While displacement is valuable information for the structural behavior, measuring dis-placements from large civil structures is often challenging and costly. Indirect displacement estimation approaches using acceleration or strain have potential to be cost-effective and convenient measurement. The data fusion method is proposed to complementarily make use of acceleration and strain measurement for estimating more accurate displacement so that the problems of existing methods are overcome; the proposed method estimates non-zero mean, dynamic displacements with low-noise. The proposed approach is numerically and experimentally validated, showing better estimation than the single measurement-based methods. To practically realize the proposed method, wireless smart sensor (WSS) was utilized in the study which is, in particular, convenient for measuring multiple measurands. To this end, high-precision strain sensor board compatible with existing acceleration sensor board of WSSs was developed to measure both strain and acceleration. The performance of the proposed approach with WSSs was verified through dynamic response data measured from lab-scale bridge model excited by moving mass; the multiple estimated displacements were compared with laser displacement sensors. The estimated non-zero mean displacement gave sufficient resolution in both time and frequency domain. Full-scale experimental validation was carried out on two types of bridges: a pre-stressed concrete bridge and steel girder bridge. The displacement from the proposed method agrees very well with those from reference devices. Based on the result from experimental validation, the proposed method is then applied to safety monitoring of a railway bridge subjected to 400km/h passage of high-speed train. Three major criteria (i.e., maximum acceleration, maximum deflection and maximum twist) were measured and evaluated; the application to safety monitoring of a railway bridge was successfully validated.
변위는 구조물의 안전성에 가장 직접적이며 중요한 정보로 알려져 있으나, 교량과 같은 대 규모의 토목 구조물에서 변위를 측정하는 데는 많은 어려움이 있다. 직접적으로 변위를 추정하는 장비는 대부분 고정된 기준점을 필요로 하므로, 하천, 바다 위를 지나는 교량의 경우 적용하기가 쉽지 않다. 이러한 어려움을 극복하기 위해 다른 측정치로부터 변위를 간접적으로 추정해내는 방법이 개발되었다. 간접추정법의 경우, 보편적으로 사용되는 가속도나 변형률을 주로 이용하므로 데이터 계측이 용이하며, 기준점을 필요로 하지 않으며, 센서의 가격도 저렴하여 정확도 문제만 해결되면 변위측정에 널리 사용될 수 있는 장점이 있다. 간접추정 방법 중, 가속도 기반 방법은 매우 편리하게 변위를 계측할 수 있으나 변위의 저주파 성분을 추정하는 데는 적합하지 않다. 반면에, 변형률 기반 변위추정 방법의 경우 저주파 성분을 가지는 변위를 추정할 수 있다는 장점이 있지만, 변형률계 자체가 가지는 노이즈 특성 때문에 고주파 성분을 복원해 내기 어렵다. 본 연구에서는 가속도 그리고 변형률 기반의 방법들이 가지는 단점을 보완하고 장점을 극대화하기 위해, 가속도와 변형률을 융합하여 변위를 추정하는 방법을 제안하였다. 제안된 알고리즘을 수치적으로 검증하기 위하여 시뮬레이션을 수행하였으며, 또한 실 구조물에서의 적용 타당성을 검토하기 위하여 실 규모 현수교인 소록대교에서 동적 재하실험을 실시한 데이터를 기반으로 타당성을 검증하였다. 제안된 방법은, 변형률과 가속도를 측정해야 하므로, 편리성 및 비용의 효율성을 높이기 위해 무선 스마트 센서를 활용하였다. 무선 스마트 센서를 이용하여, 실내실험 및 실규모 실험을 실시하였으며, 제안방법의 타당성을 검증하였다. 실내실험은 1.8m 단순보 모델을 사용하였고, 실규모 실험의 경우 11m PSC교량, 40m강 플레이트 거더 교량에서 각각 동적 재하 실험을 통해 제안된 방법의 타당성을 검증하였다. 제안된 방법 실질적으로 적용하기 위하여 400km/h의 고속열차가 통과하는 교량의 안전성을 검토해 보았다. 고속열차 통행시, 안전성 관련 검토항목은 최대가속도, 최대변위 그리고 뒤틀림이였으며, 효과적인 다 지점의 변위, 뒤틀림을 산정을 통해 모든 검토항목에서 허용기준을 충족시킴을 확인할 수 있었다.
