KR20200066932A - Apparatus and Method for Monitoring Damage of Structure with Measuring Strain and Digital Twin - Google Patents

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Abstract

The present invention relates to a method for monitoring the presence or absence of damage of a structure using a strain rate measurement and a structure interpretation model based on the same, and an apparatus thereof. In order to monitor the structural stability and the presence or absence of damage of a structure such as a bridge, a strain rate measuring apparatus, which can measure a strain rate at a plurality of measuring points, is installed on the subject structure. In addition, a virtual structure interpretation model (digital twin) is formed, which shows the response characteristics of the subject structure when a load is stocked on the subject structure, that is, which shows a structural behavior and structural response of the same structure as the subject structure when a load is stocked on the subject structure by using an initial strain rate measured at the plurality of measuring points. And then, the strain rate is measured at desired time intervals for a desired time through the strain rate measuring apparatus, and is applied to the virtual structure interpretation model which is built in advance. Accordingly, the present invention can determine and monitor whether there is damage on the subject structure or not.

Description

변형률 계측과 이를 기반으로 하는 구조해석모델을 이용한 구조물의 손상여부 모니터링 방법 및 장치{Apparatus and Method for Monitoring Damage of Structure with Measuring Strain and Digital Twin}Apparatus and Method for Monitoring Damage of Structure with Measuring Strain and Digital Twin using strain measurement and structural analysis model based thereon

본 발명은 변형률 계측과 이를 기반으로 하는 구조해석모델을 이용한 구조물의 손상여부 모니터링 방법 및 장치에 관한 것으로서, 구체적으로는 구조적인 안정성과 손상여부에 대한 모니터링의 대상이 되는 구조물(대상 구조물)에 복수개의 계측점에서 변형률을 측정할 수 있는 변형률 계측 장치를 설치하여, 복수개의 계측점에서 측정된 초기 변형률을 이용하여, 대상 구조물에 하중이 재하되었을 때 대상 구조물이 반응하는 응답특성과 동일한 응답특성을 보이는 즉, 하중이 재하되었을 때 대상 구조물과 동일한 구조물의 구조적 거동 및 구조적 응답을 보이게 되는 가상의 구조해석모델(디지털 트윈/digital twin)을 형성한 후, 변형률 계측 장치를 통해서 원하는 시간 동안 원하는 시간 간격으로 변형률을 측정하고 이를 미리 구축해놓은 가상의 구조해석모델에 적용함으로써, 대상 구조물의 손상여부를 판정하고 모니터링하게 되는 "구조물의 손상여부 모니터링 방법"과 이러한 모니터링 방법에 의해 작동되는 "구조물의 손상여부 모니터링 장치"에 관한 것이다. The present invention relates to a method and apparatus for monitoring a structure for damage using strain measurement and a structural analysis model based thereon, specifically, a plurality of structures (target structures) subject to structural stability and monitoring for damage. A strain measuring device capable of measuring strain at two measurement points is installed, and the initial strain measured at a plurality of measurement points is used to show the same response characteristics as the response characteristics of the target structure when the target structure is loaded. After forming a virtual structural analysis model (digital twin) that shows the structural behavior and structural response of the same structure as the target structure when the load is loaded, the strain rate is measured at a desired time interval through a strain measurement device. By measuring it and applying it to a pre-built virtual structural analysis model, the "structure damage monitoring method" that determines and monitors the damage of the target structure and the "structure damage monitoring device" operated by the monitoring method "It is about.

교량 등의 구조물에 손상이 발생하였는지의 여부를 사전에 모니터링하는 것은 매우 중요하다. 구조물의 손상을 발생 초기에 파악하지 못하면 손상 부위가 점차 확산되게 되고 이를 나중에 보수보강을 하게 되면 더 넓고 심해진 손상 부위를 보수해야 하기 때문에 비용이 많이 소요되게 된다. 또한 근원적으로는 구조물의 손상은 구조물의 안전에 직접적인 영향을 미치는 요소이기 때문에 발생 초기에 조치되어야 한다. 따라서 구조물의 손상 여부를 사전에 정확하게 인지할 수 있도록 모니터링하는 것은, 구조물의 유지관리에 있어서 매우 중요하고 필요한 것이다. It is very important to monitor in advance whether a structure such as a bridge has been damaged. If the damage to the structure is not identified at the beginning of the occurrence, the damaged area will gradually spread, and if it is repaired later, it will be expensive because the wider and more severely damaged area must be repaired. In addition, the damage to the structure is fundamentally a factor that directly affects the safety of the structure. Therefore, monitoring so that the structure can be accurately recognized in advance is very important and necessary for the maintenance of the structure.

교량 등의 구조물에 손상이 발생하였는지의 여부를 모니터링함에 있어서, 수학적인 해석모델을 이용하여 모니터링하는 방법이 제안되어 있다. 즉, 모니터링 대상이 되는 대상 구조물에 대하여 유한요소해석법에 기초한 구조해석모델을 설정하고, 이러한 구조해석모델을 이용하여 대상 구조물의 상태 즉, 손상 발생 여부를 판단하는 것이다. 그런데 종래 기술에서 이용되는 구조해석모델은, 대상 구조물로부터 측정된 가속도 계측값에 기초한다. 따라서 종래 기술의 구조해석모델을 이용하여 대상 구조물의 손상발생 여부를 모니터링하기 위해서는, 소수의 가속도계를 대상 구조물에 설치하여 가속도계에 의해 계측점에서의 가속도값을 계측하여 취득하고, 계측된 가속도값을 이용하여 대상 구조물의 고유진동수와 고유모드형상을 구하고, 구조해석모델에서 대상 구조물의 강성과 경계조건을, 계측에 의해 구해진 대상 구조물의 고유진동수 및 고유모드형상과 일치시키는 방식으로 구조해석모델을 설정해야 한다. In monitoring whether a structure such as a bridge has been damaged, a method of monitoring using a mathematical analysis model has been proposed. That is, a structural analysis model based on a finite element analysis method is set for a target structure to be monitored, and the state of the target structure, that is, whether damage occurs, is determined using the structural analysis model. However, the structural analysis model used in the prior art is based on the acceleration measurement value measured from the target structure. Therefore, in order to monitor the occurrence of damage to the target structure using the structural analysis model of the prior art, a small number of accelerometers are installed on the target structure to measure and acquire the acceleration value at the measurement point using the accelerometer, and use the measured acceleration value. In order to obtain the natural frequency and eigenmode shape of the target structure, the structural analysis model should be set in such a way that the stiffness and boundary conditions of the target structure in the structural analysis model match the natural frequency and eigenmode shape of the target structure obtained by measurement. do.

그러나 위와 같은 종래 기술에서 이용되는 구조물의 고유진동수 및 고유모드형상은, 콘크리트 균열 등의 국부적인 손상에 의해서는 거의 변하지 않는다는 속성을 가지고 있다. 심지어 사장교에서 붕괴를 야기할 수 있는 케이블 절단사고가 발생하더라도 사장교의 고유진동수 및 고유모드형상의 변화는 미미하여 케이블 절단과 같은 중대 사고를 포착할 수 없다. 따라서 계측한 가속도값으로부터 계산한 구조물의 고유진동수 및 고유모드형상은 구조물의 국부적인 손상을 반영하지 못할 뿐 아니라 구조물의 전체 거동에 큰 영향을 미치는 사고에 대해서도 둔감하여 구조물의 현재 상태를 제대로 반영하지 못하는 단점을 가지고 있다. 결국 구조물 상태 변화에 둔감한 고유진동수와 고유모드형상에 기반하여 구성된 구조해석모델을 이용한 종래 기술의 경우에는, 구조물의 손상 상태를 제대로 파악하지 못하여 결국에는 적절한 보수보강 시점을 놓치게 되는 한계를 가지게 된다. However, the natural frequencies and natural mode shapes of structures used in the prior art have the property that they are hardly changed by local damage such as concrete cracks. Even in the case of cable breakage accidents that can cause collapse in cable-stayed bridges, the natural frequency and eigenmode shape changes of cable-stayed bridges are insignificant, and serious accidents such as cable breakage cannot be captured. Therefore, the natural frequency and eigenmode shape of the structure calculated from the measured acceleration values do not reflect the local damage of the structure, but are insensitive to accidents that greatly affect the overall behavior of the structure, so that the current state of the structure is not properly reflected. It has a disadvantage that it cannot. As a result, in the case of the prior art using the structural analysis model constructed based on the natural frequency and the eigenmode shape, which is insensitive to the change in the structure state, the damage state of the structure is not properly understood, and eventually there is a limit of missing the proper repair and reinforcement point. .

