KR102145449B1 - Apparatus and Method for Monitoring Damage of Structure with Measuring Strain and Digital Twin - Google Patents

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Abstract

본 발명은 교량 등과 같은 구조물의 구조적인 안정성과 손상여부를 모니터링하기 위하여, 대상 구조물에 복수개의 계측점에서 변형률을 측정할 수 있는 변형률 계측 장치를 설치하고, 복수개의 계측점에서 측정된 초기 변형률을 이용하여, 대상 구조물에 하중이 재하되었을 때 대상 구조물이 반응하는 응답특성을 보이는 즉, 하중이 재하되었을 때 대상 구조물과 동일한 구조물의 구조적 거동 및 구조적 응답을 보이게 되는 가상의 구조해석모델(디지털 트윈/digital twin)을 형성한 후, 변형률 계측 장치를 통해서 원하는 시간 동안 원하는 시간 간격으로 변형률을 측정하고, 이를 미리 구축해놓은 가상의 구조해석모델에 적용함으로써, 대상 구조물의 손상여부를 판정하고 모니터링하게 되는 "구조물의 손상여부 모니터링 방법"과 이러한 모니터링 방법에 의해 작동되는 "구조물의 손상여부 모니터링 장치"에 관한 것이다. In order to monitor structural stability and damage of structures such as bridges, the present invention installs a strain measurement device capable of measuring strain at a plurality of measurement points on a target structure, and uses the initial strain measured at a plurality of measurement points. , A hypothetical structural analysis model that shows the response characteristics of the target structure when a load is applied to the target structure, that is, the structural behavior and structural response of the structure identical to that of the target structure when a load is applied (digital twin). ) Is formed, the strain is measured at a desired time interval for a desired time through a strain measurement device, and applied to a virtual structural analysis model that has been built in advance, thereby determining and monitoring the damage of the target structure. It relates to a "damage monitoring method" and a "damage monitoring device of a structure" operated by this monitoring method.

Description

변형률 계측과 이를 기반으로 하는 구조해석모델을 이용한 구조물의 손상여부 모니터링 방법 및 장치{Apparatus and Method for Monitoring Damage of Structure with Measuring Strain and Digital Twin}A method and apparatus for monitoring damage of a structure using strain measurement and a structural analysis model based on it {Apparatus and Method for Monitoring Damage of Structure with Measuring Strain and Digital Twin}

본 발명은 변형률 계측과 이를 기반으로 하는 구조해석모델을 이용한 구조물의 손상여부 모니터링 방법 및 장치에 관한 것으로서, 구체적으로는 구조적인 안정성과 손상여부에 대한 모니터링의 대상이 되는 구조물(대상 구조물)에 복수개의 계측점에서 변형률을 측정할 수 있는 변형률 계측 장치를 설치하여, 복수개의 계측점에서 측정된 초기 변형률을 이용하여, 대상 구조물에 하중이 재하되었을 때 대상 구조물이 반응하는 응답특성과 동일한 응답특성을 보이는 즉, 하중이 재하되었을 때 대상 구조물과 동일한 구조물의 구조적 거동 및 구조적 응답을 보이게 되는 가상의 구조해석모델(디지털 트윈/digital twin)을 형성한 후, 변형률 계측 장치를 통해서 원하는 시간 동안 원하는 시간 간격으로 변형률을 측정하고 이를 미리 구축해놓은 가상의 구조해석모델에 적용함으로써, 대상 구조물의 손상여부를 판정하고 모니터링하게 되는 "구조물의 손상여부 모니터링 방법"과 이러한 모니터링 방법에 의해 작동되는 "구조물의 손상여부 모니터링 장치"에 관한 것이다. The present invention relates to a method and an apparatus for monitoring the damage of a structure using a strain measurement and a structural analysis model based thereon. Specifically, a plurality of structures (target structures) to be monitored for structural stability and damage A strain measurement device that can measure the strain at three measurement points is installed, and using the initial strain measured at a plurality of measurement points, it shows the same response characteristics as the response characteristics of the target structure when a load is applied. , After forming a virtual structural analysis model (digital twin) that shows the structural behavior and structural response of the structure identical to that of the target structure when a load is applied, the strain rate at a desired time interval for a desired time through a strain measurement device By measuring and applying it to a virtual structural analysis model built in advance, the "Structure Damage Monitoring Method" that determines and monitors the damage of the target structure and the "Structure Damage Monitoring Device" operated by this monitoring method. "It's about.

교량 등의 구조물에 손상이 발생하였는지의 여부를 사전에 모니터링하는 것은 매우 중요하다. 구조물의 손상을 발생 초기에 파악하지 못하면 손상 부위가 점차 확산되게 되고 이를 나중에 보수보강을 하게 되면 더 넓고 심해진 손상 부위를 보수해야 하기 때문에 비용이 많이 소요되게 된다. 또한 근원적으로는 구조물의 손상은 구조물의 안전에 직접적인 영향을 미치는 요소이기 때문에 발생 초기에 조치되어야 한다. 따라서 구조물의 손상 여부를 사전에 정확하게 인지할 수 있도록 모니터링하는 것은, 구조물의 유지관리에 있어서 매우 중요하고 필요한 것이다. It is very important to monitor in advance whether any damage has occurred to structures such as bridges. If the damage to the structure is not identified in the early stage of occurrence, the damaged area gradually spreads, and if it is repaired and reinforced later, it is costly because a wider and deeper damaged area must be repaired. In addition, fundamentally, damage to the structure is a factor that directly affects the safety of the structure, so measures must be taken early in the occurrence. Therefore, monitoring the structure so that it can accurately recognize the damage in advance is very important and necessary in the maintenance of the structure.

교량 등의 구조물에 손상이 발생하였는지의 여부를 모니터링함에 있어서, 수학적인 해석모델을 이용하여 모니터링하는 방법이 제안되어 있다. 즉, 모니터링 대상이 되는 대상 구조물에 대하여 유한요소해석법에 기초한 구조해석모델을 설정하고, 이러한 구조해석모델을 이용하여 대상 구조물의 상태 즉, 손상 발생 여부를 판단하는 것이다. 그런데 종래 기술에서 이용되는 구조해석모델은, 대상 구조물로부터 측정된 가속도 계측값에 기초한다. 따라서 종래 기술의 구조해석모델을 이용하여 대상 구조물의 손상발생 여부를 모니터링하기 위해서는, 소수의 가속도계를 대상 구조물에 설치하여 가속도계에 의해 계측점에서의 가속도값을 계측하여 취득하고, 계측된 가속도값을 이용하여 대상 구조물의 고유진동수와 고유모드형상을 구하고, 구조해석모델에서 대상 구조물의 강성과 경계조건을, 계측에 의해 구해진 대상 구조물의 고유진동수 및 고유모드형상과 일치시키는 방식으로 구조해석모델을 설정해야 한다. In monitoring whether damage has occurred in structures such as bridges, a method of monitoring using a mathematical analysis model has been proposed. That is, a structural analysis model based on the finite element analysis method is set for the target structure to be monitored, and the state of the target structure, that is, whether or not damage has occurred, is determined using the structure analysis model. However, the structural analysis model used in the prior art is based on an acceleration measurement value measured from a target structure. Therefore, in order to monitor the occurrence of damage to the target structure using the structural analysis model of the prior art, a small number of accelerometers are installed on the target structure and the accelerometer measures and acquires the acceleration value at the measurement point, and the measured acceleration value is used. The structural analysis model should be set in such a way that the natural frequency and the natural mode shape of the target structure are obtained, and the stiffness and boundary conditions of the target structure in the structural analysis model are matched with the natural frequency and the natural mode shape of the target structure obtained by measurement. do.

그러나 위와 같은 종래 기술에서 이용되는 구조물의 고유진동수 및 고유모드형상은, 콘크리트 균열 등의 국부적인 손상에 의해서는 거의 변하지 않는다는 속성을 가지고 있다. 심지어 사장교에서 붕괴를 야기할 수 있는 케이블 절단사고가 발생하더라도 사장교의 고유진동수 및 고유모드형상의 변화는 미미하여 케이블 절단과 같은 중대 사고를 포착할 수 없다. 따라서 계측한 가속도값으로부터 계산한 구조물의 고유진동수 및 고유모드형상은 구조물의 국부적인 손상을 반영하지 못할 뿐 아니라 구조물의 전체 거동에 큰 영향을 미치는 사고에 대해서도 둔감하여 구조물의 현재 상태를 제대로 반영하지 못하는 단점을 가지고 있다. 결국 구조물 상태 변화에 둔감한 고유진동수와 고유모드형상에 기반하여 구성된 구조해석모델을 이용한 종래 기술의 경우에는, 구조물의 손상 상태를 제대로 파악하지 못하여 결국에는 적절한 보수보강 시점을 놓치게 되는 한계를 가지게 된다. However, the natural frequency and the natural mode shape of the structure used in the prior art as described above has the property that it hardly changes due to local damage such as concrete cracking. Even if a cable break accident that can cause collapse occurs in the cable-stayed bridge, the change in the natural frequency and the shape of the natural mode of the cable-stayed bridge is insignificant, and a serious accident such as a cable break cannot be detected. Therefore, the natural frequency and the natural mode shape of the structure calculated from the measured acceleration value do not reflect the local damage of the structure, and are insensitive to accidents that have a great influence on the overall behavior of the structure, and do not properly reflect the current state of the structure. It has the disadvantage of not being able to. In the end, in the case of the prior art using the structural analysis model constructed based on the natural frequency and the natural mode shape, which is insensitive to changes in the structural state, the damage state of the structure is not properly understood, and in the end, there is a limitation in that the proper repair and reinforcement time is missed .

한편, 구조물에 국부적인 손상이 발생하면 이는 곧바로 변형률의 증가로 나타나게 된다. 또한 구조물에 큰 변화가 생기게 되면 구조물의 처짐 형상이 바뀌게 되고 이는 결국 변형률의 변화로 이어진다. 따라서 구조물의 변형률은 가속도와 달리 구조물의 국부적인 손상과 전체 거동 변화를 감지할 수 있는 중요 척도가 된다. 이러한 장점을 가진 변형률을 기반으로 구조해석모델을 구성하면 구조물의 손상 정도를 정확히 모델링할 수 있어 적절한 보수보강이 가능해진다. On the other hand, when local damage occurs to the structure, it immediately appears as an increase in strain. Also, when a large change occurs in the structure, the deflection shape of the structure changes, which in turn leads to a change in the strain rate. Therefore, the strain of a structure becomes an important measure that can detect local damage and change in overall behavior of the structure, unlike acceleration. By constructing a structural analysis model based on the strain rate with such advantages, the degree of damage to the structure can be accurately modeled, thereby enabling proper repair and reinforcement.

