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동적특성을 이용한 부유식 구조물의 손상탐지

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(1)

공학석사 학위논문

동적특성을 이용한 부유식 구조물의 손상탐지

Damage Detection in Floating Structure Using Dynamic Characteristics

지도교수 박 수 용

년 월 2012 2

한국해양대학교 대학원

해 양 건 축 공 학 과

(2)

동 적 특 성 을 이 용 한 부 유 식 구 조 물 의 손 상 탐 지

2 0 1 2 년 2 월

(3)

공학석사 학위논문

동적특성을 이용한 부유식 구조물의 손상탐지

Damage Detection in Floating Structure Using Dynamic Characteristics

지도교수 박 수 용

년 월 2012 2

한국해양대학교 대학원

해 양 건 축 공 학 과

(4)

을 의 으로 함.

本 論文 全鎔換 工學碩士 學位論文 認准

위원장 송 화 철 인 위 원 박 수 용 인 위 원 박 동 천 인

년 월 2012 2

한국해양대학교 대학원

(5)

목 차

[ ]

목 차 ···ⅰ

표 목 차 ···iii

그림목차 ···iv

Abstract ···vi

제 장 서1 론···1

연구배경 및 목적 1.1 ···1

연구 동향 1.2 ···3

연구범위와 내용 1.3 ···5

제 장 손상탐지를 위한 이론적 배경2 ···7

개 요 2.1 ···7

플레이트 손상탐지 이론 2.2 ···8

손상탐지 알고리즘 2.3 ···11

제 장 수치해석 모델을 통한 검증3 ···13

개 요 3.1 ···13

플로팅 구조물의 모델링 및 경계조건 3.2 ···14

유한요소 모델 3.2.1 ···14

(6)

모드형상

3.4.1 ···19 수치해석 모델의 손상위치 추정

3.4.2 ···23

제 장 축소모형의 실험을 통한 검증4 ···34 개 요

4.1 ···34 축소모형 모델

4.2 ···34 실험 장비 및 방법

4.3 ···36 실험 장비

4.3.1 ···36 실험 방법

4.3.2 ···39 손상 모사

4.3.3 ···44 축소모형의 손상탐지

4.4 ···47 4.4.1 Modal Assurance Criteria ···46

축소모형의 손상위치 추정

4.4.2 ···48

제 장 결5 론···54

참고문헌

[ ] ···56

(7)

표 목 차

표 유한요소 모델의 물성치

< 3.1> ···15 표 손상 경우별 모의 손상부재 및 손상도

< 3.2> ···18 표 모델 고유진동수

< 3.3> FE ···22

표 모델

< 3.4> Percentage of false positive(FE ) ···32

표 모델

< 3.5> Percentage of false negative(FE ) ···32 표 축소 모형의 물성치

< 4.1> ···35 표 손상 형태

< 4.2> ···45 표 축소모형의 고유진동수

< 4.3> ···46 표 손상 경우

< 4.4> 1 MAC ···47 표 손상 경우

< 4.5> 2 MAC ···47 표 손상 경우

< 4.6> 3 MAC ···48

표 축소모형

< 4.8> Percentage of false positive( ) ···52

표 축소모형

< 4.9> Percentage of false negative( ) ···52

(8)

그 림 목 차

그림 연구흐름도

< 1.1> ···6 그림 확률 밀도 함수

< 2.1> ···12 그림 부유식 구조물의 구조

< 3.1> ···13 그림 유한요소 모델

< 3.2> ···14 그림 부력 모델링

< 3.3> ···15 그림 모의손상 위치

< 3.4> ···18 그림 자유도 모드

< 3.5> 6 ···19 그림 모델 모드형상

< 3.6> FE (7~8) ···20 그림 모델 모드형상

< 3.7> FE (9~14) ···21 그림 모델 손상탐지 결과 손상 경우

< 3.8> FE ( 1) ···24 그림 모델 손상탐지 결과 손상 경우

< 3.9> FE ( 2) ···25 그림 모델 손상탐지 결과 손상 경우

< 3.10> FE ( 3) ···26 그림 모델 손상탐지 결과 손상 경우

< 3.11> FE ( 4) ···27 그림 모델 손상탐지 결과 손상 경우

< 3.12> FE ( 5) ···28 그림 모델 손상탐지 결과 손상 경우

< 3.13> FE ( 6) ···29 그림 모델 손상탐지 결과 손상 경우

< 3.14> FE ( 7) ···30 그림 축소모형

< 4.1> ···35 그림 축소모형의 계류

< 4.2> 1 ···36 그림 축소모형의 계류

< 4.3> 2 ···37 그림 강제 시험 장비

< 4.4> ···38 그림 가속도계

< 4.5> ···38 그림 모달 임팩트 실험

< 4.6> ···40 그림 가속도계 부착 위치

< 4.7> ···41 그림

< 4.8> Superposition of FRF ···42

(9)

