KR101212191B1 - 동결지반 거동 실시간 모니터링 시스템 및 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 극한지 얼어있는 지반 표층의 동결 거동을 실시간 계측할 수 있는 동결지반 모니터링 시스템 및 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 남극기지 지반의 동결 거동에 의한 구조물의 안정성을 유지관리하기 위하여 남극기지 내 얼어 있는 지반의 온도, 융기량, 침하량, 팽창압을 측정하여 인공위성을 통한 자료 전송시스템을 이용 실시간으로 자료를 국내에서 취득 분석할 수 있도록 한 동결지반 거동 실시간 모니터링 시스템 및 방법을 제공하는데 그 목적이 있다. 상기 목적을 달성하기 위한 본 발명은 동결 지반의 거동을 측정 및 분석하기 위한 인자를 검출하는 검출장치; 상기 검출 장치로부터의 검출 신호를 실시간으로 수신 저장하는 데이터 저장 장치; 상기 데이터 저장 장치로부터의 데이터를 인공 위성으로 송신하는 위성통신 송신 장치; 및 상기 위성통신 송신 장치로부터의 데이터를 수신한 인공 위성으로부터 데이터를 수신받고 분석하는 원격지 위성 수신/데이터 분석 장치를 포함하는 동결지반 거동 실시간 모니터링 시스템을 제공한다.

Description

동결지반 거동 실시간 모니터링 시스템 및 방법{REAL TIME MONITORING SYSTEM AND METHOD FOR MONITORING BEHAVIOR OF FREZON AREA}
본 발명은 극한지 얼어있는 지반 표층의 동결 거동을 실시간 계측할 수 있는 동결지반 모니터링 시스템 및 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 남극기지 지반의 동결 거동에 의한 구조물의 안정성을 유지관리하기 위하여 남극기지 내 얼어 있는 지반의 온도, 융기량, 침하량, 팽창압을 측정하여 인공위성을 통한 자료 전송시스템을 이용 실시간으로 자료를 국내에서 취득 분석할 수 있도록 한 동결지반 거동 실시간 모니터링 시스템 및 방법에 관한 것이다.
통상적으로 극한지에서는 일반적인 지역과는 달리 지반이 동결 상태에 있기 때문에 그 동결 지반에 설비되는 구조물의 안정성 평가는 필수적으로 이루어져야만 하고, 이후 유지 보수를 위한 지속적인 관리가 반드시 행해져야 한다.
종래에는 이러한 동결 지반에 대한 안정성 평가와 지속적인 관리가 제대로 이루어지지 않은 실정이며, 이에 따라 지반의 동결 거동에 의한 구조물의 안정성을 유지관리하기 위하여 극한지(예를 들면 남극기지) 내 얼어 있는 지반의 온도, 융기량, 침하량, 팽창압을 측정하여 자료를 취득 분석할 수 있도록 시스템에 대한 연구가 필요한 실정이다.
따라서, 본 발명은 상기한 종래의 문제점을 해결하기 위하여 제안된 것으로서, 지반 표층의 동결 거동을 실시간 계측하여 극한지 지반의 동결 거동에 의한 구조물의 안정성을 유지관리하기 위하여 극한지 내 얼어 있는 지반의 온도, 융기량, 침하량, 팽창압을 측정하여 인공위성을 통한 자료 전송시스템을 이용 실시간으로 자료를 국내에서 취득 분석할 수 있도록 한 동결지반 거동 실시간 모니터링 시스템 및 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 제1 관점에 따르면, 동결 지반의 거동을 측정 및 분석하기 위한 거동 인자를 검출하는 검출장치; 상기 검출 장치로부터의 검출 신호를 실시간으로 수신 저장하는 데이터 저장 장치; 상기 데이터 저장 장치로부터의 데이터를 인공 위성으로 송신하는 위성통신 송신 장치; 및 상기 위성통신 송신 장치로부터의 데이터를 수신한 인공 위성으로부터 데이터를 수신받고 분석하는 원격지 위성 수신/데이터 분석 장치를 포함하는 동결지반 거동 실시간 모니터링 시스템을 제공한다.
또한, 본 발명은 상기 검출장치, 데이터 저장 장치 및 위성통신 송신 장치를 보호하는 하우징을 더 포함하는 것이 바람직하다.
