[논문]원격 레이저 변위계측과 부공간시스템 식별법을 활용한 구조물의 물리량 추정 기법

김준희

[국내논문] 원격 레이저 변위계측과 부공간시스템 식별법을 활용한 구조물의 물리량 추정 기법
Structural Parameter Estimation using Remote Laser Displacement Measurement System and Subspace System Identification Method 원문보기

한국공간구조학회지 = Journal of Korean Association for Spatial Structures, v.15 no.1, 2015년, pp.14 - 21

김준희 (단국대학교 건축대학 건축공학과)

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AI 본문요약
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문제 정의

본 기술기사에서는 사용중 구조물의 전산구조모델을 추정하는 시스템 식별을 위해, 원격 레이저 변위계측과 부공간시스템 식별법을 활용한 구조물의 물리량 추정 기법을 소개하고자 한다. 본 방법은 현장 적용성이 뛰어난 비접촉식 레이저 모니터링 시스템과 상용 가진기에 의한 효율적인 구조물 가진 실험을 통해 대상 구조물의 동적데이터 수집 후, 부공간 시스템 식별법(subspace system identification)을 적용하여 상태공간모델을 추정하여 데이터기반 유한요소모델(data-driven finite element model)이라 명명된 구조물의 전산구조모델을 추출 하는 기법으로 구성된다.
본 방법은 현장 적용성이 뛰어난 비접촉식 레이저 모니터링 시스템과 상용 가진기에 의한 효율적인 구조물 가진 실험을 통해 대상 구조물의 동적데이터 수집 후, 부공간 시스템 식별법(subspace system identification)을 적용하여 상태공간모델을 추정하여 데이터기반 유한요소모델(data-driven finite element model)이라 명명된 구조물의 전산구조모델을 추출 하는 기법으로 구성된다. 실 구조물 적용 예로 소형 철골 구조물 및 공연장 건물의 콘크리트 발코니에 대한 구조 물리량 추정을 소개한다.
본 기술기사에서는 원격 레이저 변위계측과 부공간시스템 식별법을 활용한 구조물의 물리량 추정 기법을 소개하였다. 실험적으로는, 모달쉐이커를 사용하여 구조물을 가진하고 비접촉 레이저 계측기 및 스캐닝기법을 이용하여 다점의 구조물 출력 변위응답을 계측하여 입출력 데이터를 획득한 후, 부공간 시스템 규명법을 사용하여 획득된 입출력 데이터 처리를 통해 상태공간모델을 추정한다.

제안 방법

1]과 같이 도식적으로 요약될 수 있다. 모달쉐이커(modal shaker)를 사용하여 구조물을 가진하고 비접촉 레이저 계측기 및 스캐닝(scanning)기법을 이용하여 다점의 구조물 출력 변위응답을 계측하여 입출력 데이터를 획득한다. 부공간 시스템 규명법을 사용 하여 획득된 입출력 데이터 처리를 통해 상태공간 모델(state-space model)이 추정된다.
2013b). 두 철골 기둥을 연결하는 가로보에 설치된 모달 가진기(APS400, APS Dynamics)에 의한 가진실험이 수행됐으며, 레이저 진동계를 사용하여 각층의 응답변위가 계측되었다. 계측된 모달 가진기의 진동 가속도와 동적 변위 및 사전 정보인 모달 가진기의 가진질량(20.
7])이다. 대형 콘크리트 발코니 구조물(폭 42m, 길이 11m)로써 캔틸레버 구조의 특성상 구조 안전성에는 무관한 진동이 발생하기 쉬운 형태로, 20.7kg 가진질량 모달 가진기를 사용해 수직진동을 발생시켜 가진실험을 수행하였다. 모달 가진계의 입력운동 계측은 무선센서를 사용하여 가속도 계측이 수행되었으며, 이를 바탕으로 해당 발코니구조의 시스템 식별이 수행되었다.
7kg 가진질량 모달 가진기를 사용해 수직진동을 발생시켜 가진실험을 수행하였다. 모달 가진계의 입력운동 계측은 무선센서를 사용하여 가속도 계측이 수행되었으며, 이를 바탕으로 해당 발코니구조의 시스템 식별이 수행되었다.
본 기술기사에서는 원격 레이저 변위계측과 부공간시스템 식별법을 활용한 구조물의 물리량 추정 기법을 소개하였다. 실험적으로는, 모달쉐이커를 사용하여 구조물을 가진하고 비접촉 레이저 계측기 및 스캐닝기법을 이용하여 다점의 구조물 출력 변위응답을 계측하여 입출력 데이터를 획득한 후, 부공간 시스템 규명법을 사용하여 획득된 입출력 데이터 처리를 통해 상태공간모델을 추정한다. 추정된 상태공간모델의 물리적 해석을 통해 이산화된 질량, 강성, 감쇠 행렬과 같은 구조변수를 결정한다.
실험적으로는, 모달쉐이커를 사용하여 구조물을 가진하고 비접촉 레이저 계측기 및 스캐닝기법을 이용하여 다점의 구조물 출력 변위응답을 계측하여 입출력 데이터를 획득한 후, 부공간 시스템 규명법을 사용하여 획득된 입출력 데이터 처리를 통해 상태공간모델을 추정한다. 추정된 상태공간모델의 물리적 해석을 통해 이산화된 질량, 강성, 감쇠 행렬과 같은 구조변수를 결정한다. 실제 구조물에 대한 동적 실험과 시스템 식별을 통해 추정된 구조변수는 대상 구조물을 정확히 대변하는 전산모델로써, 구조물의 상태 파악이 가능하게 하며 구조물의 유지관리를 위한 전산모델로 활용된다.

