KR100956687B1 - 광섬유 복합 강연선을 이용한 어스앵커 구조물의 건전성 모니터링 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은, 중앙에 위치하는 제1강선과, 상기 제1강선의 주위를 둘러싸며 서로 꼬인 여섯 가닥의 제2강선을 포함하는 강연선의 상기 제1강선 또는 제2강선 중의 어느 하나에는 상기 강선의 길이방향의 관통공이 형성된 강연선을 마련하는 강연선 마련단계; 상기 강연선의 상기 관통공에 광섬유센서를 삽입하여 강연선을 마련하는 광섬유 복합 강연선 마련단계; 상기 광섬유 복합 강연선을 인장재로 이용하여 어스앵커 구조물을 시공하는 시공단계; 상기 광섬유 복합 강연선의 광섬유센서에 광을 조사하는 광조사단계; 및, 상기 광섬유센서를 통과한 광을 검출하여 상기 강연선의 변형률을 측정하는 측정단계; 를 포함하는 것을 특징으로 하는 어스앵커 구조물의 건전성 모니터링 방법을 제공한다.

Description

광섬유 복합 강연선을 이용한 어스앵커 구조물의 건전성 모니터링 방법{ Health monitoring method of earthanchor structure using optial fiber embeded wire strand}

본 발명은 어스앵커 구조물의 건전성 모니터링 방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 어스앵커 구조물의 인장재로 사용되는 강연선에 광섬유센서를 매립하고, 그 매립된 광섬유센서를 이용하여 상기 강연선의 변형율을 측정함으로써 수시로 건전성 확인이 가능한 어스앵커 구조물의 건전성 모니터링 방법에 관한 것이다.

일반적인 지하 굴착공사를 하는 경우에, 굴착을 원하는 지역에 일정한 간격으로 세로빔을 박은 후 각각의 세로빔들 사이에 흙막이 패널을 삽입하여 굴착 된 공간에 작용하는 토압에 저항하도록 하였다. 그러나 기초가 깊거나 공사환경의 필요에 의해 급경사로 굴착을 하는 경우에는 흙막이 패널에 작용하는 토압이 크게 증가하게 되고, 그 증가한 토압에 저항하도록 세로빔 사이에 가로빔을 연결하거나, 지중에 삽입되는 인장재와 세로빔에 고정되는 정착장치를 상호 연결하는 구성에 의해 토압에 저항하도록 하는 어스앵커 구조물이 사용되고 있다.

도 1은 어스앵커 구조물을 설명하기 위한 도면이고, 도 2a 내지 도 2c는 도 1에 도시된 어스앵커 구조물의 시공방법을 설명하기 위한 도면이다.

어스앵커 구조물은 도 1에 도시된 바와 같이, 지반에 천공된 앵커공(1)에 삽입되는 인장재(2)와, 상기 앵커공(1)에 채움 되는 그라우트재(3)와 상기 인장재(2)를 상기 그라우트재 내에 정착시키기 위한 정착체(4)와, 상기 인장재(2)에 가해진 인장력을 지반에 전달하기 위한 지지체(5)를 포함하여 이루어진다. 상기 지지체(5)는 상기 인장재(2)를 지상에서 정착시키는 역할을 동시에 하는 것으로서 도면에 도시된 바와 같이 앵커공(1)의 외부에 마련되어 있다.

이러한 앵커 구조물의 시공은 도 2a에 도시된 바와 같이, 지반에 앵커콩(1)을 천공하고, 도 2b에 도시된 바와 같이 그 천공된 앵커공(1)에 인장재(2)와 정착체(4)를 삽입한 후, 상기 인장재(2)를 지반에 고정시키기 위하여 앵커공(1)의 일부를 그라우트재(3)로 매움한다. 매움하는 그라우트재(3)의 깊이는 시공현장에 따라 해석된 결과를 바탕으로 결정되며 일반적으로 앵커공(1) 깊이의 40 내지 50%정도 이다.

