KR101939727B1 - Mems 센서를 이용한 구조물의 안전 모니터링 시스템 및 안전 진단방법 - Google Patents

Mems 센서를 이용한 구조물의 안전 모니터링 시스템 및 안전 진단방법 Download PDF

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정회경
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(주)텔코코리아아이에스
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Abstract

본 발명은 MEMS 센서를 이용한 구조물의 안전 모니터링 시스템 및 안전 진단방법 관한 것이다. 보다 구체적으로, 가속도 센서, 자이로 센서, 콤파스 센서 및 고도계 센서를 포함하는 MEMS 센서에서 감지된 신호를 통해 구조물의 각변위 및 구조물에 가해지는 진동을 도출하고, 각변위 변화에 따른 구조물의 상태를 진단할 수 있는 안전진단 방법에 관한 것이다.

Description

MEMS 센서를 이용한 구조물의 안전 모니터링 시스템 및 안전 진단방법{Safety monitoring system and safety diagnosis method using MEMS sensor}
본 발명은 MEMS 센서를 이용한 구조물의 안전 모니터링 시스템 및 안전 진단방법 관한 것이다. 보다 구체적으로, 가속도 센서, 자이로 센서, 콤파스 센서 및 고도계 센서를 포함하는 MEMS 센서에서 감지된 신호를 통해 구조물의 각변위 및 구조물에 가해지는 진동을 도출하고, 각변위 변화에 따른 구조물의 상태를 진단할 수 있는 안전진단 방법에 관한 것이다.
타워크레인 붕괴사고의 증가, 천호동 상가 건물 붕괴, 마우나 리조트 붕괴 등 계속하여 발생하는 붕괴 사고로 인한 국내 구조물 재난 피해가 증가하고 있으므로, 구조물을 사전 모니터링하여 피해를 줄일 수 있는 방법이 요구되고 있다.
이에 따라, 구조물의 붕괴 등 재난 상황을 감시하기 위한 계측장비가 급경사지, 저수지, 교량 및 빌딩 등의 건물에 설치되고 있다. 그러나 상기 계측장비들은 주로 고정밀도의 센서들로 구성되어 고가이며, 실시간 계측 시스템을 구성하고 있지 않아 인력의 많은 투입이 요구된다. 또한, 구조물의 철골구조에 대한 방사선 비파괴검사, 초음파 비파괴검사 등을 실시할 수 있으나 전문성이 필요한 기술로 비용이 고가로 자주 실시하는 것에 어려움이 존재하며, 구조물의 상태를 실시간으로 점검할 수 없다는 문제점이 있다.
또한, 일반적으로 대형빌딩 등과 같은 구조물들은 지진 또는 진동을 유발하는 유발요소, 예를 들어 "지하철과 인접한 곳에 위치하거나, 또는 인근 지역에서 대형 공사를 진행하는 지역에 위치하는 경우" 등으로 인하여, 항상 진동문제를 겪고 있으며, 이러한 진동은 건물 구조의 안전에 직접적인 영향을 주는 바, 보다 구체적으로 건물 구조물의 강성을 약하게 하는 문제를 가져온다.
또한, 이러한 진동이 심해지면 건물 구조물의 붕괴를 유발할 수도 있는 등 상당히 심각한 문제를 가져올 수 있다. 따라서, 구조물의 진동을 지속적 또는 주기적으로 측정하여 진동을 관찰하도록 하고, 건물의 기울기를 측정하여, 건물의 붕괴위험을 사전에 예측하고, 이를 예방할 수 있도록 하는 것이 필요하다.
이에 본 출원인은 구조물의 기울어짐을 실시간으로 측정하고, 구조물의 안전 수치와 비교하여 구조물의 안전상태를 진단할 수 있는 안전 진단방법을 제공하고자 한다. 또한, 구조물에 가해지는 진동을 측정하여, 구조물에 가해지는 진동 및 구조물의 침하의 연관 데이터를 제공할 수 있는 시스템을 제공하고자 한다.
이하, 선행기술을 살펴보면 대한민국 등록특허공보 제10-0957187호에는 기울기 센서를 이용한 구조물 안전 모니터링 시스템 및 모니터링 방법에 대해 기재되어 있다.
