KR101699856B1 - 말뚝 및 타워형 구조물의 최 상단 가속도와 각속도를 이용한 손상 추정 방법 - Google Patents

Abstract

말뚝 및 타워형 구조물의 최상단가속도와 각속도만을 이용한 손상 추정 방법이 개시된다. 본 발명의 말뚝 및 타워형 구조물의 최상단가속도와 각속도만을 이용한 손상 추정 방법은 탐지 대상이 되는 말뚝 및 타워형 구조물에 대하여 가속도 및 각속도 센서를 부착하여 구조물의 가속도 및 각속도를 측정하는 가속도 측정 단계, 상기 측정된 가속도 및 각속도를 통해 변위와 기울기의 1차 모드에서의 주파수 상에서 신호 크기의 비율을 통하여 변위-기울기 모드형상 비율을 계산하는 변위-기울기 모드형상 비율 계산 단계, 상기 구조물의 손상 전 및 손상 후의 상기 변위-기울기 모드형상 비율을 이용하여 구조물의 손상지수를 산출하는 손상지수 산출 단계, 상기 손상지수의 크기 및 부호를 통해 손상 유무 및 위치를 판단하는 손상 유무 및 위치 판단 단계를 포함 포함한다.

Description

말뚝 및 타워형 구조물의 최 상단 가속도와 각속도를 이용한 손상 추정 방법{Damage Detection method of Pile and Tower Structures Using Acceleration and Angular Velocity of Top}

본 발명은 풍력발전기, 전신주, 송전탑, 타워크레인, 전파타워 등의 말뚝 및 타워형 구조물의 신속한 결함 추정 방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 구조물의 최상부의 하나의 가속도와 하나의 각속도만을 계측하여 구조물의 결함 정도 및 위치를 추정할 수 있는 말뚝 및 타워형 구조물의 손상 유무 및 손상 위치 추정 방법에 관한 것이다.

말뚝 및 타워형 구조물은 완공 후 지속적인 풍 하중에 노출되며 이로 인해 반복적인 피로 누적으로 인한 구조적 결함이 발생하게 된다. 관리가 되지 않을 경우, 붕괴에 이를 수도 있으며 많은 인명 및 재산 피해를 초래한다. 종래의 구조물 손상 추정 방법들은 구조물의 계측된 진동을 이용하여 고유진동수, 모드 형상을 통해 손상 판단 및 위치추정을 실시하였다. 고유진동수 기반 손상 추정 기법은 구조물에 설치된 동적 계측 센서를 통해 구조물의 고유진동수를 계산하여 이를 손상 판단을 위해 기본적인 지표로 활용하였다. 손상 전 후의 고유진동수 비교를 통해 손상을 판단하는 방법으로 하나의 센서로 빠른 판단이 가능하나, 온도 등 외부하중으로 인해 고유진동수가 변하므로 손상 추정의 정확도가 높지 않다. 온도에 따른 손상지수 보정을 위해 1년 이상 장기계측 데이터를 필요로 하므로, 즉각적인 손상 판단이 요구되는 건설 현장에서는 사용이 불가능하다는 단점이 있다. 또한 단일 센서 사용으로 인해 손상 위치 파악이 불가능하다는 단점이 있다.

이에 반해 모드 형상 기반의 손상 추정 방법은 고유진동수 기반 방법에 비해 온도의 변화에 둔감하다는 장점이 있다. 모드형상 측정을 위해서는 구조물 전체에 분포된 다수의 센서로부터의 계측 데이터가 필요하다. 많은 수의 센서 설치를 필요로 하므로, 센서 설치로 인한 가격 면에서 많은 제약이 따르며, 또한 센서유지관리에 많은 인력 및 비용이 소요된다. 모드형상은 손상의 위치를 제시할 수 있는 장점이 있지만, 계측 시 센서 잡음으로 인해 정확한 형상을 계측하기가 어려우며 이로 인해 잘못된 손상 정보를 제공하는 경우가 많다.

본 발명은 상기한 종래의 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 본 발명이 해결하고자 하는 과제는 두 가지다. 첫 번째로는 저가의 장비와 최소한의 센서를 사용하면서 말뚝 및 타워형 구조물의 손상을 추정하는 방법을 제공하는 것이며, 두 번째로는 외부의 온도에 의하여 변하는 구조물의 손상지수를 안정적으로 구하기 위하여 온도변화에 매우 둔감한 말뚝 및 타워형 구조물의 손상 유무 및 손상의 대략적인 발생 위치를 추정하는 방법을 제공하는데 있다.