이와 같이 변형률은 구조물의 손상 특징을 반영하는 것이므로, 이러한 변형률에 기초하여 대상 구조물의 손상발생 여부를 판단하고 모니터링하는 것이 바람직하지만, 이를 위해서는 변형률의 신뢰성 있는 측정은 물론이고, 구조해석모델에 이용할 만큼의 많은 계측점에서 변형률을 측정할 수 있어야 한다. 과거에는 소수의 계측점에서만 변형률을 측정하는 정도였으나, 최근에는 계측 기술의 발달을 통해서 브릴루앙 광섬유 변형률 센서와 같이, 구조해석모델에 이용하기에 충분한 개수의 계측점에서 구조물의 변형률을 정확하게 측정할 수 있는 기술이 개발되어 있다. In this way, since the strain reflects the damage characteristics of the structure, it is desirable to determine and monitor the occurrence of damage to the target structure based on this strain, but for this purpose, not only reliable measurement of the strain, but also enough to be used in a structural analysis model. It should be possible to measure the strain at many measurement points. In the past, the strain was measured only at a few measurement points, but in recent years, through the development of measurement technology, it is possible to accurately measure the strain of a structure at a sufficient number of measurement points to be used in a structural analysis model, such as a Brillouin fiber strain sensor. Technology is being developed.

그러나 변형률 계측 기술이 이와 같이 발달하게 되는 것도 최근의 일이므로, 아직까지는 복수의 많은 계측점에서 취득한 변형률 계측값을, 구조물에 대한 구조해석 내지 구조해석모델에 기반한 구조물의 모니터링에 효율적으로 이용할 수 있을 만한 기술의 개발은 매우 미흡한 실정이다. However, since the strain measurement technology is also recently developed, the strain measurement values obtained from a number of measurement points can be efficiently used for structural analysis or monitoring of structures based on structural analysis models. The development of technology is very insufficient.

대한민국 공개특허공보 제10-2012-0029061호(2012. 03. 26. 공개).Korean Patent Application Publication No. 10-2012-0029061 (published on March 26, 2012).

본 발명은 위와 같은 종래 기술의 한계를 극복하고 최근 발전된 계측 기술의 성과를 유용하게 활용하기 위하여 개발된 것으로서, 구조물에 하중이 재하되었을 때 구조물에서 나타나는 구조적인 반응 즉, 재하 하중에 대한 구조물의 구조적 거동 및 구조적 응답을 민감하게 반영할 수 있는 변형률에 기반하여, 구조물에 대한 구조해석모델을 구축하고, 이러한 구조해석모델과 계측 변형률을 이용하여 구조물의 손상발생 여부를 모니터링할 수 있는 기술을 제공하는 것을 목적으로 한다. The present invention was developed to overcome the limitations of the prior art as described above and to utilize the results of the recently developed measurement technology, and the structural response that appears in the structure when a load is loaded, that is, the structural response of the structure to the load Based on the strain that can sensitively reflect the behavior and structural response, a structural analysis model is built for the structure, and the structural analysis model and the measurement strain are used to provide a technology to monitor the occurrence of damage to the structure. It is aimed at.

위와 같은 과제를 달성하기 위하여 본 발명에서는, 손상발생 여부 모니터링 대상 구조물에, 복수개 계측점에서 변형률을 계측할 수 있는 변형률 계측 장치를 배치하고, 대상 구조물에 기지의 초기 하중을 재하하고 변형률 계측 장치를 이용하여 초기 변형률을 계측하는 단계; 계측된 초기 변형률은, 신호 수신부, 변형률-변형 변환 유닛, 강성행렬 도출 유닛, 및 구조물 손상 판단 유닛을 포함하여 구성된 연산장치로 전송되고, 연산장치의 변형률-변형 변환 유닛에서 연산을 통해서 초기 변형률을 초기 변형으로 변환하여 산출하는 단계; 연산장치에 구비된 강성행렬 도출 유닛에서 연산을 통해서, 대상 구조물의 하중에 대한 응답특성을 나타내는 초기 강성행렬을 도출하는 단계; 관리자가 정한 시간에서 대상 구조물에 기지의 사용 하중이 재하될 때의 사용상태 변형률을 대상 구조물에 설치된 변형률 계측 장치를 이용하여 계측하는 단계; 계측된 사용상태 변형률은 연산장치로 전송되고, 연산장치의 변형률-변형 변환 유닛에서는 연산을 통해서 계측된 사용상태 변형률을 사용상태 변형으로 변환하여 사용상태 변형을 산출하는 단계; 및 연산장치의 구조물 손상 판단 유닛에서, 사용 하중, 산출된 사용상태 변형, 및 대상 구조물에 대한 구조해석모델로서 도출해놓은 초기 강성행렬을 이용하여 대상 구조물의 손상 여부를 판단하는 단계;를 포함하는 구성을 가지고 있어서, 변형률 계측과, 이를 기반으로 하는 구조해석모델을 이용하여 대상 구조물에 구조적인 손상이 발생하였는지 여부를 모니터링하고 판단하게 되는 것을 특징으로 하는 구조물의 손상여부 모니터링 방법이 제공된다. In the present invention, in the present invention, a strain measurement device capable of measuring strain at a plurality of measurement points is disposed on a structure to be monitored for damage occurrence, and an initial load of a known base is loaded on the target structure and a strain measurement device is used. Measuring the initial strain; The measured initial strain is transmitted to a computing device comprising a signal receiver, a strain-strain conversion unit, a stiffness matrix derivation unit, and a structure damage determination unit, and the initial strain is calculated by the strain-strain conversion unit of the computing device. Converting and calculating the initial transformation; Deriving an initial stiffness matrix representing a response characteristic to a load of a target structure through calculation in a stiffness matrix derivation unit provided in the computing device; Measuring a strain in a state of use when a known working load is loaded on the target structure at a time determined by the administrator using a strain measuring device installed in the target structure; The measured usage state strain is transmitted to a computing device, and the strain-deformation conversion unit of the computing device converts the measured usage state strain into a usage state strain to calculate a usage state strain; And determining whether the target structure is damaged by using the used load, the calculated deformation of the used state, and the initial stiffness matrix derived as a structural analysis model for the target structure, in the structure damage determination unit of the computing device. And, by using a strain measurement and a structural analysis model based thereon, a method for monitoring and determining whether structural damage has occurred in a target structure is provided.

또한 본 발명에서는 상기한 과제를 달성하기 위하여, 복수개 계측점에서 변형률을 계측할 수 있으며 손상발생 여부 모니터링 대상 구조물에 배치되어 있는 변형률 계측 장치, 및 상기 변형률 계측 장치로부터의 신호를 수신하여 대상 구조물의 손상여부 모니터링을 위한 연산을 수행하는 연산장치를 포함하여 구성되는데, 연산장치는 신호 수신부, 변형률-변형 변환 유닛, 강성행렬 도출 유닛, 및 구조물 손상 판단 유닛을 포함하며; 신호 수신부에서는, 대상 구조물에 기지의 초기 하중을 재하되었을 때 변형률 계측 장치에 의해 계측된 초기 변형률을 수신하고; 변형률-변형 변환 유닛에서는, 수신된 초기 변형률을 초기 변형으로 변환하여 산출하고; 강성행렬 도출 유닛에서는, 대상 구조물의 하중에 대한 응답특성을 나타내는 초기 강성행렬을 연산하여 도출하고; 변형률-변형 변환 유닛에서는, 관리자가 정한 시간에서 대상 구조물에 기지의 사용 하중이 재하될 때의 사용상태 변형률이 대상 구조물에 설치된 변형률 계측 장치에 의해 계측되어 전송되어 오면, 연산을 통해서 계측된 사용상태 변형률을 사용상태 변형으로 변환하여 사용상태 변형을 산출하고; 구조물 손상 판단 유닛에서는, 사용 하중, 산출된 사용상태 변형, 및 대상 구조물에 대한 구조해석모델로서 도출해놓은 초기 강성행렬을 이용하여 대상 구조물의 손상 여부를 판단하게 되어; 변형률 계측과, 이를 기반으로 하는 구조해석모델을 이용하여 대상 구조물에 구조적인 손상이 발생하였는지 여부를 모니터링하고 판단하게 되는 것을 특징으로 하는 구조물의 손상여부 모니터링 장치가 제공된다. In addition, in the present invention, in order to achieve the above object, the strain measurement device can measure the strain at a plurality of measurement points, and the strain measurement device disposed on the structure to be monitored for damage, and the signal from the strain measurement device are received to damage the target structure. And a computing device that performs an operation for monitoring whether or not, the computing device includes a signal receiving unit, a strain-strain conversion unit, a stiffness matrix derivation unit, and a structure damage determination unit; In the signal receiving unit, the initial strain measured by the strain measuring device is received when the target structure is loaded with a known initial load; In the strain-strain conversion unit, the received initial strain is converted into an initial strain and is calculated; In the stiffness matrix derivation unit, the initial stiffness matrix representing the response characteristics to the load of the target structure is calculated and derived; In the strain-strain conversion unit, the state of use when a known working load is loaded on the target structure at a time set by the administrator, when the strain is measured and transmitted by the strain measuring device installed in the target structure, the state of use measured through calculation Converting the strain rate into a state of use transformation to calculate the state of use transformation; In the structure damage determination unit, it is determined whether the target structure is damaged using the used load, the calculated state of use deformation, and the initial stiffness matrix derived as a structural analysis model for the target structure; A structural damage monitoring device is provided, characterized in that it monitors and determines whether structural damage has occurred in a target structure using strain measurement and a structural analysis model based thereon.

상기한 본 발명에 따른 구조물의 손상여부 모니터링 장치 및 방법에서, 변형률-변형 변환 유닛에서 초기 변형률을 초기 변형으로 변환하여 산출할 때에는, 대상 구조물을 관리자가 정한 개수의 해석요소로 분할하는 과정; 분할된 각각의 해석요소에 대하여, 절점 변형과 해당 해석요소 내에 존재하는 <변형률 계측점에서의 변형률 사이의 관계를 나타내는 변환행렬을 연산하여 도출하는 과정; 도출된 각 해석요소의 변환행렬을 통합함으로써 전체 대상 구조물에 대한 변환행렬을 연산하여 도출하는 과정; 및 도출된 전체 대상 구조물에 대한 변환행렬에 초기 변형률을 곱하여 대상 구조물의 초기 변형을 산출하는 과정을 포함하는 연산을 수행할 수 있다. In the above-described apparatus and method for monitoring damage to a structure according to the present invention, when calculating by converting the initial strain into the initial strain in the strain-strain conversion unit, the process of dividing the target structure into the number of analysis elements determined by the administrator; For each of the divided analysis elements, a process of calculating and deriving a transformation matrix representing the relationship between the node deformation and the strain at the <strain rate measurement point existing in the analysis element; A process of calculating and deriving a transformation matrix for the entire target structure by integrating the derived transformation matrix of each analysis element; And calculating the initial deformation of the target structure by multiplying the derived transformation matrix for the entire target structure by the initial deformation rate.

