KR101775417B1

KR101775417B1 - 정밀도가 향상된 로드셀 삽입형 하중계측용 포트받침, 그 제작방법 및 이를 이용한 교량하중 측정방법

Info

Publication number: KR101775417B1
Application number: KR1020150116653A
Authority: KR
Inventors: 조정래; 진원종; 김성태; 김병석; 김영진; 박성용; 곽종원
Original assignee: 한국건설기술연구원; 대경산업(주)
Priority date: 2015-08-19
Filing date: 2015-08-19
Publication date: 2017-09-06
Also published as: KR20170022094A

Abstract

본 발명은 하부판 중앙 하부에 하중을 측정할 수 있는 센서인 로드셀(load cell)을 삽입하여 교량의 상부구조물로부터 작용하는 수직력("교량하중")을 측정하도록 하중계측용 포트받침을 구성하되, 하부판과 로드셀 간의 규격을 정밀하게 설계하여 정밀도를 향상시킬 수 있으며, 측정 온도의 변화에 따른 보정을 통하여 측정 결과의 정확도와 신뢰도를 향상시킬 수 있게 만든 로드셀 삽입형 하중계측용 포트받침, 이를 제작하기 위한 방법 및 이를 이용한 교량하중 측정방법에 관한 것이다.

Description

정밀도가 향상된 로드셀 삽입형 하중계측용 포트받침, 그 제작방법 및 이를 이용한 교량하중 측정방법{Pot Bearing, Manufacturing Method thereof, and Measuring Method of Load using such Pot Bearing}

본 발명은 교량의 포트받침(pot bearing)과 그 제작방법, 그리고 이를 이용하여 교량하중을 측정하는 방법에 관한 것으로서, 구체적으로는 포트부재의 중앙 하부에 하중을 측정할 수 있는 센서인 로드셀(load cell)을 삽입하여 교량의 상부구조물로부터 작용하는 수직력("교량하중")을 측정하도록 하중계측용 포트받침을 구성하되, 하부판과 로드셀 간의 규격을 정밀하게 설계하여 정밀도를 향상시킬 수 있으며, 측정 온도의 변화에 따른 보정을 통하여 측정 결과의 정확도와 신뢰도를 향상시킬 수 있게 만든 로드셀 삽입형 하중계측용 포트받침, 이를 제작하기 위한 방법 및 이를 이용한 교량하중 측정방법에 관한 것이다.

포트받침은, 강재를 이용하여 오목한 공간을 가지는 포트(pot)형태로 제작된 포트부재 내에 고무 등으로 이루어진 탄성부재를 내장시킨 형태의 교좌장치로서, 교량 상부구조물로부터의 큰 하중을 지지하면서 회전 거동을 하게 되는 교량받침이다. 포트부재 내에 위치하고 있는 고무로 제작된 탄성부재는 0.5에 가까운 포아송비를 가지고 있으므로, 강체(rigid body)로 이루어진 포트부재 내에 담겨져서 그 외부가 구속되어 있는 경우에는 정수압상태(hydrostatic pressure)에 있게 된다. 강재로 제작된 포트부재의 큰 강성을 감안하면 포트부재 내에 담겨 있는 고무로 이루어진 탄성부재 역시 정수압에 가까운 상태에 있다. 이러한 특성을 이용하여 종래 기술로서 하부의 포트부재 측면에 압력계를 삽입하거나, 또는 포트부재의 오목홈 중앙 하부에 하중을 측정할 수 있는 센서인 로드셀(load cell)을 배치하는 형태로 하중계측용 포트받침을 제작하고, 교량 상부구조물로부터 작용하는 수직력에 의해 포트부재에 담겨진 탄성부재에 발생하는 압력을 측정하여 이를 하중으로 환산함으로써, 교량 상부구조물로부터의 교량하중을 측정하는 방안이 제안되어 있다. 대한민국 공개특허공보 제10-2002-0051340호에는 이러한 로드셀 삽입형 하중계측용 포트받침이 개시되어 있다. 참고로 위와 같이 로드셀을 내장하여 교량하중을 측정하게 되는 "로드셀 삽입형 하중계측용 포트받침"을 이하에서는 "로드셀 포트받침"이라고 약칭한다.

도 1 및 도 2에는 종래 기술에 따른 로드셀 포트받침(100)을 분해된 상태로 각각 바라보는 방향을 달리하여 도시한 개략적인 분해사시도가 도시되어 있고, 도 3에는 종래 기술의 로드셀 포트받침(100)이 조립된 상태를 단면형태로 도시한 도 1의 선 B-B에 따른 개략적인 단면도가 도시되어 있다. 한편, 도 4 및 도 5에는 각각 종래 기술의 또다른 로드셀 포트받침(100)으로서 일방향 가동단 형식의 로드셀 포트받침(100)에 대한 개략적인 분해사시도(도 4)와 그 조립 상태의 단면도(도 5)가 도시되어 있고, 도 6 및 도 7에는 각각 종래 기술의 또다른 로드셀 포트받침(100)으로서 양방향 가동단 형식의 로드셀 포트받침(100)에 대한 개략적인 분해사시도(도 6)와 그 조립 상태의 단면도(도 7)가 도시되어 있다.

도면에 도시된 것처럼, 로드셀 포트받침(100)에서, 포트형상을 가지고 있어서 탄성부재(13)를 담아두게 되는 포트부재(10)의 중앙 위치에서 하면 아래에는 빈 공간을 형성하고 그 빈 공간 내에는 로드셀(2)이 배치된다. 로드셀(2)은 수직력이 작용하게 되면 하강하게 되는 막대형상의 하중 감지 버튼(21)이 구비되어 있고, 포트부재(10)의 하면에는 하중 감지 버튼(21)이 삽입되어 배치되는 관통구멍(17)이 형성되어 있다. 이와 같이 포트부재(10)의 하면에서 로드셀(2)이 위치하고 있는 부분은 캔틸레버 형태를 이루고 있으며, 본 명세서에서는 이러한 캔틸레버 형태의 부분을 캔틸레버부(11)라 칭한다.

이러한 구성의 로드셀 포트받침(100)에서, 상부판(12)을 통해서 교량 상부구조물로부터의 교량하중이 수직력으로 작용하게 되면, 포트부재(10)에 담겨있던 탄성부재(13)에 정수압이 발생하게 되고, 포트부재(10)의 하면에 존재하던 로드셀(2)의 하중 감지 버튼(21)에 가력(加力)되어 하강하게 된다. 그에 따라 로드셀(2)에서는 하중 감지 버튼(21)에 가력된 압력을 측정하게 되고, 측정된 압력을 하중으로 환산함으로써 교량하중을 측정하게 된다.

도 8에는 포트부재(10)의 캔틸레버부(11) 아래에 로드셀(2)이 설치된 상태를 확대하여 보여주는 도 3의 원 A부분에 대한 개략적인 확대도가 도시되어 있다. 도 4 내지 도 7에 도시된 종래 기술에 따른 로드셀 포트받침(100)의 경우도 포트부재(10)에서 로드셀(2)이 설치된 구성은 도 8과 동일하다.

포트부재(10)에 구비된 로드셀(2)은 하중 감지 버튼(21)을 가지고 있으므로 상부로부터의 힘이 하중 감지 버튼(21)에 수직하게 가해져야만 정확한 하중의 측정이 가능하게 된다. 한편, 포트부재(10) 내에 배치된 탄성부재(13)를 통해서 하면에 힘이 가해지게 되면 캔틸레버부(11)가 휨 변형되는데, 이러한 캔틸레버부(11)의 휨변형이 하중 감지 버튼(21)에 직접 전달되어서는 안 될 뿐만 아니라 더 나아가 캔틸레버부(11)가 휨변형되면서 로드셀(2)의 본체 상면에 닿아서도 안 된다.

따라서 종래에는 하중계측용 포트받침(100)을 설계하여 제작함에 있어서, 위와 같은 조건들만을 고려하여, 로드셀(2)이 배치되어 있는 위치에서의 캔틸레버부(11)의 두께(H)를 변화시켜가면서, 교량 상부구조물로부터 교량하중이 가해져서 캔틸레버부(11)가 휨변형되더라도 캔틸레버부(11)가 로드셀(2)의 본체 상면에 닿지 않게 되는 연직유격 즉, 로드셀 배치 위치에서의 캔틸레버부(11)의 저면과 로드셀 본체 상면 사이의 간격에 해당하는 연직유격(G1), 그리고 관통구멍(17)에 로드셀(2)의 하중 감지 버튼(21)이 삽입 배치되어 교량하중에 의해 연직방향으로 움직일 때 하중 감지 버튼(21)이 관통구멍(17) 내면에 닿지 않게 만드는 하중 감지 버튼(21)과 관통구멍(17) 사이의 간격 즉, 횡측유격(G2)을 산출하여, 이 산출된 상세를 가지도록 로드셀 포트받침을 제작하였다.

그러나 위와 같이 단지 하중 감지 버튼(21)이 연직하강하는 중에 관통구멍의 내면에 닿는 것을 방지하는 것(하중 감지 버튼과 관통구멍 사이의 횡측유격 확보), 및 캔틸레버부(11)의 휨변형에 의해 캔틸레버부(11)가 로드셀(2)의 본체 상면에 닿는 것을 방지하는 것(캔틸레버부 저면과 로드셀 본체 상면 사이의 연직유격 확보)만을 고려하여 로드셀 포트받침(100)을 설계하고 제작하는 경우, 하중계측용 포트받침(100)이 지지할 있는 최대 하중의 30%이상 하중이 가해졌을 때 하중계측용 포트받침(100)이 가질 수 있는 측정정밀도는, 로드셀(2)이 독자적으로 가지는 측정정밀도 비해 낮다.

한편 위에서 설명한 것처럼 로드셀을 하부판에 삽입한 형식을 가지는 종래기술에 따른 로드셀 포트받침은 그 측정결과가 온도에 따른 의존성을 보인다. 즉, 로드셀 포트받침에서 계측된 하중과, 실제 교량 상부구조물로부터 가해지는 교량하중 간의 수학적 관계가 온도에 따라 달라지는 것이다. 일반적으로 섭씨 약 10도의 온도변화가 있을 때, 하중 측정 결과에 대한 오차가 1.5~2% 수준으로 증가되는 것으로 알려져 있다.