상기 검출 장치는 동결 지반의 온도를 검출하기 위한 온도 검출 유닛; 동결 지반의 융기나 침하의 변위를 검출하기 위한 변위 검출 유닛; 동결 지반의 팽창압력을 측정하기 위한 팽창압력 검출유닛; 및 상기 각 유닛이 설치되는 지지유닛을 포함할 수 있다.
상기 온도 검출 유닛은 에폭시 수지 파이프와 상기 파이프 내에 설치되는 온도 센서로 이루어지고, 상기 변위 검출 유닛은 동결 지반의 융기 또는 침하를 검출하기 위한 변위계로 이루어지며, 상기 팽창압력 검출 유닛은 로드셀 프리스트레스 장치(load cell prestress device)로 이루어질 수 있다.
상기 지지 유닛은 동결 지반에 소정 깊이 설치되는 한 쌍의 심 부재; 및 양단이 상기 심 부재의 상단부에 각각 연결되는 검출유닛 취부용 프레임을 포함하고, 상기 변위 검출 유닛 및 팽창압력 검출유닛은 상기 검출유닛 취부용 프레임에 설치되며 하단부가 동결지반의 상면에 지지될 수 있다.
상기 데이터 저장 장치는 상기 검출 장치로부터의 검출 신호를 아날로그 신호에서 디지털 신호로 변환 처리하고 저장하는 데이터로거 장치로 이루어질 수 있다.
상기 데이터 저장 장치를 방수 및 보온하는 방수/보온 커버 부재를 더 포함하는 것이 바람직하다.
상기 검출 장치는 동결지반의 동결 깊이를 측정할 수 있는 동결깊이 측정 유닛을 더 포함할 수 있다.
본 발명의 제2 관점에 따르면, 혹한지 동결지반의 거동을 실시간 모니터링하는 방법으로서, 동결 지반에 설치되어 그 동결 지반의 동결 거동을 측정 및 분석하기 위한 거동 인자를 실시간 검출하고; 상기 검출 신호를 실시간 수신 저장하고; 상기 저장된 데이터를 인공 위성으로 송신하고; 상기 데이터를 수신한 인공 위성으로부터 데이터를 원격지에서 수신받고 분석하는 동결지반 거동 실시간 모니터링 방법을 제공한다.
상기 동결 지반의 거동 인자의 검출은 동결지반의 온도 분포, 융기 및 침하, 팽창 압력을 검출할 수 있으며, 이에 부가하여 상기 동결 지반의 거동 인자의 검출은 동결 지반의 동결 깊이를 검출하는 것을 더 포함할 수 있다.
본 발명에 따른 동결지반 거동 실시간 모니터링 시스템 및 방법은 계측 시스템을 설치 지반의 온도분포, 변위(융기, 침하), 동상 팽창압을 측정하여 인공위성을 통한 자료 전송시스템을 이용 실시간으로 자료를 취득 분석하여 극한지 지반의 동결거동에 의한 기지 구조물의 안정성을 평가하고, 안정적인 기지건설 및 유지보수에 활용할 수 있는 효과가 있다.
도 1은 본 발명에 따른 동결지반 거동 실시간 모니터링 시스템의 전체 구성을 개략적으로 나타내는 모식도.
도 2는 본 발명에 따른 동결지반 거동 실시간 모니터링 시스템을 구성하는 지반 거동 검출 유닛의 구성을 개략적으로 나타내는 개념도.
도 3은 본 발명에 따른 동결지반 거동 실시간 모니터링 시스템의 위성송신장치 및 원격지 위성 수신/분석 장치의 구성에 대한 모식도.
본 발명의 추가적인 목적들, 특징들 및 장점들은 다음의 상세한 설명 및 첨부도면으로부터 보다 명료하게 이해될 수 있다.
본 발명에 따른 동결지반 거동 실시간 모니터링 시스템은 개괄적으로 동결 지반에 설치되어 그 동결 지반의 동결 거동을 검출하는 검출 장치; 상기 검출 장치로부터의 검출 데이터를 실시간으로 수신 저장하는 데이터 저장 장치; 상기 데이터 저장 장치로부터의 데이터를 인공 위성으로 송신하는 위성 송신 장치; 상기 위성 송신 장치로부터의 데이터를 수신한 인공 위성으로부터 데이터를 수신받고 분석하는 원격지 위성 수신/분석 장치를 포함한다.
