KR20110005180A - 건축 구조물의 부재별 건전성 감시 시스템 및 그 방법 - Google Patents

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KR20110005180A
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Abstract

건축 구조물의 손상의 발생 여부와 개략적인 발생 위치를 파악할 수 있고, 건축 구조물의 안정성에 큰 영향을 미치는 주요 부재의 손상 발생 위치 및 손상 정도를 신속하게 파악할 수 있는, 건축 구조물의 부재별 건전성 감시 시스템 및 그 방법이 제공된다. 건축 구조물의 부재별 건전성 감시 시스템은, 건축 구조물의 손상 여부 및 손상 정도를 파악하기 위해서 비파괴 검사용 진동을 건축 구조물에 발생시키는 진동발생 장치; 건축 구조물의 각 층에 설치되어, 각 층의 진동을 감지하는 가속도 센서; 가속도 센서에 의해 감지된 진동에 대응하여 주파수 응답함수를 계산하여 층변위/가속도를 산출하는 층변위/가속도 산출부; 산출된 건축 구조물의 층변위/가속도에 근거하여 부재그룹별 강성을 전역적으로 제1 단계 산출하는 부재그룹별 강성 산출부; 건축 구조물을 형성하는 부재 그룹들 또는 부재들 중에서 선택된 대상부재에 설치되어, 대상부재의 휨 변형을 감지하는 변형 게이지; 감지된 휨 변형에 대응하여 대상부재의 휨 변형을 산출하는 휨 변형 산출부; 및 산출된 휨 변형에 근거하여 대상부재의 강성을 국부적으로 제2 단계 산출하는 대상부재 강성 산출부를 포함한다.
건축 구조물, 건전성 감시, 손상 탐지, 부재 그룹, 대상부재

Description

건축 구조물의 부재별 건전성 감시 시스템 및 그 방법 {System for structural health monitoring of each construction member, and method for the same}
본 발명은 건축 구조물의 손상 탐지에 관한 것으로, 보다 구체적으로, 대형 건축 구조물을 형성하는 각각의 부재별 건전성, 예를 들면, 부재별 손상 여부 및 손상 정도를 감시하는 건축 구조물의 부재별 건전성 감시 시스템 및 그 방법에 관한 것이다.
산업사회로 발전하는 과정에서 건설된 대형 구조물과 시설물들은 설계 및 시공 과정에서의 결함 또는 설계 당시에 고려하지 못하였던 각종 요인으로 인하여 구조 손상이 발생되며, 이러한 구조물들의 사용 기간이 경과함에 따라 점차 노후됨으로써 그 안전성이 크게 위협을 받고 있다. 예를 들면, 심각한 정도의 구조 손상이 발생한 구조물의 경우, 설계 당시에 계획되었던 설계 사용연한에 크게 못 미칠 정도로 사용연한의 단축을 초래하는 경우도 빈번히 발생하고 있다.
이에 따라 건축 구조물의 장기적인 안전성 및 작동성을 확보하기 위한 노력이 절실히 요구되고 있다. 특히, 건물, 교량, 댐 등과 같은 대형 구조물은 각종 운영 하중, 외부 물체에 의한 충격, 지진, 풍하중, 파랑 하중, 부식 등에 지속적으로 노출되어 있어서, 이들로부터 구조물의 안전을 확보하는 문제는 경제, 사회적으로 지대한 관심의 현안이 되었다. 이러한 대형 구조물들의 정확한 안전 진단을 위해서는 적절한 실험 계측을 통한 구조 거동의 모니터링, 구조 손상을 역학적으로 분석하는 기술 및 구조 손상을 모델화하는 해석 기술을 통한 진단 기술이 요구된다.
이러한 대형 구조물의 손상을 발견하기 위해 사용되고 있는 기술은 재료적인 비파괴 검사법과 더불어 정변위 측정법 및 진동 특성 측정법 등이 사용되고 있다.
이들 중에서 정변위 측정 및 진동 특성치를 이용한 구조물의 손상 추정 방법은 통상적으로 구조식별 기법(System Identification: 이하 'SID'라 함)이라 한다. 이러한 SID 기법은 구조계의 거동을 실측하고, 이를 구조 해석적으로 모델화하여 구조물 특성치를 추정하는 방법이다.
한편, 토목 구조물들과 같은 대형 구조계의 손상도 추정에 대한 연구는 국내외에서 SID 기법의 응용성을 확대하는 방향으로 활발히 수행되고 있다. 예를 들면, 국내에서 대형 구조물의 안전 진단은 구조물의 정적 변위 및 변형도를 계측하여 이를 유한요소 모델의 거동과 비교하는 방법으로 수행되어 왔다.
한편, 항공, 자동차, 건축, 토목 등의 산업 생산품에 적용되는 모든 구조물들은 다양한 형태와 종류의 하중을 견디도록 설계되어 있다. 그러나 이러한 설계과정에서 예측하지 못한 여러 요인들에 의하여 사용 시간이 경과함에 따라 구조물에 손상이 발생하는 경우가 빈번하다.
이러한 구조물의 손상은 산업 생산품의 안전에 치명적이기 때문에 손상된 구조물을 보수, 교체하기 위하여 각종 구조물의 정상 또는 손상 여부를 탐지하는 다양한 종류의 구조물 검사 방법들이 개발되어 사용되고 있다.
그중에서 특히 구조물을 절단하거나 파괴하지 않고도 구조물을 투과할 수 있는 방사능이나 엑스레이 등을 구조물에 조사하여 구조물의 손상을 탐지할 수 있는 비파괴 검사법이 개발되어 널리 사용되고 있으나, 이러한 종래의 비파괴 검사법은 검사를 위하여 고가의 장비가 필요하고, 구조물을 검사하기 위하여 여러 가지 부가적 작업이 필요하므로 구조물의 사용 중단 기간이 길어지고, 검사 자체의 시간과 비용이 많이 소요되는 등 많은 문제점이 있었다.
