KR101344722B1 - 광섬유 변형률계를 이용한 교량 처짐 측정 시스템 - Google Patents

Abstract

본 발명은 광섬유를 이용하되 특징적인 설치 구조를 통해 거더의 변형을 민감하고 정밀하게 측정할 수 있는 광섬유 변형률계를 이용한 교량 처짐 측정 시스템에 관한 것이다.
본 발명에 따른 광섬유 변형률계를 이용한 교량 처짐 측정 시스템은, 광섬유와 상기 광섬유를 보호하는 보호 부재와 상기 광섬유에 형성된 브래그 격자 센서를 포함하여 구성되고 상기 교량의 거더의 길이 방향을 N개로 구획한 단위구간 별로 설치되는 센싱 장치를 포함하며, 상기 단위구간에 배치된 센싱 장치의 적어도 광섬유는 상기 브래그 격자 센서를 기준으로 좌측 일부위와 우측 일부위를 각각 고정시킨 좌측 고정단과 우측 고정단; 및 상기 교량이 설치된 지면 또는 수면을 기준으로 상기 좌측 고정단에서 상기 우측 고정단으로 상향(또는 하향) 경사진 구배를 갖도록 구성된 것을 특징으로 한다.

Description

광섬유 변형률계를 이용한 교량 처짐 측정 시스템{SYSTEM FOR MEASURING BRIDGE DEFLECTION USING OPTICAL FIBER}

본 발명은 교량 처짐 측정 시스템에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 광섬유를 이용하되 특징적인 설치 구조를 통해 거더의 변형을 민감하고 정밀하게 측정할 수 있는 광섬유 변형률계를 이용한 교량 처짐 측정 시스템에 관한 것이다.

일반적으로 교량은 하천, 해협, 만, 운하 혹은 다른 교통로나 구조물 등의 위를 건너갈 수 있도록 만든 고가 구조물로서, 교각 상부에 교량 상부시설물이 설치되게 된다.

이러한 용도로 사용되는 교량은 상부에 차량등의 하중 통과에 의해 교량 상판에 처짐이 발생하는 등의 변위가 발생하게 되는데 재하되는 하중과 거더의 처짐의 크기를 측정하여 안전 여부를 판단하는 것이 교량의 안전진단시 필수적으로 이루어져야 하는 사항이다.

이러한 교량상판의 처짐을 측정하기 위하여 도 1과 같이 고정대(2) 등을 사용하여 설치된 접촉식 변위계(3) 등을 이용하여 수직 처짐을 측정하는 것이 가장 일반적이 방식이었다.

하지만 상기의 방식에 의할 경우 교량 하부가 강이나 바다이거나 교통량이 많은 등의 현장여건으로 인하여 접근이 어려울 경우에는 해당 교량(1)에 변위계(3)를 설치하는데 많은 어려움이 있었고, 이러한 현장여건에서 주기적으로 처짐 측정장치를 설치하고 제거하는데 많은 시간과 노력이 소요되어 비효율적이었다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 본 발명의 목적은 본 발명은 교량의 변형(특히, 처짐 등)을 감시하기 위한 시스템을 광섬유를 기반으로 구축함으로써, 교량 설치 공간이 하천이나 바다와 같은 특수한 경우라도 특별한 제약 없이 설치 및 변형 감시가 가능하고, 특히 광섬유를 적용하여 분해능 및 정밀도를 크게 향상시킬 수 있는 광섬유 변형률계를 이용한 교량 처짐 측정 시스템을 제공하는 것이다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 광섬유 변형률계를 이용한 교량 처짐 측정 시스템은, 광섬유와 상기 광섬유를 보호하는 보호 부재와 상기 광섬유에 형성된 브래그 격자 센서를 포함하여 구성되고 상기 교량의 거더의 길이 방향을 N개로 구획한 단위구간 별로 설치되는 센싱 장치를 포함하며, 상기 단위구간에 배치된 센싱 장치의 적어도 광섬유는 상기 브래그 격자 센서를 기준으로 좌측 일부위와 우측 일부위를 각각 고정시킨 좌측 고정단과 우측 고정단; 및 상기 교량이 설치된 지면 또는 수면을 기준으로 상기 좌측 고정단에서 상기 우측 고정단으로 상향(또는 하향) 경사진 구배를 갖도록 구성된 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따른 광섬유 변형률계를 이용한 교량 처짐 측정 시스템에 의하면, 센싱 장치를 다수 개로 분리 구성하여 센싱 영역을 단위구간 별로 분할하되, 각 센싱 장치는 거더의 소정 구간을 단위로 하여 각 단위구간마다 소정의 경사 구배와 적어도 두 개의 고정단을 갖도록 구성됨으로써 교량 처짐에 대한 센싱 분해능과 정밀도를 크게 향상시킬 수 있는 현저한 효과가 있다.

