초록 ▼

연구개요
IT 기술과 신재료 및 개념의 계측센서들이 개발되어 보급되고 있다. 구조물의 건전도평가는 많은 수의 센서들을 사용할 수 없는 한계를 극복하기 위하여 소수의 센서들을 소정의 위치에서 직접적으로, 실시간으로 그리고 장기간에 걸쳐 계측을 실시하고 구조물의 성능을 탐지하는 방법을 제시하였다. 즉, 국부적인 손상 보다는 구조성능 저하를 나타내는 영역인 손상부재를 탐지하게 된다. 기존의 연구는 단일부재 내에 손상 추정에 국한되어 있다. 단일부재 내에 계측된 데이터들에 의해 손상위치를 추정하게 된다. 그러나 이 연구는 단일 부재의

연구개요
IT 기술과 신재료 및 개념의 계측센서들이 개발되어 보급되고 있다. 구조물의 건전도평가는 많은 수의 센서들을 사용할 수 없는 한계를 극복하기 위하여 소수의 센서들을 소정의 위치에서 직접적으로, 실시간으로 그리고 장기간에 걸쳐 계측을 실시하고 구조물의 성능을 탐지하는 방법을 제시하였다. 즉, 국부적인 손상 보다는 구조성능 저하를 나타내는 영역인 손상부재를 탐지하게 된다. 기존의 연구는 단일부재 내에 손상 추정에 국한되어 있다. 단일부재 내에 계측된 데이터들에 의해 손상위치를 추정하게 된다. 그러나 이 연구는 단일 부재의 손상을 탐지하기 위한 각종 해석기법들을 조사하고 트러스 부재에 적용할 수 있는 이론적인 해석기법을 유도한다. 유도된 해석기법의 타당성을 이론적인 해석과 간단한 실내실험을 통해 검증하고 트러스 구조물의 손상을 탐지하는 실험을 실시하여 제시된 방법의 한계를 분석하였다. 이 결과는 기계나 항공 등의 시스템에 응용하여 적용이 가능하리라 판단된다.

연구 목표대비 연구결과
(1) 손상탐지에 관한 이론적인 연구
계측 위치는 전체 구조물의 자유도 수 보다 작으므로 계측이 안된 위치로 데이터를 추정 및 확장하여야 한다. 이론적인 방법으로 데이터를 확장하는 방법과 이를 근거로 구조물의 강성행렬을 갱신하는 해석방법을 유도하고 수치해석을 통해 검증하였다. 구조물의 자유도 보다 작은 수의 고유치와 고유벡터를 계측하고 질량행렬, 강성행렬이나 유연성행렬에 의한 목적함수를 최소화하여 강성행렬과 유연성행렬의 변화량을 유도한다. 또한 외부에서 계측데이터에 영향을 미치는 노이즈에 대한 영향을 평가하고 트러스 구조물의 손상탐지에 적용하여 강성행렬 및 유연성행렬의 변화량에 근거한 손상탐지기법을 비교하였다.
트러스구조물에서 부재의 추가나 제거로 수정된 구조물의 전체해석을 대신하여 재해석방법을 제안하였다.
하부구조물들 사이에 자유접촉면에 적합조건인 구속조건을 만족하여야 한다는 기본개념으로부터 시작하여 일반화된 역행렬기법을 사용하여 재해석 기법을 제안하였다. 트러스 구조물 내에 하부구조물의 추가하거나 제거한 다섯가지의 예제들을 고려하여 제시된 방법의 타당성을 검증하였다.
유한요소해석 모델의 전체 자유도 보다 작은 작은 개소에서 계측된 정적 데이터나 수 개의 모드형상 및 측정 개소에 동적 데이터를 구속조건으로 활용하고 일반화된 역행렬법을 사용하여 전체 자유도로 확장하고자 목적함수를 최소화하여 정적 접근 및 동적 접근법을 각각 유도하였다. 확장된 데이터로부터 강성행렬의 변화량을 추정하는 방법을 제시하였다. 제시된 방법의 적정성을 트러스 예제를 통해 검증하며 정적접근법 및 동적접근법을 비교하며 노이즈에 의한 영향을 비교분석하였다.
손상 전후에 트러스 요소의 응력 혹은 강성변화율을 사용한 손상탐지를 조사하였다. 계측위치의 수에 따라 세 경우를 고려하였다. 만약 전 자유도에 모든 응답이 측정되면 요소의 강성변화율이 정확히 산정되며 손상은 외부 노이즈에도 불구하고 면확히 탐지된다. 계측위치의 수가 시스템의 차수 보다 작다면 변위는 데이터확장법에 의해 추정되며, 손상이 예상되는 영역들이 강성변화율에 의해 예측된다. 명확한 손상부재와 달리 하부구조법은 외부 노이즈에 불구하고 수 개의 계측센서들에 의해 보다 근접한 손상탐지가 이루어지는 것을 확인하였다.
모델기반의 손상탐지기법은 전체적인 기법과 국부적인 기법으로 분류될 수 있다. 전체적인 기법에서 전 자유도에 계측데이터들이 사용된다. 분할기반 혹은 국부적인 접근법에서 계측된 데이터들이 부분별 혹은 요소별로 분할되어 손상이 탐지된다. 이 연구는 모든 가능한 하중경로에서 가장 큰 응력변화를 일으키는 구속력의 하중경로를 따라 손상된 요소를 탐지하는 방법을 제안한다. 계측된 자유도에서 정적응답과 구속력을 사용한 국부적인 손상탐지기법을 유도하였다. 손상은 전체 구조물의 응답에 영향을 미친다. 손상이 구속된 하중경로를 따라 위치할 때에 명백하게 탐지된다. 제안된 방법의 타당성이 2개의 트러스 구조물의 손상탐지를 통해 입증되었다.

