광섬유 브래그 격자 센서를 이용한 보 구조물의 3차원 형상 추정

이진혁(Jin-Hyuk Lee),김헌영(Heon-Young Kim),김대현(Dae-Hyun Kim) 대한기계학회 2015 大韓機械學會論文集A Vol.39 No.3

교량이나 배관과 같이 긴 길이의 구조물은 처짐 및 변형이 발생하기 쉽다. 이러한 구조물의 건전성 감시를 위해서는 국부적인 물리량 측정뿐만 아니라 전체의 형상 감시가 필요하다. 광섬유 브래그 격자(Fiber Bragg Grating; FBG) 센서는 광섬유에 다수의 센서 적용이 가능하여 대형 구조물 감시에 효과적이다. 본 연구에서는 FBG를 이용하여 구조물의 다점에서 변형률을 측정하고, 이를 바탕으로 구조물 전체의 형상 추정을 위한 연구를 수행하였다. 구조물의 정확한 감시가 가능하도록 3차원의 형상 추정을 연구하고 실험적 검증을 수행하였다. 실험 결과 구조물의 변형에 따른 형상 변화의 추정이 가능함을 확인하였고, 추가로 특정 위치에서의 처짐량을 실제 마이크로미터로 측정한 값과 예측된 값을 비교하여 검증하였다. Deflection and deformation occur easily in structures with long length, such as bridges and pipelines. Shape monitoring is required for ensuring their structural health. A fiber Bragg grating (FBG) sensor can be used for monitoring a large-scale structure because of its advantage of multiplexing. In this study, FBG sensors were used for monitoring a composite beam structure, and its strains were measured at multiple points. Thereafter, a shape estimation technique based on the strains was studied. Particularly, a three-dimensional shape estimation technique was proposed for accurate structural health monitoring. A simple experiment was conducted to verify the performance of the shape estimation technique. The result revealed that the estimated shape of the composite beam structure was in agreement with the actual shape obtained after the deformation of the specimen. Additionally, the deflection at a specific point was verified by comparing the estimated and actual deformations measured using a micrometer.

보증된 축소 기저법을 이용한 불확실성을 영향에서 빔 구조물의 온전성 평가

이경훈 한국항공우주학회 2014 한국항공우주학회 학술발표회 논문집 Vol.2014 No.11

일반적으로 구조물 온정성 평가는 센서로 측정된 구조물의 응답을 기반으로 추정한 재료의 물성값을 분석하여 이루어지게 된다. 하지만 구조물 운용조건의 불확실성으로 인해 물성값의 추정결과가 실제 구조물의 특성을 정확히 대변하지 못하는 경우가 있다. 본 연구는 이러한 불확실성의 영향에서도 신뢰할 수 있는 구조물 온정성 평가를 위하여 구조물 재료 물성값 및 운용조건을 함께 추정하고 이를 기반으로 계산된 구조물 응답 특성을 이용하는 방법을 제안한다. 본 연구가 제안하는 구조물 온정성 평가 기법은 베이지안 통계 추정법에 기초하고 있으며 통계적 추론 과정의 정확성 및 효율성을 위해 보증된 축소 기저법을 이용하여 구조물의 거동을 예측한다. 빔 구조물을 이용한 비교 연구에 따르면 기존의 추정된 재료 물성값을 이용한 방법에 비해 구조물 응답 특성을 이용한 온정성 평가 방법은 구조물 운용조건의 불확실성에도 구조물의 손상 여부를 잘 판별할 수 있다. Typically material property estimates are used for structural integrity assessment, but they may result in unreliable assessment due to uncertainty in reality. Instead of using material property estimates, we propose to utilize response predictions obtained by propagating estimates of structural system parameters into simulation. The proposed strategy relies on Bayesian statistical inference to take account of uncertainties in sensor measurements as well as simulation model error. For computational efficiency we employ certified basis methods that are capable of rapid yet rigorous simulation. We demonstrate the utility of the proposed strategy with a beam for fictitious damage cases.