이러한 비파괴 타격 검사 시스템과 관련된 선행 기술로서, 대한민국 특허출원번호 제2001-52552호(출원일: 2001년 08월 29일)에는 "비파괴 타격 검사 시스템 및 검사 방법"이라는 명칭의 발명이 개시되어 있는데, 도 1 및 도 2를 참조하여 설명하기로 한다.
도 1은 종래의 기술에 따른 비파괴 타격 검사 시스템을 예시하는 도면이다.
도 1을 참조하면, 종래의 기술에 따른 비파괴 타격 검사 시스템은, 하단에 손잡이(2)가 형성되고, 'T'형 타격망치(1)와, 상기 타격망치(1)의 일측 귀부분 선단에 설치되고, 비교적 강성이 큰 재질로 이루어지는 타격버튼(10)과, 상기 타격버튼(10)을 통해 전달되는 타격력을 측정하는 힘변환기(11)와, 상기 타격망치(1)의 타측 귀부분 선단에 설치되는 마이크로폰(12)을 포함하여 구성될 수 있다.
여기서, 상기 타격버튼(10)은 대상물의 표면에 외란을 가하는 것으로서, 대 상물과 접촉하는 부위는 구조물의 고주파 영역까지 가진할 수 있도록 강성이 큰 재질로 제작된다. 또한, 타격력은 상기 힘변환기(11)를 이용하여 측정하고, 타격음은 마이크로폰(12)을 이용하여 측정한다.
상기 힘변환기(11)와 마이크로폰(12)에 의해 감지된 타격력과 타격음은 전기적 신호의 형태로 시그널 컨디셔너(Signal Conditioner: 13)에 전달되고, 상기 시그널 컨디셔너(13)는 상기 전기적 신호를 전압신호의 형태로 변환시키는 역할을 한다.
또한, 상기 제어부(3)는, 상기 시그널 컨디셔너(13)에서 전달된 전압신호를 처리하기 위하여 디지털 샘플링에서 발생하는 알리아싱을 방지하는 저역통과 필터, 디지털 샘플링을 수행하는 아날로그-디지털 컨버터(A/D Converter) 및 샘플링된 데이터를 저장하는 기억장치 등을 포함하여 이루어질 수 있다. 이때, 상기 제어부(3)는, 일반적으로 구조물에 손상이 발생하게 되면 구조물의 강성이 저하되고, 손상에 의한 강성의 저하는 외란에 대한 반응의 변화를 가져오며, 이러한 외란의 반응의 변화를 관찰하여 구조물 내부의 손상을 탐지할 수 있는 원리를 이용하여 구성된다.
즉, 도 2에 도시된 바와 같이, 외란에 대한 반응이란 타격에 의한 타격력의 변화와 타격음의 변화로서, 구조물에 타격을 가하면 타격지점에 손상에 의한 강성의 변화가 있을 경우, 타격력의 지속시간이 길어지고 타격력의 최대값은 감소한다.
그러므로 타격력의 시간이력을 측정한 뒤, 타격 지속시간과 타격력의 최대값을 측정하여 손상이 없는 구조물의 타격력 지속 시간과 타격력의 최대값을 비교하 여 대상물의 손상 여부를 탐지한다.
그러나 이러한 타격 지속 시간 당 타격력을 이용하는 방법은, 그 검사범위가 타격 지점 근처의 국소적인 부분이고, 또한, 타격점의 표면이 오염 또는 부식되어 있을 경우에는 사용이 매우 제한적이므로 이를 보완하기 위해 상기 제어부는, 타격음에 대한 분석을 추가로 수행하게 한다. 즉, 타격음은 타격에 대한 구조물의 진동이 공기를 진동시켜서 발생하는 소리인 것으로서, 구조물에 손상이 발생하여 강성이 저하되면 구조물의 외란에 대한 진동 특성이 변화하고 이러한 변화가 타격음에 반영되는 원리를 이용한다. 도 2는 종래의 기술에 따른 손상이 없는 정상 구조물과 손상이 있는 대상물의 타격 지속시간당 타격력을 비교하기 위한 그래프로서, 손상이 있는 대상물에 타격을 가한 경우, 그 타격력이 달라지는 것을 알 수 있다.
한편, 초고층 건물의 경우, 아웃리거, 코어월, 전달보(transfer girder) 등의 주요부재는 건물의 전체적인 안전성 및 사용성에 큰 영향을 미치므로 전체적인 성능 유지를 위해서는 이들 부재에 손상이 발생할 경우, 이를 신속히 탐지하여 의도된 대로 거동할 수 있도록 보강할 필요가 있다.
지금까지 건축 구조물에 발생한 손상을 탐지하는 방법으로는 주로 정기적인 육안검사나 초음파탐사, X선 투시 등의 비파괴 검사 방법이 사용되어 왔다. 이러한 방법들은 검사대상인 구조물의 부재를 직접 확인해야 하므로 손상이 발생한 부분의 손상 정도를 파악하는데 효과적이지만 손상 부위의 예측이나 전역적인 구조물의 손상 정도 파악에는 한계가 있다. 이에 따라 건축 구조물의 전체적인 건전도 파악을 위해서는 구조물의 모든 부분에 대한 검사가 필요하여 많은 시간이 소요될 뿐만 아니라 검사를 위해서는 구조물을 둘러싸고 있는 내장재 혹은 외장재를 제거해야 하는 등 매우 번거롭다는 문제점이 있다.
전술한 바와 같이, 진동 기반 손상탐지 기법은 구조물의 일부분에 진동을 가한 후 구조물의 각 지점에서 가속도를 계측하여 구조물의 손상발생 여부와 손상발생 위치를 파악하는 방법이다.
