KR101075854B1 - 교량 구조물의 안전성 평가 시스템 및 그 방법 - Google Patents
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Abstract
가진위치(높이), 가진속도(분당 타격횟수) 및 가진봉의 수를 조절하면서 교량 구조물을 가진 타격할 수 있고, 가진장치를 원격제어하도록 분석장치를 가진장치와 일체화한 교량 구조물 안전성 평가 시스템 및 그 방법이 제공된다. 교량 구조물 안전성 평가 시스템은, 가진위치(높이), 가진속도(분당 타격횟수) 및 가진봉의 수를 조절하면서 상기 교량 구조물을 가진 타격하는 가진장치; 및 가진장치와 일체화되어 가진장치를 원격제어하며, 가진 타격된 교량 구조물로부터 진동신호를 검출하고, 검출된 신호를 분석 및 제어하여 교량 구조물의 안전성을 평가하는 분석장치를 포함하되, 가진장치는, 분석장치의 원격제어 하에 교량 구조물을 가진 타격하여 진동을 인가하는 가진 타격부; 분석장치의 원격제어 하에 교량 구조물에 인가되는 가진 타격부의 분당 타격횟수에 대응하는 가진속도를 제어하는 가진속도 제어부; 및 교량 구조물을 보호하도록 가진 타격이 인가되는 교량 구조물의 가진 타격 위치에 부착되는 교량 구조물 보호부를 포함한다.
Description
본 발명은 교량 구조물의 안전성 평가에 관한 것으로, 보다 구체적으로, 교량 하부 구조물에 규칙적인 진동을 인위적으로 발생시키고, 이때 발생하는 진동파를 측정 및 분석함으로써, 수중 또는 지중에 설치되는 교량 구조물의 안전성을 간편하게 확인하기 위한 교량 구조물의 안전성 평가 시스템 및 그 방법에 관한 것이다.
일반적으로, 교량은 상부 및 하부 구조로 구분될 수 있는데, 상부 구조는 차량의 하중을 직접 지지하는 부분으로서, 상부 바닥판(Slab)과 주형(Girder)으로 구성되고, 하부 구조는 상부 구조로부터의 하중을 지반으로 전달하는 역할을 하는 부분으로서 교대, 교각 및 기초(확대 기초, 말뚝 기초, 우물통 기초 등)로 구성된다.
이러한 교량은 하부 구조의 구조거동(변형, 경사, 침하, 균열 등)을 계측할 수 있는 특별한 장치가 미리 설치되지 않으면 하부 구조의 구조거동상태를 알 수 없고, 이러한 하부 구조의 구조거동상태를 미리 알 수 없으면 변형, 경사, 침하 및 균열 등 교량 구조물 전체의 안전성에 영향을 미치는 인자가 심각하게 진행되어 교량의 붕괴로 이어질 수 있다는 문제점이 있다.
최근 국내외에서 지진의 빈도와 규모가 증가하고 있으며, 또한 지진으로 인한 교량 구조물의 피해 사례도 빈번히 보고되고 있다. 교량 기초는 수면 또는 지반아래 설치되는 구조물이기 때문에 상시 또는 지진 후에 이들의 건전성을 정확히 판단하는 것이 불가능하다.
한편, 구조물의 초대형화 추세에 따라 이에 대한 안전성에 대한 관심이 높아지고 있으며, 이러한 안전성 시험의 하나로 구조물의 진동에 따른 특성을 실험하기 위한 장비들이 개발되어지고 있다. 이러한 특성의 실험을 동하중 특성 실험이라 한다.
이러한 동하중 실험용 장비는 가진기(Vibrator or exciter), 증폭기(Amplifier), 제어기(Controller) 등으로 구성된다. 이러한 동하중 실험용 장비들 중에서 가진기는 하나 이상의 진동 수단과 이러한 진동 수단에 의해 구조물에 전달되는 힘을 감지하는 힘측정기(force transducer)로 구성되며, 측정된 신호를 분석하고 각각의 수단을 제어하는 분석 및 제어 시스템이 결합되어 진동시험 시스템을 이룬다.
한편, 관련 기술로서, 대한민국 등록특허번호 제10-0972278호에는 "구조물의 측정 진동가속도를 이용하여 동적 변위 및 속도이력을 측정하는 측정방법 및 측정장치"라는 명칭의 발명이 개시되어 있다.
이러한 동적 변위 및 속도이력을 측정하는 측정방법 및 측정장치의 경우, 구조물로부터 측정된 진동가속도를 이용하여 구조물의 동적 변위와 속도 이력을 정확하게 측정할 수 있다. 하지만, 이러한 동적 변위 및 속도이력을 측정하는 측정방법 및 측정장치의 경우, 가진위치 및 가진속도 등 가진장치를 제어하는 것이 아니므로 교량 구조물에 적용하기 어렵다.
한편, 일반적으로 교량의 기초는 지중 또는 수중에 설치된다. 수중에 설치되는 기초의 경우 현재, 기초의 표면상태 또는 세굴 여부를 확인하기 위하여 잠수부와 카메라를 동원하는 수중조사에 의해 건전성 여부를 확인하고 있다. 이러한 방법의 단점은 물이 혼탁한 경우, 정확한 조사가 어려울 뿐 아니라, 기초하부의 실제 지반 상태를 파악하는 것이 불가능하다는 것이다.
또한, 지중에 설치되는 기초의 경우, 탄성파 등을 이용하는 비파괴검사, 또는 말뚝재하시험 등에 의해 건전성을 확인하고 있으나, 정확성에 대해서는 논란의 여지가 많다. 또한, 일본의 경우, 도 1과 같이 무거운 추를 메달아 교량 구조물에 충격을 주는 방법을 사용하고 있다.
