The modal flexibility-based damage detection approach has recently become a promising damage de-scriptor due to its reliable and practical potential for real applications. This study aims to develop and improve the modal flexibility-based damage detection approach for civil infrastructure.
Firstly, a new damage detection approach for multi-story buildings was developed using the damage-induced inter-story deflection (DIID) estimated by modal flexibility. This study intends to provide a basis for the damage detection problem of more complex multi-story buildings by investigating rather idealized structures such as a shear-dominant multi-story building and a bending-dominant multi-story building. Since the DIID oc-curs at a damaged location, computing the abrupt appearance in DIID set is central to the approach. This ap-proach has a clear theoretical base and directly identifies multiple damage locations as well as a single damage location without the use of a finite element (FE) model. For validating the applicability of the proposed approach to multi-story buildings, a series of numerical and experimental studies on shear-dominant buildings (i.e., a lab-scale 5-story shear-dominant building model and a full-scale 5-story shear-dominant building) and a 10-story bending-dominant building model were carried out. From those various tests, it was found that the damage locations can be successfully identified by the proposed approach for multiple damages as well as single damage. In order to confirm the superiority of the proposed approach, comparative study was carried out on two well-known damage metrics such as modal strain-based damage index approach and uniform load surface curvature approach.
Conventional modal flexibility-based damage detection approaches using acceleration measurements have limitations in damage detection near the bridge support, since damage metric estimated from acceleration measurements is insensitive to damage near the bridge support and may be contaminated by measurement noise due to its low signal to noise ratio in that place. In order to improve this drawback, a new damage detection approach is proposed based on multi-metric sensing technique. Damage detection performance can be enhanced by using two or more complementary data obtained from multi-metric sensing. For damage detection of a bridge, angular velocity is complementary to acceleration, since damage-induced rotation (DIR) estimated from angular velocity measurements is more sensitive to damage near the bridge support. Thus, missed damage near the bridge support by acceleration-based damage metric may be localized by DIR approach. For validating feasibility of the proposed damage detection approach, a series of numerical and experimental studies on a simply supported beam model were performed. It was found that the multiple damages (i.e., one is near the center, another is near the support) can be successfully localized by multi-metric sensing technique.
구조물의 건전성 모니터링은 구조물의 거동에 따라 발생하는 응답 신호를 분석함으로써 수행되며, 응답의 범위에 따라 크게 전역적 손상 탐색 방법과 국부적 손상 탐색 방법으로 나뉜다. 소위 진동기반의 구조물 건전성 모니터링이라 불리는 전역적 손상 탐색 방법은 상시 진동 하에서 발생한 구조물의 응답에 대한 신호처리를 수행하여 얻어진 동 특성 (고유진동수, 모드형상, 모드형상의 곡률, 모드 유연도 행렬 등)의 변화를 통해 손상 탐색을 수행하는 방법이다. 특히, 모드 유연도 행렬을 이용한 손상 탐색 방법은 다른 방법들에 비해 상대적으로 손상 탐색이 용이하다고 검증됐으며, 이러한 방법은 무선센서 네트워크의 분할 손상확인에 적용이 가능하기 때문에 차후 상시 진동 기반의 손상 탐색 방법 중 가장 중요한 역할을 수행할 것으로 예측된다. 그러나 기존에 개발된 손상 탐색 방법들은 (1) 다중 손상 탐색의 어려움, (2) 곡률 계산시 잡음의 발생, 혹은 (3) 구조물의 초기유한요소 모델의 요구 등 해결해 할 많은 문제점을 지닌다. 따라서 본 연구에서는 이러한 문제점들을 해결하기 위해 다양한 토목 구조물에 적합한 손상 탐색 알고리즘을 개발하고, 이에 대한 해석적?실험적 연구를 수행하였으며, 최종 목표는 개발된 알고리즘을 시스템화하여 실제 토목 구조물에 적용하여 검증하는 것이다.
우선, 가속도 응답의 신호처리를 통해 얻어진 모드 유연도 행렬기반 변위와 손상 위치와의 명시적 관계를 통해 다층 구조물에 적합한 손상 탐색 알고리즘을 제안했다. 손상에 의해 유발되는 추가적인 층간 변위를Damage-induced inter-story deflection (DI-ID)라 정의하고, 이를 이용해 다층 구조물의 손상탐지를 수행하는 방법이다. 다층 구조물은 크게 전단 지배적인, 휨 지배적인, 그리고 전단과 휨의 영향을 동시에 받는 형태로 분류할 수 있다. 본 연구는 앞의 두 구조물에 적합한 알고리즘을 제안했고, 이의 타당성을 해석적?실험적으로 검증 했다. 전단 지배적인 다층 구조물의 경우, 전체 자유도에서 양의 전단력을 발생시킴으로써 층간 변위를 분명히 파악할 수 있도록 하는 양전단력 탐색하중(Positive Shear Inspection Load)을 통해 DI-ID를 산정한다. 실험실 규모의 축소모형 빌딩과 실규모 빌딩에 대한 해석적?실험적 검증을 통해 제안한 방법의 성능 검증을 수행했다. 또한, 휨 지배적인 다층 구조물의 경우, 양모멘트 탐색하중(Positive Bending Inspection Load)하에서 발생하는 층간 변위를 이용했고, 다중손상의 손상추정을 위한 베이스라인 변경기법을 제안했다. 실험실 규모의 축소모형 빌딩에 대한 해석적?실험적 성능 검증을 수행했다.
자이로스코프를 이용한 각속도 계측과 가속도계를 통한 가속도 계측을 통해, 기존의 가속도 계측만을 통한 교량구조물의 건전성 모니터링의 단점을 극복하고자 한다. 교량의 경우, 지점 부근에서는 각속도 변화가 큰 반면, 중앙으로 갈수록 그 값은 작아지고, 가속도 변화가 크게 발생한다. 이러한 교량의 거동 특성을 통해 가속도 계측을 통한 건전성 모니터링에서 간과될 수 있는 지점 부근의 손상을 지점 부근에서 계측된 각속도를 이용해 보상하는 방법이다. 즉, 가속도 계측값을 이용해 구조물의 모드유연도 행렬기반 변위를 구성하고, 이를 이용하여 일차적인 손상 탐색을 수행한다. 추가적으로 지점 부근의 각속도 계측을 이용해 얻어진 회전 모드유연도 행렬기반 회전변위를 이용해 지점 부근에서의 손상 탐색을 수행한다. 제안된 방법의 성능 검증을 위해서 단순보를 이용한 해석적?실험적 검증을 수행했다. 중앙 부근의 손상과 지점 부근의 손상을 모사하였으며, 제안된 방법의 우수성 검증을 위해 가속도 계측만을 통한 결과와 이종 데이터 계측을 통한 결과에 대한 비교연구를 수행했다.
