KR102612731B1 - Mems 가속도 계측기를 활용한 재난 안전 평가 시스템, 방법, 및 상기 방법을 실행시키기 위한 컴퓨터 판독 가능한 프로그램을 기록한 기록 매체 - Google Patents

Abstract

재난 안전 평가 시스템, 방법, 및 상기 방법을 실행시키기 위한 컴퓨터 판독 가능한 프로그램을 기록한 기록 매체가 개시된다. 재난 안전 평가 시스템은, 동특성 분석부, 거동모델 구축부, 평가기준 설정부, 시뮬레이션 DB 구축부, 가속도 계측부, 활용 정보 산출부, 및 안정성 평가부를 포함한다. 동특성 분석부는 건축물에 대한 계측정보로부터 건축물의 동특성을 분석하고, 거동 모델 구축부는 분석 결과를 이용하여 건축물의 설계 해석 모델을 수정한 거동 모델을 구축하고, 평가기준 설정부는 미리 설정된 재난 안정성 평가기준을 설정하고, 시뮬레이션 DB 구축부는 거동 모델에 대해 미리 설정된 재난 데이터를 적용한 사전 피해 시뮬레이션 DB를 구축하고, 가속도 계측부는 건축물에 대한 가속도를 계측하고, 활용 정보 산출부는 계측된 가속도의 수치 적분을 통해 미리 설정된 활용 정보를 산출하며, 안정성 평가부는 가속도의 정보, 활용 정보, 및 안정성 평가기준을 이용하여 건축물의 재난 안정성을 평가한다.

Description

MEMS 가속도 계측기를 활용한 재난 안전 평가 시스템, 방법, 및 상기 방법을 실행시키기 위한 컴퓨터 판독 가능한 프로그램을 기록한 기록 매체 {System and method for assessing disaster safety using MEMS accelerometer, and a recording medium recording a computer readable program for executing the method}

본 발명은 재난대응 시스템에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 지진과 같은 미래위험에 대응하고자 지진 발생 전 안전성 평가기준, 사전 피해 시뮬레이션 DB를 구축하고, 지진발생 시 MEMS 계측센서로 계측하며, 지진 발생 후 분석된 변위로부터 재난 표준행동절차의 세부단계와 연계하여 건축물의 지진 안전성을 평가하고, 정보를 표출하는 시스템 및 방법에 관한 것이다.

일반적으로, 준공 완료되어 사용중인 건축물에 대한 지진피해 분석은 발생 지진의 규모와 구조설계사무소에서 설계단계 모델의 지진 규모의 단순 비교를 통해서 이루어지거나, 지진 피해 건축물에 대한 사후 검사 등을 통해 수행되고 있다.

그런데, 발생 지진의 규모와 설계단계 모델의 지진 규모를 단순 비교하는 방법은 설계 단계 모델과 사용중인 건축물간 재하하중, 건물 강성, 조적벽체 및 비구조체 영향 등으로 서로 상이한 특성(고유주파수 등)을 보이므로, 지진 규모 단순 비교분석은 불확실성이 높다는 문제가 있다.

또한, 사후 정밀안전진단은 전문가의 다방면 분석이 가능하기는 하지만, 장시간의 검사기간 동안 건축물을 사용할 수 없어 이에 따른 경제적 손해가 크다는 문제점이 있다. 비교적 소요기간 적은 육안검사는 건축물 내의 천정이나 마감재에 가려져 확인되지 않는 균열 등으로 정확한 검사를 수행할 수 없는 한계점을 지닌다.

최근 국내 초고층 건축물에 건축물 유지관리 용도로 계측기를 설치하고 자료를 취득하고 있으나, 평상시의 가속도계 모니터링 중심으로 활용될 뿐, 지진 발생 후 정밀검사 수준에 준하는 지진 피해 분석 서비스를 제공하지 못하는 실정이다.

KR 102098888 B1 KR 102064328 B1 KR 101642951 B1 KR 101903879 B1

본 발명은 상술한 종래의 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로서, 지진과 같은 대규모 재난에 대해 건축물의 안정성 평가를 보다 효과적이고 정확하게 수행함으로써, 사용자가 피해지역과 위험도를 인지하고 사고를 예방하도록 하여 지진과 같이 미래위험에 대응할 수 있도록 해 주는 시스템 및 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.

상기 목적을 달성하기 위해 본 발명에 따른 재난 안전 평가 시스템은, 동특성 분석부, 거동모델 구축부, 평가기준 설정부, 시뮬레이션 DB 구축부, 가속도 계측부, 활용 정보 산출부, 및 안정성 평가부를 포함한다.

동특성 분석부는 건축물에 대한 계측정보로부터 건축물의 동특성을 분석하고, 거동 모델 구축부는 분석 결과를 이용하여 건축물의 설계 해석 모델을 수정한 거동 모델을 구축하고, 평가기준 설정부는 미리 설정된 재난 안정성 평가기준을 설정하고, 시뮬레이션 DB 구축부는 거동 모델에 대해 미리 설정된 재난 데이터를 적용한 사전 피해 시뮬레이션 DB를 구축하고, 가속도 계측부는 건축물에 대한 가속도를 계측하고, 활용 정보 산출부는 계측된 가속도의 수치 적분을 통해 미리 설정된 활용 정보를 산출하며, 안정성 평가부는 가속도의 정보, 활용 정보, 및 안정성 평가기준을 이용하여 건축물의 재난 안정성을 평가한다.

이때, 안정성 평가부는 가속도의 정보 및 활용 정보 중 최대지반가속도(PGA)를 이용하여 진도등급을 산출할 수 있다.

또한, 안정성 평가부는 가속도의 정보 및 활용 정보 중 변위 정보를 이용하여 건축물의 취약도 확률을 평가할 수 있다.

또한, 안정성 평가부는, 건축물의 계측층의 가속도로부터 산출된 건축물의 최대 층간변위비와 재난 안정성 평가 기준의 층간변위비 기준값을 비교하고, 최대 층간변위비가 Rank 1 기준값 이하인 경우, Rank 1 이하의 안정성으로 평가할 수 있다.

