KR101201244B1 - 광섬유센서 기반의 교량 내하력 평가 시스템 및 그 방법 - Google Patents

광섬유센서 기반의 교량 내하력 평가 시스템 및 그 방법 Download PDF

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이국호
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Abstract

본 발명은 광섬유센서 기반의 교량 내하력 평가 시스템 및 그 방법에 관한 것으로서, 본 발명의 목적은 현장에서 계측을 위한 시간 및 비용을 최소화하고, 가속도 응답과 변형률 응답을 정밀하게 측정할 수 있어 교량 내하력 산정결과의 신뢰도를 크게 향상시킬 수 있는 광섬유센서 기반의 교량 내하력 평가 시스템 및 그 방법을 제공하는 것이다.
본 발명에 따른 광섬유센서 기반의 교량 내하력 평가 시스템은, 교량을 따라 포설되는 광섬유 케이블과; 상기 광섬유 케이블에 직렬로 연결되며 상기 교량에 설치되어 상기 교량의 가속도를 센싱하는 광섬유 가속도계와; 상기 광섬유 케이블에 직렬로 연결되며 상기 교량에 설치되어 상기 교량에 발생된 변형률을 센싱하는 광섬유 변형률계와; 상기 광섬유 케이블을 통해 상기 광섬유 가속도계 및 상기 광섬유 변형률계와 연결되어 상기 교량에 발생된 가속도 신호와 변형률 신호를 계측하는 계측부; 및 처짐보정계수와 충격보정계수를 산정하여 상기 교량의 내하력을 산출하는 연산부를 포함하고, 상기 연산부는, 상기 계측부가 상기 광섬유 가속도계를 통해 계측한 상기 가속도 신호를 이용하여 상기 처짐보정계수를 산정하고, 상기 계측부가 상기 광섬유 변형률계를 통해 계측한 상기 변형률 신호를 이용하여 상기 충격보정계수를 산정하는 것을 특징으로 한다.

Description

광섬유센서 기반의 교량 내하력 평가 시스템 및 그 방법{SYSTEM AND METHOD BASED ON OPTICAL FIBER SENSOR FOR EVALUATING LOAD-CARRYING CAPACITY OF BRIDGE}
본 발명은 교량의 내하력 산정 시스템 및 그 방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 광섬유센서를 기반으로 하여 교량의 내하력을 보다 정밀하게 산정할 수 있고 높은 평가 신뢰도를 보장할 수 있는 광섬유센서 기반의 교량 내하력 산정 시스템 및 그 방법에 관한 것이다.
교량의 건전도 및 안전상태를 진단하기 위하여 교량 내하력 산정이 실시되는데, 교량의 내하력을 평가하기 위해 수행하는 종래 재하실험은 많은 문제점을 내포하고 있다. 일반적으로 현재 수행되고 있는 재하실험은 교량에 설치된 센서를 통해 교량의 변형률과 처짐과 같은 단순한 응답들을 획득하여 실시되는데, 이러한 응답들을 이용하여 교량의 모든 거동을 표현하기에는 한계가 있다. 따라서, 지점부의 거동과 같이 측정하기 힘든 구조적 특성을 파악하거나 구조물의 전체적 거동을 파악하기 위해서는 수많은 센서를 설치해야 하며 이는 실험에 많은 비용과 시간이 소요될 뿐만 아니라 현실적으로 어려운 문제이기도 하다.
또한, 재하실험에 사용되는 변형률계나 처짐계와 같은 센서들은 교량 하부에 설치하여야 하므로 교량 주위 환경에 따라 설치가 어려운 경우가 많으며, 케이블 길이에 따른 잡음, 부착 부위의 상태 및 여타 환경적 요인들에 의하여 매우 큰 결과의 편차를 보이는 것이 현실정이다.
특히, 최근 많이 이용되고 있는 처짐계의 경우, 교량하부로부터 움직이지 않는 기준점을 기준으로 계측을 해야만 하므로 하천상의 교량과 교하공간이 높은 교량의 경우 처짐계 및 변형률게이지 등의 설치가 거의 불가능하다. 또한, 재하실험은 계측과 관련된 환경적, 기계적 문제뿐만 아니라 재하실험을 위하여 교량 상부의 통행을 제한해야 한다는 사회적인 문제점도 내포하고 있다.
전술한 문제점을 극복하기 위하여, 한국공개특허 제2008-0016116호에서는 도 1과 같은 설치 구조를 갖고, 교량의 고유진동특성을 이용하여 교량의 현상태를 평가하는 방법을 제안하였다. 도 1을 참조하면, 한국공개특허 제2008-0016116호의 교량 내하력 산정 시스템은 교량의 중앙선을 기준으로 상행선 차로 방향과 하행성 차로 방향에 전기식 가속도계(1a,1b)를 각각 설치하고 각각의 전기식 가속도계로부터 케이블(2a,2b,2c,2d,2e,2f)을 각 인출하여 계측장치(3)로 접속시켜 가속도 신호를 계측하고, 이를 이중적분하여 변위를 추정하는 방식으로 내하력을 산정할 수 있도록 구성된다.
이처럼 한국공개특허 제2008-0016116호의 상시진동실험을 이용할 경우 차량의 통행을 제한할 필요없이 교량의 내하력을 산정할 수 있는 장점이 있다.
그러나 한국공개특허 제2008-0016116호에서 제시한 교량 내하력 산정 시스템 내지 방법은 기존의 교량 내하력 평가 시스템에 비하여 일부 개선된 것은 사실이나 다음과 같은 문젬점을 여전히 내포하고 있다.
교량과 같은 구조물의 동특성 측정을 위해서는 다수 지점에서의 가속도 측정이 필요한 바, 많은 수의 전기식 가속도계가 설치되어야 한다. 그런데, 다수의 전기식 가속도계에는 물리적으로 분리된 다수의 케이블이 각각 연결되어 포설되어야하기 때문에 결국 많은 비용과 시간이 소요되는 문제점이 있다.
또한, 중앙선을 기준으로 상하행선의 응답을 동시에 측정하여야 하기 때문에, 절반의 케이블을 측정장비가 있는 반대편으로 이동시켜야 하는 번거로움이 존재하고, 케이블이 길어지게 되면 노이즈 증가로 측정응답의 신뢰도가 저하되는 단점이 있다.
또한 충격보겅계수 산정을 위한 가속도 신호를 이용한 변위 추정시, 가속도의 이중적분에 의하여 처짐을 추정하게 되는데, 초기조건이 '0'인 경우에는 측정된 가속도 신호만을 적분하여 변위응답을 구할 수 있으나 초기조건이 존재하는 일반적인 경우에는 초기조건을 고려하지 않으면 편기오차 누적에 의하여 물리적으로 무의미한 변위응답을 얻게되는 오류를 범하게 된다. 일반적인 교량의 경우에는 차량이 한 대만 지나가는 경우라 하더라도 측정 가속도계에는 일정수준의 DC 성분이 항시 존재하기 때문에, 측정가속도를 이용한 변위응답의 추정은 오차가 매우 큰 것으로 알려져 있다.
따라서, 한국공개특허 제2008-0016116호에서 제안한 교량 내하력 산정 시스템 내지 방법은 종래 재하실험기법의 단점을 일부 개선한 것은 사실이나 현장에서의 계측을 위한 시간 및 비용이 과다하게 요구되고, 충격보정계수를 산정함에 있어 신뢰도가 매우 저하되는 한계가 있다.
한편, 최근 무선계측 기술의 발달로 무선계측기를 이용한 방법이 적용될 수 있으나, 교량의 동적응답을 측정하기 위하여 일반적으로 가속도계와 무선계측기를 교량상부에 올려 놓는데, 교량 상판과 무선계측기 안테나가 너무 근접하여 설치되면, 무선통신 거리가 확연히 줄어드는 단점이 있고, 차량통행량이 너무 많거나 교량이 곡선교 또는 캠버가 큰 경우에는 무선 송수신이 잘되지 않는 현실적인 단점이 있다. 또한, 구조물의 모드형상은 계측응답의 위상각 및 상관함수 등을 사용하기 때문에 센서 응답의 시간 동기화가 매우 중요함에도 불구하고, 무선계측기는 일반적으로 계측기와 계측기간의 시간지연차가 발생되는 바, 이러한 무선계측기는 일반적으로 시간지연차로 인하여, 분석된 동특성 응답에 오류가 발생될 수 있는 문제점을 내포하고 있다.
