수치해석 및 현장계측을 통한 차량주행조건에 따른 BWIM 신호 변화 분석

이정휘,Lee, Jung-Whee 한국전산구조공학회 2011 한국전산구조공학회논문집 Vol.24 No.1

Bridge Weigh-in-Motion(BWIM) 시스템은 중량의 차량이 정상적으로 교량을 주행하는 상태에서 측정된 교량의 응답을 분석하여 교량을 통과한 차량의 중량을 산출하는 시스템으로, 현재 관심지역을 통행하는 차량의 하중분포를 파악하고 이로 부터 도로교의 설계 및 해석을 위한 설계 활하중 모델의 개발이나 교량의 잔존 수명의 예측을 위한 피로하중모델 등의 개발에 활용될 수 있다. 이러한 BWIM 시스템의 개발을 위해 필수적으로 수행되어야 하는 것이 다양한 하중조건에 대한 실물차량 주행시험이다. 이 논문에서는 BWIM 시스템의 개발을 위해 필수적이지만 비용 및 시간이 많이 소요되는 실차량 주행시험을 보완할 수 있는 수치해석 기법을 사용하여 차량동특성 및 주행조건의 변화에 대한 교량응답의 변화를 관찰하고자 하였다. 수치해석의 적절성을 검증하기 위하여 실물차량 주행시험이 수행된 동일한 경우에 대하여 차량주행 시뮬레이션을 수행하였으며, 실측결과와 유사한 해석결과를 얻을 수 있었다. 수치해석에서 고려한 변수는 차량의 주행속도, 차량의 고유진동수, 진입부의 단차크기, 횡방향 주행위치 등이며, 이들 변수의 변화에 대한 교량의 응답의 변화를 분석한 결과, 정확한 BWIM 시스템의 개발을 위해 횡방향 주행위치와 차량 고유진동수의 영향이 고려되어야 함을 확인하였다. 수치시뮬레이션 기법을 사용하여 다양한 조건에 대한 주행데이터를 적은 비용으로 생성할 수 있으므로, 최소한의 실차량 주행시험과 병행하여 다양한 하중조건에 대한 BWIM 알고리즘의 검증이 가능할 것으로 생각된다. 또한 신경망기법을 사용하는 BWIM 시스템의 경우에는 학습자료의 생성에 활용하여 신경망기법을 활용할 때 어려운 점 중 하나인 충분한 양의 신뢰성있는 학습자료 확보에 기여할 수 있을 것으로 생각된다. Bridge Weigh-in-Motion(BWIM) system calculates a travelling vehicle's weight without interruption of traffic flow by analyzing the signals that are acquired from various sensors installed in the bridge. BWIM system or data accumulated from the BWIM system can be utilized to development of updated live load model for highway bridge design, fatigue load model for estimation of remaining life of bridges, etc. Field test with moving trucks including various load cases should be performed to guarantee successful development of precise BWIM system. In this paper, a numerical simulation technique is adopted as an alternative or supplement to the vehicle traveling test that is indispensible but expensive in time and budget. The constructed numerical model is validated by comparison experimentally measured signal with numerically generated signal. Also vehicles with various dynamic characteristics and travelling conditions are considered in numerical simulation to investigate the variation of bridge responses. Considered parameters in the numerical study are vehicle velocity, natural frequency of the vehicle, height of entry bump, and lateral position of the vehicle. By analyzing the results, it is revealed that the lateral position and natural frequency of the vehicle should be considered to increase precision of developing BWIM system. Since generation of vehicle travelling signal by the numerical simulation technique costs much less than field test, a large number of test parameters can effectively be considered to validate the developed BWIM algorithm. Also, when artificial neural network technique is applied, voluminous data set required for training and testing of the neural network can be prepared by numerical generation. Consequently, proposed numerical simulation technique may contribute to improve precision and performance of BWIM systems.

