KR20060132401A - 장대광변형 센서를 사용하여 얻어진 평균변형률을 이용한구조물의 안전성 평가방법 - Google Patents

장대광변형 센서를 사용하여 얻어진 평균변형률을 이용한구조물의 안전성 평가방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 장대 광변형 센서를 사용하여 얻어진 변위를 이용하여 수행할 수 있는 대형구조물의 실시간 안전성 모니터링 방법에 관한 것이다. 광센서로 측정할 수 있는 평균변형률은 광센서에 의해 실제 계측된 구조물의 두 지점 사이의 변형률을 적분하여 총변형량을 얻고 이 값을 측정한 두 지점 사이의 길이로 나누어 줌으로서 얻을 수 있다. 평균 변형률을 이용하여 부재 내에 발생한 최대변형률, 최대응력, 부재 내에 실제 저장된 변형에너지, 항복시까지 부재에 저장될 수 있는 최대 변형에너지, 최대 처짐, 구조물에 실제 작용하는 하중의 유추 등을 행함으로써 구조물의 안전성을 평가할 수 있다. 본 발명은 종래 포인트 센서에 의한 안전정 평가방법에 비해 센서의 개수 및 처리 데이터의 양이 현격히 줄어드는 이점이 있다.
평균변형률, 안전성모니터링, 장대 광변형센서, 광섬유센서

Description

장대광변형 센서를 사용하여 얻어진 평균변형률을 이용한 구조물의 안전성 평가방법{Method for Health Monitoring for Beam Structure Based on Averaged Strains using Long Gauge Optic Sensors}
도 1은 본 발명에 따른 안전성 평가방법의 전체 개념도이다.
도 2는 변위 측정을 위한 센서를 실제 구조물에 적용한 일례를 도시한 도면이다.
도 3은 장대 광변형 센서의 작동 개념도이다.
도 4는 단순지지된 보에 점하중 P가 작용하는 경우의 부재에 하중이 작용하는 상태를 도시한 모식도이다.
도 5는 단순지지된 보에 등분포하중 w가 작용하는 경우 부재에 하중이 작용하는 상태를 도시한 모식도이다.
도 6은 하중 조건별 최대 변형률과 평균 변형률의 관계를 계산하여 정리한 표이다.
도 7은 서로 다른 크기의 집중 하중이 작용하는 2경간 단순보에 있어서 부재에 하중이 작용하는 상태를 도시한 모식도이다.
도 8은 서로 다른 크기의 집중 하중이 작용하는 2경간 단순보에 있어서 부재에 하중이 작용하는 경우의 모멘트 다이어그램이다.
도 9는 광변형 센서를 이용하여 점하중이 작용하는 단순보 전체에 발생한 평균변형률을 측정하기 위한 실험예 도면이다.
평균변형률을 측정하기 위한 실험예 도면이다.
<주요 부분에 대한 도면부호의 설명>
1----변위계측장치 2----정보입력장치
3-----정보분석장치 4-----안전성평가제공장치
본 발명은 장대 광변형 센서를 사용하여 얻어진 변위를 이용한 구조물, 특히 대형구조물의 실시간 안전성 모니터링 방법에 관한 것이다.
고층건물이나 교량과 같은 대형 구조물이 노후화하거나 장시간 외부의 영향을 받게 되면 구조물에 광범위한 손상이 발생하므로 시기 적절한 보수와 유지를 위해서는 구조물의 변형 등과 같은 안전성을 모니터링 시스템이 필요하다. 외국에서는 이미 교량의 보수 등과 관련하여 안전성 모니터링 기술에 대한 연구가 상당수 진행 중에 있으며, 구조물의 내부 또는 외부에 센서와 작동기를 설치하여 구조물 스스로 외부의 환경 변화 및 구조물 내부의 상태 변화를 감지하고 요구되는 동작을 행할 수 있도록 하는 스마트 구조물에 관한 연구 역시 미국 등을 중심으로 활발히 수행되고 있다. 우리나라에서도 다양한 안전성 모니터링 시스템이 연구 개발 중에 있지만 대부분 사용되는 센서가 가지는 한계로 인해 대형구조물의 상태를 모니터링하기가 쉽지 않은 현실이다.
