KR101123843B1 - 가시설 구조체의 평형 상태 평가, 조정, 예측 방법 및 그 장치 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 흙막이 가시설, 가교 및 동바리 공법에서 외력에 의한 응력 및 변형을 상쇄 및 회복하도록 프리스트레스를 도입하거나 잭의 압력 또는 스트로크로 조절하는 시스템에서, 프리스트레스 힘 또는 잭의 압력 또는 스트로크가 제대로 작용하는지를 정량적 분석 판단하는 시스템, 제작의 정확성을 분석 판단할 수 있는 시스템, 외력에 의해 발생하는 응력과 변형에 상호 반응하도록 프리스트레스힘과 잭의 압력 또는 스트로크를 제어 및 조절하는 시스템, 상기 시스템을 판단할 수 있는 설계 및 시공 관리치의 기준 설정 시스템, 실제 현장에 적용하고 있는 가시설 구조체의 거동이 평형 상태를 유지하는지 분석 판단하는 시스템, 상기 시스템 등을 역 해석을 통해 다음 단계의 외력을 예측하여 설계 관리치와 프리스트레스 힘과 잭의 압력 또는 스트로크를 재 설정하는 정보화 시공 시스템을 제공하므로서, 현장 여건에 따라 적기에 대처할 수 있어 가시설 구조체의 안전성을 최대한 제공하고, 현장에 맞는 다음 단계의 예측에 의해 보다 높은 안전성과 시공 편리성을 도모하고, 상기의 자료를 데이터베이스를 통해 현장 여건별 정확한 설계변수를 선정토록하여 정보화 시공 기술 발전에 기여하는 것이다. 가시설 구조체는 토질의 설계변수 등을 추정하여 설계하므로, 이를 통해 설정된 설계 관리치는 실제 구조에 작용하는 외력에 의한 응력이나 변형등의 구조 거동과 일치 할 수 없어, 지금까지는 가시설 구조 안전성 확보를 위하여 단순히 구조체 거동을 파악하기 위한 계측시스템을 도입하고, 이를 육안 판단하는 정성적 평가 방법이 주 실정이었다. 따라서 본 발명은 상기와 같은 문제점을 정량적 평가 시스템 도입에 의해 해소토록 설계 적용 변수값, 현장 계측값이나 유압 정보등을 컴퓨터에 입력 분석하고, 설계 관리치의 허용 범위 내에 있는지 분석과 설계와 유사 구조 거동 패턴을 분석하여 구조의 평형상태 유지 여부를 판단하고, 다음 단계를 예측하여 새로운 설계관리치를 설정하는등의 상기와 같은 정보화시스템인 가시설 구조체의 평형상태 평가, 조정 및 예측 방법 및 그 장치 개발에 관한 것이다.
가시설 구조체, 평형 상태
Description
본 발명은 외력에 의해 발생하는 응력과 변형을 상쇄 및 회복하도록 하는 프리스트레스힘을 가하는 방식이나 잭의 반력인 압력 또는 스트로크를 가하는 방식의 가시설 구조체에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 가시설 구조체가 외력에 대해 내력인 프리스트레스힘이나 잭의 반력, 즉 압력이나 스트로크에 의해 상호 상쇄하여 평형 상태를 유지하는지 평가하는 방법, 이 평형 상태 범위에 없을 경우 상기 반력의 압력이나 스트로크를 조정하는 방법, 상기 결과등을 역 해석을 통해 현장 여건에 맞는 토질등의 설계 변수 조정을 통해, 다음 단계를 정확히 예측하여 현장에 맞게 시공 관리하는 방법 및 장치인 가시설 구조체의 평형 상태 평가, 조정 및 예측 방법 및 그 장치에 관한 것이다.
가시설 구조체에서 외력(하중)에 의해 발생하는 응력과 변형을 상쇄 및 회복시키고자 상기 응력과 변형에 반대되는 내력(반력)을 작용시켜 상호 상쇄토록 하는 방법인 여러 프리스트레스 공법에서, 상기 내력을 작용시키는 장치로서는 현재 여러 가 지 공법과 기계 장치등이 있으며, 이러한 내력을 관리하는 방법등으로는 지금까지는 강선의 신장율이나 유압 장치의 압력의 판독을 통하여 단순히 설계 관리치 내에 있는 지의 여부를 확인하거나, 실제 현장의 가시설 구조체에서 발생하는 구조 거동인 응력이나 변형률을 계측하여 단순히 설계관리치 내에 있는지의 여부를 확인하는 정성적 평가 방식만 적용되고, 또한 이도 각기 별도로 운용하는 실정인 것이다. 이는 부재 단면의 특성, 부재 배치 특성, 구조체의 제작 상태, 현장 조건에 맞는 토질등 설계 변수 및 하중 특성 등을 고려하지 않음으로써 현저히 신뢰성이 결여될뿐 아니라, 다음 단계를 예측하지 못하는 실정이다. 그나마 교량등에서는 경험이 많은 전문업체를 통해 긴장시 상당히 신중하게 조정 및 취급함으로써 다소 신뢰성을 어느 정도 확보하고 있지만, 이 교량에서도 구조 거동을 파악하기 위한 계측 공정과 외력을 상쇄하기 위한 반력과 프리스트레스힘 관리 공정이 각각 별도로 운 영하고 있어, 상호 보완적 관계로서 검증 및 관리되지 못하고 있으며 아직도 정량적 평가 방식은 미흡한 실정이다.
