KR20200137678A - IoT기반 자기치유 보수 모르타르의 균열치유성능 모니터링시스템 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 콘크리트 구조물에 보수층을 구성함에 있어 자기치유 보수 모르타르를 적용하는 경우, IoT(Internet of Things) 사물인터넷 기술과 무선통신 서비스 기술을 접목하여 콘크리트 구조물의 균열은 물론 균열로 인한 자기치유 보수 모르타르의 자기치유 여부를 모니터링할 수 있는 IoT기반 자기치유 보수 모르타르의 균열치유성능 모니터링시스템에 관한 것으로, 상세하게는 자기치유 보수 모르타르 층이 형성된 콘크리트 구조물에 장착되어 콘크리트 구조물의 온도와 습도를 계측하고 계측한 계측데이터를 무선통신망을 통해 송신하는 하나 이상의 감지부; 상기 감지부에서 송신하는 계측데이터를 수신하고 이를 기설정된 기준값과 비교 분석하여 상기 콘크리트 구조물의 균열과 균열에 따른 상기 자기치유 보수 모르타르 층의 치유여부를 판단하는 분석서버; 및 상기 분석서버에서 처리되는 판단결과를 전달받고 이를 모니터링하는 모니터링부;를 포함하는 것이 특징이다.
Description
본 발명은 콘크리트 구조물에 보수층을 구성함에 있어 자기치유 보수 모르타르를 적용하는 경우, IoT(Internet of Things) 사물인터넷 기술과 무선통신 서비스 기술을 접목하여 콘크리트 구조물의 균열은 물론 균열로 인한 자기치유 보수 모르타르의 자기치유 여부를 모니터링할 수 있는 IoT기반 자기치유 보수 모르타르의 균열치유성능 모니터링시스템에 관한 것이다.
일반적으로 콘크리트는 지구상에서 가장 널리 사용되고 있는 건축 재료로 토목 및 건축, 플랜트에 이르기까지 대부분 현대의 구조물은 콘크리트를 사용하여 건설되고 있다.
콘크리트는 타설이나 성형 후 일정 기간이 지나면 그 성능이 점차 저하되면서 노후화된다. 특히 콘크리트에 균열(crack)이 발생하면 콘크리트 내부에 유해한 외기나 수분, 화학 성분이 침투하게 되어 콘크리트의 성능 저하를 더욱 촉진시키게 된다.
뿐만 아니라 콘크리트 내부에 침투한 수분, 염화물 이온 등에 의해 콘크리트 구조물 내부의 철근에 부식이 발생하여 추가적인 균열이 발생하거나 콘크리트가 탈락하는 현상이 일어날 수 있고, 철근 부식에 의해 철근 단면이 감소하여 성능이 저하됨으로써 종국에는 구조물이 붕괴하는 정도까지 이를 수 있는 문제가 있다.
이에 통상의 콘크리트 구조물은 지속적인 관리와 유지보수가 요구되며, 열화나 균열이 발생한 부위 또는 발생이 예측되는 부위에는 주기적인 보수가 이루어지게 되는데, 영구적인 보수가 아닌 동일한 악조건에 노출되어 있기 때문에 재열화나 재균열이 빈번하게 발생하여 재보수시에는 시공이 복잡하고 시공비가 증가하여 품질관리에 어려움이 있음.
따라서 보수 하자를 최소화하기 위해서는 보수모르타르의 내구성이 우수하고, 특히 보수모르타르의 균열을 최소화하는 균열 발생 억제 및 치유 할 수 있는 기능을 갖는 자기치유 보수모르타르의 개발이 요구되고 있는 실정이다.
근래 들어 국내,외에서는 콘크리트 스스로 균열 치유가 가능한 자기치유 콘크리트의 개발연구가 진행되고 있으며, 현장 선 도입 단계로 자기치유 모르타르를 보수재로 활용하여 그 자기 치유 성능을 입증한다면 향후 자기치유 콘크리트의 실용화에도 긍정적인 영향을 미칠 것으로 기대된다.
그러나 자기치유 모르타르 등의 보수재를 콘크리트 구조물에 적용 및 상용화하기에 앞서 콘크리트 구조물의 균열 발생은 물론 자기치유 모르타르의 자기치유 여부와 그 정도를 판단하기 위해서는 관리자에 의한 정기적인 육안검사 외의 방법이 전무하므로, 대형 구조물의 경우 많은 인력 투입의 요구되고 그에 따른 시간과 유지보수 비용이 증가하게 된다.
이처럼 현재에는 자기치유 모르타르를 적용한 콘트리트 구조물에서 자기치유 정도를 모니터링 하는 방법이 없는 바, 콘크리트 구조물의 효과적인 보수·유지 관리를 위해서는 4차 산업혁명 요구에 부합하는 IoT 기반으로 자기치유 보수 모르타르의 치유여부 및 정도 등을 진단 및 모니터링하는 콘크리트 구조물의 유지관리 시스템의 도입이 시급한 실정이다.
따라서 본 발명의 목적은 콘크리트 구조물에 보수층을 구성함에 있어 자기치유 보수 모르타르를 적용하는 경우, IoT(Internet of Things) 사물인터넷 기술과 무선통신 서비스 기술을 접목하여 콘크리트 구조물의 균열은 물론 균열로 인한 자기치유 보수 모르타르의 자기치유 여부를 모니터링할 수 있는 IoT기반 자기치유 보수 모르타르의 균열치유성능 모니터링시스템을 제공하는 것이다.
상술한 문제점들을 해결하기 위한 수단으로서 본 발명의 IoT기반 자기치유 보수 모르타르의 균열치유성능 모니터링시스템(이하 '본 발명의 모니터링시스템'이라 칭함)은, 자기치유 보수 모르타르 층이 형성된 콘크리트 구조물에 장착되어 콘크리트 구조물의 온도와 습도를 계측하고 계측한 계측데이터를 무선통신망을 통해 송신하는 하나 이상의 감지부; 상기 감지부에서 송신하는 계측데이터를 수신하고 이를 기설정된 기준값과 비교 분석하여 상기 콘크리트 구조물의 균열과 균열에 따른 상기 자기치유 보수 모르타르 층의 치유여부를 판단하는 분석서버; 및 상기 분석서버에서 처리되는 판단결과를 전달받고 이를 모니터링하는 모니터링부;를 포함하는 것이 특징이다.