전기저항식센서의 경우, 전자기파에 의한 간섭과 외부 환경으로부터의 영향 때문에 계측에 의한 안전도 평가의 신뢰성에 문제가 있으며, 센서 자체의 내구성이 낮아서 장기간 동안의 계측은 사실상 불가능하고 더욱이 기존의 센서들은 대부분 국부적인 변형률을 측정하는 포인트센서이고, 안전성 평가 기법 역시 이러한 국부적인 점에서의 변형에 의존하고 있다. 하지만 구조물의 크기에 비해 사용되는 센서가 미소(微小)하기 때문에, 안전성 평가의 적절성이 센서의 위치 및 개수에 의해 좌우되는 한계를 가지고 있다. 이러한 한계를 극복하기 위해 센서의 수를 증가시키면 동시에 처리해야 하는 데이터의 양 역시 많아지므로, 국부적인 데이타만으로 대형 구조물의 거동을 실시간으로 모니터링 하고 안전성을 평가하는 것은 사실상 불가능하다고 할 수 있다.
이와 같은 전기저항식센서의 제반 문제점들을 해결하기 위한 대안으로 광섬유센서를 이용한 연구가 활발히 진행되고 있다. 광섬유센서는 전자기파의 영향을 거의 받지 않으면서 구조물의 여러 장소에 분포되어 원하는 물리량을 동시에 감지해낼 수 있는 특성을 가지고 있기 때문에 대형구조물의 변형을 계측하기에 알맞을 뿐만 아니라, 화학적으로 안정하며 뛰어난 내구성을 가지고 있어, 구조물의 안전성을 장기적으로 모니터링하기 위한 센서로 적합하다.
광섬유센서는 측정 방식에 따라서 마이켈슨 (Michelson), 페브리-페롯(Fabty-Perot) 등의 간섭형센서(Inteferometric Sensor)와 광섬유 브래그격자센서 (Fiber Bragg Grating, FBG), 광학적 시간영역 반사시스템(Optical Time Domain Reflectometry, OTDR) 등으로 구분된다. 국내에서는 FBG 또는 간섭형센서를 이용한 균열검출에 관한 연구, 복합재 구조물의 역학적 거동에 관한 연구, 구조물의 변형 및 파손에 관한 연구 등이 주로 진행되고 있다. 그러나 FBG 역시 기존의 전기저항식센서와 마찬가지로 길이의 제약을 받기 때문에 포인트센서의 한계를 벗어나기가 힘들고, OTDR의 경우 시스템을 구성하고 측정된 신호를 처리하는데 많은 시간과 비용이 요구된다.
본 발명은 기존의 센서와 안전성 평가 기법들이 가지는 한계와 제반 문제들을 극복하기 위하여 평균변형률을 이용한 새로운 안전성 평가 기법을 제시한 것으로서, 본 발명에서는 단순지지 철골보의 실험을 통하여 그 신뢰성의 확인을 개진한다.
본 발명에 따른 구축물 안전성 모니터링에 사용되는 장대광 변형센서는 기존의 센서에 비해 길이의 제약을 거의 받지 않는다. 또한 광간섭 방식에 의한 센서로 민감도가 매우 높아 빛의 파장 단위까지 감지가 가능하며, 측정된 신호의 처리가 다른 광센서들에 비해 상대적으로 수월하다. 따라서 장기간 동안의 상시 계측을 가능하게 함과 동시에, 필요로 하는 데이타와 계산량, 측정 시간 등을 대폭 감소시킬 수 있고, 결과적으로 저렴한 비용으로 보다 효율적인 대형 구조물의 안전성 모니터 링 시스템을 구축할 수 있다.
본 발명에 따른 장대광변형센서의 원리 및 구성을 설명하면 다음과 같다.
장대광변형센서는 빛의 간섭현상을 이용하여 센서에 발생한 총 변위를 측정하는 것으서로, 기본적인 개념은 도 3에 도시한 바와 같이, 다이오드(100)로부터 나온 빛은 커플러(200)에서 두 갈래로 분할되는데 그 중에서 1개는 구조물에 부착된 센서(50)로, 나머지 1개는 기준광섬유(70)로 입사된다. 끝단에서 거울(80)을 만나 반사되어 돌아온 2개의 빛은 포토디텍터(300)에서 다시 합쳐지게 되는데, 서로 다른 길이의 경로를 돌아온 빛은 서로 간섭현상을 일으키게 되는 바, 이 간섭 패턴이 포토디텍터에 의해 감지되면 기준광섬유에 부착된 기계적인 액츄에이터(Mechanical Actuator)(400)가 움직이면서 이 두 빛이 이동한 경로가 오차범위 10㎛ 내로 같아지게 만들며, 이 때 측정된 값이 센서 전체에 발생한 총 변위로 된다.
