KR20140033681A - 구조물의 거동분석을 통한 구조 건전성 평가 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 송전철탑, 변성기와 같이 대형이거나 접근 위험성이 큰 구조물에 대해 원거리 측정을 수행하여 고유 진동수 및 진동 모드에 대한 기준 데이터를 수립하고, 반복적인 재측정을 통해서 과거 기준 데이터와의 비교를 통해 구조 건전성의 평가가 정밀하고 안전하게 이루어질 수 있도록 하는 구조물의 거동분석을 통한 구조 건전성 평가 방법을 제공한다.
이를 위해 본 발명은 야외에서 자연풍에 의한 풍하중 작용이 진행되는 구조물에 대해 레이저 측정기를 이용하여 구조물의 거동 위치를 측정하는 단계, 상기 레이저 측정기의 측정에 의한 구조물의 측정 데이터를 계산하여 상기 구조물의 기준 데이터를 설정하는 단계, 일정 기간 경과 후에, 상기 레이저 측정기를 이용하여 상기 구조물을 재측정하고, 상기 재측정에 의한 구조물의 재측정 데이터를 상기 기준 데이터와 비교하는 단계 및, 상기 구조물의 재측정 데이터와 상기 기준 데이터의 비교 결과로 변화 부위가 파악되면, 상기 변화 부위에 대한 교정 작업을 진행하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

구조물의 거동분석을 통한 구조 건전성 평가 방법{Method for Estimating Structural Safety by Conduct Analysis of Construction}

본 발명은 구조물의 거동분석을 통한 구조 건전성 평가 방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 송전철탑, 변성기와 같이 대형 구조이거나 접근 검사가 어려운 구조물에 대한 거동 분석을 통한 구조 건전성 평가를 안전하고 신뢰성있게 수행할 수 있도록 하는 구조물의 거동분석을 통한 구조 건전성 평가 방법에 관한 것이다.

종래, 송전철탑과 같은 대형 구조물의 경우에는 최초 준공 후 시간 경과에 따라 구조적으로 취약한 부분과 결함부분이 발생하면서 구조 건전성과 안정성을 고려한 상태 점검이 필요하게 된다.

일반적으로, 대형 구조물의 안전성 검사 방식은 통상 검사자가 직접 구조물 접합부의 볼트 체결부 풀림 등과 같은 다양한 문제 발생 부위를 육안 점검이나, 점검 장비를 이용한 비파괴 방식으로 점검하여 확인하는 것이 통례이다.

한편, 송전철탑과 같이 대형 구조물이면서 활선 상태와 같이 위험한 환경에 처해 있는 대형 구조물의 경우에는, 해당 검사 대상물에 대해 검사자를 직접 투입하는 구조 건전성 시험에 대해 여러가지 제약조건과 위험성이 발생하게 되는데, 검사자가 육안 점검이나 관련 시험을 해야 하기 때문에 시험을 할 수 있는 충족 조건에 해당되는 제한 요소의 최소화, 안전 문제 확보, 소요 시간의 단축, 시험 결과에 대한 재현성과 정밀도가 해결되지 못하게 되는 것이다.

관련 기술로는 국내공개특허 제2011-9122348호(구조물 물리량 측정 시스템)(2011.11.10)가 있다.

이에 따라, 송전철탑과 같이 대형이면서 위험성이 큰 구조물에 대한 주기적인 검사를 위해서는, 검사자의 안전 문제, 검사 소요 시간의 장기화, 검사 결과에 대한 신뢰성 저하, 검사를 위한 제반 인건비 증가 등의 문제점이 발생하게 된다.

따라서, 본 발명은 상기한 종래의 문제점을 개선하기 위해 이루어진 것으로서, 송전철탑, 변성기와 같이 대형이거나 접근 위험성이 큰 구조물에 대해 원거리 측정을 수행하여 고유 진동수 및 진동 모드에 대한 기준 데이터를 수립하고, 반복적인 재측정을 통해서 과거 기준 데이터와의 비교를 통해 구조 건전성의 평가가 정밀하고 안전하게 이루어질 수 있도록 하는 구조물의 거동분석을 통한 구조 건전성 평가 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.