구조물 건전성 감시를 위한 시간반전 능동감지기법

박현우(Park Hyun-Woo),김승범(Kim Seung-Bum),손훈(Sohn Hoon) 한국구조물진단유지관리학회 2005 한국구조물진단학회 학술발표회논문집 Vol.9 No.2

판에서의 구조물 건전성 감시를 위한 시간반전 능동센싱을 소개한다. 이 시간반전 능동센싱은 현대음향학의 시간반전기법을 근간으로 하고 있다. 시간반전 음향학에 따르면 가진점에서 입사된 입력신호에 대응되는 다른지점의 응답신호를 시간영역에서 반전시킨 후 재입사시키면 가진점에서 원래 입사시킨 입력파를 복원할 수 있다. 이 연구에서는 수치모사 및 실험을 통해 판구조물에서 발생하는 램파의 시간반전성을 이해하고, 시간반전성을 판구조물의 손상진단에 적용할 수 있는지 고찰하였다. Time reversal active sensing is introduced for structural health monitoring (SHM) of a plate. The key idea of this time reversal active sensing is originated from time reversal method of time reversal acoustics. According to the time reversal acoustics, an input signal can be reconstructed at an excitation point if an response signal recorded at another point is reversed in a time domain and emitted back to the original source point. In this study, numerical simulations and experimental studies are conducted to understand the time reversibility of Lamb waves and investigate the applicability of this time reversibility to detecting damage of a plate.

구조물의 안전성 모니터링을 위한 통계/확률기반 적응형 임계치 설정 알고리즘 개발

김태헌,박기태 한국구조물진단유지관리공학회 2016 한국구조물진단유지관리공학회 논문집 Vol.20 No.4

Recently, buildings tend to be large size, complex shape and functional. As the size of buildings is becoming massive, the need for structural health monitoring(SHM) technique is ever-increasing. Various SHM techniques have been studied for buildings which have different dynamic characteristics and are influenced by various external loads. Generally, the visual inspection and non-destructive test for an accessible point of structures are performed by experts. But nowadays, the system is required which is online measurement and detect risk elements automatically without blind spots on structures. In this study, in order to consider the response of non-linear structures, proposed a signal feature extraction and the adaptive threshold setting algorithm utilized to determine the abnormal behavior by using statistical methods such as control chart, root mean square deviation, generalized extremely distribution. And the performance of that was validated by using the acceleration response of structures during earthquakes measuring system of forced vibration tests and actual operation. 최근의 건축물은 복합적인 기능과 형태를 보이고 있으며, 크기가 거대해짐에 따라 구조물 건전성 감시(Structural Health Monitoring)기술의 수요 또한 증가하고 있다. 구조물마다 고유한 동특성을 가지고 있으며, 다양한 외력의 영향을 받기 때문에 구조물의 건전성을 평가하는 다양한 방법들이 연구되고 있다. 전문가에 의지하여 접근 가능한 지점에 대한 육안 검사 및 비파괴 검사를 벗어나 사각지대가 없는 온라인 계측 시스템의 구비와 함께 자동으로 위험요소를 검출하는 시스템이 요구되고 있다. 본 연구에서는 비선형적인 구조물의 응답을 고려하기 위해 관리도 기법, 평균제곱근편차, 일반 극치 분포 등과 같은 통계적 기법을 이용하여 이상거동을 판별에 활용할 수 있는 신호 특징 추출과 적응형 임계치 설정 알고리즘을 제안하였으며, 강제진동 실험과 실제 운용중에 있는 구조물의 지진 계측 시스템의 가속도 응답을 이용하여 성능을 검증하였다.

