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1 Application of GPS to Monitoring of Wind-Induced Responses of High-rise Buildings 박효선 * 손홍규 ** 김일수 *** 박재환 **** Park, Hyo-Seon Sohn, Hong-Gyoo Kim, Ill-Soo Park, Jae-Hwan Abstract A new monitoring system using GPS is introduced to measure wind-induced responses of high-rise buildings. In this paper, wind-induced responses of a long-period structure include relative lateral displacements, acceleration records, and torsional displacements at the top of a building. After comparing responses of a test model measured by GPS with responses obtained by the most commonly used laser displacement meters and accelerometers, the wind-induced responses of an existing high-rise building subject to the yellow dust storm were measured by the GPS based monitoring system. Based on the field measurement, the complete motion history of a high-rise building can be monitored by GPS. 키워드 : 고층건물, 구조건전도모니터링, 사용성, GPS Keyword : High-rise Building, Structural Health Monitoring, Serviceability, GPS. 서론고층건물의구조설계는예상가능한모든하중조합에대한구조물의반응이설계기준에명시된안전성과사용성평가기준을만족하도록구조시스템과부재단면을결정하는반복적과정으로정의할수있다. 세장비가큰고층건물의경우설계의질또는시공후입주자가느끼는건물의구조측면에서의질은안전성보다는사용성평가기준의만족도에따라좌우된다. 풍하중과같은횡하중에대한고층건물사용성은수평변위와수평가속도레벨의두가지건물반응으로평가한다. 과도한수평변위는구조적인문제는물론마감재의손상등의비영구적부재에다양한문제를일으키며과도한수평가속도는입주들에게불쾌감을초래하거나구조적불안감을느끼게한다. 이러한이유로건물의상대수평변위및수평가속도를계측하기위한방법이다양하게연구되어왔다. 태풍과같은횡하중에대한건물의풍방향수평변위는정적변위성분과동적변동성분으로구성된다. 가장많이사용되는가속도계를이용한방법은수평변위성분중정 * 연세대학교건축공학과교수, 공학박사 ** 연세대학교사회환경시스템공학부교수, 공학박사 *** 연세대대학원공학석사 **** 연세대대학원공학석사이연구는 년도한국학술진흥재단연구비지원에의한결과의일부임. 과제번호 : KRF--4-E37 적변위성분계측에이중수치적분시적절한적분상수의결정등여러어려움이있는것으로평가되고있다. ) 그러므로최근 GPS를이용한수평변위의직접계측이많은연구자들에의하여시도되고있다. ),),3),4),),6)))3)4))6) Loves(99) ) 는 Calgary Tower의풍하중에의한수평변위이력을 GPS를이용하여계측하였으며이를이용하여고유주파수를분석발표하였다. Celebi() 3) 는 44층건물을이용하여수평변위이력을실측하였으며변위이력에서계산된고유주파수.3 Hz와가속도계를이용하여분석된고유주파수.3 Hz가일치함을발표하였다. Tamura() 4) 는구조물의고유주파수가 Hz 이하이며변위진폭이 cm 이상인경우는 ±cm+ppm의공칭정밀도를갖는 GPS를이용하여실제변위를직접계측할수있으며 8 m의철골타워변위계측이력을발표하였다. Breuer() ) 는 Stuttgart TV-tower의풍하중에의한변위이력과고유주파수를계측하였으며계측된변위정보를이용하여세장한고층건물의안전성모니터링기법으로서의 GPS 활용가능성을언급하였다. 풍하중과같은횡하중은고층건물에변위를발생시킴과동시에수평진동을일으킨다. 이러한풍하중에의한고층건물의수평진동은직접적으로입주자에불쾌감을유발할수있으므로수평변위보다더욱중요한건물의사용성평가지표가될수있다.(Melbourne(99) 7) ) 수평진동에의한건물의수평가속도는대부분가속도계를이용하여계측하고있으며 Li() 8) 는 7층고층건물의태풍에의한건물반응을가속도계를이용하여실측하였다. GPS Copyright (C) NuriMedia Co., Ltd. 大韓建築學會論文集構造系 권 4 호 ( 통권 98 호 ) 년 4 월

