FBG를 이용한 변형률 기반 건물의 횡방향 구조반응 모니터링 기법에 관한 해석적 연구 A Numerical Study on the Strain Based Monitoring Method for Lateral Structural Response of Buildings using FBG Sensors원문보기
본 논문에서는 건물의 횡방향 구조반응을 평가하기 위한 변형률 기반의 모니터링 기법이 제시되고, 이에 대한 기초 연구로써, 구조해석을 통해 제안된 기법을 검증한다. 광섬유 격자 센서(fiber Bragg grating, FBG)는 일반 변형률 센서와 비교하여 내구성이 뛰어날 뿐 아니라 높은 샘플링 수와 여러 지점을 동시에 계측할 수 있는 장점이 있다. 이러한 특성 때문에 FBG 센서는 구조 모니터링을 위해 많은 센서가 요구되는 건물의 모니터링에 적합하다. 본 연구에서 FBG 센서는 수직 부재의 변형률을 계측하며, 이는 해당 부재의 곡률을 평가한다. 이러한 곡률은 횡변위와 횡가속도를 평가하는데 사용된다. 추가적으로 횡방향 가속도는 frequency domain decomposition(FDD) 기법을 이용하여 구조물의 고유진동수와 모드형상을 추정하는데 사용된다. 9층 철골모멘트 골조 예제의 적용을 통해, 제시된 기법이 건물의 다양한 횡방향 구조 반응과 동적 특성을 평가하는데 적절함을 확인하였다.
본 논문에서는 건물의 횡방향 구조반응을 평가하기 위한 변형률 기반의 모니터링 기법이 제시되고, 이에 대한 기초 연구로써, 구조해석을 통해 제안된 기법을 검증한다. 광섬유 격자 센서(fiber Bragg grating, FBG)는 일반 변형률 센서와 비교하여 내구성이 뛰어날 뿐 아니라 높은 샘플링 수와 여러 지점을 동시에 계측할 수 있는 장점이 있다. 이러한 특성 때문에 FBG 센서는 구조 모니터링을 위해 많은 센서가 요구되는 건물의 모니터링에 적합하다. 본 연구에서 FBG 센서는 수직 부재의 변형률을 계측하며, 이는 해당 부재의 곡률을 평가한다. 이러한 곡률은 횡변위와 횡가속도를 평가하는데 사용된다. 추가적으로 횡방향 가속도는 frequency domain decomposition(FDD) 기법을 이용하여 구조물의 고유진동수와 모드형상을 추정하는데 사용된다. 9층 철골모멘트 골조 예제의 적용을 통해, 제시된 기법이 건물의 다양한 횡방향 구조 반응과 동적 특성을 평가하는데 적절함을 확인하였다.
In this study, the strain based monitoring method to evaluate the lateral structural response of buildings is presented and an applicability of the proposed method is confirmed through the numerical study. It is assumed that the fiber Bragg grating(FBG) strain sensor is employed to measure the strai...
In this study, the strain based monitoring method to evaluate the lateral structural response of buildings is presented and an applicability of the proposed method is confirmed through the numerical study. It is assumed that the fiber Bragg grating(FBG) strain sensor is employed to measure the strain response of members due to the excellent properties such as multiplexing, and higher sampling frequency. These properties of FBG sensors is proper for buildings the a lot of sensors are required to monitor the reponses of those. FBG sensors measure the strain response of vertical members and are employed to calculate the curvatures of members using the measured strain responses. Then the lateral displacement, and lateral acceleration is evaluated based on the curvatures of vertical members. Additionally, these dynamic responses of buildings are used to evaluate the dynamic properties of buildings such as the natural frequencies and mode shapes using the frequency domain decomposition(FDD) method. Through the application of nine-story steel moment frame example structure, it is confirmed that the proposed method is appropriate to evaluate the lateral structural responses and dynamic properties of buildings.