또한, 안정성 평가부는, 층간변위비가 상기 재난 안정성 평가 기준의 Rank 1 기준값을 초과하는 경우, 계측층의 가속도, 변위 정보에 기반하여 사전 피해 시뮬레이션 DB 중 계측 데이터와 오차율이 최소가 되는 계측층 DB를 선정하고, 선정된 계측층 DB의 최대 측간 변위비가 재난 안정성 평가 기준의 Rank 7 기준값 이상인 경우 건축물은 Rank 7 이상으로 판정할 수 있다.

또한, 안정성 평가부는, 선정된 계측층 DB의 최대 측간 변위비가 재난 안정성 평가 기준의 Rank 7 기준값 미만인 경우, 계측층 DB의 층별 부재의 중간 변위, 내력비(DCR), 변형률 및 변형 해석 결과 수치로부터 층별 안전 평가 등급을 판정할 수 있다.

또한, 안정성 평가부는, 계측층의 가속도에 기반하여 추정된 전층의 추정 변위와 사전 피해 시뮬레이션 DB의 전층 변위 데이터간 오차율이 최소가 되는 전층 DB를 선정하고, 선정된 사전 피해 시뮬레이션 전층 DB의 최대 중간 변위비가 재난 안정성 평가 기준의 Rank 7 기준값 이상인 경우, 건축물은 Rank 7 이상으로 판정할 수 있다.

또한, 안정성 평가부는, 선정된 사전 피해 시뮬레이션 전층 DB의 최대 층간 변위비가 상기 Rank 기준값 미만인 경우, 피해 시뮬레이션 전층 DB에서 추출한 층별 부재의 층간 변위, 내력비(DCR), 변형률 및 변형(소성 회전각) 해석결과 수치로부터 건축물의 층별 안전 평가등급을 판정할 수 있다.

또한, 안정성 평가부에서 평가 결과를 출력하는 안전등급 표출부를 더 포함할 수 있다.

또한, 안전등급 표출부는 안전성 평가부의 평가 결과를 건물 안전등급 또는 부재 안전등급으로 표출할 수 있다.

또한, 안전등급 표출부는 건축물의 주요구조 부재별로 사전 피해 시뮬레이션 전층 DB의 해석결과 수치로부터 안전 평가등급을 출력할 수 있다.

또한, 안전등급 표출부는 건축물의 구조 부재 중 수직 부재가 포함된 수평 및 수직 영역은 수직 부재와 동일한 평가 등급으로 출력할 수 있다.

또한, 가속도 계측부는 GPS 시각 동기화 기능을 가지는 MEMS 가속도계를 포함할 수 있다.

본 발명에 의하면, 지진과 같이 미래위험에 대응하고 안전한 사회를 구현하여 사회적 대응력과 회복력을 높일 수 있다. 지진 발생 전 주요건축물의 동특성과 예상 지진파에 대한 비선형 동적해석으로 피해 시뮬레이션 DB를 구축함으로써, 피해 분석에 소모되는 비용과 시간을 절약하고 재난의 심각성에 따른 최적의 대응 매뉴얼을 신속하게 제공할 수 있다. 또한, 재난 SOP 단계별로 안전성 평가등급 제공 및 평면을 Zone으로 분류하고, Zone별 안전성 평가등급을 활용하여 이동동선을 제공함으로 사용자에게 비교적 정확한 피해지역과 위험도를 사전에 인지하고, 효율적으로 예방할 수 있는 장점이 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 재난 안전 평가 시스템의 개략적인 블록도.
도 2는 도 1의 재난 안전 평가 시스템의 구현예인 MEMS 가속도 계측기를 활용한 재난대응 시스템이 수행하는 재난대응 방법의 과정을 도시한 흐름도.
도 3은 건축물 현장 동특성 계측결과에 기반한 동특성(고유 주파수) 분석 도면.
도 4는 건축물 현장 동특성 계측결과와 거동 모델의 동특성(모드 형상) 비교 도면.
도 5는 건축물 현장 동특성 계측결과와 거동 모델의 동특성(MAC 값) 비교 도면.
도 6은 재난 SOP와 연계한 단계별 정보 제공 과정을 도시한 도면.
도 7은 재난 SOP 징후감지단계와 연계되는 기상청 진도등급체계를 도시한 표.
도 8은 재난 SOP 초기대응단계와 연계되는 건축물 취약도 함수 예를 도시한 도면.
도 9는 재난 SOP 수습 및 복구단계의 총 8단계의 지진 안전성 평가 등급(사용자 요구별 단 구분 설정 가능)을 도시한 표.
도 10은 거동모델에 적용하는 비선형 동적 해석 입력 지진파 예의 표.
도 11은 거동모델에 적용하는 비선형 동적 해석 입력 지진파 예를 도시한 도면.
도 12는 거동모델의 비선형 동적 해석에 의한 전 층의 층간 변위 예를 도시한 도면.
도 13은 센싱부 기존 제품 개량 패키지가 도시된 도면.
도 14는 MEMS 가속도 센싱부 회로설계 모식도.
도 15는 MEMS 가속도 센싱부 개발 PCB 앞면 및 후면 사진.
도 16은 MEMS 가속도 센싱부 GPS 1PPS 신호를 이용한 시간동기화 검증 화면.
도 17은 MEMS 가속도 센싱부 펌웨어(SW) 구성도.
도 18은 MEMS 가속도 센싱부 아날로그-디지털 출력 데이터에 따른 통신 인터페이스 처리 결과 도면.
도 19는 MEMS 가속도 센싱부 유/무선통신을 이용한 데이터 통신 검증 결과 도면.
도 20은 High Pass Filter 적용 여부에 따른 수치 적분 해석 결과 비교 도면.
도 21은 정보취득부의 전층 변형형상 추정을 위한 모드 중첩을 도시한 도면.
도 22는 층간 변위비 8단계 안전성 평가등급별 기준값을 도시한 표.
도 23은 부재 안전성 평가항목별 8단계 평가등급 기준값을 도시한 표.
도 24는 재난 SOP 연계 안전성 평가등급 분석부의 수행 프로세스를 도시한 도면.
도 25는 재난 SOP 연계 안전성 평가등급 분석부의 평가결과 표출 예를 도시한 도면.
도 26은 수직부재 중심의 수평·수직 Zone Grouping 예를 도시한 도면.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 설명한다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 재난 안전 평가 시스템의 개략적인 블록도이다. 도 1에서 재난 안전 평가 시스템은 동특성 분석부(110), 거동모델 구축부(120), 평가기준 설정부(130), 시뮬레이션 DB 구축부(140), 가속도 계측부(150), 활용 정보 산출부(160), 안정성 평가부(170), 및 안전등급 표출부(180)를 포함한다.