(2) 실험적 연구
강구조인 트러스부재는 여러 개의 축부재들이 절점에서 접합되는 구조물이다. 볼트로 접합될 경우에 볼트 풀림에 의한 구조성능의 저하가 야기되므로 이에 대한 실험 및 이론적인 해석을 수행하였다. 초기상태에 응답데이터를 수집하고 외부 노이즈의 영향을 무시하는 것은 비실제적이다. 볼트풀림 접합부는 축강성으저하로 이어지며 초기상태에 응답과 비교하여 변화가 나타난다. 이 연구에서는 주파수응답함수(frequency response function, FRF)로부터 추출된 적정직교모드(proper orthogonal mode, POM) 곡선, 시간영역에서 계측데이터로부터 변환된 파워스펙트럴추정(power spectral estimation, PSE)과 POM 곡선으로부터 볼트가 풀린 위치를 추정하는 방법을 제안하였다.

연구개발결과의 중요성
축부재로 이루어진 트러스 구조물 내에 손상된 부재의 탐지는 초기의 이론해석에 의한 데이터를 요한다. 단일 부재에 손상을 탐지하기 위해서는 부재 내에 응답을 계측하게 되지만 트러스의 경우에는 절점에서 계측된 데이터를 가공하여 손상을 탐지하게 된다. 따라서, 계측을 위한 센서의 수가 크게 증가하며, 계측된 데이터 내에 포함된 노이즈 영향 및 손상으로 인한 응답의 차가 미미하므로 손상을 탐지하는데 큰 어려움이 있다. 따라서, 이 연구에서는 이들 어려움을 최소화하기 위하여 트러스 구조물을 하부구조물들로 분할하여 해석을 수행하였다. 이 방법은 계측센서의 수를 크게 줄일 수 있으며, 계측된 데이터를 확장하고, 노이즈에 의한 영향을 줄일 수 있으며, 계측데이터의 신뢰성을 높일 수 있으므로 손상탐지에 효율적인 방법으로 평가된다. 또한 이 방법은 고층이나 장경간 구조물, 교량과 같은 토목구조물, 비행기 등과 같은 기계적인 장치들에도 적용하는데 효율적일 것으로 판단된다.

(출처 : 요약문 2p)

목차 Contents

• 표지 ... 1
• 연구결과요약문 ... 2
• 목차 ... 3
• 1. 연구개발과제의 개요 ... 3
• 2. 연구수행내용 및 연구결과 ... 3
• (1) 트러스 구조물에서 볼트풀림 접합부 탐지에 관한 실험적 연구 ... 3
• (2) 파라미터행렬의 변화량 추정에 근거한 트러스구조물의 손상탐지 ... 4
• (3) 하부구조물을 추가하거나 제거한 수정된 구조물의 재해석 ... 4
• (4) 모델기반의 계측데이터 확장 및 손상추정에 관한 연구 ... 4
• (5) 데이터 확장과 하부구조법에 의한 손상인식 ... 5
• (6) 정적계측데이터를 사용한 분할된 하부구조물의 손상탐지 ... 5
• 3. 연구개발결과의 중요성 ... 6
• 4. 참고문헌 ... 6
• 5. 연구성과 ... 7
• 끝페이지 ... 7