노후 구조물의 동적 특성 평가를 위해 대표적인 접촉식 센서인 LVDT와 가속도계를 활용한다. 전통 적인 센서의 데이터 신뢰성은 높지만, 작동 원리로 인하여 대상 구조물의 물리적 접근과 센서의 설치 가 필요하다. 조밀한 센서 설치를 위해선 많은 수의 센서와 데이터 수집장치도 추가적으로 필요하다. 이런 단점을 보완하고자 비접촉식 센서의 개발이 활발히 진행 중이며, 특히 비전센서를 활용한 동적 변위 측정에 관한 연구 및 개발에 많은 진척이 있다. 비전센서를 활용한 동적 변위 측정 시스템은 내 적 파라미터 및 외적 환경조건에 따라 측정 정확도가 크게 변화한다. 주된 내적 파라미터로 영상장비 의 공간분해능은 이미지 센서의 물리적 크리와 촬영거리의 증가 혹은 관심영역이 작아짐에 따라 영향 을 많이 받는다. 외적 환경조건으로 저조도 환경에서 타겟의 밝기차이가 줄어들어 이미지 프로세싱 과 정에서 불리한 조건이며, 이는 동적 변위 측정 정확도 저하로 이어진다. 본 연구에서 저조도 환경에서 비전센서의 운용거리 한계를 초해상화를 적용하여 극복하고자 하며, 인공적 및 자연적 타겟에 대한 동 적 변위 측정 성능을 비교 분석하였다. 동적 변위 측정 실내 실험을 위해 저조도 조건에서 3층 전단 구조물을 9Hz로 가진하였다. 동시에 Sony사의 DSC-100M7 카메라를 활용하여 조화진동으로 인해 발생되는 각층의 변위를 FHD화질 120FPS로 촬영하였고 측정 정확도 비교 분석을 각층의 LVDT 측 정값으로 진행하였다. 촬영거리를 10m를 기준으로 10m씩 증가하면서 최대 40m까지 변위 값을 측정 하였으며, 공간분해능 증가를 위해 GAN기반 초해상화 모델인 RealSR을 적용시켰다. 초해상화를 활용 하여 동적변위를 측정한 결과 저조도 환경에서도 비전센서의 운용 거리가 증가함을 확인할 수 있었으 며, 동시에 변위 측정 정확도도 함께 상승하는 것을 보여줬다.

본 연구에서는 무인항공기인 드론을 활용한 VDMS(Vision-based Displacement Measurement System)를 통해 동적변위계측 정 확도와 동특성 추정 신뢰성 검증을 위한 동적실험을 실시하였다. 비행하는 드론의 이동 및 회전진동을 보정하기 위해 영상 내부의 변 위가 발생하지 않는 고정점을 활용한 보정밥법을 사용하였으며, 검증을 위해 설치한 범용 센서인 LVDT와 LDS의 변위계측 결과와 비 교하여 그 오차를 시간영역과 진동수영역에서 분석하였다. 3가지 타입의 장비 모두 최대 변위 도달 및 주기 운동 계측에 있어서 대체 적으로 유사한 결과를 나타내었다. LDS 기준의 오차 분석 결과, 드론과 LVDT는 가진 진동수 변화에 의한 오차 값은 미비하나, 최대 발생 변위가 작을수록 오차 값은 증가하였다.

본 논문에서는 이단계 칼만필터를 활용한 구조물의 3 자유도 동적변위 계측 시스템을 소개한다. 개발 시스템은 센서 모듈, 베이스 모듈, 컴퓨테이션 모듈로 구성되어 있다. 센서 모듈은 100Hz 샘플주파수의 고정밀 가속도를 계측하는 포스피드백 가 속도계와 10Hz의 샘플주파수의 저정밀도의 속도, 변위를 계측하는 저가의 RTK-GNSS로 구성되어 있다. 계측된 데이터는 LAN 케이블을 통하여 컴퓨테이션 모듈로 전송되고, 컴퓨테이션 모듈에서 이단계 칼만필터를 활용하여 100Hz 샘플주파수의 고정밀 변위를 실시간으로 산정한다. 개발 시스템의 변위 계측 정밀도를 검증하기 위해 미국, 캘리포니아에 위치한 San Francisco-Oaklmand Bay bridge 에서 현장 실험을 수행하였으며, 실험 결과 1.68mm RMS 오차를 보임을 확인하였다.