본 발명의 일측면에 따른 구조물의 거동분석을 통한 구조 건전성 평가 방법은, 야외에서 자연풍에 의한 풍하중 작용이 진행되는 구조물에 대해 레이저 측정기를 이용하여 구조물의 거동 위치를 측정하는 제1단계, 상기 레이저 측정기의 측정에 의한 구조물의 측정 데이터를 계산하여 상기 구조물의 기준 데이터를 설정하는 제2단계, 일정 기간 경과 후에, 상기 레이저 측정기를 이용하여 상기 구조물을 재측정하고, 상기 재측정에 의한 구조물의 재측정 데이터를 상기 기준 데이터와 비교하는 제3단계 및, 상기 구조물의 재측정 데이터와 상기 기준 데이터의 비교 결과로 변화 부위가 파악되면, 상기 변화 부위에 대한 교정 작업을 진행하는 제4단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.

상기 제1단계는, 상기 구조물의 고유한 형상 및 부속 구조 상태를 고려하여 측정 범위를 지정함에 의해 각 개소를 세분화하여 다수개의 측정 포인트를 각각 설정하는 단계, 상기 레이저 측정기가 상기 구조물에 설정된 다수개의 측정 포인트에 각각 레이저 광을 발사하여 거동 위치를 측정하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.

상기 제2단계는, 상기 레이저 측정기에 의해 측정된 측정 데이터를 근거로 상기 구조물의 고유한 모달 파라미터(Modal Parameter)를 산출하는 단계, 상기 산출된 모달 파라미터의 데이터값에 따라 상기 구조물의 모드 형상 데이터를 도출하고, 상기 모드 형상 데이터를 기준 데이터로서 설정하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.

상기 제2단계에서, 상기 모달 파라미터는 주파수 영역 분해(Frequency Domain Decomposition) 기법 또는 진보된 주파수 영역 분해(Enhanced Frequency Domain Decomposition) 기법 중에서 어느 하나의 기법을 이용하여 선형 시불변 값으로서 산출하는 것을 특징으로 한다.

상기 제2단계에서, 상기 모달 파라미터는 상기 구조물의 고유 진동수 및 각 구조물의 방향별, 주파수별 모드 형상 데이터를 포함하는 것을 특징으로 한다.

상기 제3단계에서, 상기 구조물의 재측정 데이터와 상기 기준 데이터와의 비교는, 상기 재측정 데이터에 의해 산출된 모달 파라미터에 따른 고유 진동수 및 모드 형상 데이터와, 상기 기준 데이터의 고유 진동수 및 모드 형상 데이터의 비교에 의한 것임을 특징으로 한다.

상기 제1단계에서, 상기 구조물은 송전철탑과, 변성기 외함 중에서 어느 하나인 것을 특징으로 한다.

상기한 바와 같이 이루어진 본 발명에 따르면, 구조물의 조건이나 특성에 상관없이 해당 구조물에 대한 건전성 평가가 가능하여, 구조물 측정을 위한 제한 요소를 제거하는 것이 가능하고, 측정 소요 시간이 균일함과 더불어 검사에 소요되는 시간을 단축할 수 있으며, 측정에 관련되는 위험요소를 배제할 수 있다.

또한, 정밀한 레이저 측정 장비를 이용한 측정 방식을 활용할 수 있어 측정 양상의 재현성 증대 및 정밀도를 배가시킬 수 있고, 구조물의 진동 상태에 대응하는 고유 진동 요소의 물리적 개념을 이용하게 됨으로써, 더욱 과학적인 구조 건전성의 평가 결과를 얻을 수 있게 된다.

