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ISSN : 1598-4095(Print)
ISSN : 2287-7401(Online)
Journal of The korean Association For Spatial Structures Vol.18 No.2 pp.51-58
DOI : https://doi.org/10.9712/KASS.2018.18.2.51

The Evaluation of Effectiveness on Horizontal Ambient Vibration Measurement of Tall Building Using Wireless MEMS Sensor

Lee, Jong-Ho*, Cheon, Dong-Jin**, Yoon, Sung-Won***
*Dept. of Architecture, Seoul National University of Science and Technology
**Dept. of Architecture, Seoul National University of Science and Technology
교신저자, 정회원, 서울과학기술대학교 건축학부 교수, 공학박사 School of Architecture, Seoul National University of Science and Technology Tel: 02-970-6587 Fax: 02-979-6563 E-mail: swyoon@seoultech.ac.kr
February 27, 2018 May 8, 2018 May 8, 2018

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. However, the research on the tall buildings with relatively small vibration levels is insufficient. Therefore, in this paper, we used the wireless MEMS sensor and iPad to compare and analyze the vibration measurements of three tall buildings and two towers.



무선 MEMS 센서를 이용한 초고층 건물 수평 상시진동 계측의 유효성 평가

이 종 호*, 천 동 진**, 윤 성 원***
*학생회원, 서울과학기술대학교 건축과, 석사과정
**학생회원, 서울과학기술대학교 건축과, 석사과정

초록


    National Research Foundation of Korea
    2016R1A2B2014064

    1 서론

    마이크로 전자 기계 시스템(MEMS) 기반의 감지 요소는 정적 및 동적(모바일)을 포함한 애플리케이 션에 폭넓게 수용 및 채택되고 있다. 최근 안정적인 무선 MEMS 가속도계에 대한 수요가 증가함에 따 라 고가의 기존 상용 가속도계를 대체하기 위한 멀 티컨트롤 및 모니터링 작업을 수행해야 했다1).

    무선 MEMS 가속도 센서는 크기와 비용 및 편리 성에 따른 대안 중 하나이다. 기존 상용 유선 가속 도 센서에 비해 가격이 저렴하며 크기가 작고 케이 블에 대한 간섭이 없으므로 장소의 여건에 관계없 이 측정자의 더욱 편리한 계측을 가능하게 하지만 MEMS 가속도계가 장착된 저가형 무선 센서는 높 은 잡음 밀도가 단점으로 지적되고 있다.

    무선 MEMS 센서가 장착된 휴대폰 앱을 이용한 고층 건물의 수평 상시진동 계측2)과 타워전망대의 수평 상시진동 계측3)에 대한 연구가 진행되었다. 명 료한 고유진동수를 찾을 수는 있었지만 높은 노이 즈 레벨 때문에 대다수의 고유진동수 그래프가 명 확하지 않았다. 상시진동 계측은 추가적인 외력이 없는 상태에서 가장 쉽게 계측할 수 있다는 장점이 있지만, 가속도 응답 진폭이 작아 노이즈에 의한 영 향이 커서 센서와 데이터 수집 장치의 높은 정밀도 가 요구되기 때문이다4).

    휴대용 계측기의 계측 한계를 확인하고 현재 연구 중인 무선 MEMS 센서, 이하 G-Link-200(Microstraion) 은 저층 건물에서 상시진동 계측5)을 실시하여 고유 진동수 계측이 가능함을 확인하였지만 미진동 및 저 역대인 초고층 건물에서의 연구는 미진한 실정이다.

    따라서 본 연구에서는 휴대용 계측기를 이용한 진동 계측2),3)에서 고유진동수를 산정하지 못한 초고 층 건물 3개동 그리고 타워 2개동을 무선 MEMS 센 서인 G-Link-200과 iPad를 사용하여 재계측하여 결 과를 비교·분석하였다.

    2 진동 계측 개요

    2.1 계측 건물 개요

    대상 건물은 Moon & Yoon(2015)2)의 “휴대폰 앱 을 이용한 건물 수평진동의 상시진동계측”과 Moon & Yoon(2016)3)의 ”휴대폰 애플리케이션을 통한 타 워전망대 동적특성 분석” 논문에서 계측 결과 전체 15개동 중 고유진동수 계측이 되지 않은 건물 5개동 을 선정하였다. 5개동의 건물은 서울의 고층 건물이 집중되어 있는 여의도, 종로에 위치한 3개동의 초고 층 건물과 각 지역의 랜드마크 타워인 구리타워, 하 남 유니온타워이다.