앞서 언급한 대한민국 공개특허공보 제10-2002-0051340호에서도 포트받침이 설치될 위치에서의 주위온도 변화를 측정하여, 그에 따라 하중 측정량을 보정하겠다는 개념은 제시하였으나 이를 위한 구체적인 방안은 제시하지 못하였는 바, 실제 외기 온도 조건의 변화가 큰 실제 교량환경조건에서 위와 같은 로드셀 포트받침을 안정적으로 사용하기 위해서는, 온도 변화에 따른 하중 측정 결과 보정을 위한 실질적으로 활용가능한 방안이 절실히 요구되고 있다.

대한민국 공개특허공보 제10-2002-0051340호(2002. 06. 29. 공개).

본 발명은 위와 같은 종래 기술의 한계를 극복하기 위하여 개발된 것으로서, 더욱 높은 정밀도를 가지고 교량하중을 측정할 수 있는 로드셀 포트받침을 제작하고, 이를 이용하여 교량하중을 측정할 수 있는 기술을 제공하는 것을 목적으로 한다.

구체적으로 본 발명은 로드셀을 포트부재의 오목홈 아래에 배치함에 있어서, 교량하중 측정의 정밀도를 더욱 향상시킬 수 있는 사항을 고려한 로드셀 배치상세(詳細)를 가지며, 더 나아가 사전 실험을 통해서 온도 변화에 따른 중 측정 결과 보정을 충실하게 반영할 수 있는 로드셀 포트받침과, 그 제작방법, 그리고 이러한 로드셀 포트받침을 이용하여 교량하중을 측정하는 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.

위와 같은 과제를 달성하기 위하여 본 발명에서는, 오목홈이 형성되어 있고 오목홈의 하면에는 로드셀 배치공간이 형성되어 있어서 캔틸레버부가 구비되어 있고 오목홈에는 로드셀의 하중 감지 버튼이 삽입될 관통구멍이 형성되도록 포트형상의 포트부재를 제작하는 단계; 오목홈에 삽입되는 삽입부가 하면에 형성되도록 상부판을 제작하는 단계; 및 하중 감지 버튼이 오목홈에 형성된 관통구멍에 삽입되도록 로드셀을 포트부재의 로드셀 배치공간 내에 배치하는 단계를 포함하여, 로드셀 삽입형 하중계측용 포트받침을 제작하는 방법에 있어서, 포트부재를 제작하는 단계에서는, 로드셀 포트받침의 용량을 결정하는 단계; 로드셀을 선정하는 단계; 교량하중의 크기와 하중 감지 버튼의 연직하강 변형량의 크기 간의 관계를 산정하며, 로드셀 배치상세로서 연직유격과 캔틸레버부의 두께를 가정하여 임의로 설정하는 단계; 임의로 설정된 로드셀 배치상세를 가지는 포트부재를 포함하는 로드셀 포트받침의 해석모델을 설정하고, 해석모델의 로드셀 포트받침에 교량하중이 가해지는 상태에서의 캔틸레버부의 최대응력, 캔틸레버부의 연직처짐 변형량 및 하중 감지 버튼의 연직하강 변형량 산출하는 단계; 산출된 캔틸레버부의 최대응력이 해당 캔틸레버부가 가지는 허용응력 미만이어서 캔틸레버부의 안정성이 확보된 것인지를 판단하고(제1조건의 판단), 산출된 캔틸레버부의 연직처짐 변형량이 로드셀 배치상세로서 미리 가정해둔 연직유격 미만인지를 판단하며(제2조건의 판단), 이와 병행하여, 산출된 캔틸레버부의 연직처짐 변형량과 하중 감지 버튼의 연직하강 변형량간의 차이가 사전 설정된 오차 범위 미만인지를 판단(제3조건의 판단)하는 단계; 및 제1조건, 제2조건 및 제3조건 중 어느 하나라도 충족하지 않는 경우에는 상기한 로드셀 배치상세의 임의 설정 단계, 해석모델에 대한 캔틸레버부의 최대응력, 연직처짐 변형량 및 연직하강 변형량 산출 단계, 및 제1조건, 제2조건 및 제3조건의 판단 단계를 반복수행하며, 제1조건, 제2조건 및 제3조건이 모두 만족하면, 임의로 설정하였던 해당 로드셀 배치상세를 확정하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 로드셀 삽입형 하중계측용 포트받침의 제작방법이 제공된다.

또한 본 발명에서는 상기한 목적을 달성하기 위하여, 상기한 제작방법에 의해 제작되는 로드셀 삽입형 하중계측용 포트받침으로써, 오목홈이 형성된 포트형상을 가지고 있고 오목홈의 하면에는 로드셀 배치공간이 형성되어 있어서 캔틸레버부가 형성되어 있고 로드셀 배치공간이 형성된 위치에서 오목홈에는 관통구멍이 형성되어 있는 포트부재; 하면에는 오목홈에 삽입되는 삽입부가 형성되어 있으며 포트부재 위에 덮이도록 설치되어 교량하중이 재하되면 삽입부가 탄성부재를 가압하게 되는 상부판; 포트부재 내에 배치되고 포트부재의 관통구멍에 삽입되는 하중 감지 버튼을 구비하여, 하중 감지 버튼의 연직하강 변형량에 의해 교량하중을 측정하는 로드셀; 및 두께를 가지는 판형상의 부재로 이루어져 오목홈에 담겨져서 상부판을 통해서 교량하중이 가해지면 가압되면서 오목홈의 하면을 가압하여 교량하중을 포트부재에 전달하는 탄성부재를 포함하여 구성되며; 교량하중으로 인하여 캔틸레버부가 아래로 처지게 되는 연직처짐 변형량과 하중 감지 버튼의 연직하강 변형량이 동일하게 되는 캔틸레버부의 두께를 가지고 있는 것을 특징으로 하는 로드셀 삽입형 하중계측용 포트받침이 제공된다.

더 나아가 본 발명에서는 상기한 목적을 달성하기 위하여, 사전 하중가력실험을 통해서 로드셀 삽입형 하중계측용 포트받침의 가력하중과 로드셀의 하중측정값 간의 회귀분석식을 산출한 후, 해당 로드셀 삽입형 하중계측용 포트받침을 실제 교량에 설치하여 교량의 상부구조물에 의해 교량하중이 작용할 때의 로드셀의 하중측정값을 취득하여, 가력하중과 로드셀의 하중측정값 간의 회귀분석식을 이용하여 실제 교량에서의 교량하중을 산출하게 되는 교량하중 측정방법으로서, 로드셀 삽입형 하중계측용 포트받침의 가력하중과 로드셀의 하중측정값 간의 회귀분석식은 기울기와 절편을 가지며, 온도에 따라 달라지는 값을 가지는 수학식으로 산출되는데, 그 구체적인 산출 과정은, 교량하중의 측정에 요구되는 로드셀 삽입형 하중계측용 포트받침의 측정 정밀도를 설정하는 단계; 기준 온도에서 가력하중을 변화시키면서 로드셀 하중측정값을 측정하여, 가력하중과 로드셀 하중측정값 간의 회귀분석식을 취득하고, 취득된 회귀분석식에 따른 직선의 기울기를 연산하는 단계; 가력하중과 로드셀 하중측정값 간의 관계가 선형으로 되는 시점 가력하중을 임의로 선정하는 단계; 하중가력실험에 의해, 측정 온도에서 시점 가력하중을 로드셀 삽입형 하중계측용 포트받침에 재하하여 로드셀 하중측정값을 취득하는 단계; 하중가력실험에 의해, 증가된 가력하중이 로드셀 삽입형 하중계측용 포트받침에 재하되는 상태에서, 특정 측정 온도일 때의 로드셀 하중측정값 및 기준 온도일 때의 로드셀 하중측정값 을 각각 취득하는 단계; 증가된 가력하중에서의 특정 측정온도 및 기준 온도 상황의 로드셀 하중측정값의 차이와, 시점 가력하중에서의 특정 측정온도 및 기준 온도 상황의 로드셀 하중측정값의 차이를 각각 산출하고, 그 차이값에 대한 절대값이 허용 오차범위 값보다 작은 지의 여부를 판단하는 단계; 허용 오차범위를 벗어나는 경우, 시점 가력하중을 증가시키는 하중 증가량을 다시 설정하여 상기한 과정을 반복하고, 허용 오차범위 값 미만인 경우에는, 그 때의 시점 가력하중을 로드셀 삽입형 하중계측용 포트받침의 가력하중과 로드셀의 하중측정값 간의 회귀분석식의 절편으로 삼는 단계; 및 온도를 변화시켜가면서 각각의 온도에서의 로드셀의 하중측정값을 측정하여 그 결과를 데이터베이스로 구축하는 단계를 포함하며; 실제 교량에 설치된 로드셀 삽입형 하중계측용 포트받침에 대해 로드셀의 하중측정값을 취득하여 실제 교량에 가해지는 교량하중을 산출하는 과정은, 측정된 로드셀 하중측정값을 사전 설정된 회귀분석식에 대입하여 해당 교량에서 작용하는 교량하중을 연산하게 것을 포함하는 것을 특징으로 하는 로드셀 삽입형 하중계측용 포트받침을 이용한 교량하중 측정방법이 제공된다.

본 발명에 의하면, 우수한 정밀도를 갖는 로드셀 삽입형 하중계측용 포트받침의 제작이 가능하게 된다. 특히, 본 발명에 따른 로드셀 삽입형 하중계측용 포트받침은 현장에서의 온도에 따른 보정이 반영된 상태로 교량하중을 정밀하게 측정할 수 있으며, 그에 따라 교량의 시공관리 및 유지관리의 효율성을 향상시킬 수 있게 된다.

구체적으로 본 발명에 의하면, 로드셀 포트받침에서 발생하는 캔틸레버부의 연직처짐 변형량과 하중 감지 버튼의 연직하강 변형량이 동일하게 되며, 그에 따라 하중 감지 버튼의 상단에서 탄성부재와 접촉하게 되는 접촉면적에 변화가 발생하지 않거나 최소화되어 로드셀 포트받침의 측정 정밀도를 크게 향상시킬 수 있게 되는 효과가 발휘된다.

