$\require{mediawiki-texvc}$

연합인증

연합인증 가입 기관의 연구자들은 소속기관의 인증정보(ID와 암호)를 이용해 다른 대학, 연구기관, 서비스 공급자의 다양한 온라인 자원과 연구 데이터를 이용할 수 있습니다.

이는 여행자가 자국에서 발행 받은 여권으로 세계 각국을 자유롭게 여행할 수 있는 것과 같습니다.

연합인증으로 이용이 가능한 서비스는 NTIS, DataON, Edison, Kafe, Webinar 등이 있습니다.

한번의 인증절차만으로 연합인증 가입 서비스에 추가 로그인 없이 이용이 가능합니다.

다만, 연합인증을 위해서는 최초 1회만 인증 절차가 필요합니다. (회원이 아닐 경우 회원 가입이 필요합니다.)

연합인증 절차는 다음과 같습니다.

최초이용시에는
ScienceON에 로그인 → 연합인증 서비스 접속 → 로그인 (본인 확인 또는 회원가입) → 서비스 이용

그 이후에는
ScienceON 로그인 → 연합인증 서비스 접속 → 서비스 이용

연합인증을 활용하시면 KISTI가 제공하는 다양한 서비스를 편리하게 이용하실 수 있습니다.

광섬유 브래그 격자 센서를 활용한 재킷식 해양구조물의 손상 감지 기법 개발
Development of a Damage Monitoring Technique for Jacket-type Offshore Structures using Fiber Bragg Grating Sensors 원문보기

大韓土木學會論文集, Journal of the Korean Society of Civil Engineers. A. 구조공학, 원자력공학, 콘크리트공학, v.31 no.6A, 2011년, pp.399 - 408  

박현준 (한국과학기술원 건설 및 환경공학과) ,  구기영 (경일대학교 건설공학부) ,  이진학 (한국해양연구원 연안개발.에너지연구부) ,  윤정방 (한국과학기술원 건설 및 환경공학과)

초록
AI-Helper 아이콘AI-Helper

최근 스마트 센서를 활용한 구조물의 건전성 모니터링 및 손상 탐색 기법에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다. 그 중에서도 광섬유 센서 중 하나인 FBG(fiber Bragg grating) 센서는 경량이고, 내구성이 좋으며, 전자기적 영향이 없을 뿐 아니라 한 가닥으로 여러 지점에서의 계측이 가능한 장점을 가지고 있어 많은 연구와 적용이 시도되고 있다. 이 논문에서는 이러한 FBG 센서를 활용하여 재킷식 해양구조물에 발생하는 손상을 탐색하는 연구를 수행하였으며, 특히 구조물에서 계측된 자료로부터 여러 환경요인을 제거하고 보다 손상에 민감한 특성을 보기 위하여 주성분 분석 기법 적용에 관한 연구를 중점적으로 수행하였다. 제안한 방법의 검증을 위하여 시험조류발전소 구조물의 축소 모델을 활용하여 하중 및 온도 등의 외부 환경이 다른 조건에서 실내 실험을 수행하였고, 이로부터 본 논문에서 제안한 방법이 외부 환경의 영향을 최소화하여 보다 손상을 민감하게 탐색함을 확인하였다.

Abstract AI-Helper 아이콘AI-Helper

Development of smart sensors for structural health monitoring and damage detection has been advanced remarkably in recent years. Nowadays fiber optic sensors, especially fiber Bragg grating (FBG) sensors, have attracted many researchers' interests for their attractive features, such as multiplexing ...

주제어

AI 본문요약
AI-Helper 아이콘 AI-Helper

* AI 자동 식별 결과로 적합하지 않은 문장이 있을 수 있으니, 이용에 유의하시기 바랍니다.