도 1에서 재난 안전 평가 시스템의 각 구성요소들은 하드웨어만으로 구현할 수도 있겠으나, 하드웨어 및 하드웨어상에서 동작하는 소프트웨어로 함께 구현되는 것이 일반적일 것이다.

동특성 분석부(110)는 건축물에 대한 계측 정보로부터 건축물의 동특성을 분석하고, 거동 모델 구축부(120)는 분석 결과를 이용하여 건축물의 설계 해석 모델을 수정한 거동 모델을 구축하고, 평가기준 설정부(130)는 미리 설정된 재난 안정성 평가기준을 설정하고, 시뮬레이션 DB 구축부(140)는 거동 모델에 대해 미리 설정된 재난 데이터를 적용한 사전 피해 시뮬레이션 DB를 구축한다.

가속도 계측부(150)는 건축물에 대한 가속도를 계측한다. 이때, 가속도 계측부(150)는 GPS 시각 동기화 기능을 가지는 MEMS 가속도계를 포함할 수 있다. 활용 정보 산출부(160)는 계측된 가속도의 수치 적분을 통해 미리 설정된 활용 정보를 산출한다.

안정성 평가부(170)는 가속도의 정보, 활용 정보, 및 안정성 평가기준을 이용하여 건축물의 재난 안정성을 평가한다. 이때, 안정성 평가부(170)는 가속도의 정보 및 활용 정보 중 최대지반가속도(PGA)를 이용하여 진도등급을 산출할 수 있다. 또한, 안정성 평가부(170)는 가속도의 정보 및 활용 정보 중 변위 정보를 이용하여 건축물의 취약도 확률을 평가할 수 있다.

또한, 안정성 평가부(170)는, 건축물의 계측층의 가속도로부터 산출된 건축물의 최대 층간변위비와 재난 안정성 평가 기준의 층간변위비 기준값을 비교하고, 최대 층간변위비가 Rank 1 기준값 이하인 경우, Rank 1 이하의 안정성으로 평가할 수 있다.

또한, 안정성 평가부(170)는, 층간변위비가 상기 재난 안정성 평가 기준의 Rank 1 기준값을 초과하는 경우, 계측층의 가속도, 변위 정보에 기반하여 사전 피해 시뮬레이션 DB 중 계측 데이터와 오차율이 최소가 되는 계측층 DB를 선정하고, 선정된 계측층 DB의 최대 측간 변위비가 재난 안정성 평가 기준의 Rank 7 기준값 이상인 경우 건축물은 Rank 7 이상으로 판정할 수 있다.

또한, 안정성 평가부는(170), 선정된 계측층 DB의 최대 측간 변위비가 재난 안정성 평가 기준의 Rank 7 기준값 미만인 경우, 계측층 DB의 층별 부재의 중간 변위, 내력비(DCR), 변형률 및 변형 해석 결과 수치로부터 층별 안전 평가 등급을 판정할 수 있다.

또한, 안정성 평가부(170)는, 계측층의 가속도에 기반하여 추정된 전층의 추정 변위와 사전 피해 시뮬레이션 DB의 전층 변위 데이터간 오차율이 최소가 되는 전층 DB를 선정하고, 선정된 사전 피해 시뮬레이션 전층 DB의 최대 중간 변위비가 재난 안정성 평가 기준의 Rank 7 기준값 이상인 경우, 건축물은 Rank 7 이상으로 판정할 수 있다.

또한, 안정성 평가부(170)는, 선정된 사전 피해 시뮬레이션 전층 DB의 최대 층간 변위비가 상기 Rank 기준값 미만인 경우, 피해 시뮬레이션 전층 DB에서 추출한 층별 부재의 층간 변위, 내력비(DCR), 변형률 및 변형(소성 회전각) 해석결과 수치로부터 건축물의 층별 안전 평가등급을 판정할 수 있다.

안전등급 표출부(180)는 안정성 평가부(170)에서 평가 결과를 출력한다. 이때, 안전등급 표출부(180)는 안전성 평가부(170)의 평가 결과를 건물 안전등급 또는 부재 안전등급으로 표출할 수 있다. 또한, 안전등급 표출부(180)는 건축물의 주요구조 부재별로 사전 피해 시뮬레이션 전층 DB의 해석결과 수치로부터 안전 평가등급을 출력할 수 있다. 또한, 안전등급 표출부(180)는 건축물의 구조 부재 중 수직 부재가 포함된 수평 및 수직 영역은 수직 부재와 동일한 평가 등급으로 출력할 수 있다.

한편, 도 1의 재난 안전 평가 시스템의 일 구현 예로서의, MEMS 가속도 계측기를 활용한 재난대응 시스템은 현장계측으로 취득한 실제 사용중인 건축물의 동특성 분석부, 재난 표준행동절차(이하 SOP)의 단계별 안전성 평가를 위한 재난 SOP 단계와 연계한 건축물별 지진 안전성 평가기준 설정부, 지진 발생 전 거동모델의 비선형 동적 해석을 통해 미래 예상되는 지진파 적용 사전 피해 시뮬레이션 DB 구축부, GPS 시각동기화된 계측 데이터를 유선과 무선 모두 측정이 용이한 MEMS 가속도 센싱부, 시간 영역의 계측 가속도의 수치 적분을 적용한 계측 가속도를 활용한 정보 취득부, 취득된 가속도, PGA, 변위(계측층 및 전층)를 활용한 재난 SOP 연계 안전성 평가등급 분석부, 건물 안전등급, 층별 안전등급, 평면 Zone 구획별 안전등급을 표현하는 안전등급 표출부로 구성될 수 있다. 도 2는 MEMS 가속도 계측기를 활용한 재난대응 시스템이 수행하는 재난대응 방법의 과정을 도시한 흐름도이다.