본 발명에서는, 구조물의 손상 특징을 반영하여 구조물의 국부적인 손상과 전체 거동 변화를 감지할 수 있는 중요 척도가 되는 변형률을 기반으로 구조해석모델을 구성하고, 대상 구조물의 복수개의 많은 계측점에서 실시간으로 측정된 변형률 계측값과, 설정해둔 구조해석모델을 이용하여 구조물의 손상여부 및 손상위치를 파악하게 된다. In the present invention, a structural analysis model is constructed based on strain, which is an important measure capable of detecting local damage and overall behavior change of the structure by reflecting the damage characteristics of the structure, and in real time at a plurality of measurement points of the target structure. Using the measured strain measurement value and the set structural analysis model, the damage or not and the location of the structure is identified.

따라서 본 발명에 의하면, 구조물의 손상에 대응할 수 있는 적절한 방안을 선제적으로 준비하고 대비할 수 있게 되며, 구조물을 더욱 안전하게 유지관리할 수 있게 된다. Therefore, according to the present invention, it is possible to preemptively prepare and prepare an appropriate method to cope with damage to the structure, and it is possible to maintain the structure more safely.

도 1은 본 발명에 따른 구조물의 손상여부 모니터링 방법의 구체적인 과정에 대한 개략적인 흐름도이다.
도 2는 도 1에 도시된 본 발명의 방법에 의해 구조물의 손상여부를 모니터링하는 본 발명의 장치에 대한 개략적인 구성도이다.
도 3은 본 발명이 적용되는 대상 구조물의 예시로서 2차원의 보(beam)에 변형률 계측 장치로서 분포형 광섬유 센서가 설치되어 있는 상태를 보여주는 개략도이다.
도 4는 본 발명에서 수행되는 초기 변형률의 초기 변형으로의 변환 단계의 구체적인 과정에 대한 개략적인 흐름도이다.
도 5는 구조해석모델의 형성을 위하여 도 3에 예시된 2차원의 보를 4개의 해석요소로 분할한 경우를 보여주는 개략도이다.
도 6은 구조해석모델의 형성을 위하여 도 3에 예시된 2차원의 보를 8개의 해석요소로 분할한 경우를 보여주는 개략도이다.
도 7은 도 5에 도시된 2차원의 보를 대상 구조물로 삼아서 4개의 해석요소로 분할하였을 때, 첫번째 해석요소만을 확대하여 보여주는 개략적인 부분확대도이다. 1 is a schematic flowchart of a detailed process of a method for monitoring damage to a structure according to the present invention.
FIG. 2 is a schematic configuration diagram of an apparatus of the present invention for monitoring whether a structure is damaged by the method of the present invention shown in FIG. 1.
3 is a schematic diagram showing a state in which a distributed optical fiber sensor is installed as a strain measurement device in a two-dimensional beam as an example of a target structure to which the present invention is applied.
4 is a schematic flowchart of a detailed process of a step of converting an initial strain to an initial strain performed in the present invention.
5 is a schematic diagram showing a case in which the two-dimensional beam illustrated in FIG. 3 is divided into four analysis elements in order to form a structural analysis model.
6 is a schematic diagram showing a case in which the two-dimensional beam illustrated in FIG. 3 is divided into eight analysis elements in order to form a structural analysis model.
7 is a schematic partial enlarged view showing only the first analysis element in an enlarged manner when the two-dimensional beam shown in FIG. 5 is used as a target structure and divided into four analysis elements.

이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부한 도면을 참조하여 설명한다. 본 발명은 도면에 도시된 실시예를 참고로 설명되었으나 이는 하나의 실시예로서 설명되는 것이며, 이것에 의해 본 발명의 기술적 사상과 그 핵심 구성 및 작용이 제한되지 않는다. Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described with reference to the accompanying drawings. The present invention has been described with reference to the embodiment shown in the drawings, but this is described as an embodiment, by which the technical idea of the present invention and its core configuration and operation are not limited.

도 1에는 본 발명에 따른 "구조물의 손상여부 모니터링 방법"의 구체적인 과정에 대한 개략적인 흐름도가 도시되어 있으며, 도 2에는 도 1에 도시된 본 발명의 방법에 의해 구조물의 손상여부를 모니터링하는 본 발명의 장치에 대한 개략적인 구성도가 도시되어 있다. 도 2에서 화살표 K로 표시된 선은 변형률 계측 장치로부터 계측값이 전송되는 것을 의미한다. FIG. 1 is a schematic flowchart of a detailed process of the "method for monitoring whether a structure is damaged" according to the present invention, and FIG. 2 is a view for monitoring whether a structure is damaged by the method of the present invention shown in FIG. A schematic configuration diagram of the device of the invention is shown. In FIG. 2, the line indicated by the arrow K means that the measured value is transmitted from the strain measurement device.

본 발명에 따른 "구조물의 손상여부 모니터링 장치"는 손상발생 여부를 모니터링하려는 대상 구조물(200)에 설치된 변형률 계측 장치(예를 들면, 분포형 광섬유 센서)(1), 및 상기한 변형률 계측 장치(1)로부터의 신호를 수신하여 대상 구조물(200)의 손상발생 여부의 모니터링을 위한 연산 및 일련의 실행과정을 수행하는 연산장치(100)를 포함하여 구성되는데, 연산장치(100)는 신호 수신부(10), 변형률-변형 변환 유닛(20), 강성행렬 도출 유닛(30), 및 구조물 손상 판단 유닛(40)을 포함하여 구성된다. 본 발명에서 연산장치(100)는 컴퓨터에서 구동되는 소프트웨어로 구현될 수 있다. 따라서 연산장치를 구성하는 상기한 신호 수신부(10), 변형률-변형 변환 유닛(20), 강성행렬 도출 유닛(30), 및 구조물 손상 판단 유닛(40)은 각각 저마다의 기능을 수행하기 위한 소프트웨어의 모듈로 구현될 수 있다. The "damage monitoring device of a structure" according to the present invention includes a strain measurement device (for example, a distributed optical fiber sensor) 1 installed in a target structure 200 to monitor whether damage occurs, and the strain measurement device ( It is configured to include a calculation device 100 that receives a signal from 1) and performs an operation and a series of execution processes for monitoring whether damage to the target structure 200 has occurred, and the calculation device 100 includes a signal receiving unit ( 10), a strain-strain conversion unit 20, a stiffness matrix derivation unit 30, and a structure damage determination unit 40. In the present invention, the computing device 100 may be implemented as software running on a computer. Therefore, the signal receiver 10, the strain-strain conversion unit 20, the stiffness matrix derivation unit 30, and the structure damage determination unit 40 constituting the computing device are each of software for performing its own function. It can be implemented as a module.

도 3에는 대상 구조물(200)의 예시로서 2차원의 보(beam)에 변형률 계측 장치(1)로서 분포형 광섬유 센서를 설치한 상태를 보여주는 개략도가 도시되어 있다. 3 is a schematic diagram showing a state in which a distributed optical fiber sensor is installed as a strain measurement device 1 on a two-dimensional beam as an example of the target structure 200.

본 발명에 의해 구조물의 손상여부를 모니터링하기 위해서는 우선, 분포형 광섬유 센서와 같이, 복수개의 계측점에서 변형률을 계측할 수 있는 변형률 계측 장치(1)를 대상 구조물(200)에 설치한 후, 대상 구조물(200)에 기지(旣知)의 초기 하중

Figure 112018120868097-pat00001
을 재하하고 변형률 계측 장치를 이용하여 변형률 즉, 초기 변형률(strain)
Figure 112018120868097-pat00002
을 계측한다(단계 S1). 변형률 계측 장치(1)는 복수개의 변형률 계측점을 가지고 있으므로, 초기 하중을 재하함에 따라 측정되는 초기 변형률은, 계측점의 갯수에 해당하는 복수개의 계측값으로 이루어진 벡터로 표현된다. 즉, 초기 변형률
Figure 112018120868097-pat00003
은, 변형률 계측 장치의 계측점 각각 에서 계측된 변형률
Figure 112018120868097-pat00004
를 성분으로 가지는 벡터로 표현되며, 구체적으로,
Figure 112018120868097-pat00005
형태가 된다. In order to monitor whether a structure is damaged according to the present invention, first, a strain measurement device 1 capable of measuring strain at a plurality of measurement points, such as a distributed optical fiber sensor, is installed on the target structure 200, and then the target structure Initial load known to (200)
Figure 112018120868097-pat00001
Load and use a strain measuring device to determine the strain, that is, the initial strain
Figure 112018120868097-pat00002
Is measured (step S1). Since the strain measurement device 1 has a plurality of strain measurement points, the initial strain measured by loading the initial load is expressed as a vector consisting of a plurality of measurement values corresponding to the number of measurement points. I.e. initial strain
Figure 112018120868097-pat00003
Silver, strain measured at each measurement point of the strain measuring device
Figure 112018120868097-pat00004
It is expressed as a vector having as a component, specifically,
Figure 112018120868097-pat00005
It becomes a form.

계측된 초기 변형률

Figure 112018120868097-pat00006
은 연산장치(100)의 신호 수신부(10)로 전송되고, 연산장치(100)에 구비된 변형률-변형 변환 유닛(20)으로 전달되어, 변형률-변형 변환 유닛(20)에서의 연산을 통해서 초기 변형률
Figure 112018120868097-pat00007
을 초기 변형(deformation)
Figure 112018120868097-pat00008
으로 변환하여 산출한다(단계 S2). Measured initial strain
Figure 112018120868097-pat00006
Is transmitted to the signal receiving unit 10 of the computing device 100, transferred to the strain-strain conversion unit 20 provided in the computing device 100, and is initially transmitted through the calculation in the strain-strain conversion unit 20. Strain
Figure 112018120868097-pat00007
The initial transformation
Figure 112018120868097-pat00008
And calculated (step S2).

도 4에는 본 발명에서 수행되는 초기 변형률의 초기 변형으로의 변환 단계의 구체적인 과정에 대한 개략적인 흐름도가 도시되어 있다. 변형률을 변형으로 변환함에 있어서는, 유한요소해석법을 이용할 수 있는데, 이를 구체적으로 살펴보면, 우선 대상 구조물(200)을 관리자가 정한 개수의 해석요소로 분할한다(단계 S2-1). 즉, 관리자는 대상 구조물(200)에 대해 유한요소해석법을 적용하기 위한 해석요소의 개수를 정하여 연산장치(100)에 입력하고, 그에 따라 변형률-변형 변환 유닛(20)은 유한요소해석법에서 적용되는 공지의 방식에 의해 대상 구조물을 관리자가 정한 개수의 해석요소로 분할하는 것이다. 4 is a schematic flowchart of a detailed process of a step of converting an initial strain to an initial strain performed in the present invention. In converting the strain into strain, a finite element analysis method can be used. Looking specifically, the target structure 200 is first divided into a number of analysis elements determined by the administrator (step S2-1). That is, the manager determines the number of analysis elements for applying the finite element analysis method to the target structure 200 and inputs it into the computing device 100, and accordingly, the strain-strain conversion unit 20 is applied in the finite element analysis method. It is to divide the target structure into the number of analysis elements determined by the administrator by a known method.

