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과제기본정보

인공지능을 활용한 지반-구조물 상호작용 기반 노후구조물 내진성능평가 기법 개발2년차

사업개요
사업개요에 대한 사업명, 분류코드(기술분류), 과제명, 주관연구기관, 총괄연구 책임자(성명, 소속, 전화번호), 총 연구기간, 당해연도 연구기간 정보제공
사업명 국토교통기술촉진연구사업 과제번호 20CTAP-C152100-02
국가과학표준분류 1순위 건설 교통 | 시설물 안전 유지관리 기술 | 자연재해 저감기술 적용분야 교통/정보통신/기타 기반시설
2순위 None | None | None 실용화대상여부 실용화
3순위 None | None | None 과제유형 개발
과제명 인공지능을 활용한 지반-구조물 상호작용 기반 노후구조물 내진성능평가 기법 개발
주관연구기관 충북대학교산학협력단
총괄연구 책임자 성명 정종원
소속 충북대학교 직위 부교수
기관 대표번호 043-261-2045 FAX 043-274-8067
총 연구기간 2019-04-19 ~ 2021-12-31
당해연도 연구기간 2020-01-01 ~ 2020-12-31

(단위:원)

년도별 정부출연금, 기업부담금, 계 정보제공
년도 정부출연금 기업부담금 계
현금 현물 소계
2차년도 155,000,000 5,167,000 46,500,000 51,667,000 206,667,000
과제기본정보의 연구개발개요, 최종목표, 연구내용 및 범위 정보제공
연구개발개요 ○ 지반-구조물 상호작용 기반 구조물 노후도 평가기법 개발
- 지반 계측 및 영상기반 구조물 모니터링 기술 개발
- 소형 진동대 실내실험 모니터링을 통한 지반-구조물 상호작용 분석
- 지반-구조물 상호작용을 고려한 수치해석 모델 개발
- 실내실험 결과 및 수치해석 모델을 활용한 구조물 노후도 평가기법 개발
- 현장(광안대교) 기실험 데이터를 활용한 노후도 평가기법의 검증
- 대형 진동대 및 현장실험을 통한 노후도 평가기법 제품화
○ 인공지능을 활용한 내진 성능 평가기법 개발
- 데이터 수집을 위한 IoT 디바이스 제작 및 플랫폼 구축
- 소형 진동대를 활용한 내진성능 영향요인 데이터 수집
- 내진성능 평가를 위한 인공지능 기반 알고리즘 개발 및 고도화
- 구조물 노후도를 고려한 인공지능 기반 내진 성능 평가 기법 개발
- 대형 진동대 및 현장 실험을 통한 내진성능 평가기법의 제품화
최종목표 인공지능을 활용한 지반-구조물 상호작용 기반 노후구조물 내진성능평가 기법 개발
○ 지반-구조물 상호작용 기반 구조물 노후도 평가기법 개발
- 구조물 노후도 평가를 위한 구조물 및 지반 모니터링 기술 개발
- 실내시험 및 수치해석을 통한 구조물 노후도 평가기법 개발
- 대형 모형실험 및 현장실험을 통한 노후도 평가 기법의 제품화
○ 인공지능을 활용한 내진 성능 평가기법 개발
- 실내시험 및 수치해석을 통한 데이터 수집
- 구조물 노후도를 고려한 인공지능 기반 내진 성능 평가기법 개발
- 대형 모형실험을 통한 내진성능 평가기법의 제품화
연구내용 및 범위 1차년도
○ 구조물 모니터링 기법 개발
- Optical Flow기반 추적기술을 응용하여 구조물 변위 측정기술 개발
- 장기측정 또는 드론을 사용 시 생기는 카메라 움직임을 보정하여 정확도 향상
○ 지반 모니터링 기법 개발
- 무선 함몰형 센서를 응용하여 지반의 거동 측정기술 개발
- 센서에 발생하는 노이즈 제거 등을 통하여 정확도 향상
- 장/단주기파의 영향에 따른 지반의 변위 및 토압 변화 측정기술 개발
○ 지반-구조물 상호작용 수치해석 모델 개발
- 지반-구조물 동석상호작용 해석적 해와 수치모형을 비교·분석하고, 최적 모형 후보군 도출
- 강진 시 지반의 비선형성을 고려하기 위한 모형을 분석하여, 비선형 거동 고려 방안 결정
- 국내 장주기, 단주기 지진파의 특성과 지반조건을 고려한, 노후 구조물 거동의 해석에 적합한 지반-구조물 상호작용 모형 제시
○ 내진성능 평가 기법 자료 수집
- 국내외 노후화 및 내진성능 평가 방법 및 사례 조사 및 분석
- 광안대교(부산지역) 거동 측정 데이터 수집 및 분석 (실험 자료 일부 사전 수집 완료)

