KR101600279B1 - 파력 계측 실험 시스템 - Google Patents

Abstract

본 발명에서 제시하는 상기 파력 계측 실험 시스템은 물이 수용되며, 파도가 일 방향으로 진행될 수 있도록 수로형태로 길게 형성된 조파수조(110), 상기 조파수조(110) 내에 수용된 물에 상기 파도를 일으키는 조파장치(120), 상기 조파장치(120)의 반대측에 위치하며 방파제와 유사한 형상으로 형성되고, 조파수조(110)의 일 측면과 이격되어 위치하며, 양면에 상기 파도의 파압 을 측정하는 파압계(190)와 상기 파도의 파력을 측정하기 위한 수중 로드셀(140)이 구비되는 벽체(150)가 구비된 파력 계측장치(100); 상기 파압계(190) 및 수중 로드셀(140) 각각에서 계측된 상기 파도의 파압 및 수평하중을 합산하여 상기 파압계(190) 및 상기 수중 로드셀(140)이 위치하는 상기 벽체의 표면에 가해진 상기 파도의 수평하중을 산출하는 수평하중 산출부(200); 및 상기 수평하중 산출부(160)에서 산출된 결과값을 실험자에게 표시하는 표시부(300)를 포함한다.
본 발명의 실시 예에 따른 파력 계측 실험 시스템(100)은 파압계(190) 및 수중 로드셀(load cell)(140)을 이용하여 파도의 수평하중을 점 단위 및 면적 단위로 측정한 후, 합산함으로써, 벽체(150)에 작용하는 파도의 파압 및 수평하중의 오차범위를 최소화시켜, 보다 정밀한 파도의 수평하중을 평가할 수 있다는 이점을 제공한다.

Description

파력 계측 실험 시스템{Experimental System for measuring wave forces}

본 발명은 파력 계측 시스템에 관한 것으로, 보다 상세하게는 하중계를 이용하여 벽체에 작용하는 파력을 직접 계측할 수 있는 파력 계측 실험 시스템에 관한 것이다.

케이슨식 방파제의 안정성을 판단하기 위해서는 방파제 제원의 확률 변동성은 물론 전면조위, 파고 등에 대한 확률적 변동성을 모두 고려해야 한다. 파고는 보통 년 최대 유의 파고를 이용하여 확률분포를 추정하기 때문에 극치분포의 특성을 따르며, 조위는 보통 정규분포를 따른다.

따라서, 방파제의 안정성을 판단하기 위해서는 파고와 조위의 확률밀도함수에 근거해야 한다.

그러나, 종래의 방파제 안정성 판단은 50년 빈도 설계 파고와 설계 고조위를 이용하여 계산한 수평 파력과 양력에 단순히 산정식의 불확실성을 정규분포로 가정하여 적용하여 수행하고 있다.

이것은 고조위 시 50년 빈도의 설계파고가 발생한다는 조건하에서 방파제의 파괴확률을 산정하므로 일종의 조건부 파괴확률을 의미하게 되어, 설계변수의 모든 확률변수를 고려한 방파제의 안정성 판단이 될 수 없다. 기존의 방파제 안정성 판단 방법에서 파고의 확률적 변동성을 고려하지 않는 이유는 파압 산정 공식이 파고, 수심, 파장 등에 의한 매우 복잡한 비선형 함수형태이기 때문이다.

또한 파력이 제체 저면 수심과 마루높이의 영향을 받아 안정성 판단에 적용하기가 쉽지 않기 때문이다.

따라서, 본 발명에서는 방파제 또는 벽체에 작용하는 수평 하중을 파압계(pressure gauge)를 이용하여 적분하여 구하는 종래의 방법과는 다른 수중 로드셀 또는 수중 로드셀과 파압계를 동시에 이용하여 직접 계측함으로써 정밀도 높은 수평 하중을 계측하는 파력 계측 실험 시스템을 제공하고자 한다.

대한민국 특허공개번호 제10-2011-0016095호 대한민국 특허공개번호 제10-2006-0103792호

본 발명의 목적은 방파제 또는 벽체에 작용하는 수평 하중을 파압계(pressure gauge)를 이용하여 적분하여 구하는 종래의 방법 대신에 수중 로드셀 또는 수중 로드셀과 파압계를 동시에 이용하여 직접 계측함으로써 정밀도 높은 수평 하중을 계측하는 파력 계측 실험 시스템을 제공하는데 있다.

