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FBG센서를 이용한 다경간 강재 보 구조물의 안전성 모니터링을 위한 변형률 분포 추정 기법
Estimation Method of Strain Distribution for Safety Monitoring of Multi-span Steel Beam Using FBG Sensor 원문보기

한국구조물진단유지관리공학회 논문집 = Journal of the Korea Institute for Structural Maintenance and Inspection, v.18 no.1, 2014년, pp.138 - 149  

오병관 (연세대학교 건축공학과) ,  이지훈 (대림산업(주)) ,  최세운 (연세대학교 건축구조헬스케어연구단) ,  박효선 (연세대학교 건축공학과) ,  김유석 (연세대학교 건축구조헬스케어연구단)

초록
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본 연구에서는 불특정 분포하중에 대한 다경간 연속 보 구조물의 변형률 분포를 추정하는 기법을 제시하였다. 본 추정 기법은 해석적 방법이 아닌 계측한 변형률 데이터로부터 최소제곱법을 이용한 커브 피팅을 통해 변형률 분포를 추정하였다. 제시한 다경간 보 연속 구조물의 변형률 추정 기법은 멀티플렉싱이 가능한 FBG센서를 이용하여 다경간 연속 강재 보 정적 가력 실험을 통해 검증하였다. 실험을 통해서 분포 하중과 집중하중에 의한 변형률 분포의 추정 정확성 및 변형률 추정에 사용되는 계측점 수에 따른 추정 오차에 대한 검토를 수행하였다. 5.89 (하중 step1), 6.26% (하중 step2) 오차로 최대 변형률 지점에서의 변형률을 추정할 수 있었다. 추정을 위한 변형률 계측 센서 수를 감소시킨 경우 오차가 증가 (0.26~0.37%)하는 것 또한, 확인할 수 있었다. 회귀분석적 기법을 통해 다경간 보의 변형률 분포를 추정함으로써 특정 형상의 분포 하중에 대해서만 적용이 가능한 해석적 변형률 추정 기법의 한계를 넘어 불특정 분포 하중에 대한 변형률 분포 추정이 가능해졌고 추정 변형률 분포를 통해 최대변형률 발생 위치까지 확인할 수 있게 되었다.

Abstract AI-Helper 아이콘AI-Helper

This study proposes an estimation method of strain distribution for multi-span steel beam structure under unspecific loading conditions. The estimation method in this paper employs the curve fitting using the least square method from measured strain data, not analytical method. To verify the propose...

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

  • 먼저, 본 연구에서 대상으로 하는 다경간 연속보의 특성을 반영하여 식 (5)로 표현된 근사 추정식을 변형한다. 다경간 연속보의 경계조건을 대입하여 보다 정확한 변형률 추정식을 설정하고 이를 구하기 위함이다. 다경간 연속보의 구조 특성상 두 경간의 경계점에서의 변형률 분포는 연속이어야 한다는 특징이 반영된다.
  • 따라서, 본 연구에서는 불특정 분포하중에 대한 다경간 연속 보 구조물의 변형률 분포 추정 기법을 제시하였다. 본 추정 기법은 해석적 방법이 아닌 계측한 변형률 데이터로부터 최소제곱법을 이용한 커브 피팅을 통해 변형률 분포를 추정한 기존 연구 (Lee et al.
  • 다경간 연속보에서 하나의 보 부재에 작용하는 하중은 해당 경간 내에 작용하는 하중과 인접 부재로부터 보 양단의 접합부에서 전달되는 모멘트가 존재한다. 본 연구는 Fig. 1과 같이 다경간 연속보의 임의의 한 경간의 보를 단순보로 치환하고 양단모멘트를 포함한 불확실한 하중들이 이 치환된 단순보에 재하된다는 가정에서 시작한다. 경간 사이에 발생하는 모멘트는 치환된 단순보의 양단에 작용하는 모멘트로 수직하중의 정보를 알 경우 이론적인 해석에 의해 구할 수 있으나, 하중의 불확실성과 구조물의 실제 거동의 이론과의 불일치를 고려하여 본 연구에서는 미지의 값으로 간주하고 있다.
  • 본 연구는 변형률 분포 추정을 위하여, 해석적 추정 기법에서 보의 변형률 분포식 유도에서 사용하는 이론적인 보의 휨 이론을 도입하지 않고, 일반적인 다항식 형태의 함수를 통해 보의 변형률 분포식을 직접적으로 유추하고자 한다. 가정의 합리성을 위하여 Fig.
  • 본 연구에서는 다경간 연속 강재보의 안전성 모니터링을 위한 변형률 분포 추정 기법을 제시하였다. FBG센서로부터 계측한 변형률 데이터에 최소제곱법을 이용한 커브 피팅을 적용하여 변형률 분포를 추정한 후, 실험값을 통해 제시한 추정 기법을 검증하였다.
  • 보 구조물의 전 길이방향의 변형률 분포를 추정함으로써 최대 변형률과 그 발생 위치를 추정한다. 이 연구에서는 기존의 해석적 추정 기법을 벗어나 계측한 변형률 데이터로부터 회귀 분석적 접근을 통해 어떠한 형상의 분포 하중을 받고 있는 단일 보 구조물에도 적용 가능한 최대 변형률 추정 기법을 제시하였다.

