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ISSN : 1598-4095(Print)
ISSN : 2287-7401(Online)
Journal of The korean Association For Spatial Structures Vol.17 No.3 pp.57-64
DOI : https://doi.org/10.9712/KASS.2017.17.3.057

The Evaluation of Effectiveness on Horizontal Transient Vibration Measurement of Low-Rise Building Using Wireless MEMS Sensor

Jong-Ho Lee*, Sung-Won Yoon**
*Department of Architecture, Seoul National University of Science and Technology
**School of Architecture, Seoul National University of Science and Technology
02-970-658702-979-6563swyoon@seoultech.ac.kr
July 10, 2017 August 8, 2017 August 10, 2017

Abstract

Recently, measuring instruments for SHM of structures had being developed. In general, the wireless transmission of sensor signals, compared to its wired counterpart, is preferable due to its absence of triboelectric noise and elimination of the requirement for cumbersome cable. Preliminary studies on the continuous vibration measurement of high-rise buildings using MEMS sensors have been carried out. However, the research on the low-rise buildings with relatively small vibration levels is insufficient. Therefore, in this paper, we used the wireless MEMS sensor to compare and analyze the vibration measurements of three low-rise buildings.


무선 MEMS 센서를 이용한 저층건물 상시진동계측의 유효성 평가

이종호*, 윤성원**
*학생회원, 서울과학기술대학교 건축과 석사과정
**교신저자, 정회원, 서울과학기술대학교 건축학부 교수, 공학박사

초록


    National Research Foundation of Korea
    NRF-2016R1A2B2014064

    1.서론

    일반적으로 건축구조물은 다양한 외부환경에 직접 적으로 노출되어 있고, 또한 시공이 완료되면 그 기 능이 소멸될 때까지 사용하게 된다.

    이러한 조건 하에서의 건축구조물은 예견치 못한 외력(지진, 바람, 충격)에 의한 손상, 장기간 사용에 따른 노후화 및 피로현상 등으로 인해 구조적인 문제 를 유발할 수 있다.

    이러한 문제에 접근하고자 국내·외 건설 분야에는 건전도 모니터링 개념이 확산되었다. 이 개념은 외부환 경의 영향을 받아 거동하는 구조물의 상태를 실시간으 로 확인·평가하고, 이때 발생된 구조적 손상을 감지·판 별하는 기술로써, 최근에는 ICT 개념과의 결합이 시도 되면서 구조물의 상태평가는 물론 안전성 확보를 위해 보다 적극적인 방법으로 발전하고 있다1).

    구조물 건전도 모니터링(이하 SHM)은 광범위한 구조 진동 측정을 위해 가속도계가 정확해야 한다.

    일반적인 유선 센서는 계측 정확도가 높은 반면 계 측 장소의 여건 그리고 케이블에 대한 간섭으로 인하 여 자유롭지 못하고, 센서 외 계측 장비의 상당한 무 게 그리고 설치 및 해체 간의 측정자 피로도가 높다.

    SHM을 위한 계측장비 중 사용이 편리한 무선 MEMS 센서는 마찰 전기 노이즈와 번거로운 케이 블에 대한 요구사항이 없기 때문에 장소 간섭 없이 효율적인 SHM을 가능하게 한다2),3).

    그러나 MEMS 가속도계가 장착된 저가형 무선 센서는 높은 잡음 밀도가 단점으로 지적되고 있다. 무선 MEMS 센서인 휴대폰 앱을 이용한 고층건물 의 수평 상시진동계측4)에 대한 선행연구가 진행되 었지만, 아직까지 상대적으로 진동레벨이 작은 저층 건물에 대한 수평 상시진동에 대한 연구는 미진한 실정이다.

    상시진동계측은 추가적인 외력이 없는 상태에서 가 장 쉽게 계측할 수 있는 방법으로 고차 모드까지 산정 할 수 있는 장점이 있다. 그러나 저층건물은 건물의 가속도 응답 진폭이 작아 잡음에 의한 영향이 커서 센 서와 데이터 수집장치의 높은 정밀도가 요구된다5).

    무선 MEMS 가속도계의 잡음 크기를 알기 위해 먼저 수직진동에서 유선 ICP 타입 가속도계를 Reference 가속도계로 설정하고 무선 MEMS 가속 도계와 휴대폰 가속도계를 이용하여 보행진동하중 의 가속도 RMS값을 분석하였다2).

    얻어진 결과에서 무선 MEMS 가속도계의 보행진 동의 가속도값과 Reference 가속도계의 RMS값이 휴대용 가속도계보다 월등한 일치를 보였다.

    따라서 본 연구에서는 휴대용 가속도계로 계측하 지 못했던 저층건물 3동을 대상으로 Servo 가속도 계, ICP 타입 가속도계 그리고 무선 MEMS 가속도 계를 이용한 수평 상시진동계측을 실시하여 비교· 분석하였다.

