KR101152365B1 - 예응력 부여가 자동 조정되는 갠트리 - Google Patents

Abstract

본 발명은, 교량, 고가교 및 기타 구조체를 시공하는 데 사용하는 갠트리에 관한 것으로, 부하가 발생하였을 때에 갠트리에 가해는 외적 작용에 따라서 갠트리의 구조체의 예응력 부여가 자동적으로 조정되는 시스템을 갖춘 갠트리에 관한 것이다. 예응력 부여의 조정은, 구조체를 감시하고 컨트롤러(6)에 측정치를 제공하는 적어도 하나의 센서(2)에 의하여 이루어지고, 이 컨트롤러(6)는 하나 또는 다수의 케이블에 구조체의 예응력을 부여하는 장력을 변화시키는 적어도 하나의 액츄에이터를 작동시킬 수 있다. 본 발명의 많은 장점들 중 하나는, 외적 하중이 가해지지 않은 상태에서 주 구조체(1) 내의 바람직하지 못한 변형을 일으키지 않으면서 상당량의 예응력을 부여할 수 있다는 점이다.

갠트리, 예응력, 케이블, 고정구, 유압 잭, 새들, 지주

Description

예응력 부여가 자동 조정되는 갠트리{GANTRY WITH AUTO-ADJUSTING PRESTRESSING}

본 발명은 건설에 사용되는 갠트리(gantry)에 관한 것으로, 보다 구체적으로는 예응력 부여(prestressing)를 자동 조정하는 시스템을 갖춘 갠트리에 관한 것이다.

현대의 토목 공학에서는 교량과 고가교(viaduct)의 시공 시에, 지반에 비계를 설치하기보다는 [오버슬렁(overslung)형 및 언더슬렁(underslung)형의] 갠트리를 주로 사용한다. 그러나, 갠트리의 더욱 보편화된 사용을 방해하는 요인은 재료와 시공 노동력의 측면에서 막대한 투자를 필요로 한다는 점이다. 비록 현행 갠트리는 재사용이 가능하기는 하나, 특히 갠트리가 초기 설계된 하중보다도 큰 하중을 지탱할 필요가 있는 프로젝트의 경우에는, 흔히 갠트리를 개조할 필요가 있게 된다. 이러한 개조 그 차제는 상당한 시간이 소요되고 고비용을 요하는 공정이며 통상적으로 시공의 진척을 지연시킨다.

종래의 갠트리를 사용하면 상당한 위험이 수반되기도 한다. 그 이유는, 갠트리가 영구적이고 가변적인 상당한 크기의 하중을 지지하기 위한 구조체이고 상당한 변형과 응력을 받을 수 있기 때문이며, 이러한 변형과 응력은 구조체를 약화시키고 결국에는 갠트리가 붕괴될 수도 있다. 과거에 그러한 사고들이 발생하였다.

국제특허출원 제00/68508호[인터콘스텍 컴퍼니 리미티드(Interconsetec Co. Ltd)], 제02/28168호(인터콘스텍 컴퍼니 리미티드) 및 제01/27406호에 개시되어 있는 바와 같이, 종래에는 콘크리트 거더(girder)를 강화 및 보강하기 위하여, 예응력 부여가 조정 가능한 케이블 또는 텐돈(tendon)을 사용하여 왔다. 그러나, 이러한 구조체는 케이블의 장력을 증가시키거나 감소시키기 위하여 외부적인 도구의 도입을 필요로 한다. 조정은 모든 시간에 있어서의 구조체에 가해지는 하중에 대하여 이루어졌던 것이 아니라, 거더의 주기적 관리를 위한 방안(strategy)에 포함되었다.

본 발명의 주목적은, 하중이 부여될 때에 갠트리에 가해지는 외적 작용에 따라서 갠트리의 구조체의 예응력을 조정하는 자동 또는 반자동 시스템을 구비하는 갠트리를 제공하는 것이다.

본 발명의 다른 목적은, 종래의 갠트리보다 구조적으로 효율적인 갠트리를 제공하는 것, 보다 구체적으로는 구조체 내의 변형과 응력을 검출한 직후에 이에 대응하여 적합한 구조적 성능을 보장하는 교정이 확실히 이루어질 수 있는 시스템을 구비한 갠트리를 제공하는 것이다.

본 발명의 또 다른 목적은, 종래의 갠트리와 크기와 구조체 질량이 동등하면서도 더 큰 하중을 지지할 수 있는 갠트리를 제공하는 것이다.

마지막으로, 본 발명의 또 다른 목적은, 재사용되거나 시운전되는 여러 갠트리 유닛을 강화하기 위하여 사용될 수 있는 시스템을 제공하는 것이다.

본 발명은, 포괄적인 태양에 따르면, 교량, 고가교 및 기타 구조체의 시공에 사용되고, 주 구조체, 적어도 하나의 비부착 케이블(unbonded cable), 상기 비부착 케이블의 일단부를 상기 주 구조체에 고정하기 위한 제1 고정구(anchorage) 및 상기 비부착 케이블의 타단부를 상기 주 구조체에 고정하기 위한 제2 고정구를 포함하는 갠트리를 제공하며, 상기 주 구조체 내의 물리적 변화를 측정할 수 있는 적어도 하나의 센서 유닛과, 측정된 측정치를 판독 가능한 데이터로 변환시키고 상기 데이터를 컨트롤러로 전송하는 전기 인터페이스가 제공되고, 상기 컨트롤러는 상기 주 구조체와 상기 비부착 케이블 사이에 배치되는 액츄에이터를 기동시킬 수 있고 측정된 측정치에 따라 상기 비부착 케이블의 장력을 증가시키거나 감소시킬 수 있는 것을 특징으로 한다.

