KR102205174B1 - 무선통신기반 유지관리 소외 교량의 안전성 평가시스템 - Google Patents

Abstract

본 발명은 교량의 진동을 측정하여 진동 신호를 출력하고 이러한 진동신호를 무선으로 송신하는 복수의 센서모듈; 상기 센서모듈에 의해 출력된 진동 신호를 수집하여 신호 처리를 수행하는 신호처리부와, 상기 신호처리부에 의해 신호 처리가 수행된 진동 신호에 대해 파형 및 스펙트럼을 분석하고 분석된 파형 및 스펙트럼에 대한 통계 처리를 수행하여 출력하는 신호분석부와, 상기 신호처리부에 의해 신호 처리가 수행된 진동 신호에 대해 모드형상(mode shape)을 추출하고, 고유진동수 및 감쇠비를 추출하며, 단위처짐변위를 추출하는 추출부와, 상기 추출부에서 추출된 모드형상, 고유진동수, 감쇠비, 단위처짐변위에 대한 데이터를 이용하여 상기 교량의 손상 위치 및 손상 정도를 판단하는 건전성판단부를 포함하는 컨트롤모듈; 을 포함하는 것을 특징으로 하는 무선통신기반 유지관리 소외 교량의 안전성 평가시스템에 관한 것이다.

Description

무선통신기반 유지관리 소외 교량의 안전성 평가시스템{Safety evaluation system of bridges based on Wireless communication}

본 발명은 소외 교량에 적합한 안전성 평가시스템에 관한 것이다.

최근 들어 설계, 시공, 유지관리 과정에서 예기치 못한 요인으로 인해 구조물에 손상이 발생하여 공용 중 구조물의 붕괴로 이어지는 경우가 생기고 있다. 따라서 위와 같은 예기치 못한 사고를 미연에 방지하기 위해서 구조 건전성 모니터링(Structure Health Monitoring, SHM)에 대한 관심이 증가하게 되었다.

교량구조는 준공 초기 건전한 상태로부터 시간의 경과에 따라 열화 및 손상의 발생 등으로 인하여 성능이 저하되며, 이러한 교량의 시간 의존적 특성에 대하여 사용성 및 안전성을 확보하고 교량의 수명기간동안 건전한 상태를 유지하기 위한 계측시스템 적용이 필요하다. 또한 구조가 복잡한 케이블 교량의 경우 일반교량과 달리 단위 조직에 의한 지속적인 유지관리가 요구되며, 정기적인 시스템 점검 및 보수가 이루어져야 한다.

현재 교량의 계측이나 모니터링은 재하시험을 수행하거나 시공 시 교량 내부에 가속도계, 응력계, 침하계, 변위계 등 다수의 계측 장비를 내부에 삽입하여 유선으로 직접 데이터를 입력받는 방법 등이 사용되고 있다.

그러나 재하시험의 경우 많은 인력과 비용이 소요되어 수시 계측작업을 수행하기 어렵고 계측 시 교통 통제 등이 필요하기 때문에 교량의 사용성을 제약해야 하며, 다수의 계측장비를 삽입하여 계측하는 경우 장비의 손상이나 환경조건에 따른 데이터 훼손 등의 문제로 인한 어려움이 있다(윤홍식, 2001; 김성곤, 2006).

한편 2016년 말 국내 전체교량 32,325개소 중 1종 교량은 3,582개소이며, 2종교량은 5,548개소에 불과하고, 1,2종 교량을 제외한 교량은 23,195개소로 약 71.8%에 달하고 있음을 알 수 있으며, 2013년 한국시설안전공단의 조사에 따르면 시설물 안전관리에 관한 특별법(시특법)에 의해 관리되고 있는 1, 2종 사회기반시설물의 경우 지속적인 관리로 무사고가 지속되나 시특법에 적용받지 않는 사회기반시설물은 사고가 2010년 기준 59건이나 발생되는 문제가 보고된 바 있다.