하나의 예로써, 상기 감지부는, 상기 콘크리트 구조물의 수분함량 정도를 계측하고 계측된 계측데이터를 출력하는 습도센서와 자기치유 보수 모르타르의 치유과정에서 발생하는 경화열을 계측하고 계측된 계측데이터를 출력하는 온도센서를 포함하는 센서모듈와, 상기 센서모듈에서 출력되는 계측데이터를 수집하고 무선통신망을 통해 수집된 계측데이터를 상기 분석서버로 송신하도록 명령하는 데이터로거가 일체화로 구성된 것이 특징이다.
하나의 예로써, 상기 센서모듈은, 콘크리트 구조물에 밀착되는 밀착면을 가지고 상기 콘크리트 구조물에 부착되어 상시 진동을 계측하며 계측된 계측데이터를 출력하는 진동가속도센서와, 탄성재질로 상기 진동가속도센서의 밀착면을 제외한 외곽에 도포되는 외부신호제어코팅부를 더 포함하되, 상기 외부신호제어코팅부는, 상기 진동가속도센서의 밀착면을 제외한 외주연에 도포되며 다공을 형성하는 탄성재질의 내충격코팅층 및 상기 내충격코팅층에 도포되는 발수코팅층이 포함되는 것이 특징이다.
하나의 예로써, 상기 내충격코팅층에는 다공성 폴리우레탄수지에 질산암모늄과 보강섬유가 포함되는 것이 특징이다.
하나의 예로써, 상기 분석서버는, 상기 감지부에서 송신하는 계측데이터를 수신하고 이를 분석하여 콘크리트 구조물에 대한 동특성과 안전성을 더 판단하는 것이 특징이다.
하나의 예로써, 상기 분석서버는, 상기 센서모듈의 진동가속도센서의 계측데이터를 수신하여 신호 처리를 수행하는 신호처리부; 상기 신호처리부에 의해 신호 처리가 수행된 계측데이터에 대해 파형 및 스펙트럼을 분석하고 분석된 파형 및 스펙트럼에 대한 통계 처리를 수행하여 출력하는 신호분석부; 상기 신호처리부에 의해 신호 처리가 수행된 계측데이터에 대해 FFT 연산없이 시간 영역(time domain) 상에서 공간변수인 모드형상(mode shape)을 추출하고, 상기 추출된 모드형상을 이용하여 상기 신호처리부에 의해 신호 처리가 수행된 계측데이터에 대해 FFT(fast Fourier Transform) 연산을 수행하여 시간 변수인 고유진동수 및 감쇠비를 추출하는 TDD(time domain decomposition)부; 및 상기 TDD부에 의해 추출된 고유 진동수 및 감쇠비와 모드 형상을 이용하여 상기 콘크리트 구조물의 손상 위치 및 손상 정도를 판단하는 손상판단부;를 포함하는 것이 특징이다.
이와 같이 본 발명의 IoT기반 자기치유 보수 모르타르의 균열치유성능 모니터링시스템은, 콘크리트 구조물에 보수층을 구성함에 있어 자기치유 보수 모르타르를 적용하는 경우, IoT 사물인터넷 기술과 무선통신 서비스 기술을 접목하여 콘크리트 구조물의 균열은 물론 균열로 인한 자기치유 보수 모르타르의 자기치유 여부를 현장이 아닌 원격지에서 용이하게 모니터링할 수 있으므로 더욱 효율적인 보수와 유지 관리를 수행할 수 있게 되는 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 모니터링시스템을 개략적으로 나타내는 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 구성인 감지부의 세부구성을 나타내는 블록도이다.
도 3은 본 발명의 일 구성인 분석서버의 세부구성을 나타내는 블록도이다.
도 4는 도 2에 도시된 센서모듈의 일 예를 도시하는 측단면도이다.
도 2는 본 발명의 일 구성인 감지부의 세부구성을 나타내는 블록도이다.
도 3은 본 발명의 일 구성인 분석서버의 세부구성을 나타내는 블록도이다.
도 4는 도 2에 도시된 센서모듈의 일 예를 도시하는 측단면도이다.
이하, 본 발명의 구성 및 작용을 첨부된 도면에 의거하여 좀 더 구체적으로 설명한다. 본 발명을 설명함에 있어서, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 발명자가 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다.
도 1은 본 발명의 모니터링시스템을 개략적으로 나타내는 도면이이고, 도 2는 본 발명의 일 구성인 감지부의 세부구성을 나타내는 블록도이다. 그리고 도 3은 본 발명의 일 구성인 분석서버의 세부구성을 나타내는 블록도이며, 도 4는 도 2에 도시된 센서모듈의 일 예를 도시하는 측단면도이다.
도 1을 참조하면 본 발명의 시스템은, 하나 이상의 감지부(100)와, 분석서버(200) 및 모니터링부(300)를 포함하여 구성될 수 있다.
상기 감지부(100)는 자기치유 보수 모르타르 층(20)이 형성된 콘크리트 구조물(10)에 장착되어 콘크리트 구조물(10)의 온도와 습도를 계측하고, 계측한 계측데이터를 무선 통신망을 통해 송신할 수 있다.
상기 자기치유 보수 모르타르 층(20)은 콘크리트 구조물(10)의 열화 및 균열 예측 부위에 보수 목적으로 타설되는 것일 수 있다.
일 예로, 자기치유 보수 모르타르는 수분과 반응하는 분말 형태의 무기재료를 응집제 등을 활용하여 캡슐형태로 제조된 자기 치유 캡슐(21)이 포함될 수 있으며, 균열 발생에 따른 수분 공급에 작용하여 자기 치유 캡슐(21) 내부의 무기재료가 유출되면서 경화가 됨으로써 균열 부위에 대한 자기 치유 효과가 발현되는 것일 수 있다.