도 1은 종래의 기술에 따른 교량 구조물의 진동시험을 설명하기 위한 도면이다.
도 1에 도시된 바와 같이, 종래의 기술에 따른 교량 구조물의 진동시험은, 교량 구조물인 교각(11)의 상부에 무거운 추(12)를 매달아 교량 구조물에 충격을 주며, 교각의 소정 위치에 설치된 센서(13)를 이용하여 진동을 검출한다.
러나 종래의 기술에 따른 교량 구조물의 진동시험의 경우, 교량 구조물에 손상을 줄 수 있고, 설치 및 운영에 어려움이 있다는 문제점이 있다.
전술한 문제점을 해결하기 위한 본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는, 가진위치(높이), 가진속도(분당 타격횟수) 및 가진봉의 수를 조절하면서 교량 구조물을 가진 타격할 수 있는 교량 구조물의 안전성 평가 시스템 및 그 방법을 제공하기 위한 것이다.
본 발명이 이루고자 하는 다른 기술적 과제는, 가진장치를 원격제어하도록 분석장치를 가진장치와 일체화한 교량 구조물의 안전성 평가 시스템 및 그 방법을 제공하기 위한 것이다.
전술한 기술적 과제를 달성하기 위한 수단으로서, 본 발명에 따른 교량 구조물의 안전성 평가 시스템은, 가진위치(높이), 가진속도(분당 타격횟수) 및 가진봉의 수를 조절하면서 상기 교량 구조물을 가진 타격하는 가진장치; 및 상기 가진장치와 일체화되어 상기 가진장치를 원격제어하며, 상기 가진 타격된 교량 구조물로부터 진동신호를 검출하고, 상기 검출된 신호를 분석 및 제어하여 상기 교량 구조물의 안전성을 평가하는 분석장치를 포함하되, 상기 가진장치는, 상기 분석장치의 원격제어 하에 상기 교량 구조물을 가진 타격하여 진동을 인가하는 가진 타격부; 상기 분석장치의 원격제어 하에 상기 교량 구조물에 인가되는 상기 가진 타격부의 분당 타격횟수에 대응하는 가진속도를 제어하는 가진속도 제어부; 및 상기 교량 구조물을 보호하도록 상기 가진 타격이 인가되는 상기 교량 구조물의 가진 타격 위치에 부착되는 교량 구조물 보호부를 포함하여 구성된다.
여기서, 상기 가진장치가 공진 주파수로 상기 교량 구조물을 타격할 경우, 상기 분석장치는 상기 교량 구조물의 고유진동수, 진동모드 및 감쇠비에 따른 동특성을 추정함으로써 상기 교량 구조물의 안전성을 평가할 수 있다.
여기서, 상기 가진 타격부는, 가진봉 하우징 내에 수평방향으로 설치되고, 왕복운동에 의해 상기 교량 구조물 보호부에 가진 타격을 인가하는 가진봉; 상기 가진봉이 왕복운동할 수 있도록 상기 가진속도 제어부의 구동신호에 의해 회전하는 모터; 지반에 고정되어 상기 가진봉 및 모터를 지지하는 지반 정착부; 상기 지반 정착부로부터 상부 방향으로 연장 연결된 제1 연장 로드(Extension Rod); 상기 가진봉 하우징으로부터 지반 쪽으로 연장 연결된 제2 연장 로드; 및 상기 가진봉의 높이가 조절될 수 있도록 상기 제1 연장 로드 및 제2 연장 로드 사이의 체결 위치를 가변시키는 가진위치 조절부를 포함할 수 있다.
여기서, 상기 분석장치는, 상기 교량 구조물의 소정 위치에 설치되어 상기 가진 타격에 대응하는 진동을 검출하는 진동센서인 신호 검출부; 상기 신호 검출부가 검출한 신호를 증폭하는 검출신호 증폭부; 및 상기 가진장치를 원격제어하며, 상기 검출된 신호를 분석 및 제어하여 상기 교량 구조물의 안전성을 평가하는 분석 및 제어부를 포함할 수 있다.
여기서, 상기 분석 및 제어부는 상기 검출신호의 응답파형이 적정한지 여부를 판단하여 적정하지 않은 것으로 판단한 경우, 상기 가진 타격부가 상기 교량 구조물을 다시 가진하도록 제어하는 것을 특징으로 한다.
한편, 전술한 기술적 과제를 달성하기 위한 다른 수단으로서, 본 발명에 따른 교량 구조물의 안전성 평가 방법은, 가진장치 및 분석장치를 이용한 교량 구조물 안전성 평가 방법에 있어서, a) 상기 분석장치가 교량 구조물의 고유진동수를 예비 해석에 의해 산정하는 단계; b) 상기 교량 구조물의 안전성 평가를 위해 가진장치 및 분석장치를 상기 교량 구조물에 설치 및 설정하는 단계; c) 상기 가진장치가 공진주파수로 상기 교량 구조물을 가진하는 단계; d) 상기 분석장치가 상기 교량 구조물로부터 진동에 대응하는 검출신호를 측정하여 상기 검출신호의 응답파형이 적정한지 여부를 확인하는 단계; e) 상기 분석장치가 상기 응답파형이 적정한 것으로 판단한 경우, 응답파형을 기록하고, 신호 처리 및 스펙트럼을 분석하는 단계; f) 상기 분석장치가 상기 교량 구조물의 동특성을 결정하는 단계; g) 상기 분석장치가 교축 직각방향에 대해 지반 스프링상수를 산정하는 단계; h) 상기 분석장치가 교축 방향에 대해 부재 휨강성 및 거더 구속 스프링상수를 산정하는 단계; 및 i) 상기 분석장치가 상기 산정된 지반 스프링 상수 및 상기 휨강성 및 거더 구속 스프링상수에 근거하여 교량 구조물의 안전성을 판단하는 단계를 포함하여 이루어진다.
