KR101668788B1

KR101668788B1 - 강체링크를 고려한 구조물 안전성 평가방법 및 그 평가 시스템

Info

Publication number: KR101668788B1
Application number: KR1020160031176A
Authority: KR
Inventors: 박효선; 오병관; 박준수; 김도영
Original assignee: 연세대학교 산학협력단
Priority date: 2016-03-15
Filing date: 2016-03-15
Publication date: 2016-10-25

Abstract

본 발명은 강체링크를 고려한 구조물 안전성 평가방법 및 그 평가 시스템에 관한 것으로, (a) 영상기반 모니터링 시스템을 통해 구조물의 계측 목표점의 변형 전 및 후의 좌표정보를 획득하는 단계; (b) 획득한 상기 좌표정보로부터 변위정보를 산출하는 단계; (c) 구조물에 설치된 변형률계에 의해 계측된 변형률에 의해 산출된 응력값의 오차를 최소화하는 강체링크를 기반으로 하는 변형형상을 추정하는 단계; 및 (d) 추정된 변형형상으로부터 구조물 부재의 응력 평가값을 추정하여 구조물의 안전성을 평가하는 단계를 포함한다.
이와 같이, 본 발명은 구조물의 접합부 부분의 강체링크를 고려하고, 구조물에 부착된 센서와 데이터 수집 장치 간의 유선연결로 인해 발생하는 설치 및 유지관리의 어려움을 개선할 수 있는 구조물 안전성 평가방법 및 그 시스템을 제공한다.

Description

강체링크를 고려한 구조물 안전성 평가방법 및 그 평가 시스템{STRUCTURAL HEALTH ASSESSMENT METHOD AND SYSTEM BASED ON RIGID RINK}

본 발명은 구조물 건전도 모니터링 기술에 관한 것으로, 보다 상세하게는, 구조물의 강체링크를 고려하고, 철골 프레임 골조의 영상기반 변위 계측을 통해 응력을 추정하고 구조물의 안전성을 평가하는 방법 및 그 시스템에 관한 것이다.

건축 구조물의 안전성 평가를 위한 구조 건전도 모니터링 기법의 연구개발이 활발히 수행되고 있으며, 실제 현장적용 사례도 늘고 있다. 구조 건전도 모니터링은 변형률, 변위, 가속도 등의 구조반응 계측을 통하여 구조물의 안전성을 평가한다. 구조 건전도 모니터링에 있어서 구조물에 발생한 응력의 분포 및 최대응력을 평가하는 것은 중요한 의미를 갖는다. 구조물에 발생한 최대응력을 구조설계기준에서 제시하는 허용응력과 비교함으로써 구조물의 안전성을 평가할 수 있기 때문이다. 이에 따라 구조물에 발생한 응력의 분포와 최대응력을 평가하기 위한 연구가 활발히 진행되어 왔다.

구조물에 발생한 최대응력을 평가하기 위한 가장 기본적인 방법은 최대응력이 발생할 것으로 예상되는 위치를 구조해석을 통해 구한 후, 해당 위치에 ESG(Electric Strain Gage), VWSG(Vibrating Wire Strain Gage)등의 변형률센서를 부착하여 계측 값을 직접 이용하는 것이다.

하지만, 실제 구조물을 대상으로 할 때에는 구조물에 가해지고 있는 하중의 위치와 크기를 정확히 알기 어렵고, 구조물의 지점조건 또한 불확실하기 때문에, 구조해석으로부터 얻어진 최대응력의 위치를 신뢰할 수 없으므로 좋은 방법이라고 할 수 없다. 이러한 이유로 일부 변형률,변위 등의 구조반응을 계측하고 이를 이용하여 구조물 전체에 걸쳐 변형률 또는 응력을 추정하고, 그 중 최대값을 구조물의 안전성평가에 사용하는 기술들이 개발되어 왔다.

그러나 기존의 응력평가기술들은 1) 구조물에 가해지는 하중의 형상을 몇 가지로 제한하거나 지점조건의 이상화를 필요로 한다는 점에서, 실제 구조물에 적용하기에는 한계를 가져왔다. 또한 2) 대부분 유선 부착식 센서를 사용하기 때문에, 계측 대상 구조물과 데이터 수집장치 사이에 복잡한 유선 연결을 수반하여, 설치가 복잡하고, 유지관리가 어려우며, 계측 장소에 제약을 받는다는 단점을 지녀왔다. 특히 3) 실제 구조물은 대부분 접합부에서 예상치 못한 거동을 보이며, 기존의 안전성 평가 기술들은 접합부에서 발생하는 강체링크의 영향을 충분히 고려하지 못하고 있다.

대한민국 공개특허공보 제10-2012-0051875호(공개일자: 2012년05월23일) 대한민국 공개특허공보 제10-2006-0018909호(공개일자: 2006년03월02일)

본 발명에 따른 강체링크를 고려한 구조물 안전성 평가방법 및 그 평가 시스템은 다음과 같은 해결과제를 가진다.