In this study, the strain based monitoring method to evaluate the lateral structural response of buildings is presented and an applicability of the proposed method is confirmed through the numerical study. It is assumed that the fiber Bragg grating(FBG) strain sensor is employed to measure the strain response of members due to the excellent properties such as multiplexing, and higher sampling frequency. These properties of FBG sensors is proper for buildings the a lot of sensors are required to monitor the reponses of those. FBG sensors measure the strain response of vertical members and are employed to calculate the curvatures of members using the measured strain responses. Then the lateral displacement, and lateral acceleration is evaluated based on the curvatures of vertical members. Additionally, these dynamic responses of buildings are used to evaluate the dynamic properties of buildings such as the natural frequencies and mode shapes using the frequency domain decomposition(FDD) method. Through the application of nine-story steel moment frame example structure, it is confirmed that the proposed method is appropriate to evaluate the lateral structural responses and dynamic properties of buildings.
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문제 정의
, 2010). 따라서 본 연구에서는 변형률을 통해 추정한 층별 가속도를 이용하여 구조물의 동특성을 추정해 보았다. 이를 위해 FDD 기법을 사용하였으며, 그 결과는 Fig.
본 연구에서는 건물의 횡방향 변위와 가속도를 모니터링하기 위한 변형률 기반 추정기법을 제시하고, 이를 구조해석을 통해 제안하는 기법의 적용성을 검토한다. 본 연구에서는 변형률 센서로써 광섬유 센서(fiber Bragg grating, FBG)를 사용한다고 가정한다.
본 연구에서는 구조물의 안전성과 사용성을 동시에 모니터 링하기 위해 요구되는 센서 종류의 수를 줄이면서, 기존 횡방향 구조 응답 모니터링 기법의 문제를 극복할 수 있는 변형률 기반 건물의 횡방향 구조응답 예측 기법을 제안하였다. 제안하는 기법은 FBG 센서를 통해 계측되는 변형률을 이용하여 해당 기둥의 곡률과 변형 분포를 구한다.
본 연구에서는 변형률 기반 건물의 횡방향 구조응답 예측 기법을 제시하였으며, 구조해석을 이용하여 검증하였다. 따라서 실험을 통해 추가 검증이 필요하다.
가설 설정
본 연구에서는 건물의 횡방향 변위와 가속도를 추정하기 위해 기둥열에 FBG센서가 설치된다고 가정한다. FBG 센서는 Fig. 2와 같이 총 4개의 센서가 각 기둥의 양 단부에 대칭으로 설치된다고 가정한다. 이는 평면은 휨 변형 후에서도 평면을 형성한다는 Bernoulli 가정에 근거한 식 (2)를 이용하여 센서가 설치된 양 단부에서의 곡률을 계산할 수 있다.
구조물의 변형률 값을 얻기 위해 Fig. 4에 나타난 것처럼 왼쪽 첫 번째 기둥열에 FBG 센서(층당 4개 × 9개층 = 총 36개)가 설치되었다고 가정하고, 구조해석을 통해 해당 위치에서의 변형률 값을 얻는다.
패널존의 강성 및 강도 효과는 고려되지 않았다. 기둥과 보의 접합부는 강접으로 연결되었다고 가정하였다. 부재의 재료는 탄성 재료를 사용하였으며, 선형 시간이력 해석을 수행하였다.
본 연구에서는 건물의 횡방향 변위와 가속도를 추정하기 위해 기둥열에 FBG센서가 설치된다고 가정한다. FBG 센서를 통해 계측되는 변형률을 이용하여 해당 기둥의 곡률과 변형 분포를 구한다.
본 연구에서는 건물의 횡방향 변위와 가속도를 모니터링하기 위한 변형률 기반 추정기법을 제시하고, 이를 구조해석을 통해 제안하는 기법의 적용성을 검토한다. 본 연구에서는 변형률 센서로써 광섬유 센서(fiber Bragg grating, FBG)를 사용한다고 가정한다. FBG 센서는 일반적인 전기저항식 변형률 센서와 비교하여 내구성이 뛰어나며, 전자기의 영향이 적어 높은 신뢰성으로 변형률 응답값을 계측할 수 있다.