도 1은 지금까지의 종래 기술로서, 가시설 구조체 및 흙막이에서 이 구조체의 거동을 파악하기 위한 계측을 판단하는 과정을 나타낸 것이다. 도 1과 같이 설치된 센서, 즉 변형률계, 경사계, 및 지하수위계등을 1주일 정도 단위로 이동식 계측기로 측정하여 일정별 및 센서별로 계측 결과를 누적 플로팅하고, 이 플로팅 결과의 추이와 그 결과가 설계 관리치의 허용 범위를 벗어나는지를 육안 판단에 의하여만 이루어지는 수동적이고 정성적 관리 시스템인 실정이다. 이러한 수동적 관리 시스템은 현장에 설치된 센서의 계측 결과를 이동식 계측기로만 실시하므로 조사 일정별로 영점의 변화가 있어 계측치의 누적 곡선이 신뢰성이 결여되고, 계측 결과를 역학적인 원리를 이용하여 구조체의 평형 상태 유지 판단 기능이 없을 뿐만 아니라, 실제 현장에 설치된 가시설 구조체의 평형 상태 평가를 위한 유압 재조정이 역학적인 기준으로 인한 정량적 조정보다는 경험으로만 의존하므로 신뢰성이 결여되고 있으며, 또한 역 해석 수학 기법이 없어 다음 단계에 대한 외압 예측을 할 수 없어, 다음 단계의 실제 구조에 작용하는 외력에 대한 시공 관리치 설정을 할 수 없으므로, 상기 문제점이 지속적으로 누적하여 발생하고 있으며, 지금까지는 가시설 구조체에 대한 정량적으로 평형 상태 평가, 현장 조건에 맞는 잭의 압력이나 스토로크 조정 및 예측하는 정보화 시공 시스템이 거의 없는 실정이다.
본 발명은 상기의 종래 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로, 흙막이 가시설, 가교 및 동바리 공법 등에서 외력에 의한 응력이나 변형을 프리스트레스힘이나 잭의 반력인 압력 또는 스트로크를 작용시켜 상쇄 및 회복시키는 구조체에서 제작의 정확성, 반력의 정상 작동, 외력에 대해 상호 상쇄 및 회복 여부를 정확히 규명하기 위하여 구조 거동 감시용 계측 시스템을 도입하고, 상기 반력인 프리스트레스 힘이나 잭의 압력이나 스트로크를 현장 여건에 맞게 조절하는 시스템을 도입하고, 상기 시스템 적용으로 현장의 외력에 대해 가시설 구조체가 평형 상태를 유지하는 지의 여부를 평가하고, 불평형 상태인 경우 상기 반력을 조정하는 방법을 제시하고, 다음 단계의 실제 외력과 시공 관리치를 예측하는 제어 시스템으로 구성되며, 이를 통해 실제 구조 거동에 맞게 조절하는 가시설 구조체의 평형 상태 평가, 조정, 예측 방법 및 그 장치를 제공하는데 있다.
또한, 상기 제어 시스템과 반력 조절 시스템을 별도의 장치로 구성하여 상호 통제실과 정보 교환토록하는 장치와 상기 제어 시스템과 반력 조절 시스템 및 통제실을 하나로 통합화하여 자동적으로 조절하는 통합제어 유압 조절 장치를 제공하는데 있다.
상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에 따른 가시설 구조체의 평형 상태 평가, 조정 및 예측 방법은 설계에서 적용한 설계변수 및 허용범위인 설계관리치를 제어 컴퓨터에 입력하고, 제작의 정확성, 반력의 정상 작동, 외력에 대해 상호 상쇄 및 회복 여부를 정확히 규명하기 위하여 구조 거동 감시용 계측 시스템을 도입하고, 상기 계측한 실제 구조 계측 자료와 잭의 압력 및 스토로크를 시공 단계별로 입력받아 이를 토대로 가시설 구조체의 거동에 관련된 제원 즉 응력, 변형, 곡률, 응력 구배등을 분석하고, 상기 실 거동 제원이 설계에서 설정한 시공 관리치의 오차 범위 내에 있는 지의 여부와 상기 실 구조 거동 패턴과 설계에서 설정한 구조 거동 패턴 범위 내에 있는지의 구조체 평형 상태 유지 평가와, 이 평가 결과에 따라 허용 범위를 벗어날 경우에 유압 실린더의 압력 또는 스트로크를 재조절하도록 제어하고, 상기 평가 결과가 허용 범위내에 있으면 상기 실 구조 거동 제원에 포함된 응력과 외력 및 잭의 반력과 관련된 휨모멘트로 표현하고, 이 힘을 평형관계식에 대입하여 미지인 외력에 관계식으로 유도하여 다음 단계의 외력 및 설계 관리치를 예측하므로서 정보화 시공을 달성하는 것을 특징으로 한다.
