KR101314155B1

KR101314155B1 - 매립형 2축 응력계

Info

Publication number: KR101314155B1
Application number: KR1020110080059A
Authority: KR
Inventors: 노원석; 서기원
Original assignee: 주식회사 이제이텍
Priority date: 2011-08-11
Filing date: 2011-08-11
Publication date: 2013-10-04
Also published as: KR20130017559A

Abstract

콘크리트 또는 숏크리트 시공시 내부에 매립시켜 콘크리트에 작용하는 2축 응력을 측정하기 위한 매립형 2축 응력계가 개시된다. 본 발명의 2축 응력계는 둘레로 실질적으로 직교하는 2 쌍의 대향하는 응력계 장착홈을 구비하는 응력계 지지체; 및 상기 응력계 지지체의 상기 장착홈에 서로 직교하도록 장착되며, 프리 스트레인이 인가된 광섬유 센서로 이루어진 2 개의 응력계를 포함하며, 상기 응력계 지지체는 상기 응력계보다 낮은 탄성 계수(Elatic Modulus)를 갖는 것을 특징으로 한다. 본 발명에 따르면, 응력계의 직교 배치가 가능한 지지체를 사용함으로써 원하는 축방향으로 센서를 정밀하게 배치할 수 있고, 지지체로 연질 재료를 사용함으로써 응력계에 가해지는 하중에 영향을 미치지 않아 정확한 응력의 측정이 가능한 2축 응력계를 제공할 수 있게 된다.

Description

매립형 2축 응력계{Buried-type Bi-axial Strain Guage}

본 발명은 2축 응력계에 관한 것으로, 보다 상세하게는 콘크리트 또는 숏크리트 시공시 내부에 매몰시켜 콘크리트에 작용하는 2축 응력을 측정하기 위한 매립형 2축 응력계에 관한 것이다.

일반적으로 콘크리트 구조물은 설계, 시공 및 유지 관리 등의 과정을 통하여 구조물의 기능을 발휘하게 되는데, 합리적이고 정확한 설계, 시공과 함께 시공 이후의 안전점검이나 효과적인 보수, 보강 그리고 안전도 감시체계의 확립 등은 구조물의 사용성을 극대화시킬 뿐만 아니라 구조물의 사용수명을 연장하고 아울러 구조물의 파괴나 붕괴 등에 대한 불안감을 해소할 수 있어 매우 중요한 요소라 할 수 있다.

특히 터널 구조물의 경우 안전 진단과 관련한 계측은 터널 구조물의 시공 중 계측뿐만 아니라 터널 구조물이 완공된 후에도 지속적으로 수행되어야 하며, 계측과정을 통해 시간의 경과와 환경 변화에 따른 터널 구조물의 이상 및 변화 추이를 파악하고, 파악된 결과를 분석해 안전성 여부도 판단하여야 한다.

터널의 내부에는 터널 굴착의 진행에 따라, 굴착부의 지반을 지지할 목적으로 굴착면에 숏크리트를 타설하여 숏크리트 라이닝을 시공하게 된다. 이러한 숏크리트 라이닝은 굴착면에서의 지반 이완방지, 하중 분담 등의 기능을 하게 된다. 숏크리트 라이닝의 시공에 후속하여 필요한 경우에는 방수막 등을 설치한 후 최종적으로는 콘크리트를 타설하여 소정 두께의 콘크리트 라이닝을 시공하게 된다. 이와 같이, 숏크리트 라이닝, 콘크리트 라이닝 등의 터널 라이닝을 설계하고 시공할 때에는, 지반으로부터 작용하는 하중에 의한 터널 라이닝의 구조적인 거동 즉, 터널 라이닝에 발생하는 응력, 변형률, 처짐량, 변위 등을 정확히 산정할 필요가 있다.

종래 터널과 같은 콘크리트 구조물의 응력을 측정하는 데에 응력계가 널리 사용되어 왔다. 그러나, 이들 응력계는 스트레인 게이지와 같은 응력 센서를 측정을 원하는 지점에 매설하는 방식을 채용하고 있다. 이 방식에서 특정 지점에서 2축 응력의 측정을 위한 센서를 배치하기 위해서는 시공자의 수작업에 주로 의존하여 왔는데, 이에 의해서는 센서의 정확한 배치를 얻기가 어려운 점이 있다.

또한, 지그를 이용하여 2축 센서를 정교하게 배치하는 방식을 채용할 수 있겠지만, 설치된 지그가 센서에 가해지는 응력을 흡수할 가능성이 있어, 이러한 영향을 최소화 할 수 있는 2축 응력계의 개발이 필요한 실정이다.

한편, 종래의 센서들은 스트레인 게이지와 같은 전자식 센서를 사용함으로써 콘크리트 내부에서 시간의 경과에 따라 내구성이 열화되고 화학적 침식 가능성이 높아 장기간 안정적으로 운용할 수 있는 센서의 제조가 어려운 문제점을 갖고 있다.

