최근 40~60층 범위의 아파트 및 주상복합 등의 공동주택의 건설이 증가함에 따라, 강풍 등의 수평하중에 의해 발생하는 진동으로 인한 거주자의 사용성 문제가 발생하고 있다. 특히 철골조 고층건물의 경우 중량이 경량화되어 감쇠율이 감소함에 따라 강풍 시에 건물이 진동에 예민하게 반응한다. 태풍 발생과, 겨울에 계절풍이 발생하는 우리나라는 고층건물의 진동으로 인하여 거주자의 사용성이 심각하게 위협받고 있다.
따라서 구조물에 대한 사용성 설계가 필요한데, 이러한 설계에서 하중과 응답의 산정을 위해 중요한 것은 구조물의 고유진동수이다. 이러한 신뢰성 있는 응답가속도를 산정하기 위해서는 정확한 고유진동수의 예측이 매우 중요하다. 고유진동수는 설계단계에서 일반적으로 고유치해석을 통해서 산정할 수 있지만, 비 구조재의 모델링 등의 어려움으로 실제 건물의 정확한 고유진동수를 예측하는데 어려움이 있다. 해외의 연구결과에 의하면 계측치에 의한 고유진동수가 해석치보다 평균 20% 전후로 큰 것으로 보고되고 있다.
이러한 문제에 접근하기 위해 건설 분야에서는 구조물의 거동을 실시간으로 상태를 파악하고 진단·평가 하는 구조물 건전도 모니터링(Structural Health Monitoring, 이하 SHM)기술로 국내·외 건설 분야에서 활발하게 연구가 이루어지고 있다. 기존 SHM에서 활용되고 있었던 유선 센서는 계측 정확도가 높은 반면 계측 장소의 여건 그리고 데이터 로거(Data logger)를 연결하기 위한 케이블에 대한 간섭으로 인하여 자유롭지 못하고, 센서 외 계측 장비의 상당한 무게 그리고 설치 및 해체간의 측정자 피로도가 높다는 단점이 있다. SHM을 위한 계측장비 중 사용이 편리한 무선 MEMS 센서는 마찰 전기 노이즈와 번거로운 케이블에 대한 요구사항이 없기 때문에 장소 간섭 없이 효율적인 SHM을 가능하게 한다. 그러나 MEMS 가속도계가 장착된 저가형 무선 센서는 높은 잡음 밀도 때문에 저대역, 저진동의 계측 데이터의 경우 정확한 분석값을 산출하는데 제한이 있다. 또한 무선 MEMS 센서는 마찰 전기 노이즈와 번거로운 케이블에 대한 요구사항이 없기 때문에 장소 간섭 없이 효율적인 SHM을 가능하게 하지만, RF 신호이기 때문에 거리감쇠가 일어날 수 있고, 실내이거나 실외 일때 그리고 Wi-Fi네트워크 무선통신 등이 진동계측 시 신호 응답에 영향을 줄 수 있다.
따라서 무선MEMS 가속도계를 이용하여 상대적으로 진동레벨이 작은 저층건물에서 진동계측을 통해 계측 성능을 입증하였고, 또한 무선 MEMS 센서 노드와 데이터로거의 통신 거리 실험을 통하여 건축구조물의 효율적인 SHM 적용성을 입증하였다. 이 논문을 요약하면 다음과 같다.