도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 구조물의 거동분석을 통한 구조 건전성 평가 방법에 의해 송전철탑을 레이저 측정기로 측정하는 상태를 나타내는 도면이다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 구조물의 거동분석을 통한 구조 건전성 평가 방법에 대한 동작을 설명하는 플로우차트이다.
도 3a 내지 도 3d는 본 발명의 일실시예에 따른 구조물의 거동분석을 통한 구조 건전성 평가 방법에 의해 송전철탑의 모달 파라미터로서 진동 모드의 각 모드별 변화 형태를 각각 나타낸 도면이다.
도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 구조물의 거동분석을 통한 구조 건전성 평가 방법에 의해 변성기 외함을 레이저 측정기로 측정하는 상태를 나타내는 도면이다.
도 5a 내지 도 5d는 본 발명의 다른 실시예에 따른 구조물의 거동분석을 통한 구조 건전성 평가 방법에 의해 변성기 외함의 모달 파라미터로서 진동 모드의 각 모드별 변화 형태를 각각 나타낸 도면이다.

이하, 상기한 바와 같이 구성된 본 발명에 대해 첨부도면을 참조하여 상세히 설명한다.

이 과정에서 도면에 도시된 선들의 두께나 구성요소의 크기 등은 설명의 명료성과 편의상 과장되게 도시되어 있을 수 있다. 또한, 후술되는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 관례에 따라 달라질 수 있다. 그러므로, 이러한 용어들에 대한 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다.

도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 구조물의 거동분석을 통한 구조 건전성 평가 방법에 의해 송전철탑을 레이저 측정기로 측정하는 상태를 나타내는 도면이다.

도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일실시예에 따른 구조물의 거동분석을 통한 구조 건전성 평가 방법은, 모든 구조물이 고유한 진동수를 가진다는 원리를 이용하여 측정을 통한 기준자료 수립과 비교절차를 통해 송전철탑과 같은 대형 구조물에 대한 구조 건전성 검사가 이루어지도록 한 것이다.

즉, 자연 발생적인 바람이 대형 구조물에 작용하게 되면 검사 대상물에 바람의 영향으로 인한 흔들림이 발생하게 되는데, 이 때 검사 대상이 되는 대형 구조물의 구조적 변화가 발생하지 않는다면 거동하는 주파수는 항상 일정한 값들을 갖게 된다는 원리를 이용한다.

도 1에 따르면, 야외에서 풍하중에 노출되어 있는 검사 대상 구조물로서 송전철탑(200)에 대해 원거리에서도 측정이 가능한 레이저 측정기(100)를 이용하여 상기 송전철탑(200)의 고유 진동수 및 진동모드의 모달 파라미터(Modal Parameter)를 파악하고, 일정 시간 경과 후 재측정을 통해 과거의 자료들과의 차이점이 발생하였는지 비교하였을 때 차이점이 발생한다면 상기 송전철탑(200)의 구조물 조립에 투입되는 각종 체결부 등에 응력변화 요인이 발생하였음을 파악할 수 있으며, 정확한 변화 위치도 파악이 가능하게 된다.

본 발명에 따르면, 상기 레이저 측정기(100)를 통해서 상기 송전철탑(200)의 구조물 상에 레이저 광을 투사하는 경우에, 상기 송전철탑(200)의 고유한 형상 및 부속 구조 상태를 고려하여 측정 범위를 지정함에 의해 각 개소를 세분화하여 다수개의 측정 포인트(210)를 미리 설정하고, 상기 각 측정 포인트(210)에 레이저 광을 각각 발사하여 원거리 측정을 수행한다.

본 발명에서는, 상기 레이저 측정기(100)를 통해 측정한 원거리 측정 데이터를 근거로 대형 구조물로서 상기 송전철탑(200)에 대한 거동 상태의 모달 파라미터 즉, 고유 진동수 및 거동 모드를 구할 수 있게 되고, 상기 측정 결과로부터 방향별, 주파수별 모드 형상을 분석 및 정리하여, 상기 분석 및 정리 결과로 기준 데이터를 설정한다.

한편, 상기 모달 파라미터로서 구해지는 방향별 모드 형상의 주파수의 분석 및 정리 결과에 대한 일예는 하기한 표 1과 같이 나타낼 수 있다.

