KR101980201B1 - 압전소자를 이용한 앵커 인장력 풀림 표시장치 - Google Patents

Abstract

앵커볼트 시공 후 비파괴적으로 내부의 응력 상태를 알 수 있는 압전소자를 이용한 앵커 인장력 풀림 표시장치가 개시된다.
본 발명에 의한 압전소자를 이용한 앵커 인장력 풀림 표시장치는 암반 또는 지중의 안정화를 위하여 암반 또는 지중에 형성된 삽입홀에 그라우팅재와 함께 매설되는 앵커볼트; 상기 앵커볼트의 끝단에 체결되어 암반 또는 지중에 고정시키는 너트; 상기 앵커볼트 외면에 링 형태로 이루어져 삽입되고 가해지는 외력에 따라 전압변화를 일으키는 환형 압전부재; 상기 환형 압전부재의 전후방에 밀착되도록 상기 앵커볼트에 삽입된 제1전극과 제2전극; 상기 제1전극 및 제2전극으로부터 각각 시작하여 상기 삽입홀의 외부까지 연장된 전선; 상기 전선을 통하여 수신되는 전압변화를 수신하는 수신기; 및 상기 환형 압전부재, 제1전극, 그리고 제2전극이 앵커볼트와 절연되도록 상기 앵커볼트를 감싸는 절연수단;을 포함한다.

Description

압전소자를 이용한 앵커 인장력 풀림 표시장치 {Display apparatus for loosening of Anchor tension using piezoelectric effect elements}

본 발명은 앵커볼트 시공 후 비파괴적으로 내부의 응력 상태를 알 수 있는 압전소자를 이용한 앵커 인장력 풀림 표시장치에 관한 것이다.

일반적으로, 앵커볼트 시공은 공사하는 지반벽면에 구멍을 뚫고 그 속에 공사시방서에 따라 끼운 다음 너트를 단단히 조임으로써 굴착 시 발파 및 지반불연속면 발달 등으로 인하여 연약해진 암반을 견고하고 안정된 암반에 고정시켜 암반의 보강 및 낙석을 방지하게 된다. 앵커는 굴착 암반면의 안정을 위하여 삽입되는 장치로서 암반을 일체화시키는 목적으로 사용된다.

이러한 공법의 특징은 원지반 자체의 강도를 이용하여 원지반을 지지하게 되고, 넓은 범위의 지질에서 사용할 수 있다. 터널의 경우 예로 터널 내의 공간을 넓게하고, 터널 내의 강도 및 경제성을 높일 수 있고, 터널의 단면 형상의 변화에 대하여 적응성이 크다. 이러한 점에서 터널 및 사면등 인위적 굴착을 비롯하여 불안정한 자연지반의 안정성 확보에 널리 사용한다.

그러나, 앵커볼트 시공은, 시공 후 그 앵커볼트가 예상의 최효용의 효과를 내고 있는지 알 수 없는 문제점이 있었다. 이러한 문제점의 해결과 시공효과를 판별하기 위하여 인발실험을 하는 경우가 있으나, 시공된 전체공에 인발실험을 할 수 없을 뿐 아니라, 또한 시설물 완공 후에 관리단계에서 인발시험을 하는데 어려움이 있다, 그리고 인발시험은 많은 비용과 시간을 필요로 한다. 앵커볼트가 불량 시공되었거나 장기적 시간경과(노후화)로 인한 장단기적 시설구조물 안전성에 악영향을 미칠 수 있고 앵커볼트의 현 상태를 알 수 없으므로 이에 대한 대책 강구가 매우 곤란한 문제점이 있었다. 따라서 비파괴적 방법으로 지속적인 모니터가 필요로 한다.

이러한 앵커볼트 시공 후의 상태 모니터링인 선행분석-비파괴적 측정법으로 여러 선행연구가 있고, 특히 탄성파를 발생시켜 앵커볼트 두부에 도달하는 파를 분석하는 법이 있으나 매우 복잡한 문제점이 있었다.

