KR20050097593A - 라이더를 이용한 구조물의 건전성 진단장치 및 그 장치를이용한 진단방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 라이더(LIDAR)로 구조물의 3차원 형상정보를 실시간 검출하여 그 정보를 바탕으로 구조물의 건전성을 신속 정확하게 평가할 수 있는 라이더를 이용한 구조물 건전성 진단장치 및 그 진단장치를 이용한 진단방법에 관한 것이다.

본 발명에 따른 라이더를 이용한 구조물 건전성 진단장치는, 구조물의 3차원 형상 정보를 실시간 검출하는 라이더(LIDAR)와; 상기 라이더로부터 실시간 입력되는 구조물의 시간대별 형상 정보로 구조물의 정적 거동과 동적 거동을 검출하는 거동분석장치;로 이루어지고, 그 진단장치를 이용한 진단방법은 구조물의 3 차원 형상정보를 일정한 시간주기로 검출하는 형상정보 추출단계; 상기 형상정보를 토대로 구조물의 정적 거동과 동적 거동을 분석하는 거동분석단계; 그리고, 정적 거동 및 동적 거동 정보로 구조물의 건전성을 평가하는 건전성 평가단계;를 포함하여 이루어진다. 이와 같은 본 발명에 따르면, 구조물 전체에 대한 건전성을 저렴한 비용으로 매우 신속하고 정밀하게 진단할 수 있고 구조물의 손상여부는 물론 손상위치와 손상정도 등을 정확한 계측이 가능하여 피로파괴나 예측하지 못한 재해 등으로 인한 구조물 사고를 미연에 방지할 수 있다.

Description

라이더를 이용한 구조물의 건전성 진단장치 및 그 장치를 이용한 진단방법{STRUCTURE DIAGNOSTIC SYSTEM BY LIDAR AND DIAGNOSING METHOD BY IT}

본 발명은 고층 건물이나 교량 등과 같은 대형 구조물의 건전성을 평가할 수 있는 구조물 건전성 진단장치 및 그 진단장치를 이용한 진단방법에 관한 것으로, 특히, 라이더가 실시간 검출하는 구조물에 대한 3 차원 형상 정보를 이용하여 구조물의 건전성을 신속 정확하게 평가할 수 있는 라이더를 이용한 구조물 건전성 진단장치 및 그 진단장치를 이용한 진단방법에 관한 것이다.

고층 건물이나 교량 등과 같은 구조물의 경우 시공 후 기간이 경과하면서 피로가 누적되고 재해 등으로 인해 역학적 성능이 저하되어 위험요소가 내재될 수 있기 때문에 사고 예방을 위해서 일정한 기간 주기로 건전성을 진단하게 된다. 구조물의 건전성 평가방법으로는 겉으로 나타나는 구조물의 거동 즉 정적변위와 동적변위를 측정한 다음 그 결과를 가지고 구조물 내 각 부위별 응력을 해석하여 구조물의 손상여부, 손상위치, 손상정도 등을 파악할 수 있는 구조물의 거동 측정을 이용한 건전성 진단방식이 비교적 신속하고 정확한 진단결과를 얻을 수 있다는 장점으로 인해 널리 이용되고 있다. 이에, 구조물 건전성 진단을 위하여 구조물의 거동을 계측할 수 있는 장비들과 방법들이 개발되어 이용되고 있다.

그러나, 종래 구조물의 건전성 진단을 위해 사용되고 있는 종래 구조물 거동 측정장비들과 그 장비를 이용한 구조물 건전성 진단방법들은 구조물 전체에 대한 거동측정이 불가능하거나 또는 거동량이 미세한 경우 계측의 정밀도가 현저히 떨어지기 때문에 구조물의 건전성을 정밀하게 진단하지 못하는 등의 문제점이 있었다.

예컨대 구조물 정적 변위를 계측할 수 있는 변위계나 구조물의 동적변위를 측정할 수 있는 가속도계 등의 거동 측정장비를 이용한 구조물의 건전성 진단방법은 구조물 건정성 진단에 가장 일반적으로 사용되고 있는데, 변위계를 이용하는 경우에는 구조물에 대하여 국부적으로 계측한 정보에 의존하여 구조물 전체의 건전성을 진단하기 때문에 구조물 전체에 대한 건전성을 정밀하게 평가할 수 없다는 문제점이 있었으며, 또한 높은 주파수의 구조물의 거동은 비교적 정확하게 측정할 수 있지만 고층건물이나 장대 교량과 같이 주파수가 낮고 변위가 큰 구조물에 대해서는 거동 측정의 정확도가 크게 떨어지기 때문에 적합하지 않다는 문제점이 있었다. 그리고, 가속도계를 이용하는 경우에는 가속도를 측정한 다음 두 번의 적분을 통해 구조물의 거동을 산출할 수는 있긴 하지만 그 결과가 매우 부정확하다는 문제점이 있었다. 이에, 변위계를 움직이지 않는 지반에 고정시킨 상태에서 구조물의 상대변위를 측정하는 방법이 이용되기도 하였지만, 이 역시 고층건물이나 장대교량의 경우와 같이 변위 범위가 수 미터에 이르거나 건물이 높고 육지로부터 멀리 떨어진 경우에는 진단이 불가능하다는 단점이 있었다.