하지만 층가속도만을 측정하는 전역적 손상 탐지의 경우, 층별 혹은 개략적인 부재그룹별의 강성 파악만이 가능하므로 손상이 발생한 부재의 정확한 위치를 알 수 없다는 문제점이 있다. 또한, 관심 부재의 변형만을 측정할 경우, 해당 부재 이외의 부재에서 발생한 손상에 의해서도 해당 부재의 거동에 변화가 발생하므로 잘못된 예측 결과를 얻을 경우가 많다는 문제점이 있다.
전술한 문제점을 해결하기 위한 본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는, 건축 구조물을 둘러싸고 있는 내장재 혹은 외장재를 제거할 필요 없이 대형 구조물의 손상의 발생 여부와 개략적인 발생 위치를 파악할 수 있는 건축 구조물의 부재별 건전성 감시 시스템 및 그 방법을 제공하기 위한 것이다.
본 발명이 이루고자 하는 다른 기술적 과제는, 건축 구조물의 안정성에 큰 영향을 미치는 주요 부재의 손상 발생 위치 및 손상 정도를 신속하게 파악할 수 있는 건축 구조물의 부재별 건전성 감시 시스템 및 그 방법을 제공하기 위한 것이다.
전술한 기술적 과제를 달성하기 위한 수단으로서, 본 발명에 따른 건축 구조물의 부재별 건전성 감시 시스템은, 건축 구조물의 손상 여부 및 손상 정도에 대한 건전성을 감시하기 위한 시스템에 있어서, 건축 구조물의 손상 여부 및 손상 정도를 파악하기 위해서 비파괴 검사용 진동을 상기 건축 구조물에 발생시키는 진동발생 장치; 상기 건축 구조물의 각 층에 설치되어, 상기 진동발생 장치에서 발생된 각 층의 진동을 감지하는 가속도 센서; 상기 가속도 센서에 의해 감지된 진동에 대응하여 주파수 응답함수를 계산하여 층변위/가속도를 산출하는 층변위/가속도 산출부; 상기 층변위/가속도 산출부로부터 산출된 건축 구조물의 층변위/가속도에 근거하여 부재그룹별 강성을 산출하는 부재그룹별 강성 산출부; 상기 건축 구조물을 형성하는 부재 그룹들 또는 부재들 중에서 선택된 대상부재에 설치되어, 상기 대상부 재의 휨 변형을 감지하는 변형 게이지; 상기 변형 게이지에서 감지된 휨 변형에 대응하여 상기 대상부재의 휨 변형을 산출하는 휨 변형 산출부; 및 상기 휨 변형 산출부에서 산출된 휨 변형에 근거하여 상기 대상부재의 강성을 산출하는 대상부재 강성 산출부를 포함하되, 상기 부재그룹별 강성 산출부는 상기 건축 구조물의 부재그룹별 강성을 제1 단계 산출하고, 상기 대상부재 강성 산출부는 상기 대상부재의 강성을 제2 단계 산출하는 것을 특징으로 한다.
여기서, 상기 부재그룹별 강성 산출부에서 산출된 제1 단계 강성값 및 상기 대상부재 강성 산출부에서 산출된 제2 단계 강성값에 근거하여, 손상전 건축 구조물과 손상후 건축 구조물을 비교하는 구조물 손상 비교부; 및 상기 구조물 손상 비교부에서 비교된 결과에 따라 상기 건축 구조물의 손상 여부, 손상 정도 및 손상 위치를 탐지하는 구조물 손상 탐지부를 추가로 포함할 수 있다.
여기서, 상기 부재그룹별 강성 산출부는, 고유진동수 주파수 응답함수 및 층변위 주파수 응답함수와 관련된 전역적 민감도 행렬 및 잔차벡터를 사용하여 상기 건축 구조물의 부재그룹별 강성을 전역적으로 제1 단계 산출하고, 상기 건축 구조물을 형성하는 부재의 위치에 따라 또는 부재 종류에 따라 그룹을 나누어 평균적인 의미의 부재그룹별 강성값을 구하는 것을 특징으로 한다.
여기서, 상기 대상부재 강성 산출부는 휨 변형에 대한 주파수 응답함수와 관련된 민감도 행렬 및 잔차벡터를 사용하여 상기 건축 구조물의 대상부재 강성을 국부적으로 제2 단계 산출하는 것을 특징으로 한다.
한편, 전술한 기술적 과제를 달성하기 위한 다른 수단으로서, 본 발명에 따 른 건축 구조물의 부재별 건전성 감시 방법은, 건축 구조물의 손상 여부 및 손상 정도에 대한 건전성을 감시하기 위한 방법에 있어서, a) 진동발생 장치를 이용하여 상기 건축 구조물에 진동을 발생시키고 가속도 센서를 사용하여 층변위/가속도를 계측하며, 변형 게이지를 사용하여 상기 건축 구조물의 대상부재의 휨 변형을 계측하는 단계; b) 상기 가속도 센서에서 감지된 계측값 및 상기 변형 게이지에서 감지된 휨 변형에 따른 동특성을 추출하는 단계; c) 상기 추출된 동특성에 따라 건축 구조물의 층변위/가속도를 산출하는 단계; d) 상기 건축 구조물의 층변위/가속도에 근거하여 부재그룹별 강성을 산출하는 단계; 및 e) 상기 추출된 동특성에 근거하여 건축 구조물의 휨 변형을 산출하는 단계; 및 f) 상기 건축 구조물의 휨 변형에 근거하여 대상부재의 강성을 산출하는 단계를 포함하여 이루어진다.
여기서, 상기 c) 단계의 추출된 동특성은 고유진동수 주파수 응답함수 및 층변위 주파수 응답함수와 관련된 전역적 민감도 행렬 및 잔차벡터를 사용하여 추출되고, 상기 d) 단계는 상기 건축 구조물의 부재그룹별 강성을 전역적으로 제1 단계 산출하는 것을 특징으로 한다.
