KR100512608B1 - 프리스트레스 봉의 잔류 인장력을 초음파에 의하여 측정하는 방법 - Google Patents

프리스트레스 봉의 잔류 인장력을 초음파에 의하여 측정하는 방법 Download PDF

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Abstract

두 개의 정착구(anchorage) 사이에 매어진 프리스트레스 봉(pre-stressed bar)의 잔류 인장력(F1)을 현장에서 측정하기 위해서, 상기 프리스트레스 봉의 양 단부 사이에서의 초음파의 양 방향 전파 시간(T1)이 측정되고, 잔류 인장력(F1)이 식 F1 = F0 + kb·(T1-T0)에 의해 계산된다. 프리스트레스 봉을 떼어내지 않고 수행하는 예비 보정 시에, 상기 프리스트레스 봉은 가변성 견인 작용력(traction effort)(F)을 받는다. 각 값에 대하여, 상기 프리스트레스 봉의 양 단부 사이에서의 초음파의 양 방향 전파 시간(T)이 측정되고, 견인 작용력(F)을 시간(T)과 관련시키는 그래프(C)가 기록되고, 상수 T0은 F=0에 대하여 측정된 양 방향 전파 시간으로 결정되고, 상기 그래프는 기울기 ka의 제1 직선(D1)에 의하여 값 F=0의 근방에서 근사화되고, 상기 그래프의 상부는 기울기 kL의 제2 직선(D2)에 의하여 근사화되며, 상수 F0은 상기 제1 및 제2 직선의 교차점에 대응하는 견인 작용력(F)으로 결정되고, 상수 kb는 1/kb = (1/kL) - (1/ka) 관계식에 의해서 결정된다.

Description

프리스트레스 봉의 잔류 인장력을 초음파에 의하여 측정하는 방법{METHOD FOR MEASURING BY ULTRA-SOUND THE RESIDUAL TENSION OF A PRE-STRESSED BAR}
본 발명은 프리스트레스 봉(pre-stressed bar)의 길이방향 양 단부 사이에서 양 방향으로 전파된 초음파의 양 방향 전파 시간(T1)을 측정함으로써, 그리고 상기 프리스트레스 봉을 떼어내지 않고 실행된 예비 보정 중에 결정되는 상수 F0, T0 및 kb를 포함하는 식 F1 = F0 + kb·(T1-T0)에 의해 잔류 인장력(F1)을 계산함으로써 두 개의 정착구(anchorage) 사이에 매어진 프리스트레스 봉의 잔류 인장력(F1)을 원래의 장소에서 측정하는 방법에 관한 것이다.
상기 형태의 방법이 프랑스 특허 제2 750 498호에 개시되었다. 상기 발명에 따르면, 예비 보정(preliminary calibration)은,
- 점진적으로 증가하는 견인 작용력(F)을 프리스트레스 봉의 일단부에 가하는 단계와,
- 상기 언급한 견인 작용력과 프리스트레스 봉의 단부의 길이방향 변위(A)를 동시에 측정하되, 이러한 측정값은 큰 기울기를 가진 제1 직선을 실질적으로 따르는 시작 부분, 만곡된 부분 그리고 마지막으로 더 작은 기울기를 가진 제2 직선을 실질적으로 따르는 최종 부분을 제공하는 변위(A)의 함수로서의 견인 작용력(F)의 그래프에 대응하도록 하는 단계와,
- 잔류 인장력을 상기 두 직선의 교점에 대응하는 견인 작용력(F)의 값으로 결정하는 단계와,
- 상기 프리스트레스 봉의 단부에 미치는 견인력에 의해 잔류 인장력보다 큰 적어도 두 개의 알려진 별개의 인장력 값을 프리스트레스 봉에 연속적으로 가하는 단계와,
- 각각의 상기 인장력 값에 대하여 프리스트레스 봉의 길이방향 양 단부 사이에서 초음파의 양 방향 전파 시간을 측정하는 단계와,
- 상기 측정값으로부터 상기 잔류 인장력의 계산 공식의 상수를 도출하는 단계를 포함한다.
이러한 측정 때문에, 단지 한번 수행되는 보정 시에만 프리스트레스 봉의 단부에 견인 작용력을 적용할 필요가 있다.
일단 보정이 수행되고 나면, 상기 프리스트레스 봉의 양 단부 사이에서 단지 초음파의 양 방향 전파 시간을 측정함으로써 프리스트레스 봉의 잔류 인장력을 필요한 만큼 자주 조사할 수 있다. 따라서 이러한 차후의 조사들은 매우 간편하고 매우 신속하다. 상기 방법은 예를 들면, 이온화 광선(ionising rays)으로 인하여 구조물에 접근이 제한되는 경우에 적합하다.