상기 그라우트재(3)가 매움된 상태에서 일정기간이 지난 후 그라우트재(3)가 경화되면, 상기 앵커공(1)의 나머지부분을 그라우트재(3)로 채움하고, 지지체(5)를 시공한 후 나머지부분의 그라우트재(3)가 경화되기 전에 도 2c에 도시된 바와 같이 인장장치(7)를 이용하여 인장재(2)에 인장력을 가한 후 지지체(5)에 정착시킴으로써 도 1에 도시된 어스앵커 구조물의 시공이 완료된다.

도 1 및 도 2a 내지 도 2c에 표시된 도면부호 6은 흙막이용 패널이다.

이러한 어스앵커 구조물은 굴착공사에만 사용되는 것이 아니라 절토면이나 비탈지 등의 사면 안정화를 위한 구조물로도 많이 사용되고 있는데, 그 시공방법은 도 2a 내지 도 2c를 이용하여 설명된 시공방법과 대동소이하며, 흙막이용 패널 등의 구조물은 시공되지 않는다.

이러한 종래의 어스앵커 구조물에 있어서는, 인장재에 인장력을 가하는 경우에 그 인장재에 가해지는 인장력에 대한 측정이 매우 어렵다는 문제점이 있다. 그래서 실제 시공현장에서는 인장기로 인장이 가능한 최대한으로 당겨서 정착을 해 놓는 상태이며, 공사 중에 인장력이 변화되는 등의 이상 징후에 대해서는 측정이 매우 어렵다.

한편, 굴착공사에 사용되는 어스앵커와 같이 공사 후에 제거되는 제거형 어스앵커 구조물의 경우에는 그 설치기간이 짧으므로, 인장재에 어느 정도의 인장력이 가해졌는지, 그 가해진 인장력이 제대로 유지되고 있는지에 대한 중요성이 떨어지지만, 사면 안정을 위해 사용되는 영구앵커 구조물과 같이 장기간 설치되어 있는 어스앵커 구조물에 있어서는 인장재에 작용하고 있는 변형율을 정기적으로 측정할 필요가 있는데 종래의 모니터링 방법에서는 매우 어려운 것이다.

본 발명은 상술한 문제점들을 해결하기 위하여 도출된 것으로서, 어스앵커 구조물의 인장재로 사용되는 강연선의 변형률을 직접 계측함으로써 강연선에 작용하는 인장력의 변화를 측정하여 시간에 따라 변화하는 어스앵커 구조물의 안정성을 점검할 수 있는 어스앵커 구조물의 건전성 모니터링 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.

상술한 목적을 달성하기 위하여 본 발명은,

중앙에 위치하는 제1강선과, 상기 제1강선의 주위를 둘러싸며 서로 꼬인 여섯 가닥의 제2강선을 포함하는 강연선의 상기 제1강선 또는 제2강선 중의 어느 하나에는 상기 강선의 길이방향의 관통공이 형성된 강연선을 마련하는 강연선 마련단계;

상기 강연선의 상기 관통공에 광섬유센서를 삽입하여 광섬유 복합 강연선을 마련하는 광섬유 복합 강연선 마련단계;

상기 광섬유 복합 강연선을 인장재로 이용하여 어스앵커 구조물을 시공하는 시공단계;

상기 광섬유 복합 강연선의 광섬유센서에 광을 조사하는 광조사단계; 및,

상기 광섬유센서를 통과한 광을 검출하여 상기 강연선의 변형률을 측정하는 측정단계; 를 포함하는 것을 특징으로 하는 어스앵커 구조물의 건전성 모니터링 방 법을 제공한다.

상기 관통공은 상기 제1강선에 형성되어 있는 것이 바람직하다.

상기 광섬유센서는 광섬유에 일정간격으로 격자 감지부가 형성된 광섬유 브래그 격자 센서이고,

상기 측정단계는, 상기 광섬유 브래그 격자 센서 내의 격자 감지부에 반사된 광 및 상기 격자 감지부를 통과한 광을 검출하여 이루어지는 것이 바람직하다.

