KR101326726B1 - 광섬유 센서를 이용한 긴장재의 장력측정장치 및 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 광섬유 센서를 이용한 긴장재의 장력측정장치 및 방법에 관한 것으로, 긴장재의 장력에 의해 압축력이 형성되는 로드셀 본체, 상기 로드셀 본체에 압축력이 형성되는 방향을 따라 설치되어 압축력에 의한로드셀 본체의 변위를 측정하는 광섬유 센서 및 상기 광섬유 센서가 설치된 로드셀 본체의 외면을 차폐하는 케이스를 포함하는 구성을 마련한다.
상기와 같은 광섬유 센서를 이용한 긴장재의 장력측정장치 및 방법을 이용하는 것에 의해, 본 발명은 긴장재의 장력에 의해 로드셀 본체에 가해지는 압축력에 의한 변위를 측정하여 긴장재의 변형률 및 장력을 구조물의 시공 중 및 공용 중에 실시간으로 측정할 수 있다.

Description

광섬유 센서를 이용한 긴장재의 장력측정장치 및 방법{TENSILE STRESS APPARATUS AND METHOD IN TENSION MEMBER WITH FIBER BRAGG GRATING SENSOR}

본 발명은 광섬유 센서를 이용한 긴장재의 장력측정장치 및 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 긴장재에 의해 압축력이 도입되는 프리스트레싱 구조물이나 엑스트라도우즈교, 사장교, 현수교와 같은 구조물의 주탑과 보강형을 연결하는데 사용되는 케이블을 이루는 스트랜드 등과 같은 긴장재에 작용하는 장력을 광섬유 격자 센서를 이용해서 측정하는 광섬유 센서를 이용한 긴장재의 장력측정장치 및 방법에 관한 것이다.

사장교는 주탑과 연결된 케이블에 보강형(교탑의 바닥판과 주형)이 지지되는 구조를 가지며, 보강형에 작용하는 하중이 케이블로 직접 전달된다.

케이블의 하중분담 효과가 크기 때문에, 사장교의 구조적인 안전성을 확보하기 위해서는 케이블에 작용하는 장력의 정밀한 측정과 관리가 매우 중요하다.

또한 사장교의 시공 중에는 형상 관리가 수행되는데, 이러한 교량의 형상 관리는 케이블의 장력 및 보강형의 형상을 목표 장력과 형상으로 일치시키는 일련의 과정으로서, 케이블 장력의 정확한 측정이 수반되어야만 시공 중 및 공용 중에 교량 구조물의 정밀한 형상관리 및 안전성 확보가 가능하다.

이러한 케이블은 복수 개의 스트랜드로 이루어지는데, 케이블의 장력을 측정하기 위해, 일반적으로 시공 중에는 케이블을 이루는 여러 개의 스트랜드에 대해 유압잭과 펌프를 이용해서 스트랜드를 정착하고 있는 쐐기가 빠져나오는 순간의 압력을 측정(리프트-오프 테스트, Lift-off Test)하고, 다수 개의 스트랜드 측정 결과를 산술 평균함으로써 케이블의 장력을 측정하는 방법이 주로 사용되었다.

그리고 공용 중에는 로드셀 및 1축 가속도계를 이용하여 케이블 장력의 대표값을 추정하는 방법이 주로 사용되고 있다.

그러나 스트랜드의 장력을 측정함에 있어서, 리프트-오프 테스트 방식의 경우, 인력투입에 따른 작업 기간의 지연이 발생하고, 장력을 실시간으로 측정할 수 없으며, 쐐기가 빠졌다가 다시 정착되는 과정에서 쐐기 및 스트랜드에 손상이 발생(double bite)하는 문제점이 있었다.

로드셀을 이용한 측정방법은 고가의 장비를 사용함에 따라 장력 측정에 많은 비용이 소요될 뿐만 아니라, 로드셀을 망실할 가능성이 매우 크고, 로드셀이 망실되었을 때 이를 교체하는 것이 불가능한 문제점이 있었다.

또한 기존의 로드셀은 전기 저항 방식이므로, 낙뢰에 매우 취약하고, 보정작업을 빈번하게 수행해야 하는 문제점이 있었다.

한편, 1축 가속계는 케이블 길이가 짧은 경우, 측정결과가 부정확하고, 멀티 스트랜드 타입과 일체로 거동하지 않는 문제점이 있었다.

이러한 문제점을 해결할 수 있는 구조물의 변형률 측정 센서로서, 최근에는 광섬유 센서가 주목받고 있다. 광섬유 센서 중에서 대표적인 것은 광섬유 격자 센서(Fiber Bragg Grating, 이하 'FBG'라 함) 타입의 광섬유 센서이다.