식 (4)를 이용하여 각 기둥의 횡변위 분포 y(x)를 구하기 과정에서는 두 개의 적분상수의 값을 경계조건을 이용하여 구해야 한다. 이를 위해, 본 연구에서는 건물의 최하층에 위치한 기둥의 지점 조건은 고정단이라 가정하고, 최하층 기둥의 횡변위 분포를 구한다. 이는 최하층 기둥의 상단부의 횡변위와 회전각을 예측할 수 있다는 것을 의미하며, 이를 최하층에 수직으로 연속한 상부층 기둥의 하단부 경계조건 값으로 이용한다.
제안 방법
본 연구에서는 건물의 횡방향 변위와 가속도를 추정하기 위해 기둥열에 FBG센서가 설치된다고 가정한다. FBG 센서를 통해 계측되는 변형률을 이용하여 해당 기둥의 곡률과 변형 분포를 구한다. 이를 통해 기둥열의 횡변위 응답을 추정한다.
이는 최하층 기둥의 상단부의 횡변위와 회전각을 예측할 수 있다는 것을 의미하며, 이를 최하층에 수직으로 연속한 상부층 기둥의 하단부 경계조건 값으로 이용한다. 이와 같이 최하층 기둥의 횡변위 분포를 추정하고, 동일한 과정을 수직으로 연속한 기둥열에 대하여 연속적으로 적용하여 해당 기둥열의 횡변위 분포를 추정한다.
그리고 추정된 변위 응답을 이중미분하여 횡방향 가속도 응답을 추정이고, 이를 Frequency Domain Decomposition(FDD) 기법에 적용하여 구조물의 고유진동 수와 모드형상을 추정한다. 제시된 변형률 기반 건물의 횡방향 구조 응답 모니터링 기법은 9층 철골모멘트골조 예제의 지진 해석을 통해 검증되었다.
그리고 추정된 가속도 응답은 frequency domain decomposition(FDD) 기법을 이용하여 구조물의 고유진동수와 모드형상을 추정하는데 사용된다. 제시된 변형률 기반 건물의 횡방향 구조 응답 모니터링 기법은 9층 철골모멘트골조 예제의 지진 해석을 통해 검증한다.
본 연구에서는 구조물의 안전성과 사용성을 동시에 모니터 링하기 위해 요구되는 센서 종류의 수를 줄이면서, 기존 횡방향 구조 응답 모니터링 기법의 문제를 극복할 수 있는 변형률 기반 건물의 횡방향 구조응답 예측 기법을 제안하였다. 제안하는 기법은 FBG 센서를 통해 계측되는 변형률을 이용하여 해당 기둥의 곡률과 변형 분포를 구한다. 이를 통해 기둥열의 횡변 응답을 추정한다.
이를 통해 기둥열의 횡변위 응답을 추정한다. 추정된 변위응답을 이중미분하여 횡방향 가속도 응답을 구한다. 그리고 추정된 가속도 응답은 frequency domain decomposition(FDD) 기법을 이용하여 구조물의 고유진동수와 모드형상을 추정하는데 사용된다.
대상 데이터
본 연구에서는 제시하는 추정 기법의 적용성을 검토하기 위해 Fig. 4와 같은 9층 철골모멘트 골조 예제를 사용한다(Choi et al., 2012). 이 구조물의 1차와 2차 고유주기는 각각 2.
기둥과 보의 접합부는 강접으로 연결되었다고 가정하였다. 부재의 재료는 탄성 재료를 사용하였으며, 선형 시간이력 해석을 수행하였다. 본 연구에서 사용한 지진파는 Fig.
이론/모형
추정된 변위응답을 이중미분하여 횡방향 가속도 응답을 구한다. 그리고 추정된 가속도 응답은 frequency domain decomposition(FDD) 기법을 이용하여 구조물의 고유진동수와 모드형상을 추정하는데 사용된다. 제시된 변형률 기반 건물의 횡방향 구조 응답 모니터링 기법은 9층 철골모멘트골조 예제의 지진 해석을 통해 검증한다.
