KR101394988B1 - 강재로 피복된 선형센서 매립형 섬유보강복합소재 심선을 구비한 강연선의 제작방법 - Google Patents

강재로 피복된 선형센서 매립형 섬유보강복합소재 심선을 구비한 강연선의 제작방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 내구성이 우수한 FRP내에 선형센서가 매립되어 있으며, 그 외면에는 강재가 피복되어 있어 FRP의 갈라짐, 변형 및 손상을 방지할 수 있는 구조의 심선을 이용함으로써, 제작이 용이할 뿐만 아니라, 선형센서의 손상 우려가 없도록 하여 선형센서의 높은 측정 정밀도를 보장하여 우수한 품질을 발휘할 수 있도록 하는 강연선의 제작방법과, 그에 의해 제작된 강연선에 관한 것이다.
본 발명에서는 내부에 선형센서(3)가 매립되어 있도록 FRP 봉(10)을 제작하고; FRP 봉(10)의 외면을 강재피복(20)으로 피복하여 심선(1)을 제작하고; 심선(1)의 주위에 주변 강선(2)을 배치하고 주변 강선(2)을 꼬는 작업을 수행하여, 심선(1) 내부에 선형센서(3)가 매립되어 있고 심선(1) 주위에는 복수개의 주변 강선(2)이 꼬여있는 강연선을 제작하는 것을 특징으로 하는 강연선의 제작방법과, 이에 의해 제작되는 강연선이 제공된다.

Description

강재로 피복된 선형센서 매립형 섬유보강복합소재 심선을 구비한 강연선의 제작방법{Manufacturing Method of Strand having Fiber Sensor}
본 발명은 중앙의 심선의 주변에 복수개의 주변 강선을 배치하고 꼬아서 만들어져서 긴장재 등으로 사용되는 강연선 및 그 제작방법에 관한 것으로서, 구체적으로는 FBG(Fiber Bragg Grating)센서로 대표되며 변형률을 측정할 수 있는 광섬유 센서 등과 같은 선형센서가 중심에 매립되어 있는 심선을 중앙에 배치하고, 상기 심선의 주변에 복수개의 주변 강선을 배치한 후, 상기 주변 강선을 꼬아서 강연선을 제작함에 있어서, 내구성이 우수한 섬유보강복합소재(Fiber Reinforced Plactic/"FRP")내에 선형센서가 매립되어 있으며, 그 외면에는 강재가 피복되어 있어 섬유보강복합소재의 갈라짐, 변형 및 손상을 방지할 수 있는 구조의 심선을 이용함으로써, 제작이 용이할 뿐만 아니라, 선형센서의 손상 우려가 없도록 하여 선형센서의 높은 측정 정밀도를 보장하여 우수한 품질을 발휘할 수 있도록 하는 강연선의 제작방법과, 그에 의해 제작된 강연선에 관한 것이다.
교량이나 빌딩 등의 구조물의 열화 정도나 문제 발생 여부 판단을 위해서는, 구조물에 배치된 강연선에 가해지는 긴장력을 측정하거나 구조물의 변형률을 측정하는 등의 여러 구조적인 물리량의 계측과 수집이 필요하다. 특히, 주조물의 변형률이나 강연선에 가해지는 긴장력을 측정하기 위하여 사용되는 센서로는, 측정값의 신뢰성이 높은 광섬유 센서가 주로 사용된다. 이러한 광섬유 센서의 일예로서 널리 알려진 것으로는 FBG센서(Fiber Bragg Grating Sensor)가 있다.