위와 같은 변위계의 문제점을 보안하기 위하여 최근에는 레이저를 이용한 변위계가 개발되어 사용되고 있으나, 이것도 측정 변위 범위가 매우 작아 고층건물이나 장대교량의 큰 거동측정에는 사용이 용이하지 않다는 문제점이 있었다.

한편, 일반적인 구조물의 경우 크레인이나 케이블카 등의 장비를 이용하여 구조물에 직접 접근하여 균열이나 부식 등의 손상정도를 직접 육안으로 관찰하는 방법으로 구조물의 건전성을 진단할 수 있으나, 이와 같은 방법은 대상 구조물이 고층건물, 장대교량과 같은 대형 구조물인 경우에는 많은 장비와 인력을 필요로 하기 때문에 경비가 많이 소요되고 관찰 작업시 안전사고의 위험이 있었다. 또한, 내하력 평가를 위하여 하중재하시험을 실시하여 변위를 측정하는 방법도 사용하고 있지만, 고층건물이나 장대교량과 같은 대형구조물인 경우에는 이것 역시 거의 불가능하였다.

그 외에도, 구조물에 가속도계를 설치하여 구조물의 가속도를 측정한 다음 그 결과를 가지고 주파수와 모드의 형태를 구하여 구조물의 손상위치와 손상정도를 찾아내는 주파수 영역 해석법과 신경망을 이용하는 시간영역 해석법 등이 연구되고는 있지만, 이들 방법들은 실제 구조물에 이용하기에는 많은 어려움이 있어 상당한 연구가 더 필요한 실정이다. 특히 기존의 방법들은 측정하고자 하는 부분이나 근처에 기기를 직접 설치해야 하는 어려움이 있었으며, 구조물의 거동 계측에 상당한 장비과 인력 그리고 시간이 소요되어 상시(常時) 진단이 불가능하다는 문제점이 있었다.

이에, 최근에는 GPS 위성에서 발신된 GPS반송파를 DGPS(Differential GPS)기준국과 구조물에 각각 설치된 GPS 안테나가 각각 수신한 다음 그 수신된 데이터값을 비교하여 구조물의 실시간 3차원 거동을 측정함으로써 구조물의 안전성을 상기 평가할 수 있는 GPS반송파를 이용한 구조물의 안전성 평가 시스템(국내 특허공개 제99-32608호)이 개발되기도 하였다.

그러나, 위 GPS반송파를 이용한 구조물의 안전성 평가 시스템은 구조물에 대한 상시 진단은 가능하지만 해당 구조물에 GPS 안테나를 설치해야 하는 어려움이 있으며, GPS 안테나가 설치된 지점의 거동으로만 구조물을 진단하기 때문에 구조물 전체에 대하여 정확하게 진단할 수 없었을 뿐만 아니라 구조물의 정확한 손상위치와 손상정도 등을 파악하는데에도 상당한 어려움이 있는 문제점이 있었다.

이에, 본 발명은 상술한 바와 같은 종래 구조물 건전성 진단방법들이 가진 문제점을 일소하기 위하여, 라이더를 이용하여 고층건물, 교량, 댐 등의 대형 구조물 전체에 대한 3차원 거동정보를 일정한 시간 주기로 검출하여 그 검출된 정보를 이용하여 구조물 전체에 대한 건전성을 매우 신속하고 정밀하게 진단할 수 있고, 또한, 적은 장비만으로도 구조물에 대한 3차원 거동정보의 신속한 검출이 가능하여 구조물에 대한 상시(常時) 진단이 가능한 라이더를 이용한 구조물 건전성 진단장치와 그 진단장치를 이용한 진단방법을 제공하는데 목적이 있다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 라이더를 이용한 구조물 건전성 진단장치는, 빛을 투사하여 그 빛이 구조물 표면에 반사되어 되돌아오는데 걸린 시간으로 거리를 측정하여 구조물의 3차원 형상 정보를 실시간 검출하는 라이더(LIDAR)와; 상기 라이더로부터 실시간 입력되는 구조물의 시간대별 형상 정보를 이용하여 구조물의 정적 거동과 동적 거동을 검출하는 거동분석장치;를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.