여기서, 상기 가진장치는 가진 타격부, 가진속도 제어부 및 교량 구조물 보호부를 구비하고, 상기 분석장치는 신호 검출부, 검출신호 증폭부, 분석 및 제어부를 구비하며, 상기 분석장치는 상기 가진장치와 일체화되어 상기 가진장치를 원격제어하는 것을 특징으로 한다.
여기서, 상기 c) 단계의 가진장치는 가진위치(높이), 가진속도(분당 타격횟수) 및 가진봉의 수를 조절하면서 상기 교량 구조물을 가진 타격하는 것을 특징으로 한다.
여기서, 상기 d) 단계의 분석장치는, 상기 응답파형이 적정하지 않은 것으로 판단한 경우, 상기 가진장치가 상기 교량 구조물을 다시 가진하도록 제어하는 것을 특징으로 한다.
여기서, 상기 c) 단계에서 가진장치가 상기 교량 구조물의 공진 주파수로 상기 교량 구조물을 타격할 경우, 상기 i) 단계에서 분석장치는 상기 교량 구조물의 고유진동수, 진동모드 및 감쇠비에 따른 동특성을 추정함으로써 상기 교량 구조물의 안전성을 평가할 수 있다.
여기서, 상기 g) 단계는, g-1) 상기 분석장치가 교축 직각방향에 대해 상기 교량 구조물을 모델링하는 단계; g-2) 상기 분석장치가 지반 스프링상수를 설정하는 단계; g-3) 상기 분석장치가 고유치를 해석하는 단계; g-4) 상기 분석장치가 해석치와 실측치를 비교하는 단계; g-5) 상기 해석치가 실측치와 동일하지 않은 경우, 상기 분석장치가 상기 지반 스프링상수를 변경하고 고유치를 다시 해석하는 단계; 및 g-6) 상기 해석치가 실측치와 동일한 경우, 상기 분석장치가 지반 스프링 상수를 산정하는 단계를 포함할 수 있다.
여기서, 상기 h) 단계는, h-1) 상기 분석장치가 교축 방향에 대해 상기 교량 구조물을 모델링하는 단계; h-2) 상기 분석장치가 휨강성 및 거더 구속 스프링상수를 설정하는 단계; h-3) 상기 분석장치가 고유치를 해석하는 단계; h-4) 상기 분석장치가 해석치와 실측치를 비교하는 단계; h-5) 상기 해석치가 실측치와 동일하지 않은 경우, 상기 분석장치가 상기 휨강성 및 거더 구속 스프링상수를 변경하고 고유치를 다시 해석하는 단계; 및 h-6) 상기 해석치가 실측치와 동일한 경우, 상기 분석장치가 휨강성 및 거더 구속 스프링상수를 산정하는 단계를 포함할 수 있다.
본 발명에 따르면, 가진위치(높이), 가진속도(분당 타격횟수) 및 가진봉의 수를 조절하면서 교량 구조물을 가진 타격할 수 있고, 가진장치를 원격제어하도록 분석장치를 가진장치와 일체화함으로써, 현재 기존교량의 안전진단 시에 적용하고 있는 고전적인 수중조사 및 지중조사를 대체할 수 있고, 예를 들면, 지진 후에 교량의 안전성 평가 및 교각 기초의 세굴조사에도 널리 적용되어 기존 교량의 안전성을 확보하는데 기여할 수 있다.
본 발명에 따르면, 교량안전진단 기술 향상에 기여할 수 있도록 비용, 시간 및 정확성을 개선할 수 있다.
본 발명에 따르면, 최근 전세계적으로 문제가 되고 있는 지진에 의한 교량 하부의 피해 여부를 평가하는데 널리 이용될 수 있고, 수중에 설치되는 구조물에 대해 세굴 등에 의한 피해를 판단하는데 활용할 수 있다.
본 발명에 따르면, 기초 하부의 지지 상태를 판단하는데 용이하게 활용될 수 있고, 기존 구조물의 안전성 평가에 널리 활용될 수 있다.
도 1은 종래의 기술에 따른 교량 구조물의 진동시험을 설명하기 위한 도면이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 교량 구조물의 안전성 평가 시스템의 개략적인 구성도이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 교량 구조물의 안전성 평가 시스템의 동작을 설명하기 위한 도면이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 교량 구조물의 안전성 평가 시스템에서 가진 타격부의 세부 구성도이다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 교량 구조물의 안전성 평가 시스템에서 신호 검출부의 세부 구성도이다.
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 증폭된 진동가속도 이력곡선을 예시하는 그래프이다.
도 7a 및 도 7b는 본 발명의 실시예에 따른 고유진동수 분석을 예시하는 도면이다.
도 8은 본 발명의 실시예에 따른 교량 구조물의 안전성 평가 방법의 동작흐름도이다.
도 9는 본 발명의 실시예에 따른 교량 구조물의 안전성 평가 방법에서 지반 스프링상수 산정 과정의 구체적인 동작흐름도이다.
