국민안전처 통합관리시스템 연계 가능한 시설물 진동 감지 및 분석 시스템 개발 A Development of Real-time Vibration Monitoring and Analysis System Linked to the Integrated Management System of Ministry of Public Safety and Security원문보기
국내의 지진 발생 추이가 증가세를 보이고 있으며, 이에 따라 시설물 피해를 주고 큰 인명 피해를 초래하는 지진재해에 대한 대비의 중요성이 대두되고 있다. 지진재해에 대비하기 위해서는 지진 또는 진동가속도에 대한 실시간 계측을 하는 것이 중요하다. 일본과 미국의 경우 중요 시설물에 대하여 이미 실시간 지진가속도계측을 시행하고 있으며 계측된 지진가속도데이터는 데이터베이스화되어 관리되고 있다. 이를 이용해 내진설계기준 개정시 또는 지진으로 인한 피해 예측시 활용하고 있다. 국내의 경우, 최근 지진재해대책법 및 시행규칙이 개정되어 공포되었으며, 국민안전처에서 지진가속도계측자료 통합관리시스템을 구축해 나가고 있는 상황이다. 본 연구의 목적은 국민안전처 통합관리시스템에 연계가 가능한 시설물 실시간 진동 감지 및 분석 시스템을 개발 하는 것이다. 이 시스템은 지진가속도계측데이터 모니터링 기능을 포함하며, 또한 고속푸리에변환, 고유진동수 추출, 응답스펙트럼, 파워스펙트럼, 진도 표출, 시설물 건전도 평가 등 다양한 가속도데이터 분석 기능을 갖추고 있을 뿐만 아니라 국민안전처 지진가속도계측자료 시스템에 연계가 가능하도록 설계되었다. 개발된 시스템은 시설물의 안전관리 네트워크 구축, 지진 또는 진동으로 인한 시설물의 피해에 대한 대비, 유지관리 비용의 최소화에 긍정적인 효과가 있을 것이라고 판단된다.
국내의 지진 발생 추이가 증가세를 보이고 있으며, 이에 따라 시설물 피해를 주고 큰 인명 피해를 초래하는 지진재해에 대한 대비의 중요성이 대두되고 있다. 지진재해에 대비하기 위해서는 지진 또는 진동가속도에 대한 실시간 계측을 하는 것이 중요하다. 일본과 미국의 경우 중요 시설물에 대하여 이미 실시간 지진가속도계측을 시행하고 있으며 계측된 지진가속도데이터는 데이터베이스화되어 관리되고 있다. 이를 이용해 내진설계기준 개정시 또는 지진으로 인한 피해 예측시 활용하고 있다. 국내의 경우, 최근 지진재해대책법 및 시행규칙이 개정되어 공포되었으며, 국민안전처에서 지진가속도계측자료 통합관리시스템을 구축해 나가고 있는 상황이다. 본 연구의 목적은 국민안전처 통합관리시스템에 연계가 가능한 시설물 실시간 진동 감지 및 분석 시스템을 개발 하는 것이다. 이 시스템은 지진가속도계측데이터 모니터링 기능을 포함하며, 또한 고속푸리에변환, 고유진동수 추출, 응답스펙트럼, 파워스펙트럼, 진도 표출, 시설물 건전도 평가 등 다양한 가속도데이터 분석 기능을 갖추고 있을 뿐만 아니라 국민안전처 지진가속도계측자료 시스템에 연계가 가능하도록 설계되었다. 개발된 시스템은 시설물의 안전관리 네트워크 구축, 지진 또는 진동으로 인한 시설물의 피해에 대한 대비, 유지관리 비용의 최소화에 긍정적인 효과가 있을 것이라고 판단된다.
A frequency of earthquake occurrence in the Republic of Korea is increasing over the past few decades. In this situation, an importance of earthquake prevention comes to the fore because the earthquake does damage to structures and causes severe damage of human life. For the earthquake prevention, a...
