[논문]정적 변형률을 이용한 플로팅 구조물의 손상탐지

박수용; 전용환

doi:10.5394/kinpr.2012.36.3.163

정적 변형률을 이용한 플로팅 구조물의 손상탐지
Damage Detection in Floating Structure Using Static Strain Data 원문보기

한국항해항만학회지 = Journal of navigation and port research, v.36 no.3, 2012년, pp.163 - 168

박수용 (한국해양대학교 해양공간건축학과) , 전용환 (한국해양대학교 대학원)

초록
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최근 물 가까이에서 생활하고 여가를 보낼 수 있는 친수공간에 대한 욕구가 증가하면서 플로팅 구조물에 대한 관심이 커져가고 있다. 이에 본 연구에서는 정적 변형률을 이용한 플로팅 구조물의 손상탐지기법을 제안하였다. 손상을 탐지하기 위한 손상지수는 기존의 모달 변형에너지를 이용한 손상지수 법을 변형률을 적용할 수 있도록 확장하여 손상 전과 손상 후의 변형률로 나타내었으며, 손상지수 계산 후 손상부위를 결정하는 손상탐지는 패턴인식을 이용하였다. 제안된 이론의 정확성과 타당성은 플로팅 구조물의 축소모형을 제작하고 계측된 변형률 데이터에 적용하여 검증하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

Recently, people's desire for the waterfront space has been increasing, and more people want to spend their leisure time close to the water. This paper proposes a damage detection technique using the static strain for the floating structure. An existing damage index, in which the modal strain energy was utilized to identify possible location of damage, is expanded to apply the static strain. The new damage index is expressed in terms of the static strains of undamaged and damaged structures. After calculating damage index, the possible damage locations in the structure are determined by the pattern recognition technique. The accuracy and feasibility of the proposed method is demonstrated by using experimental strain data from a scale model of floating structure.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구에서는 고유벡터를 이용한 손상탐지 이론을 변형률을 적용할 수 있도록 확장하고, 이를 이용해 플로팅 구조물의 손상을 탐지하는 알고리즘을 제시하였다. 제안된 방법의 우수 성과 효용성을 입증하기 위하여 축소모형을 제작하고 손상 전과 손상 후의 계측 데이터를 통해 플로팅 구조물에 손상탐지 이론이 적용 가능한지 검증하였다.
본 연구에서는 부유체의 상판 즉 플레이트 구조의 손상을 탐지하고자 하였으며 실험의 편리성을 위해 플레이트 구조물을보 구조물의 연속이라 가정하고 보 구조물에 대한 손상지수 식을 유도하였다.
하지만 지금까지 진행된 연구는 주로 일반 육상에서의 구조물이나 교량을 대상으로 수행되었으며, 플로팅 구조물에 대한 연구가 초기 단계에 있는 국내에서는 플로팅 구조물에 대한 손상탐지 기법의 사례는 전무하다고 할 수 있다. 이에 본 연구에서는 모달 변형에너지를 이용한 손상지수 법을 변형률을 적용할 수 있도록 확장하고, 플로팅 구조물의 축소 모형을 통해 손상 전과 후에 계측된 변형률 데이터를 이용하여 플로팅 구조물의 손상탐지 성능을 평가하였다.