위 구성 중 거동분석장치는 상기 거동분석장치는 상기 구조물에 대한 정적 거동 및 동적 거동 정보를 분석하여 구조물의 건전성을 평가하도록 이루어진 것이 바람직하다.

한편, 본 발명에 다른 라이더를 이용한 구조물 건전성 진단방법은, 구조물에 대한 시계가 확보되는 지점에 설치된 라이더를 이용하여 구조물의 3 차원 형상정보를 일정한 시간주기로 검출하는 형상정보 추출단계; 상기 라이더로부터 주기적으로 입력되는 형상정보를 거동분석장치로써 분석하여 구조물의 정적 거동과 동적 거동을 산출하는 거동분석단계; 그리고, 상기 거동분석장치를 이용하여 상기 거동분석단계에서 산출된 정적 거동 및 동적 거동 정보를 해석하여 구조물의 건전성을 평가하여 그 결과를 출력하는 건전성 평가단계;를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명에 따른 라이더를 이용한 구조물 건전성 진단방법은 상기 형상정보 추출단계 후 상기 라이더로부터 입력되는 형상정보를 이용하여 구조물을 모델링하는 구조물 모델링단계;를 더 포함하고, 상기 거동분석단계는 상기 구조물 모델링 단계에서 모델링된 구조물의 변위와 변형량 분석하여 구조물의 역학적 변화를 해석하도록 이루어지는 것이 바람직하다.

특히, 본 발명에 따른 라이더를 이용한 구조물 건전성 진단방법은 상기 건전성 평가단계에서 거동 정보 해석결과가 사전 지정된 구조물의 사용성과 안전성 범위를 벗어나면 경보신호를 출력하도록 구성되어 구조물의 건전성을 상시 진단할 수 게 이루어질 수 있다.

이하, 본 발명의 일 실시예에 따른 라이더를 이용한 구조물 건전성 진단장치와 그 장치를 이용한 진단방법을 바람직한 실시예를 통하여 보다 구체적으로 살펴본다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 라이더를 이용한 구조물 건전성 진단장치의 구성도이고, 도 2는 그 장치를 이용한 진단방법의 구성을 보인 블록도이다.

도 1에 도시된 바와 같이 본 발명의 일 실시예에 따른 라이더를 이용한 구조물 건전성 진단장치는 고층건물이나 교량과 같은 대형 구조물(3)들에 대한 3차원 형상 정보를 실시간 검출할 수 있는 라이더(1)와; 상기 라이더(1)로부터 실시간 입력되는 구조물의 시간대별 형상 정보를 비교하여 구조물(3)의 정적 거동과 동적 거동을 검출하고 그 정보를 이용하여 구조물의 건전성을 평가할 수 있는 거동분석장치(2);로 이루어져 있다.

라이더(LIDAR)(1)는 빛을 투사한 다음 목적물 표면에 반사되어 되돌아오는 빛을 감지하여 빛이 투사된 후 되돌아오는데 걸린 시간으로 거리를 측정하여 목적물의 3차원 형상 디지털 좌표 정보를 실시간 추출할 수 있는 장비로, 이 장비를 이용하면, 구조물의 3차원 형상 정보를 일정한 시간주기(T)로 추출하여 구조물 전체의 정적 거동과 동적 거동 정보를 획득할 수 있다. 이 라이더(1)의 작동원리는 기존 로케이터(Locater)와 동일하다. 틀린 점이 있다면 음파나 무선신호가 아닌 빛의 반사 신호를 이용한다는 점이다. 이와 같은 라이더(1)는 음파나 무선신호 등을 이용하는 일반 로케이터와 달리 빛을 이용하기 때문에 날씨와 대기오염 등의 영향을 전혀 받지 않는다는 장점이 있다.