첫째, 본 발명은 구조물의 접합부 부분의 강체링크를 고려한 철골 프레임 구조물의 안전성 평가하는 기술을 제공하고자 함이다.

둘째, 본 발명은 구조물에 부착된 센서와 데이터 수집 장치 간의 유선연결로 인해 발생하는 설치 및 유지관리의 어려움을 개선하는 구조물 안전성 평가방법 및 그 시스템을 제공하고자 함이다.

셋째, 본 발명은 하중의 위치 및 크기 등 하중조건의 입력 없이 변형형상만을 이용하여 안전성 평가하는 기술을 제공하고자 함이다.

본 발명의 해결과제는 이상에서 언급한 것들에 한정되지 않으며, 언급되지 아니한 다른 해결과제들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.

상술한 과제를 해결하고자 하는 본 발명의 제1 특징은, (a) 영상기반 모니터링 시스템을 통해 구조물의 계측 목표점의 변형 전 및 후의 좌표정보를 획득하는 단계; (b) 획득한 상기 좌표정보로부터 변위정보를 산출하는 단계; (c) 구조물에 설치된 변형률계에 의해 계측된 변형률에 의해 산출된 응력값의 오차를 최소화하는 강체링크를 기반으로 하는 변형형상을 추정하는 단계; 및 (d) 추정된 변형형상으로부터 구조물 부재의 응력 평가값을 추정하여 구조물의 안전성을 평가하는 단계를 포함한다.

여기서, 상기 (a) 단계는, 3D 카메라 시스템 또는 모션 캡쳐 시스템을 이용해 구조물의 계측 목표점의 변형 전 및 후의 좌표정보를 획득하는 단계인 것이 바람직하고, 상기 (b) 단계는, 획득한 상기 좌표정보로부터 휨 변형에 기반하는 휨 변위정보 산출하고, 축변형에 기반하는 축 변위정보를 산출하는 단계인 것이 바람직하다.

또한, 상기 (c) 단계는, (c1) 구조물의 계측 목표점 일부에 설치된 변형률계로 계측된 변형률을 통해 추정된 응력값과 강체링크 길이를 변수로 하는 변형형상 함수에 의해 추정된 응력값에 대한 구조물 전체 부재의 오차합이 최소화되는 강체링크의 길이를 산출하여 가상의 계측 목표점을 생성하는 단계; 및 (c2) 생성된 가상의 계측 목표점의 곡선 보간을 통해 구조물의 변형형상을 추정하는 단계를 포함하는 것이 바람직하다.

상기 (c1) 단계는, 산출된 변위정보에 의한 계측 목표점들 간의 직선 보간을 수행하는 단계; 상기 변형률계로부터 계측된 변형률값에 의해 산출된 응력값과 강체링크 길이를 변수로 하는 변형형상 함수로부터 추정된 응력값에 대한 구조물 전체 부재의 평균절대상대오차값의 합이 최소화 되는 강체링크 길이를 산출하는 단계; 및 산출된 강체링크 길이를 이용하여 가상의 계측 목표점을 생성하는 단계를 포함하는 것이 바람직하다.

여기서, 상기 (c2) 단계는 생성된 가상의 계측 목표점을 포함하여 입방체 평활 스플라인 보간(cubic smoothing spline interpolation)을 수행하여 구조물의 부재 전체의 변형형상을 추정하는 단계인 것이 바람직하고, 상기 (d) 단계는, 추정된 변형형상으로부터 휨 응력 평가값과 축 응력 평가값을 합한 응력 평가값을 추정하는 단계; 및 추정된 응력 평가값으로부터 구조물의 안전성을 평가하는 단계를 포함하는 것이 바람직하다.

또한, 상기 휨 응력 평가값은, 상기 추정된 변형형상으로부터 평가 목표점의 곡률반경과 부재의 탄성계수를 이용하여 추정되는 것이 바람직하고, 상기 축 응력 평가값은, 축 방향 변형률과 부재의 탄성계수를 이용하여 추정되는 것이 바람직하다.

그리고, 본 발명의 제2 특징은 구조물 계측 목표점의 변형 전 및 후의 좌표정보를 획득하는 영상기반 모니터링 시스템; 구조물에 설치되어 변형률을 계측하는 변형률계; 획득한 상기 좌표정보로부터 변위정보를 산출하고, 상기 변형률계에 의해 계측된 변형률과의 오차를 최소화하는 강체링크를 기반으로 하는 변형형상을 추정하는 변형형상 추정부; 및 추정된 변형형상으로부터 구조물 부재의 응력 평가값을 추정하여 구조물의 안전성을 평가하는 안전성 평가부를 포함한다.