그 동안 주로 개발되고 있는 것은 1종 시설물에 대한 계측시스템으로 상기에서 언급한 바와 같이 이와 같은 계측시스템은 많은 센서와 로거 및 통신장비, 광케이블 등의 설치가 필요하며 많은 인원과 많은 예산이 요구되어 유지관리 소외 교량에 이러한 기술을 그대로 적용하는 것에 어려움이 있다.

대한민국 특허공개 제10-2009-0131802호

따라서 본 발명의 목적은 유지관리 소외 교량에 적합한 안전성 평가시스템을 제공하고자 함이다.

상술한 과제를 해결하기 위한 수단으로서 본 발명의 무선통신기반 유지관리 소외 교량의 안전성 평가시스템(이하 “본 발명의 시스템”이라함)은, 교량의 진동을 측정하여 진동신호를 출력하고 이러한 진동신호를 무선으로 송신하는 복수의 센서모듈; 상기 센서모듈에 의해 출력된 진동신호를 수집하여 신호처리를 수행하는 신호처리부와, 상기 신호처리부에 의해 신호처리가 수행된 진동신호에 대해 파형 및 스펙트럼을 분석하고 분석된 파형 및 스펙트럼에 대한 통계처리를 수행하여 출력하는 신호분석부와, 상기 신호처리부에 의해 신호처리가 수행된 진동신호에 대해 모드형상(mode shape)을 추출하고, 고유진동수 및 감쇠비를 추출하며, 단위처짐변위를 추출하는 추출부와, 상기 추출부에서 추출된 모드형상, 고유진동수, 감쇠비, 단위처짐변위에 대한 데이터를 이용하여 상기 교량의 손상위치 및 손상정도를 판단하는 건전성판단부를 포함하는 컨트롤모듈;을 포함하는 것을 특징으로 한다.

하나의 예로 상기 추출부는, 상기 신호처리부에 의해 신호처리가 수행된 진동신호에 대해 FFT 연산없이 시간영역(time domain) 상에서 공간변수인 모드형상(mode shape)을 추출하고, 상기 추출된 모드형상을 이용하여 상기 신호처리부에 의해 신호처리가 수행된 진동신호에 대해 FFT(fast Fourier Transform) 연산을 수행하여 시간변수인 고유진동수 및 감쇠비를 추출하며, 모달질량(Modal Mass)을 도출하여 단위처짐변위를 추출하는 것을 특징으로 한다.

하나의 예로 상기 센서모듈은, 교량에 부착되는 진동가속도센서와, 탄성재질로 상기 진동가속도센서의 외곽에 도포되는 외부신호제어코팅부를 포함하는 센서부; 상기 진동가속도센서에서 출력된 진동신호를 상기 컨트롤모듈로 무선송신 하는 무선통신부;를 포함하는 것을 특징으로 한다.

하나의 예로 상기 외부신호제어코팅부는, 상기 진동가속도센서의 외주연에 도포되며 다공을 형성하는 탄성재질의 내충격코팅층과, 상기 내충격코팅층에 도포되는 발수코팅층이 포함되는 것을 특징으로 한다.

하나의 예 상기 내충격코팅층에는 다공성 폴리우레탄수지에 질산암모늄과 보강섬유가 포함되는 것을 특징으로 한다.

이와 같이 본 발명의 시스템은 최소한의 센서에 의한 센싱값을 무선으로 송신하고, 이러한 센싱값에 기초하여 교량의 시공간 독립변수를 적용하여 모드형상, 고유진동수, 단위처짐변위를 도출하여 유지관리 소외 교량의 건전성을 간편하게 평가할 수 있는 장점이 있다.

또한 본 발명에 의하면, 센서모듈에서 교량의 진동만을 측정하고 외부의 신호가 유입되는 것을 차단하여 정확한 결과값이 도출되도록 하는 효과가 있다.

도 1은 본 발명의 시스템을 나타내는 블럭도이고,
도 2는 본 발명의 일 구성으로서 센서모듈의 세부구성을 나타내는 블럭도이고,
도 3은 도 2에 도시된 센서부의 일 예를 도시하는 측단면도이다.

이하, 본 발명의 구성 및 작용을 첨부된 도면에 의거하여 좀 더 구체적으로 설명한다. 본 발명을 설명함에 있어서, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 발명자가 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.