또한 본 발명에 의하면, 하중 감지 버튼의 상단이 탄성부재에 접촉될 때 하중 감지 버튼의 상단 주위에서 발생하는 탄성부재의 국부적인 변형을 최대한 억제할 수 있으며, 따라서 하중 감지 버튼의 상단이 접촉하게 되는 위치에서 탄성부재의 내구성을 향상시킬 수 있게 되는 효과가 발휘된다.

더 나아가, 본 발명에 의하면, 로드셀 포트받침이 실제 교량에 설치되어 상당한 외기 온도변화를 겪게 되더라도, 본 발명에 따른 온도보정을 통해 현재의 계측된 하중측정값의 변화가 온도변화에 의한 영향이 아닌 교량에 작용하는 교량하중의 변화 또는 교량 구조계의 변화에 의한 결과가 되며, 따라서 이를 교량의 하중조건이나 상태변화를 감지하는데 유용하게 사용할 수 있게 되는 장점이 있다.

도 1 및 도 2는 각각 종래 기술에 따른 고정단 형식의 로드셀 삽입형 하중계측용 포트받침을 분해된 상태로 바라보는 방향을 달리하여 도시한 개략적인 분해사시도이다.
도 3은 도 1에 도시된 종래 기술의 하중계측용 포트받침이 조립된 상태를 단면형태로 도시한 도 1의 선 B-B에 따른 개략적인 단면도이다.
도 4는 종래 기술에 따른 일방향 가동단 형식의 로드셀 포트받침에 대한 개략적인 분해사시도이다.
도 5는 도 4에 도시된 로드셀 포트받침의 조립 상태에 대한 개략적인 단면도이다.
도 6은 종래 기술에 따른 양방향 가동단 형식의 로드셀 포트받침에 대한 개략적인 분해사시도이다.
도 7은 도 6에 도시된 로드셀 포트받침의 조립 상태에 대한 개략적인 단면도이다.
도 8은 종래 기술에서 포트부재의 캔틸레버부 아래에 로드셀이 설치된 상태를 확대하여 보여주는 도 3의 원 A부분에 대한 개략적인 확대도이다.
도 9는 본 발명에 따른 포트받침의 초기 상태를 보여주는 도 8에 대응되는 캔틸레버부와 로드셀에 대한 개략적인 확대 단면도이다.
도 10은 교량하중이 작용하여 하중 감지 버튼의 연직하강 변형과 캔틸레버부의 연직처짐 변형이 발생된 것을 보여주는 도 9에 대응되는 개략적인 확대 단면도이다.
도 11은 본 발명에 따라 로드셀 배치상세를 결정하는 과정을 보여주는 개략적인 흐름도이다.
도 12는 교량하중 재하시 캔틸레버부의 휨거동을 해석하기 위한 해석모델에 대한 개략도이다.
도 13은 유한요소법에 따른 구조해석법에 의해 캔틸레버부의 휨거동을 시뮬레이션하여 해석하는 것을 보여주는 개략도이다.
도 14는 로드셀 포트받침에 가력하중이 작용하고 로드셀에서 하중측정값이 측정되는 것을 보여주는 개략적인 단면도이다.
도 15는 실험에 의해 도출된 가력하중과 하중측정값의 측정 결과에 대한 그래프도이다.
도 16은 종래 기술에 의한 로드셀 포트받침에 대해 실험을 수행하여 구해진 가력하중과 로드셀의 하중측정값의 회귀분석식을 개념적으로 보여주는 그래프도이다.
도 17은 본 발명에 따른 로드셀 포트받침에 대해 실험을 수행하여 구해진 가력하중과 로드셀의 하중측정값의 회귀분석식을 개념적으로 보여주는 도 16에 대응되는 그래프도이다.
도 18은 본 발명의 로드셀 포트받침에서의 가력하중과 로드셀의 하중측정값의 관계를 개념적으로 보여주는 그래프도이다.
도 19는 본 발명의 로드셀 포트받침에서의 가력하중과 로드셀의 하중측정값간의 회귀분석식을 도출하는 과정에 대한 개략적인 흐름도이다.
도 20은 본 발명에 따라 기준 온도에 대해 산출된 가력하중과 로드셀의 하중측정값 간의 회귀분석식을 보여주는 그래프도이다.
도 21은 기준 온도 및 측정온도에서의 하중가력실험을 통해서 구해진 가력하중과 로드셀의 하중측정값 간의 회귀분석식을 보여주는 그래프도이다.

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.

본 발명에 따른 로드셀 포트받침(100)은, 앞서 도 1 내지 도 7을 참조하여 살펴본 종래기술의 경우와 마찬가지로, 오목홈(19)이 형성된 포트형상을 가지고 있어서 오목홈(19)에 두께를 가지는 판형상의 탄성부재(13)가 담겨지는 포트부재(10)와, 하면에는 오목홈(19)에 삽입되는 삽입부(18)가 구비되어 있으며 포트부재(10) 위에 덮이도록 설치되어 교량하중이 재하되면 삽입부(18)가 탄성부재(13)를 가압하게 되는 상부판(12)과, 포트부재(10) 내에 배치되어 하중 감지 버튼(21)의 연직하강 변형량에 따라 교량하중을 측정하는 로드셀(2)과, 두께를 가지는 판형상의 부재로 이루어져 오목홈(19)에 담겨져서 상부판(12)을 통해서 교량하중이 가해지면 가압되면서 오목홈(19)의 하면을 가압하여 교량하중을 포트부재(10)에 전달하는 탄성부재(13)를 포함하여 구성된다.

포트부재(10)의 오목홈(19) 하면에는 관통구멍(17)이 형성되어 있고, 관통구멍(17) 형성 위치에서 오목홈(19) 하면 아래에는 빈 공간이 형성되어 있어서 상기 빈 공간에 로드셀(2)이 삽입 배치되며, 오목홈(19)에 형성된 상기 관통구멍에 하중 감지 버튼(21)이 삽입하여 위치한다. 따라서 포트부재(10)의 오목홈 하면에서 로드셀(2)이 배치되는 빈 공간 즉, 로드셀 배치공간이 형성된 위치에서 포트부재(10)의 하면은 캔틸레버부(11)를 이루게 된다. 이와 같은 본 발명에 따른 로드셀 포트받침(100)의 기본적인 구성은 도 1 내지 도 7에 도시된 것과 동일하므로 이에 대한 설명은 앞서 종래 기술과 관련한 설명으로 대신한다.

한편, 본 발명의 로드셀 포트받침(100)이 도 1 내지 도 3에 도시된 것처럼 고정단 형식의 것에 해당하는 경우에는 삽입부(18)가 상부판(12)의 하면에서 일체로 하향 돌출된 형태로 구비되지만, 도 4 및 도 5에 도시된 것처럼 일방향 가동단 형식의 것이거나 또는 도 6 및 도 7에 도시된 것처럼 양방향 가동단 형식의 것에 해당하는 경우에는 삽입부(18)와 상부판(12)이 서로 분리된 구성을 가진다. 구체적으로 도 4 및 도 5에 도시된 것처럼 일방향 가동단 형식의 로드셀 포트받침(100)에서는 삽입부(18)는 상부판(12)과 분리된 별도의 판부재로 이루어지며, 삽입부(18)의 상면과 상부판(12)의 하면 사이에는 일방향으로 연장된 볼록부(180)와 이에 대응되는 오목부(121)의 결합 구조가 존재한다. 삽입부(18)의 상면과 상부판(12)의 하면 사이에는 마찰 저감부재가 배치된다. 한편, 도 6 및 도 7에 도시된 양방향 가동단 형식의 로드셀 포트받침(100)의 경우, 삽입부(18)는 상부판(12)과 분리된 별도의 판부재로 이루어지며, 삽입부(18)의 상면과 상부판(12)의 하면 사이에는 마찰 저감부재(120)가 배치되어 있지만, 일방향 가동단 형식의 로드셀 포트받침(100)과 달리, 삽입부(18)의 상면과 상부판(12)의 하면 사이에는 일방향으로 연장된 볼록부-오목부의 결합 구조가 존재하지 않는다.

본 발명의 중요 특징은 로드셀 포트받침(100)에서 탄성부재(13)가 위치하는 포트부재(10)와 관련한 것이므로, 본 발명에서 탄성부재(13)를 가압하는 삽입부(18) 위쪽의 상부판(12)의 결합 구성은, 위에서 예시한 고정단 형식, 일방향 가동단 형식, 및 양방향 가동단 형식을 비롯하여 다양한 종래 기술을 이용할 수 있다.

본 발명에 따른 로드셀 포트받침의 제작방법은 위와 같은 구성을 가지는 로드셀 포트받침(100)을 제작하는 방법인데, 구체적으로 탄성부재(13)가 담겨질 오목홈(19)이 형성되며 오목홈(19)의 하면에는 로드셀(2)이 삽입될 로드셀 배치공간이 형성되어 오목홈(19)의 하면에는 캔틸레버부(11)가 형성되고 오목홈(19)에는 로드셀(2)의 하중 감지 버튼(21)이 삽입될 관통구멍이 형성되도록 포트형상의 포트부재(10)를 제작하고, 하중 감지 버튼(21)이 오목홈(19)에 형성된 관통구멍에 삽입되도록 로드셀(2)을 캔틸레버부(11)가 형성되어 있는 포트부재(10)의 로드셀 배치공간 내에 배치하며, 오목홈(19)에 탄성부재(3)를 배치하고, 오목홈(19)에 삽입부(18)가 삽입되도록 상부판(12)을 포트부재(10) 위에 씌우는 과정을 포함한다. 앞서 설명한 것처럼, 본 발명에서 삽입부(18)와 상부판(12)은 하나의 부재로 이루어질 수도 있지만, 서로 분리된 부재로 각각 제작될 수도 있으므로, 오목홈(19)에 삽입부(18)가 삽입되도록 상부판(12)을 포트부재(10) 위에 씌우는 작업은, 하면에 삽입부(18)가 형성되도록 상부판(12)을 제작하여 이를 포트부재(10) 위에 씌우는 형태로 이루어질 수도 있고, 삽입부(18)를 별도의 두께를 가지는 판부재로 제작하여 삽입부(18)의 하부가 오목홈(19)에 끼워지도록 한 후, 삽입부(18)의 위로 상부판(12)을 결합하는 형태로 이루어질 수도 있다.