HHT를 이용한 이상거동 시점 추정 기법 개발

김태헌,박기태 한국구조물진단유지관리공학회 2015 한국구조물진단유지관리공학회 논문집 Vol.19 No.2

Recently, buildings tend to be large size, complex shape and functional. As the size of buildings is becoming massive, the need for structural health monitoring (SHM) technique is increasing. Various SHM techniques have been studied for buildings which have different dynamic characteristics and influenced by various external loads. “Abnormal behavior point” is a moment when the structure starts vibrating abnormally and this can be detected by comparing between before and after abnormal behavior point. In other words, anomalous behavior is a sign of damage on structures and estimating the abnormal behavior point can be directly related to the safety of structure. Abnormal behavior causes damage on structures and this leads to enormous economic damage as well as damage for humans. This study proposes an estimating technique to find abnormal behavior point using Hilber-Huang Transform which is a time-frequency signal analysis technique and the proposed algorithm has been examined through laboratory tests with a bridge model using a shaking table. 최근의 건축물은 복합적인 기능과 형태를 보이고 있으며, 크기가 거대해짐에 따라 구조물 건전성 감시 (Structural Health Monitoring)기술의 수요 또한 증가하고 있다. 구조물마다 고유한 동특성을 가지고 있으며, 다양한 외력의 영향을 받기 때문에 구조물의 건전성을 평가하는 다양한 방법들이 연구되고 있다. 이상거동 시점이란 구조물이 비정상적 (Abnormal)으로 진동하는 시점으로 손상을 명확히 검출하기 위해서는 이상거동의 시점을 기준으로 전과 후를 비교하여야 한다. 즉, 이상거동은 구조물 손상의 이상 징후이며, 정확한 이상거동 시점의 추정은 구조물의 안전과 직결될 수 있다. 이상 거동은 손상을 유발하고 이는 곧 막대한 경제적 피해 및 심각한 인명 피해로 이어지므로 본 연구에서는 시간-주파수 신호분석 기법인 힐버트-황 변환을 이용한 이상거동 시점 추정 기법을 제안하고 진동대를 이용한 모형실험을 통해 제안한 알고리즘의 검증을 수행하였다.

구조물 건전성 감시를 위한 시간반전 능동감지기법

박현우 ( Park Hyun-woo ),김승범 ( Kim Seung-bum ),손훈 ( Sohn Hoon ) 한국구조물진단유지관리공학회 2005 한국구조물진단유지관리공학회 학술발표대회 논문집 Vol.9 No.2

판에서의 구조물 건전성 감시를 위한 시간반전 능동센싱을 소개한다. 이 시간반전 능동센싱은 현대음향학의 시간반전기법을 근간으로 하고 있다. 시간반전 음향학에 따르면 가진점에서 입사된 입력신호에 대응되는 다른지점의 응답신호를 시간영역에서 반전시킨 후 재입사시키면 가진점에서 원래 입사시킨 입력파를 복원할 수 있다. 이 연구에서는 수치모사 및 실험을 통해 판구조물에서 발생하는 램파의 시간반전성을 이해하고, 시간반전성을 판구조물의 손상진단에 적용할 수 있는지 고찰하였다. Time reversal active sensing is introduced for structural health monitoring (SHM) of a plate. The key idea of this time reversal active sensing is originated from time reversal method of time reversal acoustics. According to the time reversal acoustics, an input signal can be reconstructed at an excitation point if an response signal recorded at another point is reversed in a time domain and emitted back to the original source point. In this study, numerical simulations and experimental studies are conducted to understand the time reversibility of Lamb waves and investigate the applicability of this time reversibility to detecting damage of a plate.

SH-EMAT의 신호 수신을 위한 광섬유 패브리-페롯 간섭계 센서의 적용

이진혁(Jin-Hyuk Lee),김대현(Dae-Hyun Kim),박익근(Ik-Keun Park) 한국비파괴검사학회 2014 한국비파괴검사학회지 Vol.34 No.2