이때, 실제 사용중인 건축물의 동특성 분석부는 실제 사용중인 건축물에서 취득한 동특성 분석결과의 동특성(고유주파수 등)을 도 3 내지 도 5와 같이 분석한다. 도 3은 건축물 현장 동특성 계측결과에 기반한 동특성(고유 주파수) 분석 도면이고, 도 4는 건축물 현장 동특성 계측결과와 거동 모델의 동특성(모드 형상) 비교 도면이며, 도 5는 건축물 현장 동특성 계측결과와 거동 모델의 동특성(MAC 값) 비교 도면이다. 세부적으로 실제 사용중인 건축물의 동특성 분석부는, 1 ~ 3의 특징을 갖는다.

1. 현장 동특성 계측 시 초고층건축물 또는 대형 건축물과 같이 다수의 계측지점을 동시에 계측하기 어려운 경우, 기준점(Reference) 층과 이동(Roving) 층과의 상대적인 위상 차이를 통해 건축물의 거동(deformed shape)을 도출한다. 일례로 8개 층을 측정위치로 선정하고, 기준층 측정 위치(Reference: 33F)와 이동층(Roving: B5, 1F, 3F, 15F, 45F, 59F, PH1)에 가속도계를 설치하여 약 30분간 상시 상태에서의 대상 건축물의 가속도 응답을 계측한다. 계측된 응답 중 특정 위치에서의 응답을 reference로 하여 다른 위치에서 계측된 응답과의 상대적인 위상 차이를 도출하여 전체 거동을 모사한 결과 3축(X, Y, Z) 각 방향에 대한 1차 모드, 2차 모드, 그리고 3차 모드를 도출한다.

2. 실제 사용중인 건축물에서 취득한 동특성 분석결과를 참값으로 가정하고 건축물 (원) 설계 해석 모델의 질량, 강성, 감쇠, 경계조건, 재료강도, 탄성계수를 조정하거나, 슬래브 MESH 해석 또는 대체 구조 부재 가감, 비구조체의 강성 기여 효과 반영 등의 방법을 기여도 우선순위별로 적용하여 실제 건축물 동특성 분석결과와 동일하거나 유사한 수준의 해석 동특성(고유주파수 등)이 도출되도록 수정한 건축물 해석 모델(이하 거동 모델)을 구축한다.

3. 실제 사용중인 건축물에서 취득한 모드 벡터(mode vector) 와 거동모델의 모드 해석으로부터 추출한 모드 벡터(mode vector) 의 MAC 값을 비교하여 3축(X, Y, Z) 방향 MAC 값이 0.9 이상이면 충분히 두 개 모드 형상이 매우 유사하다

여기서, 는 시스템 에서의 번째 모드 벡터

는 시스템 에서의 번째 모드 벡터

재난 SOP 단계와 연계한 건축물별 지진 안전성 평가기준 설정부는 도 6과 같이 지진 발생 시 재난 표준행동절차(이하 SOP)의 단계별 건축물별 안전성 평가기준으로 기상청의 진도등급체계(수정메르칼리 진도등급), 건축물 취약도 함수, KDS(Korean Design Standard) 17 10 00 : 2018의 설계지진 평균 재현주기와 평균 재현주기별 위험도계수를 준용하여 총 8단계의 평가등급을 설정한다.

도 6은 재난 SOP와 연계한 단계별 정보 제공 과정을 도시한 도면이고, 도 7은 재난 SOP 징후감지단계와 연계되는 기상청 진도등급체계를 도시한 표이고, 도 8은 재난 SOP 초기대응단계와 연계되는 건축물 취약도 함수 예를 도시한 도면이며, 도 9는 재난 SOP 수습 및 복구단계의 총 8단계의 지진 안전성 평가 등급(사용자 요구별 단 구분 설정 가능)을 도시한 표이다.

세부적으로 재난 SOP 단계와 연계한 건축물별 지진 안전성 평가기준 설정부는 1 ~ 4의 특징을 갖는다.

1. 재난 SOP는 “징후감지-초기대응-비상대응-수습 및 복구”의 총 4단계로 정의하며, 재난 SOP 4단계 중 3단계(징후감지, 초기대응, 수습 및 복구)와 연계하여 평가기준을 설정한다.

2. 재난 SOP 징후감지단계는 도 7과 같이 계측된 가속도 수치에 기반하여 기상청의 진도등급체계 적용

3. 재난 SOP 초기대응단계는 계측된 가속도로 분석한 정보에 기반하여 도 8과 같이 건축물 취약도 함수적용. 이때 건축물 취약도 함수는 거동모델의 비선형 정적해석(Push-over)을 수행하여 응답가속도-변위 곡선으로 역량곡선(Capacity curve)을 도출하고, 최대지반가속도(PGA)를 사용하여 요구곡선(Demand curve)을 도출 후 두 곡선으로부터 취약도 함수를 구축한다.

4. 재난 SOP 수습 및 복구단계는 도 9의 표와 같은 사용자 요구별로 평가등급을 2단부터 7단까지 구분지어 사용할 수 있는 총 8단계 지진 안전성 평가등급 적용. 이러한 평가등급은 건물 전체 변위 평가를 위한 층간 변위비와 세부 부재별 평가를 위한 내력비(Demand Capacity Ratio, 이하 ‘DCR’), 변형률 및 변형(소성 회전각)을 평가항목으로 선정한다.

일례로 내진 특등급 건축물을 대상으로 평가등급별 층간 변위비 기준 값은 KDS 41 17 00 : 2019 건축물 내진설계기준의 「허용층간변위」와 건설교통부에서 1997년에 발표한 내진설계 기준 연구 Ⅱ의 「성능수준에 따른 부재 및 시스템의 설계거동한계」를 참조하여 Rank 6 평가등급으로 층간변위비 1%, Rank 4 평가등급으로 층간변위비 0.2%를 기준 값으로 설정한 후, Rank 1~3의 평가기준 값은 Rank 4 평가등급의 0.2%를 기준으로 각 평가등급별 위험도 계수를 적용, Rank 5의 평가기준 값은 Rank 4와 Rank 6 평가기준 값을 보간, Rank 7~8의 평가기준 값은 Rank 6 평가등급의 1%를 기준으로 각 평가등급별 위험도 계수를 적용한다.