본 발명은 또한 상기 제어 시스템에 의해 잭의 압력이나 스토로크 조정이 필요한 경우는, 상기 제어 시스템에서 조정 유압을 압력 제어 밸브에 전달하면 이 압력 제어 밸브가 각 유압 실린더에 작용하는 유압을 조정토록 하는 유압 조절 시스템을 특징으로 하는 것이다.
본 발명을 통해 가시설 구조체의 제작 상태가 정상적인지 정량적인 평가와, 외력에 대해 상호 반응하는 프리스트레스힘 및 잭의 반력인 압력이나 스트로크 제어 및 조절, 실제 현장에 맞게 하였는지를 정량적으로 평가할 수 있어 가시설 구조체의 보 다 높은 안정성을 도모할 수 있고, 시공 관리의 편리성을 도모할 수 있어 공정 단축 등을 통해 경제성을 확보할 수 있다.
또한, 지금까지 가시설 구조체의 안전성을 확보하기 위하여 단순히 계측 결과를 누적 플로팅한 그래픽 결과를 설계 관리치 내에 있는지, 단순히 정성적인 평가만 하던 기술적 내용을 계측 결과, 프리스트레스힘이나 잭의 유압 또는 스트로크 결과, 설계 분석 결과등을 피드백하여 상호 유기적으로 분석 제어 시스템을 개발하므로서 정량적으로 가시설 구조체의 평형 상태 여부를 평가할 수 있고, 평형 상태가 유지되지 않은 경우 추가 유압 또는 스트로크의 정보를 분석 및 조절케하므로서 보다 업그레이드한 기술적 진보성을 확보하였다. 또한, 상기의 결과를 역 해석 기능을 통해 다음 단계의 외력을 예측하여 실제 현장의 조건에 맞도록 시공 관리 기준을 설정할 수 있는 예측의 정보화 시스템을 확립할 수 있으며, 이의 결과를 데이터베이스화하여 분석하므로 현장별 토질별등의 설계 변수 추정을 정확하게 기하여 설계의 합리화를 통한 경제성과 안전성을 추가 도모할 수 있다.
이하, 첨부된 예시 도면에 의거하여 본 발명의 실시예에 따른 가시설 구조체가 실제 적용 현장 조건에 대해 평형 상태 유지되었는지 평가와, 평형 상태 유지 및 설계관리치 범위내에 구조 거동이 되도록 잭의 프리스트레스힘이나 유압의 상태, 즉 압력이나 스트로크 조정치를 설정하는 방법과, 다음 단계가 현장 조건에 맞는 작용 외력 및 이의 시공 관리치를 예측하는 방법을 상세히 설명한다.
도 2a는 본 발명의 가시설 구조체의 평형 상태 평가, 조정 및 예측 시스템의 관계를 나타내고 제어와 조절의 관계를 나타낸 예시도로서, 가시설 구조체에서 외력에 의한 응력과 변형을 상쇄 및 회복하도록 프리스트레스 힘을 가하는 시스템 또는 잭의 압력 또는 스트로크를 가하는 시스템에서, 이와 같은 시스템은 설계 변수의 추정에 의해 설정된 설계의 관리치는 실제 현장에 적용되는 구조에 작용하는 외력에 의한 응력이나 변형 등의 구조 거동과 일치할 수 없으므로, 구조 안전성을 위하여 계측 시스템 등이 도입되고 있다. 본 발명도 상기 시스템의 구조체에 변형률계(210, 220)나 하중계(230) 등을 부착하고, 이 센서들로부터 정보를 컴퓨터(260)에 입력하도록 계측 회로 장치(250)를 설치하고, 유압 실린더(20)의 스토로크나 유압 압력을 조절하는 유압 조절 장치(240)로 구성하고, 상기 센서의 계측값이나 유압 정보를 제어용 컴퓨터(260)에 입력하여, 상기 계측 결과가 설계 관리치의 허용 범위 내에 있는 지의 분석과, 설계와 유사 구조 거동 패턴을 분석하여 가시설 구조체가 평형 상태 유지 여부를 평가한 다음, 허용 범위 내에 계측 결과가 있지 않거나 설계에서 분석된 구조 거동 패턴과 유사하지 않은 경우, 상기 평가 사항 내에 있도록 하거나 유사 거동할 수 있도록 유압의 압력이나 스트로크 조정값을 제시하여 재 조정하는 것과, 평형 상태 유지가 되면 다음 단계의 실제 작용하는 외력을 예측하여 기 설정된 설계 관리치 범위를 재조정하는 예측 시스템으로 구성되는데, 이와 같은 정량적인 평가는 컴퓨터의 제어 시스템에서 수행하고, 평형 유지 상태 를 위한 잭의 압력이나 스트로크 조정 명령을 컴퓨터의 제어 시스템에서 직접 수행하는 방법과, 중앙 통제실과 상호 비교 분석 결과를 조율하는 방법과, 상기 방법을 병용하는 것으로 구성하는 장치를 보여 주는 것이다.
