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ISSN : 1598-4095(Print)
ISSN : 2287-7401(Online)
Journal of The korean Association For Spatial Structures Vol.19 No.1 pp.101-108
DOI : https://doi.org/10.9712/KASS.2019.19.1.101

Vibration Measurements of Footbridges Using Wireless MEMS Sensor

Jong-Ho Lee*, Dong-Jin Cheon**, Sung-Won Yoon***
*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
December 5, 2018 January 7, 2019 January 11, 2019

Abstract


Recently, measuring instruments for SHM of structures has been developed. In general, the wireless transmission of sensor signals, compared to its wired counterpart, is preferable due to the absence of triboelectric noise and elimination of the requirement of a cumbersome cable. However, the low-cost wireless MEMS sensor has high noise density and transmits the signal wirelessly, so data transmission delay occurs during measurement. Therefore, the footbridges that was previously measured by a mobile phone in 2014 was remeasured using G-Link-200, iPad and iPhone to compare their performance.



무선 MEMS 센서를 이용한 보도교 진동 계측

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

초록


    Seoul National University of Science and Technology

    1. 서론

    최근 MEMS(Micro Electro Mechanical System) 기술의 진보로 인해 작고 저렴한 센서를 사용하여 구조물의 상태를 감지할 수 있다. 또한 무선 센서 네트워크(WSN)을 통해 데이터를 전송할 수 있어 기술자가 케이블 연결로 인한 제한을 받지 않는다1).

    위기 시나리오가 발생하였을 때 이를 파악하기 위한 목적으로 피해를 감지하는 모니터링 프로세스 를 SHM(Structural Health Monitoring)이라 한다. 노화 구조물을 제어하기 위한 몇 가지 방법이 개발 되었지만 교량에는 아직도 육안 검사가 사용되는 경우가 많다1).

    보도교의 기능은 보행자가 자연 방해물 또는 도 로를 넘어 통행할 수 있도록 두 지역을 연결하는 것 이다. 보도교는 이러한 기본적인 구조적 해결 외에 도 도시의 환경 구조물로서 새로운 역할이 요구되 고 있다. 따라서 구조적으로 안전할 뿐만 아니라 합리적인 재료의 사용과 형태를 취함으로서 최선의 구조적 해결이 이루어져야 한다2).

    일반적으로 보도교는 경량 및 고강도 재료로 만 들어지며 상당히 긴 스팬을 가지고 있다. 또한 세장 한 구조물인 경향이 있어 보행자의 걸음걸이에 공 진이 일어날 수 있기 때문에 동적 효과가 더 뚜렷하 게 나타난다3).

    대부분의 경우 진동 문제는 보행자들의 걸음걸이 에 의해 발생되는 강제 운동이다. 일반적으로 보도 교는 경간이 40m 이상 되는 경우 진동에 예민하게 반응하며 통행자에게 심리적 불안감을 줄 수 있다. 보행자의 인체 하중에 의한 보도교의 진동 현상은 보행자 통행에 불편을 주게 되고, 보행 진동수와 보 도교의 고유진동수가 동조되는 경우 공진이 발생하 여 보도교의 제한 범위를 초과하는 큰 진동이 유발 됨에 따라 사용성 뿐만 아니라 안정성 측면에서도 큰 문제가 될 수 있다4).

    보도교는 다른 교량에 비해 중요도, 기능성, 경제 적인 측면에서 큰 관심을 불러일으키지 못하여 그 에 관련된 설계 기준이나 연구가 미비한 실정이다. 서울시 시설물·시공 및 유지관리 편람5)에서는 경간 별 고유진동수를 보도교 설계 시 참고자료로 제시 하고 있다2). 또한 보행할 때 수직 고유진동수는 1.5~2.3Hz 사이에 분포하므로 공진을 방지하기 위 하여 서울시에서 제시한 수직 고유진동수 범위를 피하여 보도교를 설계할 것을 권장하고 있다. 그러 나 서울시에 위치한 165개 보도교의 보행 시 공진 발생 여부와 경간별 고유진동수의 상관관계에 대한 연구는 매우 부족한 실정이다2). 이러한 문제점을 해 결하기 위해 Do, Yoon & Kim(2014)2)은 휴대용 계 측기(이하 Mobile phone)로 서울시 16개 보도교의 진동을 계측하여 공진 발생 여부와 경간별 고유진 동수 관계식을 분석하고 사용성 평가를 실시하였다. Mobile phone은 가속도계, 데이터 송신기 및 수신 기가 일체형으로 구성되어 있고, 구조물 진동 계측 중에 실시간으로 진폭 및 고유치를 쉽게 확인할 수 있는 장점이 있다. 또한 케이블에 대한 간섭이 없기 때문에 유연한 계측 컨디션을 만들 수 있으며, 가속 도 센서 외에 많은 장비의 설치 및 이동에 대한 부 담이 적어 효율적이다.

