토목구조물건전성 모니터링 시스템의 연구현황 및 진행상황은 무엇입니까?

1 서론

현재 우리나라에서는 갑작스러운 교량 붕괴, 가옥의 갑작스러운 붕괴 등 토목공사 사고가 빈번히 발생하여 막대한 인명 피해와 재산 피해가 발생하고 있습니다. 이로 인해 사람들은 주요 사고에 주의를 기울이고 프로젝트 안전에 주의를 기울였습니다. 또한, 우리나라의 수많은 교량과 기반 시설은 1950년대와 1960년대에 건설되었는데, 그 오랜 세월을 사용하고 있는데 그 안전 성능은 어떤가요? 사람들의 생명과 재산에 위협이 되는가? 이것은 대답해야 할 긴급한 질문입니다. 최근에는 지진, 홍수, 폭풍과 같은 자연 재해로 인해 이러한 건물과 구조물에 다양한 정도의 피해가 발생했으며, 인위적인 폭발과 건물 붕괴의 영향과 같은 기타 파괴적인 행위도 발생했습니다. 주변 건물에 있는 미국의 세계 무역 센터. 이들이 더욱 주목을 받고 있습니다.

주요 엔지니어링 구조물의 구조적 성능을 실시간으로 모니터링 및 진단하고, 구조적 손상을 적시에 감지하며, 안전성을 평가하고, 구조물의 성능 변화 및 남은 수명을 예측하여 유지보수 결정을 내립니다. 엔지니어링 향상에 중요 구조물의 운영 효율성은 사람들의 생명과 재산의 안전을 보장하는 데 있어 매우 중요한 의미를 가지며, 이는 현대 엔지니어링에서 점점 더 긴급한 요구 사항이 되었으며 토목 공학 분야의 발전을 위한 중요한 분야이기도 합니다. 구조 건전성 모니터링 시스템은 실시간으로 구조물의 서비스 상태에 대한 관련 데이터를 수집하고, 특정 손상 식별 알고리즘을 사용하여 손상 위치와 정도를 파악하고, 시기적절하고 효과적인 방식으로 구조물의 안전성을 평가하고, 따라서 구조물 건설 및 서비스 전 과정의 응력 및 손상 변화 법칙을 보다 종합적으로 파악할 수 있어 대규모 구조물의 안전을 확보할 수 있는 효과적인 수단 중 하나입니다. 건설 및 서비스 분야의 대규모 엔지니어링 구조.

2 건강 모니터링 시스템의 기본 개념

구조적 건강 모니터링(SHM)은 현장 비파괴 감지 기술을 사용하여 구조적 반응 특성을 포함한 구조 시스템을 분석하는 것을 말합니다. 구조적 손상이나 성능 저하의 일부 변화를 감지합니다.

손상 식별: 엔지니어링 구조물은 일반적으로 갑작스러운 손상과 누적된 손상이라는 두 가지 유형의 손상으로 고통받습니다. 급작스런 피해는 지진, 홍수, 허리케인, 폭발, 기타 심각한 자연재해나 인재 등의 긴급상황에 의해 발생하는 반면, 누적피해는 일반적으로 구조물을 장기간 사용하여 서서히 축적되어 서서히 진행되는 성질을 갖는 손해를 말합니다. 축적. 손상 식별의 목표와 관련하여 일부 엔지니어는 손상 감지 수준을 5단계로 제안했습니다. 즉, 구조물에 손상이 있는지 확인하고, 손상 위치를 찾고, 손상 유형을 식별하고, 손상 심각도를 정량화하고, 구조물의 남은 수명을 평가하는 것입니다. 이상적인 손상 식별 방법이 갖춰야 할 또 다른 중요한 특성은 구조적 모델링 오류로 인한 편차와 구조적 손상으로 인한 편차를 구별하는 능력입니다.

안전성 평가: 구조적 안전성 평가는 건전성 모니터링 및 손상 식별을 기반으로 구조적으로 허용되는 다양한 테스트 방법을 통해 현재 작동 상태와 중대한 결함을 테스트하여 상태를 비교하고 안전 수준을 평가합니다. 구조에 따라 중요성이 다르며 안전 수준도 달라야 합니다. 안전성 평가는 확률과 가능성인 신뢰성과는 다르며, 안전성 평가는 일정 수준의 안전성을 제공하는 것을 목표로 합니다.