상기 선행기술은 기울기센서를 이용하여 구조물의 응력을 측정하여 구조물의 안전 상태를 모니터링하는 것으로, 구조물의 기울기 판단을 통한 구조물의 안전상태진단 방법 및 구조물에 가해지는 진동에 따른 구조물의 기울기 데이터를 수집할 수 있는 것에 대해서는 기재되어 있지 않다.
1. 대한민국 등록특허공보 제10-0957187호 (2010.05.11)
본 발명의 기술적 과제는 MEMS센서를 이용한 구조물의 침하현상에 대한 감지를 통한 건축물의 안전을 진단할 수 있는 안전 진단방법을 제공하는 것이다.
또한, 구조물의 기울어짐에 대한 정보를 수집하고, 붕괴를 예측할 수 있는 건축물의 안전 진단 시스템을 제공하는 것이다.
또한, 건물에 가해지는 진동이 건물의 침하(각변위)에 미치는 영향 데이터를 수집하여 진동 및 지진에 따른 건축물의 상태를 예측할 수 있는 건축물의 안전 진단 시스템을 제공하는 것이다.
상기한 과제를 해결하기 위하여, 본 발명은 가속도 센서, 자이로센서, 콤파스 센서 및 고도계 센서를 포함하는 감지기를 구조물에 적어도 하나 이상 설치하되, 구조물이 복수의 층으로 이루어진 경우, 각 층 마다 적어도 하나의 이상의 상기 감지기를 설치하는 단계; 상기 감지기의 각각의 센서에서 감지되어 기설정주기 마다 전송되는 아날로그 신호를 노이즈 제거 필터를 사용하여 노이즈를 제거한 뒤, ADC를 이용하여 각각의 디지털 신호로 변환하는 단계; 상기 각각의 디지털 신호를 이용하여 온도변화에 대한 보상을 반영하여 구조물의 각변위를 도출하고, 가속도 신호를 진동속도 또는 진동변위로 변환하며, 디지털 신호로부터 감지기가 설치된 위치의 고도값을 획득하는 단계; 상기 각변위를 이전주기에 도출된 각변위과 비교하여 구조물의 기울어짐 여부를 판단하는 단계; 및 상기 고도값을 구조물의 초기 고도값과 비교하여 기울기의 변화가 일어나지 않는 침하인 균등침하를 판단하는 단계;를 포함하되, 구조물의 기울어짐이 발생한 것으로 판단되는 경우, 상기 각변위를 기저장된 비에름 수치(Bjerrum)와 비교하여 구조물의 안전상태를 판단하는 단계;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 MEMS 센서를 이용한 구조물의 안전 진단방법을 해결수단으로 제공하고자 한다.
본 발명에서, 상기 감지기는, 복수의 층계로 이루어진 구조물에 설치될 되는 경우, 홀수층에 설치되는 위치와 짝수층에 설치되는 위치가 상이하되, 짝수층에 설치되는 감지기는, 홀수층에 설치된 감지기의 위치를 좌우 대칭한 위치를 짝수층에 반영하여 설치하는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명에서, 상기 관리서버는 상기 구조물의 기울어짐이 발생한 것으로 판단되면, 기울기 변화가 감지되기 이전주기부터 각변위 변화가 감지된 때까지의 진동수치 또는 진동변위를 함께 DB에 저장하는 단계;를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기한 과제를 해결하기 위한 또 다른 수단으로, 구조물에 설치되어 기설정 주기마다 가속도 센서, 자이로센서, 콤파스 센서 및 고도계 센서를 통해 구조물의 상태를 감지하는 감지기; 상기 감지기의 각각의 센서에서 기설정주기 마다 전송되는 아날로그 신호를 노이즈 제거 필터를 사용하여 노이즈를 제거하고, ADC로 변환하여 각각의 디지털 신호로 변환하며, 상기 각각의 디지털 신호를 이용하여 온도변화에 대한 보상을 반영하여 각변위를 도출하고, 가속도 신호를 진동속도 또는 진동변위로 변환하며, 고도값을 획득하여, 상기 기울기값, 진동속도 또는 진동 변위 및 고도값을 관리서버로 전송하는 제어모듈; 상기 제어모듈에서 전송되는 각변위를 이전주기에 전송된 각변위와 비교하여 구조물의 기울어짐을 판단하고, 상기 제어모듈에서 전송되는 고도값을 구조물의 초기 고도값과 비교하여 기울기의 변화가 일어나지 않는 침하인 균등침하를 판단하며, 구조물의 기울어짐 또는 균등침하가 발생했다고 판단되면, 관리자 단말기로 1차점검 알림을 전송하고, 상기 기울기 값을 기저장된 비에름 수치(Bjerrum)와 비교하여 구조물의 안전상태를 판단하는 관리서버;를 포함하는 것을 특징으로 하는 MEMS 센서를 이용한 구조물의 안전 모니터링 시스템을 제공하고자 한다.