여기서, 상기 e) 단계의 추출된 동특성은 휨 변형에 대한 주파수 응답함수와 관련된 민감도 행렬 및 잔차벡터를 사용하여 추출되고, 상기 f) 단계는 상기 건축 구조물의 대상부재 강성을 국부적으로 제2 단계 산출하는 것을 특징으로 한다.
기존의 정기적인 육안 검사 방법이나 초음파 탐사, X선 투시 등의 비파괴 검사 방법을 사용하는 손상 탐지 방법들과 달리, 본 발명에 따르면, 건축 구조물을 둘러싸고 있는 내장재 혹은 외장재를 제거할 필요가 없기 때문에 구조물의 손상의 발생 여부와 개략적인 발생 위치를 파악할 수 있다.
본 발명에 따르면, 건축 구조물의 안정성에 큰 영향을 미치는 주요 부재의 손상 발생 위치 및 손상 정도를 신속하게 파악할 수 있고, 이에 따라 대형 구조물의 유지관리를 효율적으로 수행할 수 있다.
아래에서는 첨부한 도면을 참조하여 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 본 발명의 실시예를 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 그리고 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다.
명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다. 또한, 명세서에 기재된 "…부" 등의 용어는 적어도 하나의 기능이나 동작을 처리하는 단위를 의미하며, 이는 하드웨어나 소프트웨어 또는 하드웨어 및 소프트웨어의 결합으로 구현될 수 있다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 건축 구조물의 부재별 건전성 감시 시스템의 구성도이다.
도 5를 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 건축 구조물의 부재별 건전성 감 시 시스템(100)은, 진동발생 장치(가진기)(110), 가속도 센서(120), 층변위/가속도 산출부(130), 부재그룹별 강성 산출부(140), 변형 게이지(150), 휨 변형 산출부(160), 대상부재 강성 산출부(170), 구조물 손상 비교부(180) 및 구조물 손상 탐지부(190)를 포함하여 구성된다.
건축 구조물, 특히 대형 건축 구조물의 손상 여부 및 손상 정도에 대한 건전성을 감시하기 위한 시스템에 있어서, 진동발생 장치(110)는 건축 구조물의 손상 여부 및 손상 정도를 파악하기 위해서 비파괴 검사용 진동을 상기 건축 구조물에 발생시키는 역할을 한다. 이러한 진동발생 장치(110)는 전술한 도 1과 같은 구성을 가질 수 있지만, 이에 국한되는 것은 아니다.
가속도 센서(120)는 상기 건축 구조물의 각 층에 설치되어, 상기 진동발생 장치(110)에서 발생된 각 층의 진동을 감지한다.
층변위/가속도 산출부(130)는 상기 가속도 센서(120)에 의해 감지된 진동에 대응하여 주파수 응답함수를 계산하여 층변위/가속도를 산출한다.
부재그룹별 강성 산출부(140)는 상기 층변위/가속도 산출부(130)로부터 산출된 건축 구조물의 층변위/가속도에 근거하여 부재그룹별 강성을 산출하게 되며, 상기 부재그룹별 강성 산출부(140)는 상기 건축 구조물의 부재그룹별 강성을 제1 단계 산출하되, 구체적으로, 고유진동수 주파수 응답함수 및 층변위 주파수 응답함수와 관련된 전역적 민감도 행렬 및 잔차벡터를 사용하여 상기 건축 구조물의 부재그룹별 강성을 전역적으로 제1 단계 산출하는데, 프로그램에 의해 구현될 수 있으며,이때, 부재의 위치에 따라 또는 부재 종류에 따라 그룹을 나누어 평균적인 의미의 부재그룹별 강성값을 구하게 된다.
이때, 대상부재의 정확한 손상 정도 파악을 위해서는 대상부재의 국부적인 거동과 함께 층변위/층가속도와 같은 전체적인 반응의 계측이 필요하다. 즉, 층가속도로부터 층별 강성 분포 또는 부재그룹별 강성 분포를 얻은 후, 그 결과에 근거하여 대상부재의 정밀한 강성 파악이 필요하며, 본 발명의 실시예에서는 대상부재의 정밀한 강성 파악을 위해서 대상부재의 휨 변형을 감지하게 된다.
변형 게이지(150)는 상기 건축 구조물을 형성하는 부재 그룹들 또는 부재들 중에서 선택된 대상부재에 설치되어, 상기 대상부재의 휨 변형을 감지한다.
휨 변형 산출부(160)는 상기 변형 게이지(150)에서 감지된 휨 변형에 대응하여 상기 대상부재의 휨 변형을 산출한다.
대상부재 강성 산출부(170)는 상기 휨 변형 산출부(160)에서 산출된 휨 변형에 근거하여 상기 대상부재의 강성을 산출하게 되며, 상기 대상부재 강성 산출부(170)는 상기 대상부재의 강성을 제2 단계 산출하되, 구체적으로, 휨 변형에 대한 주파수 응답함수와 관련된 민감도 행렬 및 잔차벡터를 사용하여 상기 건축 구조물의 대상부재 강성을 국부적으로 제2 단계 산출하는데 프로그램에 의해 구현될 수 있으며, 상세한 설명은 후술하기로 한다.
구조물 손상 비교부(180)는 상기 부재그룹별 강성 산출부(140)에서 산출된 제1 단계 강성값 및 상기 대상부재 강성 산출부(170)에서 산출된 제2 단계 강성값에 근거하여, 손상전 건축 구조물과 손상후 건축 구조물을 비교한다.
구조물 손상 탐지부(190)는 상기 구조물 손상 비교부(180)에서 비교된 결과 에 따라 상기 건축 구조물의 손상 여부, 손상 정도 및 손상 위치를 탐지하게 된다.
