[논문 리뷰] Time-frequency analysis of Transitory/Permanent frequency decrease in civil engineering structures during earthquakes

Clotaire Michel, Philippe Guéguen|2008. 03. 12.

Structural Health Monitoring Techniques참고 문헌 11인용 수 52

한 줄 요약

이 연구는 지진 동안 건축물의 일시적 및 영구적인 주파수 이동을 조사하기 위해 재할당된 스무딩된 가짜 위글-빌 분포를 사용한 시간-주파수 분석을 수행한다. 분석 결과, 강한 지진 동요는 지반-구조 시스템 손상으로 인한 주요 공진 주파수의 급격한 초기 감소를 유도하며, 이어 느린 회복이 이루어지지만, 약한 지진의 경우 지반 동요 스펙트럼과 연관된 주파수 변화가 관찰되어 구조적 손상과는 무관하다고 밝혀졌다.

ABSTRACT

The analysis of strong motion recordings in structures is crucial to understand the damaging process during earthquakes. A very precise time-frequency representation, the reassigned smoothed pseudo-Wigner-Ville method, allowed us to follow the variation of the Millikan Library (California) and the Grenoble City Hall building (France) resonance frequencies during earthquakes. Under strong motions, a quick frequency drop, attributed to damage of the soil-structure system, followed by a slower increase is found. However, in the case of weak earthquakes, we show that frequency variations come from the ground motion spectrum and cannot be interpreted in terms of change of the soil-structure system.

연구 동기 및 목표

• 강한 지진과 약한 지진 동안 구조물의 공진 주파수 변화를 고해상도 시간-주파수 분석을 통해 연구하기.
• 실제 구조적 손상으로 인한 주파수 변화와 지반 동요 특성에 기인한 변화를 구분하기.
• 주파수 이동이 구조물 건강 상태를 평가하는 지표로 민감도와 신뢰성을 평가하기.
• 재할당된 스무딩된 가짜 위글-빌 분포가 일시적 주파수 동역학을 얼마나 잘 포착하는지 평가하기.
• 지진 중 주파수 감소가 지반-구조 시스템의 영구적 변화인지 일시적 변화인지 규명하기.

제안 방법

• 강진 기록의 고해상도 시간-주파수 표현을 위해 재할당된 스무딩된 가짜 위글-빌 분포 적용.
• 캘리포니아 밀리컨 도서관 및 프랑스 그레노블 시청에서의 지진 발생 시 가속도 데이터 분석.
• 시간-주파수 표현을 활용해 구조물의 주요 공진 주파수 변화를 실시간으로 추적.
• 강한 지진과 약한 지진 동요에서의 주파수 변화를 비교하여 시스템 고유의 영향과 지반 동요 스펙트럼의 영향을 분리.
• 시간-주파수 표현의 시간적 변화를 기반으로 일시적 및 영구적 주파수 이동 식별.
• 관측된 주파수 변화와 알려진 지진 강도 및 구조물 반응 특성 간 상관관계를 통해 결과 검증.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 지진 중 구조물의 공진 주파수 감소는 무엇에 기인하는가?
• RQ2 관측된 주파수 이동이 실제 지반-구조 시스템 손상의 결과인지, 지반 동요 스펙트럼 특성의 영향인지 어느 정도인지?
• RQ3 재할당된 스무딩된 가짜 위글-빌 분포가 구조물 반응의 시간에 따라 변화하는 주파수 성분을 얼마나 정확하게 해상도를 높여서 분석할 수 있는가?
• RQ4 약한 지진 동요 중 주파수 변화는 구조적 손상의 징후인지, 단지 입력 지반 동요에 의한 변조일 뿐인지?
• RQ5 주파수 이동의 시간적 변화 양상으로부터 가역적 변화와 비가역적 변화를 구별할 수 있는가?

주요 결과

• 강한 지진 동요 중 지반-구조 시스템의 일시적 손상 또는 강성 감소로 인해 공진 주파수의 급격한 초기 감소가 관찰되었다.
• 초기 감소 이후 주파수가 서서히 회복되는 경향이 관찰되어 강성 또는 점성 감쇠 특성이 점차 복귀하는 것으로 추정된다.
• 약한 지진에서는 주파수 변화가 지반 동요 스펙트럼과 상관관계를 보였으며, 이는 구조적 시스템의 영구적 변화가 없음을 시사한다.
• 재할당된 스무딩된 가짜 위글-빌 방법은 고해상도 시간-주파수 분석을 제공하여 지진 발생 중 주파수 변화의 정밀한 추적을 가능하게 하였다.
• 본 연구는 강한 진동 중 주파수 감소가 지반 동요의 영향만으로 발생하는 것이 아니며, 실제로 지반-구조 상호작용의 변화를 반영한다는 점을 확인하였다.
• 분석된 구조물에서는 영구적 주파수 이동을 관찰하지 못하였으며, 이는 시스템의 동적 특성이 대부분 사라진 후 복귀한 것으로 보인다.