또한. 본 발명에서 상기 관리서버는, 상기 구조물의 각변위가 변화한 것으로 판단되면, 각변위 변화가 감지되기 이전주기부터 각변위 변화가 감지된 때까지의 진동수치 또는 진동변위를 함께 DB에 저장하고, 상기 각변위 변화와 진동수치 또는 진동변위의 변화를 데이터화 및 그래프화 하여 제공할 수 있는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 실시예에 따른 구조물 안전 모티터링 시스템 및 안전진단 방법은 구조물의 기울어짐을 실시간으로 감지하여, 구조물의 기울어짐에 따른 붕괴 예방조치를 사전에 실시할 수 있는 효과가 있다.
또한, 구조물의 침하를 판단하여 구조물의 붕괴 위험도를 판단할 수 있는 효과가 있다.
또한, 구조물에 가해지는 진동에 따른 구조물의 기울어짐을 데이터화 하여 수집할 수 있는 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 구조물 안전 모니터링 시스템의 블록도이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 감지기의 구성을 나타낸 블록도이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 제어모듈의 구성을 나타낸 블록도이다.
도 4는 본 발명의 구조물의 안전진단 방법에 사용된 비에름 수치를 나타낸 도면이다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 안전 진단방법의 흐름도이다.
본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 안 되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다.
따라서 본 명세서에 기재된 실시예, 참조예 및 도면에 기술된 사항은 본 발명의 가장 바람직한 일 예에 불과할 뿐이고, 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.
이하, 도면을 참조하여 설명하기에 앞서, 본 발명의 요지를 드러내기 위해서 필요하지 않은 사항, 즉 통상의 지식을 가진 당업자가 자명하게 부가할 수 있는 공지 구성에 대해서는 도시하지 않거나, 구체적으로 기술하지 않았음을 밝혀둔다.
본 발명의 실시예에 따른 MEMS 복합센서를 이용한 구조물 안전 모니터링 시스템 및 구조물 안전 진단방법은 구조물의 침하를 감지하여 사용자에게 알림을 전송함으로써 구조물의 침하에 따른 구조물의 붕괴를 사전에 예방할수 있고, 구조물에 가해지는 진동 및 지진에 따른 구조물의 침하를 데이터화 하여 수집함으로써 구조물에 가해지는 진동 및 지진에 따른 구조물의 침하에 대한 정보를 제공할 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 MEMS 센서를 이용한 구조물의 안전 모니터링 시스템의 블록도이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 MEMS 복합센서를 이용한 구조물 안전 모니터링 시스템(1000)은 감지기(100), 제어모듈(200), 관리서버(300) 및 관리자 단말기(400)를 포함할 수 있다.
감지기(100)는 MEMS 기반의 복합센서모듈로 구조물에 설치되어 구조물의 3축의 움직임, 3축의 회전 움직임, 방향 및 고도를 감지하는 센서를 포함할 수 있다. 상기 감지기(100)에 의해 감지된 신호는 제어모듈(200)에 의해 구조물의 기울기 변화량, 구조물에 가해지는 진동 등이 도출될 수 있다.