제안 방법

수조는 실험에 불편함이 없는 1500mm×900mm×500mm 크기로 하여 수조에 물을 절반을 채웠을 때 수조가 벌어지거나 깨지지 않게 고려하여 제작하였다. 계류의 용이성을 위해 ㄱ모양의 판을 부유체의 옆면 4곳에 용접하여 붙였으며 추를 올리기 위하여 강봉 및 추 받침대를 제작하여 구조물의 중앙에 용접하였다. 부유체의 재질은 SS400 강판으로 두께는 1mm이다.
본 실험에서 하중의 크기가 손상을 탐지하는데 있어 정확도에 영향을 끼칠 것으로 판단하고 2kg, 4kg, 5kg 각각 하중을 다르게 실험하였다. 모든 손상의 경우 false positive error는 0으로 정확하게 탐지하였으나, false negative error에서는 손상경우 1과 2에서 2kg의 하중을 주었을 때 미소한 차이로 손상을 탐지하지 못하였다.
손상을 추정하기 위해 손상 전과 손상 후의 변형률을 각 부재에 대해 측정하고 손상탐지 알고리즘을 통해 손상을 추정하였다. 부재에 변형을 주기 위한 방법으로는 추를 사용하였으며 이때 추는 2kg, 4kg, 5kg의 추를 사용하여 하중 크기별 변형률을 계측하고 손상을 탐지하였다. 5kg 하중에 의한 변형률 데이터를 Table 3과 Table 4에 나타내었다.
손상은 Fig. 4와 같이 총 3군데의 임의의 요소에서 손상을 주었으며, 손상은 부재의 단면을 약 40mm 가량 절단하여 손상을 모사하였다. 손상 경우별 손상 부재 및 손상 방법은 Table 2와 같다.
손상을 추정하기 위해 손상 전과 손상 후의 변형률을 각 부재에 대해 측정하고 손상탐지 알고리즘을 통해 손상을 추정하였다. 부재에 변형을 주기 위한 방법으로는 추를 사용하였으며 이때 추는 2kg, 4kg, 5kg의 추를 사용하여 하중 크기별 변형률을 계측하고 손상을 탐지하였다.
손상지수를 계산한 후 손상부위를 결정하는 손상탐지는 패턴인식을 이용하여 효과적으로 구할 수 있으며 본 연구에서는 부재 손상의 그룹 분류를 위해 여러 가지의 테크닉을 이용할수 있으나 비교적 이용이 쉬운 가설테스트를 사용하였으며 다음과 같은 두 가지의 경우의 가설을 설정할 수 있다(박 등, 2004).
수조는 실험에 불편함이 없는 1500mm×900mm×500mm 크기로 하여 수조에 물을 절반을 채웠을 때 수조가 벌어지거나 깨지지 않게 고려하여 제작하였다.
3과 같이 변형률을 측정할 수 있는 스트레인 게이지, 20개의 스트레인게이지를 연결할 수 있는 20개 채널의 데이터 로거, 측정 데이터 저장 및 실험 제어를 위한 노트북 컴퓨터를 사용하였다. 실험은 데이터 로거의 채널 개수만큼 구조물 상판을 20개 요소로 나누고 각 요소의 한 가운데 스트레인 게이지를 부착하여 수행 하였다. 스트레인 게이지는 변형률의 정확성을 높이기 위하여 방청 페인트를 벗겨낸 후 부착하였다.
본 연구에서는 고유벡터를 이용한 손상탐지 이론을 변형률을 적용할 수 있도록 확장하고, 이를 이용해 플로팅 구조물의 손상을 탐지하는 알고리즘을 제시하였다. 제안된 방법의 우수 성과 효용성을 입증하기 위하여 축소모형을 제작하고 손상 전과 손상 후의 계측 데이터를 통해 플로팅 구조물에 손상탐지 이론이 적용 가능한지 검증하였다. 본 연구에서 얻은 결론을 요약하면 다음과 같다.

대상 데이터

계류의 용이성을 위해 ㄱ모양의 판을 부유체의 옆면 4곳에 용접하여 붙였으며 추를 올리기 위하여 강봉 및 추 받침대를 제작하여 구조물의 중앙에 용접하였다. 부유체의 재질은 SS400 강판으로 두께는 1mm이다. 축소모형의 모습은 Fig.
하지만 실제 계류 시스템과 같은 형상으로 제작하기엔 어려움이 있어 계류 시스템의 역할을 동일하게 하는 인장용수철을 사용하여 수평 움직임을 제한하였다. 실험에 사용된 용수철의 직경은 20mm이며 용수철의 거치대는 Fig. 2와 같이 스탠드를 사용하였다.
실험에 사용된 플로팅 구조물의 축소모형은 800mm×400mm ×40mm 의 크기로 제작하였으며, 속을 비워 물에 뜰 수 있도록 하였다.
축소모형의 변형률 측정을 위해 사용된 장비는 Fig. 3과 같이 변형률을 측정할 수 있는 스트레인 게이지, 20개의 스트레인게이지를 연결할 수 있는 20개 채널의 데이터 로거, 측정 데이터 저장 및 실험 제어를 위한 노트북 컴퓨터를 사용하였다. 실험은 데이터 로거의 채널 개수만큼 구조물 상판을 20개 요소로 나누고 각 요소의 한 가운데 스트레인 게이지를 부착하여 수행 하였다.

성능/효과

1) 본 연구에서 제안된 손상탐지 이론은 플로팅 구조물의 손상부위를 결정함에 있어서 신뢰성 높은 손상 평가 결과를 얻을수 있다.
2) 정적 데이터를 이용한 플로팅 구조물의 손상탐지는 하중을 가할수록 Zj값이 높아지는 양상을 보였다. 흘수의 이유로 하중의 무게를 5kg까지 가할 수 있었지만 하중을 좀 더 늘린다면 좀 더 높은 정확성의 손상탐지 결과를 얻을 수 있다고 판단 된다.
3) 다수의 손상이 있을 경우 변형률이 큰 부재에 비해 작은 부재가 상대적으로 작은 손상위치 추정 값을 도출하고 있다.
5kg 하중에 의한 변형률 데이터를 Table 3과 Table 4에 나타내었다. 계측된 변형률 데이터에서 알 수 있듯이 손상 부재에서 손상 전과 손상 후의 변형률 값이 크게 바뀌는 것을 알 수 있다.