따라서 본 발명의 실시예에 따른 건축 구조물의 부재별 건전성 감시 시스템은, 대형 건축 구조물의 일부 층에 진동을 발생시키는 진동발생 장치(110)를 사용하여 진동을 발생시킨 후, 각 지점에서 가속도 센서(120)를 이용하여 측정한 가속도와 변형 게이지(150)를 이용하여 측정한 휨 변형을 측정함으로써, 건축 구조물의 대상부재의 손상 여부를 탐지하는 비파괴 검사 방법을 제공할 수 있다.
한편, 도 4는 본 발명의 실시예에 따른 건축 구조물의 손상 탐지 방법의 동작흐름도이고, 도 5는 본 발명의 실시예에 따른 건축 구조물의 부재별 건전성 감시 방법의 구체적인 동작흐름도이다.
도 4를 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 건축 구조물의 손상 탐지 방법은, 손상전 구조물 및 손상후 구조물에 대해 각각 적용되는데, 먼저, 손상전 구조물에 대해서, 손상전 구조물 상에 진동을 발생시키고 이를 계측하고(S111), 계측값에 따라 동특성을 추출하게 된다(S112). 여기서, 동특성은 층변위/가속도 또는 휨 변형 등을 포함할 수 있다.
다음으로, 본 발명의 실시예에 따른 건축 구조물의 부재별 건전성 감시 방법에 따라 2단계의 개선된 모델링을 적용한다(S113).
구체적으로, 본 발명의 실시예에 따른 건축 구조물의 부재별 건전성 감시 방법은, 크게 진동발생 장치에 의해 발생된 대형 건축 구조물의 각 층의 진동으로부터 주파수 응답함수를 계산한 후, 이로부터 건축 구조물 부재의 강성을 계산하는 프로그램으로서, 구조물 각 부분의 개략적인 강성을 계산하는 제1 단계, 및 측정대 상부재에서 계측된 단부의 휨 변형으로부터 대상부재의 강성을 계산하는 제2 단계로 이루어지는데, 도 5를 참조하여 후술하기로 한다. 이때, 사용되는 계측치는 건축 구조물의 일부 층에 진동을 발생시키는 장치를 사용하여 진동을 발생시킨 후, 전술한 바와 같이, 가속도계(120)와 변형 게이지(150)를 통해 층변위/가속도 및 휨 변형을 각각 얻을 수 있다.
다음으로, 손상전 건축 구조물에 대해서 모델링을 실시하게 되는데(S114), 상세한 설명은 후술하기로 한다.
다음으로, 손상후 구조물에 대해서, 손상전 구조물 상에 진동을 발생시키고 이를 계측하고(S121), 계측값에 따라 동특성을 추출하게 된다(S122). 또한, 2단계의 개선된 모델링을 적용하고(S123), 손상후 건축 구조물에 대해서 모델링을 실시하게 되는데(S124), S121 내지 S124 단계는 손상전 건축 구조물과 실질적으로 동일한 과정을 수행하게 된다.
다음으로, 손상전 모델과 손상후 모델을 비교하고(S131), 이후, 건축 구조물의 손상 여부 및 손상 정도를 파악하게 된다(S132).
본 발명의 실시예에서 사용된 손상 탐지 방법으로서, 건축 구조물의 부재별 건전성 감시 방법을 도 5를 참조하여 설명한다.
먼저, 건축 구조물의 부재 단위별 손상 파악을 위해서는 개선된 모델링을 통해 대상부재의 강성을 구하여야 한다. 즉, 층변위 혹은 층가속도를 사용하는 전역적(Global) 모델링에서는 부재별 강성 파악이 힘들기 때문에, 부재의 위치에 따라 또는 부재 종류에 따라 그룹을 나누어 평균적인 의미의 부재그룹별 강성값을 구한 다.
따라서 정확한 부재 강성 파악이 필요한 중요 부재의 강성을 알기 위해서는 휨 변형과 같은 국부적인 반응이 필요하며, 이를 강성 변화와 연관시킬 수 있는 국부적인 모델링이 필요하다.
구체적으로, 본 발명의 실시예에서는 2 단계의 모델링을 사용하게 되는데, 제1 단계 모델링에서는 고유진동수 및 각 층의 층변위에 관한 주파수 응답함수를 통해 전체 건축 구조물의 개략적인 층강성 분포를 구한 후, 휨 변형을 계측하는 부재만을 대상으로 제2 단계의 모델링을 수행하여 대상부재의 정확한 강성을 파악하게 된다.
이와 같이 제1 단계 및 제2 단계로 이루어지는 개선된 모델링을 통해 손상 전후의 해석 모델을 구하는 상세한 과정은 도 5와 같다.
본 발명의 실시예에 따른 건축 구조물의 부재별 건전성 감시 방법은, 건축 구조물의 손상 여부 및 손상 정도에 대한 건전성을 감시하기 위한 방법으로서, 진동발생 장치를 이용하여 상기 건축 구조물에 진동을 발생시키고 가속도 센서를 사용하여 층변위/가속도를 계측하며, 변형 게이지를 사용하여 상기 건축 구조물의 대상부재의 휨 변형을 계측한다(S211).
다음으로, 상기 가속도 센서에서 감지된 계측값 및 상기 변형 게이지에서 감지된 휨 변형에 따른 동특성을 추출한다(S212).
다음으로, 상기 추출된 동특성에 따라 건축 구조물의 층변위/가속도를 산출하고(S213), 이후 상기 건축 구조물의 층변위/가속도에 근거하여 부재그룹별 강성 을 산출한다(S214). 이때, 상기 추출된 동특성은 고유진동수 주파수 응답함수 및 층변위 주파수 응답함수와 관련된 전역적 민감도 행렬 및 잔차벡터를 사용하여 추출되고, 상기 건축 구조물의 부재그룹별 강성을 전역적으로 제1 단계 산출하게 된다.
