KR101359416B1 - 기전 동적변형률을 이용한 케이블의 장력변화 모니터링을 위한 스마트 계면 튜브 및 그의 사용방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 기전 동적변형률을 이용한 케이블의 장력변화 모니터링을 위한 스마트 계면 튜브에 관한 것으로, 이를 더욱 상세하게 설명하면, 사장교나 현수교와 같은 케이블 교량에서 상부구조 및 공용하중과 같은 하중을 지지하는 케이블의 장력변화를 식별하기 위해 구성된 것을 특징으로 하는 기전 동적변형률 계측이 용이한 스마트 계면 튜브에 관한 것이다.

Description

기전 동적변형률을 이용한 케이블의 장력변화 모니터링을 위한 스마트 계면 튜브 및 그의 사용방법{Smart Interface Tube for Electro-mechanical Dynamic Strain-based Tension-Force Monitoring in Cable}

본 발명은 기전 동적변형률을 이용한 케이블의 장력변화 모니터링을 위한 스마트 계면 튜브에 관한 것으로, 이를 더욱 상세하게 설명하면, 사장교나 현수교와 같은 케이블 교량에서 상부구조 및 공용하중과 같은 하중을 지지하는 케이블의 장력변화를 식별하기 위해 구성된 것을 특징으로 하는 기전 동적변형률 계측이 용이한 스마트 계면 튜브에 관한 것이다.

최근 서해대교, 광대교 등과 같이 장대교량들이 활발히 건설되면서, 시공 중 뿐만 아니라 공용 중에도 활용할 수 있는 상시 모니터링 시스템을 해당 교량에 구축하여 구조거동을 장기적으로 평가하려는 유지관리계획이 많이 수립되어 진행되고 있다.

특히, 장대교량으로 사장교, 현수교 등과 같이 케이블을 사용하여 상부구조 및 공용하중을 지지하는 케이블 교량이 중요 유지관리 대상으로 선정되고 있다. 이러한 케이블 교량은 지지할 하중의 대부분을 케이블이 부담하기 때문에 케이블의 장력관리가 매우 중요하며, 이는 시공 중에서부터 공용 중까지 세심한 관찰이 필요하다.

케이블 장력을 계측하는 방법은 직접법과 간접법으로 구분할 수 있으며, 직접법은 케이블 시공방법에 맞는 적절한 하중계를 선정하여 케이블에 도입되는 장력을 적접 측정하는 방법이고, 직접법은 센서의 망실 확률이 상대적으로 높고, 장력 측정센서의 문제가 발생했을 겨우 수리 및 교체가 불가능하며, 시공시 하중계 설치를 위한 별도의 공종 및 설계 검토가 필요하다는 단점을 가지고 있다.

간접법은 가속도계 혹은 전자기센서를 케이블에 부착하여 설치함으로서 장력이 도입된 케이블의 진동특성 및 투자율 등을 통하여 케이블 장력을 간접적으로 추정하는 방법이라 할 수 있다. 케이블을 장기적으로 관리해야 하는 모니터링 시스템에는 간접법이 일반적으로 사용되고 있다.

일반적으로 케이블 장력을 추정하기 위한 방법으로 가속도 센서를 이용하여 진동응답을 측정하는 것이 일반적이며, 가속도 센서는 케이블의 진동응답을 계측하기 위한 도구로써 높은 민감도를 가지나, 가격면에서는 매우 고가인 문제점을 가지고 있다.

그리고, 케이블에 가속도 센서를 부착하기 위해서는 케이블 고정을 위한 도구로 U-볼트와 고강도 지그 등이 요구되어 설치가 용이하지 않는 문제점을 내포하고 있다.

상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여, 본 발명에서는 케이블의 변형률 응답계측과 케이블 진동응답 재현이 용이한 스마트 계면튜브 즉, 기전 동적변형률을 이용한 케이블의 장력변화 모니터링을 위한 스마트 계면튜브에 관한 것으로, 토목구조물의 상태 진단을 위한 구조건전성모니터링 분야에서 가격이 저렴하고, 경량이면서 견고하며, 얇고 복합 형태의 구조로 제작이 용이한 수동 감지 능력을 기초로 압전재료인 PZT를 이용하여 변형률 계측을 위해 사용하는 것으로, 역학적변형에 의해 압력이 가해지면 압전재료에 전하가 발생하는 압전효과와 압전재료인 PZT가 대상구조물의 호일 스트레인 게이지(foil strain gage)와 같은 전형적인 변형률 센서와 비교하여 동적 변형률 계측에 매우 유용하여, 동적 변형률 계측을 위한 PZT의 적용이 진동기반 구조건전성모니터링 분야에서 적용하게 한 것으로 기전 동적변형률을 이용한 케이블의 장력변화 모니터링을 위한 스마트 계면 튜브를 제공하고자함에 그 목적이 있다.