한편, 구조물에 국부적인 손상이 발생하면 이는 곧바로 변형률의 증가로 나타나게 된다. 또한 구조물에 큰 변화가 생기게 되면 구조물의 처짐 형상이 바뀌게 되고 이는 결국 변형률의 변화로 이어진다. 따라서 구조물의 변형률은 가속도와 달리 구조물의 국부적인 손상과 전체 거동 변화를 감지할 수 있는 중요 척도가 된다. 이러한 장점을 가진 변형률을 기반으로 구조해석모델을 구성하면 구조물의 손상 정도를 정확히 모델링할 수 있어 적절한 보수보강이 가능해진다. On the other hand, if a local damage occurs to the structure, it immediately appears as an increase in strain. In addition, when a large change occurs in the structure, the deflection shape of the structure changes, which in turn leads to a change in strain. Therefore, the deformation rate of the structure is an important measure to detect the local damage and the change in overall behavior of the structure, unlike the acceleration. By constructing a structural analysis model based on the strain with these advantages, it is possible to accurately model the degree of damage to the structure, thereby enabling proper repair and reinforcement.

이와 같이 변형률은 구조물의 손상 특징을 반영하는 것이므로, 이러한 변형률에 기초하여 대상 구조물의 손상발생 여부를 판단하고 모니터링하는 것이 바람직하지만, 이를 위해서는 변형률의 신뢰성 있는 측정은 물론이고, 구조해석모델에 이용할 만큼의 많은 계측점에서 변형률을 측정할 수 있어야 한다. 과거에는 소수의 계측점에서만 변형률을 측정하는 정도였으나, 최근에는 계측 기술의 발달을 통해서 브릴루앙 광섬유 변형률 센서와 같이, 구조해석모델에 이용하기에 충분한 개수의 계측점에서 구조물의 변형률을 정확하게 측정할 수 있는 기술이 개발되어 있다. As described above, since the strain reflects the damage characteristics of the structure, it is desirable to judge and monitor whether the target structure is damaged based on the strain, but for this, it is not only reliable measurement of the strain, but also sufficient for use in the structural analysis model. It should be possible to measure the strain at many measurement points. In the past, the strain was measured only at a small number of measurement points. Recently, through the development of measurement technology, it is possible to accurately measure the strain of a structure at a sufficient number of measurement points for use in structural analysis models, such as the Brillouin optical fiber strain sensor. Technology has been developed.

그러나 변형률 계측 기술이 이와 같이 발달하게 되는 것도 최근의 일이므로, 아직까지는 복수의 많은 계측점에서 취득한 변형률 계측값을, 구조물에 대한 구조해석 내지 구조해석모델에 기반한 구조물의 모니터링에 효율적으로 이용할 수 있을 만한 기술의 개발은 매우 미흡한 실정이다. However, it is only recently that the strain measurement technology has been developed in this way, so that the strain measurement values obtained from a plurality of measurement points can be effectively used for structural analysis of structures or monitoring of structures based on structural analysis models. The development of technology is very insufficient.

대한민국 공개특허공보 제10-2012-0029061호(2012. 03. 26. 공개).Republic of Korea Patent Publication No. 10-2012-0029061 (2012. 03. 26. published).

본 발명은 위와 같은 종래 기술의 한계를 극복하고 최근 발전된 계측 기술의 성과를 유용하게 활용하기 위하여 개발된 것으로서, 구조물에 하중이 재하되었을 때 구조물에서 나타나는 구조적인 반응 즉, 재하 하중에 대한 구조물의 구조적 거동 및 구조적 응답을 민감하게 반영할 수 있는 변형률에 기반하여, 구조물에 대한 구조해석모델을 구축하고, 이러한 구조해석모델과 계측 변형률을 이용하여 구조물의 손상발생 여부를 모니터링할 수 있는 기술을 제공하는 것을 목적으로 한다. The present invention was developed to overcome the limitations of the prior art as described above and to utilize the performance of the recently developed metrology technology usefully, a structural reaction that occurs when a load is applied to the structure, that is, the structural structure of the structure against the load. Constructing a structural analysis model for a structure based on the strain rate that can sensitively reflect the behavior and structural response, and using this structural analysis model and measurement strain to provide a technique to monitor the structure for damage occurrence It is aimed at.

위와 같은 과제를 달성하기 위하여 본 발명에서는, 손상발생 여부 모니터링 대상 구조물에, 복수개 계측점에서 변형률을 계측할 수 있는 변형률 계측 장치를 배치하고, 대상 구조물에 기지의 초기 하중을 재하하고 변형률 계측 장치를 이용하여 초기 변형률을 계측하는 단계; 계측된 초기 변형률은, 신호 수신부, 변형률-변형 변환 유닛, 강성행렬 도출 유닛, 및 구조물 손상 판단 유닛을 포함하여 구성된 연산장치로 전송되고, 연산장치의 변형률-변형 변환 유닛에서 연산을 통해서 초기 변형률을 초기 변형으로 변환하여 산출하는 단계; 연산장치에 구비된 강성행렬 도출 유닛에서 연산을 통해서, 대상 구조물의 하중에 대한 응답특성을 나타내는 초기 강성행렬을 도출하는 단계; 관리자가 정한 시간에서 대상 구조물에 기지의 사용 하중이 재하될 때의 사용상태 변형률을 대상 구조물에 설치된 변형률 계측 장치를 이용하여 계측하는 단계; 계측된 사용상태 변형률은 연산장치로 전송되고, 연산장치의 변형률-변형 변환 유닛에서는 연산을 통해서 계측된 사용상태 변형률을 사용상태 변형으로 변환하여 사용상태 변형을 산출하는 단계; 및 연산장치의 구조물 손상 판단 유닛에서, 사용 하중, 산출된 사용상태 변형, 및 대상 구조물에 대한 구조해석모델로서 도출해놓은 초기 강성행렬을 이용하여 대상 구조물의 손상 여부를 판단하는 단계;를 포함하는 구성을 가지고 있어서, 변형률 계측과, 이를 기반으로 하는 구조해석모델을 이용하여 대상 구조물에 구조적인 손상이 발생하였는지 여부를 모니터링하고 판단하게 되는 것을 특징으로 하는 구조물의 손상여부 모니터링 방법이 제공된다. In order to achieve the above object, in the present invention, a strain measuring device capable of measuring strain at a plurality of measurement points is disposed on a structure to be monitored for damage, and a known initial load is applied to the target structure and a strain measuring device is used. Measuring the initial strain by; The measured initial strain is transmitted to a computing device including a signal receiving unit, a strain-strain conversion unit, a stiffness matrix derivation unit, and a structure damage determination unit, and the initial strain is calculated through calculation in the strain-strain conversion unit of the computing device. Converting to an initial transformation and calculating; Deriving an initial stiffness matrix indicating a response characteristic to a load of a target structure through calculation in a stiffness matrix derivation unit provided in a computing device; Measuring a strain in use state when a known use load is loaded on the target structure at a time determined by the manager using a strain measurement device installed on the target structure; The measured use state strain is transmitted to the computing device, and the strain-strain conversion unit of the computing device converts the used state strain measured through calculation into a use state deformation to calculate a use state deformation; And determining, in the structural damage determination unit of the computing device, whether the target structure is damaged by using the applied load, the calculated use state deformation, and the initial stiffness matrix derived as a structural analysis model for the target structure. A method for monitoring a structure for damage is provided by monitoring and determining whether structural damage has occurred in a target structure by using strain measurement and a structural analysis model based thereon.