그러나, 이는 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.

각 도면을 설명하면서 유사한 참조부호를 유사한 구성요소에 대해 사용하였다.

제1, 제2, A, B 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 예를 들어, 본 발명의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소도 제1 구성요소로 명명될 수 있다. 및/또는 이라는 용어는 복수의 관련된 기재된 항목들의 조합 또는 복수의 관련된 기재된 항목들 중의 어느 항목을 포함한다.

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 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다.

본 출원에서, "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.

다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다.

일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥 상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.

이하, 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.

본 발명의 시스템(1)은 도 1에서 보는 바와 같이 교량의 진동을 측정하여 진동신호를 출력하고 이러한 진동신호를 무선으로 송신하는 복수의 센서모듈(2); 상기 센서모듈(2)에 의해 출력된 진동신호를 수집하여 신호처리를 수행하는 신호처리부(31)와, 상기 신호처리부(31)에 의해 신호처리가 수행된 진동신호에 대해 파형 및 스펙트럼을 분석하고 분석된 파형 및 스펙트럼에 대한 통계처리를 수행하여 출력하는 신호분석부(32)와, 상기 신호처리부(31)에 의해 신호처리가 수행된 진동신호에 대해 모드형상(mode shape)을 추출하고, 고유진동수 및 감쇠비를 추출하며, 단위처짐변위를 추출하는 추출부(33)와, 상기 추출부(33)에서 추출된 모드형상, 고유진동수, 감쇠비, 단위처짐변위에 대한 데이터를 이용하여 상기 교량의 손상위치 및 손상정도를 판단하는 건전성판단부(34)를 포함하는 컨트롤모듈(3);을 포함하는 것을 특징으로 한다.

상기 센서모듈(2)은 교량의 진동을 측정하여 진동신호를 출력하도록 구성될 수 있다. 상기 센서모듈(2)은 교량의 복수의 개소에 설치될 수 있다.

상기 센서모듈(2)은 구조물에 p개가 설치되는 경우, 시간 t에 대한 응답 가속도의 시간 이력을 하기 수학식 1과 같이 출력하도록 구성될 수 있다.

여기서,

는 가속도 벡터로서

이고,

는 i번째 모드 형상 벡터로서

이고,

는 i번째 기여도(contribution factor)이고, p는 센서모듈(2)의 위치를 나타낸다.

이러한 센서모듈(2)에는 도 2에서 보는 바와 같이 센서부(21)와 무선통신부(22)가 구성되는 바, 상기 센서부(21)에 의해 교량의 진동신호가 추출되고 이렇게 추출된 진동신호는 상기 무선통신부(22)를 통해 상기 컨트롤모듈(3)로 송신이 되도록 하는 것이다.

상기 무선통신부(22)는 다양한 공지기술이 존재하므로 그 상세 설명은 생략한다.

상기 신호처리부(31)는 상기 센서모듈(2)에 의해 출력된 진동신호를 수집하여 신호처리를 수행하도록 구성될 수 있다.

상기 신호처리부(31)는 진동신호에 대한 데이터 필터링과 잡음 제거 등의 신호 처리를 수행할 수 있다.

상기 신호분석부(32)는 진동신호를 이용하여 가속도 데이터의 미적분, 가속도 벡터합 표출, 그리고 진동 신호의 최대, 최소, 평균, 첨도, 왜도, 제곱평균제곱근(RMS), 중앙값, 표준편차와 같은 통계 처리를 수행하도록 구성될 수 있다.

그리고 신호분석부(32)는 진동신호의 PGA(Peak Ground Acceleration) 표출, MMA(Min, Max, Avg) 데이터 표출, 누적 절대 속도(CAV) 표출, 시간 이력 감쇠, 파워 스펙트럼, 응답 스펙트럼(가속도ㆍ속도ㆍ변위 응답 스펙트럼 표출), 지진 강도 추출, 아리아스(Arias) 진도 표출, 분석 자료 다중 표출 등의 분석 및 통계 기능을 수행하도록 구성될 수 있다.