상기 과제를 해결하기 위한 본 발명의 실시 예에 따른 파력 계측 실험 시스템은 물이 수용되며, 파도가 일 방향으로 진행될 수 있도록 수로형태로 길게 형성된 조파수조(110), 상기 조파수조(110) 내에 수용된 물에 상기 파도를 일으키는 조파장치(120), 상기 조파장치(120)의 반대측에 위치하며 방파제와 유사한 형상으로 형성되고, 조파수조(110)의 일 측면과 이격되어 위치하며, 양면에 상기 파도의 파압 을 측정하는 파압계(190)와 상기 파도의 파력을 측정하기 위한 수중 로드셀(140)이 구비되는 벽체(150)가 구비된 파력 계측장치(100); 상기 파압계(190) 및 수중 로드셀(140) 각각에서 계측된 상기 파도의 파압 및 수평하중을 합산하여 상기 파압계(190) 및 상기 수중 로드셀(140)이 위치하는 상기 벽체의 표면에 가해진 상기 파도의 수평하중을 산출하는 수평하중 산출부(200); 및 상기 수평하중 산출부(160)에서 산출된 결과값을 실험자에게 표시하는 표시부(300)를 포함한다.

상기 과제를 해결하기 위한 본 발명의 다른 실시 예에 따른 파력 계측 실험 시스템은 물이 수용되며, 파도가 일 방향으로 진행될 수 있도록 수로형태로 길게 형성된 조파수조(110), 상기 조파수조(110) 내에 수용된 물에 상기 파도를 일으키는 조파장치(120), 상기 조파장치(120)의 반대측에 위치하며 방파제와 유사한 형상으로 형성되고, 조파수조(110)의 일 측면과 이격되어 위치하며, 상기 파도의 파력을 측정하기 위한 수중 로드셀(140)이 구비되는 벽체(150)가 구비된 파력 계측장치(100); 수중 로드셀(140)에서 계측된 상기 파도의 수평하중을 합산하여 상기 수중 로드셀(140)들이 위치하는 상기 벽체의 표면에 가해진 상기 파도의 수평하중을 산출하는 수평하중 산출부(200); 및 상기 수평하중 산출부(200)에서 산출된 결과값을 실험자에게 표시하는 표시부(300)를 포함한다.

상기 파압계(190)는 상기 벽체(150)의 앞면에 가로방향 또는 세로방향으로 배치되어, 배치된 지점에 가해진 파압을 측정하는 것을 특징으로 한다.

상기 수중 로드셀(140)은 상기 벽체(150)의 배면 가장자리 또는 중앙에 가로방향 또는 세로방향으로 배치되어, 상기 벽체(150)의 표면 영역에 가해진 파도의 파력을 측정하는 것을 특징으로 한다.

상기 수중 로드셀(140)은 결속 프레임(130)을 통해 상기 벽체(150) 및 조파수조(110)의 측벽면과 체결되는 것을 특징으로 한다.

상기 결속 프레임(130)은 상기 수중 로드셀(140)의 일단과 결속되도록 “ㄷ” 자형으로 형성된 제1 프레임(131); 및 상기 수중 로드셀(140)의 타단과 결속되며, 제1 프레임(131)의 대칭형태로 형성된 제2 프레임(132)을 포함하는 것을 특징으로 한다.

상기 제2 프레임(132)은 상기 조파수조의 내측면과 체결부재를 통해 결속되도록 측면에 적어도 하나 이상의 결속홈(132a)이 형성된 것을 특징으로 한다.

상기 제1 프레임(131)은 일 측면에 상기 벽체(150)와 체결되는 체결부재를 통해 체결되는 결속홈이 구비되는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따른 벽체에 작용하는 파력을 계측하기 위한 파력 계측 실험 시스템은 수중 로드셀(load cell)을 이용하여 파도의 수평하중을 점 단위 및 면 단위로 측정함으로써, 벽체에 가해지는 실제 파력을 보다 정밀하게 예측할 수 있다는 이점을 제공한다.

도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 파력 계측 실험 시스템을 나타낸 예시도 이다.
도 2는 도 1에 도시된 파력 계측 실험 장치의 사시도이다.
도 3은 도 2에 도시된 조파장치의 상세도이다.
도 4는 파압계가 구비된 벽체의 일 예시도이다.
도 5는 수중 로드셀이 구비된 벽체의 일 예시도이다.
도 6은 도 1에 도시된 A의 확대도이다.
도 7은 수중 로드셀의 확대도이다.

이하, 본 발명의 바람직한 실시 예의 상세한 설명은 첨부된 도면들을 참조하여 설명할 것이다. 하기에서 본 발명을 설명함에 있어서, 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략할 것이다.