FBG는 격자(grating)가 형성된 광섬유에 물리적인 힘의 작용으로 인하여 변형이 생겼을 때 격자에서의 빛 굴절 변화가 유발되는데, 이러한 굴절 변화를 측정하여 광섬유의 변형률을 측정함으로써 광섬유가 고정되는 구조물의 변형률을 측정하여 구조물에 작용하는 하중 및 응력을 알 수 있다.

이와 같이 FBG 타입으로 대표되는 광섬유 센서를 이용하여 사장교 케이블의 스트랜드와 같이 장력을 받는 부재인 긴장재의 장력을 측정하는 경우, 가장 중요한 것은 긴장재의 변형률이 광섬유 센서에 정확하게 전달되게 하는 것이며, 더 나아가 광섬유 센서의 측정 기준점과 광섬유 센서의 고정 위치가 일치되게 하는 것이다.

이를 위해, 광섬유 센서를 긴장재에 설치하기 적합한 지그를 개발하고, 개발된 지그를 이용해서 긴장재의 장력을 측정하는 기술이 개발되었다.

도 1은 일반적인 광섬유 센서의 사시도이다.

도 1에 도시된 바와 같이, 시중에 패키지화되어 시판중인 FBG 타입의 광섬유 센서(1)는 일반적으로 격자가 새겨져 있는 광섬유 외면에 피복이 씌워져서 변형률을 측정하는 광섬유 센서부(2), 광섬유 센서부(2)의 양단에 구비되어 지그가 결합되는 지그 결합부(3), 각각의 지그결합부(3) 외측으로 연결되는 데이터 전달선(4)을 포함한다.

지그 결합부(3)의 하부에는 긴장재에 물리는 지그가 결합된다.

이와 같이 구성되는 종래기술에 따른 광섬유 센서(1)는 광섬유 센서부(2)의 신율변화를 측정하여 긴장재의 장력을 측정한다.

즉, 종래기술에 따른 광섬유 센서(1)는 지그결합부(3)의 중앙을 측정기준점으로 하고, 측정기준점 사이의 길이를 신율측정기준길이로 하여 긴장재의 변형률을 측정한다.

하지만, 광섬유 센서(1)를 긴장재에 설치할 때, 광섬유 센서부(2)의 장력을 미리 설정되는 장력으로 설치하기가 어려운 문제점이 있었다.

특히, 종래기술에 따른 광섬유 센서(1)는 사장교에 긴장재를 설치한 후 초기 상태에서는 긴장재의 변형률을 선형적으로 측정할 수 없는 문제점이 있었다.

따라서 종래기술에 따른 지그를 이용해 광섬유 센서를 긴장재에 설치해서 긴장재의 변형률을 측정하는 방법은 긴장재의 기존장력 및 초기 장력을 원활하게 측정하는데 한계가 있었으며, 교량 구조물의 정밀한 형상 관리 및 안전성 확보가 불가능한 문제점이 있었다.

본 발명은 상기한 바와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로, 본 발명의 목적은 긴장재의 변형률을 정밀하게 측정할 수 있는 광섬유 센서를 이용한 긴장재의 장력측정장치 및 방법을 제공하는 것이다.

본 발명의 다른 목적은 긴장재의 변형률을 정밀하게 측정하여 교량 구조물의 형상 관리 및 안전성을 확보할 수 있는 광섬유 센서를 이용한 긴장재의 장력측정장치 및 방법을 제공하는 것이다.

상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 특징에 따르면, 본 발명은 긴장재의 장력에 의해 압축력이 형성되는 로드셀 본체, 상기 로드셀 본체에 압축력이 형성되는 방향을 따라 설치되어 압축력에 의한로드셀 본체의 변위를 측정하는 광섬유 센서 및 상기 광섬유 센서가 설치된 로드셀 본체의 외면을 차폐하는 케이스를 포함한다.

상기 로드셀 본체의 중앙에는 상기 긴장재가 관통하여 삽입되는 삽입공간이 형성되고, 상기 로드셀 본체의 외주면에는 광섬유 센서가 설치되는 설치홈과 상기 설치홈 양측에 각각 광섬유의 양측을 고정하는 고정홈이 형성되며, 상기 로드셀 본체의 외주면에는 상기 광섬유 센서 및 광섬유가 설치된 상태에서 에폭시 수지가 도포되는 것을 특징으로 한다.

상기 로드셀 본체의 일측면에는 상기 광섬유의 단선 여부를 검사할 수 있도록 상기 고정홈 중에서 어느 하나와 연통되어 광섬유의 선단이 위치되는 연통공이 형성되는 것을 특징으로 한다.