도 2b는 본 발명의 가시설 구조체의 평형 상태 평가, 조정 및 예측하는 제어 시스템은 도 2a 구성과 동일하나, 이 제어와 조절의 관계인 장치를 다르게 나타낸 예시도로서, 도 2a의 독립적으로 구성된 유압 조절장치(240)인 압력 제어 밸브(270)와 제어 시스템인 제어용 컴퓨터(260)를 하나로 통합된 통합 제어 유압 조절 장치(300)의 구성을 보여주는 것이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 다수의 유압 실린더(20)에 압력을 작용시키는 제어 회로를 나타낸 시스템도이다.
도 2에서와 같이 유압 실린더에 작용하는 초기 압력하의 가시설 구조체가, 외력과 상기 잭의 압력 또는 스토로크가 작용하고 있는 구조체에 대한 구조 거동 결과인 계측 센서 및 잭의 반력 자료를 컴퓨터(260)에 입력하여 평형 상태 유지 여부를 평가한 다음, 이 평가 결과가 설계 관리치에서 설정한 범위 내에 구조 거동 즉, 응력이나 변형, 응력구배등이 아닌 경우는, 상기 결과를 토대로 하여 설계에서 정한 구조 거동과 유사한 범위내에 있도록 다수의 유압 실린더(20)의 압력값을 계산한 다음, 이 압력 값이 실린더(20)별 압력 제어 밸브(270)에 입력되면 압력 펌프(280)에서 작용한 유압은 압력 제어 밸브(270)가 각 유압실린더(20)에 맞도록 압력을 조정한다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 가시설 구조체의 평형 상태 평가, 압력 조정 및 예측 방법인 제어 시스템을 설명하는 흐름도로서, 외력에 의한 응력과 변형을 상쇄 및 회복하도록 프리스트레스힘을 가하는 시스템 또는 잭의 압력이나 스트로크를 가하는 시스템의 가시설 구조체에서, 도 2a와 도 2b중 설계 관리치 및 시공 관리치 범위 내에 실제 구조거동이 있는지 평가하는 방법, 가시설 구조체의 평형 상태를 분석하는 방법, 불균형 상태인 경우 잭의 압력 및 스트로크 재조정 방법 및 다음 단계의 외력 및 시공 관리치를 예측하는 방법등의 제어, 조정 및 예측하는 정보화 방법을 설명하는 흐름도이다.
컴퓨터(260)는 가시설 구조체의 설계 적용 정보인 토질정수, 재료상수, 작용외력, 단면특성등과 설계 결과인 구조체의 허용 응력 범위 및 케이블 허용 장력 범위, 잭의 압력및 스트로크등을 포함해 입력받아(S410), 시공시에 현장 관리하기 위해 설계 결과의 응력과 변형율을 구조 거동 패턴을 판단할 수 있는 변수인 응력 구배와 곡률등을 탄성 및 기하학적 원리를 이용하여 설정하고, 상기에서 입력 받은 허용 응력 및 설계 결과를 시공관리를 위한 구조 거동 관련 기준치를 설정한다(단계 S420).
즉 단계 S410은 가시설 구조체의 단면 제원, 기하학적 형상 제원, 가시설 구조체 설치 단수별 및 센서 위치별 설계 결과인 응력 또는 변형률값 또는 외력, 외력을 구하는 설계 변수, 스트로크, 스트로크 힘 또는 케이블 장력 등을 입력받고, 유압실린더의 제원인 허용 힘, 허용 스트로크, 또는 유압 면적 등을 입력받아 정보화 시스템하는 단계이며, 단계 S420은 상기 설계에서 분석된 결과를 시공 관리를 위한 구조체의 허용 응력 범위 및 케이블 허용 장력 범위를 설정하며, 또한 상기 응력 또는 변형률값을 계측 위치별로 구조 거동 패턴을 평가할 수 있는 응력 구배나 곡률등의 범위를 탄성 및 기하학적 원리를 이용하여 설정하는 단계이다.
단계 S430에서는 컴퓨터(260)에 계측 센서(210, 220, 230)를 통하여 실제 계측 자료, 즉 구조체에 설치된 변형률계(210, 220)나 하중계(230)등의 센서에 의해 계측한 자료와 유압 실린더(20)에 가하는 유압 펌프상의 스트로크나 유압힘(스트로크힘) 자료가 입력받는 것과, 컴퓨터(260)의 제어 시스템에서 상기 실 계측 값을 상기 S420에서 설정한 시공 관리 항목인 응력과, 구조 거동 패턴에 관련한 응력 구배나 곡률등을 탄성 이론 및 기하학적 원리를 이용하여 구한다(단계 S430).