도 10은 본 발명의 실시예에 따른 교량 구조물의 안전성 평가 방법에서 부재 휨강성 및 거더 구속스프링상수 산정 과정의 구체적인 동작흐름도이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 교량 구조물의 안전성 평가 시스템의 개략적인 구성도이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 교량 구조물의 안전성 평가 시스템의 동작을 설명하기 위한 도면이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 교량 구조물의 안전성 평가 시스템에서 가진 타격부의 세부 구성도이다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 교량 구조물의 안전성 평가 시스템에서 신호 검출부의 세부 구성도이다.
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 증폭된 진동가속도 이력곡선을 예시하는 그래프이다.
도 7a 및 도 7b는 본 발명의 실시예에 따른 고유진동수 분석을 예시하는 도면이다.
도 8은 본 발명의 실시예에 따른 교량 구조물의 안전성 평가 방법의 동작흐름도이다.
도 9는 본 발명의 실시예에 따른 교량 구조물의 안전성 평가 방법에서 지반 스프링상수 산정 과정의 구체적인 동작흐름도이다.
도 10은 본 발명의 실시예에 따른 교량 구조물의 안전성 평가 방법에서 부재 휨강성 및 거더 구속스프링상수 산정 과정의 구체적인 동작흐름도이다.
아래에서는 첨부한 도면을 참조하여 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 본 발명의 실시예를 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 그리고 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다.
명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.
먼저, 본 발명의 실시예에 따른 교량 구조물의 안전성 평가 시스템은, 교량에 인위적이고 규칙적인 진동을 가하고, 그때 발생하는 진동파를 측정 및 분석하여, 지진, 세굴 등에 의한 기존 교량의 안전성을 간편하게 확인하기 위한 것이다. 특히, 본 발명의 실시예에 따른 교량 구조물의 안전성 평가 시스템은, 기존교량의 안전진단에 적용하고 있는 고전적인 수중조사 및 지중조사를 대체할 수 있는 시스템으로서, 안전진단에 소요되는 시간, 경비 및 노력을 대폭적으로 절약할 수 있다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 교량 구조물의 안전성 평가 시스템의 개략적인 구성도이고, 도 3은 본 발명의 실시예에 따른 교량 구조물의 안전성 평가 시스템의 동작을 설명하기 위한 도면이다.
도 2 및 도 3을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 교량 구조물의 안전성 평가 시스템은, 크게 가진장치(100) 및 분석장치(200)로 구분되며, 상기 가진장치(100)는 가진 타격부(110), 가진속도 제어부(120) 및 교량 구조물 보호부(130)를 포함하며, 또한, 상기 분석장치(200)는 신호 검출부(210), 검출신호 증폭부(220) 및 분석 및 제어부(230)를 포함할 수 있다.
먼저, 대상 구조물인 교량 구조물(310)은, 예를 들면, 지반(340) 상에 설치된 교량 하부 구조물인 교각일 수 있지만, 이에 국한되는 것은 아니다. 또한, 교량 하부 구조물의 기초(320)는 지반(340) 상에 형성되며, 교량 하부 구조물의 상부에는 교량 상부 구조물(330)이 형성된다.
가진장치(100)는 가진위치(높이), 가진속도(분당 타격횟수) 및 가진봉의 수를 조절하면서 상기 교량 구조물(310)을 가진 타격한다.
분석장치(200)는 상기 가진 타격된 교량 구조물(310)로부터 진동신호를 검출하고, 상기 검출된 신호를 분석 및 제어하여 상기 교량 구조물(310)의 안전성을 평가한다.
이때, 상기 분석장치(200)는 상기 가진장치(100)와 일체화되어 상기 가진장치(100)를 원격제어한다. 여기서, 상기 분석장치(200)는 상기 가진장치(100)와 일체화된다는 의미는 구조적으로 일체화되는 것이 아니라 시스템적으로 원격제어 가능하도록 일체화되는 것을 의미한다.
이에 따라 상기 가진장치(100)가 상기 분석장치(200)에 의해 원격제어되면서 공진 주파수로 상기 교량 구조물(310)을 타격할 경우, 상기 분석장치(200)는 상기 교량 구조물(310)의 고유진동수, 진동모드 및 감쇠비에 따른 동특성을 추정함으로써 상기 교량 구조물(310)의 안전성을 평가하게 된다.
구체적으로, 상기 가진장치(100)의 가진 타격부(110)는 상기 교량 구조물(310)에 진동을 인가하는 가진장치로서, 모터의 회전에 대응하여 왕복운동하면서 상기 교량 구조물(310)에 진동을 가하게 된다. 이때, 상기 가진 타격부(110)는 가진위치(높이) 및 가진봉의 수를 조절할 수 있다.
상기 가진장치(100)의 가진속도 제어부(120)는 상기 교량 구조물(310)에 인가되는 상기 가진 타격부(110)의 분당 타격횟수에 대응하는 가진속도를 제어한다. 예를 들면, 상기 분석 및 제어부(230)의 제어 하에 상기 가진 타격부(110)의 모터를 구동하는 모터 드라이버일 수 있다.
상기 가진장치(100)의 교량 구조물 보호부(130)는, 상기 교량 구조물(310)을 보호하도록 상기 가진 타격이 인가되는 상기 교량 구조물(310)의 가진 타격 위치에 부착된다. 즉, 상기 교량 구조물 보호부(130)는, 상기 가진 타격부(110)가 상기 교량 구조물(310)에 진동을 가할 때, 상기 교량 구조물(310)의 충격을 완화시키기 위한 것으로, 예를 들면, 고무 패드일 수 있지만, 이에 국한되는 것은 아니다.
또한, 상기 분석장치(200)의 신호 검출부(210)는 상기 교량 구조물(310)의 소정 위치에, 예를 들면, 적어도 3개 이상 설치되어 상기 가진 타격에 대응하는 진동을 검출하는 진동 센서(210a, 210b, 210c)를 포함하며, 이러한 진동 센서(210a, 210b, 210c)는 상기 교량 구조물(310)의 가진시 발생하는 진동을 검출하는 가속도 센서일 수 있다.