부재 전단 내력비(DCR)도 공동주택 성능기반 내진설계 지침(2017)에 따라 공칭강도 가정 후 강도저감계수 1.0, 소요작용력의 1.2배를 적용하여 우선 Rank 6 평가등급에 부재 전단 내력비(DCR) 0.83을 적용, Rank 4의 부재 전단 내력비(DCR) 평가기준 값은 강도저감계수만 1.0에서 콘크리트 전단 설계 시 강도저감계수 0.75를 적용한 후 앞서 층간 변위비 평가기준 값 설정방식과 동일하게, Rank 1~3은 Rank 4 평가 기준값에 각 평가등급별 위험도 계수를 적용하였고, Rank 5의 평가기준 값은 Rank 4와 Rank 6 평가기준 값의 보간, Rank 7~8은 Rank 6 평가 기준값에 각 평가등급별 위험도 계수를 적용한다. 변형률 및 변형(소성 회전각)도 이와 유사하게 관련규정으로부터 적절한 평가기준값을 도출한다.

미래 예상되는 지진파 적용 사전 피해 시뮬레이션 DB 구축부는, 지진 발생 전 거동모델의 비선형 동적 해석을 통해 전층의 변위, 층간변위비, 각 부재별 내력비(DCR), 변형률 및 변형(소성 회전각)을 DB로 구축한다. 동적 해석을 위해 예상되는 지진파를 정부에서 제공하는 지진파 파형 또는 FEMA P685의 “Far Field Record Set”처럼 해외 지진파 파형을 적용할 수 있다. 도 10은 거동모델에 적용하는 비선형 동적 해석 입력 지진파 예의 표이고, 도 11은 거동모델에 적용하는 비선형 동적 해석 입력 지진파 예를 도시한 도면이고, 도 12는 거동모델의 비선형 동적 해석에 의한 전 층의 층간변위 예를 도시한 도면이다.

MEMS 가속도 센싱부는, 유선과 무선 모두 측정이 용이하고, 무전원 상태에서도 저장 및 무선으로 GPS 시각동기화된 계측 데이터의 전송이 가능하다. 기존 보유제품에 없던 다양한 기능의 센서와 부품을 추가하고 펌웨어(SW)를 개발함으로써, 시각동기화에 따른 GPS 및 NTP 기능이 추가되고 아날로그-디지털 변환신호에 따른 데이터 신호처리와 동시에 다양한 인터페이스를 통한 데이터 통신(전송) 및 저장이 가능하다.

도 13은 센싱부 기존 제품 개량 패키지가 도시된 사진이고, 도 14는 MEMS 가속도 센싱부 회로설계 모식도이고, 도 15는 MEMS 가속도 센싱부 개발 PCB 앞면 및 후면 사진이고, 도 16은 MEMS 가속도 센싱부 GPS 1PPS 신호를 이용한 시간동기화 검증 화면이고, 도 17은 MEMS 가속도 센싱부 펌웨어(SW) 구성도이다. 세부적으로 MEMS 가속도 센싱부는 1 ~ 6의 특징을 갖는 패키지로 구성되었다.

1. 도 14 및 도 15와 같이 4 Lay-out 적층 설계, Power & Ground 신호배선 및 역할별 분리설계, 발열 방지 및 오류 체크 등의 회로설계 모식도의 특징을 갖는 PCB

2. 도 16과 같이 기상관측표준화법과 기상관측장비 표준규격기준에 요구하는 1PPS 방식의 시각동기화 특징을 갖는 GPS 장착

3. 계측자료를 무선 전송 가능하고 원격으로 계측 장비 설정도 조작 가능한 WIFI 통신센서 장착

4. 이벤트 계측 데이터 저장 및 처리기능이 가능한 저장장치(SD카드) 장착

5. 정전 등의 전원 차단 또는 전원을 공급할 수 없는 야외에서 4시간 동안 무전원 상태에서도 작동할 수 있는 리튬이온 배터리 장착

6. PCB에 장착된 모든 센서가 정상 작동되도록 도 17과 같은 구성도를 갖는 펌웨어(SW) 탑재

또한, 이러한 특징을 갖는 센싱부의 아날로그-디지털 출력 데이터에 따른 통신 인터페이스 처리 성능은 그림 18과 같다. 유선(Ethernet) 및 무선(WI-FI)통신을 이용한 데이터 통신 성능검증은 도 19와 같다. 도 18은 MEMS 가속도 센싱부 아날로그-디지털 출력 데이터에 따른 통신 인터페이스 처리 결과 사진이고, 도 19는 MEMS 가속도 센싱부 유/무선통신을 이용한 데이터 통신 검증 결과 사진이다.

※ 출력 결과는 시리얼 터미널 프로그램(Token2Shell)을 이용하여 PC에서 실시간 결과값을 나타내었으며, 획득된 결과값을 엑셀에서 그래프로 표출하였다. 3채널(X, Y, Z) 아날로그 센서에서 출력되는 값을 시리얼(RS232) 통신으로 연결하여 정상적인 데이터가 표출되었다.

계측 가속도를 활용한 정보 취득부는, MEMS 가속도 센싱부를 통해 계측된 시간 영역의 계측 가속도의 수치 적분을 통해 건물 단위 평가, 부재 단위 평가, 지진 안전성 종합평가에 사용될 정보를 취득한다. 세부적으로 계측 가속도를 활용한 정보 취득부는 1 ~ 5의 특징과 절차로 진행된다. 도 20은 High Pass Filter 적용 여부에 따른 수치 적분 해석 결과 비교 도면이며, 도 21은 정보취득부의 전 층 변형형상 추정을 위한 모드 중첩을 도시한 도면이다.