이러한 광섬유 센서와 같은 선형센서를 강연선에 이식하여 강연선에 작용하는 응력 등을 측정하려는 시도가 있었고, 이를 위하여 강연선에 선형센서를 배치하는 종래의 방법이 대한민국 등록특허 제10-756056호에 개시되어 있다. 도 9 내지 도 12에는 각각 상기한 대한민국 등록특허 제10-756056호에 개시된 종래 기술에 의해 강연선을 이루는 심선(1)에 선형센서(3)를 설치하는 상태를 보여주는 개략도가 도시되어 있다. 도 9 내지 도 12에 도시된 것처럼, 종래 기술에서는 중앙에 관통공(101)이 형성되도록 심선(1)을 제작하여 중앙에 배치하고, 심선(1)의 주변에 복수개의 주변 강선(2)을 배치한 후, 상기 주변 강선(2)을 꼬아서 강연선(100)을 제작하되, 강연선(100)의 일단에서는 진공펌프(200)를 이용하여 심선(1)의 관통공(101) 내부를 진공흡입하고(도 9), 강연선(100)의 타단에서는 헤드(201)를 가진 매개부재를 관통공(101)에 삽입하여 매개부재(202)에 결합된 상기 헤드(201)가 관통공(101) 내부의 진공흡입에 의해 관통공(101) 내부로 빨려 들어가서 매개부재(202)가 상기 관통공(101)을 통과하도록 한다(도 10). 이렇게 매개부재가 관통공(101)을 통과한 후, 매개부재에 선형센서(3)를 연결한 후, 매개부재(202)를 다시 반대방향으로 관통공(101)을 통과시킴으로써 선형센서(3)가 관통공(101)의 내부에 배치되도록 한다(도 11). 한편, 상기한 종래 기술에서는, 선형센서(3)가 관통공(101)의 내부에 배치된 후, 관통공(101) 일단부에 에폭시 저장통에 담그고 진공펌프(200)를 이용하여 에폭시를 관통공(101)으로 빨아드려서 에폭시가 관통공(101)에 채워지도록 한다고 설명하고 있다(도 12).
그러나 이러한 종래 기술에서는 다음과 같은 문제점이 있다. 우선 매개부재(202)에 선형센서(3)를 연결하고 매개부재를 다시 반대방향으로 관통공(101)을 통과시키는 과정에서 선형센서(3)가 관통공(101)의 내부를 지날 때 손상될 우려가 매우 크다는 문제점이 있다. 선형센서(3)는 그 표면에 격자 등이 형성되어 있으며, 이러한 격자가 손상되는 경우, 실질적으로 센서로서의 기능을 상실하게 된다. 격자의 손상뿐만 아니라 선형센서(3)의 다른 표면에 흠집이 생기는 것도 센서 성능에 매우 나쁜 영향을 주게 된다.
그런데 종래 기술에서는 선형센서(3)가 매개부재의 이동에 이끌려서 관통공(101)의 입구로 삽입되어야 하고 더 나가가 관통공(101)을 통과하여 지나가야 하는데, 관통공(101)의 입구에 삽입되는 과정에서 그리고 관통공(101)을 통과하는 과정에서 선형센서(3)의 표면이 관통공(101)의 내면에 접하여 긁히면서 격자에 손상이 발생하거나 또는 선형센서(3)의 표면에 흠집이 생길 우려가 매우 큰 것이다.
또 다른 문제는 선형센서(3)와 심선(1)의 견고한 일체화를 보장하기 어렵다는 점이다. 종래 기술에서는 선형센서(3)와 심선(1)의 일체화를 위하여 관통공(101) 내부에 에폭시를 채우려고 하고 있고, 에폭시를 채우는 방법으로는 진공흡입을 이용하고 있다. 일반적으로 강연선을 상당히 긴 길이를 가지고 있고 그에 따라 관통공(101)의 길이도 매우 긴데, 이러한 긴 길이의 관통공(101)을 진공흡입하는 것은 매우 어려우며, 그에 따라 좁은 직경의 관통공(101)으로 에폭시가 잘 흡입되지 않게 되어, 관통공(101) 내부에 에폭시가 충실하게 채워지지 못하는 경우가 발생한다. 이와 같이 에폭시가 관통공(101)에 충실하게 채워지지 못하면 결국 선형센서(3)와 심선(1)의 견고한 일체화가 불가능하게 되고, 그에 따라 선형센서(3)를 통한 측정의 정밀도는 급격하게 하락하게 되는 문제가 있다.