거동분석장치(2)는 상기 라이더(1)에서 실시간 입력되는 구조물에 전체에 대한 3 차원 형상정보를 이용하여 구조물을 정확하게 실시간 구조 모델링함과 아울러 시간대별로 입력된 형상정보를 비교 분석하여 구조물 전체의 정적 거동과 동적 거동을 정밀하게 추출하도록 프로그래밍된다. 아울러, 추출된 구조물의 정적 거동 및 동적 거동을 구조물 설계시의 정적 거동 및 동적 거동과 비교하여 구조물의 부위별 역학적 변화를 산출함과 아울러 구조물의 각 부위별 변형도와 응력을 계산해낼 수 있다. 구조물의 강도가 감소하거나 특정 부위가 손상되면, 일반적으로 변형이 크게 발생하고 진동 모드가 달라지게 되는 바, 거동분석장치(2)는 정밀하게 검출한 구조물의 정적 및 동적 거동으로부터 구조물 내의 변형도와 응력을 계측하여 건전성을 평가하는 것은 물론이고 구조물이 손상된 경우 그 손상정도와 손상위치까지 정확하게 찾아낼 수 있다.

한편, 본 발명의 일 실시예에 따른 구조물 건전성 진단방법은 위와 같은 구성의 라이더를 이용한 구조물 건전성 진단장치를 이용하는 것으로, 구조물의 3 차원 형상정보를 검출하는 형상정보 추출단계(S1,S2); 검출된 형상정보를 이용하여 구조물을 모델링하는 구조물 모델링단계(S3); 형상정보를 분석하는 정적 거동과 동적 거동을 산출하는 거동분석단계(S4); 그리고, 산출된 정적 거동 및 동적 거동 정보를 이용하여 구조물의 건전성을 평가하는 건전성 평가단계(S5); 등으로 이루어진다.

상기 형상정보 추출단계(S1,S2)는 라이더(1)를 이용하여 구조물의 3차원 형상정보를 일정한 시간주기(T)로 실시간 추출하는 단계로, 이는 구조물에 대한 시계가 확보되는 지점에 라이더(1)를 설치한 다음 그 라이더(1)로써 고유주기(T_C)를 가지고 거동하는 구조물(3)에 대한 3차원 형상정보(10)를 일정한 시간 간격으로 실시간 검출한다.

구조물 모델링단계(S3)에서는 위 형상정보 추출단계(S1,S2)에서 추출한 형상정보를 이용하여 구조물을 일정한 시간 주기로 실시간 모델링하며 그 모델링된 구조물의 이미지를 육안으로 확인할 수 있도록 출력장치(모니터 등)를 통해 실시간 출력한다.

거동분석단계(S3)는 상기 라이더(1)로부터 주기적으로 실시간 입력되는 형상정보(10)를 거동분석장치(2)로 분석하여 구조물의 정적 거동과 동적 거동을 검출하는 단계로, 이 단계에서는 구조물의 변위와 변화량 등을 분석하여 구조물의 정적 거동과 동적 거동 정보(20)를 해석하게 된다.

건전성 평가단계(S5)는 거동분석장치(2)에 의해 앞서 산출된 정적 거동 및 동적 거동 정보를 이용하여 구조물의 건정성을 최종 진단하는 단계로서, 이 단계에서는 상기 거동분석단계에서 산출된 정적 거동 및 동적 거동 정보를 구조물 설계시 적용된 거동 정보와 비교하여 구조물의 전반적인 건전성을 평가하게 된다. 아울러, 구조물의 역학적 변화를 해석하여 구조물 내 변형도와 응력을 해석하고, 그 결과로서 구조물의 손상여부와 손상부위 그리고 손상정도 등을 계측한다. 일반적으로 구조물의 강도가 작아지거나 특정 부위가 손상되면, 변형이 크게 발생하고 진동 모드가 달라지게 되는데, 건전성 평가단계에서는 앞서 분석한 구조물의 정적 거동과 동적 거동 정보를 활용하여 변형과 진동 등을 분석한 뒤 그 분석결과를 토대로 변형도와 응력을 계산하여 구조물의 손상여부 등을 정확하게 계측해낼 수 있으며, 그 결과로써 보수나 보강이 필요한지 여부를 판단하고 보수나 보강이 필요한 경우에는 보수 및 보강이 필요한 위치를 정확하게 추출해낸다.

이상과 같은 과정으로 진행되는 본 발명에 따른 라이더(1)를 이용한 구조물 건전성 진단방법은 구조물의 3차원 거동에 대한 실시간 계측이 가능하여 구조물 전체에 대한 건전성을 매우 신속 정확하게 진단할 수 있고 특히 라이더(1)를 이용한 구조물 건전성 진단장비는 그 구성이 매우 간단하여 구조물에 전용 진단장비로 고정 설치하여 해당 구조물의 건전성을 상시(常時) 진단할 수 있게 구성할 수 있다. 즉, 본 발명에 대한 라이더를 이용한 구조물 건전성 진단장치를 특정 구조물에 전용(專用)할 수 있게 고정 설치한 다음, 예컨대 도 2의 점선 내 상시진단 프로그램(SP)과 같이 구조물에 대한 형상정보를 상시로 실시간 검출하여 사용성이나 안전성 등을 평가한 뒤 그 평가결과가 사전에 설정된 사용성이나 안전성 범위를 벗어나 주의를 요하는 상황이 발생하는 경우, 전체 구조물에 대한 모델링을 함과 아울러 경보신호를 발하면서 동시에 구조물의 손상여부 및 보수나 보상이 필요한 손상위치 등을 계측해내도록 구성하면, 구조물의 건전성에 대한 상시(常時) 진단이 가능하여 사용기간 경과에 따른 피로파괴나 예측하지 못한 재해 등으로 인한 사고을 미연에 방지할 수 있다.