제어모듈(200)은 감지기(100)에서 감지되는 구조물의 가속도 및 변위를 필터링하고 변환하여 구조물에 가해지는 진동 및 건물의 각변위를 판단할 수 있는 것으로, 감지기(100)에 포함되거나 또는, 관리서버(300)에 포함되어 있는 형태일 수 있다.
관리서버(300)는 제어모듈(200)에서 전송되는 건물의 진동 및 각변위에 따른 건물 상태정보를 누적하여 DB에 저장하고, 구조물의 진동 및 각변위 변화를 기설정된 안전기준과 비교하여 건물의 안전상태를 판단할 수 있다.
관리자 단말기(400)는 관리서버(200)에 접속하여 건물의 상태를 모니터링할 수 있는 안전 모니터링을 할 수 있는 PC, 노트북, 태블릿, 스마트폰 등이 될 수 있으며, 단순한 정보의 수신만을 수행할 수 있는 무전기, 무선호출기, 피처폰 등이 될 수도 있다. 또한, 관리자 단말기(400)는 관리서버(200)에서 전송되는 알림을 수신하여 팝업형태 또는 소리로 알릴 수 있는 기능을 더 포함할 수 있다.
이하, 본 발명의 실시예에 따른 구조물 안전 모니터링 시스템(1000)을 보다 상세하게 설명한다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 감지기의 구성을 나타낸 블록도이다.
도 2를 참조하면, 감지기(100)는 MEMS 센서모듈(110), 제어부(130), 통신부(150) 및 비상전원부(170)를 포함할 수 있다. 이때, 감지기(100)는 구조물에 적어도 하나 이상 설치되되, 구조물이 복수의 층으로 이루어진 경우 각 층마다 적어도 하나 이상 설치될 수 있다. 또한, 복수의 층으로 이루어진 구조물에 설치되는 경우, 홀수층과 짝수 층에 설치되는 위치가 상이하며, 보다 구체적으로는 홀수층과 짝수층에 설치된 위치를 선으로 연결하였을 때 통상적으로 지그재그라 부르는 모양이 될 수 있다.
상술한 형태로 감지기(100)를 설치하기 위하여, 짝수층에 설치되는 감지기(100)는 홀수층에 설치된 감지기의 위치를 좌우 대칭한 위치를 짝수층에 반영하여 설치할 수 있다. 상기 방법으로 감지기(100)를 구조물에 설치함으로써, 최소 갯수의 감지기(100)로 구조물의 전체의 정보를 감지할 수 있다.
한편, 복수의 층으로 이루어진 구조물에 감지기(100)를 설치하는 방법은 이에 한정되는 것은 아니며, 각 층마다 일정간격으로 감지기(100)를 설치하여 보다 다양한 위치에서 구조물의 정보를 수집할 수도 있다. 그러나, 감지기를(100) 과도하게 많이 설치하는 경우, 비경제적이고 유지관리에 어려움이 있으므로, 최적의 장소에 적절히 배치하는 것이 바람직하다.
MEMS센서모듈(110)은 MEMS(Micro Electronic Mechanical System)기반의 복합센서로 가속도 센서(111), 자이로 센서(113), 콤파스 센서(115) 및 고도계 센서(117) 를 포함할 수 있다.
본 발명의 실시예에서 MEMS센서모듈(110)은 아날로그 방식으로 구현할 수 있는데, 아날로그 방식은 MEMS센서모듈(110)의 각 센서에서 감지되는 데이터를 ADC 변환 없이 그대로 출력하는 방식이다. 예를들어, 각 축의 가속도 또는 각속도의 출력값을 ADC 변환없이 그대로 출력 단자에 내보내는 방식으로 3축 가속도 센서 또는 3축 각속도 센서는 X축, Y축, Z축의 출력값이 각각 다른 핀으로 출력될 수 있다.
본 발명은 MEMS 기반의 가속도 센서, 자이로 센서, 콤파스 센서, 고도계 센서등 다양한 센서가 모듈 형태로 제작된 통합 센서를 구조물에 부착한 후 감지된 신호를 분석하여 구조물의 물리적인 상태를 판단함과 동시에 만약 구조물의 상태가 침하되었다고 판단되는 경우, 사용자에게 알람을 전송함으로써 구조물의 추가적인 변형 및 붕괴를 예방할 수 있다. 이때, MEMS센서모듈(110)은 3D-MEMS기반의 센서를 이용하여 X, Y, Z 3축을 동시에 측정하고, 디지털 방식이 아닌 아날로그 출력을 ADC(analogue to digital conversion)하여 측정하는 방식을 이용할 수 있다.