본 발명의 목적은 초음파에 의하여 잔류 인장력을 측정하기 위한 상기 방법의 정확성을 개선하는 것이다.
서두에서 설명한 형태의 본 발명에 따른 방법에 있어서, 예비 보정은,
- 두 개의 정착구 사이 간격의 바깥 쪽에 위치한 영역에 적용된 견인 작용력(F)의 서로 다른 값들을 프리스트레스 봉에 가하는 단계와,
- 적용된 견인 작용력(F)의 각 값에 대하여, 견인 작용력(F)과 양 방향 전파 시간(T)을 연관시키는 그래프의 점들을 기억할 수 있도록 프리스트레스 봉의 길이방향 양 단부 사이에서 초음파의 양 방향 전파 시간(T)을 측정하는 단계와,
- 상수 T0를 견인 작용력(F)=0에 대하여 측정된 양 방향 전파 시간(T)으로 결정하는 단계와,
- 기울기 ka를 가진 제1 직선에 의해, 견인 작용력 값 F=0의 근방에서 상기 그래프를 근사화하는 단계와,
- 기울기 kL의 제2 직선에 의해 상기 그래프의 상부를 근사화하는 단계와,
- 상수 F0를 상기 제1 및 제2 직선의 교점에 대응하는 견인 작용력(F)으로 결정하는 단계와,
- 식 1/kb = (1/kL) - (1/ka)에 따라 상수 kb를 결정하는 단계를 포함한다.
특히, 보정 시스템이 유도하는 기생 효과(parasite effect)를 엄밀하게 고려함으로써 계수 kb의 결정을 개선할 수 있다. 점(T0,0)의 근방에서 그래프(T, F)에 접근하는 제1 직선은 견인 작용력(F)의 적용 지점과 인접한 정착구 사이에 위치한 영역에서 프리스트레스 봉의 신장을 고려하는 반면에, 제2 직선은 견인 작용력의 적용 지점과 반대편 정착구 사이의 길이(L)의 증가를 고려한다. 사용 중에, 특히 이후의 검증 과정 동안, 잔류 인장력(F1)의 영향을 받는 것은 단지 두 개의 정착구 사이의 길이 b = L - a이다. 따라서 제2 직선의 기울기 kL와 관련하여 기울기 계수 kb를 교정하는 것이 적절하다. 이러한 교정은 만약 프리스트레스 봉이 비교적 짧다면 더욱 중요하게 될 것이다.
본 발명 방법의 바람직한 일 실시예에서, 기울기 ka의 제1 직선에 의한 견인 작용력 값 F=0의 근방에서의 상기 그래프의 근사치는 그래프 하부에 포물선을 포함하고, 제1 직선은 견인 작용력 값 F=0에 대한 상기 포물선의 접선(tangent)으로 결정된다.
바람직한 일 실시예에서, 예비 보정은 측정된 온도의 기억 및 프리스트레스 봉의 재료 온도의 측정을 포함한다. 이는 차후에 고려될 측정된 전파 시간에 대한 온도 효과를 가능케 한다. 따라서, 보정(calibration) 다음의 측정 단계동안, 프리스트레스 봉 재료의 온도와 프리스트레스 봉의 길이방향 양 단부 사이에서 초음파의 양 방향 전파 시간이 측정되었고, 측정된 양 방향 전파 시간을 예비 보정과 그에 후속하는 측정 단계에서 측정된 온도들 사이의 편차의 함수에 따라 교정함으로써 상기 언급된 식의 적용을 위한 시간(T1)이 결정된다.
본 발명의 다른 특징 및 장점들은 첨부된 도면들을 참조하여 이하의 본 발명의 비제한적인 실시예에서 명확하게 설명될 것이다.
도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 방법은 예를 들어 금속으로 된 프리스트레스 봉(1)의 길이방향 단부들(4, 5) 부근에 각각 위치한 두 개의 정착구(2, 3) 사이에 매어진 프리스트레스 봉(1)의 잔류 인장력(F1)을 측정하기 위해 고안되었다.
그 양 단부(4, 5) 사이의 프리스트레스 봉(1)의 길이는 전형적으로 5m보다 작고 일반적으로 2m보다 작으며, 예를 들어, 50cm 내지 2m의 범위에 있다.