본 발명에 따르면, 어스앵커 구조물의 인장재로 사용되는 강연선의 변형률을 직접 계측함으로써 강연선에 작용하는 응력을 측정하여 어스앵커 구조물의의 안정성을 테스트할 수 있는 어스앵커 구조물의 건전성 모니터링 방법을 제공할 수 있다.

이하에서는 본 발명의 바람직한 일 실시 예에 따른 어스앵커 구조물에 대하여 도면을 참조하면서 상세히 설명하기로 한다.

도 3는 본 발명의 일 실시 예에 따른 어스앵커 구조물에 사용되는 인장재인 광섬유 복합 강연선을 설명하기 위한 도면, 도 4은 도 3에 표시된 Ⅳ-Ⅳ선의 단면도, 도 5a 내지 도 5d는 도 3에 광섬유 복합 강연선의 제조방법을 설명하기 위한 도면, 도 6은 광섬유 브래그 격자 센서를 설명하기 위한 도면이다.

본 실시 예에 따른 어스앵커 구조물의 구조는 도 1에 도시된 종래의 어스앵커 구조물와 같이 인장재(2), 그라우트재(3), 정착체(4), 지지체(5) 등을 포함하고 있다. 본 발명은 이러한 구성요소들 중 인장재로 사용되는 강연선의 구성에 그 특징이 있는 발명이므로, 상기 강연선을 위주로 설명하기로 한다.

본 실시 예의 어스앵커 구조물에 사용되는 강연선(20)은 어스앵커 구조물에 사용되는 인장재(도 1에 도면부호 2로 표시됨)로 사용되는 것으로서, 광섬유 브래그 격자 센서(10)와 강연선(20)을 포함한다.

상기 강연선(20)은 잘 알려진 바와 같이, 강연선(20)의 중앙에 위치하는 제1강선(21)과 그 제1강선(21)의 주위를 둘러싸며 서로 꼬여서 제1강선(21)에 부착되는 여섯 가닥의 제2강선(22)을 포함하고 있다. 상기 제1강선(21)은 '킹케이블'이라고 불리기도 하며, 제2강선(22)처럼 꼬여 있는 형태가 아니라 강연선(20)의 길이방향으로 곧게 형성된다. 즉 강연선(20)은 곧게 뻗은 제1강선(21)의 주위를 여섯 가닥의 제2강연선(22)들이 서로 꼬여서 형성되는 것이다.

상기 제1강선(21)에는 그 길이방향으로 관통공(211)이 형성되어 있다.

상기 관통공(211)에는 광섬유 브래그 격자 센서(10)가 삽입된다. 상기 광섬유 브래그 격자 센서(10)는, 자외선 광(Excimer Laser)을 광섬유에 투과시켜 도 6에 도시된 바와 같이 광섬유(10)에 여러 개의 격자 감지부(11)를 생성한 것으로서, 광원(200)에 의해 광(100)을 광섬유(10)에 조사시킬 경우 브래그 조건에 맞는 파장 성분은 격자 감지부(11)에서 반사되고 나머지 파장 성분은 그대로 통과하는 성질을 이용하는 것이다. 이렇게 반사되는 광 및 그대로 통과한 광을 광검출기(300)에서 측정하여 각종 물리량의 변화를 측정할 수 있다. 격자 감지부(11)에서 반사되는 광의 파장인 브래그 파장은 유효 굴절률과 격자 간격의 함수인데, 광섬유 격자 감지 부(11)의 간격이 온도나 하중 등의 외부 물리량에 의해 변경될 경우 격자 감지부(11)에서 반사되는 광의 파장인 브래그 파장 역시 변하게 되므로, 브래그 파장의 변화를 정밀하게 측정한다면 광섬유 격자 감지부(11)에 가해진 미지의 물리량 (온도, 변형률)을 역으로 계산할 수 있다.