공개특허 10-2018-0069491

본 발명의 목적은, 이러한 문제점을 해결하기 위한 것으로, 앵커 또는 락볼트 시공 시 주변의 응력 변화를 알 수 있도록 압전소자를 설치하고 그 전압변화를 외부에서 알 수 있도록 수신하도록 함으로써 비파괴적인 방법으로 앵커볼트 시공 후 결함 등을 알 수 있도록 모니터할 수 있는 압전소자를 이용한 앵커 인장력 풀림 표시장치를 제공하는 것이다.

상기한 목적을 달성하기 위한 구체적인 수단으로서 본 발명은, 암반 또는 지중의 안정화를 위하여 암반 또는 지중에 형성된 삽입홀에 그라우팅재와 함께 매설되는 앵커; 또는 락볼트; 또는 쏘일레일; 등의 끝단에 체결되어 암반 또는 지중에 고정시키는 너트; 상기 락 앵커볼트 외면에 링 형태로 이루어져 삽입되고 가해지는 외력에 따라 전압변화를 일으키는 환형 압전부재; 상기 환형 압전부재의 전후방에 밀착되도록 상기 앵커볼트에 삽입된 제1전극과 제2전극; 상기 제1전극 및 제2전극으로부터 각각 시작하여 상기 삽입홀의 외부까지 연장된 전선; 상기 전선을 통하여 수신되는 전압변화를 수신하는 수신기; 및 상기 환형 압전부재, 제1전극, 그리고 제2전극이 앵커볼트와 절연되도록 상기 앵커볼트를 감싸는 절연수단;을 포함할 수 있다.

바람직하게는, 상기 앵커볼트 외면에 설치되어 상기 환형 압전부재가 상기 제1전극 및 제2전극에 밀착될 수 있도록 탄성력을 제공하는 탄성수단을 더 포함할 수 있다.

바람직하게는, 상기 너트 반대편에 고정된 후압판; 상기 후압판과 상기 너트 사이에 상기 제1전극, 환형 압전부재, 그리고 제2전극 순서대로 밀착되도록 전후면에 엽전형 와셔가 위치하고 그 사이에 설치된 스프링 와셔;를 더 포함할 수 있다.

바람직하게는, 상기 엽전형 와셔에는 하나 이상의 내측 홈이 형성되고, 상기 앵커볼트에는 상기 내측 홈을 통과할 수 있는 외측돌기가 형성되어 상기 엽전형 와셔가 상기 외측돌기를 통과한 다음 회전하면 상기 외측돌기가 상기 엽전형 와셔 몸체에 걸림으로써 상기 엽전형 와셔 너트의 너트 쪽으로의 이동이 제한될 수 있다.

바람직하게는, 상기 엽전형 와셔와 상기 제2전극 사이에 설치된 절연판을 더 포함할 수 있다.

바람직하게는, 상기 후압판은 상기 앵커볼트에 용접에 의해 고정될 수 있다.

바람직하게는, 상기 후압판은 상기 앵커볼트 축방향에 대하여 테이퍼지게 형성될 수 있다.

바람직하게는, 상기 환형 압전부재와 그 주위 부품을 그라우팅재로부터 보호하기 위하여 감싸도록 설치되는 보호수단을 더 포함할 수 있다.

바람직하게는, 상기 보호수단은 테이프 형태로 이루어져 상기 환형 압전부재와 그 주위 부품을 감싸도록 감겨 설치되고, 일단부는 상기 후압판에 형성된 환형의 홈에 삽입되어 일차적으로 고정된 다음 나머지를 감싸도록 감길 수 있다.