본 발명의 과제들은 이상에서 언급한 과제들로 제한되지 않으며, 언급되지 않는 또 다른 과제들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.

상기한 목적을 달성하기 위하여 본 발명은 따른 말뚝 및 타워형 구조물의 손상 추정 방법은 가속도 및 각속도 측정 단계, 변위-기울기 모드형상 비율 계산 단계, 손상지수 산출 단계, 손상 유무 및 위치 판단 단계를 포함한다.

상기 가속도 측정 단계에서는 구조물에 가속도와 각속도 센서를 부착하여 상기 구조물의 가속도를 측정한다.

상기 변위-기울기 모드형상 비율 계산 단계에서는 상기 측정된 가속도 및 각속도를 통해 변위와 기울기의 1차 모드에서의 주파수 상에서 신호 크기의 비율을 통하여 변위-기울기 모드형상 비율을 계산한다.

상기 손상지수 산출 단계에서는 상기 구조물의 손상 전 및 손상 후의 상기 변위-기울기 모드형상 비율을 이용하여 구조물의 손상지수를 산출한다.

그리고, 손상 유무 및 위치 판단 단계에서는 상기 손상지수의 크기 및 부호를 통해 손상 유무 및 위치를 판단한다.

그리고, 주기적으로 상기 가속도 측정 단계 내지 상기 손상 유무 및 위치 판단 단계를 반복하여 말뚝 및 타워형 구조물의 손상을 주기적으로 관찰할 수 있다.

상기 가속도 및 각속도 센서는 상기 구조물의 최 상단에 부착된다.

상기 변형률-기울기 모드형상 비율은 아래와 같은 식으로 정의할 수 있다.

그리고, 손상 지수는 아래와 같은 식으로 정의할 수 있다.

여기서, NDF는 손상지수,

는 손상된 구조물의 변위-기울기 모드형상 비율,

는 손상 전 구조물의 변위-기울기 모드형상 비율의 평균을 의미한다. 손상지수의 부호가 음수인 경우에는 지반의 침식 및 구조물 하부의 손상을 나타내며, 양수인 경우에는 구조물 상부의 손상을 의미한다.

상기와 같이 구성된 본 발명의 효과에 대하여 설명하면 다음과 같다.

본 발명의 일 실시예에 따른 구조물의 손상 추정 방법에 의하면 구조물의 변위와 경사 각도의 1차 모드를 이용하여 변위-기울기 모드형상 비율을 산출하고, 상기 모드형상 비율을 통해 손상지수를 구함으로써 간단한 방법으로 신속하게 구조물의 손상을 추정할 수 있다.

본 발명의 효과들은 이상에서 언급한 효과들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 효과들은 청구범위의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.

아래에서 설명하는 본 출원의 바람직한 실시예의 상세한 설명뿐만 아니라 위에서 설명한 요약은 첨부된 도면과 관련해서 읽을 때에 더 잘 이해될 수 있을 것이다. 본 발명을 예시하기 위한 목적으로 도면에는 바람직한 실시예들이 도시되어 있다. 그러나, 본 출원은 도시된 정확한 배치와 수단에 한정되는 것이 아님을 이해해야 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 말뚝 및 타워형 구조물의 손상 추정 방법을 적용하기 위한 손상을 입은 일반적인 말뚝 및 타워형 구조물을 나타내는 도면;
도 2는 도 1의 말뚝 및 타워형 구조물의 손상 발생시, 손상 등가 모델을 나타내는 도면
도 3은 손상크기와 손상지수의 관계를 온도 변화로 인해 변하는 서로 다른 두 가지 재료적 물성치 (EI) 에 대해 나타낸 도면; 및
도 4는 구조물에 발생하는 손상의 위치와 이에 따른 손상 지수의 부호 변화를 나타내는 도면이다.

이하 본 발명의 실시예에 대하여 첨부한 도면을 참조하여 상세하게 설명하기로 한다. 다만, 첨부된 도면은 본 발명의 내용을 보다 쉽게 개시하기 위하여 설명되는 것일 뿐, 본 발명의 범위가 첨부된 도면의 범위로 한정되는 것이 아님은 이 기술분야의 통상의 지식을 가진 자라면 용이하게 알 수 있을 것이다.

그리고, 본 발명의 실시예를 설명함에 있어서, 동일 기능을 갖는 구성요소에 대해서는 동일 명칭 및 동일부호를 사용할 뿐 실질적으론 종래기술의 구성요소와 완전히 동일하지 않음을 미리 밝힌다.

