KR100206652B1 - 존재응력 측정기기 - Google Patents

Abstract

본 발명은 존재 응력 측정기기에 관한 것으로서, 스트레인 게이지의 반경방향으로의 변형량 또는 스트레인 게이지의 접선 방향으로의 변형량을 입력받는 스트레인 게이지 입력부와, 상기 스트레인 게이지 입력부에서 아날로그 값으로 입력된 스트레인 게이지의 변형량을 디지털 값으로 바꿔주는 변환부와, 상기 스트레인 게이지의 반경 방향 또는 접선 방향으로의 변형량과, 재료의 포아손비와, 재료의 탄성계수와, 응력 방향과의 각도 및 외부에서 입력된 천공할 구멍의 반지름과 상기 구멍 중심에서 스트레인 게이지 중심까지의 거리에 의거하여 진단하고자 하는 철골 부재의 존재 응력을 측정하도록 제어하는 제어부와, 상기 제어부로 외부 조작 신호 및 외부 입력값을 입력하는 입력부와, 상기 제어부의 동작 단계 및 측정된 존재응력을 표시하는 표시부를 포함하여, 진단하고자 하는 철골 부재가 있는 현장에서 그 철골 부재의 존재 응력을 측정할 수 있다.

Description

존재 응력 측정기기{Instrument for Estimating Existing Stress}

본 발명은 존재 응력 측정기기에 관한 것으로서, 특히 진단하고자 하는 철골 부재가 있는 각 현장에서 스트레인게이지를 통해 읽은 값을 곧바로 존재응력 추정값으로 변환하여, 진단하고자 하는 철골부재 현재의 응력을 측정하는 존재 응력 측정기기에 관한 것이다.

현재까지 철골 구조물의 안전상태를 진단하기 위한 방법으로는 주로 육안 검사, 비파괴 검사 등을 사용하여 부재 표면의 부식, 용접이음부의 결함 검색 등에 치중하여 왔으며, 이 이외에도 방사선 투과시험, 초음파 탐상시험, 액체 침투 탐상시험 등의 다양한 방법이 사용되어 왔다.

그러나, 상기한 종래의 철골구조물 안전진단 방법들은 구조부재의 열화상태를 측정하기 위한 방법으로, 구조물의 진단에 있어서, 주요지표인 구조부재의 응력 상태를 추정할 수 없다는 한계를 지니고 있기 때문에, 구조물에 실제하중을 적재하여 하중-변위 관계의 측정자료로부터 응력 상태를 추정함으로써, 구조물의 안전도 여부를 판별하는 정적하중시험법(靜的荷重試驗法)이 사용되고 있는 실정이다.

그렇지만, 상기한 정적하중시험법은 구조물의 강도를 평가하는 방법으로 그 신뢰도가 높다 할 수 있으나, 하중시험에 장시간이 소요되고, 시험방법이 매우 복잡하며, 인력 및 현장여건 등에 의해 많은 제약을 받는다는 결정적인 문제점을 지니고 있었다.

따라서, 본 발명에서는 상기한 종래의 안전진단방법이 지닌 한계를 극복하기 위해, 진단하고자 하는 철골 부재가 있는 각 현장에서 스트레인게이지를 통해 읽은 값을 곧바로 존재응력 추정값으로 변환하여, 진단하고자 하는 철골부재 현재의 응력을 측정하는 존재 응력 측정기기를 제공하고자 한다.