    Lee, Cheon & Yoon(2018)6)은 현재 연구 중인 무 선 MEMS 센서(이하 G-Link-200)를 이용하여 iPhone과 iPad를 동시 계측 및 분석하였으며, Mobile phone은 진폭이 작을 경우 명확한 고유진 동수 피크를 산정할 수 없음을 확인하였다.

    Shrestha, Dang & Wang(2018)7)은 Mobile phone 으로 진동 계측 시 시간 영역에서 Time lag가 발생 하는 문제를 언급하였다. 모든 기기에 대해 샘플링 을 동일하게 설정하더라도 각 기기가 제공하는 실 제 Time interval은 랜덤으로 차이가 나기 때문에 불안정한 샘플링을 발생시키고 고유진동수 또한 이 동될 수 있다.

    G-Link-200의 경우 계측 총 시간과 Time interval 이 항상 일정하게 계측되는 반면, Mobile phone의 경우 계측 총 시간과 Time interval이 랜덤으로 다 르게 계측된다. 실제로 얻은 Raw 데이터의 이미지 를 <Fig. 1>에 나타내었다.

    본 논문에서는 선행 연구 Do, Yoon & Kim(2014)2)의 Mobile phone을 이용한 보도교 16개 소의 진동 계측 결과와 새로 계측된 G-Link-200의 계측 결과를 시간 및 고유진동수 영역에서 비교·분 석하여 이를 토대로 센서 유효성을 확인하였다. Fig. 2

    2. 진동 계측 개요

    2.1. 계측 보도교 개요

    대상 보도교는 Do, Yoon & Kim(2014)2)의 “휴대 용 계측기를 이용한 보도교 진동계측분석” 논문에 서 계측한 동일 보도교 13개소이다. 선행 연구에서 는 16개소를 계측하였지만 2018년 재계측할 당시 2개소의 보도교가 철거되었고 1개소의 보도교는 공 사 중인 관계로 13개소의 보도교만 재계측하였다. 개요는 <Table 1>와 같다.

    2.2. 계측 장치

    2.2.1. Mobile phone

    본 논문에 사용된 Mobile phone 진동 계측 시스 템은 Apple의 iPhone 4S와 iPad mini4이다. 두 기 기는 센서, 데이터 로거, FFT 분석기가 일체화 되어 있으며 사용법과 인터페이스가 간편하기 때문에 일 반인도 쉽게 사용할 수 있는 장점이 있다8). Fig. 3

    Mobile phone은 <Fig. 4>와 같이 x, y, z의 3축 방향(2방향 수평 가속도, 1방향 수직 가속도)에 대 해 실시간으로 계측할 수 있으며, 모니터 상에서 동 적 특성 해석도 가능하다. 3축 가속도계는 약 0.02g 감도와 최대 ±2g까지 계측이 가능하다. 또한 휴대 용 진동 계측 모바일 애플리케이션은 0~100Hz 파 형의 범위에서 샘플링 간격(Sampling rate)을 설정 할 수 있다8).

    2.2.2. G-Link-200(가속도 센서 및 송신기)

    본 논문에 사용된 무선 MEMS 센서는 Microstrain에서 개발한 G-Link200 가속도 센서 노 드이다9). 노드의 크기는 46.6✕43✕44mm이며, 내부 에 ANALOG DEVICES의 ADXL354/355 가속도계 가 장착되어 있다. 가속도 센서로부터 얻은 데이터 를 노드 안에 장착된 데이터 송신기를 통해 무선 데 이터 수신기로 송신한다. ±2~8g의 측정 범위를 제 공하고, 외관과 상세 제원은 <Fig. 5> 및 <Table 2> 에 나타내었다.

