KR20020035527A

KR20020035527A - 구조체 건전성 평가방법 및 장치

Info

Publication number: KR20020035527A
Application number: KR1020020019631A
Authority: KR
Inventors: 백수곤
Original assignee: 백수곤
Priority date: 2002-04-11
Filing date: 2002-04-11
Publication date: 2002-05-11
Also published as: KR100463727B1

Abstract

동일규격으로 제작된 다수의 기계부품으로 결합된 산업 설비는 건설이나 조립당시의 설치상태가 불량하거나 장시간 사용으로 설비 본체의 부식이나 환경과의 결합관계가 변화하여 본체는 물론 시스템이 열화되어 파손에 이르는 경우도 발생하는 경우가 있다. 예를들면, 콘크리트 전주 본체가 파손된다거나 전주가 묻혀있는 지반이 약화되어 전주가 넘어지는 경우도 있으며, 철로 제작된 교량의 볼트너트가 인장력이 약화되어 체결력이 감소, 교량의 변형을 초래한다든지 기계부품의 부식이나 체결 상태의 변화로 인하여 제작 당시의 기능이 변화하는 등 설비가 손상되는 경우가 있어 인명과 재산의 손실을 가져오는 경우가 있었다. 종래에는 설비의 열화정도나 부품이 체결상태가 변화하는 것을 점검하기 위해서는 개별적으로 비파괴적 진단방법을 동원하여 사용하였으므로 많은 인력과 장비 및 비용, 장시간이 소요되었다.

본 발명에서는 설비의 부식이나 열화로 인한 성능저하를 간단한 비파괴적 방법을 사용하여 휴대용 장비로서 현장에서 즉시 판단 할 수 있는 시험 및 평가 방법과 장치를 개발하고자 하였다.

이를 위하여 구조 재료의 건전성을 평가할 수 있는 내부 응력을 계산하고, 부식과 같은 재료의 열화 정도를 파악할 수 있는 판단 기준과 이로 인한 잔여 수명을 평가할 수 있는 알고리즘을 장착한 휴대용 프로세서와 디스플레이 장치를 개발하여 설비의 적절한 교체 주기등을 결정하고 예고 할 수 있는 기능을 갖는 장치를 개발하고자 하였다.

Description

구조체 건전성 평가방법 및 장치{The Method and Device of the Reliability Test and Decision}

도 1 은 본 발명에 의한 구조체 건전성 평가 방법의 일 실시예

도 2 는 본 발명에 의한 진동시험의 일 실시예

도 3 은 본 발명에 의한 모델 데이터 취득 시험의 일 실시예

도 4 는 본 발명에 의한 구조체 건전성 평가 장치의 일 실시예

현대 산업의 구조물이나 기계는 공장에서 출고된 부품들이 상호 조립되거나 체결되어 소요의 기능을 수행한다. 기술의 발전에 따라 구조물이나 기계 설비의 수명은 갈수록 길어지게 되었으며 이로 인하여 장기 사용중인 설비는 건설당시의 건전성을 유지하지 못하고 있는 경우도 있어 설비의 정기적인 건전성 평가가 필요하다.

지구상에 존재하는 모든 고체는 그 질량과 탄성특성에 의하여 스프링 상수에 따르는 고유진동수를 갖는다. 스프링 상수는 단위 길이에 대한 외력의 량으로서 작용한 힘을 전체 변형량으로 나누어주면 된다. 질량이 m인 탄성체에 작용하는 외력(F)과 변형량(x), 스프링 상수(k) 및 변형 가속도(a)의 관계는 다음과 같이 정의된다.

윗 식에서 m은 질량을 의미한다.

또한 재료의 고유 진동수()는 다음과 같이 표현된다.

여기서 스프링 상수(k)는 재료의 종탄성계수(E), 단면이차 모우먼트(I)와 재료의 길이(ㅣ)작용하는 하중(W), 비중량(w)과 재료가 설치되어 있는 조건(외팔보, 단순지지, 고정보등)의 함수로서 다음과 같이 표시될 수 있다.

k = f(E,I,w,l)

그러므로 지구상에 존재하는 재료는 그 특성에 재질과 외형, 크기에 따라서 특이한 고유 진동수를 갖고 있으므로 재료의 내부에 결함이 존재하거나 외형이 변화하거나 재질 특성이 변화하는 것을 재료의 성상을 달리하면서 나타나는 고유진동수 및 진동 스펙트럼의 분포 특성과 비교하여 재료의 건전성을 평가할 수 있다.

