KR101529690B1 - System for monitoring building shake using time domain decomposition - Google Patents

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KR101529690B1
KR101529690B1 KR1020150052376A KR20150052376A KR101529690B1 KR 101529690 B1 KR101529690 B1 KR 101529690B1 KR 1020150052376 A KR1020150052376 A KR 1020150052376A KR 20150052376 A KR20150052376 A KR 20150052376A KR 101529690 B1 KR101529690 B1 KR 101529690B1
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문대중
김병화
정진우
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주식회사 이제이텍
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    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01H—MEASUREMENT OF MECHANICAL VIBRATIONS OR ULTRASONIC, SONIC OR INFRASONIC WAVES
    • G01H11/00—Measuring mechanical vibrations or ultrasonic, sonic or infrasonic waves by detecting changes in electric or magnetic properties
    • G01H11/06—Measuring mechanical vibrations or ultrasonic, sonic or infrasonic waves by detecting changes in electric or magnetic properties by electric means
    • G—PHYSICS
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Abstract

TDD 기법을 이용한 지진 모니터링 시스템이 개시된다. 건물의 진동을 측정하여 진동 신호를 출력하는 3축 진동 센서 모듈; 상기 3축 진동 센서 모듈에 의해 출력된 진동 신호를 수집하여 신호 처리를 수행하는 신호 처리 모듈; 상기 신호 처리 모듈에 의해 신호 처리가 수행된 진동 신호에 대해 FFT 연산없이 시간 영역 상에서 공간 변수인 모드 형상을 추출하고, 상기 추출된 모드 형상을 이용하여 상기 신호 처리 모듈에 의해 신호 처리가 수행된 진동 신호에 대해 FFT 연산을 수행하여 시간 변수인 고유 진동수 및 감쇠비를 추출하는 TDD 모듈; 상기 TDD 모듈에 의해 추출된 고유 진동수 및 감쇠비와 모드 형상을 이용하여 상기 건물의 손상 위치 및 손상 정도를 판단하는 건물 손상 판단 모듈을 구성한다. 상술한 TDD 기법을 이용한 건물 진동 모니터링 시스템에 의하면, 수많은 진동 센서가 설치되는 대형 건물에서 진동 센서의 진동 측정값을 푸리에 변환없이 시간 영역에서 직접 모드 형상을 추출하도록 구성됨으로써, 대형 구조물의 고해상도 모드 형상을 실시간으로 신속하게 추출할 수 있는 효과가 있다.An earthquake monitoring system using a TDD technique is disclosed. A 3-axis vibration sensor module for measuring the vibration of the building and outputting a vibration signal; A signal processing module for collecting the vibration signal output by the three-axis vibration sensor module and performing signal processing; And a controller for extracting a mode shape that is a spatial variable on a time domain without performing an FFT operation on the vibration signal on which the signal processing is performed by the signal processing module, A TDD module for performing an FFT operation on a signal to extract a natural frequency and an attenuation ratio, which are time variables; A building damage determination module for determining a damage location and damage degree of the building using the natural frequency and the damping ratio and the mode shape extracted by the TDD module. According to the building vibration monitoring system using the TDD technique, the vibration measurement value of the vibration sensor can be directly extracted in the time domain without Fourier transformation in a large building in which a large number of vibration sensors are installed, Can be extracted quickly in real time.

Description

TDD 기법을 이용한 건물 진동 모니터링 시스템{SYSTEM FOR MONITORING BUILDING SHAKE USING TIME DOMAIN DECOMPOSITION}[0001] SYSTEM FOR MONITORING BUILDING SHAKE USING TIME DOMAIN DECOMPOSITION [0002]

본 발명은 건물 진동 모니터링 시스템에 관한 것으로서, 구체적으로는 TDD(time domain decomposition) 기법을 이용한 건물 진동 모니터링 시스템에 관한 것이다.
The present invention relates to a building vibration monitoring system, and more particularly, to a building vibration monitoring system using a time domain decomposition (TDD) technique.

일반적으로 고층 건물들은 내진(earthquake-proof) 특성을 갖도록 구성되며, 지진에 의한 건물 진동을 파악하여 신속하게 대처하는 시스템이 구비되어 있다.Generally, high-rise buildings are constructed to have earthquake-proof characteristics, and there is a system for promptly coping with building vibration caused by earthquakes.

건물의 진동에 대한 동적 특성은 구조물의 고유 진동수, 감쇠비와 모드 형상(mode shape)과 같은 고유 특성치가 있다.The dynamic characteristics of the vibration of the building are the characteristic values such as natural frequency, damping ratio and mode shape of the structure.

여기서, 모드 형상은 구조물이 외부로부터 순간적인 하중, 즉 충격을 받아 진동할 때 구조물의 특성(질량과 강성)에 따라서 구조물이 진동하는 모양(형상)과 진동수가 정해지는데, 그 형상을 모드 형상이라고 하며 그 진동수를 고유 진동수라고 한다. 건물의 내진, 면진, 제진의 동적 해석과 동적 설계를 위해 가장 중요하게 활용되는 구조물의 동적 특성이다.Here, the mode shape is determined by the shape (shape) and the frequency of vibration of the structure depending on the characteristics (mass and rigidity) of the structure when the structure vibrates due to an instantaneous load, The frequency is called the natural frequency. It is the dynamic characteristic of the structure which is most importantly used for dynamic analysis and dynamic design of seismic isolation, seismic isolation, and vibration control of buildings.

초고층 건물은 대형 토목 구조물로서 수많은 진동 센서들이 건물 곳곳에 설치되고 각 진동 센서들로부터 추출해야 하는 실측값들 역시 매우 많다. 또한 이들 실측값들로부터 계산해야 하는 고유 특성치 역시 상당한 계산량과 고난이도를 갖는다.High-rise building is a large civil engineering structure. Numerous vibration sensors are installed everywhere in the building and there are many actual values to be extracted from each vibration sensor. Also, the characteristic values to be calculated from these measured values have considerable computational complexity and high degree of complexity.

기존의 구조물 진동 분석 방법에는 PP 기법, ITD 기법, ERADC 기법, SSI 기법, FDD 기법 등이 있는데, 이들은 많은 양의 계산과 고난이도 자료 처리 기술이 요구되며 이러한 계산과 기술은 자동화가 어렵다는 단점도 있다.The existing structural vibration analysis methods include PP method, ITD method, ERADC method, SSI method, and FDD method, which require a large amount of computation and high-level data processing technology, and these calculations and techniques are also difficult to automate.

실시간으로 수많은 진동 센서에서 고유치를 추출해야 하는 초고층 건물에는 적절치 못하다는 단점이 있다. It is not suitable for high-rise buildings that need to extract eigenvalues from a large number of vibration sensors in real time.

최근에는 대규모의 고해상도 모드 형상(mode shape)을 실시간 추출하는 방법이 개발되었지만, 디지털 필터링된 단자 유도 시간 이력으로부터 시간 변수들을 추출한다는 점에서는 여전히 기존 방식에 따르고 있으며, 고유 특성치의 신속한 계산과 추출에는 여전히 한계가 있다는 문제점이 있다.
In recent years, a method of real-time extraction of a large-scale high-resolution mode shape has been developed. However, the method of extracting time variables from the digitally filtered terminal induction time history still follows the conventional method. There is still a problem that there is a limit.

대한민국 등록특허 제1113660호(2012.02.29.)Korean Registered Patent No. 1113660 (Feb. 29, 2012)

본 발명의 목적은 TDD 기법을 이용한 건물 진동 모니터링 시스템을 제공하는 데 있다.
An object of the present invention is to provide a building vibration monitoring system using a TDD technique.

상기 본 발명의 목적에 따른 TDD 기법을 이용한 건물 진동 모니터링 시스템은, 건물의 진동을 측정하여 진동 신호를 출력하는 3축 진동 센서 모듈; 상기 3축 진동 센서 모듈에 의해 출력된 진동 신호를 수집하여 신호 처리를 수행하는 신호 처리 모듈; 상기 신호 처리 모듈에 의해 신호 처리가 수행된 진동 신호에 대해 파형 및 스펙트럼을 분석하고 분석된 파형 및 스펙트럼에 대한 통계 처리를 수행하여 출력하는 신호 분석 모듈; 상기 신호 처리 모듈에 의해 신호 처리가 수행된 진동 신호에 대해 FFT 연산없이 시간 영역(time domain) 상에서 공간 변수인 모드 형상(mode shape)을 추출하고, 상기 추출된 모드 형상을 이용하여 상기 신호 처리 모듈에 의해 신호 처리가 수행된 진동 신호에 대해 FFT(fast Fourier Transform) 연산을 수행하여 시간 변수인 고유 진동수 및 감쇠비를 추출하는 TDD(time domain decomposition) 모듈; 및 상기 TDD 모듈에 의해 추출된 고유 진동수 및 감쇠비와 모드 형상을 이용하여 상기 건물의 손상 위치 및 손상 정도를 판단하는 건물 손상 판단 모듈을 포함하도록 구성될 수 있다.A building vibration monitoring system using the TDD technique according to the present invention comprises a three-axis vibration sensor module for measuring a vibration of a building and outputting a vibration signal; A signal processing module for collecting the vibration signal output by the three-axis vibration sensor module and performing signal processing; A signal analysis module for analyzing the waveform and spectrum of the vibration signal subjected to the signal processing by the signal processing module, performing statistical processing on the analyzed waveform and spectrum, and outputting the statistical processing; Extracting a mode shape, which is a spatial variable, in a time domain without performing an FFT operation on the vibration signal subjected to the signal processing by the signal processing module, and using the extracted mode shape, A time domain decomposition (TDD) module for performing a fast Fourier transform (FFT) operation on the vibration signal subjected to the signal processing by the frequency domain decomposition module and extracting a natural frequency and an attenuation ratio which are time variables; And a building damage determination module for determining a damage location and damage degree of the building using the natural frequency and the damping ratio and the mode shape extracted by the TDD module.