해석요소 개수가 작아질수록, 즉 해석요소가 커질수록 해석요소 내의 계측된 변형률이 평균되는 효과가 나타난다. 따라서 변형률이 변형에 미치는 영향을 세세하게 파악하려는 경우에는, 해석요소 개수를 증가시켜서 요소크기를 작게 하고, 평균적인 변형을 파악하려는 경우에는 해석요소의 개수를 줄여서 요소 크기를 크게 하면 된다. 도 5 및 도 6에는 각각 도 3에 예시된 2차원의 보(beam)를 각각 4개의 해석요소로 분할한 경우(도 5)와 8개의 해석요소로 분할한 경우(도 6)을 보여주는 개략도가 도시되어 있다. The smaller the number of analysis elements, that is, the larger the analysis elements, the more the measured strain in the analysis elements is averaged. Therefore, if you want to understand the effect of the strain on the deformation in detail, increase the number of analysis elements to reduce the element size, and if you want to understand the average deformation, reduce the number of analysis elements to increase the element size. 5 and 6 are schematic diagrams showing a case where the two-dimensional beam illustrated in FIG. 3 is divided into four analysis elements (Fig. 5) and eight analysis elements (Fig. 6), respectively. Is shown.

해석요소로의 분할이 완료된 후에는, 변형률-변형 변환 유닛(20)에서는, 각 해석요소에 대해 <절점 변형>과 해당 해석요소 내에 존재하는 <변형률 계측점에서의 변형률> 사이의 관계를 나타내는 변환행렬을 도출하는 연산을 수행한다(단계 S2-2). After the division into analysis elements is completed, in the strain-strain conversion unit 20, for each analysis element, a conversion matrix indicating the relationship between the <node deformation> and the <strain at the strain measurement point> existing in the analysis element An operation to derive is performed (step S2-2).

각 해석요소에서의 절점 변형과, 변형률 계측점에서의 변형률 사이의 관계는 기본적으로 아래의 수학식 1로 표현될 수 있다. The relationship between the nodal deformation at each analysis element and the deformation at the strain measurement point may be basically expressed by Equation 1 below.

Figure 112018120868097-pat00009
Figure 112018120868097-pat00009

위의 수학식 1에서

Figure 112018120868097-pat00010
는, 대상 구조물에 대해 분할한 해석요소 중에서 하나의 해석요소의 "절점 변형"을 의미하며,
Figure 112018120868097-pat00011
는 해당 해석요소에 내에 존재하는 변형률 계측점의 변형률 즉, "계측점의 변형률"을 의미하며,
Figure 112018120868097-pat00012
는 해당 해석요소의 "변환행렬"을 의미한다. 대상 구조물은 유한요소해석을 위한 복수개의 해석요소로 분할된 상태이고 복수개의 절점과 복수개의 변형률 계측점을 가지고 있으므로, 위 수학식 1의 절점 변형
Figure 112018120868097-pat00013
는 벡터로 표현되며, 계측점의 변형률
Figure 112018120868097-pat00014
역시 벡터로 표현되며, 변환행렬
Figure 112018120868097-pat00015
는 복수개의 행과 열을 가지는 행렬로 표현된다. In Equation 1 above
Figure 112018120868097-pat00010
Means "node deformation" of one of the analysis elements divided for the target structure,
Figure 112018120868097-pat00011
Means the strain of the strain measuring point that exists in the analysis element, that is, the "strain of the measuring point",
Figure 112018120868097-pat00012
Means "transformation matrix" of the corresponding analysis element. Since the target structure is divided into a plurality of analysis elements for finite element analysis and has a plurality of nodes and a plurality of strain measurement points, the node deformation of Equation 1 above.
Figure 112018120868097-pat00013
Is expressed as a vector, and the strain at the measurement point
Figure 112018120868097-pat00014
It is also expressed as a vector, and the transformation matrix
Figure 112018120868097-pat00015
Is expressed as a matrix having a plurality of rows and columns.

도 7에는 도 5에 도시된 2차원의 보(beam)를 대상 구조물로 삼아서 4개의 해석요소로 분할하였을 때, 첫번째 해석요소만을 확대하여 도시한 것인데, 도 7에 도시된 것처럼 첫번째 해석요소에는 도 5에서 영문자

Figure 112018120868097-pat00016
과
Figure 112018120868097-pat00017
로 표시된 2개의 절점을 가지며, 각각의 절점에서는 수평 변형
Figure 112018120868097-pat00018
와 수직 변형
Figure 112018120868097-pat00019
, 그리고 회전 변형
Figure 112018120868097-pat00020
이 발생하므로, 이 경우 수학식 1에서
Figure 112018120868097-pat00021
로 표시된 해당 해석요소에서의 "절점 변형"은 아래의 수학식 2와 같이 표현될 수 있다. 도 7에서
Figure 112018120868097-pat00022
와
Figure 112018120868097-pat00023
는 각각 변형률 계측점의 좌표를 나타내며,
Figure 112018120868097-pat00024
,
Figure 112018120868097-pat00025
,
Figure 112018120868097-pat00026
, ...는 각 변형률 계측점에서 계측된 초기 변형률 값을 나타낸다. In FIG. 7, when the two-dimensional beam shown in FIG. 5 is used as a target structure and divided into four analysis elements, only the first analysis element is enlarged. As shown in FIG. 7, the first analysis element is Alphabet letters from 5
Figure 112018120868097-pat00016
and
Figure 112018120868097-pat00017
It has two nodes marked with, and horizontal deformation at each node
Figure 112018120868097-pat00018
And vertical transformation
Figure 112018120868097-pat00019
, And rotation transformation
Figure 112018120868097-pat00020
Since is generated, in this case, in Equation 1
Figure 112018120868097-pat00021
The "node deformation" in the corresponding analysis element indicated by may be expressed as Equation 2 below. In Fig. 7
Figure 112018120868097-pat00022
Wow
Figure 112018120868097-pat00023
Represents the coordinates of each strain measurement point,
Figure 112018120868097-pat00024
,
Figure 112018120868097-pat00025
,
Figure 112018120868097-pat00026
, ... represent the initial strain values measured at each strain measurement point.

변환행렬

Figure 112018120868097-pat00027
는 다양한 공지의 제안식으로 표현할 수 있는데, 예를 들어 오일러-베르누이 빔(Euler-Bernoulli beam)에 대한 제안식을 이용하는 경우, 변환행렬
Figure 112018120868097-pat00028
에서 좌표
Figure 112018120868097-pat00029
,
Figure 112018120868097-pat00030
의 변형률 계측점에 대한 변환행렬 값
Figure 112018120868097-pat00031
는 아래의 수학식 3 및 수학식 4로 표현될 수 있다. Transformation matrix
Figure 112018120868097-pat00027
Can be expressed as a variety of well-known proposed equations. For example, when using the proposed equation for Euler-Bernoulli beam, the transformation matrix
Figure 112018120868097-pat00028
Coordinates from
Figure 112018120868097-pat00029
,
Figure 112018120868097-pat00030
Transformation matrix value for the strain measurement point of
Figure 112018120868097-pat00031
May be expressed by Equation 3 and Equation 4 below.

Figure 112018120868097-pat00032
Figure 112018120868097-pat00032

Figure 112018120868097-pat00033
Figure 112018120868097-pat00033

Figure 112018120868097-pat00034
Figure 112018120868097-pat00034

위 수학식 2에서

Figure 112018120868097-pat00035
,
Figure 112018120868097-pat00036
및
Figure 112018120868097-pat00037
은 각각 절점
Figure 112018120868097-pat00038
에서의 수평 변형, 수직 변형, 및 회전 변형을 의미하며,
Figure 112018120868097-pat00039
,
Figure 112018120868097-pat00040
및
Figure 112018120868097-pat00041
은 각각 절점
Figure 112018120868097-pat00042
에서의 수평 변형, 수직 변형, 및 회전 변형을 의미한다. 그리고 수학식 4에서
Figure 112018120868097-pat00043
은 해당 해석요소의 길이를 의미한다. In Equation 2 above
Figure 112018120868097-pat00035
,
Figure 112018120868097-pat00036
And
Figure 112018120868097-pat00037
Each node
Figure 112018120868097-pat00038
Means horizontal transformation, vertical transformation, and rotation transformation in,
Figure 112018120868097-pat00039
,
Figure 112018120868097-pat00040
And
Figure 112018120868097-pat00041
Each node
Figure 112018120868097-pat00042
Means horizontal deformation, vertical deformation, and rotational deformation. And in Equation 4
Figure 112018120868097-pat00043
Means the length of the corresponding analysis element.

위와 같이 변환행렬은 해당 해석요소의 기하적인 형상과 변형률 계측점의 좌표를 이용한 공지의 제안식으로 표현되는데, 해당 해석요소의 기하적인 형상에 대한 값과, 변형률 계측점의 좌표를 해석을 수행하는 관리자가 이미 알고 있는 값으로서 연산장치(100)에 입력된 것이므로, 연산장치(100)의 변형률-변형 변환 유닛(10)에서는 이러한 기지의 값을 이용하여 하나의 해석요소에 내에 있는 각각의 변형률 계측점에 대한 연산을 통해서, 각 변형률 계측점에서의 변환행렬 값을 산출하고, 이것을 행렬로 표현하여 "해당 해석요소에 대한 변환행렬"을 도출한다.As shown above, the transformation matrix is expressed by a known proposed formula using the geometric shape of the analysis element and the coordinates of the strain measurement point.The manager who analyzes the value of the geometric shape of the analysis element and the coordinates of the strain measurement point Since the value is already known and input to the computing device 100, the strain-strain conversion unit 10 of the computing device 100 uses this known value for each strain measurement point in one analysis element. Through the operation, the value of the transformation matrix at each strain measurement point is calculated and expressed as a matrix to derive the "transformation matrix for the corresponding analysis element".

대상 구조물(200)은 복수개의 해석요소로 분할되어 있으므로, 연산장치(100)의 변형률-변형 변환 유닛(20)에서는 해석요소에 대한 변환행렬의 도출작업을 각 해석요소에 대해 반복적으로 수행하고, 이에 의해 도출된 각 해석요소의 변환행렬을 통합함으로써 전체 대상 구조물에 대한 변환행렬

Figure 112018120868097-pat00044
을 도출한다(단계 S2-3). 전체 대상 구조물에 대한 변환행렬
Figure 112018120868097-pat00045
이 도출되면, 위의 수학식 1에 따라 아래의 수학식 5의 관계가 성립하게 된다. Since the target structure 200 is divided into a plurality of analysis elements, the strain-strain conversion unit 20 of the computing device 100 repeatedly performs the derivation of the conversion matrix for the analysis elements for each analysis element, By integrating the transformation matrix of each analysis element derived by this, the transformation matrix for the entire target structure
Figure 112018120868097-pat00044
Is derived (step S2-3). Transformation matrix for all target structures
Figure 112018120868097-pat00045
When is derived, the relationship of Equation 5 below is established according to Equation 1 above.

