KR101284221B1 - Fbg 센서 기반 계측장치가 적용된 교량의 받침형 내진장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 FBG 센서 기반 계측장치가 적용된 교량의 받침형 내진장치에 관한 것이다. 이는 하부가 개방된 박스(box) 형상으로 이루어져 하부 둘레를 따라 둘레단이 형성되고 교량 상판 저면에 고정되는 가이드블록, 디스크 베어링(disk bearing)이 상면에 설치되고 상기 둘레단 내측의 상기 가이드블록 하부로 삽입되는 베어링 블록, 상기 베어링 블록의 저면과 교각 사이에 배치되는 디스크, 상기 가이드블록의 둘레단과 상기 베어링 블록 사이에 배치되는 스프링과, 상기 스프링과 상기 베어링 블록 사이에 끼워지는 중공형 원통체 형상의 센서용 지그, 상기 센서용 지그의 외주면에 부착되어 상기 센서용 지그의 변형량을 계측하게 되는 계측센서, 상기 계측센서로부터 상기 센서용 지그의 변형량 정보를 입력받아 상기 교량 상판의 수평 변위를 산출하게 되는 컨트롤러를 포함하여, 상기 교량 상판으로부터 상기 스프링으로 부가되는 수평하중에 의해 변형되는 상기 센서용 지그의 변위 변동을 모니터링하여 상기 교량 상판에 대한 안전진단이 수행될 수 있도록 하는 것을 특징으로 한다.
상기와 같이 이루어지는 본 발명은, 교량 상판을 통해 전달되는 수평 하중과 교량 상판의 수평 변위를 정확하고 정밀하게 측정할 수 있고, 제조 및 설치가 간편하고 용이하게 이루어지는 한편, 높은 측정 신뢰성을 제공하게 된다.

Description

FBG 센서 기반 계측장치가 적용된 교량의 받침형 내진장치{Bridge bearing with apparatus for measurement based on FBG sensor}

본 발명은 FBG 센서 기반 계측장치가 적용된 교량의 받침형 내진장치에 관한 것으로, 좀더 구체적으로는 교량 상판으로부터 전달되는 수평 하중과, 교량 상판의 수평 변위가 정밀하고 정확하게 측정될 수 있을 뿐만 아니라, 제조 및 설치가 용이하게 이루어질 수 있는 FBG 센서 기반 계측장치가 적용된 교량의 받침형 내진장치에 관한 것이다.

교량(다리, bridge)은 다수개의 교각이 교량 상판을 받치는 구조로 이루어지는데, 도 1에서와 같이 교각(10)과 교량 상판(20) 사이에 교좌장치(30)를 설치하여 교량 상판(20)에서 전달되는 하중이 교각(10)으로 전달되도록 하는 한편, 교량 상판(20)을 지지하면서 교량 상판(20)에 가해지는 충격이 완화되도록 한다.

이를 위하여 교좌장치(30)는 탄성소재를 사용한 받침형 내진장치로 이루어지는 것이 일반적이다.

이와 같은 교좌장치는 교량 상판으로부터 전달되는 하중으로 변형이 발생하게 되는데, 교좌장치의 과도한 변형이 감시되지 못할 경우 교좌장치나 교량 상판이 손상되거나 파손될 위험성이 있다.

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

상기 "교량 교좌장치의 변형감지를 위한 정밀 안전진단용 측정장치"는 도 2에서와 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 것이다.

그러나, 상기 "교량 교좌장치의 변형감지를 위한 정밀 안전진단용 측정장치"는 구조물의 변형량 측정에 유압측정장치(440)를 사용함에 따라, 이를 위한 구성이 복잡해지고, 장치의 설치에 번거로움이 많았으며, 탄성받침(330)의 유동이 X형 링크(470)로 전달되는 구성임에 따라 수직방향의 변형량과 수평방향의 변형량을 구별할 수 없는 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 3에서와 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 복합재료로 이루어지는 미끄럼판(6)의 제조 및 이의 설치에 번거로움이 많은 문제점이 있었다.

본 발명은 상기 문제점을 해소하고자 창출한 것으로서, 계측센서가 장착된 센서용 지그가 교량 상판으로부터 전달되는 수평 하중에 저항하기 위해 구비되는 스프링과 결합되도록 하여 교량 상판을 통해 전달되는 수평 하중과 교량 상판의 수평 변위를 정확하고 정밀하게 측정할 수 있는 FBG 센서 기반 계측장치가 적용된 교량의 받침형 내진장치를 제공함에 목적이 있다.