상기한 목적을 달성하기 위한 다른 구체적인 수단으로서 본 발명은, 암반 또는 지중의 안정화를 위하여 암반 또는 지중에 형성된 삽입홀에 그라우팅재와 함께 매설되는 앵커볼트; 상기 앵커볼트의 끝단에 체결되어 암반 또는 지중에 고정시키는 너트; 상기 앵커볼트 외면에 밴드 형태로 이루어져 앵커볼트의 곡면을 따라 밀착되고 가해지는 외력에 따라 전압변화를 일으키는 밴드형 압전부재; 상기 밴드형 압전부재의 내외측에 밀착되도록 설치된 제1전극과 제2전극; 상기 제1전극 및 제2전극으로부터 각각 시작하여 상기 삽입홀의 외부까지 연장된 전선; 상기 전선을 통하여 수신되는 전압변화를 수신하는 수신기; 및 상기 밴드형 압전부재, 제1전극, 그리고 제2전극이 앵커볼트와 절연되도록 상기 앵커볼트를 감싸는 절연수단;을 포함할 수 있다.

바람직하게는, 상기 제1전극, 제2전극, 그리고 밴드형 압전부재에 가해지는 외력의 일부를 흡수할 수 있도록 상기 앵커볼트와의 사이에 게재된 탄성매트를 더 포함할 수 있다.

바람직하게는, 상기 제1전극, 제2전극, 그리고 밴드형 압전부재가 락 앵커볼트 쪽으로 밀착되도록 묶어 체결하는 체결수단을 더 포함할 수 있다.

상기한 바와 같은 본 발명에 의하면 다음과 같은 효과가 있다.

(1) 본 발명은 앵커볼트 시공 후 내부의 응력변화를 압전소자를 통하여 외부에서 알 수 있게 되기 때문에 별도의 굴착 등의 물리적인 수단을 강구할 필요가 없이 시공 후의 내부 상태를 알 수 있게 된다.

(2) 본 발명은 인발시험이나 외부에서 외력이 강하게 작용하는 등의 다양한 상태별로 전압변화가 이루어지기 때문에 각 해당하는 전압변화를 보고 암반에 가해지는 응력 상태를 알 수 있게 된다.

도 1은 본 발명의 제1실시예에 의한 압전소자를 이용한 앵커 인장력 풀림 표시장치가 시공된 상태의 암반의 단면도이다.
도 2는 본 발명의 제1실시예에 의한 압전소자를 이용한 앵커 인장력 풀림 표시장치의 정면도이다.
도 3은 본 발명의 제1실시예에 의한 압전소자를 이용한 앵커 인장력 풀림 표시장치의 보호 튜브가 씌워진 상태의 정면도이다.
도 4는 본 발명의 제1실시예에 의한 압전소자를 이용한 앵커 인장력 풀림 표시장치의 분해 사시도이다.
도 5는 본 발명의 제1실시예에 의한 압전소자를 이용한 앵커 인장력 풀림 표시장치의 각 구성요소의 평면도이다.
도 6은 본 발명의 제1실시예에 의한 압전소자를 이용한 앵커 인장력 풀림 표시장치의 상태별 신호를 분석한 그래프들이다.
도 7은 본 발명의 제2실시예에 의한 압전소자를 이용한 앵커 인장력 풀림 표시장치의 단면도이다.

이하, 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 동일 또는 유사한 구성요소에 대해서는 동일한 참조부호를 붙였다.

본 명세서에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성 요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성 요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다. 또한, 층, 막, 영역, 판 등의 부분이 다른 부분 "위에" 있다고 할 경우, 이는 다른 부분 "바로 위에" 있는 경우뿐만 아니라 그 중간에 또 다른 부분이 있는 경우도 포함한다. 반대로 층, 막, 영역, 판 등의 부분이 다른 부분 "아래에" 있다고 할 경우, 이는 다른 부분 "바로 아래에" 있는 경우뿐만 아니라 그 중간에 또 다른 부분이 있는 경우도 포함한다.

종래 앵커볼트 시공 후 그 앵커볼트가 예상의 최효용의 효과를 내고 있는지 알 수 없기 때문에 비파괴적 방법으로 모니터가 필요한 것은 전술한 바와 같다.