이때, 상기 3축 진동 센서 모듈은, 상기 건물의 단순지지 보에 p개가 설치되는 경우, 시간 t에 대한 응답 가속도의 시간 이력이 하기 수학식과 같이 산출되고, [수학식]

Figure 112015036243020-pat00001
여기서,
Figure 112015036243020-pat00002
는 가속도 벡터로서
Figure 112015036243020-pat00003
이고,
Figure 112015036243020-pat00004
는 i번째 모드 형상 벡터로서
Figure 112015036243020-pat00005
이고,
Figure 112015036243020-pat00006
는 i번째 기여도(contribution factor)이고, p는 상기 3축 진동 센서 모듈의 위치를 나타내도록 구성될 수 있다.In this case, when the p-th triaxial vibration sensor module is provided with p pints in the simple support beam of the building, the time history of the response acceleration with respect to the time t is calculated according to the following equation,
Figure 112015036243020-pat00001
here,
Figure 112015036243020-pat00002
As an acceleration vector
Figure 112015036243020-pat00003
ego,
Figure 112015036243020-pat00004
Is an i-th mode shape vector
Figure 112015036243020-pat00005
ego,
Figure 112015036243020-pat00006
Is an i-th contribution factor, and p can be configured to indicate the position of the triaxial vibration sensor module.

한편, 상기 TDD 모듈은, 디지털 밴드 패스 필터(digital band pass filter)를 이용하여 하기 수학식에 의해 i번째 모드를 갖는 단자유도 신호

Figure 112015036243020-pat00007
를 추출하고, [수학식]
Figure 112015036243020-pat00008
하기 수학식에 의해 N개의 가속도 시간 샘플을 수집하고, [수학식]
Figure 112015036243020-pat00009
하기 수학식에 따른 에너지 상관관계 행렬(output energy correlation matrix)에 의해 i번째 단자유도 가속도 응답신호의 에너지 상관관계를 출력하고, [수학식]
Figure 112015036243020-pat00010
여기서,
Figure 112015036243020-pat00011
는 i번째 단자유도 가속도 신호를 갖는 행렬
Figure 112015036243020-pat00012
를 나타내고
Figure 112015036243020-pat00013
로 간략화되며, 상기
Figure 112015036243020-pat00014
를 상기 에너지 상관관계 행렬에 대입하여 하기 수학식을 산출하고, [수학식]
Figure 112015036243020-pat00015
여기서,
Figure 112015036243020-pat00016
는
Figure 112015036243020-pat00017
로서 기여도
Figure 112015036243020-pat00018
의 에너지 강도를 나타내고, 상기 에너지 상관관계 행렬에 존재하는 잡음을 i번째 모드 형상에 대한 직교 잡음 공간(orthogonal noise space)으로 다음 수학식과 같이 나타내고, [수학식]
Figure 112015036243020-pat00019
여기서, px1 벡터
Figure 112015036243020-pat00020
는 i번째 잡음 기저를 나타내고,
Figure 112015036243020-pat00021
는 i번째 잡음 모드의 강도를 나타내며, 상기 수학식을 간략화한 하기 수학식에서
Figure 112015036243020-pat00022
의 첫번째 열 벡터(column vector)를 i번째 모드 형상 벡터로서 추출하도록 구성되며, [수학식]
Figure 112015036243020-pat00023
여기서,
Figure 112015036243020-pat00024
는
Figure 112015036243020-pat00025
로서 특이 행렬 벡터(singular vector matrix)이고,
Figure 112015036243020-pat00026
는
Figure 112015036243020-pat00027
로서 특이치 행렬을 나타내도록 구성될 수 있다.The TDD module uses a digital band pass filter to generate a terminal induction signal having an i < th > mode according to the following equation: < EMI ID =
Figure 112015036243020-pat00007
And then,
Figure 112015036243020-pat00008
N acceleration time samples are collected by the following equation,
Figure 112015036243020-pat00009
And outputs an energy correlation of the ith terminal induced acceleration response signal by an output energy correlation matrix according to the following equation,
Figure 112015036243020-pat00010
here,
Figure 112015036243020-pat00011
Is a matrix having an i < th > terminal induced acceleration signal
Figure 112015036243020-pat00012
And
Figure 112015036243020-pat00013
Lt; RTI ID = 0.0 >
Figure 112015036243020-pat00014
Is substituted into the energy correlation matrix to calculate the following equation,
Figure 112015036243020-pat00015
here,
Figure 112015036243020-pat00016
The
Figure 112015036243020-pat00017
Contribution as
Figure 112015036243020-pat00018
And the noise existing in the energy correlation matrix is expressed as an orthogonal noise space with respect to the i-th mode shape as expressed by the following equation,
Figure 112015036243020-pat00019
Here, the px1 vector
Figure 112015036243020-pat00020
Represents the i < th > noise base,
Figure 112015036243020-pat00021
Represents the intensity of the i < th > noise mode, and the following equation
Figure 112015036243020-pat00022
As a i < th > mode shape vector,
Figure 112015036243020-pat00023
here,
Figure 112015036243020-pat00024
The
Figure 112015036243020-pat00025
Is a singular vector matrix,
Figure 112015036243020-pat00026
The
Figure 112015036243020-pat00027
As shown in FIG.

또한, 상기 TDD 모듈은, 상기 TDD 모듈에서 추출된 i번째 모드 형상 벡터를 이용하여 하기 수학식과 같이 I번째 모드를 대표하는 가속도 상호 상관 함수(cross correlation function)

Figure 112015036243020-pat00028
을 산출하고, [수학식]
Figure 112015036243020-pat00029
q의 시간 샘플에 대하여 하기 수학식과 같이 상관 관계 행렬
Figure 112015036243020-pat00030
를 정의하고, [수학식]
Figure 112015036243020-pat00031
상기 상관 관계 행렬
Figure 112015036243020-pat00032
에 대하여 하기 수학식에 의해 특이치 분해 과정 SVD(singular value decomposition)을 수행하여 직교 잡음을 제거하고, [수학식]
Figure 112015036243020-pat00033
상기 직교 잡음이 제거된 i번째 모드를 대표하며 상기 상관 관계 행렬
Figure 112015036243020-pat00034
에서 가장 큰 특이치를 갖는 가속도 상호 상관 함수 벡터
Figure 112015036243020-pat00035
를 산출하고, [수학식]
Figure 112015036243020-pat00036
상기 산출된 가속도 상호 상관 함수 벡터
Figure 112015036243020-pat00037
에 대해 시간
Figure 112015036243020-pat00038
에 대한 자유 진동 함수
Figure 112015036243020-pat00039
를 하기 수학식과 같이 산출하고, 산출된
Figure 112015036243020-pat00040
로부터 고유 진동수, 감쇠비를 추출하도록 구성되며,Also, the TDD module may use an i < th > mode shape vector extracted from the TDD module to calculate a cross correlation function representing an I < th >
Figure 112015036243020-pat00028
, And [Expression 1]
Figure 112015036243020-pat00029
the correlation matrix < RTI ID = 0.0 >
Figure 112015036243020-pat00030
, And [Mathematical Expression]
Figure 112015036243020-pat00031
The correlation matrix
Figure 112015036243020-pat00032
By performing singular value decomposition (SVD) on the singular value decomposition process according to the following equation to remove the orthogonal noise,
Figure 112015036243020-pat00033
Represents the i < th > mode in which the quadrature noise is removed and the correlation matrix
Figure 112015036243020-pat00034
The acceleration cross-correlation function vector having the largest singular value
Figure 112015036243020-pat00035
Is calculated, and [Expression 1]
Figure 112015036243020-pat00036
The calculated acceleration cross-correlation function vector
Figure 112015036243020-pat00037
Time for
Figure 112015036243020-pat00038
Free vibration function for
Figure 112015036243020-pat00039
Is calculated according to the following equation, and the calculated
Figure 112015036243020-pat00040
And a damping ratio,

[수학식][Mathematical Expression]

Figure 112015036243020-pat00041
Figure 112015036243020-pat00041

여기서,

Figure 112015036243020-pat00042
는 진폭,
Figure 112015036243020-pat00043
는 고유 진동수,
Figure 112015036243020-pat00044
는 감쇠비,
Figure 112015036243020-pat00045
는 감쇠 고유 진동수,
Figure 112015036243020-pat00046
는 이동각(translation angle)으로 구성될 수 있다.
here,
Figure 112015036243020-pat00042
The amplitude,
Figure 112015036243020-pat00043
Is the natural frequency,
Figure 112015036243020-pat00044
Damping ratio,
Figure 112015036243020-pat00045
Is the attenuation natural frequency,
Figure 112015036243020-pat00046
May be composed of a translation angle.

상술한 TDD 기법을 이용한 건물 진동 모니터링 시스템에 의하면, 수많은 진동 센서가 설치되는 대형 건물에서 진동 센서의 진동 측정값을 푸리에(Fourier) 변환없이 시간 영역에서 직접 모드 형상(mode shape)을 추출하도록 구성됨으로써, 대형 구조물의 고해상도 모드 형상을 실시간으로 신속하게 추출할 수 있는 효과가 있다.According to the building vibration monitoring system using the TDD technique, the vibration measurement value of the vibration sensor in a large building in which a large number of vibration sensors are installed is configured to directly extract a mode shape in the time domain without performing Fourier transformation , It is possible to quickly extract a high resolution mode shape of a large structure in real time.

또한, 고유 진동수와 감쇠비와 같은 고유 특성치 역시 TDD 기법에 의해 수많은 센서에 의한 많은 연산량을 줄이고 고난이도의 데이터 처리를 보다 용이하게 수행할 수 있는 효과가 있다.
Also, the inherent characteristic values such as the natural frequency and the damping ratio can also reduce the amount of computation by a large number of sensors by the TDD technique and perform the data processing of the high degree of ease more easily.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 TDD 기법을 이용한 건물 진동 모니터링 시스템의 블록 구성도이다.
도 2 내지 도 17은 건물 모형에 대한 본 발명의 일 실시예에 따른 건물 진동 모니터링 결과를 나타내는 그래프이다.
도 18은 본 발명의 일 실시예에 따른 TDD 기법을 이용한 건물 진동 모니터링 방법의 흐름도이다.
1 is a block diagram of a building vibration monitoring system using a TDD technique according to an embodiment of the present invention.
FIGS. 2 to 17 are graphs showing results of building vibration monitoring according to an embodiment of the present invention.
18 is a flowchart of a building vibration monitoring method using the TDD technique according to an embodiment of the present invention.

본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시 예들을 도면에 예시하고 발명을 실시하기 위한 구체적인 내용에 상세하게 설명하고자 한다.While the invention is susceptible to various modifications and alternative forms, specific embodiments thereof are shown by way of example in the drawings and will herein be described in detail to the concrete inventive concept.