	방향별 주파수
구 분	정 면	측 면	평 면(비틀림)
제1변화 모드	＃＃ (Hz)	＃＃ (Hz)	＃＃ (Hz)
제2변화 모드	＃＃ (Hz)	＃＃ (Hz)	＃＃ (Hz)
제3변화 모드	＃＃ (Hz)	＃＃ (Hz)	＃＃ (Hz)
.......	........	.......	.......
제n변화 모드	＃＃ (Hz)	＃＃ (Hz)	＃＃ (Hz)

그 상태에서, 일정 시간이 경과될 때마다 상기 레이저 측정기(100)를 이용하여 상기 송전철탑(200)에 대한 거동 상태를 재측정하고, 그 재측정 데이터를 상기 기준 데이터와 비교함으로써, 고유 진동수와 모드 형상의 특성 변화를 확인하고, 변화 부위를 파악하여 변화 상태의 교정을 실시한다.

한편, 상기 송전철탑(200)이 설치되어 있는 야외에서는 자연풍에 의한 가진력이 Stationary Zero Mean Gaussian White Noise로서 간주할 수 있으며, 이러한 외력이 작용될 때 주파수 영역 분해(Frequency Domain Decomposition) 기법 또는 진보된 주파수 영역 분해(Enhanced Frequency Domain Decomposition) 기법 등을 통해 선형 시불변 시스템으로부터 고유한 모달 파라미터를 응답으로 구할 수 있게 된다. 이렇게 구해진 모달 파라미터는 대상 구조물의 고유한 특성으로서 측정 당시의 대형 구조물을 구성하는 모든 요소들에 변화가 발생하지 않는다면 항상 일정하다는 원리를 이용하게 된다.

이어, 상기한 바와 같이 이루어진 본 발명의 일실시예에 따른 구조물의 거동분석을 통한 구조 건전성 평가 방법에 대한 동작을 도 2의 플로우차트와, 도 3a 내지 도 3d의 도면을 각각 참조하여 상세히 설명한다.

도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 구조물의 거동분석을 통한 구조 건전성 평가 방법에 대한 동작을 설명하는 플로우차트이고, 도 3a 내지 도 3d는 본 발명의 일실시예에 따른 구조물의 거동분석을 통한 구조 건전성 평가 방법에 의해 송전철탑의 모달 파라미터로서 진동 모드의 각 모드별 변화 형태를 각각 나타낸 도면이다.

먼저, 야외에 설치되어 있는 검사 대상의 대형 구조물로서 송전철탑(200)이 자연풍에 의한 풍하중 작용이 발생하고 있는 상태에서(S10), 원거리에서 측정이 가능한 레이저 측정기(100)를 이용하여 상기 송전철탑(200)의 각 세분화된 측정 부위에 대해 설정된 다수개의 측정 포인트(210) 별로 레이저 광을 발사하여 각 측정 위치를 대상으로 측정을 수행한다(S11).

그 다음에, 상기 레이저 측정기(100)를 통해 측정한 각 측정 데이터로부터, 상기 주파수 영역 분해 기법 또는 진보된 주파수 영역 분해 기법을 이용하여 선형 시불변 시스템으로부터 고유한 모달 파라미터 즉, 고유 진동수 및 각 방향(정면, 측면, 평면)별 모드 형상을 산출하게 되고(S12), 상기 방향별 모드 형상의 주파수를 산출함으로써, 각 방향별, 주파수별 모드형상을 분석 정리함에 따라(S12), 도 3a 내지 도 3d에 도시된 바와 같이 정면, 측면, 평면의 각 방향별로 기준 형태와, 제1변화 모드로부터 제3변화 모드를 각각 갖는 기준 데이터를 수립하게 된다(S14).

여기서, 본 발명의 일실시예에서는 각 방향별 모드로서 도 3a 내지 도 3d에 도시된 바와 같이 기준 형태와 더불어, 제1 내지 제3변화 모드를 일예로 하여 설명하고 있지만, 본 발명은 이에 한정되지는 않는 것으로서 측정 데이터에 따라 제4변화 모드 이상의 모드를 더 설정하여 기준 데이터를 추가적으로 더 설정하는 것도 얼마든지 가능하다.

