KR101209939B1 - 광섬유 브래그 격자 센서 기반의 구조물 변위 계측장치 및 그가 적용된 교량의 받침형 내진장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 FBG 센서 기반의 구조물 변위 계측장치 및 그가 적용된 교량의 받침형 내진장치에 관한 것이다. 이는 끝단에 형성된 한쌍의 고정단이 변형단으로 연결된 집게 형상으로 이루어지고 상기 구조물의 정해진 방향 양단부에 상기 고정단이 각각 고정되어 상기 구조물과 일체로 변형하게 되는 센서용 지그, 상기 센서용 지그의 변형단에 부착되어 상기 센서용 지그의 변형량을 계측하게 되는 계측센서, 상기 계측센서로부터 상기 센서용 지그의 변형량 정보를 입력받아 상기 구조물의 변위를 산출하게 되는 컨트롤러를 포함하여 상기 구조물의 변위 변동이 모니터링될 수 있도록 하는 것을 특징으로 한다.
상기와 같이 이루어지는 본 발명의 FBG 센서 기반의 구조물 변위 계측장치 및 그가 적용된 교량의 받침형 내진장치는 구조물의 변형량 측정이나 구조물에 부가되는 하중 측정이 정확하고 정밀하게 이루어질 수 있고, 구성이 단순하고, 제조 및 설치가 간편하고 용이하게 이루어질 수 있도록 한다.

Description

광섬유 브래그 격자 센서 기반의 구조물 변위 계측장치 및 그가 적용된 교량의 받침형 내진장치{Apparatus for measurement based on FBG sensor and bridge bearing thereof}

본 발명은 FBG 센서 기반의 구조물 변위 계측장치 및 그가 적용된 교량의 받침형 내진장치에 관한 것으로, 좀더 구체적으로는 측정 신뢰성이 높고, 제조 및 설치가 용이하며, 구조물에 대한 실시간 원격 모니터링이 가능한 FBG 센서 기반의 구조물 변위 계측장치 및 그가 적용된 교량의 받침형 내진장치에 관한 것이다.

교량(bridge), 터널, 댐과 같은 시설물이나 건물 등의 각종 구조물은 바람, 유수, 차량이나 사람의 이동 등으로 발생하는 외력에 의해 상시적으로 변형되거나, 강풍, 호우, 지진과 같은 자연재해 등으로 발생하는 외력에 의해 비상시적으로 변형되기도 한다.

이와 같이 구조물은 구성요소의 물성에 따른 허용 변형량보다 낮은 수치로 변형되거나 허용 하중량보다 낮은 수치의 하중이 부과될 경우에는 손상이나 파손없이 정상적인 역할을 수행하게 되지만, 허용 변형량보다 높은 수치로 변형되거나 허용 하중량보다 높은 수치의 하중의 부과될 경우 손상되거나 파손될 위험이 있다.

따라서, 구조물의 상태를 감시하여 구조물의 손상이나 파손에 대비하여야 하며, 이를 위하여 구조물의 특정 위치에 계측장치를 설치하거나, 작업자가 직접 계측장비를 가지고 구조물의 변형량이나 구조물에 부과되는 하중의 크기를 측정하는 작업이 수행된다.

여기서, 구조물의 변형량이나 구조물에 부과되는 하중을 측정하기 위한 계측장치나 계측장비는 로드셀(load cell) 변위계, 그리고 간접적으로 하중과 변위를 계측하는 전기저항식 변형률계(스트레인 게이지)와 같은 센서를 사용하여 측정을 수행하는 것이 일반적이었다.

그러나, 스트레인 게이지를 구조물의 측정 대상 부위에 부착하는 작업{스트레인 게이지는 구조물의 측정 대상 부위에 직접 부착됨}에 어려움이 따랐고, 신호전달용 케이블을 각각의 스트레인 게이지에 접속시켜야 하는 번거로움이 있었으며, 센서로부터 정보를 전달받아 구조물을 모니터링하게 되는 위치가 구조물에서 원거리에 있을 시에는 신호전달용 케이블이 길어지면서 전기적 노이즈로 인하여 측정 신뢰성이 낮아지는 문제점이 있었다.

상기와 같은 단점을 가진 스트레인 게이지를 개선한 기술로서 광섬유센서의 일종인 FBG(fiber optic bragg-grating)가 개발되어 현재 사용되고 있다.

FBG 센서는 광섬유에 격자를 새겨 다수의 측정점을 구성할 수 있는 것으로, 변형률이나 온도와 같은 물리량이 광섬유 브래그 격자에 가해지면 반사되는 협대역 광의 중심파장(center wavelength)이 변화되는데, 이와 같은 중심파장의 변화량을 측정함으로써 FBG 센서로부터 변형률이나 온도와 같은 물리량을 계측하게 된다.

이와 같은 FBG 센서를 이용하여 구조물의 변형량이나 구조물에 부과되는 하중을 측정하는 기술로는 대한민국 등록특허공보 등록번호 제10-0879601호 "광섬유 센서를 이용한 토목 구조물의 변형 측정 장치 및 그 방법", 등록실용신안공보 등록번호 제20-0404652호 "광섬유 브래그 격자 센서를 이용한 콘크리트 구조물 변형률 측정장치" 등이 안출되어 있다.

여기서, 상기 "광섬유 브래그 격자 센서를 이용한 콘크리트 구조물 변형률 측정장치"는 도 1에서와 같이 측정 대상물의 변형과 일체로 거동하는 설치 지그(20)에 FBG 센서(11)가 설치되고, FBG 센서를 보호하기 위한 센서 보호부가 구비되는 구성으로 이루어지는데, 도 2에서와 같이 설치 지그(20) 전체 부위가 측정 대상물(2; 도면에서는 철근)에 부착되는 것이어서 반복되는 측정 대상물(2)의 변형에 따라 설치 지그(20)와 측정 대상물(2) 간 결합력이 약화되면서 측정 대상물(2)과 설치 지그(20)의 변형 거동 간에 불일치가 발생하여 측정 신뢰성이 떨어질 우려가 있었다.

한편, 교량(다리, bridge)은 다수개의 교각이 교량 상판을 받치는 구조로 이루어지는데, 교각과 교량 상판 사이에 교좌장치를 설치하여 교량 상판에서 전달되는 하중을 교각으로 전달하고, 교량 상판을 지지하면서 교량 상판에 가해지는 충격이 완화되도록 한다.

