터워스(butterworth) 타입의 필터를 사용하였다. 버터워스(butterworth) 타입 필터는 통과(pass)대역과 저지(stop)대역에서 일정한 게인 레벨(gain level)을 유지하기 때문이다.
그리고, 계측센서가 오랜 계측을 하거나 기타의 이유로 계측 데이터가 양의방향 혹은 음의 방향으로 처지는 현상이 일어날 수 있다. 이런 경우 극저주파(예를 들어 0.05Hz) 정도의 고역통과필터(high pass filter)를 걸어주면 데이터를 올바르게 바로잡을 수 있다. 고역통과필터(high pass filter)는 고주파 성분만 통과시키는 필터로 데이터의 처지는 양상을 보완해 줄 수 있다.
1-2) 신호처리
상호상관 함수(Cross correlation function)를 다음의 [수학식 2]와 같이 나타낸다.
Figure 112017028176219-pat00019
여기서,
Figure 112017028176219-pat00020
는 i번 신호와 j번째 신호의 상호상관 함수(cross correlation function)이다. τ와 t는 시간을 의미한다. 이어서 상호상관(cross correlation)을 주파수 영역(frequency domain)으로 변환하면 상호 파워 스펙트럼(cross power spectrum)이 된다.
다음의 [수학식 3]은 상호 스펙트럼(Cross spectrum)을 나타내는 식이다.
Figure 112017028176219-pat00021
여기서,
Figure 112017028176219-pat00022
는 상호 스펙트럼(cross spectrum)을 의미하고, f는 주파수를 의미한다. 여러 장소에서 수집된 계측 데이터를 이용하면 상호 스펙트럼(cross spectrum) 들이 모여 매트릭스(matrix)가 생성된다. 계측지점은 N개가 있으므로 최대 N×N 정방행렬(square matrix)가 생성된다. N×N 정방행렬은 아래와 같이 상호 스펙트럼(cross spectrum)의 식들의 조합인 [수학식 4]로 표현된다.
Figure 112017028176219-pat00023
어떤 임의의 주파수 f에 대해서 상호 스펙트럼(cross spectrum) 행렬은 위 [수학식 4]와 같이 생성된다.
Figure 112017028176219-pat00024
는 상호 스펙트럼 매트릭스(cross spectrum matrix)를 의미하고 각 상호 스펙트럼(cross spectrum) 식들이 모여서 구성된다.
특이치 분해(Singular value decomposition)
특이치 분해는 앞서 만들어진 상호 스펙트럼 매트릭스(cross spectrum matrix)를 여러 개의 행렬로 분해하는 기법으로, 다음의 [수학식 5] 및 [수학식 6]과 같이 나타낸다. 여기서
Figure 112017028176219-pat00025
는 대각 매트릭스(diagonal matrix)이고 나머지는 각각 좌우 특이치 벡터(left and right singular vector)라 한다.
Figure 112017028176219-pat00026
Figure 112017028176219-pat00027
본 발명의 실시예서는
Figure 112017028176219-pat00028
및
Figure 112017028176219-pat00029
의 전치행렬(transpose matrix)인
Figure 112017028176219-pat00030
를 필요로 하지 않는다.
Figure 112017028176219-pat00031
는 특이치행렬이라고 하고 이 특이치행렬의 일부를 이용하여 건물 구조물의 고유주파수를 식별할 수 있다.
1-3)고유주파수 식별
앞서 계산한 특이치 분해를 통해 얻어진
Figure 112017028176219-pat00032
를 이용해서 구조물의 고유주파수를 얻을 수 있다.
Figure 112017028176219-pat00033
를 이루는 구성 요소 중에서 1행 1열에 있는
Figure 112017028176219-pat00034
값을 이용해서 주파수영역의 그림을 그리면 그래프의 피크로부터 구조물의 고유주파수를 식별할 수 있다. 도 3은 특이치 값을 이용한 구조물의 고유주파수를 나타내는 그래프이다. 구조물의 각 모드별 피크진동수를 f1, f2, f3,...,fN 으로 표기한다.
2)동특성 변화량 값 산출((b) 단계)
(b) 단계는 동특성 변화량 산출부(200)가 추정된 구조물의 동특성을 분석하여 한중의 크기에 따른 구조물의 동특성 변화량 값을 산출하는 단계이다.