그리고 구조물의 고유진동수 등의 동특성 변동은 구조물의 기능저하에 의해서도 발생되지만, 온도변화에 의해서도 변화되는데, 이러한 온도변화에 대한 고려가 전혀없어, 실시되는 계절별/온도별 환경조건에 따라서, 결과가 상이하게 산정되는 단점 또한 내포하고 있다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 본 발명의 목적은 현장에서 계측을 위한 시간 및 비용을 최소화하면서도, 변위보정계수와 충격보정계수를 정밀하게 측정할 수 있어 교량 내하력 산정결과의 신뢰도를 크게 향상시킬 수 있고, 누구나 범용적으로 사용이 가능한 상시진동에 의한 동특성 추정 및 유한요소모델 최적화 알고리즘을 탑재한 광섬유센서 기반의 교량 내하력 평가 시스템 및 그 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 계절변화에 따른 교량의 온도변화와 이에 의한 교량의 고유진동수 변동을 반영하여 교량의 내하력을 산정할 수 있는 광섬유센서 기반의 교량 내하력 평가 시스템 및 그 방법을 제공하는 것이다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 광섬유센서 기반의 교량 내하력 평가 시스템은, 교량을 따라 포설되는 광섬유 케이블과; 상기 광섬유 케이블에 직렬로 연결되며 상기 교량에 설치되어 상기 교량의 가속도를 센싱하는 광섬유 가속도계와; 상기 광섬유 케이블에 직렬로 연결되며 상기 교량에 설치되어 상기 교량의 충격계수를 산정하는 광섬유 변형률계와; 상기 광섬유 케이블을 통해 상기 광섬유 가속도계 및 상기 광섬유 변형률계와 연결되어 상기 교량에 발생된 가속도 신호와 변형률을 계측하는 계측부; 및 처짐보정계수와 충격보정계수를 산정하여 상기 교량의 내하력을 산출하는 연산부를 포함하고, 상기 연산부는, 상기 계측부가 상기 광섬유 가속도계를 통해 계측한 상기 가속도 신호를 이용하여 상기 처짐보정계수를 산정하고, 상기 계측부가 상기 광섬유 변형률계를 통해 계측한 상기 변형률 신호를 이용하여 상기 충격보정계수를 산정하는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명에 따른 광섬유센서 기반의 교량 내하력 평가 시스템은, 광섬유 케이블에 연결되며 상기 교량에 설치되어 상기 교량의 온도를 센싱하는 광섬유 온도센서를 더 포함하고, 계측부는 상기 광섬유 온도센서와 연결되어 상기 교량의 온도를 계측하고, 연산부는 교량의 내하력을 산출시, 상기 계측부로부터 계측된 상기 온도 정보를 이용하여 해당 교량의 온도에 따른 고유진동수 변동량을 반영하는 보정을 더 행하는 것을 또 하나의 특징으로 한다.
본 발명에 따른 광섬유센서 기반의 교량 내하력 평가 시스템 및 그 방법에 의하면, 하나의 케이블 상에 다수 개의 광섬유 가속도계, 변형률계, 온도센서를 동시에 설치하는 멀티플레싱이 가능하고, 이러한 시스템 구성을 기반으로 가속도 응답, 변형률 응답은 물론 온도정보까지 모두 동시에 측정할 수 있으므로 교량 내하력 평가에 소요되는 시간과 비용을 대폭 단축시킬 수 있는 현저한 효과가 있다.
또한, 통신수단으로서 빛을 사용하므로 광섬유케이블의 길이 증대 내지 주변환경(예컨데, 전자기파 등)에 의한 영향이 거의 없어 신호에 노이즈 및 왜곡이 발생되지 않아 측정 정밀도가 매우 높은 장점이 있다.
또한, 실측된 가속도를 이중적분하여 해당 교량의 변위를 추정하는 방식이 아닌, 교량으로부터 직접 변형률을 계측하여 충격보정계수(Kｉ)를 산정함에 따라 측정결과에 대한 신뢰도를 크게 향상시킬 수 있는 탁월한 효과가 있다
또한, 계절별 온도에 따른 영향(즉, 고유진동수 변동량)도 함께 고려하여 교량의 내하력을 산정할 수 있게 되므로 교량 내하력을 보다 정밀하게 평가할 수 있는 현저한 효과가 있다.
도 1은 종래 전기식 가속도계를 이용한 교량 내하력 산정 시스템의 개략도.
도 2는 본 발명에 따른 광섬유센서 기반의 교량 내하력 평가 시스템의 블록구성도
도 3은 본 발명에 따른 광섬유센서 기반의 교량 내하력 평가 시스템이 설치된 교량을 개력적으로 도시한 도면.
도 4는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 광섬유센서 기반의 교량 내하력 평가 시스템의 광섬유 가속도계의 분해사시도.
도 5는 도 4의 결합사시도.
도 6(a) 및 (b)는 본 발명의 고정나사에 결합되는 추가질량체의 세부 위치를 조절하여 측정감도의 미세 조정을 수행하는 방법을 도시한 측면도.
도 7은 도 5의 단면도로서, 본 발명에 따른 광섬유 가속도계의 사전응력 (Pre-stressing) 조절 수단을 설명하기 위한 도면.
도 8은 본 발명에 따른 광섬유센서 기반의 교량 내하력 평가 방법의 업무 흐름도.
도 9는 광섬유센서 기반의 교량 내하력 평가 시스템의 또 다른 실시예.
도 10은 종래 전기저항식 변형률계와 본 발명의 광섬유 변형률계의 동일하중에 대한 응답 특성 비교 데이터.
본 발명은 광섬유센서를 기반으로 구성된 교량 내하력 평가 시스템을 통해, 교량의 내하력을 측정함에 있어서 차량통제가 필요없고 계측 시간 및 비용을 대폭 절감할 수 있으며 특히 정밀도를 크게 향상시킬 수 있는 기술 특징을 개시한다.
도 2는 본 발명에 따른 광섬유센서 기반의 교량 내하력 평가 시스템의 블록구성도이다.
도 2를 참조하면, 본 발명의 광섬유센서 기반의 교량 내하력 평가 시스템은 광섬유케이블(100), 광섬유센서(200), 계측부(300) 및 연산부(400)로 구성되고, 광섬유센서(200)로는 광섬유 가속도계(210)와 광섬유 변형률계(220)가 사용되고, 바람직하게는 광섬유 온도센서(230)를 더 포함한다.
광섬유케이블(100)은 계측부(300)로부터 발생된 광소스를 광섬유센서(200) 방향으로 전송하고, 광섬유센서(200)로 인해 유발된 반사파장(즉, 센싱 신호)이 계측부(300)로 인입될 수 있도록 하는 매질로서, 이러한 광섬유케이블(100)은 교량을 따라 설치된다.
교량의 변형률(또는 응력)과 처짐은 하중에 따라서 변동되는 물리량이나, 가속도 측정에 의한 고유진동수나 모드형상은 구조물의 고유값으로 하중에 상관없이 일정한 값을 나타낸다.
광섬유 가속도계(210)는 이처럼 구조물(즉, 교량)에 발생되는 가속도를 센싱함으로써 고유진동수를 파악하기 위한 구성부로서 다수 개로 구비되고, 다수 개의 광섬유 가속도계(210)는 하나의 광섬유케이블(100)에 직렬로 연결되며 교량에 설치된다.
광섬유 가속도계(210)는 FBG(Fiber Bragg Gratings) 방식의 광섬유센서(200)로 구성된 것을 특징으로 한다. 보다 구체적으로는, 광섬유 가속도계(210)는 캔틸레버 구조의 중량부재를 이용한 가속도계로 구성되어 교량의 진동에 연동하여 캔틸레버가 휘어지는 현상을 이용하여 교량의 가속도를 측정하게 된다.
특히, 본 발명의 교량 내하력 평가 시스템은 이처럼 광섬유 가속도계(210)를 통해 실측되는 가속도 응답으로부터 해당 교량에 발생된 가속도 정보를 산출하고, 이를 기반으로 하여 처짐보정계수(Kδ)를 산정하도록 구성된 것을 특징으로 한다.
광섬유 변형률계(220)는 교량에 발생되는 변형률을 센싱함으로써 교량의 충격계수를 산정하기 위한 구성부로서, 광섬유케이블(100)에 연결되며 교량에 설치된다.
광섬유 변형률계(220)는 FBG(Fiber Bragg Gratings) 방식의 광섬유센서(200)로 구성된 것을 특징으로 한다. 즉, 광섬유케이블(100)에 특정파장을 반사시키는 브래그 격자를 생성시키고, 교량의 운동(예컨데, 처짐, 변형 등)에 의해 브래그 격자가 인장-압축됨에 따라 반사되는 파장이 달라지는 성질을 이용하여 초기 파장에서 변화된 반사파장의 변화량을 계산함으로써 교량에 발생한 변형률을 센싱할 수 있게 된다.
