이 연구에서는 변형률계를 사용하여 변위를 추정하는 이론식을 제안 및 검증하고 하중 작용점과 크기를 추정하여 강재보의 건전도 평가 시스템을 개발하고자 하였다. 실험결과 160kN(항복하중의 56%)가력시 최대처짐 점에서 변형률계를 사용하여 얻는 처짐과 변위계의 측정처짐과의 오차율이 2%이내로 나타났으며 하중작용점 및 크기의 추정도 오차율1% 이내로 나타났다. 이를 통해 변형률계로 강재보의 변위 및 하중을 계측 할 수 있으며 나아가 변위계와 하중계의 생략으로 경제적인 센서설계를 할 수 있다. Lab VIEW로 구현된 건전도 평가 프로그램은 측정된 데이터가 일정 범위(강도 한계상태, 사용성 한계상태, 항복변형률)를 넘어설 때 단계별 경고를 발생하였고 변형률계 만으로 사용성한계상태와 강도한계상태를 동시에 모니터링 할 수 있었다.
이 연구에서는 변형률계를 사용하여 변위를 추정하는 이론식을 제안 및 검증하고 하중 작용점과 크기를 추정하여 강재보의 건전도 평가 시스템을 개발하고자 하였다. 실험결과 160kN(항복하중의 56%)가력시 최대처짐 점에서 변형률계를 사용하여 얻는 처짐과 변위계의 측정처짐과의 오차율이 2%이내로 나타났으며 하중작용점 및 크기의 추정도 오차율1% 이내로 나타났다. 이를 통해 변형률계로 강재보의 변위 및 하중을 계측 할 수 있으며 나아가 변위계와 하중계의 생략으로 경제적인 센서설계를 할 수 있다. Lab VIEW로 구현된 건전도 평가 프로그램은 측정된 데이터가 일정 범위(강도 한계상태, 사용성 한계상태, 항복변형률)를 넘어설 때 단계별 경고를 발생하였고 변형률계 만으로 사용성한계상태와 강도한계상태를 동시에 모니터링 할 수 있었다.
This study aimed to develop a Structural Health Monitoring System for steel beams in the manner of suggesting and verifying a theoretical formula for displacement estimation using strain gauges, and estimating the loading points and magnitude. According to the results of this study, it was found tha...
This study aimed to develop a Structural Health Monitoring System for steel beams in the manner of suggesting and verifying a theoretical formula for displacement estimation using strain gauges, and estimating the loading points and magnitude. According to the results of this study, it was found that when a load of 160kN (56% of the yield load) was applied, the error rate of the deflection obtained with a strain gauge at the point of maximum deflection compared to the deflection measured with a displacement meter was within 2%, and that the estimates of the magnitude and points of load application also showed the error rate of not more than 1%. This suggests that the displacement and load of steel beams can be measured with strain gauges and further, it will enable more cost-effective sensor designing without displacement meter or load cell. The Structural Health Monitoring System program implemented in Lab VIEW gave graded warnings whenever the measured data exceeds the specified range (strength limit state, serviceability limit state, yield strain), and both the serviceability limit state and strength limit state could be simultaneously monitored with strain gauge alone.
This study aimed to develop a Structural Health Monitoring System for steel beams in the manner of suggesting and verifying a theoretical formula for displacement estimation using strain gauges, and estimating the loading points and magnitude. According to the results of this study, it was found that when a load of 160kN (56% of the yield load) was applied, the error rate of the deflection obtained with a strain gauge at the point of maximum deflection compared to the deflection measured with a displacement meter was within 2%, and that the estimates of the magnitude and points of load application also showed the error rate of not more than 1%. This suggests that the displacement and load of steel beams can be measured with strain gauges and further, it will enable more cost-effective sensor designing without displacement meter or load cell. The Structural Health Monitoring System program implemented in Lab VIEW gave graded warnings whenever the measured data exceeds the specified range (strength limit state, serviceability limit state, yield strain), and both the serviceability limit state and strength limit state could be simultaneously monitored with strain gauge alone.