선행분석-비파괴적 측정법으로 여러 선행연구가 있고, 특히 탄성파를 발생시켜 락볼트 두부에 도달하는 파를 분석하는 법이 있으나 매우 복잡하다.

참고로, 압전효과는 미래에너지를 비롯하여 여러 분야에서 활발히 연구되고 있으며 또한 압전기로써 다양한 재료를 이용할 수 있다. 인공 압전 세라믹스, 중합체(polyvinylidene fluoride(PVDF), 무연 압전 세라믹스(독성없음)과 같이, 압전 세라믹스는 다양한 재료만큼 다양한 크기 및 모양으로 제작 가능하다.

압전기(Piezoelectricity)는 기계적 일그러짐을 가함으로써 유전분극을 일으키는 현상을 말하고, 압전 원형판 혹은 압전 밴드 효과를 이용하여 앵커볼트에 압전 원형판 혹은 밴드를 여러 방법으로 부착, 시공 후 앵커볼트의 상태와 먼 장래 앵커볼트 그라우팅의 쪼개짐(부서짐), 지반과의 분리 등이나 지반의 변화, 예를 들면, 응력패턴 변화, 방향변화 등을 모니터할 수 있게 된다.

압전 세라믹스를 앵커볼트에 설치 또는 부착하고 앵커볼트를 공사 시방서에 맞게 설치된다면 5단계로 모니터링 할 수 있게 된다.

1 단계로는 볼트 삽입후 그라우트 경화시간이후 앵커볼트 인발 시험시에 할 수 있다. 이때, 인발시험 보조자료로 활용하고 인발시험의 하중-변위곡선과, 이때의 압전기에 작용하는 하중-전류, 전압 변화 곡선을 서로 비교, 인발시의 최대 하중일 때 최대 전류-전압 값 측정하여 기본 특성 설정한다.

2 단계로는 구조물 완공시 평상시의 압전기에 작용하는 전류-전압-주파수 모니터링 한다. 이때, 평상시 구조물 주변 자연적 지반 상태 모니터링 한다.

3 단계로는 구조물 주변의 인위적인 변화시 예를 들어 대형 트럭이 빈번히 운행 시에 모니터링 한다. 이때 지반 진동이 앵커볼트에 어떻게 영향을 미치는지 모니터링 한다.

4 단계로는 내부 접합에 문제 발생 시 압전기로부터 급하게 전류-전압-주파수가 변하는 경우 적절한 조치가 필요한지 세부적으로 검사와 조사를 필요로 한다.

5 단계로는 구조물의 관리상 필요시 시행한다. 이때, 세부 안전성 조사 또는 정기 안정성 조사한다.

본 발명에서 압전기의 원리에서처럼 압전 세라믹스의 압력의 변화는 압전기로부터의 전기변위장이 변화시킬 수 있을 뿐만 아니라, 선행기술(kr10-0862028)에서처럼 압전 세라믹스에 전기적 신호를 가할 경우 진동을 발생 시킬 수 있기 때문에 이 방법을 적용하여 평가 될 수 있다.

각 단계별로 모니터링 되는 신호로부터 예측되는 전기적 변위는 시간영역과 주파수영역으로 분석될 수 있다.

본 발명에서는 두 가지 형태의 압전소자를 적용하는 것을 제시한다.

첫째로, 링형(엽전형) 압전 세라믹스이다. 링형은 앵커볼트의 벡터(축력)와 같은 방향으로 설치되므로 볼트 축방향 모니터링에 유리하다. 다만 일정부피가 있으므로 그라우팅재 주입에 영향을 줄 수 있다.