컴퓨터(260)는 실 계측 결과를 설계 관리치 및 시공 관리치에 대응하는 변수별로 응력, 구조 거동 패턴인 응력 구배 및 곡률등을 상기 방법과 같이 구하고, 이 값이 상기 시공 관리치와 비교하여 상기 실 거동 제원이 상기 시공 관리치의 오차 범위 내에 있는 지를 판단한다(단계 S440).
도 5에는 도 4의 단계 S430, S440 및 S460의 상세 과정이 설명되어 있다.
컴퓨터(260)는 시공 단계별로 구조 거동과 관련한 변형률계등의 계측 자료와 유압실린더(20)의 압력이나 스토로크등의 자료를 입력받아(단계 S510), 상기 계측 자료에 상응하는 외력에 의한 실제 구조상의 실 응력, 휨 구배 및 곡률등을 계산한다(단계 S520).
단계 S530에서 계산된 실 응력등이 단계 S420에서 설정한 허용 응력등의 범위 내에 있는지 판단하고, 실제 구조 거동 패턴 즉 응력 구배 및 곡률등이 설계 구조 거동 패턴인 응력 구배 및 곡률등의 범위에 속하는지, 실 구조 거동 패턴을 분석하여 가시설 구조체의 평형 상태를 평가 및 판단하는 것이다(S530).
단계 S530의 가시설 구조체 평형 상태 판단 결과, 상기 실 응력이 상기 설정한 허용 응력 범위를 초과하거나 실제 구조 거동이 설계 구조 거동과는 완전 상이한 경우, 처리 루틴은 단계 S450로 진행하여 컴퓨터(260)가 유압 실린더(20)를 재 조정하는 압력 제어 밸브(270)에 압력이나 스트로크 값의 조절 정보를 제공하여 상기 유압 실린더(20)의 압력이나 스트로크를 조절한다.
상기 실 응력이 상기 설정한 허용 응력 범위 내에 있고 실제 구조 거동이 설계 구조 거동의 허용 범위내에 있는 경우, 계측 센서 위치에서 거더에 설치된 내외측 플랜지에 부착된 변형률차를 거더 높이로 나눈 역수의 곡률을 구하고, 이 곡률에 휨 강성인 탄성계수와 단면2차모멘트를 곱하여 실제 휨모멘트를 구한다(S570).
단계 S430에서 계측된 케이블의 장력이 단계 S420에서 설정한 케이블의 허용 장력 범위 내에 있는 지를 판단한다(S580).
단계 S580의 판단 결과, 상기 케이블의 장력이 상기 설정한 케이블의 허용 장력 범위 내에 있지 않은 경우, 처리 루틴은 단계 S450로 진행하여 컴퓨터(260)가 압력 제어 밸브(230)를 제어하여 유압 실린더(20)의 압력이나 스트로크를 조절하도록 한다.
상기 케이블의 장력이 상기 설정한 케이블의 허용 장력 범위 내에 있는 경우와 단계 S440의 판단에서 상기 실 구조 거동 관련 응력값이 상기 시공 관리치의 오차 범위 내에 있고, 실 구조 거동 패턴인 응력 구배와 곡률등이 설계에서 설정한 구조 거동 패턴(S430) 범위내에 있는 경우이면, 가시설 구조체가 평형 상태를 유지되었는지를 평가 및 판단한다(단계 S460).
상기 S460의 단계에서 가시설 구조체의 평형 상태 여부를 확인하는 또다른 방법으로, 그림 6과 같이, 단계 S430에서 입력된 스트로크와 유압힘을 이용하여 각 부재 요소의 방향별로 힘의 평형 상태 유지 여부를 분석하여, 제작의 상태 확인 및 구조 거동의 유사 여부를 판단하는 것이다. 이 단계에 의해 분석된 결과 중 서로 부재 방향별로 중첩되는 부분의 값이 유사하거나 단계 S440에서 분석된 결과가 시공 관리 허용 범위 내에 있으면 가설 구조체는 평형 상태가 유지되는 것으로 판단하는 것이다.
즉 유압힘(SP2, SP3)에 의한 가시설 구조체 평형상태 분석 알고리즘은 단계 S430에서 계측된 연동 장치별 유압힘(SP2)등을, 힘의 평형 원리와 삼각함수 정현 법칙을 이용하여 상기 연동 장치가 설치된 절점에서 타 절점 방향의 케이블의 장력(CP23, CP21)을 구하고,
또 인접 연동장치의 유압 힘(SP3)을 상기 원리에 의해 이 연동장치가 설치된 절점에서 타절점 방향의 케이블 장력(CP32, CP34)을 구한 다음,
서로 부재 요소가 중첩되는 케이블 장력 값(CP23, CP32)이 시공 관리치 기준 내에서 유사하면, 구조체의 평형 상태가 유지되는 것으로 평가하는 알고리즘이다.