그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.It should be understood, however, that the invention is not intended to be limited to the particular embodiments, but includes all modifications, equivalents, and alternatives falling within the spirit and scope of the invention.

각 도면을 설명하면서 유사한 참조부호를 유사한 구성요소에 대해 사용하였다.Like reference numerals are used for like elements in describing each drawing.

제1, 제2, A, B 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 예를 들어, 본 발명의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소도 제1 구성요소로 명명될 수 있다. 및/또는 이라는 용어는 복수의 관련된 기재된 항목들의 조합 또는 복수의 관련된 기재된 항목들 중의 어느 항목을 포함한다.The terms first, second, A, B, etc. may be used to describe various elements, but the elements should not be limited by the terms. The terms are used only for the purpose of distinguishing one component from another. For example, without departing from the scope of the present invention, the first component may be referred to as a second component, and similarly, the second component may also be referred to as a first component. And / or < / RTI > includes any combination of a plurality of related listed items or any of a plurality of related listed items.

어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어" 있다거나 "접속되어" 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다.It is to be understood that when an element is referred to as being "connected" or "connected" to another element, it may be directly connected or connected to the other element, .

반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결되어" 있다거나 "직접 접속되어" 있다고 언급된 때에는, 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다.On the other hand, when an element is referred to as being "directly connected" or "directly connected" to another element, it should be understood that there are no other elements in between.

본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다.The terminology used in this application is used only to describe a specific embodiment and is not intended to limit the invention. The singular expressions include plural expressions unless the context clearly dictates otherwise.

본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.In the present application, the terms "comprises" or "having" and the like are used to specify that there is a feature, a number, a step, an operation, an element, a component or a combination thereof described in the specification, But do not preclude the presence or addition of one or more other features, integers, steps, operations, elements, components, or combinations thereof.

다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다.Unless defined otherwise, all terms used herein, including technical or scientific terms, have the same meaning as commonly understood by one of ordinary skill in the art to which this invention belongs.

일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥 상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.Terms such as those defined in commonly used dictionaries are to be interpreted as having a meaning consistent with the contextual meaning of the related art and are to be interpreted as either ideal or overly formal in the sense of the present application Do not.

이하, 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.Hereinafter, preferred embodiments according to the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 TDD 기법을 이용한 건물 진동 모니터링 시스템의 블록 구성도이다.1 is a block diagram of a building vibration monitoring system using a TDD technique according to an embodiment of the present invention.

도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 TDD 기법을 이용한 건물 진동 모니터링 시스템(이하, ‘건물 진동 모니터링 시스템’이라 함)(100)은 3축 진동 센서 모듈(110), 신호 처리 모듈(120), 신호 분석 모듈(130), TDD 모듈(140), 건물 손상 판단 모듈(150)을 포함하도록 구성될 수 있다.Referring to FIG. 1, a building vibration monitoring system (hereinafter, referred to as 'building vibration monitoring system') 100 using a TDD technique according to an embodiment of the present invention includes a three-axis vibration sensor module 110, A signal analysis module 130, a TDD module 140, and a building damage determination module 150.

본 발명의 건물 진동 모니터링 시스템(100)은 공간 변수인 모드 형상에 대해서 푸리에(Fourier) 변환없이 직접 시간 영역(time domain) 상에서 모드 형상을 추출하도록 구성된다. 이에, 초대형 건물에 설치된 수많은 3축 진동 센서 모듈(110)에서 측정되는 진동 신호에 대한 고난이도 연산을 보다 신속하게 수행하여 모드 형상을 신속하게 실시간으로 추출할 수 있게 된다.The building vibration monitoring system 100 of the present invention is configured to directly extract a mode shape in a time domain without performing Fourier transformation on a mode shape that is a spatial variable. Accordingly, it is possible to rapidly calculate the mode shape of the vibration signal measured by a large number of three-axis vibration sensor modules 110 installed in the very large building, thereby quickly extracting the mode shape in real time.

이하, 세부적인 구성에 대하여 설명한다.Hereinafter, the detailed configuration will be described.

상기 3축 진동 센서 모듈(110)은 건물의 진동을 측정하여 진동 신호를 출력하도록 구성될 수 있다. 3축 진동 센서 모듈(110)은 건물의 단순지지 보에 각 층별로 설치될 수 있다.The three-axis vibration sensor module 110 may be configured to measure a vibration of a building and output a vibration signal. The three-axis vibration sensor module 110 may be installed for each floor in a simple support beam of a building.

상기 3축 진동 센서 모듈(110)은 건물의 단순지지 보에 p개가 설치되는 경우, 시간 t에 대한 응답 가속도의 시간 이력을 하기 수학식 1과 같이 출력하도록 구성될 수 있다.The three-axis vibration sensor module 110 may be configured to output a time history of the response acceleration with respect to time t, as shown in Equation (1), when p is provided in the simple support beam of the building.

Figure 112015036243020-pat00047
Figure 112015036243020-pat00047

여기서,

Figure 112015036243020-pat00048
는 가속도 벡터로서
Figure 112015036243020-pat00049
이고,
Figure 112015036243020-pat00050
는 i번째 모드 형상 벡터로서
Figure 112015036243020-pat00051
이고,
Figure 112015036243020-pat00052
는 i번째 기여도(contribution factor)이고, p는 3축 진동 센서 모듈의 위치(110)를 나타낸다.here,
Figure 112015036243020-pat00048
As an acceleration vector
Figure 112015036243020-pat00049
ego,
Figure 112015036243020-pat00050
Is an i-th mode shape vector
Figure 112015036243020-pat00051
ego,
Figure 112015036243020-pat00052
Is the i-th contribution factor, and p is the position 110 of the three-axis vibration sensor module.

신호 처리 모듈(120)은 3축 진동 센서 모듈(110)에 의해 출력된 진동 신호를 수집하여 신호 처리를 수행하도록 구성될 수 있다.The signal processing module 120 may be configured to collect the vibration signal output by the three-axis vibration sensor module 110 and perform signal processing.

신호 처리 모듈(120)은 진동 신호에 대한 데이터 필터링과 잡음 제거 등의 신호 처리를 수행할 수 있다.The signal processing module 120 may perform signal processing such as data filtering and noise cancellation on the vibration signal.

신호 분석 모듈(130)은 진동 신호를 이용하여 가속도 데이터의 미적분, 가속도 벡터합 표출, 그리고 진동 신호의 최대, 최소, 평균, 첨도, 왜도, 제곱평균제곱근(RMS), 중앙값, 표준편차와 같은 통계 처리를 수행하도록 구성될 수 있다.The signal analysis module 130 uses the vibration signal to calculate the integral of the acceleration data, the sum of the acceleration vector and the maximum, minimum, average, kurtosis, distortion, square root mean square (RMS) May be configured to perform statistical processing.

그리고 신호 분석 모듈(130)은 진동 신호의 PGA(Peak Ground Acceleration) 표출, MMA(Min, Max, Avg) 데이터 표출, 누적 절대 속도(CAV) 표출, 시간 이력 감쇠, 파워 스펙트럼, 응답 스펙트럼(가속도ㆍ속도ㆍ변위 응답 스펙트럼 표출), 지진 강도 추출, 아리아스(Arias) 진도 표출, 분석 자료 다중 표출 등의 분석 및 통계 기능을 수행하도록 구성될 수 있다.The signal analysis module 130 analyzes the PGA (Peak Ground Acceleration), the MMA (Min, Max, Avg) data display, the cumulative absolute velocity (CAV) display, the time history damping, the power spectrum, and the response spectrum Velocity and displacement response spectral display), seismic intensity extraction, Arias intensity display, analysis of multiple data analysis, and statistical functions.

TDD 모듈(140)은 신호 처리 모듈(120)에 의해 신호 처리가 수행된 진동 신호에 대해 기본적으로 모드 형상(mode shape)을 시간 영역(time domain) 상에서 연산 추출하고, 고유 진동수와 감쇠비를 공간 영역 상에서 연산 추출하도록 구성된다.The TDD module 140 basically calculates and extracts a mode shape in a time domain with respect to a vibration signal subjected to signal processing by the signal processing module 120 and outputs the natural frequency and the attenuation ratio to the spatial domain And extracts an operation on the screen.

기존에는 모드 형상에 대해 FFT(Fast Fourier Transform)을 수행하여 연산량이 증가하였으며 연산 난이도도 증가하였다. 건물이 클수록 진동 센서의 개수가 매우 많아지는 것을 고려할 때 연산량 역시 매우 많아지게 되어 연산 부담이 매우 컸다. 그러나, 본 발명에서는 FFT 연산없이 시간 영역에서 직접 모드 형상을 추출할 수 있는 알고리즘을 개발하여 실시간으로 모드 형상을 모니터링할 수 있다. 좀 더 구체적으로 설명한다.Previously, FFT (Fast Fourier Transform) was performed on the mode shape to increase the computational complexity and computational difficulty. Considering that the number of vibration sensors becomes very large as the building size increases, the computation amount becomes very large, and the calculation burden is very large. However, in the present invention, a mode shape can be monitored in real time by developing an algorithm capable of directly extracting a mode shape in a time domain without FFT operation. This will be explained in more detail.

먼저 수학식 1에서 임의의 시간

Figure 112015036243020-pat00053
를 심볼
Figure 112015036243020-pat00054
로 표시할 경우 계측 가속도 시간 응답은 하기 수학식 2와 같이 근사화될 수 있다.First, in Equation 1,
Figure 112015036243020-pat00053
Symbol
Figure 112015036243020-pat00054
The measurement acceleration time response can be approximated as: < EMI ID = 2.0 >

Figure 112015036243020-pat00055
Figure 112015036243020-pat00055

여기서, n은 계측 가속도 신호의 모드 수이다.Here, n is the number of modes of the measurement acceleration signal.

TDD 모듈(140)은 i번째 모드만을 가지는 단자유도 신호를 추출하기 위해 디지털 밴드 패스 필터를 설계하여 하기 수학식 3에 의해 i번째 모드를 갖는 단자유도 신호

Figure 112015036243020-pat00056
를 추출하도록 구성될 수 있다.The TDD module 140 designs a digital band-pass filter to extract a terminal induction signal having only the i-th mode, and calculates a terminal induction signal having an i-th mode
Figure 112015036243020-pat00056
As shown in FIG.

Figure 112015036243020-pat00057
Figure 112015036243020-pat00057

그리고 TDD 모듈(140)은 하기 수학식 4에 의해 N개의 가속도 시간 샘플을 수집하도록 구성될 수 있다.And the TDD module 140 may be configured to collect N acceleration time samples according to Equation (4).