도 1은 종래 교량 처짐 측정 시스템을 도시한 도면.
도 2는 본 발명에 따른 광섬유 변형률계를 이용한 교량 처짐 측정 시스템이 구축된 교량을 개략적으로 도시한 도면
도 3은 본 발명에 따른 광섬유 변형률계를 이용한 교량 처짐 측정 시스템의 센싱 장치 설치 구조를 개략적으로 나타낸 도면.
도 4는 본 발명에 따른 광섬유 변형률계를 이용한 교량 처짐 측정 시스템의 센싱 장치의 구체적 실시예를 도시한 분해 사시도.
도 5는 도 4의 결합 사시도.
도 6은 도 5의 결합 사시도.
도 7은 도 6의 길이 방향 단면도.
도 8은 본 발명의 광섬유 변형률계를 이용한 교량 처짐 측정 시스템의 또 다른 실시예에 따른 센싱 장치의 모식도.
도 9는 본 발명에 따른 광섬유 변형률계를 이용한 교량 처짐 측정 시스템의 센싱 장치의 인장-압축에 따른 교량 처짐 측정을 설명하기 위한 도면.

본 발명은 교량의 변형(특히, 처짐 등)을 감시하기 위한 시스템을 광섬유를 기반으로 구축함으로써, 교량 설치 공간이 하천이나 바다와 같은 특수한 경우라도 특별한 제약 없이 설치 및 변형 감시가 가능하고, 특히 광섬유를 적용하여 교량 처짐 측정 장치보다 분해능 및 정밀도 크게 향상시킬 수 있는 기술 특징을 개시한다.

이하에서, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예, 장점 및 특징에 대하여 상세히 설명하도록 한다.

도 2는 본 발명에 따른 광섬유 변형률계를 이용한 교량 처짐 측정 시스템이 구축된 교량을 개략적으로 도시한 도면이다.

도 2를 참조하면, 본 발명에 따른 광섬유 변형률계를 이용한 교량 처짐 측정 시스템은 광섬유를 포함하는 센싱 장치(100)와, 센싱 장치(100)에 의한 신호를 검출하는 계측장치를 포함하여 구성되고, 필요에 따라 광 다중채널 스위치를 더 포함할 수 있다.

일반적으로 교량은 연직 하중을 받는 면상 부재인 바닥 슬래브(1)와, 바닥 슬래브(1)를 떠받쳐 하중을 분담하는 보에 해당하는 거더(girder;3)와, 거더(3)를 지지하는 기둥인 교각(5a,5b)으로 이루어져 있는데, 이러한 교량은 수직 하중에 의해 바닥 슬래브(1)와 거더(3)의 처짐 변형이 발생할 수 있다.

본 발명의 광섬유 변형률계를 이용한 교량 처짐 측정 시스템은 상기와 같은 교량의 구성 중 특히 거더(3) 또는 바닥 슬래브(1) 측면(이하, 설명의 편의상 거더(3)로 통칭함)에 센싱 장치(100)를 특징적인 배치 구조로 설치하여 거더(3)의 변형률을 민감하게 측정 가능토록 하고, 이로써 교량의 처짐을 정밀하게 감시할 수 있도록 구성된 것을 특징으로 한다.

먼저, 본 발명에 따른 광섬유 변형률계를 이용한 교량 처짐 측정 시스템의 센싱 장치를 거더(3)에 설치함에 있어서 그 구조상의 특징에 대하여 설명한 후, 센싱 장치의 바람직한 구체적 실시예에 대하여 상세히 설명하도록 한다.

본 발명의 센싱 장치(100)는 광섬유와, 보호 부재와, 광섬유에 형성된 변형률 센서를 포함하여 구성된다.

본 발명의 광섬유는 거더(3)의 처짐 등에 의해 발생되는 변형률을 센싱하기 위한 구성부로서, 유리코어 및 이를 둘러싸는 유리 크래딩(Cladding)으로 이루어진 유리섬유를 포함한다.

광섬유는 복수의 다발로 이루어진 케이블 형태로 구성될 수 있고, 상기 경우 후술할 단위구간에 배치되는 광섬유 케이블에 포함된 적어도 어느 하나의 광섬유에는 변형률 센서가 형성되어 센싱 기능을 수행할 수 있도록 구성된다.

본 발명의 보호 부재는 전술한 유리 크래딩을 감싸며 마감하는 피복 레이어일 수 있다. 피복 레이어는 하나 또는 다수개의 층으로 구성될 수 있으며 합성 수지재로 형성할 수 있다.

또는, 광섬유를 특히 복수의 다발로 이루어진 케이블 형태로 구성할 경우, 본 발명의 보호 부재는 광섬유의 피복 레이어를 둘러싸는 튜브 형태이거나, 또는 강성 섬유사 형태일 수도 있다.

튜브 형태의 경우 나선형 구조로 연장되는 금속 재질의 스트립 또는 와이어 형태로 형성할 수 있다. 강성 섬유사 형태의 경우 아라미드 섬유, 섬유 유리 또는 폴리에스테르 등과 같은 적절한 재료로 형성할 수 있다.

이외에, PVC, PVDF, 또는 FRPE와 같은 폴리머 재질로 이루어진 자켓, 내지 다수의 금속사가 직물 형태로 짜여진 금속 브레이드를 외피 형태로 더 포함할 수 있다.