상기 분석장치(200)의 검출신호 증폭부(220)는 상기 신호 검출부(210)에서 검출된 신호를 증폭한다.
상기 분석장치(200)의 분석 및 제어부(230)는 상기 검출된 신호를 분석 및 제어하여 상기 교량 구조물의 안전성을 평가한다. 예를 들면, 상기 분석 및 제어부(230)는 분석부 및 기록부 등을 구비한 노트북 컴퓨터로 구현될 수 있다. 즉, 상기 분석 및 제어부(230)는 상기 가진 타격부(110) 및 상기 가진속도 제어부(120)를 원격제어하며, 상기 증폭된 신호를 분석하여 상기 교량 구조물(310)의 안전성을 평가한다. 여기서, 상기 분석 및 제어부(230)는 상기 검출신호의 응답파형이 적정한지 여부를 판단하여 적정하지 않은 것으로 판단한 경우, 상기 가진 타격부(110)가 상기 교량 구조물(310)을 다시 가진하도록 제어할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 교량 구조물의 안전성 평가 시스템은, 현재 기존교량의 안전진단 시에 적용하고 있는 고전적인 수중조사 및 지중조사를 대체할 수 있는 시스템으로서, 지진 후에 교량의 안전성 평가 및 교각 기초의 세굴조사에도 널리 적용되어 기존 교량의 안전성을 확보할 수 있다. 예를 들면, 수중에 설치되는 기초의 경우, 기초의 지지상태 또는 세굴 여부를 판단할 수 있다. 또한, 교량안전진단 기술의 선진화에 기여하고, 기존의 수중 또는 지중조사에 비해 경제적이며, 교량이 설치되는 장소(지중 또는 수중)에 관계없이 간편하고 정확하게 기초의 상태를 파악할 수 있다.
한편, 도 4는 본 발명의 실시예에 따른 교량 구조물의 안전성 평가 시스템에서 가진 타격부의 세부 구성도이다.
도 4를 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 교량 구조물의 안전성 평가 시스템에서 가진 타격부(110)는 가진봉(111), 모터(112), 지반 정착부(113), 제1 연장 로드(114), 제2 연장 로드(115) 및 가진위치 조절부(116)를 포함할 수 있다.
가진봉(111)은 가진봉 하우징 내에 수평방향으로 설치되고, 왕복운동에 의해 상기 교량 구조물(310)에 부착된 상기 교량 구조물 보호부(130)인 고무 패드에 가진 타격을 인가한다. 예를 들면, 본 발명의 실시예에 따른 교량 구조물의 안전성 평가 시스템에서, 실험의 효율성을 도모하기 위해 1개 또는 2개의 가진봉(111)을 사용할 수 있다.
모터(112)는 상기 가진봉(111)이 왕복운동할 수 있도록 상기 가진속도 제어부(120)의 구동신호에 의해 회전한다.
지반 정착부(113)는 지반(340)에 고정되어 상기 가진봉(111) 및 모터(112)를 지지한다.
제1 연장 로드(114)는 상기 지반 정착부로부터 상부 방향으로 연장 연결되며, 제2 연장 로드(115)는 상기 가진봉 하우징으로부터 지반 쪽으로 연장 연결된다.
가진위치 조절부(116)는 상기 가진봉(111)의 높이가 조절될 수 있도록 상기 제1 연장 로드(114) 및 제2 연장 로드(115) 사이의 체결 위치를 가변시킨다.
본 발명의 실시예에 따른 교량 구조물의 안전성 평가 시스템은, 교량 하부 구조물(310), 예를 들면, 교각의 여러 곳(3개소 이상)에 진동을 측정하기 위한 진동센서를 설치하고, 가진기를 작동시킨다. 여기서, 가진장치는 회전운동을 왕복운동으로 변환시키는 원리에 의해 작동되며, 가진위치 및 가진속도(분당 타격횟수) 조절 기능을 갖는다. 이러한 가진위치 조절 기능은 현장여건에 맞게 실험을 가능하게 하기 위한 것이며, 가진속도 조절 기능은 공진주파수를 찾기 위해 필요한 기능이다. 여기서, 공진주파수란 구조물의 고유진동수와 가진속도가 같아지게 되는 주파수이다.
따라서 공진주파수로 교량 하부구조를 타격하게 되면, 작은 충격에 의해서도 상기 교량 구조물(310)에는 큰 진동이 발생하며, 따라서 교량 구조물(310)의 동특성(고유진동수, 진동모드, 감쇠비 등)을 용이하게 추정할 수 있다.
또한, 타격하는 부위는 타격에 의한 교량 하부 구조물의 손상이 발생되지 않도록 고무재질의 고무 패드 등으로 교량 구조물(310) 표면을 적절히 보호한 후 타격한다.
이때, 타격속도를 달리할 때 각각의 진동센서로부터 계측되는 신호는 현장에서 분석장치인 노트북을 사용하여 확인 및 기록함으로써 교량 하부 구조물의 동특성을 정확히 판단할 수 있다.
또한, 교량 하부 구조물인 교각의 동특성은 교량의 기초의 상태와 밀접한 관계가 있으므로, 측정된 동특성을 기존의 자료 또는 해석치와 비교 및 분석하여 교량의 안전성을 판단할 수 있다.
한편, 도 5는 본 발명의 실시예에 따른 교량 구조물의 안전성 평가 시스템에서 신호 검출부의 세부 구성도이다.