3 구조 건전성 모니터링 시스템 구성 및 기능 분석

구조 건전성 모니터링은 실시간 온라인 모니터링 기술이다. 일반 상태 모니터링 시스템은 다음과 같은 부분으로 구성됩니다:

(1) 센서 하위 시스템. 센서 서브시스템은 구조물의 하중과 영향 정보를 감지하여 전기, 빛, 소리, 열과 같은 물리량의 형태로 출력하는 기능을 가진 하드웨어 시스템입니다. 이 하위 시스템은 상태 모니터링 시스템의 프런트엔드이자 가장 기본적인 하위 시스템입니다.

(2) 데이터 수집, 처리 및 전송 하위 시스템. 여기에는 하드웨어와 소프트웨어의 두 부분이 포함됩니다. 하드웨어 시스템에는 데이터 전송 케이블/광 케이블, 디지털-아날로그 변환(A/D) 카드 등이 포함됩니다. 소프트웨어 시스템은 특정 방식으로 컴퓨터에 디지털 신호를 저장합니다. 데이터 수집을 위한 일반적인 소프트웨어 플랫폼에는 Visual Basic, VC++, Delphi, LabWindows 또는 LabView 등이 있습니다. 수집된 데이터는 전처리되어 데이터 관리 하위 시스템에 저장됩니다. 데이터 수집 하위 시스템은 센서 하위 시스템과 데이터 관리 하위 시스템을 연결하는 역할을 합니다.

(3) 손상 식별 소프트웨어, 모델 수정 소프트웨어, 구조 안전성 평가 소프트웨어 및 조기 경보 장비로 구성된 손상 식별, 모델 수정, 안전 평가 및 안전 조기 경보 하위 시스템. 이 시스템에서는 일반적으로 손상 식별 소프트웨어가 먼저 실행됩니다. 구조물의 손상이 식별되면 모델 수정 소프트웨어와 안전성 평가 소프트웨어가 실행됩니다. 이상이 발생하면 조기경보장치가 경보 메시지를 발송합니다. 손상 식별 소프트웨어는 일반적으로 MATLAB 등과 같은 전산 분석 소프트웨어 플랫폼으로 개발됩니다. 모델 수정 및 안전성 평가 소프트웨어는 일반적으로 ANSYS 및 전문 구조 분석 및 설계 소프트웨어와 같은 구조 분석 소프트웨어입니다. 손상 식별은 데이터 수집 하위 시스템에서 수집되어 데이터 관리 하위 시스템에 저장되는 구조적 반응 정보를 기반으로 수행됩니다. 따라서 손상 식별 소프트웨어가 실행되면 먼저 데이터 관리 하위 시스템에서 구조적 반응 정보 데이터를 자동으로 읽을 수 있습니다. 손상 식별, 모델 수정 및 안전성 평가의 결과는 구조의 기록 보관 데이터로 데이터 관리 하위 시스템에 저장됩니다. 따라서 손상 식별, 모델 수정, 안전성 평가 결과가 데이터 관리 하위 시스템에 자동으로 저장될 수 있습니다.

(4) 데이터 관리 하위 시스템의 핵심은 데이터베이스 시스템입니다. 데이터베이스는 구조적 시공정보, 기하학적 정보, 모니터링 정보, 해석결과 등 모든 데이터를 관리하며 구조 건전성 탐지 시스템의 핵심으로 건전성 모니터링 시스템의 데이터 관리 기능을 수행한다.

4 국내외 구조 건전성 모니터링 시스템 적용

해외에서는 장대 교량 외에도 구조 건전성 모니터링 시스템이 널리 사용되고 있다. 고층 복합 건물의 모니터링에도 사용되기 시작했습니다. 일본의 아카시 해협대교는 주경간 1,991m의 3경간 이중경첩 현수교로 1998년 4월 5일 개통되었습니다. 혼슈와 시코쿠를 연결하는 다리입니다. 교량의 내진 설계상 진원지로부터 150km 떨어진 곳에서 리히터 규모 8.5의 지진을 견딜 수 있어야 합니다. 내풍 설계의 설계 풍속은 교량 상판에서 60m/s입니다. 아카시 해협 대교의 건설은 최신 내풍 및 내진 설계 방법을 채택했기 때문에 설계 중 가정한 사항을 테스트해야 할 뿐만 아니라 강풍 및 강한 지진에 대한 구조의 일부 관련 상수도 테스트해야 합니다. . 또한 기본 구조적 특성, 즉 정상 상태에서 온도 및 기타 조건이 변할 때 교량이 어떻게 작동하는지 모니터링해야 합니다. 이러한 프로젝트를 조사하기 위해 모니터링 시스템이 설치되었습니다. 관찰하는 동안 GPS를 사용하여 빔과 타워의 변형을 모니터링했습니다.