가설 설정

  • )로 표현하였다. 본 연구에서는 경간 당 하나의 집중하중이 작용하는 것으로 가정하였으며 이에 따라 집중하중에 대한 변형률 분포는 집중하중의 작용점을 경계로 두 개의 구간을 갖는 1차 함수로 표현된다. 그 경계에서 Fig.
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질의응답

핵심어 질문 논문에서 추출한 답변
기존 전기저항식 센서와 같은 포인트 센서의 단점은? 이들 센서는 다시 부재 내 계측 범위에 따라 상대적으로 게이지 길이가 긴 센서와 포인트센서로 분류할 수 있다. 기존 전기저항식 센서와 같은 포인트 센서는 국부적인 변형률 계측만이 가능하여 시공 중 또는 후에 발생할 수 있는 작용하중 크기 및 위치가 변화할 경우 구조물 안전성 평가를 합리적으로 수행할 수 없다. 이에 대한 보완으로서 센서의 수를 늘리게 되면 데이터 량의 증가로 인해 계측 데이터의 저장 및 분석의 어려움이 발생한다.
구조물 건전도 모니터링은 어떻게 수행되는가? , 2013). 실제 구조물에 각종 계측 센서 (가속도계, 변위계, 변형률계)를 설치하여 정기적으로 혹은 실시간으로 계측을 수행하게 되며, 대표적인 구조 응답으로는 가속도, 변위 그리고 변형률 등을 들 수 있다. 특히, 변형률의 계측을 통해서 산출되는 최대응력은 설계기준 (AISC, 2000)에서 제시된 허용응력과의 비교를 통해서 구조물의 안전성 평가 지표로 널리 활용되고 있으며, 이를 추정하기 위한 변형률 기반의 구조 건전도 모니터링 연구가 부재 단위로 활발히 진행되고 있다 (Hampshire and Adeli, 2000; Park et al.
광섬유 브래그 격자 센서의 장점은? 그러나 긴 게이지 길이 구간에서의 변형률 평균값을 계측하기 때문에 부재 내 특정 위치에 발생하는 최대 변형률을 직접 계측할 수 없다. 한편, 광섬유 브래그 격자 센서 (Optical fiber bragg grating sensor, FBG)는 비록 포인트 센서이지만, 멀티플렉싱 기술 (Choi et al., 2013; Grattan and Sun, 2000; Li et al., 2004; Majumder et al., 2008; Chan et al., 1999)이 적용됨으로써 적은 수의 센서를 이용하여 부재의 최대 변형률을 직접 계측할 수 있다. 멀티플렉싱은 하나의 신호 안에 여러 신호를 담을 수 있는 기술로, 여러 개의 센서를 하나의 선으로 연결하여 각 센서에서 계측한다수의 데이터를 단일 신호로 전달할 수 있다.
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참고문헌 (17)

  1. AISC (2005), Steel Construction Manual, American Institute of Steel Construction (AISC), Chicago, IL. 

  2. Chan, P. K. C., Jin, W., Gong, J. M., Demokan, M. S. (1999), Multiplexing of fiber Bragg grating sensors using an FMCW technique, IEEE Photonic Technology Letter, 11, 1470-1472. 

