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[국내논문] 무선 MEMS 센서를 이용한 보도교 진동 계측
Vibration Measurements of Footbridges Using Wireless MEMS Sensor 원문보기

한국공간구조학회논문집 = Journal of the Korean Association for Spatial Structures, v.19 no.1, 2019년, pp.101 - 108  

이종호 (서울과학기술대학교 건축과) ,  천동진 (서울과학기술대학교 건축과) ,  윤성원 (서울과학기술대학교 건축학부)

Abstract AI-Helper 아이콘AI-Helper

Recently, measuring instruments for SHM of structures has been developed. In general, the wireless transmission of sensor signals, compared to its wired counterpart, is preferable due to the absence of triboelectric noise and elimination of the requirement of a cumbersome cable. However, the low-cos...

주제어

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제안 방법

  • 가진 방법으로는 12개소 보도교에서 힐임펄스 가진을 하였으며, S-10 보도교에서는 Mobile phone의 가속도 노이즈 레벨이 크고 바닥의 마감이 목재로 되어 있어 마감재의 진동수가 지배적이었다. 때문에 고유진 동수 산정이 어려워 메트로놈으로 보도교와 같은 고유진동수로 보행 진동을 하여 공진을 유발시켜서 실험을 실시하였다. S-10 보도교의 공진 시계열 파형 그래프는 [Fig.
  • 본 논문에서는 선행 연구 Do, Yoon & Kim(2014)2)의 Mobile phone을 이용한 보도교 16개 소의 진동 계측 결과와 새로 계측된 G-Link-200의계측 결과를 시간 및 고유진동수 영역에서 비교·분석하여 이를 토대로 센서 유효성을 확인하였다.
  • 본 논문에서는 선행 연구에 사용된 휴대폰 MEMS 센서의 계측 정확도를 알아보기 위하여 13개소 보도 교에서 무선 MEMS 센서 3종(G-Link-200, iPad, iPhone)을 이용하여 재계측을 실시하였으며, 이를 분석한 결과 다음과 같은 결론을 얻었다.

대상 데이터

  • 3종류의 계측 기기 모두 샘플링은 32Hz, 계측 시간은 64초로 13개소 보도교에서 총 2,048개의 데이 터를 수집하였다. 동시 계측을 통하여 시간 영역에서 Time lag의 발생 여부, 진동수 영역에서 고유 진동수의 이동을 확인하였다.
  • [Fig. 7]과 같이 13개소 보도교에서 3종류의 센서, Mobile phone(iPhone 4S, iPad mini4), G-Link-200 센서의 동시 계측을 실시하였다. 가진 방법으로는 12개소 보도교에서 힐임펄스 가진을 하였으며, S-10 보도교에서는 Mobile phone의 가속도 노이즈 레벨이 크고 바닥의 마감이 목재로 되어 있어 마감재의 진동수가 지배적이었다.
  • iPad, iPhone으로 계측된 13개소의 보도교 대다 수에서 힐임펄스 가진으로부터 얻은 시계열 파형의 자유 진동 파형이 G-Link-200에 비해서 깨끗이 나오지 않았다. [Fig.
  • 대상 보도교는 Do, Yoon & Kim(2014)2)의 “휴대용 계측기를 이용한 보도교 진동계측분석” 논문에서 계측한 동일 보도교 13개소이다. 선행 연구에서는 16개소를 계측하였지만 2018년 재계측할 당시 2개소의 보도교가 철거되었고 1개소의 보도교는 공사 중인 관계로 13개소의 보도교만 재계측하였다.
  • 본 논문에 사용된 Mobile phone 진동 계측 시스 템은 Apple의 iPhone 4S와 iPad mini4이다. 두 기기는 센서, 데이터 로거, FFT 분석기가 일체화 되어 있으며 사용법과 인터페이스가 간편하기 때문에 일반인도 쉽게 사용할 수 있는 장점이 있다8)
  • 본 논문에 사용된 무선 MEMS 센서는 Microstrain에서 개발한 G-Link200 가속도 센서 노드이다9). 노드의 크기는 46.