Figure 112015036243020-pat00058
Figure 112015036243020-pat00058

수학식 4는 다음 수학식 5와 같이 간략화될 수 있다.Equation (4) can be simplified to Equation (5).

Figure 112015036243020-pat00059
Figure 112015036243020-pat00059

여기서,

Figure 112015036243020-pat00060
행렬
Figure 112015036243020-pat00061
i번째 모드만 가지고 있는 단자유도 가속도 신호를 나타낸다. 그리고 벡터
Figure 112015036243020-pat00062
는 i번째 모드의 가속도 신호 이력에 대한 기여도를 나타낸다.here,
Figure 112015036243020-pat00060
procession
Figure 112015036243020-pat00061
represents the terminal induced acceleration signal having only the i-th mode. And vector
Figure 112015036243020-pat00062
Represents the contribution to the acceleration signal history in the i-th mode.

한편, TDD 모듈(140)은 하기 수학식 6에 따른 에너지 상관관계 행렬(output energy correlation matrix)에 의해 i번째 단자유도 가속도 응답신호의 에너지 상관관계를 출력하도록 구성될 수 있다.Meanwhile, the TDD module 140 may be configured to output the energy correlation of the i-th terminal induced acceleration response signal by an output energy correlation matrix according to Equation (6).

Figure 112015036243020-pat00063
Figure 112015036243020-pat00063

여기서,

Figure 112015036243020-pat00064
는 i번째 단자유도 가속도 신호를 갖는 행렬
Figure 112015036243020-pat00065
를 나타낸다.here,
Figure 112015036243020-pat00064
Is a matrix having an i < th > terminal induced acceleration signal
Figure 112015036243020-pat00065
.

TDD 모듈(140)은 수학식 5를 수학식 6에 대입하여 하기 수학식 7을 산출하도록 구성될 수 있다.The TDD module 140 may be configured to calculate Equation (7) by substituting Equation (5) into Equation (6).

Figure 112015036243020-pat00066
Figure 112015036243020-pat00066

여기서,

Figure 112015036243020-pat00067
는
Figure 112015036243020-pat00068
로서 기여도
Figure 112015036243020-pat00069
의 에너지 강도를 나타낸다. 수학식 7은 i번째 가속도 응답 신호에 잡음이 없는 상태의 이상적인 경우를 나타낸다.here,
Figure 112015036243020-pat00067
The
Figure 112015036243020-pat00068
Contribution as
Figure 112015036243020-pat00069
. ≪ / RTI > Equation (7) represents an ideal case in which there is no noise in the i-th acceleration response signal.

한편, 에너지 상관관계 행렬에 존재하는 잡음은 i번째 모드 형상에 대한 직교 잡음 공간(orthogonal noise space)으로 다음 수학식 8과 같이 표현될 수 있다.Meanwhile, the noise existing in the energy correlation matrix is an orthogonal noise space for the i-th mode shape, and can be expressed as Equation (8).

Figure 112015036243020-pat00070
Figure 112015036243020-pat00070

여기서, px1 벡터

Figure 112015036243020-pat00071
는 i번째 잡음 기저를 나타내고,
Figure 112015036243020-pat00072
는 i번째 잡음 모드의 강도를 나타낸다.Here, the px1 vector
Figure 112015036243020-pat00071
Represents the i < th > noise base,
Figure 112015036243020-pat00072
Represents the intensity of the ith noise mode.

수학식 8은 다음 수학식 9와 같이 간략화될 수 있다.Equation (8) can be simplified to Equation (9).

Figure 112015036243020-pat00073
Figure 112015036243020-pat00073

여기서,

Figure 112015036243020-pat00074
는
Figure 112015036243020-pat00075
로서 특이 행렬 벡터(singular vector matrix)이고,
Figure 112015036243020-pat00076
는
Figure 112015036243020-pat00077
로서 특이치 행렬을 나타낸다. i번째 단자유도 가속도 응답의 지배적인 에너지는 i번째 모드 형상
Figure 112015036243020-pat00078
이므로, 특이값의 크기 순서는
Figure 112015036243020-pat00079
이 된다.here,
Figure 112015036243020-pat00074
The
Figure 112015036243020-pat00075
Is a singular vector matrix,
Figure 112015036243020-pat00076
The
Figure 112015036243020-pat00077
Which represents a singularity matrix. The dominant energy of the ith terminal induced acceleration response is the i-th mode shape
Figure 112015036243020-pat00078
, The order of magnitude of the singular value is
Figure 112015036243020-pat00079
.

이에, i번째 모드 형상 벡터는

Figure 112015036243020-pat00080
의 특이행렬 벡터 중에서 첫번째 열 벡터(column vector)가 된다. TDD 모듈(140)은 이를 모드 형상으로서 출력하게 된다.Thus, the i-th mode shape vector is
Figure 112015036243020-pat00080
The first column vector in the singular matrix vector of < RTI ID = 0.0 > And the TDD module 140 outputs it as a mode shape.

TDD 모듈(140)은 모드 형상 외에도 고유 진동수와 감쇠비를 추출하도록 구성될 수 있다.The TDD module 140 may be configured to extract the natural frequency and the damping ratio in addition to the mode shape.

TDD 모듈(140)은 앞서 추출된 모드 형상을 이용하여 신호 처리 모듈(120)에 의해 신호 처리가 수행된 진동 신호에 대해 FFT(fast Fourier Transform) 연산을 수행하여 시간 변수인 고유 진동수 및 감쇠비를 추출하도록 구성될 수 있다.The TDD module 140 performs an FFT (Fast Fourier Transform) operation on the vibration signal subjected to the signal processing by the signal processing module 120 using the extracted mode shape to extract a natural frequency and an attenuation ratio .

좀 더 구체적으로 설명하자면, TDD 모듈(140)은 TDD 모듈(140)에서 추출된 i번째 모드 형상 벡터를 이용하여 하기 수학식 10과 같이 i번째 모드를 대표하는 가속도 상호 상관 함수(cross correlation function)

Figure 112015036243020-pat00081
을 산출하도록 구성될 수 있다.In more detail, the TDD module 140 uses an i-th mode shape vector extracted from the TDD module 140 to calculate an acceleration cross-correlation function representing an i-th mode as shown in Equation (10)
Figure 112015036243020-pat00081
. ≪ / RTI >

Figure 112015036243020-pat00082
Figure 112015036243020-pat00082

수학식 10의 가속도 상호 상관 함수

Figure 112015036243020-pat00083
는 시간 잡음을 포함하고 있기 때문에, TDD 모듈(140)은 q의 시간 샘플에 대하여 하기 수학식 11과 같이 상관 관계 행렬
Figure 112015036243020-pat00084
를 정의한다.The acceleration cross-correlation function < RTI ID = 0.0 >
Figure 112015036243020-pat00083
Since the TDD module 140 includes time noise, the TDD module 140 calculates a correlation matrix
Figure 112015036243020-pat00084
.

Figure 112015036243020-pat00085
Figure 112015036243020-pat00085

TDD 모듈(140)은 상관 관계 행렬

Figure 112015036243020-pat00086
에 대하여 하기 수학식 12에 의해 특이치 분해 과정 SVD(singular value decomposition)을 수행하여 직교 잡음을 제거하도록 구성될 수 있다.The TDD module 140 includes a correlation matrix
Figure 112015036243020-pat00086
And perform singular value decomposition (SVD) on the singular value decomposition process by Equation (12) to eliminate orthogonal noise.

Figure 112015036243020-pat00087
Figure 112015036243020-pat00087

여기서, 직교 잡음이 제거된 i번째 모드를 대표하며 상관 관계 행렬

Figure 112015036243020-pat00088
에서 가장 큰 특이치를 갖는 가속도 상호 상관 함수 벡터
Figure 112015036243020-pat00089
는 특이치 행렬
Figure 112015036243020-pat00090
중에서 가장 큰 특이치에 상응하는 특이치 벡터이며 다음 수학식 13과 같이 산출될 수 있다.Here, it represents the i-th mode in which the orthogonal noise is removed, and the correlation matrix
Figure 112015036243020-pat00088
The acceleration cross-correlation function vector having the largest singular value
Figure 112015036243020-pat00089
Is a singular value matrix
Figure 112015036243020-pat00090
Is an singular value vector corresponding to the largest singular value among the three singular values, and can be calculated by the following equation (13).

Figure 112015036243020-pat00091
Figure 112015036243020-pat00091

여기서, 수학식 13에 의해 추출된 각 모드별 대표 SDOF(single degree of freedom) 가속도 상호 상관 함수는 자유 진동 함수(free vibration function)과 동일한 형태이다. 이에, TDD 기법을 이용하여 추출된 각 모드별 데이터로부터 SI(system identification) 기법을 적용하여 가속도 상호 상관 함수 벡터

Figure 112015036243020-pat00092
에 대한 고유 진동수와 감쇠비를 추출하도록 구성될 수 있다.Here, the representative single degree of freedom (SDOF) acceleration cross-correlation function for each mode extracted by Equation (13) is the same as the free vibration function. The SI (system identification) technique is applied to each mode data extracted using the TDD technique to calculate the acceleration cross-correlation function vector
Figure 112015036243020-pat00092
Can be configured to extract the natural frequency and the damping ratio.

SI 기법은 역해석의 일종으로서 계측치와 시뮬레이션치가 같도록 하는 시뮬레이션 시스템 변수들을 최적화하는 기법이다.The SI method is a kind of inverse analysis that optimizes the simulation system variables such that the measurement value and the simulation value are the same.

TDD 모듈(140)은 하기 수학식 14에 의해 임의시간

Figure 112015036243020-pat00093
에서 자유진동 함수
Figure 112015036243020-pat00094
를 고려할 수 있다.The TDD module 140 may calculate the time
Figure 112015036243020-pat00093
Free vibration function
Figure 112015036243020-pat00094
Can be considered.

Figure 112015036243020-pat00095
Figure 112015036243020-pat00095

여기서,

Figure 112015036243020-pat00096
는 진폭,
Figure 112015036243020-pat00097
는 고유 진동수,
Figure 112015036243020-pat00098
는 감쇠비,
Figure 112015036243020-pat00099
는 감쇠 고유 진동수,
Figure 112015036243020-pat00100
는 이동각(translation angle)이며, 이로부터 고유 진동수와 감쇠비를 예측할 수 있다.here,
Figure 112015036243020-pat00096
The amplitude,
Figure 112015036243020-pat00097
Is the natural frequency,
Figure 112015036243020-pat00098
Damping ratio,
Figure 112015036243020-pat00099
Is the attenuation natural frequency,
Figure 112015036243020-pat00100
Is the translation angle, from which natural frequencies and damping ratios can be predicted.