여기서, 상기 영상기반 모니터링 시스템은, 3D 카메라 시스템 또는 모션 캡쳐 시스템인 것이 바람직하고, 상기 변형형상 추정부는, 구조물의 계측 목표점 일부에 설치된 변형률계로 계측된 변형률을 통해 추정된 응력값과 강체링크 길이를 변수로 하는 변형형상 함수에 의해 추정된 응력값에 대한 구조물 전체 부재의 오차합이 최소화되는 강체링크의 길이를 산출하여 가상의 계측 목표점을 생성하고, 생성된 가상의 계측 목표점의 곡선 보간을 통해 구조물의 변형형상을 추정하는 것이 바람직하다.

또한, 가상의 계측 목표점의 생성은, 산출된 변위정보에 의한 계측 목표점들 간의 직선 보간을 수행하고, 상기 변형률계로부터 계측된 변형률값에 의해 산출된 응력값과 강체링크 길이를 변수로 하는 변형형상 함수로부터 추정된 응력값에 대한 구조물 전체 부재의 오차값의 합이 최소화 되는 강체링크 길이를 산출하고, 산출된 강체링크 길이를 이용하여 가상의 계측 목표점을 생성하는 것이 바람직하다.

더하여, 구조물의 변형형상 추정은, 생성된 가상의 계측 목표점을 포함하여 입방체 평활 스플라인 보간(cubic smoothing spline interpolation)을 수행하여 구조물의 부재 전체의 변형형상을 추정하는 것이 바람직하다.

그리고, 본 발명의 제3 특징은, 하드웨어와 결합되어, (a) 영상기반 모니터링 시스템을 통해 구조물의 계측 목표점의 변형 전 및 후의 좌표정보를 획득하는 단계; (b) 획득한 상기 좌표정보로부터 변위정보를 산출하는 단계; (c) 구조물에 설치된 변형률계에 의해 계측된 변형률에 의해 산출된 응력값의 오차를 최소화하는 강체링크를 기반으로 하는 변형형상을 추정하는 단계; 및 (d) 추정된 변형형상으로부터 구조물 부재의 응력 평가값을 추정하여 구조물의 안전성을 평가하는 단계를 실행시키기 위하여 컴퓨터가 판독 가능한 매체에 저장된 컴퓨터프로그램이다.

본 발명에 따른 강체링크를 고려한 구조물 안전성 평가방법 및 그 평가 시스템은 다음과 같은 효과를 가진다.

첫째, 본 발명은 철골 프레임 구조물의 거동에 영향을 미치는 강체링크를 고려하므로 보다 정확하고 정밀한 구조물 안정성 평가방법 및 그 시스템을 제공한다.

둘째, 본 발명은 영상기반 모니터링 시스템을 이용하여, 대상 구조물과 데이터 수집장치 사이에 복잡한 유선연결을 수반하지 않을 뿐만 아니라, 설치 및 유지관리과 용이하여 지속적이고 상시적인 구조물 건전도 모니터링을 수행할 수 시스템 및 방법을 제공한다.

셋째, 본 발명은 하중 및 지점조건의 입력을 요구하지 않고 안전성을 평가할 수 있고, 불확실한 하중 및 지점조건을 갖는 구조물의 안전성 평가에 적용할 수 있을 뿐만 아니라, 종래의 기술에 비하여 보다 다양하고, 불확실한 상태의 구조물에 적용이 가능한 구조물 안정성 평가방법 및 그 시스템을 제공한다.

본 발명의 효과는 이상에서 언급한 것들에 한정되지 않으며, 언급되지 아니한 다른 해결과제들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 강체링크를 고려한 구조물 안전성 평가방법의 흐름을 나타낸 도면이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 강체링크를 고려한 구조물 안전성 평가 시스템의 블록 구성 모식도이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따라 영상기반 모니터링 시스템에 의해 획득한 변형 전의 좌표정보를 나타내는 모식도이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따라 영상기반 모니터링 시스템에 의해 획득한 변형 후의 좌표정보를 나타내는 모식도이다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 구조물 안전성 평가방법에 적용되는 강체링크 길이 식별을 위한 사전과정을 나타내는 모식도이다.
도 6은 본 발명의 실시예에 적용되는 강체링크를 고려한 변형형상의 추정 모식도이다.
도 7은 본발명의 실시예에 적용하는 응력평가 목표점 설정을 나타내는 모식도이다.

본 발명의 추가적인 목적들, 특징들 및 장점들은 다음의 상세한 설명 및 첨부도면으로부터 보다 명료하게 이해될 수 있다.

본 발명의 상세한 설명에 앞서, 본 발명은 다양한 변경을 도모할 수 있고, 여러 가지 실시 예를 가질 수 있는바, 아래에서 설명되고 도면에 도시된 예시들은 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.

어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어" 있다거나 "접속되어" 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결되어" 있다거나 "직접 접속되어" 있다고 언급된 때에는, 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다.

본 명세서에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시 예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도는 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 명세서에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.

또한, 명세서에 기재된 "...부", "...유닛", "...모듈" 등의 용어는 적어도 하나의 기능이나 동작을 처리하는 단위를 의미할 수 있다.