본 연구에서는 보다 넓은 범위에서 영상기반 변위계측 시스템의 동특성 추정 신뢰성을 확보하기 위해 Shaking Table을 이용해 넓은 대역의 진동수와 진동수별 다양한 진폭에 대한 Sine Wave 동적실험을 실시하였다. 영상기반 변위계측을 위해 DDVS(Dynamic Displacement Vision System) 기법을 활용하였으며, DDVS 기법을 통해 구한 동적변위는 기존의 접촉·비접촉식 센서인 LVDT(Wire Type, Pole Type)과 LDS의 변위계측 결과와 비교하여 그 오차를 분석하였다. 구해진 동적변위를 FFT하여 진동수 영역에서의 정확도 비교도 함께 수행하였다. 4가지 타입의 계측센서 모두 동적변위계측 결과 최대 변위 도달 및 주기 운동 계측에 있어 대체적으로 유사한 결과를 나타냈으며, 특히 영상기반의 DDVS 기법과 LDS를 통한 계측 결과는 높은 상호 일치성을 보였다. LDS와의 비교를 통한 오차분석 결과, DDVS 기법에 의한 동적변위 계측의 정확도는 계측 대상의 진동수에 영향을 받는다고 판단되었다. 동일 가진 진동수 내에서 가해준 변위 변화에 의한 오차는 미미하였으나, 동일 발생 변위에서는 가진 진동수가 커질수록 오차 값이 증가하였다. 기존 센서인 LVDT 경우, 발생 변위가 작을 때 상대적으로 큰 오차를 나타냈으며, 이를 통해 진동계측과 같은 작은 동적변위의 계측에 한계가 존재한다고 판단된다.

The paper presents a new short-term dynamic displacement estimation method based on an acceleration and a geophone sensor. The proposed method combines acceleration and velocity measurements through a real time data fusion algorithm based on Kalman filter. The proposed method can estimate the displacement of a structure without displacement sensors, which is typically difficult to be applied to earthquake or fire sites due to their requirement of a fixed rigid support. The proposed method double-integrates the acceleration measurement recursively, and corrects an accumulated integration error based on the velocity measurement, The performance of the proposed method was verified by a lab-scale test, in which displacement estimated by the proposed method are compared to a reference displacement measured by laser doppler vibrometer (LDV).

최근 대형구조물의 유지관리에 대한 관심이 커지고 있으며 자연재해, 구조물의 노후 등으로 구조적 안전성의 검토가 요구되는 대형구조물의 수가 급증하고 있는 실정이다. 실제 사용하고 있는 구조물의 구조적 특성은 최초 설계 당시의 특성과 차이점을 보이는 것이 일반적이며 부재의 균열 및 구조물의 노후화 등으로 인한 강성저하에 의하여 구조물의 동특성에 변화가 나타날 수 있다. 구조물의 동특성의 변화를 관찰하면 손상의 위치를 파악할 수 있으며 정량적 평가 또한 가능하다. 교량, 건물 등 구조물 모니터링에 사용되는 대표적 계측장비가 동적계측기이다. 현재 구조용 동적계측기는 각 센서와 계측기를 1:1로 연결하는 방식을 취하고 있어 많은 케이블 작업을 필요로 하기 때문에 센서를 부착하지 않고 원거리에서 진동을 측정하는 방법이 필요하다. 구조물의 동적응답 계측을 위하여 적용 가능한 비접촉식 방법으로는 레이저의 도플러효과 및 GPS를 이용하는 방법 등이 있으나 비경제적이기 때문에 교량구조물에 적용하기에 보편적이지 못하다. 그러나 영상 이미지를 이용하는 방법은 경제적이며 접근이 어려운 구조물의 진동 및 동특성 추출에 적합하다. 기존에 도 센서를 대신하여 카메라의 영상신호를 이용하는 연구가 수행되었으나 구조물에 부착된 target의 한 지점을 기록한 후 이미지 처리기법 을 이용하여 변위응답을 측정하는 방법으로서 측정 대상이 비교적 국한적일 수 있다. 그러므로 본 연구에서 제안한 DIC(Digital Image Correlation)기법을 이용한 다중 변위응답 측정기법을 검증하기 위하여 실내모형실험을 수행하였다.