그림 손상 모사

< 4.10> ···44 그림 손상 형태

< 4.11> ···45 그림 축소모형의 손상 위치

< 4.12> ···45 그림 축소모형 손상탐지 결과 손상 경우

< 4.13> ( 1) ···49 그림 축소모형 손상탐지 결과 손상 경우

< 4.14> ( 2) ···50 그림 축소모형 손상탐지 결과 손상 경우

< 4.15> ( 3) ···51

(10)

Damage Detection in Floating Structure Using Dynamic Characteristics

Jeon, Yong-Hwan

Department of Oceanic Architectural Engineering

Graduate School of Korea Maritime National University, Busan, Korea

Abstract

(11)

제 장 서 론 1

연구배경 및 목적

1.1

(12)
(13)

연구동향

1.2

(14)
(15)

연구범위와 내용

1.3

(16)
(17)

제 장 손상탐지를 위한 이론적 배경 2

개 요

2.1

(18)

플레이트 손상탐지 이론 2.2

 

 



 

   







  

  





 

 



 

   









(19)

 

 



 

   











 





 







≈ 

  



  

 

 

(20)



 

≈  

 



 

  







 

  





 

 



  

≈  

 



 

  





 



 

  





 

 

 

 

≈  

 

  





  





 

  





  





 

 

 

(21)

손상탐지 알고리즘 2.3

(22)

그림 확률 밀도 함수

< 2.1>

 

≥ 

(23)

제 장 수치해석 모델을 통한 검증 3

개 요

3.1

(24)

플로팅 구조물의 모델링 및 경계조건 3.2

유한요소 모델 3.2.1

 ×  ×  

 × 

(25)

그림 부력 모델링

< 3.3>

표 유한요소 모델의 물성치

< 3.1>

Modulus of Elasticty 2.0594 ✕1011 N/m2 Mass Density 7850 N/m3/g

Poisson's Ratio 0.3

(26)

경계조건 3.2.2

   

  

(27)

   ∆

모의 손상

3.3

(28)

그림 모의손상 위치

< 3.4>

표 손상 경우별 모의 손상부재 및 손상도

< 3.2>

손상 경우 부재번호 손상도(%), 

1 38 20

2 123 10

3 64, 146 10, 10

4 64, 146 10, 15

5 38, 64, 117 10, 10, 10

6 38, 64, 117 15, 10, 10

7 38, 64, 117 20, 15, 10

(29)

수치해석 모델의 손상탐지 3.4

모드형상 3.4.1

Surging mode Swaying mode

Pitching mode Heaving mode

(30)

모드형상 7 모드형상 8

그림 모델 모드형상

< 3.6> FE (7~8)

(31)

모드형상 9 모드형상 10

모드형상 11 모드형상 12

(32)

표 모델 고유진동수

< 3.3> FE

단위:Hz 손상 전 손상경우

1

손상경우 2

손상경우 3

손상경우 4

손상경우 5

손상경우 6

손상경우 7

mode 1 0 0.0000 0.0001 0.0002 0.0000 0.0004 0.0001 0.0005

mode 2 1.3552 1.36 1.36 1.36 1.36 1.36 1.36 1.36

mode 3 1.8845 1.88 1.88 1.88 1.88 1.88 1.88 1.88

mode 4 2.0318 2.03 2.03 2.03 2.03 2.03 2.03 2.03

mode 5 6.0018 6.00 6.00 6.00 6.00 6.00 6.00 6.00

mode 6 8.664 8.66 8.66 8.66 8.66 8.66 8.66 8.66

mode 7 76.525 76.52 76.52 76.50 76.50 76.50 76.48 76.49

mode 8 105.38 105.36 105.37 105.33 105.32 105.34 105.33 105.32 mode 9 110.93 110.92 110.92 110.90 110.89 110.88 110.86 110.87 mode 10 131.23 131.21 131.21 131.16 131.14 131.17 131.15 131.15 mode 11 155.32 155.28 155.30 155.29 155.28 155.27 155.25 155.24 mode 12 178.34 178.30 178.32 178.28 178.26 178.29 178.27 178.26 mode 13 207.4 207.36 207.33 207.34 207.34 207.27 207.21 207.22 mode 14 225.74 225.67 225.71 225.70 225.69 225.62 225.58 225.57

(33)

수치해석 모델의 손상위치 추정

3.4.2

(34)

모드 1 모드 2

모드 3 합성 모드

그림 모델 손상탐지 결과 손상 경우

< 3.8> FE ( 1)

(35)

모드 1

.