또한, 첨부 도면을 참조하여 설명함에 있어, 도면 부호에 관계없이 동일한 구성 요소는 동일한 참조부호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다. 본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다.

이하에서 본 발명의 바람직한 실시예를 도면을 참조하여 상세히 설명하기로 한다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 강체링크를 고려한 구조물 안전성 평가방법의 흐름을 나타낸 도면이고, 도 2는 본 발명의 실시예에 따른 강체링크를 고려한 구조물 안전성 평가 시스템의 블록 구성 모식도이다.

도 1에 나타낸 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 강체링크를 고려한 구조물 안전성 평가방법은, (a) 영상기반 모니터링 시스템을 통해 구조물의 계측 목표점의 변형 전 및 후의 좌표정보를 획득하는 단계; (b) 획득한 상기 좌표정보로부터 변위정보를 산출하는 단계; (c) 구조물에 설치된 변형률계(200)에 의해 계측된 변형률에 의해 산출된 응력값의 오차를 최소화하는 강체링크를 기반으로 하는 변형형상을 추정하는 단계; 및 (d) 추정된 변형형상으로부터 구조물 부재의 응력 평가값을 추정하여 구조물의 안전성을 평가하는 단계를 포함하여 구성된다.

그리고, 이와 같은 구조물 안전성 평가를 수행하기 위한 시스템은 도 2에 나타낸 바와 같이, 구조물 계측 목표점의 변형 전 및 후의 좌표정보를 획득하는 영상기반 모니터링 시스템(100); 구조물에 설치되어 변형률을 계측하는 변형률계(200); 획득한 상기 좌표정보로부터 변위정보를 산출하고, 상기 변형률계(200)에 의해 계측된 변형률과의 오차를 최소화하는 강체링크를 기반으로 하는 변형형상을 추정하는 변형형상 추정부(310); 및 추정된 변형형상으로부터 구조물 부재의 응력 평가값을 추정하여 구조물의 안전성을 평가하는 안전성 평가부(330)를 포함하여 구성된다.

여기서, 영상기반 모니터링 시스템(100)은 3D 카메라 시스템 또는 모션 캡쳐 시스템인 것이 바람직하다. 이는 철골 프레임 구조물의 변형된 형상의 각 지점의 좌표를 정확하게 계측하기 위해서는 2D 영상 데이터로는 한계가 있기 때문에, 각 방향의 변형위치 지점을 3D 좌표 또는 깊이(depth) 방향의 정보를 획득하여 구조물의 변형형상의 변형 전후의 변위정보를 정확하게 획득하기 위함이다. 여기서, 3D 카메라 시스템 또는 모션 캡쳐 시스템은 다수개의 카메라를 대상체의 주변에 여러 방향으로 촬영하여 3차원 좌표정보를 획득할 수 있는 시스템이다.

이처럼 종래에 구조물에 가해지는 하중의 형상을 몇 가지로 제한하거나 지점조건의 이상화를 필요로하고, 종래의 변형률 또는 응력 계측의 설치가 복잡하고, 유지관리가 어려우며, 계측 장소에 제약을 받는다는 단점과, 실제 구조물은 대부분 접합부에서 예상치 못한 거동을 보이며 구조물 안전성 평가의 신뢰성이 떨어지는 문제점을 해결하고자 본 발명의 실시예에서는 영상 기반모니터링 시스템과 강체 링크를 고려한 새로운 응력 추정방법을 이용한 구조물 안전성 평가방법 및 그 시스템을 제안한다.

이하에서 도면을 참조하여 단계적으로 본 발명의 실시예에 따른 강체링크를 고려한 구조물 안전성 평가방법의 프로세스를 단계적으로 상세히 설명하기로 한다.

본 발명의 실시예에 따른 강체링크를 고려한 구조물 안전성 평가방법은, 도 1에 나타낸 바와 같이, 크게 4단계로 구성되는 것으로, 영상기반 모니터링을 통해 계측목표점의 변형 전,후 좌표정보를 취득하는 (a) 단계와, 취득한 좌표정보로부터 변위정보를 산출하는 (b) 단계와, 산출된 변위정보로부터, 강체링크의 길이를 식별하고, 식별된 강체링크를 이용하여 변형형상을 추정하는 (c) 단계와, 추정된 휨과 축 변형형상으로부터 응력추정 목표점의 휨 응력과 축 응력을 평가하여 구조물의 안전성을 평가하는 (d) 단계를 포함하여 구성된다.

(a) 단계: 계측목표점의 변형 전 및 후 좌표정보 획득

도 2에 나타낸 바와같이, 계측 목표점의 좌표정보는 영상 기반 변위 계측 장비인 모션 캡쳐 시스템 기술을 사용하여 얻을 수 있다.