상기 자기치유 보수 모르타르 층(20)이 보수층으로서 적용된 경우, 상기 감지부(100)는 온도와 습도를 각각 계측하고 이러한 계측데이터를 분석서버(200)로 제공함으로써 분석서버(200)로 하여금 콘크리트 구조물(10)에 대한 균열과 자기치유 여부 등을 판단할 수 있는 기초데이터로 활용되도록 한다.
이때 상기 감지부(100)는 사전 조사를 통한 콘크리트 구조물(10)의 주요 부위에 설치될 수 있다. 예를 들면 보수 대상 부재나 취약 부재로 선정된 위치에 적어도 하나 이상의 감지부(100)가 설치되는 것이 바람직하다.
한편 상기 감지부(100)은 앞서 설명한 바와 같이 콘크리트 구조물(10)의 온도와 습도를 계측하고 계측한 계측데이터를 무선 통신망을 통해 송신할 수 있다.
즉, 상기 감지부(100)는 무선 통신 플랫폼을 이용한 데이터 전송으로 종래 케이블 포설 동반에 따른 인력과 비용을 절감하면서 이동성 확보 및 설치의 간소화를 구현할 수 있게 된다.
도 2를 참조하면 상기 감지부(100)는 센서모듈(110)과 데이터로거(120)를 포함하여 구성될 수 있다.
상기 센서모듈(110)은 상기 콘크리트 구조물(10)의 수분함량 정도를 계측하고 계측된 계측데이터를 출력하는 습도센서(111)와 자기치유 보수 모르타르의 치유과정에서 발생하는 경화열을 계측하고 계측된 계측데이터를 출력하는 온도센서(112)를 포함할 수 있다.
그리고 상기 데이터로거(120)는 상기 센서모듈(110)에서 출력되는 계측데이터를 수집하고 수집된 계측데이터를 상기 분석서버(200)로 송신하도록 명령할 수 있다.
상기 데이터로거(120)는 무선 통신을 지원하는 통신모듈이 탑재되어 무선 통신망을 통해 수집된 계측데이터를 상기 분석서버(200)로 송신할 수 있다.
이때 상기 언급한 통신망은 인터넷 프로토콜(IP, Internet Protocol)을 통하여 대용량 데이터의 송수신 서비스 및 끊기는 현상이 없는 데이터 서비스를 제공하는 아이피망으로 아이피를 기반으로 서로 다른 망을 통합한 아이피망 구조인 올 아이피(All IP)망, 이동통신망(CDMA, 2G, 3G, 4G, LTE), Wibro(Wireless Broadband)망, HSDPA(High Speed Downlink Packet Access)망, 위성통신망 및 와이파이(WI-FI, Wireless Fidelity)망 중 적합한 어느 하나일 수 있다.
이러한 감지부(100)는 복수로 구성되어 콘크리트 구조물(10)의 선택된 주요 부위에 각각 설치될 수 있으며, 고유의 식별정보를 계측데이터와 함께 송신함으로써 이하에서 설명하는 분석서버(200)로부터 식별이 가능하도록 구성될 수 있다.
이때 상기 감지부(100)는 하나의 PCB(printed circuit board) 설계를 통해 상기 센서모듈(110)과 데이터로거(120)가 일체화로 구성되는 것이 바람직하다.
상기 분석버서(200)는 상기 감지부(100)에서 송신하는 계측데이터를 수신하고 이를 기설정된 기준값과 비교 분석하여 상기 콘크리트 구조물(10)의 균열과 균열에 따른 상기 자기치유 보수 모르타르 층(20)의 치유여부를 판단할 수 있다.
구체적으로 상기 분석서버(200)는 상기 센서모듈(110)의 습도센서(112)의 계측데이터를 기설정된 기준 습도값과 비교 분석하여 계측된 습도값이 기준 습도값을 초과하는 경우 이를 콘크리트 구조물(10)의 균열로 판단할 수 있다.
즉 상기 분석서버(200)는 콘크리트 구조물(10)의 수분 침투를 계측된 습도를 통해 판단할 수 있으며 이러한 콘크리트 구조물(10)의 양생 후 초기 습도의 변경 여부를 균열 여부를 판단할 수 있게 된다.
또한 상기 분석서버(200)는 상기 센서모듈(110)의 온도센서(111)의 계측데이터를 기설정된 기준 습도값과 비교 분석하여 계측된 온도값이 기준 온도값을 초과하는 경우 이를 자기치유 보수 모르타르가 정상적으로 치유 과정 중임을 판단할 수 있다.
즉 상기 분석서버(200)는 자기치유 보수 모르타르의 무기재료가 균열층에 정상적으로 침투되어 경화과정에서 발생하는 경화열에 의해 온도값이 상승함을 통해 치유여부를 판단할 수 있으며, 온도값의 변화를 통해 치유성능을 예측할 수 있게 된다.
이처럼 본 발명의 시스템에서는 자기치유 보수 모르타르를 적용한 콘크리트 구조물(10)에 있어 자기치유 정도를 모니터링함으로써 콘크리트 구조물(10)의 효과적인 보수와 유지관리를 도모할 수 있게 되고, 특히 자기치유 보수 모르타르의 균열 치유성능 모니터링과 더불어 상기 감지부(100)의 계측데이터에 대한 누적데이터를 통해 시간 경과에 따른 보수 단면의 상태 변화가 예측 가능하여 이를 모니터링함으로써 더욱 효과적인 보수 관리를 수행할 수 있게 된다.
상기 모니터링부(300)는 상기 분석서버(200)에서 처리되는 판단결과를 전달받고 이를 표시하여 관리자로 하여금 상기 분석서버(200)의 처리 결과가 용이하게 모니터링될 수 있도록 한다.
상기 모니터링부(300)는 상기 분석서버(200)로부터 접속 권한이 부여된 표시 단말을 포함할 수 있으며, 이때 표시 단말은 퍼스널컴퓨터(PC), 스마트폰, 태블릿, 셀룰러폰, PDA, 노트북 중 어느 하나일 수 있다.
그리고 표시단말은 사전에 상기 분석서버(200)로부터 제공되는 데이터와 처리 결과를 표시할 수 있는 응용소프트웨어와 UI(user interface)가 탑재된 것일 수 있다.