대한민국 등록특허공보 제10-756056호(2007. 09. 07. 공고) 참조.
본 발명은 위와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위하여 개발된 것으로서, 심선의 주변에 복수개의 주변 강선을 배치한 후, 상기 주변 강선을 꼬아서 강연선을 제작함에 있어서, 심선의 시작단부에서부터 선형센서가 심선 중앙의 관통공을 통과되도록 하지 않도록 함으로써, 관통공을 선형센서가 통과하는 과정에서 발생하는 선형센서의 손상을 원천적으로 차단하며, 심선 중앙의 관통공을 진공흡입하여 에폭시를 채우려는 시도에 따른 에폭시의 부실한 채움을 사전에 예방하고, 선형센서와 심선이 견고하게 일체화를 이루어서 높은 측정 정밀도를 가질 뿐만 아니라, 용이한 제작이 가능하게 하는 강연선의 제작방법과 그에 따라 제작된 강연선을 제공하는 것을 목적으로 한다.
위와 같은 과제를 달성하기 위하여 본 발명에서는, 심선의 원주 주변에 복수개의 주변 강선이 배치되고, 상기 주변 강선이 꼬여서 형성되는 강연선으로서, 심선은 내부에 선형센서가 매립되어 있는 FRP 봉과, 상기 FRP 봉의 외부를 피복하고 있는 강재피복로 이루어진 것을 특징으로 하는 강연선이 제공된다.
또한 본 발명에서는 이러한 강연선을 제조하는 방법으로서, 내부에 선형센서가 매립되어 있도록 FRP 봉을 제작하고; FRP 봉의 외면을 강재피복으로 피복하여 심선을 제작하고; 심선의 주위에 주변 강선을 배치하고 주변 강선을 꼬는 작업을 수행하여, 심선 내부에 선형센서가 매립되어 있고 심선 주위에는 복수개의 주변 강선이 꼬여있는 강연선을 제작하는 것을 특징으로 하는 강연선의 제작방법이 제공된다.
이러한 본 발명의 강연선 및 그 제작방법에서, 강재피복의 내면과 FRP 봉의 외면 사이에는 접착제가 개재될 수 있으며, 더 나아가, 강재피복의 내면이 거칠게 되어 있는 상태에서, 강재피복이 FRP 봉(10)의 외면에 결합될 수도 있다.
본 발명에 의하면, 심선의 중심에 선형센서가 배치되어 있는 강연선을 형성함에 있어서, 선형센서가 내부에 매립되도록 FRP 봉을 제작하고, 이러한 FRP 봉의 외면에 강재피복을 형성한 심선을 이용하기 때문에, 본 발명에서는 선형센서가 사후적으로 심선 중앙의 관통공을 통과하는 형태로 제작되는 것이 아니며, 따라서 종래기술의 문제점이었던 제작과정에서의 선형센서 손상 즉, 심선을 제작할 때 관통공을 선형센서가 통과하는 과정에서 발생하는 선형센서의 손상을 원천적으로 차단할 수 있게 되는 효과가 발휘된다.
따라서 본 발명에서는 선형센서와 심선이 견고하게 일체화를 이루어서 높은 측정 정밀도를 가지는 강연선을 용이하게 제작할 수 있게 되는 효과가 발휘된다.
또한, 본 발명에서는 FRP 봉의 외면에는 강재피복이 존재하므로, 원주방향으로 FRP 봉의 팽창이 강재피복에 의해 구속되며, 따라서 심선의 표면에서 갈라짐이 발생하는 것을 예방할 수 있으며, FRP 봉의 외면이 외부 공기와 직접 접촉하는 것을 방지하여 FRP 봉의 표면 열화도 효과적으로 방지할 수 있게 되는 장점이 있다.
도 1은 본 발명의 제1실시예로서, 강연선을 제작하기 위한 심선의 개략적인 사시도이다.
