Journal of the Korea Academia-Industrial cooperation Society (한국산학기술학회논문지)

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A Study on the Characteristics of Natural Frequency and Impedance of Elastically Restrained Cracked Beam with a Tip Mass

말단질량을 갖는 탄성지지 균열보의 고유주파수와 임피던스 특성 연구

  • Lee, Jong-Won (Department of Architectural Engineering, Namseoul University)
  • 이종원 (남서울대학교 건축공학과)
  • Received : 2020.09.21
  • Accepted : 2020.11.06
  • Published : 2020.11.30
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Abstract

The development of a technique that can monitor the cracks, which is one of the typical types of damage, is necessary to secure the structural safety of elastically restrained cantilever-type beams with a tip mass that is used widely in infrastructure. Impedance techniques have been actively researched to detect cracks, and the cracks were estimated mainly by experimentally investigating the relationship between the crack and impedance signal. This study examined the correlation between the change in the impedance signals due to the crack, and the natural frequency obtained analytically. After updating the analysis model for the intact beam, the impedance signal was measured while gradually inflicting cracks in the cantilever-type beam, and the damage index was obtained. The results were compared with the natural frequencies calculated from the updated analysis model to investigate the correlation. A close correlation was observed between the experimentally obtained impedance damage index, and the analytically calculated natural frequency. Using this correlation, the structural characteristics could be evaluated more accurately from the damage estimation results, and the behavior of the structure could be predicted effectively using the analysis model.

주요 시설물에 널리 이용되고 있는, 말단질량을 갖는 탄성지지 캔틸레버형 보의 구조적 안전성 확보를 위하여, 대표적 손상형태 중 하나인 균열의 발생 및 진전을 센서를 통하여 측정된 데이터를 이용하여 추정함으로써 건전성을 모니터링할 수 있는 기술개발이 필요하다. 균열탐지를 위하여 압전재료를 이용한 임피던스기법이 활발히 연구되고 있는데, 이러한 기존연구들은 주로 균열과 임피던스 신호와의 관련성을 손상지수를 이용하여 실험적으로 규명함으로써 손상을 추정하는 내용으로 판단된다. 본 연구는 말단질량을 갖는 탄성지지 캔틸레버형 보의 균열에 따른 임피던스 신호의 변화와 해석적으로 구한 균열보 고유주파수 변화의 상관성을 규명하기 위한 연구이다. 정확한 고유주파수 해석을 위하여 자유진동실험 결과를 이용하여 건전보에 대한 해석모델을 개선한 후, 캔틸레버형 보에 단계적으로 균열을 발생시키면서 임피던스 신호를 측정하고 이에 대한 손상지수를 제곱평균제곱근편차를 이용하여 구한다. 그 결과를 개선된 해석모델을 기반으로 산정한 균열보의 고유주파수와 비교함으로써 고유주파수와 임피던스 신호와의 상관관계를 규명한다. 실험적으로 구한 임피던스 손상지수와 해석적으로 구한 1차 및 2차 고유주파수의 손상전후 비율 간의 상관계수가 각각 0.924 및 0.928로써, 밀접한 상관관계를 가지는 것으로 알 수 있었는데, 이러한 상관성을 활용하면 임피던스기법 기반 손상추정의 결과로부터 구조물의 현재 상태에 대한 구조특성을 보다 정확히 평가할 수 있고, 해석모델을 이용하여 구조물의 거동을 효과적으로 예측할 수 있을 것으로 판단된다.

Keywords

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