본 발명은 동일한 재질, 동일한 크기, 동일한 모양으로 구성된 제품(이하 "동일규격"이라 한다)이 기계의 부품으로 조립되었거나 산업 현장에 설치(이하 "시스템"이라 한다)되어 있는 환경에 따라서 건전성을 달리할 경우 이들 본체와 설치환경에 대한 건전성을 평가하는 기술을 제공하는 데 그 목적이 있다. 일 실시예로서 같은 틀에서 전조되어 나온 대형 볼트와 너트로서 현장에 있는 두장의 철판을 단단히 조이고자 할 때 너트의 회전 토오크를 어느 정도 주느냐에 따라서 피 체결체인 두 철판은 견고히 연결될 수도 있고, 느슨하게 연결될 수도 있다. 이때 너트의 회전 토오크는 두 철판의 견고성을 평가하는 지표가 될 것인바 본 발명에서는 볼트의 부식이나 열화, 균열과 같은 재질 열화정도와 철판을 조이고 있는 체결상태에 대한 건전성을 평가하고자 하는 것이다. 이를 위하여 체결되지 않은 볼트 자체에 대한 진동시험과 체결된 상태에서 너트의 회전 토오크 값을 단계별로 조절하면서 고유진동수와 진폭, 진동 모드 특성을 분석(이하 "진동시험"이라 한다)하여 건전한 볼트와 열화된 볼트의 상태에 따른 고유진동수와 스펙트럼 분포를 평가하고, 체결된 상태에서 각 단계별 토오크 값과 진동특성을 비교하여 이들의 상관관계를 규명하고, 이를 데이터 베이스화하여 현장에 설치되어 있는 동일 규격의 볼트/너트의 진동모드를 해석하여 토오크값을 산출, 볼트와 너트가 철판을 조이고 있는 철판 조임 시스템의 건전성을 현장에서 평가하는 것이다.

그러므로 본 발명은 [도1]과 같이 평가하고자 하는 구조체의 재질 상태별 고유진동수와 스펙트럼 분포 데이터를 사전에 취득하여 데이터 베이스화하는 모델데이터취득 시험단계와 이를 프로세서에 입력하여 모델 데이터 DB를 구축하는 단계와 시험하고자 하는 대상 구조체에 대하여 진동시험을 가하여 여기서 나타난 고유진동수와 스펙트럼 분포를 구하고 이를 모델데이터 DB와 비교하여 가장 유사한 데이터를 검색하고 선정된 모델 DB와 실측 데이터간의 불일치 정도는 보정을 가하여 최적 모델 데이터를 만들고, 이 모델데이터에 해당하는 구조체의 건전성 정도를 평가하는 구조로 되어있다.

[도2]는 시험하고자 하는 대상 구조체에 대하여 진동시험을 수행하는 단계를 나타내고 있다. 대상 구조체에 대하여 진동센서를 부착하고, 가진기를 이용하여 진동을 유발시킨다. 진동 센서에서 오는 신호는 증폭기와 필터를 통하여 주파수 신호분석기로 들어와 진폭 스펙트럼을 나타내주게 된다. 여기서 나타난 진폭과 진동수의 스펙트럼을 평가하여 고유진동수와 각 모드별 진동 특성을 분석할 수 있는 바 이를 진동시험 단계로 표현하고자 한다. 여기서 나타나는 진동 센서는 속도, 위치, 가속도 방식등의 센서를 사용할 수 있으며, 가진기는 햄머식이나 유압식등 시험 대상에 따라 적절한 것을 선택하고, 증폭기는 재래의 신호 증폭장치를 사용한다. 필터은 입력 신호중 불필요한 잡음을 제거하기 위한 것이고, 주파수 신호 분석은 FFT를 이용하여 진동수별 진폭을 구분하여 나타낼 수 있는 것이 바람직한 일 실시예일 수 있다. 여기서, 가진은 반드시 가진기를 이용할 필요는 없으며 자연의 바람이나 외력등을 이용하려 고유진동수와 스펙트럼을 분석할 수 있을 경우 이를 사용하면 된다.

[도3]은 각 부품이나 구조체에 대하여 모델 데이터를 취득하는 단계를 표시하는 일 실시예로서 모델 시험을 하고자 하는 대상을 선정하고, 필요한 건전성 평가 특성별 모델 시험을 단 건전성 정도별로 구분하여 실험하고 이들을 건전성 특성별로 구분하여 데이터를 분류한 뒤, 해당 시험결과를 건전성에 따르는 정도에 맞추어 계량화하고, 각 실험별로 나타난 조건별 고유 진동수와 스펙트럼 분포를 건전성 지수와 대응시켜 입력는 데이터 입력단계를 취함으로서 표준 모델 데이터 DB를 구축하게 된다.

시험하고자 하는 대상과 동일한 크기와 외형을 갖는 구조체를 다수 선정하고 이들을 각각 부식정도, 열화정도, 외부 균열 정도등 평가하고자 하는 건전성의 지표을 인위적으로 만들어 넣어 상기 [도2]의 진동시험을 시행한다. 이결과로서 각 조건별로 나타난 고유진동수와 스펙트럼을 얻어 데이터 베이스화하여 입력할 경우 결과입력과 DB구축이 완료된다. 처음 시험 데이터를 입력하는 방법은 진동시험을 실시하고, 건전도 입력(1-100%) 또는 장력, 압축 하중(Kg), 볼트 토오크값(kgm)과 같은 건전도 평가 의 절대 기준과 상대값을 입력한다.