가속도 센서(111)는 X, Y, Z의 3축을 감지하여, 가속도의 벡터 성분을 측정하는 센서이다. 가속도 센서는 정지된 상태에서도 특정한 값을 갖기 때문에 기울어진 정도를 파악하거나, 진동을 파악하는데 많이 사용한다.
자이로 센서(113)는 각속도를 측정하기 위한 센서로, 3축 자이로 센서의 경우 X, Y, Z 축의 각속도를 측정하며, 각속도를 적분하여 회전각도를 구할 수 있다. 이때, Z축의 각속도의 적분에서 오차가 발생할 수 있는데, 이는 하기 설명할 콤파스 센서(115)를 함께 사용하여 극복할 수 있다.
콤파스 센서(115)는 디지털 나침반 칩을 사용한 3축 지자기 센서일 수 있고, 상기 3축 지자기 센서 내에는 자기장의 세기를 측정할 수 있는 센서가 X, Y, Z축 방향으로 3개가 내장되어 있는 것이며, 상기 3축 센서 간의 출력 벡터의 합으로 센서에 미치는 자기장 방향을 측정하는 것이다.
고도계 센서(117)는 해발고도를 측정하는 고도계일 수 있으며, 고도계 센서(117)는 기압차를 이용하여 해수면을 기준으로 센서가 설치된 높이를 측정할 수 있다. 그러나, 기압은 날씨(온도, 바람 등)에 따라 변동되므로 정확한 진고도를 재기는 어렵다.
이에, 본 발명에서는 DB(미도시)에 측정날짜, 날씨 및 풍량에 따른 고도값 기설정 데이터를 보유하고 있으며, 관리서버(300)는 상기 고도계 센서(117)에서 측정되는 고도값을 DB에 저장되어 있는 고도값 기설정 데이터와 비교하고, 측정날짜, 날씨 및 풍량에 따라 보정된 진고도값을 산출할 수 있다. 상술된 방법으로 산출된 고도값이 기설정수치 이하로 하강하면 구조물의 침하가 일어났음을 보다 정확하게 판단할 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에서는 날씨 및 풍량에 따른 고도값 데이터를 생성하기 위하여 풍속·풍향센서, 온도 센서 등 날씨와 풍량을 측정할 수 있는 센서를 더 포함할 수 있다.
또한, MEMS센서모듈(110)은 기울기를 감지하는 경사계 센서(119)를 더 포함할 수 있으며, 본 발명에서 가속도 센서(111) 및 자이로 센서(113)을 이용하여 구조물의 기울기를 측정할 수도 있고, 경사계 센서(119)를 더 포함하여 구조물의 기울기를 측정할 수도 있다.
한편, MEMS센서모듈(110)에서 감지된 진동신호는 잡음과 감쇠현상이 발생하므로, 필터링 또는 증폭과 같은 작업이 필수적이다. 따라서, MEMS센서모듈(110)에서 감지된 신호를 증폭하는 동시에 증폭된 신호에 포함된 노이즈를 제거한 후 ADC로 입력할 수 있다. 상기 필터링 작업에 대해서는 제어모듈(200)과 함께 하기에서 설명한다.
제어부(130)는 MEMS센서모듈(110)의 각 센서에서 감지되는 감지값을 각 센서에 대응되는 기설정감지주기에 따라 해당 센서로부터 수집된 감지값을 통신부(150)를 통해 제어모듈(200)로 전송할 수 있다. 또한, 제어부(130)는 MEMS센서모듈(110)에서 감지되는 감지값을 일정기간동안 저장할 수 있는 메모리를 더 포함할 수 있다.