A frequency of earthquake occurrence in the Republic of Korea is increasing over the past few decades. In this situation, an importance of earthquake prevention comes to the fore because the earthquake does damage to structures and causes severe damage of human life. For the earthquake prevention, a real-time vibration measurement for structures is important. As an example, the United States of America and Japan have already been monitoring real-time earthquake acceleration for the important structures and the measured acceleration data has been managed by forming database. This database could be used for revising the seismic design specifications or predicting the damage caused by earthquake. In Korea, Earthquake Recovery Plans Act and Enforcement Regulations are revised and declared lately. Ministry of Public Safety and Security is constructing a integrated management system for the measured earthquake acceleration data. The purpose of this research is to develop a real-time vibration monitoring and analysis system for structures which links to the integrated management system. The developed system contains not only a monitoring function to show real-time acceleration data but also an analysis system to perform fast fourier transform, to obtain natural frequency and earthquake magnitude, to show response spectrum and power spectrum, and to evaluate structural health. Additionally, this system is designed to be able to link to the integrated management system of Ministry of Public Safety and Security. It is concluded that the developed system can be useful to build a safety management network, minimize maintenance cost of structures, and prevention of the structural damage due to earthquake.
A frequency of earthquake occurrence in the Republic of Korea is increasing over the past few decades. In this situation, an importance of earthquake prevention comes to the fore because the earthquake does damage to structures and causes severe damage of human life. For the earthquake prevention, a real-time vibration measurement for structures is important. As an example, the United States of America and Japan have already been monitoring real-time earthquake acceleration for the important structures and the measured acceleration data has been managed by forming database. This database could be used for revising the seismic design specifications or predicting the damage caused by earthquake. In Korea, Earthquake Recovery Plans Act and Enforcement Regulations are revised and declared lately. Ministry of Public Safety and Security is constructing a integrated management system for the measured earthquake acceleration data. The purpose of this research is to develop a real-time vibration monitoring and analysis system for structures which links to the integrated management system. The developed system contains not only a monitoring function to show real-time acceleration data but also an analysis system to perform fast fourier transform, to obtain natural frequency and earthquake magnitude, to show response spectrum and power spectrum, and to evaluate structural health. Additionally, this system is designed to be able to link to the integrated management system of Ministry of Public Safety and Security. It is concluded that the developed system can be useful to build a safety management network, minimize maintenance cost of structures, and prevention of the structural damage due to earthquake.
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문제 정의
또한 상용화된 지진 모니터링 소프트웨어들은 시설물의 건전도 평가 기능을 갖추고 있지 않으며, 국민안전처의 지진가속도계측자료 통합관리시스템과 연계를 목적으로 개발되지 않았다. 따라서 본 연구의 목적은 이 통합관리시스템 연계가 가능하며, 지진가속도 실시간 계측 및 분석 기능, 시설물 건전도 평가 기능을 모두 포함한 시스템을 개발 하는 것이다. 이 시스템은 사용자에게 편리한 작업환경 제공할 뿐만 아니라 유의미한 지진 및 진동 데이터를 분석할 수 있고, 동시에 평가 결과를 국민안전처 통합관리시스템에 실시간으로 전송이 가능하도록 개발되었다.
본 연구에서는 지진 및 상시진동 모니터링 시스템, 지진가속도데이터 분석 시스템, 지진데이터통계처리 및 국민안전처와의 연계 시스템들이 하나로 통합된 시스템을 개발하였다. 이 시스템의 특징 및 효과는 다음과 같다.
시설물과 지반의 고유진동수비 평가의 목적은 자유장(지 반)의 고유진동수가 시설물의 고유진동수와 일치한다면 공진현상이 발생하여 구조물에 큰 피해를 입힐수 있으므로, 구조물과 지반의 고유진동수의 비를 계산하여 공진 발생 위험성을 피하고자 함이다. 따라서 시설물과 지반의 고유진동수의 비가 100% ± 10% 범위 내에 있을 경우 공진이 발생할 가능성이 있다고 가정하였다.
가설 설정
계측된 3축 지반가속도데이터의 각 축에 대하여 가속도-속도-변위 변환 기능을 수행하였다. 가속도데이터에서 속도데이터로 변환과 속도데이터에서 변위데이터로 변환은 수치적적분을 통해 수행된다. Trapezoid Method을 사용하여 결과를 표출하였다.