또한, 본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "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.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 말뚝 및 타워형 구조물의 손상 추정 방법을 적용하기 위한 단순화된 풍력 터빈 모델을 나타내는 도면이다.

말뚝 및 타워형 구조물(100)이란 지상으로부터 수직으로 높은 높이를 가지는 구조물(100)로, 이하 도 1에 도시된 바와 같이 본 실시예에서는 말뚝 및 타워형 구조물(100)이 지반 위에 위치한 것으로 예로 들어 설명하기로 한다.

본 발명의 일 실시예에 따른 말뚝 및 타워형 구조물의 손상 추정 방법은 말뚝 및 타워형 구조물의 손상 추정 방법은 가속도 및 각속도 측정 단계, 변위-기울기 모드형상 비율 계산 단계, 손상지수 산출 단계, 손상 유무 및 위치 판단 단계를 포함한다.

가속도 및 각속도 측정 단계에서는 구조물(100)에 가속도 센서(200) 및 각속도 센서(300)를 부착하여 구조물(100)의 가속도 및 각속도를 측정한다. 여기서, 가속도 센서 (200) 및 각속도 센서(300)는 구조물(100)의 최 상단에 부착될 수 있다.

조화하중을 받는 경우, 가속도와 각속도의 측정치는 1차 모드만을 가정하는 경우 모드형상을 매개로 다음과 같이 <수학식 1>과 <수학식 2>로 표현될 수 있다.

여기서

은 구조물의 첫 번째 고유 진동수를 의미한다.

변위-기울기 모드형상 비율 계산 단계에서는 가속도 센서(200) 및 각속도 센서(300)에서 측정된 구조물(100)의 가속도 및 각속도, 즉 <수학식 1>과 <수학식 2>를 이용하여 변위와 기울기의 1차 모드에서의 주파수 상에서 신호 크기를 비교하여 구조물(100) 최 상단의 변위-기울기 모드형상 비율을 계산한다. 변위-기울기 모드형상 비율은 다음의 <수학식 3>과 같이 산출할 수 있다.

여기서,

는 변위-기울기 모드형상 비율,

는 구조물 최 상단의 변위 모드형상,

는 구조물 최 상단의 기울기 모드형상을 의미한다.

와

은 각각 가속도와 각속도의 파워스팩트럼의 크기,

은 구조물의 첫번째 고유진동수를 나타낸다.

그리고, 손상지수 산출 단계에서는 구조물(100)의 손상 전 및 손상 후의 변위-기울기 모드형상 비율을 이용하여 손상지수 NDF(Normalized Damage Factor)를 산출한다.

손상지수 (NDF) 는 아래와 같은 <수학식 4>로 정의할 수 있다.

여기서, NDF는 손상지수,

는 손상된 구조물(100)의 변위-기울기 모드형상 비율,

는 손상 전 구조물(100)의 변위-기울기 모드형상 비율의 평균을 의미한다.

손상 유무 및 위치 판단 단계에서는 손상지수의 크기 및 부호를 통해 구조물(100)의 손상 유무 및 위치를 판단한다.

손상지수의 부호가 음수인 경우는 지반의 침식 및 구조물(100) 하부의 손상을 나타내며, 양수인 경우는 구조물(100) 상부의 손상을 의미한다.

그리고, 주기적으로 상기의 가속도 측정 단계 내지 상기 손상 유무 및 위치 판단 단계를 반복하여 말뚝 및 타워형 구조물(100)의 손상을 주기적으로 관찰함으로써 구조물의 유지 및 보수에 활용할 수 있다.

도 2는 도 1의 말뚝 및 타워형 구조물의 손상 발생시, 손상 등가 모델을 나타내는 도면이다.

상기와 같이 제안된 방법의 수치적 검증을 위해 온도변화를 받는 말뚝 및 타워형 구조물로서 도 2 와 같은 단순화 시킨 모형을 대상으로 수치해석을 실시하였다. 수치모델은 외팔보 모델을 기본으로 하여 도 2 와 같이 길이 L, 단위질량 m, 강성 EI를 갖는 오일러-베르누이 보로 모델링 하였다. 외부 온도변화에 대한 구조물의 변화를 모사하기 위하여 두 가지 재료적 물성치(EI)를 고려하였다. 또한 구조물의 손상을 모사하기 위하여 보의 깊이를 h, 손상의 크기를 a로 나타내었다. 손상으로 인한 모델링은 힌지와 스프링으로 도2와 같이 모델링 하였으며 스프링 계수 K_T는 <수학식 5> 를 이용하여 표현하였다.