다음으로, 상기 추출된 동특성에 근거하여 건축 구조물의 휨 변형을 산출하고(S215), 이후, 상기 건축 구조물의 휨 변형에 근거하여 대상부재의 강성을 산출한다(S216). 이때, 상기 추출된 동특성은 휨 변형에 대한 주파수 응답함수와 관련된 민감도 행렬 및 잔차벡터를 사용하여 추출되고, 상기 건축 구조물의 대상부재 강성을 국부적으로 제2 단계 산출하게 된다.
한편, 이와 같이 계측치에서 얻은 동특성의 변화로부터 대상부재의 손상정도를 파악하기 위하여, 손상 전후의 동특성을 모사하는 해석 모델을 구하는 수학적인 기법으로는 유한요소 모델링 기법을 사용할 수 있다.
본 발명의 실시예에서 사용하는 유한요소 모델링은 실험값과 해석 모델의 동특성의 차이가 최소화되도록 하는 해석 모델의 최적파라미터를 구하는 해석적인 방법으로서, 기본적으로 뉴턴법을 사용하여 비선형함수인 목적함수를 선형화하고, 반복계산을 통해 해를 구하는 방법이다. 즉, 기본적으로 민감도 행렬과 잔차벡터를 사용하는 비선형 최소자승법으로서, 이때, 민감도 행렬 및 잔차벡터는 고유진동수와 각 층의 횡변위 및 대상부재의 휨 변형에 관한 주파수 응답함수를 사용한다.
구체적으로, 유한요소 모델링을 위한 기본 수학식은 다음의 수학식 1과 같다.
Figure 112009041946344-PAT00001
여기서,
Figure 112009041946344-PAT00002
는 각각의 반복 단계에서의 민감도 행렬을 나타내고,
Figure 112009041946344-PAT00003
은 잔차벡터를 나타내며,
Figure 112009041946344-PAT00004
는 최소자승법을 통해 구한 파라미터의 증분치를 나타낸다.
이와 같이 구해진 파라미터의 증분치(
Figure 112009041946344-PAT00005
)는 다음의 수학식 2와 같이, 이전 단계의 파라미터 값에 더해지는데, 이러한 과정은 수렴할 때까지, 즉, 파라미터의 증분치가 충분히 작아질 때까지 반복된다.
Figure 112009041946344-PAT00006
여기서, 전술한 민감도 행렬(
Figure 112009041946344-PAT00007
) 및 잔차벡터(
Figure 112009041946344-PAT00008
)는 고유 진동수 및 주파수 응답함수에 관한 값을 사용한다.
따라서 전술한 제1 단계의 모델링에서 사용되는 전역적 민감도 행렬 및 잔차벡터는 다음의 수학식 3과 같다.
Figure 112009041946344-PAT00009
Figure 112009041946344-PAT00010
여기서,
Figure 112009041946344-PAT00011
는 고유진동수의 민감도 행렬을 나타내고,
Figure 112009041946344-PAT00012
는 고유진동수의 잔차벡터를 나타낸다.
또한,
Figure 112009041946344-PAT00013
는 층변위 주파수 응답함수의 민감도 행렬을 나타내고,
Figure 112009041946344-PAT00014
는 층변위 주파수 응답함수의 잔차벡터를 나타낸다. 이때,
Figure 112009041946344-PAT00015
이고,
Figure 112009041946344-PAT00016
는 파라미터의 개수를 의미한다.
또한,
Figure 112009041946344-PAT00017
는 i번째 파라미터 변화에 대한
Figure 112009041946344-PAT00018
의 경사(Gradient) 행렬을 나타내며,
Figure 112009041946344-PAT00019
는 층질량행렬(
Figure 112009041946344-PAT00020
), 층감쇠행렬(
Figure 112009041946344-PAT00021
) 및 강성행렬(
Figure 112009041946344-PAT00022
)로부터 계산되는 동적 강성행렬을 나타낸다.
여기서,
Figure 112009041946344-PAT00023
은 외력에 의해 가진되는 자유도를 나타내는 하중영향 벡터를 나타내고,
Figure 112009041946344-PAT00024
는 개선변수 벡터를 나타내며,
Figure 112009041946344-PAT00025
는 각 층의 가속도와 가진력으로부터 구한 층전달함수 벡터이다.
결국, 수학식 3에 따라 제1 단계의 모델링을 실시할 수 있고, 상기 건축 구조물의 부재그룹별 강성을 전역적으로 산출할 수 있다.
한편, 제2 단계의 모델링에서는 대상부재의 휨 변형에 관한 민감도 행렬 및 잔차벡터를 사용하는데 다음의 수학식 4와 같다.
Figure 112009041946344-PAT00026
Figure 112009041946344-PAT00027
여기서,
Figure 112009041946344-PAT00028
는 휨 변형에 관한 주파수 응답함수의 민감도 행렬을 나타내고,
Figure 112009041946344-PAT00029
는 휨 변형에 관한 주파수 응답함수의 잔차벡터를 나타낸다.
이때, 민감도 계산에 사용되는 부재별 전달함수는 다음의 수학식 5로부터 구할 수 있다.
Figure 112009041946344-PAT00030
여기서,
Figure 112009041946344-PAT00031
는 부재 휨강성 행렬을 나타내며, 만일, 대상부재 중에서 j번째 부재의 경우, 해당 파라미터가
Figure 112009041946344-PAT00032
라면,
Figure 112009041946344-PAT00033
는
Figure 112009041946344-PAT00034
로 산정될 수 있다. 또한,
Figure 112009041946344-PAT00035
는 전체 전달함수(
Figure 112009041946344-PAT00036
) 중에서 대상부재의 j번째 부재의 휨 방향 자유도에 해당하는 부분이다.