또한, 본 발명은 계측센서로 FBG 센서가 사용됨에 따라 구성이 단순해져 제조 및 설치가 간편하고 용이하게 이루어지는 한편, 높은 측정 신뢰성으로 정밀하고 정확한 측정이 이루어지게 되는 FBG 센서 기반 계측장치가 적용된 교량의 받침형 내진장치를 제공함에 목적이 있다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 FBG 센서 기반 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 베어링 블록의 저면과 교각 사이에 배치되는 디스크와; 상기 가이드블록의 둘레단과 상기 베어링 블록 사이에 배치되는 스프링과; 상기 스프링과 상기 베어링 블록 사이에 끼워지는 중공형 원통체 형상의 센서용 지그와; 상기 센서용 지그의 외주면에 부착되어 상기 센서용 지그의 변형량을 계측하게 되는 계측센서 및; 상기 계측센서로부터 상기 센서용 지그의 변형량 정보를 입력받아 상기 교량 상판의 수평 변위를 산출하게 되는 컨트롤러를 포함하여, 상기 교량 상판으로부터 상기 스프링으로 부가되는 수평하중에 의해 변형되는 상기 센서용 지그의 변위 변동을 모니터링하여 상기 교량 상판에 대한 안전진단이 수행될 수 있도록 하는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 베어링 블록의 디스크 베어링은 불소수지 소재로 이루어지고, 상기 디스크와 스프링은 폴리우레탄 소재로 이루어지는 것을 특징으로 한다.

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

아울러, 상기 계측센서는 수평으로 부착되는 제1계측센서와; 수직으로 서로 이격되게 부착되는 제2계측센서 및 제3계측센서로 이루어져 상기 교량 상판의 수평변위가 산출되도록 하는 것을 특징으로 한다.

상기와 같이 이루어지는 본 발명의 FBG 센서 기반 계측장치가 적용된 교량의 받침형 내진장치는, FBG 센서가 장착된 센서용 지그가 스프링 끝단부에 배치고정되는 구성이 제공됨에 따라 수평 변위와 수평 하중의 정밀한 측정이 가능해지므로, 교량의 받침형 내진장치에 대한 안전진단이 보다 정확하게 이루어지는 효과가 있다.

그리고, 본 발명은 계측센서가 부착된 센서용 지그가 추가되는 단순 구성임에 따라 제조, 설치가 간편하고 용이하게 이루어지고, 설치 후 유지보수 작업도 수월하게 이루어질 수 있게 된다.

또한, 본 발명은 FBG 센서의 사용으로 교량 및 교량에 설치된 받침형 내진장치와 교량 상판에 대한 실시간 원격 모니터링이 원활하고 효과적으로 이루어질 수 있게 되고, 이에 따라 교량 상판이나 받침형 내진장치에 대한 안전진단이 신속하고 정확하게 이루어질 수 있게 되어 사고의 위험을 최소화시킬 수 있게 된다.

도 1은 교각, 교량 상판, 교좌장치로 이루어진 일반적인 교량의 구성을 보여주기 위한 도면이다.
도 2는 등록특허공보 등록번호 제10-0456271호의 주요부 구성을 보여주기 위한 도면이다.
도 3은 등록특허공보 등록번호 제10-0700805호의 주요부 구성을 보여주기 위한 도면이다.
도 4는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 FBG 센서 기반 계측장치가 적용된 교량의 받침형 내진장치의 분해 사시도이다.
도 5는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 FBG 센서 기반 계측장치가 적용된 교량의 받침형 내진장치의 분리 단면도이다.
도 6은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 FBG 센서 기반 계측장치가 적용된 교량의 받침형 내진장치의 결합 단면도이다.
도 7과 도 8은 다수개의 계측센서가 부착된 센서용 지그가 스프링과 스프링 핀에 결합되는 구성을 보여주기 위한 도면이다.

이하, 본 발명의 실시예를 첨부된 도면 도 4 내지 도 8에 의거하여 상세히 설명한다. 한편, 도면과 상세한 설명에서 일반적인 교량, 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 4는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 FBG 센서 기반 계측장치가 적용된 교량의 받침형 내진장치의 분해 사시도이고, 도 5는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 FBG 센서 기반 계측장치가 적용된 교량의 받침형 내진장치의 분리 단면도이며, 도 6은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 FBG 센서 기반 계측장치가 적용된 교량의 받침형 내진장치의 결합 단면도이고, 도 7과 도 8은 다수개의 계측센서가 부착된 센서용 지그가 스프링과 스프링 핀에 결합되는 구성을 보여주기 위한 도면이다.

도 4 내지 도 6을 참조하면, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 FBG 센서 기반 계측장치가 적용된 교량의 받침형 내진장치(100)는 교량 상판(1)과 교각(2) 사이에 설치된다.