따라서 본 발명의 시스템의 물리적인 주요 구성 요소는 장대광변형센서와 광수신기이며 이들 요소의 구체적인 설명은 다음과 같다.
광섬유센서는 쉽게 구부려 사용할 수 있으므로 형태의 제약을 받지 않고 구조물의 표면에 부착하거나 콘크리트 속에 매립하여 사용할 수 있다. 또한 기존의 전기저항식 센서에 비해 전자기의 영향을 거의 받지 않으며, 화학적으로 안정하고 내구성이 뛰어나 대상물의 장기계측에 가장 적합하다. 이 시스템을 구성하는 광섬유센서는 ± 10㎛의 해상도로 최대 ± 4000μstrain 또는 ± 25㎜까지 측정이 가능 하며, 5㎝에서 100m이상까지 필요에 따른 길이로 제작이 가능하다.
광수신기는 복수개의 채널을 갖추고 있으며, 각 채널당 하나씩의 센서 부착이 가능하다. 파장변화 감지방식으로 센서 전체에 발생한 변위를 계산하며, 이를 센서의 길이로 나누어주는 간단한 작업만으로 센서 전체에 발생한 평균변형률을 손쉽게 구할 수 있다. 광수신기 외부에 LCD창을 갖고 있어 데이터의 직접 획득이 가능하며, 자체적으로 시리얼포트를 내장하고 있어 컴퓨터를 이용한 원격제어 및 데이터 송수신 또한 가능하다.
이하 첨부도면에 기초하여 본 발명에 따른 장대광변형 센서를 사용하여 얻어진 평균변형률을 이용한 구조물의 안전성 평가방법을 상세히 설명한다.
도 1은 본 발명에 따른 구조물 안전성 평가 시스템의 개념을 도시한 도면이다. 도 1에 의해 알 수 있듯이, 본 발명에 따른 구조물 안전성 평가 시스템은 구조물의 변위를 측정하기 위한 변위계측장치(1)와, 이 변위계측장치를 통해 구조물로부터 얻어진 변위정보를 입력하는 정보입력장치(2)와, 이 정보를 분석하는 정보분석장치(3) 및 안전성을 진단 평가한 결과를 제공하는 안전성평가정보제공장치(4)로 구성된다.
상기 변위계측장치(1)는 측정 대상이 되는 구조물에 직접 설치되어 변위를 직접 계측하는 장대광변형 센서장치로서, 센서에서 수신된 신호를 처리하는 광수신기(5)와 변위를 직접 측정하는 광변형센서(6)로 구성된다. 다이오드(7)로부터 나온 빛은 커플러(8)를 통해 2개의 다른 경로를 이동하게 되고, 센싱하고자 하는 구조물에 부착된 센서(9)를 이동한 빛과 기준광섬유(10)를 이동한 빛은 액츄에이터(11)와 그 콘트롤러(12)에 의해 위상이 맞춰지게 된다. 이는 포토디텍터(13)에서 비교되며 여기에서 얻어진 센서의 총 변위는 메인 컴퓨터(19)로 전송된다.
이 변위계측장치를 통해 구조물로부터 얻어진 변위정보를 입력하는 정보입력장치(2)는 진단 대상이 되는 구조물의 정보를 입력받는 장치로서, 이후 정보분석장치(3)에서 평균변형률을 활용해 여러가지 안전성 진단 요소를 계산해내기 위한 구조물의 기본 정보를 입력하는 부분이다.
구조물 정보입력장치(2)는 기본적으로 부재의 물성치를 제공하기 위한 재료 선택부(14), 평균 변형률과 최대 변형률과의 관계를 규명하는데 사용될 구조물 종류 선택부(15), 구조물의 지지조건 및 하중 입력부(16, 17), 그리고 센서의 위치 및 부착 방법 선택부(18)로 구성된다.
정보분석장치(3)는 진단 대상이 되는 구조물의 정보를 입력받아 변위 측정장치(1)에서 측정된 변위를 이용하여 안전성 진단 요소를 계산해 내는 장치로서, 변위계측장치(1)에서 측정된 변위는 연산장치(19)에서 평균 변형률로 변환된 후, 정보입력장치(2)로부터 저장된 구조물의 정보에 따라 미리 프로그래밍된 연산을 통해 해석을 수행하게 되며 해석결과(20~23)는 실시간으로 저장장치(24)에 저장된다.