* AI 자동 식별 결과로 적합하지 않은 문장이 있을 수 있으니, 이용에 유의하시기 바랍니다.
제안 방법
(3) Lab VIEW를 사용하여 건전도 평가 시스템을 구현하였다. 프로그램은 강재보의 항복모멘트, 항복변형률, 허용처짐의 상태를 상시 모니터링하며 1,2,3차 기준치를 초과하였을 때 시각 경보와 경보음을 발생하였다.
강재보의 건전도 평가 시스템을 내쇼날 인스트루먼트사의 제어계측 프로그래밍용 언어 Lab VIEW를 활용하여 개발하였다. 스팬에 비해 춤이 큰 보의 경우 사용성 한계상태 도달 전 부재가 항복상태에 도달할 수 있기 때문에 추정된 휨모멘트(Mx)는 항복모멘트(My) 이하가 되도록 상시 계측 관리되어야 한다.
강재의 기계적 성질을 파악하기 위해 KSB 0801규정에 따라 5호 시험편을 만들어 KSB 0802의 금속재료 인장시험방법에 따라 980kN 용량의 만능재료시험기를 사용하여 항복시까지 초당 약 4.8MPa의 응력증가율로 인장강도시험을 실시하였다. 이 실험에 사용된 시험편은 KSD 3503의 압연강재인 SS400으로 실험체의 웨브에서 2개, 플랜지에서 2개를 추출하였다.
나아가 강재보의 건전도 평가 시스템을 내쇼날 인스트루먼트사의 제어･계측 프로그래밍용 언어 Lab VIEW를 이용해 개발하여 적용 가능성을 검증하였다. 건전도 평가 프로그램은 측정된 데이터가 일정 범위(강도 한계상태, 사용성 한계상태, 항복변형률)를 넘어설 때 단계별 경고가 가능하고 상시 모니터링을 할 수 있도록 프로그래밍 하였다.
휨모멘트의 경우 각 위치별 변형률 계측치 아래 표현하였고, 변형률로 추정된 처짐은 변위계측치 아래 표현되어 비교할 수 있도록 하였다. 계측치가 각각의 경고상태를 초과할 경우 하단에 경고등이 표시되며 3차경고의 경우 경보음 발생과 동시에 빨강색으로 점멸되어 표시되므로 위험상태가 발생된 채널번호와 상태를 쉽게 파악할 수 있도록 프로그래밍 하였다.
11과 같이 표현한다. 그리고 부재에 작용하고 있는 하중의 크기를 추정하고 변형률을 이용하여 변위를 추정한다. 변형률과 추정된 변위는 Fig.
또한 변형률을 이용해 휨모멘트 및 전단력이 고려된 강재보의 변위를 추정하는 이론식을 제안하였고 이론식으로 추정된 변위를 실험을 통해 측정변위와 비교하여 이론식의 정확도를 검증하였으며 이를 통해 변위계 및 하중계의 생략으로 경제적인 센서 설계의 가능성을 검토하였다. 나아가 강재보의 건전도 평가 시스템을 내쇼날 인스트루먼트사의 제어･계측 프로그래밍용 언어 Lab VIEW를 이용해 개발하여 적용 가능성을 검증하였다. 건전도 평가 프로그램은 측정된 데이터가 일정 범위(강도 한계상태, 사용성 한계상태, 항복변형률)를 넘어설 때 단계별 경고가 가능하고 상시 모니터링을 할 수 있도록 프로그래밍 하였다.
따라서 이 연구에서는 Fig. 1과 같이 경제적인 건전도 평가 시스템을 구축하기 위해 최소의 변형률계 부착개수 및 위치를 제안하고 이를 통해 하중의 크기 및 작용점, 휨모멘트를 추정하고 실험으로 검증하였다. 또한 변형률을 이용해 휨모멘트 및 전단력이 고려된 강재보의 변위를 추정하는 이론식을 제안하였고 이론식으로 추정된 변위를 실험을 통해 측정변위와 비교하여 이론식의 정확도를 검증하였으며 이를 통해 변위계 및 하중계의 생략으로 경제적인 센서 설계의 가능성을 검토하였다.