또한 본 발명에서는 상기한 과제를 달성하기 위하여, 복수개 계측점에서 변형률을 계측할 수 있으며 손상발생 여부 모니터링 대상 구조물에 배치되어 있는 변형률 계측 장치, 및 상기 변형률 계측 장치로부터의 신호를 수신하여 대상 구조물의 손상여부 모니터링을 위한 연산을 수행하는 연산장치를 포함하여 구성되는데, 연산장치는 신호 수신부, 변형률-변형 변환 유닛, 강성행렬 도출 유닛, 및 구조물 손상 판단 유닛을 포함하며; 신호 수신부에서는, 대상 구조물에 기지의 초기 하중을 재하되었을 때 변형률 계측 장치에 의해 계측된 초기 변형률을 수신하고; 변형률-변형 변환 유닛에서는, 수신된 초기 변형률을 초기 변형으로 변환하여 산출하고; 강성행렬 도출 유닛에서는, 대상 구조물의 하중에 대한 응답특성을 나타내는 초기 강성행렬을 연산하여 도출하고; 변형률-변형 변환 유닛에서는, 관리자가 정한 시간에서 대상 구조물에 기지의 사용 하중이 재하될 때의 사용상태 변형률이 대상 구조물에 설치된 변형률 계측 장치에 의해 계측되어 전송되어 오면, 연산을 통해서 계측된 사용상태 변형률을 사용상태 변형으로 변환하여 사용상태 변형을 산출하고; 구조물 손상 판단 유닛에서는, 사용 하중, 산출된 사용상태 변형, 및 대상 구조물에 대한 구조해석모델로서 도출해놓은 초기 강성행렬을 이용하여 대상 구조물의 손상 여부를 판단하게 되어; 변형률 계측과, 이를 기반으로 하는 구조해석모델을 이용하여 대상 구조물에 구조적인 손상이 발생하였는지 여부를 모니터링하고 판단하게 되는 것을 특징으로 하는 구조물의 손상여부 모니터링 장치가 제공된다. In addition, in the present invention, in order to achieve the above problems, it is possible to measure the strain at a plurality of measurement points and the strain measurement device disposed in the structure to be monitored for damage, and the damage of the target structure by receiving a signal from the strain measurement device It comprises a computing device for performing a calculation for the presence monitoring, the computing device includes a signal receiving unit, a strain-strain transformation unit, a stiffness matrix derivation unit, and a structure damage determination unit; The signal receiving unit receives the initial strain measured by the strain measuring device when a known initial load is applied to the target structure; In the strain-strain conversion unit, the received initial strain is converted to an initial strain and calculated; In the stiffness matrix derivation unit, an initial stiffness matrix representing a response characteristic to a load of a target structure is calculated and derived; In the strain-strain conversion unit, when a known use load is loaded on the target structure at a time determined by the administrator, when the strain is measured and transmitted by the strain measuring device installed in the target structure, the used state measured through calculation Converting the strain into a use state strain to calculate a use state strain; In the structure damage determination unit, it is determined whether the target structure is damaged by using the applied load, the calculated use state deformation, and the initial stiffness matrix derived as a structural analysis model for the target structure; A structure damage monitoring device is provided, which is characterized by monitoring and determining whether structural damage has occurred in a target structure using strain measurement and a structural analysis model based thereon.

상기한 본 발명에 따른 구조물의 손상여부 모니터링 장치 및 방법에서, 변형률-변형 변환 유닛에서 초기 변형률을 초기 변형으로 변환하여 산출할 때에는, 대상 구조물을 관리자가 정한 개수의 해석요소로 분할하는 과정; 분할된 각각의 해석요소에 대하여, 절점 변형과 해당 해석요소 내에 존재하는 <변형률 계측점에서의 변형률 사이의 관계를 나타내는 변환행렬을 연산하여 도출하는 과정; 도출된 각 해석요소의 변환행렬을 통합함으로써 전체 대상 구조물에 대한 변환행렬을 연산하여 도출하는 과정; 및 도출된 전체 대상 구조물에 대한 변환행렬에 초기 변형률을 곱하여 대상 구조물의 초기 변형을 산출하는 과정을 포함하는 연산을 수행할 수 있다. In the apparatus and method for monitoring damage of a structure according to the present invention, when the strain-strain conversion unit converts the initial strain into an initial strain and calculates it, the process of dividing the target structure into a number of analysis elements determined by the administrator; For each segmented analysis element, calculating and deriving a transformation matrix indicating the relationship between the node deformation and the strain at the strain measurement point present in the analysis element; Calculating and deriving a transformation matrix for the entire target structure by integrating the transformation matrices of each derived analysis element; And calculating the initial deformation of the target structure by multiplying the transformation matrix for the entire target structure by the initial strain.

본 발명에서는, 구조물의 손상 특징을 반영하여 구조물의 국부적인 손상과 전체 거동 변화를 감지할 수 있는 중요 척도가 되는 변형률을 기반으로 구조해석모델을 구성하고, 대상 구조물의 복수개의 많은 계측점에서 실시간으로 측정된 변형률 계측값과, 설정해둔 구조해석모델을 이용하여 구조물의 손상여부 및 손상위치를 파악하게 된다. In the present invention, a structural analysis model is constructed based on a strain that becomes an important measure to detect a local damage and a change in the overall behavior of a structure by reflecting the damage characteristics of the structure, and in real time at a plurality of measurement points of the target structure. Using the measured strain measurement value and the set structural analysis model, it is possible to determine whether the structure is damaged or not.

따라서 본 발명에 의하면, 구조물의 손상에 대응할 수 있는 적절한 방안을 선제적으로 준비하고 대비할 수 있게 되며, 구조물을 더욱 안전하게 유지관리할 수 있게 된다. Therefore, according to the present invention, it is possible to preemptively prepare and prepare an appropriate method for responding to damage to the structure, and to maintain and maintain the structure more safely.

도 1은 본 발명에 따른 구조물의 손상여부 모니터링 방법의 구체적인 과정에 대한 개략적인 흐름도이다.
도 2는 도 1에 도시된 본 발명의 방법에 의해 구조물의 손상여부를 모니터링하는 본 발명의 장치에 대한 개략적인 구성도이다.
도 3은 본 발명이 적용되는 대상 구조물의 예시로서 2차원의 보(beam)에 변형률 계측 장치로서 분포형 광섬유 센서가 설치되어 있는 상태를 보여주는 개략도이다.
도 4는 본 발명에서 수행되는 초기 변형률의 초기 변형으로의 변환 단계의 구체적인 과정에 대한 개략적인 흐름도이다.
도 5는 구조해석모델의 형성을 위하여 도 3에 예시된 2차원의 보를 4개의 해석요소로 분할한 경우를 보여주는 개략도이다.
도 6은 구조해석모델의 형성을 위하여 도 3에 예시된 2차원의 보를 8개의 해석요소로 분할한 경우를 보여주는 개략도이다.
도 7은 도 5에 도시된 2차원의 보를 대상 구조물로 삼아서 4개의 해석요소로 분할하였을 때, 첫번째 해석요소만을 확대하여 보여주는 개략적인 부분확대도이다. 1 is a schematic flowchart of a specific process of a method for monitoring whether a structure is damaged according to the present invention.
FIG. 2 is a schematic configuration diagram of an apparatus of the present invention for monitoring the structure for damage by the method of the present invention shown in FIG. 1.
3 is a schematic diagram showing a state in which a distributed optical fiber sensor is installed as a strain measuring device in a beam of two-dimensional as an example of a target structure to which the present invention is applied.
4 is a schematic flowchart of a specific process of the step of converting the initial strain to the initial strain performed in the present invention.
FIG. 5 is a schematic diagram showing a case in which the two-dimensional beam illustrated in FIG. 3 is divided into four analysis elements to form a structural analysis model.
FIG. 6 is a schematic diagram showing a case in which the two-dimensional beam illustrated in FIG. 3 is divided into eight analysis elements to form a structural analysis model.
FIG. 7 is a schematic partial enlarged view showing only the first analysis element enlarged when the two-dimensional beam shown in FIG. 5 is used as a target structure and divided into four analysis elements.

이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부한 도면을 참조하여 설명한다. 본 발명은 도면에 도시된 실시예를 참고로 설명되었으나 이는 하나의 실시예로서 설명되는 것이며, 이것에 의해 본 발명의 기술적 사상과 그 핵심 구성 및 작용이 제한되지 않는다. Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described with reference to the accompanying drawings. Although the present invention has been described with reference to the embodiments shown in the drawings, it is described as one embodiment, whereby the technical spirit of the present invention and its core configuration and operation are not limited.

도 1에는 본 발명에 따른 "구조물의 손상여부 모니터링 방법"의 구체적인 과정에 대한 개략적인 흐름도가 도시되어 있으며, 도 2에는 도 1에 도시된 본 발명의 방법에 의해 구조물의 손상여부를 모니터링하는 본 발명의 장치에 대한 개략적인 구성도가 도시되어 있다. 도 2에서 화살표 K로 표시된 선은 변형률 계측 장치로부터 계측값이 전송되는 것을 의미한다. FIG. 1 shows a schematic flow chart of a specific process of the "structure damage monitoring method" according to the present invention, and FIG. 2 shows the structure monitoring damage by the method of the present invention shown in FIG. A schematic block diagram of the inventive device is shown. The line indicated by the arrow K in FIG. 2 means that the measured value is transmitted from the strain measuring device.