도 2는 도 1에 도시된 실시예에 따른 심선의 개략적인 단면도이다.
도 3은 본 발명의 제2실시예로서 강재피복의 내면과 FRP 봉의 외면 사이에 접착제가 도포되어 제작된 심선의 개략적인 단면도이다.
도 4는 본 발명의 제3실시예로서 파이프형 부재의 압착에 의해 제작된 심선의 개략적인 단면도이다.
도 5는 심선의 주위에 주변 강선을 배치하고 꼬아서 본 발명의 강연선을 제작한 상태를 보여주는 개략적인 사시도이다.
도 6은 FRP 봉의 외면에 표면 갈라짐이 발생한 상태를 보여주는 개략적인 사시도이다.
도 7은 강재피복이 없는 FRP 봉으로만 이루어진 심선을 이용한 강연선의 개략적인 사시도이다.
도 8은 도 7의 원 J 부분의 개략적인 확대 사시도이다.
도 9 내지 도 12는 각각 대한민국 등록특허 제10-756056호에 개시된 종래 기술에 의해 강연선을 이루는 심선에 선형센서를 설치하는 상태를 보여주는 개략도이다.
도 9 내지 도 12는 각각 대한민국 등록특허 제10-756056호에 개시된 종래 기술에 의해 강연선을 이루는 심선에 선형센서를 설치하는 상태를 보여주는 개략도이다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부한 도면을 참조하여 설명한다. 본 발명은 도면에 도시된 실시예를 참고로 설명되었으나 이는 하나의 실시예로서 설명되는 것이며, 이것에 의해 본 발명의 기술적 사상과 그 핵심 구성 및 작용이 제한되지 않는다.
도 1에는 본 발명의 제1실시예로서, 강연선(100)을 제작하기 위한 심선(1)의 개략적인 사시도가 도시되어 있으며, 도 2에는 도 1에 도시된 실시예에 따른 심선(1)의 개략적인 단면도가 도시되어 있다.
도면에 도시된 것처럼 본 발명에서는 심선(1)은, 내부에 선형센서(3)가 매립되어 있는 FRP 봉(10)과, 상기 FRP 봉(10)의 외부를 피복하고 있는 강재피복(20)로 이루어져 있다. 즉, 본 발명에서는 FRP 봉(10)의 내부에 선형센서(3)가 일체로 매립되어 있고, 상기 FRP 봉(10)의 외면에는 강재피복(20)이 형성되어 있는 단면을 가지는 심선(1)을 이용하여 강연선이 만들어지는 것이다.
상기 FRP 봉(10)은, 탄소섬유, 아라미드섬유, 파라아라미드섬유, 초강도폴리에틸렌섬유 등을 수지에 함침시킨 후, 선형센서(3)를 위치시킨 상태로 인발(pultrusion), 브레이딩(braiding)의 공정 등을 거쳐서 봉형상으로 제작된다. 이렇게 선형센서(3)가 내부에 일체 매립된 FRP 봉(10)이 준비되면, 상기 FRP 봉(10)의 외부를 강재로 피복한다.
예를 들어, 강재로 이루어진 판부재를 상기 FRP 봉(10)의 외면에 감은 상태로 성형틀(도시되지 않음)을 통과시키면 FRP 봉(10)의 외면에 강재의 판부재가 감기면서, 도 2에 도시된 것과 같이 상기 FRP 봉(10)의 외면에는 강재피복(20)이 형성되어 있는 단면을 가지는 심선(1)이 만들어질 수 있다. 이 때, 상기 강재피복(20)의 내면과 FRP 봉(10)의 외면 사이에는 에폭시 등과 같은 접착제(21)를 도포함으로써, 강재피복(20)과 FRP 봉(10) 간의 일체화를 더욱 강화시킬 수도 있다. 도 3에는 본 발명의 제2실시예로서 강재피복(20)의 내면과 FRP 봉(10)의 외면 사이에 접착제(21)가 도포되어 제작된 심선(1)의 개략적인 단면도가 도시되어 있다.