중국에서는 최근 몇 년 동안 구조적 건강 모니터링 시스템의 적용이 점차 증가하고 있지만 복잡한 통합 기술과 높은 건강 모니터링 시스템 통합 비용으로 인해 우리나라의 건강 모니터링 시스템이 주로 사용됩니다. 장경간 교량. 후멘교(Humen Bridge)는 주강(Pearl River) 하구에 위치하며 주강 삼각주(Pearl River Delta)의 동쪽과 서쪽 날개를 연결하는 교통 허브입니다. 후멘교의 총 길이는 4606m이고, 주교는 경간장 888m의 현수교로, 주빔은 평탄한 폐쇄형 유선형 단면의 강상자형 거더를 채택하고 있다. 후멘교는 열대폭풍이 자주 발생하는 지역에 위치해 있기 때문에 교량의 안전에는 특별한 배려와 주의가 필요합니다. Guangdong Humen Bridge Co., Ltd., Tsinghua University 토목 공학과 및 광주 Dadixing Technology Instrument Co., Ltd.는 Humen Bridge 건강 모니터링 시스템을 연구 및 개발했습니다. 시스템에는 주로 Humen Bridge 3차원 변위 GPS 실시간 동적 모니터링 시스템과 Humen Bridge 스트레인 모니터링 데이터 처리 시스템이 포함됩니다.

5 기존 문제점 및 개발 방향

본 글에서는 토목구조물 건전성 모니터링의 기본 개념, 건전성 모니터링 시스템의 구성과 기능, 현재 연구 및 적용 현황을 설명한다. , 건강 모니터링 시스템 구성의 몇 가지 핵심 문제에 대한 토론에 중점을 둡니다. 구조 건전성 모니터링 및 진단에 대한 현재의 연구 및 개발 수준으로 볼 때 여전히 해결해야 할 몇 가지 문제가 있습니다.

(1) 평가를 위한 보편적이고 효과적인 손상 정량화 지표가 부족합니다. 구조적 건강 상태. 진동 기반 손상 진단에서는 측정된 손상 상태 신호가 원래의 건전성 상태 신호와 크게 달라야 구조물의 손상 상태와 구조물의 건전성을 정확하게 구분할 수 있어야 한다. 현재의 모순은 구조물의 고유 진동수를 정확하게 측정할 수 있지만 고유 진동수는 국부적 손상에 민감하지 않다는 것입니다. 모드 형상(특히 고차 모드)의 변화는 국부적 손상에 민감하지만 정확하게 측정하기는 어렵습니다. . 따라서 구조물의 건전성 상태를 단순히 정량화하기 위해서는 보편적이고 효과적인 손상 정량화 지수(또는 특정 유형의 구조물에 대해 보다 효과적인 동적 지문)가 제안되어야 합니다.

(2) 대규모 토목공학 구조물은 복잡한 비선형 시스템으로, 신경망과 유전자 알고리즘은 시스템의 정확한 모델을 알지 못한 채 해당 계산을 수행하는 특성을 갖고 있으므로 구조적 측면에서 매우 중요하다. 건강 모니터링은 진단 및 치료 분야에서 광범위한 응용 가능성을 가지고 있습니다. 웨이블릿 분석은 세부 사항을 묘사하는 능력으로 인해 데이터 처리에 있어서도 특정한 이점을 가지고 있습니다. 그러나 각 방법에는 결함과 한계가 있으며 여러 방법을 조합하면 더 나은 분석 결과를 얻을 수 있는 경우도 있습니다.

(3) 센서의 최적 배치는 토목 구조물의 상태 모니터링 및 진단에서 중요한 문제이며, 경제성, 구조적 작동 상태 등의 요인으로 인해 가능한 한 적은 수의 센서를 사용할 필요가 있습니다. 최대한 많은 구조적 정보를 얻으려면

(4) 마이크로파 및 기타 무선 통신 기술은 구조적 상태 모니터링을 위한 중요한 개발 방향이 될 것입니다. 무선 모니터링 시스템은 구조물에 설치되는 신호선 수를 크게 줄이고 비용을 절감할 수 있으며 비용을 절감할 수 있습니다. 신호에 영향을 미치는 신호 라인의 노화에 대해 걱정할 필요가 있습니다. 수집의 영향은 광범위한 응용 가능성을 가지고 있습니다.

(5) 구조 건전성 모니터링 시스템에 대한 연구는 최근 토목공학 분야의 핵심 개발 주제였습니다. 그러나 현재 시스템 설계 및 개발에 대한 통일된 표준이나 절차가 부족합니다. 구조적 상태 모니터링 시스템.

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