    2.2.3. 무선 데이터 수신기9)

    무선 데이터 수신기는 Microstrain에서 개발한 WSDA-Base-104-LXRS를 사용하였다. 2.4GHz의 주 파수를 가지고, 활성 채널 수 및 샘플링 설정 수에 따라 RF 채널마다 최대 2,000개의 노드 설정이 가 능하다. 수신기의 크기는 88✕70✕20mm로 양방향 RF 범위의 0.07~2Km까지 통신이 가능하다<Fig. 6>. 이는 송신 전력 설정에 따라 달라지며 전력당 최대 통신 거리는 <Table 3>에 나타내었다.

    이 무선 MEMS 센서 시스템은 출력 전력을 0~16dBm까지 설정할 수 있다. 전력에 따라 최대 통 신 거리가 달라지며 미국 외 국가에서는 10dBm으 로 제한되어 있다. 본 논문에서는 기본(출력 전력 10dBm, 최대 거리 1Km)으로 설정하여 실험하였다.

    3. 진동 계측

    3.1. 계측 방법

    <Fig. 7>과 같이 13개소 보도교에서 3종류의 센 서, Mobile phone(iPhone 4S, iPad mini4), G-Link-200 센서의 동시 계측을 실시하였다. 가진 방법으로는 12개소 보도교에서 힐임펄스 가진을 하 였으며, S-10 보도교에서는 Mobile phone의 가속도 노이즈 레벨이 크고 바닥의 마감이 목재로 되어 있 어 마감재의 진동수가 지배적이었다. 때문에 고유진 동수 산정이 어려워 메트로놈으로 보도교와 같은 고유진동수로 보행 진동을 하여 공진을 유발시켜서 실험을 실시하였다. S-10 보도교의 공진 시계열 파 형 그래프는 <Fig. 8>에 나타내었다.

    3.2. 계측 조건

    3종류의 계측 기기 모두 샘플링은 32Hz, 계측 시 간은 64초로 13개소 보도교에서 총 2,048개의 데이 터를 수집하였다. 동시 계측을 통하여 시간 영역에 서 Time lag의 발생 여부, 진동수 영역에서 고유진 동수의 이동을 확인하였다.

    4. 실험 결과

    iPad, iPhone으로 계측된 13개소의 보도교 대다 수에서 힐임펄스 가진으로부터 얻은 시계열 파형의 자유 진동 파형이 G-Link-200에 비해서 깨끗이 나 오지 않았다. <Fig. 9> 시계열 파형 그래프 a, b (G-Link-200)의 경우 자유 진동 파형이 비교적 뚜렷 이 구분이 되지만, c(iPhone)의 경우 자유 진동 파 형의 구분이 어려우며, 상시 진동과 같은 노이즈 진 폭 양상을 보였다. 때문에 Time lag의 발생 여부를 확인하지 못하였다. 하지만 <Fig. 10> 파워 스펙트 럼 그래프에서는 고유진동수를 확인할 수 있었다. G-link-200의 고유진동수는 3.00Hz, iPad는 2.92Hz, iPhone은 3.10Hz로 나타났다.

    <Fig. 9>를 포함한 다른 보도교와 달리 S-7 보도 교는 시계열 파형 그래프에서 자유 진동 파형이 뚜 렷이 나타났기 때문에 Time lag를 명확하게 비교할 수 있었다. <Fig. 11> 그래프의 계측 시작점에서는 피크(Peak)점이 동일하게 시작되지만, 5번째 자유 진 동 파형의 최대 가속도 피크에서 iPhone은 45.80초, G-Link-200은 47.08초, iPad는 48.28초로 Time lag 가 발생하는 것을 확인할 수 있었다. 시간이 흐르면 서 오차가 점차 더 커지는 것을 확인하였으며, 시간 영역에서 iPad는 시간 지연이 나타났고 반대로 iPhone은 샘플 시간 간격이 단축되었다.

    <Fig. 12>는 S-7 보도교의 고유진동수를 나타낸 그래프이다. iPhone이 5.11Hz, G-Link-200이 5.27Hz, iPad가 5.45Hz로 Time interval이 항상 일정한 G-Link-200 센서를 기준으로 iPhone 및 iPad의 고 유진동수가 이동된 것을 확인할 수 있었다. 이는 <Fig. 11> 시간 영역(시계열 파형) 그래프에서 확인 한 Time lag로 인해 발생하는 것으로 사료된다. 이 처럼 랜덤으로 발생하는 시간 지연 및 단축은 고유 진동수 이동을 발생시켜 정확한 계측 및 분석이 필 요할 때에는 사용이 부적절할 수 있음을 확인하였다.