또는, 보호 부재는 도 4의 바람직한 실시예와 같이 광섬유를 내부 공간에 수용하며 보호하는 관체 형태일 수 있는데, 이에 대한 자세한 설명은 후술하기로 한다.

본 발명의 변형률 센서는 FBG(Fiber Bragg Gratings) 방식의 광섬유 센서일 수 있으며, 상기 경우 광섬유에 특정 파장을 반사시키는 브래그 격자를 생성하고, 상기 브래그 격자는 거더(3)의 변형(특히, 처짐) 발생시 이에 상응하여 격자 간격의 변화가 유발될 수 있도록 구성된다.

브래그 격자 간격의 변화 유발시 이에 따라 반사되는 광의 파장이 달라지는 성질을 이용하여 반사광의 파장 변화량을 분석함으로써, 해당 센싱 장치가 설치된 교량의 특정 단위구간의 처짐을 측정 감시할 수 있게 된다.

본 발명의 광섬유 변형률계를 이용한 교량 처짐 측정 시스템은 이처럼 거더의 변형에 따라 브래그 격자 간격의 변화가 유발될 수 있도록 하되, 더 나아가 거더의 미세한 변형도 민감하게 감지할 수 있고, 높은 분해능을 구현할 수 있도록 다음과 같이 구성된 것을 특징으로 한다.

즉, 본 발명의 광섬유 변형률계를 이용한 교량 처짐 측정 시스템은 다수 개의 센싱 장치(100)를 포함하여 구성되고, 각 센싱 장치(100)는 거더(3)의 소정 구간을 단위로 하여 각 단위구간(K1,K2,K3..)마다 소정의 경사 구배(θ1)와 적어도 두 개의 고정단(S1,S2)을 갖도록 설치된다.

여기서, 거더(3)의 단위구간(K1,K2,K3..)이란 교량 거더(3)의 전체 장축 길이 또는 일부 장축 길이를 그 길이 방향을 따라 N개로 구획하였을 때 어느 하나의 구간을 의미하며, 센싱 장치(100)가 거더(3)의 단위구간 별로 설치됨이란 본 발명의 센싱 장치(100)는 각 구간 단위(K1,K2,K3..)로 상호 구분될 수 있는 특징적인 형태로 설치되는 것을 의미하는 것일 뿐 반드시 제1 단위구간(K1)으로부터 제N 단위구간(K_N)까지 모든 단위구간에 설치되어야 함을 의미하는 것은 아니다.

따라서, 본 별명의 센싱 장치(100)는 거더(3)의 제1 단위구간(K1)에서 제N 단위구간(K_N)까지 모든 단위구간에 적어도 하나씩 설치될 수도 있고, 또는 N개의 단위구간 중에서 선택된 일부 단위구간(예컨데, K1,K2,K5)에만 설치될 수도 있다.

또한, N개의 단위구간을 구획하는 각 간격은 바람직하게는 등간격일 수 있으나 반드시 등간격이 아니어도 무방하다. 즉, N개의 단위구간(K1,K2,K3..)을 구획하는 각 간격은 비 등간격일 수도 있음을 밝혀둔다.

한편, 하나의 단위구간의 간격(가로 폭)은 수 미터(M)에서 수십 미터(M)일 수 있으며, 특정 교량을 다수 개의 단위구간으로 구획함에 있어서 단위구간의 간격을 작게 구획할수록 측정 시스템의 분해능을 향상시킬 수 있는 장점이 있으나 설치 비용이 비례하여 증대되는 단점이 있다. 이처럼 교량 처짐을 정확히 측정하기 위한 최소 분해능과 비용을 동시 고려할 때, 단위구간의 간격은 10M ~ 60M 로 구획하는 것이 바람직하다.

바람직한 실시예에 따르면, 센싱 장치(100)의 고정단(S1,S2)은 적어도 광섬유의 소정 부위를 고정시킬 수 있도록 작용한다. 고정단은 해당 단위구간(K2)에 배치된 브래그 격자 센서를 기준으로 광섬유의 좌측 일부위를 고정시키는 좌측 고정단(S1)과 광섬유의 우측 일부위를 고정시키는 우측 고정단(S2)을 포함한다.

좌측 고정단(S1)은 해당 단위구간(K2)의 좌측 세로변에 최대한 근접하여 구비하는 것이 바람직하고, 우측 고정단(S2)은 해당 단위구간의 우측 세로변에 최대한 근접하여 구비하는 것이 바람직하다.

또한, 좌측 고정단(S1)과 우측 고정단(S1) 사이에는 복수 개의 브래그 격자 센서가 배치되게 구성할 수도 있음은 물론이다.

고정단은 와이어를 권취할 수 있는 형태의 고정구를 이용하여 형성할 수 있으며, 또는 도 4와 같이 보호 부재를 관체 형태로 구성할 경우 보호관에 주입되는 고착제를 통해 형성할 수도 있다.