이하 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 동결지반 거동 실시간 모니터링 시스템을 첨부 도면을 참조하여 상세히 설명한다. 도 1은 본 발명에 따른 동결지반 거동 실시간 모니터링 시스템의 전체 모식도이고, 도 2는 본 발명에 따른 동결지반 거동 실시간 모니터링 시스템을 구성하는 지반 거동 검출 유닛의 구성을 개략적으로 나타내는 개념도이며, 도 3은 본 발명에 따른 동결지반 거동 실시간 모니터링 시스템의 위성송신장치 및 원격지 위성 수신/분석 장치의 구성에 대한 모식도이다,
본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 동결지반 거동 실시간 모니터링 시스템은 도 1에 개괄적으로 나타낸 바와 같이, 동결 지반에 설치되어 그 동결 지반의 동결 거동 인자를 검출하는 검출장치(100); 상기 검출 장치(100)로부터의 검출 신호를 실시간으로 수신 저장하는 데이터 저장 장치(200); 상기 데이터 저장 장치(200)로부터의 데이터를 인공 위성으로 송신하는 위성통신 송신 장치(300); 상기 위성통신 송신 장치(300)로부터의 데이터를 수신한 인공 위성으로부터 데이터를 수신받고 분석하는 원격지 위성 수신/데이터 분석 장치(400); 상기 검출장치, 데이터 저장 장치 및 위성통신 송신 장치를 보호하는 하우징(미도시)을 포함한다.
상기 동결 지반의 거동, 특히 극한지 동결 지반의 표층의 거동을 검출하는 검출 장치(100)는 기본적으로 동결 지반의 온도를 검출하기 위한 온도 검출 유닛(110); 동결 지반의 융기나 침하 등의 변위를 검출하기 위한 변위 검출 유닛(120); 동결 지반의 팽창압력을 측정하기 위한 팽창압력 검출유닛(130); 및 상기 각 유닛이 설치되는 지지유닛(140)을 포함한다.
상기 온도센서 검출유닛(110)은 단열 파이프 내에 온도 센서가 설치되어 동결 지반의 온도 분포를 검출하기 위한 구성으로 이루어지는 것으로, 접착성, 치수 안정성, 내습, 내수, 내약품성이 강하며, 현장 설치 조건에 따라 연장 또는 단축할 수 있도록 길이조정이 가능한 조립식으로 형성되는 열경화성 수지인 에폭시 파이프를 사용하여 설치된다.
상기 변위 검출 유닛(120)은 동결 지반의 융기 또는 침하를 검출하기 위한 변위계로 구성된다.
상기 팽창압력 검출 유닛(130)은 동결 지반의 팽창압력을 검출하기 위하여 후술할 지지유닛(140)의 검출유닛 취부용 프레임(142)에 설치하여 프레임 볼팅장치를 사용하여 미리 압력을 가하여 불규칙한 동결 지반의 팽창력을 정확히 측정할 수 있는 로드셀 프리스트레스 장치(load cell prestress device)로 구성된다. 상기 로드셀 프리스트레스 유닛의 사용 재질은 변형 발생이 없는 스테인레스 재질을 사용하여 제작 설치된다.
상기 검출 장치(100)가 설치되는 지지유닛(140)의 일 예를 도 2를 참조하여 설명한다.
도 2에 나타낸 바와 같이, 상기 검출 장치(100)를 구성하는 지지 유닛(140)은 동결 지반에 소정 간격을 갖고 소정 깊이 설치되는 한 쌍의 심 부재(141); 및 양단이 상기 심 부재(141)의 상단에 각각 연결되어 설치되는 검출유닛 취부용 프레임(142)을 포함한다.
상기 심 부재(141)는 현장 여건에 따라 길이를 조정할 수 있도록 대략 1m 간격으로 분리, 조립 가능하도록 구성되며, 그라우팅을 통해 설치된다. 상기 검출유닛 취부용 프레임(142)은 예를 들면 단면 "ㄷ"자 형태의 프레임으로 형성될 수 있다. 상기 지지 유닛(140)은 부식 방지를 위하여 용융 도금되는 것이 바람직하다.
