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자연진동 측정에 의한 대형구조물의 손상도 평가 및 FEM 해석모델 향상
Reports NRF is supported by Research Projects( 자연진동 측정에 의한 대형구조물의 손상도 평가 및 FEM 해석모델 향상 | 2006 Year 신청요강 다운로드 PDF다운로드 | 조순호(광주대학교) ) data is submitted to the NRF Project Results
Researcher who has been awarded a research grant by Humanities and Social Studies Support Program of NRF has to submit an end product within 6 months(* depend on the form of business)
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  • Researchers have entered the information directly to the NRF of Korea research support system
Project Number D00328
Year(selected) 2006 Year
the present condition of Project 종료
State of proposition 재단승인
Completion Date 2008년 08월 18일
Year type 결과보고
Year(final report) 2008년
Research Summary
  • Korean
  • 구조물에 고유한 주파수, 모드형태 및 감쇠비 등과 같은 동적성능치를 추출하기 위하여 25층 및 42층 건물에 대하여 자연진동에 의한 동적계측실험을 수행하였다. 고려된 건물은 주요 횡하중 지지기구로서 코아벽체 혹은 전단벽체가 추가된 철근콘크리트건물이며, 입면 및 평면상으로 골조가 혼합된 구조형식을 나타낸다. 특히, 25층 건물은 측면에 위치한 코아벽체 이외에 상부로부터 내려오는 전단벽구조가 4층 바닥이하에서 골조형식으로 전환되는 복잡한 구조이다. 이와 같은 이유 및 건물 주방향의 유사한 강성배치로 매우 근접하고 혼합된 모드형태가 예상되어 시스템판별 시 어려움이 예상된다. 현재까지 개발된 다양한 시스템판별법을 대상건물의 자연진동 실측기록에 적용하여 모달계수를 유도하였으며, 그 결과를 비교, 분석하였다. 3개의 주파수영역 및 4개의 시간영역에 근거한 응답의존 시스템판별법이 고려되었다. 서로 다른 시스템판별법에 의하여 추출된 고유주파수 및 감쇠비는 대체로 상당한 일치를 보였으나, 모드형태는 사용된 방법에 따라 정도가 다르게 불일치를 나타냈다. 실험으로부터 추출한 성능치와 초기 유한요소해석 값을 비교해 본 결과 대상건물 모두는 적어도 저차 3개의 고유주파수에서 2배 정도의 차이를 나타냈다. 실험과 해석결과의 일치를 위하여 몇몇 수동모델향상이 시도되었으며, 허용할 만한 결과를 획득하였다. 사용된 시스템판별법에 대하여 각자의 장, 단점에 대하여 기술하였으며, 본 연구와 같은 실제 대형구조물에 대하여 자동모델향상기법을 적용할 시 예상되는 문제점에 대하여 토의하였다.
  • English
  • Dynamic response measurements from natural excitation were carried out for 25- and 42-story buildings to evaluate their inherent properties such as natural frequencies, mode shapes and damping ratios. Both are reinforced concrete buildings adopting a core wall or with shear walls as the major lateral force resisting system, but frames are additionally combined in plan or elevation. In particular, shear walls in a 25 story building are converted to frames from the 4th floor level downwards while maintaining a core wall throughout, resulting in a fairly complicated structure. Due to this, along with similar stiffness characteristics in principal directions, the significantly coupled and closely spaced modes of motion are expected in this building, making the identification rather difficult. By using various state-of-the-art system identification methods, the modal parameters are extracted and the results are then compared. Three frequency- and four time-domain based operational modal identification methods are considered. Overall, all natural frequencies and damping ratios estimated from the different identification methods showed a greater consistency for both buildings, while mode shapes exhibited some degree of discrepancy varying from method to method. On the other hand, in comparison with the analysis results by initial finite element (FE) models, a significant difference about twice larger frequencies in test exists, at least in the lower three modes for both buildings. To improve the correlation between test and analysis, a few manual schemes of FE model updating based on plausible reasons have been applied, and acceptable results are obtained. The advantages and disadvantages of each identification method used are addressed, and some difficulties that might arise from the updating of FE models, including automatic procedures, for such large structures are carefully discussed.
    Key words dynamic properties, experimental modal analysis, finite element analysis, model updating, natural vibration, operational modal analysis, system identification, tall buildings.
Research result report
  • Abstract
  • 본 연구는 자연진동실험(Natural Vibration Test), 시스템판별(System Identification) 및 모델향상이론에 근거하여 “대형구조물의 구조성능 및 손상정도를 신뢰성 있게 평가하기 위한 시스템판별기법 및 실험과 FEM해석결과를 일치시키기 위한 모델향상기법 개발”을 최종목표로 한다. 이를 실현하기 위한 단계별 연구내용은 다음과 같다.
    i) 대형구조물의 동적특성치를 결정하기 위한 자연진동실험 및 FE해석 수행,
    ii) 실험결과에 대하여 Signal Processing, Output-Only-Modal Identification, Validation등의 일련의 신호처리 및 시스템판별해석 수행,
    iii) 측정결과에 의하여 산정된 모달계수로부터 구조물의 성능평가를 위한 일련의 물리적 정보획득,
    iv) 자연진동측정결과에 근거하여 FE해석모델을 향상하기위한 혹은 손상여부, 손상정도를 예측하기 위한 일련의 모델향상 해석기법 개발
  • Research result and Utilization method
  • 2개의 고층건물(DWD; 25층, DLA; 42층)에 대한 자연진동기록에 대하여 총7개의 주파수 및 시간영역 응답의존 시스템판별법을 적용하여 고유주파수, 모드형태 및 감쇠율 등과 같이 구조물에 고유한 동적성능치를 추출하였다. 추출된 값과 초기 유한요소해석 값과의 일치를 위하여 일련의 수동모델향상기법이 적용되었다. 또한, 수치해석에 근거한 자동모델향상을 위한 여러 고려사항이 제시 되었다. 주요결과는 아래와 같다.