지진데이터통계처리 및 연계 시스템에서는 계측된 지진가속도데이터와 분석된 지진가속도데이터 이력을 보전하고 국민안전처 통합관리시스템과 연계하는 기능을 포함한다. 각계측소에 저장된 이력데이터는 국민안전처 통합관리시스템에서 요구하는 보고서양식으로 작성되어야 하며, 국민안전처 통합관리시스템 전송을 위한 보고서 전송 대기 폴더인D:\ WORK\RPT에 보전되어야 한다. 이는 국민안전처에서 배포한지진가속도계측자료 통합관리 시스템 운영자 매뉴얼에 명시되어 있다.
시설물과 지반의 고유진동수비 평가의 목적은 자유장(지 반)의 고유진동수가 시설물의 고유진동수와 일치한다면 공진현상이 발생하여 구조물에 큰 피해를 입힐수 있으므로, 구조물과 지반의 고유진동수의 비를 계산하여 공진 발생 위험성을 피하고자 함이다. 따라서 시설물과 지반의 고유진동수의 비가 100% ± 10% 범위 내에 있을 경우 공진이 발생할 가능성이 있다고 가정하였다. 즉, 고유진동수 비가 이 범위 외에 있을 경우 시설물이 안전하다고 평가한다.
또한 해당 채널 정보의 수정 및 삭제 기능을 포함한다. 사용자관리 기능은 건물에 접속이 가능한 사용자 정보와 등급을 관리한다. 사용자 ID, 이름, 사용자 등급 등의 정보를 표시하며, 사용자 정보의 추가/수정/삭제 기능을 포함한다.
제안 방법
지진가속도데이터 분석 시스템에서는 저장된 지진가속도 데이터를 이용하여 지진가속도의 동특성 분석을 수행하며, 이를 토대로 시설물의 고유진동수 변화율, 시설물과 자유장의 고유진동수비, 시설물의 최대층간변위비를 추적하여 건전도 분석을 수행한다.
대상 데이터
본 연구에서 개발된 지진가속도데이터 분석 기능을 충청남도 아산시에 소재한 철근콘크리트조 5층 건물의 자유장에 설치한 계측센서로부터 얻은 가속도데이터에 적용하였다. 계측 데이터는 국민안전처 고시 지진가속도계측기 설치 및 운영기준의 제 8장 제 40조 별지 제 1호 서식 관련별표 27, 28에 따라 mini-SEED형식의 파일로 저장되었으며, Table 3에 계측파일에 대한 정보를 나타내었다. 이 계측데이터는 대상 구조물의 자유장(지반)에 설치된 3축(동-서 축, 북-남 축, 수직 축) 가속도계로부터 각 축에 대하여, 2015년 12월 2일 오전 6시 14분 12.
본 연구에서 개발된 지진가속도데이터 분석 기능을 충청남도 아산시에 소재한 철근콘크리트조 5층 건물의 자유장에 설치한 계측센서로부터 얻은 가속도데이터에 적용하였다. 계측 데이터는 국민안전처 고시 지진가속도계측기 설치 및 운영기준의 제 8장 제 40조 별지 제 1호 서식 관련별표 27, 28에 따라 mini-SEED형식의 파일로 저장되었으며, Table 3에 계측파일에 대한 정보를 나타내었다.
이론/모형
가속도데이터에서 속도데이터로 변환과 속도데이터에서 변위데이터로 변환은 수치적적분을 통해 수행된다. Trapezoid Method을 사용하여 결과를 표출하였다. 3축의 가속도데이터에 대한 수치적 적분을 통해 얻어진 속도데이터는 Fig.
CAV 는 지진가속도데이터로부터 얻을 수 있으며, 특정 시점에서의 CAV의 값은 계측 시점부터 특정 시점까지의 가속도데이터 절대값에 대한 수치적 적분을 통해 구해진다(Electric PowerResearch Institute, 1991). 수치적 적분은 Trapezoid Method를 사용하여 수행되었다. 3축 지반가속도데이터에 대하여 누적 절대속도 표출 기능을 수행하여 산출된 데이터는 Fig.