상기 비부착 케이블은 상기 주 구조체의 윤곽(contour)의 내측 또는 외측에 존재할 수 있고, 케이블의 배치가 선형 또는 다중-선형(multi-linear)일 수 있다. 케이블이 하나 이상 존재할 경우에 내측 및 외측 케이블들이 혼재할 수도 있으며, 케이블의 단부들은 개별적으로 특정 고정구에 고정되고, 이 고정구는 하나 이상의 고정구를 고정할 수 있는 구조 요소에 연결된다. 그와 같은 구조 요소는 통상적으로 강성 판(stiffened plate)이다. 일반적으로, 케이블의 배치가 구조체 및 시공 과정 모두와 상충되지 않아야 한다는 점이 유일한 제한 조건이다.

전술한 바와 같이, 주 구조체는 적어도 하나의 센서에 의해 감시되며, 센서는 갠트리의 요소의 근방, 표면 또는 내측에 배치되거나 주 구조체의 외측에 존재할 수도 있다. 일반적으로, 하나 또는 다수의 센서들이 사용 중에 주 구조체의 특정 물리적 변화를 정확하게 측정할 수 있는 한, 센서들의 위치는 중요하지 않다.

액츄에이터에 의하여 가해지는 힘의 세기 및/또는 방향의 연산을 위한 유용한 측정은, 예를 들면 변위, 회전, 변형, 하중 레벨, 장력, 신장 또는 압력일 수 있다. 갠트리는 온도 측정 및 궁극적으로는 속도 또는 가속도 측정을 위한 하나 또는 그 이상의 보조 센서를 갖추는 것이 바람직하다. 다양한 유형의 센서들이 합리적인 결과를 도출할 수 있는데, 예를 들면 하나 또는 다수의 센서는 압력 변환기, 신장계(extensometer), LVDT, 레이저 센서 또는 차지 셀(charge cell)이다. 센서는 컨트롤러에 직접 연결되거나, 장치를 필터링하고 변환하는 증폭기를 포함할 수 있는 인터페이스 회로를 통하여 연결될 수 있다. 바람직하게는, 수개의 변환기들이 표준 출력(예를 들면, 4mA ~ 20mA)으로 사용되어 추가 인터페이스 요소가 필요하지 않게 된다.

본 발명에서의 데이터 또는 신호의 전송은 물리적 연결 또는 무선 기술에 의해 달성될 수 있는데, 보다 구체적으로는 전기 배선, 광섬유 무선 기술, Wi-Fi 또는 블루투스(Bluetooth) 기술에 의해 달성될 수 있다. 센서와 컨트롤러 사이 및 컨트롤러와 액츄에이터 사이의 데이터 또는 신호 전송에 무선 기술이 사용되는 경우에, 상기 요소들에는 상기 데이터의 전송과 수신을 위한 전송기와 수신기를 제공할 필요가 있다.

전술한 본 발명의 컨트롤러는 적어도 소프트웨어 프로그램 또는 처리 코드(processing code)를 실행시킬 수 있는 적어도 하나의 컴퓨터 또는 자동 장치(automaton)를 포함한다. 상기 소프트웨어 프로그램 또는 처리 코드는 상기 센서 또는 각 센서로부터 데이터를 수신하고, 상기 센서 또는 각 센서로부터 수신한 상기 데이터를 처리하고, 처리한 데이터를 지시 신호 형태로 적어도 하나의 액츄에이터에 전송할 수 있다. 이러한 지시 신호는 하나 또는 다수의 액츄에이터를 기동시키고, 액츄에이터는 비부착 케이블의 장력을 정확하게 증가시키거나 감소시킨다. 상기 컨트롤러의 상기 소프트웨어 또는 처리 코드는 적어도 3개의 부-프로그램, 즉 테스트 프로그램(Test Program), 로딩 프로그램(Loading Program) 및 언로딩 프로그램(Unloading Program)을 포함하는 것이 바람직하다. 테스트 프로그램은 케이블의 장력 부여와 이완을 직접 진행시키는 기본 알고리듬을 포함하고, 그에 따라 교정 및 관리 테스트의 실행을 가능하게 한다. 로딩 프로그램은 하중 인가 단계에서(예를 들면, 콘크리트 타설 중에) 본 발명의 특정 갠트리에 대하여 채용될 제어 방안을 반영하는 알고리듬을 포함한다. 언로딩 프로그램은 액츄에이터의 안정 위치로의 복원을 반영하는 알고리듬을 포함한다(예를 들면, 교량 데크(deck) 예응력이 가해졌을 때에 사용된다).

전술한 바와 같이, 컨트롤러로부터 지시 신호를 수신하게 되면, 하나 또는 다수의 액츄에이터의 작동이 진행된다. 상기 지시 신호는 하나 또는 다수의 액츄에이터를 작동시켜 특정 세기 및/또는 방향의 힘을 인가한다. 따라서, 하나 또는 다수의 액츄에이터는 하나 또는 다수의 케이블의 장력을 변화시키는 역할을 하고, 따라서 주 구조체의 예응력을 조정한다. 당해 분야의 당업자에게 자명한 바와 같이, 외적 작용에 의해 구조체 내에 생성된 내력에 제거할 필요성에 따라 케이블의 장력이 증가 또는 감소되어야 한다. 케이블이 하나보다 많은 경우에, 상기 케이블들의 장력은 동일하게 또는 서로에 대하여 독립적으로 장력을 받거나 이완될 수 있다. 이러한 특징은 예응력이 주 구조체의 특정 부분에서 조정되는 것을 가능하게 한다.