1. 계측을 수행함에 있어 외부 영향으로부터 발생할 수 있는 잡음 성분을 제거하기 위해 계측 데이터로부터 특정한 선형성을 가지는 성분 제거

2. 계측된 데이터를 건물 동특성 분석부를 통해 분석된 고유주파수 중심으로 필터링을 하여 가속도 응답 을 도출하고 FFT에 따른 대역별 주력 주파수 검출

3. 가속도 응답 를 이중 적분(Trapezium rule 적용, MATLAB 함수)함으로써 층 변위 산출

여기서 m은 time step 개수, 는 시간 이력에서의 시간 간격(△t)

4. High Pass Filter(고역 통과 디지털 Butterworth Filter, MATLAB 함수)를 통해 가속도 응답의 이중 적분 시 저주파 대역의 적분 상수에 의해 데이터 발산 방지

5. 상기 과정을 거친 지하층, 저층, 중층, 고층의 층 변위를 층 변위 로 변환 후 각 모드별 모드 좌표계(Modal Coordinate)를 활용하여 모드 응답 선형 조합을 통해 건축물 변형형상을 추정하여 전 층의 층 변위를 분석

,

,

여기서, 는 n×1 계측 층 변위,

는 n×1 추정 전 층 변위,

는 전체 모드별 모드 형상 n×n 정방행렬,

는 m차 모드까지 모드별 모드 형상 n×m 직사각형 행렬,

는 n×1 전체 모드별 모드 좌표계,

는 m차 모드까지 m×1 모드 좌표계

재난 SOP 연계 안전성 평가등급 분석부는, 계측 가속도를 활용하여 가속도, PGA, 변위(계측층 및 전층)를 산출한 한 정보를 활용하여 재난 SOP 단계와 연계하여 안전성을 평가한다. 세부적으로는 재난 SOP 연계 안전성 평가등급 분석부는 1 ~ 4의 특징을 갖는다.

1. 재난 SOP 1단계(징후감지단계)는 계측 가속도와 PGA에 기반하여 진도등급으로 평가한다.

2. 재난 SOP 2단계(초기대응단계)는 계측 가속도와 변위에 기반하여 취약도 확률로 평가한다

3. 재난 SOP 4단계(수습 및 복구단계)는 아래의 1) ~ 8)단계순으로 안전성을 평가한다.

1) 현행 국내외 내진설계 시 건축물 안전성 평가방법은 층간변위비 설계 허용치 초과 여부 검토임을 고려하여, 우선적으로 층간변위비를 평가한다. 계측층의 가속도로 분석한 건물의 최대 층간 변위비가 Rank 1 층간 변위비 기준값을 초과하는지 비교한다. 층간변위비가 Rank 1 기준값 이하인 경우는 건물은 Rank 1 이하의 안전성으로 판정, 건물 안전 평가등급으로 표출한다. 이를 통해 낮은 진도의 지진에 대해서는 해석 DB와 연계하지 않아, 분석 시간을 단축할 수 있다.

2) 최대 층간 변위비가 Rank 1 기준값을 초과할 경우, 계측층의 가속도, 변위 정보에 기반하여 사전 피해 시뮬레이션 DB 중 계측 데이터와 해석모델 데이터 간 오차율이 최소가 되는 DB(계측층)를 선정한다. 도 22는 층간 변위비 8단계 안전성 평가등급별 기준값을 도시한 표이다.

여기서, 은 계측 층의 개수

는 가속도로부터 분석한 계측 층 변위

는 사전 지진파 해석결과의 계측 층 변위

3) 선정된 사전 피해 시뮬레이션 DB(계측층)의 최대 층간 변위비가 Rank 7 기준값 이상인 경우, 건물은 Rank 7 이상으로 판정하고, 건물 안전 평가등급으로 표출한다.

4) 선정된 사전 피해 시뮬레이션 DB(계측층)의 최대 층간 변위비가 Rank 7 기준값 미만인 경우, 해석 DB(계측층)에서 추출한 층별 부재의 층간 변위, 내력비(DCR), 변형률 및 변형(소성 회전각) 해석결과 수치로부터 층별 안전 평가등급을 판정하고 표출한다. 도 23은 부재 안전성 평가항목별 8단계 평가등급 기준값을 도시한 표이다.

5) 사전 피해 시뮬레이션 DB(계측층) 분석과 병행하여 전 층의 추정 변위와 해석 DB의 전층 변위 데이터 간 오차율이 최소가 되는 DB(전층)를 선정한다.

여기서, 은 전층의 개수

는 가속도로부터 모드형상 중첩을 적용한 전 층 변위

는 사전 지진파 해석결과의 전 층 변위

6) 선정된 사전 피해 시뮬레이션 DB(전층)의 최대 층간 변위비가 Rank 7 기준값 이상인 경우, 건물은 Rank 7 이상으로 판정하고, 건물 안전 평가등급으로 표출한다.

7) 선정된 사전 피해 시뮬레이션 DB(전층)의 최대 층간 변위비가 Rank 7 기준값 미만인 경우, 해석 DB(전층)에서 추출한 층별 부재의 층간 변위, 내력비(DCR), 변형률 및 변형(소성 회전각) 해석결과 수치로부터 층별 안전 평가등급을 판정하고 표출한다. 도 24는 재난 SOP 연계 안전성 평가등급 분석부의 수행 프로세스를 도시한 도면이다.

8) 지진 발생 후 최하위층의 계측된 지진파를 입력 지진파로 거동모델에 적용하여, 사전 피해 시뮬레이션 DB에 피드백으로 구축된 DB를 보완한다. DB와 피해방지 분석 후 분석결과를 DB로 피드백하는 것이다.

안전등급 표출부는, 재난 SOP 연계 안전성 평가등급 분석부를 통해 평가된 건물 안전등급, 층별 안전등급, 평면 Zone 구획별 안전등급을 사용자에게 제공한다. 세부적으로 안전등급 표출부는 1 ~ 2의 특징을 갖는다.

1. 지진 발생 후 재난 SOP 연계 안전성 평가등급 분석부의 평가결과를 건물 안전등급, 부재 안전등급으로 표출하며, 건축물별 주요구조 부재별로 사전 피해 시뮬레이션 DB(전 층) 해석결과 수치로부터 안전 평가등급을 표출한다.

