보·거더 부재 동특성 평가 표준 시험 방법 안내

당사는 보 및 거더 부재의 동특성 평가를 위한 정밀 측정 및 분석 서비스를 제공하여 구조물의 안전성과 성능 검증을 지원합니다.

보 및 거더 부재의 동특성(고유 진동수, 감쇠비, 모드 형상 등)은 구조물의 내구성과 안전성 평가에 중요한 요소이며, 정확한 측정과 표준화된 시험 방법이 필수적입니다.

당사는 최신 장비와 전문 기술력을 바탕으로 표준 시험 방법에 따른 동특성 평가를 수행하고 최적의 개선 방안을 제안합니다.

국토교통연구인프라운영원 단체표준 [SPS-F KOCED 0001-7251]

보 또는 거더 부재의 동특성평가를 위한 표준시험방법

Standard test method for dynamic characteristics evaluation of beam or girder element

1. 시험용 기구

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시험에 사용되는 시험기기 및 측정기기는 시험체에 필요한 가진량과 정확도에 따라 결정되며, 측정센서는 다음과 같은 변위계, 가속도계 또는 동등 이상의 성능을 가져야 한다.

1.1 시험기기

시험방법에 따라 시험기기의 종류를 결정하며, 충격 및 가진량에 따라 시험기기의 사양을 결정한다.

1.1.1 충격 가진장치

충격을 통해서 시험체에 가진을 하는 장치로 낙하식 충격 가진기(exciter), 임팩트 해머, 기계적 충격가진기, 인력가진 등이 있으며 가진 형태와 크기 선택을 위해 예측되는 진동수 범위를 평가하여 선택한다.

1.1.2 가진기

진동을 주는 가력방법에 따라 편심질량의 회전을 이용한 회전관성력 가진기와 수직 또는 수평방향으로 움직이는 관성력을 적용한 관성력 가진기로 구분될 수 있으며, 가진력의 발생기구에 따라 기계식,전기식, 유압식 가진기가 있다. 원심력을 이용한 정현파 가진이 가능하고 수평 또는 수직방향으로 가진력을 선택적으로 발생시킬 수 있으며, 이때 선택한 방향 이외의 다른 방향의 힘은 작용하지 않는 것으로 사용한다.

1.2 측정기기

계측 범위와 측정하고자 하는 물리적 응답신호에 따라 적정 계측기기 및 센서를 선택하여야 한다.

1.2.1 계측기기

계측기기는 동특성평가시 필요한 계측 센서들(가속도, 변위 등)의 신호를 모두 동시에 측정할 수 있어야 하며, A/D변환기(Analog to Digital converter)는 원하는 진동수의 샘플링이 가능하고 응답신호의 분해능이 높은 것을 사용한다.

1.2.2 측정센서

a) 일반적으로 구조물의 동특성(고유진동수, 감쇠비, 모드형상)을 측정하기 위해 가속도계를 사용하며, 충분한 가진력(가진기를 이용한 감쇠비 측정)이 확보되어 변위계로도 응답측정이 가능한 경우에는 변위계를 사용하여 측정할 수 있다. 센서는 진동수 응답, 측정범위, 정확도, 선형성, 감도, 공급전압 및 온도의존성 등을 포함한 정보가 제공되어야 한다.

b) 시험체의 응답을 측정하기 위한 것으로 시험성적서, 측정 및 데이터 수집 빈도와 진동수 범위가 제시된 교정된 센서를 사용한다. 잡음(noise)과 응답신호가 충분히 구분되어 응답신호 분석이 가능한 민감도(sensitivity)를 가지는 센서를 사용하여야 한다. 대부분의 경우 신호 대 잡음 비율(S/N비)이 20 이상인 것이 분석의 정밀도를 높일 수 있으며, 부득이한 경우라도 10보다 낮지 않는 것이 바람직하다.

c) 가속도계는 대상 시험체의 관심 최저진동수보다 낮은 진동수 대역을 포함할 수 있는 가속도계를 선택하여야 한다.

d) 변위계는 시험체의 진동수 범위를 충분히 측정할 수 있는 변위계를 사용해야한다.