이와 같은 모니터링부(300)은 원거리에 있는 관제센터에 구비될 수 있으며, 상기 분석서버(200)와 유선 또는 무선 통신망을 통해 분석서버(200)로부터 처리되는 데이터를 수신 및 저장하고 이를 누적하여 통계화하여 제공함으로써 관리자가 원거리에서도 현장 데이터의 조회가 가능해질 수 있다.
한편 본 발명의 모니터링시스템에 의하면, 상기 센서모듈(110)은 콘크리트 구조물(10)의 선택된 주요 부위에 대한 진동 신호를 계측하고 계측된 계측데이터를 출력하는 진동가속도센서(113)을 더 포함할 수 있으며, 상기 분석서버(200)는 상기 감지부(100)에서 송신하는 진동가속도센서(113)의 진동 신호의 계측데이터를 수신하여 이를 기반으로 콘크리트 구조물(10)에 대한 동특성과 안전성을 분석할 수 있다.
상기 분석서버(200)는 공간변수인 모드형상에 대해서 푸리에(Fourier) 변환없이 직접 시간영역(time domain) 상에서 모드형상을 추출하도록 구성된다. 이에 콘크리트 구조물(10)에 설치된 감지부(100)에서 계측되는 상시 진동 신호에 대한 고난이도 연산을 보다 신속하게 수행하여 모드형상을 신속하게 실시간으로 추출할 수 있게 된다.
도 3을 참조하면 상기 분석서버(200)는 신호처리부(210)와 신호분석부(220)와 TDD(time domain decomposition)부(230) 및 손상판단부(240)를 포함하여 구성될 수 있다.
먼저 상기 감지부(100)는 앞서 언급한 바와 같이 콘크리트 구조물(10)의 복수의 개소에 설치될 수 있다. 이처럼 상기 감지부(100)가 구조물에 p개가 설치되는 경우, 시간 t에 대한 응답 가속도의 시간 이력을 하기 수학식 1과 같이 출력하도록 구성될 수 있다.
여기서, 
는 가속도 벡터로서 
이고, 
는 i번째 모드 형상 벡터로서 
이고, 
는 i번째 기여도(contribution factor)이고, p는 감지부(100)의 위치를 나타낸다.
상기 신호처리부(210)는 상기 감지부(100)에서 송신하는 진동신호에 대한 계측데이터를 수신하여 신호 처리를 수행하도록 구성될 수 있다.
예를 들면 상기 신호처리부(210)는 계측데이터에 대한 데이터 필터링과 잡음 제거 등의 신호 처리를 수행할 수 있다.
상기 신호분석부(220)는 상기 신호처리부(210)에 의해 신호 처리가 수행된 계측데이터에 대하여 파형 및 스펙트럼을 분석하고 분석된 파형 및 스펙트럼에 대한 통계 처리를 수행한 후 이를 출력할 수 있다.
상기 신호분석부(220)는 진동신호에 대한 계측데이터를 이용하여 가속도 데이터의 미적분, 가속도 벡터합 표출, 그리고 진동신호의 최대, 최소, 평균, 첨도, 왜도, 제곱평균제곱근(RMS), 중앙값, 표준편차와 같은 통계 처리를 수행하도록 구성될 수 있다.
그리고 신호분석부(220)는 진동신호에 대한 계측데이터의 PGA(Peak Ground Acceleration) 표출, MMA(Min, Max, Avg) 데이터 표출, 누적 절대 속도(CAV) 표출, 시간 이력 감쇠, 파워 스펙트럼, 응답 스펙트럼(가속도ㆍ속도ㆍ변위 응답 스펙트럼 표출), 지진 강도 추출, 아리아스(Arias) 진도 표출, 분석 자료 다중 표출 등의 분석 및 통계 기능을 수행하도록 구성될 수 있다.
상기 TDD부(230)는 신호처리부(210)에 의해 신호 처리가 수행된 계측데이터에 대해 기본적으로 모드 형상(mode shape)을 시간 영역(time domain) 상에서 연산 추출하고, 고유 진동수와 감쇠비를 공간 영역 상에서 연산 추출하도록 구성된다.
기존에는 모드 형상에 대해 FFT(Fast Fourier Transform)을 수행하여 연산량이 증가하였으며 연산 난이도도 증가하였다. 구조물이 클수록 진동가속도센서(113)의 개수가 매우 많아지는 것을 고려할 때 연산량 역시 매우 많아지게 되어 연산 부담이 매우 컸다. 그러나, 본 발명에서는 FFT 연산없이 시간 영역에서 직접 모드 형상을 추출할 수 있는 알고리즘을 개발하여 실시간으로 모드 형상을 모니터링할 수 있다. 좀 더 구체적으로 설명한다.
먼저 수학식 1에서 임의의 시간 
를 심볼 
로 표시할 경우 계측 가속도 시간 응답은 하기 수학식 2와 같이 근사화될 수 있다.
여기서, n은 계측 가속도 신호의 모드 수이다.
상기 TDD부(230)는 i번째 모드만을 가지는 단자유도 신호를 추출하기 위해 디지털 밴드 패스 필터를 설계하여 하기 수학식 3에 의해 i번째 모드를 갖는 단자유도 신호 
를 추출하도록 구성될 수 있다.
그리고 TDD부(230)는 하기 수학식 4에 의해 N개의 가속도 시간 샘플을 수집하도록 구성될 수 있다.
수학식 4는 다음 수학식 5와 같이 간략화될 수 있다.
여기서, 
행렬 
i번째 모드만 가지고 있는 단자유도 가속도 신호를 나타낸다. 그리고 벡터 
는 i번째 모드의 가속도 신호 이력에 대한 기여도를 나타낸다.
한편, TDD부(230)는 하기 수학식 6에 따른 에너지 상관관계 행렬(output energy correlation matrix)에 의해 i번째 단자유도 가속도 응답신호의 에너지 상관관계를 출력하도록 구성될 수 있다.
여기서, 
는 i번째 단자유도 가속도 신호를 갖는 행렬
를 나타낸다.