2 박효선 손홍규 김일수 박재환 를이용한건물의변위계측사례는위에서언급한것과같이많이보고되고있으나 GPS를이용한고층건물의수평가속도계측과풍진동에의한고층건물의사용성평가사례는아직발표되지않았다. 그러므로풍하중에대한고층건물의사용성평가를위하여두가지계측방법을혼용하여즉수평변위는 GPS를사용하여그리고수평가속도는가속도계를사용할수있다. 그러나효율적인고층건물의사용성평가및구조반응모니터링을위하여 GPS를이용한수평변위와수평가속도를동시에계측할수있는방법의개발이필요하다. 본논문에서는 GPS를이용하여고층건물의풍하중에의한수평변위와수평가속도를모니터링할수있는가능성을검증하고자한다. 또한평면의비정형성및풍하중의변화등에의하여풍하중이작용시고층건물은수평변위와더불어비틀림변위를수반하게된다. 이러한비틀림변위는현재까지계측된바가없으나본논문에서는수평변위와비틀림변위를계측하여고층건물의완전한변위이력을모니터링할수있는방법을소개하고자한다. 이를위하여본논문에서는우선위치를알고있는고정된한점을이용하여수평방향변위계측에대한 GPS의정밀도를테스트하였다. 그리고수평방향으로진동할수있는실험모델에 GPS, 레이저변위계, 그리고가속도계를설치하여자유진동시 GPS에의하여계측된변위와가속도를레이저변위계에의한실제변위와가속도계에의한실제가속도와비교분석하였다. 마지막으로풍향풍속계 대, 가속도계 대, GPS 수신기 3대를이용하여황사와태풍에의한실제 66층초고층건물의반응을계측하였다.. GPS 정확도테스트. 고정된한점에서의 GPS 정확도테스트 GPS 계측데이터의신뢰성을검증하기위하여고정된한점에 GPS 수신기를설치하여기준국과의기선길이를변화시켜수평성분계측데이터의정밀도를확인하였다. 기선길이는 km 및 km를초과하는 4km에서의 GPS.. Dy(cm) Dy(cm).... 기선길이 (km) 표. 기선길이별관측위성수및 PDOP X 축방향최대변위 (cm) 표. 기선길이별정밀도실험 Y 축방향최대변위 (cm) 관측위성수 평균값 (cm) 표준편차 (cm) X Y X Y PDOP A ( 기선길이 km).8 ~ 4 B ( 기선길이 4km) 7. ~.8 Circle Rule ( 반지름 (cm), 면적 (cm )) A (.7,.7) B (.96,.9) 좌표를계측하여분석하였다. GPS의기하학적오차요인을최대한제거하기위하여 PDOP 3이하에서계측하였으며또한다중경로에의한오차요인을제거하기위하여넓은공간을확보할수있는학교시설내운동장에서실험하였다. 각기선길이별계측시간은 4분이었으며계측된데이터는 PPK(Post Processed Kinematic) 로처리하였다. 각기선길이별 GPS 계측실험당시관측위성수와 PDOP 는표 과같다. 기선길이에따른 GPS의정확도테스트는 3차원변위궤적을각평면에투영하여 차원에서의변위를구하고다시각축방향별로투영함으로써그림 과같이기선길이에따른 XY평면에서의변위를계측하여나타내었다. 기선길이 km 이내에서 Trimble 47 시스템에의해계측된데이터의표준편차오차범위는수평 cm+ppm, 수직 cm+ppm이다. 실제 4분간계측된변위데이터의최대변위, 평균, 표준편차는표 와같다. 표준편차의경우기선길이 km일때 X축. cm, Y축.34 cm였으며기선길이 4 km에서의경우 X축.6 cm, Y축.3 cm로 PPK에의한 GPS 데이터처리시오차범위를벗어나지않는신뢰성이확인되었다. 계측된데이터의최대값을반지름으로한원을형성시켜그면적으로오차범위를측정하는써클룰 (Circle rule) 을적용하면표 에서보는바와같이 4 km의기선길이에서.9 cm 로계측데이터에의하여형성된원의면적이기선길이 l km의경우보다작은것으로나타났으며이는기선길이가멀리떨어져있음에도불구하고표 에서보는바와같이 PDOP 및관측위성수의영향에의한것으로사료된다 Dx(cm) Dx(cm). 실험모델을이용한구조반응계측 a) 기선길이 km b) 기선길이 4km 그림. 기선길이별정밀도테스트 GPS를이용하여계측된변위및가속도를레이저변위와가속도계로실측된변위와가속도에비교하기위하여그림 와같은수평으로진동하는실험모형을제작하였다. 가로.44 m와세로.4 m의목재판이 6개의 D 이형철근수직재에지지된실험모형에는그림 3과같이 GPS, 서보형가속도계, 그리고레이저변위계가설치되어있으 大韓建築學會論文集構造系 권 4 호 ( 통권 98 호 ) 년 4 월 Copyright (C) NuriMedia Co., Ltd.