이상의 설명에서와 같이, 본 발명에 사용되는 스마트 계면 튜브는 토목구조물의 상태 진단을 위한 구조건전성모니터링 분야에서 기존 변형률계가 가지는 노이즈 영향에 의한 추출 신호 분석의 어려움을 해소하고, 기존 가속도계의 고비용 및 높은 설치 시간과 같은 단점을 극복하면서 유사한 성능을 가지는 새로운 케이블 장력변화 모니터링 방법을 제시할 수 있으며, 스마트 계면 튜브는 가격이 저렴하고, 경량이면서 견고하며, 얇고 복합 형태의 구조로 제작이 용이하여 케이블에 부착 및 제거에 매우 효과적이다.

도 1은 본 발명의 스마트 계면 튜브의 구성도
도 2는 본 발명의 스마트 계면 튜브의 적용성 검증을 위해 제작된 모형 케이블 구조물 및 시험 구성도
도 3은 모형 케이블에 장력 도입을 위한 유압잭 설치 전경
도 4는 모형 케이블에 설치된 가속도 센서를 이용하여 계측된 가속도 신호 및 이로부터 추출된 주파수응답특성을 보여준 그림
도 5는 모형 케이블에 설치된 스마트 계면 튜브와 PZT를 이용하여 계측된 PZT 변형률 및 이로부터 추출된 주파수응답특성을 보여준 그림
도 6은 모형 케이블 실험을 통해 검증된 케이블 장력 추정 결과도
도 7은 스마트 계면 튜브의 현장 적용성 검증을 위해 선정된 실 사장교인 화명대교의 전경사진
도 8은 스마트 계면 튜브의 현장 적용을 위해 대상 케이블에 설치된 전경사진
도 9는 스마트 계면 튜브에 설치된 PZT로부터 계측된 PZT 변형률 및 이로부터 추출된 주파수응답특성을 보여준 그림

본 발명은 기전 동적변형률을 이용한 케이블의 장력변화 모니터링을 위한 스마트 계면 튜브에 관한 것으로, 이를 더욱 상세하게 설명하면, 사장교나 현수교와 같은 케이블 교량에서 상부구조 및 공용하중과 같은 하중을 지지하는 케이블의 장력변화를 식별하기 위해 구성된 것을 특징으로 하는 기전 동적변형률 계측이 용이한 스마트 계면 튜브에 관한 것이다.

하기 실시예 및 실험예는 본 발명을 구체적으로 설명하기 위한 것으로, 본 발명의 범주가 이들 실시 예 및 실험예에 국한되는 것은 아니다.

[실시예 1] 스마트 계면 튜브(ST)

도 1은 본 발명의 스마트 계면 튜브의 구성도를 나타낸 것으로, 본 발명에서는 도 1의 (1)에서 제시된 바와 같이, 케이블의 변형률 응답 계측과 케이블 진동응답 재현이 용이한 스마트 계면 튜브를 개발하기 위하여, 먼저, PZT(P)를 케이블(Ca) 표면에 단단히 고정된 알루미늄 튜브(AT)에 부착된 것으로, 알루미늄 튜브(AT)는 실제 케이블(CA)에 직접 부착이 용이하지 않는 PZT(P)의 단점을 극복하기 위해서, 0.5mm 알루미늄 판(AP)을 대상 케이블(CA)의 원주보다 약간 긴 치수로 하여 케이블(Ca)의 표면에 감아 알루미늄 튜브(AT)로 만든 후, 알루미늄 튜브(AT)의 양쪽 끝을 연결할 수 있는 작은 크기의 구멍을 뚫어 볼트 및 너트로 체결하여 고정 시키고, 알루미늄 튜브(AT)의 중앙에 PZT(P) 부착하여 스마트 계면 튜브(ST)를 완성하고, 대상 케이블의 원주를 따라 제작된 스마트 계면 튜브를 단단히 고정하여 제작되어지는 것으로, 일반적으로 폴리에틸렌으로 제작된 케이블 표면과 PZT(P)간의 부착 조건이 직접 부착이 용이하지 않아 상기와 같이 알루미늄 튜브(AT)의 중앙에 PZT(P) 부착하여 스마트 계면 튜브(ST)를 제작한 것이다.