또한 스트로크(△2, △3)에 의해 구조체가 평형 상태를 유지하는지 여부를 판단하는 알고리즘은, 스트로크(△2, △3)를 가하기 전의 제1 케이블 길이를 구하고,
유압 실린더의 스트로크(△2, △3)를 가하여 늘어난 제2 케이블 길이를 피타고라스 원리등의 기하학적 원리를 이용하여 구하고,
상기 제1 케이블 길이와 상기 제2 케이블 길이의 차, 즉 신장량을 구한 다음, 이 신장량을 스트로크를 가하기 전 제1 케이블 길이로 나누어 변형률을 구한 다음,
후크 원리등의 탄성 이론으로부터 상기 변형률에 강선 탄성계수와 단면적을 곱하여 케이블 장력(CP21, CP23, CP32 등)을 구한 다음,
각 절점별 케이블 장력(CP21, CP23, CP32)은 상기 케이블 총 장력에 누적의 케이블 각도 변화(θ1, θ1+θ2)로 분력화하여 구하는 것을 특징으로하는 것으로서 , 이 방법으로 구한 케이블 장력과 유압힘에 의해 구한 케이블 장력 값의 범위가 상호 허용 범위내에 있으면, 제작 상태 및 외력과 내력이 상호 평형을 유지하는 것으로 평가하는 시스템이다.
단계 S460의 판단 결과, 상기 구조체 평형 상태가 유지되지 않은 경우 처리루틴은 단계 S450로 진행하여 컴퓨터(260)가 압력 제어 밸브(270)를 제어하여 유압 실린더(20)의 유압이나 스트로크를 조절하도록 한다.
상기 구조체 평형 상태가 유지된 경우 상기 실 구조 거동 제원에 포함된 응력에 의한 휨모멘트(M1), 외력(W) 및 잭의 반력을 기초로 한 휨모멘트(W×x1×?x1/2 와 R0×x1)를 힘의 평형방정식 관계를 이용하여 다음 단계의 외력을 예측하고, 이를 토대로 해석하여 설계 또는 시공 관리치를 예측한다(단계 S470). 도 7은 도 4에 도시된 단계 S470을 설명하기 위한 도면이다. 도 7에서, M1은 계측 센서인 변형률계에 의하여 구한 실 구조의 휨모멘트이고, x1은 상기 계측 센서 위치까지의 거리이고, R0는 0 절점의 반력이다.
도 7은 상기의 외력과 반력에 의한 휨모멘트와 실 응력에 의해 환산된 휨모멘 트의 관계를 자유 물체도의 힘의 평형 원리, 즉 유압 힘 등의 내력에 의한 휨 모멘트와 미지 변수로 하는 외력에 의한 모멘트와, 단계 S430에서 실제 변형률계에서 측정된 변형률 값에서 구한 실제 휨 모멘트를 상호 방향 벡터별 평형 원리를 적용하여 방정식을 설정한 다음, 상기 미지의 변수인 외력(W)에 대한 관계식으로 유도하여 풀어서 실제 외력(W)을 구하는 알고리즘인 것이다.
이 결과를 단계 S410에서 입력된 외력으로 하여, 이 외력에 맞게 구하는 설계 변수, 즉 토질 변수를 조정하여 다음 단계의 응력, 유압 힘, 스트로크 등의 설계 관리치를 재 설정하므로서 가설 구조체의 다음 단계를 현장에 맞게 예측하여 시공 관리하므로 가설 구조체의 안전 도모와 시공의 편리를 도모하는 정보화 시공 시스템을 구축하는 것이다.
이상에서는 본 발명을 특정의 바람직한 실시예로서 설명하였으나, 본 발명은 상기한 실시예에 한정되지 아니하며, 특허 청구의 범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 분야 즉 프리스트레스힘이나 잭의 압력이나 스트로크를 이용하여 외력에 의한 응력과 변형을 상쇄 및 회복하는 시스템에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 적용이 가능할 것이다.
본 발명에 따른 가시설 구조체의 평형 상태 유지, 조정, 및 예측 방법은 가시설 구조체의 평형 상태 유지를 제어하고, 단계별 또는 시기별 발생하는 토압 등의 외력을 예측하는데 사용될 수 있으므로, 프리스트레스힘이나 잭의 압력이나 스트로크를 통해 외력을 상쇄 및 회복하는 가시설 구조체를 포함한 이와 같은 구조체 에서 현장 조건에 맞게 구조체가 평형 상태가 유지되었는지 평가와, 불균형 상태인 경우 얼마 만큼 잭의 유압이나 스트로크를 조절해야 하는지, 다음 단계의 실제 현장에서 발생하는 외력을 예측하여 시공 관리치를 재 설정할 수 있는 정보화 시공 시스템등에 폭 넓게 적용될 것이다.
도 1a는 종래의 가시설 구조체의 시공 과정에 따른 계측 및 관리하는 것을 나타내는 평면도이다.
도 1b는 종래의 가시설 구조체의 시공 과정에 따른 계측 및 관리하는 것을 나타내는 단면도이다.
도 1c는 종래의 가시설 구조체의 계측 관리하는 과정 중 경사계에 의해 시공 관리하는 방법을 나타낸 도면이다.
도 1d는 종래의 가시설 구조체의 계측 관리하는 과정 중 변형율계에 의해 시공 관리하는 방법을 나타낸 도면이다.