상기 추출부(33)는 상기 신호처리부(31)에 의해 신호처리가 수행된 진동신호에 대해 모드형상(mode shape)을 추출하고, 고유진동수 및 감쇠비를 추출하며, 단위처짐변위를 추출하는 구성으로, 이를 더욱 상세히 설명하면, 상기 추출부(33)는, 상기 신호처리부(31)에 의해 신호처리가 수행된 진동신호에 대해 FFT 연산없이 시간영역(time domain) 상에서 공간변수인 모드형상(mode shape)을 추출하고, 상기 추출된 모드형상을 이용하여 상기 신호처리부(31)에 의해 신호처리가 수행된 진동신호에 대해 FFT(fast Fourier Transform) 연산을 수행하여 시간변수인 고유진동수 및 감쇠비를 추출하며, 모달질량(Modal Mass)을 도출하여 단위처짐변위를 추출하는 것을 특징으로 한다.

상기 추출부(33)는 상기 신호처리부(31)에 의해 신호처리가 수행된 진동신호에 대해 기본적으로 모드형상(mode shape)을 시간영역(time domain) 상에서 연산 추출하고, 고유진동수와 감쇠비를 공간영역 상에서 연산 추출하며, 모달질량을 계산하여 단위처짐변위를 추출토록 구성된다.

기존에는 모드형상에 대해 FFT(Fast Fourier Transform)을 수행하여 연산량이 증가하였으며 연산난이도도 증가하였다. 교량이 클수록 진동센서의 개수가 매우 많아지는 것을 고려할 때 연산량 역시 매우 많아지게 되어 연산 부담이 매우 컸다. 그러나, 본 발명에서는 FFT 연산없이 시간영역에서 직접 모드형상을 추출할 수 있는 알고리즘을 개발하여 실시간으로 모드형상을 모니터링 할 수 있다. 좀 더 구체적으로 설명한다.

먼저 수학식 1에서 임의의 시간

를 심볼

로 표시할 경우 계측 가속도 시간 응답은 하기 수학식 2와 같이 근사화될 수 있다.

여기서, n은 계측 가속도 신호의 모드 수이다.

상기 추출부(33)는 i번째 모드만을 가지는 단자유도 신호를 추출하기 위해 디지털 밴드 패스 필터를 설계하여 하기 수학식 3에 의해 i번째 모드를 갖는 단자유도 신호

를 추출하도록 구성될 수 있다.

그리고 추출부(33)는 하기 수학식 4에 의해 N개의 가속도 시간 샘플을 수집하도록 구성될 수 있다.

수학식 4는 다음 수학식 5와 같이 간략화될 수 있다.

여기서,

행렬

i번째 모드만 가지고 있는 단자유도 가속도 신호를 나타낸다. 그리고 벡터

는 i번째 모드의 가속도 신호 이력에 대한 기여도를 나타낸다.

한편, 추출부(33)는 하기 수학식 6에 따른 에너지 상관관계 행렬(output energy correlation matrix)에 의해 i번째 단자유도 가속도 응답신호의 에너지 상관관계를 출력하도록 구성될 수 있다.

여기서,

는 i번째 단자유도 가속도 신호를 갖는 행렬

를 나타낸다.

상기 추출부(33)는 수학식 5를 수학식 6에 대입하여 하기 수학식 7을 산출하도록 구성될 수 있다.

여기서,

는

로서 기여도

의 에너지 강도를 나타낸다. 수학식 7은 i번째 가속도 응답 신호에 잡음이 없는 상태의 이상적인 경우를 나타낸다.

한편, 에너지 상관관계 행렬에 존재하는 잡음은 i번째 모드 형상에 대한 직교 잡음 공간(orthogonal noise space)으로 다음 수학식 8과 같이 표현될 수 있다.

여기서, px1 벡터

는 i번째 잡음 기저를 나타내고,

는 i번째 잡음 모드의 강도를 나타낸다.

수학식 8은 다음 수학식 9와 같이 간략화될 수 있다.

여기서,

는

로서 특이 행렬 벡터(singular vector matrix)이고,

는

로서 특이치 행렬을 나타낸다. i번째 단자유도 가속도 응답의 지배적인 에너지는 i번째 모드 형상

이므로, 특이값의 크기 순서는

이 된다.