도 3은 본 발명의 실시예에 따라 영상기반 모니터링 시스템(100)에 의해 획득한 변형 전의 좌표정보를 나타내는 모식도이고, 도 4는 본 발명의 실시예에 따라 영상기반 모니터링 시스템(100)에 의해 획득한 변형 후의 좌표정보를 나타내는 모식도이다.

도 3에 나타낸 바와 같이, 영상 기반 모니터링 시스템을 이용하여 철골 프레임 구조물 계측 목표점의 변형 전 계측 좌표를 획득하게 되는데, 각 계측 목표점의 변형 전 계측좌표를

라고 표기하기로 한다. 이 좌표는 국부 좌표계(local coordinate)를 의미하며 부재별로 국부 좌표계는 다를 수 있다.

여기서

은 철골 프레임 내에 존재하는 부재마다 부여되는 고유번호를 의미하고,

는

번째 부재 내에 존재하는 계측 목표점의 고유번호를 의미하며 사용자가 지정 가능하다. 또한

는 구조물이 변형 전임을 알리는 문자이고,

는 구조물의 국부 좌표계(local coordinate)에서의 x좌표,

는 구조물의 국부 좌표계에서 y좌표를 의미한다.

그리고, 도 4에 나타낸 바와 같이, 구조물의 변형 후 계측좌표를 취득하고

로 표기한다. 여기서, d는 구조물이 변형 후임을 알리는 문자이고, 나머지 문자의 의미는 앞서 설명한 변형 전 계측좌표의 표기방법과 같다.

(b) 단계: 계측 목표점의 변위정보 산출

철골 프레임을 구성하는 각 부재의 변형은 휨 변형과 축 변형으로 나눌 수 있다. 휨 변형은 부재방향 변위(국부 좌표계의

방향 변위)가 발생하지 않은 상태에서 부재 수직방향 변위(국부 좌표계의

방향 변위)만 발생한 변형상태를 의미한다. 또한 축 변형은 부재 수직방향 변위(국부 좌표계의

방향 변위)가 발생하지 않은 상태에서 부재방향 변위(국부 좌표계의

방향 변위)만 발생한 변형상태를 의미한다.

종래의 구조물 안정성 평가를 위한 변형률 추정기술에는 휨 변형만을 고려하였으나, 본 발명의 실시예에 따른 안정성 평가 기술은 휨 변형과 축 변형을 모두 고려한다. 따라서, 최종목표인 응력평가를 수행하는 과정에서, 종래의 기술은 휨 변형으로 인하여 발생하는 부재의 응력만을 평가할 수 있지만, 본 발명의 실시예에 따른 안전성 평가 기술은 휨 변형과 축 변형이 복합적으로 발생하는 부재의 응력을 평가할 수 있다는 점에서 보다 정확하고 정밀한 구조물 안정성 평가를 수행할 수 있게 된다.

즉, (b) 단계에서는 각 계측 목표점에 대한 휨 변위정보는

으로 산출할 수 있고, 또한 축 변위정보는

로 산출할 수 있다. 좌표는 (a) 단계에서 언급한 부재의 국부 좌표계(local coordinate)와 같다.

(c) 단계: 강체링크의 길이를 식별 및 이를 이용한 변형형상을 추정

강체링크 길이 식별을 위한 사전 과정

도 5는 본 발명의 실시예에 따른 구조물 안전성 평가방법에 적용되는 강체링크 길이 식별을 위한 사전과정을 나타내는 모식도이다.

강체링크의 길이식별을 위한 사전과정에는 영상기반 모니터링 시스템(100)(모션 캡쳐 시스템)과 변형률계(200)가 사용된다.

상술한 (a) 단계 및 (b) 단계에서 영상기반 모니터링 시스템(100)을 이용해 철골 프레임을 구성하는 각 부재에 대하여 계측 목표점의 좌표정보를 취득하고, 구조물의 일부에 설치된 변형률계(200)를 통해 응력평가 목표점에 대한 변형률을 계측한다.

도 5의 (a)에 나타낸 바와 같이, 부재의 응력평가 목표점은 두 개로 설정되어 있고, 부재의 길이방향(국부좌표계의

축) 좌표는 각각

,

로 표기하였다.

그리고, 도 5의 (b)에서 강체링크의 길이를 가정한다. 부재

의 양단 강체링크의 길이를 각각

,

으로 표기하고, 강체링크 영향이 고려되도록 강체링크 길이를 반영하여, 계측 목표점들 간에 직선 보간(interpolation)을 하고 평가 목표점과 대응되는 부재의 위치에 가상의 계측 목표점을 생성한다.

그리고 나서, 도 5의 (c)에 나타낸 바와 같이, 계측 목표점과 가상의 계측 목표점을 포함하여 입방 평활 스플라인 보간(Cubic Smoothing Spline Interpolation)을 수행한다. 수행결과 강체링크를 고려한 변형형상을 추정할 수 있으며, 강체링크를 고려한 변형형상은 다음의 [수학식과 1] 같이

,

의 함수로 표현된다.