상기 광섬유 센서는 일정 간격만큼 이격되어 복수로 구비되고, 상기 광섬유의 양측은 상기 고정홈에 대응되는 형상으로 형성된 고정구를 이용해 미리 설정된 장력으로 로드셀 본체에 고정되며, 상기 장력측정장치는 다수의 긴장재에 각각 설치되고, 상기 광섬유의 일단에 연결되는 연결선으로 서로 연결되는 것을 특징으로 한다.

상기 긴장재의 장력측정장치는 긴장재에 의해 압축력이 도입되는 프리스트레싱 구조물이나 주탑과 보강형을 연결하여 이루어지는 구조물에 설치되는 긴장재의 정착단 또는 인장단에 설치되는 것을 특징으로 한다.

상기 로드셀 본체에는 온도보상용 광섬유 센서가 더 구비되는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 다른 특징에 따르면, 본 발명은 (a) 로드셀 본체에 미리 설정된 간격으로 복수의 광섬유 센서를 미리 설정된 장력을 갖도록 설치하는 단계, (b) 상기 복수의 광섬유 센서가 설치된 로드셀 본체의 삽입공간에 긴장재를 관통 삽입하여 긴장재의 상단이나 하단에 설치하는 단계, (c) 상기 긴장재에 장력이 형성되면서 상기 로드셀 본체에 가해지는 압축력에 따른 로드셀 본체의 변위를 측정하는 단계 및 (d) 측정된 변위를 이용하여 상기 긴장재의 변형률과 장력을 산출하는 단계를 포함한다.

상기 (a)단계는 (a1) 광섬유 센서가 연결된 광섬유의 양측을 로드셀 본체에 고정하는 단계와 (a2) 상기 광섬유가 고정된 로드셀 본체의 외주면에 에폭시 수지를 도포하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.

상기 (c)단계는 (c1) 온도보상용 광섬유 센서를 이용해 상기 로드셀 본체의 온도변화를 측정하는 단계를 포함하고, 상기 (d)단계는 (c1)단계에서 측정된 온도변화에 기초하여 상기 광섬유 센서로부터 측정된 측정값을 보상해서 상기 긴장재의 변형률 및 장력을 산출하는 것을 특징으로 한다.

상술한 바와 같이, 본 발명은 긴장재의 장력에 의해 로드셀 본체에 가해지는 압축력에 의한 변위를 측정하여 긴장재의 변형률 및 장력을 측정할 수 있다.

특히, 본 발명은 로드셀 본체의 외주면에 복수의 광섬유 센서를 일정 각도만큼 이격시켜 설치함에 따라 로드셀 본체가 어느 일측으로 기울어지더라도 복수의 광섬유 센서의 측정값을 평균하여 긴장재의 변형률 및 장력을 정밀하게 측정할 수 있다.

이에 따라, 본 발명은 긴장재에 지그를 이용해서 광섬유 센서를 설치하는 경우와 같이 긴장재와 지그의 설치각도가 변경되어 변형률 측정값이 부정확해지는 것을 방지할 수 있다.

그리고 본 발명은 계측기로부터 광섬유에 빛을 전달하여 연통공에 위치된 광섬유의 선단으로부터 빛이 방사되는지 여부를 검사하여 광섬유의 단선 여부를 검사할 수 있다.

물론, 본 발명은 다수의 긴장재에 각각 장력측정장치를 설치하는 경우에도, 광섬유가 마지막으로 설치되는 장력측정장치의 로드셀 본체에 연통공을 형성하고, 광섬유 선단을 연통공에 위치시켜 전체 장력측정장치에 설치된 광섬유의 단선 여부를 검사할 수도 있다.

또 본 발명은 온도 변화에 따라 로드셀 본체의 변위가 발생하더라도, 계측기에서 온도보상용 광섬유 센서의 측정 신호에 따라 광섬유 센서로부터 측정된 로드셀 본체의 변위를 보상하여 긴장재의 변형률을 정밀하게 측정할 수 있다.

또한 본 발명은 광섬유 센서가 설치된 로드셀 본체의 외주면에 에폭시 수지를 도포하여 고정구가 고정홈으로부터 임의로 이탈되는 것을 방지하고, 광섬유가 꺾이거나 접히면서 손상되는 것을 방지할 수 있다.

결과적으로, 본 발명은 긴장재의 장력을 실시간으로 모니터링하여 정확한 장력관리를 수행함으로써, 교량 시공 중 및 공용 중의 긴장재 장력 관리를 효율적이고 정확하게 수행할 수 있는 효과를 가진다.

도 1은 일반적인 광섬유 센서의 사시도.
도 2는 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 광섬유 센서를 이용한 긴장재의 장력측정장치가 긴장재의 정착구에 설치된 상태를 보인 사시도.
도 3은 도 2에 도시된 긴장재의 설치 상태를 예시한 예시도.
도 4는 도 3에 도시된 보상부재의 사시도.
도 5는 도 3에 도시된 간섭방지부재의 사시도.
도 6은 도 2에 도시된 긴장재의 장력측정장치의 분리사시도.
도 7은 도 6에 도시된 로드셀 본체의 변형 예를 보인 예시도.
도 8은 도 6에 도시된 장력측정장치의 변형 예를 보인 예시도.