광검출기는 광섬유 브래그 격자 센서(10)의 양단부에 위치할 수도 있고, 도 6에 도시된 바와 같이 광섬유 브래그 격자 센서(10)의 일단부에는 광(100)을 반사할 수 있는 장치를 하여, 타단부에서 광(100)을 조사하는 동시에 광(100)을 검출하여 그 검출된 광을 분석할 수도 있다. 본 실시 예에 사용되는 강연선(20)의 경우 일단부가 지하에 매립되므로, 매립되는 단부에 조사된 광을 반사할 수 있는 반사장치를 설치하여 노출된 단부측에서 광을 조사함과 동시에 검출하도록 하는 것이 바람직하다.

상기 관통공(211) 중 상기 광섬유 브래그 격자 센서(10)가 차지하는 공간 외의 나머지 공간에는, 도 4에 도시된 바와 같이, 그라우팅재인 에폭시(212)가 채워져 있어서 광섬유 브래그 격자 센서(10)를 고정하게 된다.

광섬유 브래그 격자 센서(10)를 제1강선(21)에 형성된 관통공(211)에 배치하는 경우 광섬유 브래그 격자 센서(10)가 외부의 충격에 의해 손상되는 것을 효과적으로 방지할 수 있다. 또한, 제1강선(21)은 곧게 형성되는데 강연선(20)의 변형률과 제1강선(21)의 변형률은 거의 동일한 것으로 볼 수 있으므로 더욱 정확한 변형률의 측정이 가능한 장점도 아울러 가지고 있다.

이하에서는 상술한 어스앵커 구조물의 건전성 모니터링 방법의 일 실시예에 대하여 설명하기로 한다.

본 실시 예에 따른 어스앵커 구조물의 건전성 모니터링 방법은 강연선 마련단계, 광섬유 복합 강연선 마련단계, 시공단계, 광조사단계 및 측정단계를 포함한다.

강연선 마련단계란, 중앙에 배치되는 제1강선(21)과 상기 제1강선(21)의 외주면을 서로 꼬이면서 둘러싸는 여섯 가닥의 제2강선(22)을 포함하고 있으며, 상기 제1강선(21)에 관통공(211)을 형성된 강연선을 마련하는 단계를 말한다.

강선에 관통공을 형성하기 위해서는 여러 가지 방법이 있을 수 있으나, 본 실시 예에서는 인발성형에 의한다. 인발성형이란 막대, 빔, 채널, 튜브와 같이 길이방향으로 일정한 단면을 가진 제품을 제조하는 연속 공정으로서 관통공이 형성된 강선의 경우에도 그 길이방향의 단면이 일정하므로 인발성형에 의해 제조할 수 있으며, 가장 효율적으로 관통공을 가지는 강선을 제조하는 방법이다.

제1강선(21)에 관통공(211)이 형성되면, 그 제1강선(21) 및 그 주위를 둘러싸는 여섯 가닥의 제2강연선(22)을 재료로 강연선(20)을 제조한다.

광섬유 복합 강연선 마련단계란 상기 강연선(20)의 제1강선(21)에 마련된 관통공(211)에 광섬유 브래그 격자 센서(10)를 삽입하는 단계를 말하는 것으로서, 광섬유 브래그 격자 센서(10)를 제1강선(21)에 형성된 관통공(211)에 삽입되도록 배치하는 경우 광섬유 브래그 격자 센서(10)가 외부의 충격에 의해 손상당하는 것을 효과적으로 방지할 수 있다. 또한, 제1강선(21)은 곧게 형성되는데 강연선(20)의 변형률과 제1강선(21)의 변형률은 거의 동일한 것으로 볼 수 있으므로 보다 정확한 변형률의 측정이 가능한 장점도 아울러 가지고 있다.

광섬유 브래그 격자 센서(10)를 관통공(211)에 삽입하기 위해서는 매개부재(30)를 이용하는 것이 바람직하다. 매개부재(30)는, 도 5a에 도시된 바와 같이, 실과 같이 유연한 선형의 재료로 이루어지며, 일단부에는 관통공(211)의 직경의 약 90%의 직경을 가진 헤드(31)가 마련되어 있다.