2. 구조 부재 요소들은 수평, 수직으로 연결되어 있고 수직부재의 안전성에 문제가 발생할 경우, 인접 한 수평부재도 영향을 받기 때문에 수직부재 평가를 통해 그 부재가 속한 수평·수직 Zone은 수직부재 평가등급과 동일하게 평가한다. 이에 따라 수직부재 중 기둥과 연결된 모든 수평부재들이 구획하는 평면을 1개의 Zone으로 분류하였고, 코어 벽체의 경우 코어 벽체 전체와 연결된 모든 수평부재들이 구획하는 평면을 1개의 Zone으로 분류하였다.

도 25는 재난 SOP 연계 안전성 평가등급 분석부의 평가결과 표출 예를 도시한 도면이고, 도 26은 수직부재 중심의 수평·수직 Zone Grouping 예를 도시한 도면이다.

정리하면, 본 발명은 지진과 같은 미래위험에 대응하고자 지진 발생 전 건축물의 동특성, 안전성 평가기준, 사전 피해 시뮬레이션 DB를 구축하고, 지진 발생 시 GPS, Wifi 센서, 저장장치, 내장 배터리가 탑재된 MEMS 가속도계를 이용하여 가속도를 계측하고, 지진 발생 후 가속도, PGA, 변위로부터 재난 표준행동절차(이하 “SOP”)의 세부단계와 연계하여 건축물의 지진 안전성을 평가하고, 정보를 표출하는 시스템 및 서비스에 관한 것이다.

본 발명은 지진 발생 전 안전성 평가기준, 사전 피해 시뮬레이션 DB 등을 구축하고, 지진 발생 시 GPS 시각동기화 기능이 갖는 MEMS 가속도계를 이용하여 유선과 무선으로 가속도를 계측하여 정보를 전송한다. 지진 발생 후 재난 SOP 세부단계와 연계하여 건축물의 지진 안전성을 평가하고, 정보를 표출하는 시스템 및 서비스를 제공함으로써 사용자가 피해지역과 위험도를 인지하고, 사고를 예방함으로써 지진과 같이 미래위험에 대응하고 안전한 사회를 구현하여 사회적 대응력과 회복력을 높일 수 있다

이를 위해, 본 발명에 따른 「MEMS 가속도 계측기를 활용한 재난대응 시스템」은 현장계측으로 취득한 “실제 사용중인 건축물의 동특성 분석부”, 재난 표준행동절차(이하 “SOP”)의 단계별 안전성 평가를 위한 “재난 SOP 단계와 연계한 건축물별 지진 안전성 평가기준 설정부”, 지진 발생 전 거동모델의 비선형 동적 해석을 통해 “미래 예상되는 지진파 적용 사전 피해 시뮬레이션 DB 구축부”, GPS 시각동기화된 계측 데이터를 유선과 무선 모두 측정이 용이한 “MEMS 가속도 센싱부”, 시간 영역의 계측 가속도의 수치 적분을 적용한 “계측 가속도를 활용한 정보 취득부”, 취득된 가속도, PGA, 변위(계측층 및 전층)를 활용한 “재난 SOP 연계 안전성 평가등급 분석부”, 건물 안전등급, 층별 안전등급, 평면 Zone 구획별 안전등급을 표현하는 “안전등급 표출부”로 구성될 수 있다.

이에 따라, 지진과 같이 미래위험에 대응하고 안전한 사회를 구현하여 사회적 대응력과 회복력을 높일 수 있다. 지진 발생 전 주요건축물의 동특성과 예상 지진파에 대한 비선형 동적해석으로 피해 시뮬레이션 DB를 구축함으로써, 피해 분석에 소모되는 비용과 시간을 절약하고 재난의 심각성에 따른 최적의 대응 매뉴얼을 신속하게 제공할 수 있다. 또한, 재난 SOP 단계별로 안전성 평가등급 제공 및 평면을 Zone으로 분류하고, Zone별 안전성 평가등급을 활용하여 이동동선을 제공함으로 사용자에게 비교적 정확한 피해지역과 위험도를 사전에 인지하고, 효율적으로 예방할 수 있는 장점이 있다.

본 발명이 비록 일부 바람직한 실시예에 의해 설명되었지만, 본 발명의 범위는 이에 의해 제한되어서는 아니 되고, 특허청구범위에 의해 뒷받침되는 상기 실시예의 변형이나 개량에도 미쳐야할 것이다.

110: 동특성 분석부
120: 거동모델 구축부
130: 평가기준 설정부
140: 시뮬레이션 DB 구축부
150: 가속도 계측부
160: 활용 정보 산출부
170: 안정성 평가부
180: 안전등급 표출부

Claims (15)

1. 건축물에 대한 계측 정보로부터 상기 건축물의 동특성을 분석하는 동특성 분석부;
   상기 분석 결과를 이용하여 상기 건축물의 설계 해석 모델을 수정한 거동 모델을 구축하는 거동 모델 구축부;
   미리 설정된 재난 안정성 평가기준을 설정한 평가기준 설정부;
   상기 거동 모델에 대해 미리 설정된 재난 데이터를 적용한 사전 피해 시뮬레이션 DB를 구축하는 시뮬레이션 DB 구축부;
   상기 건축물에 대한 가속도를 계측하는 가속도 계측부;
   계측된 상기 가속도의 수치 적분을 통해 미리 설정된 활용 정보를 산출하는 활용 정보 산출부; 및
   상기 가속도의 정보, 활용 정보, 및 상기 안정성 평가기준을 이용하여 상기 건축물의 재난 안정성을 평가하는 안정성 평가부를 포함하는 재난 안전 평가 시스템으로서,
   상기 안정성 평가부는,
   상기 건축물의 계측층의 가속도로부터 산출된 상기 건축물의 최대 층간변위비와 상기 재난 안정성 평가 기준의 층간변위비 기준값을 비교하고, 상기 최대 층간변위비가 Rank 1 기준값 이하인 경우, Rank 1 이하의 안정성으로 평가하고,
   상기 최대 층간변위비가 상기 재난 안정성 평가 기준의 Rank 1 기준값을 초과하는 경우,
   상기 계측층의 가속도, 상기 활용 정보 중 변위 정보에 기반하여 상기 사전 피해 시뮬레이션 DB 중 계측 데이터와 상기 설계 해석 모델의 데이터간 오차율이 최소가 되는 계측층 DB를 선정하고,
   선정된 상기 계측층 DB의 최대 층간 변위비가 상기 재난 안정성 평가 기준의 Rank 7 기준값 이상인 경우, 상기 건축물은 Rank 7 이상으로 판정하며,
   선정된 상기 계측층 DB의 최대 층간 변위비가 상기 재난 안정성 평가 기준의 Rank 7 기준값 미만인 경우,
   상기 계측층 DB의 층별 부재의 중간 변위, 내력비(DCR), 변형률 및 변형 해석 결과 수치로부터 층별 안전 평가 등급을 판정하는 것을 특징으로 하는 재난 안전 평가 시스템.
   
