[논문]지진가속도 계측기를 이용한 건축물의 긴급 안전성 평가 알고리즘 개발에 대한 연구

정성훈; 장원석; 박병철

doi:10.11112/jksmi.2020.24.6.161

지진가속도 계측기를 이용한 건축물의 긴급 안전성 평가 알고리즘 개발에 대한 연구
A Study on the Development of a Rapid Safety Assessment System for Buildings Using Seismic Accelerometers 원문보기

한국구조물진단유지관리공학회 논문집 = Journal of the Korea Institute for Structural Maintenance and Inspection, v.24 no.6, 2020년, pp.161 - 170

정성훈 (인하대학교 건축공학과) , 장원석 (인하대학교 건축공학과) , 박병철 (행정안전부 지진방재관리과)

초록
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본 연구에서는 공공 시설물을 대상으로 설치된 지진가속도 계측 시스템의 운영 효율성 개선을 위하여 지진 이벤트 신호 변환 및 처리 알고리즘을 개발하였다. 더불어 처리된 지진 가속도 시간이력의 분석을 통해 건축물의 안전성을 평가할 수 있는 평가 방법과 평가 기준을 제안하였으며, 테스트베드 건축물에 적용하여 그 작동과 활용성을 검증하였다. 이를 통해 지진 이벤트 계측자료의 분석 정확성을 확보하고, 지진재해 상황에서 재난 대응의 방향과 우선순위 판단을 위한 의사결정 지원자료로 활용할 수 있을 것으로 판단된다.

Abstract ▼ AI-Helper

In this study, develop the seismic acceleration measurement data conversion and signal processing algorithms for improve the operational efficiency of the seismic acceleration measurement system installed for public facilities. Through the analysis of the seismic acceleration time history data, the evaluation methods and criteria and evaluating the safety of buildings were proposed. The system was applied to the test bed building to verify its operation and usability. It is expected to be used as a decision making support data and determining the direction and priority of disaster response in the event of an earthquake.

주제어

표/그림 (16)

그림 Fig. 1 Overview of MiniSEED file conversion algorithm
그림 Fig. 2 Conversion flowchart from MiniSEED to ASCII
그림 Fig. 3 Cut-off Frequency Analysis and Recommended Value
그림 Fig. 4 Overview of Time Synchronization algorithm
그림 Fig. 5 Overview of Calculate Natural Frequency of buildings
그림 Fig. 6 Concept of Observation Algorithm for Natural Frequency Change of Building
그림 Fig. 7 Interstory drift ratio estimated by 1st mode shape
그림 Fig. 8 Overview of interstory drift ratio estimation tool using acceleration measurement data
그림 Fig. 9 Stiffness change of buildings with the increase of lateral displacement
표 Table 1 Criteria for safety assessment based on Interstory drift ratio
그림 Fig. 10 Overview of seismic acceleration measurement system
그림 Fig. 11 Overview of Earthquake Event on May 11th, 2020
표 Table 2 Install location and type of seismic acceleration measurement system
그림 Fig. 12 Response Time History of Earthquake Event
그림 Fig. 13 Transfer Function of test-bed building
그림 Fig. 14 Interstory Drift Ratio Time History of test-bed building