이를 위하여 교좌장치는 탄성소재를 사용한 받침형 내진장치로 이루어지는 것이 일반적이다.

이와 같은 교좌장치는 교량 상판으로부터 전달되는 하중에 의해 변형이 발생하게 되는데, 교좌장치의 과도한 변형이 감시되지 못할 경우 교좌장치나 교량 상판의 손상이나 파손이 야기될 위험성이 있었다.

따라서, 교좌장치의 변형을 계측하기 위한 장치가 개발되어 활용되고 있는데, 이와 관련한 기술로는 대한민국 등록특허공보 등록번호 제10-0456271호 "교량 교좌장치의 변형감지를 위한 정밀 안전진단용 측정장치", 등록번호 제10-0473479호 "교량 교좌장치의 정밀 안전진단을 위한 측정장치" 등이 안출되어 있다.

상기 "교량 교좌장치의 변형감지를 위한 정밀 안전진단용 측정장치"는 도 3에서와 같이 교량 교좌장치(300)의 상,하부 솔플레이트(320)(310)에 체결대(420)와 슬립체결대(460), 유압측정장치(440)를 설치하고, 그 사이에 X형 링크(470)를 설치하여 베어링(490) 및 ㄷ-자형 체결틀(480)로 결합되도록 하여 교량 상판의 하중에 의한 탄성받침(330)의 유동이 X형 링크(470)를 통해 유압측정장치(440)의 변위로 변환되면서 교좌장치의 변형이 계측될 수 있도록 한 것이고, 상기 "교량 교좌장치의 정밀 안전진단을 위한 측정장치"는 도 4에서와 같이 교량 교좌장치(300) 상, 하부 솔플레이트(320,310) 사이의 탄성받침(330)의 진동 계측을 위해 정밀 안전진단용 측정장치(400)를 상,하부 솔플레이트(320,310)의 측면에 고정설치하여 교량상판(200)의 하중에 의한 탄성받침(330)의 변위를 안전진단용 측정장치(400)의 다이얼게이지(430)를 통해 측정할 수 있도록 한 것이다.

그러나, 상기의 기술들은 구조물의 변형량 측정에 유압측정장치(440)나 다이얼게이지(430)를 사용함에 따라, 이를 위한 구성이 복잡해지고, 장치의 설치에 번거로움이 많은 문제점이 있었다.

한편, 교좌장치의 변형을 모니터링하는 장치에 FBG 센서가 적용된 기술로는 대한민국 등록특허공보 등록번호 제10-0700805호 "계측용 광섬유센서가 일체로 내장결합된 교량받침"이 안출되어 있다.

상기 "계측용 광섬유센서가 일체로 내장결합된 교량받침"은 도 4에서와 같이 교량의 상부구조물과 하부구조물 사이에 설치되고 상부판(3), 하부판(4) 및 중간판(5)을 포함하여 이루어지는 것으로, 하부판(3)의 상면에는 오목 구면이 형성되고, 하부판(3) 상면의 오목 구면과 면접되도록 중간판(5)의 하면이 볼록 구면으로 형성되며, 상부판(3)과 중간판(4)의 사이에는 복합재료의 미끄럼판(6)이 삽입 설치되되, 복합재료의 미끄럼판(6)의 내부에 다중화된 광섬유센서(7a)가 형성된 계측용 광섬유(7)가 일체로 내장결합되는 구성으로 이루어지는데, 계측용 광섬유(7)가 내장된 복합재료의 미끄럼판(6)을 제조하고, 설치하는데 번거로움이 많은 문제점이 있었다.

본 발명은 상기 문제점을 해소하고자 창출한 것으로서, 구조물과의 결합이 안정되게 지속적으로 유지되는 한편, 구조물이 반복적으로 변형되더라도 구조물의 변형 거동을 정확하게 전달받게 되는 집게 형상의 센서용 지그에 FBG 센서가 부착되어 구조물에 대한 계측이 이루어지도록 함에 따라, 구조물의 변형량 측정이나 구조물에 부가되는 하중 측정이 정확하고 정밀하게 이루어질 수 있는 FBG 센서 기반의 구조물 변위 계측장치를 제공함에 목적이 있다.

또한, 본 발명은 구성이 단순하고, 제조 및 설치가 간편하고 용이하게 이루어질 수 있는 FBG 센서 기반의 구조물 변위 계측장치가 적용된 교량의 받침형 내진장치를 제공함에 목적이 있다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 FBG 센서 기반의 구조물 변위 계측장치는, 끝단에 형성된 한쌍의 고정단이 변형단에 의해 연결되어 집게 형상을 이루고, 상기 구조물의 정해진 방향 양단부에 상기 고정단이 각각 고정되어 상기 구조물과 일체로 변형하게 되는 센서용 지그와; 상기 센서용 지그의 변형단에 부착되어 상기 센서용 지그의 변형량을 계측하게 되는 계측센서와; 상기 계측센서로부터 상기 센서용 지그의 변형량 정보를 입력받아 상기 구조물의 변위를 산출하게 되는 컨트롤러를 포함하여, 상기 구조물의 변위 변동이 모니터링될 수 있도록 하는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 계측센서는 FBG(fiber optic bragg-grating) 센서가 사용되고, 상기 FBG 센서는 실시간으로 상기 센서용 지그의 변형량을 계측하여 상기 구조물의 변위 변동이 실시간으로 모니터링될 수 있도록 하는 것을 특징으로 한다.

여기서, 상기 센서용 지그는 한쌍의 '─'형 고정단이 '│'형 변형단 양단에 핀결합되어 'ㄷ'형 단면 형상을 이루는 것이고, 상기 '─'형 고정단과 '│'형 변형단이 핀결합되는 부위 내측에 단턱을 형성하여 상기 '│'형 변형단이 외측으로만 굽혀지도록 할 수 있다.

또한, 상기 센서용 지그는 한쌍의 일자형 연결체가 서로 핀결합되어 형성된 'X'형 변형단 양단에 한쌍의 '─'형 고정단이 핀결합되어 이루어지는 것일 수 있는데, 상기 'X'형 변형단은 상기 한쌍의 일자형 연결체가 편심되게 핀결합되어 외측 '＞'부위가 내측 '＜'부위보다 작게 형성되도록 하고, 상기 계측센서는 상기 'X'형 변형단의 '＞' 부위 내측에 배치될 수 있다.