본 발명에서 제공하는 존재 응력 측정기기는 스트레인 게이지를 응력 방향과 평행하게 붙이거나, 직각으로 붙여서 스트레인 게이지의 반경방향으로의 변형량 또는 스트레인 게이지의 접선 방향으로의 변형량을 입력받는 스트레인 게이지 입력부와, 상기 스트레인 게이지 입력부에서 아날로그 값으로 입력된 스트레인 게이지의 변형량을 디지털 값으로 바꿔주는 변환부(AD Part)와, 상기 존재 응력 측정기기를 초기화한 후, 상기 스트레인 게이지의 반경 방향 또는 접선 방향으로의 변형량과, 재료의 포아손비와, 재료의 탄성계수와, 응력 방향과의 각도 및 외부에서 입력된 천공할 구멍의 반지름과 상기 구멍 중심에서 스트레인 게이지 중심까지의 거리에 의거하여 진단하고자 하는 철골 부재의 존재 응력을 측정하도록 제어하는 제어부(CPU Part)와, 상기 존재 응력 측정기기를 초기화 하도록 하는 초기화 명령과, 상기 천공할 구멍의 반지름 값과, 상기 구멍 중심에서 스트레인 게이지의 중심 까지의 거리와, 작업 진행을 알리는 진행 명령을 포함한 외부 조작 신호를 상기 제어부로 입력하는 입력부(Keypad Part)와, 상기 제어부의 동작 단계 및 측정된 존재응력을 표시하는 표시부(LCD Part)를 포함하여, 진단하고자 하는 철골 부재가 있는 현장에서 그 철골 부재의 존재 응력을 측정한다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 존재 응력 측정기기에 대한 블럭도,

도 2은 본 발명의 존재응력 추정에 대한 이론식을 설명하기 위해 사용된 구조물의 응력 상태를 나타낸 모식도.

이하, 도면을 참조하여 본 발명을 상세히 설명한다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 존재 응력 측정기기에 대한 블럭도이고, 도 2는 본 발명의 존재응력 추정에 대한 이론식을 설명하기 위해 사용된 구조물의 응력 상태를 나타낸 모식도이다.

도 1을 참조하면, 본 발명의 존재 응력 측정기기는 스트레인 게이지를 응력 방향과 평행하게 붙이거나, 직각으로 붙여서 스트레인 게이지의 반경방향으로의 변형량 또는 스트레인 게이지의 접선 방향으로의 변형량을 입력받는 스트레인 게이지 입력부(10)와, 상기 스트레인 게이지 입력부(10)에서 아날로그 값으로 입력된 스트레인 게이지의 변형량을 디지털 값으로 바꿔주는 변환부(AD Part)(20)와, 상기 존재 응력 측정기기를 초기화한 후, 상기 스트레인 게이지의 반경 방향 또는 접선 방향으로의 변형량과, 재료의 포아손비와, 재료의 탄성계수와, 응력 방향과의 각도 및 외부에서 입력된 천공할 구멍의 반지름과 상기 구멍 중심에서 스트레인 게이지 중심까지의 거리에 의거하여 진단하고자 하는 철골 부재의 존재 응력을 측정하도록 제어하는 제어부(CPU Part)(50)와, 상기 존재 응력 측정기기를 초기화 하도록 하는 초기화 명령과, 상기 천공할 구멍의 반지름 값과, 상기 구멍 중심에서 스트레인 게이지의 중심 까지의 거리와, 작업 진행을 알리는 진행 명령을 포함한 외부 조작 신호를 상기 제어부(50)로 입력하는 입력부(Keypad Part)(60)와, 상기 제어부(50)의 동작 단계 및 측정된 존재응력을 표시하는 표시부(LCD Part)(70)와, 전기(Battery)를 충전하고 전원을 관리하며 상기 제어부(50)로 전원을 공급하는 전원 관리부(Battery Charge Part)(40)와, 상기 전원 관리부(40)의 전원 공급 상태를 표시하는 전원 공급 상태 표시부(30)로 구성된다.