며 X축방향으로진동시 Y축방향으로의진동을방지하기위하여이형철근으로수직재에가새를설치하였다. 또한고무패드를접합부에끼워자유진동시접합부위의에너지손실을줄일수있도록하였다. 자유진동시실험모형에가해진초기변위는 cm, cm, 3cm, 4cm로점차증가시켰으며데이터는구조물의고유주파수 배이상인 Hz로계측하였다.

3 며 X축방향으로진동시 Y축방향으로의진동을방지하기위하여이형철근으로수직재에가새를설치하였다. 또한고무패드를접합부에끼워자유진동시접합부위의에너지손실을줄일수있도록하였다. 자유진동시실험모형에가해진초기변위는 cm, cm, 3cm, 4cm로점차증가시켰으며데이터는구조물의고유주파수 배이상인 Hz로계측하였다. 각초기변위에대한 GPS에의한변위이력과레이저변위계에변위이력은그림 4와같이비교되어있다. 변위진폭이 cm 이상인경우 GPS에의한변위와레이저변위계로계측된실제변위와잘일치함을알수있다. GPS와레이저변위계로계측된변위를미분하여계산된가속도와서보형가속도계로실제계측된가속도이력그래프의비교는그림 와같다. 그림 에나타난 GPS와레이저변위계에의한가속도는연속된세시점,, 에서계측변위데이터를식 () 과같이수치미분하여시간 에서의속도 를계산하였으며속도를다시같은방법으로수치미분하여계산하였다. 그림 4의변위이력그래프와같이변위진폭이 cm 이상인경우 GPS에의한가속도계산값은가속계에의한실제가속도와비교적잘일치함을알수있다. v( t) = ( x t + Δt-x t Δt 그림. 실험모형 + x t-x t - Δt Δt ) () Displacement (cm) Displacement (cm) Displacement (cm) Displacement (cm) Acceleration (cm/s ) ) Acceleration (cm/s ) ) - - T i m e ( s e c ) a) 초기변위 cm 레이저 변위 계 T i m e ( s e c ) b) 초기변위 cm 레이저 변위 계 c) 초기변위 3cm 레이저 변위 계 T i m e ( s e c ) 레이저 변위 계 d) 초기변위 4cm 그림 4. 변위레벨에서의계측기기별비교 a) 초기변위 cm 가속 도계 레이 저변 위 계 T i m e ( s e c ) 가속 도계 레이 저변 위 계 GPS Y + X 축가속도계 X 축레이저변위계 Y 축레이저변위계 Y 축가속도계 X + 그림 3. 계측기기설치위치및데이터획득부호규약 Acceleration (cm/s Acceleration (cm/s 3 b) 초기변위 cm c) 초기변위 3cm 가속 도계 레이 저변 위 계 가속 도계 레이 저변 위 계 d) 초기변위 4cm 그림. 가속도레벨에서의계측기기별비교 Copyright (C) NuriMedia Co., Ltd. 大韓建築學會論文集構造系 권 4 호 ( 통권 98 호 ) 년 4 월 3

박효선 손홍규 김일수 박재환 Amplitude (cm /s 3 ).6..4.3...9Hz 가 속도계 레 이저변위 계 GPS. Hz 그림 6.