AI 본문요약
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문제 정의

또한 건축물의 종류에 따라 반응수정계수 및 설계 밑면 전단력이 달라지므로 이를 통해 전국적으로 다양한 건축물의 안전성 평가 및 비교가 어려운 실정이다. 따라서 근사적으로 자유장(지반)의 설계가속도를 활용하여 건축물이 구축될 지반의 설계 최대지반가속도(Peak Ground Acceleration; PGA) 대비 실제 발생한 지진에 의해 계측된 자유장 수평 방향 최대가속도의 초과율을 검토하여 건축물의 안전성 평가에 활용하고자 한다. 설계가속도 초과율은 건축물 인근 자유장에서 계측한 최대지반가속도의 값이 건축구조설계기준에 명기된 설계지반가속도를 얼마나 초과하는지에 대한 값으로 최대 지반가속도가 설계지반가속도보다 작으면 안전하다.
본 연구에서는 (cid:2)지진가속도계측기 설치 및 운영기준(cid:3)에 따라 설치된 지진가속도 계측 시스템을 통해 지진 발생 시 건축물에서 계측된 지진 이벤트 자료를 활용하여 지진동의 특성과 건축물의 안전성에 관한 분석지표를 도출하고 지진의 영향을 분석할 수 있는 시스템을 개발하였다. 또한, 계측자료를 체계적으로 관리하고 계측 신호의 오류 여부를 점검하기 위한 알고리즘을 제안하였다.
따라서 시설물의 안전성 평가를 위한 분석과정에서는 모든 채널의 시작시각을 동기화하는 작업이 선행되어야 한다. 본 연구에서는 동일한 건축물 내의 모든 성분의 계측값이 동일한 시각에 시작하도록 정렬하는 시작시각 동기화 알고리즘을 개발･적용하여 서로 다른 채널의 계측자료들을 상호 연계하여 사용하는데 문제가 발생하지 않도록 하였다. 이 알고리즘은 지진 이벤트의 채널별 시작과 종료 시각이 다를 수 있는 계측자료의 시작･종료 시각을 일치시키는 것으로 Fig.
더불어 우리나라의 특성에 적합한 내진설계 기준을 제･개정하기 위해서는 지진동의 분포와 구조물의 응답에 관한 자료 확보가 필수적이다. 이를 위해서 본 연구에서는 계측값과 분석 결과의 누적자료 수집･보관과 자료의 확장이 용이한 계측자료 처리 시스템에 관한 연구를 수행하고자 한다.

제안 방법

본 연구에서는 아래의 Eq.(3)과 같이 구조물의 1차 모드 형상을 이용하여 층간변위를 추정할 수 있는 방법을 활용하였다. 가속도계가 설치된 최상층의 최대 상대변위가 _max일 때, 모드형상 벡터(_)를 이용하여 i층 변위(_)를 나타낼 수 있다.
1. MiniSEED 형식으로 압축된 Binary 파일을 건축물 안전성 평가에 활용할 수 있는 형식으로 변환할 수 있는 알고리즘과 함께 분석의 정확성을 높이기 위한 데이터 처리 알고리즘을 개발하였다. 이는 과거 자료 교환의 효율성을 높이기 위해 고안된 MiniSEED 형식의 한계를 개선하고 건축물 안전성 평가의 정확성을 확보할 수 있을 것으로 판단된다.
3g이고 Sampling rate 가 100Hz인 지진가속도 계측자료의 차단주파수를 분석한 결과와 계측자료의 Sampling rate에 따른 차단주파수 추천 값을 보여주고 있다. High Pass Filter와 Low Pass Filter의 차단 주파수 범위가 각각 0.1~0.5Hz와 20~40Hz인 자료가 전체 계측자료의 90%와 85%를 차지하고 있음을 알 수 있으며, 이를 기반으로 Sampling rate에 따른 필터 차단주파수를 결정하였다.
5는 지진 이벤트 발생 시 건축물의 계측 시스템으로부터 수집한 계측자료를 활용해 전달함수(Transfer Function; TR)를 이용하여 건축물의 고유진동수를 도출하는 개념을 보여주고 있다. 건축물의 최하층과 최상층 계측신호의 노이즈를 제거한 후 고속 푸리에 변환(Fast Fourier Transform; FFT) 을 이용하여 시간 영역(Time Domain)의 계측자료를 주파수 영역(Frequency Domain)으로 변환한다. Eq.
계측자료의 신호처리를 위해서 MiniSEED 형식의 Binary 파일을 Text 형식으로 변환하는 작업을 우선적으로 수행하며, 그 절차는 Fig. 2와 같이 정리된다.
분석할 수 있는 시스템을 개발하였다. 또한, 계측자료를 체계적으로 관리하고 계측 신호의 오류 여부를 점검하기 위한 알고리즘을 제안하였다.
본 연구결과를 확인하기 위하여 인하대학교 60주년 기념관에 (cid:2)지진가속도계측기 설치 및 운영기준(cid:3)을 따른 지진가속도계측 시스템 테스트베드를 구축하였다. 해당 건축물은 지상 15 층, 지하 1층 규모로, 상술한 운영 기준에 따라 10층을 초과하는건축물로 보아 중간층 가속도 센서를 설치하였으며, 5층의 기준 평면 변화로 인한 수직 비정형을 계측하고자 중간층(4층 천장부) 단부에 1축 센서를 추가적으로 설치하였다.
소방방재청 연구보고서(2009)는 지진력 저항 시스템과 최대 층간변위비에 따른 건축물의 성능 수준을 명기하고 있으며, 본 연구에서는 이를 바탕으로 층간변위 기반 안전성 분석기준을 선정하였다(Table 1). 지진력 저항 시스템이 철근 콘크리트 골조인 경우 측정된 장축과 단축의 최대 층간 변위 비가 각각 0.
4(a)), 사용자의 개입이 없는 경우에는 시작시각은 동일 시설물에서 수집된 모든 성분의 계측자료 중에서 가장 늦게 기록이 시작된 성분의 시작시각으로 설정된다. 지속시간 또한 사용자에 의한 설정값을 반영하는 것을 원칙으로 하되, 가장 먼저 기록이 종료된 채널의 기록종료 시점을 우선하여 종료시각으로 설정함으로써 동일 건축물의 모든 계측 성분이 하나의 시작･종료 시각을 공통적으로 갖도록 한다.
시스템 테스트베드를 구축하였다. 해당 건축물은 지상 15 층, 지하 1층 규모로, 상술한 운영 기준에 따라 10층을 초과하는건축물로 보아 중간층 가속도 센서를 설치하였으며, 5층의 기준 평면 변화로 인한 수직 비정형을 계측하고자 중간층(4층 천장부) 단부에 1축 센서를 추가적으로 설치하였다. 그 개요와 설치 위치 및 센서 종류는 Fig.