인식해야 할 변수는 고유 진동수, 감쇠비, 진폭, 이동각이며, 이들은 변수들의 집합인 인식 벡터

Figure 112015036243020-pat00101
로서 그 크기는 다음 수학식 15와 같이 표현될 수 있다.The variables to be recognized are natural frequency, damping ratio, amplitude, and moving angle,
Figure 112015036243020-pat00101
The size can be expressed by the following equation (15).

Figure 112015036243020-pat00102
Figure 112015036243020-pat00102

여기서, 임의 시간 t에서 i번째 모드의 상호 상관

Figure 112015036243020-pat00103
은 인식 변수 벡터의 함수이고 테일러(Taylor) 급수 전개 후 고차항을 무시하면 상호 상관의 변량
Figure 112015036243020-pat00104
는 다음 수학식 16과 같이 정의될 수 있다.Here, at an arbitrary time t,
Figure 112015036243020-pat00103
Is a function of the cognitive variable vector and ignores the high order term after Taylor series expansion,
Figure 112015036243020-pat00104
Can be defined by the following equation (16).

Figure 112015036243020-pat00105
Figure 112015036243020-pat00105

상호 상관 변량은 다음 수학식 17과 같이 표현될 수 있다.The cross-correlation variable can be expressed by the following equation (17).

Figure 112015036243020-pat00106
Figure 112015036243020-pat00106

여기서,

Figure 112015036243020-pat00107
은 인식 변수 벡터
Figure 112015036243020-pat00108
의 n번째 항이며,
Figure 112015036243020-pat00109
은 i번째 고유 진동수를 나타내고
Figure 112015036243020-pat00110
는 i번째 모드의 감쇠비
Figure 112015036243020-pat00111
를 나타낸다.here,
Figure 112015036243020-pat00107
Is a recognition vector
Figure 112015036243020-pat00108
≪ / RTI >
Figure 112015036243020-pat00109
Represents the i-th natural frequency
Figure 112015036243020-pat00110
Is the damping ratio of the i-th mode
Figure 112015036243020-pat00111
.

수학식 17은 다음 수학식 18과 같이 표준화될 수 있다.Equation (17) can be normalized as Equation (18).

Figure 112015036243020-pat00112
Figure 112015036243020-pat00112

상호 상관 함수의 샘플 수가 q개일 때 수학식 18은 다음 수학식 19와 같이 간단한 선형 민감도 방정식으로 기술될 수 있다.When the number of samples of the cross-correlation function is q, equation (18) can be described by a simple linear sensitivity equation as shown in the following equation (19).

Figure 112015036243020-pat00113
Figure 112015036243020-pat00113

여기서, q X 1 벡터인

Figure 112015036243020-pat00114
는 고유 진동수의 변화율로서 다음 수학식 20과 같이 표현될 수 있다.Here, q X 1 vector
Figure 112015036243020-pat00114
Can be expressed by the following equation (20) as the rate of change of the natural frequency.

Figure 112015036243020-pat00115
Figure 112015036243020-pat00115

p X 1 벡터

Figure 112015036243020-pat00116
는 인식 변수들의 변화율을 나타내며, 다음 수학식 21과 같이 표현될 수 있다.p X 1 vector
Figure 112015036243020-pat00116
Represents the rate of change of recognition variables, and can be expressed by the following equation (21).

Figure 112015036243020-pat00117
Figure 112015036243020-pat00117

다음 수학식 22의 p X q 벡터

Figure 112015036243020-pat00118
는 민감도 행렬(sensitivity matrix)로서 인식 변수들에 대한 고유 진동수의 변화율을 나타낸다.P X q vector in the following equation (22)
Figure 112015036243020-pat00118
Is a sensitivity matrix representing the rate of change of the natural frequency for the recognition variables.

Figure 112015036243020-pat00119
Figure 112015036243020-pat00119

TDD 모듈(140)은 반복법을 이용하여 수학식 19의 민감도 방정식에 대한 해를 구할 수 있는데, 그 순서는 다음과 같다.The TDD module 140 can obtain a solution to the sensitivity equation of Equation (19) using an iterative method, the order of which is as follows.

1) j번째 반복 단계에서 인식 변수들을 다음 수학식 23과 같이 가정한다.1) Assume that the recognition variables in the j-th iteration step are as shown in the following equation (23).

Figure 112015036243020-pat00120
Figure 112015036243020-pat00120

여기서, 인식 변수들의 위 첨자 j는 반복 단계 횟수를 의미한다.Here, superscript j of recognition variables means the number of repetition steps.

2)인식 변수 벡터에 대해서 수학식 14의 시뮬레이션을 수행하여 상호 상관을 얻는다.2) The cross-correlation is obtained by performing the simulation of Equation 14 on the recognition vector.

3) 상기 2)의 시뮬레이션 모델에 대하여 수학식 22의 민감도 행렬

Figure 112015036243020-pat00121
를 구한다. 이때, 민감도 행렬은 각 인식변수의 단위 변화에 따른 상호상관 변화를 계산하여 근사적으로 산정한다.3) For the simulation model of 2) above, the sensitivity matrix of equation (22)
Figure 112015036243020-pat00121
. At this time, the sensitivity matrix is approximated by calculating the change of cross-correlation according to the unit change of each recognition variable.

4) 상호상관의 변화율 벡터

Figure 112015036243020-pat00122
는 다음 수학식 24와 같다.4) Rate of change of cross-correlation vector
Figure 112015036243020-pat00122
Is expressed by the following equation (24).

Figure 112015036243020-pat00123
Figure 112015036243020-pat00123

여기서,

Figure 112015036243020-pat00124
는 i번째 모드에 대한
Figure 112015036243020-pat00125
에서 수학식 13으로부터 추출된 계측 상호 상관이고,
Figure 112015036243020-pat00126
는 j번째 반복 단계에서 인식 변수 벡터들을 이용하여 구한
Figure 112015036243020-pat00127
에서 i번째 모드에 대한 수학식 13의 시뮬레이션 값이다.here,
Figure 112015036243020-pat00124
For the i < th >
Figure 112015036243020-pat00125
Is the measurement cross-correlation extracted from equation (13)
Figure 112015036243020-pat00126
Is obtained by using the recognition variable vectors at the j-th iteration step
Figure 112015036243020-pat00127
Is the simulation value of Equation (13) for the i-th mode.

5) 수학식 19를 이용하여 인식 변수 벡터들의 변화율

Figure 112015036243020-pat00128
는 다음 수학식 25와 같이 표현될 수 있다.5) Using the equation (19), the change rate
Figure 112015036243020-pat00128
Can be expressed by the following equation (25).

Figure 112015036243020-pat00129
Figure 112015036243020-pat00129

여기서,

Figure 112015036243020-pat00130
는
Figure 112015036243020-pat00131
의 의사역행렬(pseudo inverse matrix)이고, 수학식 26에 의해 근사화될 수 있다.here,
Figure 112015036243020-pat00130
The
Figure 112015036243020-pat00131
(Pseudo inverse matrix), and can be approximated by equation (26).

Figure 112015036243020-pat00132
Figure 112015036243020-pat00132

6) 인식 변수 벡터는 j+1번째 반복 단계에서 다음 수학식 27과 같이 갱신될 수 있다.6) The recognition vector vector can be updated as shown in the following Equation 27 in the (j + 1) -th iteration step.

Figure 112015036243020-pat00133
Figure 112015036243020-pat00133

여기서,

Figure 112015036243020-pat00134
는 j번째 반복 단계에서 인식 변수 벡터
Figure 112015036243020-pat00135
의 n번째 항이며,
Figure 112015036243020-pat00136
은 인식 변수의 변화율 벡터
Figure 112015036243020-pat00137
의 n번째 항이다.here,
Figure 112015036243020-pat00134
Is used as the recognition variable vector
Figure 112015036243020-pat00135
≪ / RTI >
Figure 112015036243020-pat00136
The change rate vector of the recognition variable
Figure 112015036243020-pat00137
.

7) 수학식 27에 의해 갱신된 인식 변수 벡터에 대해서 수학식 23 내지 수학식 27의 각 인식변수 변화율

Figure 112015036243020-pat00138
이 0으로 수렴할 때까지 반복한다.7) With respect to the recognition variable vector updated by the equation (27), the recognition variable change rate of each of the equations (23) to (27)
Figure 112015036243020-pat00138
Lt; / RTI > converges to zero.

건물 손상 판단 모듈(150)은 TDD 모듈(140)에 의해 추출된 고유 진동수 및 감쇠비와 모드 형상을 이용하여 건물의 손상 위치 및 손상 정도를 판단하도록 구성될 수 있다.The building damage determination module 150 may be configured to determine damage locations and damage levels of the building using the natural frequency and damping ratio and the mode shape extracted by the TDD module 140.

도 2 내지 도 17은 건물 모형에 대한 본 발명의 일 실시예에 따른 건물 진동 모니터링 결과를 나타내는 그래프이다.FIGS. 2 to 17 are graphs showing results of building vibration monitoring according to an embodiment of the present invention.

도 2는 TDD 기법에 의한 수치 검증을 위한 건물 모델을 나타내며, 도 3 내지 도 17은 TDD 기법에 의한 수치 검증 결과를 나타낸다.FIG. 2 shows a building model for numerical verification by the TDD technique, and FIGS. 3 to 17 show numerical verification results by the TDD technique.

도 2에서는 각 층의 질량 m, 강성 k는 각각 4.689kg 및 5832.9kgf/m 으로 임의 설정하였으며, 해당 건물의 고유 진동수 및 모드 형상은 각각 표 1 및 표 2에 설정하였다.In FIG. 2, the mass m and the stiffness k of each layer are set to 4.689 kg and 5832.9 kgf / m, respectively, and natural frequencies and mode shapes of the building are set in Tables 1 and 2, respectively.