지진 진도에 대한 지표는 Arias Intensity와 JMA Intensity를 사용하였다. Arias Intensity는 지진의 잠재적 파괴력을 내타내는 지진동 파라미터라고 할 수 있다.
성능/효과
1) 가속도계측데이터에 대하여 다양한 분석 기능을 갖추고 있으므로, 시설물 및 자유장의 최대가속도진폭, 시설물의 감쇠비, 고유진동수, 응답스펙트럼 및 파워스펙트럼 등 다양한 동특성을 추정할 수 있다.
2) 평시 계측되는 가속도데이터를 토대로 실시간 시설물 건전도 평가가 가능하며, 지진의 진도 표출이 가능하다.
3) 가속도계측데이터 상시 모니터링 및 분석을 통해 재난으로 인한 건축물 및 시설물의 피해에 대비 및 평가가 가능하므로 유지관리 비용을 최소화 할 수 있다고 판단된다.
4) 국민안전처 지진가속도계측자료 통합관리시스템과 연계가 가능함으로, 국가 주요 기반시설물의 안전관리 네트워크 구축 및 관리하기 위해 사용될 수 있다.
연계를 위해, 국민안전처의 지진가속도계측자료 통합관리시스템 운영자 매뉴얼을 참고하여 소재지별 MMA(Min, Max, Average)DATA PORT, 기관코드, 계측소코드, 시설물별 지진가속도계 분류코드 및 센서위치코드 등이 설정되어야 한다. 국민안전처의 통합관리시스템과 연계되는 대표적인 정보로는 지진가속도 계측기 설치 위치정보, 최대지반가속도(Peak Ground Acceleration, PGA), MMA, mini-SEED 파일, 지진 및 자체이벤트 발생현황, 시설물 건전도 평가결과가 있다.
따라서 본 연구의 목적은 이 통합관리시스템 연계가 가능하며, 지진가속도 실시간 계측 및 분석 기능, 시설물 건전도 평가 기능을 모두 포함한 시스템을 개발 하는 것이다. 이 시스템은 사용자에게 편리한 작업환경 제공할 뿐만 아니라 유의미한 지진 및 진동 데이터를 분석할 수 있고, 동시에 평가 결과를 국민안전처 통합관리시스템에 실시간으로 전송이 가능하도록 개발되었다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
시설물 진동 감지 및 분석 시스템은 어떻게 구성되는가?
시설물 진동 감지 및 분석 시스템은 Fig. 1과 같이 크게 지진및 상시진동 모니터링 시스템(earthquake and real-time vibration monitoring system), 지진가속도데이터 분석 시스템(earthquakeacceleration data analysis system), 지진데이터통계처리 및 연계 시스템(statistical process for earthquake data and link system)들로 구성된다.
국민안전처의 통합관리시스템과 연계되는 대표적인 정보로는 어떤 것들이 있는가?
연계를 위해, 국민안전처의 지진가속도계측자료 통합관리시스템 운영자 매뉴얼을 참고하여 소재지별 MMA(Min, Max, Average)DATA PORT, 기관코드, 계측소코드, 시설물별 지진가속도계 분류코드 및 센서위치코드 등이 설정되어야 한다. 국민안전처의 통합관리시스템과 연계되는 대표적인 정보로는 지진가속도 계측기 설치 위치정보, 최대지반가속도(Peak Ground Acceleration, PGA), MMA, mini-SEED 파일, 지진 및 자체이벤트 발생현황, 시설물 건전도 평가결과가 있다.
2014년 10월 14일에 공포된 지진재해대책법 시행규칙에 따라 중앙행정기관, 지방자치단체의 청사, 국립대학교 등 주요 시설물에 무엇이 설치되어야 하는가?
국내의 경우, 2014년 10월 14일에 지진재해대책법 시행규칙이 공포되었다. 이에 따르면 명시된 중앙행정기관, 지방자치단체의 청사, 국립대학교 등 주요 시설물에 의무적으로 지진가속도계측기를 설치하여야 한다. 또한 국민안전처에서는 지진가속도계측자료 통합관리시스템을 구축해나가고 있는 상황이다.
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