본 발명의 덜 바람직한 또 다른 실시예에서, 컨트롤러는 하나 또는 다수의 액츄에이터를 작동시킬 수 있는 전기 제어판(control board)을 제어하는 사람인 작업자일 수 있다. 이 실시예에서 작업자는 상기 하나 또는 다수의 센서로부터 전송된 데이터를 수신하여 해석한다. 표시치(reading)에 따라, 작업자는 하나 또는 다수의 액츄에이터의 운동을 진행시켜 주 구조체에 자체-평형력을 도입한다. 구조체 내의 예응력 부여의 이러한 반자동 조정은 완전 자동 컨트롤러에 비하여 정확도가 낮을 수 있고 따라서 안정성과 신뢰성이 더 작을 수 있다. 이러한 구성에 의하면, 작업자는 예를 들면 브리지 데크의 콘크리트 타설 중에, 수시간에 이르는 시간 동안에 하나 또는 다수의 액츄에이터를 계속 제어할 필요가 있다.

본 발명은 기존의 갠트리에 자동 조정 예응력 부여 시스템을 갖추게 하는 것에 대해서도 고려한다는 점에 유의하여야 한다. 이러한 방법은 기존 갠트리에 전술한 바와 같은 본 발명의 필수적인 요소 및 시스템을 갖추게 함으로써 달성된다.

본 발명의 주요 장점은, 외적 하중이 가해지지 않은 경우에, 주 구조체 내의 바람직하지 못한 변형을 일으키지 않으면서 상당량의 예응력을 부여하는 것을 가능하게 한다는 것이다. 외적 하중이 가해지 않은 상태에서, 종래의 "고정된(fixed)" 예응력을 사용하여 상당량의 예응력을 부여하면, 주 구조체는 "전도(up side down)"되어 붕괴될 수 있다. 뿐만 아니라, 본 발명은 예응력 손실의 실질적인 감소를 제공한다.

예응력 부여가 자동 조정되는 갠트리는, 예응력의 조정이 주 하중을 보상하기 때문에 경간 중앙(mid-span)의 만곡(deflection)이 상당히 감소한다. 예응력 부여는 압축 응력을 도입하지만, 전술한 바와 같은 동일한 이유에 의하여, 주 구조체의 굽힘 모멘트는 실질적으로 감소하고 따라서 주 구조체 부재들의 최대 응력을 감소시킨다. 따라서 구조 요소들의 단면이 상당히 감소할 수 있게 되어, 상당히 경량화된 실용적인 갠트리가 제공될 수 있다.

또한, 본 발명에서는 하나의 갠트리를 후에 재사용하는 것이 가능하므로, 본 발명의 갠트리는 종래 기술보다도 경제적으로 더욱 효율적이다. 본 발명의 명세서로부터 알 수 있는 바와 같이, 예응력이 자동 조정되는 갠트리는 실질적으로 추가 보강을 필요로 하지 않으며 종래 기술의 갠트리에 비하여 더 큰 하중 레벨 범위(또는 경간 범위)에 대해서도 적용 가능하므로, 종래 기술의 갠트리보다 다양한 상황에서 사용 가능하다.

또 다른 주요 장점은, 갠트리의 구조적 거동이 연속적으로 감시되고 외적 작용에 의하여 발생한 위해적 변형 또는 장력이 즉시 반작용에 의하여 해결된다는 점이다. 특히, 전자 부품과 일부 기계 장치에 대해서는, 소정의 구성요소가 파손된 경우에 여분의 구성요소가 작동하므로, 갠트리의 안정성은 영향을 받지 않는다.

본 명세서 내에서 사용된 "예응력 부여"라는 표현은, 외적 작용에 의해 구조체 내에 생성된 외력을 제거하는 일련의 자체-평형력의 도입을 의미한다는 점에 유의하여야 한다.

도 1은 본 발명을 구성하는 주요 요소들이 도시되어 있는 본 발명의 실시예의 개략적인 측면도이다.

도 2는 도 1의 갠트리의 실시예의 개략적인 평면도이다.

도 3은 수동형/부동형(passive/non-movable) 고정구를 사용하여 주 구조체에 고정시킨 비접합 케이블의 단부를 나타내는 도면이다.

도 4는 유압 잭의 개재에 의한 능동형/가동형(active/movable) 고정구를 사용하여 주 구조체에 고정시킨 비접합 케이블의 단부를 나타내는 도면이다.

도 5는 본 발명의 가능한 자동 제어 공정의 개략적 흐름도이다.

도 6은 본 발명의 제어 알고리듬의 가능한 실시 형태를 나타내는 도면이다.

도 7은 유압 회로를 개략적으로 나타낸 도면이다.

도 8은 압력 변환기가 도입된 유체 회로를 개략적으로 나타내는 도면이다.

도 9는 신축성 연결 지주와 변위 새들을 개략적으로 나타내는 도면이다.

도 10은 다른 실시예로서의 (회전에 의해 이동 가능한) 지주와 변위 새들 시스템을 개략적으로 나타내는 도면이다.

이하에서 바람직한 특정 실시예와 전술한 바와 같은 도면을 참조하여 본 발명을 상세히 성명한다. 실시예에 대한 설명과 도면은 예시를 위한 것이며, 첨부된 특허청구범위에 규정된 본 발명의 사상을 제한하는 것으로 해석되어서는 아니 된 다.