비상전원부(170)는 구조물의 정전, 재난 등의 발생으로 전원이 공급되지 않을 때에, 감지기(100)가 동작할 수 있도록 비상 전원을 제공하는 배터리가 될 수 있으며, 제어부(130)는 전원이 공급되지 않는다고 판단되면, 비상전원부(170)에서 전원을 공급받아 MEMS센서모듈(110)이 구조물의 상태를 감지하도록 할 수 있다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 제어모듈의 구성을 나타낸 블록도이다.
도 3을 참조하면, 제어모듈(200)은 노이즈 제거필터(210), ADC(230) 및 변환부(250)를 포함할 수 있다. 제어모듈(200)은 감지기(100)로부터 전송되는 아날로그 신호를 디지털 신호로 변환하고, 구조물의 각변위 및 구조물에 가해지는 진동을 산출하여 관리서버(300)로 전송할 수 있다.
노이즈 제거필터(210)는 Low-pass RC 필터를 이용하여 센서 클럭 노이즈를 제거할 수 있으며, ADC(230)는 아날로그-디지털 컨버터로 감지기에서 전송된 아날로그 신호를 디지털 신호로 변환할 수 있다. 변환부(250)는 정밀도를 높이는 변환, 최종 기울기 값 산출, 진동 속도 및 진동 변위를 산출하고, 최종 기울기 값을 각변위로 변환할 수 있다.
본 발명의 실시예에서 제어모듈(200)에 의해 구조물의 최종 기울기 값을 산출하는 과정을 설명한다.
1) 노이즈 필터링(Noise Filtering)
노이즈 제거필터(210)는 Low-pass RC 필터를 적용하여 센서 클럭 노이즈를 제거할 수 있다.
2) ADC 변환
- 아날로그-디지털 컨버터를 이용하여 아날로그로 수집된 건물의 기울기를 디지털로 변환할 수 있다.
3) 디지털화된 아날로그 입력의 전압값은 하기 수학식 1에 의해 변환한다.
Figure 112018053252224-pat00001
4) 온도변화에 대한 보상을 통한 정밀도 보정
- 온도변화에 따른 센서의 오류를 하기 수학식 2를 통해 보정한다.
Figure 112018053252224-pat00002
5) 최종 기울기 값 산출
- 상기 과정을 통해 도출된 최종 기울기 값은 건축물의 기울어짐을 약 0.001°의 정밀도로 측정할 수 있다.
관리서버(300)는 구조물의 각변위(δ/L)를 기설정된 주기마다 확인하고, 각변위(δ/L)의 변화가 기설정된 수치 범위 이상으로 발생하는 경우, 구조물의 기울어짐이 발생하는 것으로 판단하고 관리자 단말기(400)로 1차점검요망 알림을 제공할 수 있다. 이후, 각변위(δ/L)의 변화가 기설정된 수치 범위 이상으로 또 발생하는 경우, 추가점검요망 알림을 제공할 수 있다.
보다 구체적으로, 관리서버(300)는 제어모듈(200)로부터 전송된 구조물의 각변위를 수신하여 기설정된 각변위(δ/L)와 비교하여 구조물의 기울기에 따른 안전상태를 판단할 수 있다. 이때, 구조물의 안전상태를 판단하는 기준은 하기 표의 비에름 수치(Bjerrum)인 허용각 변위 한계를 적용하여 판단할 수 있다.
또한, 본 발명의 구조물의 기울기를 측정하는 방법을 이용하여, 구조물의 부동침하를 판단하는 과정을 더 포함할 수도 있다. 여기서, 부동침하(不等沈下)는 부등침하라고도 하며, 구조물의 기초지반이 침하함에 따라, 구조물의 여러 부분에서 불균등하게 침하를 일으키는 현상이다. 보통 침하가 전체적으로 똑같게 발생하면 구조물의 파괴나 변상을 일으키는 일이 드물게 된다. 그러나, 부동침하하면 경사지거나 변형하게 되어 균열이 생기기 쉽다.
부동침하의 대책은 1)구조물을 가벼이 하거나, 2) 각 기초에 작용하는 하중을 균등하게 하며, 3) 기초구조를 통일하고 같은 지지층에 대놓거나, 4) 구조물의 수평방향 강성(剛性)을 크게하거나, 5) 적당한곳에 신축(伸縮) 이음매를 설치하는 등 부동침하에 뒤따르기 쉬운 상부구조로 하고, 6) 지반을 개량하고 침하를 억제하는 것으로, 본 발명의 실시예에 따른 안전 진단방법을 통해, 건축물의 부동침하를 실시간으로 진단하고, 대책을 수립할 수 있다.