본 발명의 교량 내하력 평가 시스템에 적용되는 광섬유 변형률계(220)는 FBG 광섬유센서(200)로 이루어져 교량에 발생되는 변형률을 탐지할 수 있는 것이라면 그 구성 및 종류를 특별히 한정하지 않으며 공지된 다양한 형태의 FBG 광섬유 변형률 센서를 채용할 수 있다.
특히, 본 발명의 교량 내하력 평가 시스템은 이처럼 광섬유 변형률계(220)를 통해 측정되는 변형률 응답으로부터 충격보정계수(Kｉ)를 산정하도록 구성된 것을 특징으로 한다.
전술한 바와 같이, 본 발명의 교량 내하력 평가 시스템은 다양한 종류의 광섬유센서(200)가 구비되는데, 이러한 광섬유 가속도계(210), 광섬유 변형률계(220), 광섬유 온도센서(230)는 하나의 광섬유케이블(100) 상에 상호 간격을 두고 직렬로 연결되며 설치되고, 상기 광섬유케이블(100)의 일단에는 계측부(300)가 연결 설치된다. 따라서, 본 발명의 교량 내하력 평가 시스템은 가속도, 변형률 및 온도와 같은 상이한 물리량을 하나의 라인(즉, 광섬유케이블)으로 그리고 하나의 장치(즉, 계측부(300))로 한번에 측정 가능한 장점이 있다.
계측부(300)는 광섬유케이블(100)을 통해 광섬유 가속도계(210) 및 광섬유 변형률계(220)와 연결되어 교량에 발생된 가속도 신호와 변형률 신호를 측정하는 구성부로서, 구체적으로는 광섬유케이블(100)의 단부에 연결되어 광섬유케이블(100)에 광을 인가한 후 상기 광섬유 케이블(100)에 직렬로 연결되어 있는 각각의 광섬유 가속도계(210) 및 광섬유 변형률계(220)로부터 반사되어 돌아온 빛의 파장의 변화 여부를 분석하여 해당 광섬유센서(200)가 설치된 영역의 가속도와 변형률을 산출한다.
연산부(400)는 계측부(300)가 광섬유 가속도계(210)를 통해 계측한 가속도 정보로부터 해당 교량의 고유진동수 및 모드형상을 구하고, 이를 기반으로 해석모델을 개선하여 현재의 상태를 반영한 개선 모델을 얻고, 이렇게 개선된 해석모델을 이용하여 처짐보정계수(Kδ)를 산정하는 기능을 한다.
또한, 연산부(400)는 계측부(300)가 광섬유 변형률계(220)를 통해 계측한 변형률 정보를 이용하여 충격보정계수(Kｉ)를 산정하는 기능을 한다.
그리고, 연산부(400)는 산출된 처짐보정계수(Kδ)와 충격보정계수(Kｉ)를 이용한 연산을 통해 해당 교량의 내하력을 산정하는 기능을 한다. 참고로, 연산부(400)가 교량 내하력 산정시 사용되는 연산식은 수학식 1과 같다.
즉, 교량의 정량적 상태는 공용내하력으로 평가하는 것이 일반적인데, 공용 내하력은 다음과 같은 수학식 1을 통해 산정된다.
한편, 본 발명의 계측부(300)와 연산부(400)는 전술한 기능들을 실현하기 위한 프로그램이 기록된 메모리와 이를 처리하기 위한 중앙처리장치(CPU)가 적어도 구비된 컴퓨터 장치를 의미하며, 이러한 계측부(300)와 연산부(400)는 물리적으로 동일한 컴퓨터 장치 내에 함께 구비되게 구성할 수도 있고, 또는 별개로 구성된 컴퓨터 장치로 구성할 수도 있음은 물론이다.
Figure 112011052791639-pat00001
수학식 1에서, 기본내하력은 설계활하중과 내하율의 곱으로서 설계적인 관점에서 교량이 지탱할 수 있는 이론적인 활하중의 크기인데, 실제 교량은 공용년수가 경과되면서 노후화 및 손상이 야기되기 때문에, 이론적인 활하중의 크기인 기본내하력에, 교량의 현재 상태를 반영하기 위한 응력보정계수(KS)를 곱하여, 실제 교량의 공용내하력을 산정하는 것이다.
이처럼, 공용내하력(P)을 평가하기 위해서는 응력보정계수를 산출해야 하는데, 이러한 응력보정계수는 수학식 2와 같이 처짐보정계수(Kδ)와 충격보정계수(Kｉ)의 곱으로 구할 수 있다.
Figure 112011052791639-pat00002
수학식 2에서, Kδ는 처짐보정계수이고, Kｉ는 충격보정계수를 의미하며, i는 충격계수로서, 교량에 차량하중이 가해졌을 때 발생하는 동적변형률과 정적변형률의 비율이다.
도 3은 본 발명에 따른 광섬유센서 기반의 교량 내하력 평가 시스템이 설치된 교량을 개력적으로 도시한 도면이다.
도 3을 참조하면, 교량의 중앙선을 기준으로 상?하행선의 가속도 응답(또는 변형률 응답)을 동시에 측정해야 하기 때문에, 하나의 광섬유케이블(이하, '제1 광섬유케이블(100a)' 이라 함)은 교량의 일측 가장자리에 상행선 차로 방향을 따라 포설되고, 다른 하나의 광섬유케이블(이하, '제2 광섬유케이블(100b)' 이라 함)은 교량의 반대측 가장자리에 하행선 차로를 따라 포설된다. 제1 광섬유케이블(100a)과 제2 광섬유케이블(100b)은 하나의 동일한 계측부(300)로 연결될 수 있다.
한편, 일반적으로 중요 교량은 3-5경간 연속교 형태가 많기 때문에 대상경간 전체의 고유진동수 측정을 위하여 바람직하게는 수십 개의 광섬유 가속도계(210)가 설치된다.
구체적으로, 다수 개의 광섬유 가속도계(210a), 광섬유 변형률계(220) 및 광섬유 온도센서(230)는 제1 광섬유케이블(100a) 상에 상호 간격을 두고 직렬로 연결되고, 또 다른 다수 개의 광섬유 가속도계(210b)는 제2 광섬유케이블(100b)에 상호 간격을 두고 직렬로 연결되게 설치됨으로써 해당 교량의 상?하행선 전체의 가속도 응답 및 변형률 응답을 동시에 측정 가능하게 된다.
참고로, 도 3의 일 실시예에서는 미도시하였으나, 제2 광섬유케이블(100b) 상에 광섬유 가속도계(210)와 광섬유 온도센서(230)를 더 설치할 수도 있음은 물론이다.
상기와 같이, 본 발명의 광섬유센서 기반의 교량 내하력 평가 시스템은 하나의 광섬유케이블(100)에 다수 개의 광섬유센서(210a,210b,220)를 직렬로 구비하여 센싱(sensing)할 수 있어 멀티플레싱이 가능하며, 통신수단으로서 빛을 사용하므로 광섬유케이블(100)의 길이가 길어진다 하더라도 신호에 노이즈 및 왜곡이 발생되지 않아 측정 정밀도가 매우 높은 장점이 있다.
또한, 계측부(300)와 연결된 하나의 광섬유케이블(100) 상에 광섬유 가속도계(210)와 광섬유 변형률계(220)를 동시에 설치할 수 있는 바, 상이한 물리량을 하나의 라인(즉, 광섬유케이블)과 하나의 장치(즉, 계측부)로 동시에 측정할 수 있고, 이에 따라 교량 내하력 평가를 위해 현장에서 소요되는 비용과 시간을 절반 이상 단축시킬 수 있는 장점이 있다.
교량의 내하력을 평가함에 있어서, 그 산정결과에 대한 신뢰도를 향상시키기 위해서는 무엇보다 교량의 가속도 신호(또는 변형률 신호)를 정밀하게 측정할 수 있어야 하며, 또한 각 교량 마다의 상이한 특성과 설계 상태를 고려하여 이에 최적으로 적합한 측정감도로 조절된 광섬유 가속도계를 설치하여야 한다.
본 발명의 광섬유센서 기반의 교량 내하력 평가 시스템은 상기와 같은 목적을 달성할 수 있도록 특히 다음과 같은 구성의 광섬유 가속도계(210)를 제시한다.
참고로, 본 발명의 광섬유센서 기반의 교량 내하력 평가 시스템에 사용되는 광섬유 가속도계(210)는 바람직하게는 캔틸레버 구조의 질량체를 이용한 가속도계로 구성되는데, 일반적으로 구조물의 응력은 수학식 3과 같다.