도 5를 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 교량 구조물의 안전성 평가 시스템에서 신호 검출부(210)는, 진동센서(211), 센서 고정부재(212), 접합부재(213), 체결 볼트(214) 및 접착제(215)를 포함할 수 있다.
진동센서(211)는 상기 교량 구조물(310)의 소정 위치에, 예를 들면, 적어도 3개 이상 설치되어 상기 가진 타격에 대응하는 진동을 검출한다.
센서 고정부재(212)는 상기 교량 구조물(310)에 상기 진동센서(211)에 고정할 수 있다. 상기 센서 고정부재(212)는 상기 진동센서(211)와 결합한 상태로 제공되는 알루미늄 판일 수 있다.
접합부재(213)는, 상기 센서 고정부재(212) 및 교량 구조물(310) 사이에 배치되는 나무판일 수 있고, 예를 들면, 10㎜ 정도의 합판일 수 있다.
상기 접합부재(213)는 체결 볼트(214)에 의해 상기 센서 고정부재(212)와 결합할 수 있다. 또한, 상기 접합부재(213)는 접착제(215)에 의해 상기 교량 구조물(310)에 접합된다.
한편, 도 6은 본 발명의 실시예에 따른 증폭된 진동가속도 이력곡선을 예시하는 그래프이고,
도 7a 및 도 7b는 본 발명의 실시예에 따른 고유진동수 분석을 예시하는 도면이다.
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 증폭된 진동가속도 이력을 나타내며, 진동센서에 의해 검출된 진동 검출신호는 시간에 따른 진폭으로 나타낼 수 있다.
또한, 도 7a 및 도 7b는 진동 가속도를 이용하여 교량 구조물의 고유진동수를 분석하는 예를 나타내며, 도 7a는 가진 실험시 측정되는 진동가속도 이력곡선을 예시하는 도면이고, 도 7b는 신호처리 후 진동가속도 이력곡선의 스펙트럼 분석 결과를 예시하는 도면이다. 즉, 가진 실험시 측정되는 진동가속도는 신호처리 후에 진폭 스펙트럼으로부터 교량 구조물의 교유진동수를 확인할 수 있다.
한편, 도 8은 본 발명의 실시예에 따른 교량 구조물의 안전성 평가 방법의 동작흐름도이고, 도 9는 본 발명의 실시예에 따른 교량 구조물의 안전성 평가 방법에서 지반 스프링상수 산정 과정의 구체적인 동작흐름도이며, 도 10은 본 발명의 실시예에 따른 교량 구조물의 안전성 평가 방법에서 부재 휨강성 및 거더 구속스프링상수 산정 과정의 구체적인 동작흐름도이다.
도 8을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 교량 구조물의 안전성 평가 방법은, 먼저, 예비 해석에 의해 교량 구조물, 예를 들면, 교량 하부 구조물인 교각의 고유진동수를 산정한다(S110).
다음으로, 교량 구조물의 안전성 평가를 위한 실험장치인 가진장치(100) 및 분석장치(200)를 교량 구조물에 설치한다(S120).
도 3에서 전술한 바와 같이, 상기 가진장치(100)는 가진 타격부(110), 가진속도 제어부(120) 및 교량 구조물 보호부(130)를 포함하며, 상기 분석장치(200)는 신호 검출부(210), 검출신호 증폭부(220) 및 분석 및 제어부(230)를 포함하며, 상기 가진장치(100)와 일체화되어 상기 가진장치(100)를 원격제어한다.
이때, 상기 가진 타격부(110)는 가진위치(높이), 가진속도(타격횟수) 및 가진봉의 수를 조절한다.
다음으로, 상기 가진 타격부(110)가 공진주파수로 교량 하부 구조물을 가진한다(S130).
다음으로, 상기 신호 검출부(210)는 상기 교량 하부 구조물로부터 진동에 대응하는 검출신호를 측정하고, 상기 분석 및 제어부(230)는 상기 검출신호의 응답파형이 적정한지 여부를 확인한다(S140).
이때, 상기 분석 및 제어부(230)가 상기 응답파형이 적정하지 않은 것으로 판단한 경우, 상기 가진 타격부(110)가 상기 교량 하부 구조물을 다시 가진한다.
다음으로, 상기 분석 및 제어부(230)가 상기 응답파형이 적정한 것으로 판단한 경우, 응답파형을 기록한다(S150).
다음으로, 상기 분석 및 제어부(230)가 신호 처리 및 스펙트럼을 분석한다(S160).
다음으로, 상기 분석 및 제어부(230)가 교량 구조물의 동특성, 예를 들면, 고유진동수, 진동모드 및 감쇠비를 결정한다(S170).
다음으로, 상기 분석 및 제어부(230)가 교축 직각방향에 대해 지반 스프링상수(지반 반력계수)를 산정한다(S180).
구체적으로, 도 9를 참조하면, 교축 직각방향에 대해 교량 하부 구조물을 모델링하고(S181), 지반 스프링상수를 설정하며(S182), 이후, 고유치를 해석한다(S183).
이후, 해석치와 실측치를 비교하여(S184), 상기 해석치가 실측치와 동일하지 않은 경우, 상기 지반 스프링상수를 변경하고(S185) 고유치를 다시 해석한다. 만일, 상기 해석치가 실측치와 동일한 경우, 지반 스프링 상수를 산정한다(S186).
다음으로, 상기 분석 및 제어부(230)가 교축 방향에 대해 부재 휨강성 및 거더 구속 스프링상수를 산정한다(S190).