대상 데이터

실제 구조물에 대한 구조변수 추정 실험을 통해본 기법의 현장 적용성을 검증하였다(Kim and Lynch 2012 c). 대상 구조물은 미국 미시간대학교 (University of Michigan) 소재 Hill auditorium의 Mezzanie 발코니([Fig. 7])이다. 대형 콘크리트 발코니 구조물(폭 42m, 길이 11m)로써 캔틸레버 구조의 특성상 구조 안전성에는 무관한 진동이 발생하기 쉬운 형태로, 20.

이론/모형

모달쉐이커(modal shaker)를 사용하여 구조물을 가진하고 비접촉 레이저 계측기 및 스캐닝(scanning)기법을 이용하여 다점의 구조물 출력 변위응답을 계측하여 입출력 데이터를 획득한다. 부공간 시스템 규명법을 사용 하여 획득된 입출력 데이터 처리를 통해 상태공간 모델(state-space model)이 추정된다. 추정된 상태공간모델의 물리적 해석을 통해 이산화된 질량, 강성, 감쇠 행렬과 같은 구조변수(physical parameters)가 최종적으로 추정된다.
입력과 출력의 계 측과에 수반되는 잡음(noise)은 각각 w_k와 v_k로 고려된다. 계측된 데이터에서 시스템 모델을 추정하는 방법은 수치적 안정성이 매우 뛰어난 최소자승법(least squares method)을 이용해 다음과 같이 계측 데이터의 시퀀스와 추정 상태벡터 시퀀스의 준역행렬(pseudo-inverse)로 구한다.
본 기술기사에서는 사용중 구조물의 전산구조모델을 추정하는 시스템 식별을 위해, 원격 레이저 변위계측과 부공간시스템 식별법을 활용한 구조물의 물리량 추정 기법을 소개하고자 한다. 본 방법은 현장 적용성이 뛰어난 비접촉식 레이저 모니터링 시스템과 상용 가진기에 의한 효율적인 구조물 가진 실험을 통해 대상 구조물의 동적데이터 수집 후, 부공간 시스템 식별법(subspace system identification)을 적용하여 상태공간모델을 추정하여 데이터기반 유한요소모델(data-driven finite element model)이라 명명된 구조물의 전산구조모델을 추출 하는 기법으로 구성된다. 실 구조물 적용 예로 소형 철골 구조물 및 공연장 건물의 콘크리트 발코니에 대한 구조 물리량 추정을 소개한다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	모드 해석/실험의 특징은 어떠한가?	시스템 식별 기술에 관한 구조공학분야에 특화된 기술들 중에 하나가 모드 해석/실험(modal analysis /testing)이다. 본 기술은 지난 40여 년간 기계, 항공 분야에서 선도적으로 기술적, 학문적인 발전이 이루어져, 현재 실용화 기법으로 해당분야 산업현장에서 자리매김을 하였다(Maia et al. 1997, Ewins 2000).
	레이저 진동계의 동적거동 측정원리는 어떠한가?	- 레이저 진동계(LDV): 측정대상에 특정 주파수를 갖는 레이저광선을 주사하면 도플러효과에 의해 반사광선의 주파수가 측정대상의 속도에 따라 변조된다([Fig. 3 (a)]).
	모드 해석/실험이란 무엇인가?	시스템 식별 기술에 관한 구조공학분야에 특화된 기술들 중에 하나가 모드 해석/실험(modal analysis /testing)이다. 본 기술은 지난 40여 년간 기계, 항공 분야에서 선도적으로 기술적, 학문적인 발전이 이루어져, 현재 실용화 기법으로 해당분야 산업현장에서 자리매김을 하였다(Maia et al.

참고문헌 (19)

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