한편, 상기와 같이 기준 데이터가 수립된 이후에, 미리 설정된 일정 기간이 경과되었는지를 판단하게 되는데(S15), 일정 기간이 경과되었다고 판단하게 되면 상기 레이저 측정기(100)를 이용하여 상기 S11 단계에서 측정했던 송전철탑(200)의 각 세분화된 측정 부위의 각 측정 포인트(210) 별로 레이저 광을 발사하여 재측정을 수행한다(S16).

그리고 나서, 상기 레이저 측정기(100)를 통해 측정한 데이터로부터 모달 파라미터를 산출한 다음에, 상기 모달 파라미터를 통해서 산출되는 모드 형상의 주파수 및 각 방향별, 주파수별 모드 형상을 상기 S14에서 수립한 기준 데이터와 각각 비교하여 분석하게 되는데(S17), 상기 데이터의 비교 및 분석 결과로 상기 측정 대상의 송전철탑(200)에서 특성 변화가 발생되었는지를 판단한다(S18).

상기 판단 결과, 상기 재측정된 데이터와 상기 기준 데이터의 비교 결과로 특성 변화가 발생되었다고 판단되면, 도 3a 내지 도 3d에 도시된 각 변화 모드의 모드 형태를 비교한 결과로 도출되는 각 방향별 모드 형상과, 변화 모드에 따른 각 방향별 주파수 정보를 이용하여 상기 송전철탑(200)의 구체적인 변화 부위를 파악하게 된다(S19).

상기 송전철탑(200)의 구체적인 변화 부위가 파악되면, 상기 파악된 변화 부위에 대한 교정 작업을 진행한다(S20).

다음에, 첨부도면을 참조하여 본 발명의 다른 실시예에 따른 구조물의 거동분석을 통한 구조 건전성 평가 방법에 대해 상세히 설명한다.

도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 구조물의 거동분석을 통한 구조 건전성 평가 방법에 의해 변성기 외함을 레이저 측정기로 측정하는 상태를 나타내는 도면이고, 도 5a 내지 도 5d는 본 발명의 다른 실시예에 따른 구조물의 거동분석을 통한 구조 건전성 평가 방법에 의해 변성기 외함의 모달 파라미터로서 진동 모드의 각 모드별 변화 형태를 각각 나타낸 도면이다.

도 4에 도시된 바와 같이, 본 발명의 다른 실시예에 따른 구조물의 거동분석을 통한 구조 건전성 평가 방법은, 원거리에서도 측정이 가능한 레이저 측정기(100)를 이용하여 활선 상태에서는 사람의 접근하기 매우 위험한 대상물로서 변성기 외함(300)에 대한 거동 상태를 측정할 수 있도록 한다.

측정 대상물인 상기 변성기 외함(300)에는 그 구조적 특성에 따라 측정 범위를 선정하고 개소를 세분화하여 다수개의 측정 포인트(310)를 설정하고, 상기 레이저 측정기(100)가 상기 설정된 각 측정 포인트(310)마다 레이저 광을 발사하여 각각 측정하게 된다.

상기 레이저 측정기(100)를 이용한 측정이 실시된 이후에는, 본 발명의 일실시예에서 수행한 방식과 마찬가지로 상기 주파수 영역 분해 기법 또는 진보된 주파수 영역 분해 기법을 이용하여 선형 시불변 시스템으로부터 고유한 모달 파라미터 즉, 고유 진동수 및 각 방향(정면, 측면, 평면)별 모드 형상을 산출함에 의해, 도 5a 내지 도 5d에 예시한 결과에 따른 기준 형태와, 제1변화 모드로부터 제3변화 모드와 같은 각 모드 형상을 도출하고, 각 모드 형상에 대한 방향별 주파수를 도출함으로써, 이를 근거로 하여 기준 데이터를 확보하게 된다.