구체적으로, 도 10을 참조하면, 교축 방향에 대해 교량 하부 구조물을 모델링하고(S191), 휨강성 및 거더 구속 스프링상수를 설정하며(S192), 이후, 고유치를 해석한다(S193).
이후, 해석치와 실측치를 비교하여(S194), 상기 해석치가 실측치와 동일하지 않은 경우, 상기 휨강성 및 거더 구속 스프링상수를 변경하고(S195) 고유치를 다시 해석한다.
만일, 상기 해석치가 실측치와 동일한 경우, 휨강성 및 거더 구속 스프링상수를 각각 산정한다(S196).
다음으로, 상기 분석 및 제어부(230)가 상기 산정된 지반 스프링 상수 및 상기 휨강성 및 거더 구속 스프링상수에 근거하여 교량 구조물의 안전성을 판단한다(S200).
이에 따라 상기 가진장치(100)가 상기 교량 구조물(310)의 공진 주파수로 상기 교량 구조물(310)을 타격할 경우, 상기 분석장치(200)는 상기 교량 구조물(310)의 고유진동수, 진동모드 및 감쇠비에 따른 동특성을 추정함으로써 상기 교량 구조물(310)의 안전성을 평가할 수 있다.
결국, 본 발명의 실시예에 따른 교량 구조물의 안전성 평가 시스템 및 그 방법은, 현재 기존교량의 안전진단 시에 적용하고 있는 고전적인 수중조사 및 지중조사를 대체할 수 있고, 예를 들면, 지진 후에 교량의 안전성 평가 및 교각 기초의 세굴조사에도 널리 적용되어 기존 교량의 안전성을 확보하는데 기여할 수 있다.
전술한 본 발명의 설명은 예시를 위한 것이며, 본 발명이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 쉽게 변형이 가능하다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다. 예를 들어, 단일형으로 설명되어 있는 각 구성 요소는 분산되어 실시될 수도 있으며, 마찬가지로 분산된 것으로 설명되어 있는 구성 요소들도 결합된 형태로 실시될 수 있다.
본 발명의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.
100: 가진장치
200: 분석장치
110: 가진 타격부
120: 가진속도(분당 타격횟수) 제어부
130: 교량 구조물 보호부(고무 패드)
210: 신호 검출부
220: 검출신호 증폭부
230: 분석 및 제어부
310: 교량 구조물(교각)
320: 기초
330: 교량 상부 구조물
340: 지반
111: 가진봉
112: 모터
113: 지반 정착부
114: 제1 연장 로드(Extension Rod)
115: 제2 연장 로드
116: 가진위치(높이) 조절부
211: 진동센서(가속도 센서)
212: 센서 고정부재
213: 접합부재
214: 체결 볼트
215: 접착제
200: 분석장치
110: 가진 타격부
120: 가진속도(분당 타격횟수) 제어부
130: 교량 구조물 보호부(고무 패드)
210: 신호 검출부
220: 검출신호 증폭부
230: 분석 및 제어부
310: 교량 구조물(교각)
320: 기초
330: 교량 상부 구조물
340: 지반
111: 가진봉
112: 모터
113: 지반 정착부
114: 제1 연장 로드(Extension Rod)
115: 제2 연장 로드
116: 가진위치(높이) 조절부
211: 진동센서(가속도 센서)
212: 센서 고정부재
213: 접합부재
214: 체결 볼트
215: 접착제
Claims (12)
- 교량 구조물 안전성 평가 시스템에 있어서,
가진위치(높이), 가진속도(분당 타격횟수) 및 가진봉의 수를 조절하면서 상기 교량 구조물을 가진 타격하는 가진장치; 및
상기 가진장치와 일체화되어 상기 가진장치를 원격제어하며, 상기 가진 타격된 교량 구조물로부터 진동신호를 검출하고, 상기 검출된 신호를 분석 및 제어하여 상기 교량 구조물의 안전성을 평가하는 분석장치를 포함하되,
상기 가진장치는, 상기 분석장치의 원격제어 하에 상기 교량 구조물을 가진 타격하여 진동을 인가하는 가진 타격부; 상기 분석장치의 원격제어 하에 상기 교량 구조물에 인가되는 상기 가진 타격부의 분당 타격횟수에 대응하는 가진속도를 제어하는 가진속도 제어부; 및 상기 교량 구조물을 보호하도록 상기 가진 타격이 인가되는 상기 교량 구조물의 가진 타격 위치에 부착되는 교량 구조물 보호부를 포함하는 교량 구조물 안전성 평가 시스템. - 제1항에 있어서,
상기 가진장치가 공진 주파수로 상기 교량 구조물을 타격할 경우, 상기 분석장치는 상기 교량 구조물의 고유진동수, 진동모드 및 감쇠비에 따른 동특성을 추정함으로써 상기 교량 구조물의 안전성을 평가하는 것을 특징으로 하는 교량 구조물 안전성 평가 시스템. - 제1항에 있어서, 상기 가진 타격부는,
가진봉 하우징 내에 수평방향으로 설치되고, 왕복운동에 의해 상기 교량 구조물 보호부에 가진 타격을 인가하는 가진봉;
상기 가진봉이 왕복운동할 수 있도록 상기 가진속도 제어부의 구동신호에 의해 회전하는 모터;
지반에 고정되어 상기 가진봉 및 모터를 지지하는 지반 정착부;