    <Table 1>은 계측 건물의 제원으로서, 건물의 외 관 및 층수, 높이, 기준층 평면 치수, 구조 종별을 정리하였다2).

    2.2 계측 장치

    2.2.1 핸드폰 계측 장치

    모바일 진동 계측 시스템은 센서, 신호 측정기, FFT 분석기가 일체화되어 있고 일반인도 쉽게 사용 할 수 있는 장점을 갖추고 있다7).

    휴대용 진동 계측기는 <Fig. 2>와 같이 X, Y, Z 의 3축 방향(2방향 수평 가속도와 1방향 수직 가속 도)에 대한 실시간 계측을 할 수 있으며, 동적 특성 도 모니터 상에서 해석이 가능하다. 휴대용 진동 계측 장비에는 MEMS의 가속도계(BMA280, Bosch Sensortech)가 내장되어 있어 3축의 가속도계는 약 0.02g 감도와 최대 ±2G까지 계측이 가능하다. 또한 휴대용 진동 계측기 App은 0~100㎐ 파형의 범위에 서 샘플링 간격(Sampling rate)을 설정할 수 있다7).

    2.2.2 무선 MEMS 계측 장치

    무선 MEMS 가속도 계측 장치는 Microstrain사 에서 개발한 G-Link-200 가속도계 시스템을 사용하 였다<Fig. 3>.

    센서의 크기는 46.6⨉43⨉44mm로 3축 가속도계 이며 1~8g의 측정 범위를 가진다. 자세한 제원은 <Table 2>와 같다10).

    가속도계는 무선 MEMS 센서의 사양들을 비교하 여 SHM 적용성 평가를 한 연구 내용11)을 참고하여 고성능에 중점을 두어 선정하였다10).

    상시진동 계측 시에는 노이즈 계측 장비의 노이 즈 레벨이 낮아야 명확한 동적 특성을 알아낼 수 있 다. 따라서 G-Link-200과 기존 가속도계(휴대용 계 측기)의 Noise density 크기를 비교하여 <Table 3> 에 나타냈다.

    G-Link-200의 노이즈 밀도는 25μg/√Hz이고 iPhone 에 내장된 BMA280의 노이즈 밀도는 120μg/√Hz로 약 4~5배 노이즈 밀도 크기의 차이가 있다.

    3 진동 계측

    3.1 계측 조건

    <Table 4>는 진동 계측 시 계측 기기의 계측 조 건이다. 5개동의 샘플링은 기존 진동 계측기의 샘플 링 조건을 같게 하기 위해서 iPad와 G-Link-200 2개 의 장비를 이용하여 동시 계측을 실시하였다.

    데이터 샘플링은 8Hz로 설정하였고 <Table 4>와 같이 앙상블당 샘플수는 1,024개로 하여 512초씩 계 측하였다. 앙상블 수는 12개이며 총 1,536초간 계측 하여 12,288개의 데이터를 수집하였다.

    3.2 계측 방법

    계측 대상 건물의 기준층 중앙부에 G-Link-200 센서와 iPad를 <Fig. 5>와 같이 설치하여 수평 상시 진동 계측을 실시하였다.

    계측은 최대한 사람이 없는 시간에 실시하였으며, G-Link-200과 iPad의 데이터어퀴션 프로그램이 다 르기 때문에 최대한 동시에 계측 시작 트리거를 발 동시켰다.

    3.3 계측 결과

    3.3.1 시계열 파형

    <Fig. 6~13>과 같이 건물 5개동 시계열 파형 그래프 는 G-Link-200과 iPad의 데이터를 비교할 수 있게 나타 냈다. 건물 5개동의 시계열 파형 그래프에서 RMS 가속 도 값 및 오차는 <Fig. 4>와 <Table 5>에 나타냈다.

    G-Link-200과 iPad의 RMS 가속도 오차는 77.3~93.1%까지 나타났다. S-4, S-5는 타워이며 타워 의 특성상 X, Y축이 대칭인 관계로 데이터는 장변, 단변으로 구분하지 않고 하나로 통일하였다.