여기서,

은 부재

의 변형형상 식을 의미하고,

는 가정된

,

를 이용하여 부재

의 변형형상 식을 추정하는 일련의 과정을 의미한다.

부재

의 변형형상 식

이 추정 되면, 응력평가 목표점에 설치된 변형률계(200) 계측값으로부터 계산한 응력과 [수학식 1]의 변형형상 함수로부터 추정한 응력을 비교하여, 다음의 [수학식 2]의 평균절대상대오차를 계산한다.

여기서,

은 부재

의 추정된 응력값과 계측된 응력값의 차이를 의미하고,

은

번째 부재에 존재하는 계측 목표점의 총 개수를 의미하고,

은 부재

의 응력평가 목표점의 개수를 의미하며,

은 각 부재의

번 응력평가 목표점의 부재 길이방향 좌표(국부좌표계의

축 방향)를 의미하고

는 각 부재의

번 응력평가 목표점과 동일위치에 설치된 변형률계(200)의 변형률 계측 값을 의미한다.

다음의 [수학식 3]은 변형형상의 특정 지점에서의 곡률반경을 나타내는 식이다.

여기서,

,

는 각각 부재

의 응력평가 목표점에 대한 휨 변형형상의 곡률반경, 1차 미분계수, 2차 미분계수를 의미한다.

마지막으로 구조물의 모든 부재에 대해서 [수학식 4]와 같이 오차를 계산하고 합을 구한다. 이는 강체링크의 길이에 따라 달라지며,

을 최소화시키는 강체링크의 길이

,

을 결정한다.

이와 같이, 강체링크의 길이를 식별하는 단계에서 구조물에 설치된 변형률계(200)에 의해 계측된 변형률에 의해 산출된 응력값의 오차를 최소화하는 강체링크를 기반으로 하는 변형형상을 추정하는 단계로서, 구조물의 계측 목표점 일부에 설치된 변형률계(200)로 계측된 변형률을 통해 추정된 응력값과 강체링크 길이를 변수로 하는 변형형상 함수에 의해 추정된 응력값에 대한 구조물 전체 부재의 오차합이 최소화되는 강체링크의 길이를 산출하여 가상의 계측 목표점을 생성하게 된다.

즉, 산출된 변위정보에 의한 계측 목표점들 간의 직선 보간을 수행하고, 상기 변형률계(200)로부터 계측된 변형률값에 의해 산출된 응력값과 강체링크 길이를 변수로 하는 변형형상 함수로부터 추정된 응력값에 대한 구조물 전체 부재의 평균절대상대오차값의 합이 최소화되는 강체링크 길이를 산출하여, 산출된 강체링크 길이를 이용하여 가상의 계측 목표점을 생성하게 된다.

강체링크를 고려한 변형형상 추정

상술한 바와 같이, 강체링크의 길이 사전 식별과정을 통해 가상의 계측 목표점을 생성하게 되고, 이를 통해 강체링크를 고려한 변형형상을 추정하게 된다. 도 6은 본 발명의 실시예에 적용되는 강체링크를 고려한 변형형상의 추정 모식도이다.

도 6의 (a)에서, 계측 목표점의 변위정보를 획득하게 되는데, 이는 철골 프레임 구조물의 하나의 부재의 변형 전, 후 계측좌표로부터 얻어지는 변위정보를 의미한다.

그리고, 도 6의 (b)에서 강체링크를 고려한 가상의 계측 목표점 생성하게 된다. 즉, 강체링크를 고려하기 위해, 계측 목표점들 간의 직선 보간을 수행하고, 변위정보를 직선보간 한 후 강체링크를 고려하기 위한 가상의 계측 목표점을 생성한다. 가상 목표점의 개수는 상술한 식별된 강체링크의 길이

,

를 이용하여 산정한다.

도 6의 (c)에서 가상의 계측 목표점을 포함하여 곡선 맞춤으로 입방 평활 스플라인 보간(Cubic Smoothing Spline Interpolation)을 수행하게 되는데, 가상의 계측 목표점은 강체링크의 길이를 반영하므로, 이 과정에서 강체링크가 고려된다고 볼 수 있다.

그리고 나서, 도 6의 (d)에서 구조물 부재 전체에 걸쳐 강체링크를 고려한 변형형상을 추정하게 된다.

(d) 단계: 응력 평가 및 구조물의 안전성 평가

구조물의 부재에 발생하는 변형은 휨 변형과 축 변형의 조합으로 나타나며, 휨 변형은 휨 응력을, 축 변형은 축 응력을 발생시킨다. 부재의 전반적인 응력은 휨 응력과 축 응력의 조합으로 나타나므로 이를 각각 추정하여 평가한다.

