대형 교량의 건강 모니터링은 구조의 전반적인 행동을 실시간으로 모니터링하고 구조의 상태를 지능적으로 평가하려고 노력한다. 이와 함께 장거리 교량 설계 이론 및 역학 모델에 대한 검증, 구조 및 구조 환경에서 알 수 없거나 불확실한 문제에 대한 조사 및 연구도 교량 건강 모니터링의 내포에 녹아들고 있다. 최근 10 년간 교량 건강 모니터링의 연구 현황을 간략하게 요약하고, 교량 구조 건강 모니터링의 새로운 개념을 체계적으로 설명하고, 교량 공사 발전의 관점에서 대형 교량 모니터링 시스템 설계와 관련된 문제를 논의하여 모니터링 시스템의 발전을 위한 참고 자료를 제공하였다.
20 세기 교량 공학 분야의 성과는 프리스트레스 기술의 발전, 장거리 케이블 내력 교량의 건설, 초대형 스팬 교량의 탐구에 반영될 뿐만 아니라 교량 구조에 대한 지능형 제어와 지능형 모니터링을 실시하는 사람들의 생각과 노력에도 반영된다. 최근 20 년 동안 교량 항풍 내진 분야의 연구 성과와 신소재, 신기술의 발전은 장거리 교량의 발전을 촉진시켰다. 이와 함께 대형 중요 교량의 안전, 내구성, 정상 사용 기능에 대한 관심이 높아지면서 교량 건강 모니터링 시스템의 연구와 개발이 이뤄졌다. 교량 모니터링 데이터는 검증 구조 분석 모델, 계산 가정 및 설계 방법에 대한 피드백을 제공할 수 있기 때문에 장거리 교량 구조 및 해당 환경의 알 수 없거나 불확실한 문제를 심도 있게 연구하는 데 사용할 수 있습니다. 교량 설계 이론의 검증과 교량 구조 및 구조 환경의 알 수 없는 문제에 대한 조사 연구는 교량 건강 모니터링의 의미를 넓힙니다. 최근 10 년간 교량 건강 모니터링의 연구 현황과 장거리 교량 공학의 연구 발전을 바탕으로, 시스템은 교량 건강 모니터링의 내포를 설명하고 모니터링 시스템 설계와 관련된 문제를 검토하였다.
첫째, 교량 건강 모니터링 시스템의 개발과 이론.
1. 시스템 모니터링
1980 년대 중후반, 각종 교량 건강 모니터링 시스템이 잇따라 건립되었다. 영국의 경우 전체 길이 522m 의 3 스팬 가변 높이 연속 강철 상자 대들보 다리 포일교에 센서를 배치하여 교량 운영 단계 중 주 거더의 차량 및 풍하중 작용에 대한 진동, 처짐 및 변형 응답을 모니터링하면서 환경풍과 구조온도장을 모니터링합니다. 이 시스템은 실시간 모니터링, 실시간 분석 및 데이터 네트워크 공유를 가능하게 하는 가장 먼저 설치된 보다 정교한 모니터링 시스템 중 하나입니다. 건강 모니터링 시스템을 구축하는 전형적인 다리는 노르웨이의 Skarnsundet 사장교 (주 스팬 530m) [2], 미국의 Sunshine Skyway Bridge 사장교 주 스팬 440m, 덴마크의 Great Belt East 현수교 주 스팬1624m 입니다 1990 년대 이후 중국도 홍콩의 청마대교, 급수문대교, 정구대교, 상하이의 서포대교, 내지의 강음장대교 [6~8] 등 여러 규모의 구조감시시스템을 구축했다.
이러한 모니터링 시스템은 설정된 모니터링 시스템의 모니터링 목표, 기능 및 시스템 운영에서 다음과 같은 특징을 가지고 있습니다.
(1) 일반적으로 구조의 다양한 응답을 측정하는 감지 장치는 구조적 동작을 반영하는 다양한 기록을 얻습니다.