이와 같은 받침형 내진장치(100)는 가이드블록(10), 베어링 블록(30), 디스크(40), 스프링(50), 전단 핀(90), 센서용 지그(60), 계측센서(70), 컨트롤러(80)를 포함하는 구성으로 이루어진다. 여기서, 센서용 지그(60), 계측센서(70), 컨트롤러(80)는 FBG 센서 기반 계측장치의 구성요소이다.

가이드블록(10)은 교량 상판(1) 저면에 고정되는 것으로, 하부가 개방된 박스(box) 형상으로 이루어져 하부 둘레를 따라 둘레단(12)이 형성된 것이다. 이와 같은 가이드블록(10)은 강 소재로 이루어져 받침형 내진장치(100)의 구성요소들을 보호하게 된다.

베어링 블록(30)은 가이드블록(10) 하부의 둘레단(12) 내측에 삽입 배치되는 것으로, 디스크 베어링(disk bearing)(20)이 상면에 설치된다. 이와 같은 디스크 베어링(20)은 PTFE와 같은 불소수지 소재로 이루어지는데, 교량 상판(1)의 상시적인 변위를 수용하고, 교량 상판(1)의 수평 변위시 마찰력을 감쇄하는 역할을 한다.

디스크(40)는 베어링 블록(30)의 저면과 교각(2)의 하부판(2a) 사이에 배치되는 것으로, 중공현 원판 형상으로 이루어져 있다. 이와 같은 디스크(40)는 폴리우레탄 소재로 이루어지는데, 베어링 블록(30)을 통해 전달되는 교량 상판(1)의 수직 하중과 회전 변형을 수용하는 역할을 한다.

스프링(50)은 가이드블록(10)과 베어링 블록(30) 사이에 배치되는 것으로, 스프링(50)의 일단부는 가이드블록(10)의 둘레단(12) 내측에 배치되고, 스프링(50)의 타단부는 베어링 블록(30)의 외주면 외측에 배치된다. 이와 같은 스프링(50)은 폴리우레탄 소재로 이루어지는데, 교량 상판(1)으로부터 전달되는 수평 하중에 상시적으로 저항하는 것으로 받침형 내진장치(100)에 수평방향 강성(rigidity)을 제공한다.

이와 같은 스프링(50)은 스프링 핀(52)에 의해 베어링 블록(30)의 외주면에 고정되는데, 베어링 블록(30)의 외주면 둘레를 따라 정해진 간격으로 다수개의 스프링(50)이 배치 고정되도록 하여 교량 상판(1)의 온도에 따른 이완수축이나, 교량 상판(1)을 통행하는 차량의 하중에 따라 부과되는 수평하중을 흡수하는 역할을 한다.

전단 핀(shear pin)(90)은 디스크(40) 중앙에 형성된 중공홀을 관통하여 교각(2) 상면의 하부판(2a)과 베어링 블록(30)의 저면에 고정되는 것이다. 이를 위하여 하부판(2a)과 베어링 블록(30)에는 고정홀(3)(32)이 형성된다.

이와 같은 전단 핀(90)은 고강도 강 소재로 이루어지는데, 베어링 블록(30), 디스크(40) 그리고 교각(2) 상면의 하부판(2a)을 고정하여 베어링블록(30)과 디스크(40)의 위치이탈을 방지하는 역할을 한다.

FBG 센서 기반 계측장치의 구성요소인 센서용 지그(60), 계측센서(70), 컨트롤러(80)를 도 7과 도 8에 의거하여 상세히 설명한다.

도 7과 도 8을 참조하면, 센서용 지그(60)는 중공형 원통체 형상으로 이루어지는 것으로, 스프링(50) 끝단부와 베어링 블록(30)의 외주면 사이에 끼워진다. 이와 같은 센서용 지그(60)는 스프링(50)과 함께 스프링 핀(52)에 의해 베어링 블록(30)의 외주면에 고정된다.

계측센서(70)는 센서용 지그(60)의 외주면에 부착되어 스프링(50)에 의한 센서용 지그(60)의 변형량을 계측하게 되는 것으로, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 계측센서(70)는 FBG 센서(fiber optic bragg-grating)(72)를 사용하게 된다.

이와 같은 FBG 센서(72)가 사용됨에 따라, 전자기 유도에 의한 노이즈의 발생없이 높은 신뢰성과 정밀도로서 계측을 수행할 수 있게 되고, 한 가닥의 광섬유 케이블에 복수개의 FBG 센서(72)를 접속시켜 설치를 단순화시킬 수 있게 되며, 받침형 내진장치(100)로부터 원격 거리의 장소에서도 받침형 내진장치(100)에 대한 모니터링을 효과적으로 수행할 수 있게 된다.