도 1을 참조하면, 2개의 외측 구획부와 1개의 중앙 구획부로 이루어진 주 구조체(1)가 도시되어 있다. 시공 과정을 용이하게 하기 위한 목적의 2개의 외측 구획부는, 거푸집(formwork)과 주 하중을 지지하기 위한 중앙 구획부보다 위치가 낮다. 주 구조체는 트러스형 박스 거더이고 도 1에 도시된 바와 같은 구조를 갖는다. 지지체의 위치는, 전형적인 건설 기술에 대해서는 정해져 있어, 구조체의 경간과 동일한 길이를 갖는 각 콘크리트 타설 세그먼트(segment)가 기시공된 세그먼트의 전방 지지체로부터 경간의 약 1/5의 간격을 두고 시작된다.

주 구조체(1)는 2개의 외측 케이블(5)을 구비하는데, 주 구조체의 종방향 양측에 1개씩을 구비한다. 케이블은 반드시 또는 당연히 부착되지 않아야 하고 단일 스트랜드 또는 다중 스트랜드일 수 있다. 비부착 케이블은 그리스로 채워진 플라스틱 파이프로 설치되거나 다른 종래 기술의 해결 방법으로 설치될 수 있다. 각각의 상기 외측 케이블(5)의 편심(eccentricity)은, 2개의 대응 연결 지주(13)에 의해 지지되는 2개의 이격된 외측의 변위 새들(deviation saddle)(14)에 의해 달성된다. 각각의 상기 연결 지주(13)는 하나의 변위 새들(14)에 결합된 제1 단부와 상기 주 구조체(1)에 연결된 제2 단부를 구비한다. 상기 연결 지주(13)는 시공 공정을 용이하게 하기 위하여 (회전에 의하여) 접히거나 펼쳐질 수 있는 것이 바람직하다(도 10 참조).

두 케이블(5)의 각 단부는 2개의 고정구에 의하여 상기 주 구조체(1)에 고정된다. 두 외측 케이블(5)의 제1 단부는 종래의 고정형 또는 "수동형" 고정구에 의 하여 주 구조체에 고정된다. 도 3에 도시된 바와 같이, 이러한 고정구는 주 구조체(1)에 영구히 연결된 강성 판(15)에 고정된 종래 기술의 고정구 헤드(16)를 포함한다. 2개의 상기 케이블(5)의 타단부는 본 발명의 가동형 고정구에 부착된다.

도 4에 도시되어 있는 바와 같이, 본 실시예의 가동형 고정부는 하나의 유압 잭(23)에 부착된 강성 판(18)에 고정된 종래 기술의 고정구 헤드(16)를 포함한다. 상기 유압 잭은 주 구조체(1)에 영구히 연결된 강성 반응 판(17)에 고정된다.

중요한 점은 다양한 다른 실시예도 가능하다는 것인데, 예를 들면 반응 판(17)은 중앙 구획부의 케이블과 양측에 설치된 2개의 유압 잭을 구비할 수 있거나, 케이블의 수가 액츄에이터의 수와 같다면, 케이블은 액츄에이터를 통과(종래 기술의 중공 실린더를 통과)할 수도 있다.

기본 행정(stroke)에 의해 실시될 수 있는 유압 잭(23)의 운동에 의하여, 판(18)과 고정구 헤드(16)가 가압되어 주 구조체(1)로부터 멀어지면, 갠트리의 하나 또는 다수의 케이블에 장력을 가하여 구조체 내에 예응력의 레벨을 증가시키는 효과가 있게 된다. 이와는 반대로, 판(18)과 고정구 헤드(16)가 주 구조체(1)를 향해 접근하면, 갠트리의 하나 또는 다수의 케이블을 이완시키고 그에 따라 구조체 내의 예응력의 레벨을 감소시키는 효과가 있게 된다. 유압 잭(23)의 피스톤의 운동은, 이하에서 다시 설명할 유압 회로와 에너지 공급에 의하여 이루어진다. 유압 잭(23)에 의하여 판(18)에 가해져야 하는 힘의 세기는 피스톤에 의해 진행하는 행정의 수와 관련이 있고 컨트롤러로부터 수신된 처리 신호를 따르는데, 이러한 신호는 하나 또는 다수의 센서의 측정에 기초한다. 가동형 및 수동형 고정구 모두는, 고정구를 교체하거나 구조체를 운반할 필요가 있을 경우에 케이블을 이완시킬 수 있도록 설계된다.

다른 방법으로서, 도 9를 참조하면, 주 구조체(1)와 변위 새들(14) 사이에 유압 잭이 배치된 경우에, 비부착 케이블(5)의 장력 부여 및 이완은 신축형 지주(13)의 운동에 의해 달성될 수도 있다. 이러한 실시예에 있어서, 유압 잭의 피스톤이 신장되면, 대응하는 변위 새들(14)이 가압되어 주 구조체(1)로부터 멀어진다. 이러한 작동에 의하여 변위 새들에 연결된 케이블은 장력을 받게 되고 구조체의 예응력의 상승을 일으킨다. 이 경우에 액츄에이터는 힘과 편심도를 동시에 증가시키게 된다.