이때 다음과 같은 요령으로 입력할 수 있다.

다음은 건전도 입력의 일 실시예이다.

평가기준 토오크(kgm)

건전성 상대값 100%

건전성 평가기준 실제값 530 kgm

실험 데이터 번호 5

그러나, 실험을 수없이 많이 할 수는 없으므로 실험한 데이터와 데이터간의 연결은 실험된 데이터를 최적으로 연결하는 함수를 보간법이나 확률론적 기법등을 이용하여 다음과 같이 연결할 수 있다.

상기 데이터간 연결방법의 일 실시예는 다음과 같다.

연결 데이터 낮은 번호 23

연결 데이터 높은 번호 8

데이터간 연결식 3x2 + 5x - 7

실제 입력 데이터가 없을 경우에는 정규분포 처리를 수행할 수 있다. 특히, 상기 모델데이터 베이스는 반드시 실험을 통하여 수행할 필요는 없으며, 신뢰할 만한 실험결과가 있을 경우 해당 자료를 사용하거나 유한요소법이나 경계요소법과 같은 해석적 방법을 이용하여서도 입력 할 수 있다.

[도4]는 본 발명에 의한 시스템 구성의 일 실시예로서 [도2]에 의한 진동 시험을 입력받을 수 있는 신호 입력 수단과 키 입력수단이 키보드, 입력 데이터를 표준 모델 데이터 DB와 비교하여 미리 설정된 알고리즘에 의하여 데이터 처리한 뒤 결과를디스플레이 할 수 있는 디스플레이 장치를 표시하고 있다. 여기서 키보드와 같은 키 입력수단으 재래의 키보드나 마우스, 조이스틱등을 이용할 수 있으며, 신호 입력 수단은 RS232와 같은 유선 또는 무선 통신 시스템을 사용하고, 디스플레이 수단은 컴퓨터 모니터나 LCD와 같은 재래의 수단을 사용하되 휴대용으로 사용이 적절한 것이 가장 바람직하다. 콘트롤러 또한 재래의 콘트롤러를 사용하되 휴대용으로 사용가능한 것이 바람직하다.

본 발명에 의한 건전성평가 결과를 디스플레이 하는 방법은 반드시 결과를 모니터상에 나타내주는 화상처리 기법만을 의미하지는 않으며 미리 설정된 단계에 따라 부저를 울린다거나 진동을 나타내는 것과 같은 보조 수단을 겸할 수 있다.

이상과 같은 진동시험은 각 시험대상에 대하여 같은 위치에서 수행하여야 한다.

발명을 통하여 현장에 설치되어 있는 콘크리트 전주가 부식되어 있거나 열화, 또는 균열이 되어 있는 지의 정도와 기초에 튼튼히 서있는지 무른 지반에 서있어 조만간 넘어질 것인지등에 대한 체결상태의 표시와 철로 만들어진 교량의 상태 진단, 체결상태의 진단과 이들의 교체 기준을 설정할 수 있어 설비의 안전 사용에 획기적인 개선이 이루어질 수 있다.

Claims

구조체의 건전성에 따르는 상태별 고유진동수와 스펙트럼 분포 데이터를 사전에 취득하여 데이터 베이스화하는 모델데이터 취득 단계와

이를 프로세서에 입력하여 모델 데이터 DB를 구축하는 단계와

시험하고자 하는 대상 구조체에 대하여 진동 센서를 부착하고 가진을 하여 주파수 신호분석을 수행함으로서 고유진동수와 스펙트럼 본포 데이터를 얻는 진동시험 단계와

진동시험에서 나타난 고유진동수와 스펙트럼 분포를 구하고 이를 모델데이터 DB와 비교하여 가장 유사한 데이터를 검색하는 단계와

선정된 모델 DB와 실측 데이터간의 불일치 정도를 보정하여 최적 모델 데이터를 만드는 단계와,

이 모델데이터에 해당하는 구조체의 건전성 정도를 평가하는 단계로 이루어진 현장에 설치되어 있는 구조체의 건전성을 평가하는 방법
상기 1항의 모델데이터 취득 단계는

표준 모델에 대하여 실제 진동시험을 수행하여 고유진동수와 스펙트럼 분포 데이터를 취득하거나

해석적 방법을 통하여 고유진동수와 스펙트럼 분포 데이터를 취득하는 방법
진동 시험을 입력받을 수 있는 신호 입력 수단과

키 입력수단이 갖추어진 프로세서에

디스플레이 수단이 갖추어져 상기 1항의 구조체 건전성을 평가하고 디스플레이 할 수 있는 장치