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철골 구조물의 안전성 모니터링을 위한 변형률 기반 하중 식별
A Strain based Load Identification for the Safety Monitoring of the Steel Structure 원문보기

한국구조물진단유지관리공학회 논문집 = Journal of the Korea Institute for Structural Maintenance and Inspection, v.18 no.2, 2014년, pp.64 - 73  

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

초록
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본 연구에서는 철골 골조 구조물의 안전성 모니터링을 위하여 계측한 변형률을 통해 구조물에 작용한 하중을 식별하는 알고리즘을 제안한다. 기존의 시스템 식별 연구에서 구조물의 강성 등을 변수화한 것과는 다르게, 본 연구에서는 구조물에 작용한 하중과 이로 인해 구조물에 발생하는 변형률 간의 관계를 행렬로 정의하고, 이 행렬 및 작용한 하중을 변수화 한다. 계측한 변형률과 변수를 통해 추정한 변형률 사이의 차이를 오차함수로 설정하고 이를 최소화시키기 위해 최적화 알고리즘 중 하나인 유전자 알고리즘을 적용한다. 구해진 변수와 계측 변형률을 통해 작용한 하중을 식별하고 구조물의 하중 변화 시 미계측 지점의 응답을 추정한다. 본 연구에서 제안하는 하중 식별 알고리즘을 검증하기 위해 3차원 철골 골조 구조물의 정적 가력 실험을 수행하였고, 계측한 변형률을 통해 가해진 하중을 낮은 오차 수준으로 식별할 수 있었다. 또한, 하중 조건 변화 시, 계측한 변형률을 통해 모니터링 대상이 되는 미계측 지점의 변형률을 0.17~3.13%의 오차 범위로 추정하였다. 본 연구가 제안하는 식별법이 철골 구조물의 보다 현실적인 안전성 모니터링에 효과적으로 적용될 것으로 기대된다.

Abstract AI-Helper 아이콘AI-Helper

This study proposes a load identification for the safety monitoring of the steel structure based on measured strain data. Instead of parameterizing the stiffness of structure in the existing system identification researches, the loads on a structure and a matrix (the unit strain matrix) defined by t...

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

  • 구조물의 계측 및 해석 응답에 대해 정적 응답과 동적 응답으로 구분하여 다수의 오차함수를 설정하였고, 이들을 최소화 하기 위해 다목적 유전자 알고리즘인 Non-dominated Sorting Genetic Algorithm II (NSGA-II)를 적용하였다. 본 연구는 구조물의 하중 식별을 위해 구조물의 하중과 변형률 간의 관계를 정의하고 GA를 이용하여 이를 규명한다. 하중과 변형률 간의 관계를 행렬로 나타내고 행렬의 구성 성분 및 하중을 변수화하여 변형률을 추정한다.
  • 본 연구에서는 계측한 변형률을 이용해 시공 중 또는 시공 후 구조물의 불확실하고 변동성 있는 하중을 식별하는 방법을 제안하였다. 작용한 하중뿐만 아니라 하중 변화 시 모니터링 대상이 되는 부재의 미계측 지점에서의 변형률 추정을 가능하게 함으로써 더욱 현실적이고 효과적인 철골 구조물의 안전성 모니터링이 가능할 것으로 기대한다.
  • 본 연구에서는 철골 골조 구조물의 안전성 모니터링을 위하여 계측한 변형률을 통해 구조물에 작용한 하중을 식별하는 알고리즘을 제안하였다. 기존의 시스템 식별 연구에서 구조물의 강성 등을 변수화한 것과는 다르게, 본 연구에서는 구조물에 작용한 하중과 이로 인해 구조물에 발생하는 변형률 간의 관계를 행렬로 정의하고, 이 행렬 및 작용한 하중을 변수화한다.
  • 본 연구에서는 철골 골조 구조물의 안전성 모니터링을 위한 변형률 기반 하중 식별 알고리즘을 제안하였다. 본 연구에서 제시한 알고리즘은 하중과 변형률 사이의 관계를 단위 변형률 행렬로 정의하고, 단위 변형률 행렬의 변화량과 작용한 하중을 변수로 설정하였다.