이하 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 광섬유 센서를 이용한 긴장재의 장력측정장치 및 방법을 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.

본 실시 예에서는 설명의 편의를 위하여 사장교의 주탑과 보강형을 연결하는 케이블을 이용해서 긴장재의 장력을 측정하는 것으로 설명한다.

하지만, 본 발명은 반드시 이에 한정되는 것은 아니며, 압축력이 도입되는 프리스트레싱 구조물이나 엑스트라도우즈교, 사장교, 현수교와 같은 다양한 구조물의 주탑과 보강형을 연결하는데 사용되는 케이블을 이루는 스트랜드 등과 같은 긴장재의 장력을 측정하도록 변경될 수 있다.

도 2는 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 광섬유 센서를 이용한 긴장재의 장력측정장치가 긴장재 정착구에 설치된 상태를 보인 사시도이고, 도 3은 도 2에 도시된 긴장재의 설치 상태를 예시한 예시도이다.

그리고 도 4는 도 3에 도시된 보상부재의 사시도이고, 도 5는 도 3에 도시된 간섭방지부재의 사시도이다.

또 도 6은 도 2에 도시된 긴장재의 장력측정장치의 분리사시도이며, 도 7은 도 6에 도시된 로드셀 본체의 변형 예를 보인 예시도이고, 도 8은 도 6에 도시된 장력측정장치의 변형 예를 보인 예시도이다.

본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 긴장재의 장력측정장치(이하 '장력측정장치'라 약칭함)(20)는 긴장재(11)의 양단을 고정하는 양측 정착구(10) 중에서 어느 하나에 설치된다.

즉, 긴장재(11)는 정착구(10)와 모노헤드정착구(13)에 의해 설치된다.

본 실시 예에서는 도 2에 도시된 바와 같이, 정착구(10) 상부의 정착플레이트(12) 상면과 모노헤드정착구(13) 사이에 설치되는 장력측정장치(20)를 이용하여 설명하기로 한다.

긴장재(11)에는 교량의 하중에 의해 늘어나는 방향으로 장력이 형성되지만, 장력측정장치(20)에는 긴장재(11)에 형성된 장력에 의해 정착구(10)의 정착플레이트(12) 상면을 향해 압축하는 방향으로 압축력이 형성된다.

결국, 본 발명에 따른 긴장재의 장력측정장치는 압축력에 의한 변위를 측정하여 긴장재의 장력을 측정하는 것이다.

이에 따라, 본 발명은 긴장재의 초기 장력뿐만 아니라, 기설치된 긴장재의 장력을 측정할 수 있어, 지그를 이용해서 광섬유 센서를 설치하는 경우에 측정값이 부정확해지는 문제점을 미연에 방지할 수 있다.

정착구(10)의 상부에는 도 2 및 도 3에 도시된 바와 같이, 긴장재(11) 및 장력측정장치(20)를 보호하도록 커버(14)가 결합된다.

여기서, 정착구(10)의 외주면 및 커버(14)의 내주면 하단부에는 서로 체결될 수 있도록 나사산이 형성된다.

그리고 정착구(10)와 결합된 커버(14)의 내부 공간에는 긴장재(10)의 부식을 방지하기 위해 그리스나 왁스가 주입된다.

한편, 도 3에 도시된 바와 같이, 긴장재(11)의 직경은 정착플레이트(12)에 형성된 삽입공의 직경보다 약간 작게 형성된다.

따라서 본 실시 예에서는 도 3 및 도 4에 도시된 바와 같이, 긴장재(11)와 상기 삽입공의 직경 차이를 보상하도록 긴장재(11)에 보상부재(15)가 결합된다.

보상부재(15)는 중앙에 긴장재가 결합되는 공간이 형성되고, 하부에서 상부로 갈수록 외경이 커지도록 테이퍼지게 대략 원뿔 형상으로 형성된다.

그리고 보상부재(15)의 내주면에는 보상부재(15) 내부에 결합된 긴장재(11)의 슬립을 방지하여 정착구(10)에 압축력을 전달하도록 나사산이 형성된다.

보상부재(15)의 외주면에는 상하 방향으로 슬릿이 적어도 하나 이상 형성될 수 있다.

그리고 긴장재(11)에는 보상부재(15) 대신에 긴장재(11) 사이의 간섭을 방지하기 위해, 도 3 및 도 5에 도시된 바와 같이, 간섭방지부재(16)가 결합될 수도 있다.