또한, 상기 센서용 지그는 한쌍의 일자형 연결체 끝단부가 서로 핀결합되어 형성된 '＜'형 변형단 양단에 한쌍의 '─'형 고정단이 핀결합되어 이루어질 수 있는데, 상기 계측센서는 상기 '＜'형 변형단의 내측에 배치될 수 있다.

또한, 상기 센서용 지그는 상기 고정단과 변형단이 일체로 성형되어 이루어진 것일 수 있다.

또한, 상기 센서용 지그는 직각삼각형 단면의 삼각기둥 형상으로 이루어져 수직면과 경사면을 가지는 안내홈이 일면에 형성된 한쌍의 블록형 고정단 사이에 평판형 변형단이 배치되도록 하고, 각 블록형 고정단의 안내홈을 이루는 수직면에 상기 평판형 변형단의 끝단부가 밀착되면서 삽입고정되도록 하여 이루어지는 것일 수 있다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 FBG 센서 기반의 구조물 변위 계측장치가 적용된 교량의 받침형 내진장치는, 교량 상판과 교각 사이에 설치되는 것으로서, 하부가 개방된 박스(box) 형상으로 이루어져 하부 둘레를 따라 둘레단이 형성되고, 상기 교량 상판 저면에 고정되는 가이드블록과; 디스크 베어링(disk bearing)이 상면에 설치되고, 상기 둘레단 내측의 상기 가이드블록 하부로 삽입되는 베어링 블록과; 상기 가이드블록의 둘레단과 상기 베어링 블록 사이에 배치되는 스프링과; 상기 베어링 블록의 저면과 상기 교각 사이에 배치되고, 중공형 원판 형상으로 이루어지는 디스크와; 상기 디스크의 중공홀을 관통하여 상기 교각의 상면과 상기 베어링 블록의 저면에 고정되는 전단 핀(shear pin)과; 상기 디스크에서 측방향으로 이격된 위치에 상기 디스크의 상하방향으로 배치되는 변형단을 구비하여 상기 변형단이 상기 디스크의 변형을 전달받아 변형하도록 하는 센서용 지그와; 상기 센서용 지그의 변형단에 부착되어 상기 센서용 지그의 변형량을 계측하게 되는 FBG 센서 및; 상기 FBG 센서로부터 상기 센서용 지그의 변형량 정보를 입력받아 상기 디스크의 변위를 산출하게 되는 컨트롤러를 포함하여, 상기 받침형 내진장치의 수직 변위가 실시간으로 모니터링되면서 상기 받침형 내진장치에 대한 안전진단이 수행되도록 하는 것을 특징으로 한다.

여기서, 상기 센서용 지그는 끝단에 형성된 한쌍의 고정단이 변형단으로 연결된 집게 형상으로 이루어지고, 상기 디스크의 상하방향 양단부에 상기 고정단이 각각 고정되어 상기 디스크와 일체로 변형하게 되는 것을 특징으로 한다.

이와 달리, 상기 교각의 상단에 설치되어 상기 디스크가 고정되도록 하는 하부판과 상기 베어링 블록은 서로 마주보는 면에 직각삼각형 단면의 삼각기둥 형상으로 이루어져 수직면과 경사면을 가지는 안내홈이 각각 형성되도록 하고, 상기 센서용 지그는 평판형 변형단으로 이루어져 상기 하부판과 베어링 블록의 각 안내홈을 이루는 수직면에 상기 평판형 변형단의 끝단부가 밀착되면서 삽입고정되는 것일 수도 있다.

상기와 같이 이루어지는 본 발명의 FBG 센서 기반의 구조물 변위 계측장치 및 그가 적용된 교량의 받침형 내진장치는, 집게 형상의 센서용 지그가 사용됨에 따라, 구조물의 변동 거동이 정확하게 센서용 지그로 지속적으로 전달될 수 있어 측정 신뢰도가 높아지고, 장기간 사용되더라도 높은 측정 신뢰도가 유지되는 효과가 있다.

그리고, 본 발명은 구성이 단순화되고, 제조와 설치가 간편하고 용이하게 이루어질 수 있는 한편, 설치 후 유지보수 작업이 용이하게 이루어지는 효과가 있다.

또한, 본 발명은 FBG 센서의 사용으로 구조물에 대한 실시간 원격 모니터링이 원활하고 효과적으로 이루어질 수 있게 되고, 이에 따라 구조물에 대한 안전진단이 신속하고 정확하게 이루어질 수 있어 사고의 위험을 최소화시킬 수 있게 된다.

이와 더불어 종래의 전기저항식 변형률 센서와 달리 전기적 노이즈가 없어 측정 신뢰도가 더욱 향상되고, 하나의 케이블로 다중측정이 가능하여 설치가 간편하고 용이하게 이루어진다.