한편, 위에서 예시한 강재 판부재를 이용한 방법 이외에, 중앙에 관통공이 형성되어 있는 강재로 이루어진 파이프형 부재를 이용할 수도 있다. 즉, 강재로 이루어진 파이프형 부재의 중앙 관통공 내에 FRP 봉(10)을 삽입한 후, 파이프형 부재의 외면을 압착함으로써 상기 FRP 봉(10)의 외면에는 강재피복(20)이 형성되어 있는 단면을 가지는 심선(1)이 만들 수도 있다. 도 4에는 본 발명의 제3실시예로서 이와 같이 파이프형 부재의 압착에 의해 제작된 심선(1)의 개략적인 단면도가 도시되어 있다. FRP 봉(10)의 외면에 강재의 판부재를 감아서 강재피복(20)된 심선(1)을 제작하는 경우에는 도 2에 도시된 것처럼, 강재피복(20)에는 절취선(41)이 존재할 수도 있지만, 도 4의 경우처럼 파이프형 부재의 압착에 의해 심선(1)을 제작하는 경우에는 강재피복(20)에 절취선이 존재하지 않게 된다. 이와 같이 압착에 의한 경우에도, 강재피복(20)의 내면과 FRP 봉(10)의 외면 사이에는 접착제가 개재될 수 있다.
특히, 이와 같이 FRP 봉(10)의 외면에 강재피복(20)이 형성될 때, 상기 강재피복(20)의 내면은 거칠게 형성되는 것이 바람직하다. 예를 들어 강재 판부재를 FRP 봉(10)의 외면에 감는 경우에는 강재 판부재의 내면에 돌기를 형성하거나 강재 판부재의 내면을 거칠게 만든 상태에서 FRP 봉(10)의 외면에 감는 것이 바람직한 것이며, 파이프형 부재를 이용하여 FRP 봉(10)의 외면에 강재피복(20)을 형성하는 경우에도 파이프형 부재의 내면에 돌기를 형성하거나 강재 판부재의 내면을 거칠게 만드는 것이 바람직한 것이다. 이러한 구성에 의하면 강재피복(20)과 FRP 봉(10) 간의 일체화가 더욱 강화되는 효과가 발휘된다.
도 5에는 이와 같이 선형센서(3)가 내부에 일체로 매립되어 있는 FRP 봉(10)의 외면에 강재피복(20)이 형성되어 있는 단면을 가지는 심선(1)의 주위에 주변 강선(2)을 배치하고 상기 주변 강선(2)을 꼬아서 본 발명의 강연선(100)을 제작한 상태를 보여주는 개략적인 사시도가 도시되어 있다. 앞서 설명한 방식으로 심선(1)을 제작한 후에는 심선(1)의 원주를 따라 주변 강선(2)을 복수개로 배치한 후, 주변 강선(2)을 꼬게 되면 강연선(100)을 만들게 된다.
FRP 봉(10)의 경우, 외력을 받을 때 그 외면에 표면 갈라짐이 발생할 수 있다. 도 6에는 FRP 봉(10)의 외면에 표면 갈라짐이 발생한 상태를 보여주는 개략적인 사시도가 도시되어 있다. 도 6에 도시된 것처럼, FRP 봉(10)을 이루는 섬유는 FRP 봉(10)의 길이 방향으로 길게 배치되고, 섬유의 횡방향으로는 섬유의 교차 배치 및 수지에 의한 결합만이 존재하므로, FRP 봉(10)에 외력이 가해지게 되면 FRP 봉(10)이 원주방향으로 팽창함으로 인하여 섬유 배치 방향으로의 표면 갈라짐이 그 외면에 발생할 수 있는 것이다.