Figure 112015036243020-pat00139
Figure 112015036243020-pat00139

Figure 112015036243020-pat00140
Figure 112015036243020-pat00140

도 3은 수치 건물의 모드 형상을 층별로 나타낸다. 그리고 도 4는 수치 건물의 동적 시간 응답을 나타내며, 도 5는 수치 건물의 동적 응답 스펙트럼을 나타낸다. 각 층의 가속도 시간응답의 스펙트럼에서는 총 6차 모드까지 가진되었으며, 1차 모드의 에너지가 상대적으로 매우 큰 것을 알 수 있다. 또한 1차 모드는 대략 0.5 Hz ~ 1.5 Hz에 존재하며, 2차 모드는 2.2 Hz ~ 3.1 Hz에 존재하는 것을 알 수 있다.Fig. 3 shows the mode shapes of the numerical building by layers. And Fig. 4 shows the dynamic time response of the numerical building, and Fig. 5 shows the dynamic response spectrum of the numerical building. In the spectrum of acceleration time response of each layer, it is excited up to the total 6th mode, and the energy of the 1st mode is relatively large. It can be seen that the first mode exists at approximately 0.5 Hz to 1.5 Hz and the second mode exists at 2.2 Hz to 3.1 Hz.

TDD기법을 이용한 모드형상의 추출을 위해서는 우선적으로 계측된 MDOF신호로부터 각 모드만을 걸러낼 수 있는 디지털 밴드 패스 필터(digital band pass filter)를 설계할 수 있다. In order to extract the mode shape using the TDD technique, a digital band pass filter capable of filtering only the modes from the measured MDOF signal can be designed.

여기서, 디지털 필터의 패스구간은 1차 모드의 경우에 0.5 Hz ~ 1.5 Hz로 하고, 2차모드의 경우는 2.2 Hz ~ 3.1 Hz로 한다. 다양한 디지털 필터가 있는데, 본 발명에서는 인밴드노이즈(in-band noise)가 작은 버터워스 필터(butterworth filter)를 3차 필터로 설정하였다. Here, the pass section of the digital filter is set to 0.5 Hz to 1.5 Hz in the case of the primary mode and 2.2 Hz to 3.1 Hz in the case of the secondary mode. There are various digital filters. In the present invention, a butterworth filter having a small in-band noise is set as a third-order filter.

다음은 가속도 신호의 크기가 가장 큰 층을 기준으로 하는 SDOF 가속도 시간이력의 상호상관 시간이력을 각 모드 별로 건물의 층마다 산정한다. 도 4는 1차 모드만 필터링된 1층의 가속도 SDOF 상호 상관 시간 이력의 예를 보여주고, 도 5는 2차 모드만 필터링된 1층의 가속도 SDOF 상호 상관을 보여준다.Next, the cross-correlation time histories of the SDOF acceleration time histories based on the layer having the largest acceleration signal are calculated for each floor of each building. Fig. 4 shows an example of a single-layer acceleration SDOF cross-correlation time history filtered only in the primary mode, and Fig. 5 shows a single-layer acceleration SDOF cross-correlation filtered in the secondary mode only.

도 6은 1차모드만 필터링된 1층의 상호상관 시간이력을 나타내며, 도 7은 2차모드만 필터링된 1층의 상호상관 시간 이력을 나타낸다.FIG. 6 shows a 1-layer cross-correlation time histories filtered only in the primary mode, and FIG. 7 shows a 1-layer cross-correlation time histories filtered in the secondary mode only.

각 모드별로 산정된 10개의 SDOF 상호 상관 시간 이력에 대하여 수학식 9의 SVD를 수행하면 모드형상을 추출할 수 있다. 도 6과 도 7은 추출된 1차 및 2차 모드형상을 보여준다.The mode shape can be extracted by performing SVD of Equation (9) with respect to 10 SDOF cross-correlation time histories calculated for each mode. Figures 6 and 7 show extracted primary and secondary mode shapes.

도 8은 TDD 기법을 이용하여 추출된 수치 건물의 1차 모드형상을 나타내고, 도 9는 TDD 기법을 이용하여 추출된 수치 건물의 2차 모드형상을 나타낸다. 그리고 다음 표 3은 추출된 모드 형상과 수치 건물의 정확한 모드형상과의 비교를 나타낸다.FIG. 8 shows the primary mode shape of the numerical building extracted using the TDD technique, and FIG. 9 shows the secondary mode shape of the digital building extracted using the TDD technique. Table 3 below shows the comparison between the extracted mode shape and the exact mode shape of the numerical building.

Figure 112015036243020-pat00141
Figure 112015036243020-pat00141

도 10은 수치 건물의 1차모드를 대표하는 상호상관을 나타내고, 도 11은 수치 건물의 2차모드를 대표하는 상호상관을 나타내고, 도 12는 수치건물의 1차 고유진동수 추출을 위한 시간이력을 나타내고, 도 13은 수치건물의 2차 고유진동수 추출을 위한 시간이력을 나타낸다.Fig. 10 shows the cross-correlation representing the first-order mode of the numerical building, Fig. 11 shows the cross-correlation representing the second mode of the numerical building, Fig. 12 shows the time history for the first- And Fig. 13 shows a time history for extracting the second-order natural frequency of the numerical building.

각 모드별로 추출된 모드형상과 기 추출된 10개의 SDOF 상호상관 시간이력 데이터를 수학식 10에 대입하여 각 모드별 대표 상호상관을 산정할 수 있다. 도 10과 도 11은 각각 1차 및 2차 모드를 대표하는 상호상관 시간이력을 보여준다.The mode shape extracted for each mode and the ten extracted SDOF cross-correlation time history data can be substituted into Equation 10 to calculate representative cross-correlation for each mode. FIGS. 10 and 11 show cross-correlation time histories representative of the primary and secondary modes, respectively.

도 12와 도 13에 보이는 상호상관 시간이력의 수치모델은 수학식 14에 보이며, 수학식 15에 보이는 수치모델의 4가지 변수들을 민감도 기반 SI기법을 이용하여 추정한다. 반복계산의 수렴속도를 높이기 위하여 초기 고유진동수는 도 5의 스펙트럼에서 피크-피킹(peak-picking) 기법으로 추정된 값을 설정하고, 다른 변수들은 도 12와 도 13으로부터 초기 값들을 선택한다.The numerical model of the cross-correlation time histories shown in FIGS. 12 and 13 is shown in Equation 14, and four parameters of the numerical model shown in Equation 15 are estimated using the sensitivity-based SI technique. In order to increase the convergence speed of the iterative calculation, an initial natural frequency is set by a peak-picking method in the spectrum of FIG. 5, and other parameters are selected from FIGS. 12 and 13.

도 14는 수치 건물의 1차모드 수렴성을 나타내며, 도 15는 수치 건물의 2차모드 수렴성을 나타내며, 도 16은 수치건물의 1차모드 최종 수렴곡선을 나타내며, 도 17은 수치건물의 2차모드 최종 수렴곡선을 나타낸다.Fig. 14 shows the first mode convergence of the numerical building, Fig. 15 shows the second mode convergence of the numerical building, Fig. 16 shows the first mode final convergence curve of the numerical building, Represents the final convergence curve.

도 14와 도 15는 반복계산 과정에서 각각 1차 및 2차 모드에서 인식벡터 해의 수렴도를 보여준다. 모든 인식벡터가 수렴한 것을 알 수 있다. 표 4는 추정된 고유진동수 및 감쇠비의 오차를 보여준다.FIGS. 14 and 15 show the degree of convergence of the recognition vector solution in the first and second modes in the iterative calculation process, respectively. It can be seen that all recognition vectors converge. Table 4 shows the error of the estimated natural frequency and damping ratio.

Figure 112015036243020-pat00142
Figure 112015036243020-pat00142

그리고 도 16과 도 17은 표 4에 보이는 최종 인식벡터를 수학식 14에 대입하여 목표 상호상관과 인식 상호상관을 비교한 것이다. 모두 잘 일치하는 것을 알 수 있다.FIGS. 16 and 17 show the comparison between the target cross-correlation and the recognition cross-correlation by substituting the final recognition vector shown in Table 4 into the equation (14). It can be seen that all agree well.

도 18은 본 발명의 일 실시예에 따른 TDD 기법을 이용한 건물 진동 모니터링 방법의 흐름도이다.18 is a flowchart of a building vibration monitoring method using the TDD technique according to an embodiment of the present invention.

도 18을 참조하면, 먼저, 3축 진동 센서 모듈(110)이 건물의 진동을 측정하여 진동 신호를 출력한다(S101).Referring to FIG. 18, first, the three-axis vibration sensor module 110 measures vibration of a building and outputs a vibration signal (S101).

여기서, 3축 진동 센서 모듈(110)은 건물의 단순지지 보에 p개가 설치되는 경우, 시간 t에 대한 응답 가속도의 시간 이력이 하기 수학식 28과 같이 산출하도록 구성될 수 있다.Here, when three pivot vibration sensor modules 110 are installed in a simple support beam of the building, the time history of the response acceleration with respect to the time t may be calculated as shown in Equation (28).

Figure 112015036243020-pat00143
Figure 112015036243020-pat00143

여기서,

Figure 112015036243020-pat00144
는 가속도 벡터로서
Figure 112015036243020-pat00145
이고,
Figure 112015036243020-pat00146
는 i번째 모드 형상 벡터로서
Figure 112015036243020-pat00147
이고,
Figure 112015036243020-pat00148
는 i번째 기여도(contribution factor)이고, p는 3축 진동 센서 모듈(110)의 위치를 나타낸다.here,
Figure 112015036243020-pat00144
As an acceleration vector
Figure 112015036243020-pat00145
ego,
Figure 112015036243020-pat00146
Is an i-th mode shape vector
Figure 112015036243020-pat00147
ego,
Figure 112015036243020-pat00148
Is an i-th contribution factor, and p represents the position of the three-axis vibration sensor module 110. [

다음으로, 신호 처리 모듈(120)이 3축 진동 센서 모듈(110)에 의해 출력된 진동 신호를 수집하여 신호 처리를 수행한다(S102).Next, the signal processing module 120 collects the vibration signal output by the three-axis vibration sensor module 110 and performs signal processing (S102).

다음으로, 신호 분석 모듈(130)이 신호 처리 모듈(120)에 의해 신호 처리가 수행된 진동 신호에 대해 파형 및 스펙트럼을 분석하고 분석된 파형 및 스펙트럼에 대한 통계 처리를 수행하여 출력한다(S103).Next, the signal analysis module 130 analyzes the waveform and spectrum of the vibration signal subjected to the signal processing by the signal processing module 120, performs statistical processing on the analyzed waveform and spectrum, and outputs the waveform and spectrum (S103) .