동특성의 변화는 구조물에 발생하는 손상뿐만 아니라, 구조물에 작용하는 하중의 크기에도 영향을 받는다. 구조물의 손상에 따른 동특성 변화만을 감지하기 위해선 하중의 크기에 따른 구조물의 진동수 변화 폭을 식별 해야 한다. (a) 및 (b) 단계의 2단계 과정을 여러 번 반복, 즉 여러 번 구조물의 고유주파수를 추정함으로써 하중에 따른 동특성 변화를 분석할 수 있다. 건물 구조물에 작용하는 하중으로 바람이 가장 영향력이 큰 요소인데, 바람의 방향과 세기는 시시각각 변화한다. 따라서 바람의 방향과 세기의 다양성을 고려하기 위해 일정시간 동안(수시간)의 계측 데이터를 이용하여 시간에 따른 고유주파수의 변화를 관찰한다. 동특성의 변화량 값을 산출하는 식은 다음의 [수학식 7]과 같다.
Figure 112017028176219-pat00035
여기서,
Figure 112017028176219-pat00036
는
Figure 112017028176219-pat00037
번째 고유주파수의 변화량을 % 단위로 나타낸 것을 의미한다
Figure 112017028176219-pat00038
는
Figure 112017028176219-pat00039
번째 고유주파수가 시간에 따라 변화하는 것을 나타내며 mean과 min은 각 평균값과 최소값을 나타낸다. 구조물에 손상이 발생하였을 경우 건물 구조물의 진동수는 감소하는 방향으로만 진행되기 때문에, 진동수가 변화할 때 증가하는 것은 고려하지 않는다. 그러므로 최대값은 고려하지 않는다.
도 4는 고유주파수가 변화하는 것을 나타내는 그래프이다. 도 4에 나타낸 바와 같이, [수학식 7]의 i는 엔지니어의 판단 하에 자율적으로 정해질 수 있으나, i가 클수록 즉, 더 높은 차수의 고유주파수를 확인할 수 있다면 보다 정밀하게 구조물의 안전도를 평가할 수 있다.
3) 동특성 변화를 이용한 안전도 평가((c) 단계)
(c) 단계는, 안전도 평가부(300)가 산출된 동특성 변화량 값을 이용하여 구조물의 안전도를 평가하는 단계이다.
(b) 단계에서 최종적으로 [수학식 2]에 의해서 얻어진
Figure 112017028176219-pat00040
는 손상 없이 하중에 의한
Figure 112017028176219-pat00041
번째 고유주파수의 변화량의 한계를 의미한다. 따라서 이 값을 초과하는 경우 손상에 의한 동특성의 변화임을 확인할 수 있다. 즉, (b) 단계에서 산출된 동특성 변화량 값과 (a) 단계에서의 특정 고유주파수와 (b) 단계가 종료된 이후의 계측된 데이터로부터 추정된 고유주파수의 차이비율 값을 비교하여 구조물의 안전도를 평가하는 안전도 평가식은 다음의 [수학식 8]과 같다.
Figure 112017028176219-pat00042
여기서,
Figure 112017028176219-pat00043
는 (a) 단계에서 식별한 구조물의 i번째 고유주파수이다.
Figure 112017028176219-pat00044
는 (b) 단계가 종료된 이후에 계측된 데이터로부터 추정된 고유주파수이고, α는 구조물의 손상 정도를 나타내는 가중치 요소(factor)이다.
Figure 112017028176219-pat00045
와
Figure 112017028176219-pat00046
의 차이가, [수학식 8]에서 α=1 일 때, 앞서 (b) 단계에서 구한
Figure 112017028176219-pat00047
보다 큰 값으로 얻어질 경우 구조물의 손상이 발생한 것으로 판단할 수 있다.
여기서, α는 구조물의 손상 정도를 나타내는 가중치 요소(factor)로서, 구조물의 특성에 따라 알맞게 설정될 수 있다. 즉, 평가 대상의 다양한 특성과 실험치에 알맞게 손상 정도를 구분하여 설정하게 되면, 구조물의 안전도에 따른 적절한 대응방안을 제시할 수 있게 된다.
즉, 구조물의 손상이 발생한 것으로 간주 되었을 때, 안전도의 평가를 위해 다음의 [수학식 9], [수학식 10], [수학식 11]의 예시와 같이 손상 정도를 규정할 수 있다.
Figure 112017028176219-pat00048
Figure 112017028176219-pat00049
Figure 112017028176219-pat00050
[수학식 9] 내지 [수학식 10]은 동특성 변화의 정도에 따른 손상 정도를 규정하는 실시예이다. [수학식 9]는 α=1.05로 설정된 것으로, 손상이 발생하였지만 구조물이 '안전'한 상태에 있는 것으로 평가할 수 있고, [수학식 10]은 α=1.20으로 설정된 것으로, 구조물에 손상이 발생하여 '주의'가 요구되는 단계로 평가할 수 있다. 주의가 요구되는 단계라 함은, 평상시 구조물의 붕괴위험은 극히 희박하나 초강력 태풍과 같이 풍속이 일정수준 이상이거나 대규모 지진동에 의해 건물의 붕괴위험이 있는 상태로 규정한다.