도면에서 설명되고 있는 제한적이지 않은 실시예에서, 상기 정착구(2, 3)는 다음과 같이,
그것들 중 하나는 프리스트레스 봉과 일체로 되는 확대된 헤드(2)로 이루어지고, 다른 하나는 완전히 또는 부분적으로 나사가 형성된 프리스트레스 봉(1)에 체결된 너트(3)로 이루어진다. 이러한 두 개의 정착구는 콘크리트 집괴부(a mass of concrete)(6) 또는 응력이 가해지게 될 다른 물질에 압축 작용력을 가한다.
프리스트레스 봉(1)의 잔류 인장력(F1)을 초음파에 의해 규칙적으로 조사할 수 있도록 하기 위해서, 프리스트레스 봉에 대하여 본 발명 방법을 실행하는 장치의 예비 보정이 착수된다.
상기 목적을 위해서, 프리스트레스 봉(1)에는 초음파 변환기(7)와 프리스트레스 봉에 견인력을 미치게 하는 견인 장치(11)가 콘크리트 집괴부(6)의 외측에 설치된다.
초음파를 감지하고 전달하기 위한 변환기(7)는 프리스트레스 봉(1)의 단부(5)에 설치된다. 변환기(7)는 마이크로 컴퓨터(8)에 결합된 특수 전자 카드에 직접 또는 간접적으로 연결되고, 상기 전자 카드에 의하여 초음파, 바람직하게 펄스(pulse)로서의 초음파를 단부(5)에 방출하기 위해서 변환기(7)를 제어할 수 있다. 또한 상기 변환기(7)를 이용하여, 양 단부 사이에서 양 방향으로 전파된 초음파의 양 방향 전파 시간(T)을 측정하기 위해서 프리스트레스 봉의 단부(4)에서 상기 초음파를 반사시킨 후 타 단부(5)에서 상기 초음파 파장의 반향을 감지할 수 있다.
도 1에서 설명된 실시예에서, 견인 장치(11)는 프리스트레스 봉(1)의 단부(5)와 정착구(3) 사이에 위치한 프리스트레스 봉(1)의 영역 위에 체결된 금속 링(12)과, 콘크리트 집괴부(6)와 상기 링(12) 사이에 축방향으로 삽입되고 프리스트레스 봉(1) 둘레에 설치된 환형 유압 잭(hydraulic jack)(13)을 구비하고, 상기 잭은 펌프(16)를 통해서 유압 유체가 공급되는 환형 실린더(15) 내에서 활주하는 환형 피스톤(14)을 구비한다.
상기 잭(13)의 유압 회로에는 잭(13)에 의하여 프리스트레스 봉(1)에 작용되는 견인력(traction force)을 측정하기 위하여 (잭의 유용한 단면과 그의 산출을 고려하여)압력 센서(17)가 구비된다. 대안적으로, 상기 작용력은 상기 잭(13)과 링(12) 사이, 또는 콘크리트 집괴부(6)와 잭(13)사이에 스트레인 게이지를 설치하여 측정할 수도 있다.
측정된 작용력은 마이크로 컴퓨터(8)가 프리스트레스 봉(1)에 가하여진 견인 작용력(F)의 값을 기록할 수 있도록 마이크로 컴퓨터(8)에 포함된 전자 획득 카드(electronic acquisition card)로 보내어진다.
보정 단계 동안, 펌프(16)는 프리스트레스 봉에 작용된 견인 작용력(F)을 점진적으로 증가시키기 위해서 제어되고, 이 시간 동안 마이크로 컴퓨터(8)는 프리스트레스 봉의 단부(5)에 설치된 변환기(7)에 의해 양 방향 전파 시간(T)을, 그리고 센서에 의해 견인 작용력(F)를 동시에 측정하고 기록한다.
이러한 기록들은 도 2 또는 도 3에 도시된 그래프와 같이 양 방향 전파 시간 (T)의 함수로서 견인 작용력(F)의 그래프의 점들에 대응한다.
일반적으로 이 그래프 C는,
- 너트(3)와 링(12)사이의 프리스트레스 봉(1) 일부의 신장을 나타내는 상대적으로 큰 기울기 ka의 직선 D1을 대략적으로 따르는 시작 부분과,
- 프리스트레스 봉(1)의 응력이 가해진 모든 부분의 신장을 나타내는, 기울기 kL(kL < ka)의 직선(D2)을 실질적으로 따르고, 큰 값의 견인 작용력(F)을 가지는 상부를 구비하며, 여기서 b가 두 개의 정착구(2, 3) 사이의 길이이고 a가 정착구(3)와 링(12) 사이의 길이일 때(도 1) 상기 상부의 길이는 L = b + a가 된다.
공지된 바와 같이, 직선 D1과 D2의 교점은 보정 시의 프리스트레스 봉의 잔류 인장력을 나타내는 세로 좌표(F0)와 일치한다.