이에, i번째 모드 형상 벡터는

의 특이행렬 벡터 중에서 첫번째 열 벡터(column vector)가 된다. 상기 추출부(33)에서는 이를 모드 형상으로서 출력하게 된다.

추출부(33)는 모드형상 외에도 고유진동수와 감쇠비를 추출하도록 구성될 수 있다. 추출부(33)는 앞서 추출된 모드형상을 이용하여 신호처리부(31)에 의해 신호 처리가 수행된 진동신호에 대해 FFT(fast Fourier Transform) 연산을 수행하여 시간변수인 고유진동수 및 감쇠비를 추출하도록 구성될 수 있다.

이하 상기 추출부(33)를 좀 더 구체적으로 설명한다.

상기 추출부(33)는 추출부(33)에서 추출된 i번째 모드 형상 벡터를 이용하여 하기 수학식 10과 같이 i번째 모드를 대표하는 가속도 상호 상관 함수(cross correlation function)

을 산출하도록 구성될 수 있다.

수학식 10의 가속도 상호 상관 함수

는 시간 잡음을 포함하고 있기 때문에, 추출부(33)는 q의 시간 샘플에 대하여 하기 수학식 11과 같이 상관 관계 행렬

를 정의한다.

그리고 상기 추출부(33)는 상관관계 행렬

에 대하여 하기 수학식 12에 의해 특이치 분해 과정 SVD(singular value decomposition)을 수행하여 직교 잡음을 제거하도록 구성될 수 있다.

여기서, 직교 잡음이 제거된 i번째 모드를 대표하며 상관 관계 행렬

에서 가장 큰 특이치를 갖는 가속도 상호 상관 함수 벡터

는 특이치 행렬

중에서 가장 큰 특이치에 상응하는 특이치 벡터이며 다음 수학식 13과 같이 산출될 수 있다.

여기서, 수학식 13에 의해 추출된 각 모드별 대표 SDOF(single degree of freedom) 가속도 상호 상관 함수는 자유 진동 함수(free vibration function)과 동일한 형태이다. 이에, TDD 기법을 이용하여 추출된 각 모드별 데이터로부터 SI(system identification) 기법을 적용하여 가속도 상호 상관 함수 벡터

에 대한 고유 진동수와 감쇠비를 추출하도록 구성될 수 있다.

SI 기법은 역해석의 일종으로서 계측치와 시뮬레이션치가 같도록 하는 시뮬레이션 시스템 변수들을 최적화하는 기법이다.

상기 추출부(33)는 하기 수학식 14에 의해 임의시간

에서 자유진동 함수

를 고려할 수 있다.

여기서,

는 진폭,

는 고유 진동수,

는 감쇠비,

는 감쇠 고유 진동수,

는 이동각(translation angle)이며, 이로부터 고유 진동수와 감쇠비를 예측할 수 있다.

인식해야 할 변수는 고유 진동수, 감쇠비, 진폭, 이동각이며, 이들은 변수들의 집합인 인식 벡터

로서 그 크기는 다음 수학식 15와 같이 표현될 수 있다.

여기서, 임의 시간 t에서 i번째 모드의 상호 상관

은 인식 변수 벡터의 함수이고 테일러(Taylor) 급수 전개 후 고차항을 무시하면 상호 상관의 변량

는 다음 수학식 16과 같이 정의될 수 있다.

상호 상관 변량은 다음 수학식 17과 같이 표현될 수 있다.

여기서,

은 인식 변수 벡터

의 n번째 항이며,

은 i번째 고유 진동수를 나타내고

는 i번째 모드의 감쇠비

를 나타낸다.

수학식 17은 다음 수학식 18과 같이 표준화될 수 있다.

상호 상관 함수의 샘플 수가 q개일 때 수학식 18은 다음 수학식 19와 같이 간단한 선형 민감도 방정식으로 기술될 수 있다.

여기서, q X 1 벡터인

는 고유 진동수의 변화율로서 다음 수학식 20과 같이 표현될 수 있다.

p X 1 벡터

는 인식 변수들의 변화율을 나타내며, 다음 수학식 21과 같이 표현될 수 있다.