본 발명에 따른 "구조물의 손상여부 모니터링 장치"는 손상발생 여부를 모니터링하려는 대상 구조물(200)에 설치된 변형률 계측 장치(예를 들면, 분포형 광섬유 센서)(1), 및 상기한 변형률 계측 장치(1)로부터의 신호를 수신하여 대상 구조물(200)의 손상발생 여부의 모니터링을 위한 연산 및 일련의 실행과정을 수행하는 연산장치(100)를 포함하여 구성되는데, 연산장치(100)는 신호 수신부(10), 변형률-변형 변환 유닛(20), 강성행렬 도출 유닛(30), 및 구조물 손상 판단 유닛(40)을 포함하여 구성된다. 본 발명에서 연산장치(100)는 컴퓨터에서 구동되는 소프트웨어로 구현될 수 있다. 따라서 연산장치를 구성하는 상기한 신호 수신부(10), 변형률-변형 변환 유닛(20), 강성행렬 도출 유닛(30), 및 구조물 손상 판단 유닛(40)은 각각 저마다의 기능을 수행하기 위한 소프트웨어의 모듈로 구현될 수 있다. The "structure damage monitoring device" according to the present invention is a strain measuring device (for example, a distributed optical fiber sensor) 1 installed in the target structure 200 to monitor whether damage occurs, and the strain measuring device ( 1) comprises a computing device 100 that receives a signal from the target structure 200 for monitoring the occurrence of damage and performs a series of execution processes, the computing device 100 includes a signal receiving unit ( 10), a strain-strain transformation unit 20, a stiffness matrix derivation unit 30, and a structure damage determination unit 40. In the present invention, the computing device 100 may be implemented with software driven by a computer. Therefore, the above-described signal receiving unit 10, the strain-strain transformation unit 20, the stiffness matrix derivation unit 30, and the structure damage determination unit 40 constituting the computing device are each of software for performing their respective functions. It can be implemented as a module.

도 3에는 대상 구조물(200)의 예시로서 2차원의 보(beam)에 변형률 계측 장치(1)로서 분포형 광섬유 센서를 설치한 상태를 보여주는 개략도가 도시되어 있다. FIG. 3 is a schematic diagram showing a state in which a distributed optical fiber sensor is installed as a strain measuring device 1 in a two-dimensional beam as an example of the target structure 200.

본 발명에 의해 구조물의 손상여부를 모니터링하기 위해서는 우선, 분포형 광섬유 센서와 같이, 복수개의 계측점에서 변형률을 계측할 수 있는 변형률 계측 장치(1)를 대상 구조물(200)에 설치한 후, 대상 구조물(200)에 기지(旣知)의 초기 하중

Figure pat00001
을 재하하고 변형률 계측 장치를 이용하여 변형률 즉, 초기 변형률(strain)
Figure pat00002
을 계측한다(단계 S1). 변형률 계측 장치(1)는 복수개의 변형률 계측점을 가지고 있으므로, 초기 하중을 재하함에 따라 측정되는 초기 변형률은, 계측점의 갯수에 해당하는 복수개의 계측값으로 이루어진 벡터로 표현된다. 즉, 초기 변형률
Figure pat00003
은, 변형률 계측 장치의 계측점 각각 에서 계측된 변형률
Figure pat00004
를 성분으로 가지는 벡터로 표현되며, 구체적으로,
Figure pat00005
형태가 된다. In order to monitor the structure for damage according to the present invention, first, after installing a strain measuring device 1 capable of measuring strain at a plurality of measurement points, such as a distributed optical fiber sensor, in the target structure 200, the target structure The initial load of the base at (200)
Figure pat00001
And strain using the strain measuring device, that is, the initial strain (strain)
Figure pat00002
Is measured (step S1). Since the strain measurement device 1 has a plurality of strain measurement points, the initial strain measured by loading the initial load is represented by a vector of a plurality of measurement values corresponding to the number of measurement points. That is, the initial strain
Figure pat00003
Silver, strain measured at each measuring point of the strain measuring device
Figure pat00004
It is expressed as a vector having as a component, specifically,
Figure pat00005
It becomes form.

계측된 초기 변형률

Figure pat00006
은 연산장치(100)의 신호 수신부(10)로 전송되고, 연산장치(100)에 구비된 변형률-변형 변환 유닛(20)으로 전달되어, 변형률-변형 변환 유닛(20)에서의 연산을 통해서 초기 변형률
Figure pat00007
을 초기 변형(deformation)
Figure pat00008
으로 변환하여 산출한다(단계 S2). Measured initial strain
Figure pat00006
Is transmitted to the signal receiving unit 10 of the computing device 100, is transmitted to the strain-strain conversion unit 20 provided in the computing device 100, the initial through the calculation in the strain-strain conversion unit 20 Strain
Figure pat00007
Deformation
Figure pat00008
Convert to and calculate (step S2).

도 4에는 본 발명에서 수행되는 초기 변형률의 초기 변형으로의 변환 단계의 구체적인 과정에 대한 개략적인 흐름도가 도시되어 있다. 변형률을 변형으로 변환함에 있어서는, 유한요소해석법을 이용할 수 있는데, 이를 구체적으로 살펴보면, 우선 대상 구조물(200)을 관리자가 정한 개수의 해석요소로 분할한다(단계 S2-1). 즉, 관리자는 대상 구조물(200)에 대해 유한요소해석법을 적용하기 위한 해석요소의 개수를 정하여 연산장치(100)에 입력하고, 그에 따라 변형률-변형 변환 유닛(20)은 유한요소해석법에서 적용되는 공지의 방식에 의해 대상 구조물을 관리자가 정한 개수의 해석요소로 분할하는 것이다. 4 is a schematic flow chart of a specific process of the step of converting the initial strain to the initial strain performed in the present invention. In converting the strain rate into deformation, a finite element analysis method can be used. Specifically, the target structure 200 is first divided into a number of analysis elements determined by the administrator (step S2-1). That is, the administrator determines the number of analysis elements for applying the finite element analysis method to the target structure 200 and inputs it to the calculation device 100, and accordingly the strain-strain transformation unit 20 is applied in the finite element analysis method. It is to divide the target structure into the number of analysis elements determined by the administrator by a known method.

해석요소 개수가 작아질수록, 즉 해석요소가 커질수록 해석요소 내의 계측된 변형률이 평균되는 효과가 나타난다. 따라서 변형률이 변형에 미치는 영향을 세세하게 파악하려는 경우에는, 해석요소 개수를 증가시켜서 요소크기를 작게 하고, 평균적인 변형을 파악하려는 경우에는 해석요소의 개수를 줄여서 요소 크기를 크게 하면 된다. 도 5 및 도 6에는 각각 도 3에 예시된 2차원의 보(beam)를 각각 4개의 해석요소로 분할한 경우(도 5)와 8개의 해석요소로 분할한 경우(도 6)을 보여주는 개략도가 도시되어 있다. The smaller the number of analysis elements, i.e., the larger the analysis element, the more the effect of the average strain measured in the analysis element. Therefore, if you want to grasp the effect of strain on the deformation in detail, increase the number of analysis elements to make the element size small, and if you want to understand the average deformation, you can decrease the number of analysis elements to increase the element size. 5 and 6 are schematic diagrams showing a case in which the two-dimensional beam illustrated in FIG. 3 is divided into four analysis elements (FIG. 5) and eight analysis elements (FIG. 6), respectively. It is shown.

해석요소로의 분할이 완료된 후에는, 변형률-변형 변환 유닛(20)에서는, 각 해석요소에 대해 <절점 변형>과 해당 해석요소 내에 존재하는 <변형률 계측점에서의 변형률> 사이의 관계를 나타내는 변환행렬을 도출하는 연산을 수행한다(단계 S2-2). After the division into analysis elements is completed, in the strain-strain transformation unit 20, for each analysis element, a transformation matrix showing the relationship between <node deformation> and <strain at the strain measurement point> present in the analysis element The operation to derive is performed (step S2-2).

각 해석요소에서의 절점 변형과, 변형률 계측점에서의 변형률 사이의 관계는 기본적으로 아래의 수학식 1로 표현될 수 있다. The relationship between the node deformation at each analysis element and the strain at the strain measurement point can be basically expressed by Equation 1 below.