상기 TDD부(230)는 수학식 5를 수학식 6에 대입하여 하기 수학식 7을 산출하도록 구성될 수 있다.
여기서, 
는 
로서 기여도 
의 에너지 강도를 나타낸다. 수학식 7은 i번째 가속도 응답 신호에 잡음이 없는 상태의 이상적인 경우를 나타낸다.
한편, 에너지 상관관계 행렬에 존재하는 잡음은 i번째 모드 형상에 대한 직교 잡음 공간(orthogonal noise space)으로 다음 수학식 8과 같이 표현될 수 있다.
여기서, px1 벡터 
는 i번째 잡음 기저를 나타내고, 
는 i번째 잡음 모드의 강도를 나타낸다.
수학식 8은 다음 수학식 9와 같이 간략화될 수 있다.
여기서, 
는 
로서 특이 행렬 벡터(singular vector matrix)이고, 
는 
로서 특이치 행렬을 나타낸다. i번째 단자유도 가속도 응답의 지배적인 에너지는 i번째 모드 형상 
이므로, 특이값의 크기 순서는 
이 된다.
이에, i번째 모드 형상 벡터는 
의 특이행렬 벡터 중에서 첫번째 열 벡터(column vector)가 된다. 상기 TDD부(230)에서는 이를 모드 형상으로서 출력하게 된다.
상기 TDD부(230)는 모드형상 외에도 고유 진동수와 감쇠비를 추출하도록 구성될 수 있다.
상기 TDD부(230)는 앞서 추출된 모드 형상을 이용하여 신호처리부(210)에 의해 신호 처리가 수행된 진동 신호에 대한 계측데이터에 대해 FFT(fast Fourier Transform) 연산을 수행하여 시간 변수인 고유 진동수 및 감쇠비를 추출하도록 구성될 수 있다.
이하 TDD부(230)를 좀 더 구체적으로 설명한다.
상기 TDD부(230)는 TDD부(230)에서 추출된 i번째 모드 형상 벡터를 이용하여 하기 수학식 10과 같이 i번째 모드를 대표하는 가속도 상호 상관 함수(cross correlation function) 
을 산출하도록 구성될 수 있다.
수학식 10의 가속도 상호 상관 함수 
는 시간 잡음을 포함하고 있기 때문에, TDD부(230)는 q의 시간 샘플에 대하여 하기 수학식 11과 같이 상관 관계 행렬 
를 정의한다.
그리고 상기 TDD부(230)는 상관관계 행렬 
에 대하여 하기 수학식 12에 의해 특이치 분해 과정 SVD(singular value decomposition)을 수행하여 직교 잡음을 제거하도록 구성될 수 있다.
여기서, 직교 잡음이 제거된 i번째 모드를 대표하며 상관 관계 행렬 
에서 가장 큰 특이치를 갖는 가속도 상호 상관 함수 벡터 
는 특이치 행렬 
중에서 가장 큰 특이치에 상응하는 특이치 벡터이며 다음 수학식 13과 같이 산출될 수 있다.
여기서, 수학식 13에 의해 추출된 각 모드별 대표 SDOF(single degree of freedom) 가속도 상호 상관 함수는 자유 진동 함수(free vibration function)과 동일한 형태이다. 이에, TDD 기법을 이용하여 추출된 각 모드별 데이터로부터 SI(system identification) 기법을 적용하여 가속도 상호 상관 함수 벡터 
에 대한 고유 진동수와 감쇠비를 추출하도록 구성될 수 있다.
SI 기법은 역해석의 일종으로서 계측치와 시뮬레이션치가 같도록 하는 시뮬레이션 시스템 변수들을 최적화하는 기법이다.
그리고 상기 TDD부(230)는 하기 수학식 14에 의해 임의시간 
에서 자유진동 함수 
를 고려할 수 있다.
여기서, 
는 진폭, 
는 고유 진동수, 
는 감쇠비, 
는 감쇠 고유 진동수, 
는 이동각(translation angle)이며, 이로부터 고유 진동수와 감쇠비를 예측할 수 있다.
인식해야 할 변수는 고유 진동수, 감쇠비, 진폭, 이동각이며, 이들은 변수들의 집합인 인식 벡터 
로서 그 크기는 다음 수학식 15와 같이 표현될 수 있다.
여기서, 임의 시간 t에서 i번째 모드의 상호 상관 
은 인식 변수 벡터의 함수이고 테일러(Taylor) 급수 전개 후 고차항을 무시하면 상호 상관의 변량 
는 다음 수학식 16과 같이 정의될 수 있다.
상호 상관 변량은 다음 수학식 17과 같이 표현될 수 있다.
여기서, 
은 인식 변수 벡터 
의 n번째 항이며, 
은 i번째 고유 진동수를 나타내고 
는 i번째 모드의 감쇠비 
를 나타낸다.
수학식 17은 다음 수학식 18과 같이 표준화될 수 있다.
상호 상관 함수의 샘플 수가 q개일 때 수학식 18은 다음 수학식 19와 같이 간단한 선형 민감도 방정식으로 기술될 수 있다.
여기서, q X 1 벡터인 
는 고유 진동수의 변화율로서 다음 수학식 20과 같이 표현될 수 있다.
p X 1 벡터 
는 인식 변수들의 변화율을 나타내며, 다음 수학식 21과 같이 표현될 수 있다.
다음 수학식 22의 p X q 벡터 
는 민감도 행렬(sensitivity matrix)로서 인식 변수들에 대한 고유 진동수의 변화율을 나타낸다.
일 예로, 상기 TDD부(230)는 반복법을 이용하여 수학식 19의 민감도 방정식에 대한 해를 구할 수 있는데, 그 순서는 다음과 같다.
1) j번째 반복 단계에서 인식 변수들을 다음 수학식 23과 같이 가정한다.
여기서, 인식 변수들의 위 첨자 j는 반복 단계 횟수를 의미한다.
2) 인식 변수 벡터에 대해서 수학식 14의 시뮬레이션을 수행하여 상호 상관을 얻는다.