또한, 관리서버(300)는 제어모듈(200)로부터 전송된 구조물의 고도를 전송받아 구조물의 기울기의 변화가 일어나지 않는 침하인 균등침하를 판단할 수 있다. 이때, 관리서버(300)는 설치된 후 처음 측정된 구조물의 고도와 비교하여 구조물의 균등침하를 판단할 수 있다.
[ 허용각 변위 한계 (Bjerrum,1963) ]
변위(δ/L) 내용
1/750 침하에 예민한 기게기초의 작업곤란 한계
1/600 사재를 가진 뼈대의 위험 한계
1/500 균열을 허용할 수 없는 빌딩에 대한 안정 한계
1/400 칸막이벽에 첫 균열이 예상되는 한계
1/300 고가크레인의 작업 곤란이 예상되는 한계
1/250 강성의 고층빌딩의 전도가 눈에 듸일수 있는 한계

1/150		 칸막이벽이나 벽돌벽의 상당한 균열이 있는 한계
가소성 벽돌벽의 안전 한계 일반적인 건물의 구조적 손상이 예상되는 한계
또한, 관리서버(300)는 제어모듈(200)로부터 전송되는 구조물에 가해지는 지동을 수집하여 DB에 저장하는 과정을 더 포함할 수 있다. 이때, 진동이 감지되면 진동이 감지되는 시점의 구조물의 기울기를 함께 저장할 수 있다.
또한, 관리서버(300)는 구조물의 각변위(δ/L)의 변화가 감지될때 마다 변화가 감지되기 직전기간동안의 구조물에 가해진 진동데이터와 각변위(δ/L)의 변화 값을 함께 저장하여 수치, 그래프 등으로 데이터화 하여 제공할 수 있다. 이를 통해 구조물에 가해지는 진동에 따른 구조물의 침하관계를 확인할 수 있다.
본 발명의 안전 모니터링 및 진단방법에서 구조물은 건물, 교량, 터널, 댐, 반응기, 증류탑, 배관, 선박, 송전탑 등일 수 있으며, 여기서 열거한 구조물들에 대하여 본 발명의 MEMS센서를 이용한 구조물의 안전 모니터링 및 진단방법을 적용하는 것은 상기에서 설명한 실시예와 동일하기 때문에 구체적인 설명은 생략한다.
상기에서 도 1 내지 5를 이용하여 서술한 것은, 본 발명의 주요 사항만을 서술한 것으로, 그 기술적 범위 내에서 다양한 설계가 가능한 만큼, 본 발명이 도 1 내지 5의 구성에 한정되는 것이 아님은 자명하다.