상기와 같이, 단위구간(K1,K2,K3..) 별로 센싱 장치(100)를 설치하고, 해당 단위구간에 설치되는 광섬유에는 적어도 한 쌍의 고정단(S1,S2)을 형성함으로써 교량 처짐 측정 시스템의 분해능을 향상시킬 수 있게 된다.

즉, 특정 단위구간에 처짐 등의 변형이 발생하면 상기 한 쌍의 고정단 사이에 배치된 브래그 격자 센서에 처짐에 의한 하중이 집중되게 되고, 이에 따라 해당 단위구간의 브래그 격자 센서의 변형을 유발할 수 있어 처짐이 발생된 교량 지점을 정확히 구분하여 검출할 수 있게 된다.

도 2의 바람직한 실시예에 따르면, 본 발명의 각 단위구간에 배치되는 센싱 장치는 제1 교각(5a)과 상기 제1 교각에 연이어 이격 배치된 제2 교각(5b) 사이에 다수개로 설치되되 제1 교각(5a)과 제2 교각(5b)의 중심부를 기준으로 좌변 영역(K1,K2)에 설치된 다수의 센싱 장치와 우변 영역(K3,K4)에 설치된 다수의 센싱 장치는 상호 대칭 구조로 배치된 것을 특징으로 한다.

보다 구체적으로 설명하면, 교량의 한 쌍의 이웃하는 교각 사이의 거더의 길이 방향을 N개로 구획하였을 때, 단위구간에 배치된 센싱 장치의 적어도 광섬유는 제1 단위구간으로부터 제N/2 단위구간까지는 좌측 고정단에서 우측 고정단으로 하향 경사진 구배를 갖도록 각 단위구간에 배치되고, 제N/2 +1 단위구간 단위구간으로부터 제N 단위구간까지는 좌측 고정단에서 우측 고정단으로 상향 경사진 구배를 갖도록 각 단위구간에 배치된다.

따라서, 제1 교각(5a)과 제2 교각(5b) 사이에 설치된 다수의 센싱 장치(100)는 제1 교각과 제2 교각의 중심부를 기준으로 좌우 영역이 상호 대칭 구조를 이루고 있게 된다.

그리고, 제2 교각과 상기 제2 교각에 연이어 이격 배치된 제3 교각 사이에도 다수 개의 센싱 장치가 설치될 수 있으며, 상기 경우 제1,제2 교각의 경우와 동일하게 다수 개의 센싱 장치는 제2 교각과 제3 교각의 중심부를 기준으로 상호 대칭 구조로 배치될 수 있다.

도 2의 바람직한 실시예의 경우, 교각과 교각 사이의 중심부에 수직 하중이 보다 집중되어 상대적으로 더 큰 변형이 발생함에 근거한 구조로서, 상기 경우 보다 정확하고 민감하게 교량 처짐을 센싱할 수 있는 장점이 있다.

그러나, 도 2의 바람직한 실시예의 센싱 장치는 대칭 구조로 구성하였으나, 반드시 이에 한정하지는 않는다.

예컨데, 센싱 장치(100)를 등간격으로 구획된 각 단위구간 마다 설치하되, 각 센싱 장치가 상호 평행한 대각선 형태로 거더(3)의 길이 방향을 따라 이격 배치된 구조를 이루도록 구성할 수도 있을 것이다.

본 발명의 광섬유 변형률계를 이용한 교량 처짐 측정 시스템은 이처럼 센싱 장치를 다수 개로 분리 구성하여 센싱 영역을 단위구간 별로 분할하되, 특히 각 단위구간에 설치되는 센싱 장치는 소정의 경사 구배와 적어도 두 개의 고정단을 갖도록 구성함으로써 교량 처짐 측정 시스템의 분해능과 정밀도를 크게 향상시킬 수 있게 되었다.

본 발명의 계측장치(미도시)는 광섬유를 통해 변형률 센서와 연결되어 해당 교량의 변형률 신호를 측정하는 구성부로서, 구체적으로는 광섬유의 종단부에 연결되어 광섬유에 광을 인가한 후 상기 광섬유에 직렬로 연결되어 있는 각각의 변형률 센서로부터 반사되어 돌아온 빛의 파장의 변화 여부를 분석함으로써 해당 변형률 센서가 설치된 지점의 변형률을 산출하고, 이로써 교량 처짐을 실시간 관리 및 측정할 수 있게 된다.

도 3은 본 발명에 따른 광섬유 변형률계를 이용한 교량 처짐 측정 시스템의 센싱 장치 설치 구조를 개략적으로 나타낸 도면이다.

도 3 실시예에 따른 고정구는 대략 원통형으로 이루어진 롤 형상의 부재(이하, 롤 부재;103)로 구성하였다. 상기 경우, 하나의 롤 부재(이하, 제1 롤 부재)는 단위구간(K2)의 좌측 영역에 고정시키고, 또 다른 하나의 롤 부재(이하, 제2 롤 부재)는 단위구간(K2)의 우측 영역에 고정시킨 후, 광섬유에 형성된 브래그 격자 센서를 기준으로 광섬유의 좌측 일부위를 제1 롤 부재에 감아 좌측 고정단(S1)을 형성하고, 광섬유의 우측 일부위를 제2 롤 부재에 감아 우측 고정단(S2)을 형성할 수 있다.