도 1은 등록실용신안공보 등록번호 제20-0404652호의 주요부 구성을 보여주기 위한 도면이다.
도 2는 등록실용신안공보 등록번호 제20-0404652호가 측정 대상물에 설치되는 구성을 보여주기 위한 도면이다.
도 3은 등록특허공보 등록번호 제10-0456271호의 주요부 구성을 보여주기 위한 도면이다.
도 4는 등록특허공보 등록번호 제10-0473479호의 주요부 구성을 보여주기 위한 도면이다.
도 5는 등록특허공보 등록번호 제10-0700805호의 주요부 구성을 보여주기 위한 도면이다.
도 6은 본 발명에 따른 FBG 센서 기반의 구조물 변위 계측장치의 기본 구성과 기술적 사상을 보여주기 위한 도면이다.
도 7의 (a) 내지 (c)는 고정단과 변형단이 서로 핀결합된 타입의 센서용 지그와 FBG 센서가 사용된 FBG 센서 기반의 구조물 변위 계측장치를 보여주기 위한 도면이다.
도 8의 (a)와 (b)는 고정단과 변형단이 일체로 형성되어 이루어진 센서용 지그와 FBG 센서가 사용된 FBG 센서 기반의 구조물 변위 계측장치를 보여주기 위한 도면이다.
도 9의 (a)와 (b)는 블록형 고정단과 평판형 변형단으로 이루어진 센서용 지그를 보여주기 위한 도면이다.
도 10은 본 발명의 실시예에 따른 FBG 센서 기반의 구조물 변위 계측장치가 적용된 교량의 받침형 내진장치의 분해 사시도이다.
도 11은 본 발명의 실시예에 따른 FBG 센서 기반의 구조물 변위 계측장치가 적용된 교량의 받침형 내진장치의 분리 단면도이다.
도 12는 본 발명의 실시예에 따른 FBG 센서 기반의 구조물 변위 계측장치가 적용된 교량의 받침형 내진장치의 결합 단면도이다.
도 13의 (a)와 (b)는 도 6의 (a)에 도시된 센서용 지그가 받침형 내진장치에 설치되어 작동하는 것을 보여주기 위한 도면이다.
도 14의 (a)와 (b)는 도 6의 (b)에 도시된 센서용 지그가 받침형 내진장치에 설치되어 작동하는 것을 보여주기 위한 도면이다.
도 15의 (a)와 (b)는 도 9에 도시된 센서용 지그가 받침형 내진장치에 설치되어 작동하는 것을 보여주기 위한 도면이다.
도 16의 (a)와 (b)는 평판형 변형단으로 이루어진 센서용 지그가 받침형 내진장치에 설치되어 작동하는 것을 보여주기 위한 도면이다.

도 6은 본 발명에 따른 FBG 센서 기반의 구조물 변위 계측장치의 기본 구성과 기술적 사상을 보여주기 위한 도면이다.

도 6을 참조하면, 본 발명에 따른 FBG 센서 기반의 구조물 변위 계측장치(100)는 구조물(1)에 집게 형상의 센서용 지그(10)가 고정설치되도록 하고, 이와 같은 센서용 지그(10)에 계측센서(20)가 부착되어 구조물(1)의 변형량을 측정하게 된다.

센서용 지그(10)는 끝단에 형성된 한쌍의 고정단(11)이 변형단(12)으로 연결되면서 집게 형상을 이루게 되는데, 이와 같은 센서용 지그(10)는 구조물(1)의 정해진 방향 양단부에 고정단(11)이 각각 고정되면서 구조물(1)과 일체로 변형하게 된다.

여기서, 센서용 지그(10)는 구조물(1)의 X축 방향, Y축 방향, Z축 방향 양단부에 설치되어 해당 방향의 변형량이 측정될 수 있도록 하는데, 필요에 따라 이외의 방향으로도 설치될 수 있음은 물론이다.

이와 같은 센서용 지그(10)는 집게 형상으로 이루어져 절곡된 끝단부가 고정단(11)으로서 구조물(1)에 고정되고, 변형단(12)은 구조물(1)로부터 이격되게 위치되어 구조물(1)과 일체로 변형하게 되는 고정단(11)에 의해 변형되는 구성이다. 이에 따라, 센서용 지그(10)와 구조물(1)의 결합이 안정되게 지속적으로 유지될 수 있고, 구조물(1)이 반복적으로 변형되더라도 구조물(1)의 변형 거동이 정확하게 센서용 지그(10)로 전달될 수 있다.

계측센서(20)는 센서용 지그(10)의 변형단(12)에 부착되는 것으로, 구조물(1)과 일체로 변형하게 되는 센서용 지그(10)의 변형량을 계측하게 된다.

여기서, 계측센서(20)는 FBG(fiber optic bragg-grating) 센서(21)가 사용되는 것이 바람직하다. 이와 같이 FBG 센서(21)가 사용됨에 따라, 전자기 유도에 의한 노이즈의 발생없이 높은 신뢰성과 정밀도로서 계측을 수행할 수 있고, 한 가닥의 광섬유 케이블에 복수개의 FBG 센서(21)를 접속시켜 설치를 단순화시킬 수 있게 되며, 구조물(1)로부터 원격 거리의 장소에서도 구조물(1)에 대한 모니터링을 효과적으로 수행할 수 있게 된다.

컨트롤러(30)는 계측센서(20)로부터 센서용 지그(10)의 변형량 정보를 입력받아 구조물(1)의 변위를 산출하게 되는 것으로, 컨트롤러(30)를 통해 구조물(1)의 변위 변동이 모니터링된다. 이를 위하여 컨트롤러(30)는 각종 출력장치나 디스플레이장치와 연동될 수 있다.

여기서, 본 발명에 따른 FBG 센서 기반의 구조물 변위 계측장치(100)는 FBG 센서(21)가 실시간으로 센서용 지그(10)의 변형량을 계측하도록 하고, 컨트롤러(30)는 실시간으로 구조물(1)의 변위 변동을 산출하도록 하여 구조물(1)의 변위 변동이 실시간으로 모니터링될 수 있도록 한다.

이하, 본 발명의 실시예를 첨부된 도면 도 7 내지 도 16에 의거하여 상세히 설명한다. 한편, 도면과 상세한 설명에서 일반적인 교량의 받침형 내진장치, 각종 구조물에 적용되는 계측장치, FBG 센서 등으로부터 이 분야의 종사자들이 용이하게 알 수 있는 구성 및 작용에 대한 도시 및 언급은 간략히 하거나 생략하였다. 특히 도면의 도시 및 상세한 설명에 있어서 본 발명의 기술적 특징과 직접적으로 연관되지 않는 요소의 구체적인 기술적 구성 및 작용에 대한 상세한 설명 및 도시는 생략하고, 본 발명과 관련되는 기술적 구성만을 간략하게 도시하거나 설명하였다.

도 7의 (a) 내지 (c)는 고정단과 변형단이 서로 핀결합된 타입의 센서용 지그와 FBG 센서가 사용된 FBG 센서 기반의 구조물 변위 계측장치를 보여주기 위한 도면이다.

도 7의 (a) 내지 (c)를 참조하면, 센서용 지그(10a)(10b)(10c)는 변형단(12)의 양단부에 한쌍의 고정단(11)이 핀결합되는 구성으로 이루어질 수 있다. 이와 같은 구성의 센서용 지그(10)(10b)(10c)는 고정단(11)이 변형단(12)의 끝단부에서 자유롭게 회전할 수 있게 됨에 따라 구조물(1)의 정해진 방향 양단부에 밀착 고정되고, 고정된 상태를 지속적으로 유지할 수 있게 된다.