1. 보행가진을 통한 진동에 대하여 ICP형 가속도계를 Reference로 설정하고 무선 MEMS 가속도계와 무선 가속도계가 내장된 휴대용 진동계측기를 동 시 계측하여 슬래브의 동적특성 파악의 유효성을 확인하였다. 철골조의 골 조 완공 후에 실험을 실시하였으며, RF 영향을 받지 않는 실내에서 무선 MEMS 가속도계와 데이터 로거의 거리를 1m, 5m 그리고 15m로 설정했다. 실험 결과 ICP 가속도계, 무선 MEMS 가속도계 그리고 휴대용 MEMS 가속 도계의 시간 이력에서 분석 결과 1~15m까지 무선 MEMS 가속도계는 시계 열 파형에서 ICP 가속도계와 정확히 일치하는 가속도 표준편차를 보였고, 휴대용 MEMS 가속도계는 0.0004g의 표준편차의 오차를 보였다. 기존의 저 가형 MEMS 가속도계는 높은 노이즈 레벨 때문에 미소진동과 저역대의 진 동 특성을 계측하기 힘들었지만, 수직 진동에서의 무선 MEMS 가속도계 (G-Link-200)의 계측 성능은 기존의 유선 가속도계와 동등한 성능을 보였다.
2. 무선 MEMS 가속도계 저층 건물 미소 진동 계측 성능 검증을 하기 위해 저 층건물 3동을 선정하여 대상 건물의 옥상의 중앙부에 장변(X방향)과 단변 (Y방향)으로 Servo 가속도계, ICP 가속도계, 그리고 무선 MEMS 가속도계를 이용하여 수평방향 상시진동계측을 실시하였다. 계측은 Servo 가속도계를 Reference로 설정하고 ICP 가속도계와 무선 MEMS 가속도계를 동시계측 하였다. 수직 보행실험에서 가속도응답의 표준편차가 일치 했었기에 수평 상시진동 가속도응답의 표준편차값을 구하여 고유진동수 분석을 하였다. 시간 이력에서 건물 3동의 가속도 RMS의 평균 값은 Reference 가속도계 0.000046g, ICP 가속도계 0.000052g 그리고 무선 MEMS 가속도계는 0.000100g로 나타났다. 무선 MEMS 가속도계의 노이즈 레벨이 진동의 Input 레벨보다 크기 때문에 Reference의 RMS값 보다 약 2.2배 크게 나타났다. 주파수 이력에서는 시계열파형에서 가속도값의 RMS는 수직진동과 달리 Reference 가속도계와 MEMS 가속도계의 57.5%의 오차율이 있었지만, 고유 진동수의 경우 건물 3동의 Reference 가속도계와 무선 MEMS 가속도계의 고유진동수 X축 오차율 평균은 0.6%으로 나타났으며, Y축의 오차율 평균 은 0.17%로 X, Y축 전체 오차율 평균이 0.36%로서 높은 일치율로 무선 MEMS 가속도계의 계측 성능을 검증하였다. 또한 유선 MEMS 가속도계의 평균 가속도 RMS는 Servo형 가속도계보다 장, 단변 평균 8.7배 크게 나타 났지만 무선 MEMS 가속도계의 평균 가속도 RMS는Reference 가속도계와 비교했을 때 약 2.2배 크게 나타났다. 이는 무선 MEMS 가속도계인 G-Link-200(Micro strain)의 노이즈플로어가 유선 MEMS 가속도계인 2220-002, 2210-002(Silicon designs)의 노이즈플로어 보다 약 3.9~4.0배 작다 는 것을 알 수 있었다.
3. 건축구조물에서 무선 MEMS 가속도계의 최대 통신 거리 실험을 하기 위해 개활지 및 벽, 슬래브의 무선 통신 방해 실험을 실시하였다. 건축구조물 내 부의 벽과 슬래브의 통신 거리 실험을 하기 전 RF 신호 방해와 장애물을 피하기 위해 먼저 개활지에서 실험을 실시하였다. 3종류의 모든 실험에서 제원상의 최대 거리에 크게 미치지 못했지만, 연결이 끊기기 전 까지는 데 이터 손실 없이 계측되었다. 개활지에서 실험한 결과, 제원이 1km인데 반 하여 80m로, 제원보다 통신가능거리가 훨씬 못 미치는 것을 알 수 있었다. 구조물에 의한 간섭의 경우도 벽체의 경우 제원이 50m이지만, 실험치는 16m이었으며, 슬래브의 경우 제원이 50m이지만, 실험치는 13m로 계측되었 다. 현재 통신 방해가 상대적으로 적은 토목구조물 및 시설물 등에서는 무 선 MEMS 센서를 통한 모니터링이 활발히 이루어지고 있지만, 건축구조물 에서는 통신 방해요소들 때문에 장거리 무선 전송에 대한 RF 간섭을 줄이 는 향후 연구가 필요한 것으로 판단된다.

With increasing number construction of apartment houses such as apartment or residential and commercial complex which about 40 to 60 floors, there has been many kinds of problem which related with usage from vibration. This vibration has been triggered from horizontal load such as gale. Especially in case of steel frame skyscraper, weight has been lightened which means react sensitively with vibration when it comes to facing gale so usage from resident has been endangered from vibration of skyscraper in Korea where has many cases of typhoon and monsoon in winter.
So it need to plan serviceability about structure. The important thing to estimating weight and response in this kind of structure is the number of frequency. To estimate reliable response acceleration, it is important to predict the accurate natural frequency. Even though the natural frequency can be estimated with analysing eigenvalues in general from stage of construction, it is difficult to predict exact natural frequency of real structure from difficult such as modeling of nonstructural member. According to the results from overseas, it is reported that the natural frequencies due to the measured values are about 20% larger than the analytical values on average. In order to approach these problems, research is being actively conducted in the domestic and international construction fields with the Structural Health Monitoring technology that grasps the behavior of structures in real time and diagnoses and evaluates them. The wired sensors used in the existing SHM have high measurement accuracy, but they are limited by the interference of the cables to connect the data logger and the measurement conditions, and the considerable weight, installation, and disassembly of the external measuring instruments. Lastly, there is also a disadvantage that the fatigue of the measurer is high. Easy-to-use wireless MEMS sensors among the measuring instruments for SHM enable efficient SHM without interfering with location because there is no requirement for turboelectric noise and cumbersome cables. However, low-cost wireless sensors equipped with MEMS accelerometers are limited in calculating accurate analytical values for low frequency and low amplitude measurement data due to their high noise density. Wireless MEMS sensors also enable efficient SHM without interfering with location because there is no requirement for turboelectric noise and cumbersome cables, but some distance attenuation can occur because of the RF signal and and while it is used indoor or outdoor use it could affect the signal response in vibration measurement for networks like Wi-Fi.
Therefore, the measurement performance was verified by vibration measurement in a low-level building with a relatively low vibration level using a wireless MEMS accelerometer, and the effective SHM applicability of the building structure was verified through experiments of communication distance with wireless MEMS sensor node and data. The summary of this paper is as follows.