Figure pat00009
Figure pat00009

위의 수학식 1에서

Figure pat00010
는, 대상 구조물에 대해 분할한 해석요소 중에서 하나의 해석요소의 "절점 변형"을 의미하며,
Figure pat00011
는 해당 해석요소에 내에 존재하는 변형률 계측점의 변형률 즉, "계측점의 변형률"을 의미하며,
Figure pat00012
는 해당 해석요소의 "변환행렬"을 의미한다. 대상 구조물은 유한요소해석을 위한 복수개의 해석요소로 분할된 상태이고 복수개의 절점과 복수개의 변형률 계측점을 가지고 있으므로, 위 수학식 1의 절점 변형
Figure pat00013
는 벡터로 표현되며, 계측점의 변형률
Figure pat00014
역시 벡터로 표현되며, 변환행렬
Figure pat00015
는 복수개의 행과 열을 가지는 행렬로 표현된다. In Equation 1 above
Figure pat00010
Means "nodal deformation" of one of the analysis elements divided for the target structure,
Figure pat00011
Denotes the strain of the strain measuring point present in the corresponding analysis element, that is, "strain of the measuring point",
Figure pat00012
Means "transformation matrix" of the corresponding analysis element. Since the target structure is divided into a plurality of analysis elements for finite element analysis and has a plurality of nodes and a plurality of strain measurement points, the node deformation in Equation 1 above
Figure pat00013
Is expressed as a vector, and the strain of the measuring point
Figure pat00014
Also expressed as a vector, transformation matrix
Figure pat00015
Is represented by a matrix having multiple rows and columns.

도 7에는 도 5에 도시된 2차원의 보(beam)를 대상 구조물로 삼아서 4개의 해석요소로 분할하였을 때, 첫번째 해석요소만을 확대하여 도시한 것인데, 도 7에 도시된 것처럼 첫번째 해석요소에는 도 5에서 영문자

Figure pat00016
과
Figure pat00017
로 표시된 2개의 절점을 가지며, 각각의 절점에서는 수평 변형
Figure pat00018
와 수직 변형
Figure pat00019
, 그리고 회전 변형
Figure pat00020
이 발생하므로, 이 경우 수학식 1에서
Figure pat00021
로 표시된 해당 해석요소에서의 "절점 변형"은 아래의 수학식 2와 같이 표현될 수 있다. 도 7에서
Figure pat00022
와
Figure pat00023
는 각각 변형률 계측점의 좌표를 나타내며,
Figure pat00024
,
Figure pat00025
,
Figure pat00026
, ...는 각 변형률 계측점에서 계측된 초기 변형률 값을 나타낸다. In FIG. 7, when the two-dimensional beam shown in FIG. 5 is used as a target structure and is divided into four analysis elements, only the first analysis element is enlarged and illustrated, as shown in FIG. 7. 5 to English characters
Figure pat00016
and
Figure pat00017
It has 2 nodes marked with, and each node has horizontal deformation
Figure pat00018
And vertical deformation
Figure pat00019
, And rotational deformation
Figure pat00020
In this case, in Equation 1,
Figure pat00021
The "node deformation" in the corresponding analysis element represented by can be expressed as Equation 2 below. In Figure 7
Figure pat00022
Wow
Figure pat00023
Denotes the coordinates of each strain measurement point,
Figure pat00024
,
Figure pat00025
,
Figure pat00026
, ... indicates the initial strain value measured at each strain measurement point.

변환행렬

Figure pat00027
는 다양한 공지의 제안식으로 표현할 수 있는데, 예를 들어 오일러-베르누이 빔(Euler-Bernoulli beam)에 대한 제안식을 이용하는 경우, 변환행렬
Figure pat00028
에서 좌표
Figure pat00029
,
Figure pat00030
의 변형률 계측점에 대한 변환행렬 값
Figure pat00031
는 아래의 수학식 3 및 수학식 4로 표현될 수 있다. Transformation matrix
Figure pat00027
Can be expressed by various well-known proposal formulas, for example, when using the proposed formula for Euler-Bernoulli beam, the transformation matrix
Figure pat00028
Coordinates
Figure pat00029
,
Figure pat00030
Transformation matrix values for the strain measurement points of
Figure pat00031
Can be expressed by Equation 3 and Equation 4 below.

Figure pat00032
Figure pat00032

Figure pat00033
Figure pat00033

Figure pat00034
Figure pat00034

위 수학식 2에서

Figure pat00035
,
Figure pat00036
및
Figure pat00037
은 각각 절점
Figure pat00038
에서의 수평 변형, 수직 변형, 및 회전 변형을 의미하며,
Figure pat00039
,
Figure pat00040
및
Figure pat00041
은 각각 절점
Figure pat00042
에서의 수평 변형, 수직 변형, 및 회전 변형을 의미한다. 그리고 수학식 4에서
Figure pat00043
은 해당 해석요소의 길이를 의미한다. In Equation 2 above
Figure pat00035
,
Figure pat00036
And
Figure pat00037
Each node
Figure pat00038
Means horizontal deformation, vertical deformation, and rotation deformation in
Figure pat00039
,
Figure pat00040
And
Figure pat00041
Each node
Figure pat00042
In the horizontal deformation, vertical deformation, and rotational deformation. And in Equation 4
Figure pat00043
Means the length of the corresponding analysis element.

위와 같이 변환행렬은 해당 해석요소의 기하적인 형상과 변형률 계측점의 좌표를 이용한 공지의 제안식으로 표현되는데, 해당 해석요소의 기하적인 형상에 대한 값과, 변형률 계측점의 좌표를 해석을 수행하는 관리자가 이미 알고 있는 값으로서 연산장치(100)에 입력된 것이므로, 연산장치(100)의 변형률-변형 변환 유닛(10)에서는 이러한 기지의 값을 이용하여 하나의 해석요소에 내에 있는 각각의 변형률 계측점에 대한 연산을 통해서, 각 변형률 계측점에서의 변환행렬 값을 산출하고, 이것을 행렬로 표현하여 "해당 해석요소에 대한 변환행렬"을 도출한다.As above, the transformation matrix is expressed as a well-known proposal using the geometry of the analysis element and the coordinates of the strain measurement point, and the administrator performing analysis of the value of the geometry and the coordinates of the strain measurement point Since it is a value that is already known and is input to the calculation device 100, the strain-strain conversion unit 10 of the calculation device 100 uses this known value for each strain measurement point in one analysis element. Through calculation, the transformation matrix values at each strain measurement point are calculated and expressed as a matrix to derive the "transformation matrix for the corresponding analysis element".

대상 구조물(200)은 복수개의 해석요소로 분할되어 있으므로, 연산장치(100)의 변형률-변형 변환 유닛(20)에서는 해석요소에 대한 변환행렬의 도출작업을 각 해석요소에 대해 반복적으로 수행하고, 이에 의해 도출된 각 해석요소의 변환행렬을 통합함으로써 전체 대상 구조물에 대한 변환행렬

Figure pat00044
을 도출한다(단계 S2-3). 전체 대상 구조물에 대한 변환행렬
Figure pat00045
이 도출되면, 위의 수학식 1에 따라 아래의 수학식 5의 관계가 성립하게 된다. Since the target structure 200 is divided into a plurality of analysis elements, the strain-strain transformation unit 20 of the computing device 100 repeatedly performs a derivation of the transformation matrix for the analysis elements for each analysis element, By transforming the transformation matrix of each analysis element derived by this, the transformation matrix for the entire target structure
Figure pat00044
Is derived (step S2-3). Transformation matrix for all target structures
Figure pat00045
When this is derived, the relationship of Equation 5 below is established according to Equation 1 above.

Figure pat00046
Figure pat00046

위 수학식 5에서,

Figure pat00047
는 위에서 설명한 과정에 의해 전체 대상 구조물에 대해 도출해낸 변환행렬이고,
Figure pat00048
는 벡터로 표현된 초기 변형률(strain)이며,
Figure pat00049
는 벡터로 표현된 대상 구조물의 초기 변형(deformation)이다. In Equation 5 above,
Figure pat00047
Is a transformation matrix derived for the entire target structure by the process described above,
Figure pat00048
Is the initial strain expressed as a vector,
Figure pat00049
Is the initial deformation of the target structure represented by the vector.

단계 S1을 통해서 초기 변형률(strain)

Figure pat00050
을 계측하여 취득한 상태이고, 위의 단계 S2-2를 통해서 대상 구조물의 변환행렬
Figure pat00051
을 도출하였으므로, 연산장치(100)의 변형률-변형 변환 유닛(10)에서는 수학식 5의 연산을 통해서, 대상 구조물의 초기 변형(deformation)
Figure pat00052
을 산출한다(단계 S2-4). 산출된 초기 변형
Figure pat00053
은, 앞서 언급한 것처럼 벡터로 표현된다. Initial strain through step S1
Figure pat00050
It is obtained by measuring and the transformation matrix of the target structure through step S2-2 above.
Figure pat00051
Since it is derived, in the strain-strain conversion unit 10 of the computing device 100, through the calculation of Equation 5, the initial deformation of the target structure
Figure pat00052
Calculates (step S2-4). Initial variation calculated
Figure pat00053
Is represented as a vector as mentioned above.