이에, 스마트 계면 튜브(ST)는 이를 극복하고 PZT(P)를 이용한 직접적인 케이블의 변형률 계측이 가능하도록 하였으며, 도 1의 (2)에서 보여준 것 같이, 케이블이 진동에 의해 변형하면, 그에 상응하는 변형률이 PZT(P)에 의해 발생한다.

도 2는 본 발명의 스마트 계면 튜브의 적용성 검증을 위해 제작된 모형 케이블 구조물 및 시험 구성도를 나타낸 것으로, 본 발명을 통해 개발된 스마트 계면 튜브의 적용성을 도 2와 같은 모형 구조물을 이용하여 평가하였다.

스마트 계면 튜브 및 PZT는 도 2에 표시된 봐와 같이, 오른쪽 쐐기로부터 1.5m 떨어진 위치의 케이블에 설치되었다. 스마트 계면 튜브에 부착된 PZT의 성능 비교를 위한 가속도 센서(PCB393B04 모델)를 동일한 위치에 부착하였다.

PZT를 이용한 변형률 계측 장비로 DAQ card, terminal block 및 신호분석 프로그램인 MATLAB이 탑재된 노트북을 구축하였다. 또한, 가속도 신호의 계측은 16-채널의 PCB singal conditional, DAQ card, terminal block 및 MATLAB이 탑재된 노트북을 구축하였다. 진동응답은 오른쪽 쐐기로부터 1.7m 떨어진 위치에 충격 가진을 통해 계측하였다. 충격 가진을 통해 진동응답은 500Hz의 샘플링 주파수로 60초간 계측되었다.

도 3은 모형 케이블에 장력 도입을 위한 유압잭 설치 전경 사진을 나타낸 것으로, 도 3과 같이, 케이블 장력변화 추정을 위한 실험구성으로 케이블의 좌측 끝단에 설치된 유압잭을 이용하여 장력을 도입하였다. 실제 도입된 장력의 크기를 계측하기 위해 유압잭이 설치된 좌측 끝단에 load cell을 설치하였다. 각 실험단계별 유압잭을 이용하여 도입하고자 하는 장력 도입 후, 케이블의 진동응답특성 추출과정에서는 유압잭의 하중에 의한 효과를 제거하기 위해 유압잭을 제거하였다.

케이블 장력은 표 1과 같이 4가지의 서로 다른 장력 단계(T0-T3)로 도입되었으며, 최대 도입 장력은 41.2kN이며, 최소 도입 장력은 10.8kN이다.

실험과정에서 도입된 장력이외에 진동응답특성 변화를 초래하는 온도와 같은 불확실성 요인을 배제하고자 실내 온도 23-24℃ 내에서 수행되었다.

도 4는 모형 케이블에 설치된 가속도 센서를 이용하여 계측된 가속도 신호 및 이로부터 추출된 주파수응답특성을 보여준 그림을 나타낸 것이며, 도 5는 모형 케이블에 설치된 스마트 계면 튜브와 PZT를 이용하여 계측된 PZT 변형률 및 이로부터 추출된 주파수응답특성을 보여준 그림을 나타낸 것으로, 도 4와 도 5는 각각 케이블에 부착된 가속도 센서의 가속도 응답 및 PZT의 변형률 응답을 나타낸다. 도 4와 도 5에서 볼 수 있는 것과 같이, PZT 변형률 응답이 가속도 진동응답과 거의 유사한 거동을 보이는 것을 알 수 있다. 케이블의 변형률 응답의 동적 응답특성 분석을 통해 진동모드 및 초기 5개의 고유진동수를 추출하였다.