간섭방지부재(16)의 하부는 정착플레이트(12)의 삽입공에 결합되도록 돌출되어 형성되고, 간섭방지부재(16)의 상부는 하부와 단차지게 형성되며, 간섭방지부재(16)의 상부 외주면에는 다른 긴장재(11)의 외주면에 대응되도록 오목하게 호 형상으로 형성되는 다수의 간섭방지호가 형성된다.

도 6을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 긴장재의 장력측정장치의 구성을 상세하게 설명한다.

즉, 장력측정장치(20)는 도 6에 도시된 바와 같이, 긴장재(11)의 장력에 의해 압축력이 형성되는 로드셀 본체(30), 로드셀 본체(30)에 압축력이 형성되는 방향을 따라 설치되어 압축력에 의한 로드셀 본체(30)의 변위를 측정하는 광섬유 센서(40), 광섬유 센서(40)에 연결된 광섬유(41)를 미리 설정된 장력으로 로드셀 본체(30)에 고정하는 고정구(50) 및 광섬유 센서(40)가 설치된 로드셀 본체(30)의 외면을 차폐하는 케이스(60)를 포함한다.

이에 따라, 계측기(도면 미도시)는 광섬유 센서(40)에서 측정된 변위를 이용하여 긴장재(11)의 변형률을 산출한다.

로드셀 본체(30)는 중앙에 긴장재(11)가 관통 삽입되는 삽입 공간이 형성되도록 대략 원통 형상으로 형성된다.

그리고 로드셀 본체(30)의 외주면에는 광섬유 센서(40)를 설치하기 위한 설치홈(31)과 설치홈(31) 양측에 고정구(50)가 결합되는 한 쌍의 고정홈(32)이 형성되고, 로드셀 본체(30)의 일측면에는 고정홈(32)과 연통된 연통공(33)이 형성된다.

설치홈(31)은 광섬유 센서(40)의 개수에 따라 개수가 변경될 수 있다.

예를 들어, 도 7에 도시된 바와 같이 로드셀 본체(30')에 3개의 광섬유 센서(40)를 설치하는 경우, 설치홈(31)은 광섬유 센서(40)의 개수에 대응되도록 3개가 형성되며, 각 설치홈(31)은 일정 각도, 예컨대 120°씩 이격되어 형성된다.

물론, 본 발명은 광섬유 센서를 1개 또는 2개 설치하도록 변경될 수도 있다.

하지만, 광섬유 센서 1개를 설치하는 경우, 삽입 공간에 긴장재(11)가 삽입된 로드셀 본체(30)가 정착구(10)의 정착플레이트(12)와 수직을 이루지 못하고 어느 일측으로 기울어지는 경우, 로드셀 본체(30)에 가해지는 압축력이 불규칙하게 된다.

따라서 본 발명은 도 6 및 도 7에 도시된 바와 같이, 2개 또는 3개의 광섬유 센서를 일정 각도, 즉 180° 또는 120°간격으로 설치하는 것이 바람직하다.

그래서 로드셀 본체(30)의 고정홈(32)에는 다른 고정홈(32)으로 광섬유(41)를 전달하도록 안내홈(34)이 형성된다.

안내홈(34)은 고정홈(32)으로부터 멀어지면서 점차 깊이가 낮아지도록 경사지게 형성되어 광섬유(41)가 인출되는 고정홈(32)에서 다른 고정홈(32)으로 전달되는 과정에서 꺾임이나 접힘에 의해 손상되는 것을 방지하는 역할을 한다.

즉, 한 가닥의 광섬유(41)는 광섬유 센서(40)가 설치되는 설치홈(31)과 고정홈(32), 다음 광섬유 센서(40)가 설치되는 설치홈(31)과 고정홈(32)을 순차적으로 경유하여 설치된다.

또한 광섬유(41)는 다수의 긴장재(11)에 각각 장력측정장치(20)를 설치하는 경우, 다수의 장력측정장치(20)를 순차적으로 경유하여 설치된다.

고정구(50)는 고정홈(320)의 형상에 대응되도록 대략 직육면체 형상으로 형성된다.

여기서, 고정구(50)의 높이는 고정구(50)가 로드셀 본체(30)의 외주면보다 돌출되는 것을 방지하기 위해, 고정홈(32)의 깊이와 동일하거나 고정홈(32)의 깊이보다 낮게 형성된다.

본 실시 예에서는 광섬유 센서(40)를 중심으로 광섬유(41)의 양측에 각각 고정구(50)를 접합하고, 광섬유(41)가 일정한 장력을 가지도록 고정구(50) 사이의 거리를 조절하면서 고정홈(32)에 결합한다.