이후 절차는, 본 발명의 일실시예에 따라 진행되는 도 2의 플로우차트와 동일한 과정으로 일정 기간 경과후 재측정과, 재측정 데이터와 기준 데이터와의 비교 및 분석, 특성 변화 여부에 따른 교정 수행 절차를 거쳐서, 상기 변성기 외함(300)에 대한 구조적 건전성 평가를 수행할 수 있다.

본 발명은 도면에 도시된 실시예를 참고로 하여 설명되었으나, 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 기술이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서 본 발명의 기술적 보호범위는 아래의 특허청구범위에 의해서 정하여져야 할 것이다.

100:레이저 측정기 200:송전철탑
210, 310:측정 포인트 300:변성기 외함

Claims (7)

1. 야외에서 자연풍에 의한 풍하중 작용이 진행되는 구조물에 대해 레이저 측정기를 이용하여 구조물의 거동 위치를 측정하는 제1단계;
   상기 레이저 측정기의 측정에 의한 구조물의 측정 데이터를 계산하여 상기 구조물의 기준 데이터를 설정하는 제2단계;
   일정 기간 경과 후에, 상기 레이저 측정기를 이용하여 상기 구조물을 재측정하고, 상기 재측정에 의한 구조물의 재측정 데이터를 상기 기준 데이터와 비교하는 제3단계; 및
   상기 구조물의 재측정 데이터와 상기 기준 데이터의 비교 결과로 변화 부위가 파악되면, 상기 변화 부위에 대한 교정 작업을 진행하는 제4단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 구조물의 거동분석을 통한 구조 건전성 평가 방법.
2. 제 1 항에 있어서,
   상기 제1단계는, 상기 구조물의 고유한 형상 및 부속 구조 상태를 고려하여 측정 범위를 지정함에 의해 각 개소를 세분화하여 다수개의 측정 포인트를 각각 설정하는 단계,
   상기 레이저 측정기가 상기 구조물에 설정된 다수개의 측정 포인트에 각각 레이저 광을 발사하여 거동 위치를 측정하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 구조물의 거동분석을 통한 구조 건전성 평가 방법.
3. 제 1 항에 있어서,
   상기 제2단계는, 상기 레이저 측정기에 의해 측정된 측정 데이터를 근거로 상기 구조물의 고유한 모달 파라미터(Modal Parameter)를 산출하는 단계,
   상기 산출된 모달 파라미터의 데이터값에 따라 상기 구조물의 모드 형상 데이터를 도출하고, 상기 모드 형상 데이터를 기준 데이터로서 설정하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 구조물의 거동분석을 통한 구조 건전성 평가 방법.
4. 제 3 항에 있어서,
   상기 제2단계에서, 상기 모달 파라미터는 주파수 영역 분해(Frequency Domain Decomposition) 기법 또는 진보된 주파수 영역 분해(Enhanced Frequency Domain Decomposition) 기법 중에서 어느 하나의 기법을 이용하여 선형 시불변 값으로서 산출하는 것을 특징으로 하는 구조물의 거동분석을 통한 구조 건전성 평가 방법.
5. 제 3 항에 있어서,
   상기 제2단계에서, 상기 모달 파라미터는 상기 구조물의 고유 진동수 및 각 구조물의 방향별, 주파수별 모드 형상 데이터를 포함하는 것을 특징으로 하는 구조물의 거동분석을 통한 구조 건전성 평가 방법.
6. 제 5 항에 있어서,
   상기 제3단계에서, 상기 구조물의 재측정 데이터와 상기 기준 데이터와의 비교는, 상기 재측정 데이터에 의해 산출된 모달 파라미터에 따른 고유 진동수 및 모드 형상 데이터와, 상기 기준 데이터의 고유 진동수 및 모드 형상 데이터의 비교에 의한 것임을 특징으로 하는 구조물의 거동분석을 통한 구조 건전성 평가 방법.
7. 제 1 항에 있어서,
   상기 제1단계에서, 상기 구조물은 송전철탑과, 변성기 외함 중에서 어느 하나인 것을 특징으로 하는 구조물의 거동분석을 통한 구조 건전성 평가 방법.
   
   

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