Figure 112018120868097-pat00046
Figure 112018120868097-pat00046

위 수학식 5에서,

Figure 112018120868097-pat00047
는 위에서 설명한 과정에 의해 전체 대상 구조물에 대해 도출해낸 변환행렬이고,
Figure 112018120868097-pat00048
는 벡터로 표현된 초기 변형률(strain)이며,
Figure 112018120868097-pat00049
는 벡터로 표현된 대상 구조물의 초기 변형(deformation)이다. In Equation 5 above,
Figure 112018120868097-pat00047
Is the transformation matrix derived for the entire target structure by the process described above,
Figure 112018120868097-pat00048
Is the initial strain expressed as a vector,
Figure 112018120868097-pat00049
Is the initial deformation of the target structure expressed as a vector.

단계 S1을 통해서 초기 변형률(strain)

Figure 112018120868097-pat00050
을 계측하여 취득한 상태이고, 위의 단계 S2-2를 통해서 대상 구조물의 변환행렬
Figure 112018120868097-pat00051
을 도출하였으므로, 연산장치(100)의 변형률-변형 변환 유닛(10)에서는 수학식 5의 연산을 통해서, 대상 구조물의 초기 변형(deformation)
Figure 112018120868097-pat00052
을 산출한다(단계 S2-4). 산출된 초기 변형
Figure 112018120868097-pat00053
은, 앞서 언급한 것처럼 벡터로 표현된다. Initial strain through step S1
Figure 112018120868097-pat00050
Is obtained by measuring, and the transformation matrix of the target structure through step S2-2 above
Figure 112018120868097-pat00051
Since is derived, in the strain-deformation conversion unit 10 of the computing device 100, the initial deformation of the target structure through the calculation of Equation 5
Figure 112018120868097-pat00052
Is calculated (step S2-4). Calculated initial transformation
Figure 112018120868097-pat00053
Is expressed as a vector, as mentioned earlier.

이와 같이, 계측된 초기 변형률

Figure 112018120868097-pat00054
을 변환하여 초기 변형
Figure 112018120868097-pat00055
을 산출한 후에는, 연산장치(100)에 구비된 강성행렬 도출 유닛(30)에서는 연산을 통해서, 대상 구조물의 하중에 대한 응답특성을 나타내는 초기 강성행렬
Figure 112018120868097-pat00056
을 도출한다(단계 S3). Thus, the measured initial strain
Figure 112018120868097-pat00054
Transform the initial transformation
Figure 112018120868097-pat00055
After calculating, the stiffness matrix derivation unit 30 provided in the computing device 100 uses an initial stiffness matrix representing the response characteristics to the load of the target structure through calculation.
Figure 112018120868097-pat00056
Is derived (step S3).

대상 구조물의 초기 변형

Figure 112018120868097-pat00057
와 대상 구조물에 가해진 초기 하중
Figure 112018120868097-pat00058
는 아래의 수학식 6으로 표현되는 관계를 가진다. 여기서, 초기 하중은 벡터이므로, 편의상 영어 대문자를 사용하여
Figure 112018120868097-pat00059
로 표현하였다. Initial deformation of the target structure
Figure 112018120868097-pat00057
And the initial load applied to the target structure
Figure 112018120868097-pat00058
Has a relationship expressed by Equation 6 below. Here, the initial load is a vector, so for convenience, English capital letters are used.
Figure 112018120868097-pat00059
Expressed as.

Figure 112018120868097-pat00060
Figure 112018120868097-pat00060

위의 수학식 6에서

Figure 112018120868097-pat00061
는 초기 강성행렬로서, 이는 대상 구조물의 강성
Figure 112018120868097-pat00062
와, 대상 구조물의 지지조건을 나타내는 스프링상수
Figure 112018120868097-pat00063
의 함수이며, 초기 강성행렬의 수학적 함수 형태는 다양한 것이 이미 제안되어 공지되어 있다. 참고로 유한요소해석법에서는 대상 구조물이 지지되고 있는 지지조건을 스프링 상수로 표현할 수 있다. 벡터로 표현되는 초기 하중
Figure 112018120868097-pat00064
는, 스칼라 값으로서 초기에 재하한 기지의 하중 값
Figure 112018120868097-pat00065
와 하중 재하 위치로부터 공지의 기술을 통해 쉽게 구성할 수 있다. In Equation 6 above
Figure 112018120868097-pat00061
Is the initial stiffness matrix, which is the stiffness of the target structure
Figure 112018120868097-pat00062
Wow, spring constant indicating the supporting conditions of the target structure
Figure 112018120868097-pat00063
It is a function of, and various types of mathematical functions of the initial stiffness matrix have already been proposed and known. For reference, in the finite element analysis method, the support condition in which the target structure is supported can be expressed as a spring constant. Initial load expressed as a vector
Figure 112018120868097-pat00064
Is, as a scalar value, the known load value initially loaded
Figure 112018120868097-pat00065
It can be easily constructed from the load-loading position and through known techniques.

대상 구조물에 대한 초기 강성행렬

Figure 112018120868097-pat00066
은 미지의 상태이지만, 대상 구조물의 초기 변형
Figure 112018120868097-pat00067
과 대상 구조물에 가해진 초기 하중
Figure 112018120868097-pat00068
은, 변형률 계측 장치를 이용한 계측과 상기한 연산 과정을 통해서 도출되어 기지 상태의 것이다. 따라서, 강성행렬 도출 유닛(30)에서는, 관리자가 지정한 초기 강성행렬의 수학적 함수에 대해 최적화기법의 연산을 수행함으로써, 초기 강성행렬
Figure 112018120868097-pat00069
을 도출하게 된다. Initial stiffness matrix for the target structure
Figure 112018120868097-pat00066
Is unknown, but initial deformation of the target structure
Figure 112018120868097-pat00067
And the initial load applied to the target structure
Figure 112018120868097-pat00068
Is derived through measurement using a strain measurement device and the above-described calculation process, and is in a known state. Therefore, in the stiffness matrix derivation unit 30, the initial stiffness matrix is calculated by performing an optimization technique on the mathematical function of the initial stiffness matrix designated by the administrator.
Figure 112018120868097-pat00069
Is derived.

구체적으로 강성행렬 도출 유닛(30)에서는 관리자가 지정한 초기 강성행렬의 수학적 함수에 대하여, 대상 구조물의 강성

Figure 112018120868097-pat00070
의 값과 대상 구조물의 스프링상수
Figure 112018120868097-pat00071
값을 변화시켜가면서 연산을 수행하여 수학식 7을 만족하게 되는 대상 구조물의 초기 강성 값
Figure 112018120868097-pat00072
과 대상 구조물의 초기 스프링상수 값
Figure 112018120868097-pat00073
를 찾아내는 것이며, 이렇게 찾아진 대상 구조물의 초기 강성 값
Figure 112018120868097-pat00074
과 대상 구조물의 초기 스프링상수 값
Figure 112018120868097-pat00075
에 의해 초기 강성행렬
Figure 112018120868097-pat00076
을 도출하게 되는 것이다. Specifically, in the stiffness matrix derivation unit 30, for the mathematical function of the initial stiffness matrix designated by the administrator, the stiffness of the target structure
Figure 112018120868097-pat00070
Value and spring constant of the target structure
Figure 112018120868097-pat00071
The initial stiffness value of the target structure that satisfies Equation 7 by performing calculation while changing the value
Figure 112018120868097-pat00072
And the initial spring constant value of the target structure
Figure 112018120868097-pat00073
Is to find the initial stiffness value of the structure
Figure 112018120868097-pat00074
And the initial spring constant value of the target structure
Figure 112018120868097-pat00075
Initial stiffness matrix by
Figure 112018120868097-pat00076
Is to derive.

Figure 112018120868097-pat00077
Figure 112018120868097-pat00077

위의 단계 S3에 의해 도출된 초기 강성행렬

Figure 112018120868097-pat00078
은, 초기 상태의 대상 구조물과 동일한 구조적 거동 및 구조적 응답(대상 구조물의 응답특성)을 보일 수 있는 "구조해석모델"이 된다. Initial stiffness matrix derived by step S3 above
Figure 112018120868097-pat00078
Is a "structural analysis model" that can show the same structural behavior and structural response (response characteristics of the target structure) as the target structure in the initial state.

이와 같이, 초기 강성행렬

Figure 112018120868097-pat00079
로 표현되는 대상 구조물에 대한 "구조해석모델"이 구축되면, 대상 구조물에 실제 사용 하중이 작용할 때의 변형률을 계측하고, 이에 근거하여 대상 구조물의 구조적 특성변화 여부를 파악함으로써, 구조물의 상태를 모니터링하게 된다. Like this, the initial stiffness matrix
Figure 112018120868097-pat00079
When a "structural analysis model" for the target structure represented by is built, the state of the structure is monitored by measuring the strain when the actual load is applied to the target structure, and determining whether the structural characteristics of the target structure change based on this. Is done.

구체적으로 시간

Figure 112018120868097-pat00080
에서 대상 구조물(200)에 기지(旣知)의 사용 하중
Figure 112018120868097-pat00081
이 재하될 때의 변형률(사용상태 변형률)
Figure 112018120868097-pat00082
를 대상 구조물에 설치된 변형률 계측 장치를 이용하여 계측한다(단계 S4). Specifically time
Figure 112018120868097-pat00080
In the target structure 200, the use load of a known (旣知)
Figure 112018120868097-pat00081
Strain at the time of loading (Strain in use state)
Figure 112018120868097-pat00082
Is measured using a strain measurement device installed on the target structure (step S4).