마이크로 컴퓨터(8)는 직선 D1과 D2의 교차 지점 뿐만 아니라 그 직선들을 결정하기 위하여 프로그램된다. 그로부터 마이크로 컴퓨터(8)는 상기 교차 지점에 대응하는 견인 작용력(F), 즉 보정 시의 잔류 인장력 값인 상수 F0을 도출한다.
또한 마이크로 컴퓨터(8)는 견인 작용력이 작용되지 않는 경우, 즉 F=0에서 보정하는 동안 얻어진 양 방향 전파 시간(T)의 값(T0)을 기억한다.
좌표(T0, F0)를 가진 지점은, 보정 시스템이 없을 때 양 방향 전파 시간을 프리스트레스 봉의 잔류 인장력에 연결시키는 그래프의 지점이다. 알고 있는 바와 같이 이러한 그래프는 선형이고, 그 방정식은,
F1 = F0 + kb·(T1 - T0) (1)
의 형태를 가지며, 잔류 인장력(F1)의 값이 양 방향 전파 시간(T1)의 간단한 측정으로부터 도출될 수 있다.
보정하는 동안 기울기 계수 kb를 결정하기 위해서, 마이크로 컴퓨터(8)는
1/kb = (1/kL) - (1/ka) (2)
의 관계식을 이용한다.
이로 인하여, 계수 kb는 프리스트레스 봉(1)의 길이 b의 응력이 가하여진 영역의 거동을 정확하게 반영하게 된다.
도 2에서 설명된 실시예에서는, 그래프(C)가 둥근 부분에 의해 연결된 두 개의 선형 부분에 의하여 본질적으로 구성된다. 따라서 마이크로 컴퓨터(8)는 예를 들면 통상적인 최소 자승 맞춤법(least square fit method)에 의하여, 보정 시의 측정값으로부터 얻어진 그래프의 하부 및 상부에 기울기 ka와 kL의 두 개의 직선 D1과 D2를 맞추고, 그로부터 관계식 (2)에 따라서 상수 kb 뿐만 아니라 상수 F0를 도출한다.
보정의 정확성을 더욱 개선하기 위해서, 마이크로 컴퓨터(8)는 그래프(C)의 하부에 있는 포물선(P)을 조절하도록 프로그램될 수 있다. 실제로, 프리스트레스 봉(1)을 체결하는 나사를 고려하면, 그래프(C)의 하부가 직선형보다는 포물선형임을 보일 수 있다. 도 3은 그러한 실시예를 보이고 있다(포물선(P)의 만곡을 과장하고 있음). 전술한 계산은 결정된 포물선의 점(T0, 0)에서의 접선을 직선 D1으로 사용하여 동일한 방법으로 수행되었다. 이 직선 D1은 원점(T0,0)에 가장 근접한 그래프(C)의 점들의 근사치이다.
보정이 한 번 수행되었으면, 프리스트레스 봉(1)의 잔류 인장력(F1)의 값을 이후에 조사하기를 원할 때에, 상기 프리스트레스 봉의 단부(5)에 견인 장치(11)를 더 이상 갖출 필요가 없고 마이크로 컴퓨터(8)에 연결된 변환기(7)만 있으면 된다.
그 다음에 마이크로 컴퓨터(8)는 단순히 변환기(7)가 프리스트레스 봉의 단부(5)에서 초음파, 바람직하게는 펄스로서의 초음파를 방출하게 한다. 그 후 변환기(7)는 프리스트레스 봉의 단부(4) 위에 초음파를 반사시킨 후 반향하는 초음파를 감지하고, 마이크로 컴퓨터(8)는 초음파의 양 방향 전파 시간(T1)을 측정한다. 이러한 양 방향 전파 시간(T1)을 근거로 하여, 마이크로 컴퓨터(8)는 식 (1)에 의하여 측정 시간에서의 잔류 인장력(F1)의 값을 도출한다.
프리스트레스 봉(1)의 강(steel)과 같은 재료의 온도가 이러한 재료에서의 초음파 전파 속도와 그에 따라 측정된 양 방향 전파 시간에 영향을 미치는 것으로 알려졌다. 결과적으로, 만약 프리스트레스 봉의 온도가 변화에 영향을 받기 쉽다면, 다음과 같은 형태의 식을 적용함으로써 측정 과정에서 자동적인 교정을 제공하는 것이 유리하다.
T1 = Tm + β·(θm - θi) (3)
여기에서 Tm은 온도 θm에서 측정된 양 방향 전파 시간이고, T1은 온도 θi, 예를 들면 보정 시의 온도에 대응하여 식 (1)의 적용을 위하여 사용되는 교정 시간이고, β는 상기 재료와 재료의 기하학적인 특징에 의존하는 미리 결정되는 상수이다.