상기 변위 검출 유닛(120) 및 팽창압력 검출유닛(130)은 상기 검출유닛 취부용 프레임(142)에 설치되며 하단부는 동결지반의 상면에 지지된다.
상기 팽창압력 검출유닛(130)은 검출유닛 취부용 프레임(142)의 대략 중앙부에 위치되며, 상기 변위 검출 유닛(120)은 도 2에 나타낸 바와 같이 팽창압력 검출유닛(130)을 중심으로 양측에 각각 한 쌍이 설치되는 것이 바람직하다.
상기 검출 장치(100)로부터의 검출 신호를 실시간으로 수신 저장하는 데이터 저장 장치(200)는 검출 장치(100)로부터의 검출 신호를 변환(아날로그에서 디지털로) 처리하고 저장하는 데이터로거(data logger) 장치로서, 검출 장치로부터의 검출 신호에 따른 측정된 값을 물리량으로 변환하여 수치화하며 측정 자료는 시리얼(serial) 방식에 의해 자료관리 퍼스널 컴퓨터(PC)로 전송, 저장, 표출 가능하도록 구성된다.
또한, 상기 검출 장치(100)를 구성하는 검출 유닛의 추가 또는 변경 시에는 하드웨어가 아닌 소프트웨어에 의한 제어가 가능하도록 설계하며 데이터로거 자료를 저장하고 위성통신 전송기능을 갖도록 구성(즉, 위성통신 송신장치 일체형 구성)할 수 있다.
상기 데이터를 인공 위성(위성 통신)을 이용하여 송수신하는 기술에 대해서는 공지된 내용이므로 이에 대한 상세한 설명은 생략한다.
상기 검출장치, 데이터 저장 장치 및 위성통신 송신 장치를 보호하는 하우징(미도시)은 혹한지(예를 들면, 남극)의 특수 환경에 설치되기 때문에 바람과 적설로 인한 측정 오류를 최소화하기 위하여 방풍, 방설을 위한 구조체로 제작 설치된다.
상기 하우징은 장기간 옥외에 노출되기 때문에 내부식성 재질인 스테인레스 재료를 사용하여 제작되며, 현장 설치 시 바람에 훼손되지 않도록 고정된다.
한편, 상기 하우징에 더하여 상기 데이터 저장 장치는 그 데이터 저장 장치를 방수 및 보온하는 방수/보온 커버 부재(미도시)에 의해 보호된다.
상기 방수/보온 커버 부재는 외부 패널과 내부 패널을 갖는 이중 구조로 형성하고, 내외부 패널은 절연체를 사용하여 절연을 확보하고 절연 볼트로 고정한다.
상기 방수/보온 커버 부재는 가볍고 내부에 습기가 유입되지 않으며 염분에 의한 부식 방지를 위하여 표면보호처리가 되도록 설계되고 단열 처리하여 보온성이 있게 구성된다.
예를 들면, 상기 방수/보온 커버 부재는 재질을 파이버(fiber) 플라스틱 재질로 하며 극도의 충격에 견딜 수 있고 극저온(예를 들면, -40℃)에서 변형이 없고 습기, 유해 가스 차단이 가능한 완전 밀폐된다. 상기 방수/보온 커버 부재는 공기압력 조절밸브를 부착하여 내부의 공기 압력을 조절할 수 있도록 구성할 수 있다.
또한, 상기 검출 장치(100)는 동결지반의 동결 깊이를 측정할 수 있는 동결깊이 측정 유닛(150)을 더 포함할 수 있다.
상기 동결깊이 측정 유닛(150)은 메틸렌블루 동결깊이 측정 유닛으로 구성될 수 있다. 도 2에서 미설명부호 151은 동결깊이 측정 유닛(150)의 상부를 보호하는 보호 덮개이다.
이와 같은 본 발명에 따른 동결지반 거동 실시간 모니터링 방법을 설명하면, 동결 지반에 설치되어 그 동결 지반의 동결 거동을 측정 및 분석하기 위한 거동 인자(factor)를 실시간 검출하고; 상기 검출 신호를 실시간 수신 저장하고; 상기 저장된 데이터를 인공 위성으로 송신하고; 상기 데이터를 수신한 인공 위성으로부터 데이터를 원격지에서 수신받고 분석하는 것을 포함한다.