그리고, 광섬유를 롤 부재에 권취후 일 방향으로 인출하여 상기 인출된 광섬유 부위를 접착 테입(105) 등을 통해 추가적으로 거더(3)에 부착 고정시키도록 구성할 수 있다.

한편, 관체 형태의 보호 부재와 고착제를 이용한 고정단은 후술할 도 4의 실시예에서 설명하기로 한다.

센싱 장치(100)는 거더(3)의 단위구간(K1,K2,K3..)마다 소정의 경사 구배(θ1)를 갖도록 설치되는데, 특히, 센싱 장치(100)의 적어도 광섬유가 단위구간의 좌측 하단(또는 상단)에서 우측 상단(또는 하단)으로 상향(또는 하향) 경사진 배치 구조로 매설 또는 부착되도록 구성된다.

도 2 내지 도 3 실시예의 경우, 광섬유에 마련되는 고정단을 이용하여 구배(θ1)를 부여하였다. 즉, 좌측 고정단(S1)은 단위구간의 좌측 하단부에 형성하고, 우측 고정단(S2)은 단위구간의 우측 상단부에 형성함으로써 적어도 광섬유가 소정의 경사 구배(θ1)를 갖고 해당 단위구간에 설치되도록 구성하였다.

여기서, 적어도 광섬유에 부여되는 구배(θ1)는 교량의 바닥 슬래브 또는 해당 교량이 설치된 바닥면(7: 지면, 기저면, 수면 등)를 기준으로 20°~ 70°(바람직하게는 35°~ 55°) 범위로 형성하는 것이 바람직한데, 이는 상기와 같은 구배를 갖도록 광섬유를 설치할 때 교량의 미세한 처짐에도 상대적으로 큰 변형률을 발생시켜 센싱 민감도를 극대화할 수 있기 때문이다.

도 4는 본 발명에 따른 광섬유 변형률계를 이용한 교량 처짐 측정 시스템의 센싱 장치의 구체적 실시예를 도시한 분해 사시도이고, 도 5는 도 4의 결합 사시도이고, 도 6은 도 5의 결합 사시도이고, 도 7은 도 6의 길이 방향 단면도이다.

도 4 내지 도 7의 바람직한 실시예에 따르면, 본 발명에 따른 광섬유 변형률계를 이용한 교량 처짐 측정 시스템의 센싱 장치는 내부 보호관(20), 광섬유(10), 외부 보호관(40), 고정캡(30), 및 설치 지그(50)를 포함한다.

본 발명의 내부 보호관(20)은 일 방향으로 장축을 갖고 양단은 개방되어 있으며 내부는 비어 있는 중공의 관체에 해당한다. 내부 보호관(20)의 개방된 양단부는 고정캡(30)에 의해 마감될 수 있으며, 내부 중공에는 광섬유(10)가 장축을 따라 배치되어 있다.

내부 보호관(20)은 바람직하게는 다수 개의 절개홈(21)이 더 형성될 수 있다. 다수 개의 절개홈(21)은 일정 간격을 두고 위 아래로 서로 엇갈리는 홈(21a,21b)이 교호로 형성된 구조를 이룬다. 따라서, 절개홈(21)의 절개 길이는 내부 보호관(20)의 원주보다 작은 길이로 형성되며, 다수 개의 절개홈(21)이 형성된 영역은 스프링 형상을 이루게 된다.

이처럼 내부 보호관(20)의 상측과 하측에 교호로 형성된 절개홈(21)은 교량의 처짐 발생시 이에 의한 외력에 의해 내부 보호관(20)의 인장-압축 변형이 원활히 발생할 수 있도록 하는 스프링 유사 기능을 하게 된다. 따라서, 미세한 외력에도 변형이 쉽게 일어날 수 있도록, 절개홈(21)은 내부 보호관(20)의 중심부에 형성하는 것이 바람직하다.

교량의 처짐에 의한 내부 보호관(20)의 변형은 내부 보호관 내부에 배치된 광섬유(10)의 브래그 격자 센서(15)의 인장-압축을 발생시키고, 이에 따라 해당 센싱 장치가 설치된 교량의 특정 단위구간의 처짐을 검출할 수 있게 된다.

결국, 교량의 처짐 발생시, 이에 상응하여 내부 보호관(20)의 원활한 인장-압축 변형을 유도함으로써, 본 발명의 교량 처짐 측정 시스템의 센싱 민감도를 크게 향상시킬 수 있게 된다.

광섬유(10) 및 광섬유에 형성된 브래그 격자 센서(15)는 내부 보호관(20) 내부에 배치되어 보호되는데, 특히 광섬유(10)는 브래그 격자 센서(15)를 기준으로 좌측 일부위와 우측 일부위가 각각 고정 수단에 의해 고정된다.

고정 수단으로는 바람직하게는 고착제(18)를 사용할 수 있다. 고착제(18)는 에폭시수지를 포함한 수지계열 접착제를 사용하여 고착 부위에 주입한 후 경화시킴으로써 해당 광섬유 부위를 고정시킬 수 있다.