Figure 112011052791639-pat00003
(f: 응력, M: 모멘트(p?L), p: 하중(또는 질량), L: 거리, I: 단면2차모멘트, y: 중립축으로부터 떨어진 거리)
따라서, 수학식 3서 알 수 있듯이 동일한 캔틸레버와 질량체로 이루어진 가속도계(210)에 동일한 가속도가 발생하였다고 가정하면, "I" 와 "M"은 동일하기 때문에 결국, "y"의 크기에 따라서 구조물 응력 즉, 가속도계(210)의 측정감도(Sensitivity) 내지 정밀도가 달라지게 된다.
도 4는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 광섬유센서 기반의 교량 내하력 평가 시스템의 광섬유 가속도계의 분해사시도이고, 도 5는 도 4의 결합사시도이고, 도 6(a) 및 (b)는 본 발명의 고정나사에 결합되는 추가질량체의 세부 위치를 조절하여 측정감도의 미세 조정을 수행하는 방법을 도시한 측면도이다.
도 4 및 도 5을 참조하면, 본 발명의 광섬유센서 기반의 교량 내하력 평가 시스템에 사용되는 광섬유 가속도계(210)는 광섬유센싱부(45)가 형성된 광섬유센싱케이블(40)의 일측은 고정부재(30)에 고정하고 타측은 질량체(20)에 고정시킨 구조를 통해 광섬유센싱부(45)가 캔틸레버(10)와 소정 간격 이격된 거리를 유지하며 배치되도록 함으로써, 캔틸레버 구조를 이용한 가속도계의 "y(수학식 1: 중립축으로부터 떨어진 거리)"를 극대화할 수 있도록 구성된다.
상기와 같은 본 발명의 광섬유센싱부(45) 설치 구조에 따르면 다음과 같은 이유로 측정감도를 대폭 향상시킬 수 있게 된다.
예컨데, 종래 캔틸레버 구조의 가속도계(즉, 캔틸레버의 면 상에 직접 전기식 스트레인게이지를 부착한 구조)의 "y"값은 "1"이고 이에 따른 측정감도가 10pm/g라고 가정하자. 그리고, 본 발명의 경우 상기 종래 가속도계와 동일한 질량체(20)와 동일한 캔틸레버(10)를 사용하여 구성하였다고 가정한다면, 본 발명의 가속도계(210)는 종래 가속도계의 경우보다 적어도 10배 이상 큰 "y" 값을 부여할 수 있고, 이에 따라 수학식 3에 의해 100pm/g이상의 측정감도를 구현할 수 있게 된다.
따라서, 질량체(20)의 무게(p) 또는 캔틸레버(10)의 길이(L)를 증가시키는 것보다 훨씬 큰 폭으로 구조물 응력(즉, 가속도계의 측정감도)을 증가시킬 수 있고, 상기와 같은 바 질량체(20)의 무게나 캔틸레버(10)의 길이를 과도하게 늘리지않고도 측정감도를 대폭 향상시킬 수 있게 된다.
상기의 동작원리를 실현하는 본 발명의 광섬유 가속도계(210)는 고정부재(30), 캔틸레버(10), 질량체(20), 무게추, 광섬유센싱부(45) 및 광섬유센싱케이블(40)을 포함하도록 구성된다.
광섬유센싱부(45)는 광섬유센싱케이블 상에 브래그 격자(Bragg Gratings) 형태로 형성되어 교량 가속도에 반응하여 인장-압축됨으로써 교량의 동적응답을 측정할 수 있도록 동작하는 센서에 해당한다.
광섬유센싱부(45)가 형성된 광섬유센싱케이블(40)의 일단과 타단은 교량의 일측 가장자리에 상행선(또는 하행선) 차로 방향을 따라 포설되어 있는 광섬유케이블의 도중에 광융착 등을 통해 접속 연결된다.
고정부재(30)와 질량체(20)는 다면체 부재로 구성하되 바람직하게는 직육면체 형상으로 구성하는 것이 좋다. 이는, 광섬유센싱케이블(40)이 캔틸레버(10)의 장축과 동일한 방향을 향하며 고정부재(30)와 질량체(20)의 표면 상에 부착 고정될 수 있도록 함에 유리하기 때문이다.
고정부재(30)는 캔틸레버(10)의 일단을 교량에 고정시키기 위한 요소로서, 캔틸레버(10)와 일체로 형성되어 구조물에 장착될 수 있으나, 바람직하게는 별개물로 구성하여 캔틸레버(10) 단부의 소정 면적이 고정부재(30) 내부에 삽입될 수 있도록 형성하였고, 고정부재(30)에 삽입된 캔틸레버(10) 단부는 고정부재(30)를 관통하는 볼트(31)에 의해 결합 고정될 수 있도록 구성하였다. 참고로, 상술한 고정부재(30)는 단지 캔틸레버(10)의 일단을 구조물에 용이하게 장착 고정하기 위한 기구에 불과하기 때문에 이러한 고정부재(30)를 생략하고 캔틸레버(10)가 자체가 바로 교량에 장착되거나 또는 일부가 매립 고정되도록 구성할 수도 있음은 물론이며, 이러한 캔틸레버(10)는 공지의 다양한 체결방식을 통해 고정부재(30) 내지 교량에 고정시킬 수 있다.
본 발명의 캔틸레버(10)는 외력에 의한 휨 변형이 가능한 형태와 재질로 구성되며, 바람직하게는 가요성의 금속 소재를 사용하는 것이 좋다. 또한, 캔틸레버(10)의 형태는 교량에 발생되는 가속도에 의해 캔틸레버(10)의 벤딩 동작이 유발될 수 있는 두께와 형태로 구성되어야 하며, 예컨데 가늘고 기다란 판형 부재 또는 빔형 부재로 구성하는 것이 바람직하다.
본 발명의 바람직한 실시예에 따른 캔틸레버(10)는 세부적으로 벤딩부(13)와 체결부(11)로 구성된다. 벤딩부(13)는 교량의 가속도에 따른 벤딩 동작을 수행하는 영역으로서 바람직하게는 판형 또는 빔형의 형태로 구성하되, 구체적으로는 도 4와 같이 질량체(20)측으로 향할 수록 그 폭이 좁아지는 대략 역삼각형 모양으로 구성하여 역삼각형의 꼭지점에 해당하는 영역에는 캔틸레버 체결부(11)가 연장되게 형성되고, 이에 대향하는 삼각형 밑변은 고정부재(30)에 고정되도록 구성된다. 이처럼 캔틸레버 벤딩부(13)를 역삼각형 모양으로 형성함으로써 교량의 가속도에 의한 질량체 관성에 대해 캔틸레버 벤딩부(13)가 민감하게 반응하며 벤딩 동작이 유발되도록 함으로써 장치의 측정감도를 더욱 향상시킬 수 있게 된다.
캔틸레버 체결부(11)는 캔틸레버(10)를 질량체(20)에 결합시킬 수 있도록 함과 동시에 질량체 삽입홈(21)에서의 체결위치 조절을 통해 사전응력(Pre-stressing)을 임의 조정할 수 있도록 하는 역할을 한다. 구체적으로, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 캔틸레버 체결부(11)는 캔틸레버 벤딩부(13)와 동일한 두께를 갖되 적어도 캔틸레버 벤딩부(13)의 가로방향(X) 최대 폭보다 더 큰 가로방향(X) 폭으로 이루어진 직사각형의 판형 부재가 캔틸레버 벤딩부(13)의 일단으로부터 연장되게 형성된 형태로 구성하였다. 그러나, 상기 체결부(11)는 벤딩동작의 유발이 아닌 캔틸레버(10)의 견고한 고정을 위한 영역이기 때문에 그 두께는 반드시 벤딩부(13)와 일치할 필요는 없다.
또한, 캔틸레버 체결부(11)가 삽입되는 질량체의 삽입홈(21)은 상기 체결부(11)와 동일한 형상으로 구성하여 캔틸레버 체결부(11)가 질량체 삽입홈(21)에 꼭 맞게 삽입 수용될 수 있도록 이루어져 있다.
질량체(20)는 교량의 가속도에 의한 캔틸레버(10)의 벤딩 동작을 유발하기 위한 요소로서, 사용 가능한 재질에는 특별히 제한이 없으며 그 무게는 측정하고자 하는 가속도 범위 및 캔틸레버(10)의 변형 특성 등 기계적 특성을 고려하여 적절히 선정될 수 있으나, 바람직하게는 소재의 부피 대비 질량이 큰 스틸(Steel) 소재로 구성하여 수학식 3의 "p: 하중(또는 질량)" 를 높여줌으로써 구조물 응력(즉, 가속도계의 측정감도)을 극대화할 수 있도록 구성하는 것이 바람직하다.