한편, 상기 외부 신호 입력부(Keypad)(60)는 0 부터 9 까지의 숫자 입력 버튼(0∼9)과, 숫자 입력시에 앞에 있는 한 문자를 지우는 버튼(B:Backspace)과, 측정기를 초기화하는 초기화 버튼(I:Initialization)과, 입력된 값 또는 기능을 최종적을 선택하여 작업을 진행하도록 하는 진행 버튼(E:Enter)과, 부동 소수점 숫자 입력시에 소수점을 표시하는 소숫점 버튼(P:Point)과, 측정기를 온/오프(On/Off)하는 스위치로 구성되고, 상기 변환부(20)의 R1, R2는 본 발명의 영점 조정 및 이득을 조정하는데, R1은 본 발명의 수직과 수평 이득을 조정하고, R2는 본 발명의 수직과 수평 영점을 조정한다.

이 때, 외부신호를 입력하는 방식은 스트레인게이지를 이용하는 일반 자료수집장치(DATA LOGGER)와 마찬가지로 스트레인게이지를 측정하고자하는 물체표면에 붙이고 힘을 가하면 스트레인게이지의 길이의 변화에 따라 스트레인게이지의 저항선에 변화가 일어나고 전기장의 변화에 의한 전기저항값에 변화를 가져오고 이 전기 저항값의 미묘한 변화를 감지하여 입력한다.

이와 같은 본 발명의 존재 응력 측정 기기는 스트레인 게이지를 응력 방향과 평행하게 붙일 경우와 스트레인 게이지를 응력 방향과 직각으로 붙일 경우 서로 다른 산출식을 가지고 제작한다.

먼저, 스트레인 게이지를 응력 방향과 평행하게 붙일 경우의 산출식은 식 1이다.

(식 1)

{sigma }_{x } = 측정하려는 대상구조물의 존재 응력

Δε_r = 반경방향의 변형량

ν = 재료의 포아손비 (0.3)

E = 재료의 탄성계수 (

)

r = R/Ro

alpha : 응력방향과의 각도 (평행일 때 : { 0}^{0 }, 직각일 때 : { 90}^{0 })

그리고, 스트레인 게이지를 응력 방향과 직각으로 붙일 경우의 산출식은 식 2이다.

(식 2)

Δε_θ = 접선 방향의 변형량

상기의 산출식과 도 2를 참조하여 본 발명의 이론적 배경을 설명하면 다음과 같다.

먼저, 도 2a와 같이 얇은 플레이트의 국부면적에 등분포 일축잔류응력 σ_x가 가해진다고 하자. 이 때, 플레이트 상의 임의의 점 P( R, a )에서의 초기 응력상태는 극좌표에서는 다음과 같이 표시된다.

상기 식에서, σ'_x은 반경방향의 초기응력을 나타내고,

σ'_θ는 접선방향의 초기응력을 나타내며,

r'_rθ는 초기의 전단응력을 나타낸다.

그 후, 도 2b와 같이, 상기한 플레이트의 중심점으로부터 반경이 Ro(이 때, RoR이다.)인 원형 구멍을 천공한 후에는 구멍 주위의 응력은 이완되어, 플레이트 상의 임의의 점 P( R, a )에서의 후기 응력 상태는 다음 식 3, 식 4 및 식 5 와 같이 표시된다.

(식 3)

(식 4)

(식 5)

이 때, r = R/Ro 을 나타낸다.

결과적으로, 원형 구멍을 천공한 후의 이완된 응력치는,

Δσ_r ~=~ σ″_r ~-~ σ'_r~~ (식 6)

Δσ_θ ~=~ σ″_θ~ -~ σ'_θ (식 7)

Δγ_r ~=~ γ″_r ~-~ γ'_r~~ (식 8)

상기 식 6, 식 7 및 식 8로 부터,

(식 9)

(식 `10)

따라서, 구조물에 존재하는 존재응력은,

(식 1)

(식 2)

상기 식에서,

를 나타낸다.

따라서, 상기 식 1과 식 2를 사용하면, Δε_γ, Δε_θ,v, r, a및 E 값으로 부터 구조물에 현존하는 존재응력을 추정할 수 있게 된다.

