[논문 리뷰] In Situ Experiment and Modelling of RC-Structure Using Ambient Vibration and Timoshenko Beam

Clotaire Michel, Stéphane Hans외 2명|ArXiv.org|2007. 09. 26.

Structural Health Monitoring Techniques참고 문헌 3인용 수 4

한 줄 요약

이 연구는 현장에서 측정한 환경 진동 데이터를 이용하여 철근 콘크리트(RC) 구조물의 동적 거동을 표현하기 위해 단순화된 티모셴코 빔 모델을 제안한다. 그뢰노의 구조적으로 동일한 세 개의 건물에서 확보한 18채널 데이터에 주파수 도메인 분해(FDD)를 적용함으로써, 빔 파ameters와 고유진동수 사이의 일대일 대응 관계를 수립하여 실험 모드 형상과 고유진동수에 대한 정확한 校정 및 검증이 가능해졌으며, 뛰어난 일치도를 보였다.

ABSTRACT

Recently, several experiments were reported using ambient vibration surveys in buildings to estimate the modal parameters of buildings. Their modal properties are full of relevant information concerning its dynamic behaviour in its elastic domain. The main scope of this paper is to determine relevant, though simple, beam modelling whose validity could be easily checked with experimental data. In this study, we recorded ambient vibrations in 3 buildings in Grenoble selected because of their vertical structural homogeneity. First, a set of recordings was done using a 18 channels digital acquisition system (CityShark) connected to six 3C Lennartz 5s sensors. We used the Frequency Domain Decomposition (FDD) technique to extract the modal parameters of these buildings. Second, it is shown in the following that the experimental quasi-elastic behaviour of such structure can be reduced to the behaviour of a vertical continuous Timoshenko beam. A parametric study of this beam shows that a bijective relation exists between the beam parameters and its eigenfrequencies distribution. Consequently, the Timoshenko beam parameters can be estimated from the experimental sequence of eigenfrequencies. Having the beam parameters calibrated by the in situ data, the reliability of the modelling is checked by complementary comparisons. For this purpose, the mode shapes and eigenfrequencies of higher modes are calculated and compared to the experimental data. A good agreement is also obtained. In addition, the beam model integrates in a very synthetic way the essential parameters of the dynamic behaviour.

연구 동기 및 목표

• RC 건물의 동적 거동을 표현하기 위한 단순화되었지만 신뢰할 수 있는 빔 모델을 개발하기 위해.
• 구조적으로 동일한 건물들로부터의 현장에서 측정한 환경 진동 데이터를 이용하여 빔 파ameters를 校정하기 위해.
• 예측된 고유진동수와 모드 형상을 실험 데이터와 비교하여 모델의 정확도를 검증하기 위해.
• 모델 식별을 위한 빔 파ameters와 고유진동수 분포 사이의 일대일 대응 관계를 수립하기 위해.
• 최소한의 복잡성으로도 고유모드의 동적 거동을 효과적으로 포괄할 수 있는 모델의 능력을 입증하기 위해.

제안 방법

• 18채널 디지털 측정 시스템(CityShark)과 6대의 3C Lennartz 5s 센서를 사용하여 현장에서 환경 진동 측정을 수행하였다.
• 환경 진동 데이터에서 고유진동수 및 모드 형상과 같은 모드 매개변수를 추출하기 위해 주파수 도메인 분해(FDD)를 적용하였다.
• 철근 콘크리트 구조물의 준탄성 동적 거동을 표현하기 위해 수직 연속 티모셴코 빔 모델을 수립하였다.
• 티모셴코 빔의 매개변수 연구를 통해 빔 파ameters와 고유진동수 분포 사이의 일대일 사상 관계를 수립하였다.
• 모델의 정확성 확보를 위해 실험적 고유진동수 순서를 이용하여 빔 파ameters를 校정하였다.
• 예측된 고유모드 고유진동수와 모드 형상을 측정된 데이터와 비교하여 校정된 모델을 검증하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 환경 진동 데이터를 기반으로 한 티모셴코 빔 모델이 RC 건물의 동적 거동을 정확하게 표현할 수 있는가?
• RQ2 티모셴코 빔 파ameters와 RC 구조물의 고유진동수 분포 사이에 유일하고 일대일 대응 관계가 존재하는가?
• RQ3 교정된 티모셴코 빔 모델이 실험 측정값과 일치하는 정도로 고유모드의 형상과 진동수를 예측할 수 있는가?
• RQ4 현장에서의 환경 진동 데이터만으로 모델 파ameters를 신뢰성 있게 추정할 수 있는가?
• RQ5 간단한 빔 모델이 최소한의 복잡성으로도 RC 건물의 핵심 동적 특성을 효과적으로 포착할 수 있는가?

주요 결과

• 티모셴코 빔 파ameters와 고유진동수 분포 사이에 일대일 대응 관계가 수립되어 실험 데이터로부터 파ameters를 유일하게 식별할 수 있었다.
• 교정된 티모셴코 빔 모델은 고유진동수와 모드 형상 모두에서 실험 데이터와 뛰어난 일치도를 보였다. 고유모드의 경우에도 마찬가지였다.
• 모델은 오직 환경 진동 측정 데이터와 FDD 처리만을 사용하여 세 개의 RC 건물의 준탄성 동적 거동을 성공적으로 포착하였다.
• 매개변수 연구를 통해 측정된 고유진동수 순서로부터 빔 파ameters를 신뢰성 있게 추정할 수 있음을 확인하였다.
• 예측된 모드 형상과 측정된 형상 간의 비교를 통한 검증을 통해 모델의 정확성과 강건성을 확인하였다.
• 본 연구는 단순한 티모셴코 빔 모델이 최소한의 데이터로도 복잡한 RC 구조물을 높은 정밀도로 효과적으로 표현할 수 있음을 입증하였다.