앵커볼트 시공은 천공, 그라우팅재 주입, 볼트 삽입, 볼트 조이기, 품질관리의 공정으로 이루어진다. 각각의 단계는 물리적 힘이 가해지는 공정으로 이루어진다. 그러므로 앵커볼트 시공 시 이러한 공정으로부터 압전기를 보호할 필요성이 있다. 특히 볼트 삽입 시에는 픽크햄머, 드리프터와 가이셀 등을 이용하여 볼트를 박아 넣는 공정으로 압전기에 매우 불리하므로 설치 시 매우 주의해야 한다. 또한 그라우팅재 주입 시 저압 피더(3kg/cmㅂ)를 사용할 수 있으나 물리적인 특성의 압전기에 영향을 줄 수 있다. 또한 천공 지름과 앵커볼트 지름과의 차이가 불과 10~16mm정도 밖에는 안되므로 압전기 설치로 인하여 그라우팅재 주입에 방해되지 않도록 해야 한다. 볼트의 직경이 주로 직경25mm를 사용하므로 압전기 장비의 크기는 전반적으로 직경 30~40mm로 제안한다.

한편, 본 발명의 일부 구성요소인 후압판은 앵커볼트 삽입시 압전기를 보호하는 역할을 수행한다. 앵커볼트에 용접 등의 방법으로 강하게 접합시키고, 앵커볼트 삽입 시 회전시켜 삽입하므로 원활히 삽입될 수 있도록 볼트와 같은 방향의 나사를 만들 수 있고 길고 뾰족하게 형성할 수 있다. 이때 후압판의 직경(크기)는 압전기보다 약간 크게 한다. 또한 후압판에 일정한 위치에 홈을 설치하여 수축튜브나 특수한 천을 묶거나 고정할 수 있도록 한다. 또 후압판은 앵커볼트에 고정하고 그라우팅재 경화 후에 앵커볼트 삽입홀 외부에서 너트와 지압판으로 앵커볼트를 조여 주므로, 앵커볼트의 축방향으로 받는 하중을 지탱하여 압전세라믹스에 전달되도록 한다.

본 발명의 일부 구성요소인 전극은 전기전도도가 우수한 재질, 녹슬지 않는 재질, 내구성이 양호한 재질, 압전세라믹스에 부착이 용이한 재질로 하는 것이 바람직하다. 비교적 매우 많은 연구 및 특허 사례를 참조할 수 있을 것이다. 기술제안에서는 구리합금이나 스테인레스강을 사용하는 것으로 계획하였다. 압전 세라믹스의 앞과 뒤에 부착하고 전선을 부착하여 외부로 컨트롤러나 디바이스 등 인디케이터에 연결한다. 이러한 것에 대해서는 많은 선행연구가 있다.

본 발명의 일부 구성요소인 절연막은 앵커볼트는 절연체가 아니므로 압전 세라믹스의 전기적 신호가 전극으로 안전하게 유도될 수 있도록 절연막을 설치하거나 절연 페인트 한다.

본 발명의 일부 구성요소인 절연판은 압전 세라믹스 장비와 압전 세라믹스를 고정하기 위한 와셔들과 전기적으로 단전하기 위해 고무 등과 같은 양호한 절연체를 이용한다. 이때 절연판은 압전 세라믹스보다 약간 크게 한다. 이때 와셔 및 스프링 와셔, 압전세라믹스가 서로 밀착할 수 있도록 설치하고 와셔의 경우 끼우기 편하도록 볼트에 설치되는 돌기에 맞게 4방향 혹 6방향으로 내측홈을 형성하고 4방향 혹 6방향으로 홈과 직각 혹은 엇각이 되게 볼트의 돌기와 같은 크기의 홈을 파서 마지막 와셔를 고정시킨다.