100 : 감지기 110 : MEMS센서모듈
111 : 가속도 센서 113 : 자이로 센서
115 : 콤파스 센서 117 : 고도계 센서
130 : 제어부 150 : 통신부
170 : 비상전원부 200 : 제어모듈
210 : 노이즈 제거 필터 230 : ADC(아날로그 디지털 컨버터)
250 : 변환부 300 : 관리서버
400 : 관리자 단말기

Claims (5)

  1. 가속도 센서, 자이로센서, 콤파스 센서 및 고도계 센서를 포함하는 감지기를 구조물에 적어도 하나 이상 설치하되, 구조물이 복수의 층으로 이루어진 경우, 각 층 마다 적어도 하나의 이상의 상기 감지기를 설치하는 단계;
    상기 감지기의 각각의 센서에서 감지되어 기설정주기 마다 전송되는 아날로그 신호를 노이즈 제거 필터를 사용하여 노이즈를 제거한 뒤, ADC를 이용하여 각각의 디지털 신호로 변환하는 단계;
    상기 각각의 디지털 신호를 이용하여 온도변화에 대한 보상을 반영하여 구조물의 각변위를 도출하고, 가속도 신호를 진동속도 또는 진동변위로 변환하며, 디지털 신호로부터 감지기가 설치된 위치의 고도값을 획득하는 단계;
    상기 각변위를 이전주기에 도출된 각변위과 비교하여 구조물의 기울어짐 여부를 판단하는 단계; 및
    상기 고도값을 구조물의 초기 고도값과 비교하여 기울기의 변화가 일어나지 않는 침하인 균등침하를 판단하는 단계;를 포함하되,
    구조물의 기울어짐이 발생한 것으로 판단되는 경우, 상기 각변위를 기저장된 비에름 수치(Bjerrum)와 비교하여 구조물의 안전상태를 판단하는 단계;를 포함하고,
    상기 구조물의 기울어짐이 발생한 것으로 판단되면, 기울기 변화가 감지되기 이전주기부터 각변위 변화가 감지된 때까지의 진동수치 또는 진동변위를 함께 DB에 저장하는 단계;를 더 포함하며,
    상기 감지기는,
    복수의 층계로 이루어진 구조물에 설치되는 경우, 홀수층에 설치되는 위치와 짝수층에 설치되는 위치가 상이하되,
    짝수층에 설치되는 감지기는, 홀수층에 설치된 감지기의 위치를 좌우 대칭한 위치를 짝수층에 반영하여 설치하고,
    상기 각각의 디지털 신호를 이용하여 온도변화에 대한 보상을 반영하여 구조물의 각변위를 도출하는 과정은, 수학식 2를 이용하여 온도변화에 따른 센서의 오류를 보정하는 것을 특징으로 하는, MEMS 센서를 이용한 구조물 안전 진단방법.
    [수학식 2]
    Figure 112018106960993-pat00008
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 구조물에 설치되어 기설정 주기마다 가속도 센서, 자이로센서, 콤파스 센서 및 고도계 센서를 통해 구조물의 상태를 감지하는 감지기;
    상기 감지기의 각각의 센서에서 기설정주기 마다 전송되는 아날로그 신호를 노이즈 제거 필터를 사용하여 노이즈를 제거하고, ADC로 변환하여 각각의 디지털 신호로 변환하며, 상기 각각의 디지털 신호를 이용하여 온도변화에 대한 보상을 반영하여 각변위를 도출하고, 가속도 신호를 진동속도 또는 진동변위로 변환하며, 고도값을 획득하여, 진동속도 또는 진동 변위 및 고도값을 관리서버로 전송하는 제어모듈;
    상기 제어모듈에서 전송되는 각변위를 이전주기에 전송된 각변위와 비교하여 구조물의 기울어짐을 판단하고, 상기 제어모듈에서 전송되는 고도값을 구조물의 초기 고도값과 비교하여 기울기의 변화가 일어나지 않는 침하인 균등침하를 판단하며, 구조물의 기울어짐 또는 균등침하가 발생했다고 판단되면, 관리자 단말기로 1차점검 알림을 전송하고, 상기 제어모듈에서 전송되는 각변위를 기저장된 비에름 수치(Bjerrum)와 비교하여 구조물의 안전상태를 판단하는 관리서버;를 포함하고,
    상기 관리서버는,
    상기 구조물의 각변위가 변화한 것으로 판단되면, 각변위 변화가 감지되기 이전주기부터 각변위 변화가 감지된 때까지의 진동수치 또는 진동변위를 함께 DB에 저장하고, 상기 각변위 변화와 진동수치 또는 진동변위의 변화를 데이터화 및 그래프화 하여 제공하며,
    상기 구조물에 가해지는 진동이 감지되는 것으로 판단되면, 진동이 감지되는 시점의 구조물의 기울기를 구조물에 가해지는 진동과 함께 DB에 저장할 수 있고,
    상기 각각의 디지털 신호를 이용하여 온도변화에 대한 보상을 반영하여 구조물의 각변위를 도출은, 수학식 2를 이용하여 온도변화에 따른 센서의 오류를 보정하는 것을 특징으로 하는 MEMS 센서를 이용한 구조물의 안전 모니터링 시스템.
    [수학식 2]
    Figure 112018106960993-pat00009

  5. 삭제
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