본 발명은 고정홈(32)에 고정구(50)를 결합한 후, 로드셀 본체(30)의 외주면에 에폭시 수지를 도포하여 고정구(50)가 고정홈(32)에서 임의로 분리되는 것을 방지하고, 광섬유(41)를 고정하여 광섬유(41)의 유동에 의한 손상을 방지할 수 있다.

한편, 본 실시 예에서는 고정구(50)를 이용해 광섬유(41)를 고정하는 것으로 설명하였지만, 본 발명은 반드시 고정구(50)를 이용해 고정홈(32)에 고정되어야만 하는 것은 아니다.

즉, 본 발명은 도 8에 도시된 바와 같이, 고정구(50)를 제거하고 광섬유(41)를 직접 로드셀 본체(30)의 고정홈(32)에 직접 고정될 수도 있다.

한편, 광섬유(41)는 광섬유 센서(40)의 측정신호를 계측기로 전달하는 신호전달선과 연결되고, 장력측정장치(20) 하나만을 설치하는 경우, 광섬유(41)의 선단은 연통공(33) 내측에 위치된다.

이에 따라, 본 발명은 계측기로부터 광섬유에 빛을 전달하여 연통공에 위치된 광섬유의 선단으로부터 빛이 방사되는지 여부를 검사하여 광섬유의 단선 여부를 검사할 수 있다.

또한 본 발명은 다수의 긴장재에 각각 장력측정장치를 설치하는 경우에도, 광섬유가 마지막으로 설치되는 장력측정장치의 로드셀 본체에 연통공을 형성하고, 광섬유 선단을 연통공에 위치시켜 전체 장력측정장치에 설치된 광섬유의 단선 여부를 검사할 수도 있다.

케이스(60)는 내부에 로드셀 본체(30)가 결합되는 결합 공간이 형성되도록 원통 형상으로 형성된다.

케이스(60)의 외주면 일측에는 도 6에 도시된 바와 같이, 광섬유 센서(40)의 측정신호를 계측기로 전달하는 신호 전달선과 다음 장력측정장치(20)로 연결되는 연결선이 인출되는 인출구(61)가 형성된다.

즉, 상기 신호 전달선은 다수의 긴장재(11)에 설치된 각 장력측정장치(20) 중에서 어느 하나의 장력측정장치(20)에 설치된 광섬유(41)에만 연결되고, 각 장력측정장치(20)는 상기 연결선에 의해 연결된다.

이와 함께, 장력측정장치(20)는 도 6에 도시된 바와 같이, 온도 변화에 따른 로드셀 본체(20)의 변위를 보상하기 위해 온도보상용 광섬유 센서(70)를 더 구비한다.

즉, 본 발명은 온도 변화에 따라 로드셀 본체의 변위가 발생하더라도, 계측기에서 온도보상용 광섬유 센서의 측정 신호에 따라 광섬유 센서로부터 측정된 로드셀 본체의 변위를 보상하여 긴장재의 변형률을 정밀하게 측정할 수 있다.

이를 위해, 로드셀 본체(30)에는 온도보상용 광섬유 센서(70)를 설치하기 위한 홈이 더 형성되는 것이 바람직하다.

다음, 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 광섬유 센서를 이용한 긴장재의 장력측정장치의 설치구조 및 측정방법을 상세하게 설명한다.

먼저, 로드셀 본체(30)의 설치홈(31)과 고정홈(32)에 광섬유 센서(40) 및 광섬유(41)를 설치한다.

이를 위해, 도 6에 도시된 바와 같이, 광섬유 센서(40)를 중심으로 광섬유(41)의 양측에 각각 고정구(50)를 접합하고, 한 쌍의 고정홈(32) 중에서 어느 하나의 고정홈(32)에 고정구(50)를 결합한다.

이어서, 미고정 상태인 광섬유(41)의 타측을 당겨서 광섬유(41)에 미리 설정된 장력을 형성한 후, 반대측 고정홈(32)에 고정구(50)를 결합한다.

물론, 도 8에 도시된 바와 같이, 고정구(50)를 제거하고 광섬유(41)를 직접 고정홈(32)에 설치할 수도 있다.

이와 같이, 본 발명은 로드셀 본체에 일정한 장력을 갖도록 광섬유 센서를 설치하여 긴장재의 장력에 의한 로드셀 본체의 변위를 측정함으로써, 긴장재의 변형률을 측정할 수 있게 된다.

상기의 광섬유 센서(40) 및 광섬유(41) 설치 작업은 광섬유 센서(40)의 개수에 대응되는 횟수만큼 반복 수행된다.

모든 광섬유 센서(40)의 설치작업이 완료되면, 고정구(50)가 고정홈(32)에서 임의로 이탈되는 것을 방지하고 광섬유(41)의 유동을 방지하기 위해, 로드셀 본체(30)의 외주면에 에폭시 수지를 도포한다.