후속연구

2) 정적 데이터를 이용한 플로팅 구조물의 손상탐지는 하중을 가할수록 Zj값이 높아지는 양상을 보였다. 흘수의 이유로 하중의 무게를 5kg까지 가할 수 있었지만 하중을 좀 더 늘린다면 좀 더 높은 정확성의 손상탐지 결과를 얻을 수 있다고 판단 된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	손상지수 법이란?	손상지수 법(damage index method)은 구조물의 질량, 감쇠및 강성 변화와 모달응답 변화 사이의 민감도 관계를 기반으로 손상에 의한 변형에너지 분포의 변화를 이용하여 손상을 평가 하는 방법이다(Choi et al., 2005).
	상시안전도 진단을 통해 부유체의 안전을 확보해야하는 이유는?	부유식 구조물은 주로 콘크리트나 강재로 만들어진 대형 부유체(floating body, pontoon)를 중심으로 계류 및 상부구조로 이루어져 있다. 부유체의 경우 해양의 혹독한 조건에 항시 노출 되어 있기 때문에 상시안전도 진단을 통해 구조물의 안전을 확보하여야 하며 손상 위치 및 결함 정도를 파악할 필요가 있다. 특히 구조물에 발생하는 손상은 구조물의 기능저하를 초래할 뿐만 아니라 이를 초기에 발견하고 적절한 조치를 취하지 않으면 대형 사고를 유발할 수 있다.
	미국과 일본의 초대형 플로팅 해상구조물에 대한 연구 현황은?	초대형 플로팅 해상구조물에 대한 연구는 미국과 일본을 중심으로 진행되어 왔다. 미국의 경우, 1980년대 후반과 1990년대 초반에 미국 국립과학원에서 초대형 플로팅 해상구조물의 연구를 후원하였으며, 일본은 1995년부터 초대형 플로팅 구조물에 대한 연구를 수행하고 있다. 하지만 아직 우리나라에서는 플로팅 구조물에 대한 연구가 초기 단계에 있으며 플로팅 구조물의 실제 설계 및 시공이 이루어진 예를 찾아보기 힘들다.

참고문헌 (11)

박수용, 최상현, 윤성원, 정광량(2004), "모드 유연성의 변화를 이용한 바닥구조의 손상탐지", 대한건축학회논문집 구조계 02권 5호, pp. 35-22.
송화철, 곽명하(2001), "초대형 부유식 해상구조물 상부 구조체의 구조해석", 해양과학기술 논문집 10권 1호, pp. 17-22.
오병환, 정범석(1997), "정적변위 및 동특성 측정자료를 이용한 구조물의 손상도 추정", 대한토목학회논문집 17권 1-3호, pp. 383-396.
이종원(2011), "분포형 광섬유센서와 변형률 모드를 이용한 구조물의 손상탐지 기법", 한국건축학회논문집 27권 2호, pp. 47-54.
정연주(1999), "손상에 대한 동특성의 민감도를 이용한 구조물 손상도 평가", 대한토목학회논문집 19권 1-5호, pp. 649-662.
Choi, S. and Stubbs, N.(1997), "Nondestructive damage detection algorithms for 2D plates", SPIE Proceedings: Smart Structures and Materials, Vol. 3043, pp. 193-204.
Choi, S.(1999), "Improved Performance of Damage Localization and Severity Estimation via Combining Multiple Damage Algorithms", Texas A&M University, Ph.D. Dissertation.
Choi, S., Park, S. and Stubbs, N,(2005), "Nondestructive damage detection in structures using changes in compliance", International Journal of Solids and Structures, 42, pp. 4494-4513

상세보기
Hajela. P., and Soeiro. F.J.(1990), "Structural damage detection based on static and modal analysis", AIAA J., Vol. 28. No. 6, pp. 1110-1115.

상세보기
Law, S.S., Li, X.Y., Zhu, X.Q., Chan, S.L.(2005), "Structural damage detection from wavelet packet sensitivity", Engineering Structures, 27, pp. 1339-1348

상세보기
Pandey, A.K., Biswas, M. and Samman, M.M.(1991), "Damage detection from changes in curvature mode shapes", Journal of Sound and Vibration, Vol. 226, No. 5, pp. 321-332.

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표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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