강교량의 손상감지를 위한 주파수 영역 패턴인식 기법

이정휘,김성곤,장승필,Lee, Jung Whee,Kim, Sung Kon,Chang, Sung Pil 한국강구조학회 2005 韓國鋼構造學會 論文集 Vol.17 No.1

이 논문에서는 구조물의 동적응답을 입력으로 하고, 패턴인식을 위해 신경망기법(Neural Network, NN)을 사용하는 손상감지기법을 제시하였다. 입력된 동적응답, 즉 주파수응답함수(FRF) 또는 변형률 주파수응답함수(SFRF)의 변화를 정량적으로 표현하기 위해 신호변형지수(Signal Anomaly Index, SAI)를 고안하여 사용하였으며, 이 신호변형지수는 손상 전 및 손상 후의 구조물로부터 측정된 가속도 또는 동적 변형률 신호를 사용하여 계산된다. 제안된 알고리즘은 2단계로 구성되며, 1단계에서는 신호변형지수 값의 크기 변화를 사용하여 구조물의 손상발생 유무를 판별하고, 여기서 구조물에 손상이 발생한 것으로 분석되면 2단계에서 신경망기법을 사용한 패턴인식을 통해 손상의 위치를 찾아낸다. 이 방법의 타당성 및 적용성을 확인하기 위해 강교량 축소모형에 대한 실험을 수행하였다. 신경망의 학습에는 수치해석을 통해 생성한 가상 신호를 사용하였으며, 학습이 완료된 신경망과 실험을 통해 측정한 실제 신호를 사용하여 손상발견을 수행하였다. 모형 교량에 대한 적용 결과로부터 이 알고리즘의 타당성이 검증되었으며, 향후 실 교량에 대한 적용도 가능할 것으로 판단된다. A bi-level damage detection algorithm that utilizes the dynamic responses of the structure as input and neural network (NN) as pattern classifier is presented. Signal anomaly index (SAI) is proposed to express the amount of changes in the shape of frequency response functions (FRF) or strain frequency response function (SFRF). SAI is calculated using the acceleration and dynamic strain responses acquired from intact and damaged states of the structure. In a bi-level damage identification algorithm, the presence of damage is first identified from the magnitude of the SAI value, then the location of the damage is identified using the pattern recognition capability of NN. The proposed algorithm is applied to an experimental model bridge to demonstrate the feasibility of the algorithm. Numerically simulated signals are used for training the NN, and experimentally-acquired signals are used to test the NN. The results of this example application suggest that the SAI-based pattern recognition approach may be applied to the structural health monitoring system for a real bridge.

고속철도 강교량의 진동특성 분석

이정휘(Lee, Jung-Whee),김성일(Kim, Sung-Il),곽종원(Kwark, Jong-Won),이필구(Lee, Pil-Goo),윤태양(Yoon, Tae-Yang) 한국소음진동공학회 2007 한국소음진동공학회 논문집 Vol.17 No.7

The dynamic behavior of two steel bridges crossed by the Korean High Speed Train(KHST) has been investigated experimentally and the results are compared with the specification requirement of BRDM and other typical PSC Box bridge's responses. The investigated bridges are a 2-girder steel bridge of 1@40m span length(E-Won Bridge), 2@50m span length (Ji-Tan Bridge), and a PSC Box girder bridge of 2@40m span length (Yeon-Jae Bridge). A set of experimental tests were performed during operation of KHST, and a number of accelerometers, LVDTs and ring-type displacement transducers were utilized for measurement of three kinds of dynamic responses (acceleration, deflection, and end-rotation angle). Measured responses show that the vertical deflections and end-rotation angles of the three bridges are all satisfying the spec. requirement with large margin, but it was also found acceleration responses which are very close or exceed the limit value. Most of the excessive acceleration responses were found when the passing velocity of the KHST is close to the critical velocity ($V_{cr}$) which causes resonance. No noticeable differences of dynamic responses due to the different materials(steel or concrete) could be found within these experimental results.