2. 동특성평가 시험방법

2.1 충격하중을 이용한 시험

구조물에 일시적인 충격력을 발생시켜 넓은 진동수 영역을 가진하는 시험법으로 고유진동수, 감쇠비 산정 및 모드형상 분석에 활용할 수 있다.

2.1.1 시험 방법

충격하중을 이용한 시험방법은 아래와 같으며 최소 3회 이상 실시한다.

2.1.1.1 시험체 설치

시험체는 실제 부재 설치조건을 모사하여 경계조건을 구현하도록 설치한다. 구조물의 동특성은 경계 조건에 매우 민감하기 때문에 대상 시험체에 대한 경계조건을 정확히 구현하여야 한다.

2.1.1.2 센서 설치

a) 측정센서의 기본적인 설치는 KS B ISO 5348에 따른다.

b) 센서는 보 및 거더의 고유진동수, 감쇠비 및 모드형상 평가에 따라 신뢰성 있는 결과를 도출할 수 있을 정도의 충분한 센서를 설치해야 한다. 고유진동수 및 감쇠비 측정을 위해서는 최소 2개 이상의 센서를 사용하되 모드형상을 구하기 위해서는 구하고자 하는 모드 차수의 형상을 시각화 할 수 있을 정도의 충분한 가속도계를 사용하여야 한다.

c) 보 및 거더의 연직방향에 대한 센서의 설치 위치와 개수는 측정하고자 하는 모드의 차수와 모드 형상을 사전에 예측(구조해석을 통한 분석 등)하여 결정한다. 대부분의 보 및 거더의 경우 저차모드에서 휨과 비틀림 모드가 교차하여 발생하기 때문에 적은 수의 센서를 설치할 경우에는 사전검토가 꼭 필요하다.

2.1.1.3 계측기 설치 및 측정

a) 진동수분석 방법은 실제 측정진동수 범위의 1/2까지만 대칭적으로 분석되기 때문에 계측시에는 목표하는 진동수 범위의 최소 2배 이상의 샘플링으로 측정한다(특별히 목표하지 않는 경우에는 100 Hz 로 측정한다.).

b) 계측시에는 시험일지를 비치하여 센서 설치 위치도, 측정 채널 설정, 측정신호의 모니터링 상태 등을 파악하여 측정 시 오류 상태 등을 기술한다.

c) 계측기기는 신호대 잡음 비율을 줄이기 위해서 접지를 하여야 한다.

2.2 가진기를 이용한 시험

입력진동수 조절이 가능한 가진기를 이용하여 구조물의 공진진동수를 직접적으로 찾는 시험방법으로 고유진동수 및 감쇠비 산정을 위해 활용할 수 있다.

2.2.1 시험 방법

가진기를 이용한 시험방법은 아래와 같으며 최소 3회 이상 실시한다.

2.2.1.1 시험체 설치

2.1.1.1 과 동일한 방법으로 한다.

2.2.1.2 가진기 설치

a) 가진기는 보 및 거더의 상부 평면에 견고하게 설치하되 보 및 거더의 국부적인 가진 보다는 가진력을 전체구조물에 충분히 전달할 수 있도록 설치한다.

b) 측정하고자 하는 범위의 모드 차수를 고려하여 각각의 모드 차수에 대해 충분한 가진이 가능한 위치에 설치하되 모달(modal) 변위가 0인 모드 절점을 피하여 설치한다.

c) 횡단면 내에서는 편심 가진이 발생하지 않도록 중앙에 설치한다.

2.2.1.3 센서 설치

2.1.1.2 와 동일한 방법으로 한다.

2.2.1.4 계측기 설치 및 측정

2.1.1.3 과 동일한 방법으로 한다.

3. 분석

보 및 거더에 대한 동적시험은 주로 동특성(고유진동수, 모드형상 및 감쇠)을 구하기 위해 수행한다. 동적데이터에 대한 시간 및 진동수 영역에서의 데이터 분석에 대한 자세한 절차 및 방법은 KS B ISO 18649를 참조한다.