이와 같이, 계측된 초기 변형률

Figure pat00054
을 변환하여 초기 변형
Figure pat00055
을 산출한 후에는, 연산장치(100)에 구비된 강성행렬 도출 유닛(30)에서는 연산을 통해서, 대상 구조물의 하중에 대한 응답특성을 나타내는 초기 강성행렬
Figure pat00056
을 도출한다(단계 S3). Thus, the measured initial strain
Figure pat00054
Transform to transform the initial
Figure pat00055
After calculating, the stiffness matrix derivation unit 30 provided in the calculating device 100 performs an initial stiffness matrix indicating the response characteristic to the load of the target structure through calculation.
Figure pat00056
Is derived (step S3).

대상 구조물의 초기 변형

Figure pat00057
와 대상 구조물에 가해진 초기 하중
Figure pat00058
는 아래의 수학식 6으로 표현되는 관계를 가진다. 여기서, 초기 하중은 벡터이므로, 편의상 영어 대문자를 사용하여
Figure pat00059
로 표현하였다. Initial deformation of the target structure
Figure pat00057
And the initial load applied to the target structure
Figure pat00058
Has a relationship expressed by Equation 6 below. Here, since the initial load is a vector, use English capital letters for convenience.
Figure pat00059
Expressed as

Figure pat00060
Figure pat00060

위의 수학식 6에서

Figure pat00061
는 초기 강성행렬로서, 이는 대상 구조물의 강성
Figure pat00062
와, 대상 구조물의 지지조건을 나타내는 스프링상수
Figure pat00063
의 함수이며, 초기 강성행렬의 수학적 함수 형태는 다양한 것이 이미 제안되어 공지되어 있다. 참고로 유한요소해석법에서는 대상 구조물이 지지되고 있는 지지조건을 스프링 상수로 표현할 수 있다. 벡터로 표현되는 초기 하중
Figure pat00064
는, 스칼라 값으로서 초기에 재하한 기지의 하중 값
Figure pat00065
와 하중 재하 위치로부터 공지의 기술을 통해 쉽게 구성할 수 있다. In Equation 6 above,
Figure pat00061
Is the initial stiffness matrix, which is the stiffness of the target structure.
Figure pat00062
Wow, spring constant indicating the support condition of the target structure
Figure pat00063
It is a function of, and various types of mathematical functions of the initial stiffness matrix have been proposed and known. For reference, in the finite element analysis method, the support condition that the target structure is supported can be expressed as a spring constant. Initial load expressed as a vector
Figure pat00064
Is a scalar value, and a known load value initially loaded
Figure pat00065
And can be easily constructed from known loading positions through known techniques.

대상 구조물에 대한 초기 강성행렬

Figure pat00066
은 미지의 상태이지만, 대상 구조물의 초기 변형
Figure pat00067
과 대상 구조물에 가해진 초기 하중
Figure pat00068
은, 변형률 계측 장치를 이용한 계측과 상기한 연산 과정을 통해서 도출되어 기지 상태의 것이다. 따라서, 강성행렬 도출 유닛(30)에서는, 관리자가 지정한 초기 강성행렬의 수학적 함수에 대해 최적화기법의 연산을 수행함으로써, 초기 강성행렬
Figure pat00069
을 도출하게 된다. Initial stiffness matrix for the target structure
Figure pat00066
Is unknown, but the initial deformation of the target structure
Figure pat00067
And initial load applied to the target structure
Figure pat00068
Is derived and known through the measurement using the strain measuring device and the above-described calculation process. Therefore, in the stiffness matrix derivation unit 30, the initial stiffness matrix is performed by performing an operation of the optimization technique on the mathematical function of the initial stiffness matrix designated by the administrator.
Figure pat00069
Is derived.

구체적으로 강성행렬 도출 유닛(30)에서는 관리자가 지정한 초기 강성행렬의 수학적 함수에 대하여, 대상 구조물의 강성

Figure pat00070
의 값과 대상 구조물의 스프링상수
Figure pat00071
값을 변화시켜가면서 연산을 수행하여 수학식 7을 만족하게 되는 대상 구조물의 초기 강성 값
Figure pat00072
과 대상 구조물의 초기 스프링상수 값
Figure pat00073
를 찾아내는 것이며, 이렇게 찾아진 대상 구조물의 초기 강성 값
Figure pat00074
과 대상 구조물의 초기 스프링상수 값
Figure pat00075
에 의해 초기 강성행렬
Figure pat00076
을 도출하게 되는 것이다. Specifically, in the stiffness matrix derivation unit 30, the stiffness of the target structure with respect to the mathematical function of the initial stiffness matrix designated by the administrator
Figure pat00070
And the spring constant of the target structure
Figure pat00071
The initial stiffness value of the target structure that satisfies Equation 7 by performing the operation while changing the value
Figure pat00072
And initial spring constant value of target structure
Figure pat00073
The initial stiffness value of the target structure thus found
Figure pat00074
And initial spring constant value of target structure
Figure pat00075
By initial stiffness matrix
Figure pat00076
Is to derive.

Figure pat00077
Figure pat00077

위의 단계 S3에 의해 도출된 초기 강성행렬

Figure pat00078
은, 초기 상태의 대상 구조물과 동일한 구조적 거동 및 구조적 응답(대상 구조물의 응답특성)을 보일 수 있는 "구조해석모델"이 된다. Initial stiffness matrix derived by step S3 above
Figure pat00078
Becomes a "structure analysis model" that can exhibit the same structural behavior and structural response (response characteristics of the target structure) as the target structure in the initial state.

이와 같이, 초기 강성행렬

Figure pat00079
로 표현되는 대상 구조물에 대한 "구조해석모델"이 구축되면, 대상 구조물에 실제 사용 하중이 작용할 때의 변형률을 계측하고, 이에 근거하여 대상 구조물의 구조적 특성변화 여부를 파악함으로써, 구조물의 상태를 모니터링하게 된다. As such, the initial stiffness matrix
Figure pat00079
When the "structural analysis model" for the target structure represented by is established, the strain at the time of actual use load on the target structure is measured, and based on this, whether the structural characteristics of the target structure change or not is monitored. Is done.

구체적으로 시간

Figure pat00080
에서 대상 구조물(200)에 기지(旣知)의 사용 하중
Figure pat00081
이 재하될 때의 변형률(사용상태 변형률)
Figure pat00082
를 대상 구조물에 설치된 변형률 계측 장치를 이용하여 계측한다(단계 S4). Specifically time
Figure pat00080
The load of the base on the target structure 200
Figure pat00081
Strain when loaded (strain in use)
Figure pat00082
Is measured using a strain measuring device installed on the target structure (step S4).

계측된 사용상태 변형률

Figure pat00083
는 연산장치(100)의 신호 수신부(10)로 전송되고, 연산장치(100)에 구비된 변형률-변형 변환 유닛(20)으로 전달되어, 변형률-변형 변환 유닛(20)에서의 연산을 통해서, 계측된 사용상태 변형률
Figure pat00084
를 변환하여 사용상태 변형
Figure pat00085
를 산출한다(단계 S5). 앞서 단계 S2-2 및 단계 S2-3을 통해서 대상 구조물의 변환행렬
Figure pat00086
을 도출해둔 상태이므로, 변형률-변형 변환 유닛(20)에서는, 계측된 사용상태 변형률
Figure pat00087
과, 이미 도출해둔 대상 구조물의 변환행렬
Figure pat00088
을 이용한 수학식 5의 연산을 통해서 대상 구조물의 변형
Figure pat00089
을 산출한다. 즉, 수학식 5는 결국 아래의 수학식 8로 표현되므로, 계측된 사용상태 변형률
Figure pat00090
과, 이미 도출해둔 대상 구조물의 변환행렬
Figure pat00091
을 이용하여 수학식 8의 연산에 의한 변환을 수행함으로써, 대상 구조물의 변형
Figure pat00092
을 산출하는 것이다. Strain of measured use condition
Figure pat00083
Is transmitted to the signal receiving unit 10 of the computing device 100, is transmitted to the strain-strain conversion unit 20 provided in the computing device 100, through the calculation in the strain-strain conversion unit 20, Strain of measured use condition
Figure pat00084
Transforming the usage state by converting
Figure pat00085
Is calculated (step S5). Transformation matrix of target structure through step S2-2 and step S2-3
Figure pat00086
Since it is derived, the strain-to-strain conversion unit 20, the measured use state strain
Figure pat00087
And the transformation matrix of the target structure that has already been derived
Figure pat00088
Deformation of target structure through operation of equation (5)
Figure pat00089
Calculate That is, since Equation 5 is eventually expressed by Equation 8 below, the measured use state strain
Figure pat00090
And the transformation matrix of the target structure that has already been derived
Figure pat00091
Deformation of target structure by performing conversion by operation of equation (8) using
Figure pat00092
Is to calculate

Figure pat00093
Figure pat00093

연산장치(100)의 구조물 손상 판단 유닛(40)에서는, 산출된 대상 구조물의 변형

Figure pat00094
과, 그 때의 사용 하중
Figure pat00095
, 그리고 초기 강성행렬
Figure pat00096
의 형태로 도출해놓은 대상 구조물에 대한 "구조해석모델"을 이용하여 구조물의 손상 여부를 판단한다(단계 S6). In the structure damage determination unit 40 of the computing device 100, the calculated deformation of the target structure
Figure pat00094
And, the load used at that time
Figure pat00095
, And the initial stiffness matrix
Figure pat00096
It is determined whether the structure is damaged by using the "structural analysis model" for the target structure derived in the form of (step S6).