다시, 도 7의 (a)를 참조하면, 본 발명에 따른 FBG 센서 기반의 구조물 변위 계측장치(100)는 'ㄷ'형 단면 형상을 이루는 센서용 지그(10a)를 사용할 수 있다.

이와 같은 센서용 지그(10a)는 한쌍의 '─'형 고정단(111)이 '│'형 변형단(121) 양단에 핀결합되어 'ㄷ'형 단면 형상을 이루는 것이다.

여기서, '─'형 고정단(111)과 '│'형 변형단(121)이 핀결합되는 부위 내측에 단턱(14)을 형성하여 '│'형 변형단(121)이 외측으로만 굽혀지도록 하는 것이 바람직하다. 이와 같은 단턱(14)은 '─'형 고정단(111)의 끝단부에 형성될 수도 있고, '│'형 변형단(121)의 양단부에 형성될 수도 있다.

이는 변형단(12)이 내측으로 굽혀져 구조물(1)과 접촉함으로써 굽힘 변형이 제한되는 것을 방지하는 한편, 변형단(12)의 굽힘 변형량이 외측 방향의 굽힘 변형을 기준으로 계산되도록 하기 위함이다.

도 7의 (b)를 참조하면, 본 발명에 따른 FBG 센서 기반의 구조물 변위 계측장치(100)는 한쌍의 '─'형 고정단(111)이 'X'형 변형단(123) 양단에 핀결합되어 이루어지는 센서용 지그(10b)를 사용할 수 있다. 여기서, 'X'형 변형단(123)은 한쌍의 일자형 연결체(122)가 서로 핀결합되어 이루어진 것이다.

이와 같이 구성된 센서용 지그(10b)는 고정단(11)과 변형단(12), 변형단(12)을 이루는 연결체(122)가 각각 핀결합되는 구성이므로, 구조물(1) 변형시 굽힘변형되지 않고 핀결합 부위를 중심으로 회전하면서 변형된다. 이에 따라 구조물(1)의 반복적인 변형에도 피로에 의한 손상이나 파손이 방지되는 이점이 있다.

여기서, 'X'형 변형단(123)은 한쌍의 일자형 연결체(122)가 편심되게 핀결합되도록 하여 외측 '＞'부위(123b)가 내측 '＜'부위(123a)보다 작게 형성되도록 할 수 있는데, 이 경우 계측센서(20)는 'X'형 변형단(123)의 '＞' 부위(123b) 내측에 배치되도록 한다. 이는 계측센서(20)가 설치된 변형단(12) 부위가 구조물(1)보다 작은 변형량을 가지도록 유도하여 계측 효율성을 증대시키게 된다.

물론, 이와 달리 계측센서(20)가 배치되는 외측 '＞'부위(123b)가 내측 '＜'부위(123a)보다 크게 형성되도록 하여 변형단(12)이 구조물(1)보다 큰 변형량을 가지도록 유도함으로써 계측 정밀도를 증대시킬 수도 있다.

도 7의 (c)를 참조하면, 본 발명에 따른 FBG 센서 기반의 구조물 변위 계측장치(100)는 한쌍의 '─'형 고정단(111)이 '＜'형 변형단(12) 양단에 핀결합되어 이루어지는 센서용 지그(10c)를 사용할 수 있다. 여기서, '＜'형 변형단(12)은 한쌍의 일자형 연결체(122) 끝단부가 서로 핀결합되어 이루어진 것이다.

계측센서(20)는 '＜'형 변형단(12)의 내측에 배치되어 계측센서(20)가 설치된 변형단(12) 부위가 구조물(1)보다 작은 변형량을 가지도록 유도함으로써, 계측 효율성이 증대되도록 한다.

이와 같이 구성된 센서용 지그(10c)도 고정단(11)과 변형단(12), 변형단(12)을 이루는 연결체(122)가 각각 핀결합되는 구성이므로, 구조물(1)의 변형시 굽힘변형되지 않고 핀결합 부위를 중심으로 회전하면서 변형된다. 이에 따라 구조물(1)의 반복적인 변형에도 피로에 의한 손상이나 파손이 방지되는 이점이 있다.

도 8의 (a)와 (b)는 고정단과 변형단이 일체로 형성되어 이루어진 센서용 지그와 FBG 센서가 사용된 FBG 센서 기반의 구조물 변위 계측장치를 보여주기 위한 도면이다.

도 8의 (a)와 (b)를 참조하면, 센서용 지그(10d)(10e)는 고정단(11)과 변형단(12)이 일체로 성형되어 이루어지는 것이 사용될 수 있다. 이와 같은 구성의 센서용 지그(10d)(10e)는 고정단(11)이 변형단(12)이 일체 성형되는 것임에 따라 제조가 용이하게 이루어질 수 있다.

이와 같은 구성의 센서용 지그(10d)(10e)는 도 8의 (a)에서와 같이 말굽 형상(⊂)으로 고정단(11)과 변형단(12)이 일체로 성형되어 이루어지는 것(10d)이 사용될 수 있으며, 도 8의 (b)에서와 같이, 각을 이루며 다수번 꺾인 형상으로 고정단(11)과 변형단(12)이 일체로 성형되어 이루어지는 것(10e)이 사용될 수 있다.

도 9의 (a)와 (b)는 블록형 고정단과 평판형 변형단으로 이루어진 센서용 지그를 보여주기 위한 도면이다.

도 9의 (a)와 (b)를 참조하면, 본 발명에 따른 FBG 센서 기반의 구조물 변위 계측장치(100)는 한쌍의 블록형 고정단(112)과 평판형 변형단(124)이 서로 분리되어 결합되는 센서용 지그(10f)가 사용될 수 있다.

여기서, 블록형 고정단(112)은 안내홈(1121)이 일면에 형성되는데, 이와 같은 안내홈(1121)은 직각삼각형 단면의 삼각기둥 형상으로 이루어져 수직면(1121a)과 경사면(1121b)을 가지게 된다.

평판형 변형단(124)은 일정크기의 평판체로 이루어지는 것으로, FBG 센서(21)와 같은 계측센서(20)가 일측 표면에 부착된다.