    i) PP, FDD, pLSCF 및 SSI, SSI/Ref 등과 같은 응답의존 시스템판별법을 사용하여 고층건물의 동적성능을 신뢰성 있게 추출할 수 있다. 하지만, PP 및 FDD의 경우 실제 Peak를 구별하는데 있어, pLSCF, SSI 및 SSI/Ref의 경우 안정 Pole을 선택하는데 있어, 관련된 모드형태를 반복적으로 도식하여 실제모드인지를 확인하는 절차가 반드시 필요하다. 물론 후자의 경우가 훨씬 더 주관적 요소를 배제하고 있으며, 추가로 MTN 값을 사용하면 보다 정확한 안정 Pole을 신속히 선택할 수 있다.
    ii) 대상건물에 대하여 고려한 모든 판별법은 고유진동수 및 감쇠비(PP 제외)를 추출하는데 있어 매우 일치된 결과를 나타냈다. 하지만, 모드형태의 경우 DWD건물은 저차 3개 및 5번째 모드, DLA 건물은 저차 6개의 모드에서 일치된 결과를 나타냈다.
    iii) 초기에 실제 Peak 혹은 안정 Pole을 선택하는데 있어 정확도, 어려움 및 노력의 정도는 방법에 따라 상이하다. FDD 및 pLSCF는 요구되는 계산시간 측면에서 효율적이지만, SSI는 가장 정확한 결과를 제공한다. pLSCF는 안정 Pole을 선택하는데 있어 SSI 보다 엄격한 기준을 적용하므로, 장시간 기록된 변동치가 큰 데이터에 대하여 매우 적은 수의 Pole을 제공한다.
    iv) 측정기록으로부터 추출한 모달 성능치와 초기 유한요소해석으로부터 산정한 값을 비교하여 보면 두 건물 모두 적어도 저차 3개의 고유진동수에서 2배정도의 차이가 났다. 이는 무엇보다도 설계사무소에서 설정한 유한요소모델이 비구조요소의 무시, 균열단면성능 사용 및 과다한 자중고려 등을 이유로, 실제 조건과는 상당한 차이가 있는데 그 이유가 있다. 하지만, 전자의 둘은 일반적으로 내진설계를 위하여 실무에서 허용하는 사항이다.
    v) DLA 및 DWD 건물에 대한 실험 및 해석결과의 일치를 위하여 고유진동수에 보다 중점을 두고 몇몇 수동모델향상을 시도하였다. 비균열 단면성능, 지하구조물의 경계조건, 선요소 단부의 강역지역, 자중감소 및 콘크리트의 동적탄성계수 고려 등의 내용을 포함한다. 그 결과 허용할 정도의 일치를 획득하였으며, 가장 영향이 큰 요소는 비균열 단면성능(DLA), 접합부의 강역지역(DWD) 및 재료의 동적탄성계수(DLA 및 DWD)이다.
    vi) 본 연구에서 취급한 초고층건물과 같이 대형구조물에 대하여 민감도해석을 통한 자동모델향상기법을 적용하는 데는 층단위 혹은 여러 개의 층을 함께 취급하는 것이 문제의 규모를 고려할 때 보다 합리적인 접근으로 판단된다. 질량과 강성중심의 불일치로 인한 편심에 대한 정보는 대다수 상용 해석프로그램에서 정확하게 제공하고 있으며, 강성 및 추가고정하중에 의한 자중산정에 보다 불확실성이 존재한다는 사실을 감안할 때, 모델향상을 위하여 매층당 실제로 요구되는 변수는 영계수 혹은 전단탄성계수 및 추가 고정하중에 의한 자중이다.

    본 기술개발의 원대한 의의는 대형구조물 사고와 관련된 인명 및 재산을 보호하고, 국가 시설물의 수명연장 및 활용을 극대화하여 궁극적으로는 국민의 삶의 질을 향상시키는데 있다. 따라서 현 단계에서 생산성 향상, 원가절감, 수입기술 대체 등의 파급효과를 정량적으로 자세히 따질 수는 없지만, 본 기술이 충분히 개발될 때의 주요 파급효과 및 활용방안을 다음과 같이 예상할 수 있다.

    i) 향후 점증할 것으로 예상되는 대형 구조물에 대한 성능평가를 국내 기술진이 독자적 혹은 주도적으로 수행할 수 있으므로, 현재의 외국기술 의존도를 획기적으로 낮출 수 있다.
    ii) 주요건물의 준공검사 시 본 실험에 의한 동적계측 결과를 기록한 CD를 함께 요구하면, 정기적으로 수행하는 정밀 안전진단 시 동일한 실험을 수행하여 이전에 기록된
  • Index terms
  • 동적성능, 실험모달해석, 유한요소해석, 모델향상, 자연진동, 응답의존모달해석, 시스템판별, 고층건물
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