또한, 질량체(20)는 캔틸레버 체결부(11)를 내부에 삽입하여 고정시키기 위한 삽입홈(21) 및 체결공(22)이 형성되어 있다. 이러한 질량체 삽입홈(21)은 도 4와 같이, 넓적하고 평평한 판형 부재로 구성된 캔틸레버 체결부(11)와 동일한 형상으로 구성하여 캔틸레버 체결부(11)가 질량체 삽입홈(21) 내부에 꼭 맞게 삽입 결합될 수 있도록 구성하는 것이 바람직하다.
질량체 삽입홈(21)에 삽입된 캔틸레버 체결부(11)는 그 수직 상부에 관통 형성된 체결공(22)과 상기 체결공(22)을 관통하는 고정볼트(23)를 통해 고정된다.
또한, 본 발명의 광섬유 가속도계(210)는 질량체(20)에 착탈 가능하게 결합되는 추가질량체(60)를 더 포함하고, 질량체(20)는 그 일측면에 추가질량체 고정나사(24)가 돌출 형성되어 있다. 도 4의 실시예의 추가질량체(60)는 중심에 관통 형성된 체결공(61)을 통해 고정나사(24)에 나사체결되도록 구성함으로써 필요에 따라 질량체(20)에 손쉽게 추가 장착하거나 또는 탈거할 수 있도록 하였다.
이러한 추가질량체(60)는 장치의 측정감도를 손쉽게 조정하기 위한 수단으로서, 예컨데, 특정 질량체(20)로 제조된 광섬유 가속도계의 측정감도가 900pm/g 라고 가정하자. 추후, 측정감도 900pm/g의 광섬유 가속도계가 설치된 교량의 주변환경 변화로 좀 더 높은 측정감도(예컨데, 1000pm/g)를 갖는 장치가 요구된다면, 광섬유 가속도계를 다시 제작하여 설치해야 하기 때문에 비용이 낭비되고 효율적이지 못한 문제점이 있다.
상기와 같은 문제점을 극복할 수 있도록 본 발명의 광섬유 가속도계(210)는 기제작되어 설치 완료된 광섬유 가속도계(210)에 다양한 무게의 추가질량체(60)를 손쉽게 선택적으로 추가 부착할 수 있도록 구성하여 전체적인 질량을 재조정할 수 있도록 하였다.
즉, 추가질량체(60)의 선택적 부가에 의해 수학식 3에서 "p: 하중(또는 질량)" 값을 임의 조절할 수 있는 바, 교량에 기설치된 가속도계를 재설계할 필요없이 장치의 측정감도를 손쉽게 변경할 수 있게 된다.
또한, 체결공(61)이 관통 형성된 추가질량체(60)가 질량체(20)에 돌출 형성된 고정나사(24)에 나사체결되는 구조를 통해, 추가질량체(60)의 세부적인 결합 위치를 조절할 수 있어 다음과 같이 측정감도의 미세 조절도 가능한 이점이 있다.
즉, 세부적인 미세한 감도의 조절은 수학식 3의 "M=p?L"에서 "L"의 거리를 미세하게 조절함으로 가능하고, 이러한 "L"의 거리 미세조절은 추가질량체(60)의 세부적인 결합 위치를 조절함으로써 달성 가능하다.
예컨데, 900pm/g 측정감도를 갖는 가속도계의 측정감도를 큰 폭(예컨데, 100pm/g)으로 향상시켜 1000pm/g의 측정감도를 갖는 가속도계로 변환하고자 한다면 간단히 추가질량체(60)를 부가함으로써 측정감도를 큰 폭으로 향상시킬 수 있다. 그러나, 1000pm/g의 측정감도를 갖도록 재조정한 가속도계의 측정감도를 다시 소폭(예컨데, 30pm/g) 더 향상시키고자 한다면, 그 만큼 다양한 무게의 추가질량체(60)가 구비되어야 하는 바 이는 비효율적일 수 있다.
상기와 같은 경우, 고정나사(24)에 결합되는 추가질량체(60)의 세부 위치를 미세하게 조절하여 측정감도의 미세 조정이 가능하게 된다. 즉, 추가질량체(60)를 질량체(20)에 밀착 결합함으로써 도 6(a)와 같이 측정감도를 큰 폭(예컨데, 100pm/g)으로 향상시킬 수 있고, 상기 상태에서 추가로 측정감도를 소폭(예컨데, 30pm/g) 향상시키고자 할 경우에는 도 6(b)와 같이 질량체(20)로 부터 소정 간격 떨어진 지점에 추가질량체(60)가 결합 고정되도록 구성한다면, 수학식 3의 "P(하중)"의 작용점에서의 거리인 "L"이 "L+L'" 로 증가되어 측정감도를 미세 조정(즉, 소폭 향상)할 수 있게 된다.
전술한 바와 같이 본 발명의 광섬유 가속도계(210)에 마련되는 광섬유센싱부(45)는 고정부재(30)와 질량체(20)를 이용하여 캔틸레버(10)와 소정 간격 이격된 거리를 유지하며 배치 고정되는 것을 특징으로 한다. 즉, 적어도 하나 이상의 광섬유센싱부(45)가 구비된 광섬유센싱케이블(40)의 일측은 고정부재(30)에 고정하고 타측은 질량체(20)에 고정시킨 구조를 통해 광섬유센싱부(45)가 캔틸레버(10)와 소정 간격 이격된 거리를 유지하며 배치되도록 함으로써, 캔틸레버 구조를 이용한 가속도계의 "y(수학식 1: 중립축으로부터 떨어진 거리)"를 극대화시킨 구조를 갖도록 구성된다.
구체적으로, 광섬유센싱부(45)가 형성된 광섬유센싱케이블(40)의 일측과 타측은 고착제(50)를 통해 고정부재(30)와 질량체(20)의 표면 상에 각각 부착 고정되되, 그 고착면은 고정부재(30)와 질량체(20)의 동일 방향 일측면 상에 고착되도록 구성하였다. 상기 "동일 방향 일측면" 이란 다면체로 구성된 고정부재(30)와 질량체(20)의 다수의 면에 있어서, 고정부재(30)의 일측면과 질량체(20)의 일측면이 동일한 방향을 향하고 있는 일면을 지칭한다. 또한, 광섬유센싱케이블(40)은 캔틸레버(10)가 벤딩 동작하는 방향의 상부 영역에 배치 고정되도록 구성하는 것이 바람직하다. 고착제(50)는 에폭시수지를 포함한 수지계열 접착제를 사용하여 고착 부위에 도포한 후 경화시킴으로써 광섬유센싱케이블(40)의 양단을 각각 고정시킬 수 있다.
도 7은 도 5의 단면도로서, 본 발명에 따른 광섬유 가속도계의 사전응력 (Pre-stressing) 조절 수단을 설명하기 위한 도면이다.
일반적으로, FBG 광섬유센서의 측정범위는 0~10,000με이다. 따라서, 광섬유센싱케이블(40)의 양단을 각각 고착제(50)에 의하여 고정할 경우 압축을 측정하기 위해서는 원하는 압축변형률 만큼 사전응력(pre-strain)을 인가한 후 고정하여야, 인가된 사전응력량 만큼 압축변형률을 측정할 수 있는 것이다.
만약, 도 7과 같은 광섬유 가속도계를 사용할 경우 광섬유센싱부(45)를 질량체(20)와 고정부재(30)의 각 밑면에 고정하고, 사전응력을 1,000με을 인가하였다고 가정한다면, 압축방향으로 측정가능한 변형률의 최대 범위는 1,000με가 된다.
상기와 같은 최초 설정 상태에서, 추후 가속도계의 측정감도를 높이기 위해 본 발명의 추가질량체를 부가했다고 가정하자. 상기 경우, 늘어난 무게에 의하여 캔틸레버(10)는 압축을 받게되고, 이에 따른 영향이 600με이라고 가정한다면, 광섬유센싱부(45)에 가해진 압축 변형률은 1,000-600 = 400με 으로, 압축방향으로 측정가능한 압축변형률은 400με으로 줄어들게 되는 것이다. 상기와 같은 바, 본 발명의 추가질량체의 가감을 통한 측정감도 재조절을 위해서는 이와 함께, 사전응력량을 인위적으로 조절할 수 있어야 한다.
이러한 목적을 달성할 수 있도록 본 발명의 광섬유 가속도계(210)는 질량체(20)에 삽입홈(21)과 체결공(22)을 형성하고, 캔틸레버(10)는 그 단부에 넓적한 판형상으로 연장 형성된 캔틸레버 체결부(11)를 구비한 구조를 이루고 있다.