결국, 수학식 4 및 5에 따라 제2 단계의 모델링을 실시할 수 있고, 상기 건축 구조물의 대상부재의 강성을 국부적으로 산출할 수 있고, 본 발명의 실시예에 따른 건축 구조물의 부재별 건전성 감시 방법은 2 단계의 모델링을 통해서 구현되고, 건축 구조물의 안정성에 큰 영향을 미치는 주요 부재의 손상 발생 위치 및 손 상 정도를 신속하게 파악할 수 있게 된다.
이하, 도 6 내지 도 9를 참조하여, 본 발명의 실시예에 따른 건축 구조물의 부재별 건전성 감시 시스템이 적용되는 4층 2베이 건축 구조물에 적용되는 예를 설명하기로 한다.
본 발명의 실시예에 개시된 알고리즘을 검증하기 위해 수치해석 모델을 사용하여 부재별 강성 파악을 시뮬레이션하였다.
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 건축 구조물의 부재별 건전성 감시 시스템이 적용되는 4층 2베이 건축 구조물을 예시하는 도면이다.
도 6에 도시된 바와 같이, 이러한 시뮬레이션에서는 4층 2베이의 건축 구조물(200)을 사용하였다. 최상층에 진동발생 장치(110)인 가진장치가 설치되고, 각각의 층에 횡방향 거동을 계측하기 위해 다수의 가속도계(121, 122, 124, 124)가 설치되며, 13번 부재와 17번 부재의 강성을 알기 위해 변형 게이지(151, 152, 153, 154)에 의해 해당 부재 양단에서의 휨 변형을 계측한다고 가정한다.
도 7은 도 6의 건축 구조물에 대한 각각의 부재의 손상전 강성값을 예시하는 테이블로서, 이때, 각 부재의 강성은 난수를 발생시켜 할당할 수 있다.
구체적으로, 본 발명의 실시예에 따른 대상부재의 강성 파악을 위해 다음과 같은 2 단계의 개선된 모델링을 실시하였다.
먼저, 제1 단계로서, 각 층의 가속도계와 입력신호로부터 각 부분의 강성을 산정한다. 구체적으로, 총 8그룹, 예를 들면, 1, 2, 3 부재를 제1 그룹, 4, 5, 6 부재를 제2 그룹, 7, 8, 9 부재를 제3 그룹, 10, 11, 12 부재를 제4 그룹, 13, 14 부재를 제5 그룹, 15, 16 부재를 제6 그룹, 17, 18 부재를 제7 그룹, 및 19, 20 부재를 제8 그룹으로 한다.
다음으로, 제2 단계로서, 13번 부재와 17번 부재 양단의 휨 변형을 사용하여 13, 14, 17, 18번 부재의 강성을 산정한다.
이러한 개선된 모델링을 통해 얻은 부재별 강성은 다음과 같다. 즉, 제1 단계 전역적 갱신(Global updating)을 통해 구한 강성은 13번과 14번 부재, 또한 17번과 18번 부재가 각각 동일하게 구해졌으나, 제2 단계의 모델링을 통해 정해와 거의 일치하는 강성값을 구할 수 있다.
도 8은 도 6의 건축 구조물에 대한 손상후 부재별 강성값을 예시하는 테이블이고, 도 9는 도 8의 테이블에 따른 손상후 부재별 강성값의 그래프이다.
도 8에 도시된 바와 같이, 13번 부재의 경우, 제1 단계에서, 그 정해는 0.803인데, Phase 1에서 계측된 결과는 0.945로서, 그 오차가 -0.142로 나타난다. 하지만, 제2 단계의 경우, Phase 2에서 계측된 결과는 0.800로서, 그 오차가 0.003로 나타하며, 실질적으로 정해와 거의 일치하는 강성값을 구할 수 있다. 마찬가지로, 14번, 17번 및 18번 부재의 경우에도, Phase 1에서 계측된 결과 및 오차에 비해서 Phase 2에서 계측된 결과 및 오차가 정해와 거의 일치하는 것을 알 수 있다.
결국, 본 발명의 실시예에 따르면, 정기적인 육안 검사 방법이나 초음파 탐사, X선 투시 등의 비파괴 검사 방법을 사용하는 기존의 손상 탐지 방법들과 달리 구조물을 둘러싸고 있는 내장재 혹은 외장재를 제거할 필요가 없어 구조물의 손상의 발생 여부와 개략적인 발생위치를 파악할 수 있다.
또한 구조물의 안정성에 큰 영향을 미치는 주요부재의 손상 발생 위치 및 손상 정도를 신속하게 파악할 수 있어, 대형 구조물의 유지관리를 효율적으로 수행할 수 있다.
전술한 본 발명의 설명은 예시를 위한 것이며, 본 발명이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 쉽게 변형이 가능하다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다. 예를 들어, 단일형으로 설명되어 있는 각 구성 요소는 분산되어 실시될 수도 있으며, 마찬가지로 분산된 것으로 설명되어 있는 구성 요소들도 결합된 형태로 실시될 수 있다.
본 발명의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.
도 1은 종래의 기술에 따른 비파괴 타격 검사 시스템을 예시하는 도면이다.
도 2는 종래의 기술에 따른 손상이 없는 정상 구조물과 손상이 있는 대상물의 타격 지속시간당 타격력을 비교하기 위한 그래프이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 건축 구조물의 부재별 건전성 감시 시스템의 구성도이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 건축 구조물의 손상 탐지 방법의 동작흐름도이다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 건축 구조물의 부재별 건전성 감시 방법의 구체적인 동작흐름도이다.
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 건축 구조물의 부재별 건전성 감시 시스템이 적용되는 4층 2베이 건축 구조물을 예시하는 도면이다.
도 7은 도 6의 건축 구조물에 대한 각각의 부재의 손상전 강성값을 예시하는 테이블이다.