우수한 측정 정밀도와 신뢰도를 가지기 위해서는 위와 같은 본 발명의 제작방법에 의해 로드셀 포트받침을 제작할 때, 포트부재 제작단계가 매우 중요하며, 특히 포트부재를 제작할 때, 포트부재의 오목홈 하면 아래에서 로드셀 배치공간을 어떤 크기로 형성할 것인지, 그리고 관통구멍은 어떤 크기로 형성할 것인지가 중요하다.

그런데 종래기술에서는 앞서 살펴본 것처럼 단지 관통구멍 내면이 하중 감지 버튼(21)에 닿는 것을 방지하는 것(하중 감지 버튼과 관통구멍 사이의 횡측유격 확보), 및 캔틸레버부(11)의 휨변형에 의해 캔틸레버부(11)가 로드셀(2)의 본체 상면에 닿는 것을 방지하는 것(캔틸레버부 저면과 로드셀 본체 상면 사이의 연직유격 확보)만을 고려하여 포트부재를 설계하고 제작하였다. 그렇지만 앞서 살펴보았듯이 종래기술에서의 위와 같은 고려사항만으로는 높은 측정 정밀도와 신뢰도를 가지는 포트받침을 제작할 수 없다.

이러한 한계를 해결하기 위하여, 본 발명에서는 종래기술에서 고려하였던 사항에 더하여, 교량 상부구조물로부터 교량하중이 가해져서 로드셀(2)의 하중 감지 버튼(21)이 포트부재(10)의 관통구멍 내에서 하향으로 움직일 때, 캔틸레버부(11)가 교량하중으로 인하여 아래로 처지게 되는 연직처짐 변형량이 하중 감지 버튼(21)의 연직하강 변형량과 동일하게 되도록 포트부재를 제작한다.

도 9에는 본 발명의 로드셀 포트받침(100)에서 아직 가력하중이 작용하지 않는 "초기 상태"를 보여주는 도 8에 대응되는 캔틸레버부(11)와 로드셀(2)에 대한 개략적인 확대 단면도가 도시되어 있고, 도 10에는 도 9의 상태에 후속하여 교량하중이 작용하여 로드셀의 하중 감지 버튼이 연직하강 변형됨과 동시에 캔틸레버부(11)가 연직처짐 변형된 "하중가력 상태"를 보여주는 도 9에 대응되는 개략적인 확대 단면도가 도시되어 있다. 도 10에서 화살표는 교량 상부구조물로부터 가해져서 탄성부재(13)를 통해서 정수압 형태로 포트부재(10)에 작용하는 등분포 형태의 교량하중이며, 점선은 초기 상태를 나타내는 것이다.

교량 상부구조물로부터의 교량하중이 상부판(12)에 가해지면 상부판(12)과 포트부재(10) 사이에 존재하는 탄성부재(13)는 정수압 상태에 있게 되며, 그에 따라 교량하중은 탄성부재(13)를 통해서 포트부재(10)의 상면과 하중 감지 버튼(21)에 가해지게 되고, 도 10에 도시된 것처럼, 하중 감지 버튼(21)이 연직하강 함과 동시에, 포트부재(10)에서 관통구멍(17)의 주변에 존재하는 캔틸레버부(11)는 휨변형에 의해 아래로 처지게 된다. 만일 휨변형에 의해 발생하게 되는 캔틸레버부(11)의 연직처짐 변형량이, 하중 감지 버튼(21)이 하중으로 인해 연직하게 하강하는 변형량 즉, 연직하강 변형량보다 클 경우에는, 캔틸레버부(11)가 하중 감지 버튼(21)보다 빨리 아래로 내려가게 되므로 탄성부재(13)와 접촉하게 되는 하중 감지 버튼(21) 상단의 접촉면이 증가하게 된다. 반대로, 캔틸레버부(11)의 연직처짐 변형량이 하중 감지 버튼(21)의 연직하강 변형량보다 작을 경우에는, 하중 감지 버튼(21)이 캔틸레버부(11)보다 먼저 아래로 내려가게 되므로, 탄성부재(13)와 접촉하게 되는 하중 감지 버튼(21) 상단의 접촉면이 줄어들게 된다. 즉, 캔틸레버부(11)의 연직처짐 변형량과 하중 감지 버튼(21)의 연직하강 변형량이 상이할 경우에는, 하중 감지 버튼(21)의 상단에서 탄성부재(13)와 접촉하게 되는 접촉면적에 변화가 발생하게 되며, 하중 감지 버튼(21)의 접촉면적 변화는 결국 로드셀 포트받침(100)에서 작용하는 가력하중과 로드셀(2)에서 측정되는 하중 측정값간의 수학적 관계에서의 비선형성이 커지게 되고 측정의 정밀도가 떨어지게 된다. 또한 캔틸레버부(11)의 연직처짐 변형량과 하중 감지 버튼(21)의 연직하강 변형량이 상이한 경우, 하중 감지 버튼(21)의 상단이 탄성부재(13)에 접촉될 때, 하중 감지 버튼(21)의 상단 주위에서 탄성부재(13)에 국부적인 큰 변형이 발생하게 되고, 그에 따라 하중 감지 버튼(21)의 상단이 접촉하게 되는 위치에서 탄성부재(13)의 내구성이 크게 저하되는 문제점이 발생하게 된다.

이러한 문제점을 해결하기 위하여, 본 발명에 따른 로드셀 포트받침 제작방법에서는, 상기한 포트받침 제작단계에서, 교량하중으로 인하여 캔틸레버부(11)가 아래로 처지게 되는 연직처짐 변형량과 하중 감지 버튼(21)의 연직하강 변형량이 동일하게 만드는 "로드셀 배치상세(詳細)"를 결정하고, 이렇게 결정된 "로드셀 배치상세(詳細)"를 가지도록 포트받침을 제작하게 된다.

도 11에는 포트받침 제작단계에서 본 발명에 따라 "로드셀 배치상세"를 결정하는 과정을 보여주는 개략적인 흐름도가 도시되어 있다. 본 발명에서 "로드셀 배치상세(詳細)"는, 로드셀 배치공간의 연직유격(G1) 및 캔틸레버부(11)의 두께(H)를 포함하는, 여기서, 로드셀 배치공간의 연직유격(G1)은 도 8에 도시된 것처럼 로드셀이 배치되는 로드셀 배치공간에서 캔틸레버부(11)의 저면과 로드셀 본체 상면 사이의 간격을 의미한다. 필요에 따라서는 하중 감지 버튼(21)과 관통구멍 내면 사이의 횡측유격(G2)이 로드셀 배치상세에 포함될 수도 있다.

본 발명에 따른 로드셀 포트받침의 제작방법에서 로드셀 배치상세를 결정하기 위해서는, 우선 로드셀 포트받침(100)의 용량을 결정한다(단계 S1). 즉, 로드셀 포트받침(100)이 측정할 수 있는 교량하중의 최대값을 결정하는 것이다. 후속하여, 사용하고자 하는 로드셀(2)을 선정한다(단계 S2). 로드셀(2)이 선정되면, 해당 로드셀(2)에 대해, "로드셀 배치상세"를 가정(假定)하여 임의로 설정한다(단계 S3). 즉, 로드셀 배치공간의 연직유격(G1) 및 캔틸레버부(11)의 두께(H)를 각각 임의로 가정하여 설정해두는 것이다. 물론 이러한 로드셀 배치상세의 임의 설정 단계에는, 하중 감지 버튼(21)이 관통구멍 내면에 닿지 않고 연직하강하게 되도록 하는 횡측유격(G2)을 설정하는 과정이 포함될 수도 있다.

한편, 단계 S3과 병행하여, 교량하중과 하중 감지 버튼(21)의 연직하강 변형량간의 관계를 산정한다(단계 S4). 로드셀(2)은, 하중 감지 버튼(21)에 수직력이 작용하게 되어 발생하는 하중 감지 버튼(21)의 연직하강 변형량을 이용하여 수직력을 측정하는 센서이다. 따라서 단계 S4에서는, 사용하고자 하는 로드셀(2)에 대하여, 가력하중이 작용하게 되었을 때 하중 감지 버튼(21)이 얼마 정도로 연직하게 하강할 것인지를 사전 실험이나 유한요소법 등의 공지의 구조해석법을 이용한 해석을 통해서 파악함으로써, 가력하중의 크기와 하중 감지 버튼(21)의 연직하강 변형량의 크기 간의 관계를 수학식 등의 형태로 미리 산정해두는 것이다.

위의 단계 S3에서 가정한 "로드셀 배치상세"를 가지는 로드셀 포트받침(100)에 대한 해석모델을 설정하고, 로드셀 포트받침의 해석모델에 가력하중이 재하되는 상황에서 "캔틸레버부에서 발생하는 최대응력", "캔틸레버부에서 발생하는 연직처짐 변형량" 및 "하중 감지 버튼의 연직하강 변형량"을 각각 산출한다(단계 S5). 즉, 단계 S5에서는, 앞서 설명한 단계 S3을 통해서 가정(假定)한 "로드셀 배치상세"를 가지는 로드셀 포트받침(100)에 가력하중이 재하되었을 때 포트부재(10)의 캔틸레버부(11)에 발생하는 휨거동을, 유한요소법 등의 공지의 구조해석법에 의하여 해석함으로써, 해당 가력하중이 재하되었을 때 캔틸레버부(11)에 발생하게 되는 연직처짐 변형량을 연산하게 된다. 도 12에는 가력하중 재하시 캔틸레버부의 휨거동을 해석하기 위한 로드셀 포트받침의 해석모델에 대한 개략도가 도시되어 있고, 도 13에는 유한요소법에 따른 구조해석법에 의해 캔틸레버부의 휨거동을 시뮬레이션하여 해석하는 것을 보여주는 개략도가 도시되어 있다. 도 12 및 도 13에 예시된 해석모델의 예에서는 로드셀 배치상세로서 캔틸레버부(11)의 두께(H)는 18mm로 하였다. 도 12 및 도 13에는 포트부재(10)의 오목홈 하면에서 관통구멍의 일측만을 도시하였다. 즉, 도 12 및 도 13은 도 3의 원 R 부분만을 도시한 것이다.

한편, 위와 같이 단계 S5에서는 캔틸레버부의 연직처짐 변형량 연산을 수행함과 더불어, 앞서 단계 S4를 통해서 파악해둔 가력하중과 하중 감지 버튼의 연직하강 변형량 간의 관계를 이용하여, 해당 가력하중 재하시에 발생하게 될 하중 감지 버튼(21)의 연직하강 변형량도 산출한다.