이와 같은 평판형 변형단(124)은 안내홈(1121)이 서로 마주보도록 이격되게 배치되는 한쌍의 블록형 고정단(112) 사이에 배치되고, 각 블록형 고정단(112)의 안내홈(1121)에 평판형 변형단(124)의 양단부가 일정깊이로 삽입되면서 블록형 고정단(112)과 결합된다.

여기서, 평판형 변형단(124)의 각 끝단부는 각 안내홈(1121)의 수직면(1121a)에 밀착되는데, 이에 따라 평판형 변형단(124)의 변형은 안내홈(1121)의 경사면(1121b) 방향으로 이루어지게 된다.

도 10은 본 발명의 실시예에 따른 FBG 센서 기반의 구조물 변위 계측장치가 적용된 교량의 받침형 내진장치의 분해 사시도이고, 도 11은 본 발명의 실시예에 따른 FBG 센서 기반의 구조물 변위 계측장치가 적용된 교량의 받침형 내진장치의 분리 단면도이며, 도 12는 본 발명의 실시예에 따른 FBG 센서 기반의 구조물 변위 계측장치가 적용된 교량의 받침형 내진장치의 결합 단면도이다.

도 10 내지 도 12를 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 FBG 센서 기반의 구조물 변위 계측장치가 적용된 교량의 받침형 내진장치(200)는 교량 상판(120)과 교각(130) 사이에 설치된다.

이와 같은 받침형 내진장치(200)는 가이드블록(280), 베어링 블록(220), 스프링(224), 스프링 핀(226), 디스크(240), 전단 핀(260), 하부판(210)을 구비하고, 디스크(240)에 계측장치(100)를 설치하는 구성으로 이루어진다.

가이드블록(280)은 교량 상판(120) 저면에 고정되는 것으로, 하부가 개방된 박스(box) 형상으로 이루어져 하부 둘레를 따라 둘레단(282)이 형성된 것이다. 이와 같은 가이드블록(280)은 강 소재로 이루어져 받침형 내진장치(200)의 구성요소들을 보호하고, 교량 상판(120)과 일체거동을 하는 역할을 한다.

베어링 블록(220)은 가이드블록(280) 하부의 둘레단(282) 내측에 삽입 배치되는 것으로, 디스크 베어링(disk bearing)(222)이 상면에 설치된다. 이와 같은 디스크 베어링(222)은 PTFE와 같은 불소수지 소재로 이루어지는데, 교량 상판(120)의 상시적인 변위를 수용하고, 교량 상판(120)의 수평변위시 마찰력을 감쇄하는 역할을 한다.

여기서, 베어링 블록(220)은 스프링(224)에 의해 가이드블록(280)에 정위치되는데, 스프링(224)은 가이드블록(280)과 베어링 블록(220) 사이에 배치되는 것으로, 스프링(224)의 일단부는 가이드블록(280)의 둘레단(282) 내측에 배치되고, 스프링(224)의 타단부는 베어링 블록(220)의 외주면 외측에 배치된다. 이와 같은 스프링(224)은 폴리우레탄 소재로 이루어지는데, 교량 상판(120)으로부터 전달되는 수평 하중에 상시적으로 저항하는 것으로 받침형 내진장치(200)에 수평방향 강성(rigidity)을 제공한다.

이와 같은 스프링(224)은 스프링 핀(226)에 의해 베어링 블록(220)의 외주면에 고정되는데, 베어링 블록(220)의 외주면 둘레를 따라 정해진 간격으로 다수개의 스프링(224)이 배치 고정되도록 하여 교량 상판(120)의 온도에 따른 이완수축이나, 교량 상판(120)을 통과하는 차량의 하중에 의한 수평하중을 흡수하는 역할을 한다.

디스크(240)는 베어링 블록(220)의 저면과 교각(130)의 하부판(210) 사이에 배치되는 것으로, 중공형 원판 형상으로 이루어져 있다. 이와 같은 디스크(240)는 폴리우레탄 소재로 이루어지는데, 베어링 블록(220)을 통해 전달되는 교량 상판(120)의 수직 하중과 회전 변형을 수용하는 역할을 한다.

전단 핀(shear pin)(260)은 디스크(240)의 중공홀을 관통하여 교각(130) 상면의 하부판(210)과 베어링 블록(220)의 저면에 고정되는 것이다. 이와 같은 전단 핀(260)은 고강도 강 소재로 이루어지는데, 베어링 블록(220), 디스크(240)를 하부판(210)에 고정시켜 베어링블록(220)과 디스크(240)의 위치 이탈이 방지되도록 하는 역할을 한다.

하부판(210)은 교각(130)에 고정설치되는 것으로, 중앙에 형성된 고정홀(212)에 전단 핀(260)의 하단이 삽입고정되면서 베어링 블록(220)과 디스크(240)의 위치 이탈이 방지될 수 있게 된다.

계측장치(100)는 디스크(240)의 상하방향 양단부에 고정단(11)이 각각 고정되어 디스크(240)와 일체로 변형하게 되는 센서용 지그(10)를 구비하여 받침형 내진장치(200)의 수직변위나 수직하중이 측정될 수 있도록 한다.

이와 같은 계측장치(100)는 센서용 지그(10) 이외에 FBG 센서(21)와 컨트롤러(30)를 더 구비하여 받침형 내진장치(200)의 수직 변위나 수직 하중이 실시간으로 모니터링되면서 받침형 내진장치(200)에 대한 안전진단이 수행되도록 한다. 여기서, 받침형 내진장치(200)의 수직 하중은 계측장치(100)로부터 계측되는 수직 변위와 받침형 내진장치(200)를 이루는 구성요소의 물성치를 통해 산출될 수 있다.

상기의 계측장치(100)는 전술된 본 발명의 FBG 센서 기반의 구조물 변위 계측장치(100)가 사용되는 것이므로, 구체적 설명은 생략한다.

도 13의 (a)와 (b)는 도 7의 (a)에 도시된 센서용 지그가 받침형 내진장치에 설치되어 작동하는 것을 보여주기 위한 도면이다.