상기 안전성평가정보제공장치(4)는 정보분석장치(3)에서 분석된 구조물의 정보를 바탕으로 거주자 및 관리자에게 현재 구조물의 상태 정보를 실시간으로 그래프화하여 제공하며 필요에 따라 경보를 발생할 수 있는 장치로서, 정보를 필요로 하는 사용자 또는 관리자(29)는 인터넷 또는 직접 관리 컴퓨터에 접속할 수 있으며, 저장장치(24)에 저장된 해석 결과를 직접 조회하거나, 안전성 및 사용성평가부 (25)에서 연산된 결과를 그래프화(26)하여 실시간으로 구조물의 안전성 상태를 모니터링 할 수 있게 한다. 또한 안전성 및 사용성 평가부(25)에서 연산된 결과는 단계별 경보 시스템(27)에 적용되어, 사용자(29)의 접속 여부에 관계없이 단계에 따른 경보를 발생하게 된다.
다음으로 본 발명에 따른 장대광변형 센서를 사용하여 얻어진 평균변형률을 이용한 구조물의 안전성 평가방법이 실제 구조물 적용 예를 설명한다.
도 2는 변위 측정을 위한 센서를 실제 구조물에 적용한 일례로서, 기존 센서와의 가장 큰 차이점은 구조물 전체의 변위를 측정할 수 있다는 점이다. 즉, 지금까지 사용되던 국부적인 지점에서의 데이터는 그 지점에서의 데이터만을 전달할 뿐 균열 또는 다른 여러 가지 이유로 인해 구조물 전체의 안전성을 반영할 수 없었지만, 본 발명에서 사용된 기법은 구조물 전체를 센싱하는 기법으로서 보다 신뢰성 있는 계측을 가능하게 한다.
또한 구조물이 대형화됨에 따라 처리해야 하는 데이터의 양이 방대해지며 그 처리비용과 시간 역시 무시할 수 없지만 이 역시 본 발명을 통해 안전성 모니터링을 위해 요구되는 센서의 수를 최소화할 수 있으며, 시스템 구성 역시 간단하기 때문에 처리비용 및 시간 절약의 효과를 얻을 수 있다.
본 발명에 따른 장대광변형 센서를 사용하여 얻어진 평균변형률을 이용한 구조물의 안전성 평가방법을 통해 평가할 수 있는 모델은 다음 네 가지이다.
첫째, 평균 변형률을 이용하여 부재 내에 발생한 최대변형률과 최대응력을 연산하여 행하는 안전성 평가.
둘째, 계측된 평균 변형률을 이용하여 부재 내에 실제 저장된 변형에너지와 항복시까지 부재에 저장될 수 있는 최대 변형에너지를 비교하여 행할 수 있는 안전성 평가.
셋째 평균 변형률을 측정함으로써 찾을 수 있는 최대 처짐을 허용 처짐과 비교하여 행할 수 있는 안전성 평가.
넷째, 평균 변형률을 이용하여 구조물에 실제 작용하는 하중을 유추하여, 적용된 하중과 비교하여 행할 수 있는 안전성 평가.
이하 위 네 가지 안전성 평가모델을 집중하중을 받는 단순보 및 등분포하중을 받는 단순보를 중심으로 설명한다.
먼저 평균 변형률을 이용하여 부재 내에 발생한 최대변형률과 최대응력을 연산하여 행하는 안전성 평가모델을 설명하면 다음과 같다.
<집중하중이 작용하는 단순보의 경우>
첨부도면 도 4와 같이 단순지지된 보에 집중하중(점하중) P가 작용하는 경우, 각 점에서의 변형률은 다음과 같은 식 (1)로 나타낼 수 있으며,
Figure 112005032355298-PAT00001
보 전체에 걸친 평균변형률은 아래의 식(2)로부터 구할 수 있다.
Figure 112005032355298-PAT00002
집중하중이 작용하는 단순지지보에서 최대변형률은
Figure 112005032355298-PAT00003
이므로, 위의 식(2)와 식(3)으로부터 최대변형률과 평균변형률 사이의 관계를 유도할 수 있으며, 이는 아래와 같다.
Figure 112005032355298-PAT00004
위의 식(4)로부터 집중하중이 작용하는 단순지지보에서 최대변형률은 항상 평균변형률의 2배가 됨을 알 수 있다.
<등분포하중이 작용하는 단순보의 경우>
도 5와 같이 단순지지된 보에 등분포하중 w가 작용하는 경우 부재내의 각 점에서 발생한 변형률은 다음과 식으로 나타낼 수 있으며, 보 전체에 걸친 평균 변형률은 아래 식(7)로부터 구할 수 있다.