본 발명의 개념에 따른 실시 예는 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 형태를 가질 수 있으므로 특정 실시 예들을 도면에 예시하고 본 명세서 또는 출원에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명의 개념에 따른 실시 예를 특정한 개시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.

어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어" 있다거나 "접속되어" 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결되어" 있다거나 "직접 접속되어" 있다고 언급된 때에는, 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다. 구성요소들 간의 관계를 설명하는 다른 표현들, 즉 "~사이에"와 "바로 ~사이에" 또는 "~에 이웃하는"과 "~에 직접 이웃하는" 등도 마찬가지로 해석되어야 한다.

본 명세서에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 명세서에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 실시된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.

도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 파력 계측 실험 시스템을 나타낸 예시도 이다.

도 2는 도 1에 도시된 파력 계측 실험 장치의 사시도이다.

도 3은 도 2에 도시된 조파장치의 상세도이다.

도 4는 파압계가 구비된 벽체의 일 예시도이다.

도 5는 수중 로드셀이 구비된 벽체의 일 예시도이다.

도 6은 도 1에 도시된 A의 확대도이다.

도 7은 수중 로드셀의 확대도이다.

먼저, 도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시 예에 따른 파력 계측 실험 시스템(1000)은 파력 계측 실험장치(100), 수평하중 산출부(200) 및 표시부(300)을 포함한다.

상기 파력 계측 실험장치(100)는 조파수조(110), 조파장치(120), 벽체(150), 수중 로드셀(140), 파압계(190), 수평하중 산출부(200) 및 표시부(300)를 포함한다.

상기 조파수조(110)는 내부에 물이 수용되며, 파도가 진행될 수 있도록 수로형태로 일 방향을 따라 길게 형성된다.

보다 구체적으로, 상기 조파수조(110)는 내부에 수용된 물(w)이 일 방향을 따라 유동하도록 제작된다. 본 실시 예에서, 상기 조파수조(110)는 대략 35m ~ 100m 정도의 길이로 제작되며, 재질은 유리 또는 아크릴로 형성된다.

투명 재질로 형성될 경우, 조파장치(120)에 의해 파도가 발생될 때 파도가 진행되는 상태를 확인할 수 있다. 또한, 상기 조파수조(110)는 콘트리트 또는 철재를 이용하여 제작될 수 있어, 특정 재질만을 이용하여 제작되는 것은 아니다.

상기 조파장치(120)는 상기 조파수조(110)의 일측에 적어도 하나 이상이 설치되게 되며, 상기 조파수조(110) 내부에 물(w)에 파동을 주어 파도를 일으키는 기능을 수행한다.

상기 조파장치(120)는 2차원 규칙파 및 불규칙파의 생성이 가능한 피스톤형(piston type)으로 이루어짐이 바람직한데, 조파수조(110)의 반대편 단부에 조파수조(110)의 폭 방향으로 전면에 걸쳐 설치하는 것이 바람직하다.

보다 구체적으로, 도 3에 도시된 조파장치(120)를 다수 개 설치하여 개별 또는 동시 제어되는 것이 바람직한데, 상기 조파장치(120)는 조파수조(110)의 깊이 방향으로 설치되어 물에 파도를 일으키도록 상기 조파수조의(110)의 길이방향을 따라 왕복 이동되며 스테인레스 스틸(예컨대, SUS 304L) 등의 재질로 이루어진 조파판(111)과, 상기 조파판(111)을 지지하는 프레임(112)과, 상기 프레임(112)에 설치되어 상기 조파판(111)을 구동시키도록 연결된 모터와 드라이버로 이루어진 조파구동장치(113)와, 상기 조파판(111)의 동작을 제어하는 제어기(미도시)와, 제어를 위한 조파용 PC 및 프로그램을 포함한다.

여기서, 상기 조파구동장치(113)는 볼 스크류, 가이드 레일 및 서보 모터로 구성되어 상기 조파판이 직선운동을 할 수 있게 하며 조파판의 하부에도 별도의 하부가이드장치를 구비하여 큰 하중 작용 시에도 조파판이 견고하게 직선운동할 수 있다.

또한, 조파판(111)의 운동 시 후류에 의하여 영향을 받지 않도록 조파판 하부에는 조파판 최대 행정보다 길게 하부판을 설치하는 것이 바람직하다.