대상 데이터

이 과정을 계측자료 형식변환 알고리즘으로 개발하기 위하여, 본 연구에서는 계측자료의 변환 과정에 따라 (a) 원시 계측자료, (b) 조회용 계측자료, (c) 분석용 계측자료로 분류하였다. 여기서 (a) 원시 계측자료는 현장에 설치된 기록계로부터 생성되는 MiniSEED 형식의 Binary 파일이다. (b) 조회용 계측자료는 가속도 시간이력이 Text(ASCII) 형식으로 저장된 파일로 개별 채널을 독립적으로 조회하는데 사용할 수 있다.

성능/효과

(b) 조회용 계측자료는 가속도 시간이력이 Text(ASCII) 형식으로 저장된 파일로 개별 채널을 독립적으로 조회하는데 사용할 수 있다. (c) 분석용 계측자료는 한 시설물에서 계측된 모든 채널의 계측시각을 동기화시킨 가속도 시간이력으로 채널간 상호 응답 차이를 시간이력으로 도출하는데 사용할 수 있으며 시설물의 안전성 분석에 활용할 수 있다.
3. 본 연구를 통해 제안한 건축물 긴급 안전성 평가 알고리즘에 따라 해당 지진에 대한 건축물의 안전성을 평가한 결과 모든 항목에서 ‘안전’으로 판정되었다. 지진의 규모및 거리에 비추어 볼 때 논리적으로 합당한 결과를 도출한 것으로 판단된다.
본 연구에서 개발된 자료형식 변환 알고리즘은 현재 우리나라에서 지진가속도 계측자료 저장에 사용되고 있는 모든 자료 형식을 지원한다. 이들 자료형식은 무압축(ASCII), 32-bit integer,32-bit float, Steim-1, Steim-2로 다섯 가지이다.

후속연구

2. 지진 이벤트 계측자료에 포함된 건축물 응답 가속도 시간이력을 분석하여 건축물의 동적･정적 특성을 파악하고, 손상 여부를 판단할 수 있는 알고리즘과 판단 기준을 제안하였으며 이를 통해 지진재해 상황에서 재난 대응의 방향과 우선순위 판단을 위한 의사결정 지원자료로 활용할 수 있을 것으로 판단된다.
4. 상술한 연구결과를 통해 전국의 공공 건축물에 설치되어 있는 지진가속도 계측 시스템의 운영 효율성을 개선하고 평가 결과의 분석을 통해 내진설계기준 재･개정을 위한 근거자료로 활용할 수 있다.
MiniSEED 형식으로 압축된 Binary 파일을 건축물 안전성 평가에 활용할 수 있는 형식으로 변환할 수 있는 알고리즘과 함께 분석의 정확성을 높이기 위한 데이터 처리 알고리즘을 개발하였다. 이는 과거 자료 교환의 효율성을 높이기 위해 고안된 MiniSEED 형식의 한계를 개선하고 건축물 안전성 평가의 정확성을 확보할 수 있을 것으로 판단된다.

참고문헌 (15)

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상세보기
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상세보기
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저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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