후속하여, 위 단계 S5에서 구해진 캔틸레버부의 최대응력과 해당 캔틸레버부가 가지는 허용응력을 비교하여 캔틸레버부의 안정성을 검토하고, 이와 더불어 캔틸레버부의 연직처짐 변형량이 미리 가정해둔 "로드셀 배치상세(詳細)" 중 연직유격(G1)(로드셀 배치공간에서의 캔틸레버부의 저면과 로드셀 본체 상면 사이의 간격) 미만인지를 판단하며, 이와 병행하여 위 단계 S5에서 구해진 캔틸레버부의 연직처짐 변형량과 하중 감지 버튼의 연직하강 변형량간의 차이가 미리 정해둔 오차 범위 미만인지를 판단한다(단계 S6). 즉, 단계 S5에서 구해진 캔틸레버부의 최대응력이 해당 캔틸레버부가 가지는 허용응력 미만인지의 여부를 판단하여 캔틸레버부의 안정성 여부를 판단하고("캔틸레버부의 최대응력 < 캔틸레버부의 허용응력"일 때를 "캔틸레버부의 안정성 확보"라고 판단함/제1조건 충족 여부의 판단), 교량하중이 작용하게 되어 캔틸레버부(11)가 휨변형에 의해 하향으로 처졌을 때 로드셀(2)의 본체 상면에 닿지 않는지를 판단하며(제2조건 충족 여부의 판단), 이와 병행하여 하중 감지 버튼(21)과 캔틸레버부(11)가 동일하게 아래로 처지게 되는지를 판단(제3조건 충족 여부의 판단)하게 되는 것이다.

만일 가력하중 작용시 캔틸레버부의 안정성이 확보되지 못하고, 가력하중으로 인해 캔틸레버부(11)가 처져서 로드셀(2)의 본체 상면에 닿거나 또는 하중 감지 버튼(21)과 캔틸레버부(11)의 하향 처짐량이 서로 상이한 경 즉, 제1조건, 제2조건 및 제3조건 중 어느 하나라도 충족하지 못하는 경우에는, 다시 앞서 살펴본 단계 S3로 회귀하여 로드셀(2)에 대한 "로드셀 배치상세"를 변경하여 다시 새로운 내용으로 "로드셀 배치상세"를 가정하게 된다. 새로운 로드셀 배치상세가 가정되면, 앞서 살펴본 단계 S4부터 단계 S6을 다시 수행하게 된다. 종국적으로 단계 S6을 거쳐서, 캔틸레버부의 안정성이 확보되며, 해석에 의해 산출된 캔틸레버부의 연직처짐 변형량이 미리 가정해둔 "로드셀 배치상세(詳細)" 중 연직유격(G1) 미만이고, 해석에 의해 산출된 캔틸레버부의 연직처짐 변형량과 하중 감지 버튼의 연직하강 변형량간의 차이가 사전 설정된 오차 범위 미만이 되면, 즉, 제1조건, 제2조건 및 제3조건이 모두 만족하게 되면, 가정해두었던 해당 로드셀 배치상세에 맞추어서 포트부재(10)를 제작한다.

본 발명의 로드셀 포트받침(100)은, 위에서 설명한 단계를 포함하는 로드셀 배치상세 결정과정에 따라 정해진 로드셀 배치상세를 가지게 되며, 따라서 본 발명의 로드셀 포트받침(100)에서 캔틸레버부(11)는 가력하중으로 인한 캔틸레버부의 연직처짐 변형량과 하중 감지 버튼의 연직하강 변형량이 동일하게 되는 두께(H)를 가지게 된다. 즉, 본 발명의 로드셀 포트받침(100)은, 종래기술처럼, 교량 상부구조물로부터 실제 교량하중이 가해져서 탄성부재(13)가 포트부재(10)의 상면을 가압함으로 인하여 캔틸레버부(11)가 휨변형되더라도 캔틸레버부(11)가 로드셀(2)의 본체 상면에 닿지 않게 되는 연직유격(G1) 및 하중 감지 버튼(21)이 관통구멍(17)의 내면에 닿지 않고 연직하강하게 되는 횡측유격(G2)을 가지고 있을 뿐만 아니라, 이에 더하여 가력하중으로 인한 캔틸레버부의 연직처짐 변형량과 하중 감지 버튼의 연직하강 변형량이 동일하게 되는 두께(H)를 가지는 캔틸레버부(11)를 구비하고 있는 것이다.

따라서 본 발명에 따른 로드셀 포트받침(100)에서는 캔틸레버부(11)의 연직처짐 변형량과 하중 감지 버튼(21)의 연직하강 변형량이 동일하게 되며, 그에 따라 하중 감지 버튼(21)의 상단에서 탄성부재(13)와 접촉하게 되는 접촉면적에 변화가 발생하지 않거나 최소화 된다. 따라서 본 발명에서는 종래 기술에서와 같이 하중 감지 버튼(21)의 접촉면적 변화로 인한 가력하중과 하중 측정값간의 수학적 관계에서의 비선형성을 최대한 억제할 수 있으며 측정의 정밀도 역시 크게 향상시킬 수 있게 된다. 또한 본 발명에서는 캔틸레버부(11)의 연직처짐 변형량과 하중 감지 버튼(21)의 연직하강 변형량이 동일하게 되므로, 하중 감지 버튼(21)의 상단이 탄성부재(13)에 접촉될 때 하중 감지 버튼(21)의 상단 주위에서 발생하는 탄성부재(13)의 국부적인 변형을 최대한 억제할 수 있으며, 따라서 하중 감지 버튼(21)의 상단이 접촉하게 되는 위치에서 탄성부재(13)의 내구성을 향상시킬 수 있게 된다.

더 나아가, 위와 같은 과정에 의해 로드셀 배치상세가 결정되어 제작되는 본 발명의 로드셀 포트받침(100)은, 후술하는 본 발명에 따른 온도보정 방법에 의해, 온도변화에 따른 측정값의 보정이 매우 용이하게 된다는 장점이 있다.

본 발명의 로드셀 포트받침을 이용한 교량하중 측정방법에서는, 사전 실험을 통해서, 로드셀 포트받침(100)에 하중을 재하하고 그 때의 로드셀(2)의 하중측정값을 취득하되, 로드셀 포트받침에 가하지는 하중("가력하중")을 변화시키면서 로드셀(2)의 하중측정값 취득을 반복하고, 이러한 사전 실험에 의해 구해진 결과를 이용하여 재하되는 가력하중과 로드셀의 하중측정값 간의 수학적인 관계를 파악한 후, 해당 로드셀 포트받침을 현장의 실제 교량에 설치하여, 교량의 상부구조물에 의해 교량하중이 작용할 때의 로드셀의 하중측정값을 취득하여, 사전 실험으로 미리 설정된 "가력하중과 로드셀의 하중측정값 간의 수학적인 관계"를 이용하여 실제 교량에서 로드셀 포트받침에 작용하는 교량하중을 산출하게 된다. 즉, 본 발명에 따른 로드셀 포트받침을 이용한 교량하중 측정방법은, 로드셀 포트받침에 가하지는 가력하중과 로드셀의 하중측정값 간의 수학적인 관계를 사전 실험을 통해서 미리 산출하여 설정하는 단계; 교량의 설치 현장에 설치하여 교량의 상부구조물에 의해 실제 교량하중이 작용할 때의 로드셀의 하중측정값을 취득하는 단계; 및 사전 설정된 가력하중과 로드셀의 하중측정값 간의 수학적인 관계를 이용하여 실제 교량에서 작용하게 되는 교량하중을 산출하는 단계를 포함하는 것이다.

도 14에는 로드셀 포트받침(100)에 가력하중(영어 대문자 F로 표시됨)이 작용하고, 그에 따라 로드셀(2)에서 하중측정값(영어 소문자 f로 표시됨)이 측정되는 것을 보여주는 개략적인 단면도가 도시되어 있고, 도 15에는 실험에 의해 도출된 가력하중(F)과 하중측정값(f) 측정 결과에 대한 그래프도가 도시되어 있다.

로드셀 포트받침(100)에 대한 사전 실험을 통해 구해진 가력하중(F)과 로드셀의 하중측정값(f)간의 수학적인 관계는 선형회귀분석에 의해 산출할 수 있는데, 선형회귀분석을 수행하게 되면, 도 15에 도시된 것처럼 붉은색 점선으로 표시된 직선의 형태로 관계식이 도출되며, "회귀분석에 의한 가력하중(F)과 로드셀의 하중측정값(f)간의 수학적 관계식"(이하, "회귀분석식"이라고 함)은 아래의 수학식 1과 같이 표현될 수 있다.

상기 수학식 1에서 영어 대문자 F는 가력하중(F)을 의미하며, 영어 소문자 f는 로드셀의 하중측정값(f)을 의미하며, A는 가력하중(F)과 로드셀의 하중측정값(f)의 선형회귀분석식의 직선 기울기이고 B는 절편이다.

그런데 실험에 의하면, 가력하중(F)과 로드셀의 하중측정값(f)의 회귀분석식에서 직선의 기울기 A 및 절편 B는 모두 로드셀 포트받침(100)에 가력하중이 가해질 때의 온도에 의존하여 변화된다.

한편, 도 15에 도시된 것처럼, 가력하중 F가 큰 구간("고하중 구간")에서는 가력하중(F)과 로드셀의 하중측정값(f)의 회귀분석식이 선형성을 보이지만, 가력하중 F가 작은 구간("저하중 구간")에서는 가력하중(F)과 로드셀의 하중측정값(f)의 회귀분석식이 비선형성을 보인다. 앞서 언급한 것처럼 로드셀 포트받침(100)에서는, 가력하중(F)과 로드셀의 하중측정값(f)의 회귀분석식의 직선 기울기와 절편은 가력하중이 가해질 때의 온도에 의존하여 변화되는데, 특히 종래 기술에 의한 로드셀 포트받침의 경우에는 회귀분석식이 선형성을 보이는 고하중 구간에서 회귀분석식의 직선 기울기마저도 온도에 따라 달라지는 경향을 보인다. 도 16에는 종래 기술에 따른 로드셀 포트받침에 대해 실험을 수행하여 구해진 가력하중(F)과 로드셀의 하중측정값(f)의 회귀분석식에 의한 직선을 개념적으로 보여주는 그래프도로서 온도를 달리할 경우에 도출된 회귀분석식의 직선에 대한 그래프도가 도시되어 있다. 도 16의 원 LF로 표시된 작은 가력하중 F가 가해지는 저하중 구간(LF)에서는 높은 온도의 실험조건이나 낮은 온도의 실험조건 모두 회귀분석식이 비선형성을 보이고 있고, 심지어 도 16의 원 HF로 표시된 큰 가력하중 F가 가해지는 고하중 구간(HF)에서 조차도, 높은 온도의 실험조건이나 낮은 온도의 실험조건 모두 회귀분석식이 비선형성을 보이고 있다.