강부재의 손상발견을 위한 모달실험 기법

장정환,이정휘,김성곤,장승필,Jang, Jeong Hwan,Lee, Jung Whee,Kim, Sung Kon,Chang, Sung Pil 한국강구조학회 1997 韓國鋼構造學會 論文集 Vol.9 No.4

모달실험 기법의 강부재 손상발견 적용성에 대한 실험적 연구를 수행하였다. 단경간 및 2경간 강재보에 손상을 모사한 단계적인 절단을 가하면서 모달실험을 반복하고, 손상 정도에 따른 모달 파라미터의 변화를 관찰하였으며, 실험 결과를 검증할 목적으로 수치해석을 병행하였다. 고려한 모달 파라미터는 고유진동수(Frequency), 변위 모드형상(Displacement Mode Shape), 변형률 모드형상(Strain Mode Shape)이며, 이들 모달 파라미터를 구하기 위하여 가속도계와 변형률계를 사용한 모달실험을 실시하였다. 각각의 손상단계에서 손상에 의한 변위 모드형상과 변형률 모드형상의 변화를 위치에 대해 정량적으로 나타내기 위하여, CoMAC과 Modal Vector Error를 사용하였다. 고유진동수는 손상의 정도가 심해짐에 따라 감소하는 경향을 보였으며, 손상의 위치를 발견하는 데에 가장 효과적으로 사용될 수 있는 것은 변형률 모드형상이었다. A series of experimental tests have been performed on a tube beam in which artificial damage is applied in order to address damage detectability using modal analysis. Modal parameters considered are frequency, displacement mode shape and strain mode shape CoMAC(Coordinate Modal Assurance Criterion) and Modal Vector Error have been adopted for presenting the change of displacement mode shape and strain mode shape. It is revealed strain mode shape is the most sensitive to damage.

유한요소모델 기반 장력추정 기법의 비교 연구

박규식,이정휘,성택룡,윤태양,김병화,Park, Kyu Sik,Lee, Jung Whee,Seong, Taek Ryong,Yoon, Tae Yang,Kim, Byeong Hwa 한국강구조학회 2009 韓國鋼構造學會 論文集 Vol.21 No.2

현수교 행어케이블은 일부가 클램프로 구속되어 있어 단일 케이블 모델을 기반으로 한 기존의 장력추정 방법들은 휨감성의 영향이 큰 짧은 케이블 일수록 오차가 커지게 된다. 따라서 최근에 유한요소모델 기반의 역해석 기법 및 시스템인식 기법을 이용한 장력추정 방법이 제안되었다. 본 논문은 광안대교 행어케이블을 대상으로 역해석 기법 및 시스템인식 기법을 이용한 장력추정 방법의 적용성을 비교 검토 하였다. 장력추정결과 유한요소모델을 기반으로 한 역해석 기법 및 시스템인식 기법은 기존의 현이론 및 선형회귀법에 의한 장력추정 방법에 비해 고유진동수 오차를 기준으로 보다 높은 신뢰성을 가지고 장력을 추정하였다. 하지만 모델기반의 장력추정 방법은 유한요소모델의 정확도에 따라 그 오차가 다르게 나타날 수 있다. 특히, 짧은 케이블 일수록 경계조건의 영향을 많이 받기 때문에 가능하다면 실험을 통해 경계조건을 명확히 파악하는 것이 중요하다. 시스템인식 기법을 이용한 장력추정 방법은 다양한 경계조건을 용이하게 고려할 수 있으며, 또한 입력되는 계측 고유진동수의 개수에 민감하지 않기 때문에 그 효용성이 높다고 할 수 있다. Hanger cables in suspension bridges are constrained by the horizontal clamp. So, the accuracy of estimated tension of hange cable using existing methods based on the simple mathematical model of singel cable decreases as the length of cable decreases because of the flexural rigidity. Therefore, back analysis and system identification techniques based on the finite element model are proposed recently. In this paper, the applicability of the back analysis and system identification techniques are compared using the hanger cable of Gang-An Bridge. The experimental results show that the back analysis and system identification techniques are more reliable than the existing string theory and linear regression method in the view point of the error of natural frequencies. However, the estimation error of tension can be varied according to the accuracy of finite element model in the model based methods. Especially, the boundary condition is more affective when the length of cable is short, so it is important to identify the boundary condition through experiment if it is possible. The tension estimation method using system identification technique is more attractive because it can easily consider the boundary condition and it is not sensitive to the number of input measured natural frequencies.