문제 정의

  • 그림 5의 계측 자료에서 확인할 수 있는 바와 같이 온도 및 하중에 의한 변화가 크기 때문에 단순한 계측 자료로는 구조물에 발생한 손상에 의한 자료의 변화가 드러나지 않는 것을 알 수 있다. 따라서 본 연구에서는 이러한 계측 자료로부터 외부의 환경에 의한 자료의 변화를 제거함으로서 각 손상이 발생 시에 그 손상의 위치 및 정도를 탐색하도록 하였다. 손상 추정 알고리즘을 적용한 실험 결과는 다음 장에서 자세히 서술하였다.
  • 이와 같은 경우 계측자료로부터 구조물의 손상 전후의 차이를 명확히 구분하기 어렵고 또한 환경에 의한 변동 폭이 상대적으로 더 크게 나타날 수 있어 구조물 상태를 합리적으로 평가할 수 없게 된다. 따라서 본 연구에서는 주성분 분석 기법을 활용하여 구조물로부터 계측된 자료에서 외부 환경에 의한 변화를 제거하고 이로부터 보다 합리적인 손상 검색 알고리즘을 개발하고자 하였다.
  • 약 한 달에 걸쳐 다양한 하중 및 온도 조건에서 매 5분마다 FBG 센서로부터 자료를 취득하였으며 손상 감시 성능을 평가하기 위하여 해당 기간 중 총 4가지의 손상 시나리오에 따라 여러 부재에 단계적인 커팅을 통한 손상을 가하였다(그림 5 참조). 본 연구에서는 부재에 커팅을 통해 단면 감소를 통한 구조물의 강성 감소를 모사하고자 하였고 단계적으로 여러 위치의 단면 감소를 통해 지속적으로 진행되는 구조물의 강성 감소 효과를 모사하고자 하였다. 이에 대한 자세한 손상 시나리오는 표 2와 같다.
  • 본 연구에서는 해양 구조물이 설치·운영되는 열악한 환경에서도 효과적인 모니터링이 될 수 있도록 최근 구조물의 손상 평가 및 모니터링을 위해 많은 연구가 이루어지고 있는 광섬유 브래그 격자 센서(fiber Bragg grating sensor, FBG sensor)를 활용하여 손상 검색 알고리즘을 개발하고 이를 축소모형에 적용하여 성능을 검증하고자 하였다.
  • 일반적으로 구조물의 계측 응답 신호에는 구조물의 손상 등에 의한 영향과 함께 온도나 하중과 같은 주위 환경 변화의 영향이 함께 반영되어 나타나며 이러한 환경 변화의 영향이 손상의 영향보다 큰 경우 계측 신호를 통한 손상 감지가 매우 어려운 과제가 된다. 이에 본 연구에서는 FBG 센서를 활용하여 해양 재킷 구조물에 대한 손상 검색 기법을 개발, 적용하였다. FBG 센서로부터 계측된 변형률 자료를 활용하여 주성분 분석(Principal Component Analysis)을 통해 외부의 환경 요소를 계측 신호로부터 제거하고 손상에 민감한 패턴을 선정하여 구조물에 발생한 손상을 감지하는 알고리즘을 개발하였으며 개발된 알고리즘의 적용성을 평가하기 위하여 해양 재킷 구조물 중 하나인 조류 발전 구조물의 1/20 축소 모형 실험체에 대한 실내 손상 실험을 통해 그 성능을 검증하였다.
본문요약 정보가 도움이 되었나요?