4 박효선 손홍규 김일수 박재환 Amplitude (cm /s 3 ) Hz 가 속도계 레 이저변위 계 GPS. Hz 그림 6. 각계측기기별고유주파수분석 실험결과그림 에나타난 GPS, 레이저변위계, 그리고가속도계에의한가속도데이터를 FFT(Fast Fourier Transform) 하여실험모형의고유주파수를계산하면그림 6과같이세가지계측기법에의한고유주파수가.9 Hz 로일치함을알수있다. 치에이동국을설치하였으며기준점이되는기지국은그림 8과같이 6 m 떨어져있는수평변위가발생하지않을것으로예상되는 층높이의아파트옥상층에설치하여해석시아파트변위는 으로가정하였다. 기준점의역할을하도록하였다. 그림 9와 은계측기기가설치된이동국과기준국의그림이다. 기지국과이동국모두 Trimble사에서제공된소프트웨어를사용하여데이터를 Hz로계측하여컴퓨터에저장하였으며데이터후처리는 Trimble Geometric Office 소프트웨어를이용하여 Hz로처리하였다. 처리된 3차원좌표는세계측지계 WGS84(World Geodetic System 984) 좌표계로나타나므로건물최상층에국부좌표계를설정하여국부좌표로변환하였다. 바람에의한건물의구조반응모니터링은 년부터약 년동안수행하였으며본논문에서는 년 3월 일황사바람, 년 8월 3일태풍에의한반응, 년 9월 일상시미풍에의한반응을대상으로분석하였다 층고층건물의풍하중에의한반응실측 3. 계측건물개요 계측건물은 66층의초고층주상복합시설로평면치수는그림 7과같이 4.6 m 3. m이며높이는그림 8과같이헬리포트층까지 33.9 m이다. 세장비가 6.63인초고층건물의구조시스템은철근콘크리트전단벽-아웃리거시스템이다. 3. 계측시스템 그림 7. 계측장비설치위치및부호규약 계측장비는건물의횡방향및비틀림변위계측을위한 GPS 수신안테나 대, 풍향및풍속계측을위한풍향풍속계로 대, 그리고가속도반응계측을위한서버형가속도계 대로구성된다. 데이터획득을위한부호규약은데이터획득의편의를위하여장축방향을 X축으로설정하였으며계측장비의설치위치는그림 7과같다. GPS는 Trimble 47으로가로.9 cm, 높이 6.6 cm, 길이.8 cm, 무게는. Kg인 C/A code 수신및반송파 L, L 수신으로써 SV로부터자동 OTF 초기화를할수있다. 안테나는 P/N 43- 인 Micro-centered Antenna이고, 안테나케이블은 P/N 43-인 meter low loss 안테나전용케이블을사용하였다. 풍향풍속계는 Young사 (Model 3) 의풍향풍속계와지시계 (Model 43) 로구성하였다. 계측할수있는풍속범위는 m/s ~ 6 m/s로서, 풍속의정확도는 ±.3 m/s이고, 풍향의정확도는 ±3 이다. 풍속과풍향을측정하기위해풍향풍속계를그림 7과같이헬리포트층의 A, B 위치에설치하였으며풍향풍속계는바람의난류영향을고려하여헬리포트층의내측과외측에각각설치하였다. GPS 수신기는계측건물에서풍향풍속계와동일한위 33.9 m measuring point Reference point 4.6 m 6 m 그림 8. 계측건물의입면도 4 大韓建築學會論文集構造系 권 4 호 ( 통권 98 호 ) 년 4 월 Copyright (C) NuriMedia Co., Ltd.

