전역적 응답을 이용한 건축 구조물의 진동기반 손상탐지기법

Abstract

본 연구에서는 건축 구조물을 대상으로 한 손상탐지 기법 및 모델을 제안하였다. 제안된 기법은 건축 구조물을 대상으로 하며 빠른 시간 내에 손상의 발생 여부 및 대략적인 위치를 판단하여 안전성을 확보하고, 정밀한 손상 위치 및 손상 정도를 탐지하여 구조물의 보수, 보강 등에 도움을 줄 수 있어야 한다. 이에 본 연구에서는 빠른 시간 내에 손상탐지가 가능한 기법과 정밀한 결과를 얻을 수 있는 손상탐지 기법 및 손상 요소를 제안하고 이를 수치 모델 및 실험 구조물을 이용하여 검증하였다.

층강성 추정을 통한 신속 손상탐지 건물의 층별 가속도 계측치와 질량을 이용해 층별 강성을 구하는 층강성 추정 기법을 제안하였다. 제안된 층강성 추정기법은 역해석에 따른 수많은 반복계산 과정과 수치모델이 필요하지 않으며 건물의 층수만큼 시스템식별기법을 반복 적용하여 결과를 구할 수 있다. 따라서 빠른 시간에 결과를 구할 수 있는 장점을 가지고 있다. 제안된 기법의 검증을 위해 골조모델 및 벽식모델, 진동대 실험을 수행한 구조물을 사용하여 손상이 발생했을 때 층강성 추정기법을 이용한 손상탐지를 수행하여 결과를 구하고 이를 정해와 비교하였다. 골조모델의 경우, 기둥 및 보에 각각 25 % ～ 75 %의 손상을 층별로 가한 다음 손상 전, 후 상태의 강성을 비교하여 손상 위치를 탐지하였다. 그 결과, 기둥에 손상이 발생한 경우 손상이 발생한 층의 강성이 가장 크게 감소하였으며 보에 손상이 발생한 경우에는 해당층과 인접층에 유사한 크기의 손상이 발생하였다. 이는 보에 손상이 발생한 경우 해당층과 인접층의 손상 정도가 유사한 것은 보가 층과 층 사이에 존재하는 부재이기 때문이다. 벽식 모델의 경우 5층의 구조물을 대상으로 각 층의 탄성계수를 조절하여 손상을 모사한 다음 층강성 추정 기법을 적용하여 손상탐지를 수행하였다. 벽의 경우 계측치에 노이즈를 포함시켜 추정 기법을 적용하였는데, 가속도 응답에 계측 노이즈가 포함되더라도 층강성 추정 기법을 이용해 손상탐지가 가능하였다. 실제 실험 구조물에 층강성 추정기법을 적용하여 손상탐지를 수행하였다. 실험 구조물을 크기가 다른 지진파로 가진하여 손상을 발생시킨 다음 계측된 데이터를 이용해 층강성 추정 기법을 적용하였다. 층강성 추정기법을 적용한 결과, 실제 구조물의 최종 손상 위치와 층강성 추정을 통해 구한 손상 위치는 대부분 일치하였다. 또한 최적화에 따른 많은 반복 계산과 해석 모델 없이 5번의 시스템 식별만으로 손상탐지가 가능하다는 것을 확인하였다. 이상과 같은 결과를 살펴보면 층강성 추정 기법이 정확하지는 않더라도 건축 구조물의 대략적인 손상 위치를 빠른 시간 내에 탐지하는데 효과적으로 사용될 수 있을 것으로 기대된다.