프리스트레스 봉의 재료의 온도 θi는 상기 교정식 (3)을 적용할 수 있도록, 보정 시에 그리고 차후의 측정 시에 측정된다. 온도 측정은 초음파 변환기(7)에 근방에 설치되거나 그 내부에 일체화된 열전대(thermocouple)와 같은 센서(20)에 의해 수행될 수 있다.
상기한 바와 같이, 초음파에 의해 잔류 인장력을 측정하기 위한 본 발명 방법은 정착구 사이에 매어진 프리스트레스 봉의 잔류 인장력 측정의 정확성을 개선하였다.
도 1은 본 발명에 따른 방법의 일 실시예를 도시하는 개략도이다.
도 2 및 도 3은 본 발명에 따른 방법의 예비 보정 시에 프리스트레스 봉의 단부 부근에 작용되는 견인 작용력(F)의 전개의 일례를 초음파의 양 방향 전파 시간의 함수로서 개략적으로 도시하는 그래프이다.

Claims (4)

  1. 프리스트레스 봉(pre-stressed bar)(1)의 길이방향 양 단부(4, 5) 사이에서의 초음파의 양 방향 전파 시간(two-way propagation time)(T1)을 결정하고, 상기 프리스트레스 봉을 떼어내지 않고 수행되는 예비 보정(preliminary calibration) 중에 결정되는 상수인 F0, T0 및 kb를 포함하는 식 F1 = F0 + kb·(T1-T0)에 의하여 잔류 인장력(F1)을 계산함으로써, 두 개의 정착구(anchorage)(2, 3) 사이에 매어진 프리스트레스 봉(1)의 잔류 인장력(F1)을 원래의 장소에서 측정하는 방법에 있어서,
    상기 예비 보정은,
    - 상기 프리스트레스 봉이 상기 두 개의 정착구 사이 간격의 바깥 쪽에 위치한 영역에 작용되는 서로 다른 견인 작용력(F)들을 받도록 하는 단계와,
    - 상기 가하여진 견인 작용력(F)의 각 값에 대하여, 견인 작용력(F)을 양 방향 전파 시간(T)과 관련시키는 그래프(C)의 지점들을 기억하기 위하여 상기 프리스트레스 봉의 길이방향 양 단부 사이에서의 초음파의 양 방향 전파 시간(T)을 측정하는 단계와,
    - 상수 T0를 견인 작용력(F)=0에 대하여 측정된 양 방향 전파 시간(T)으로 결정하는 단계와,
    - 기울기가 ka인 제1 직선(D1)에 의해서, 견인 작용력(F)=0의 근방에서 상기 그래프를 근사화하는 단계와,
    - 기울기가 kL인 제2 직선(D2)에 의해서 상기 그래프의 상부를 근사화하는 단계와,
    - 상수 F0을 상기 제1 및 제2 직선의 교차 지점에 대응하는 견인 작용력(F)으로 결정하는 단계와,
    - 식 1/kb = (1/kL) - (1/ka)에 따라서 상수 kb를 결정하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 프리스트레스 봉의 잔류 인장력 측정 방법.
  2. 제1항에 있어서, 기울기가 ka인 제1 직선(D1)에 의해서 견인 작용력(F)=0의 근방에서 상기 그래프(C)를 근사화한 것은 상기 그래프 하부의 포물선(P) 부분을 포함하고, 상기 제1 직선(D1)은 견인 작용력(F)=0에 대한 상기 포물선의 접선(tangent)으로 결정되는 것을 특징으로 하는 프리스트레스 봉의 잔류 인장력 측정 방법.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 예비 보정은 프리스트레스 봉(1) 재료의 온도(θi)를 측정하고 측정된 상기 온도의 기억하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 프리스트레스 봉의 잔류 인장력 측정 방법.
  4. 제3항에 있어서, 상기 예비 보정 후의 측정 단계는,
    프리스트레스 봉(1) 재료의 온도(θm)와 프리스트레스 봉(1)의 길이방향 양 단부(4, 5)들 사이에서의 초음파의 양 방향 전파 시간(Tm)을 측정하는 단계와,
    상기 측정된 양 방향 전파 시간(Tm)을 상기 예비 보정과 이후의 측정 단계 동안 측정된 온도(θi, θm)들 사이의 편차의 함수에 따라서 교정함으로써, 상기 잔류 인장력 계산식의 적용을 위한 시간(T1)을 결정하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 프리스트레스 봉의 잔류 인장력 측정 방법.
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