4 Z[mm] -. 그림 9. 가속도계, 풍향풍속계, 이동국설치모습 -4 - X[mm] 4 그림. GPS 3 차원변위궤적 6 4 Y[mm] 8 Dx (mm) - - - 3 4 6 Tim e(sec) a) X 축계측변위 그림. 기지국설치모습 3.

5 4 Z[mm] -. 그림 9. 가속도계, 풍향풍속계, 이동국설치모습 -4 - X[mm] 4 그림. GPS 3 차원변위궤적 6 4 Y[mm] 8 Dx (mm) Tim e(sec) a) X 축계측변위 그림. 기지국설치모습 3.3 GPS 변위 GPS에의하여계측된건물의변위는기준점으로설정한좌표와계측되는좌표를비교함으로써구할수있으므로상대변위계측의기준점은풍속이 4.3 m/s 이하인시간대에서데이터를계측하여본계측실험전에설정하였다. 기준점이설정된후황사에의하여풍속이 m/s 이상계측된 년 3월 일 6시 분부터 6시 분까지 분간연속적으로계측하였다. 분동안계측한고층건물의최상층변위 3차원변위이력은그림 과같다. 이궤적을 차원평면에투영한후그림 7에정의된 X 및 Y 방향성분별변위를풍향풍속데이터와같이표현하면그림 와같다. 계측시간동안의 분간평균풍속은.9 m/s였으며지배적인풍향은 6 로계측되었다. 그림 에서와같이 분간변위는 X축은 -.7 ~.9 mm범위에서평균 3 mm로나타났으며 Y축은 3.8 ~ 6 mm범위에서거동하여평균 44 mm로계측되었다. 계측된각방향별평균변위는정적변위성분으로분석할수있으며동적변동성분은 X축과 Y축으로약 3 mm 정도임을그림 에서알수있다. 3.4 GPS 및가속도계에의한가속도 GPS로계측한변위를이용하여계산된가속도와가속도계에의한가속도데이터를비교하기위하여그림 7의 B에 GPS와 대의서보형가속도계를설치하였다. 계측시간은 년 3월 일 6시 분부터 분간이다. 그림 a와 b의 X 및 Y축방향 GPS 계측변위를 Ur (deg) U (m /s) Dy (mm) Time(sec) b) Y 축계측변위 c) 풍속 d) 풍향그림. 계측변위및풍향 풍속 Copyright (C) NuriMedia Co., Ltd. 大韓建築學會論文集構造系 권 4 호 ( 통권 98 호 ) 년 4 월

6 박효선 손홍규 김일수 박재환 ACC.Ax GPS.Ax U r = 6deg. - 7deg. Ax ( mm / s ) - Ax ( mm / s ) U (m/s) 그림 3. X 축가속도비교 그림 7. X 축변환가속도와풍속 ACC.Ay GPS.Ay U r = 6deg. - 7deg. Ay ( mm / s ) - - Ay ( mm / s ) 그림 4. Y 축가속도비교 U (m/s) 8 ACC.Ax(Hz) GPS.Ax(Hz) 그림 8. Y 축변환가속도와풍속 A x ( m m / s ) 가속도 ( 그림 8) 가변동이 X축 ( 그림 7) 보다심함을알수있다. 이는풍직각방향가속도가풍방향가속도를초과할수있는조건으로 NBC에서제시된식 () 와일본기준에서제시된식 (3) 과 (4) 를만족하므로기존연구결과와도잘일치하고있음을알수있다. 9),),)9))) A y ( m m / s ) 그림. 초간 X 축가속도비교 그림 6. 초간 Y 축가속도비교 ACC.Ay(Hz) GPS.Ay(Hz) 차수치미분하여계산된가속도와가속도계에의한가속도를동일시간대 초간비교하여그림 3과 4에나타내었다. 그결과 가지방법으로계측된가속도는서로거의일치하고있음을알수있다. 보다세밀한비교를위하여가속도계에의하여 Hz로계측된 초간가속도와 GPS에의하여 Hz로계측된 초간가속도를그림 와 6에나타내었다. 또한풍속과가속도의관계를표현하면그림 와같이주풍향이 6 ~ 7 사이일때풍직각방향인 Y 방향의 () (3) (4) 여기서,, 그리고 는건물평면의 X 및 Y 방향치수그리고건물의높이를나타낸다. 또한 은건물의고유주파수를나타낸다. 가속도계를이용하여분석한고층건물의 차모드고유주파수와 GPS 변위를변환한가속도데이터를이용하여분석한 X축및 Y축고유주파수는그림 9와 과같이서로일치하며이를정리하면표 3과같다. 3. 비틀림변위 고층건물은변위는 X축및 Y축으로의수평변위와비틀림변위로구성된다. 비틀림변위를계측하기위하여그림 7의 B점에 GPS_을설치하고 68 mm 떨어진점에 GPS_를설치하였다. GPS_의좌표를평면에서 (X, 6 大韓建築學會論文集構造系 권 4 호 ( 통권 98 호 ) 년 4 월 Copyright (C) NuriMedia Co., Ltd.