수평횡파(SH-wave)는 배관과 같은 박판 구조물에서 판파 모드로 전파하고 분산성이 단순하여 구조물의 건전성 평가에 유용하다. 전자기초음파탐촉자(EMAT)는 비접촉식으로 자석과 코일 배열을 조절하여 수평횡파를 발생하기 용이하다. 따라서 수평횡파 전자기초음파탐촉자(SH-EMAT)를 이용한 자동화 검사 시스템은 박판 구조물 건전성 감시에 매우 유용하다. 하지만 발전설비 또는 자동화 장비 등에서는 전자기노이즈가 상당히 많이 발생하고 EMAT 수신 센서는 전자기노이즈에 취약한 면이 있다. 광섬유 센서는 빛을 이용하여 전자기노이즈 환경에서 매우 유용하게 활용될 수 있다. 본 연구에서는 이러한 환경적 제약을 고려하여 광섬유패브리-페롯 간섭계(FFPI)를 SH-EMAT으로 발생되는 초음파의 수신용 센서로 제안하였다. 평판시험편에서 SH-EMAT의 신호를 FFPI 센서를 이용하여 수신하고 이 신호에 대한 분석을 하였다. 제안된 FFPI 센서가 EMAT으로 가진된 SH wave의 신호를 명료하게 수신할 수 있음을 확인하였다. Shear horizontal (SH) waves propagate as a type of plate wave in a thin sheet. The dispersion characteristics of SH waves can be used for signal analysis. Therefore, SH-waves are useful for monitoring the structural health of a thin-sheet-structure. An electromagnetic acoustic transducer (EMAT), which is a non-contact ultrasonic transducer, can generate SH-waves easily by varying the shape and array of magnets and coils. Therefore, an EMAT can be applied to an automated ultrasonic testing system for structural health monitoring. When used as a sensor, however, the EMAT has a weakness in that electromagnetic interference (EMI) noise can occur easily in the automated system because of motors and electric devices. Alternatively, a fiber optic sensor works well in the same environment with EMI noise because it uses a light signal instead of an electric signal. In this paper, a fiber Fabry-Perot interferometer (FFPI) was proposed as a sensor to receive the SH-waves generated by an EMAT. A simple test was performed to verify the performance of the FFPI sensor. It is thus shown that the FFPI can receive SH-wave signals clearly.

원자로용기 감시시편함 지지구조물의 구조건전성 평가

김태순(Taesoon Kim),이도환(Dohwan Lee) 대한기계학회 2020 대한기계학회 춘추학술대회 Vol.2020 No.7

〈논문〉 구조물 건전성 감시용 생체모방형 탄소나노튜브 인공 뉴런

강인필(Inpil Kang) 대한기계학회 2008 대한기계학회 춘추학술대회 Vol.2008 No.5

This paper introduces a new continuous sensor for Structural Health Monitoring (SHM). Made of carbon nanotube smart composites, the sensor can be fabricated to a thin and flexible narrow polymer film sensor that can be easily embedded onto a structure. This long and flexible sensor can be distributed to the structure like a neuron in human body. The electrochemical impedance (resistance and capacitance) of the neuron changes due to deterioration of the structure where the neuron is located. A network of the long carbon nanotube neurons can form a structural Artificial Neural System (ANS) to provide large area coverage and an assurance of the operational health of a structure without the need for actuators and complex wave propagation analyses that are used with other SHM methods. The ANS can also reduce the cost of health monitoring by using biomimetic signal processing to minimize the number of channels of data acquisition needed to detect damage. The carbon nanotube neuron is lightweight and easily applied to the structural surface, and there is no stress concentration, no piezoelectrics, no amplifier, and no storage of high frequency waveforms. The carbon nanotube neuron is expected to find applications in detecting damage and corrosion in large complex structures including composite and metallic aircraft and rotorcraft, bridges, and almost any type of structure with almost no penalty to the structure.

강 구조물 접합부의 건전성 감시를 위한 램 웨이브와 확률 신경망의 적용

박승희(Park, Seung-Hee),이종재(Lee, Jong-Jae),윤정방(Yun, Chung-Bang),노용래(Roh, Yongrae) 한국소음진동공학회 2005 한국소음진동공학회 논문집 Vol.15 No.1

This study presents the NDE (non-destructive evaluation) technique for detecting the loosened bolts on joint steel structures on the basis of TOF (time of flight) and amplitudes of Lamb waves. Probabilistic neural network (PNN) technique which is an effective tool for pattern classification problem was applied to the damage estimation using PZT induced Lamb waves. Two kinds of damages were introduced by dominant damages (DD) which mean loosened bolts within the Lamb waves beam width and minor damages (MD) which mean loosened bolts out of the Lamb waves beam width. They were investigated for the establishment of the optimal decision boundaries which divide each damage class's region including the intact class. In this study, the applicability of the probabilistic neural networks was identified through the test results for the damage cases within and out of wave beam path. It has been found that the present methods are very efficient and reasonable in predicting the loosened bolts on the joint steel structures probabilistically.