모델개선을 통한 상세 손상탐지 건축 구조물에 발생한 손상을 보다 정확하게 탐지할 수 있는 모델개선기법을 이용한 손상탐지기법을 제안하였다. 모델개선 과정에서 해의 정확도 향상 및 기법의 안정화를 위해 파라미터의 그룹화 및 구속조건을 설정하고 가중치를 결정하는 방법을 제안하였다. 또한 부재 단부의 손상을 모사하기 위한 회전 스프링을 갖는 보 요소와 접합부에 발생한 손상을 모사할 수 있는 접합부 스프링 요소, 벽을 모델링하는데 사용 가능한 기존의 요소에 비해 자유도가 작으며 보 요소와 직접 연결할 수 있는 평면 요소를 제안하였다. 제안된 기법 및 모델의 검증을 위해 수치 모델 및 실험 구조물을 대상으로 모델 개선기법을 수행하여 그 결과를 분석하였다. 골조 구조물의 경우, 부재 단부에 손상이 발생한 구조물을 대상으로 회전 스프링을 갖는 보 요소를 사용하여 모델 개선을 수행하였으며, 그 결과 수치모델의 거동을 유사하게 모사하고 파라미터의 정해와 매우 유사한 값을 얻을 수 있었다. 벽식 구조물의 경우에는 층강성 식별 기법에 사용한 방법과 마찬가지로 벽의 각 요소에 무작위로 손상을 가하고 계측된 응답에 노이즈를 포함시켜 모델 개선 기법을 이용하여 손상탐지를 수행하였다. 노이즈의 크기가 응답의 10%까지 증가하더라도 실제 손상에 가까운 값을 얻을 수 있었다. 층강성 추정기법에 사용한 것과 동일한 실제 콘크리트 구조물에 모델 개선기법과 회전 스프링을 갖는 보 요소를 이용해 손상탐지를 수행하였다. 제안된 회전 스프링을 갖는 보 요소의 정확도 확인을 위해 일반적인 보 요소를 이용한 모델 개선 기법의 결과와 서로 비교하였다. 손상탐지 결과, 실제 구조물에 발생한 손상과 유사한 거동을 모사할 수 있는 회전 스프링을 갖는 보 요소를 사용한 해석 모델이 실제 구조물의 손상을 더욱 정확하게 탐지하였으며 동특성 등의 거동 특성에서도 회전 스프링을 갖는 보 요소를 사용한 경우 그렇지 않은 경우에 비해 더 유사한 거동을 하였다. 이상과 같이 제안된 모델개선기법의 정확도를 향상하는 방법과 손상 형태에 해당하는 해석 모델을 이용할 경우, 보다 정확한 손상 위치와 손상 정도를 탐지할 수 있을 것으로 판단된다.

실험 구조물의 손상탐지 층강성 추정기법 및 모델 개선 기법을 이용하는 일반적인 손상탐지 절차에 대해 제안하고 이를 반복 가력실험을 수행한 철근 콘크리트 구조물에 적용하였다. 또한 실험 구조물의 손상 정도를 정량적으로 나타낼 수 있고 가력 단계에 따른 구조물의 손상 발생순서나 거동을 해석적으로 모사하기 위해 OpenSees를 이용하여 실험 구조물을 모사하는 해석 모델을 시뮬레이션 하였다. OpenSees의 다양한 재료모델 및 부재 모델을 이용해 실험 구조물에 대한 비선형 시뮬레이션을 수행하였으며 그 결과 실제 구조물과 매우 유사한 거동을 하는 해석 모델을 얻었다. 층강성 추정 기법을 사용해 손상탐지를 수행한 결과, OpenSees 구조물의 강성에 비해 층강성 추정을 통해 구한 강성이 더 작게 나타났다. 이는 구조물의 비탄성 거동을 고려하지 못하는 층강성 추정 기법이 실제 구조물의 층강성을 과소평가하는 것으로 판단된다. 또한 보의 손상이 큰 경우, 손상 크기에 비해 층강성에 미치는 영향이 적으며 슬래브로 인해 보의 휨강성이 증대되었기 때문에 보가 층강성에 미치는 영향은 더욱 감소하게 된다. 따라서 층강성의 감소가 상대적으로 작게 발생한 것은 보의 손상이 다른 부재에 비해 더 컸기 때문으로 판단된다. 모든 손상요소를 이용해 수치모델을 구성하고 모델 개선을 이용해 손상탐지를 수행한 결과, 실험 구조물과 거의 유사한 동특성을 나타내는 개선모델을 구하였다. 기둥에 비해 보와 접합부의 손상이 크게 나타나는 점에서 실제 구조물과 일치하였으며 보다 정확한 비교를 위해 OpenSees 해석 모델과 손상 정도를 비교하였다. 그 결과, OpenSees 모델의 손상이 개선모델에 비해 15 % ～ 20% 가량 더 크게 나타났다. 이는 개선모델이 탄성거동을 함으로써 발생하는 차이로 1층의 손상이 가장 크게 나타난 점, 외부 부재에 비해 내부 부재의 손상이 더 크게 발생하는 점, 그리고 기둥에 비해 보와 접합부의 손상이 더 크게 발생하는 점 등 손상이 커지는 양상을 비교해 보면 개선모델과 OpenSees 모델이 서로 유사함을 알 수 있다.