    건물 S-1에서 장변 X축의 RMS 가속도 값은 G-Link-200이 0.00010g 그리고 iPad가 0.00145g로 G-Link-200의 가속도 값이 약 14.5배 작았으며 단변 Y축의 RMS 가속도 값은 각각 0.00011g 그리고 0.00096g로 약 8.7배 작게 나타났다.

    건물 S-2에서는 X축이 약 8.3배, Y축이 약 7배 차 이를 보였다.

    건물 S-3에서는 X축이 약 7배, Y축이 약 7.6배 차 이를 보였다.

    건물 S-4에서 RMS 가속도 값은 G-Link-200이 0.00022g 그리고 iPad가 0.00097g로 약 4.4배의 차 이를 보였다.

    건물 S-5에서 RMS 가속도 값은 G-Link-200이 0.00010g 그리고 iPad가 0.00091g로 약 9.1배의 차 이를 보였다.

    3.3.2 고유진동수

    초고층 건물 3개동과 타워 2개동 고유진동수 분 석 결과 G-Link-200은 건물 S-3의 X축 하나의 파워 스펙트럼을 제외하고 명료한 피크를 보여주는 반면, iPad는 건물 S-3의 Y축 하나의 고유진동수만 찾아 낼 수 있었다. 건물 5개동의 파워스펙트럼 그래프는 <Fig. 14~18>에 나타냈으며, 고유진동수 값은 <Table 6>에 나타냈다.

    4 결론

    무선 MEMS 센서(G-Link-200)와 휴대용 계측기 (iPad)를 이용하여 초고층 건물 3개동과 타워 2개동 의 수평 상시진동 계측을 실시하였고, 계측 결과를 비교하여 다음과 같은 결론을 얻을 수 있었다.

    • 1) 수평 상시진동 계측 시 iPad의 RMS 가속도가 G-Link-200 가속도계보다 적게는 4.4배에서 크게는 14.5배 크게 나왔다.

    • 2) 파워스펙트럼 그래프에서 G-Link-200의 고유 진동수 피크를 명확히 확인할 수 있는 반면, iPad는 노이즈 레벨이 크기 때문에 명확한 피크를 확인할 수 없었다.

    • 3) 무선 MEMS 센서인 휴대용 계측기의 시간 이 력, 고유진동수 영역에서의 계측 한계점을 확인하였 고, 초고층 건물의 수평 상시진동 계측에서 G-Link- 200을 이용하여 초고층 건물의 수평 상시진동 계측 의 유효성을 확인하였다.

    계측 결과 본 논문에 사용된 G-Link-200 가속도 계를 이용하여 미진동 및 저역대 구조물에서 동적 특성 분석에 활용 가능성을 확인할 수 있었다.

    감사의 글

    이 논문은 2018년도 정부(과학기술정보통신부)의 재 원으로 한국연구재단의 지원을 받아 수행된 연구임 (NRF-2016R1A2B2014064)

    Figure

    KASS-18-51_F1.gif

    Vibration of iOS App (Vibration App ver. 2.01)7)

    KASS-18-51_F2.gif

    i-Phone 3 axial direction7)

    KASS-18-51_F3.gif

    G-Link 20010)

    KASS-18-51_F4.gif

    RMS of amplitude

    KASS-18-51_F5.gif

    Installing sensor

    KASS-18-51_F6.gif

    Time history(S-1, X axis)

    KASS-18-51_F7.gif

    Time history(S-1, Y axis)

    KASS-18-51_F8.gif

    Time history(S-2, X axis)

    KASS-18-51_F9.gif

    Time history(S-2, Y axis)

    KASS-18-51_F10.gif

    Time history(S-3, X axis)

    KASS-18-51_F11.gif

    Time history(S-3, Y axis)

    KASS-18-51_F12.gif

    Time history(S-4)

    KASS-18-51_F13.gif

    Time history(S-5)

    KASS-18-51_F14.gif

    Natural frequency(S-1)

    KASS-18-51_F15.gif

    Natural frequency(S-2)

    KASS-18-51_F16.gif

    Natural frequency(S-3)

    KASS-18-51_F17.gif

    Natural frequency(S-4)

    KASS-18-51_F18.gif

    Natural frequency(S-5)

    Table

    Measured buildings2),3),6)

    Specifications of accelerometer10)

    Comparison of noise density

    Vibration equipment condition in measurement

    RMS of amplitude

    Natural frequency of X axis

    Reference

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