상기 동결 지반의 거동 인자를 검출하는 단계에서, 동결지반의 온도 분포, 융기 및 침하, 팽창 압력을 검출하는 것을 포함한다. 또한, 동결 지반의 거동 인자를 검출하는 단계는 동결 지반의 동결 깊이를 검출하는 것을 더 포함하는 것이 바람직하다.
이와 같이 본 발명에 따른 동결지반 거동 실시간 모니터링 시스템 및 방법은 극한지 얼어있는 지반 표층의 동결 거동을 실시간 계측할 수 있고, 특히 남극기지의 동결 지반의 동결 거동에 의한 구조물의 안정성을 유지관리할 수 있어 남극기지 내 얼어 있는 지반의 온도, 융기량, 침하량, 팽창압에 대한 데이터를 인공위성을 통한 전송시스템을 이용 실시간으로 자료를 국내에서 취득 분석할 수 있다.
이상에서 설명한 본 발명은 전술한 실시 예 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니고, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경의 가능함은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어 명백할 것이다.
100: 동결지반 거동 검출장치
110: 온도검출 유닛
120: 변위검출 유닛
130: 팽창압력 검출 유닛
140: 지지 유닛
141: 심 부재
150: 동결깊이 검출유닛
200: 데이터 저장 장치
300: 위성통신 송신장치
400: 원격지 위성통신 수신/데이터 분석장치

Claims (11)

  1. 극한지 얼어있는 지반 표층의 동결 거동을 실시간 계측할 수 있는 동결지반 모니터링 시스템으로서,
    동결 지반의 거동을 측정 및 분석하기 위한 인자를 검출하는 검출장치;
    상기 검출 장치로부터의 검출 신호를 실시간으로 수신 저장하는 데이터 저장 장치;
    상기 데이터 저장 장치로부터의 데이터를 인공 위성으로 송신하는 위성통신 송신 장치;
    상기 위성통신 송신 장치로부터의 데이터를 수신한 인공 위성으로부터 데이터를 수신받고 분석하는 원격지 위성 수신/데이터 분석 장치; 및
    상기 검출장치, 데이터 저장 장치 및 위성통신 송신 장치를 보호하는 스테인레스 재질의 하우징을 포함하고,
    상기 검출장치는 동결 지반의 온도를 검출하기 위한 온도 검출 유닛과, 동결 지반의 융기나 침하의 변위를 검출하기 위한 변위 검출 유닛과, 동결 지반의 팽창압력을 측정하기 위한 팽창압력 검출유닛, 및 상기 각 유닛이 설치되는 지지유닛을 포함하며,
    상기 온도 검출 유닛은 에폭시 수지 파이프와 상기 파이프 내에 설치되는 온도 센서로 이루어지고,
    상기 데이터 저장 장치를 방수 및 보온하는 파이버(fiber) 플라스틱 재질의 방수/보온 커버 부재를 더 포함하는
    동결지반 거동 실시간 모니터링 시스템.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 제1항에 있어서,
    상기 변위 검출 유닛은 동결 지반의 융기 또는 침하를 검출하기 위한 변위계로 이루어지며,
    상기 팽창압력 검출 유닛은 로드셀 프리스트레스 장치(load cell prestress device)로 이루어지는
    동결지반 거동 실시간 모니터링 시스템.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 지지 유닛은 동결 지반에 소정 깊이 설치되는 한 쌍의 심 부재; 및
    양단이 상기 심 부재의 상단부에 각각 연결되는 검출유닛 취부용 프레임을 포함하고,
    상기 변위 검출 유닛 및 팽창압력 검출유닛은 상기 검출유닛 취부용 프레임에 설치되며 하단부가 동결지반의 상면에 지지되는
    동결지반 거동 실시간 모니터링 시스템.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 데이터 저장 장치는 상기 검출 장치로부터의 검출 신호를 아날로그 신호에서 디지털 신호로 변환 처리하고 저장하는 데이터로거 장치로 이루어지는
    동결지반 거동 실시간 모니터링 시스템.
  7. 삭제
  8. 제1항에 있어서,
    상기 검출 장치는 동결지반의 동결 깊이를 측정할 수 있는 동결깊이 측정 유닛을 더 포함하는
    동결지반 거동 실시간 모니터링 시스템.
  9. 삭제
  10. 삭제
  11. 삭제
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