다음 수학식 22의 p X q 벡터

는 민감도 행렬(sensitivity matrix)로서 인식 변수들에 대한 고유 진동수의 변화율을 나타낸다.

상기 추출부(33)는 반복법을 이용하여 수학식 19의 민감도 방정식에 대한 해를 구할 수 있는데, 그 순서는 다음과 같다.

j번째 반복 단계에서 인식 변수들을 다음 수학식 23과 같이 가정한다.

여기서, 인식 변수들의 위 첨자 j는 반복 단계 횟수를 의미한다.

인식 변수 벡터에 대해서 수학식 14의 시뮬레이션을 수행하여 상호 상관을 얻는다.

위의 시뮬레이션 모델에 대하여 수학식 22의 민감도 행렬

를 구한다. 이때, 민감도 행렬은 각 인식변수의 단위 변화에 따른 상호상관 변화를 계산하여 근사적으로 산정한다.

상호상관의 변화율 벡터

는 다음 수학식 24와 같다.

여기서,

는 i번째 모드에 대한

에서 수학식 13으로부터 추출된 계측 상호 상관이고,

는 j번째 반복 단계에서 인식 변수 벡터들을 이용하여 구한

에서 i번째 모드에 대한 수학식 13의 시뮬레이션 값이다.

수학식 19를 이용하여 인식 변수 벡터들의 변화율

는 다음 수학식 25와 같이 표현될 수 있다.

여기서,

는

의 의사역행렬(pseudo inverse matrix)이고, 수학식 26에 의해 근사화될 수 있다.

인식 변수 벡터는 j+1번째 반복 단계에서 다음 수학식 27과 같이 갱신될 수 있다.

여기서,

는 j번째 반복 단계에서 인식 변수 벡터

의 n번째 항이며,

은 인식 변수의 변화율 벡터

의 n번째 항이다.

수학식 27에 의해 갱신된 인식 변수 벡터에 대해서 수학식 23 내지 수학식 27의 각 인식변수 변화율

이 0으로 수렴할 때까지 반복한다.

또한 추출부(33)는 단위처짐변위를 추출하는데, 우선 하기 수학식 28에 의해 모달질량(Modal Mass)을 수치 적분하여 계산한다.

여기서,

는 i번째 모달 질량,

는 교량의 질량 밀도, A는 교량의 단면적, L은 교량의 길이를 나타낸다.

상기 수학식 28에 의해 도출되는 모달질량값에 의거 하기 수학식 29에 의해 단위처짐변위를 도출한다.

여기서,

는 j번째 절점에 단위 하중 1이 작용시 처짐형상(j번째 단위처침),

는 i번째 모드형상 벡터

의 j번째 요소 값, r은 계측된 모드의 총 수,

는 i번째 고유진동수이다.

상기 건전성판단부(34)는 상기 추출부(33)에 의해 추출된 모드형상, 고유진동수, 감쇠비 및 단위처짐변위에 대한 데이터를 기초로 교량의 손상위치 및 손상정도를 판단하여 교량의 건전성을 판단토록 한다.

한편 본 발명에서는 도 2 등에서 보는 바와 같이 상기 센서모듈(2)을 구성함에 있어, 교량에 부착되는 진동가속도센서(211)와, 탄성재질로 상기 진동가속도센서(211)의 외곽에 도포되는 외부신호제어코팅부(212)를 포함하는 센서부(21); 상기 진동가속도센서(211)에서 출력된 진동신호를 상기 컨트롤모듈(3)로 무선송신 하는 무선통신부(22);가 포함되도록 하는 예를 도시하고 있다.

즉 본 실시 예의 경우 진동가속도센서(211)를 외부에서 보호하면서 외부의 물리적 충격에 대해 이러한 충격에 대한 신호가 상기 진동가속도센서(211)로 전달되는 것을 차단하여 상기 진동가속도센서(211)가 교량(C)에서 전달되는 진동만을 정확하게 센싱하도록 하는 것이다.