질의응답

핵심어 질문 논문에서 추출한 답변
해양 구조물을 지지 방식에 따라 분류하시오. 우리나라의 경우에도 이어도 해양과학기지를 비롯하여 가거도와 새만금 등에 해양과학기지가 건설되어 운영되고 있으며 울돌목에는 시험조류발전소가, 울산 앞바다에는 동해 가스전 시추시설 등이 건설되어 운영되고 있다. 이러한 해양 구조물들은 지지 방식에 따라 착저식(GBS, gravity-based system), 재킷식(jacket), 부유식 등으로 구분할 수 있으며, 수심이 깊지 않은 연안의 경우에는 시공 시의 효율성, 안전성 및 경제성을 고려하여 주로 재킷식으로 해양 구조물의 기초를 구성한다.
FBG 센서의 장점은 무엇인가? 최근 스마트 센서를 활용한 구조물의 건전성 모니터링 및 손상 탐색 기법에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다. 그 중에서도 광섬유 센서 중 하나인 FBG(fiber Bragg grating) 센서는 경량이고, 내구성이 좋으며, 전자기적 영향이 없을 뿐 아니라 한 가닥으로 여러 지점에서의 계측이 가능한 장점을 가지고 있어 많은 연구와 적용이 시도되고 있다. 이 논문에서는 이러한 FBG 센서를 활용하여 재킷식 해양구조물에 발생하는 손상을 탐색하는 연구를 수행하였으며, 특히 구조물에서 계측된 자료로부터 여러 환경요인을 제거하고 보다 손상에 민감한 특성을 보기 위하여 주성분 분석 기법 적용에 관한 연구를 중점적으로 수행하였다.
재킷식 해양구조물의 경우, 다른 방식으로 시공한 경우보다 해양구조물에 대한 모니터링 시스템 구축이 더 중요한 이유는 무엇 떄문인가? 이러한 재킷 구조물은 해양 구조물의 기초를 담당하여 운용을 안정적으로 지속시키는 중요한 구조물이기 때문에 재킷 구조물의 상태를 모니터링하여 이상 상태 및 손상을 조기에 감지하는 것이 매우 중요하다. 특히 해양 재킷 구조물의 경우 조류 및 파도, 바람 등에 의한 외력을 항상 받고 있으며 부유물 및 선박 등의 충돌로 인하여 손상이 발생할 수 있어 이와 같은 모니터링 시스템 구축이 더욱 필요한 시설물이라 할 수 있다. 그러나 현재까지는 재킷식 구조물을 비롯한 다양한 해양구조물에 대한 모니터링 시스템이 구축된 사례는 그다지 많지 않으며(김동현 외 2006), 비록 해양구조물에 모니터링 시스템을 설치하는 경우에 있어서도 해양 구조물이 타 구조물에 비하여 해수에 의한 염분 및 다양한 환경에 노출되어 있어 센서의 설치 및 유지 보수 등이 매우 어렵고 또한 복잡한 거동 등으로 인하여 이상상태를 감지하기 어렵기 때문에 내구성이 확보된 모니터링 시스템과 효과적인 이상상태 감지 알고리즘이 적용되어야만 실제 구조물의 건전도를 합리적으로 평가할 수 있을 것이다.
질의응답 정보가 도움이 되었나요?

참고문헌 (21)

  1. 권일범, 허용학, 박휘립, 김동진, 이동춘, 홍성혁, 문한규(1999) 광섬유 마이켈슨 센서에 의한 RC보의 변형률 측정 및 파손의 검출, 한국구조물진단학회논문집, 한국구조물진단학회, 제3권 제3호, pp. 223-234. 

  2. 권현한, 문영일(2005) Functional Principal Component Analysis를 이용한 강우자료의 주성분 분석, 대한토목학회논문집, 대한토목학회, 제25권 제3B호, pp. 215-222. 

  3. 김동현, 심재설, 민인기(2006) 이어도해양과학기지 구조물 계측신호 분석, 한국해안해양공학회지, 한국해안해양공학회, 제18권 제1호, pp. 53-62. 

  4. 박현준, 윤정방, 박진순(2009) 광섬유 FBG 센서를 활용한 조류발전시설물의 거동 분석 및 손상검색, 한국소음진동공학회 추계학술대회, 한국소음진동공학회. 

  5. 이성욱, 하익수, 김중열, 김유성(2006) 광섬유 케이블에 의한 분포개념의 변형률 모니터링 응용사례 연구, 대한토목학회 2006년도 정기학술대회 논문집, 대한토목학회, pp. 334-337. 

