상시 미 진동을 이용한 건물의 손상검출

Abstract

구조물의 유지관리에 관한 기술로써 기존의 비파괴 조사 방법(NDE)에 이어 최근에는 구조물의 동적거동 계측자료를 바탕으로 구조물의 동특성 및 구조적 특성을 포함하는 수학적 모델을 구성함으로써 손상된 상태를 조사하고자하는 구조물 시스템 판별법(System Identification, 이하 SI)이 최근에 건설기술 분야에서 주목을 받고 있다. 당초 우주 항공기술 분야에서 활용되어 사용되던 SI기법은 20-30년 전부터 토목분야에 활용되어 적용되기 시작하다가 최근에 건축구조물에 적용하기 위한 연구가 초기단계로 시작되고 있다. SI기법을 통하여 구성되는 구조물에 대한 수학적 모델은 구조물의 물리적인 손상을 반영할 수 있어야 하며, 이 분야의 발전배경에는 실측자료로부터 구조계를 파악하는 다양한 역해석 문제해법의 발전과 신호처리 기술의 발전 등이 있다.(Natke과Yao1988년). 따라서 기존의 유지관리 기술로서 NDE를 점차적으로 대신하여 SI기법이 활발하게 적용될 것으로 예상된다. 그러나 이 방법은 매우 유용한 것이지만 실용화에 있어서는 몇 가지 문제가 있다. 대부분의 SI 기법은 입력하중과 출력 응답 값을 알아야 한다. 대부분의 경우 실제의 지진이나 바람에 의한 미세진동이나, 기계적 진동 등의 입력값을 측정하기란 매우 어려운 일이다. 따라서 실제구조물에서 입력하중에 대한 정보 없이 응답치만으로 구조계를 판별 할 수 있는 알고리즘이 개발된다면 실구조물의 유지관리를 위한 손상검출을 위하여 SI기법을 유용하게 활용할 수 있을 것으로 기대된다. 기존의 SI기법에서 주로 계측데이터를 분석할 때 사용하는 방식은 주파수영역에 바탕을 둔 시스템 분석이었으며, 이의 장점은 많은 양의 데이터를 사용하는 대신 mode shape , 고유주기, 그리고 damping ratios등 비교적 간단한 양의 데이터로 구조계의 강성 및 동적특성을 판별할 수 있다는 점이다. 그러나 이러한 장점에도 불구하고 주파수 영역에 바탕을 둔 접근은 상당한 결함이 있다. 이러한 접근에서 구조물은 거시적 차원에서 다루어지며, 아주 소수의 저차모드만이 시스템 식별에 활용될 수 있다. 따라서 구조물을 구성하고 있는 개별적인 모든 부재의 구조적 특성을 추정하는 것은 어렵다. 심지어 매우 심하게 손상된 부재의 위치와 손상정도를 파악하는 것조차 불가능 하다. 또한 구조부재가 상당한 부분 손상되어도 고유주기의 변화는 2%미만으로 발생되어 고유주기로서 손상검출을 할 경우 민감도가 매우 낮으며, 동적인 특성은 손상의 유형을 구분 할 수 없다. 즉 균열로 인한 강성의 감소와 철근의 부식으로 인한 강성과 질량의 변화를 구분 할 수 없다. 따라서 본 연구의 목적은 강성을 직접 고려할 수 있는 시간영역에서의 역해석 기법을 고찰하여 건축구조물에 맞는 역해석 기법을 제시하고 제한된 절점력을 이용한 해석기법을 제안하고자 한다. 본 연구는 다음과 같이 구성되었다. 제 1장은 연구의 배경 및 목적, 연구내용 및 방법을 기술하였다. 제 2장은 기존 연구 고찰로써, 과거의 안전 진단 및 구조물의 상태 평가기술 SI기법등을 기술하였다. 제 3장은 시간영역의 역해석 기법의 문제인 모든 절점의 DATA를 줄일 수 있는 제한된 절점력을 이용한 역해서 기법을 제안하였다. 제 4장은 진동대 실험 방법 및 실험결과와 실험결과를 이용한 기존의 제안식을 검증 하였으며 측정된 DATA를 분석 하였다. 제 5장은 본 연구의 결론에 대하여 기술하였다. 본 연구에서는 진동대 실험을 통해 건축구조물에 적합한 기존의 제안식을 제안 및 검증하며 제한된 가속도 측정 문제를 해결하고자 하였으며, 다음과 같은 결론을 얻었다. 1. 주파수영역의 역해석은 층단위에서나 가능했던 손상검출이 최소자승법을 이용해서 시간영역에서, 부재수준에서 손상을 검출하는 것이 가능하였다. 2. 개선된 최소자승법을 사용하면, 손상지수를 구조체의 강성으로써 직접평가 함으로써 신뢰도를 높일 수 있다. 3. 개선된 최소자승법에의한 손상검출기법을 평면 골조구조물에 대한 진동대 실험으로 검증하였다. 4. 제한된 절점에서의 계측문제 해결을 위하여 해석과 실험치에 대한 SI 모델을 구한 후 구조물의 손상검출을 할 수 있는 알고리즘을 제시 하였다.; This is a structure maintenance technology. Recently, drawing attention from construction technology areas is Structure System identification(hereunder, SI), which builds up a mathematical model including dynamic and structural characteristics of the structure based on the Dynamic Behavior Estimation data so as to examine the damage condition. Initially, SI technology was utilized in aerospace areas, and then started to be applied to engineering areas 20-30 years ago. Now the study to apply it to structuresis at the early stage. The mathematical model of structures based on SI technology should be able to reflect physical damage of the structure, and be supported by various inverse analysis problem-solving methods and signal processing technology to grasp the system based on actual survey data (Natke and Yao, 1988). Thus, it is expected that SI technology will be actively utilized instead of the existing maintenance method, NDE. However, there are some problems when it comes to the commercialization in spite of the usefulness. For most SI methods input load and output response values are essential, but it is very difficult to measure such input values as minute vibration due to earthquake, wind, or machines. Thus, the