액츄에이터의 유압 회로는 도 7에 도시된 회로와 유사할 수 있다. 상기 유압 회로는 몇 개의 방향성 밸브(22), 몇 개의 압력 제한 밸브(25) 및 저장기(24)에 연결된 유압 펌프(20)와 그에 대응하는 모터(21)를 포함한다. 방향성 밸브(22)는 여러 개의 파이프 또는 튜브(8)를 통해 하나 또는 다수의 유압 잭(23)에 연결된다. 컨트롤러로부터의 지시 신호가 전기 모터(21)를 작동시키고, 전기 모터는 파이프(8) 내의 오일과 같은 유체의 유동을 일으킨다. 지시 신호는 방향성 밸브(22)도 작동시켜, 오일과 같은 유체의 유동 방향을 변경시킨다. 유압 시스템의 구조와 설치는 목적에 적합한 일반적 기술 또는 공지의 기술에 따라 이루어질 수 있다. 따라서, 액츄에이터가 하나보다 많을 경우(예를 들면, 잭이 하나보다 많을 경우)에, 그에 따라서 유압 시스템의 구조는 변경될 수 있다. 본질적으로, 조합된 유압 회로와 잭은 구조체 전체와 조화되어야 하기 때문에 아주 신속히 작동되는 것은 아니다. 상기 모터는 전기 모터인 것이 바람직하지만, 다른 사양의 모터도 마찬가지로 사용될 수 있다.

유압 시스템은 다음과 같은 요건을 갖추어야 한다.

(i) 각 유압 잭 상의 최대력은 유압 잭이 생성하여야 하는 예응력 부여력과 같다.

(ii) 각 피스톤의 최대 경로는, 최대 예응력 부여력을 생성하는 케이블의 장력 부여와, 예응력 부여 손실을 보상하기 위하여 필요한 경로와, 케이블 조립을 용이하게 하는 시공 경로의 합에 대응한다.

(iii) 각 피스톤의 최소 속도는, 시스템의 응답 시간이 대응 부하 시간과 같거나 작도록 설정된다.

(iv) 피스톤의 최대 속도는, 동적 문제를 피하기 위하여 다른 측정을 하지 않는다면, α 인자(동적 증폭 인자)가 시스템의 불안정성(아래의 식 (2)를 참조)을 포함하지 않도록 설정된다.

(v) 각 피스톤 내의 최소 압력은 그 크기가 갠트리 상의 삽입과 기하학적으로 양립하도록 설정된다.

전술한 바와 같은 조정 가능한 예응력 부여 시스템의 자동화를 구현하기 위하여, 본 발명의 갠트리는 주 구조체(1)의 구조적 거동을 감시하기 위한 적어도 하나의 센서를 구비한다. 바람직한 실시예에서, 주 구조체(1)에 설치되는 센서는 주 구조체(1)의 하면의 경간 중앙 근방의 영역에 위치하는 것이 바람직하다. 이 센서는, 예를 들면 제어 구획부 내의 프로파일에 부착되어 신율 변화와 그에 따른 장력 변화의 측정을 가능하게 하는 신장계이다. 주 구조체(1)는, 갠트리의 경간 중앙의 위치에 배치되어 압력과 그에 따른 고도 변화의 측정을 가능하게 하는 압력 변환기를 구비하는 것이 바람직할 수도 있다. 도 8에 도시된 바와 같이, 소정 위치(예를 들면, 하나의 칼럼 상방)에 배치된 유체 저장기(28) 내의 유체 액위와, 시공 거더의 경간 중앙에 배치되고 상호 연결부(27)로서 가요성 유체 라인을 구비한 적절한 압력 변환기(26) 사이의 정압 차이에 기초하여, 아주 간단하게 측정이 이루어질 수도 있다. 주 구조체의 모든 변형이 압력 센서에서 압력 변화로서 측정된다. 이 값은 수직 이동에 의해서 영향을 받을 뿐이고 수평 이동 또는 구조체 상의 압축 현상에는 둔감하다.

센서의 수가 증가할수록, 주 구조체(1)에 작용하는 외력 및 내력을 더욱 정확하게 검출할 수 있고, 따라서 모든 특정 시점에서 구조적 거동을 확실히 파악할 수 있다는 점은 자명하다. 예를 들면, 신장계는 여러 트러스 요소에 부착되고 유압 잭의 위치는 LVDT 센서에 의해 검증되는 것이 바람직하다. 그러나, 여분의 측정을 무시하지 않으면서, 하나의 측정만을 주 제어 알고리듬 내에서 고려하는 경우에 시스템은 더욱 간단해진다. 갠트리의 요소들의 근방, 표면 또는 내부, 또는 주 구조체(1)에 대하여 외부에 설치될 수 있는 하나 또는 다수의 보충 센서는, 물리적 연결부를 통하여 또는 무선 송신에 의하여 컨트롤러로 전송되는 데이터를 생성할 수 있기는 하나, 여분의 데이터를 제공할 뿐이다. 특히 변환기가 컨트롤러로부터 수십 cm 이격되어 있는 경우에, 각 센서의 현재의 출력 신호는 열 변동과 전자장에 대하여 영향을 받지 않는다는 점을 고려하여야 한다.

전술한 바와 같이, 본 발명의 컨트롤러(6)는 적어도 하나의 컴퓨터 또는 컴퓨터 소프트웨어 프로그램이나 처리 코드를 구비한 자동 장치(예를 들면 PCL)을 포함한다. 이러한 컴퓨터 소프트웨어는 상기 하나 또는 다수의 센서(2)로부터의 데이터의 수신 단계(phase)와, 상기 하나 또는 다수의 센서(2)로부터 수신된 상기 데이터를 처리하기 위한 처리 단계와, 하나 또는 다수의 액츄에이터에 처리 데이터를 전송하거나 신호를 지시하는 전송 단계를 포함한다. 상기 하나 또는 다수의 센서(2)와 컨트롤러(6) 사이의 거리는 한정적인 특징이 아니라는 점에 유의하여야 한다.