다음으로, TDD(time domain decomposition) 모듈(140)이 신호 처리 모듈(120)에 의해 신호 처리가 수행된 진동 신호에 대해 FFT 연산없이 시간 영역(time domain) 상에서 공간 변수인 모드 형상(mode shape)을 추출한다(S104).Next, a time domain decomposition (TDD) module 140 generates a mode shape, which is a spatial variable, in a time domain without performing an FFT operation on the vibration signal subjected to the signal processing by the signal processing module 120, (S104).

여기서, TDD 모듈(140)은 디지털 밴드 패스 필터(digital band pass filter)를 이용하여 하기 수학식 29에 의해 i번째 모드를 갖는 단자유도 신호

Figure 112015036243020-pat00149
를 추출한다.Here, the TDD module 140 uses a digital band pass filter to calculate a terminal induction signal having an i < th > mode according to the following equation (29)
Figure 112015036243020-pat00149
.

Figure 112015036243020-pat00150
Figure 112015036243020-pat00150

그리고 하기 수학식 30에 의해 N개의 가속도 시간 샘플을 수집한다.Then, N acceleration time samples are collected by the following equation (30).

Figure 112015036243020-pat00151
Figure 112015036243020-pat00151

그리고 하기 수학식 31에 따른 에너지 상관관계 행렬(output energy correlation matrix)에 의해 i번째 단자유도 가속도 응답신호의 에너지 상관관계를 출력한다.And outputs an energy correlation of the ith terminal induced acceleration response signal by an output energy correlation matrix according to Equation (31).

Figure 112015036243020-pat00152
Figure 112015036243020-pat00152

여기서,

Figure 112015036243020-pat00153
는 i번째 단자유도 가속도 신호를 갖는 행렬
Figure 112015036243020-pat00154
를 나타내고
Figure 112015036243020-pat00155
로 간략화된다.here,
Figure 112015036243020-pat00153
Is a matrix having an i < th > terminal induced acceleration signal
Figure 112015036243020-pat00154
And
Figure 112015036243020-pat00155
.

그리고

Figure 112015036243020-pat00156
를 에너지 상관관계 행렬에 대입하여 하기 수학식 32를 산출한다.And
Figure 112015036243020-pat00156
Is substituted into the energy correlation matrix, and the following equation (32) is calculated.

Figure 112015036243020-pat00157
Figure 112015036243020-pat00157

여기서,

Figure 112015036243020-pat00158
는
Figure 112015036243020-pat00159
로서 기여도
Figure 112015036243020-pat00160
의 에너지 강도를 나타낸다.here,
Figure 112015036243020-pat00158
The
Figure 112015036243020-pat00159
Contribution as
Figure 112015036243020-pat00160
. ≪ / RTI >

그리고 에너지 상관관계 행렬에 존재하는 잡음을 i번째 모드 형상에 대한 직교 잡음 공간(orthogonal noise space)으로 다음 수학식 33과 같이 나타낸다.Then, the noise existing in the energy correlation matrix is represented as an orthogonal noise space with respect to the i-th mode shape as shown in Equation (33).

Figure 112015036243020-pat00161
Figure 112015036243020-pat00161

여기서, px1 벡터

Figure 112015036243020-pat00162
는 i번째 잡음 기저를 나타내고,
Figure 112015036243020-pat00163
는 i번째 잡음 모드의 강도를 나타낸다.Here, the px1 vector
Figure 112015036243020-pat00162
Represents the i < th > noise base,
Figure 112015036243020-pat00163
Represents the intensity of the ith noise mode.

그리고 수학식 33을 간략화한 하기 수학식 34에서

Figure 112015036243020-pat00164
의 첫번째 열 벡터(column vector)를 i번째 모드 형상 벡터로서 추출한다.In Equation (34), which simplifies Equation (33)
Figure 112015036243020-pat00164
As a i-th mode shape vector.

Figure 112015036243020-pat00165
Figure 112015036243020-pat00165

여기서,

Figure 112015036243020-pat00166
는
Figure 112015036243020-pat00167
로서 특이 행렬 벡터(singular vector matrix)이고,
Figure 112015036243020-pat00168
는
Figure 112015036243020-pat00169
로서 특이치 행렬을 나타낸다.here,
Figure 112015036243020-pat00166
The
Figure 112015036243020-pat00167
Is a singular vector matrix,
Figure 112015036243020-pat00168
The
Figure 112015036243020-pat00169
Which represents a singularity matrix.

다음으로, TDD 모듈(140)이 앞서 추출된 모드 형상을 이용하여 신호 처리 모듈(120)에 의해 신호 처리가 수행된 진동 신호에 대해 FFT(fast Fourier Transform) 연산을 수행하여 시간 변수인 고유 진동수 및 감쇠비를 추출한다(S105).Next, the TDD module 140 performs an FFT (Fast Fourier Transform) operation on the vibration signal subjected to the signal processing by the signal processing module 120 using the extracted mode shape, The damping ratio is extracted (S105).

여기서, TDD 모듈(140)에서 추출된 i번째 모드 형상 벡터를 이용하여 하기 수학식 35과 같이 I번째 모드를 대표하는 가속도 상호 상관 함수(cross correlation function)

Figure 112015036243020-pat00170
을 산출한다.Here, an i < th > mode shape vector extracted from the TDD module 140 is used to calculate a cross correlation function representing an I < th >
Figure 112015036243020-pat00170
.

Figure 112015036243020-pat00171
Figure 112015036243020-pat00171

그리고 q의 시간 샘플에 대하여 하기 수학식 36과 같이 상관 관계 행렬

Figure 112015036243020-pat00172
를 정의한다.Then, for the time sample of q, a correlation matrix
Figure 112015036243020-pat00172
.

Figure 112015036243020-pat00173
Figure 112015036243020-pat00173

그리고 상관 관계 행렬

Figure 112015036243020-pat00174
에 대하여 수학식 37에 의해 특이치 분해 과정 SVD(singular value decomposition)을 수행하여 직교 잡음을 제거한다.And the correlation matrix
Figure 112015036243020-pat00174
The singular value decomposition (SVD) is performed to remove the orthogonal noise by Equation (37).

Figure 112015036243020-pat00175
Figure 112015036243020-pat00175

그리고 직교 잡음이 제거된 i번째 모드를 대표하며 상관 관계 행렬

Figure 112015036243020-pat00176
에서 가장 큰 특이치를 갖는 가속도 상호 상관 함수 벡터
Figure 112015036243020-pat00177
를 산출한다.And represents the i-th mode in which orthogonal noise is removed, and a correlation matrix
Figure 112015036243020-pat00176
The acceleration cross-correlation function vector having the largest singular value
Figure 112015036243020-pat00177
.

Figure 112015036243020-pat00178
Figure 112015036243020-pat00178

여기서, 산출된 가속도 상호 상관 함수 벡터

Figure 112015036243020-pat00179
에 대해 시간
Figure 112015036243020-pat00180
에 대한 자유 진동 함수
Figure 112015036243020-pat00181
를 하기 수학식 39와 같이 산출하고, 산출된
Figure 112015036243020-pat00182
로부터 고유 진동수, 감쇠비를 추출한다.Here, the calculated acceleration cross-correlation function vector
Figure 112015036243020-pat00179
Time for
Figure 112015036243020-pat00180
Free vibration function for
Figure 112015036243020-pat00181
Is calculated according to the following equation (39), and the calculated
Figure 112015036243020-pat00182
And the damping ratio.

Figure 112015036243020-pat00183
Figure 112015036243020-pat00183

여기서,

Figure 112015036243020-pat00184
는 진폭,
Figure 112015036243020-pat00185
는 고유 진동수,
Figure 112015036243020-pat00186
는 감쇠비,
Figure 112015036243020-pat00187
는 감쇠 고유 진동수,
Figure 112015036243020-pat00188
는 이동각(translation angle)이다.here,
Figure 112015036243020-pat00184
The amplitude,
Figure 112015036243020-pat00185
Is the natural frequency,
Figure 112015036243020-pat00186
Damping ratio,
Figure 112015036243020-pat00187
Is the attenuation natural frequency,
Figure 112015036243020-pat00188
Is the translation angle.

다음으로, 건물 손상 판단 모듈(150)이 TDD 모듈(140)에 의해 추출된 고유 진동수 및 감쇠비와 모드 형상을 이용하여 건물의 손상 위치 및 손상 정도를 판단한다(S106).Next, the building damage judgment module 150 judges the damage position and damage degree of the building using the natural frequency and the damping ratio and the mode shape extracted by the TDD module 140 (S106).

이상 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자는 하기의 특허청구범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.
It will be apparent to those skilled in the art that various modifications and variations can be made in the present invention without departing from the spirit or scope of the invention as defined in the following claims. There will be.