상기 지반 정착부로부터 상부 방향으로 연장 연결된 제1 연장 로드(Extension Rod);
상기 가진봉 하우징으로부터 지반 쪽으로 연장 연결된 제2 연장 로드; 및
상기 가진봉의 높이가 조절될 수 있도록 상기 제1 연장 로드 및 제2 연장 로드 사이의 체결 위치를 가변시키는 가진위치 조절부를 포함하는 교량 구조물 안전성 평가 시스템. - 제1항에 있어서, 상기 분석장치는,
상기 교량 구조물의 소정 위치에 설치되어 상기 가진 타격에 대응하는 진동을 검출하는 진동센서인 신호 검출부;
상기 신호 검출부가 검출한 신호를 증폭하는 검출신호 증폭부; 및
상기 가진장치를 원격제어하며, 상기 검출된 신호를 분석 및 제어하여 상기 교량 구조물의 안전성을 평가하는 분석 및 제어부를 포함하는 교량 구조물 안전성 평가 시스템. - 제4항에 있어서,
상기 분석 및 제어부는 상기 검출신호의 응답파형이 적정한지 여부를 판단하여 적정하지 않은 것으로 판단한 경우, 상기 가진 타격부가 상기 교량 구조물을 다시 가진하도록 제어하는 것을 특징으로 하는 교량 구조물 안전성 평가 시스템. - 가진장치 및 분석장치를 이용한 교량 구조물 안전성 평가 방법에 있어서,
a) 상기 분석장치가 교량 구조물의 고유진동수를 예비 해석에 의해 산정하는 단계;
b) 상기 교량 구조물의 안전성 평가를 위해 가진장치 및 분석장치를 상기 교량 구조물에 설치 및 설정하는 단계;
c) 상기 가진장치가 공진주파수로 상기 교량 구조물을 가진하는 단계;
d) 상기 분석장치가 상기 교량 구조물로부터 진동에 대응하는 검출신호를 측정하여 상기 검출신호의 응답파형이 적정한지 여부를 확인하는 단계;
e) 상기 분석장치가 상기 응답파형이 적정한 것으로 판단한 경우, 응답파형을 기록하고, 신호 처리 및 스펙트럼을 분석하는 단계;
f) 상기 분석장치가 상기 교량 구조물의 동특성을 결정하는 단계;
g) 상기 분석장치가 교축 직각방향에 대해 지반 스프링상수를 산정하는 단계;
h) 상기 분석장치가 교축 방향에 대해 부재 휨강성 및 거더 구속 스프링상수를 산정하는 단계; 및
i) 상기 분석장치가 상기 산정된 지반 스프링 상수 및 상기 휨강성 및 거더 구속 스프링상수에 근거하여 교량 구조물의 안전성을 판단하는 단계를 포함하는 교량 구조물 안전성 평가 방법. - 제6항에 있어서,
상기 가진장치는 가진 타격부, 가진속도 제어부 및 교량 구조물 보호부를 구비하고, 상기 분석장치는 신호 검출부, 검출신호 증폭부, 분석 및 제어부를 구비하며, 상기 분석장치는 상기 가진장치와 일체화되어 상기 가진장치를 원격제어하는 것을 특징으로 하는 교량 구조물 안전성 평가 방법. - 제6항에 있어서,
상기 c) 단계의 가진장치는 가진위치(높이), 가진속도(분당 타격횟수) 및 가진봉의 수를 조절하면서 상기 교량 구조물을 가진 타격하는 것을 특징으로 하는 교량 구조물 안전성 평가 방법. - 제6항에 있어서,
상기 d) 단계의 분석장치는, 상기 응답파형이 적정하지 않은 것으로 판단한 경우, 상기 가진장치가 상기 교량 구조물을 다시 가진하도록 제어하는 것을 특징으로 하는 교량 구조물 안전성 평가 방법. - 제6항에 있어서,
상기 c) 단계에서 가진장치가 상기 교량 구조물의 공진 주파수로 상기 교량 구조물을 타격할 경우, 상기 i) 단계에서 분석장치는 상기 교량 구조물의 고유진동수, 진동모드 및 감쇠비에 따른 동특성을 추정함으로써 상기 교량 구조물의 안전성을 평가하는 것을 특징으로 하는 교량 구조물 안전성 평가 방법. - 제6항에 있어서, 상기 g) 단계는,
g-1) 상기 분석장치가 교축 직각방향에 대해 상기 교량 구조물을 모델링하는 단계;
g-2) 상기 분석장치가 지반 스프링상수를 설정하는 단계;
g-3) 상기 분석장치가 고유치를 해석하는 단계;
g-4) 상기 분석장치가 해석치와 실측치를 비교하는 단계;
g-5) 상기 해석치가 실측치와 동일하지 않은 경우, 상기 분석장치가 상기 지반 스프링상수를 변경하고 고유치를 다시 해석하는 단계; 및
g-6) 상기 해석치가 실측치와 동일한 경우, 상기 분석장치가 지반 스프링 상수를 산정하는 단계를 포함하는 교량 구조물 안전성 평가 방법. - 제6항에 있어서, 상기 h) 단계는,
h-1) 상기 분석장치가 교축 방향에 대해 상기 교량 구조물을 모델링하는 단계;
h-2) 상기 분석장치가 휨강성 및 거더 구속 스프링상수를 설정하는 단계;
h-3) 상기 분석장치가 고유치를 해석하는 단계;
h-4) 상기 분석장치가 해석치와 실측치를 비교하는 단계;
h-5) 상기 해석치가 실측치와 동일하지 않은 경우, 상기 분석장치가 상기 휨강성 및 거더 구속 스프링상수를 변경하고 고유치를 다시 해석하는 단계; 및
h-6) 상기 해석치가 실측치와 동일한 경우, 상기 분석장치가 휨강성 및 거더 구속 스프링상수를 산정하는 단계를 포함하는 교량 구조물 안전성 평가 방법.
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