모드 2

모드 3 합성 모드

(36)

모드 1 모드 2

모드 3 합성 모드

그림 모델 손상탐지 결과 손상 경우

< 3.10> FE ( 3)

(37)

모드 1 모드 2

모드 3 합성 모드

그림 모델 손상탐지 결과 손상 경우

< 3.11> FE ( 4)

(38)

모드 1 모드 2

모드 3 합성 모드

그림 모델 손상탐지 결과 손상 경우

< 3.12> FE ( 5)

(39)

모드 1 모드 2

모드 3 합성 모드

(40)

모드 1 모드 2

모드 3 합성 모드

그림 모델 손상탐지 결과 손상 경우

< 3.14> FE ( 7)

(41)
(42)

표 모델

< 3.4> Percentage of false positive (FE )

손상경우 1차모드 2차모드 3차모드 3모드 합성

1 개수 4 3 4 3

% 2 1.5 2 1.5

2 개수 4 3 1 3

% 2 1.5 0.5 1.5

3 개수 2 4 3 4

% 1 2 1.5 2

4 개수 2 4 2 4

% 1 2 1 2

5 개수 3 3 1 2

% 1.5 1.5 0.5 1

6 개수 3 2 1 0

% 1.5 1 0.5 0

7 개수 3 4 1 3

% 1.5 2 0.5 1.5

표 모델

< 3.5>. Percentage of false negative (FE )

손상경우 1차모드 2차모드 3차모드 3모드 합성

1 개수 0 0 0 0

% 0 0 0 0

2 개수 0 0 0 0

% 0 0 0 0

3 개수 0 0 1 0

% 0 0 50 0

4 개수 0 0 1 0

% 0 0 50 0

5 개수 1 2 1 0

% 33 66 33 0

6 개수 1 2 1 0

% 33 66 33 0

(43)
(44)

제 장 축소모형의 실험을 통한 검증 4

개 요 4.1

축소모형 모델 4.2

 ×  × 



(45)

그림 축소모형

< 4.1>

표 축소 모형의 물성치

< 4.1>

Modulus of Elasticty 2.0594 ✕1011 N/m2

Mass Density 7850 N/m3/g

Poisson's Ratio 0.3

(46)

실험 장비 및 방법 4.3

실험 장비 4.3.1

 ×  × 



그림 축소모형의 계류

< 4.2> 1

(47)
(48)

그림 강제 시험 장비

< 4.4>

(49)

실험 방법

4.3.2

(50)

그림 모달 임팩트 실험

< 4.6>

(51)

그림 가속도계 부착위치

< 4.7>

(52)

그림

< 4.8> Superposition of FRF

(53)

(a) Mode 1 (b) Mode 2

(c) Mode 3 (d) Mode 4

(e) Mode 5 (f) Mode 6

(54)

손상 모사

4.3.3

(55)

표 손상 형태

< 4.2>

손상 경우 손상 부재 손상 형태

1 21 번 부재 일자 컷팅 4 Cm

2 46 번 부재 십자 컷팅 3 Cm

3 21 , 46번 번 부재 일자 컷팅 4 Cm + 십자 컷팅 3 Cm

번 부재 손상

21 46번 부재 손상

그림 손상 형태

< 4.11>

(56)

축소모형의 손상탐지 4.4

4.4.1 Modal Assurance Criteria

표 축소모형의 고유진동수

< 4.3>

Mode 손상전 ( )㎐ 손상경우1 손상경우2

1 98.6 93.1 92.6

2 129 115 115

3 143 125 125

4 187 174 174

5 267 253 253

6 270 추출하지 못함 265

(57)

  

  



  

  

표 손상 경우

< 4.5> 1 MAC

표 손상 경우

< 4.6> 2 MAC

MAC 손상 전

Mode 1 2 3

손상 후

Mode 고유진동수( )㎐ 98.6 143 187

1 93.1 0.89 0.06 0.01

2 125 0.2 0.96 0

3 174 0.0048 0.0077 0.9819

MAC 손상 전

Mode 1 2 3

Mode 고유진동수( )㎐ 93.1 126 174

(58)

표 손상 경우

< 4.7> 3 MAC

축소모형의 손상위치 추정 4.3.2

MAC 손상 전

Mode 1 2 3

손상 후

Mode 고유진동수( )㎐ 98.6 143 187

1 92.6 0.99 0.15 0.01

2 125 0.14 0.98 0

3 174 0 0 0.99

(59)

모드 1 모드 2

모드 3 합성 모드

그림 축소모형 손상탐지 결과 손상경우

< 4.13> ( 1)

(60)

모드 1 모드 2

모드 3 합성 모드

그림 축소모형 손상탐지 결과 손상 경우

< 4.14> ( 2)

(61)

모드 1 모드 2

모드 3 합성 모드

(62)

표 축소모형

< 4.8>. Percentage of false positive ( )

손상경우 1차모드 2차모드 3차모드 3모드 합성

1

개수 0 1 0 0

% 0 1.7 0 0

2

개수 0 0 0 0

% 0 0 0 0

3

개수 0 0 0 0

% 0 0 0 0

표 축소모형

< 4.9>. Percentage of false negative ( )

손상경우 1차모드 2차모드 3차모드 3모드 합성

1

개수 0 0 1 0

% 0 0 100 0

2

개수 0 1 0 0

% 0 100 0 0

3

개수 2 1 2 1

% 100 50 100 50

(63)
(64)

제 장 결 론 5

(65)
(66)

참 고 문 헌

[ ]

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참조

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