상기 벽체(150)는 상기 조파장치(120)의 반대측에 위치하며 방파제와 유사한 모양으로 제작될 수 있으며, 불특정 모양으로도 제작될 수 있다. 또한, 상기 벽체(150)는 조파수조(110)의 일 측면과 이격되는 곳에 위치하고, 표면에 상기 파도의 파압을 측정하기 위한 파압계(190) 또는 상기 파도의 파력을 측정하기 위한 수중 로드셀(140)이 가로 방향 또는 세로 방향으로 함께 구비되거나 또는 개별적으로 구비될 수 있다.

여기서, 파압계(190) 및 수중 로드셀(140)의 위치는 벽체(150)의 표면 중 사용자가 측정하고자 하는 위치에 구비될 수 있다.

참고로, 상기 벽체(150)은 방파제, 방파호안 등과 같은 해안구조물을 모형화한 것이다. 상기 벽체(150)는 상기 조파수조(110) 내에 설치되게 되며, 보다 구체적으로는 상기 조파장치(120)가 위치한 단부의 반대측 단부에 위치하게 된다.

상기 벽체(150)는 실제 해안에 설치되게 될 해안구조물의 높이와 형상에 따라, 그 높이와 형상 등을 자유롭게 변형시켜 상기 조파수조(110)에 설치될 수 있다.

다음으로, 수평하중 산출부(200)는 파압계(190) 및 수중 로드셀(140) 각각에서 계측된 파도의 파압 및 수평하중을 합산하여 파압계(190) 및 수중 로드셀(140)이 위치하는 벽체(150)의 표면에 가해진 파도의 전체 파압 및 전체 수평하중을 산출하는 기능을 수행한다.

상기 표시부(300)는 상기 수평하중 산출부(200)에서 산출된 결과치를 실험자에게 표시하는 기능을 수행한다.

여기서, 상기 수중 로드셀(140)은 상기 벽체(150)의 배면 가장자리 또는 중앙에 배치될 수 있으며, 상기 파압계(190)는 상기 벽체(150)의 앞면에 세로 방향 또는 가로 방향으로 배치될 수 있으며, 바람직하게는 실험자가 측정하고자 하는 벽체 표면 상에 가해지는 수평하중을 측정하기 위한 위치에 구비된다.

예를 들어, 상기 수중 로드셀(140)이 상기 벽체(150)의 배면 가장자리에 높이 방향으로 배치될 경우, 상기 수중 로드셀(140)은 배치된 지점의 표면 영역에 가해진 파도의 수평하중(예컨대, 파력)을 측정한다. 상기 수중 로드셀(140)의 보다 상세한 설명은 공지된 기술임으로 생략하도록 한다.

한편, 상기 수중 로드셀(140)은 결속 프레임(130)을 통해 상기 벽체(150) 및 조파수조(110)의 벽면과 체결될 수 있다.

여기서, 상기 결속 프레임(130)은, 상기 수중 로드셀(140)의 일단과 결속되도록 형성되는 제1 프레임(131)과 상기 수중 로드셀(140)의 타단과 결속되며, 제1 프레임(131)의 대칭형태로 형성된 제2 프레임(132)을 포함한다.

상기 제1 프레임(131)은 상기 조파수조(110)의 내측면과 체결부재를 통해 결속되도록 측면에 적어도 하나 이상의 결속홈(미도시)이 형성될 수 있다.

또한, 상기 제2 프레임(132)은 일 단에 상기 벽체(150)와 체결부재를 통해 결속되는 결속홈(미도시)을 구비할 수 있다.

상기 수평하중 산출부(200)는 상기 파압계(190) 및 수중 로드셀(140) 각각에서 계측된 파도의 파압 및 수평하중을 합산하여 상기 벽체(150)의 표면에 가해진 파도의 전체 수평하중을 산출하는 기능을 수행한다.

상기 수평하중 산출부(200)는 내부에 파도의 수평하중(예컨대, 파력)을 산출하기 위한 산출 프로그램이 저장될 수 있는 메모리를 구비하며, 상기 산출 프로그램을 판독 및 기록하는 컴퓨터 판독 가능 기록매체일 수 있다.

상기 컴퓨터 판독 가능 기록 매체는 프로그램 명령, 로컬 데이터 파일, 로컬 데이터 구조 등을 단독으로 또는 조합하여 포함할 수 있다. 상기 기록 매체는 본 발명의 실시 예를 위하여 특별히 설계되고 구성된 것들이거나 컴퓨터 소프트웨어 당업자에게 공지되어 사용 가능한 것일 수도 있다.