상기 컴퓨터 소프트웨어 프로그램 또는 처리 코드의 개발은, 사용되는 컴퓨터 또는 자동 장치와 호환되는 언어로 공지의 연산 기술에 따라 이루어질 수 있다. 상기 프로그램 또는 처리 코드의 목적은 조정 가능한 예응력 부여 시스템의 자동 장치 제어를 위한 제어 방안을 제공하기 위한 것이다.

일반적으로, 아래의 제어 방안들 중 하나가 채용된다.

a) 경간의 1/2의 취약 구획부(제어 구획부)의 장력 제어

b) 갠트리 경간 중앙의 만곡 제어

개발된 제어 방안 (a)는 전형적인 "온-오프"(on-off)와 유사한 간단한 알고리듬으로 된다. 기본적으로, 액츄에이터가 하나뿐인 갠트리의 경우에, 제어 구획부 상에서 트랙션이 증가하면, 유압 잭의 피스톤은 미리 설정된 행정만큼 전진(주 구조체(1)로부터 멀어지도록 이동)하여 예응력 부여력이 증폭된다. 반면에, 트랙션이 감소하면, 유압 잭(23)이 미리 설정된 행정만큼 후퇴(주 구조체로 접근)하여 예응력 부여력이 감소한다.

전술한 알고리듬은 도 5의 도면에 도시되어 있다. 이 알고리듬은 다음과 같은 수학식으로 표현될 수도 있다.

식 (1)

여기서,

는 사하중(dead loading)에 의한 제어 단면 구획부 i 내의 관련 파이버(fibre)에서의 응력이고,

는 순간 t에서 활하중(live loading)에 의한 제어 단면 구획부 i 내의 관련 파이버에서의 응력이고,

는 하나의 유압 잭 행정 내에 생성된 제어 단면 구획부 i 내의 관련 파이버에서의 응력 증분이고,

nc_t와 nc_{t +Δt}는 순간 t와 t+Δt에서 진행된 행정의 수이고,

는 자동 조정 예응력의 작용에 의한 제어 단면 구획부 i 내의 관련 파이버에서의 응력이고,

Δ_ci와 Δ_ai는 조정 시스템의 압축 한계(compression margin)와 작동 한계 (activity margin)이다(이들은 센서가 신호를 생성하도록 하는 응력 레벨이다).

이러한 유형의 알고리듬의 채용 후에, 불안정성을 피하기 위하여 제어 설정치를 설정하는 조치가 후속된다.

전형적으로 갠트리의 하중은 매우 서서히 부여되는데, 예를 들면 교량 데크와 같은 구조체의 콘크리트 타설은 수시간이 걸릴 수 있다. 따라서, 동적 증폭 효과를 피하는 것이 특히 용이하다. 각 행정의 시간 주기가 주 구조체(1)의 자연 진동 주기보다도 수배 더 길도록 보장하는 것이 필요할 뿐이다. 그럼에도 불구하고, 동적 증폭은 정량화되어야 하고 아래의 식을 만족하여야 한다.

식 (2)

여기서, α는 한 행정의 액츄에이터의 배타적 작용 중에 측정된 동적 증폭 인자를 나타내고, δj는 각 불확정도 j를 나타낸다.

소프트웨어 필터를 사용함으로써, 예를 들면 평균치와 상당히 다른 데이터를 무시함으로써, 동적 문제를 피할 수도 있다.

본 발명의 일반적인 적용에 있어서 고려해야 하는 근본적인 불확정도는, 신장계 표시치(reading)의 최대 오차와 동일한 신장에 의한 제어 구획부 상의 장력의 차이(δ1)와, 기본 행로 운동 중의 유압 잭(23)의 피스톤의 위치 설정의 최대 오차에 의한 제어 구획부 상의 장력의 차이(δ2)이다(후자는 그 자체가 여러 불확정도, 즉 구조체(1)와 케이블(5)의 재료 특성, 장력 손실 및 시공 오차와 관련된 불확정도를 갖는다).

전술한 오차(또는 재료 물성의 최대 편차)가 설비 및 재료 공급자에 의해 정량화되더라도, 교정 공정 중에 각각의 값을 실험적으로 정량화하기 위해서는 테스트를 실시하여야 한다.

이러한 유형의 적용에 있어서, 하중 부여가 비교적 긴 시간 동안에 걸쳐서 이루어지면, 반응 지연은 일반적으로 무시된다.

동시에, 아래의 식이 검증되어야 한다.

식 (3)

이 식을 만족하게 되면, 하중이 없는 경우에 시스템이 초기 위치로 복원되는 것이 보장된다.

제어 설정치의 설정은 아래의 방법으로 이루어진다.

- 피스톤 행정(

) 중에 액츄에이터에 의해 생성되는 제어 구획부 i의 장력 증가는, 허용 가능한 정확도로 유압 잭(23)에 의해 이루어질 수 있는 최단 경로의 함수로 정의된다(케이블의 장력 부여와 동일한 행정을 알고 있으면, 예응력을 알 수 있으며, 따라서 제어 구획부의 각각의 장력 변화도 결정할 수 있다.)

- (소정 설비 및 재료의 함수로서) 그러한 값들을 알고 불확정도의 합도 알 수 있으면, 식 (3)을 이용하여 Δ_ai를 결정할 수 있다.

- α의 값을 미리 설정하고 시험을 통하여 확인한다.

- 마지막으로, 식 (2)에 따라 Δ_ci를 설정한다.