(2) 구조 자체의 상태와 행동을 모니터링하는 것 외에도 구조가 위치한 환경 조건 (예: 바람, 차량 부하 등) 도 모니터링해야 합니다. ) 모니터링, 기록 및 분석도 가능합니다. 한편, 정상적인 차량과 풍하 작용에 따른 교량의 동력 응답을 통해 구조의' 지문' 을 만들어 실시간 구조적 무결성 및 안전성 평가 기술을 개발하려고 합니다.
(3) 운영 후 구조 상태를 지속적으로 또는 간헐적으로 모니터링하여 연속적이고 완전한 교량 구조 정보를 얻기 위해 노력합니다. 일부 교량 모니터링 센서는 교량 시공 단계에서 시공의 질을 감시하기 위해 일을 시작한다.
(4) 모니터링 시스템은 빠르고 대용량 정보 수집, 통신 및 처리 기능을 갖추고 있으며 네트워크에서 데이터 공유를 가능하게 합니다.
이러한 특징들은 장거리 교량의 건강 모니터링을 전통적인 교량 검사 과정과 다르게 한다. 또한 다리 건강 모니터링의 대상은 더 이상 구조 자체에 국한되지 않는다는 점을 지적해야 합니다. 일부 중요한 보조 시설의 작동 상황도 장기 모니터링 범위 (예: 스테이케이블 진동 제어 장치 [4] 등) 에 포함됩니다. ).
2. 이론 연구
10 여 년 동안 교량 건강 모니터링 이론의 연구는 주로 구조적 무결성 평가와 손상 식별에 초점을 맞추었다. 진동 정보를 기반으로 한 무결성 평가 기술이 항공 우주, 기계 등에 대한 심도 있는 연구와 적용으로 무손실 탐지 기술 외에 토목 구조에서 가장 중요한 무결성 평가 방법으로 널리 연구되고 있습니다. 진동 측정에 기반한 무결성 평가 방법 연구에 주력하는 또 다른 이유는 교량 운영 과정에서 구조적 진동 정보를 환경 진동 방법을 통해 얻을 수 있기 때문에 실시간 모니터링의 잠재력을 가지고 있기 때문입니다.
구조적 무결성 평가 방법은 패턴 인식 방법, 시스템 인식 방법 및 신경망 방법의 세 가지 범주로 나눌 수 있습니다. 구조 모달 매개변수는 종종 구조의 지문 피쳐로 사용되며 시스템 인식 방법 및 신경망 방법의 주요 입력 정보입니다. 또한 구조적 변형 모드, 변형 곡률 등의 정적 응답을 기준으로 하는 평가 방법도 손상 감지 능력 [10] 을 다르게 보여줍니다. 그러나 일부 무결성 평가 기술은 일부 간단한 구조에 성공적으로 적용되었지만 복잡한 구조에 안정적으로 적용될 수는 없습니다. 이 기술의 응용을 방해하는 주요 원인은 다음과 같습니다. 1 구조 및 환경의 불확실성 및 비구조적 요인의 영향 ② 측정 정보가 불완전합니다. (3) 측정 정확도가 충분하지 않고 측정 신호에 소음이 있습니다. ④ 교량 구조의 중복도가 커서 측정 신호는 구조의 국부 손상에 민감하지 않다.
또한, 평가 방법의 관점에서 볼 때, 현재 장거리 교량의 안전성 평가는 기본적으로 기존의 중소 교량 등급 평가 방법을 따르고 있으며, 이는 질적, 표면, 주로 구조적 외관 및 정상 사용 성능 위주의 안전성 평가이다.
둘째, 교량 건강 모니터링의 새로운 개념
교량 건강 모니터링의 기본 내포는 교량의 구조 상태를 모니터링하고 평가하는 것으로, 특수한 기후, 교통 조건 또는 심각한 이상 교량 운행 상황에서 교량에 대한 경보 신호를 트리거하여 교량 정비 및 관리 결정에 대한 근거와 지침을 제공합니다. 이를 위해 모니터링 시스템은 다음을 모니터링합니다.
교량 구조는 정상적인 환경과 교통 조건에서 물리적 및 기계적 상태입니다.