매개부재(30)가 마련되면, 관통공(211)의 일단부에 상기 매개부재(30)의 헤드(31)를 삽입하고, 상기 관통공(211)의 타단부측에서 진공펌프(32)를 이용하여 관통공(211)을 진공흡입함으로써 상기 헤드(31)를 상기 관통공(211)의 타단부측으로 드러낸다.

상기 헤드(31)가 노출되면, 도 5b에 도시된 바와 같이, 헤드(31)에 광섬유 브래그 격자 센서(10)의 일단부를 연결하고, 상기 관통공(211)의 일단부측에서 매개부재(30)를 당겨서 매개부재(30)를 관통공으로부터 제거함과 동시에 광섬유 브래그 격자 센서(10)를 관통공(211)의 내부로 삽입한다.

강연선(20)의 길이가 짧은 경우에는 매개부재(30)를 사용하지 않고도, 광섬유 브래그 격자 센서(10)를 관통공(211)에 삽입할 수 있으나, 일부 어스앵커 구조물에서는 20미터 이상의 강연선이 사용될 수도 있으므로 이처럼 긴 강연선(30)이 구조물의 구조재로 사용되는 경우에는 매개부재를 사용하는 것이 유리하다. 한편, 광섬유 브래그 격자 센서(10)를 직접 진공펌프(32)를 이용하여 흡입하는 방법도 생각할 수 있으나, 진공펌프(32)에 의해 광섬유 브래그 격자 센서(10)를 직접 흡입할 경우 매우 빠른 속도로 움직이게 되므로 그 과정에서 손상이 발생할 수 있으므로, 매개부재(30)를 이용하여 광섬유 브래그 격자 센서(10)를 관통공(211)에 삽입하는 것이 보다 효과적이다.

관통공(211)에 광섬유 브래그 격자 센서(10)가 삽입되면 관통공(211)의 내부에 그라우팅재를 채움 하여 광섬유 브래그 격자 센서(10)를 강연선과 고정할 필요가 있다. 이를 위해서는 도 5d에 도시된 바와 같이, 관통공(211)의 일단부를 에폭시 저장통(33)에 담근 상태에서 관통공(211)의 타단부를 진공펌프(32)를 이용하여 진공흡입함으로써 관통공(211)내부의 상기 광섬유 격자 브래그 센서(10) 이외의 공간을 에폭시(212)로 채운 후, 일정시간 경과시켜 그 에폭시(211)를 경화시키며, 그 에폭시(212)의 경화에 의해 광섬유 격자 브래그 센서(10)가 강연선(20)에 고정된다.

시공단계란 상술한 방법에 의해 마련된 광섬유 복합 강연선을 인장재로 이용하여 어스앵커 구조물을 시공하는 단계이다. 어스앵커 구조물의 시공은 종래기술을 설명하는 부분에서 도 2a 내지 도 2c를 참조하면서 설명하였으므로, 더 이상의 상세한 설명은 생략하기로 한다.

강연선(20)의 변형률을 측정하기 위하여 광섬유 격자 브래그 센서(10)에 광을 조사하는 광조사단계와, 그 조사된 광 중 격자 감지부(11)에 의해 반사된 광 및 격자 감지부(11)를 통과한 후, 광섬유 브래그 격자 센서(10)의 지하측 단부에서 조사된 광을 검출하는 측정단계를 거치게 된다.

상술한 바와 같이, 격자 감지부(11)에서 반사되는 광의 파장인 브래그 파장은 유효 굴절률과 격자 간격의 함수인데, 광섬유 격자 감지부(11)의 간격이 온도나 하중 등의 외부 물리량에 의해 변경될 경우 격자 감지부(11)에서 반사되는 광의 파장인 브래그 파장 역시 변하게 되므로, 브래그 파장의 변화를 정밀하게 측정한다면 광섬유 격자 감지부(11)에 가해진 변형률을 역으로 계산할 수 있게 되는 것이다.