제어 방안 (b)는 제어 방안 (a)와 유사한 알고리듬에 의하여 결정될 수 있다. 이 경우에, 제어 변수는 경간 중앙의 만곡도이고, 도 8의 센서의 실시예가 채용된다. 기본적으로, 하나의 액츄에이터를 구비하는 갠트리의 경우에, 경간 중앙의 만곡도가 미리 설정된 값을 초과하면, 유압 잭의 피스톤은 소정 행정만큼 전진(주 구조체(1)로부터 멀어지도록 이동)하는데, 다시 말하자면 예응력 부여력이 증대된다. 반면에, 경간 중앙의 만곡도가 미리 설정된 또 다른 값(주 거더의 경간 중앙의 구획부는 "상당히 높음")을 초과하면, 유압 잭(23)은 소정 행정만큼 후퇴(주 구조체(1)로 접근)하는데, 다시 말하자면 예응력 부여력이 감소한다. 이러한 제2 방안 (b)는 제어 방안 (a)보다 용이하게 적용될 수 있고 (센서가 배치된 위치에서의) 국소적 현상에 민감하지 않다. 이러한 방안은 식 (1)과 유사한 식을 통하여 수학적으로 표현될 수도 있다.

액츄에이터가 하나보다 많은 갠트리에 대해서도, 이러한 과정은 용이하게 일반화될 수 있다. 콘크리트 타설이 이루어지는 방식을 고려하거나 교량의 곡선형 데크에서와 같은 비대칭 하중을 고려하여, 더욱 신뢰적인 방안을 수립할 수 있다.

제어판(control board)은 각 경우의 선호도와 필요성을 고려하여 일반적인 기술에 따라 설계될 수 있다. 제어판은 풀 버튼(pull button) 또는 디지털 인터페이스에 의하여 작동될 수 있다. 제어판은 갠트리(1) 내에 액츄에이터와 유압 펌프(20) 근방에 배치되는 것이 바람직하다.

당해 분야의 당업자에게는 자명한 바와 같이, 시스템의 제어는 반자동으로 이루어질 수도 있고, 이 경우에 인간인 작업자가 자동 장치 제어 유닛을 대신하게 된다. 이러한 방안에 있어서는, 유압 회로와 유압 잭을 제어, 즉 가해지는 힘의 세기와 방향을 제어하는 제어판은 간단해진다. 인간 작업자는 주 구조체의 근방, 표면, 내측 및/또는 외측에 배치된 센서의 표시치를 수신하고 이를 해석하여, 하나 또는 다수의 잭의 작동뿐만 아니라 그러한 작동의 방향과 레벨도 제어한다. 이러한 반자동 시스템은 전술한 완전 자동 시스템보다도 오차가 더 발생하는 경향이 있기는 하나, 본 발명의 또 다른 실시 가능한 실시예를 제공한다.

본 발명의 갠트리가 예를 들어 한 경간으로부터 다른 경간으로 용이하게 이동하기 위해서는, 특정 기능 요건을 고려하는 것이 가장 중요하다. 이러한 목적으로, 구조체의 외곽(contour)으로부터 상당히 돌출하는 갠트리의 특정 요소가 이동, 후퇴 또는 분리 가능하도록 설계된다. 이러한 구성은 연결 지주(13), 변위 새들(14) 및 케이블(5)에 있어서 특히 중요하다. 이러한 목적을 달성하기 위하여 각 시공 특성에 따라 여러 해결책이 고려될 수 있다. 하나의 가능한 실시예에서는, 2차 유압 잭에 의해 배치되고 구조적 고정 장치에 의하여 회전 경로가 제한되는 회전형 지주가 본 발명에 제공된다(도 10 참조).

주 구조체(1)는 길이가 다른 여러 경간에 적합화되도록 여러 모듈형 구획부로 분할될 수 있다는 점도 예상할 수 있다. 이러한 특징은 종래 기술에 따른 많은 현행 갠트리에 흔히 채용된다.

구조 설계의 특징에 따르면, 고정구 영역의 근방과 연결 지주(13)가 주 구조체(1)에 연결되는 위치에 보강체(12)가 조립될 수 있다.

변위 새들은 하나 또는 다수의 케이블과의 접촉 구획부 내의 몇몇 미끄럼 부 재(미도시)로 설계될 수 있고, 미끄럼 부재는 케이블에 접선 경로를 제공하고 그에 따라 높은 마찰력을 저감시켜 마멸 피로를 방지할 수 있다. 그러한 목적으로 윤활 바퀴가 사용될 수도 있다.

2개의 고정 지주에 2개의 조정식 너트를 설치하여 피스톤의 이동을 약간 지연시킴으로써, 유압 구성요소가 고장 났을 때에 액츄에이터가 후퇴하는 것을 방지하는 안전성 기계적 유지 시스템을 액츄에이터 근방에 제공할 수도 있다.

액츄에이터의 유압 회로 내에는 방향성 밸브와 피스톤 사이에 수개의 추가 유지 밸브가 설치될 수 있고, 따라서 예응력 부여 손실을 방지한다. 시스템은 안전상의 위험을 감지하기 위한 경보기를 갖추는 것이 바람직하다. 경보와는 별도로, 비상 신호 또는 메시지가 제어실(control cabinet)로 전송될 수 있거나 소정 위치의 기술자 및 작업자의 휴대폰으로 전송될 수 있다. 또한, 에너지 공급 중단 시에 전력을 확보하기 위하여, 무정전 전원(Urgent Power Supply, UPS) 시스템을 구성하여 설치하는 것이 바람직하다.

사안의 중요성 및 잠재적인 위험에 따라, 대부분의 전기 부품들과 유압 회로의 몇몇 요소들에 대해서는 여분의 부품과 요소를 준비해 두어야 한다.