RC슬래브와 연성충격체의 충돌시뮬레이션 영향인자 분석

정철헌,이정휘,김상윤,이재하,Chung, Chul-Hun,Lee, Jung-Whee,Kim, Sang-Yun,Lee, Jae-Ha 한국전산구조공학회 2011 한국전산구조공학회논문집 Vol.24 No.6

본 논문에서는 외연적 수치해석기법을 사용한 RC슬래브와 연성충격체의 충돌시뮬레이션 수행시 결과에 영향을 미칠 수 있는 영향인자들에 대한 변수연구를 수행하여 각 인자들이 해석결과에 미치는 영향을 고찰하였다. 수치시뮬레이션은 1970~1980년대에 독일에서 원자력발전소의 항공기충돌 설계와 관련하여 수행한 다수의 시험 중 하나인 Meppen test에 대하여 수행하였으며, 총 21case의 실험 중 II/4 실험의 경우를 대상으로 하였다. 수치해석에 사용한 software는 LSTC사의 LS-DYNA이며, 변수연구에서 고려한 인자로는 콘크리트와 강재의 재료모델, strain rate 효과, 지점조건의 모델링 방법 등이다. 이러한 인자들에 대한 적절한 고려를 통해 보다 정확한 시뮬레이션 결과를 얻을 수 있으며, 특히 콘크리트 재료모델의 경우 해석결과에 미치는 영향이 가장 크므로 각 모델별 특징을 사전에 인지하고 해석케이스에 적절한 재료모델을 선택하는 것이 중요할 것으로 판단된다. This study investigates influencing factors on numerical crash simulation between RC slab and soft projectile using explicit dynamic method. Considered experimental test is the MEPPEN II/4 test, which has been conducted at the end of the years 70' in Germany as one of the numerous experimental test related to design of nuclear power plants. LS-DYNA software is adopted for numerical study, and influencing factors such as constitutive model of concrete, strain rate effect of steel and concrete, support modeling method, etc. are investigated. More reasonable simulation results can be achieved through appropriate consideration of these factors, especially of constitutive model of concrete material since this factor affects most among the investigated factors.

프리스트레스트 강합성 거더의 모달테스트 및 이동 열차하중 해석에 의한 동적거동

김성일,이필구,이정휘,여인호,Kim, Sung Il,Lee, Pil Goo,Lee, Jung Whee,Yeo, In Ho 한국강구조학회 2006 韓國鋼構造學會 論文集 Vol.18 No.6

구조적 경제적 효율성을 갖춘 다양한 형태의 철도교량이 중소경간 적용을 위해 개발되고 있다. PSC 거더의 긴장방법 차이에 따른 단면효율화, 허용응력이 서로 다른 강재와 콘크리트를 효율적으로 합성시킨 형태의 교량 들이 개발되고 있으며, 본 연구에서 다루는 프리스트레스트 강합성 거더도 그 중 한 예이다. 프리스트레스트 강합성 거더 교량은 구조적 개념에 따라 형고 및 자중을 줄이고 경간을 장대화할 수 있는 장점을 갖고 있다. 그러나, 이와 같은 장대화된 보다 유연한 교량은 상대적으로 동적거동이 불리 할 수 있으며, 특히 철도교량의 경우 일정간격으로 반복되는 열차하중에 대한 공진 검토가 필수적이며, 동적응답의 검토 시 정확한 동특성 입력은 매우 중요하다. 본 연구에서는 정확한 고유진동수 및 감쇠비 추출을 위하여 실물 모형을 제작하여 모달테스트를 수행하였다. 모달테스트를 위한 가진방법으로 기존의 충격햄머와 디지털 콘트롤에 의한 가진기를 사용하였으며, 구조물 손상 후 동특성 변화 고찰을 위한 모달테스트도 수행하였다. 모달테스트 결과에 의한 동특성 값을 주행열차하중 해석에 적용하여 다양한 매개변수연구를 통한 철도교량 동적거동을 분석하였다. 동적처짐, 충격계수, 상판의 연직가속도, 단부꺾임각 등에 대하여 열차별, 속도별 동적해석을 수행하여 국내외 철도교량 동적성능 평가기준과 비교하였다. Various PSC and steel-concrete composite railway bridges are being developed for short-medium spans with structural and economic efficiency. According to the design concept, the prestressed composite girder bridge has the advantages of being lightweight and having low girder depth, with the capacity for long spans. However, the dynamic behavior under a passing train is one of the critical issues concerning these railway bridges designed with more flexibility. Therefore, it is very important to evaluate the modal parameters before performing dynamic analyses. In this paper, real-scale prestressed composite girders were fabricated as a test model and modal testing was carried out to evaluate modal parameters including natural frequency and modal damping ratio. During the modal testing, a digitally controlled vibration exciter as well as an impact hammer was applied to obtain frequency-response functions, and the modal parameters were also evaluated after the fracture of test models. With application of reliable properties from modal tests, the estimation of dynamic performances of prestressed composite girder railway bridges can be obtained from various parametric studies on dynamic behavior under the passage of a moving train.