Figure 112005032355298-PAT00005
등분포하중이 작용하는 단순지지보에서의 최대변형률은
Figure 112005032355298-PAT00006
이므로, 식(7)과 (8)로부터 아래와 같은 최대변형률과 평균변형률의 관계식을 얻을 수 있다.
Figure 112005032355298-PAT00007
위의 식(9)에서 등분포하중이 작용하는 단순지지보에서 최대변형률은 항상 부재 전체의 평균변형률의 1.5배가 됨을 알 수 있다.
이상의 내용으로부터 알 수 있듯이 평균 변형률과 최대 변형률은 일정한 관 계를 가지고 있으며, 최대 변형률은 평균 변형률을 이용하여 표현이 가능하다. 즉, 구조물에 발생한 최대 변형률은 항상
Figure 112005032355298-PAT00008
과 같은 식으로 표현될 수 있다.
따라서, 지점조건과 하중상태가 알려진 구조물의 경우, 장대광변형 센서에서 얻게되는 평균변형률을 이용하면 부재에 발생한 최대변형과 최대응력을 검출해낼 수 있고, 이것을 항복응력과 비교함으로써 구조물의 안전성을 평가할 수 있게 되는 것이다.
도 6은 하중조건별 최대 변형률과 평균 변형률의 관계를 계산하여 정리한 도표이다.
다음으로 보의 안전성을 평가하기 위한 또 다른 방법으로서 변형률과 응력 이외에 평균변형률을 이용한 부재 내에 저장된 에너지 평가함으로써 안전성을 평가할 수 있는 모델에 대하여 설명한다.
보가 선형탄성적으로 거동한다고 가정하면, 즉 재료가 후크(Hooke)의 법칙을 따르고 처짐과 회전이 작다고 가정한다면, 순수굽힘보에 저장된 변형에너지는 다음과 같이 표현할 수 있다.
Figure 112005032355298-PAT00009
<점하중이 작용하는 단순보의 경우>
도 4와 같이 단순지지된 보에 점하중 P가 작용하는 경우 각 점에서의 변형률은 다음 식(12) (13)와 같이 나타낼 수 있다.
Figure 112005032355298-PAT00010
Figure 112005032355298-PAT00011
식(11)을 평균변형률을 이용하여 다시 표현하면, 보에 저장된 변형에너지는 아래의 식(14)와 같이 나타낼 수 있다.
Figure 112005032355298-PAT00012
<등분포하중이 작용하는 단순보의 경우>
도 3과 같이 단순지지된 보에 등분포하중 w가 작용하는 경우, 각 점에서의 변형률은 다음 식(15)(16)와 같이 나타낼 수 있다.
Figure 112005032355298-PAT00013
Figure 112005032355298-PAT00014
식(11)을 평균변형률을 이용하여 다시 표현하면, 보에 저장된 변형에너지는 아래의 식(17)과 같이 나타낼 수 있다.
Figure 112005032355298-PAT00015
이상에서 구조물의 지점조건과 하중상태가 알려진 경우, 장대광변형센서에서 얻게되는 평균변형률을 이용하여 부재에 발생한 최대변형과 최대응력뿐만 아니라 보에 저장된 변형에너지 또한 검출해낼 수 있고, 이를 항복시까지 부재에 저장될 수 있는 최대 변형에너지와 비교함으로써 구조물의 안전성을 평가할 수 있다.
다음으로 평균변형률을 이용한 보의 처짐 곡선식을 설명한다.
평균 변형률로부터 최대 응력을 구해내는 과정에서 부수적으로 구조물의 처짐 곡선 또한 얻을 수 있다.
보의 처짐을 구하는 과정은 처짐 곡선과 처짐의 조합된 상관관계에 대한 미분방정식에 기초하고 있으며, 만일 보의 재료가 선형으로 탄성적이고, Hooke의 법칙을 따른다면 보의 처짐 곡선의 기본 미분방정식은 다음과 같이 유도된다.
Figure 112005032355298-PAT00016
모멘트 식을 알고 있다면 이 식 (18)은 중적분법에 의해 처짐을 나타내는 식으로 변환 가능하다. 등분포 하중이 작용하는 1경간 단순보의 경우에 대해 보의 처짐식을 구하는 과정은 다음과 같다. 이외의 경우들에 대해서도 그 과정은 동일하며 이미 유도된 모멘트 식과 경계 조건을 이용하여 위에서 제시된 모든 예제들에 대해 처짐 곡선식을 구할 수 있다.