실제의 시공 현장에서 갠트리에 하중을 부여하기 전에, 일련의 예비 테스트 및 교정 테스트와 같은 특정 과정을 거치는 것이 바람직하다. 이러한 테스트에 의하여, 기계적 및 구조적 특성과 상태를 확인할 수 있을 뿐만 아니라, 연결 상태, 케이블의 탄성, 하나 또는 여러 감지기의 성능 및 하나 또는 다수의 액츄에이터의 기능과 정확도를 평가할 수 있다. 전체 시스템이 적정 수준으로 조정될 때까지 이 러한 테스트를 실시하여야 한다.

Claims (17)

1. 교량, 고가교 및 기타 구조체의 시공에 사용되는 갠트리로서,

   주 구조체,

   적어도 하나의 비부착 케이블,

   상기 비부착 케이블의 일단부를 상기 주 구조체에 고정하기 위한 제1 고정구 및

   상기 비부착 케이블의 타단부를 상기 주 구조체에 고정하기 위한 제2 고정구를 포함하는 캔트리에 있어서,

   상기 주 구조체의 하중 또는 내력을 나타내는 상기 주 구조체 내의 물리적 변화를 측정할 수 있는 적어도 하나의 센서 유닛과, 측정된 측정치를 판독 가능한 데이터로 변환시키고 상기 데이터를 컨트롤러로 전송하는 전기 인터페이스와, 상기 주 구조체와 상기 비부착 케이블 사이에 영구히 배치되고 상기 컨트롤러에 따라 상기 비부착 케이블의 장력을 변화시키도록 구성된 액츄에이터를 포함함으로써,

   상기 장력은, 주 구조체 내의 하중 또는 내력의 증가에 따라 증가하거나, 상기 주 구조체의 하중 또는 내력의 감소에 따라 감소하는 것을 특징으로 하는 갠트리.
2. 제1항에 있어서,

   상기 컨트롤러는 적어도 컴퓨터 프로그램 또는 처리 코드를 작동시킬 수 있는 적어도 컴퓨터 또는 자동 장치인 것을 특징으로 하는 갠트리.
3. 제1항 또는 제2항에 있어서,

   상기 컴퓨터 프로그램 또는 처리 코드는, 상기 센서에 의하여 전송된 상기 데이터를 판독할 수 있고, 상기 액츄에이터에 의하여 상기 비부착 케이블에 가해진 힘의 세기 및/또는 방향을 연산할 수 있는 것을 특징으로 하는 갠트리.
4. 제1항에 있어서,

   상기 컨트롤러는 상기 적어도 하나의 액츄에이터에 연결된 스위치 보드를 수동으로 제어하는 인간 작업자인 것을 특징으로 하는 갠트리.
5. 제1항에 있어서,

   상기 비부착 케이블은 상기 주 구조체의 윤곽의 내측 또는 외측에 존재하는 것을 특징으로 하는 갠트리.
6. 제1항 또는 제5항에 있어서,

   상기 비부착 케이블은 선형 또는 다중-선형 배치를 갖는 것을 특징으로 하는 갠트리.
7. 제1항에 있어서,

   상기 주 구조체에 대하여 멀어지거나 접근하는 고정구의 이동의 결과로서, 상기 비부착 케이블의 장력은 상기 액츄에이터에 의하여 증가하거나 감소하는 것을 특징으로 하는 갠트리.
8. 삭제
9. 삭제
10. 제1항에 있어서,

    상기 액츄에이터는, 상기 비접합 케이블을 지지하는 새들에 착탈 가능하게 연결된 제1 단부와 상기 주 구조체에 착탈 가능하게 연결된 제2 단부를 구비하는 적어도 하나의 신축형 지주인 것을 특징으로 하는 갠트리.
11. 제1항 또는 제10항에 있어서,

    상기 새들을 지지하는 지주 또는 지주들은 병진 또는 회전에 의하여 후퇴 가능하거나 이동 가능한 것을 특징으로 하는 갠트리.
12. 제1항에 있어서,

    상기 센서 또는 각 센서는 갠트리의 요소들의 근방, 표면 또는 내측에 배치되거나 상기 주 구조체의 외측에 배치된 것을 특징으로 하는 갠트리.
13. 제1항 또는 제12항에 있어서,

    상기 센서는 신장계, 압력 변환기, LVDT, 레이저 센서, 차지 셀, 경사계, 압전 센서 또는 그와 유사한 장치인 것을 특징으로 하는 갠트리.
14. 제3항에 있어서,

    상기 액츄에이터에 의해 가해진 힘의 세기 및/또는 방향의 연산을 위하여 상기 센서 또는 각 센서에 의해 측정된 데이터는, 적어도 압력, 만곡, 회전, 변형, 응력 또는 하중 레벨인 것을 특징으로 하는 갠트리.
15. 제1항에 있어서,

    상기 센서와 상기 컨트롤러 사이에서의 판독 가능 데이터의 전송과, 상기 컨트롤러와 상기 액츄에이터 또는 각 에츄에이터 사이에서의 처리 데이터의 전송은, 전자 회로, 광섬유 통신, 무선 주파, 적외선, WI-FI 또는 블루투스 기술에 의해 실시되는 것을 특징으로 하는 갠트리.
16. 제1항에 있어서,

    거푸집(현장 타설 구조체), 프리캐스트 세그먼트, 프리캐스트 거더 또는 다른 재료의 구조 요소용 지지체를 제공할 수 있는 것을 특징으로 하는 갠트리.
17. 기존 갠트리에 자동 조정형 예응력 부여 시스템을 제공하는 방법에 있어서,

    상기 기존 갠트리는 제1항에 따른 구성요소들을 갖춘 것을 특징으로 하는 방법.

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