    나머지 13개소 보도교 계측 결과 분석을 통하여 iPad와 iPhone은 전체적으로 랜덤 시간 이동이 발 생하는 것으로 나타났고, 이에 따라 고유진동수 이 동이 발생한 것을 확인하였다.

    13개소 보도교 전체의 계측 결과를 <Table 4>에 나타내었다. 오차는 1.58~3.83% 범위에 있었으며 기 기별 오차의 평균은 iPad가 2.74%, iPhone이 3.23% 로 iPad의 고유진동수의 오차가 iPhone의 오차보다 약 0.49% 더 작게 나타났다.

    5. 결론

    본 논문에서는 선행 연구에 사용된 휴대폰 MEMS 센서의 계측 정확도를 알아보기 위하여 13개소 보도 교에서 무선 MEMS 센서 3종(G-Link-200, iPad, iPhone)을 이용하여 재계측을 실시하였으며, 이를 분석한 결과 다음과 같은 결론을 얻었다.

    • 1) 시간 영역에서 분석한 결과, Time interval이 항상 일정한 G-Link-200 센서에 비해 iPad와 iPhone 센서는 랜덤으로 Time interval의 지연과 단축이 발생하였고 전체 계측 시간 또한 일정하지 않게 나타났다. 다만 항상 일정했던 것은 Time interval 간격이 iPad는 항상 지연되었고, iPhone은 항상 단축되었다.

    • 2) 13개소 전체의 고유진동수 오차를 분석한 결 과, 고유진동수 영역에서 G-Link-200의 고유진동수 를 기준으로 iPad의 고유 주기가 더 느리게 나타났 으며 평균 2.74%의 오차를 나타내었다. 반면 iPhone의 경우 고유 주기가 더 빨랐으며 평균 3.23%의 오차를 나타내었다. 특정 보도교에서 고유 진동수의 오차가 특별히 크거나 작게 나타난 것이 아니라 랜덤으로 발생하였고, 2개의 Mobile phone 을 비교하였을 때 iPad의 고유진동수 오차가 iPhone의 오차보다 약 0.49% 더 작게 나타났다.

    • 3) Mobile phone 진동 계측 장비는 구조물 진동 계측 중에 실시간으로 진폭 및 고유치를 쉽게 확인 할 수 있는 장점이 있고, 케이블에 대한 간섭이 없 기 때문에 유연한 계측 컨디션을 만들 수 있다. 또 한 가속도 센서 외 많은 장비의 설치 및 이동에 대 한 부담이 적어 효율적이다. 하지만 시간 영역에서 발생한 시간 지연과 단축으로 인하여 고유진동수 이동이 발생하였다. 이는 구조물의 정확한 동적 특 성을 파악하는데 지장을 줄 수 있는 요소이므로 보 다 정확한 계측 및 분석을 필요할 때에는 사용이 적 절하지 않다고 사료된다.

    감사의 글

    본 논문은 서울과학기술대학교 교내 학술 연구비 지원으로 수행되었습니다.

    Figure

    KASS-19-1-101_F1.gif

    Random time interval

    KASS-19-1-101_F2.gif

    Footbridge (S-1)

    KASS-19-1-101_F3.gif

    Vibration of iOS app (Vibration app ver. 2.01)8)

    KASS-19-1-101_F4.gif

    i-Phone 3 axial direction7)

    KASS-19-1-101_F5.gif

    G-Link 200 node10)

    KASS-19-1-101_F6.gif

    WSDA-Base-104-LXRS11)

    KASS-19-1-101_F7.gif

    Sensors installation

    KASS-19-1-101_F8.gif

    Time history (S-10 Resonance)

    KASS-19-1-101_F9.gif

    Time history (S-1)

    KASS-19-1-101_F10.gif

    Natural frequency (S-1)

    KASS-19-1-101_F11.gif

    Time history (S-7)

    KASS-19-1-101_F12.gif

    Natural frequency (S-7)

    Table

    Overview of footbridges2)

    Specifications of accelerometer10)

    Maximum range of data logger11)

    Result of measurement

    Reference

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