3) 위 2)의 시뮬레이션 모델에 대하여 수학식 22의 민감도 행렬 
를 구한다. 이때, 민감도 행렬은 각 인식변수의 단위 변화에 따른 상호상관 변화를 계산하여 근사적으로 산정한다.
4) 상호상관의 변화율 벡터 
는 다음 수학식 24와 같다.
여기서, 
는 i번째 모드에 대한 
에서 수학식 13으로부터 추출된 계측 상호 상관이고, 
는 j번째 반복 단계에서 인식 변수 벡터들을 이용하여 구한 
에서 i번째 모드에 대한 수학식 13의 시뮬레이션 값이다.
5) 수학식 19를 이용하여 인식 변수 벡터들의 변화율 
는 다음 수학식 25와 같이 표현될 수 있다.
여기서, 
는 
의 의사역행렬(pseudo inverse matrix)이고, 수학식 26에 의해 근사화될 수 있다.
6) 인식 변수 벡터는 j+1번째 반복 단계에서 다음 수학식 27과 같이 갱신될 수 있다.
여기서, 
는 j번째 반복 단계에서 인식 변수 벡터 
의 n번째 항이며, 
은 인식 변수의 변화율 벡터 
의 n번째 항이다.
7) 수학식 27에 의해 갱신된 인식 변수 벡터에 대해서 수학식 23 내지 수학식 27의 각 인식변수 변화율 
이 0으로 수렴할 때까지 반복한다.
한편 상기 손상판단부(240)는 상기 TDD부(230)에 의해 추출된 고유 진동수 및 감쇠비와 모드 형상을 이용하여 콘크리트 구조물(10)의 손상 위치 및 손상 정도를 판단하도록 구성될 수 있다.
이하 상기에서 언급한 본 발명의 모니터링 시스템을 이용하여 콘크리트 구조물(10)의 동특성을 추출하는 방법에 대해서 설명한다.
먼저, 상기 감지부(100)가 콘트리트 구조물(10)의 실시간 진동을 계측하고 계측된 계측데이터를 무선 통신망을 통해 송신할 수 있다.
여기서, 감지부(100)는 구조물에 p개가 설치되는 경우, 시간 t에 대한 응답 가속도의 시간 이력이 하기 수학식 28과 같이 산출하도록 구성될 수 있다.
여기서, 
는 가속도 벡터로서 
이고, 
는 i번째 모드 형상 벡터로서 
이고, 
는 i번째 기여도(contribution factor)이고, p는 상기 감지부(100)의 위치를 나타낸다.
다음으로, 신호처리부(210)가 상기 감지부(100)에서 무선 통신망을 통해 송신하는 진동신호에 대한 계측데이터를 수신하고 이를 신호 처리한다.
그리고 신호분석부(220)가 상기 신호처리부(210)에 의해 신호처리가 수행된 계측데이터에 대해 파형 및 스펙트럼을 분석하고 분석된 파형 및 스펙트럼에 대한 통계 처리를 수행하여 출력한다.
다음으로 상기 TDD(time domain decomposition)부(230)가 상기 신호처리부(210)에 의해 신호 처리가 수행된 계측데이터에 대해 FFT 연산없이 시간 영역(time domain) 상에서 공간 변수인 모드 형상(mode shape)을 추출한다.
여기서, 상기 TDD부(230)는 디지털 밴드 패스 필터(digital band pass filter)를 이용하여 하기 수학식 29에 의해 i번째 모드를 갖는 단자유도 신호 
를 추출한다.
그리고 하기 수학식 30에 의해 N개의 가속도 시간 샘플을 수집한다.
그리고 하기 수학식 31에 따른 에너지 상관관계 행렬(output energy correlation matrix)에 의해 i번째 단자유도 가속도 응답신호의 에너지 상관관계를 출력한다.
여기서, 
는 i번째 단자유도 가속도 신호를 갖는 행렬
를 나타내고 
로 간략화된다.
그리고 
를 에너지 상관관계 행렬에 대입하여 하기 수학식 32를 산출한다.
여기서, 
는 
로서 기여도 
의 에너지 강도를 나타낸다.
그리고 에너지 상관관계 행렬에 존재하는 잡음을 i번째 모드 형상에 대한 직교 잡음 공간(orthogonal noise space)으로 다음 수학식 33과 같이 나타낸다.
여기서, px1 벡터 
는 i번째 잡음 기저를 나타내고, 
는 i번째 잡음 모드의 강도를 나타낸다.
그리고 수학식 33를 간략화한 하기 수학식 34에서 
의 첫번째 열 벡터(column vector)를 i번째 모드 형상 벡터로서 추출한다.
여기서, 
는 
로서 특이 행렬 벡터(singular vector matrix)이고, 
는 
로서 특이치 행렬을 나타낸다.
다음으로 상기 TDD부(230)가 앞서 추출된 모드 형상을 이용하여 신호처리부(210)에 의해 신호 처리가 수행된 계측데이터에 대해 FFT(fast Fourier Transform) 연산을 수행하여 시간 변수인 고유 진동수 및 감쇠비를 추출한다.
여기서, 상기 TDD부(230)에서 추출된 i번째 모드 형상 벡터를 이용하여 하기 수학식 35과 같이 I번째 모드를 대표하는 가속도 상호 상관 함수(cross correlation function) 
을 산출한다.
그리고 q의 시간 샘플에 대하여 하기 수학식 36과 같이 상관 관계 행렬 
를 정의한다.
그리고 상관 관계 행렬 
에 대하여 수학식 37에 의해 특이치 분해 과정 SVD(singular value decomposition)을 수행하여 직교 잡음을 제거한다.
그리고 직교 잡음이 제거된 i번째 모드를 대표하며 상관 관계 행렬 
에서 가장 큰 특이치를 갖는 가속도 상호 상관 함수 벡터 
를 산출한다.
여기서, 산출된 가속도 상호 상관 함수 벡터 
에 대해 시간 
에 대한 자유 진동 함수 
를 하기 수학식 39과 같이 산출하고, 산출된 
로부터 고유 진동수, 감쇠비를 추출한다.