3차경고에서는 경고와 동시에 지정한 경보음이 발생한다. 또한 LED 하단에 각각의 계측 수치를 표현함으로 부재의 상시계측 상태를 쉽게 파악할 수 있도록 하였다. 부재의 경고 기준은 모니터 그래프 오른쪽에 표현되어 있어, 현재의 상태와 비교하여 볼 수 있다.
1과 같이 경제적인 건전도 평가 시스템을 구축하기 위해 최소의 변형률계 부착개수 및 위치를 제안하고 이를 통해 하중의 크기 및 작용점, 휨모멘트를 추정하고 실험으로 검증하였다. 또한 변형률을 이용해 휨모멘트 및 전단력이 고려된 강재보의 변위를 추정하는 이론식을 제안하였고 이론식으로 추정된 변위를 실험을 통해 측정변위와 비교하여 이론식의 정확도를 검증하였으며 이를 통해 변위계 및 하중계의 생략으로 경제적인 센서 설계의 가능성을 검토하였다. 나아가 강재보의 건전도 평가 시스템을 내쇼날 인스트루먼트사의 제어･계측 프로그래밍용 언어 Lab VIEW를 이용해 개발하여 적용 가능성을 검증하였다.
스팬에 비해 춤이 큰 보의 경우 사용성 한계상태 도달 전 부재가 항복상태에 도달할 수 있기 때문에 추정된 휨모멘트(Mx)는 항복모멘트(My) 이하가 되도록 상시 계측 관리되어야 한다. 이 연구에서 제안하는 건전도 평가 시스템은 강도한계상태, 사용성 한계상태 중 먼저 도달하는 상태에서 경고 발생여부를 확인하고 변형률을 이용한 변위의 추정, 휨모멘트의 일반화, 하중작용점 및 하중의 크기를 추정하였다.
이 연구에서는 실험을 통해 최소의 변형률계를 이용하여 변형률데이터와 휨모멘트의 관계를 일반화하고 하중 작용점 및 크기와 변위를 추정하였으며 Lab VIEW로 구현된 건전도 평가 시스템과 연동하여 다음과 같은 결론을 얻었다.
최소한의 변형률계를 사용해 부재 전구간의 휨모멘트를 일반화하기 위하여 휨모멘트를 추정하고 보정하였다. Table 7은 측정모멘트와 추정모멘트 및 보정모멘트의 오차율을 나타낸다.
(3) Lab VIEW를 사용하여 건전도 평가 시스템을 구현하였다. 프로그램은 강재보의 항복모멘트, 항복변형률, 허용처짐의 상태를 상시 모니터링하며 1,2,3차 기준치를 초과하였을 때 시각 경보와 경보음을 발생하였다. 또한 제안한 변환처짐 일반식을 사용하면 변형률계만으로 사용성한계상태와 강도한계 상태를 동시에 모니터링 할 수 있다.
하중작용점 추정을 위해 사용된 변형률계는 양쪽 지점으로부터 보의 춤(d = 300mm) 이내에 각각 100mm, 200mm 위치에 부착하였다. 160kN가력시 계측된 휨모멘트는 100mm센서와 1900mm센서에서 7.
대상 데이터
0m의 단순보를 제작하였다. 강재는 SS400 일반구조용 압연강재를 사용하였고 가력점 및 반력점에 국부좌굴 방지를 위해 스티프너(T=9)로 보강하였다.
구조해석결과 실험체의 강도한계를 나타내는 항복모멘트는 142kNm이고 사용성한계는 일반적인 단순지지 강재보의 처짐한계 L /300이하로 6.67mm이며 재료시험결과 항복변형률은 1620(×10- 6)이다.
6과 같이 보 하부플랜지에 변형률과 변위의 관계를 분석하기 위해 200mm간격으로 9개소의 변형률게이지와 같은 위치에 변위계를 설치하였다. 또한 하중작용점 파악을 위해 지점으로부터 각각 100mm 위치에 2개소의 변형률게이지를 설치하였다. 이 실험에서는 구입 및 설치가 용이하고 가격이 저렴하여 많이 사용하고 있는 전기저항식 변형률게이지를 사용하였다.