본 연구에서는 지진하중을 받는 고층 RC 골조구조물의 횡변위를 정량적으로 제어할 수 있는 방안을 제시한다. 이를 위해 수학적인 일반성을 가지면서 큰 규모의 문제도 효율적으로 다룰 수 있는 근사화 개념을 도입하여 횡변위 구속조건식을 설정한다. 아울러 구조부재의 단면특성 관계식을 설정함으로써 설계변수의 수를 줄여주고, 초기에 주어진 단면형상이 최적설계 과정동안 계속 유지된다는 가정을 이용하여 최적설계결과에서 구해진 단면특성에 따라 부재단면크기를 산출하는 방안을 강구한다. 특히 근사화된 횡변위구속조건식을 정식화 하기 위해 동적 변위민감도해석 방안이 고려된다. 이와 같이 제시된 동적 강성최적설계 기법의 효용성을 검토하기 위해 10층과 50층 규모의 삼차원 RC 골조구조물 모델이 고려된다.

This study evaluated displacement of ceiling system under lastic dynamic load. Main parameters are change of stiffness at connections of bolt and C channel ranged between 0.1~2.0 kN/mm. Program for elastic dynamic anaysis is the MIDAS ZEN. Analysis results showed that connections between bolt and C channel was effective on decreasing of displacement of ceiling system.

Measurement of dynamic displacement of large structure is one of the most challenging issues in structural health monitoring. With a Kalman filter based technique, the proposed displacement measurement system which consists of GPS-RTK, accelerometer, DAQ, and computer shows the huge potential for precise measurement of dynamic displacement of large structure. The performance of the system has been verified by modal shaker test. This paper presents a new system for dynamic and pseudostatic displacement measurement for a large-scale civil infrastructure. Even though dynamic displacement measurement on a large-scale structure is one of the most challenging issues in structural health monitoring, traditional displacement sensors as well as cutting edge noncontact sensors suffers from the lack of accuracy and precision due to field conditions such as measurement distance and requirement for a fixed support. With a Kalman filter based technique, the proposed displacement measurement system, which consists of a GPS-RTK, accelerometer, DAQ and computer, efficiently estimates bias contained in the acceleration record by fusing the acceleration with intermittently recorded GPS-RTK data, and estimate high precision and high accuracy displacement by removing the bias from the acceleration record and conducting double integration. Through a series of lab-scale tests using a vibration exiciter, the performance of the system has been verified and shows the potential for accurate and precise measurement of dynamic displacement of a large-scale structure.

A dynamic displacement estimation system is developed by integrating laser Doppler vibromter (LDV) and light detection and ranging (LiDAR). The system includes hardware level integration for simultaneous measurement of two devices and data fusion of two measurement signals based on Kalman filter smoothing algorithms. For hardware integration of two devices, the laser beam directions and the triggering of measurement of LDV and LiDAR are controlled on the level of built-in commands of the devices. The distance data sequentially measured by LiDAR is converted to dynamic displacement of high noise and low sampling rate, and fused with the velocity measured by LDV which has high sampling rate and low noise but accumulated bias error when integrated. Using the Kalman filter based data fusion algorithm, it is able to estimate dynamic displacement in which the drawbacks of two devices are effectively removed. The proposed system is applied to a dynamic loading test on a highway bridge and the performance is verified.

FBG센서로 변형율을 계측하고 추정 가능한 일부 저차모드를 중첩하여 교량의 동적변위를 추정하는 알고리즘을 제안하였다. 모드별 진동형상은 단순보의 이론식에서 유도하였고, 일반화좌표는 FBG센서에서 계측한 변형율에서 유도하였다. 일반 교량의 저차모드에서 발생하는 휨 및 비틀림모드는 각 거더별 혹은 구간별로 분리하여 단순보의 이론적 휨모드로 고려함으로써 다양한 형식의 교량에 적용할 수 있도록 하였다. 알고리즘의 적용에 고려해야 할 진동모드의 개수 및 변형율 센서의 개수를 결정하는 기준은 이론적으로 제시되었다. 제안된 방법의 효용성을 다양한 형식의 교량에 대한 수치예제, 모형교량에 대한 실내실험 및 자기부상열차용 PC Box 거더교에 대한 현장실험을 통해 검증하였다. 수치예제에서는 교량 진동형상의 오차 및 변형률 측정오차가 동적변위 추정 결과에 미치는 영향을 분석하였다.