무선 계측 시스템을 이용한 교량구조물의 동특성분석 = Dynamic Analysis of Bridge Structure Using Wireless Measurement System

국문 초록 (Abstract)

본 논문에서는 현재 활발히 연구 중에 있는 무선 계측 시스템을 이용하여 구조물의 동특성분석을 하고자하였다. 먼저 무선계측 센서 및 블루투스 모듈의 성능평가를 통하여 획득한 무선 계측 데이터의 신뢰성을 평가하였고 단순 구조물 실험을 수행하여 무선계측 시스템의 성능을 검증하였다. 최종적으로 현장실험을 통하여 공용중인 강 박스형 교량의 동특성분석을 수행하였고 그 결과는 다음과 같다.

1. 먼저, 무선계측 센서와 블루투스 모듈의 성능평가를 통해 현재 구성된 무선 통신 안테나의 계측 데이터의 손실이 없는 최대 통신거리를 판단할 수 있었다. 통신거리가 멀어질수록 데이터의 손실이 많아지는 것을 알 수 있었으며 높은 주파수 대역에서는 통신 가능한 거리가 늘어나는 것을 알 수 있었다. 따라서 구성된 무선계측 시스템의 통신 최적 거리는 300M내․외로 판단하였다. 다음으로 구조물의 특성상 센서장치와 송수신 장치사이에 장애물 없이 설치하기 어려운 관계로 실 구조물의 송수신 위치 실험을 수행하여 장애물이 있을 경우의 통신 상태를 실험하였다. 그 결과는 센서와 수신부가 교량 외부나 내부 중에 동일한 지역에 위치할 경우에는 데이터 송수신이 양호한 것으로 나타났으며, 위치가 다른 경우에는 데이터 송수신이 불가능한 것으로 확인이 되었다. 또한 무선 센서의 성능을 평가하여 데이터의 품질 및 주파수 응답 성능실험을 하였고 분석결과 30Hz이하 주파수 대역에서는 유선 시스템과 유사하게 나타났으나 30Hz이상 주파수 대역에서는 30%이상의 차이를 보이며 무선 시스템의 성능이 현저하게 낮아지는 것을 알 수 있었다.

2. 다음으로 단순한 구조물인 캔틸레버보 실험을 통하여 무선 계측 시스템의 성능을 팡가하고자 하였다. 그 결과 무선계측 시스템을 유선 계측 시스템과 수계산 값, FE해석 값과 비교하여 유선 계측 값과는 4.5%, 수계산 값과는 2.72% 그리고 FE해석 값과는 6.79%의 오차가 발생함으로서 무선계측 데이터의 성능이 유선계측 시스템과 비교하여 떨어지지 않는 것을 검증하였다.

3. 최종적으로 무선 계측 시스템을 공용중인 강박스 교량에 적용하여 현장 적용 가능성을 판단하였다. 이 실험 또한 유선 계측 시스템과 비교를 하기위해 유․무선 센서를 동일한 위치에 설치하였으며 실 구조물의 FE해석을 병행하였다. 그 결과 유선 계측 시스템과는 3.3%의 오차가 FE해석 값과는 9%의 오차가 발생하였다. FE해석 값과의 오차가 크게 나타난 것은 모델링을 함에 있어서의 계산상의 오차가 발생한 것으로 판단되었다. 그러나 현재 상용화되어 사용중에 있는 유선 계측 시스템과의 오차가 미소함으로 무선 계측 시스템의 현장 적용 가능성을 판단할 수 있었다.

본 실험을 수행하면서 현재 구성된 무선 계측 시스템에 많은 문제점들을 발견할 수 있었다. 그 중에 전원 공급의 문제점과 송수신 거리의 확대 방안이 가장 먼저 고려되어야 할 과제이고 현재 이와 같은 문제점을 해결하기 위해 많은 연구가 진행되고 있으며 보다 효율적이고 실용적으로 실 구조물에 적용시킬 수 있는 더욱 발전된 무선 계측 시스템의 구축방안이 나올 것으로 판단된다.