여기서, h는 보의 깊이, v는 쁘아송비, r은 a/h를 의미한다.

수치해석결과, 변위와 기울기 모드형상의 최상부에서의 비율은 <수학식 7>과 같다.

<수학식 7>에서,

이고,

은 구조물의 첫번째 고유진동수를 나타낸다.

도 3은 손상크기와 손상지수의 관계를 온도 변화로 인해 변하는 서로 다른 두 가지 재료적 물성치 (EI) 에 대해 나타낸 도면이다.

구조물의 손상 시나리오는 두 가지가 있다. 첫 번째는 구조물의 하부에 손상의 크기 (즉, a/h) 를 증가시키며 2가지의 다양한 재료적 물성치에 대해 수치해석을 수행하였으며 결과는 도 3과 같다. 손상 정도를 나타내는 a/h는 0.1부터 0.9까지 총 15가지의 손상 단계로 나누었다. 또한 도 3은 각각 다른 온도를 모사하기 위하여 구조물의 온도에 영향을 받는 재료 물성치를 다르게 하였다. 비교 결과, 온도로 인해 구조물의 성질이 벼하더라도 제시한 손상지수(NDF)는 변함이 없음을 확인할 수 있다.

두 번째는 구조물의 손상위치에 따른 손상 지수의 변화를 나타내었다.

도 4는 구조물에 발생하는 손상의 위치와 이에 따른 손상 지수의 부호 변화를 나타내는 도면이다.

도 4에 도시된 바와 같이, 손상이 전체 구조물의 1/3 이하에 위치하는 경우 음수의 부호를 나타내었으며, 상부에 위치하는 경우는 양수를 나타내었다. 구조물의 손상 중 대다수를 차지하는 하부 강성 저하에 대해 상부 손상과 다른 별도의 손상 지수를 제시함으로써 유지보수를 위한 즉각적인 조치가 가능하다.

이상과 같이 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 살펴보았으며, 앞서 설명된 실시예 이외에도 본 발명이 그 취지나 범주에서 벗어남이 없이 다른 특정 형태로 구체화 될 수 있다는 사실은 해당 기술에 통상의 지식을 가진 이들에게는 자명한 것이다. 그러므로, 상술된 실시예는 제한적인 것이 아니라 예시적인 것으로 여겨져야 하고, 이에 따라 본 발명은 상술한 설명에 한정되지 않고 첨부된 청구항의 범주 및 그 동등 범위 내에서 변경될 수도 있다.

100: 구조물
200: 가속도 센서
300: 각속도 센서

Claims (6)

1. 구조물에 가속도 및 각속도 센서를 부착하여 상기 구조물의 가속도 및 각속도를 측정하는 가속도 측정 단계;
   상기 측정된 가속도 및 각속도를 통해 변위와 기울기의 1차 모드에서의 주파수 상에서 신호 크기의 비율을 통하여 변위-기울기 모드형상 비율을 계산하는 변위-기울기 모드형상 비율 계산 단계;
   상기 구조물의 손상 전 및 손상 후의 상기 변위-기울기 모드형상 비율을 이용하여 구조물의 손상지수를 산출하는 손상지수 산출 단계; 및
   상기 손상지수의 크기 및 부호를 통해 손상 유무 및 위치를 판단하는 손상 유무 및 위치 판단 단계;를 포함하며,
   상기 손상지수는,
   

   

   
   이고,
   상기 손상 유무 및 위치 판단 단계에서,
   상기 손상지수의 부호가 음수인 경우에는 지반의 침식 및 상기 구조물의 하부에 손상이 발생한 것으로 판단하고, 상기 손상지수의 부호가 양수인 경우에는 상기 구조물의 상부에 손상이 발생한 것으로 판단하는 말뚝 및 타워형 구조물의 손상 추정 방법.
2. 제 1항에 있어서,
   주기적으로 상기 가속도 측정 단계 내지 상기 손상 유무 및 위치 판단 단계를 반복하는 말뚝 및 타워형 구조물의 손상 추정 방법.
3. 제 1항에 있어서,
   상기 가속도 센서 및 상기 각속도 센서는 상기 구조물의 최 상단에 부착되는 말뚝 및 타워형 구조물의 손상 추정 방법.
4. 삭제
5. 제 1항에 있어서,
   상기 변위-기울기 모드형상 비율은,
   

   

   
   인 말뚝 및 타워형 구조물의 손상 추정 방법.
6. 삭제

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