7 6.x -.x - Accelerometer GPS Sx(cm /s 3 ) 4.x - 3.x -.x - Diff x (mm) - -.x Frequency(Hz) Time(sec) 그림. X 축 GPS_ 과 GPS_ 의상대변위차 그림 9. X 축고유주파수분석.4x -4.x -4.x -4 Accelerometer GPS Diff y (mm) Sy(cm /s 3 ) 8.x - 6.x - 4.x -.x Tim e(sec) Frequency(Hz) 그림. Y 축고유주파수분석 표 3. 차고유진동수비교 고유주파수 (Hz) GPS 가속도계 X 축.3.3 Y 축.. Y ) 으로그리고 GPS_의좌표를 (X, Y ) 로정의하면설치시점에 GPS_의좌표는 ( mm, mm) 이며 GPS_의좌표는 (68 mm, mm) 가된다. 임의의시점 에서의비틀림변위 는 GPS_과 GPS_의좌표를이용하여다음식 () 와같이계산할수있다. () 년 9월 일 7시 분부터 7시 4분까지 3분동안계측된데이터의 GPS_과 GPS_의 X축변위차 와 Y축변위차 는그림, 와같다. 식 () 에의하여계산된건물비틀림변위는그림 3과같다. 일반적으로건물의바닥슬래브는면내강성이무한대인강체 (rigid diaphragm) 으로가정하므로두 GPS 사이의거리는계측기간동안 68 mm를유지하여야한다. 계측기간동안두 GPS 사이의거리는오차는식 (6) 과같이계산할수있다. (6) 식 (6) 으로계산된거리오차를이용하여 GPS를이용한변위계측시스템의정밀도를간접적으로평가할수있으며 초동안의두 GPS 사이의계산된거리오차는그 오차 (mm) Rotational angle (rad) 그림. Y 축 GPS_ 과 GPS_ 의상대변위차.4x -.x -.x - 8.x -6 6.x -6 4.x -6.x x -6-4.x 그림 3. 회전각 tim e(sec) 그림 4. 계산된거리오차 Y (+) t = sec t = sec t = 3 sec t = 4 sec t = sec mm mm GPS_ mm GPS_ mm 그림. 수평변위와비틀림변위들의평면궤적 X (+) Copyright (C) NuriMedia Co., Ltd. 大韓建築學會論文集構造系 권 4 호 ( 통권 98 호 ) 년 4 월 7

8 박효선 손홍규 김일수 박재환 림 4와같으며이는 mm 이내로유지됨을알수있다. 그리고비틀림변위와수평변위를포함하여건물의이동을평면에표현하면그림 와같이나타난다 층고층건물의사용성분석고층건물의사용성은수평변위와수평가속도에의하여평가되지만입주자의불쾌감은과도한가속도에기인한다. 본논문에서는 년 8월 3일 6시에서 8시까지태풍에의한건물의풍응답을 GPS와가속도계를이용하여계측하여풍직각방향에대한사용성을비교 분석하였다. 4. 진동수준예측 Acceleration Max.(cm/s ). Full Scale Measurements of GPS Full Scale Measurements of Acc. AIJ. Mean Wind Speed(m/s) 그림 6. 