상기 외부신호제어코팅부(212)의 경우 상기 외부신호제어코팅부(212)로 전달된 외부충격에 대해 이를 완화시킴으로써 외부충격에 의한 진동에너지가 상기 진동가속도센서(211)로 전달되는 것을 방지하는 것이다.

상기 외부신호제어코팅부(212)는 탄성재질로 구성되도록 하여 외부충격의 완화 및 흡수가 가능하도록 하여야 한다.

그런데 상기에서 언급한 외부충격이라 함은 직접적으로 어떠한 물체에 의한 충격, 비, 바람 등 자연재해에 의한 충격 등 물리적 충격에 해당하는 것인데 이러한 물리적 충격 외에도 바람소리, 교량 등의 경우 차량주행 소리 등 음파에 의한 진동에너지가 상기 진동가속도센서(211)로 전달되는 경우에도 상기 진동가속도센서(211)가 교량의 진동을 센싱하는데 있어 상기 음파는 노이즈로 작용을 하게 된다. 또한 진동가속도센서(211) 외부에 습기에 의한 물방울이 형성되는 경우 이러한 물방울은 무선통신부(22)에서 송신하는 진동신호를 왜곡시키거나 외부로부터 전달되는 물리적 충격, 음파에 의한 진동에너지를 왜곡시켜 교량에서 발생되는 진동신호의 정확성을 저하시키는 요인으로서 작용하게 된다.

이에 본 발명에서는 도 3에서 보는 바와 같이 상기 외부신호제어코팅부(212)를 구성함에 있어, 상기 진동가속도센서(211)의 외주연에 도포되며 다공을 형성하는 탄성재질의 내충격코팅층(212-1)과, 상기 내충격코팅층(212-1)에 도포되는 발수코팅층(212-2)이 포함되는 예를 제시한다.

상기 다공을 형성하는 탄성재질의 내충격코팅층(212-1)에 의해 상기에서 언급한 물리적 외부충격을 완화시키도록 하는 것이며 음파에 의한 진동에너지를 흡수토록 하여 물리적 충격에 의한 외부신호 및 음파에 의한 외부신호가 상기 진동가속도센서(211)로 전달되는 것을 차단토록 하는 것이다.

상기 내충격코팅층(212-1)은 다공을 형성하는 탄성재질이면 그 종류를 한정하지 않으나 내충격코팅층(212-1)에 균열이 있는 경우 균열로 상기에서 언급한 외부요인에 의한 진동이 진동가속도센서(211)로 전달되는 문제가 있을 수 있다. 이러한 균열은 내충격코팅층(212-1)이 도포과정에서 경화열에 의해 발생되거나 경화후 건조수축 등에 의해 발생될 수 있다.

이에 본 발명에서는 상기 내충격코팅층(212-1)을 구성함에 있어, 다공성 폴리우레탄수지에 질산암모늄과 보강섬유가 포함되는 예를 제시하고 있다.

질산암모늄은 다공성 폴리우레탄수지의 경화과정에서 발생되는 열을 흡수토록 하며 이와 동시에 페이스트에 포함되어 있는 유기물질을 흡착하는 기능을 한다. 이와 같이 질산암모늄이 경화과정에서 페이스트로부터 열을 흡수함으로써 경화열에 의한 균열 즉 내충격코팅층(212-1)의 수축을 제어토록 하는 것이다. 즉 질산암모늄은 경화열을 흡수하여 균열을 제어토록 하는 것이다. 이에 더하여 다공성 폴리우레탄 수지에 의해 형성되는 내충격코팅층(212-1)의 공극에 유기물이 존재하는 경우 유기물에 의해 공극에 의해 발현되는 기능으로 흡음기능이 저하되는 문제가 있을 수 있는데 질산암모늄은 유기물을 흡착함으로써 이러한 문제를 해결토록 하는 것이다.

또한 상기 보강섬유는 폴리염화비닐, 폴리프로필렌 등 그 종류를 한정하지 않는데, 상기 보강섬유가 내충격코팅층(212-1)에 포함되어 물리적 가교작용의 발현에 의해 경화후 건조수축 등에 의한 균열을 제어토록 하는 것이다. 즉 물리적으로 균열을 제어토록 하는 것이다.