현장타설 캔틸레버 교량의 시공중계측

윤자걸(Yoon Jah-Geol),이정휘(Lee Jung-Whee),장승필(Chang Sung-Pil),김병국(Kim Byoung-Kuk) 대한토목학회 2000 대한토목학회 학술발표회 논문집 Vol.2000 No.1

폭발하중을 받는 파형강판구조물의 토피고 영향에 관한 해석적 연구

음자영(Eum Ja Yeong),이정휘(Lee Jung Whee),한종욱(Han Jong Wook),박영석(Park Young Suk) 대한토목학회 2010 대한토목학회 학술대회 Vol.2010 No.10

충격하중이 작용하는 RC 슬래브의 국부손상 산정식에 대한 고찰

정철헌(Chung Chul-Hun),최현(Choi Hyun),이정휘(Lee Jung Whee),최강룡(Choi Kang Ryong) 대한토목학회 2010 대한토목학회논문집 A Vol.30 No.6A

원자력발전소의 안전 관련 콘크리트 구조물은 비행체의 충격에 대해 안전하게 설계하는데, 충격하중에 의한 스캐빙과 관통을 방지하기 위한 벽체 두께는 경험적 공식에 의해서 결정한다. 이 연구는 관입 및 스캐빙 깊이와 관통두께를 결정하는 기존에 제안된 국부손상 효과 산정식을 기존 실험결과와 비교 검증하는데 목적이 있다. 충격체의 충돌속도가 95~215㎧인 범위에서 충돌실험을 수행한 Kojima의 충돌실험체에 대한 충돌해석을 수행한 후, 실험 및 해석결과의 비교를 통해서 해석모댈 및 해석방법의 적정성을 확인하였다. 국부손상 산정식 비교분석에서 실험결과와 잘 맞는 Degen식을 통해 산정된 관통두께가 반영된 RC 슬래브에 대한 충돌해석을 수행한 후, 국부손상 산정식과 해석결과를 비교분석하였다. Safety-related concrete structures in a nuclear power plant must be protected against the impact of flying objects, referred to in the profession as missiles. In practice, the structural verification is usually carried out by means of empirical formulas, which relate the velocity of the impinging missile to the wall thickness needed to prevent scabbing or perforation. The purpose of this study is to reevaluate the predictability of the local effect prediction formulas for the penetration and scabbing depths and perforation thickness. Therefore, available formulas for predicting the penetration depth, scabbing thickness, and perforation thickness of concrete structures impacted by solid missiles are summarized, reviewed, and compared. A series of impact analyses is performed to predict the local effects of the projectile at impact velocities varing from 95 to 215㎧. The results obtained from the numerical simulations have been compared with tests that were carried out at Kojima to validate numerical modelling. The simulation results show reasonable agreement with the Kojima test results for the overall impact response of the RC slabs. From these results, it seems that the Degen equation give a very good estimate of perforation thickness against a tornado projectile for test data. Finally, the results obtained from the impact analysis have been compared with Degen formula to deter the perforation thickness of the RC slab.