상기와 같은 수학식에 의해 구성된 존재 응력 측정기기를 가지고 존재 응력을 측정하려면, 먼저, 응력 상태를 알고자 하는 부위에, 하중이 가해진 상태에서 임의의 계측점에서의 스트레인 게이지의 변형치를 측정하고, 천공 구멍의 크기, 구멍과 계측점과의 거리비(R/Ro), 로제트형 게이지와 같은 사용된 스트레인 게이지의 크기를 결정하여, 천공이 이루어진 구조물에 하중을 가한 상태에서 스트레인 게이지의 이완된 변형치를 측정함으로써 구조물의 존재응력을 측정한다.

이 때, 천공 구멍의 크기, r(=R/Ro) 값 및 스트레인 게이지의 길이가 너무 작거나 클 경우에는 추정치의 오차가 커지기 때문에, 이들 값을 하기 범위의 수치내로 유지하는 것이 바람직하며, 이 경우 상ㆍ하한 오차는 10% 이다.

천공 구멍의 크기 : 3㎜ ∼ 6㎜

r(=R/Ro) : 2.5 ∼ 3.5

스트레인 게이지의 크기: 길이 1㎜, 폭 0.5㎜ 이하

다음과 같은 조건으로 본 발명의 측정기기를 가지고 존재 응력을 측정하는 단계는 다음과 같다.

먼저, 현장의 측정하고자 하는 철골재 표면에 스트레인 게이지를 부착하고 존재응력측정기기와 연결한다. 그후, 상기 외부 신호 입력부(Keypad)(30)의 ON/OFF 스위치(Switch)를 ON으로 하거나 I 버튼을 누르면 다음과 같이 Strain Gauge의 값이 표시부(LCD)(20)에 표시된다. 이 때, 위의 숫자(H-CH)는 수평 방향의 Strain Gauge의 값이고, 아래의 숫자(V-CH)는 수직 방향의 Strain Gauge의 값이며, 단위는 mu m이다. 초기값이 안정화 될 수 있도록 I버튼을 동일한 값이 나올때까지 3∼4회 누른다.

H-CH = 0.00

V-CH = 0.00

상기와 같은 상태에서 2회 E 버튼을 누르면 표시부(LCD)(20)에 아래와 같은 내용이 표시된다.

Continue?

이 때, E 버튼을 2회 더 누르면 현재의 Strain Gauge 값이 저장되고, 표시부(LCD)(20)가 다음과 같이 표시된다.

R?

이때, R값(R값이란 구멍중심에서 스트레인 게이지 중심까지의 거리임)을 입력한다. 숫자를 입력한 후에 E 버튼을 눌러서 입력이 끝났음을 알린다.

그러면, 다음과 같은 화면이 표시된다. (예를 들어 R 값을 3이라 했을 때)

R?3

Ro?

상기와 같이 R값을 입력하였으면, Ro값 (Ro값이란 천공할 구멍의 반지름임)을 입력한 후, E버튼을 누른다. 그러면 Strain Gauge의 값을 다시 읽는 동안 initialing의 표시가 나타나며 그후 다음과 같이 표시된다. 이 때, 위의 숫자(H-CH)는 수평 방향의 Strain Gauge의 변화량이고, 아래의 숫자(V-CH)는 수직 방향의 Strain Gauge의 변화량이며, 단위는 mu 이다.

d?? H-CH = 12.00mu

d?? V-CH = 34.00mu

이 상태에서 표시된 위치에 드릴로 구멍을 천공한다. 구멍을 천공하면 d??값이 감소되며 천공이 완료된후 E버튼을 1회 누르면 아래와 같은 화면이 표시된다.

Continue?