전술한 종래기술의 문제점을 해결하기 위하여, 본 발명은 설치가 용이하고 원하는 축방향으로 센서를 정밀하게 배치할 수 있는 2축 응력계를 제공하는 것을 목적으로 한다.

또한, 본 발명은 내구성 및 내 화학성이 우수하여 장기간 운용 가능한 2축 응력계를 제공하는 것을 목적으로 한다.

상기 기술적 과제를 달성하기 위하여 본 발명은, 둘레로 실질적으로 직교하는 2 쌍의 대향하는 응력계 장착홈을 구비하는 응력계 지지체; 및 상기 응력계 지지체의 상기 장착홈에 서로 직교하도록 장착되며, 프리 스트레인이 인가된 광섬유 센서로 이루어진 2 개의 응력계를 포함하며, 상기 응력계 지지체는 상기 응력계보다 낮은 탄성 계수(Elatic Modulus)를 갖는 것을 특징으로 하는 2축 응력계를 제공한다.

본 발명에서 상기 응력계 지지체와 상기 응력계의 탄성 계수비는 1/2 이하인 것이 바람직하다.

또한 본 발명에서 상기 응력계는 각각 상기 한 쌍의 응력계 장착홈에 고정되는 고정부재를 포함할 수 있다.

또한 본 발명에서 상기 응력계 지지체는 상기 응력계에 가해진 프리 스트레인 구간에서 탄성 변형하는 것이 바람직하다.

바람직하게는 상기 응력계 지지체는 플라스틱 재질 또는 목재이고, 상기 응력계는 금속 재질인 것이 좋다. 더욱 바람직하게는 상기 응력계 지지체는 폴리아미드, 폴리메타크릴(polymethyl methacrylate), 폴리아세탈(polyacetal), 폴리카보네이트, 폴리에틸렌테레프탈레이트(polyethylene terephthalate)로 이루어진 그룹 중에서 선택된 1종의 재질이고, 상기 응력계는 스테인레스 스틸 재질인 것이 좋다.

본 발명에 따르면, 응력계의 직교 배치가 가능한 지지체를 사용함으로써 원하는 축방향으로 센서를 정밀하게 배치할 수 있고, 지지체로 연질 재료를 사용함으로써 응력계에 가해지는 하중에 영향을 미치지 않아 정확한 응력의 측정이 가능한 2축 응력계를 제공할 수 있다.

또한, 본 발명에 따르면, 내구성 및 내 화학성이 우수하여 장기간 운용 가능한 2축 응력계를 제공할 수 있다.

도 1은 도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 2축 응력계의 사시도이다.
도 2는 도 2는 도 1의 2축 응력계의 분해 사시도이다.
도 3은 본 발명의 응력계를 도시한 평면도 및 정면도이다.

이하 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 설명함으로써 본 발명을 상술한다.

도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 2축 응력계의 사시도이다.

도 1을 참조하면, 2축 응력계는 한 쌍의 응력계(100A, 100B), 응력계 지지체(200) 및 지지체 덮개(300A, 300B)를 포함하여 구성된다.

도시된 바와 같이, 상기 한 쌍의 응력계(100A, 100B)는 2축 방향의 응력을 측정 가능하도록 실질적으로 직교하도록 설치된다. 본 발명에서 각 응력계는 광섬유 센서를 기반으로 하는 응력계이다.

상기 2축 응력계는 측정하고자 하는 응력에 따라 적절히 배치될 수 있다. 예컨대, 터널 등의 돔형 구조물에 설치되는 경우, 상기 응력계(100A, 100B) 중 하나는 돔형 구조물의 중심 방향으로 배치되도록 할 수 있고, 나머지 하나는 돔형 구조물의 원주 방향으로 배치되도록 할 수 있다.

본 발명에서 광섬유 센서란 광섬유에 작용하는 인장 또는 압축 응력에 대응하여 그 신축의 정도를 측정하는 센서를 말하며, 미텔슨 센서, 페브리 페롯 간섭형 센서 및 FBG(Fiber Bragg Grating) 센서를 포함하지만, 센서 구조의 간단성 측면에서 FBG 센서에 적용되기에 적합하며, 응력계의 구체적인 구조는 다음과 같다.

도 2는 도 1의 2축 응력계의 분해 사시도이다.

본 발명에서 상기 응력계(100A, 100B)는 다양한 방식으로 구성될 수 있다. 예컨대, 응력계는 광섬유 센서가 접착 및 고정되는 한 쌍의 고정 부재(110A, 110B)를 포함한다.