110: 3축 진동 센서 모듈
120: 신호 처리 모듈
130: 신호 분석 모듈
140: TDD 모듈
150: 건물 손상 판단 모듈
110: 3-axis vibration sensor module
120: Signal processing module
130: Signal Analysis Module
140: TDD module
150: Building Damage Judgment Module

Claims (4)

건물의 진동을 측정하여 진동 신호를 출력하는 3축 진동 센서 모듈;
상기 3축 진동 센서 모듈에 의해 출력된 진동 신호를 수집하여 신호 처리를 수행하는 신호 처리 모듈;
상기 신호 처리 모듈에 의해 신호 처리가 수행된 진동 신호에 대해 파형 및 스펙트럼을 분석하고 분석된 파형 및 스펙트럼에 대한 통계 처리를 수행하여 출력하는 신호 분석 모듈;
상기 신호 처리 모듈에 의해 신호 처리가 수행된 진동 신호에 대해 FFT 연산없이 시간 영역(time domain) 상에서 공간 변수인 모드 형상(mode shape)을 추출하고, 상기 추출된 모드 형상을 이용하여 상기 신호 처리 모듈에 의해 신호 처리가 수행된 진동 신호에 대해 FFT(fast Fourier Transform) 연산을 수행하여 시간 변수인 고유 진동수 및 감쇠비를 추출하는 TDD(time domain decomposition) 모듈; 및
상기 TDD 모듈에 의해 추출된 고유 진동수 및 감쇠비와 모드 형상을 이용하여 상기 건물의 손상 위치 및 손상 정도를 판단하는 건물 손상 판단 모듈을 포함하는 TDD 기법을 이용한 건물 진동 모니터링 시스템.
A 3-axis vibration sensor module for measuring the vibration of the building and outputting a vibration signal;
A signal processing module for collecting the vibration signal output by the three-axis vibration sensor module and performing signal processing;
A signal analysis module for analyzing the waveform and spectrum of the vibration signal subjected to the signal processing by the signal processing module, performing statistical processing on the analyzed waveform and spectrum, and outputting the statistical processing;
Extracting a mode shape, which is a spatial variable, in a time domain without performing an FFT operation on the vibration signal subjected to the signal processing by the signal processing module, and using the extracted mode shape, A time domain decomposition (TDD) module for performing a fast Fourier transform (FFT) operation on the vibration signal subjected to the signal processing by the frequency domain decomposition module and extracting a natural frequency and an attenuation ratio which are time variables; And
And a building damage determination module for determining a damage location and damage degree of the building using the natural frequency and the damping ratio and the mode shape extracted by the TDD module.
제1항에 있어서, 상기 3축 진동 센서 모듈은,
상기 건물의 단순지지 보에 p개가 설치되는 경우, 시간 t에 대한 응답 가속도의 시간 이력이 하기 수학식과 같이 산출되고,
[수학식]
Figure 112015036243020-pat00189

여기서,
Figure 112015036243020-pat00190
는 가속도 벡터로서
Figure 112015036243020-pat00191
이고,
Figure 112015036243020-pat00192
는 i번째 모드 형상 벡터로서
Figure 112015036243020-pat00193
이고,
Figure 112015036243020-pat00194
는 i번째 기여도(contribution factor)이고, p는 상기 3축 진동 센서 모듈의 위치를 나타내는 것을 특징으로 하는 TDD 기법을 이용한 건물 진동 모니터링 시스템.
The three-axis vibration sensor module according to claim 1,
When p is provided in the simple support beam of the building, the time history of the response acceleration with respect to the time t is calculated according to the following equation,
[Mathematical Expression]
Figure 112015036243020-pat00189

here,
Figure 112015036243020-pat00190
As an acceleration vector
Figure 112015036243020-pat00191
ego,
Figure 112015036243020-pat00192
Is an i-th mode shape vector
Figure 112015036243020-pat00193
ego,
Figure 112015036243020-pat00194
Is the i-th contribution factor, and p is the position of the three-axis vibration sensor module.
제2항에 있어서, 상기 TDD 모듈은,
디지털 밴드 패스 필터(digital band pass filter)를 이용하여 하기 수학식에 의해 i번째 모드를 갖는 단자유도 신호
Figure 112015036243020-pat00195
를 추출하고,
[수학식]
Figure 112015036243020-pat00196

하기 수학식에 의해 N개의 가속도 시간 샘플을 수집하고,
[수학식]
Figure 112015036243020-pat00197

하기 수학식에 따른 에너지 상관관계 행렬(output energy correlation matrix)에 의해 i번째 단자유도 가속도 응답신호의 에너지 상관관계를 출력하고,
[수학식]
Figure 112015036243020-pat00198

여기서,
Figure 112015036243020-pat00199
는 i번째 단자유도 가속도 신호를 갖는 행렬
Figure 112015036243020-pat00200
를 나타내고
Figure 112015036243020-pat00201
로 간략화되며,
상기
Figure 112015036243020-pat00202
를 상기 에너지 상관관계 행렬에 대입하여 하기 수학식을 산출하고,
[수학식]
Figure 112015036243020-pat00203

여기서,
Figure 112015036243020-pat00204
는
Figure 112015036243020-pat00205
로서 기여도
Figure 112015036243020-pat00206
의 에너지 강도를 나타내고,
상기 에너지 상관관계 행렬에 존재하는 잡음을 i번째 모드 형상에 대한 직교 잡음 공간(orthogonal noise space)으로 다음 수학식과 같이 나타내고,
[수학식]
Figure 112015036243020-pat00207

여기서, px1 벡터
Figure 112015036243020-pat00208
는 i번째 잡음 기저를 나타내고,
Figure 112015036243020-pat00209
는 i번째 잡음 모드의 강도를 나타내며,
상기 수학식을 간략화한 하기 수학식에서
Figure 112015036243020-pat00210
의 첫번째 열 벡터(column vector)를 i번째 모드 형상 벡터로서 추출하도록 구성되며,
[수학식]
Figure 112015036243020-pat00211

여기서,
Figure 112015036243020-pat00212
는
Figure 112015036243020-pat00213
로서 특이 행렬 벡터(singular vector matrix)이고,
Figure 112015036243020-pat00214
는
Figure 112015036243020-pat00215
로서 특이치 행렬을 나타내는 것을 특징으로 하는 TDD 기법을 이용한 건물 진동 모니터링 시스템.
3. The TDD module of claim 2,
A digital band pass filter is used to generate a terminal induction signal having an i < th > mode according to the following equation: < EMI ID =
Figure 112015036243020-pat00195
Respectively,
[Mathematical Expression]
Figure 112015036243020-pat00196

N acceleration time samples are collected by the following equation,
[Mathematical Expression]
Figure 112015036243020-pat00197

And outputs the energy correlation of the ith terminal induced acceleration response signal by an output energy correlation matrix according to the following equation,
[Mathematical Expression]
Figure 112015036243020-pat00198

here,
Figure 112015036243020-pat00199
Is a matrix having an i < th > terminal induced acceleration signal
Figure 112015036243020-pat00200
And
Figure 112015036243020-pat00201
≪ / RTI >
remind
Figure 112015036243020-pat00202
Into the energy correlation matrix to calculate the following equation,
[Mathematical Expression]
Figure 112015036243020-pat00203

here,
Figure 112015036243020-pat00204
The
Figure 112015036243020-pat00205
Contribution as
Figure 112015036243020-pat00206
, ≪ / RTI >
The noise existing in the energy correlation matrix is expressed as an orthogonal noise space with respect to the i-th mode shape as shown in the following equation,
[Mathematical Expression]
Figure 112015036243020-pat00207

Here, the px1 vector
Figure 112015036243020-pat00208
Represents the i < th > noise base,
Figure 112015036243020-pat00209
Represents the intensity of the i < th > noise mode,
In the following mathematical expression for simplifying the above equation
Figure 112015036243020-pat00210
As a i < th > mode shape vector,
[Mathematical Expression]
Figure 112015036243020-pat00211

here,
Figure 112015036243020-pat00212
The
Figure 112015036243020-pat00213
Is a singular vector matrix,
Figure 112015036243020-pat00214
The
Figure 112015036243020-pat00215
Wherein the building vibration monitoring system is characterized in that it represents a singularity matrix.
제3항에 있어서, 상기 TDD 모듈은,
상기 TDD 모듈에서 추출된 i번째 모드 형상 벡터를 이용하여 하기 수학식과 같이 I번째 모드를 대표하는 가속도 상호 상관 함수(cross correlation function)
Figure 112015036243020-pat00216
을 산출하고,
[수학식]
Figure 112015036243020-pat00217

q의 시간 샘플에 대하여 하기 수학식과 같이 상관 관계 행렬
Figure 112015036243020-pat00218
를 정의하고,
[수학식]
Figure 112015036243020-pat00219

상기 상관 관계 행렬
Figure 112015036243020-pat00220
에 대하여 하기 수학식에 의해 특이치 분해 과정 SVD(singular value decomposition)을 수행하여 직교 잡음을 제거하고,
[수학식]
Figure 112015036243020-pat00221

상기 직교 잡음이 제거된 i번째 모드를 대표하며 상기 상관 관계 행렬
Figure 112015036243020-pat00222
에서 가장 큰 특이치를 갖는 가속도 상호 상관 함수 벡터
Figure 112015036243020-pat00223
를 산출하고,
[수학식]
Figure 112015036243020-pat00224

상기 산출된 가속도 상호 상관 함수 벡터
Figure 112015036243020-pat00225
에 대해 시간
Figure 112015036243020-pat00226
에 대한 자유 진동 함수
Figure 112015036243020-pat00227
를 하기 수학식과 같이 산출하고, 산출된
Figure 112015036243020-pat00228
로부터 고유 진동수, 감쇠비를 추출하도록 구성되며,
[수학식]
Figure 112015036243020-pat00229

여기서,
Figure 112015036243020-pat00230
는 진폭,
Figure 112015036243020-pat00231
는 고유 진동수,
Figure 112015036243020-pat00232
는 감쇠비,
Figure 112015036243020-pat00233
는 감쇠 고유 진동수,
Figure 112015036243020-pat00234
는 이동각(translation angle)인 것을 특징으로 하는 TDD 기법을 이용한 건물 진동 모니터링 시스템.
4. The TDD module of claim 3,
The i-th mode shape vector extracted from the TDD module is used as a cross correlation function representing an I-th mode,
Figure 112015036243020-pat00216
≪ / RTI >
[Mathematical Expression]
Figure 112015036243020-pat00217

the correlation matrix < RTI ID = 0.0 >
Figure 112015036243020-pat00218
Lt; / RTI >
[Mathematical Expression]
Figure 112015036243020-pat00219

The correlation matrix
Figure 112015036243020-pat00220
By performing singular value decomposition (SVD) on the singular value decomposition process according to the following equation to remove orthogonal noise,
[Mathematical Expression]
Figure 112015036243020-pat00221

Represents the i < th > mode in which the quadrature noise is removed and the correlation matrix
Figure 112015036243020-pat00222
The acceleration cross-correlation function vector having the largest singular value
Figure 112015036243020-pat00223
Lt; / RTI >
[Mathematical Expression]
Figure 112015036243020-pat00224

The calculated acceleration cross-correlation function vector
Figure 112015036243020-pat00225
Time for
Figure 112015036243020-pat00226
Free vibration function for
Figure 112015036243020-pat00227
Is calculated according to the following equation, and the calculated
Figure 112015036243020-pat00228
And a damping ratio,
[Mathematical Expression]
Figure 112015036243020-pat00229

here,
Figure 112015036243020-pat00230
The amplitude,
Figure 112015036243020-pat00231
Is the natural frequency,
Figure 112015036243020-pat00232
Damping ratio,
Figure 112015036243020-pat00233
Is the attenuation natural frequency,
Figure 112015036243020-pat00234
Is a translation angle. ≪ RTI ID = 0.0 > 11. < / RTI >
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