계측된 사용상태 변형률

Figure 112018120868097-pat00083
는 연산장치(100)의 신호 수신부(10)로 전송되고, 연산장치(100)에 구비된 변형률-변형 변환 유닛(20)으로 전달되어, 변형률-변형 변환 유닛(20)에서의 연산을 통해서, 계측된 사용상태 변형률
Figure 112018120868097-pat00084
를 변환하여 사용상태 변형
Figure 112018120868097-pat00085
를 산출한다(단계 S5). 앞서 단계 S2-2 및 단계 S2-3을 통해서 대상 구조물의 변환행렬
Figure 112018120868097-pat00086
을 도출해둔 상태이므로, 변형률-변형 변환 유닛(20)에서는, 계측된 사용상태 변형률
Figure 112018120868097-pat00087
과, 이미 도출해둔 대상 구조물의 변환행렬
Figure 112018120868097-pat00088
을 이용한 수학식 5의 연산을 통해서 대상 구조물의 변형
Figure 112018120868097-pat00089
을 산출한다. 즉, 수학식 5는 결국 아래의 수학식 8로 표현되므로, 계측된 사용상태 변형률
Figure 112018120868097-pat00090
과, 이미 도출해둔 대상 구조물의 변환행렬
Figure 112018120868097-pat00091
을 이용하여 수학식 8의 연산에 의한 변환을 수행함으로써, 대상 구조물의 변형
Figure 112018120868097-pat00092
을 산출하는 것이다. Measured operating state strain
Figure 112018120868097-pat00083
Is transmitted to the signal receiving unit 10 of the computing device 100, transmitted to the strain-strain conversion unit 20 provided in the computing device 100, and through calculation in the strain-strain conversion unit 20, Measured operating state strain
Figure 112018120868097-pat00084
To transform the usage state
Figure 112018120868097-pat00085
Is calculated (step S5). Prior to step S2-2 and step S2-3, the transformation matrix of the target structure
Figure 112018120868097-pat00086
Since is derived, in the strain-strain conversion unit 20, the measured strain in the used state
Figure 112018120868097-pat00087
And, the transformation matrix of the target structure already derived
Figure 112018120868097-pat00088
Deformation of the target structure through the operation of Equation 5 using
Figure 112018120868097-pat00089
Yields That is, since Equation 5 is finally expressed as Equation 8 below, the measured strain in the state of use
Figure 112018120868097-pat00090
And, the transformation matrix of the target structure already derived
Figure 112018120868097-pat00091
By performing the transformation by the operation of Equation 8 using
Figure 112018120868097-pat00092
Is to yield.

Figure 112018120868097-pat00093
Figure 112018120868097-pat00093

연산장치(100)의 구조물 손상 판단 유닛(40)에서는, 산출된 대상 구조물의 변형

Figure 112018120868097-pat00094
과, 그 때의 사용 하중
Figure 112018120868097-pat00095
, 그리고 초기 강성행렬
Figure 112018120868097-pat00096
의 형태로 도출해놓은 대상 구조물에 대한 "구조해석모델"을 이용하여 구조물의 손상 여부를 판단한다(단계 S6). In the structure damage determination unit 40 of the computing device 100, the calculated deformation of the target structure
Figure 112018120868097-pat00094
And, the working load at that time
Figure 112018120868097-pat00095
, And the initial stiffness matrix
Figure 112018120868097-pat00096
It is determined whether the structure is damaged by using the "structure analysis model" for the target structure derived in the form of (step S6).

사용 하중

Figure 112018120868097-pat00097
는 벡터로서, 재하된 사용 하중
Figure 112018120868097-pat00098
과, 하중의 재하 위치로부터 공지의 기술을 통해 쉽게 구성할 수 있다. Working load
Figure 112018120868097-pat00097
Is the vector, the loaded working load
Figure 112018120868097-pat00098
And, it can be easily configured from the loading position of the load through a known technique.

앞서 설명한 수학식 6에 의하면, 사용 하중

Figure 112018120868097-pat00099
과 그로 인하여 발생하는 대상 구조물의 변형
Figure 112018120868097-pat00100
은 아래의 수학식 9의 관계를 가진다. According to Equation 6 described above, the working load
Figure 112018120868097-pat00099
And the resulting deformation of the target structure
Figure 112018120868097-pat00100
Has the relationship of Equation 9 below.

Figure 112018120868097-pat00101
Figure 112018120868097-pat00101

위의 수학식 9에서

Figure 112018120868097-pat00102
는, 사용 하중
Figure 112018120868097-pat00103
이 작용하고 있는 시간
Figure 112018120868097-pat00104
일 때의 대상 구조물에 대한 "사용상태 강성행렬"이다. In Equation 9 above
Figure 112018120868097-pat00102
Is, the working load
Figure 112018120868097-pat00103
This is working time
Figure 112018120868097-pat00104
It is the "use state stiffness matrix" for the target structure when is.

만일 사용 하중

Figure 112018120868097-pat00105
이 작용하는 시간
Figure 112018120868097-pat00106
의 시점에서, 대상 구조물에 균열 등의 손상이 발생하지 않았다면, 대상 구조물의 응답특성이 변화되지 않을 것이고, 결국 위 사용상태 강성행렬
Figure 112018120868097-pat00107
은 초기 강성행렬
Figure 112018120868097-pat00108
와 동일할 것이다. 반면에 사용 하중
Figure 112018120868097-pat00109
이 작용하는 시간
Figure 112018120868097-pat00110
의 시점에서 대상 구조물에 균열 등의 손상이 발생하였다면, 대상 구조물의 응답특성은 변화될 것이고, 위 사용상태 강성행렬
Figure 112018120868097-pat00111
은 초기 강성행렬
Figure 112018120868097-pat00112
와 다른 값을 가질 것이다. If the working load
Figure 112018120868097-pat00105
Time to work
Figure 112018120868097-pat00106
At the point of time, if damage such as a crack has not occurred in the target structure, the response characteristics of the target structure will not change, and eventually the above usage state stiffness matrix
Figure 112018120868097-pat00107
Is the initial stiffness matrix
Figure 112018120868097-pat00108
Will be the same as While working load
Figure 112018120868097-pat00109
Time to work
Figure 112018120868097-pat00110
If damage such as a crack occurs in the target structure at the point of time, the response characteristics of the target structure will change, and the above use state stiffness matrix
Figure 112018120868097-pat00111
Is the initial stiffness matrix
Figure 112018120868097-pat00112
Will have a different value than

이러한 점에 근거하여, 구조물의 손상 여부를 판단하기 위해서 구조물 손상 판단 유닛(40)에서는, 우선 아래의 수학식 10으로 표현되는

Figure 112018120868097-pat00113
을 산출한다(단계 S6-1). Based on this point, in the structure damage determination unit 40 to determine whether the structure is damaged, first, expressed by Equation 10 below.
Figure 112018120868097-pat00113
Is calculated (step S6-1).

Figure 112018120868097-pat00114
Figure 112018120868097-pat00114

앞서 설명한 것처럼 사용 하중

Figure 112018120868097-pat00115
이 작용하는 시간
Figure 112018120868097-pat00116
의 시점에서 대상 구조물에 균열 등의 손상이 발생하지 않았다면 대상 구조물의 구조적 거동 및 구조적 응답은 변화되지 않을 것이므로 사용상태 강성행렬
Figure 112018120868097-pat00117
은 초기 강성행렬
Figure 112018120868097-pat00118
와 동일하게 되며, 따라서 위 수학식 7에서 산출된
Figure 112018120868097-pat00119
는 0의 값이 될 것이다. 반면에 사용 하중
Figure 112018120868097-pat00120
이 작용하는 시간
Figure 112018120868097-pat00121
의 시점에서 대상 구조물에 균열 등의 손상이 발생하였다면, 대상 구조물의 응답특성(구조적 거동 및 구조적 응답)은 변화되므로 사용상태 강성행렬
Figure 112018120868097-pat00122
은 초기 강성행렬
Figure 112018120868097-pat00123
와 다른 값을 가지게 되어 위 수학식 7에서 산출된
Figure 112018120868097-pat00124
는 0이 아닌 값을 가질 것이다. Working load as previously described
Figure 112018120868097-pat00115
Time to work
Figure 112018120868097-pat00116
If no damage such as cracks has occurred in the target structure at the point of time, the structural behavior and structural response of the target structure will not change.
Figure 112018120868097-pat00117
Is the initial stiffness matrix
Figure 112018120868097-pat00118
Will be the same as, thus calculated in Equation 7 above
Figure 112018120868097-pat00119
Will be a value of 0. While working load
Figure 112018120868097-pat00120
Time to work
Figure 112018120868097-pat00121
If damage such as a crack occurs in the target structure at the point of time, the response characteristics (structural behavior and structural response) of the target structure change, so the use state stiffness matrix
Figure 112018120868097-pat00122
Is the initial stiffness matrix
Figure 112018120868097-pat00123
Has a value different from that calculated in Equation 7 above
Figure 112018120868097-pat00124
Will have a non-zero value.

따라서 구조물 손상 판단 유닛(40)에서는 산출된

Figure 112018120868097-pat00125
을 기준으로 대상 구조물의 손상여부를 판단하여 그 판단결과를 관리자에게 전달하게 되는데, 산출된
Figure 112018120868097-pat00126
의 값이 0(zero)일 경우에는 "구조물 손상 없음"으로 판단하고, 산출된
Figure 112018120868097-pat00127
의 값이 0(zero)이 아닌 경우에는 "구조물 손상 발생"으로 판단하게 된다(단계 S6-2). 판단된 결과는 다양한 방식으로 관리자에게 통보된다. Therefore, the structure damage determination unit 40 calculated
Figure 112018120868097-pat00125
It judges whether the target structure is damaged or not and transmits the judgment result to the manager.
Figure 112018120868097-pat00126
If the value of is 0 (zero), it is judged as "no structure damage" and the calculated
Figure 112018120868097-pat00127
If the value of is not 0 (zero), it is determined as &quot;structure damage has occurred" (step S6-2). The determined result is notified to the manager in various ways.

위에서 설명한 것처럼, 본 발명에서는, 구조물의 손상 특징을 반영하여 구조물의 국부적인 손상과 전체 거동 변화를 감지할 수 있는 중요 척도가 되는 변형률을 기반으로 구조해석모델을 구성한다. 그리고 본 발명에서는 이렇게 구축된 구조해석모델과, 대상 구조물의 복수개의 많은 계측점에서 실시간으로 측정된 변형률 계측값을 이용하여 구조물의 손상여부를 판단하고 손상위치를 파악하게 된다. 따라서 본 발명에 의하면, 구조물의 손상에 대응할 수 있는 적절한 방안을 선제적으로 준비하고 대비할 수 있게 되며, 구조물을 더욱 안전하게 유지관리할 수 있게 되는 효과가 발휘된다. As described above, in the present invention, a structural analysis model is constructed based on strain, which is an important measure capable of detecting local damage and overall behavior change of the structure by reflecting the damage characteristics of the structure. In the present invention, the structure analysis model constructed as described above and the strain measurement values measured in real time at a plurality of measurement points of the target structure are used to determine whether the structure is damaged and to determine the location of the damage. Therefore, according to the present invention, it is possible to preemptively prepare and prepare an appropriate method to cope with the damage of the structure, and the effect of being able to maintain the structure more safely is exhibited.