부가적으로, 상기 응력계는 상기 고정 부재 사이에서 상기 고정 부재에 장착되는 광섬유 센서를 보호하기 위한 보호관(120)을 더 포함할 수 있다. 본 발명에서 상기 응력계는 높은 강성을 가지는 재질로 구성되는 것이 바람직하다. 예컨대, 상기 응력계는 탄소강, 스테인레스 스틸 등 철질 금속 재료로 구성되는 것이 바람직하다. 더욱 바람직하게는 상기 철질 금속 재료는 콘크리트의 수화 환경에서 녹슬지 않는 것이 바람직하므로, 스테인레스 스틸인 것이 좋다.

응력계 지지체(200)는 둘레에 대향하는 응력계 장착홈쌍(210A, 210B 각각)을 구비한다. 본 발명에서는 2축 응력의 측정을 위해 상기 응력계 지지체에는 실질적으로 직교하는 두 쌍의 응력계 장착홈(210A, 210B)을 구비하고 있다. 도면에서는 상기 응력계 지지체가 원주 형상을 갖는 것으로 표현하였지만, 이를 대신하여 사각 기둥 형상 등 다양한 형상의 지지체가 사용될 수 있음을 당업자라면 누구나 알 수있다.

본 발명에서 상기 응력계 지지체의 응력계 장착홈(210A, 210B)은 직교 배치를 위해 상이한 높이에 설치된다. 그 예로, 도시된 바와 같이, 상기 응력계 지지체(200)의 응력계 장착홈은 지지체의 각각 상면 또는 하면과 같이 상이한 면에서 연장되는 홈으로 구성될 수 있다. 그러나, 상기 응력계 장착홈 쌍은 직교 상태를 유지하는 한도에서 다양한 방식으로 구현될 수 있는데, 예컨대 두 쌍의 응력계 장착홈은 상면 또는 하면의 특정면으로부터 깊이를 달리하여 구성될 수도 있을 것이다. 다만, 응력계 설치로 인해 지지체에 가해지는 응력의 균형 측면에서 도시된 바와 같이 광섬유 장착홈이 상하면에 대칭되도록 배분되는 것이 바람직할 것이다.

본 발명에서 상기 응력계 지지체(200)는 응력계(100A,100B)의 설치시 한 쌍의 응력계를 직교 상태로 유지시키는 기능을 수행하므로, 어느 정도의 강성을 가져야 한다. 또한 상기 응력계는 압축 및 인장 강도 양자 모두를 측정하기 위해 프리 스트레인이 인가된 상태로 유지되므로, 상기 응력계 지지체는 가해진 프리 스트레인에 의해 소성 변형하는 것은 바람직하지 않으며, 이에 필요한 정도의 강성(항복 강도)을 가져야 한다.

이와 동시에, 상기 응력계 지지체(200)는 상기 응력계의 변형시 장애물로 작용하여서는 안된다. 따라서, 상기 응력계 지지체(200)는 상기 응력계(100A, 100B)에 비해 탄성 계수(elastic modulus)가 낮은 것이 사용되는 것이 바람직하다. 보다 바람직하게는 상기 응력계에 대한 상기 응력계 지지체의 탄성 계수 비는 1/2 이하인 것이 바람직하다.

본 발명에서 상기 응력계 지지체(200)는 상기 응력계에 비해 일반적으로 연성 재질로 불리우는 것이 사용되는 것이 바람직하다. 연성 재질의 예는 목재 또는 플리스틱 수지를 들 수 있다. 플라스틱 수지의 예로는 폴리아미드, 폴리메타크릴(polymethyl methacrylate), 폴리아세탈(polyacetal), 폴리카보네이트 또는 폴리에틸렌테레프탈레이트(polyethylene terephthalate)를 들 수 있다. 이들 플라스틱 수지가 모두 사용 가능하지만, 응력계 장착홈 등의 가공 용이성 측면에서 폴리아세탈의 사용이 바람직하다.

상기 응력계 지지체(200)에는 광섬유 센서 케이블의 인입 또는 인출을 위한 인입홈(230)이 구비되어 있다. 또한 상기 응력계 지지체(200)는 상하부 덮개(300A, 300B)를 구비하여 광섬유 센서 및 응력계가 외부 환경에 직접적으로 노출되는 것을 방지한다. 이들 덮개는 결합 및 해체 용이성을 고려하여 다수의 나사홈(310, 220)과 나사를 통해 나사 결합하는 것이 바람직하다.

또한 본 발명에서 상기 응력계 지지체에는 광섬유 센서의 수납을 용이하게 하기 위해 부가적으로 수납용 덮개(320A, 320B)가 사용될 수 있다.

이하 도 3은 본 발명에 사용 가능한 응력계(100A)를 도시한 평면도 및 정면도이다.