2차년도
○ 소형 진동대 실험을 활용한 지반-구조물 동적상호작용 분석
- 진동대 실험을 위해 구조물 형상, 지반 조건, 입력파 등과 같은 다양한 조건들을 문헌조사, 전문가 자문 등을 토대로 결정. 1-G 진동대 실험에 사용될 구조물과 기초 모형을 제작하고, 모형지반 조성용 모래 등의 재료에 대한 동특성 실내시험 (공진주 실험) 등을 수행
- 지역의 중요도와 지반 조건, 지진파 특성을 고려하여 지진 지반응답평가 해석 시나리오를 설정하고, 이를 바탕으로 1차원 지진지반응답 해석을 수행.
- 시설물의 특성과 지반, 지진파를 고려하여 지반-구조물 동적상호작용을 평가. 공동연구기관에 보유한 지반-구조물 동적상호작용 소프트웨어(Kausel and Roesset, 1975)를 활용.
- 지진지반응답 해석과 지반-구조물 동적상호작용 해석에는 실내시험으로부터 산정한 동적물성치와 현장 지반조사로 부터 결정한 지질주상도를 바탕으로 함.
○ 지반-구조물 동적상호작용 기반 구조물 노후화 평가 기술 개발
- 구조물 변위 정보로부터 고유진동수, 모드형상 등의 구조물의 동적 물성치(Modal Parameter) 추출
- 기존의 지반-구조물 동적상호작용 수치모형을 노후화가 진행된 모형으로 업데이트 및 업데이트된 수치모형을 기반으로 구조물 노후도 평가기술 개발
- 대형 진동대 (받침대 크기:5m×5m) 실험을 위해 구조물 형상, 지반 조건, 입력파 등과 같은 다양한 조건들을 문헌조사, 전문가 자문 등을 토대로 결정. 1-G 진동대 실험에 사용될 구조물과 기초 모형을 제작 및 실험 수행.
○ 대형 진동대 실험 및 현장 데이터를 활용한 노후화 평가 기법 검증
- 부산대와 공동으로 Baseline 및 노후 구조물의 대형 진동대 (받침대 크기:5m×5m) 실험 수행 및수치해석 결과와 비교분석을 통해 수치해석 보정
- 광안대교 기실험 데이터(탄성파 실험 등)를 활용한 노후화 평가 결과와 본 연구의 결과의 비교 분석을 통해 노후화 평가기법 검증

3차년도
○ 인공지능 기반 내진 성능 평가 모델 개발
- 소형 진동대 실험을 통해 지반 조건에 따른 구조물의 스펙트럼 이미지 정보 수집 및 분석
- 소형 진동대를 활용한 내진성능 영향요인 데이터 수집 및 분석 (진도, 지진파형, 구조물 형상 등)
- 내진성능 평가를 위한 인공지능 기반 알고리즘 개발 및 고도화
- 구조물 노후도를 고려한 인공지능 기반 내진성능 평가기법 개발
○ 내진성능 평가 기법 검증을 위한 대형 진동대 실험 수행
- 현장실증 노후 구조물을 선정하고, 지진 진동 하에서 시설물의 동적 거동을 계측하여 내진성능 평가 기법의 결과와 비교 분석
- 계측된 시설물의 동적거동을 바탕으로 내진성능 평가 기법 모델 업데이트
- 업데이트된 수치 모델을 활용하여 구조물 노후도 평가 수행 (광안대교를 포함한 교량 우선수행)
○ 대형 모형 실험 및 현장실증을 통한 내진성능 평가 기법 실증
- 한국내 지반과 지진파를 고려한 대형 진동대 실내 시험을 수행하고, 이를 바탕으로 인공지능 기반 내진성능 평가모델을 검증
- 광안대교 현장 실험 데이터를 활용하여 내진 성능 평가 기법의 제품화
- 노후도 및 내진성능 평가 기법의 소프트웨어의 제품화 및 사용 매뉴얼 작성
건설기술연구개발사업 주요내용
건설기술연구개발사업 주요내용의 구분, 연구개발목표, 연구개발 내용 및 방법 정보제공
구분 연구개발목표 연구개발 내용 및 방법
2차년도 인공지능을 활용한 지반-구조물 상호작용 기반 노후구조물 내진성능평가 기법 개발
-지반 구조물 상호작용을 고려한 인공지능 기반 구조물의 노후 부재 예측기술 개발
-지반-구조물 상호작용을 고려한 인공지능을 활용한 내진 성능 분석 기술 개발