교량의 중요한 비구조 부재 (지지 포함) 및 보조 시설 (예: 진동 제어 구성요소) 의 작동 조건
구조 부재의 내구성;
교량의 환경 조건; 잠깐만요.
전통적인 탐지 기술과 달리, 대형 교량 건강 모니터링은 빠르고 대용량 정보 수집 및 통신 기능을 필요로 할 뿐만 아니라, 구조의 전반적인 행동을 실시간으로 모니터링하고 구조의 상태를 지능적으로 평가해야 합니다.
그러나 교량 구조 건강 모니터링은 단순히 구조 상태를 모니터링하고 평가하는 것이 아닙니다. 대형 교량 (특히 사장교와 현수교) 의 역학 및 구조적 특성과 그 기반이 되는 특정 환경으로 인해 교량 설계 단계에서 구조의 역학 특성과 동작을 완전히 파악하고 예측하는 것은 매우 어렵습니다. 장거리 케이블로 고정 된 교량의 설계는 이론적 분석에 의존하며 풍동 및 진동 테이블 시뮬레이션 테스트를 통해 교량의 동적 성능을 예측하고 동적 안전성을 검증합니다. 그러나 구조 이론 분석은 종종 이상화된 유한 요소 이산 모델을 기반으로 하며, 분석은 종종 많은 가정을 기반으로 합니다. 풍동 또는 진동대 실험에서 교량 바람 환경 및 지면 진동에 대한 시뮬레이션은 실제 브리지 사이트 환경과 정확히 일치하지 않을 수 있습니다. 따라서 교량 상태 모니터링을 통해 얻은 실제 구조의 동적 정적 동작을 통해 교량의 이론적 모델과 계산 가정을 검증하는 것이 중요합니다. 사실, 외국의 일부 중요한 다리는 건강 모니터링 시스템을 구축할 때 모니터링 정보를 이용하여 구조의 설계를 검증하는 것을 강조한다.
교량 건강 모니터링 정보 피드백이 구조 설계에서 의미심장한 것은 구조 설계 방법 및 해당 사양 및 표준이 개선될 수 있다는 것입니다. 또한 다양한 교통 조건과 자연 환경에서 교량의 실제 행동에 대한 이해와 환경 하중에 대한 합리적인 모델링이 미래의 다리 실현의 관건이다. Quot 가상 디자인 "을 참조하십시오.
또한 교량 건강 모니터링은 모니터링 시스템과 특정 교량 설계에 대한 반성을 가져올 뿐만 아니라 교량 연구의' 현장 실험실' 이 될 수 있다는 점도 알아야 한다. 교량 내풍 내진분야의 연구 성과와 신소재, 신기술의 출현이 교량의 발전을 계속 추진하고 있지만, 장거리 교량의 설계에는 여전히 많은 미지의 가설과 초장거리 교량의 설계도 연구해야 할 문제가 많다. 동시에 교량 구조 제어 및 건강 평가 기술에 대한 심층적 인 연구 및 개발에는 구조 현장 테스트 및 조사가 필요합니다. 교량 건강 모니터링은 교량 공학의 미지의 문제와 초대형 스팬 교량의 연구에 새로운 계기를 제공한다. 교량 구조 및 운영 환경에서 얻은 정보는 이론 연구 및 실험실 조사를 보완할 뿐만 아니라 구조적 행동 및 환경 법칙에 대한 가장 진실한 정보를 제공합니다. 또한 교량 진동 제어 및 건강 평가 기술의 개발과 적용에는 현장 실험과 조사가 필요합니다.
요약하면, 대형 교량의 건강 모니터링은 전통적인 교량 검사 및 구조 평가의 신기술 일뿐만 아니라 구조 모니터링 및 평가, 설계 검증 및 개발의 의미도 부여했습니다.