본 발명에 따른 라이더를 이용한 구조물 건전성 진단장치와 그 진단장치를 이용한 진단방법에 따르면, 고층건물, 교량, 댐 등의 대형 구조물 전체에 대한 정밀한 3차원 거동정보를 일정한 시간 주기로 실시간 검출한 다음 검출된 정보를 이용하여 구조물 전체에 대한 건전성을 저렴한 비용으로 매우 신속하고 정밀하게 진단할 수 있음 물론 구조물 전체에 대한 변형도와 응력 해석이 가능하여 구조물의 손상여부는 물론 손상위치와 손상정도 등을 정확하게 계측해낼 수 있는 바, 구조물 건전성 진단에 소요되는 시간과 비용을 획기적으로 절감할 수 있다. 또한, 진단장치의 구성과 방법이 극히 단순하고 구조물에 대한 3차원 거동정보의 실시간 검출이 가능하여 구조물의 건전성을 상시(常時) 진단할 수 있게 구성할 수 있는데 이렇게 하면 피로파괴나 예측하지 못한 재해 등으로 인한 구조물 사고를 미연에 방지할 수 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 라이더를 이용한 구조물 건전성 진단장치의 구성도.

도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 라이더를 이용한 구조물 건전성 진단방법을 나타낸 순서도.

< 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 >

1 : 라이더(LIDAR) 2 : 거동분석장치

3 : 구조물 10 : 형상정보

20 : 구조물 거동정보

Claims (5)

1. 빛을 투사하여 그 빛이 구조물 표면에 반사되어 되돌아오는데 걸린 시간으로 거리를 측정하여 구조물의 3차원 형상 정보를 실시간 검출하는 라이더(LIDAR)와;

   상기 라이더로부터 실시간 입력되는 구조물의 시간대별 형상 정보를 이용하여 구조물의 정적 거동과 동적 거동을 검출하는 거동분석장치;를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 라이더를 이용한 구조물 건전성 진단장치.
2. 제 1 항에 있어서,

   상기 거동분석장치는 상기 구조물에 대한 정적 거동 및 동적 거동 정보를 분석하여 구조물의 건전성을 평가하도록 이루어진 것을 특징으로 하는 라이더를 이용한 구조물 건전성 진단장치.
3. 구조물에 대한 시계가 확보되는 지점에 설치된 라이더를 이용하여 구조물의 3 차원 형상정보를 일정한 시간주기로 검출하는 형상정보 추출단계;

   상기 라이더로부터 주기적으로 입력되는 형상정보를 거동분석장치로써 분석하여 구조물의 정적 거동과 동적 거동을 산출하는 거동분석단계; 그리고,

   상기 거동분석장치를 이용하여 상기 거동분석단계에서 산출된 정적 거동 및 동적 거동 정보를 해석하여 구조물의 건전성을 평가하여 그 결과를 출력하는 건전성 평가단계;를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 라이더를 이용한 구조물 건전성 진단방법.
4. 제 3 항에 있어서,

   상기 형상정보 추출단계 후 상기 라이더로부터 입력되는 형상정보를 이용하여 구조물을 모델링하는 구조물 모델링단계;가 더 포함되고,

   상기 거동분석단계는 상기 구조물 모델링 단계에서 모델링된 구조물의 변위와 변형량 분석하여 구조물의 역학적 변화를 해석하도록 이루어진 것을 특징으로 하는 라이더를 이용한 구조물 건전성 진단방법.
5. 제 3 항 또는 제 4 항에 있어서,

   상기 건전성 평가단계에서 거동 정보 해석결과가 사전 지정된 구조물의 사용성과 안전성 범위를 벗어나면 경보신호를 출력하도록 구성되어, 구조물의 건전성을 상시 진단할 수 있게 이루어진 것을 특징으로 하는 라이더를 이용한 구조물 건전성 진단방법.