이를 통해 기둥열의 횡변 응답을 추정한다. 그리고 추정된 변위 응답을 이중미분하여 횡방향 가속도 응답을 추정이고, 이를 Frequency Domain Decomposition(FDD) 기법에 적용하여 구조물의 고유진동 수와 모드형상을 추정한다. 제시된 변형률 기반 건물의 횡방향 구조 응답 모니터링 기법은 9층 철골모멘트골조 예제의 지진 해석을 통해 검증되었다.
9와 Table 1과 같다. 모드형상의 유사성을 파악하기 위해 Modal Assurance Criteria(MAC)을 사용하였다(Chang et al., 2008). MAC 값은 식 (6)을 이용하여 구한다.
한편, 식 (5)를 통해 추정된 가속도 응답은 구조물의 동특성을 추정하는데 활용될 수 있다. 본 연구에서는 Frequency Domain Decomposition(FDD) 기법을 이용하여 구조물의 고유주기 및 모드형상을 추정하도록 한다(Brincker et al., 2001).
본 연구에서는 구조물의 지진해석을 위해 OpenSees를 사용한다. 다이어프램 효과와 P-delta 효과가 고려되었다.
따라서 본 연구에서는 변형률을 통해 추정한 층별 가속도를 이용하여 구조물의 동특성을 추정해 보았다. 이를 위해 FDD 기법을 사용하였으며, 그 결과는 Fig. 9와 Table 1과 같다. 모드형상의 유사성을 파악하기 위해 Modal Assurance Criteria(MAC)을 사용하였다(Chang et al.
성능/효과
제시된 기법은 횡방향 변위 및 가속도에 관련된 구조물의 사용성 모니터링 뿐만 아니라, 변형률 값을 이용하기 때문에 센서가 설치된 부재의 안전성을 동시에 모니터링할 수 있다.
후속연구
Table 1에 나타난 것과 같이 1차와 2차의 고유진동수와 모드형상은 OpenSees의 결과와 매우 유사한 것으로 나타났지만, 3차 고유진동수와 모드형상에서는 차이가 증가하였다. 그러나 본 예제는 2차모드까지의 질량참여율이 90%이상이기 때문에 구조물의 반응 및 특성을 모니터링하는데 적합하다고 판단된다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
FBG의 특징은?
본 연구에서는 변형률 센서로써 광섬유 센서(fiber Bragg grating, FBG)를 사용한다고 가정한다. FBG 센서는 일반적인 전기저항식 변형률 센서와 비교하여 내구성이 뛰어나며, 전자기의 영향이 적어 높은 신뢰성으로 변형률 응답값을 계측할 수 있다. 또한, 높은 sampling rate가 가능해서 정적응답 뿐만 아니라 동적응답을 계측할 수 있다. 한편, 기둥과 같은 부재의 거동을 모니터링하거나 건물과 같이 다수의 부재로 이루어진 구조물을 모니터링하기 위해서는 다수의 센서가 설치되어야 하는데(Lee et al., 2009; 2010), 이는 설치 비용의 증가와 관리의 어려움을 초래한다. FBG 센서는 다중 측정이 가능한 multiplexing 기능을 가지고 있어서 건물과 같이 다수의 부재로 이루어진 구조물의 모니터링에 적합하다. FBG의 이러한 특징들 때문에 FBG는 건물 및 사회기반시설물의 모니터링 분야에 활발히 적용되어 왔다(Li et al.
영상 기반 센서의 문제점은?
, 2005; 2010). 그러나 영상 기반 센서는 시야를 확보해야 하며, 상대적으로 고가이기 때문에 상시로 활용하기에는 한계를 가진 다. 또한 가속도계를 이용해 변위를 예측하는 방법은 정적 변위를 예측하는데 부적합하며, 이중 적분에 따른 수치에러가 발생하게 된다.
안전도 모니터링과 사용성 모니터링에는 어떤 계측기기가 사용되는가?
건물의 구조 모니터링은 모니터링 목적에 따라 안전도 모니터링과 사용성 모니터링으로 구분될 수 있다. 구조물의 안전도 모니터링에서는 일반적으로 변형률계가 널리 사용되고 있으며, 사용성 모니터링에서는 가속도계, 변위계 등이 사용 되고 있다.
참고문헌 (17)
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