가설 설정

  • 구조물의 강성에 영향을 미치는 불확실 요소로 인해 단위 변형률 행렬의 구성 성분인 단위 하중에 의해 발생하는 변형률에 변화가 생긴다는 가정 하에, 다음 식 (3)과 같이 단위 하중에 의한 변형률을 정의하였다.
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질의응답

핵심어 질문 논문에서 추출한 답변
최대변형률을 직접 계측하는 것이 매우 어려운 이유는? 구조물에 발생한 최대 응력 산출을 위해서는 변형률계를통해 직접 최대변형률을 계측하거나 최대변형률을 추정하여야 한다. 시공 중 또는 사용 중 발생하는 하중의 변동, 계측 센서 설치 개수의 한계 등의 이유로 최대변형률을 직접 계측하는 것은 매우 어려운 일이다. 이에 부재의 변형률 분포 혹은 최대변형률을 추정하여 구조물 또는 부재에 발생한 최대 응력을 추정하는 연구가 활발히 진행 (Hampshire and Adeli, 2000; Park et al.
구조물에 발생한 최대 응력 산출을 위해 해야할 일은? 구조물에 발생한 최대 응력 산출을 위해서는 변형률계를통해 직접 최대변형률을 계측하거나 최대변형률을 추정하여야 한다. 시공 중 또는 사용 중 발생하는 하중의 변동, 계측 센서 설치 개수의 한계 등의 이유로 최대변형률을 직접 계측하는 것은 매우 어려운 일이다.
해석적인 방법을 통해 최대변형률 및 최대응력을 추정하는 기존연구들이 가지고 있는 한계점은? 위의 연구들이 제시하는 방법들은 해석상에 가정한 사항이 성립되는 이상적인 상황이어야만 적용이 가능하다. 즉, 위 연구들은 현실적인 모니터링에서 발생하는 불확실 요소들이 반영되지 않은 이론적인 해석적 방법에 기반한 모델들이고 따라서 실제 모니터링에서는 그 적용성이 떨어지게 된다. 먼저, 위 연구에서 제시된 방법들은 하중의 불확실성을 고려하고 있지 않다. 집중하중의 위치는 일반적으로 예측 가능할 지라도 분포 하중을 삼각하중, 등분포 하중 등으로 제한하고 있어 실제 발생하는 불규칙한 형상의 분포하중에 대해서는 그 적용이 불가하다. 또한, 설계 시점에서 제공된 하중 이외에 시공 중 혹은 사용 중 하중의 위치와 크기는 변화할 수 있으며 이에 따라 해석적 방법에 의한 변형률 추정은 더 어려워지게 된다. 지점 조건도 이상적인 힌지 혹은 고정단으로 제한하고 있다. 현실의 어떤 구조물의 접합부 조건을 힌지 혹은 고정단으로 구성하는 것은 불가능한 일이며 접합부 회전 (rotational) 및 이동 (translational)에 대한 강성을 추정하기란 매우 어려운 일이다. 위 해석적 방법에 의한 접근은 접합부 조건에 따라 외부 경간의 모멘트 전달이 달라져 부재의 변형률 변화에 영향을 미치는 현상을 반영하지 못하고 있다. 이 외에도 탄성계수와 같은 재료 물성치, 단면 2차 모멘트와 같은 단면 정보 등에 의한 오차, 부재 설치 시공상의 오차 등도 해석 모델에 의한 변형률 추정을 부정확하게 하는 요소가 된다.
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참고문헌 (24)

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  22. Sanayei, M., Phelps, J. E., Sipple, J. D., Bell, E. S., Brenner, B. R. (2012), Instrumentation, nondestructive testing and finite-element model updating for bridge evaluation using strain measurements, Journal of bridge engineering, 17(1), 130-138. 

  23. Sanayei, M., Rohela, P. (2014), Automated finite element model updating of full-scale structures with PARameter identification system(PARIS), Advances in Engineering Software, 67, 99-110. 

  24. 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. 

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