사용 하중

Figure pat00097
는 벡터로서, 재하된 사용 하중
Figure pat00098
과, 하중의 재하 위치로부터 공지의 기술을 통해 쉽게 구성할 수 있다. Working load
Figure pat00097
Is a vector, loaded load
Figure pat00098
And, it can be easily constructed through a known technique from the loading position.

앞서 설명한 수학식 6에 의하면, 사용 하중

Figure pat00099
과 그로 인하여 발생하는 대상 구조물의 변형
Figure pat00100
은 아래의 수학식 9의 관계를 가진다. According to Equation 6 described above, the load used
Figure pat00099
And the resulting deformation of the target structure
Figure pat00100
Has the relationship of Equation 9 below.

Figure pat00101
Figure pat00101

위의 수학식 9에서

Figure pat00102
는, 사용 하중
Figure pat00103
이 작용하고 있는 시간
Figure pat00104
일 때의 대상 구조물에 대한 "사용상태 강성행렬"이다. In Equation 9 above
Figure pat00102
, Working load
Figure pat00103
Time this is working
Figure pat00104
This is the "usage state stiffness matrix" for the target structure.

만일 사용 하중

Figure pat00105
이 작용하는 시간
Figure pat00106
의 시점에서, 대상 구조물에 균열 등의 손상이 발생하지 않았다면, 대상 구조물의 응답특성이 변화되지 않을 것이고, 결국 위 사용상태 강성행렬
Figure pat00107
은 초기 강성행렬
Figure pat00108
와 동일할 것이다. 반면에 사용 하중
Figure pat00109
이 작용하는 시간
Figure pat00110
의 시점에서 대상 구조물에 균열 등의 손상이 발생하였다면, 대상 구조물의 응답특성은 변화될 것이고, 위 사용상태 강성행렬
Figure pat00111
은 초기 강성행렬
Figure pat00112
와 다른 값을 가질 것이다. If using load
Figure pat00105
Time it works
Figure pat00106
At this point in time, if damage to the target structure, such as no crack, has not occurred, the response characteristics of the target structure will not change.
Figure pat00107
Is the initial stiffness matrix
Figure pat00108
Will be the same as On the other hand, working load
Figure pat00109
Time it works
Figure pat00110
If damage, such as cracks, occurs to the target structure at the point in time, the response characteristics of the target structure will change,
Figure pat00111
Is the initial stiffness matrix
Figure pat00112
And will have a different value.

이러한 점에 근거하여, 구조물의 손상 여부를 판단하기 위해서 구조물 손상 판단 유닛(40)에서는, 우선 아래의 수학식 10으로 표현되는

Figure pat00113
을 산출한다(단계 S6-1). Based on this point, in order to determine whether or not the structure is damaged, the structure damage determination unit 40 first expresses Equation 10 below.
Figure pat00113
Is calculated (step S6-1).

Figure pat00114
Figure pat00114

앞서 설명한 것처럼 사용 하중

Figure pat00115
이 작용하는 시간
Figure pat00116
의 시점에서 대상 구조물에 균열 등의 손상이 발생하지 않았다면 대상 구조물의 구조적 거동 및 구조적 응답은 변화되지 않을 것이므로 사용상태 강성행렬
Figure pat00117
은 초기 강성행렬
Figure pat00118
와 동일하게 되며, 따라서 위 수학식 7에서 산출된
Figure pat00119
는 0의 값이 될 것이다. 반면에 사용 하중
Figure pat00120
이 작용하는 시간
Figure pat00121
의 시점에서 대상 구조물에 균열 등의 손상이 발생하였다면, 대상 구조물의 응답특성(구조적 거동 및 구조적 응답)은 변화되므로 사용상태 강성행렬
Figure pat00122
은 초기 강성행렬
Figure pat00123
와 다른 값을 가지게 되어 위 수학식 7에서 산출된
Figure pat00124
는 0이 아닌 값을 가질 것이다. Working load as described above
Figure pat00115
Time it works
Figure pat00116
If the damage to the target structure does not occur at the point of time, the structural behavior and structural response of the target structure will not change, so the stiffness matrix
Figure pat00117
Is the initial stiffness matrix
Figure pat00118
It is the same as, and thus calculated from Equation 7 above
Figure pat00119
Will be the value of 0. On the other hand, working load
Figure pat00120
Time it works
Figure pat00121
If damage such as cracks occurs in the target structure at the point of time, the response characteristics (structural behavior and structural response) of the target structure change, so the stiffness matrix
Figure pat00122
Is the initial stiffness matrix
Figure pat00123
It has a different value from that calculated from Equation 7 above.
Figure pat00124
Will have a non-zero value.

따라서 구조물 손상 판단 유닛(40)에서는 산출된

Figure pat00125
을 기준으로 대상 구조물의 손상여부를 판단하여 그 판단결과를 관리자에게 전달하게 되는데, 산출된
Figure pat00126
의 값이 0(zero)일 경우에는 "구조물 손상 없음"으로 판단하고, 산출된
Figure pat00127
의 값이 0(zero)이 아닌 경우에는 "구조물 손상 발생"으로 판단하게 된다(단계 S6-2). 판단된 결과는 다양한 방식으로 관리자에게 통보된다. Therefore, the structure damage determination unit 40 is calculated
Figure pat00125
Based on this, it judges whether the target structure is damaged or not and delivers the judgment result to the manager.
Figure pat00126
When the value of is 0 (zero), it is judged as "no structural damage" and calculated
Figure pat00127
When the value of is not 0 (zero), it is determined as "structural damage occurs" (step S6-2). The determined result is notified to the manager in various ways.

위에서 설명한 것처럼, 본 발명에서는, 구조물의 손상 특징을 반영하여 구조물의 국부적인 손상과 전체 거동 변화를 감지할 수 있는 중요 척도가 되는 변형률을 기반으로 구조해석모델을 구성한다. 그리고 본 발명에서는 이렇게 구축된 구조해석모델과, 대상 구조물의 복수개의 많은 계측점에서 실시간으로 측정된 변형률 계측값을 이용하여 구조물의 손상여부를 판단하고 손상위치를 파악하게 된다. 따라서 본 발명에 의하면, 구조물의 손상에 대응할 수 있는 적절한 방안을 선제적으로 준비하고 대비할 수 있게 되며, 구조물을 더욱 안전하게 유지관리할 수 있게 되는 효과가 발휘된다. As described above, in the present invention, a structural analysis model is constructed based on a strain that becomes an important measure to detect a local damage and a change in overall behavior of a structure by reflecting the damage characteristics of the structure. In the present invention, the structure analysis model constructed in this way and the strain measurement values measured in real time at a plurality of measurement points of the target structure are used to determine whether the structure is damaged and to determine the location of the damage. Therefore, according to the present invention, it is possible to preemptively prepare and prepare an appropriate method to respond to the damage to the structure, and the effect of being able to maintain and maintain the structure more safely is exhibited.

