철골 구조물의 자기 진단 시스템에 관한 연구
저자
발행사항
서울 : 건국대학교 대학원, 2012
학위논문사항
학위논문(박사)-- 건국대학교 대학원 : 건축공학과 2012.8
발행연도
2012
작성언어
한국어
주제어
DDC
693.71 판사항(22)
발행국(도시)
서울
기타서명
(A) study on self-diagnosis system for steel structures
형태사항
ⅸ, 100 p. : 삽도 ; 26 cm
일반주기명
지도교수: 안형준
참고문헌: p. 92-98
서지적, 설명적각주수록
소장기관
This study examined the possibility of inter-calibration and omission of strain gauges and displacement gauge by analyzing dynamic relations between displacement and strain to ensure cost-effective sensor design when the Self-Diagnosis System for Steel Structures was put in place, and presented the minimum number of sensors that were mounted and the mounting position of the sensors. Furthermore, the loading points and magnitude were estimated using the strain or displacement, and the bending moment was generalized. Lab VIEW, the control, measurement, and programming language of National Instruments, was used to validate the applicability of the Self-Diagnosis System for Steel Structures.
Based on the results of experiment on the steel beams, the error of deflection, which was estimated using the measurement deflection and strain gauges, was as high as 20.38 to 34.72% when the depth and span ratio of beam was high. The calibration was required due to the share deformation because the ratio of the amount of deflection caused by share deformation increased in total amount of deflection.
Based on the results of the calibration of deflection caused by shear deformation, the error ratio between the deflection – which was estimated by using the strain gauges at the point of maximum deflection – and the deflection measured through the displacement gauge was less than 2% when 56%(160kN) of yield load was applied. In estimating the point of the load application and its size with the strain gauges, the error ratio to the load measured with the load cell was less than 1%.
The results of experiment on the frame showed that the deflection could be measured with the error ratio of less than 2% and the error of 0.001 to 0.055mm, using the measurement strain at the point of maximum deflection of the 2-level beam when 6 to 30% of yield load was applied. The error ratio was less than 0.3% for the point of load application, and the size of load was estimated to be less than 4%.
Based on the results of the experiment that aimed to estimate the strain using the displacement, the error rate to the strain, which was measured by applying 70%(200kN) of yield load, was estimated to be below 4.30% when the shear deformation was calibrated to the strain by using the displacement in the case of the beam with a depth deeper for the span.
The error rate to the measured bending moment was below approximately 4.30% and the error rate to the measured load was below approximately 4.92% when the bending moment and the size of load were estimated with the strain which was converted by using the displacement. Through that, the strain, bending moment, and load of steel beams could measured. The residual strength could be predicted through the conversion into the strain using the displacement when the accurate displacement could be measured in one-time safety diagnosis(routine inspection, regular inspection, precise inspection, etc).
Through this study, one sensor could be omitted among the strain gauge and displacement gauge. Higher reliability was achieved when the displacement was estimated using the strain if one of the two sensors was omitted. Omitting the displacement gauge may lead to the increased reliability of indirect measurement because the reliability becomes relatively low if the strain is estimated by using the displacement. In addition, omitting the displacement gauge helps ensure the cost-effective design of sensor, considering that the point of load application and the size of load can be estimated and therefore the load cell can be omitted.
The minimum number of the sensors, which are necessary to establish this cost-effective self-diagnosis system, is the summation of the sensors: 2 for estimating the point of load application, 1 for calibrating the bending moment, a certain fixed number of sensors, and 2 for coping with the load which was not expected during the design of structure.
The self-diagnosis system, built by the Lab VIEW, frequently monitors the yield moment, yield strain, and allowable deflection of the structure through the graphic data and numerical data, and activates the visual alert and acoustic alert sound when the first, second, and third standards are exceeded. Moreover, both serviceability limit state and strength limit state could be monitored at the same time with the strain gauge alone when the proposed general formula for the conversion deflection was used. The results of the measurement could be checked again through feedback to the previous state by using the saving function, and the future structure behavior could be predicted by analyzing the previous records in the real structure.