그러나 위에서 살펴보았던 본 발명의 방법에 의해 결정된 로드셀 배치상세를 가지는 로드셀 포트받침(100)의 경우에는, 큰 가력하중 F가 가해지는 고하중 구간에서는, 온도의 실험조건이나 낮은 온도의 실험조건 모두, 회귀분석식이 선형성을 보일 뿐만 아니라, 더 나아가 회귀분석식의 직선이 실질적으로 동일한 기울기를 가진다. 도 17에는 본 발명에 따른 로드셀 포트받침에 대해 실험을 수행하여 구해진 가력하중(F)과 로드셀의 하중측정값(f)의 회귀분석식을 개념적으로 보여주는 도 16에 대응되는 그래프도로서 온도를 달리할 경우에 도출된 회귀분석식의 그래프도가 도시되어 있다. 도 17의 원 LF로 표시된 작은 가력하중 F가 가해지는 저하중 구간(LF)에서는 종래 기술과 마찬가지로 높은 온도의 실험조건이나 낮은 온도의 실험조건 모두 회귀분석식이 비선형성을 보이고 있지만, 본 발명의 경우, 도 17의 원 HF로 표시된 큰 가력하중 F가 가해지는 고하중 구간(HF)에서도, 종래 기술과 달리, 높은 온도의 실험조건이나 낮은 온도의 실험조건 모두 회귀분석식이 선형성을 보일 뿐만 아니라, 그 회귀분석식이 실질적으로 동일한 기울기를 가지는 직선의 형태가 되는 것이다.

따라서 앞서 설명한 내용에 따라 로드셀 배치상세가 결정되어 있는 구성을 가지는 본 발명의 로드셀 포트받침(100)은, 다음에서 설명하는 온도변화에 따른 측정값 보정이 이루어진 형태로 사용될 수 있으며, 따라서 이러한 방법에 의하여 교량하중을 측정하게 되면, 측정 결과의 신뢰도와 정확도를 크게 높일 수 있게 된다.

앞서 도 15 및 수학식 1과 관련하여 살펴본 것처럼 실제 교량이 사용되는 동안에 교량 상부구조물로부터 로드셀 포트받침에 작용하게 되는 교량하중이 속하게 되는 가력하중 F의 고하중 구간에서, 가력하중(F)과 로드셀의 하중측정값(f)의 회귀분석식은 기울기 A와 절편 B를 가지는 1차 방정식의 형태로 구해질 수 있으므로, 다양한 온도 조건에 대해 개별적인 실험을 수행하여, 가력하중(F)과 로드셀의 하중측정값(f)을 측정하고, 이를 이용하여 각각의 온도 조건에 해당하는 가력하중(F)과 로드셀의 하중측정값(f)의 측정치를 그래프로 도시하여, 해당 그래프에 대해 선형회귀분석을 통해서 직선의 기울기 A와 절편 B를 구함으로써, 가력하중(F)과 로드셀의 하중측정값(f)간의 수학적 관계를 파악할 수 있다. 그러나 로드셀 포트받침의 총 용량까지 가력하중을 가하는 하중가력실험을 다양한 온도 조건에서 실험하여, 매번 위와 같은 가력하중(F)과 로드셀의 하중측정값(f)의 회귀분석식을 산출한다는 것은 현실적으로 불가능하다.

앞서 언급한 것처럼, 본 발명의 로드셀 배치상세 결정방법에 의해 결정된 로드셀 배치상세를 가지는 로드셀 포트받침(100)의 경우에는, 큰 가력하중 F가 가해지는 고하중 구간에서는 온도의 실험조건이나 낮은 온도의 실험조건 모두 가력하중(F)과 로드셀의 하중측정값(f)간의 회귀분석식이 선형성을 보일 뿐만 아니라, 그 선형의 회귀분석식의 직선이 실질적으로 동일한 기울기를 가진다. 따라서 본 발명에서는 아래의 설명하는 방식을 이용하여 온도에 따른 보정이 추가된 가력하중(F)과 로드셀의 하중측정값(f)의 회귀분석식을 산출하고, 이렇게 산출된 회귀분석식을 이용하여 실제 교량에서 가해지는 교량하중을 측정하게 된다.

도 18은 본 발명의 로드셀 포트받침(100)에서의 가력하중(F)과 로드셀의 하중측정값(f)의 관계를 개념적으로 보여주는 그래프도이며, 아래의 수학식 2는 도 18에 도시된 그래프도에서 가력하중(F)과 로드셀의 하중측정값(f)의 회귀분석식으로서 직선의 관계를 가질 경우의 관계식이다.

위 수학식 2에서, 영어 대문자 F는 가력하중(F)을 의미하며, 영어 소문자 f는 로드셀의 하중측정값(f)을 의미한다. 그리고

는 온도(T)에서 가력하중(F)과 로드셀의 하중측정값(f)의 관계가 선형으로 되는 시점에서의 가력하중이 가해질 때의 로드셀 하중측정값이다.

앞서 설명한 것처럼 본 발명에 따른 교량하중 측정방법에서는 로드셀 포트받침(100)에서, 가력하중(F)과 로드셀의 하중측정값(f) 간의 수학적인 관계인, 가력하중(F)과 로드셀의 하중측정값(f)의 회귀분석식을 사전 실험을 통해서 미리 설정해두고, 로드셀 포트받침(100)을 실제 교량에 설치하여 교량하중에 따른 로드셀의 하중측정값을 취득하여, 취득된 하중측정값을 사전 실험으로 미리 설정해둔 가력하중(F)과 로드셀의 하중측정값(f)의 회귀분석식에 대입하여 교량하중을 측정하게 된다.

이러한 본 발명의 교량하중 측정방법에서, 사전 실험을 통해 가력하중(F)과 로드셀의 하중측정값(f)의 회귀분석식을 미리 설정함에 있어서는 온도에 따른 보정이 가능한 상기한 수학식 2를 미리 산출하게 된다.

이와 같이 수학식 2를 산출하는 방법은, 기준 온도를 설정하고, 온도에 의존하지 않는 상수 즉, 실험할 때의 온도가 달라져도 상수값을 유지하게 되는 수학식 2에서의

및

은 각각 하중가력실험을 통해 구한 후,

가 일정하게 유지된 상태에서 온도만을 변화시키는 실험을 통해

은 산출하는 과정을 포함하고 있다. 도 19에는 이와 같이 온도 보정이 반영된 가력하중(F)과 로드셀의 하중측정값(f)의 회귀분석식(구체적으로는 수학식 2)을 사전 실험을 통해서 설정하는 구체적인 과정에 대한 개략적인 흐름도가 도시되어 있다.

우선 로드셀 포트받침(100)을 통해서 교량하중을 측정할 때 요구되는 측정 정밀도를 설정한다(단계 C1). 앞서 도 15와 관련하여 살펴본 것처럼, 로드셀 포트받침(100)에 가력하중이 작용할 때, 가력하중이 작은 저하중 구간에서는 가력하중과 로드셀의 하중측정값은 비선형성을 보이게 되고 가력하중이 특정 값 이상이 되어야만 가력하중과 로드셀의 하중측정값이 선형의 관계를 가지게 된다. 따라서 가력하중과 로드셀의 하중측정값에 대해 선형회귀분석을 수행하여 수학적인 관계를 직선의 형태로 산출할 때, 비선형성을 보이는 측정값이 많이 포함될수록 직선으로 표현되는 회귀분석식에 대한 정확도와 신뢰도가 저하되고, 그 반대로 비선형성을 보이는 측정값이 적게 포함될수록 선으로 표현되는 회귀분석식에 대한 정확도와 신뢰도가 증가하게 된다. 즉, 위의 수학식 2로 표현되는 직선의 회귀분석식에서의

은 희망하는 측정 정확도와 신뢰도 즉, 측정 정밀도에 따라 결정되는 것이다. 따라서 사전 실험을 수행할 때에는, 교량하중 측정에서 요구되는 또는 희망하는 측정 정밀도를 설정하는 것을 우선적으로 수행하여야 하는 것이다.

희망하는 측정 정밀도가 결정되면, 기준 온도

은 임의로 설정하고, 설정된 기준 온도

에서 하중가력실험을 수행하여 가력하중(F)을 변화시켜가면서 로드셀의 하중측정값(f)을 측정한 후, 선형회귀분석을 수행하여 앞서 살펴본 수학식 1과 같은 1차원 방식으로 이루어진 기준 온도

에서의 가력하중(F)과 로드셀의 하중측정값(f)의 회귀분석식을 산출한다(단계 C2). 도 20은 위 단계 C2에 의해 구해진 가력하중(F)과 로드셀의 하중측정값(f) 간의 관계에 대한 그래프도인데, 가력하중(F)을 변화시켜가면서 그 때마다의 로드셀에서의 하중측정값 f을 취득하여 표시함으로써 도 20에 도시된 형태의 가력하중(F)과 로드셀의 하중측정값(f) 간의 관계에 대한 그래프도를 취득하는 것이다. 따라서 위 단계 C2를 수행하게 되면, 기준 온도

에서의 가력하중(F)과 로드셀의 하중측정값(f)의 회귀분석식에 따른 직선의 기울기 A를 산정할 수 있게 된다. 즉, 도 20에 도시된 그래프에서 회귀분석식의 직선에 대한 기울기 A를 구할 수 있는 것이다.