즉, 질량체 삽입홈(21)에 삽입 수용된 캔틸레버 체결부(11)는 그 수직 상부에 관통 형성된 체결공(22)과 상기 체결공(22)을 관통하는 고정볼트(23) 단부의 압박에 의해 고정되는 바, 광섬유센싱부(45)가 질량체(20)에 기 고착된 상태에서도 상기 캔틸레버 체결부(11)의 질량체 삽입홈(21) 내 위치를 "K" 범위 내에서 미세하게 조절한 후 상기 고정볼트(23)로 고정시켜줌으로써, 광섬유센싱부(45)에 인가되는 사전응력량을 인위적으로 조정하여 최적의 측정감도를 설정할 수 있게 된다.
또한, 측정감도(sensitivity)가 1,000με/g인 가속도계의 경우, 사전응력이 1,000με만 가해진 상태라고 가정하면, 이를 이용하여 가속도를 측정할 수 있는 가속도 측정범위는 1,000με인 즉, 1g가 된다. 그러나 상술한 사전응력 조절 구조를 이용하여 사전응력을 5,000με으로 재조정하였다면, 측정할 수 있는 가속도 범위는 5g로 손쉽게 재조정 가능하게 된다.
전술한 바와 같은 구성에 의해, 추가질량체를 부가하고 이에 대응하는 사전응력을 손쉽게 조절할 수 있는바, 간편한 조작만으로 다양한 측정감도를 갖는 광섬유 가속도계를 구현할 수 있게 되는 장점이 있다.
도 8은 본 발명에 따른 광섬유센서 기반의 교량 내하력 평가 방법의 업무 흐름도이다.
수학식 1 및 수학식 2에서 알 수 있듯이, 교량의 공용내하력(P)을 산출하기 위해서는 설계활하중, 내하율, 처짐보정계수(Kδ)와 충격보정계수(Kｉ)가 필요하다.
상기 변수들 중 설계활화중과 내하율은 교량의 설계 당시 제시되는 값이거나 설계시의 유한 요소해석에 의해 구해지는 값이고, 처짐보정계수(Kδ)와 충격보정계수(Kｉ)는 실측을 통해 산출해야 하는 값이다.
따라서, 교량의 내하력을 평가함에 있어서 그 측정결과의 신뢰도는 처짐보정계수(Kδ)와 충격보정계수(Kｉ)를 얼마나 정밀하게 산출하냐에 달려있고, 이러한 처짐보정계수(Kδ)의 산출은 교량 가속도 측정의 정밀도에 의존하고, 충격보정계수(Kｉ)의 산출은 교량 변위 또는 변형률 측정의 정밀도에 의존한다.
도 8을 참조하면, 본 발명의 광섬유센서 기반의 교량 내하력 평가 방법은 광섬유센서(즉, 광섬유 가속도계(210) 및 광섬유 변형률계(220)) 설치단계(S10)와, 가속도 응답 측정단계(S20)와, 모드계수 산정단계(S30)와, 유한요소 해석모델 개선단계(S40)와, 처짐보정계수 산정단계(S50)와, 변위 응답 측정단계(S60)와, 충격보정계수 산정단계(S70)와, 내하력 산출단계(S80)로 이루어진다.
특히, 처짐보정계수(Kδ)를 구하기 위한 모드계수 산정단계(S30)와, 충격보정계수(Kｉ) 산정단계(S70)의 경우, 광섬유케이블 상에 직렬로 접속된 다수 개의 광섬유 가속도계(210)와 광섬유 변형률계(220)를 통해 실측되는 가속도 응답과 변형률 응답에 근거하여 해당 변수를 산정하도록 이루어져 있다.
즉, 본 발명의 광섬유센서 기반의 교량 내하력 평가 방법은, 교량을 따라 포설되는 광섬유 케이블과, 광섬유 케이블과 연결되며 교량에 설치되어 해당 교량에 발생된 가속도를 센싱하는 광섬유 가속도계(210)와, 상기 광섬유 케이블과 연결되며 상기 교량에 설치되어 상기 교량에 발생된 변형률을 센싱하는 광섬유 변형률계(220)를 기반으로 하여, 해당 교량의 내하력을 산출하도록 구성됨을 주요 특징으로 한다.
처짐보정계수(Kδ)를 산정하는 방법 흐름을 살펴보면, 교량에 설치된 광섬유 가속도계(210)로부터 가속도 응답 신호를 측정하고, 측정된 가속도 정보를 이용하여 교량의 모드계수를 산정한다. 해당 교량의 모드계수 산정이 완료되면, 산정된 모드계수로부터 교량의 유한요소 해석모델을 개선하고, 개선된 유한요소 해석모델로부터 처짐보정계수(Kδ)를 구하게 된다.
모드계수란 고유주파수와 모드형상을 의미하는 것으로서, 일반적으로 모드계수를 추출하기 위해서는 가속도 신호의 스펙트럼밀도(Power Spectral Density) 함수를 이용하게 되며, 이러한 방법을 파워스펙트럼법이라 한다. 이 방법에서는 스펙트럼밀도 함수에서의 피크가 생기는 주파수를 찾아 이를 고유주파수로 하고, 그 고유주파수에서의 스펙트럼값을 서로 비교하여 모드형상을 구한다. 최근에는 스펙트럼밀도행렬의 특이치 분해를 통하여, 이로부터 고유주파수와 모드형상을 구하는 주파수영역 분해방법(Frequency Domain Decomposition)이 개발되었다. 상술한 파워스펙트럼법과 주파수영역 분해방법은 시간영역의 가속도 신호를 퓨리에 변환하여 주파수영역에서 해석하는 방법이며, 최근에는 시간 영역에서 모드계수를 산정하는 방법들이 소개되고 있는데, 이브라힘(Ibrahim) 시간영역방법이나 추계론적 부공간 규명법 등이 그것이다. 상술한 주파수 영역 또는 시간 영역에서 모드계수를 추출해 내는 방법들은 이미 공지의 기술들이고, 관련 교과서나 논문 등을 통해서 파악할 수 있는 기술들이므로 상세한 설명은 생략하기로 한다. 모드계수를 산정하기 위해서는 전술한 방법 들 중에서 적절한 방법을 선택해서 행하면 된다.
모드계수가 산정되면 그 산정된 모드계수를 이용하여 해당 교량의 유한요소 해석모델을 개선하게 된다. 교량의 유한요소 해석모델의 개선이란 현재상태의 구조물의 고유주파수나 모드계수 등의 진동특성을 구하고, 그 구해진 진동특성을 이용하여 유한요소 해석모델에 사용되는 각종 계수들을 새로이 구하여 현 상태를 잘 반영하고 이를 표현할 수 있는 교량의 유한요소 해석모델을 구하는 것이다.
유한요소 해석모델에 사용되는 계수들에는 유한요소 해석을 위해 나뉘어진 각 요소들의 단면2차 모멘트, 탄성계수, 두께, 단면의 토셔널 모멘트 등 여러가지가 있다. 유한요소 모델에 사용되는 각 요소들의 상기 계수들의 설계치는 구조물의 초기상태의 실제 계수들과는 근사할지 모르지만, 시간이 경과함에 따라 구조물에 작용하는 각종 하중과 기상 및 온도변화와 같은 환경적 요인에 의하여 영향을 받으면서 점점 구조물의 강도는 열화된다. 따라서 이러한 현재의 열화된 상태를 반영하는 유한요소 모델을 구할 수 있다면, 열화가 반영된 현재의 유한요소 모델을 이용하여 특정 하중이 특정 지점에 재하되었을 때의 처짐을 구함으로써, 실제 교량의 특정 지점에 재하차량 등을 이용하여 하중을 가하는 재하시험을 하지 않고도, 실제 재하시험 결과와 유사한 결과를 얻을 수 있다.
유한요소 모델이 현재 상태를 반영하도록 개선한다는 것은, 유한요소 모델의 계수들이 특정한 값으로 결정이 되면, 그러한 유한요소 모델 계수들에 의한 동적 특성은 유니크하게 결정된다는 특성을 이용하는 것이다. 따라서, 현재의 구조물의 동적인 특성인 고유주파수와 모드형상을 반영하는 유한요소 모델의 각 계수는 하나로 결정되게 되고, 그러한 특성을 이용하여 현재 상태의 구조물의 특성을 반영한 유한요소 모델을 구할 수 있는 것이다.