이어서 광섬유(41)의 양단을 각각 신호 전달선과 연결선에 연결하여 인출구(61)를 통해 케이스(60) 외부로 인출한 후, 로드셀 본체(30)를 케이스(60)의 결합공간에 결합한다.

이후, 다수의 긴장재(11)에 각각 장력측정장치(20)를 설치하도록 상기의 설치과정을 동일하게 반복 수행한다.

여기서, 광섬유(41)의 일단은 계측기와 연결된 신호 전달선에 연결하고, 광섬유(41)의 타단은 연결선과 연결함으로써, 다수의 장력측정장치(20)를 순차적으로 연결한다.

그리고 마지막으로 연결되는 장력측정장치(20)의 광섬유(41) 선단은 광섬유(41)의 단선 여부를 검사할 수 있도록 로드셀 본체(30)의 일측에 형성된 연통공(33) 내부에 위치시킨다.

이어서 각 장력측정장치(20)의 삽입공간에 각각 긴장재(11)를 관통시켜 삽입하고, 정착구(10)의 정착플레이트(12)에 모노헤드정착구(13)를 이용해 고정한다.

여기서, 장력측정장치(20)를 이용하지 않는 긴장재(11)는 보상부재(14)에 의해 정착플레이트(12)에 설치되고, 장력측정장치(20)를 이용하는 긴장재(11)는 간섭방지부재(15)에 결합되어 정착플레이트(12)에 설치된다.

그래서 장력측정장치(20)는 모노헤드정착구(13)와 정착플레이트(12) 사이에 설치된다.

장력측정장치(20)의 설치가 완료되면, 신호 전달선과 연결선을 커버(14)에 형성된 인출공을 통해 외부로 인출한 후 정착구(10)의 상부에 커버(14)를 결합하고, 커버(14)의 내부 공간에 긴장재(11)의 부식을 방지하도록 그리스나 왁스를 주입한다.

상기한 바와 같은 과정을 거쳐 각 긴장재(11)에 설치된 장력측정장치(20)는 교량의 하중에 의해 긴장재(11)에 장력이 형성됨에 따라 광섬유 센서(40)를 이용해 로드셀 본체(30)에 가해지는 압축력에 따른 변위를 측정하여 계측기로 전달한다.

그러면, 계측기는 각 장력측정장치(20)의 광섬유 센서(40)로부터 측정된 측정신호를 이용해 긴장재(11)의 변형률과 그에 따른 장력을 측정하고, 이를 통신모듈을 이용해 관리자의 컴퓨터나 스마트폰과 같은 관리단말기로 전송한다.

이에 따라, 관리자는 실시간으로 긴장재의 장력을 모니터링하여 정확한 장력 관리를 수행함으로써, 교량 시공 중의 긴장재 형상 관리 및 공용 중의 긴장재 유지 관리를 효율적이고 정확하게 수행할 수 있게 된다.

이상 본 발명자에 의해서 이루어진 발명을 상기 실시 예에 따라 구체적으로 설명하였지만, 본 발명은 상기 실시 예에 한정되는 것은 아니고 그 요지를 이탈하지 않는 범위에서 여러 가지로 변경 가능한 것은 물론이다.

본 발명은 긴장재에 의해 압축력이 도입되는 프리스트레싱 구조물이나 엑스트라도우즈교, 사장교, 현수교와 같은 구조물의 주탑과 보강형을 연결하는데 사용되는 케이블을 이루는 스트랜드 등과 같이 하중 부담이 큰 긴장재의 변형률을 측정하여 실시간으로 모니터링한 결과를 이용해 긴장재의 장력관리 및 유지 관리를 수행하는데 이용된다.

10: 정착구 11: 긴장재
12: 정착플레이트 13: 모노헤드정착구
14: 커버 15: 보상부재
16: 간섭방지부재 20: 장력측정장치
30,30': 로드셀 본체 31: 설치홈
32: 고정홈 33: 연통공
34: 안내홈 40: 광섬유 센서
41: 광섬유 50: 고정구
60: 케이스 61: 인출구
70: 온도보상용 광섬유 센서

Claims (9)