도 13의 (a)와 (b)를 참조하면, 본 발명의 받침형 내진장치(200)는 교량 상판(120)으로부터 수직 하중을 전달받아 변형하게 되는데, 특히 받침형 내진장치(200)를 구성하는 디스크(240)에 센서용 지그(10a)가 설치되어 디스크(240)와 센서용 지그(10a)가 일체로 변형하게 된다. 이와 같은 센서용 지그(10a)에는 FBG 센서(21)가 사용되는 계측센서(20)가 장착되어 센서용 지그(10a)의 변형량을 측정하게 된다. 계측센서(20)로부터 측정된 센서용 지그(10a)의 변형량은 컨트롤러(30)로 전달되고, 컨트롤러(30)는 기설정된 받침형 내진장치(200)의 수직변위, 수직하중 산출 알고리즘과 미리 저장된 받침형 내진장치(200) 구성요소의 물성치를 기반으로 받침형 내진장치(200)의 수직변위와 수직하중을 산출하게 된다.

여기서, 도 13의 (a)와 (b)의 받침형 내진장치(200)는 'ㄷ'형 단면 형상을 이루는 센서용 지그(10a)를 구비한 것임에 따라, 센서용 지그(10a)를 이루는 변형단(12)의 굽힘 변형량(곡률)을 측정하여 받침형 내진장치(200)의 수직변위와 수직하중을 산출하게 된다.

도 14의 (a)와 (b)는 도 7의 (b)에 도시된 센서용 지그가 받침형 내진장치에 설치되어 작동하는 것을 보여주기 위한 도면이다.

도 14의 (a)와 (b)의 받침형 내진장치(200)는 'X'형 변형단(123)을 가지고 외측 '＞'부위(123b)에 FBG 센서(21)가 사용되는 계측센서(20)가 배치된 센서용 지그(10b)를 구비하는 것임에 따라, 'X'형 변형단(123)의 '＞' 부위(123b)의 회전각 변위를 측정하여 받침형 내진장치(200)의 수직변위와 수직하중을 산출하게 된다.

도 15의 (a)와 (b)는 도 9에 도시된 센서용 지그가 받침형 내진장치에 설치되어 작동하는 것을 보여주기 위한 도면이다.

도 15의 (a)와 (b)의 내진장치(200)는 교각(130)의 하부판(210)과 베어링 블록(220)에 각각 고정되는 한쌍의 블록형 고정단(112) 사이에 평판형 변형단(124)이 배치되는 센서용 지그(10f)를 사용한 것으로, 이와 같은 센서용 지그(10f)는 평판형 변형단(124)에 FBG 센서(21)가 사용되는 계측센서(20)를 부착하여 받침형 내진장치(200)의 수직변위와 수직하중을 산출하게 된다.

즉, 도 15의 (b)에서와 같이 교량 상판(120)으로부터 전달되는 수직하중에 의해 베어링 블록(220)이 하측으로 변위하게 되면, 베어링 블록(220)의 저면에 고정된 블록형 고정단(112)도 함께 변위되면서 하부판(210)에 고정된 블록형 고정단(112)과 베어링 블록(220)에 고정된 블록형 고정단(112) 사이 간격이 좁혀지게 된다. 이에 따라 직각삼각형 단면의 삼각기둥 현상으로 이루어진 안내홈(1121)에 삽입되어 양단부가 구속되는 한편, 일면이 안내홈(1121)의 수직면(1121a)에 밀착되어 있는 평판형 변형단(124)은 수직면(1121a)의 반대측 경사면(1121b) 방향으로 굽힘변형하게 되는데, 이와 같은 평판형 변형단(124)의 굽힘변형량을 FBG 센서(21)가 측정함으로써 받침형 내진장치(200)의 수직변위와 수직하중을 산출하게 되는 것이다.

도 16의 (a)와 (b)는 평판형 변형단으로 이루어진 센서용 지그가 받침형 내진장치에 설치되어 작동하는 것을 보여주기 위한 도면이다.

도 16의 (a)와 (b)의 내진장치(200)는 교각(130)의 하부판(210)과 베어링 블록(220)의 서로 마주보는 면에 직각삼각형 단면의 삼각기둥 형상으로 이루어져 수직면(1121a)과 경사면(1121b)을 가지는 안내홈(211)(221)이 각각 형성되어 센서용 지그(10g)가 고정설치되도록 한 것이다.

여기서, 센서용 지그(10g)는 고정단 없이 평판형 변형단(124)으로만 이루어지고, 이와 같은 평판형 변형단(124)에 FBG 센서(21)가 사용되는 계측센서(20)를 부착하여 받침형 내진장치(200)의 수직변위와 수직하중을 산출하게 된다.

이와 같은 도 16의 (a)와 (b)의 내진장치(200)에서 평판형 변형단(124)으로 이루어진 센서용 지그(10g)의 거동은 도 15의 (a)와 (b)와 동일하므로, 상세한 설명은 생략한다.

이상, 본 발명을 구체적인 실시예를 통하여 상세하게 설명하였으나, 본 발명은 상기 실시예에 한정하지 않고, 본 발명의 기술적 사상의 범위내에서 통상의 지식을 가진 자에 의하여 여러 가지 변형이 가능하다.

1 : 구조물
10, 10a. 10b, 10c, 10d, 10e, 10f, 10g : 센서용 지그
11 : 고정단 111 : '─'형 고정단
112 : 블록형 고정단 1121 : 안내홈
1121a : 수직면 1121b : 경사면
12 : 변형단 121 : '│'형 변형단
122 : 일자형 연결체 123 : 'X'형 변형단
123a : '＜' 부위 123b : '＞'부위
124 : 평판형 변형단 13 : 연결핀
14 : 단턱 20 : 계측센서
21 : FBG 센서 30 : 컨트롤러
100 : 계측장치 120 : 교량 상판
130 : 교각 200 : 받침형 내진장치
210 : 하부판 211, 221 : 안내홈
212 : 고정홀 220 : 베어링 블록
222 : 디스크 베어링 224 : 스프링
226 : 스프링 핀 240 : 디스크
260 : 전단핀 280 : 가이드블록
282 : 둘레단

Claims (11)