PZT 변형률 응답의 분석을 통해 추출된 초기 5개의 고유진동수의 결과 분석을 위해 가속도 신호의 분석을 통해 추출된 초기 5개의 고유진동수와 비교결과가 표 2와 같다. 비교를 통해 PZT 변형률 응답 분석을 통한 고유진동수가 가속도 응답 분석 결과와 매우 잘 일치하는 것을 볼 수 있다. 이와 같이 PZT 변형률 응답 분석을 통해 추출된 고유진동수를 이용한 케이블 장력 추정은 고유진동수기반 케이블 장력 모델[4]을 이용하여 수행되었다. 케이블 장력 모델의 이론식은 다음과 같다.

여기서,

은

차 진동모드에 대응하는 장력을 나타내며,

은 단위길이 당 케이블 질량,

은 케이블의 길이,

은

차 고유진동수,

과

는 케이블 특성과 설계 조건에 의해 결정되는 상수로

,

로 결정된다.

는 케이블의 휨 강성을 나타낸다. 가속도 신호와 PZT 변형률 응답 분석을 통해 추출된 고유진동수를 이용한 케이블 장력 추정 결과가 표 3과 도 6과 같다.

PZT 변형률 응답을 이용한 케이블 장력 추정 결과가 가속도 응답 분석 결과와 매우 유사하게 나타났다. 또한, 실제 도입된 케이블 장력과의 비교 결과에서도 매우 일치하는 결과를 보였다(오차 0.1 -0.7%). 이와 같은 검증 결과는 개발된 스마트 계면 튜브가 케이블 장력 변화를 식별하는데 우수하다는 것을 보여준다.

개발된 스마트 계면 튜브의 현장 적용성 검증을 위해 실 사장교를 대상으로 실험을 수행하였다. 도 7은 스마트 계면 튜브의 현장 적용성 검증을 위해 선정된 실 사장교인 화명대교의 전경사진을 나타낸 것으로, 대상구조물은 도 7과 같이 김해와 부산의 낙동강을 가로지르는 화명대교이며. 스마트 계면 튜브는 케이블(BLC02)에 설치된 것을 보여준다.

도 8은 스마트 계면 튜브의 현장 적용을 위해 대상 케이블에 설치된 전경사진을 나타낸 것으로, 스마트 계면 튜브를 이용한 측정 장치의 구성은 도 8과 같다. 대상 케이블의 PZT 변형률 계측은 무선 계측시스템인 Imot2/SHM-A 보드를 적용하였다.

도 9는 스마트 계면 튜브에 설치된 PZT로부터 계측된 PZT 변형률 및 이로부터 추출된 주파수응답특성을 보여준 그림을 나타낸 것으로, 도 9는 대상 케이블의 스마트 계면 튜브의 적용을 통해 추출된 PZT 변형율과 그에 대응하는 주파수응답특성을 보여준 것으로, 도 9의 주파수응답특성을 이용하여 PZT 변형률 분석을 통한 고유진동수를 추출하였다.

케이블 장력은 식 (1)을 적용하여 표 4와 같이 도출되었다. PZT 변형률을 이용한 케이블 장력 추정 결과는 설계 장력과 매우 일치하는 결과를 보였으며. 이와 같은 현장 적용성 검토를 통해, 제안된 스마트 계면 튜브의 사용이 케이블 장력 추정에 매우 우수한 성능을 가진다는 것을 검증하였다.

[실시예 2] 스마트 계면 튜브의 사용방법

상기 본 발명인 케이블의 변형률 응답 계측과 케이블 진동응답 재현이 용이한 스마트 계면 튜브를 개발하기 위하여, 대상 케이블(Ca)의 표면에 일정 크기의 알루미늄 판(AP)을 대상 케이블(Ca)에 감은 알루미늄 튜브(AT)를 만든 후, 대상 케이블(Ca)의 표면에 고정시키는 알루미늄 튜브(AT)와 상기 알루미늄 튜브(AT)의 중앙에 PZT(P) 부착하여 구성된 스마트 계면 튜브(ST)를 이용하여 케이블의 장력변화 모니터링을 위한 방법으로,

먼저, 장대교량에 설치된 대상 케이블(Ca)에 스마트 계면 튜브(ST)의 양쪽 끝의 홀에 볼트로 체결하여 스마트 계면 튜브(ST)를 설치한 후,

스마트 계면 튜브(ST)는 볼트 체결력에 의해 형성된 접촉력의 변화를 PZT(P)와 케이블(Ca)의 진동과 케이블 장력 변화에 상응하는 변형률이 스마트 계면 튜브(ST)의 경계면에 작용하여 PZT(P)로부터 계측된 기전 동적변형률의 변화로 표현하며, 초기 장력도입상태에서 PZT(P)로부터 기전 동적변형률 계측 후,