도 7에는 강재피복이 없는 FRP 봉(10)으로만 이루어진 심선(1)을 이용한 강연선의 개략적인 사시도가 도시되어 있고, 도 8에는 도 7의 원 J 부분의 개략적인 확대 사시도가 도시되어 있다. 심선(1) 주위에 주변 강선(2)을 배치하고 주변 강선(2)을 꼬게 되면 심선(1)의 원주를 따라 가압력이 작용하지만, 주변 강선(2)이 존재하는 사이의 간격에서는 여전히 심선(1)의 외면이 노출된다. 즉, 도 8에 도시된 것처럼 주변 강선(2)의 사이에는 영문자 L로 표현된 원주 영역에서는 심선(1)의 외면이 직접적인 가압력을 받지 않은 상태로 노출되어 있는 것이다. 따라서 도 7의 경우처럼 강재피복이 없는 FRP 봉(10)으로만 심선(1)이 구성된 경우, 위와 같이 심선(1)의 외면이 노출된 부분에서 표면 갈라짐이 발생할 수 있다.
그러나 본 발명의 경우, FRP 봉(10)의 외면에는 강재피복(20)이 존재하므로, 원주방향으로 FRP 봉(10)의 팽창이 강재피복(20)에 의해 구속되며, 따라서 FRP 봉(10)의 표면 갈라짐 즉, 심선(1)의 표면에서 갈라짐이 발생하는 것을 예방할 수 있게 된다. 또한 FRP 봉(10)의 외면이 외부 공기와 직접 접촉하는 것도 강재피복(20)에 의해 방지되므로, FRP 봉(10)의 표면 열화도 효과적으로 방지할 수 있게 된다.
물론 본 발명에서는 선형센서(3)가 FRP 봉(10)의 제작시부터 내부에 매립되므로, 종래 기술처럼, 사후적으로 선형센서(3)를 삽입함에 따른 문제점 역시 원천적으로 발생하지 않는다는 장점이 있다. 즉, 본 발명에서는, 선형센서(3)가 심선 중앙의 관통공을 통과하는 과정이 전혀 존재하지 아니하므로, 종래기술의 문제점이었던 선형센서의 손상 즉, 관통공을 선형센서가 통과하는 과정에서 발생하는 선형센서의 손상을 원천적으로 차단할 수 있게 된다. 또한, 종래기술에서 제시하였던 심선 중앙의 관통공에 대한 진공흡입을 통한 에폭시의 충진 및 그에 따른 에폭시의 부실한 채움 현상 발생과 그에 따른 선형센서와 심선 간의 견고하지 못한 일체화의 문제점이 본 발명에서는 전혀 발생하지 않게 되며, 따라서 본 발명에서는 선형센서와 심선이 견고하게 일체화를 이루어서 높은 측정 정밀도를 가지는 강연선을 용이하게 제작할 수 있게 된다.
1: 심선
2: 주변 강선
3: 선형센서
10: FRP 봉
20: 강재피복

Claims (6)

  1. 삭제
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 내부에 선형센서(3)가 매립되어 있도록 섬유보강복합소재(FRP) 봉(10)을 제작하고;
    강재로 이루어진 판부재를 상기 섬유보강복합소재(FRP) 봉(10)의 외면에 감은 상태로 성형틀을 통과시켜서 상기 섬유보강복합소재(FRP) 봉(10)의 외면에 강재의 판부재가 감기면서, 상기 섬유보강복합소재(FRP) 봉(10)의 외면에 강재피복(20)이 피복되도록 하여 심선(1)을 제작하고;
    심선(1)의 주위에 주변 강선(2)을 배치하고 주변 강선(2)을 꼬는 작업을 수행하여, 심선(1) 내부에 선형센서(3)가 매립되어 있고 심선(1) 주위에는 복수개의 주변 강선(2)이 꼬여있는 강연선을 제작하는 것을 특징으로 하는 강연선의 제작방법.
  5. 삭제
  6. 제4항에 있어서,
    강재피복(20)의 내면에 접착제(21)를 개재한 후, 강재피복(20)과 섬유보강복합소재(FRP) 봉(10)을 일체화하는 것을 특징으로 하는 강연선의 제작방법.
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