한편, 고착제(18)를 내부 보호관(20) 내부로 손쉽고 충분히 주입할 수 있도록 고착제 주입홀(23)을 형성할 수 있다. 고착제 주입홀(23)은 광섬유(10)가 고착될 영역의 수직 상부에 내부 보호관(20)의 두께 방향으로 관통된 홀 형태로 구성할 수 있다.

광섬유 고정 수단으로서 고착제를 적용할 경우, 내부 보호관(20)에 수용된 광섬유(10)의 좌측 일부위와 우측 일부위는 내부 보호관(20)의 일부 영역에 충진된 고착제에 의해 각각 고정된다.

따라서, 특정 단위구간에 처짐 등의 변형이 발생하면 상기 한 쌍의 고착 부위 사이에 배치된 브래그 격자 센서(15)에 하중이 집중되어 브래그 격자 센서(15)의 원활한 변형을 유도할 수 있게 된다.

도 4 실시예의 경우 고정 수단으로서 고정캡(30)을 더 포함한다. 즉, 내부 보호관(20)에 수용된 광섬유(10)의 좌측 일부위와 우측 일부위는 고정캡(30)에 수용되고, 광섬유(10)의 소정 부위를 수용하고 있는 고정캡(30)은 내부 보호관(20)의 개방된 양단부에 각각 끼워져 고정된다.

그리고, 내부 보호관(20)에 결합된 고정캡(30)의 광섬유 수용 부위(31)는 고착제로 충진됨으로써 광섬유(10)의 좌측 일부위와 우측 일부위를 내부 보호관(20)에 고정될 수 있게 된다.

한편, 고정캡(30)은 억지끼움 방식에 의한 고정, 고착제에 의한 고착, 볼팅체결에 의한 고정 등 다양한 방식을 통해 내부 보호관에 결합시킬 수 있음은 물론이다.

본 발명의 외부 보호관(40)은 내부 보호관의 외주면을 둘러싸며 결합되는 강성 재질(예컨데, 스틸 등)의 부재로서, 도 4의 실시예의 경우 일 방향으로 장축을 갖고 양단은 개방되어 있으며 내부는 비어 있는 중공의 관체로 형성하였다.

따라서, 외부 보호관(40)의 내경은 적어도 내부 보호관의 외경과 같거나 크게 형성되어야 한다. 또한, 외부 보호관(40)의 장축 길이는 내부 보호관의 장축 길이와 같거나 또는 더 작게 형성하는 것이 좋으며, 특히 내부 보호관의 적어도 절개홈(21)이 형성된 영역은 모두 감싸며 결합되도록 구성되는 것을 특징으로 한다.

교량의 처짐 발생시, 내부 보호관(20)은 절개홈(21)에 의해 휨 변형(벤딩)이 발생할 수 있는데 이러한 휨 변형은 내부 보호관 내부에 수용된 광섬유 센서의 손상을 야기할 수 있다. 따라서 강성 재질로 이루어진 외부 보호관(40)이 내부 보호관의 외주면(특히 절개홈 형성 영역)을 감싸며 결합되게 구성함으로써, 외부 보호관(40)은 내부 보호관의 휨 변형을 저지할 수 있게 되고 이로써 내부 보호관의 벤딩에 의한 광섬유 센서의 손상을 방지할 수 있게 된다.

결국 외부 보호관(40)은 내부 보호관이 인장-압축 변형만 발생하도록 안내함으로써 광섬유 센서에는 인장 압축력만이 전달될 수 있도록 하는 기능을 한다.

본 발명의 설치 지그(50)는 내부 보호관(20)의 양단부에 장착되어 본 발명의 센싱 장치를 거더(3)의 정위치에 매설시킬 수 있도록 보조해주는 부재에 해당한다.

도 4 실시예의 설치 지그(50)는 중심부에 관통홀이 형성된 한 쌍의 원통형 부재로 구성하되고, 설치 지그(50)의 관통홀은 적어도 내부 보호관 및 외부 보호관(40)의 외경(또는 단면적) 보다 더 큰 내경(또는 단면적)을 갖도록 형성되어 센싱 장치가 정위치에서 안정적인 설치 상태를 유지할 수 있도록 하였다.

하나의 설치 지그(50)는 관통홀을 통해 내부 보호관(20)의 일단부에 결합되고, 또 다른 하나의 설치 지그(50)는 관통홀을 통해 내부 보호관(20)의 타단부에 결합되어 그 최종 형태는 도 6과 같이 아령 형상을 이루게 된다.

한편, 설치 지그(50)에 체결공(51)을 관통 형성하고, 내부 보호관(20)에는 상기 체결공(51)에 대응하는 위치에 볼트홈을 형성한 후, 고정 볼트(예컨데, 무두 볼트)를 통해 설치 지그를 내부 보호관에 견고하게 결합 고정시킬 수 있다.

도 8은 본 발명의 광섬유 변형률계를 이용한 교량 처짐 측정 시스템의 또 다른 실시예에 따른 센싱 장치의 모식도이다.