10: 신호 수신부
20: 변형률-변형 변환 유닛
30: 강성행렬 도출 유닛
40: 구조물 손상 판단 유닛
100: 연산장치10: signal receiver
20: strain-strain conversion unit
30: stiffness matrix derivation unit
40: structure damage judgment unit
100: computing device

Claims (4)

손상발생 여부 모니터링 대상 구조물에, 복수개 계측점에서 변형률을 계측할 수 있는 변형률 계측 장치를 배치하고, 대상 구조물에 기지의 초기 하중
Figure 112020060165015-pat00135
을 재하하고 변형률 계측 장치를 이용하여 초기 변형률
Figure 112020060165015-pat00136
을 계측하는 단계;
계측된 초기 변형률은, 신호 수신부, 변형률-변형 변환 유닛, 강성행렬 도출 유닛, 및 구조물 손상 판단 유닛을 포함하여 구성된 연산장치로 전송되고, 연산장치의 변형률-변형 변환 유닛에서 연산을 통해서 초기 변형률
Figure 112020060165015-pat00137
을 초기 변형
Figure 112020060165015-pat00138
으로 변환하여 산출하는 단계;
연산장치에 구비된 강성행렬 도출 유닛에서 연산을 통해서, 대상 구조물의 하중에 대한 응답특성을 나타내는 초기 강성행렬
Figure 112020060165015-pat00139
을 도출하는 단계;
관리자가 정한 시간에서 대상 구조물에 기지의 사용 하중
Figure 112020060165015-pat00140
이 재하될 때의 사용상태 변형률
Figure 112020060165015-pat00141
을 대상 구조물에 설치된 변형률 계측 장치를 이용하여 계측하는 단계;
계측된 사용상태 변형률
Figure 112020060165015-pat00142
은 연산장치로 전송되고, 연산장치의 변형률-변형 변환 유닛에서는 연산을 통해서 계측된 사용상태 변형률
Figure 112020060165015-pat00143
을 사용상태 변형
Figure 112020060165015-pat00144
으로 변환하여 사용상태 변형
Figure 112020060165015-pat00145
을 산출하는 단계; 및
연산장치의 구조물 손상 판단 유닛에서, 사용 하중, 산출된 사용상태 변형, 및 대상 구조물에 대한 구조해석모델로서 도출해놓은 초기 강성행렬
Figure 112020060165015-pat00146
을 이용하여 대상 구조물의 손상 여부를 판단하는 단계;를 포함하며;
연산장치의 변형률-변형 변환 유닛에서, 초기 변형률
Figure 112020060165015-pat00147
을 초기 변형
Figure 112020060165015-pat00148
으로 변환하여 산출하는 단계는, 대상 구조물을 관리자가 정한 개수의 해석요소로 분할하는 과정; 분할된 각각의 해석요소에 대하여, 절점 변형
Figure 112020060165015-pat00149
과 해당 해석요소 내에 존재하는 변형률 계측점에서의 변형률
Figure 112020060165015-pat00150
사이의 관계를 나타내는 변환행렬
Figure 112020060165015-pat00151
을 연산하여 도출하는 과정; 도출된 각 해석요소의 변환행렬을 통합함으로써 전체 대상 구조물에 대한 변환행렬
Figure 112020060165015-pat00152
을 연산하여 도출하는 과정; 및 도출된 전체 대상 구조물에 대한 변환행렬
Figure 112020060165015-pat00153
와 초기 변형률
Figure 112020060165015-pat00154
을 이용하여 대상 구조물의 초기 변형
Figure 112020060165015-pat00155
을 산출하는 과정을 포함하며;
연산장치의 변형률-변형 변환 유닛에서 사용상태 변형
Figure 112020060165015-pat00156
을 산출하는 단계는, 계측된 사용상태 변형률
Figure 112020060165015-pat00157
과, 이미 도출해둔 전체 대상 구조물의 변환행렬
Figure 112020060165015-pat00158
을 이용하여 수학식 8의 연산에 의해 대상 구조물의 변형
Figure 112020060165015-pat00159
을 산출하는 과정을 포함하며;
강성행렬 도출 유닛에서 초기 강성행렬
Figure 112020060165015-pat00160
을 도출하는 단계는, 관리자가 지정한 초기 강성행렬의 수학적 함수에 대하여, 대상 구조물의 강성
Figure 112020060165015-pat00161
의 값과 대상 구조물의 스프링상수
Figure 112020060165015-pat00162
값을 변화시켜가면서 연산을 수행하여, 초기 강성행렬에 대상 구조물의 초기 변형을 곱한 값과 대상 구조물에 가해진 초기 하중 간의 차이를 최소화시키게 되는 대상 구조물의 초기 강성 값
Figure 112020060165015-pat00163
과 대상 구조물의 초기 스프링상수 값
Figure 112020060165015-pat00164
를 산출하는 과정; 및 산출된 대상 구조물의 초기 강성 값
Figure 112020060165015-pat00165
과 대상 구조물의 초기 스프링상수 값
Figure 112020060165015-pat00166
으로 초기 강성행렬
Figure 112020060165015-pat00167
을 도출하는 과정을 포함하며;
구조물 손상 판단 유닛에서 초기 강성행렬
Figure 112020060165015-pat00168
을 이용하여 대상 구조물의 손상 여부를 판단하는 단계는, 수학식 10으로 표현되는
Figure 112020060165015-pat00169
을 산출하는 과정; 및 산출된
Figure 112020060165015-pat00170
의 값이 0일 경우에는 "구조물 손상 없음"으로 판단하고, 산출된
Figure 112020060165015-pat00171
의 값이 0이 아닌 경우에는 "구조물 손상 발생"으로 판단하여, 판단된 결과를 관리자에게 통보하는 과정을 포함하는 구성을 가지고 있어서,
변형률 계측과 이를 기반으로 하는 구조해석모델을 이용하여 대상 구조물에 구조적인 손상이 발생하였는지 여부를 모니터링하고 판단하게 되는 것을 특징으로 하는 구조물의 손상여부 모니터링 방법.
(수학식 8)
Figure 112020060165015-pat00172

(수학식 10)
Figure 112020060165015-pat00173

(수학식 5 및 수학식 10에서
Figure 112020060165015-pat00174
는 계측된 사용상태 변형률이고,
Figure 112020060165015-pat00175
는 이미 도출해둔 전체 대상 구조물의 변환행렬이며,
Figure 112020060165015-pat00176
은 초기 강성행렬이고,
Figure 112020060165015-pat00177
는 사용 하중이고,
Figure 112020060165015-pat00178
는 사용 하중
Figure 112020060165015-pat00179
로 인하여 발생하는 대상 구조물의 변형이다.)
In the structure to be monitored for damage, a strain measurement device that can measure the strain at multiple measurement points is placed, and the initial load of the base on the target structure
Figure 112020060165015-pat00135
Load and use the strain measurement device to determine the initial strain rate
Figure 112020060165015-pat00136
Measuring the value;
The measured initial strain is transmitted to a computing device comprising a signal receiving unit, a strain-strain conversion unit, a stiffness matrix derivation unit, and a structure damage determination unit, and the initial strain through calculation in the strain-strain conversion unit of the computing device.
Figure 112020060165015-pat00137
Initial transformation
Figure 112020060165015-pat00138
Converting to and calculating;
Initial stiffness matrix representing the response characteristics of the target structure to the load through calculation in the stiffness matrix derivation unit equipped in the computing device
Figure 112020060165015-pat00139
Deriving;
The working load of the base on the target structure at the time set by the manager
Figure 112020060165015-pat00140
The strain in the state of use when it is loaded
Figure 112020060165015-pat00141
Measuring using a strain measurement device installed on the target structure;
Measured operating state strain
Figure 112020060165015-pat00142
Is transmitted to the computing device, and the strain-strain conversion unit of the computing device uses the measured strain rate through calculation.
Figure 112020060165015-pat00143
Transform the state of use
Figure 112020060165015-pat00144
To transform the state of use
Figure 112020060165015-pat00145
Calculating; And
Initial stiffness matrix derived from the structural damage determination unit of the computing device as a structural analysis model for the used load, the calculated state of use, and the target structure
Figure 112020060165015-pat00146
It includes; determining whether the target structure is damaged by using;
In the strain-strain conversion unit of the computing unit, the initial strain
Figure 112020060165015-pat00147
Initial transformation
Figure 112020060165015-pat00148
The step of converting to and calculating includes the process of dividing the target structure into a number of analysis elements determined by an administrator; For each divided analysis element, node deformation
Figure 112020060165015-pat00149
And the strain at the strain measurement point existing within the analysis element
Figure 112020060165015-pat00150
Transformation matrix representing the relationship between
Figure 112020060165015-pat00151
A process of calculating and deriving; Transformation matrix for the entire target structure by integrating the transformation matrix of each derived analysis element
Figure 112020060165015-pat00152
A process of calculating and deriving; And transformation matrix for the entire derived structure
Figure 112020060165015-pat00153
And initial strain
Figure 112020060165015-pat00154
Initial deformation of the target structure using
Figure 112020060165015-pat00155
Includes the process of calculating;
Deformation of the use state in the strain-strain conversion unit of the computing device
Figure 112020060165015-pat00156
The step of calculating is the measured strain in use state
Figure 112020060165015-pat00157
And, the transformation matrix of the entire target structure already derived
Figure 112020060165015-pat00158
Deformation of the target structure by the operation of Equation 8 using
Figure 112020060165015-pat00159
Includes the process of calculating;
Initial stiffness matrix in stiffness matrix derivation unit
Figure 112020060165015-pat00160
The step of deriving is, for the mathematical function of the initial stiffness matrix designated by the administrator, the stiffness of the target structure
Figure 112020060165015-pat00161
Value and spring constant of the target structure
Figure 112020060165015-pat00162
The initial stiffness value of the target structure that minimizes the difference between the initial stiffness matrix multiplied by the initial deformation of the target structure and the initial load applied to the target structure by performing calculation while changing the value
Figure 112020060165015-pat00163
And the initial spring constant value of the target structure
Figure 112020060165015-pat00164
The process of calculating; And the calculated initial stiffness value of the target structure
Figure 112020060165015-pat00165
And the initial spring constant value of the target structure
Figure 112020060165015-pat00166
As the initial stiffness matrix
Figure 112020060165015-pat00167
Includes the process of deriving;
Initial stiffness matrix in the structural damage determination unit
Figure 112020060165015-pat00168
The step of determining whether the target structure is damaged using Equation 10
Figure 112020060165015-pat00169
The process of calculating; And calculated
Figure 112020060165015-pat00170
If the value of is 0, it is judged as "no structure damage" and the calculated
Figure 112020060165015-pat00171
If the value of is not 0, it is determined as "structural damage occurred" and has a configuration including a process of notifying the administrator of the determined result,
A method for monitoring whether a structure is damaged, characterized in that it monitors and determines whether structural damage has occurred in the target structure using strain measurement and a structural analysis model based on it.
(Equation 8)
Figure 112020060165015-pat00172