위와 같이 기준 온도

에서의 하중가력실험에 의해 도출된 가력하중(F)과 로드셀의 하중측정값(f) 간의 회귀분석식에서 가력하중(F)과 로드셀의 하중측정값(f)의 관계가 선형으로 되는 시점의 교량하중 즉, "시점 가력하중(

)"을 임의로 선정한다(단계 C3). 즉, 기준 온도

에서 가력하중(F)을 변화시켜가면서 하중가력실험을 수행하여 각각의 가력하중에 대한 로드셀의 하중측정값 f을 취득하여 표시하여 만든 도 20의 그래프도에서 회귀분석식에서 가력하중(F)과 로드셀의 하중측정값(f)의 관계가 선형으로 되는 시점의 시점 가력하중(

)을 임의로 선정하는 것이다.

후속하여 위 단계 C3에서 가정한 시점 가력하중

을 로드셀 포트받침(100)에 재하한 상태에서 기준 온도

과

만큼 차이가 있는 또다른 측정 온도

로 실험환경을 만들어서, 하중가력실험에 의해 해당 측정 온도

에서의 로드셀의 하중측정값

을 취득한다(단계 C4). 즉, 새로운 측정 온도

에서의 위 단계 C3에서 선정한 시점 가력하중

이 로드셀 포트받침(100)에 재하되고 있는 상태에서의 로드셀 하중측정값

을 취득하는 것이다. 도 21은 위 단계 C2에 의해 구해진 가력하중(F)과 로드셀의 하중측정값(f) 간의 관계 그래프 즉, 기준 온도

에서의 하중가력실험을 통해서 구해진 가력하중(F)과 로드셀의 하중측정값(f) 간의 관계 그래프에 더하여 또다른 해당 측정 온도

에서의 로드셀의 하중측정값

을 표시한 그래프도이다. 도 21에서 로드셀 하중측정값

는 단계 C2에서 설정한 기준 온도

에서 시점 가력하중

이 로드셀 포트받침(100)에 재하될 때의 로드셀 하중측정값이고, 로드셀 하중측정값

는 측정 온도

에서 시점 가력하중

이 로드셀 포트받침(100)에 재하될 때의 로드셀 하중측정값이다. 그리고 도 21에서 로드셀 하중측정값

은 기준 온도

에서 가력하중이

이 작용할 때의 로드셀 하중측정값이고, 로드셀 하중측정값

은 측정 온도

에서 가력하중

이 작용할 때의 로드셀 하중측정값이다.

단계 C4에 후속하여 측정 온도

에서 시점 가력하중

을

만큼 증가시킨 새로운 가력하중 (

)를 하중가력실험에 의해 로드셀 포트받침(100)에 재하하여 그 때의 로드셀 하중측정값

을 취득한다(단계 C5). 또한 단계 C5에서는 기준 온도

에서 시점 가력하중

을

만큼 증가시킨 새로운 가력하중 (

)이 로드셀 포트받침(100)에 재하될 때의 로드셀 하중측정값

을 취득한다. 앞서 단계 C2에서 이미 기준 온도

에서의 하중가력실험을 통해서 가력하중(F)과 로드셀의 하중측정값 f간의 관계에 대한 그래프도를 도출한 상태이므로, 이렇게 이미 도출된 결과에서 가력하중 (

)일 때의 로드셀 하중측정값을

로 읽을 수 있다.

이상의 단계를 통해서 도출된

,

및

에 대해, 각각 "

와

간의 차이값"과 "

와

간의 차이값"을 연산하고, 두 차이값간의 차이가 허용 오차범위 이내인지의 여부를 판단한다(단계 C6). 즉,

와

간의 차이값인

을 산출하고,

와

간의 차이값인

을 산출한 후,

와

간의 차이값에 대한 절대값 즉,

을 산출한 후, 산출된

이 허용오차범위 값보다 작은 지의 여부를 판단하는 것이다.

만일

값이 허용 오차범위 값 이상인 경우에는, 단계 C5로 다시 복귀하여 시점 가력하중

을 증가시키는 하중 증가량

을 다시 설정한 상태에서 단계 C5 및 단계 C6을 다시 수행한다. 그러나 단계 C6에서

값이 허용 오차범위 값 미만인 경우에는, 그 때의 시점 가력하중

을 수학식 2의 영어 소문자 b의 값으로 삼으며, 앞서 단계 C2에서 도출하였던 기준 온도

에서의 하중가력실험(하중재하시험)을 통해서 취득된 가력하중

과 로드셀의 하중측정값 f의 회귀분석식에서의 직선 기울기 A를 수학식 2의 영어 소문자 a의 값으로 삼는다(단계 C7).

한편, 단계 C7에서 수학식 2의 영어 소문자 b의 값으로 삼은 시점 가력하중

이 로드셀 포트받침(100)에 가해진 상태에서, 온도 T를 변화시켜가면서 각각의 온도에서의 로드셀의 하중측정값 f을 측정하여 그 결과를 데이터베이스로 구축한다(단계 C8). 이렇게 측정된 로드셀의 하중측정값이 위 수학식 2의

에 대항하게 되는 것이다. 즉, 사전 실험을 통해서, 수학식 2의 영어 소문자 b의 값으로 삼은 시점 가력하중

이 로드셀 포트받침(100)에 가해진 상태에서, 온도 T를 변화시켜가면서 각각의 온도에서의 로드셀의 하중측정값 f을 측정하여 데이터베이스로서 구비하는 것이다. 이와 같이 구축된 데이터베이스는 편의상 "

값의 데이터베이스"라고 부른다.

위의 설명에서는 단계 C7을 설명한 이후에 단계 C8을 설명하고 있지만, 단계 C7과 단계 C8에 있어서는 이러한 설명 순서가 단계의 수행 순서를 의미하는 것은 아니다.

이러한 방식으로 사전 실험을 통해서, 수학식 2로 표현되는 온도 T에 따른 가력하중 F와 로드셀 하중측정값 f간의 수학적 관계식(회귀분석식)을 확정해두고, 로드셀 포트받침(100)을 실제 현장에서 교량에 설치해둔 상태에서, 필요할 때마다 로드셀 하중측정값과 그 때의 온도를 측정하고, 측정된 로드셀 하중측정값을 수학식 2의

에 대입한다. 그리고 단계 C8에서 구축해놓은 "

값의 데이터베이스"에서, 측정된 온도 T에 해당하는 로드셀 하중측정값을 읽어서, 수학식 2의

에 대입함으로써, 해당 교량에서 작용하는 교량하중 F를 수학식 2에 의해 연산하게 되는 것이다.

위에서 설명한 것처럼, 본 발명에서는 온도에 따른 보정이 적용된 가력하중 F와 로드셀 하중측정값 f간의 회귀분석식을 이용하여 교량하중을 측정하게 되므로, 현장에서의 다양한 온도 상황에도 높은 정밀도를 가지는 정확한 교량하중 측정결과를 도출할 수 있게 된다.