셋째, 건강 모니터링 시스템 설계
1. 모니터링 시스템 설계 표준
두 개의 대형 교량 건강 모니터링 시스템의 측량점 배치를 보면 두 모니터링 시스템의 모니터링 프로젝트와 규모가 크게 다르다는 것을 알 수 있다. 이러한 차이는 주로 각 모니터링 시스템에 대한 투자 및/또는 각 시스템을 구축하는 목적 (또는 시스템에 대한 기능 요구 사항) 이 다르기 때문에 브리지 유형, 브리지 사이트 등의 환경 요인을 제외하면 발생합니다. 따라서 교량 모니터링 시스템의 설계는 실제로 의도하지 않게 몇 가지 지침을 따르고 있다.
분명히 모니터링 시스템의 설계는 먼저 시스템 구축의 목적과 기능을 고려해야 합니다. 앞서 언급한 교량 건강 모니터링의 세 가지 측면의 의의도 교량 건강 모니터링의 목적과 역할이다. 특정 교량의 경우, 건강 모니터링 시스템을 구축하는 목적은 교량 모니터링 평가, 설계 검증 또는 연구 개발일 수 있습니다. 둘 혹은 전부일 수도 있습니다. 일단 체계 구축의 목적이 확정되면, 체계의 모니터링 프로젝트를 기본적으로 확정할 수 있다. 또한 모니터링 시스템의 각 모니터링 프로젝트의 규모와 사용 중인 센서 및 통신 장비의 결정은 투자의 한계를 고려해야 합니다. 따라서 모니터링 시스템을 설계할 때 모니터링 시스템 시나리오에 대한 비용 편익 분석이 필요합니다. 비용 효과 분석은 효율적이고 합리적인 모니터링 체계를 구축하기 위한 전제 조건이다.
기능 요구 사항 및 비용 효율성 분석에 따라 모니터링 프로젝트 및 측정 지점을 원하는 범위로 설계하고 시스템 하드웨어 시설의 선택 및 설치를 최적화할 수 있습니다. 따라서 기능 요구 사항 및 이익 비용 분석은 교량 건강 모니터링 시스템을 설계하는 두 가지 기준입니다.
2. 프로젝트 모니터링
기능 목표에 따라 서로 다른 모니터링 프로젝트가 필요합니다. 장거리 교량 모니터링 시스템의 모니터링 프로젝트는 대부분 구조 모니터링과 평가를 위주로 하고 있으며, 구조 설계 검증, 심지어 일부 모니터링 프로젝트도 교량 문제에 대한 연구 [5] 를 병행한다. 문헌 [12] 국내 여러 운영 사장교에 대한 대량의 병해 조사 및 검사 분석을 바탕으로 사장교 상태 모니터링 및 평가를 위한 대표적인 모니터링 방안을 제시했다.
모니터링 시스템에 구조 설계 검증 기능이 있는 경우 구조 시스템 식별에 필요한 추가 정보가 필요합니다. 따라서 나머지 지지가 있는 장거리 교량의 경우 브리지 타워, 보강 빔 및 케이블/케이블에 더 많은 센서를 배치하여 보다 자세한 구조적 동력 동작을 얻고 구조 설계의 동력 분석 모델과 응답 예측을 검증해야 합니다. 또한 힘 전달 및 제약 조건을 반영하는 정보를 얻으려면 브래킷, 블록 및 일부 연결 부품에 센서를 설치해야 합니다.
현재 일부 모니터링 시스템의 목적 중 하나는 구조적 무결성 및 보안 평가 기술을 개발하는 것입니다. 교량 문제 연구와 결합된 모니터링 시스템은 드물지만 일부 시스템에는 연구 전용 모니터링 프로젝트도 있다. 이론 연구와 관련된 모니터링 프로젝트는 연구할 문제의 성격에 따라 결정될 수 있다. 현재 교량 공사의 발전을 보면, 교량 건강 모니터링을 통해 다음과 같은 문제를 더 연구하거나 논증할 수 있다.
바람 저항: 풍계 특성 관찰, 자연 풍장에서의 구조 동작, 바람 저항 안정성을 포함합니다.