변형률계를 이용한 강재보의 건전도 평가 시스템 개발을 위해 변형률을 이용해 변위를 추정하는 Table 1의 적용가능성과 하중작용점 및 하중크기의 파악, 전구간의 휨모멘트 추정에 대한 검증을 수행하기 위해 단순보 유형의 시편을 대상으로 실내실험을 수행하였다.
센서의 부착위치는 Fig. 6과 같이 보 하부플랜지에 변형률과 변위의 관계를 분석하기 위해 200mm간격으로 9개소의 변형률게이지와 같은 위치에 변위계를 설치하였다. 또한 하중작용점 파악을 위해 지점으로부터 각각 100mm 위치에 2개소의 변형률게이지를 설치하였다.
실험체는 490kN 용량의 만능시험기(UTM)를 이용하여 Fig. 6의 ①번 위치에서 중력방향으로 가력 했으며 설계 예상 항복하중은 284kN이다. 구조해석결과 실험체의 강도한계를 나타내는 항복모멘트는 142kNm이고 사용성한계는 일반적인 단순지지 강재보의 처짐한계 L /300이하로 6.
실험체는 H-300×150×6.5×9의 압연강재를 사용하여 스팬2.0m의 단순보를 제작하였다.
8MPa의 응력증가율로 인장강도시험을 실시하였다. 이 실험에 사용된 시험편은 KSD 3503의 압연강재인 SS400으로 실험체의 웨브에서 2개, 플랜지에서 2개를 추출하였다. 총 4개의 시험을 실시해 얻은 재료의 성질은 Table 3과 같다.
또한 하중작용점 파악을 위해 지점으로부터 각각 100mm 위치에 2개소의 변형률게이지를 설치하였다. 이 실험에서는 구입 및 설치가 용이하고 가격이 저렴하여 많이 사용하고 있는 전기저항식 변형률게이지를 사용하였다. 그러나 이 건전도 평가 시스템은 전기저항식게이지 외에도 변형률을 측정할 수 있는 자기식게이지, 기계식게이지, 현재 많이 사용되고 있는 광섬유게이지 등에 적용할 수 있다.
성능/효과
(1) 실험결과 측정한 변형률로부터 비교적 정확하게 변위를 추정할 수 있었다. 가력점에서 120kN이상의 하중을 가력하였을 때 변형률을 이용한 변위와 실제 측정된 변위는 7% 이내의 오차를 보였다.
(2) 변형률을 이용한 건전도 평가 시스템을 구축하기 위한 최소 변형률계의 개수는 하중작용점 추정용 2개소, 휨모멘트 보정용 1개소, 고정단 개수, 구조 설계시 예상하지 못한 하중대비용 2개소의 합이다. 보의 춤 이내에 변형률계 배치로 하중 작용점은 오차율 1%이내, 하중 크기는 항복하중의 42%이상부터 오차율 1%내외로 하중작용점과 크기를 비교적 신뢰성 있게 추정할 수 있으며 나아가 변위계 및 하중계의 생략으로 경제적인 센서 설계를 할 수 있다.
Table 7은 측정모멘트와 추정모멘트 및 보정모멘트의 오차율을 나타낸다. 100mm점과 1900mm의 하중작용점 추정용 센서를 통해 추정된 휨모멘트는 중앙부위에서 측정모멘트대비 13%~18%의 큰 오차율을 보였다. 이는 단부의 휨모멘트는 크기가 작아 오차율이 상대적으로 크게 발생되는데 그 크기로 기울기를 산정하여 중앙부의 휨모멘트를 추정했기 때문이다.
94%을 구할 수 있고 추정모멘트를 보정율을 통해 보정한다. 그 결과 측정대비 보정모멘트의 오차율이 6% 이내로 감소하였다.