  6. Chan, T.H.T., Yu, L., Tam, H.Y., Li, Y.Q., Liu, S.Y., Chung, W.H., and Cheng, L.K. (2006) Fiber bragg grating sensors for structural health monitoring of tsing ma bridge : background and experimental observation, Engineering Structures, Vol. 28, No. 5, pp. 648-659. 

  7. Ding, C. and He, X. (2004) K-menas clustering via principal component analysis, Proceedings of International Conference on Machine Learning, Canada. 

  8. Fukunaga, K. (1990) Introduction to Statistical Pattern Recognition, Elsevier. 

  9. Hill, K.O., Fujii, Y., Johnson, D.C., and Kawasaki, B.S. (1978) Photosensitivity in optical fiber waveguides: application to reflection fiber fabrication, Applied Physics Letters, Vol. 32, No. 10, pp. 647-649. 

  10. Inaudi, D., Vurpillot, S., Casanova, N., and Kronenberg P. (1998) Structural monitoring by curvature analysis using interferometric fiber optic sensors, Smart Materials and Structures, 7, pp. 199-208. 

  11. Jolliffe, I.T. (2002) Principal Component Analysis, Springer, NY. 

  12. Krzanowski, W.J. (2000) Principals of Multivariate Analysis-A User's Perspective, Revised Edition, Oxford University, Press, Oxford. 

  13. Lawrence, N. (2005) Probabilistic non-linear principal compenent analysis with gaussian process latent variable models, Journal of Machine Learning Research, 6, pp. 1783-1816. 

  14. Lee, B. (2003) Review of the present status of optical fiber sensors, Optical Fiber Technology, 9, pp. 57-79. 

  15. Meltz, G., Morey, W.W., and Glenn, W.H. (1989) Formation of Bragg gratings in optical fibers by a transverse holographic method, Optics Letters, Vol. 14, No. 15, pp. 823-825. 

  16. Miranda, A.A., Borgne, Y.A., and Bontempi., G. (2008) "New routes from minimal approximation error to principal components", Neural Processing Letters, Vol. 27, No. 3, pp. 197-207. 

  17. Moore, B.C. (1981) Principal component analysis in linear systems: controllability, observability, and model reduction, IEEE Transactions on Automatic Control, Vol. 26, No. 1, pp. 17-32. 

  18. Moorty, S. and Roeder, C.W. (1992) Temperature-dependent bridge movement, ASCE Journal of Structural Engineering, Vol. 118, pp. 1090-1105. 

  19. Thevenaz, L., Facchini, M., Fellay, A., Robert, P., Inaudi, D., and Dardel, B. (1999) Monitoring of large structures using distributed brillouin fiber sensing, proceedings of the 13th international conference on optical fiber sensors, Kyoungju, Korea, pp. 345-348. 

  20. Udd, E. (1995) Fiber optic smart structures, John Wiley and Sons, NY. 

  21. Yi, J.H., Park, W.S., Park, J.S., and Lee, K.S. (2009) Structural health monitoring system for 'Uldolmok' tidal current power Pilot Plant and Its Applications, ASME International Conference on Ocean, Offshore and Arctic Engineering, Hawaii, USA, pp. 1139-1144. 

저자의 다른 논문 :

LOADING...

관련 콘텐츠

오픈액세스(OA) 유형

BRONZE

출판사/학술단체 등이 한시적으로 특별한 프로모션 또는 일정기간 경과 후 접근을 허용하여, 출판사/학술단체 등의 사이트에서 이용 가능한 논문

저작권 관리 안내
섹션별 컨텐츠 바로가기

AI-Helper ※ AI-Helper는 오픈소스 모델을 사용합니다.

AI-Helper 아이콘
AI-Helper
안녕하세요, AI-Helper입니다. 좌측 "선택된 텍스트"에서 텍스트를 선택하여 요약, 번역, 용어설명을 실행하세요.
※ AI-Helper는 부적절한 답변을 할 수 있습니다.

선택된 텍스트

맨위로