여기서, 휨 응력 평가로서, 구조물의 휨 변형형상이 구해지면 원하는 위치에 대한 곡률반경을 구함으로써, 응력평가 목표점에 발생한 휨 응력을 평가할 수 있다. 이 때, 응력평가를 원하는 위치를 응력평가 목표점이라고 명명한다. 도 7은 본발명의 실시예에 적용하는 응력평가 목표점 설정을 나타내는 모식도이다.

도 7에 나타낸 바와 같이, 응력 평가 목표점의 좌표를

이라고 하고, 부재의 휨 변형형상 위 점들의 좌표가

의 관계를 만족한다고 하면, 해당 위치에 대한 휨 응력은 다음의 [수학식 5]와 같다. 여기서

은 해당 부재의 종류를 나타내고,

는 응력평가 목표점을 나타낸다.

여기서,

는 부재

의 응력평가 목표점에 대한 휨 응력평가 결과를 의미하고,

는 철골부재의 탄성계수를 의미하며,

는 부재 중립축으로부터 응력평가를 원하는 부재 표면까지의 거리를 의미한다.

그리고, 축 응력을 평가하기 위해서는 축방향 변형률을 계산하고, 축방향 변형률에 탄성계수를 곱함으로써 다음의 [수학식 6]과 같이 축 응력을 평가한다.

여기서,

는 부재

의 응력평가 목표점에 대한 축 응력평가 결과를 의미하고, [수학식 7]의

은 축방향 변형률을 의미한다.

은

번째 부재에 존재하는 계측 목표점의 총 개수를 의미한다.

이와 같이, 응력평가 결과는 휨 응력평가 결과와 축 응력평가 결과의 합으로써 다음의 [수학식 8]와 같이 나타낼 수 있다.

여기서,

는 부재

의 응력평가 목표점에 대한 응력평과 결과를 의미한다. 이상의 응력평과 결과는 구조물의 안전성을 평가하는데 주요한 지표로 사용될 수 있다.

본 명세서에서 설명되는 실시 예와 첨부된 도면은 본 발명에 포함되는 기술적 사상의 일부를 예시적으로 설명하는 것에 불과하다. 따라서, 본 명세서에 개시된 실시예들은 본 발명의 기술적 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이므로, 이러한 실시 예에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아님은 자명하다. 본 발명의 명세서 및 도면에 포함된 기술적 사상의 범위 내에서 당업자가 용이하게 유추할 수 있는 변형 예와 구체적인 실시 예는 모두 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.