도 8의 실시예에 따르면, 본 발명에 따른 광섬유 변형률계를 이용한 교량 처짐 측정 시스템의 센싱 장치는 내부 보호관(20), 광섬유(10), 외부 보호관(40), 고정캡(30), 및 설치 지그를 포함한다.

도 8 실시예의 센싱 장치는 도 4 실시예의 센싱 장치와 기본적으로 동일한 구성을 갖되, 설치 지그의 구성에 있어 차이점이 있다. 이하에서는 그 차이점 위주로 설명하기로 한다.

도 8 실시예의 설치 지그(60)는 내부 보호관(20)의 양단부에 장착되어 본 발명의 센싱 장치를 거더(3)의 표면 상에 부착시킬 수 있도록 보조해주는 부재로서 몸체(61)와 부착판(63)으로 구성되며 한 쌍으로 구비된다.

몸체(61)는 중심부에 관통홀이 형성된 부재로 구성하였고, 몸체(61)의 관통홀은 적어도 내부 보호관(20) 및 외부 보호관(40)의 외경(또는 단면적) 보다 더 큰 내경(또는 단면적)을 갖도록 형성된다.

하나의 설치 지그(60)는 관통홀을 통해 내부 보호관(20)의 일단부에 결합되고, 또 다른 하나의 설치 지그(60)는 관통홀을 통해 내부 보호관(20)의 타단부에 결합된다.

한편, 설치 지그(60)에 체결공(65)을 관통 형성하고, 내부 보호관(20)에는 상기 체결공(65)에 대응하는 위치에 볼트홈을 형성한 후, 고정 볼트(예컨데, 무두 볼트)를 통해 설치 지그를 내부 보호관에 견고하게 결합 고정시킬 수 있다.

부착판(63)은 몸체(61)의 적어도 일측을 평면부로 구성하여, 상기 몸체(61)의 평면부에 일체로 형성된 판형 부재에 해당한다.

부착판(63)의 좌우측 단부에는 각각 설치공(64)이 관통 형성되어 있어, 상기 설치공(64)에 결합되는 고정볼트 내지 앵커 등을 통해 부착판(63)을 거더의 표면에 견고하게 부착시킬 수 있고, 이에 따라 센싱 장치는 부착판(63)에 일체로 형성된 몸체(61)에 의해 지지되어 거더의 표면 상에 고정된다.

도 9는 본 발명에 따른 광섬유 변형률계를 이용한 교량 처짐 측정 시스템의 센싱 장치의 인장-압축에 따른 교량 처짐 측정을 설명하기 위한 도면이다.

본 발명의 센싱 장치는 거더(3)의 소정 구간을 단위로 하여 각 단위구간( K1,K2,K3..) 마다 소정의 경사 구배(θ1)와 적어도 두 개의 고정단(S1,S2)을 갖도록 구성됨에 따라, 교량(즉, 거더)의 특정 구간에 미세한 처짐이 발생하더라도 도 8과 같이 처짐에 의한 광섬유 변위를 극대화할 수 있고, 이에 따라 측정 분해능 및 정밀도를 크게 향상시킬 수 있게 된다.

즉, 도 8의 'B'는 교량 상면이고 'L'은 처짐 발생 전의 센서 장치의 상태라 하면, 수직 하중(K1)에 의한 교량 처짐 발생 후 센서 장치는 상태는 '△L' 만큼의 변형이 발생하게 된다. 따라서, 센싱 장치에 발생된 변위에 의한 변형률(ε)은 '△L/L' 이므로, 해당 처짐이 발생된 단위구간에 설치된 센싱 장치의 변형률 'ε'는 해당 센서 응답으로부터 측정 가능하고, 이를 이용하여 해당 단위구간의 '△L'를 산출할 수 있다. 그리고, 삼각형의 관계식에 의하여, 최종 수직 처짐인 '△H'를 측정할 수 있게 된다.

상기에서 본 발명의 바람직한 실시예가 특정 용어들을 사용하여 설명 및 도시되었지만 그러한 용어는 오로지 본 발명을 명확히 설명하기 위한 것일 뿐이며, 본 발명의 실시예 및 기술된 용어는 다음의 청구범위의 기술적 사상 및 범위로부터 이탈되지 않고서 여러가지 변경 및 변화가 가해질 수 있는 것은 자명한 일이다. 이와 같이 변형된 실시예들은 본 발명의 사상 및 범위로부터 개별적으로 이해되어져서는 안되며, 본 발명의 청구범위 안에 속한다고 해야 할 것이다.

또한, 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.