1. 구조물의 변위를 측정하기 위한 계측장치에 있어서,
   끝단에 형성된 한쌍의 고정단이 변형단에 의해 연결되어 집게 형상을 이루고, 상기 구조물의 정해진 방향 양단부에 상기 고정단이 각각 고정되어 상기 구조물과 일체로 변형하게 되는 센서용 지그와;
   상기 센서용 지그의 변형단에 부착되어 상기 센서용 지그의 변형량을 계측하게 되는 계측센서와;
   상기 계측센서로부터 상기 센서용 지그의 변형량 정보를 입력받아 상기 구조물의 변위를 산출하게 되는 컨트롤러를 포함하여,
   상기 구조물의 변위 변동이 모니터링될 수 있도록 하는 것을 특징으로 하는 FBG 센서 기반의 구조물 변위 계측장치.
2. 제 1항에 있어서,
   상기 계측센서는 FBG(fiber optic bragg-grating) 센서가 사용되고, 상기 FBG 센서는 실시간으로 상기 센서용 지그의 변형량을 계측하여 상기 구조물의 변위 변동이 실시간으로 모니터링될 수 있도록 하는 것을 특징으로 하는 FBG 센서 기반의 구조물 변위 계측장치.
3. 제 1항 또는 제 2항에 있어서,
   상기 센서용 지그는 한쌍의 '─'형 고정단이 '│'형 변형단 양단에 핀결합되어 'ㄷ'형 단면 형상을 이루는 것을 특징으로 하는 FBG 센서 기반의 구조물 변위 계측장치.
4. 제 3항에 있어서,
   상기 센서용 지그는 상기 '─'형 고정단과 '│'형 변형단이 핀결합되는 부위 내측에 단턱을 형성하여 상기 '│'형 변형단이 외측으로만 굽혀지도록 하는 것을 특징으로 하는 FBG 센서 기반의 구조물 변위 계측장치.
5. 제 1항 또는 제 2항에 있어서,
   상기 센서용 지그는 한쌍의 일자형 연결체가 서로 핀결합되어 형성된 'X'형 변형단 양단에 한쌍의 '─'형 고정단이 핀결합되어 이루어지되,
   상기 'X'형 변형단은 상기 한쌍의 일자형 연결체가 편심되게 핀결합되어 외측 '＞'부위가 내측 '＜'부위보다 작게 형성되도록 하고,
   상기 계측센서는 상기 'X'형 변형단의 '＞' 부위 내측에 배치되는 것을 특징으로 하는 FBG 센서 기반의 구조물 변위 계측장치.
6. 제 1항 또는 제 2항에 있어서,
   상기 센서용 지그는 한쌍의 일자형 연결체 끝단부가 서로 핀결합되어 형성된 '＜'형 변형단 양단에 한쌍의 '─'형 고정단이 핀결합되어 이루어지고,
   상기 계측센서는 상기 '＜'형 변형단의 내측에 배치되는 것을 특징으로 하는 FBG 센서 기반의 구조물 변위 계측장치.
7. 제 1항 또는 제 2항에 있어서,
   상기 센서용 지그는 상기 고정단과 변형단이 일체로 성형되어 이루어진 것임을 특징으로 하는 FBG 센서 기반의 구조물 변위 계측장치.
8. 제 1항 또는 제 2항에 있어서,
   상기 센서용 지그는 직각삼각형 단면의 삼각기둥 형상으로 이루어져 수직면과 경사면을 가지는 안내홈이 일면에 형성된 한쌍의 블록형 고정단 사이에 평판형 변형단이 배치되도록 하고, 각 블록형 고정단의 안내홈을 이루는 수직면에 상기 평판형 변형단의 끝단부가 밀착되면서 삽입고정되도록 하여 이루어지는 것임을 특징으로 하는 FBG 센서 기반의 구조물 변위 계측장치.
9. 교량 상판과 교각 사이에 설치되는 받침형 내진장치에 있어서,
   하부가 개방된 박스(box) 형상으로 이루어져 하부 둘레를 따라 둘레단이 형성되고, 상기 교량 상판 저면에 고정되는 가이드블록과;
   디스크 베어링(disk bearing)이 상면에 설치되고, 상기 둘레단 내측의 상기 가이드블록 하부로 삽입되는 베어링 블록과;
   상기 가이드블록의 둘레단과 상기 베어링 블록 사이에 배치되는 스프링과;
   상기 베어링 블록의 저면과 상기 교각 사이에 배치되고, 중공형 원판 형상으로 이루어지는 디스크와;
   상기 디스크의 중공홀을 관통하여 상기 교각의 상면과 상기 베어링 블록의 저면에 고정되는 전단 핀(shear pin)과;
   상기 디스크에서 측방향으로 이격된 위치에 상기 디스크의 상하방향으로 배치되는 변형단을 구비하여 상기 변형단이 상기 디스크의 변형을 전달받아 변형하도록 하는 센서용 지그와;
   상기 센서용 지그의 변형단에 부착되어 상기 센서용 지그의 변형량을 계측하게 되는 FBG 센서 및;
   상기 FBG 센서로부터 상기 센서용 지그의 변형량 정보를 입력받아 상기 디스크의 변위를 산출하게 되는 컨트롤러를 포함하여,
   상기 받침형 내진장치의 수직 변위가 실시간으로 모니터링되면서 상기 받침형 내진장치에 대한 안전진단이 수행되도록 하는 것을 특징으로 하는 FBG 센서 기반의 구조물 변위 계측장치가 적용된 교량의 받침형 내진장치.
10. 제 9항에 있어서,
    상기 센서용 지그는 끝단에 형성된 한쌍의 고정단이 변형단으로 연결된 집게 형상으로 이루어지고, 상기 디스크의 상하방향 양단부에 상기 고정단이 각각 고정되어 상기 디스크와 일체로 변형하게 되는 것을 특징으로 하는 FBG 센서 기반의 구조물 변위 계측장치가 적용된 교량의 받침형 내진장치.
11. 제 9항에 있어서,
    상기 교각의 상단에 설치되어 상기 디스크가 고정되도록 하는 하부판과 상기 베어링 블록은 서로 마주보는 면에 직각삼각형 단면의 삼각기둥 형상으로 이루어져 수직면과 경사면을 가지는 안내홈이 각각 형성되도록 하고,
    상기 센서용 지그는 평판형 변형단으로 이루어져 상기 하부판과 베어링 블록의 각 안내홈을 이루는 수직면에 상기 평판형 변형단의 끝단부가 밀착되면서 삽입고정되는 것을 특징으로 하는 FBG 센서 기반의 구조물 변위 계측장치가 적용된 교량의 받침형 내진장치.

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