그러나 인명피해가 발생할 확률이 희박한 상황을 뜻한다. [수학식 11]은 α=1.50으로 설정된 것으로, 구조물이 '위험' 상태에 있는 것으로 규정한다. 이 경우 건물 내 재실자들은 즉시 대피하여 건물 밖으로 피난 하여야 함을 의미한다. 본 발명의 실시예에서는 상술하여 예시한 "송도에 위치한 국제화 M1단지 내 101동 건물로 (주)롯데건설이 시공한 65층의 고층건물"에 대하여 [수학식 9] 내지 [수학식 11]을 안전도 평가의 지표로 제시할 수 있다.
그리고, 본 발명의 또 다른 실시예로서, 하드웨어와 결합되어 상술한 동특성 변화를 이용한 건물 구조물의 안전도 평가방법을 실행시키기 위하여 컴퓨터가 판독 가능한 기록매체에 저장된 컴퓨터프로그램일 수 있다.
즉, 본 발명의 실시예에 따른 장치로서, 컴퓨터로 읽을 수 있는 기록매체에 컴퓨터가 읽을 수 있는 코드로서 구현하는 것이 가능하다. 컴퓨터가 읽을 수 있는 기록매체는 컴퓨터 시스템에 의하여 읽힐 수 있는 데이터가 저장되는 모든 종류의 기록장치를 포함한다. 기록매체의 예로는 ROM, RAM, 광학 디스크, 자기 테이프, 플로피 디스크, 하드 디스크, 비휘발성 메모리 등을 포함한다. 또한 컴퓨터가 읽을 수 있는 기록매체는 네트워크로 연결된 컴퓨터 시스템에 분산되어 분산방식으로 컴퓨터가 읽을 수 있는 코드가 저장되고 실행될 수 있다.
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: 동특성 추정부 200: 변화량 산출부
300: 안전도 평가부

Claims (17)

  1. (a) 동특성 추정부가 일정시간 동안의 대상 구조물의 진동을 계측하고, 계측된 데이터로부터 구조물의 고유주파수를 식별하여 동특성을 추정하는 단계;
    (b) 동특성 변화량 산출부가 추정된 구조물의 동특성을 바탕으로 하중의 크기에 따른 구조물의 동특성 변화량 값을 산출하는 단계; 및
    (c) 안전도 평가부가 상기 산출된 동특성 변화량 값을 이용하여 구조물의 안전도를 평가하는 단계를 포함하며,
    상기 (b) 단계는, 일정시간 동안의 고유주파수의 평균값과 최소값을 고려한 변화량 산출식을 통해 산출하는 단계인 것을 특징으로 하는 동특성 변화를 이용한 건물 구조물의 안전도 평가방법.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 (a) 단계에서,
    구조물의 진동을 계측하는 것은, 구조물의 가속도 응답을 통해 계측하는 것을 특징으로 하는 동특성 변화를 이용한 건물 구조물의 안전도 평가방법.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 (a) 단계는,
    주파수영역 분해법(FDD)을 이용하여 구조물의 동특성을 추정하는 단계인 것을 특징으로 하는 동특성 변화를 이용한 건물 구조물의 안전도 평가방법.
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 (a) 단계는,
    (a1) 계측된 구조물의 가속도 데이터를 저역통과필터로 필터링하는 단계;
    (a2) 계측된 구조물의 가속도 데이터를 고역통과필터로 필터링하는 단계;
    (a3) (a1) 및 (a2) 단계에서 필터링된 데이터를 바탕으로 상호 스펙트럼 매트릭스(cross spectrum matrix)를 특이치 분해(Singular value decomposition) 하여 특이치 행렬을 생성하는 단계; 및
    (a4) 생성된 특이치 행렬 일부를 이용하여 구조물의 고유주파수를 식별하여 구조물의 동특성을 추정하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 동특성 변화를 이용한 건물 구조물의 안전도 평가방법.
  5. 삭제
  6. 청구항 1에 있어서,
    상기 변화량 산출식은,
    Figure 112018035047215-pat00051

    (여기서,
    Figure 112018035047215-pat00052
    는
    Figure 112018035047215-pat00053
    번째 고유주파수의 변화량을 %단위로 나타내고,
    Figure 112018035047215-pat00054
    는
    Figure 112018035047215-pat00055
    번째 고유주파수가 시간에 따라 변화하는 것을 나타내며, mean과 min은 각 평균값과 최소값을 나타낸다.)와 같은 식을 만족하는 것을 특징으로 하는 동특성 변화를 이용한 건물 구조물의 안전도 평가방법.