바람직하게 상기 내충격코팅층(212-1)을 구성함에 있어, 다공성 폴리우레탄수지 100중량부에 대해 질산암모늄 1 내지 10중량부와, 보강섬유 1 내지 3중량부가 포함되도록 하는 것이 타당하다.

또한 상기 내충격코팅층(212-1)에 도포되는 발수코팅층(212-2)은 내충격코팅층(212-1)에 습기 등에 의해 물방울이 맺히는 경우 상기에서 언급한 바와 같이 외부 또는 내부로부터의 진동신호를 왜곡할 수 있어 이렇게 내충격코팅층(212-1)에 물방울이 맺히는 것을 차단하기 위한 것이다. 이러한 발수코팅층(212-2)은 다양한 공지의 재질이 존재하므로 그 상세설명은 생략한다.

이상 설명한 내용을 통해 당업자라면 본 발명의 기술사상을 일탈하지 아니하는 범위에서 다양한 변경 및 수정 가능함을 알 수 있을 것이다. 따라서, 본 발명의 기술적 범위는 명세서의 상세한 설명에 기재된 내용으로 한정되는 것이 아니라 특허청구범위에 의해 정해져야만 할 것이다.

1 : 본 발명의 시스템 2 : 센서모듈
3 : 컨트롤모듈

Claims (5)

1. 교량의 진동을 측정하여 진동 신호를 출력하고 이러한 진동신호를 무선으로 송신하는 복수의 센서모듈; 및
   상기 센서모듈에 의해 출력된 진동 신호를 수집하여 신호 처리를 수행하는 신호처리부와, 상기 신호처리부에 의해 신호 처리가 수행된 진동 신호에 대해 파형 및 스펙트럼을 분석하고 분석된 파형 및 스펙트럼에 대한 통계 처리를 수행하여 출력하는 신호분석부와, 상기 신호처리부에 의해 신호 처리가 수행된 진동 신호에 대해 모드형상(mode shape)을 추출하고, 고유진동수 및 감쇠비를 추출하며, 단위처짐변위를 추출하는 추출부와, 상기 추출부에서 추출된 모드형상, 고유진동수, 감쇠비, 단위처짐변위에 대한 데이터를 이용하여 상기 교량의 손상 위치 및 손상 정도를 판단하는 건전성판단부를 포함하는 컨트롤모듈;를 포함하고,
   상기 센서모듈은,
   교량에 부착되는 진동가속도센서와, 탄성재질로 상기 진동가속도센서의 외곽에 도포되는 외부신호제어코팅부를 포함하는 센서부; 및
   상기 진동가속도센서에서 출력된 진동신호를 상기 컨트롤모듈로 무선송신 하는 무선통신부;를 포함하되,
   상기 외부신호제어코팅부는,
   다공을 형성하는 탄성재질로 상기 진동가속도센서의 외주연에 도포되며 다공성 폴리우레탄수지 100중량부에 대해 질산암모늄 1 내지 10중량부와, 보강섬유 1 내지 3중량부가 포함되어 다공성 폴리우레탄수지의 경화과정에서 발생되는 열을 질산암모늄이 흡수하여 경화열에 의한 수축 균열을 제어하게 되는 내충격코팅층과, 상기 내충격코팅층에 도포되는 발수코팅층이 포함되는 것을 특징으로 하는 무선통신기반 유지관리 소외 교량의 안전성 평가시스템.
   
2. 제 1항에 있어서,
   상기 추출부는, 상기 신호처리부에 의해 신호 처리가 수행된 진동 신호에 대해 FFT 연산없이 시간 영역(time domain) 상에서 공간변수인 모드형상(mode shape)을 추출하고, 상기 추출된 모드형상을 이용하여 상기 신호처리부에 의해 신호 처리가 수행된 진동신호에 대해 FFT(fast Fourier Transform) 연산을 수행하여 시간 변수인 고유진동수 및 감쇠비를 추출하며, 모달질량(Modal Mass) 질량을 도출하여 단위처짐변위를 추출하는 것을 특징으로 하는 무선통신기반 유지관리 소외 교량의 안전성 평가시스템.
   
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