또한, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 계측센서(70)는 인장 압축형 로드 셀(load cell) 방식으로, 수평으로 부착되는 제1계측센서(70a), 제1계측센서(70a)를 사이에 두고, 서로 이격되게 수직으로 부착되는 제2계측센서(70b) 및 제3계측센서(70c)를 구비하는 구성으로 이루어지는데, 이를 통한 센서용 지그(60)의 유효 변형률은 다음의 [수학식 1]을 통해 산출된다.

Ε: 유효변형률, Ε1 : 제1계측센서의 변형률, Ε2 : 제2계측센서의 변형률, Ε3 : 제3계측센서의 변형률, ν: 프와송 비

컨트롤러(80)는 계측센서(70)로부터 센서용 지그(60)의 변형량 정보를 입력받아 교량 상판(1)의 수평 변위를 산출하게 되는 것으로, 컨트롤러(80)를 통해 교량 상판(1)의 수평변위 변동이 모니터링되면서 안전진단이 수행되게 된다. 이를 위하여 컨트롤러(80)는 각종 출력장치나 디스플레이장치와 연동될 수 있다.

여기서, 컨트롤러(80)는 기설정된 수평변위 산출 알고리즘과 미리 저장된 센서용 지그(60)의 물성치를 기반으로 교량 상판(1)의 수평변위와 교량 상판(1)으로부터 받침형 내진장치(100)로 전달되는 수평하중을 산출하게 된다.

한편, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 FBG 센서 기반 계측장치가 적용된 교량의 받침형 내진장치(100)는 FBG 센서(72)가 실시간으로 센서용 지그(60)의 변형량을 계측하도록 하고, 컨트롤러(80)는 실시간으로 교량 상판(1)의 수평변위 변동이 산출하도록 하여 교량 상판(1)의 수평변위 변동이 실시간으로 모니터링될 수 있도록 한다.

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 : 교량 상판 2 : 교각
2a : 하부판 3 : 고정홀
10 : 가이드블록 12 : 둘레단
20 : 디스크 베어링 30 : 베어링 블록
32, 34 : 고정홀 40 : 디스크
50 : 스프링 52 : 스프링 핀
60 : 센서용 지그 70 : 계측센서
70a : 제1계측센서 70b : 제2계측센서
70c : 제3계측센서 72 : FBG 센서
80 : 컨트롤러 90 : 전단 핀
100 : 받침형 내진장치

Claims (4)

1. 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 베어링 블록의 저면과 교각 사이에 배치되는 디스크와;
   상기 가이드블록의 둘레단과 상기 베어링 블록 사이에 배치되는 스프링과;
   상기 스프링과 상기 베어링 블록 사이에 끼워지는 중공형 원통체 형상의 센서용 지그와;
   상기 센서용 지그의 외주면에 부착되어 상기 센서용 지그의 변형량을 계측하게 되는 FBG(fiber optic bragg-grating) 센서 및;
   상기 FBG 센서로부터 상기 센서용 지그의 변형량 정보를 입력받아 상기 교량 상판의 수평 변위를 산출하게 되는 컨트롤러를 포함하여,
   상기 교량 상판으로부터 상기 스프링으로 부가되는 수평하중에 의해 변형되는 상기 센서용 지그의 변위 변동을 모니터링하여 상기 교량 상판에 대한 안전진단이 수행될 수 있도록 하는 것을 특징으로 하는 FBG 센서 기반 계측장치가 적용된 교량의 받침형 내진장치.
2. 제 1항에 있어서,
   상기 베어링 블록의 디스크 베어링은 불소수지 소재로 이루어지고, 상기 디스크와 스프링은 폴리우레탄 소재로 이루어지는 것을 특징으로 하는 FBG 센서 기반 계측장치가 적용된 교량의 받침형 내진장치.
3. 제 1항에 있어서,
   상기 FBG 센서는 실시간으로 상기 센서용 지그의 변형량을 계측하여 상기 교량 상판의 수평 변위 변동이 실시간으로 모니터링될 수 있도록 하는 것을 특징으로 하는 FBG 센서 기반 계측장치가 적용된 교량의 받침형 내진장치.
4. 제 1항 내지 제 3항 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 FBG 센서는 수평으로 부착되는 제1계측센서와;
   수직으로 서로 이격되게 부착되는 제2계측센서 및 제3계측센서로 이루어져 상기 교량 상판의 수평변위가 산출되도록 하는 것을 특징으로 하는 FBG 센서 기반 계측장치가 적용된 교량의 받침형 내진장치.

Images