케이블 장력 변화를 식별하기 위해 스마트 계면 튜브(ST)에 부착된 PZT(P)로부터 계측된 기전 동적변형률의 변화를 스마트 계면 튜브(ST)의 경계조건의 변화가 케이블 장력 변화를 나타내는 것을 지속적으로 무선계측시스템인 Imote2/SHM-A 보드로 계측하여,

초기 장력도입상태의 초기 정보(baseline)와 비교 분석을 통해 스마트 계면 튜브(ST) 내의 케이블 장력 변화를 식별하기 위한 것을 특징으로 하는 기전 동적변형률을 이용한 케이블의 장력변화 모니터링을 위한 스마트 계면 튜브의 사용방법

Ca : 케이블
AP : 알루미늄 판 AT : 알루미늄 튜브
ST : 스마트 계면 튜브 P : PZT(Lead Zirconate Titanate)

Claims (3)

1. 케이블의 변형률 응답 계측과 케이블 진동응답 재현이 용이한 스마트 계면 튜브를 개발하기 위하여,
   
   대상 케이블(Ca)의 표면에 일정 크기의 알루미늄 판(AP)을 감아 알루미늄 튜브(AT)로 만든 후, 대상 케이블(Ca)의 표면에 고정시키는 알루미늄 튜브(AT)와;
   상기 알루미늄 튜브(AT)의 중앙에 PZT(P) 부착하여 스마트 계면 튜브(ST)로 구성되는 것을 특징으로 하는 기전 동적변형률을 이용한 케이블의 장력변화 모니터링을 위한 스마트 계면 튜브
   
2. 제 1항에 있어서,
   상기 스마트 계면 튜브(ST)에 사용된 알루미늄 튜브(AT)는, 알루미늄 판(AP)을 대상 케이블(Ca)의 원주보다 긴 치수로 하여 케이블(Ca)의 표면에 감아 알루미늄 튜브(AT)로 만든 후, 알루미늄 튜브(AT)의 양쪽 끝을 연결할 수 있는 구멍을 뚫어 볼트 및 너트로 체결할 수 있으며, 알루미늄 판(AP)은 0.5mm 두께로 조절되어져 구성되는 것을 특징으로 하는 기전 동적변형률을 이용한 케이블의 장력변화 모니터링을 위한 스마트 계면 튜브
   
3. 대상 케이블(Ca)의 표면에 일정 크기의 알루미늄 판(AP)을 대상 케이블(Ca)에 감은 알루미늄 튜브(AT)를 만든 후, 대상 케이블(Ca)의 표면에 고정시키는 알루미늄 튜브(AT)와 상기 알루미늄 튜브(AT)의 중앙에 PZT(P) 부착하여 구성된 스마트 계면 튜브(ST)를 이용하여 케이블의 장력변화 모니터링을 위한 방법으로,
   
   먼저, 장대교량에 설치된 대상 케이블(Ca)에 스마트 계면 튜브(ST)의 양쪽 끝의 홀에 볼트로 체결하여 스마트 계면 튜브(ST)를 설치한 후,
   스마트 계면 튜브(ST)는 볼트 체결력에 의해 형성된 접촉력의 변화를 PZT(P)와 케이블(Ca)의 진동과 케이블 장력 변화에 상응하는 변형률이 스마트 계면 튜브(ST)의 경계면에 작용하여 PZT(P)로부터 계측된 기전 동적변형률의 변화로 표현하며, 초기 장력도입상태에서 PZT(P)로부터 기전 동적변형률 계측 후,
   
   케이블 장력 변화를 식별하기 위해 스마트 계면 튜브(ST)에 부착된 PZT(P)로부터 계측된 기전 동적변형률의 변화를 스마트 계면 튜브(ST)의 경계조건의 변화가 케이블 장력 변화를 나타내는 것을 지속적으로 상용 동적변형률 측정기로 계측하여,
   초기 장력도입상태의 초기 정보(baseline)와 비교 분석을 통해 스마트 계면 튜브(ST) 내의 케이블 장력 변화를 식별하기 위한 것을 특징으로 하는 기전 동적변형률을 이용한 케이블의 장력변화 모니터링을 위한 스마트 계면 튜브의 사용방법
   
   

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