    2.센서의 효율성 비교

    일반 유선 센서의 정확성은 선행연구로부터 유효 성이 입증 되었지만 유지관리, 경제성, 무게, 계측 장소의 환경, 그리고 케이블에 대한 간섭 등으로 인 한 효율성의 결여가 우려된다.

    무선 MEMS 센서는 저렴하면서 실시간 모니터링 이 가능하고 센서와 데이터로거만 있으면 편리한 계측이 가능하다. 무선 MEMS 센서를 이용한 건축 물의 동특성 식별에 있어 신뢰성을 입증하였고6), 무 선 MEMS 센서의 진동 계측 성능 분석2)에서 가진 실험(보행진동)으로 일반 유선 센서와 무선 MEMS 센서의 시계열파형, 고유진동수 계측 신뢰성과 가속 도 응답의 표준편차가 일치함을 입증하였다.

    3개의 센서 중 간편성 측면에서 가장 효율적인 MEMS 센서는 휴대용 계측기(아이폰, iPad 등)이다.

    휴대용 계측기는 고층건물의 상시진동4), 보도교 에서 진동계측분석7) 등 자체 노이즈 이상의 가속도 응답이 가해지면 데이터의 유효성을 가질 수 있다.

    하지만 센서의 노이즈 레벨이 상시진동 계측 입 력 신호보다 큰 저층건물의 수평 상시진동은 현재 까지 계측이 힘든 상황이다. 각 센서 설치의 간편성 비교사진은 <Fig. 1>에 나타냈다.

    이 논문에 사용된 4가지 센서의 기본 사양은 <Table 1>과 같다.

    무선 MEMS 센서는 1~8g까지 폭넓은 계측이 가 능하며 1축인 유선 센서에 비해 3축 동시 계측이 하 나의 노드(Node)로 가능하다.

    3.수직진동계측2)

    대상 건축물은 서울시 강남구에 위치한 철골조로 서 1개동을 선정하여 계측하였다.

    <Fig. 2>는 계측 건물의 전경이며 건물의 개요는 <Table 2>와 같다. 계측 당시 골조 완공 상태였으며 총 층수는 15층이고 계측은 9층에서 실시하였다.

    3.1.계측방법2)

    슬래브의 진동특성을 분석하기 위해 <Fig. 3>과 같이 몸무게 70Kg의 사람이 진동수 2Hz를 유지하 여 센서에서 수평 방향으로 30cm 떨어진 위치에서 왕복 이동하며 바닥슬래브에 보행하중을 가진하였 다.

    대상 건물은 철골조로서 골조 완공 후에 실험을 하였고 RF 영향을 받지 않는 실내에서 무선 MEMS 가속도계와 데이터 로거의 거리를 1m로 설정했다.

    슬래브의 측정은 바닥판 중앙에 하중을 줄 때 응 답이 가장 크기 때문에 <Fig. 4>와 같이 3가지 센서 를 중앙에 설치한 뒤 보행진동을 하였다.

    3.2.계측결과2)

    3.2.1.시계열파형

    3회의 보행진동으로 얻은 시계열 파형에서 각 센 서의 가속도 응답의 표준편차의 평균값은 <Table 3> 에 나타냈다.

    각 센서의 표준편차는 ICP 가속도계 0.0021, 무선 MEMS 가속도계 0.0021 그리고 휴대폰 애플리케이 션 0.0025로 무선 MEMS 가속도계의 표준편차가 Reference의 표준편차와 일치했다. 시계열파형 그래 프는 <Fig. 5>에 나타냈다.

    3.2.2.고유진동수

    3회의 보행진동으로 얻은 각 센서의 고유진동수 의 평균값은 <Table 4>와 같다.

    센서별 고유진동수의 평균값은 ICP 타입 가속도 계 7.90Hz, 무선 MEMS 가속도계 7.86Hz, 그리고 휴대폰 애플리케이션 가속도계 7.94Hz로 나타났다. 고유진동수 그래프는 <Fig. 6>에 나타냈다.

    4.수평 상시진동계측

    4.1.계측 대상건물

    대상건축물은 서울과학기술대학교의 저층 철근콘 크리트조로서 3개동을 선정하였다. 대상건물의 평 면형상은 직사각형으로서, 구조시스템은 전부 모멘 트골조이다. <Fig. 7>은 계측건물의 전경이다. 또한 계측건물의 개요는 <Table 5>와 같다8).

    4.2.계측방법8)

    대상 건물의 옥상의 중앙부에 장변(X방향)과 단 변(Y방향)으로 Servo 가속도계, ICP 가속도계, 그리 고 무선 MEMS 가속도계를 <Fig. 8>과 같이 설치하 여 수평방향 상시진동계측을 하였다.