도 3과 같은 등분포하중이 작용하는 단순보 구조물에 대해 모멘트 식은 아래 식 (19)와 같고,
Figure 112005032355298-PAT00017
굽힘 모멘트에 대한 식 (19)를 미분방정식 (18)에 대입하면 다음과 같다.
Figure 112005032355298-PAT00018
처짐은 식 (20)을 중적분한 후 각 지점에서의 경계 조건을 적용시킴으로써 구할 수 있으며, 그 식은 아래 식(21)과 같다.
Figure 112005032355298-PAT00019
이미 위에서 언급했듯이 식(21)에서 작용한 등분포 하중은 아래 식 (22)와 같이 보 전체의 평균 변형률을 이용하여 표현이 가능하며,
Figure 112005032355298-PAT00020
이 식 (22)를 식 (21)에 대입하면 처짐 또한 평균 변형률의 식으로 표현이 가능하다.
Figure 112005032355298-PAT00021
이 구조물의 최대 처짐은 보의 중앙에서 발생하며, 최대 처짐 또한 아래 식 (24)과 같이 평균 변형률을 측정함으로써 찾아낼 수 있다.
Figure 112005032355298-PAT00022
처짐 곡선식은 평균 변형률과 최대 변형률 사이의 관계를 유도하는 과정에서 부수적으로 얻을 수 있으며, 제시된 모든 경우의 예제에 대해 적용 가능하다. 평균변형률을 이용한 최대처짐을 허용처짐과 비교함으로써 구조물의 안전성을 평가할 수 있다.
다음으로 구조물에 작용한 하중을 유추할 수 있는 평가모델에 대하여 설명한다.
구조물에 작용한 이상적인 형태의 하중은 측정된 평균 변형률을 이용하여 계산해 낼 수 있다. 이를 위해 도 7과 같은 2경간 단순보의 경우를 예로 들어 설명하 면 다음과 같다.
2경간 보에 대해 일반적으로 사용할 수 있는 변형률 측정 기법을 유도하기 위해 먼저 2경간 단순보에 서로 다른 크기의 집중 하중이 작용하는 경우를 살펴보기로 한다. 실제 구조물에서는 2경간의 거더 (girder)에 빔(beam)을 통해 하중이 전달되어지는 경우로 생각되어질 수 있으며, 이 구조물의 모멘트 다이어그램은 도 8과 같다.
도 7에서 쉽게 알 수 있듯이, 이 구조물에서 최대 응력이 발생할 가능성이 있는 곳은 a, b 그리고 c 세 부분이다. 따라서 이러한 구조물의 경우 이 세 점에서의 응력을 비교함으로써 구조물 전체에 발생한 최대 응력을 찾아낼 수가 있다. 즉, 구조물의 지점과 하중 조건을 알고 있으므로 해석을 통해 최대 변형이 발생할 가능성이 있는 부분을 먼저 찾아내고, 이들 점에서의 최대 변형률을 중점적으로 찾아내는 과정에서 구조물에 작용한 하중을 유추할 수 있다.
먼저 a와 c에서 발생한 최대 변형률은 전술한 바로부터 알 수 있듯이, 각각 0 ~ 0.5L, 1.5L ~ 2.0L 구간의 평균 변형률의 2배가 된다. 즉, 0 ~ 0.5L구간의 평균 변형률을
Figure 112005032355298-PAT00023
이라 하고, 1.5L ~ 2.0L 구간의 평균 변형률을
Figure 112005032355298-PAT00024
이라고 할 때 각점에서의 최대 변형률은
Figure 112005032355298-PAT00025
와 같이 표현된다. 이상에서 측정해야 할 3군데의 점 중 2군데에서의 변형률을 2구간의 평균 변형률의 측정을 통해 쉽게 검출해 낼 수 있음을 알 수 있다.
마지막으로 b점에서의 최대 변형률은 아래 식에서 알 수 있듯이 a와 c에서의 최대 변형률로 표현이 가능하며, 이는 다시 0 ~ 0.5L, 1.5L ~ 2.0L 구간의 평균 변형률을 이용하여 나타낼 수 있다.
Figure 112005032355298-PAT00026
구조물에 작용한 하중을 찾기 위해 식 (25)과 (26)를 연립해서 풀면 아래 식 (28)와 같은 결과를 얻게 된다.
Figure 112005032355298-PAT00027
따라서, 측정된 두 구간의 평균 변형률을 이용하여 구조물에 작용한 이상적인 형태의 하중을 찾아낼 수 있으며, 구조설계시 적용한 하중과 비교함으로써 구조 물의 안전성을 평가할 수 있다.