지진 측면: 다양한 현장 지면 진동의 시공 변화, 토양-구조물 상호 작용, 진행파 효과 및 다중점 인센티브가 구조 반응에 미치는 영향을 연구하는 것을 포함합니다. 교각 꼭대기와 교각 바닥의 변형, 변형 및 가속도를 모니터링함으로써 복원력을 모델링하는 것은 교량의 내진 해석에 큰 의미가 있다.
구조적 무결성 상태: 강한 바람과 강한 지면 진동 하에서 구조의 비선형 특성을 연구하는 것, 브리지 환경 조건의 변화가 구조 동력 특성과 정적 (내부 힘 분포 및 변형) 에 미치는 영향을 포함합니다. 이는 모니터링 데이터를 기반으로 한 전반적인 평가 방법을 개발하는 데 매우 중요합니다.
구조적 로컬 문제: 경계, 연결 조건, 강철 빔 용접 피로 등 피로 문제, 복합 빔 접합면 (전단 키 포함) 파괴 기계 등 케이블 하중지지 교량의 케이블 및 붐의 진동, 진동 감소 및 국부 파괴 기계도 더 관찰하고 연구할 가치가 있다.
내구성: 교량 구조의 내구성은 아직 더 연구해야 할 문제가 많다. 케이블과 붐의 부식과 녹이 특히 주의해야 한다.
기초: 큰 지름 파일을 사용하면 일부 설계 문제가 발생할 수 있으며, 중간 지름 파일에 기존 계산 방법을 직접 적용하는 것은 합리적이지 않습니다. 대형 교량 모니터링 시스템을 이용하여, 대구경 파일의 변형 법칙을 조사하고, 말뚝의 지지력을 연구하는 것도 설계 부서의 필요성이다.
넷. 요약
(1) 교량 구조 건강 모니터링은 전통적인 교량 검사 기술에 대한 단순한 개선이 아니라 현대 감지 및 통신 기술을 활용하여 다양한 환경 조건에서 교량 운영 단계의 구조적 응답과 행동을 실시간으로 모니터링하고, 구조 상태와 환경 요인을 반영하는 다양한 정보를 얻습니다. 구조 건강 상태를 분석하고 구조의 신뢰성을 평가하여 교량의 관리 및 유지 관리 결정에 대한 과학적 근거를 제공합니다. 한편, 대형 교량 구조 건강 모니터링은 구조 설계 이론과 방법을 검증하고 보완하며, 다양한 구조 제어 기술을 개발 및 구현하고, 대형 교량 구조의 미지의 문제를 심도 있게 연구하는 데 큰 의미가 있습니다. 따라서 건강 모니터링은 교량 공사의 발전을 위한 새로운 공간을 열었다.
(2) 대형 교량 건강 모니터링의 의미는 교량 정비 관리, 설계 컨설팅 및 이론 연구에 종사하는 사람들의 관심을 반영한다. 모니터링 시스템의 설계는 기능 요구 사항 및 이익 비용 분석을 기반으로 해야 합니다. 또한 모니터링 시스템의 설계를 최적화하고 분석하려면 시스템 구현에서 매우 중요한 통신 문제를 고려해야 합니다.
(3) 장거리 케이블로 고정 된 교량 및 현수교의 경우 무결성 평가는 구조 안전 상태 평가의 일부일뿐입니다. 무결성 평가만으로는 교량 구조의 안전 상태를 설명 할 수 없습니다. 한편, 장거리 교량의 역학 특성에 따라 그 안전성 평가가 이념과 방법면에서 기존의 중소교와 다르다는 것이 결정된다.
(4) 장거리 교량 구조 안전 상태 평가의 목적은 교량 운영 위험을 통제하고 재해 감소 결정을 지원하는 것입니다. 따라서 교량 상태 모니터링 시스템의 안전성 평가와 함께 얻은 모니터링 데이터를 통해 교량 구조의 기본 상태와 구조 동작을 평가할 수 있어야 합니다. 지진과 같은 우연한 사건 이후 주요 부위의 구조적 손상과 변화를 정기적으로 또는 식별하고, 교량 구조의 수명 주기 각 단계의 적재능력, 항풍능력, 내진능력을 객관적이고 정량적으로 평가한다.
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