이러한 광섬유 격자 브래그 센서(10)에 의한 강연선(20)의 변형률 측정은 수시로 할 수 있는 장점이 있는데, 어스앵커 구조물의 시공 직후에 프리스트레스를 위한 충분한 응력이 강연선(20)에 전달되었는지 여부를 측정할 수 있고, 시간이 지나면서 발생하는 강연선(20)의 응력변화를 응력-변형률 관계를 이용하여 측정할 수도 있다. 또한, 본 방법은 광섬유 격자 브래그 센서(10)의 외부로 노출된 단부에 광원과 광검출부를 연결하여 비교적 간단하게 강연선의 변형률을 측정할 수 있는 장점도 있다.

한편, 격자 감지부(11)의 위치는 변형률을 측정하고자 하는 적절한 위치에 있도록 할 수 있으며, 다양한 측정점의 변형률을 한 번의 계측으로 계측할 수 있는 장점도 아울러 가진다.

상기에서는 제1강선에 관통공이 형성되어 있는 실시 예에 대하여 설명하였으나, 제2강선에 관통공이 형성되어 있는 경우에도 강연선의 변형률의 측정이 가능하며, 그러한 변형은 본 발명의 기술적 사상에 포함된다.

본 실시 예에서는 광섬유 브래그 격자 센서가 광섬유센서로 사용된 실시 예에 대하여 설명하였으나. 반드시 광섬유 브래그 격자 센서가 사용되어야 하는 것은 아니며, 다른 형태의 광섬유센서로 대체될 수 있으며, 그러한 대체에 의한 실시는 본 발명의 기술적 사상에 어긋나지 아니하는 것으로 보아야 한다.

이상에서 본 발명의 바람직한 실시 예를 바탕으로 설명하였으나, 본 발명의 기술적 사상이 설명된 실시 예에 한정되는 것은 아니며 본 발명의 기술적 사상에 어긋나지 아니하는 범위 내에서 다양한 어스앵커 구조물의 건전성 모니터링 방법으로 구체화될 수 있다.

도 1은 어스앵커 구조물을 설명하기 위한 도면.

도 2a 내지 도 2c는 도 1에 도시된 어스앵커 구조물의 시공방법을 설명하기 위한 도면.

도 3은 본 발명의 일 실시 예에 따른 어스앵커 구조물에 사용되는 인장재인 광섬유 복합 강연선을 설명하기 위한 도면.

도 4는 도 3에 표시된 Ⅳ-Ⅳ선의 단면도.

도 5a 내지 도 5d는 도 3에 광섬유 복합 강연선의 제조방법을 설명하기 위한 도면.

도 6은 광섬유 브래그 격자 센서를 설명하기 위한 도면.

Claims (2)

1. 중앙에 위치하는 제1강선과, 상기 제1강선의 주위를 둘러싸며 서로 꼬인 여섯 가닥의 제2강선을 포함하는 강연선의 상기 제1강선에는 상기 강선의 길이방향의 관통공이 형성된 강연선을 마련하는 강연선 마련단계;

   상기 강연선의 상기 관통공에 광섬유센서를 삽입하여 광섬유 복합 강연선을 마련하는 광섬유 복합 강연선 마련단계;

   상기 광섬유 복합 강연선을 인장재로 이용하여 어스앵커 구조물을 시공하는 시공단계;

   상기 광섬유 복합 강연선의 광섬유센서에 광을 조사하는 광조사단계; 및,

   상기 광섬유센서를 통과한 광을 검출하여 상기 강연선의 변형률을 측정하는 측정단계; 를 포함하는 것을 특징으로 하는 어스앵커 구조물의 건전성 모니터링 방법.
2. 제1항에 있어서,

   상기 광섬유센서는 광섬유에 일정간격으로 격자 감지부가 형성된 광섬유 브래그 격자 센서이고,

   상기 측정단계는, 상기 광섬유 브래그 격자 센서 내의 격자 감지부에 반사된 광 및 상기 격자 감지부를 통과한 광을 검출하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 어스앵커 구조물의 건전성 모니터링 방법.

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