다음으로 본 발명에 따른 장대광형센서를 이용한 구축물 안전성 모니터링 시스템을 적용을 검증하기 위한 실험에 대하여 설명한다.
실험장치 및 방법으로서 점하중이 작용하는 단순보 전체에 발생한 평균변형률을 측정하기 위하여 도 9와 같이 H형강의 표면에 길이 5000㎜의 장대광변형센서 (FT-Sensor)를 표면부착 후 에폭시 코팅하고 수신기(FTI-3000)를 연결하였으며, 상부플랜지에 길이 5㎜의 Strain Gauge 5개를 부착하여 보 실험체의 상부 표면에서 발생한 국부적인 압축변형률을 측정할 수 있도록 하였다.
이 실험에서 최대가력은 안전율을 적용한 좌굴하중의 90%까지이며, 총 3단계로 나누어 가력되었고 실험데이터는 실시간으로 저장되었으며, 스트레인게이지에서의 데이터는 1㎐로, 장대광변형센서의 데이터는 각 가력단계별로 획득하며 실험을 진행하였으며 그 실험결과는 다음과 같다.
표 1은 장대광변형센서로부터 획득된 평균변형률을 이용해 식(4)로부터 계산된 최대변형률과 스트레인게이지로부터 획득된 최대변형률을 보여준다. 실험결과로부터 평균변형률을 이용하여 쉽게 최대변형률을 찾아낼 수 있으며, 계산된 최대변형률은 스트레인게이지에서 측정된 최대변형률과 최대 1% 이내의 오차범위 내에 위치함을 알 수 있다.
표 1 : 최대변형률
Figure 112005032355298-PAT00028
표 2에서는 식(5)를 통해 최대응력을 찾아낼 수 있으며, 발생한 최대응력이 좌굴하중의 몇 %인지를 실시간으로 비교할 수 있고, 이를 이용하여 구조물의 안전성감시 및 경보시스템 구축이 가능함을 알 수 있다.
표 2 : 최대응력
Figure 112005032355298-PAT00029
표 3은 각 하중단계별로 보에 저장된 변형에너지를 나타내며, 장대광변형센서에서 획득된 평균변형률을 이용하여 계산된 에너지는 스트레인게이지에서 측정된 변형에너지와 최대 오차범위 4% 내에 위치함을 알 수 있다.
표 3 : 보에 저장된 변형에너지
Figure 112005032355298-PAT00030
표 4에서는 위와 같이 계산된 변형에너지와 좌굴 하중에 도달할 때까지 보 내부에 저장될 수 있는 총 변형에너지를 비교하여 보여주고 있다. 이는 구조물에 저장된 변형에너지가 최대응력과 마찬가지로 실시간 감시가 가능하며, 구조물의 안전성을 평가하는 하나의 기준이 될 수 있음을 보여준다.
표 4 : 변형에너지 비교
Figure 112005032355298-PAT00031
구조물의 안전성을 감시하기 위한 센서로 장대광변형센서를 구성하고, H형강 단순보의 표면에 장대광변형센서를 부착하여 구조물의 거동을 파악하는 연구를 수행하였다. 이 연구를 통하여 장대광변형센서를 이용하여 포인트센서로는 측정할 수 없는 넓은 영역의 평균변형률을 측정할 수 있을 뿐만 아니라, 구조물에 발생한 최대변형 및 응력, 부재내에 저장된 에너지를 이용하여 구조물의 안전성을 감시할 수 있으며, 파손시점을 검출해낼 수 있음을 검증하였다.
본 발명에 따른 대형구조물의 안전성 모니터링 시스템은 장대광변형센서에서 측정된 평균변형률을 이용하여 철골보의 안전성을 평가하는 기법으로서, 기존의 구조 안전성 모니터링 시스템이 구조물의 국부적인 변형률 데이터를 이용하여 전체 구조물의 안전성을 평가함으로써 안전성 평가의 적절성이 센서의 위치 및 개수에 좌우되며 따라서 센서의 수를 증가시켜야 하고 처리해야 하는 데이터의 양이 많아질 수밖에 없는 문제점을 가지는 것에 반하여, 본 발명에 따른 구조물 안전성 모니터링 기법은 길이에 제약을 받지 않는 장대 광변형 센서를 이용한 평균변형률 등을 측정함으로써 손쉽게 구축물의 안전성을 평가할 수 있으며, 구체적으로는 다음과 같은 효과를 갖는다.
첫째, 평균 변형률을 이용하여 부재 내에 발생한 최대변형률과 최대응력을 연산하여 구조물의 안전성을 평가할 수 있다.