10: 신호 수신부
20: 변형률-변형 변환 유닛
30: 강성행렬 도출 유닛
40: 구조물 손상 판단 유닛
100: 연산장치10: signal receiver
20: strain-strain conversion unit
30: stiffness matrix derivation unit
40: structure damage determination unit
100: computing device

Claims (4)

손상발생 여부 모니터링 대상 구조물에, 복수개 계측점에서 변형률을 계측할 수 있는 변형률 계측 장치를 배치하고, 대상 구조물에 기지의 초기 하중을 재하하고 변형률 계측 장치를 이용하여 초기 변형률을 계측하는 단계;
계측된 초기 변형률은, 신호 수신부, 변형률-변형 변환 유닛, 강성행렬 도출 유닛, 및 구조물 손상 판단 유닛을 포함하여 구성된 연산장치로 전송되고, 연산장치의 변형률-변형 변환 유닛에서 연산을 통해서 초기 변형률을 초기 변형으로 변환하여 산출하는 단계;
연산장치에 구비된 강성행렬 도출 유닛에서 연산을 통해서, 대상 구조물의 하중에 대한 응답특성을 나타내는 초기 강성행렬을 도출하는 단계;
관리자가 정한 시간에서 대상 구조물에 기지의 사용 하중이 재하될 때의 사용상태 변형률을 대상 구조물에 설치된 변형률 계측 장치를 이용하여 계측하는 단계;
계측된 사용상태 변형률은 연산장치로 전송되고, 연산장치의 변형률-변형 변환 유닛에서는 연산을 통해서 계측된 사용상태 변형률을 사용상태 변형으로 변환하여 사용상태 변형을 산출하는 단계; 및
연산장치의 구조물 손상 판단 유닛에서, 사용 하중, 산출된 사용상태 변형, 및 대상 구조물에 대한 구조해석모델로서 도출해놓은 초기 강성행렬을 이용하여 대상 구조물의 손상 여부를 판단하는 단계;를 포함하는 구성을 가지고 있어서,
변형률 계측과, 이를 기반으로 하는 구조해석모델을 이용하여 대상 구조물에 구조적인 손상이 발생하였는지 여부를 모니터링하고 판단하게 되는 것을 특징으로 하는 구조물의 손상여부 모니터링 방법.
Placing a strain measuring device capable of measuring strain at a plurality of measurement points on the structure to be monitored for damage, measuring an initial strain using a strain measuring device, loading a known initial load on the target structure;
The measured initial strain is transmitted to a calculation unit including a signal receiving unit, a strain-strain conversion unit, a stiffness matrix derivation unit, and a structure damage determination unit, and the initial strain is calculated through calculation in the strain-strain conversion unit of the calculation device. Converting to an initial transformation and calculating;
Deriving an initial stiffness matrix indicating a response characteristic to a load of a target structure through calculation in a stiffness matrix derivation unit provided in a computing device;
Measuring a strain in use state when a known use load is loaded on the target structure at a time determined by the manager using a strain measurement device installed on the target structure;
The measured use state strain is transmitted to the computing device, and the strain-strain conversion unit of the computing device converts the used state strain measured through calculation into a use state deformation to calculate a use state deformation; And
In the structural damage determination unit of the computing device, determining whether the target structure is damaged by using an initial stiffness matrix derived as a structural load model for the target structure, and the applied load, the calculated use state deformation; I have it,
A structural damage monitoring method characterized by monitoring and determining whether structural damage has occurred to a target structure by using strain measurement and a structural analysis model based thereon.
제1항에 있어서,
연산장치의 변형률-변형 변환 유닛에서, 초기 변형률을 초기 변형으로 변환하여 산출하는 단계는,
대상 구조물을 관리자가 정한 개수의 해석요소로 분할하는 과정;
분할된 각각의 해석요소에 대하여, 절점 변형과 해당 해석요소 내에 존재하는 <변형률 계측점에서의 변형률 사이의 관계를 나타내는 변환행렬을 연산하여 도출하는 과정;
도출된 각 해석요소의 변환행렬을 통합함으로써 전체 대상 구조물에 대한 변환행렬을 연산하여 도출하는 과정; 및
도출된 전체 대상 구조물에 대한 변환행렬에 초기 변형률을 곱하여 대상 구조물의 초기 변형을 산출하는 과정을 포함하는 것을 특징으로 하는 구조물의 손상여부 모니터링 방법.
According to claim 1,
In the strain-strain conversion unit of the computing device, the step of converting and calculating an initial strain to an initial strain is performed,
Dividing the target structure into a number of analysis elements determined by the administrator;
For each segmented analysis element, calculating and deriving a transformation matrix representing the relationship between the node deformation and the strain at the strain measurement point present in the analysis element;
Calculating and deriving a transformation matrix for the entire target structure by integrating the transformation matrices of each derived analysis element; And
A method for monitoring whether a structure is damaged or not, comprising multiplying the transformation matrix for the entire target structure by the initial strain to calculate the initial deformation of the target structure.
복수개 계측점에서 변형률을 계측할 수 있으며 손상발생 여부 모니터링 대상 구조물에 배치되어 있는 변형률 계측 장치, 및 상기 변형률 계측 장치로부터의 신호를 수신하여 대상 구조물의 손상여부 모니터링을 위한 연산을 수행하는 연산장치를 포함하여 구성되는데,
연산장치는 신호 수신부, 변형률-변형 변환 유닛, 강성행렬 도출 유닛, 및 구조물 손상 판단 유닛을 포함하며;
신호 수신부에서는, 대상 구조물에 기지의 초기 하중을 재하되었을 때 변형률 계측 장치에 의해 계측된 초기 변형률을 수신하고;
변형률-변형 변환 유닛에서는, 수신된 초기 변형률을 초기 변형으로 변환하여 산출하고;
강성행렬 도출 유닛에서는, 대상 구조물의 하중에 대한 응답특성을 나타내는 초기 강성행렬을 연산하여 도출하고;
변형률-변형 변환 유닛에서는, 관리자가 정한 시간에서 대상 구조물에 기지의 사용 하중이 재하될 때의 사용상태 변형률이 대상 구조물에 설치된 변형률 계측 장치에 의해 계측되어 전송되어 오면, 연산을 통해서 계측된 사용상태 변형률을 사용상태 변형으로 변환하여 사용상태 변형을 산출하고;
구조물 손상 판단 유닛에서는, 사용 하중, 산출된 사용상태 변형, 및 대상 구조물에 대한 구조해석모델로서 도출해놓은 초기 강성행렬을 이용하여 대상 구조물의 손상 여부를 판단하게 되어;
변형률 계측과, 이를 기반으로 하는 구조해석모델을 이용하여 대상 구조물에 구조적인 손상이 발생하였는지 여부를 모니터링하고 판단하게 되는 것을 특징으로 하는 구조물의 손상여부 모니터링 장치.
A strain measuring device capable of measuring strain at a plurality of measuring points and arranged in a structure to be monitored for damage, and a computing device receiving a signal from the strain measuring device and performing a calculation for monitoring the damage of the target structure It consists of
The computing device includes a signal receiving unit, a strain-strain transformation unit, a stiffness matrix derivation unit, and a structure damage determination unit;
The signal receiving unit receives the initial strain measured by the strain measuring device when the known initial load on the target structure is loaded;
In the strain-strain conversion unit, the received initial strain is converted to an initial strain and calculated;
In the stiffness matrix derivation unit, an initial stiffness matrix representing a response characteristic to a load of a target structure is calculated and derived;
In the strain-strain conversion unit, when a known use load is loaded on the target structure at a time determined by the administrator, when the strain is measured and transmitted by the strain measuring device installed in the target structure, the used state measured through calculation Converting the strain into a use state strain to calculate a use state strain;
In the structure damage determination unit, it is determined whether the target structure is damaged by using the applied load, the calculated use state deformation, and the initial stiffness matrix derived as a structural analysis model for the target structure;
A structure damage monitoring device characterized by monitoring and determining whether structural damage has occurred to a target structure using strain measurement and a structural analysis model based thereon.
제3항에 있어서,
변형률-변형 변환 유닛에서 초기 변형률을 초기 변형으로 변환하여 산출할 때에는,
대상 구조물을 관리자가 정한 개수의 해석요소로 분할하는 과정;
분할된 각각의 해석요소에 대하여, 절점 변형과 해당 해석요소 내에 존재하는 <변형률 계측점에서의 변형률 사이의 관계를 나타내는 변환행렬을 연산하여 도출하는 과정;
도출된 각 해석요소의 변환행렬을 통합함으로써 전체 대상 구조물에 대한 변환행렬을 연산하여 도출하는 과정; 및
도출된 전체 대상 구조물에 대한 변환행렬에 초기 변형률을 곱하여 대상 구조물의 초기 변형을 산출하는 과정을 포함하는 연산을 수행하는 것을 특징으로 하는 구조물의 손상여부 모니터링 장치.According to claim 3,
When the strain-strain conversion unit converts the initial strain to the initial strain and calculates it,
Dividing the target structure into a number of analysis elements determined by the administrator;
For each segmented analysis element, calculating and deriving a transformation matrix indicating the relationship between the node deformation and the strain at the strain measurement point present in the analysis element;
Calculating and deriving a transformation matrix for the entire target structure by integrating the transformation matrices of each derived analysis element; And
A structure damage monitoring apparatus characterized by performing an operation including a process of calculating an initial deformation of a target structure by multiplying a transform matrix for the entire target structure by an initial strain.
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