삼차 평활스플라인을 이용한 영상기반 응력평가모델 제안

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

Recently, natural calamities such as earthquake, typhoon, or tsunami have caused great damage or loss of life all over the world. Moreover, the trend of making high-rise, mega, and nonstereotyped buildings has made the construction highly challenging. Those are undefined risks which can generate unexpected load on buildings, which can inflict huge losses of both life and property. Therefore, to prepare for those uncertainties, the structural health monitoring study has been carried. The study is about monitoring the safety of building structure in advance to predict and make provision for the possibility of sudden hazard occurrence.
The core of structural stability evaluation through structural health monitoring is to assess the stress distribution and maximum stress that are generated on the structure by measuring structural response. To do this, various models of stress estimation have been developed. However, the former models demonstrate the limitations of applicability to the real structure: the restriction of models about the load shape on the structure and the assumption of idealized support condition of the structure. Especially, since the wire patch type sensor is usually used, the maintenance on the construction site is difficult. It is because the construction site needs complex installation which involves intricate cable connections between monitoring structure and data gathering system, and it also has a great deal of variability.
To overcome these listed limitations, this study suggests a new stress estimation model, which uses vision-based monitoring equipment and numerical curve fitting method. This proposed stress estimation model measures the displacement of the structure through vision-based monitoring and evaluates the deformed shape by applying cubic smoothing spline, the numerical curve fitting method. After that, the radius of curvature is calculated in compact interval by using numerical differentiation, and from this, the stress distribution and the maximum stress on the structure are evaluated.
To evaluate the applicability of a proposed model, a steel beam experiment and a Rahmen type steel-frame simulation and experiment have been conducted. Also, the comparison between the stress evaluated through this model and the stress calculated through strain sensor measurement has done. From this, it has been verified that the stress estimation within the range of having applicability is feasible. The result is that, as this stress estimation model employs vision-based monitoring, it does not involve complex cable connection between the structure and the data-collecting device, and as this stress estimation model assesses the stress by using radius curvature of deformed shape estimated from displacement information, it does not require data input of load and support conditions in case of applying to a simple structure. However, if the structure is Rahmen type steel-frame consisting rigid link, a separate process is employed to examine the influence of the rigid link in the course of estimating the deformed shape. That is, this model contains limitations in case of applying to a complex structure which requires data input of load and support conditions. Further studies are needed in order to follow up this study.

국문 초록 (Abstract)

최근 전 세계적으로 지진·태풍·해일과 같은 자연재해의 발생빈도와 위력이 증가하고 있으며, 건물의 고층화·대형화·비정형화로 인해 시공난이도 또한 증가하고 있다. 이들은 모두 설계단계에서는 예상하지 못했던 하중이 건축구조물에 발생 가능하게 하는 위험요소로서, 큰 인명 및 재산 피해를 유발할 수 있으므로, 이에 대한 대비가 필요하다. 따라서 사전에 건축구조물의 안전성을 평가하여 갑작스러운 사고의 발생가능여부를 예측하고 대비하기 위한 구조건전도 모니터링 연구가 수행되어 왔다.
구조건전도 모니터링을 통한 구조물 안전성평가의 핵심은 구조반응 계측을 통해 구조물에 발생한 응력의 분포와 최대응력을 평가하는 것이다. 이를 위해 다양한 응력평가모델들이 개발되어 왔으나, 기존의 모델들은 구조물에 가해지는 하중의 형상을 몇 가지로 제한하거나, 구조물의 지점조건을 이상화하여 고려해야 하는 등, 실제 구조물에 대한 적용성 면에서는 한계를 가져왔다. 특히 대부분 유선부착식센서를 사용하기 때문에, 모니터링 대상구조물과 데이터수집장치 사이에 복잡한 유선연결을 수반하여 설치가 복잡하고 가변성이 큰 건설현장에서는 유지관리가 어려웠다.
이러한 한계를 개선하고자, 본 논문에서는 영상기반 모니터링 장비와 수치해석적 곡선맞춤기법을 이용하는 새로운 응력평가모델을 제안한다. 제안된 응력평가모델은 영상기반 모니터링을 통해 구조물의 변위를 계측하고, 수치해석적 곡선맞춤기법인 삼차 평활스플라인을 적용하여 구조물의 변형형상을 구한다. 이후 수치미분법을 이용하여 구조물 전체에 걸쳐 조밀한 간격으로 곡률반경을 구하고, 이로부터 구조물에 발생한 응력의 분포 및 최대응력을 평가한다.
제안된 응력평가 모델의 적용성 평가를 위해, 철골보 실험과, 라멘형 철골조 시뮬레이션 및 실험을 수행하였으며, 본 모델을 통해 평가한 응력과 변형률센서 계측값으로부터 계산된 응력을 비교하였다. 이로부터 적용성을 갖는 범위 내에서 응력평가가 가능함을 확인하였다. 적용결과, 제안된 응력평가 모델은 영상기반 모니터링 시스템을 사용하기 때문에 대상 구조물과 데이터 수집장치 사이에 복잡한 유선연결을 수반하지 않았으며, 변위정보로부터 추정되는 변형형상의 곡률반경을 이용하여 응력을 평가하기 때문에 단순한 구조물에 적용할 경우에는 하중 및 지점조건의 입력을 요구하지 않았다. 하지만 대상 구조물이 강체링크를 갖는 라멘형 철골조인 경우에는 변형형상 추정과정에서 강체링크의 영향을 고려하기 위한 별도의 과정이 필요하였다. 즉, 복잡한 구조물에 적용할 경우에는 하중 및 지점조건의 직·간접적 입력이 필요하였으므로 한계를 가졌다. 이에 대해서는 추가연구를 통한 개선이 필요하다.