이론/모형

  • 무선 데이터 수신기는 Microstrain에서 개발한 WSDA-Base-104-LXRS를 사용하였다. 2.
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질의응답

핵심어 질문 논문에서 추출한 답변
SHM란 무엇인가? 위기 시나리오가 발생하였을 때 이를 파악하기 위한 목적으로 피해를 감지하는 모니터링 프로세스를 SHM(Structural Health Monitoring)이라 한다. 노화 구조물을 제어하기 위한 몇 가지 방법이 개발 되었지만 교량에는 아직도 육안 검사가 사용되는 경우가 많다1).
휴대용 계측기의 장점은 무엇인가? 이러한 문제점을 해결하기 위해 Do, Yoon & Kim(2014)2)은 휴대용 계측기(이하 Mobile phone)로 서울시 16개 보도교의 진동을 계측하여 공진 발생 여부와 경간별 고유진 동수 관계식을 분석하고 사용성 평가를 실시하였다. Mobile phone은 가속도계, 데이터 송신기 및 수신 기가 일체형으로 구성되어 있고, 구조물 진동 계측 중에 실시간으로 진폭 및 고유치를 쉽게 확인할 수있는 장점이 있다. 또한 케이블에 대한 간섭이 없기 때문에 유연한 계측 컨디션을 만들 수 있으며, 가속도 센서 외에 많은 장비의 설치 및 이동에 대한 부담이 적어 효율적이다.
보행자의 인체 하중으로 인한 보도교 진동 현상은 어떤 문제를 야기하는가? 일반적으로 보도 교는 경간이 40m 이상 되는 경우 진동에 예민하게 반응하며 통행자에게 심리적 불안감을 줄 수 있다. 보행자의 인체 하중에 의한 보도교의 진동 현상은 보행자 통행에 불편을 주게 되고, 보행 진동수와 보도교의 고유진동수가 동조되는 경우 공진이 발생하여 보도교의 제한 범위를 초과하는 큰 진동이 유발 됨에 따라 사용성 뿐만 아니라 안정성 측면에서도 큰 문제가 될 수 있다4).
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참고문헌 (11)

  1. Sabato, A. (2015). Pedestrian bridge vibration monitoring using a wireless MEMS accelerometer board. Proceedings of the 2015 IEEE 19th International Conference on Computer Supported Cooperative Work in Design, Italy 

  2. Do, K. Y., Yoon, S. W., & Kim, D. H., "Vibration Measurement of the Foot-Bridges Using Mobile-Phone", Journal of Korean Association for Spatial Structures, Vol.14, No.1, pp.61-68, 2014 

  3. Oliveira, C. S., "Fundamental Frequencies of Vibration of Footbridges in Portugal: From in Situ Measurements to Numerical Modelling", Shock and Vibration, Vol.2014, pp.1-22, 2014 

  4. Hong, H. J. (2010). A Study on Vibration Analysis Method for Human Vibration Effect Assessment in Footbridges (Doctoral dissertation). Chonnam National University, Republic of Korea. 

  5. Seoul Metropolitan Government, "Facility Design, Construction, and Maintenance Manuals", 2001 

  6. Lee, J. H., Cheon, D. J., & Yoon, S. W., "The Evaluation of Effectiveness on Horizontal Ambient Vibration Measurement of Tall Building Using Wireless MEMS Sensor", Journal of Korean Association for Spatial Structures, Vol.18, No.2, pp.51-58, 2018 

  7. Shrestha, A., Dang, J., & Wang, X., "Development of a smart-device-based vibration-measurement system: Effectiveness examination and application cases to existing structure", Structural Control Health Monitoring, Vol.25, No.3, 2018 

  8. Do, K. Y. (2014). Analysis of Natural Frequency through Vibration Measurement of Foot-bridges (Master's thesis). Seoul National University of Science and Technology, Republic of Korea. 

  9. Lee, J. H., Cheon, D. J., & Yoon, S. W., "The Evaluation of Communication Distance Using Wireless MEMS Sensor in Building Structure", Journal of Korean Association for Spatial Structures, Vol.17, No.4, pp.93-102, 2017 

  10. G-Link-200 Datasheet (8400-0102) RevA-10 [Apparatus and software]. (2017). Williston, USA: Microstrain. 

  11. WSDA-USB_Datasheet_8400-0074 [Apparatus and software]. (2017). Williston, USA: Microstrain. 

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