  3. Choi, S. W., Lee, J., Oh, B. K., Park, H. S. (2013), Analytical models for estimation of the maximum strain of beam structures based on optical fiber bragg grating sensors, Journal of Civil Engineering and Management (Accepted). 

  4. Grattan, K. T. V., Sun, T. (2000), Fiber optic sensors technology: an overview, Sensors and Actuators A: Physical, 82(1-3), 40-61. 

  5. Hahn, H. G., Ahn, H. J. (2012), A Study on Development of Structural Health Monitoring System for Steel Beams Using Strain Gauges, Journal of the Korea Institute for Structural Maintenance and Inspection, 16(1), 99-109 (in Korean). 

  6. Hampshire, T. A., Adeli, H. (2000), Monitoring the behavior of steel structures using distributed optical fiber sensor, Journal of Constructional Steel Research, 53, 267-281. 

  7. Lee, H. M., Park, H. S. (2013), Measurement of maximum strain of steel beam structures based on average strains from vibrating wire strain gages, Experimental Techniques, 37, 23-29. 

  8. Lee, J. H., Choi, S. W., Park, H. S. (2013), A Regressionbased Estimation of Strain Distribution for Safety Monitoring of the Steel Girder Subjected to Uncertain Loads, Journal of the Korea Institute for Structural Maintenance and Inspection, 17(2), 10-20 (in Korean). 

  9. Li, H. N., Li, D. S., Song, G. B. (2004), Recent application of fiber optic sensors to health monitoring in civil engineering, Engineering Structures, 26(11), 1647-1657. 

  10. Lioe, R., Wong, W. (2012), The Sands Hotel and Sands SkyPark, The Arup Journal, 1, 17-20. 

  11. Majumder, M., Gangopadhyay, T. K., Chakraborty, A. K., Dasgupta, K., Bhattacharty, D. K. (2008), Fibre Bragg gratings in structural health monitoring-Present Status and applications, Sensors and Actuators A: Physical, 147(1), 150-164. 

  12. Park, H. S., Jung, H. S., Kwon, Y. H., Seo, J. H. (2006), Analytical models for assessment of the safety of steel beams based on average strains from long gage optic sensors, Sensors and Actuators A: Physical, 125, 109-113. 

  13. Park, H. S., Jung, S. M., Lee, H. M., Kwon, Y. H., Seo, J. H. (2007), Analytical models for assessment of the safety of multi-span steel beams based on average strains from long gage optic sensors, Sensors and Actuators A: Physical, 137, 6-12. 

  14. Park, H. S., Park, K. T., Lee, K. W. (2001), An Experimental Study on Characteristic Analysis of Deflection Response of RC Structures Using Measured Strain, Journal of the Korea Institute for Structural Maintenance and Inspection, 5(3), 173-180 (in Korean). 

  15. Park, H. S., Shin, Y., Choi, S. W., and Kim, Y. (2013), An Integrated Structural Health Monitoring System for the Local/Global Response of a Large-Scale Irregular Building under Construction, Sensors, 13, 9085-9103. 

  16. Tam, H., Au, H. Y., Chung, K. M., Liao, W. Y., Chung, W. H., Liu, S. Y., Lai, S. Y., Lai, C. C., Ni, Y. Q., Csipkes, A. (2011), Distribution Optical Sensor System on the 610-m Guangzhou New TV Tower, Optical Fiber Communication Conference, Los Angeles. 

  17. Yu, F., Gupta, N. (2005), An efficient model for improving performance of vibrating-wire instruments, Measurement: Journal of the International Measurement Confederation, 37(3), 278-283. 

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