계측값과일본예측기준과의비교 사용성평가는가속도레벨에의하여평가되므로 GPS 를이용하여계측된최상층변위를 차미분하여가속도를계산하였으며이를가속도계에의해직접계측된가속도와비교하였다. 지배적인풍향은 8 근방이고, 3.4 절에서와같이본건물에서는풍직각방향의가속도응답이풍방향보다크므로사용성평가는풍직각방향인 Y 방향가속도를이용하여평가하였다. 그림 6은 GPS와가속도계에의한 분간평균풍속에대한가속도최대반응을일본거주성능평가지침에나타난예측식 ) 과비교하여나타내었다. 그림에서와같이두가지계측기법에의하여평가된가속도최대값이예측기준식보다비슷하거나다소작은것으로나타남을알수있어건물의강성을간접적으로평가할수있다. 가속도계와 GPS로계산된건물최상층에서의풍직각방향가속도반응을 분간평균풍속과평균제곱근 (RMS) 가속도의관계로정리하면그림 7, 8과같다. 이를회귀분석을통하여식으로정리하면식 (7) 과 (8) 로표현된다. (7) (8) 여기서,, 그리고 는가속도계, GPS에의한 RMS 가속도, 그리고 분간평균풍속이다. 위의회귀식을이용하여건물에작용하는풍하중의크기에따른풍응답을예측할수있다. RMS Ay of ACC (cm/s ) RMS Ay of GPS (cm/s ) Mean Wind Velocity (m/s) Experimental Data Regression Curve 그림 7. 평균풍속과가속도관계 ( 가속도계 ) Mean Wind Velocity (m/s) Experimental Data Regression Curve 그림 8. 평균풍속과가속도관계 (GPS) 4. 사용성평가 본논문에서는 Li() 8) 가제안한식 (9) 의 분간평균풍속에대한재현주기별 RMS 가속도의허용치를이용하여사용성을평가하였다. σ R (m/s ) = (.68+ ln R ) exp ( lnn) (9) 여기서 과 은고유주파수및재현주기를나타낸다. 식 (9) 와나타난가속도허용치와비교하기위하여식 (7), (8) 의 GPS 및가속도계에의한 RMS 가속도수준을한국의건축물하중기준 (Standard Design Loads for Building, ) ) 을이용하여재현주기의함수로표현하면식 (), () 과같이표현된다. 단, 년재현주기는 년재현주기서울최대평균풍속에일본의건축물하중지침에서제안하는 {.4+. ln(r) 를곱한값을사용하였다. σ R y, acc =.( ln(ln R - )). () σ R y, gps =.( ln(ln R - )).76 () GPS 및가속도계로계측된가속도와그리고식 (9) 의허용치를재현주기별로정리하면표4와같다. 표 4에서알수있듯이두가지계측방법에의하여각재현주기별로예측된가속도값은식 (9) 의허용치를초 8 大韓建築學會論文集構造系 권 4 호 ( 통권 98 호 ) 년 4 월 Copyright (C) NuriMedia Co., Ltd.