2: 로드셀
3: 탄성부재
10: 포트부재
11: 캔틸레버부
21: 하중 감지 버튼

Claims

오목홈(19)이 형성되어 있고 오목홈(19)의 하면에는 로드셀 배치공간이 형성되어 있어서 캔틸레버부(11)가 구비되어 있고 오목홈(19)에는 로드셀(2)의 하중 감지 버튼(21)이 삽입될 관통구멍이 형성되도록 포트형상의 포트부재(10)를 제작하고, 하중 감지 버튼(21)이 오목홈(19)에 형성된 관통구멍에 삽입되도록 로드셀(2)을 포트부재(10)의 로드셀 배치공간 내에 배치하며, 오목홈(19)에 탄성부재(3)를 배치하고, 오목홈(19)에 삽입부(18)가 삽입되도록 상부판(12)을 포트부재(10) 위에 씌우는 과정을 포함하여 로드셀 삽입형 하중계측용 포트받침(100)을 제작하는 방법에 있어서,
포트부재(10)를 제작하는 단계에서는, 로드셀 포트받침(100)이 측정할 수 있는 교량하중의 최대값에 해당하는 로드셀 포트받침(100)의 용량을 결정하는 단계;
사용하려는 로드셀을 선정하는 단계;
사용하려는 로드셀(2)에 교량하중이 작용하게 되었을 때 하중 감지 버튼(21)이 얼마 정도로 연직하게 하강할 것인지를 나타내는, 교량하중의 크기와 하중 감지 버튼(21)의 연직하강 변형량의 크기 간의 관계를 산정하며, 로드셀 배치상세로서 연직유격(G1)과 캔틸레버부(11)의 두께(H)를 가정하여 임의로 설정하는 로드셀 배치상세 임의설정 단계;
임의로 설정된 로드셀 배치상세를 가지는 포트부재를 포함하는 로드셀 포트받침의 해석모델을 설정하고, 해석모델의 로드셀 포트받침에 교량하중이 가해지는 상태에서 캔틸레버부(11)에서 발생하는 캔틸레버부(11)의 최대응력 및 캔틸레버부(11)에서 발생하는 연직처짐 변형량을 산출하고, 미리 산정해둔 교량하중의 크기와 하중 감지 버튼(21)의 연직하강 변형량의 크기 간의 관계를 이용하여, 해당 교량하중 재하시에 하중 감지 버튼(21)에서 발생하게 될 하중 감지 버튼(21)의 연직하강 변형량을 산출하는 단계;
산출된 캔틸레버부(11)의 최대응력이 해당 캔틸레버부가 가지는 허용응력 미만이어서 캔틸레버부의 안정성이 확보된 것인지를 판단하고(제1조건의 판단), 산출된 캔틸레버부(11)의 연직처짐 변형량이 로드셀 배치상세로서 미리 가정해둔 연직유격(G1) 미만이어서 캔틸레버부(11)가 휨변형에 의해 하향으로 처졌을 때 로드셀(2)의 상면에 닿지 않는지를 판단하며(제2조건의 판단), 이와 병행하여, 산출된 캔틸레버부(11)의 연직처짐 변형량과 하중 감지 버튼(21)의 연직하강 변형량간의 차이가 사전 설정된 오차 범위 미만이어서 하중 감지 버튼(21)과 캔틸레버부(11)가 동일하게 아래로 처지게 되는지를 판단하는(제3조건의 판단) 단계; 및
제1조건, 제2조건 및 제3조건을 판단한 결과, 제1조건, 제2조건 및 제3조건 중 어느 하나라도 충족하지 않는 경우에는 로드셀 배치상세를 새로운 내용으로 가정하여 상기한 로드셀 배치상세의 임의 설정 단계, 해석모델에 대한 캔틸레버부의 최대응력, 연직처짐 변형량 및 연직하강 변형량 산출 단계, 및 제1조건, 제2조건 및 제3조건의 판단 단계를 반복수행하며, 만일 제1조건, 제2조건 및 제3조건이 모두 만족하면, 설정하였던 해당 로드셀 배치상세를 확정하는 단계를 포함함으로써,
사용상태에서 실제 교량하중이 가해져서 탄성부재(13)가 포트부재(10)의 상면을 가압하여 캔틸레버부(11)가 휨변형되더라도 캔틸레버부(11)가 로드셀(2)의 본체 상면에 닿지 않게 되는 연직유격(G1)을 가지며, 교량하중으로 인한 캔틸레버부(11)의 연직처짐 변형량과 하중 감지 버튼(21)의 연직하강 변형량이 동일하게 되는 두께(H)를 가지는 캔틸레버부(11)를 구비하는 로드셀 삽입형 하중계측용 포트받침을 제작하게 되는 것을 특징으로 하는 로드셀 삽입형 하중계측용 포트받침의 제작방법.
제1항에 있어서,
로드셀 배치상세에는, 하중 감지 버튼(21)과 관통구멍 내면 사이의 횡측유격(G2)이 더 포함되며;
로드셀 배치상세의 임의 설정 단계에서는, 하중 감지 버튼(21)이 관통구멍 내면에 닿지 않고 연직하강하게 되도록 하는 크기로 횡측유격(G2)을 설정하는 단계가 더 포함되는 것을 특징으로 하는 로드셀 삽입형 하중계측용 포트받침의 제작방법.
오목홈(19)이 형성된 포트형상을 가지고 있고 오목홈(19)의 하면에는 로드셀 배치공간이 형성되어 있어서 캔틸레버부(11)가 형성되어 있고 로드셀 배치공간이 형성된 위치에서 오목홈(19)에는 관통구멍이 형성되어 있는 포트부재(10);
하면에는 오목홈(19)에 삽입되는 삽입부(18)가 형성되어 있으며 포트부재(10) 위에 덮이도록 설치되어 교량하중이 재하되면 삽입부(18)가 탄성부재(13)를 가압하게 되는 상부판(12);
포트부재(10) 내에 배치되고 포트부재(10)의 관통구멍에 삽입되는 하중 감지 버튼(21)을 구비하여, 하중 감지 버튼(21)의 연직하강 변형량에 의해 교량하중을 측정하는 로드셀(2); 및
두께를 가지는 판형상의 부재로 이루어져 오목홈(19)에 담겨져서 상부판(12)을 통해서 교량하중이 가해지면 가압되면서 오목홈(19)의 하면을 가압하여 교량하중을 포트부재(10)에 전달하는 탄성부재(13)를 포함하여 구성되며;
로드셀 포트받침(100)이 측정할 수 있는 교량하중의 최대값에 해당하는 로드셀 포트받침(100)의 용량을 결정하는 단계; 사용하려는 로드셀을 선정하는 단계; 사용하려는 로드셀(2)에 교량하중이 작용하게 되었을 때 하중 감지 버튼(21)이 얼마 정도로 연직하게 하강할 것인지를 나타내는, 교량하중의 크기와 하중 감지 버튼(21)의 연직하강 변형량의 크기 간의 관계를 산정하며, 로드셀 배치상세로서 연직유격(G1)과 캔틸레버부(11)의 두께(H)를 가정하여 임의로 설정하는 로드셀 배치상세 임의설정 단계; 임의로 설정된 로드셀 배치상세를 가지는 포트부재를 포함하는 로드셀 포트받침의 해석모델을 설정하고, 해석모델의 로드셀 포트받침에 교량하중이 가해지는 상태에서 캔틸레버부(11)에서 발생하게 되는 캔틸레버부(11)의 최대응력 및 캔틸레버부(11)에서 발생하는 연직처짐 변형량을 산출하고, 미리 산정해둔 교량하중의 크기와 하중 감지 버튼(21)의 연직하강 변형량의 크기 간의 관계를 이용하여, 해당 교량하중 재하시에 하중 감지 버튼(21)에서 발생하게 될 하중 감지 버튼(21)의 연직하강 변형량을 산출하는 단계; 산출된 캔틸레버부(11)의 최대응력이 해당 캔틸레버부가 가지는 허용응력 미만이어서 캔틸레버부의 안정성이 확보된 것인지를 판단하고(제1조건의 판단), 산출된 캔틸레버부(11)의 연직처짐 변형량이 로드셀 배치상세로서 미리 가정해둔 연직유격(G1) 미만이어서 캔틸레버부(11)가 휨변형에 의해 하향으로 처졌을 때 로드셀(2)의 상면에 닿지 않는지를 판단하며(제2조건의 판단), 이와 병행하여, 산출된 캔틸레버부(11)의 연직처짐 변형량과 하중 감지 버튼(21)의 연직하강 변형량간의 차이가 사전 설정된 오차 범위 미만이어서 하중 감지 버튼(21)과 캔틸레버부(11)가 동일하게 아래로 처지게 되는지를 판단하는(제3조건의 판단) 단계; 및 제1조건, 제2조건 및 제3조건을 판단한 결과, 제1조건, 제2조건 및 제3조건 중 어느 하나라도 충족하지 않는 경우에는 로드셀 배치상세를 새로운 내용으로 가정하여 상기한 로드셀 배치상세의 임의 설정 단계, 해석모델에 대한 캔틸레버부의 최대응력, 연직처짐 변형량 및 연직하강 변형량 산출 단계, 및 제1조건, 제2조건 및 제3조건의 판단 단계를 반복수행하며, 만일 제1조건, 제2조건 및 제3조건이 모두 만족하면, 설정하였던 해당 로드셀 배치상세를 확정하는 단계를 포함하는 제작방법에 의해 포트부재(10)가 제작되어;
사용상태에서 실제 교량하중이 가해져서 탄성부재(13)가 포트부재(10)의 상면을 가압하여 캔틸레버부(11)가 휨변형되더라도 캔틸레버부(11)가 로드셀(2)의 본체 상면에 닿지 않게 되는 연직유격(G1)을 가지며, 교량하중으로 인한 캔틸레버부(11)의 연직처짐 변형량과 하중 감지 버튼(21)의 연직하강 변형량이 동일하게 되는 두께(H)를 가지는 캔틸레버부(11)를 가지는 특징으로 하는 로드셀 삽입형 하중계측용 포트받침.
제3항에 있어서,
교량하중의 재하로 인하여 캔틸레버부(11)가 휨변형에 의해 하향으로 처졌을 때, 캔틸레버부(11)가 로드셀(2)의 본체 상면에 닿지 않게 되는 로드셀 배치공간의 연직유격(G1)을 가지는 것을 특징으로 하는 로드셀 삽입형 하중계측용 포트받침.
사전 하중가력실험을 통해서 수학식 2로 표현되는 로드셀 삽입형 하중계측용 포트받침(100)의 가력하중(F)과 로드셀의 하중측정값(f) 간의 회귀분석식을 산출한 후, 해당 로드셀 삽입형 하중계측용 포트받침(100)을 실제 교량에 설치하여 교량의 상부구조물에 의해 교량하중이 작용할 때의 로드셀의 하중측정값을 취득하여, 수학식 2에 의해 실제 교량에서의 교량하중을 산출하게 되는 교량하중 측정방법으로서,
수학식 2를 산출하는 과정은, 교량하중의 측정에 요구되는 측정 정밀도의 설정 단계; 기준 온도
를 임의로 설정하는 단계; 설정된 기준 온도
에서 하중가력실험을 진행하여 가력하중(F)을 변화시켜가면서 로드셀의 하중측정값(f)을 측정한 후, 선형회귀분석을 수행함으로써, 기준 온도
에서 직선 기울기 A를 가지는 가력하중(F)과 로드셀 하중측정값(f) 간의 회귀분석식을 취득하는 단계; 가력하중(F)과 로드셀의 하중측정값(f)의 관계가 선형으로 되는 시점의 교량하중에 해당하는 시점 가력하중
을 임의로 선정하는 단계; 하중가력실험에 의해 측정 온도
에서 시점 가력하중
이 재하될 때의 로드셀 하중측정값
을 취득하는 단계; 시점 가력하중
을
만큼 증가시킨 가력하중
이 재하되는 상태의 하중가력실험에 의해, 측정 온도
일 때의 로드셀 하중측정값
, 및 기준 온도
일때의 로드셀 하중측정값
을 각각 취득하는 단계;
와
간의 차이값인 을 산출하고,
와
간의 차이값인
을 산출한 후,
와
간의 차이값에 대한 절대값
을 산출하여, 산출된
이 허용오차범위 값보다 작은 지의 여부를 판단하는 단계;
값이 허용 오차범위 값 이상이면 시점 가력하중
을 증가시키는 하중 증가량
을 설정한 후 하중가력실험에 의해
값을 산출하는 단계를 수행하며,
이 허용오차범위 값 미만인 경우에는, 그 때의 시점 가력하중
을 수학식 2의 b의 값으로 삼으며, 기준 온도
에서의 가력하중(F)과 로드셀의 하중측정값
의 회귀분석식에서의 직선 기울기 A를 수학식 2의 a의 값으로 삼는 단계; 및 수학식 2의 b의 값으로 삼은 시점 가력하중
이 로드셀 포트받침(100)에 가해진 상태에서, 온도 T를 변화시켜가면서 각각의 온도에서의 로드셀의 하중측정값
을 측정하여 그 결과를
값의 데이터베이스로 구축하는 단계를 포함하며;
실제 교량에 설치된 로드셀 삽입형 하중계측용 포트받침(100)에 대해 로드셀의 하중측정값을 취득하여 실제 교량에 가해지는 교량하중을 산출하는 과정은, 측정된 로드셀 하중측정값을 수학식 2의
에 대입하고, 미리 결정해둔 영어 소문자 a 및 b의 값을 수학식 2에 대입하며, 상기
값의 데이터베이스에서, 현장에서 측정된 온도 T에 해당하는 로드셀 하중측정값을 읽어서, 수학식 2의
에 대입하여 수학식 2에 의해 해당 교량에서 작용하는 교량하중 F를 연산하는 것을 포함하는 것을 특징으로 하는 로드셀 삽입형 하중계측용 포트받침을 이용한 교량하중 측정방법.
(수학식 2)