1. 긴장재의 양단을 고정하는 양측 정착구 중에서 어느 하나에 정착구와 모노헤드정착구에 의해 설치되고 중앙에 형성된 삽입공간에 관통 삽입된 긴장재의 장력에 의해 정착구와 모노헤드정착구 사이에서 발생하는 압축력을 전달받는 로드셀 본체,
   상기 로드셀 본체에 압축력이 형성되는 방향을 따라 설치되어 압축력에 의한로드셀 본체의 변위를 측정하는 광섬유 센서 및
   상기 광섬유 센서가 설치된 로드셀 본체의 외면을 차폐하는 케이스를 포함하며,
   상기 광섬유 센서는 한 가닥의 광섬유 상에 복수로 마련되어 상기 로드셀 본체의 외주면에 일정 각도 간격으로 형성된 복수의 설치홈에 순차적으로 설치되는 것을 특징으로 하는 광섬유 센서를 이용한 긴장재의 장력측정장치
2. 제 1항에 있어서,
   상기 로드셀 본체의 중앙에는 상기 긴장재가 관통하여 삽입되는 삽입공간이 형성되고,
   상기 로드셀 본체의 외주면에는 광섬유 센서가 설치되는 설치홈과 상기 설치홈 양측에 각각 광섬유의 양측을 고정하는 고정홈이 형성되며,
   상기 로드셀 본체의 외주면에는 상기 광섬유 센서 및 광섬유가 설치된 상태에서 에폭시 수지가 도포되는 것을 특징으로 하는 광섬유 센서를 이용한 긴장재의 장력측정장치.
3. 제 2항에 있어서,
   상기 로드셀 본체의 일측면에는 상기 광섬유의 단선 여부를 검사할 수 있도록 상기 고정홈 중에서 어느 하나와 연통되어 광섬유의 선단이 위치되는 연통공이 형성되는 것을 특징으로 하는 광섬유 센서를 이용한 긴장재의 장력측정장치.
4. 제 2항에 있어서,
   상기 광섬유 센서는 일정 간격만큼 이격되어 복수로 구비되고,
   상기 광섬유의 양측은 상기 고정홈에 대응되는 형상으로 형성된 고정구를 이용해 미리 설정된 장력으로 로드셀 본체에 고정되며,
   상기 장력측정장치는 다수의 긴장재에 각각 설치되고, 상기 광섬유의 일단에 연결되는 연결선으로 서로 연결되는 것을 특징으로 하는 광섬유 센서를 이용한 긴장재의 장력측정장치.
5. 제 1항 내지 제 4항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 긴장재의 장력측정장치는
   긴장재에 의해 압축력이 도입되는 프리스트레싱 구조물이나 주탑과 보강형을 연결하여 이루어지는 구조물에 설치되는 긴장재의 정착단 또는 인장단에 설치되는 것을 특징으로 하는 광섬유 센서를 이용한 긴장재의 장력측정장치.
6. 제 5항에 있어서,
   상기 로드셀 본체에는 온도보상용 광섬유 센서가 더 구비되는 것을 특징으로 하는 광섬유 센서를 이용한 긴장재의 장력측정장치.
7. (a) 로드셀 본체에 미리 설정된 간격으로 복수의 광섬유 센서를 미리 설정된 장력을 갖도록 설치하는 단계,
   (b) 상기 복수의 광섬유 센서가 설치된 로드셀 본체의 삽입공간에 긴장재를 관통 삽입하여 긴장재의 정착단이나 인장단에 설치하는 단계,
   (c) 상기 긴장재에 장력이 형성되면서 긴장재의 정착단이나 인장단의 정착구와 모노헤드정착구 사이에서 발생하여 상기 로드셀 본체에 가해지는 압축력에 따른 로드셀 본체의 변위를 측정하는 단계 및
   (d) 측정된 변위를 이용하여 상기 긴장재의 변형률과 장력을 산출하는 단계를 포함하고,
   상기 (a)단계는 로드셀 본체의 외주면에 형성된 복수의 설치홈 및 고정홈에 한 가닥의 광섬유에 마련된 복수의 광섬유 센서를 설치하며,
   상기 (b)단계는 긴장재의 정착단이나 인장단 중 어느 하나에 마련된 정착구와 모노헤드정착구 사이에 로드셀 본체를 설치하는 것을 특징으로 하는 광섬유 센서를 이용한 긴장재의 장력측정방법.
8. 제 7항에 있어서, 상기 (a)단계는
   (a1) 광섬유 센서가 연결된 광섬유의 양측을 로드셀 본체에 고정하는 단계와
   (a2) 상기 광섬유가 고정된 로드셀 본체의 외주면에 에폭시 수지를 도포하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 광섬유 센서를 이용한 긴장재의 장력측정방법.
9. 제 7항 또는 제 8항에 있어서, 상기 (c)단계는
   (c1) 온도보상용 광섬유 센서를 이용해 상기 로드셀 본체의 온도변화를 측정하는 단계를 포함하고,
   상기 (d)단계는 (c1)단계에서 측정된 온도변화에 기초하여 상기 광섬유 센서로부터 측정된 측정값을 보상해서 상기 긴장재의 변형률 및 장력을 산출하는 것을 특징으로 하는 광섬유 센서를 이용한 긴장재의 장력측정방법.

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