(Equation 10)
Figure 112020060165015-pat00173

(In Equation 5 and Equation 10
Figure 112020060165015-pat00174
Is the measured strain in the state of use,
Figure 112020060165015-pat00175
Is the transformation matrix of the entire target structure already derived,
Figure 112020060165015-pat00176
Is the initial stiffness matrix,
Figure 112020060165015-pat00177
Is the working load,
Figure 112020060165015-pat00178
Is the working load
Figure 112020060165015-pat00179
It is the deformation of the target structure caused by this.)
삭제delete 복수개 계측점에서 변형률을 계측할 수 있으며 손상발생 여부 모니터링 대상 구조물에 배치되어 있는 변형률 계측 장치, 및 상기 변형률 계측 장치로부터의 신호를 수신하여 대상 구조물의 손상여부 모니터링을 위한 연산을 수행하는 연산장치를 포함하여 구성되는데,
연산장치는 신호 수신부, 변형률-변형 변환 유닛, 강성행렬 도출 유닛, 및 구조물 손상 판단 유닛을 포함하며;
신호 수신부에서는, 대상 구조물에 기지의 초기 하중
Figure 112020060165015-pat00180
이 재하되었을 때 변형률 계측 장치에 의해 계측된 초기 변형률
Figure 112020060165015-pat00181
을 수신하고;
변형률-변형 변환 유닛에서는, 수신된 초기 변형률
Figure 112020060165015-pat00182
을 초기 변형
Figure 112020060165015-pat00183
으로 변환하여 산출하고;
강성행렬 도출 유닛에서는, 대상 구조물의 하중에 대한 응답특성을 나타내는 초기 강성행렬
Figure 112020060165015-pat00184
을 연산하여 도출하고;
변형률-변형 변환 유닛에서는, 관리자가 정한 시간에서 대상 구조물에 기지의 사용 하중
Figure 112020060165015-pat00185
이 재하될 때의 사용상태 변형률
Figure 112020060165015-pat00186
이 대상 구조물에 설치된 변형률 계측 장치에 의해 계측되어 전송되어 오면, 연산을 통해서 계측된 사용상태 변형률
Figure 112020060165015-pat00187
을 사용상태 변형
Figure 112020060165015-pat00188
으로 변환하여 사용상태 변형
Figure 112020060165015-pat00189
을 산출하고;
구조물 손상 판단 유닛에서는, 사용 하중, 산출된 사용상태 변형, 및 대상 구조물에 대한 구조해석모델로서 도출해놓은 초기 강성행렬
Figure 112020060165015-pat00190
을 이용하여 대상 구조물의 손상 여부를 판단하게 되며;
변형률-변형 변환 유닛에서 초기 변형률
Figure 112020060165015-pat00191
을 초기 변형
Figure 112020060165015-pat00192
으로 변환하여 산출할 때에는, 대상 구조물을 관리자가 정한 개수의 해석요소로 분할하는 과정; 분할된 각각의 해석요소에 대하여, 절점 변형
Figure 112020060165015-pat00193
과 해당 해석요소 내에 존재하는 변형률 계측점에서의 변형률
Figure 112020060165015-pat00194
사이의 관계를 나타내는 변환행렬
Figure 112020060165015-pat00195
을 연산하여 도출하는 과정; 도출된 각 해석요소의 변환행렬을 통합함으로써 전체 대상 구조물에 대한 변환행렬
Figure 112020060165015-pat00196
을 연산하여 도출하는 과정; 및 도출된 전체 대상 구조물에 대한 변환행렬
Figure 112020060165015-pat00197
에 초기 변형률
Figure 112020060165015-pat00198
을 곱하여 대상 구조물의 초기 변형
Figure 112020060165015-pat00199
을 산출하는 과정을 포함하는 연산을 수행하게 되며;
연산장치의 변형률-변형 변환 유닛에서 사용상태 변형
Figure 112020060165015-pat00200
을 산출할 때에는, 계측된 사용상태 변형률
Figure 112020060165015-pat00201
과, 이미 도출해둔 전체 대상 구조물의 변환행렬
Figure 112020060165015-pat00202
을 이용하여 수학식 8의 연산에 의해 대상 구조물의 변형
Figure 112020060165015-pat00203
을 산출하며;
강성행렬 도출 유닛에서 초기 강성행렬
Figure 112020060165015-pat00204
을 도출할 때에는, 관리자가 지정한 초기 강성행렬의 수학적 함수에 대하여, 대상 구조물의 강성
Figure 112020060165015-pat00205
의 값과 대상 구조물의 스프링상수
Figure 112020060165015-pat00206
값을 변화시켜가면서 연산을 수행하여, 초기 강성행렬에 대상 구조물의 초기 변형을 곱한 값과, 대상 구조물에 가해진 초기 하중의 차이를 최소화시키게 되는 대상 구조물의 초기 강성 값
Figure 112020060165015-pat00207
과 대상 구조물의 초기 스프링상수 값
Figure 112020060165015-pat00208
를 산출하는 과정; 및 산출된 대상 구조물의 초기 강성 값
Figure 112020060165015-pat00209
과 대상 구조물의 초기 스프링상수 값
Figure 112020060165015-pat00210
으로 초기 강성행렬
Figure 112020060165015-pat00211
을 도출하는 과정을 포함하는 연산을 수행하게 되고;
구조물 손상 판단 유닛에서 초기 강성행렬
Figure 112020060165015-pat00212
을 이용하여 대상 구조물의 손상 여부를 판단할 때에는, 수학식 10으로 표현되는
Figure 112020060165015-pat00213
을 산출하는 과정; 및 산출된
Figure 112020060165015-pat00214
의 값이 0일 경우에는 "구조물 손상 없음"으로 판단하고, 산출된
Figure 112020060165015-pat00215
의 값이 0이 아닌 경우에는 "구조물 손상 발생"으로 판단하여, 판단된 결과를 관리자에게 통보하는 과정을 포함하는 구성을 가지고 있어서,
변형률 계측과, 이를 기반으로 하는 구조해석모델을 이용하여 대상 구조물에 구조적인 손상이 발생하였는지 여부를 모니터링하고 판단하게 되는 것을 특징으로 하는 구조물의 손상여부 모니터링 장치.
(수학식 8)
Figure 112020060165015-pat00216

(수학식 10)
Figure 112020060165015-pat00217

(수학식 8 및 수학식 10에서
Figure 112020060165015-pat00218
는 계측된 사용상태 변형률이고,
Figure 112020060165015-pat00219
는 이미 도출해둔 전체 대상 구조물의 변환행렬이며,
Figure 112020060165015-pat00220
은 초기 강성행렬이고,
Figure 112020060165015-pat00221
는 사용 하중이고,
Figure 112020060165015-pat00222
는 사용 하중
Figure 112020060165015-pat00223
로 인하여 발생하는 대상 구조물의 변형이다.)A strain measurement device that can measure strain at a plurality of measurement points and is disposed on a structure to be monitored for damage, and a computing device that receives signals from the strain measurement device and performs calculations for monitoring damage to the target structure. It consists of
The computing device includes a signal receiving unit, a strain-strain conversion unit, a stiffness matrix derivation unit, and a structure damage determination unit;
In the signal receiver, the initial load of the base on the target structure
Figure 112020060165015-pat00180
The initial strain measured by the strain measuring device at the time of loading
Figure 112020060165015-pat00181
Receive;
In the strain-strain conversion unit, the received initial strain
Figure 112020060165015-pat00182
Initial transformation
Figure 112020060165015-pat00183
Converted to and calculated;
In the stiffness matrix derivation unit, the initial stiffness matrix representing the response characteristics of the target structure to the load
Figure 112020060165015-pat00184
Calculate and derive;
In the strain-strain conversion unit, the used load of the known structure is applied to the target structure at a time determined by the manager.
Figure 112020060165015-pat00185
The strain in the state of use when it is loaded
Figure 112020060165015-pat00186
When it is measured and transmitted by the strain measuring device installed in the target structure, the strain in the state of use measured through calculation
Figure 112020060165015-pat00187
Transform the state of use
Figure 112020060165015-pat00188
To transform the state of use
Figure 112020060165015-pat00189
To yield;
In the structural damage determination unit, the used load, the calculated state of use deformation, and the initial stiffness matrix derived as a structural analysis model for the target structure
Figure 112020060165015-pat00190
To determine whether the target structure is damaged or not;
Initial strain in strain-strain conversion unit
Figure 112020060165015-pat00191
Initial transformation
Figure 112020060165015-pat00192
When converting to and calculating, the process of dividing the target structure into the number of analysis elements determined by the manager; For each divided analysis element, node deformation
Figure 112020060165015-pat00193
And the strain at the strain measurement point existing within the analysis element
Figure 112020060165015-pat00194
Transformation matrix representing the relationship between
Figure 112020060165015-pat00195
A process of calculating and deriving; Transformation matrix for the entire target structure by integrating the transformation matrix of each derived analysis element
Figure 112020060165015-pat00196
A process of calculating and deriving; And transformation matrix for the entire derived structure
Figure 112020060165015-pat00197
Initial strain on
Figure 112020060165015-pat00198
The initial deformation of the target structure by multiplying by
Figure 112020060165015-pat00199
To perform an operation including the process of calculating
Deformation of the use state in the strain-strain conversion unit of the computing device
Figure 112020060165015-pat00200
When calculating, the measured strain in use
Figure 112020060165015-pat00201
And, the transformation matrix of the entire target structure already derived
Figure 112020060165015-pat00202
Deformation of the target structure by the operation of Equation 8 using
Figure 112020060165015-pat00203
Yields;
Initial stiffness matrix in stiffness matrix derivation unit
Figure 112020060165015-pat00204
When deriving, for the mathematical function of the initial stiffness matrix designated by the administrator, the stiffness of the target structure
Figure 112020060165015-pat00205
Value and spring constant of the target structure
Figure 112020060165015-pat00206
The initial stiffness value of the target structure that minimizes the difference between the initial stiffness matrix multiplied by the initial deformation of the target structure and the initial load applied to the target structure by performing calculation while changing the value
Figure 112020060165015-pat00207
And the initial spring constant value of the target structure
Figure 112020060165015-pat00208
The process of calculating; And the calculated initial stiffness value of the target structure
Figure 112020060165015-pat00209
And the initial spring constant value of the target structure
Figure 112020060165015-pat00210
As the initial stiffness matrix
Figure 112020060165015-pat00211
An operation including the process of deriving is performed;
Initial stiffness matrix in the structural damage determination unit
Figure 112020060165015-pat00212
When determining whether the target structure is damaged using
Figure 112020060165015-pat00213
The process of calculating; And calculated
Figure 112020060165015-pat00214
If the value of is 0, it is judged as "no structure damage" and the calculated
Figure 112020060165015-pat00215
If the value of is not 0, it is determined as "structural damage occurred" and has a configuration including a process of notifying the administrator of the determined result,
A structural damage monitoring device, characterized in that it monitors and determines whether structural damage has occurred in a target structure using strain measurement and a structural analysis model based on the measurement.
(Equation 8)
Figure 112020060165015-pat00216

(Equation 10)
Figure 112020060165015-pat00217

(In Equation 8 and Equation 10
Figure 112020060165015-pat00218
Is the measured strain in the state of use,
Figure 112020060165015-pat00219
Is the transformation matrix of the entire target structure already derived,
Figure 112020060165015-pat00220
Is the initial stiffness matrix,
Figure 112020060165015-pat00221
Is the working load,
Figure 112020060165015-pat00222
Is the working load
Figure 112020060165015-pat00223
It is the deformation of the target structure caused by this.) 삭제delete
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