    계측은 Servo 가속도계를 Reference로 설정하고 ICP 가속도계와 무선 MEMS 가속도계를 동시계측 하였다. 수직 보행실험에서 가속도응답의 표준편차 가 일치했었기에 수평 상시진동 가속도응답의 표준 편차값을 구하고 고유진동수 분석을 하였다.

    4.3.계측결과

    4.3.1.시계열파형

    <Fig. 9> 그래프의 건물 3동 시계열파형에서 가 속도값의 표준편차는 <Table 6>에 나타냈다.

    건물 3동의 시계열파형 그래프는 <Fig. 9>에 나 타냈다. 가속도 RMS의 평균 값은 Reference 가속도 계 0.000047g, ICP 가속도계 0.000062g, 그리고 무 선 MEMS 가속도계는 0.000106g으로 나타났다. 무 선 MEMS 가속도계의 노이즈 레벨이 진동의 인풋 레벨보다 크기 때문에 Reference의 RMS값보다 약 2.3배 크게 나타났다.

    4.3.2.고유진동수

    건물 3동의 파워스펙트럼 그래프는 <Fig. 10~12>에 나 타냈으며, 고유진동수의 값은 <Table 7>에 나타냈다.<Fig. 11>

    시계열파형에서 가속도값의 RMS는 수직진동과 달리 Reference 가속도계와 MEMS 가속도계의 57.5%의 오차율이 있었지만, 고유진동수를 찾아내 는데 문제가 없었다. 고유진동수의 오차율은 <Table 9> 에 나타냈다.

    건물 3동의 Y축 고유진동수 값은 <Table 8>에 나 타냈다.

    건물 3동의 Reference 가속도계와 무선 MEMS 가속도계의 고유진동수 X축 오차율 평균은 0.6%으 로 나타났으며, Y축의 오차율 평균은 0.17%로 X,Y 축 전체 오차율 평균이 0.36%로서 높은 일치율을 보였다.<Table 9>

    5.결론

    건물 1동의 수직진동과 3동의 수평 상시진동계측 을 통하여 무선 MEMS 가속도계 성능의 유효성을 평가하였다.

    • 1) 보행진동을 이용한 수직진동계측 결과 시계열 파형에서 가속도 RMS값이 Reference 가속도계인 ICP 가속도계와 무선 MEMS 가속도계가 0.0021g으 로 일치함을 보였다.

    • 2) 무선 MEMS 가속도계는 가속도 진폭 표준편 차의 차이를 보였으나, 고유진동수 피크를 찾을 수 있었다. 3개동의 무선 MEMS 가속도계의 장변 단변 고유진동수의 오차율은 0%에서 최대 1.32%로 나타 났으며 평균 오차율은 0.36%로 높은 일치율을 보였 다.

    • 3) 시계열파형에서 가속도계의 노이즈 레벨이 상 시진동 계측 입력 신호보다 크기 때문에 무선 MEMS 가속도계의 가속도 RMS가 Reference 가속 도계보다 57.5% 더 크게 나왔지만, 고유진동수의 오 차율 평균 0.36%로 수평 상시진동을 통한 건물의 동적특성을 알아내는데 문제가 없었다.

    감사의 글

    이 논문은 2017년도 정부(미래창조과학부)의 재원으 로 한국연구재단의 지원을 받아 수행된 연구임 (NRF-2016R1A2B2014064)

    Figure

    KASS-17-57_F1.gif

    Comparison of sensor

    KASS-17-57_F2.gif

    Object building

    KASS-17-57_F3.gif

    Vibration test

    KASS-17-57_F4.gif

    Place of measurement

    KASS-17-57_F5.gif

    Time history

    KASS-17-57_F6.gif

    Natural frequency

    KASS-17-57_F7.gif

    Object buildings

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    Installing sensor

    KASS-17-57_F9.gif

    Time history

    KASS-17-57_F10.gif

    Power spectrum(Building A)

    KASS-17-57_F11.gif

    Power spectrum(Building B)

    KASS-17-57_F12.gif

    Power spectrum(Building C)

    Table

    Specifications

    Outline of building

    RMS of amplitude

    Natural frequency

    Outline of buildings

    RMS of amplitude

    Natural frequency of X axis

    Natural frequency of Y axis

    Error rate of natural frequency

    Reference

    1. Heo G H , Jung K S , Lee C O , Jeon J R (2008) Communication Distance Estimation of MEMS-based Wireless Measurement System for Structural Health Monitoring , Civil Expo, ; pp.4
    2. Lee J H , Yoon S W (2017) Analysis of Vibration Measurement Performance of Wireless MEMS Sensor , Proceedings of Korean Association for Spatial Structures, Vol.13 (1) ; pp.26
    3. Alessandro Sabato (2014) “Maria Q Feng, Feasibility of Frequency-Modulated Wireless Transmission for a Multi-Purpose MEMS-Based Accelerometer“ , Sensor, Vol.14
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