100: 영상기반 모니터링 시스템, 200: 변형률계
310: 변형형상 추정부 330: 안전성 평가부

Claims

(a) 영상기반 모니터링 시스템을 통해 구조물의 계측 목표점의 변형 전 및 후의 좌표정보를 획득하는 단계;
(b) 획득한 상기 좌표정보로부터 변위정보를 산출하는 단계;
(c) 구조물에 설치된 변형률계에 의해 계측된 변형률에 의해 산출된 응력값과 변형형상 함수에 의해 추정된 응력값과의 오차를 최소화하도록 강체길이를 산출하고, 산출된 강체길이를 기반으로 하는 변형형상을 추정하는 단계; 및
(d) 추정된 변형형상으로부터 구조물 부재의 응력 평가값을 추정하여 구조물의 안전성을 평가하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 강체링크를 고려한 구조물 안전성 평가방법.
청구항 1에 있어서,
상기 (a) 단계는,
3D 카메라 시스템 또는 모션 캡쳐 시스템을 이용해 구조물의 계측 목표점의 변형 전 및 후의 좌표정보를 획득하는 단계인 것을 특징으로 하는 강체링크를 고려한 구조물 안전성 평가방법.
청구항 1에 있어서,
상기 (b) 단계는,
획득한 상기 좌표정보로부터 휨 변형에 기반하는 휨 변위정보 산출하고, 축변형에 기반하는 축 변위정보를 산출하는 단계인 것을 특징으로 하는 강체링크를 고려한 구조물 안전성 평가방법.
청구항 1에 있어서,
상기 (c) 단계는,
(c1) 구조물의 계측 목표점 일부에 설치된 변형률계로 계측된 변형률을 통해 추정된 응력값과 강체링크 길이를 변수로 하는 변형형상 함수에 의해 추정된 응력값에 대한 구조물 전체 부재의 오차합이 최소화되는 강체링크의 길이를 산출하여 가상의 계측 목표점을 생성하는 단계; 및
(c2) 생성된 가상의 계측 목표점의 곡선 보간을 통해 구조물의 변형형상을 추정하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 강체링크를 고려한 구조물 안전성 평가방법.
청구항 4에 있어서,
상기 (c1) 단계는,
산출된 변위정보에 의한 계측 목표점들 간의 직선 보간을 수행하는 단계;
상기 변형률계로부터 계측된 변형률값에 의해 산출된 응력값과 강체링크 길이를 변수로 하는 변형형상 함수로부터 추정된 응력값에 대한 구조물 전체 부재의 평균절대상대오차값의 합이 최소화 되는 강체링크 길이를 산출하는 단계; 및
산출된 강체링크 길이를 이용하여 가상의 계측 목표점을 생성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 강체링크를 고려한 구조물 안전성 평가방법.
청구항 4에 있어서,
상기 (c2) 단계는
생성된 가상의 계측 목표점을 포함하여 입방체 평활 스플라인 보간(cubic smoothing spline interpolation)을 수행하여 구조물의 부재 전체의 변형형상을 추정하는 단계인 것을 특징으로 하는 강체링크를 고려한 구조물 안전성 평가방법.
청구항 1에 있어서,
상기 (d) 단계는,
추정된 변형형상으로부터 휨 응력 평가값과 축 응력 평가값을 합한 응력 평가값을 추정하는 단계; 및
추정된 응력 평가값으로부터 구조물의 안전성을 평가하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 강체링크를 고려한 구조물 안전성 평가방법.
청구항 7에 있어서,
상기 휨 응력 평가값은,
상기 추정된 변형형상으로부터 평가 목표점의 곡률반경과 부재의 탄성계수를 이용하여 추정되는 것을 특징으로 하는 강체링크를 고려한 구조물 안전성 평가방법.
청구항 7에 있어서,
상기 축 응력 평가값은,
축 방향 변형률과 부재의 탄성계수를 이용하여 추정되는 것을 특징으로 하는 강체링크를 고려한 구조물 안전성 평가방법.
구조물 계측 목표점의 변형 전 및 후의 좌표정보를 획득하는 영상기반 모니터링 시스템;
구조물에 설치되어 변형률을 계측하는 변형률계;
획득한 상기 좌표정보로부터 변위정보를 산출하고,
상기 변형률계에 의해 계측된 변형률에 의해 산출된 응력값과 변형형상 함수에 의해 추정된 응력값과의 오차를 최소화하도록 강체길이를 산출하고, 산출된 강체길이를 기반으로 하는 변형형상을 추정하는 변형형상 추정부; 및
추정된 변형형상으로부터 구조물 부재의 응력 평가값을 추정하여 구조물의 안전성을 평가하는 안전성 평가부를 포함하는 것을 특징으로 하는 강체링크를 고려한 구조물 안전성 평가 시스템.
청구항 10에 있어서,
상기 영상기반 모니터링 시스템은,
3D 카메라 시스템 또는 모션 캡쳐 시스템인 것을 특징으로 하는 강체링크를 고려한 구조물 안전성 평가 시스템.
청구항 10에 있어서,
상기 변형형상 추정부는,
구조물의 계측 목표점 일부에 설치된 변형률계로 계측된 변형률을 통해 추정된 응력값과 강체링크 길이를 변수로 하는 변형형상 함수에 의해 추정된 응력값에 대한 구조물 전체 부재의 오차합이 최소화되는 강체링크의 길이를 산출하여 가상의 계측 목표점을 생성하고, 생성된 가상의 계측 목표점의 곡선 보간을 통해 구조물의 변형형상을 추정하는 것을 특징으로 하는 강체링크를 고려한 구조물 안전성 평가 시스템.
청구항 12에 있어서,
가상의 계측 목표점의 생성은,
산출된 변위정보에 의한 계측 목표점들 간의 직선 보간을 수행하고, 상기 변형률계로부터 계측된 변형률값에 의해 산출된 응력값과 강체링크 길이를 변수로 하는 변형형상 함수로부터 추정된 응력값에 대한 구조물 전체 부재의 오차값의 합이 최소화 되는 강체링크 길이를 산출하고, 산출된 강체링크 길이를 이용하여 가상의 계측 목표점을 생성하는 것을 특징으로 하는 강체링크를 고려한 구조물 안전성 평가 시스템.
청구항 12에 있어서,
구조물의 변형형상 추정은,
생성된 가상의 계측 목표점을 포함하여 입방체 평활 스플라인 보간(cubic smoothing spline interpolation)을 수행하여 구조물의 부재 전체의 변형형상을 추정하는 것을 특징으로 하는 강체링크를 고려한 구조물 안전성 평가 시스템.
하드웨어와 결합되어,
(a) 영상기반 모니터링 시스템을 통해 구조물의 계측 목표점의 변형 전 및 후의 좌표정보를 획득하는 단계;
(b) 획득한 상기 좌표정보로부터 변위정보를 산출하는 단계;
(c) 구조물에 설치된 변형률계에 의해 계측된 변형률에 의해 산출된 응력값과 변형형상 함수에 의해 추정된 응력값과의 오차를 최소화하도록 강체길이를 산출하고, 산출된 강체길이를 기반으로 하는 변형형상을 추정하는 단계; 및
(d) 추정된 변형형상으로부터 구조물 부재의 응력 평가값을 추정하여 구조물의 안전성을 평가하는 단계를 실행시키기 위하여 컴퓨터가 판독 가능한 매체에 저장된 컴퓨터프로그램.