Table 2의 경고기준은 시공오차, 구조부재의 열화, 설계 예상외의 하중 작용가능성 등의 분석에 따라 사용자가 지정할 수 있다. 이 실험에서는 하중계의 정확도, 하중 제거시 즉시 제거되지 않는 점, 실험실의 예상치 못한 조건 등을 변수로 실험 진행상 Table 2와 같이 미리 설정된 경고항목(항복모멘트, 항복변형률, 허용처짐)에서 단계별 경보 및 경고메지시를 통해 구조물이 제어 되는 것이 확인되어 항복하중의 80%인 약 230kN 가력을 중지하였다.
8은 전 구간에서 측정한 휨모멘트와 최소의 센서를 사용해 추정 및 보정된 휨모멘트를 나타낸다. 중앙부 스티프너 설치위치에서 응력집중현상에 의한 오차가 발생되었고, 대부분의 구간에서 추정한 휨모멘트는 비교적 정확하게 추정되었다.
하중이 40kN일 때에는 오차율이 2%정도로 나타났으나 이는 항복하중에 14%에 해당하는 작은 하중이다. 하중이 증가할수록 오차율은 1% 미만으로 작았으며 최대 7mm의 오차로 비교적 정확하게 하중작용점을 예측할 수 있다. 따라서 보의 춤 이내의 센서부착으로 하중작용점을 비교적 정확하게 추정할 수 있다.
후속연구
최근 건축물의 유지관리에 필수적인 안전점검 및 진단을 위해 대형 토목･건축물의 주요구조부재에 건전도 평가 및 제어가 가능한 스마트구조물 같은 지능형 구조시스템이 도입되고 있다. 스마트구조물의 기능 중 건전도 평가의 기능만이라도 실용화 된다면 구조물의 안전성 및 내구성 향상으로 구조물의 장수명화에 따른 라이프사이클 코스트의 저감 효과 등을 기대 할 수 있을 것으로 판단된다.(박석균, 2007)
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
구조물의 건전도 평가를 위한 계측항목은 무엇이 있는가?
구조물의 건전도 평가를 위한 계측항목에는 변형률, 변위, 가속도, 기울기, 온도, 풍향 및 풍속 등이 있으며 계측 시에는 계측항목의 선정과 함께 경제적이고 합리적인 계측설계(센서부착 개소 및 위치 선정)를 해야 한다.
최근 대형 토목･건축물의 주요구조부재에 건전도 평가 및 제어가 가능한 스마트구조물 같은 지능형 구조시스템이 도입되는 이유는 무엇인가?
최근 건축물의 유지관리에 필수적인 안전점검 및 진단을 위해 대형 토목･건축물의 주요구조부재에 건전도 평가 및 제어가 가능한 스마트구조물 같은 지능형 구조시스템이 도입되고 있다. 스마트구조물의 기능 중 건전도 평가의 기능만이라도 실용화 된다면 구조물의 안전성 및 내구성 향상으로 구조물의 장수명화에 따른 라이프사이클 코스트의 저감 효과 등을 기대 할 수 있을 것으로 판단된다.
스마트구조물 같은 지능형 구조시스템의 기능 중 건전도 평가의 기능만이라도 실용화 된다면 어떠한 효과를 기대할 수 있는가?
최근 건축물의 유지관리에 필수적인 안전점검 및 진단을 위해 대형 토목･건축물의 주요구조부재에 건전도 평가 및 제어가 가능한 스마트구조물 같은 지능형 구조시스템이 도입되고 있다. 스마트구조물의 기능 중 건전도 평가의 기능만이라도 실용화 된다면 구조물의 안전성 및 내구성 향상으로 구조물의 장수명화에 따른 라이프사이클 코스트의 저감 효과 등을 기대 할 수 있을 것으로 판단된다.(박석균, 2007)
참고문헌 (12)
김남식, "광섬유 변형률계를 이용한 교량의 수직처짐 추정", 대형구조물의 건전성 감시 및 평가기술 워크샵, 2000. pp.31-37.
박석균, "2007 한국구조물진단유지관리공학회 기술강좌 - 차세대 구조물의 스마트 설계 및 안전관리 방안", 한국구조물진단유지관리공학회 교육센터, 2007. pp.58.
※ AI-Helper는 부적절한 답변을 할 수 있습니다.