여기서, 
는 진폭, 
는 고유 진동수, 
는 감쇠비, 
는 감쇠 고유 진동수, 
는 이동각(translation angle)이다.
다음으로 손상판단부(240)가 TDD부(230)에 의해 추출된 고유진동수 및 감쇠비와 모드 형상을 이용하여 콘크리트 구조물(10)의 손상위치 및 손상정도를 판단한다.
한편 상기 분석서버(200)는 자체적으로 처리된 결과정보를 표시하기 위한 디스플레이부(250)를 더 포함할 수 있다.
일 예로 상기 디스플레이부(250)는 상기 손상판단부(240)에서 도출한 구조물의 손상위치 및 손상정도를 현시함으로써 현장 관리자가 용이하게 손상 정도를 파악할 수 있도록 한다.
한편 본 발명의 모니터링 시스템에서는 도 4에 도시된 바와 같이 상기 센서모듈(110)을 구성함에 있어, 콘트리트 구조물(10)에 밀착되는 밀착면을 가지고 상기 구조물에 부착되는 진동가속도센서(113)와, 탄성재질로 상기 진동가속도센서(113)의 밀착면을 제외한 외곽에 도포되는 외부신호제어코팅부(130)를 포함하도록 구성되는 예를 제시한다.
즉 본 실시 예의 경우 진동가속도센서(113)를 외부에서 보호하면서 외부의 물리적 충격에 대해 이러한 충격에 대한 신호가 상기 진동가속도센서(113)로 전달되는 것을 차단하여 상기 진동가속도센서(113)가 콘트리트 구조물(10)에서 전달되는 진동만을 정확하게 센싱하도록 하는 것이다.
상기 외부신호제어코팅부(130)의 경우 상기 외부신호제어코팅부(130)로 전달된 외부충격에 대해 이를 완화시킴으로써 외부 충격에 의한 진동에너지가 상기 진동가속도센서(113)로 전달되는 것을 방지하는 것이다.
상기 외부신호제어코팅부(130)는 탄성재질로 구성되도록 하여 외부충격의 완화 및 흡수가 가능하도록 하여야 한다.
그런데 상기에서 언급한 외부충격이라 함은 직접적으로 어떠한 물체에 의한 충격, 비, 바람 등 자연재해에 의한 충격 등 물리적 충격에 해당하는 것인데 이러한 물리적 충격 외에도 바람소리, 교량 등의 경우 차량주행 소리 등 음파에 의한 진동에너지가 상기 진동가속도센서(113)로 전달되는 경우에도 상기 진동가속도센서(113)가 구조물의 진동을 센싱하는데 있어 상기 음파는 노이즈로 작용을 하게 된다.
또한 진동가속도센서(113) 외부에 습기에 의한 물방울이 형성되는 경우 이러한 물방울은 데이터로거(120)에서 송신하는 진동신호를 왜곡시키거나 외부로부터 전달되는 물리적 충격, 음파에 의한 진동에너지를 왜곡시켜 구조물에서 발생되는 진동신호의 정확성을 저하시키는 요인으로서 작용하게 된다.
이에 본 발명에서는 도 4에 도시된 바와 같이 상기 외부신호제어코팅부(130)를 구성함에 있어, 상기 진동가속도센서(113)의 밀착면을 제외한 외주연에 도포되며 다공을 형성하는 탄성재질의 내충격코팅층(130-2)과, 상기 내충격코팅층(130-2)에 도포되는 발수코팅층(130-1)이 포함되는 예를 제시한다.
상기 다공을 형성하는 탄성재질의 내충격코팅층(130-2)에 의해 상기에서 언급한 물리적 외부충격을 완화시키도록 하는 것이며 음파에 의한 진동에너지를 흡수토록 하여 물리적 충격에 의한 외부신호 및 음파에 의한 외부신호가 상기 진동가속도센서(111)로 전달되는 것을 차단토록 하는 것이다.
상기 내충격코팅층(130-2)은 다공을 형성하는 탄성재질이면 그 종류를 한정하지 않으나 내충격코팅층(130-2)에 균열이 있는 경우 균열로 상기에서 언급한 외부요인에 의한 진동이 진동가속도센서(113)로 전달되는 문제가 있을 수 있다.
이러한 균열은 내충격코팅층(130-2)이 도포과정에서 경화열에 의해 발생되거나 경화후 건조수축 등에 의해 발생될 수 있다.
이에 본 발명에서는 상기 내충격코팅층(130-2)을 구성함에 있어, 다공성 폴리우레탄수지에 질산암모늄과 보강섬유가 포함되는 예를 제시하고 있다.
질산암모늄은 다공성 폴리우레탄수지의 경화과정에서 발생되는 열을 흡수토록 하며 이와 동시에 페이스트에 포함되어 있는 유기물질을 흡착하는 기능을 한다. 이와 같이 질산암모늄이 경화과정에서 페이스트로부터 열을 흡수함으로써 경화열에 의한 균열 즉 내충격코팅층(130-2)의 수축을 제어토록 하는 것이다.
즉 질산암모늄은 경화열을 흡수하여 균열을 제어토록 하는 것이다. 이에 더하여 다공성 포리우레탄 수지에 의해 형성되는 내충격코팅층(130-2)의 공극에 유기물이 존재하는 경우 유기물에 의해 공극에 의해 발현되는 기능으로 흡음기능이 저하되는 문제가 있을 수 있는데 질산암모늄은 유기물을 흡착함으로써 이러한 문제를 해결토록 하는 것이다.
또한 상기 보강섬유는 폴리염화비닐, 폴리프로필렌 등 그 종류를 한정하지 않는데, 상기 보강섬유가 내충격코팅층(130-2)에 포함되어 물리적 가교작용의 발현에 의해 경화후 건조수축 등에 의한 균열을 제어토록 하는 것이다. 즉 물리적으로 균열을 제어토록 하는 것이다.
바람직하게 상기 내충격코팅층(130-2)을 구성함에 있어, 다공성 폴리우레탄수지 100중량부에 대해 질산암모늄 1 내지 10중량부와, 보강섬유 1 내지 3중량부가 포함되도록 하는 것이 타당하다.
