항만기반 시설용 케이슨 구조체의 진동응답에 관한 실험적 연구

Abstract

본 연구에서는 중력식 항만구조물의 대표적인 형식인 케이슨구조물에 대해 모형구조물을 제작하고 가속도 응답을 이용하여 경계조건의 변화에 대한 동적응답의 차이를 실험적으로 분석하였다. 이를 위해, 다음과 같은 연구가 수행되었다. 첫째, 모형케이슨 구조물의 설계하고 제작하였다. 둘째, 수치 모드해석을 통하여 모형케이슨의 동적거동특성을 분석하였다. 셋째, 모형케이슨에 대해 4가지의 경계조건에 대한 진동실험을 수행하였다. 이때의 고려한 4가지 경계조건은 ‘Standing on Concrete Floor’, ‘Standing on Sand Mat’, ‘Standing on Styrofoam block’, ‘Hanging by Crane’ 이다. 넷째, 모형케이슨의 진동응답 분석 기법으로서 모드형상 및 고유진동수 분석법, Modal Assurance Criterion(MAC) 분석법, Frequency Response Ratio Assurance Criterion(FRRAC) 분석법, 그리고 주파수응답함수의 상관계수(Correlation Coefficient of Frequency Response Function) 분석법, 그리고 표준편차를 이용한 자료의 정밀도의 분석법을 선정하고, 이러한 기법들을 사용하여 모형 케이슨의 진동응답의 특성을 분석하였다. 경계조건의 변화에 대한 모형케이슨의 진동응답에 관한 분석결과는 아래와 같다. (1) 자유경계조건에 대하여 모형케이슨의 수치모델과 실험모델의 모드해석결과의 비교를 통해 0~400Hz의 주파수 대역에 대하여 4개의 모드와 유사한 실험모드들을 식별하였다. (2) 실험 모드해석 결과로부터 경계조건의 차이에도 불구하고 4개의 공통적인 모드가 존재하였으며, Mode 2의 경우 경계조건의 차이에 대해 고유진동수와 모드형상의 변화가 거의 발생하지 않았다. 그리고 Mode 1의 경우 다른 모드에 비해 바닥경계조건의 변화에 가장 민감하게 반응하였다. (3) FRRAC를 이용하여 바닥경계조건의 변화에 대한 센서의 민감도 분석을 수행한 결과, Y방향의 Reference 센서와 Z방향의 Reference 센서를 동시에 사용하였을 때 최대 약 30% 높은 민감도를 나타내었다. 따라서 FRRAC 분석을 통해 바닥경계조건의 변화를 계측하고자 할 때, Y방향과 Z방향의 Reference 센서를 동시에 사용하는 것이 바람직하다고 사료된다. (4) 주파수응답함수의 상관계수를 이용하여 바닥경계조건의 변화에 대한 센서의 민감도분석을 수행한 결과, Y방향의 Reference 센서와 Z축 방향의 Reference 센서를 사용하였을 때와 전면벽과 측면벽이 교차되는 부분(Impact 2)에 가진하였을 때 비교적 높은 민감도를 나타내었으며, 특히 Reference 센서를 기준으로 좌측의 X방향 센서(Sensor 1)와 우측의 X방향과 Y방향(Sensor 4, 5)의 센서가 높은 민감도를 나타내었다. 따라서 주파수응답함수의 상관계수를 이용하여 바닥경계조건의 변화를 계측하고자 할 때, Y방향 또는 Z방향의 Reference 센서를 사용하고 Impact 2위치에 가진하며, 1, 4, 5번 센서의 위치로 부터의 가속도응답을 통해 분석하는 것이 바람직하다고 사료된다. (5) FRRAC와 주파수응답함수의 상관계수에 의한 분석결과를 비교해 볼 때, 전체적으로 FRRAC 보다 주파수응답함수의 상관계수에 의한 분석결과의 민감도가 다소 높게 나타났다. 한편, FRRAC 분석에 의한 결과는 주파수응답함수의 상관계수 분석에 의한 결과에 비해 가진 위치에 대한 민감도의 차이가 작게 나타났다. 따라서 현장의 실험 조건을 고려한다면, 가진 위치에 따른 민감도의 차이가 작은 FRRAC 분석에 의한 방법이 유리할 것으로 사료된다.

Recently, harbor construction and remodeling projects have been actively processed in large scale. Particularly, the interest on how to evaluate the health condition of existing harbor infrastructures is an important issue. For remodeling harbor infrastructures, the health assessment of existing conditions is needed as the first step. Since as early as 1980s, many researchers have focused on implementing vibration-based health monitoring techniques in the fields of civil engineering. Despite the research attempts, however, there still exist research needs to identify the variations of vibration properties due to changes in structural properties, boundary conditions, and ambient conditions. In this study, dynamic responses of harbor caisson structures under various boundary conditions are experimentally examined as a basic study for development of the structural health assessment technique for harbor structures. To achieve the objective, four approaches are implemented. Firstly, a target caisson infrastructure is selected and its lab-scaled model caisson is constructed in the laboratory. Secondly, a finite element model of the caisson is generated and the modal analysis is performed numerically. Thirdly, experimental tests are performed on the caisson model to examine dynamic responses under various boundary conditions and impact locations. Several boundary conditions such as ‘standing on floor’, ‘standing on sand-mat’ and ‘hanging by crane’ are considered. Finally, vibration responses of the model caisson structure are analyzed using feature discrimination algorithms such as modal assurance criterion, frequency response ratio assurance criterion, and correlation coefficients of frequency response function.