도 2a는 본 발명의 가시설 구조체의 평형 상태 평가, 조정 및 예측 시스템의 관계를 나타내고 제어와 조절의 관계를 나타낸 예시도이다.
도 2b는 본 발명의 가시설 구조체의 평형 상태 유지, 조정 및 예측 시스템의 관계를 나타내고 제어와 조절의 관계를 다르게 나타낸 예시도이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 압력 조절 장치의 회로를 나타낸 블록도이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 가시설 구조체의 평형 상태 평가, 조정 및 예측 방법의 시스템 흐름도이다.
도 5는 도 4에 도시된 단계 S430 및 S440의 분석 과정을 설명하기 위한 흐름도이다.
도 6은 도 4에 도시된 단계 S460의 분석 과정을 설명하기 위한 도면이다.
도 7은 도 4에 도시된 단계 S470의 분석 과정을 설명하기 위한 도면이다.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
10: 띠장 20: 유압 실린더
25: 잭 30: 수직 파일
40: 고정 장치 50: 하중 전달재
60: PS 강선 70: 유압 호스선
80: 스트러트 110,210,220: 변형률계
120: 경사계 230: 하중계
240: 유압 조절 장치 250: 계측 회로 장치
260: 컴퓨터 270: 압력 제어 밸브
280: 유압 펌프 300: 통합 제어 유압 조절 장치
θ: 케이블 각도
△: 유압 실린더의 스트로크
SP2: 절점번호 위치의 유압 힘
CP21: 2번 절점에서 1번 절점을 향하는 케이블 장력
M1: 변형률계에서 구한 실 구조의 휨 모멘트
x1: 구하고자 하는 점까지의 거리
R0: 0 절점의 지점 반력
Claims (10)
- 가시설 구조체에서 설계에서 분석된 설계 변수 및 시공 관리 기준값과 실제 구조 계측 자료 및 잭의 압력이나 스토로크 자료를 시공 단계별로 입력받고, 이 자료를 가시설 구조체에 관련된 구조 거동 관련 변수값으로 분석하고, 상기 실 구조 거동 제원이 상기 시공 관리치의 오차 범위 내에 있는 지의 여부 평가와, 실 구조 거동 패턴이 설계시 구조 거동 패턴 범위에 있는지의 구조체 평형 상태 유지 평가와, 그 평가 여부에 따라 불균형 시 재조정하는 유압 실린더의 압력이나 스트로크값의 제시와, 상기 유압 실린더의 압력이나 스트로크값을 유압 조절 장치(240)의 압력 제어 밸브(270)에 명령하여 제어하는 시스템과, 상기 실 거동 제원에 포함된 응력, 미지의 외력 및 잭의 반력을 기초로 휨 모멘트 관계를 힘의 평형원리를 적용하여 다음 단계의 외력 및 설계 관리치를 예측하는 가시설 구조체의 평형 상태 평가, 조정 및 예측 방법.
- (i) 가시설 구조체의 설계 적용 정보 그리고 설계 및 시공 관리치를 설정하는 단계;(ii) 계측한 실 계측 자료 및 유압 정보를 시공 단계별로 입력받고, 이 자료를 실제 작용하고 있는 가시설 구조체의 거동인 응력, 변형, 구배 및 곡률을 분석하는 단계;(iii) 실 구조 거동 제원이 상기 시공 관리치의 오차 범위 내에 있는 지를 판단하거나, 상기 실 구조 거동 패턴이 설계시 설정한 구조 거동 패턴 범위내에 있는지 평가하거나, 각 유압실린더의 압력과 스토로크를 케이블의 부재요소별로 분력화하여 중첩 요소의 힘이 오차 범위에 있는지 평가하여 가시설 구조체의 평형 상태 유지 여부를 판단하는 단계;(iv) 상기 실 구조 거동 제원이 불균형 상태인 경우 유압의 압력이나 실린더의 스트로크를 조절 및 압력 제어 밸브를 제어하는 단계;(v) 상기 구조체가 평형 상태 범위 내에 있는 경우, 상기 실 구조 거동 제원에 포함된 응력, 미지인 외력 및 잭의 반력을 기초로 한 휨모멘트를 평형 방정식 관계를 적용하여 미지인 다음 단계의 외압 및 시공 관리치를 예측하는 단계를 포함하는 가시설 구조체의 평형 상태 평가, 조정, 예측 방법.
- 제2 항에 있어서, 단계 (ii)에서 실제 계측 자료로서, 상기 가시설 구조체에 설치된 변형률계(210,220) 또는 하중계(230)에 의해 계측한 자료와 유압 실린더에 가하는 유압 펌프상의 스트로크(△2, △3)나 유압힘(SP2,SP3) 자료가 컴퓨터에(260)입력되는 가시설 구조체의 평형 상태 평가, 조정, 예측 방법.