또한 상기 내충격코팅층(130-2)에 도포되는 발수코팅층(130-1)은 내충격코팅층(130-2)에 습기 등에 의해 물방울이 맺히는 경우 상기에서 언급한 바와 같이 외부 또는 내부로부터의 진동신호를 왜곡할 수 있어 이렇게 내충격코팅층(130-2)에 물방울이 맺히는 것을 차단하기 위한 것이다. 이러한 발수코팅층(130-1)은 다양한 공지의 재질이 존재하므로 그 상세설명은 생략한다.
이상 설명한 내용을 통해 당업자라면 본 발명의 기술사상을 일탈하지 아니하는 범위에서 다양한 변경 및 수정 가능함을 알 수 있을 것이다. 따라서, 본 발명의 기술적 범위는 명세서의 상세한 설명에 기재된 내용으로 한정되는 것이 아니라 특허청구범위에 의해 정해져야만 할 것이다.
100 : 감지부 110 : 센서모듈
111 : 온도센서 112 : 습도센서
113 : 진동가속도센서 120 : 데이터로거
130 : 외부신호제어코팅부 200 : 분석모듈
210 : 신호처리부 220 : 신호분석부
230 : TDD부 240 : 손상판단부
250 : 디스플레이부 300 : 모니터링부
111 : 온도센서 112 : 습도센서
113 : 진동가속도센서 120 : 데이터로거
130 : 외부신호제어코팅부 200 : 분석모듈
210 : 신호처리부 220 : 신호분석부
230 : TDD부 240 : 손상판단부
250 : 디스플레이부 300 : 모니터링부
Claims (6)
- 자기치유 보수 모르타르 층이 형성된 콘크리트 구조물에 장착되어 콘크리트 구조물의 온도와 습도를 계측하고 계측한 계측데이터를 무선통신망을 통해 송신하는 하나 이상의 감지부;
상기 감지부에서 송신하는 계측데이터를 수신하고 이를 기설정된 기준값과 비교 분석하여 상기 콘크리트 구조물의 균열과 균열에 따른 상기 자기치유 보수 모르타르 층의 치유여부를 판단하는 분석서버; 및
상기 분석서버에서 처리되는 판단결과를 전달받고 이를 모니터링하는 모니터링부;를 포함하는 것을 특징으로 하는 IoT기반 자기치유 보수 모르타르의 균열치유성능 모니터링시스템.
- 제 1항에 있어서,
상기 감지부는,
상기 콘크리트 구조물의 수분함량 정도를 계측하고 계측된 계측데이터를 출력하는 습도센서와 자기치유 보수 모르타르의 치유과정에서 발생하는 경화열을 계측하고 계측된 계측데이터를 출력하는 온도센서를 포함하는 센서모듈와, 상기 센서모듈에서 출력되는 계측데이터를 수집하고 무선통신망을 통해 수집된 계측데이터를 상기 분석서버로 송신하도록 명령하는 데이터로거가 일체화로 구성된 것을 특징으로 하는 IoT기반 자기치유 보수 모르타르의 균열치유성능 모니터링시스템.
- 제 2항에 있어서,
상기 센서모듈은,
콘크리트 구조물에 밀착되는 밀착면을 가지고 상기 콘크리트 구조물에 부착되어 상시 진동을 계측하며 계측된 계측데이터를 출력하는 진동가속도센서와, 탄성재질로 상기 진동가속도센서의 밀착면을 제외한 외곽에 도포되는 외부신호제어코팅부를 더 포함하되,
상기 외부신호제어코팅부는,
상기 진동가속도센서의 밀착면을 제외한 외주연에 도포되며 다공을 형성하는 탄성재질의 내충격코팅층 및 상기 내충격코팅층에 도포되는 발수코팅층이 포함되는 것을 특징으로 하는 IoT기반 자기치유 보수 모르타르의 균열치유성능 모니터링시스템.
- 제 3항에 있어서,
상기 내충격코팅층에는 다공성 폴리우레탄수지에 질산암모늄과 보강섬유가 포함되는 것을 특징으로 하는 IoT기반 자기치유 보수 모르타르의 균열치유성능 모니터링시스템.
- 제 3항에 있어서,
상기 분석서버는,
상기 감지부에서 송신하는 계측데이터를 수신하고 이를 분석하여 콘크리트 구조물에 대한 동특성과 안전성을 더 판단하는 것을 특징으로 IoT기반 자기치유 보수 모르타르의 균열치유성능 모니터링시스템.
- 제 5항에 있어서,
상기 분석서버는,
상기 센서모듈의 진동가속도센서의 계측데이터를 수신하여 신호 처리를 수행하는 신호처리부;
상기 신호처리부에 의해 신호 처리가 수행된 계측데이터에 대해 파형 및 스펙트럼을 분석하고 분석된 파형 및 스펙트럼에 대한 통계 처리를 수행하여 출력하는 신호분석부;
상기 신호처리부에 의해 신호 처리가 수행된 계측데이터에 대해 FFT 연산없이 시간 영역(time domain) 상에서 공간변수인 모드형상(mode shape)을 추출하고, 상기 추출된 모드형상을 이용하여 상기 신호처리부에 의해 신호 처리가 수행된 계측데이터에 대해 FFT(fast Fourier Transform) 연산을 수행하여 시간 변수인 고유진동수 및 감쇠비를 추출하는 TDD(time domain decomposition)부; 및
상기 TDD부에 의해 추출된 고유 진동수 및 감쇠비와 모드 형상을 이용하여 상기 콘크리트 구조물의 손상 위치 및 손상 정도를 판단하는 손상판단부;를 포함하는 것을 특징으로 하는 IoT기반 자기치유 보수 모르타르의 균열치유성능 모니터링시스템.
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| KR1020190064429A KR102215035B1 (ko) | 2019-05-31 | 2019-05-31 | IoT기반 자기치유 보수 모르타르의 균열치유성능 모니터링시스템 |
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| KR1020190064429A KR102215035B1 (ko) | 2019-05-31 | 2019-05-31 | IoT기반 자기치유 보수 모르타르의 균열치유성능 모니터링시스템 |
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