도 8은 도 6의 건축 구조물에 대한 손상후 부재별 강성값을 예시하는 테이블이다.
도 9는 도 8의 테이블에 따른 손상후 부재별 강성값의 그래프이다.
< 도면부호의 간단한 설명 >
100: 부재별 건전성 감시 시스템 200: 건축 구조물
110: 진동발생 장치(가진기) 120: 가속도 센서
130: 층변위/가속도 산출부 140: 부재그룹별 강성 산출부
150: 변형 게이지 160: 휨 변형 산출부
170: 대상부재 강성 산출부 180: 구조물 손상 비교부
190: 구조물 손상 탐지부

Claims (7)

  1. 건축 구조물의 손상 여부 및 손상 정도에 대한 건전성을 감시하기 위한 시스템에 있어서,
    건축 구조물의 손상 여부 및 손상 정도를 파악하기 위해서 비파괴 검사용 진동을 상기 건축 구조물에 발생시키는 진동발생 장치;
    상기 건축 구조물의 각 층에 설치되어, 상기 진동발생 장치에서 발생된 각 층의 진동을 감지하는 가속도 센서;
    상기 가속도 센서에 의해 감지된 진동에 대응하여 주파수 응답함수를 계산하여 층변위/가속도를 산출하는 층변위/가속도 산출부;
    상기 층변위/가속도 산출부로부터 산출된 건축 구조물의 층변위/가속도에 근거하여 부재그룹별 강성을 산출하는 부재그룹별 강성 산출부;
    상기 건축 구조물을 형성하는 부재 그룹들 또는 부재들 중에서 선택된 대상부재에 설치되어, 상기 대상부재의 휨 변형을 감지하는 변형 게이지;
    상기 변형 게이지에서 감지된 휨 변형에 대응하여 상기 대상부재의 휨 변형을 산출하는 휨 변형 산출부; 및
    상기 휨 변형 산출부에서 산출된 휨 변형에 근거하여 상기 대상부재의 강성을 산출하는 대상부재 강성 산출부
    를 포함하되,
    상기 부재그룹별 강성 산출부는 상기 건축 구조물의 부재그룹별 강성을 제1 단계 산출하고, 상기 대상부재 강성 산출부는 상기 대상부재의 강성을 제2 단계 산출하는 것을 특징으로 하는 건축 구조물의 부재별 건전성 감시 시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 부재그룹별 강성 산출부에서 산출된 제1 단계 강성값 및 상기 대상부재 강성 산출부에서 산출된 제2 단계 강성값에 근거하여, 손상전 건축 구조물과 손상후 건축 구조물을 비교하는 구조물 손상 비교부; 및
    상기 구조물 손상 비교부에서 비교된 결과에 따라 상기 건축 구조물의 손상 여부, 손상 정도 및 손상 위치를 탐지하는 구조물 손상 탐지부
    를 추가로 포함하는 건축 구조물의 부재별 건전성 감시 시스템.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 부재그룹별 강성 산출부는, 고유진동수 주파수 응답함수 및 층변위 주파수 응답함수와 관련된 전역적 민감도 행렬 및 잔차벡터를 사용하여 상기 건축 구조물의 부재그룹별 강성을 전역적으로 제1 단계 산출하고, 상기 건축 구조물을 형성하는 부재의 위치에 따라 또는 부재 종류에 따라 그룹을 나누어 평균적인 의미의 부재그룹별 강성값을 구하는 것을 특징으로 하는 건축 구조물의 부재별 건전성 감시 시스템.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 대상부재 강성 산출부는 휨 변형에 대한 주파수 응답함수와 관련된 민감도 행렬 및 잔차벡터를 사용하여 상기 건축 구조물의 대상부재 강성을 국부적으로 제2 단계 산출하는 것을 특징으로 하는 건축 구조물의 부재별 건전성 감시 시스템.
  5. 건축 구조물의 손상 여부 및 손상 정도에 대한 건전성을 감시하기 위한 방법에 있어서,
    a) 진동발생 장치를 이용하여 상기 건축 구조물에 진동을 발생시키고 가속도 센서를 사용하여 층변위/가속도를 계측하며, 변형 게이지를 사용하여 상기 건축 구조물의 대상부재의 휨 변형을 계측하는 단계;
    b) 상기 가속도 센서에서 감지된 계측값 및 상기 변형 게이지에서 감지된 휨 변형에 따른 동특성을 추출하는 단계;
    c) 상기 추출된 동특성에 따라 건축 구조물의 층변위/가속도를 산출하는 단계;
    d) 상기 건축 구조물의 층변위/가속도에 근거하여 부재그룹별 강성을 산출하는 단계; 및
    e) 상기 추출된 동특성에 근거하여 건축 구조물의 휨 변형을 산출하는 단계; 및
    f) 상기 건축 구조물의 휨 변형에 근거하여 대상부재의 강성을 산출하는 단계
    를 포함하는 건축 구조물의 부재별 건전성 감시 방법.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 c) 단계의 추출된 동특성은 고유진동수 주파수 응답함수 및 층변위 주파수 응답함수와 관련된 전역적 민감도 행렬 및 잔차벡터를 사용하여 추출되고, 상기 d) 단계는 상기 건축 구조물의 부재그룹별 강성을 전역적으로 제1 단계 산출하는 것을 특징으로 하는 건축 구조물의 부재별 건전성 감시 방법.
  7. 제5항에 있어서,
    상기 e) 단계의 추출된 동특성은 휨 변형에 대한 주파수 응답함수와 관련된 민감도 행렬 및 잔차벡터를 사용하여 추출되고, 상기 f) 단계는 상기 건축 구조물의 대상부재 강성을 국부적으로 제2 단계 산출하는 것을 특징으로 하는 건축 구조물의 부재별 건전성 감시 방법.
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