- 제2 항에 있어서, 단계 (ii)에서가시설 구조체의 실 구조 거동 패턴인 응력 구배와 곡률을 계측 자료로부터 기하학적 원리 및 탄성 이론으로부터 구하고,상기 응력 구배와 곡률이 설계에서 설정한 구조 거동 패턴 범위 내에 있으면, 가시설 구조체가 평형 상태로 유지되었는지를 평가 및 판단하는 가시설 구조체의 평형 상태 유지, 조정, 예측 방법.
- 제2 항에 있어서, 단계 (v)는가시설 구조체의 거더 내외측 플랜지에 설치된 계측 센서 위치의 변형률계의 변형률차를 거더 높이로 나눈 역수의 곡률을 구하고, 이 곡률에 휨강성, 즉 탄성계수와 단면2차모멘트를 곱하여 실제 휨 모멘트(M1)을 구하고,외력(W) 및 잭의 반력을 기초로 한 휨모멘트(W×?x1×?x1/2 와 R0×?x1)의 관계를 자유 물체도의 힘의 평형 원리를 적용하여 방정식을 설정한 다음, 상기 미지의 변수인 외력(W)에 대한 관계식으로 유도하여 풀어서 실제 외력(W)을 구하고,이 결과를 상기 입력된 외력으로 하여, 이 외력에 맞게 구하는 설계 변수, 즉 토질 변수를 조정하여 다음 단계의 응력, 유압 힘, 스트로크 등의 설계 관리치를 재설정하는 가시설 구조체의 평형 상태 평가, 조정, 예측 방법.
- 제2 항에 있어서, 단계 (iii)에서,유압힘(SP2, SP3)에 의한 가시설 구조체 평형상태 분석 알고리즘은 상기 계측된 연동 장치별 유압힘(SP2)등을, 힘의 평형 원리와 삼각함수 정현 법칙을 이용하여 상기 연동 장치가 설치된 절점에서 타 절점 방향의 케이블의 장력(CP23, CP21)을 구하고,인접 연동장치의 유압힘(SP3)을 상기 원리에 의해 이 연동장치가 설치된 절 점에서 타절점 방향의 케이블 장력(CP32, CP34)을 구한 다음,서로 부재 요소가 중첩되는 케이블 장력 값(CP23, CP32)이 시공 관리치 기준 내에 있으면, 평형 상태가 유지되는 가시설 구조체의 평형 상태 평가, 조정, 예측 방법.
- 제2 항에 있어서, 단계 (iii)에서, 가시설 구조체의 평형 상태 유지를 평가하는 방법 중 또 다른 방법으로, 유압 실린더의 스트로크(2, 3)를 가하기 전의 제1 케이블 길이를 구하고,상기 유압 실린더의 스트로크(2, 3)를 가하여 늘어난 제2 케이블 길이를 피타고라스 원리의 기하학적 원리를 이용하여 구하고,상기 제1 케이블 길이와 상기 제2 케이블 길이의 차인 신장량을 구한 다음, 상기 신장량을 상기 제1 케이블 길이로 나누어 변형률을 구한 다음,후크 원리의 탄성 이론으로부터 상기 변형률에 강선 탄성계수와 단면적을 곱하여 케이블 총장력을 구한 다음,각 절점별 케이블 장력(CP21, CP23, CP32)은 상기 케이블 총 장력에 누적의 케이블 각도 변화(θ1, θ1+θ2)로 분력화하여 구하고,이 방법으로 구한 케이블 장력과 유압힘에 의해 구한 케이블 장력 값의 범위가 상호 허용 범위내에 있으면, 제작 상태 및 외력과 내력이 상호 평형을 유지하는 것으로 평가하는 가시설 구조체의 평형 상태 평가, 조정 예측 방법.
- 가시설 구조체에 변형률계(210, 220)나 하중계(230)등을 부착하고, 이 센서들로부터 정보를 컴퓨터(260)에 입력하도록 계측 회로 장치(250), 거동 분석 제어시스템을 포함한 컴퓨터(260), 유압 실린더(20)의 스트로크나 유압 압력을 조절하는 유압 조절 장치(240)를 각각 구성하고, 상기 구조체의 평형 상태 유지를 위한 잭의 압력이나 스트로크 조정 명령을 컴퓨터(260)와 중앙 통제실과 상호 정보 교환하여 압력 제어 밸브(270)에 명령하는 장치인 가시설 구조체의 평형 상태 평가, 조정, 예측 장치.
- 제8 항에 있어서, 유압 조절장치(240)인 압력 제어 밸브(270)와 제어 시스템인 제어용 컴퓨터(260) 및 통제실을 하나로 통합된 통합 제어 유압 조절 장치(300)인 가시설 구조체의 평형 상태 평가, 조정, 예측 장치.
- 제8 항에 있어서, 가시설 구조체가 불균형 상태인 경우 제어 컴퓨터(260)에서 명령한 압력값을 유압 실린더(20)에 제대로 작용토록 유압펌프(280)의 유압을 제어하는 압력 제어 밸브(270)를 포함한 가시설 구조체의 평형 상태 평가, 조정, 예측 장치.
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