도 3을 참조하면, 응력계(100A)는 양단의 고정 부재(110A, 110B) 사이에 보호관(120)이 삽입된 구조를 갖는다. 보호관은 고정 부재(110A, 110B) 사이에 삽입된 후 볼트와 같은 적절한 고정 수단(도시하지 않음)에 의해 고정 부재(110A, 110B)에 체결된다.

고정 부재(110A, 110B)에는 광섬유의 장착을 위한 관통홈(118)이 구비되어 있다. 상기 관통홈을 통과하여 설치된 광섬유 센서에는 접착제 주입홈(116)을 통해 주입된 접착제에 의해 고정 부재(110A, 110B)에 고정된다. 이와 같이 광섬유를 관통홈에 삽입하거나 삽입된 광섬유의 인출을 용이하게 하기 위해 상기 고정 부재(110A, 110B)에는 별도의 슬릿(112)이 구비될 수 있다.

본 발명에서 상기 응력계(100A)에 광섬유 센서를 장착하는 방법은 다음과 같다. 먼저, 양단의 고정부재(110A, 110B) 사이에 보호관을 삽입한 상태로 상기 고정부재(110A, 110B)를 체결홈(114)을 통해 상기 응력계 지지체(200)에 고정한다. 이어서, 광섬유 센서를 일단의 고정부재의 슬릿을 통해 삽입하여 타단의 고정부재의 슬릿으로 인출한다. 이어서, 상기 광섬유 센서에 프리 스트레인이 인가된다. 인가되는 프리 스트레인의 범위는 측정하고자 하는 압축 응력의 크기에 따라 적절히 선택할 수 있다. 프리 스트레인이 인가된 상태에서 상기 고정부재(110A, 110B)의 접착제 주입홈(116)에 접착제를 주입하여 광섬유 센서를 양단의 고정 부재에 고정한다. 그 다음, 볼트와 같은 고정 수단(도시하지 않음)을 통해 보호관을 상기 고정부재에 고정한다. 본 발명에서 상기 보호관 고정용 고정 수단은 콘크리트 등에 설치 후 체결 해제할 수 있다. 동일한 방식으로 나머지 하나의 응력계(100B)도 응력계 지지체(200)에 설치될 수 있다. 이 때, 하나의 연장된 광섬유 센서를 두 개의 응력계에 모두 설치할 수 있게 된다.

100A, 100B 응력계 110A, 110B 고정부재
112 광섬유 장착용 슬릿 114 체결홈
116 접착제 주입홈 118 관통홈
120 보호관 200 응력계 지지체
210A, 210B 응력계 장착홈 220 나사홈
300A, 300B 덮개 310 나사홈
312 볼트 320A, 320B 수납용 덮개

Claims

어느 한쪽 면에 직선방향으로 나란하게 일정깊이의 응력계 장착홈(210A)이 형성되고, 다른 한쪽 면에 직선방향으로 나란하게 일정깊이의 응력계 장착홈(210B)이 형성되되, 상기 응력계 장착홈(210A, 210B)들은 서로 직교하는 방향으로 형성된 응력계 지지체(200); 및
상기 응력계 지지체(200)의 상기 응력계 장착홈(210A, 210B)들에 각각 장착되어 서로 간섭이 이루어지지 않고, 프리 스트레인이 인가된 광섬유 센서로 이루어진 2개의 응력계(100A, 100B)를 포함하며,
상기 응력계 지지체(200)는 상기 응력계(100A, 100B) 보다 낮은 탄성 계수(Elastic Modulus)를 가짐으로 인하여 상기 응력계(100A, 100B)에 가해진 프리 스트레인 구간에서 탄성 변형하는 것을 특징으로 하는 매립형 2축 응력계.
제1항에 있어서,
상기 응력계 지지체(200)와 상기 응력계(100A, 100b)의 탄성 계수비는 1/2 이하인 것을 특징으로 하는 매립형 2축 응력계.
제1항에 있어서,
상기 응력계(100A, 100B)는 각각 상기 한 쌍의 응력계 장착홈(210A, 210B)에 고정되는 고정부재(110A, 110B)를 포함하는 것을 특징으로 하는 매립형 2축 응력계.
삭제
제1항에 있어서,
상기 응력계 지지체(200)는 플라스틱 재질 또는 목재이고, 상기 응력계(100A, 100B)는 금속 재질인 것을 특징으로 하는 매립형 2축 응력계.
제5항에 있어서,
상기 응력계 지지체(200)는 폴리아미드, 폴리메타크릴(polymethyl methacrylate), 폴리아세탈(polyacetal), 폴리카보네이트, 폴리에틸렌테레프탈레이트(polyethylene terephthalate)로 이루어진 그룹 중에서 선택된 1종의 재질인 것을 특징으로 하는 매립형 2축 응력계.
제5항에 있어서,
상기 응력계(100A, 100B)는 스테인레스 스틸 재질인 것을 특징으로 하는 매립형 2축 응력계.