9 표 4. 재현주기에따른예측가속도와한계가속도 Return period R (year) RMS of Acc. σ yacc, RMS of GPS σ ygps, RMS criteria R Eq. () (cm/s ) Eq. () (cm/s ) Eq. (9) (cm/s ) 표. 계측최대가속도와 AIJ 제안최대가속도 Measured maximum acceleration (cm/s ) σ Allowable maximum acceleration by AIJ (cm/s ) GPS Accelerometer RANKⅡ RANKⅢ 과하지않으므로계측에이용된건물은거주자의사용성을만족하고있다고할수있다. 또한일본거주성능평가지침 ) 에서는수평진동에관한성능평가기준으로 년재현주기의 분평균풍속에대한최대가속도를진동수 (Hz) 별로허용치를정하고있다. 이에따르면주거건물의고유진동수.Hz에서는중간수준인 RANK Ⅱ에서 3.cm/s 이고, 한계수준인 RANK Ⅲ에서는 4.6cm/s 이다. 식 () 과 () 의최상층에서의 년재현주기풍속을대입하여계산된평균제곱근가속도를먼저구하고, 여기에피크계수 3.37를곱하여최대가속도를구하여비교하면표 와같이정리된다. 표 에서계측에사용된건물의최대풍응답은일본의허용기준을만족하고있음을알수있다.. 결론 본논문에서는 GPS를이용한고층건물의수평변위, 비틀림변위, 그리고가속도모니터링기법을소개하였다. 고정된한점을이용하여수평방향변위계측에대한 GPS의정밀도를테스트하였으며또한실험모델에 GPS, 레이저변위계, 그리고가속도계를설치하여자유진동시 GPS에의하여계측된변위와가속도를레이저변위계에의한실제변위와가속도계에의한실제가속도와비교분석하였다. 비교분석결과진폭 cm 이상인경우에 GPS에의한계측된변위및가속도는레이저변위계와서보형가속도계에의한값과유사함을알수있었다. 마지막으로풍향풍속계 대, 가속도계 대, GPS 수신기 3대를이용하여황사와태풍에의한실제 66층초고층건물의반응을계측하여분석하였다. 분석결과수평변위 를정적변위성분과동적변동변위성분으로구분하여계측할수있었으며또한비틀림변위도동시에계측할수있어건물의풍하중에의한완전한이동을정의할수있었다. 그리고풍하중에의한건물의사용성은평균제곱근 (RMS) 가속도및최대가속도허용치를만족하고있음을알수있었다. 참고문헌. J. W. Loves, W. F. Teskey, G. Lachapelle, M. E. Cannon, Dynamic Deformation Monitoring of Tall Structure Using GPS Technology, Journal of Structural Engineering, Vol, pp.3~4, 99. Shun-ichi Nakamura, GPS measurements of wind induced suspension bridge girder displacement, Journal of structural engineering, pp.43~49, 3. M. Celebi, GPS in dynamic monitering of long period structures, Soil dynamics and Earthquake engineering, pp.477~483, 4. Y. Tamura, M. Matsui, Luisa-Carlotta Pagnini, R. Ishibashi, and A. Yoshida, Measurement of wind-induced response of building using RTK-GPS, Journal of Wind Engineering and Industrial Aerodynamics, 9, pp.783~793,. Peter Breuer, Tadeusz Chmielewski, and Piotr Gorskii, Application of GPS technology to measurements of displacements of high rise structures due to weak winds, Journal of Wind Engineering and Industrial Aerodynamics, 9, pp.3~3, 6. Kim Illsoo, Park Hyoseon, Jeong Youngbae. Displacement measurement of high rise buildings using GPS. Fall seminar by Architectural Institute of Korea, pp.37~4, 7. Melbroune WH, Palmer TR., Acceleration and comfort criteria for buildings undergoing complex motions. Journal of Wind Engineering and Industrial Aerodynamics, 44, Q.S.Li, C.K.Wong, J.Q. Fang, A.P. Jeary and Y.W. Chow, Field measurements of wind and structural responses of a 7 story tall building under typhoon conditions, The Structural Design of Tall Buildings, pp.3~34, 9. NRCC.., Commentary B-wind loads. User's Guide-NBC 99 Structural Commentaries, Canadian Commission on Building and Fire Codes, National Research Council of Canada, Ottawa, Part AIJ., Recommendations for Loads on Buildings, Architectural Institute of Japan, Tokyo, 996. AIJ., Guidelines for the Evaluation of Habitability to Building Vibration, Architectural Institute of Japan, Tokyo, 99. AIK., Standard Design Loads for Buildings, Architectural Institute of Korea. Seoul, ( 接受 : ) Copyright (C) NuriMedia Co., Ltd. 大韓建築學會論文集構造系 권 4 호 ( 통권 98 호 ) 년 4 월 9

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