이러한 유한요소모델 개선을 위해서 여러가지 알고리즘을 사용할 수 있다. 이러한 알고리즘들에는 신경망 기법, 유전자 알고리즘, 다운힐 심플렉스 방법 등 있으며, 이러한 알고리즘들은 특정의 해를 구하기 위해 범용적으로 사용될 수 있는 알고리즘으로서 각종 교과서나 논문 등을 통하여 이미 공지되어 있으며, 본 기술이 속하는 분야에서 통상의 지식을 지닌 자라면 그 자세한 내용은 교과서나 논문 등을 통하여 알 수 있으므로, 이에 대한 상세한 설명은 생략하기로 한다.
상기 방법에 의해 유한요소 모델이 개선되면, 상술한 바와 같이 재하시험을 통하지 않고, 개선된 유한요소 모델의 특정 지점에 특정 하중을 재하하였을 때의 특정 지점의 변위를 이용하여 수학식 2의 처짐보정계수(Kδ)를 산정하게 된다.
처짐보정계수(Kδ)가 산정되면, 충격보정계수(Kｉ)를 산정하게 된다. 충격보정계수(Kｉ)를 산정하기 위해서는 먼저 충격계수(i)를 구해야 하는데, 본 발명은 교량에 설치된 광섬유 변형률계(220)를 통해 교량의 변형률을 측정하고 이를 이용하여 충격계수를 산정하도록 구성된 것을 중요한 특징 중 하나로 한다.
이러한 충격계수(i)는 아래 수학식 4와 같이 동적변형률과 정적변형률의 비율에서 1을 뺀 값이다.
Figure 112011052791639-pat00004
수학식 4에서 δstatic은 정적변형률의 최대값을 의미하고, δdynamic은 동적변형률의 최대값이다. 일반적으로 상기 두 값을 동시에 측정하기는 어려우므로, 동적변형률을 계측한 뒤, 저주파통과필터나 오토리그레시브(Auto-regressive)모델을 이용하여 유사정적변형률을 얻고, 이를 정적변형률로 가정하여 충격보정계수를 산정하게 된다.
참고로, 종래 교량 내하력 산정 방법과 같이 충격보정계수(Kｉ)의 산정을 위해 전기저항식 변형률게이지를 채용하게 되면 노이즈가 매우 많아 충격보정계수를 산정할 수 있을 정도의 충분한 정밀도를 보장할 수 없기 때문에, 실제 현장에서 충격계수 산정은 현실적으로 어려운 한계가 있었다. 이의 개선안(한국공개특허 제2008-0016116호)으로서 차량이 한 대 통과할 때 측정 가속도를 이중적분하여 처짐(즉, 변위)을 추정한 후, 이를 기반으로 동일한 원리에 의하여 충격보정계수를 산정하는 또 다른 종래 교량 내하력 산정 방법의 경우는 초기조건이 0인 경우에는 측정된 가속도 신호만을 적분하여 변위 응답을 구할 수 있으나 초기조건이 존재하는 일반적인 경우에는 초기조건을 고려하지 않으면 편기오차 누적에 의하여 물리적으로 무의미한 변위응답을 얻게되는 오류가 발생하여 그 산정결과에 대한 신뢰도가 크게 떨어지는 문제점이 있었다.
그러나, 본 발명의 광섬유센서 기반의 교량 내하력 평가 방법은 가속도를 이중적분하여 해당 교량의 변위를 추정하는 방식이 아닌, 교량으로부터 직접 측정한 변형률을 이용하여 충격보정계수(Kｉ)를 산정함에 따라 측정결과에 대한 신뢰도를 크게 향상시킬 수 있는 탁월한 효과가 있다. 한편, 본 발명의 광섬유센서 기반의 교량 내하력 평가 방법은 이처럼 교량으로부터 직접 변형률 응답을 실측하더라도 오류없이 정확한 측정 자료를 수집할 수 있는데, 이는 본 발명은 가속도 응답 실측 수단으로서 도 5와 같이 구성된 캔틸레버 방식의 광섬유 가속도계(210)로 구성하고, 이러한 광섬유 가속도계(210)는 매우 높은 측정감도를 구현할 수 있고 또한 통신수단으로서 빛을 사용하므로 광섬유케이블의 길이가 길어지거나 주변환경에 의해 신호에 노이즈 및 왜곡이 발생되지 않아 매우 높은 측정 정밀도를 보장할 수 있기 때문이다.
전술한 바와 같이, 본 발명의 광섬유센서 기반의 교량 내하력 평가 시스템 및 그 방법은 광섬유 가속도계(210)와 광섬유 변형률계(220)를 기반으로 처짐보정계수와 충격보정계수를 산정하여 교량의 내하력을 평가할 수 있도록 구성된 것을 주요 특징으로 한다.
한편, 교량의 변형률(또는 응력)과 처짐은 하중에 따라서 변동되는 물리량이나, 가속도 측정에 의한 고유진동수나 모드형상은 구조물의 고유값으로 하중에 상관없이 일정한 값을 나타낸다.
그런데, 일반적으로 교량의 동특성은 계절별 온도에 따라 달라지는 것으로 알려져 있는데, 특히 교량의 고유진동수의 경우 표 1과 같이 온도에 따라 그 값이 달라짐을 알 수 있다.
Figure 112011052791639-pat00005
상기 표 1은 국도상 교량의 계절별 온도에 따른 고유진동수 분석 데이터로서, 표 1에서 명확히 알 수 있듯이 온도가 낮은 겨울철이 온도가 높은 여름철보다 고유진동수가 상대적으로 더 큰 것을 알 수 있다.
상기와 같이 계절별 온도에 따른 고유진동수 변화를 고려하여, 본 발명의 교량 내하력 평가 시스템 및 그 방법은 광섬유센서로 가속도계(210), 변형률계(220) 뿐만 아니라, 이들과 함께 광섬유 온도센서(230)가 더 구비하고, 이를 기반으로 하여 상기 광섬유 온도센서(230)를 통해 온도를 측정하는 단계(S21)와, 상기 온도를 이용하여 해당 교량의 온도에 따른 고유진동수 변동량을 추출하는 단계(S22)와, 상기 추출된 고유진동수 변동량을 상기 처짐보정계수 산정 과정(S30 내지 S50)에서 반영하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
광섬유 온도센서(230)를 더 구비할 경우, 광섬유 가속도계(210) 내지 변형률계(220)가 접속되어 있는 특정 광섬유케이블의 도중에 광섬유 온도센서(230)를 삽입 연결할 수 있다.
이처럼 본 발명의 광섬유센서 기반의 교량 내하력 평가 시스템은 하나의 라인 상에 다수 종류의 광섬유센서가 직렬로 연결되어 있는 바, 계측부를 통해 가속도와 변형률 측정시, 이와 동시에 해당 교량의 온도도 함께 측정할 수 있다.
그리고, 동시 측정된 온도 정보를 활용하여 온도에 따른 고유진동수 변동량을 추출하고, 교량 내하력을 산출하기 위한 처짐보정계수 산정과정에서 이렇게 추출된 변동량을 이에 반영하는 보정을 실시하게 된다. 이에 따라, 계절별 온도에 따른 영향도 함께 고려하여 교량의 내하력을 산정할 수 있게 되므로 교량 내하력을 보다 정밀하게 평가할 수 있는 탁월한 효과가 있다.
도 9는 광섬유센서 기반의 교량 내하력 평가 시스템의 또 다른 실시예이다. 일반적으로, 이론적인 해석이 어려운 복잡한 시스템 내지 구조물의 동특성을 규명하기 위해서는 실험적 방법에 의존하는 것이 보통이다. 모드 시험(modal testing)은 구조물의 특성을 규명하기 위한 목적으로 널리 행해지는 실험적 방법이며, 크게 변위모드(displacement mode) 시험법과 변형률 모드(strain mode) 시험법으로 구분된다. 변위모드 시험법은 일반적으로 가속도 응답과 같이 구조물의 글로벌 (global) 거동을 측정하여 구조물의 모드형상 등을 산정하는 방법이며, 변형률 모드 시험법은 변형률과 같이 구조물의 로컬(local) 거동을 측정하여 구조물의 모드형상 등을 산정하는 방법이다.
도 2 내지 도 3 실시예의 교량 내하력 평가 시스템은 광섬유 가속도계(210)를 이용하여 가속도 응답을 실측하고 이를 기반으로 모드형상을 산정하는 변위모드 (displacement mode) 시험법을 따르도록 구성하였으나, 도 9와 같이 광섬유 변형률계(220a,220b)만을 다수 개로 설치하여 변형률 모드 시험법에 의하여, 교량의 동특성을 산정하고, 이를 기초로하여 처짐보정계수 및 응력보정계수를 산정함으로써 교량의 내하력을 평가하도록 구성할 수도 있음은 물론이다.