development of an algorism through whichthe system can be analyzed only with result values and without input load information of a structure will contribute to the utilization of SI technology in damage detection for actual structure maintenance. The methods to analyze measurement data in existing SI technology was based on frequency areas, and one of the advantages was that the hardness and dynamic characteristics of a system is measurable only with a comparably simple amount of data such as mode shape, natural period, damping ratios, etc. Despite the advantage, however, the approach based on frequency areas has serious defects. Structures are handled in a macroscopic level, and only a small number of low-order modes can be utilized for system identification. Thus, it is hard to assume the structural characteristics of all materials. Even the location and condition of seriously damaged materials are hardly grasped. Besides, even though the structural materials are damaged to a large extent, the change of natural period is limited to less than 2%, and thus the way of damage detection based on the natural period is quite ineffective, and the dynamic characteristics cannot contribute to the identification of damage types. In other words, the decrease of hardness due to crack and the changes in hardness and mass due to reinforcing rod corrosion cannot be distinguished from each other. Therefore, this study aims to present inverse analysis methods suitable for building structures and propose interpretation methods using limited nodal force by investigating the inverse analysis in terms of time area, in which hardness can be directly considered. This study consists of the following items: Chapter 1 Describes the background and purpose of this study, as well as study contents and methods. Chapter 2 Investigates the existing studies, and describes SI methods regarding safety determination and structure state evaluation technology. Chapter 3 Proposes the methods using limited nodal force to reduce the amount of data at every node, which is an issue when itcomes to inverse analysis methods of time domain. Chapter 4 Clarifies the shaking table experimental methods, the results, and the existing proposed expression using experimental results, and analyzes the measured data. Chapter 5 Summarizes the conclusion of this study. This study proposes and clarifies the existing proposed expression suitable for building structures based on the shaking table test so as to solve the matter of limited acceleration degree determination. The results are as follows. 1. Theinverse analysis of the frequency domain enabled damage detection using the least-squares method to determine the material damage state in time domain, which used to be possible only in the case of layer units. 2. The use of improved least-squares methodscan heighten the reliability by directly evaluating the damage index as the hardness indicator of the structure. 3. The damage detection technology using the improved least-squares method was clarified through the shaking table experiment for plane frame structures. 4. To solve the problem of measurement at limited nodes, a SI model was built up based on the interpretation and experimental results, and the algorism enabling the damage detection of structures was presented.