2. 청구항 1에 있어서,
   상기 안정성 평가부는 상기 가속도의 정보 및 상기 활용 정보 중 최대지반가속도(PGA)를 이용하여 진도등급을 산출하는 것을 특징으로 하는 재난 안전 평가 시스템.
   
3. 청구항 1에 있어서,
   상기 안정성 평가부는 상기 가속도의 정보 및 상기 활용 정보 중 변위 정보를 이용하여 상기 건축물의 취약도 확률을 평가하는 것을 특징으로 하는 재난 안전 평가 시스템.
   
4. 삭제
5. 삭제
6. 삭제
7. 청구항 1에 있어서, 상기 안정성 평가부는,
   상기 계측층의 가속도에 기반하여 추정된 전층의 추정 변위와 상기 사전 피해 시뮬레이션 DB의 전층 변위 데이터간 오차율이 최소가 되는 전층 DB를 선정하고,
   선정된 사전 피해 시뮬레이션 전층 DB의 최대 중간 변위비가 상기 재난 안정성 평가 기준의 Rank 7 기준값 이상인 경우,
   상기 건축물은 Rank 7 이상으로 판정하는 것을 특징으로 하는 재난 안전 평가 시스템.
   
8. 청구항 7에 있어서, 상기 안정성 평가부는,
   선정된 사전 피해 시뮬레이션 전층 DB의 최대 층간 변위비가 상기 Rank 7 기준값 미만인 경우,
   상기 피해 시뮬레이션 전층 DB에서 추출한 층별 부재의 층간 변위, 내력비(DCR), 변형률 및 변형(소성 회전각) 해석결과 수치로부터 상기 건축물의 층별 안전 평가등급을 판정하는 것을 특징으로 하는 재난 안전 평가 시스템.
   
9. 청구항 8에 있어서,
   상기 안정성 평가부에서 평가 결과를 출력하는 안전등급 표출부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 재난 안전 평가 시스템.
   
10. 청구항 9에 있어서,
    상기 안전등급 표출부는 상기 안정성 평가부의 평가 결과를 건물 안전등급 또는 부재 안전등급으로 표출하는 것을 특징으로 하는 재난 안전 평가 시스템.
    
11. 청구항 10에 있어서,
    상기 안전등급 표출부는 상기 건축물의 주요구조 부재별로 상기 사전 피해 시뮬레이션 전층 DB의 해석결과 수치로부터 안전 평가등급을 출력하는 것을 특징으로 하는 재난 안전 평가 시스템.
    
12. 청구항 11에 있어서,
    상기 안전등급 표출부는 상기 건축물의 구조 부재 중 수직 부재가 포함된 수평 및 수직 영역은 상기 수직 부재와 동일한 평가 등급으로 출력하는 것을 특징으로 하는 재난 안전 평가 시스템.
    
13. 청구항 12에 있어서,
    상기 가속도 계측부는 GPS 시각 동기화 기능을 가지는 MEMS 가속도계를 포함하는 것을 특징으로 하는 재난 안전 평가 시스템.
    
14. 재난 안전 평가 시스템에 의해 수행되는 재난 안전 평가 방법으로서,
    건축물에 대한 계측 정보로부터 상기 건축물의 동특성을 분석하는 동특성 분석 단계;
    상기 분석 결과를 이용하여 상기 건축물의 설계 해석 모델을 수정한 거동 모델을 구축하는 거동 모델 구축 단계;
    미리 설정된 재난 안정성 평가기준을 설정한 평가기준 설정 단계;
    상기 거동 모델에 대해 미리 설정된 재난 데이터를 적용한 사전 피해 시뮬레이션 DB를 구축하는 시뮬레이션 DB 구축 단계;
    상기 건축물에 대한 가속도를 계측하는 가속도 계측 단계;
    계측된 상기 가속도의 수치 적분을 통해 미리 설정된 활용 정보를 산출하는 활용 정보 산출 단계; 및
    상기 가속도의 정보, 활용 정보, 및 상기 안정성 평가기준을 이용하여 상기 건축물의 재난 안정성을 평가하는 안정성 평가 단계를 포함하는 재난 안전 평가 방법으로서,
    상기 안정성 평가 단계는,
    상기 건축물의 계측층의 가속도로부터 산출된 상기 건축물의 최대 층간변위비와 상기 재난 안정성 평가 기준의 층간변위비 기준값을 비교하고, 상기 최대 층간변위비가 Rank 1 기준값 이하인 경우, Rank 1 이하의 안정성으로 평가하고,
    상기 최대 층간변위비가 상기 재난 안정성 평가 기준의 Rank 1 기준값을 초과하는 경우,
    상기 계측층의 가속도, 상기 활용 정보 중 변위 정보에 기반하여 상기 사전 피해 시뮬레이션 DB 중 계측 데이터와 상기 설계 해석 모델의 데이터간 오차율이 최소가 되는 계측층 DB를 선정하고,
    선정된 상기 계측층 DB의 최대 층간 변위비가 상기 재난 안정성 평가 기준의 Rank 7 기준값 이상인 경우, 상기 건축물은 Rank 7 이상으로 판정하며,
    선정된 상기 계측층 DB의 최대 층간 변위비가 상기 재난 안정성 평가 기준의 Rank 7 기준값 미만인 경우,
    상기 계측층 DB의 층별 부재의 중간 변위, 내력비(DCR), 변형률 및 변형 해석 결과 수치로부터 층별 안전 평가 등급을 판정하는 것을 특징으로 하는 재난 안전 평가 방법.
    
15. 청구항 14의 방법을 실행시키기 위한 컴퓨터 판독 가능한 프로그램을 기록한 기록 매체.
    
    

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