상기 경우, 교량의 중앙선을 기준으로 상?하행선의 변형률 응답을 동시에 측정해야 하기 때문에, 제3 광섬유케이블(100c)은 일측 가장자리에 상행선 차로 방향을 따라 포설되고, 제4 광섬유케이블(100d)은 교량의 반대측 가장자리에 하행선 차로를 따라 포설된다. 그리고 제3 광섬유케이블(100c)에는 다수 개의 광섬유 변형률계(220a)가 직렬로 접속되고, 제4 광섬유케이블(100d)에는 다수 개의 광섬유 변형률계(220b)가 직렬로 접속된다. 한편, 제3 광섬유케이블(100c)과 제4 광섬유케이블(100d)은 하나의 동일한 계측부(300)로 연결될 수 있다.
이처럼 본 발명의 교량 내하력 평가 시스템에 의하면 광섬유 변형률계만을 이용한 변형률 모드 시험법을 통해서도 교량의 내하력을 정밀하게 산정하는 것이 가능한데, 이는 도 10과 같이 광섬유 변형률계는 노이즈의 영향이 매우 적기 때문에 미세한 변형률 응답도 측정할 수 있음에 근거한다.
참고로, 도 10은 종래 전기저항식 변형률계와 본 발명의 광섬유 변형률계의 동일하중에 대한 응답 특성 비교 데이터로서, 상측에 도시된 실험데이터는 전기저항식 변형률계이고, 하측에 도시된 실험데이터는 광섬유 변형률계이다.
상기에서 본 발명의 바람직한 실시예가 특정 용어들을 사용하여 설명 및 도시되었지만 그러한 용어는 오로지 본 발명을 명확히 설명하기 위한 것일 뿐이며, 본 발명의 실시예 및 기술된 용어는 다음의 청구범위의 기술적 사상 및 범위로부터 이탈되지 않고서 여러가지 변경 및 변화가 가해질 수 있는 것은 자명한 일이다.
이와 같이 변형된 실시예들은 본 발명의 사상 및 범위로부터 개별적으로 이해되어져서는 안되며, 본 발명의 청구범위 안에 속한다고 해야 할 것이다.
100,100a,100b,100c,100d: 광섬유케이블
200: 광섬유센서 210,210a,210b: 광섬유 가속도계
220,220a,220b: 광섬유 변형률계 230: 광섬유 온도센서
300: 계측부 400: 연산부
10 : 캔틸레버 11 : 캔틸레버 체결부
13 : 캔틸레버 벤딩부 20 : 질량체
21 : 질량체 삽입홈 22 : 체결공
23 : 고정볼트 24 : 고정나사
30 : 고정부재 40 : 광섬유센싱케이블
45 : 광섬유센싱부 50 : 고착제

Claims (7)

  1. 교량의 내하력을 평가하기 위한 시스템으로서,
    상기 교량을 따라 포설되는 광섬유 케이블;
    상기 광섬유 케이블에 직렬로 연결되며 상기 교량에 설치되어 상기 교량의 가속도를 센싱하는 광섬유 가속도계;
    상기 광섬유 케이블에 직렬로 연결되며 상기 교량에 설치되어 상기 교량의 변형률을 센싱하는 광섬유 변형률계;
    상기 광섬유 케이블을 통해 상기 광섬유 가속도계 및 상기 광섬유 변형률계와 연결되어 상기 교량에 발생된 가속도 신호와 변형률 신호를 계측하는 계측부; 및
    처짐보정계수와 충격보정계수를 산정하여 상기 교량의 내하력을 산출하는 연산부를 포함하고,
    상기 연산부는,
    상기 계측부가 상기 광섬유 가속도계를 통해 계측한 상기 가속도 신호를 이용하여 상기 처짐보정계수를 산정하고, 상기 계측부가 상기 광섬유 변형률계를 통해 계측한 상기 변형률 신호를 이용하여 상기 충격보정계수를 산정하는 것을 특징으로 하는 광섬유센서 기반의 교량 내하력 평가 시스템.
  2. 제1 항에 있어서,
    상기 광섬유 케이블에 연결되며 상기 교량에 설치되어 상기 교량의 온도를 센싱하는 광섬유 온도센서를 더 포함하고,
    상기 계측부는 상기 광섬유 온도센서와 연결되어 상기 교량의 온도를 계측하고,
    상기 연산부는 상기 교량의 내하력을 산출시, 상기 계측부로부터 계측된 상기 온도 정보를 이용하여 해당 교량의 온도에 따른 고유진동수 변동량을 반영하는 보정을 더 행하는 것을 특징으로 하는 광섬유센서 기반의 교량 내하력 평가 시스템.
  3. 제1 항에 있어서,
    상기 광섬유 가속도계는,
    외력에 의한 휨 변형이 가능하도록 구성된 캔틸레버;
    상기 캔틸레버의 일단에 결합되어 상기 캔틸레버를 상기 교량에 고정시키기 위한 고정부재;
    상기 캔틸레버의 타단에 결합되어 상기 교량에 발생된 가속도에 의한 캔틸레버의 벤딩 동작을 유발하기 위한 질량체; 및
    브래그 격자(Bragg Gratings)로 이루어진 광섬유센서가 형성된 광섬유센싱케이블로 구성되고,
    상기 광섬유센싱케이블의 일측은 상기 고정부재 상에 고정되고 타측은 상기 질량체 상에 고정되어, 상기 광섬유센서는 상기 캔틸레버와 소정 간격 이격된 거리를 유지하며 배치되어 있는 것을 특징으로 하는 광섬유센서 기반의 교량 내하력 평가 시스템.
  4. 제3 항에 있어서,
    상기 캔틸레버는 상기 교량의 가속도 발생에 따른 벤딩 동작을 수행하는 판형 또는 빔형의 벤딩부; 및 상기 벤딩부의 일단으로부터 연장되게 형성되어 상기 질량체에 내부에 삽입 결합되는 체결부로 구성되고,
    상기 질량체는 상기 캔틸레버 체결부를 내부에 삽입 수용하기 위한 삽입홈; 상기 질량체의 일측면으로부터 상기 삽입홈까지 관통 형성된 체결공; 및 상기 체결공을 관통하며 나사결합되고 그 단부는 상기 삽입홈으로 돌출되어 상기 삽입홈에 삽입 수용된 상기 캔틸레버 체결부를 고정시키는 고정볼트를 포함하고,
    상기 캔틸레버 체결부는 상기 질량체 삽입홈 내 배치되는 위치를 조절한 후 상기 고정볼트로 고정시켜줌으로써 상기 삽입홈 내 고정위치를 조절할 수 있도록 구성된 것을 특징으로 하는 광섬유센서 기반의 교량 내하력 평가 시스템.
  5. 제3 항에 있어서,
    상기 질량체에 착탈 가능하게 결합되는 적어도 하나 이상의 추가질량체를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 광섬유센서 기반의 교량 내하력 평가 시스템.
  6. 교량을 따라 포설되는 광섬유 케이블과; 상기 광섬유 케이블과 연결되며 상기 교량에 설치되어 상기 교량의 가속도를 센싱하는 광섬유 가속도계; 및 상기 광섬유 케이블과 연결되며 상기 교량에 설치되어 상기 교량의 변형률을 센싱하는 광섬유 변형률계를 기반으로 하여, 상기 교량의 내하력을 평가하는 방법으로서,
    상기 광섬유 가속도계를 통해 가속도 응답을 측정하는 단계;
    상기 측정된 가속도 응답으로부터 실험모드 해석을 통해 상기 교량의 모드계수를 산정하는 단계;
    상기 산정된 모드계수를 이용하여 교량의 유한요소 해석모델을 개선하는 단계;
    상기 개선된 교량의 유한요소 해석모델로부터 처짐보정계수를 산정하는 단계;
    상기 광섬유 변형률계를 통해 동적최대변형률과 정적최대변형률을 측정하는 단계;
    상기 측정된 동적최대변형률과 정적최대변형률에 근거하여 충격보정계수를 산정하는 단계; 및
    상기 산정된 처짐보정계수 및 충격보정계수를 이용하여 상기 교량의 내하력을 산출하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 광섬유센서 기반의 교량 내하력 평가 방법.
  7. 제6 항에 있어서,
    상기 광섬유 케이블에 연결되어 상기 교량의 온도를 센싱하도록 설치된 광섬유 온도센서를 통해 온도를 측정하는 단계;
    상기 온도를 이용하여 해당 교량의 온도에 따른 고유진동수 변동량을 추출하는 단계; 및
    상기 추출된 고유진동수 변동량을 상기 처짐보정계수 산정 과정에서 반영하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 광섬유센서 기반의 교량 내하력 평가 방법.
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