1: 바닥 슬래브 3: 거더
5: 교각 10: 광섬유
15: 브래그 격자 센서 20: 내부 보호관
21: 절개홈 30: 고정캡
40: 외부 보호관 50,60: 설치 지그
100: 센싱 장치 101: 광섬유
103: 롤 부재 S1,S2: 고정단

Claims (12)

1. 교량의 처짐을 측정하기 위한 시스템으로서,
   광섬유와, 상기 광섬유를 보호하는 보호 부재와, 상기 광섬유에 형성된 브래그 격자 센서를 포함하여 구성되고, 상기 교량의 거더(또는 바닥 슬래브)의 길이 방향을 N개로 구획한 단위구간 별로 설치되는 센싱 장치를 포함하고,
   상기 단위구간에 배치된 센싱 장치의 적어도 광섬유는,
   상기 브래그 격자 센서를 기준으로 좌측 일부위와 우측 일부위를 각각 고정시킨 좌측 고정단과 우측 고정단; 및
   상기 교량의 바닥 슬래브 또는 상기 교량이 설치된 바닥면을 기준으로, 상기 좌측 고정단에서 상기 우측 고정단으로 상향(또는 하향) 경사진 구배;를 갖도록 구성된 것을 특징으로 하는 광섬유 변형률계를 이용한 교량 처짐 측정 시스템.
   
2. 제1 항에 있어서,
   상기 단위구간에 배치된 센싱 장치의 적어도 광섬유는,
   상기 교량의 한 쌍의 이웃하는 교각 사이의 거더(또는 바닥 슬래브)의 길이 방향을 N개로 구획하였을 때, 제1 단위구간으로부터 제N/2 단위구간까지는 좌측 고정단에서 우측 고정단으로 하향 경사진 구배를 갖도록 각 단위구간에 배치되고, 제N/2 +1 단위구간 단위구간으로부터 제N 단위구간까지는 좌측 고정단에서 우측 고정단으로 상향 경사진 구배를 갖도록 각 단위구간에 배치되는 것을 특징으로 하는 광섬유 변형률계를 이용한 교량 처짐 측정 시스템.
   
3. 제1 항에 있어서,
   상기 광섬유의 좌측 일부위(또는 우측 일부위)를 권취할 수 있는 형태로 이루워져, 상기 좌측 일부위(또는 우측 일부위)을 감아 상기 좌측 고정단(또는 우측 고정단)을 형성하는 고정구를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 광섬유 변형률계를 이용한 교량 처짐 측정 시스템.
   
4. 제1 항에 있어서,
   상기 보호 부재는 양단이 개방되고 일 방향으로 장축을 갖도록 형성된 중공의 내부 보호관을 포함하고,
   상기 광섬유는 상기 내부 보호관의 중공에 상기 장축을 따라 배치되는 것을 특징으로 하는 광섬유 변형률계를 이용한 교량 처짐 측정 시스템.
   
5. 제4 항에 있어서,
   상기 내부 보호관의 상측과 하측에 교호로 형성된 다수 개의 절개홈을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 광섬유 변형률계를 이용한 교량 처짐 측정 시스템.
   
6. 제5 항에 있어서,
   상기 내부 보호관의 적어도 상기 절개홈이 형성된 영역을 감싸며 결합되는 강성 재질의 외부 보호관을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 광섬유 변형률계를 이용한 교량 처짐 측정 시스템.
   
7. 제4 항에 있어서,
   상기 좌측 고정단과 상기 우측 고정단은,
   상기 내부 보호관에 수용된 광섬유의 좌측 일부위와 우측 일부위를 고착제에 의해 고착시킴으로써 구비되는 것을 특징으로 하는 광섬유 변형률계를 이용한 교량 처짐 측정 시스템.
   
8. 제4 항에 있어서,
   상기 내부 보호관의 개방된 양단에 각각 결합되는 한 쌍의 고정캡을 더 포함하고,
   상기 광섬유의 좌측 일부위와 우측 일부위는 상기 한 쌍의 고정캡에 각각 수용되며,
   상기 고정캡의 광섬유 수용 부위는 고착제로 충진되는 것을 특징으로 하는 광섬유 변형률계를 이용한 교량 처짐 측정 시스템.
   
9. 제4 항에 있어서,
   상기 내부 보호관의 양측 단부에 각각 결합 고정되어 상기 교량의 거더(또는 바닥 슬래브)에 매설 또는 부착되는 한 쌍의 설치 지그를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 광섬유 변형률계를 이용한 교량 처짐 측정 시스템.
   
10. 제9 항에 있어서,
    상기 설치 지그는,
    상기 내부 보호관의 일단부와 삽입 결합되도록 중심부에 관통홀이 형성된 몸체;
    상기 몸체의 일측부에 일체로 형성된 판형 부재인 부착판; 및
    상기 부착판의 좌우측 단부에는 각각 관통 형성된 설치공을 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 광섬유 변형률계를 이용한 교량 처짐 측정 시스템.
    
11. 제1 항 또는 제4 항에 있어서,
    상기 구배는 상기 교량의 바닥 슬래브 또는 상기 교량이 설치된 바닥면을 기준으로 20°~ 70° 범위인 것을 특징으로 하는 광섬유 변형률계를 이용한 교량 처짐 측정 시스템.
    
12. 제1 항 또는 제4 항에 있어서,
    상기 광섬유와 연결되어 상기 브래그 격자 센서에 의한 신호를 검출하는 계측장치를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 광섬유 변형률계를 이용한 교량 처짐 측정 시스템.
    

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