상기의 화면에서 E 버튼을 2회 더 누르면 반경방향의 Strain Gauge의 변화량에 의한 존재 응력과 접선 방향의 Strain Gauge의 변화량에 의한 존재 응력이 다음과 같이 표시된다. 이때 단위는 Kg / cm^2이다.

sigma x=반경 방향 측정을 통한 존재 응력

sigma x=접선 방향 측정을 통한 존재 응력

이와 같은 일련의 동작을 수행하면, 반경 방향 및 접선 방향의 스트레인 게이지 측정에 의한 존재 응력을 측정할 수 있다. 만약, 이러한 존재 응력을 다시 측정 하고 싶으면 외부 신호 입력부(Keypad)(30)의 I 버튼을 누르거나, ON/OFF 스위치(Switch)를 OFF로 했다가 다시 ON으로 한다.

상기와 같은 본 발명을 사용하면, 진단하고자 하는 철골부재가 있는 각 현장에서 스트레인게이지를 통해 읽은 값을 곧바로 존재 응력 추정값으로 변환하여 진단하고자 하는 철골부재의 현재의 응력을 읽음으로써, 다른 계산이 필요없이 원하는 부재의 현재 하중 값을 알게 되어 철골 부재에 대한 안전진단을 쉽고 빠르게 수행할 수 있다.

Claims (2)

1. 철골부재의 존재 응력을 측정하는 존재 응력 측정 기기에 있어서,

   스트레인 게이지를 응력 방향과 평행하게 붙이거나, 직각으로 붙여서 스트레인 게이지의 반경방향으로의 변형량 또는 스트레인 게이지의 접선 방향으로의 변형량을 입력받는 스트레인 게이지 입력부와,

   상기 스트레인 게이지 입력부에서 아날로그 값으로 입력된 스트레인 게이지의 변형량을 디지털 값으로 바꿔주는 변환부(AD Part)와,

   상기 존재 응력 측정기기를 초기화한 후, 상기 스트레인 게이지의 반경 방향 또는 접선 방향으로의 변형량과, 재료의 포아손비와, 재료의 탄성계수와, 응력 방향과의 각도 및 외부에서 입력된 천공할 구멍의 반지름과 상기 구멍 중심에서 스트레인 게이지 중심까지의 거리에 의거하여 진단하고자 하는 철골 부재의 존재 응력을 측정하도록 제어하는 제어부(CPU Part)와,

   상기 존재 응력 측정기기를 초기화 하도록 하는 초기화 명령과, 상기 천공할 구멍의 반지름 값과, 상기 구멍 중심에서 스트레인 게이지의 중심 까지의 거리와, 작업 진행을 알리는 진행 명령을 포함한 외부 조작 신호를 상기 제어부로 입력하는 입력부(Keypad Part)와,

   상기 제어부의 동작 단계 및 측정된 존재응력을 표시하는 표시부(LCD Part)를 포함하여,

   진단하고자 하는 철골 부재가 있는 현장에서 그 철골 부재의 존재 응력을 측정하는 것을 특징으로 하는 존재 응력 측정기기.
2. 제 1 항에 있어서, 상기 제어부는

   스트레인 게이지를 응력 방향과 평행하게 붙일 경우 하기 이론식 (Ⅰ)에 의해 대상 구조물의 존재 응력을 측정하며,

   스트레인 게이지를 응력 방향과 직각으로 붙일 경우 하기 이론식 (Ⅱ)에 의해 대상 구조물의 존재 응력을 측정하는 것을 특징으로 하는 존재 응력 측정기기:

   

   

   상기 식에서,

   

   ,

   

   ,

   

   를 나타내고,

   {sigma }_{x } = 측정하려는 대상구조물의 존재응력,

   Δε_r = 반경방향의 변형량,

   Δε_θ = 접선방향의 변형량,

   ν = 재료의 포아손비 ( 0.3 ),

   E = 재료의 탄성계수 (

   

   ),

   r = R/Ro,

   alpha : 응력방향과의 각도 ( 평행일 때 : { 0}^{0 } , 직각일 때 : { 90}^{0 } )를 각각 나타낸다.

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