  7. 청구항 1에 있어서,
    상기 (c) 단계는,
    상기 (b) 단계에서 산출된 동특성 변화량과 (a) 단계에서의 특정 고유주파수와 (b) 단계가 종료된 이후의 계측된 데이터로부터 추정된 고유주파수의 차이비율 값과 비교하는 안전도 판단식을 통해 구조물의 안전성을 평가하는 것을 특징으로 하는 동특성 변화를 이용한 건물 구조물의 안전도 평가방법.
  8. 청구항 7에 있어서,
    상기 안전도 판단식은,
    Figure 112017028176219-pat00056

    (여기서,
    Figure 112017028176219-pat00057
    는 (a) 단계에서 식별한 구조물의 i번째 고유주파수이고,
    Figure 112017028176219-pat00058
    는 (b) 단계가 종료된 이후에 계측된 데이터로부터 추정된 고유주파수이고, α는 구조물의 손상정도를 나타내는 가중치 요소(factor)이다.)와 같은 식을 만족하는 것을 특징으로 하는 동특성 변화를 이용한 건물 구조물의 안전도 평가방법.
  9. 청구항 8에 있어서,
    상기 α값은 구조물의 손상정도에 따라 기 설정하고, 상기 α값에 따라 구조물의 손상정도를 구분하여 판단하는 것을 특징으로 동특성 변화를 이용한 건물 구조물의 안전도 평가방법.
  10. 일정시간 동안 계측된 대상 구조물의 진동 데이터로부터 구조물의 고유주파수를 식별하여 동특성을 추정하는 동특성 추정부;
    하중의 크기에 따른 구조물의 동특성 변화량 값을 산출하는 동특성 변화량 산출부; 및
    상기 산출된 동특성 변화량 값을 이용하여 구조물의 안전도를 평가하는 안전도 평가부를 포함하며,
    상기 동특성 변화량 산출부는, 일정시간 동안의 고유주파수의 평균값과 최소값을 고려한 변화량 산출식을 통해 산출하는 구조물의 동특성 변화량을 산출하는 것을 특징으로 하는 동특성 변화를 이용한 건물 구조물의 안전도 평가 시스템.
  11. 청구항 10에 있어서,
    상기 동특성 추정부는,
    구조물에 산재하여 설치되어 가속도 응답을 측정하는 다수개의 센서를 포함하는 것을 특징으로 하는 동특성 변화를 이용한 건물 구조물의 안전도 평가 시스템.
  12. 삭제
  13. 청구항 10에 있어서,
    상기 변화량 산출식은,
    Figure 112018035047215-pat00059

    (여기서,
    Figure 112018035047215-pat00060
    는
    Figure 112018035047215-pat00061
    번째 고유주파수의 변화량을 %단위로 나타내고,
    Figure 112018035047215-pat00062
    는
    Figure 112018035047215-pat00063
    번째 고유주파수가 시간에 따라 변화하는 것을 나타내며, mean과 min은 각 평균값과 최소값을 나타낸다.)와 같은 식을 만족하는 것을 특징으로 하는 동특성 변화를 이용한 건물 구조물의 안전도 평가 시스템.
  14. 청구항 10에 있어서,
    상기 안전도 평가부는,
    동특성 추정부에서 계측한 특정 고유주파수와 동특성 변화량 산출이 종료된 이후의 계측된 데이터로부터 추정된 고유주파수의 차이비율 값과 비교하는 안전도 판단식을 통해 구조물의 안전성을 평가하는 것을 특징으로 하는 동특성 변화를 이용한 건물 구조물의 안전도 평가 시스템.
  15. 청구항 14에 있어서,
    상기 안전도 판단식은,
    Figure 112017028176219-pat00064

    (여기서,
    Figure 112017028176219-pat00065
    는 동특성 추정부가 식별한 구조물의 i번째 고유주파수이고,
    Figure 112017028176219-pat00066
    는 동특성 변화량 산출이 종료된 이후에 계측된 데이터로부터 추정된 고유주파수이고, α는 구조물의 손상정도를 나타내는 가중치 요소(factor)이다.)와 같은 식을 만족하는 것을 특징으로 하는 동특성 변화를 이용한 건물 구조물의 안전도 평가 시스템.
  16. 청구항 15에 있어서,
    상기 α값은 구조물의 손상정도에 따라 기 설정하고, 상기 α값에 따라 구조물의 손상정도를 구분하여 판단하는 것을 특징으로 동특성 변화를 이용한 건물 구조물의 안전도 평가 시스템.
  17. 하드웨어와 결합되어, 청구항 1의 동특성 변화를 이용한 건물 구조물의 안전도 평가방법을 실행시키기 위하여 컴퓨터가 판독 가능한 기록매체에 저장된 컴퓨터프로그램.
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