둘째, 계측된 평균 변형률을 이용하여 부재 내에 실제 저장된 변형에너지와 항복시까지 부재에 저장될 수 있는 최대 변형에너지를 비교하여 구조물의 안전성 평가할 수 있다.
셋째 평균 변형률을 측정함으로써 찾을 수 있는 최대 처짐을 허용 처짐과 비교하여 구조물의 안전성을 평가할 수 있다.
넷째, 평균 변형률을 이용하여 구조물에 실제 작용하는 하중을 유추하여, 적용된 하중과 비교하여 안전성 평가할 수 있다.

Claims (6)

  1. 구조물의 변위를 측정하기 위한 변위계측장치와, 이 변위계측장치를 통해 구조물로부터 얻어진 변위정보를 입력하는 정보입력장치와, 이 정보를 분석하는 정보분석장치 및 안전성을 진단 평가한 결과를 제공하는 안전성평가정보제공장치로 구성되는 구조물 안전성 측정창치를 사용한 구조물 안전성 평가방법에 있어서,
    상기 변위계측장치는 측정 대상이 되는 구조물에 직접 설치되어 변위를 직접 계측하는 장대광변형 센서장치로서, 센서에서 수신된 신호를 처리하는 광수신기와 변위를 직접 측정하기 위해 측정구간 전 길이에 걸쳐 설치되는 광변형센서로 구성되고, 다이오드로부터 나온 빛은 커플러를 통해 2개의 다른 경로를 이동하게 되고, 센싱하고자 하는 구조물에 부착된 센서를 이동한 빛과 기준광섬유를 이동한 빛이 액츄에이터와 그 콘트롤러에 의해 위상이 맞춰져 그 값이 포토디텍터에서 비교됨으로써 얻어진 센서의 총변위를 측정하는 장치인 것을 특징으로 하는 장대광변형 센서를 사용하여 얻어진 평균변형률을 이용한 구조물의 안전성 평가방법.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 정보분석장치는 변위계측장치를 통해 얻어진 부재의 총변형량을 부재의 길이로 나눈 값으로 정의되는 평균변형량과 미리 측정하고자 하는 구조물의 역학적 구조 조건에 따라 산술적으로 계산된 최대변형량 및/또는 최대응력과 비교함으로써 측정된 부재의 안전성을 판단하는 장치인 것을 특징으로 하는 장대광변형 센서를 사용하여 얻어진 평균변형률을 이용한 구조물의 안전성 평가방법
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 정보분석장치는 변위계측장치를 통해 얻어진 부재의 총변형량을 부재의 길이로 나눈 값으로 정의되는 평균변형량과 부재 내에 실제 저장된 변형에너지와 항복시까지 부재에 저장될 수 있는 최대 변형에너지를 비교함으로써 측정된 부재의 안전성을 판단하는 장치인 것을 특징으로 하는 장대광변형 센서를 사용하여 얻어진 평균변형률을 이용한 구조물의 안전성 평가방법
  4. 제 1항에 있어서,
    상기 정보분석장치는 변위계측장치를 통해 얻어진 부재의 총변형량을 부재의 길이로 나눈 값으로 정의되는 평균변형량과 이 평균변형량을 통해 얻을 수 있는 최대 처짐을 허용 처짐과 비교함으로써 측정된 부재의 안전성을 판단하는 장치인 것을 특징으로 하는 장대광변형 센서를 사용하여 얻어진 평균변형률을 이용한 구조물의 안전성 평가방법
  5. 제 1항에 있어서,
    상기 정보분석장치는 변위계측장치를 통해 얻어진 부재의 총변형량을 부재의 길이로 나눈 값으로 정의되는 평균변형량을 이용하여 구조물에 실제 작용하는 하중을 유추하고, 이 유추된 값과 적용된 하중과 비교함으로써 측정된 부재의 안전성을 판단하는 장치인 것을 특징으로 하는 장대광변형 센서를 사용하여 얻어진 평균변형률을 이용한 구조물의 안전성 평가방법.
  6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 안전성평가정보제공장치는 정보분석장치에서 분석된 구조물의 정보를 사용자 또는 관리자의 인터넷 또는 직접 관리 컴퓨터에 제공하여 사용자 또는 관리자로 하여금 계측된 구조물의 안전성을 실시간으로 모니터링 할 수 있게 하는 장치인 것을 특징으로 하는 장대광변형 센서를 사용하여 얻어진 평균변형률을 이용한 구조물의 안전성 평가방법.
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