1. We confirmed the validity of dynamic characteristics of slab by simultaneous measurement of portable MEMS accelerometer with wireless MEMS accelerometer and wireless accelerometer by setting ICP type accelerometer as reference for vibration through gait excitation. Experiments were conducted after the completion of the steel’s frame, and the distance between the wireless MEMS accelerometer and the data logger was set to 1m, 5m and 15m in the RF-free room. According to the experimental results, from the time histories of ICP accelerometer, wireless MEMS accelerometer and portable MEMS accelerometer, the wireless MEMS accelerometer from 1 to 15m showed an accurate acceleration standard deviation with the ICP accelerometer in the time series waveform and the portable MEMS accelerometer had a standard deviation of 0.0004g respectively. Conventional low-cost MEMS accelerometers were difficult to measure low amplitude and low-frequency vibration characteristics due to high noise level, but measurement performance of wireless MEMS accelerometer (G-Link-200) in vertical vibration was equivalent to that of existing wired accelerometers.

2. Wireless MEMS Accelerometer: To verify the performance of low vibration measurement of low-level buildings, three low-level buildings were selected and a servo accelerometer, ICP accelerometer, and wireless MEMS vibration measurements were performed. For the measurement, the servo accelerometer was set as a reference and the ICP accelerometer and the wireless MEMS accelerometer were simultaneously measured. In the vertical gait experiment, the standard deviation of the acceleration response was matched, and the RMS value of the horizontal transient vibration response was obtained and the natural frequency analysis was performed. The average value of the acceleration RMS of the building 3 in the time history was 0.000046 g for the reference accelerometer, 0.000052 g for the ICP accelerometer, and 0.000100 g for the wireless MEMS accelerometer. The noise level of the wireless MEMS accelerometer is larger than the input level of vibration, so therefore the value is 2.2 times larger than the RMS value of the reference. In the frequency histories, the RMS of the acceleration value in the time series waveform was 57.5% of that of the reference accelerometer and the MEMS accelerometer unlike the vertical vibration. However, in case of the natural frequency, the average of the natural frequency X axis error rate of the reference accelerometer and the wireless MEMS accelerometer of building 3 was 0.6 %, and the mean error rate on the Y - axis was 0.17%. The error rate on the X - and Y - axis was 0.36%, which confirmed the high performance of the wireless MEMS accelerometer. The average acceleration RMS of the wired MEMS accelerometer was 8.7 times longer than that of the servo accelerometer. However, the average acceleration RMS of the wireless MEMS accelerometer was about 2.2 times larger than that of the reference accelerometer. It can be seen that the noise floor of the G-Link-200 (Micro strain), a wireless MEMS accelerometer, is about 3.9 to 4.0 times smaller than the noise floor of wired MEMS accelerometers 2220-002 and 2210-002 (Silicon designs).

3. Experiments on wireless communication disturbances of open spaces, walls, and slabs were conducted to test the maximum communication distance of wireless MEMS accelerometers in architectural structures. Experiments were conducted on open spaces to avoid interference with RF signals and obstacles before experimenting with communication distance between wall and slab inside the building structure. In all three experiments, the maximum distance from the specimen was not reached. As a result of the experiment in the open field, it was found that the distance is less than the communication distance. In the case of the interference by the structure, the thickness of the wall is 50 m, but the experimental value is 16 m. In case of the slab, the specimen is 50 m, but the experimental value is 13 m. In city structures and facilities where communication disturbance is relatively low, monitoring with wireless MEMS sensors is actively performed, but it is considered that further research is needed to reduce RF interference for long distance wireless transmission due to communication disturbance factors in the building structure.