 지반-구조물 동적상호작용을 고려한 인공지능 기반 구조물의 노후부재 예측기술 개발
-주관연구기관(충북대학교): 지반-구조물 동적상호작용을 고려한 모형 진동대 실험 수행 및 시스템 식별을 활용한 노후 구조물의 강성변화 예측
-참여기관 1(부산대학교): 노후도 예측을 위한 비선형 지반응답해석 기술 개발
-참여기관 2((주)본이앤씨): 비선형 지반응답해석 기술 개발을 위한 현장 데이터 수집
연구성과 기술적 기대성과 지반공학, 구조공학, 대형 모형실험, 수치모델링 해석, 지진방재라는 성격이 다른 학문분야를 융합하는 연구방법의 좋은 사례가 될 것으로 기대됨. 선진국과 비교해 다소 격차가 있는 국내의 진동대 모형실험 기법을 한단계 발전 심화시키는 계기가 될 것으로 기대되며 이를 통해 진동대 모형실험 기법에 대해 지진공학 선진국과 학술적, 기술적 교류와 연구 협약을 기대할 수 있고, 연구기술 수출이 기대됨.
사회 경제적 파급효과 ○ 경제적·산업적 측면
구조물의 노후화 및 내진성능 평가를 통하여 기존 구조물의 내진 보강에 대한 수요는 전세계적으로 막대하며, 해외 건설시장에서 몇몇 선진국들만 점유하고 있는 내진설계 및 시공 시장으로 진출이 가능하고 기술이전을 통해 새로운 부가가치의 창출을 기대함. 연구기술 분야에서도 대형 특수형태의 토조(Lamjnar Shear Box)의 개발 및 생산과 같은 연구 인프라의 수출도 기대됨.

○ 사회적 측면
이상기후 발생 등으로 인하여 지진 발생의 위험성이 증대되고 있으며 이를 극복하기 위한 대책이 요구되고 있음. 구조물 노후화를 판단하여 정확한 내진성능의 안전성 평가는 도시의 지속적인 성장을 위해 필수적이며, 대부분의 선진국에서 제시하고 있는 국가발전을 위한 패러다임과도 일치함. 구조물의 노후화 및 내진성능 평가 기법의 개발을 통해 지진 등에 대한 인명 및 재산피해를 예측 및 경감할 수 있을 것으로 예상됨. 지진으로 인한 구조물의 손상을 예상하여 사전에 위험성을 파악하고, 전체 시스템의 안전성을 평가하여 사회기반시스템의 재난 후 복구 능력을 향상시킬 수 있음.
활용방안 ○ 실무 현장에서의 적용: 부산의 광안대교에 적용 시험을 함으로써, 현장 적용 가능성을 검증할 계획임. 향후, 다른 구조물에도 본 연구의 결과 적용이 기대되며, 실무 및 기타 현장에 적용 가능한 내진 건축 지침서 마련 및 제안 시 본 연구개발 성과를 참고자료로 활용이 가능할 것으로 기대됨
○ 실용화 및 제품화: 공동연구기관인 (주)본이앤씨는 구조물 노후화 및 내진성능 평가 기술의 실용화/제품화를 위한 연구의 수행을 계획하며, 사물인터넷(IoT)을 활용한 실시간 데이터 수집 및 활용이 기대됨.
○ 미래원천기술 확보: 진동대를 사용한 대형 모형실험기법은 선진국과 비교해 다소 격차가 있으나, 본 연구개발의 통해 국내의 모형제작 기술, 지진파선정기법, 시스템 특성 확인방법, 진동대 실험 수행 프로그램, 그리고 계측 및 데이터 후처리 기술을 한 단계 발전 심화시키는 계기가 될 것이며, 데이터베이스 구축 및 관련 연구 분야에서 활용이 가능할 것으로 기대됨
○ 신산업 창출: 진동대 모형실험 기법에 대해 지진공학 선진국과 학술적, 기술적 교류와 연구 협약을 기대할 수 있고, 연구기술 수출 및 노후구조물의 내진설계 검토 및 내진보강 산업의 확대가 가능할 것으로 기대됨.
핵심어
핵심어의 구분, 핵심어, 핵심어1~핵심어5 정보제공
핵심어 핵심어1 핵심어2 핵심어3 핵심어4 핵심어5
국문 내진성능평가 노후도평가 모니터링 인공지능 지반-구조물 상호작용
영문 Seismic Performance Evaluation Structural Deterioration Assessment Structural Health Monitoring Artificial Intelligence Soil-Structure Interaction
최종보고서
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