컴퓨터 판독 가능 기록 매체의 예에는 하드 디스크, 플로피 디스크 및 자기 테이프와 같은 자기 매체, CD-ROM, DVD와 같은 광기록 매체, 플롭티컬 디스크와 같은 자기-광 매체, 및 롬, 램, 플래시 메모리 등과 같은 프로그램 명령을 저장하고 수행하도록 특별히 구성된 하드웨어 장치가 포함된다. 상기 기록 매체는 프로그램 명령, 로컬 데이터 구조 등을 지정하는 신호를 전송하는 반송파를 포함하는 광 또는 금속선, 도파관 등의 전송 매체일 수도 있다. 프로그램 명령의 예에는 컴파일러에 의해 만들어지는 것과 같은 기계어 코드뿐만 아니라 인터프리터 등을 사용해서 컴퓨터에 의해서 실행될 수 있는 고급 언어 코드를 포함할 수 있다.

상기 표시부(300)는 상기 수평하중 산출부(200)에서 제공되는 결과치를 사용자에게 표시하는 기능을 수행한다.

따라서, 본 발명의 실시 예에 따른 파력 계측 실험 시스템(1000)은 파압계(190) 및 수중 로드셀(load cell)(140)을 이용하여 파도의 수평하중을 점 단위 및 면적 단위로 측정한 후, 합산함으로써, 벽체(150)에 작용하는 파도의 파압 및 수평하중의 오차범위를 최소화시켜, 보다 정밀한 파도의 수평하중을 평가할 수 있다는 이점을 제공한다.

한편, 이상에서는 본 발명의 바람직한 실시 예에 대하여 도시하고 설명하였지만, 본 발명은 상술한 특정의 실시 예에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 다양한 변형실시가 가능한 것은 물론이고, 이러한 변형실시들은 본 발명의 기술적 사상이나 전망으로부터 개별적으로 이해 되어져서는 안될 것이다.

1000; 파력 계측 실험 시스템 100: 파력 계측 실험장치
110: 조파수조 120: 조파장치
111: 조파판 112: 프레임
113: 조파구동장치 114: 하부가이드장치
130: 결속 프레임 131: 제1 프레임
132: 제2 프레임 131a, 132a: 결속홈
140: 수중 로드셀 150: 벽체
190: 파압계 200: 수평하중 산출부
300: 표시부

Claims (8)

1. 물이 수용되며, 파도가 일 방향으로 진행될 수 있도록 수로형태로 길게 형성된 조파수조(110), 상기 조파수조(110) 내에 수용된 물에 상기 파도를 일으키는 조파장치(120), 방파제와 유사한 형상으로 형성되어 상기 조파장치(120)의 반대측에 상기 조파수조(110)의 일 측면과 이격되어 위치되는 벽체(150), 상기 벽체(150)의 앞면에 가로방향 또는 세로방향으로 배치되어 배치된 지점에 가해진 파압을 측정하도록 구성되는 파압계(190), 상기 벽체(150)의 배면 가장자리 또는 중앙에 가로방향 또는 세로방향으로 배치되어 상기 벽체(150)의 표면 영역에 가해진 상기 파도의 파력을 측정하도록 구성되는 수중 로드셀(140) 및 상기 벽체(150)에 상기 수중 로드셀(140)을 설치하기 위해 상기 벽체(150) 및 상기 조파수조(110)의 측벽 면과 체결되는 결속 프레임(130)을 포함하여 이루어지는 파력 계측장치(100);
   상기 파압계(190)나 상기 수중 로드셀(140), 또는, 상기 파압계(190) 및 상기 수중 로드셀(140)의 각각에서 계측된 상기 파도의 파압이나 수평하중, 또는, 파압 및 수평하중을 합산하여 상기 파압계(190) 및 상기 수중 로드셀(140)이 위치하는 상기 벽체(150)의 표면에 가해진 상기 파도의 수평하중을 산출하는 수평하중 산출부(200); 및
   상기 수평하중 산출부(200)에서 산출된 결과값을 실험자에게 표시하는 표시부(300)를 포함하여 구성되고,
   상기 결속 프레임(130)은,
   일 측면에 상기 벽체(150)와 체결되는 체결부재를 통해 체결되는 결속홈이 구비되어 상기 수중 로드셀(140)의 일단과 결속되는 제 1 프레임(131); 및
   상기 수중 로드셀(140)의 타단과 결속되며 상기 제 1 프레임(131)과 대칭 형태로 형성되어, 상기 조파수조(110)의 내측면과 체결부재를 통해 결속되도록 측면에 적어도 하나 이상의 결속홈(132a)이 형성되어 있는 제 2 프레임(132)을 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 파력 계측 실험 시스템.
   
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