이 연구에서는 철골 구조물의 자기 진단 시스템 구축시 경제적인 센서설계를 위해 변위와 변형률의 역학적 관계를 분석하여 변형률계와 변위계의 상호 보정 및 생략가능성을 검토하고, 최소 센서 부착개수 및 위치를 제안하였다. 그리고 변형률 또는 변위를 이용하여 하중 작용점과 하중의 크기를 추정하고 휨모멘트를 일반화하였으며 구조물의 자기 진단 시스템을 내쇼날 인스트루먼트의 제어ㆍ계측 프로그래밍용 언어 Lab VIEW를 이용해 프로그래밍하여 적용 가능성을 검증하였다.
강재보의 실험결과 보의 깊이와 스팬의 비가 큰 경우 측정처짐과 변형률계를 사용하여 추정한 처짐의 오차율은 20.38∼34.72%로 크게 나타났다. 이는 전체 처짐량에서 전단변형으로 인한 처짐량의 비율이 증가하였기 때문으로 전단변형에 의한 보정이 필요하였다.
전단변형에 의한 처짐의 보정결과 항복하중의 56%(160kN) 가력시 최대처짐 발생점에서 변형률계를 사용하여 추정한 처짐과 변위계로 측정한 처짐과의 오차율은 2% 이내로 처짐을 추정하였으며 변형률계를 사용한 하중작용점 및 크기의 추정에서도 하중계로 측정한 하중과 오차율 1% 이내로 추정하였다.
골조의 실험결과 항복하중의 6%∼30%를 가력시 2층 보 최대처짐 발생점에서 측정 변형률을 이용해 오차율 2%이내, 오차 0.001∼0.055mm로 처짐을 추정할 수 있었고 하중 작용점은 오차율 0.3%이내, 하중 크기는 4% 이내로 추정 할 수 있었다.
변위를 이용해 변형률을 추정하는 실험 결과 스팬에 비해 깊이가 큰 보의 경우 변위를 사용해 변환한 변형률에 전단 변형에 의한 변위를 보정하면 항복하중의 70%(200kN) 가력시 측정한 변형률과 오차율 4.30% 이하로 추정하였다. 또한 변위를 이용해 변환한 변형률로 휨모멘트와 하중의 크기를 추정하면 측정한 휨모멘트와 약 4.30% 이하, 측정한 하중과 약 4.92% 이하의 오차율로 추정하였다. 이를 통해 변위계로 강재보의 변형률 및 휨모멘트, 하중을 계측할 수 있었으며 나아가 일회적인 안전진단(일상점검, 정기점검, 정밀점검 등)에서 정확한 변위를 측정할 수 있을 경우 변위를 이용해 변형률로 변환하면 구조물의 잔존내력을 예측할 수 있다.
이 연구를 통해 변형률계와 변위계 중 하나의 센서를 생략할 수 있었으며 두 센서 중 하나를 생략할 경우 변형률을 이용하여 변위를 추정하는 것이 신뢰도가 높으며 반대로 변위를 이용하여 변형률을 추정할 경우 상대적으로 신뢰도가 낮아지므로 변위계를 생략하는 것이 간접측정의 신뢰도를 높일 수 있다.
또한 하중 작용점 및 하중의 크기를 추정할 수 있어 하중계의 생략도 가능하므로 경제적인 센서 설계를 할 수 있었다. 이러한 경제적인 자기 진단 시스템을 구축하기 위한 최소 센서의 배치개수는 하중작용점 추정용 2개소, 휨모멘트 보정용 1개소, 고정단개수, 구조설계시 예상하지 못한 하중대비용 2개소의 합이다.
Lab VIEW로 구현한 자기 진단 프로그램은 구조물의 항복모멘트, 항복변형률, 허용처짐의 상태를 그래픽 데이터 및 수치데이터로 상시 모니터링하며 1차, 2차, 3차 기준치를 초과하였을 때 시각 경보와 청각 경보음을 발생하도록 하였다. 또한 제안한 변환처짐 일반식을 사용하여 변형률계 만으로 사용성 한계상태와 강도 한계상태를 동시에 모니터링 할 수 있었다. 측정한 결과들은 저장 기능을 통해 이전의 상태로 다시 피드백 하여 확인할 수 있었고, 실제 구조물에서는 이전의 기록들을 분석함으로서 향후 구조물의 거동을 예측할 수 있었다.
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