스프링 와셔의 경우 특수강의 스프링과 스프링주머니 혹은 실린더로 할 수 있다. 고정돌기는 볼트에 4방향 혹은 6방향 돌기를 설치하여 압전 세라믹스 시스템과 와셔 및 스프링 설치 고정이 용이 하도록 한다.0

한편, 보호튜브는 그라우팅재 주입 시 압전 세라믹스 시스템을 일정기간 보호하기 위함으로 물리적 전기적 장치에 영향을 받지 않도록 하기 위하여 설치된다. 이때 수술용 봉합사(흡수형)을 천으로 가공하여 보호하거나 녹말 플라스틱, 수축튜브 등으로 감싸고 일정 기간 후에 녹거나 없어지게 하여 압전 세라믹스가 직접 그라우팅재 경화시간 이후에 직접 접촉하도록 한다.

둘째로, 매트형 압전 세라믹스의 적용이다. 앵커볼트의 벡터(축력)와 직각 방향으로 설치되므로 지반 모니터링에 유리하다. 이때, 부피가 작으므로 그라우팅재 주입 시 방해되지 않는다. 또한 기계적 장치가 없으므로 설치가 용이하다.

본 발명의 일부 구성요소인 플라스틱 매트는 복원력이 우수한 고탄성 플라스틱을 앵커볼트에 밀착시켜 실로 묶어 설치할 수 있도록 한다. 묶어 놓은 실은 그라우팅재 경화 후에 녹아 없어지게 되고 복원하려는 성질로 앵커와 독립되어 그라우팅재에 접촉하게 된다. 전극으로는 전기전도도가 우수한 재질, 녹슬지 않는 재질, 내구성이 양호한 재질, 압전세라믹스에 부착이 용이한 재질로 하는 것이 바람직하다. 이 또한 비교적 매우 많은 연구 및 특허 사례를 참조할 수 있다. 구리합금이나 스테인레스강을 사용하는 것으로 계획하였다.

이때, 압전세라믹스의 앞과 뒤에 부착하고 전선을 부착하여 외부로 컨트롤러나 디바이스 등 인디케이터에 연결한다.

한편, 보호튜브는 그라우팅재 주입 시 압전 세라믹스 시스템을 일정기간 보호하기 위함으로 물리적 전기적 장치에 영향을 받지 않도록 한다. 수술용 봉합사(흡수형)을 천으로 가공하여 보호하거나 녹말 플라스틱, 수축튜브 등으로 감싸고 일정 기간 후에 녹거나 없어지게 하여 압전 세라믹스가 직접 그라우팅재 경화시간 이후에 직접 접촉하도록 한다.

한편, 지시계(인디케이터)와 제어기(컨트롤러)는 압전 세라믹스 전극으로부터 인입되는 전기적 신호를 수집, 저장, 송신하거나 락볼트나 앵커의 문제 발생 시 혹은 주변 지반의 거동 시 표시할 수 있는 장비이다. 이때 스트레인 게이지의 휘스톤 브리지회로를 응용한 회로를 채용하여 전등이나 LED지시기, 혹은 인입된 전기 신호를 증폭, 디지털 변환, 무선전송, 저장하는 총체적인 시스템으로 많은 선행기술을 이용할 수 있 있다. 간단한 지시계 또는 제어기는 락볼트의 두부의 지압판에 적당한 크기로 설치할 수도 있을 것이다. 이때 설치된 각각의 락볼트는 열과 행으로 ID를 부여하고(제어기에 포함) 인입되는 전기 신호를 적당한 과정을 거쳐 무선으로 자료를 송신하고 시설물 관리 사무실에 종합 수신하여 종합 관리할 수도 있을 것이다.

이하에서는 도면을 참조하여 본 발명의 제1 실시예에 따른 압전소자를 이용한 앵커 인장력 풀림 표시장치를 보다 상세히 설명하도록 한다.

본 발명의 제1실시예에 따른 압전소자를 이용한 앵커 인장력 풀림 표시장치는, 도 1 내지 도 6을 참고하면, 앵커볼트(10), 너트(21), 환형 압전부재(40), 제1전극(41), 제2전극(42), 전선(50), 수신기(22), 그리고 절연수단을 포함한다.

상기 앵커볼트(10)는 암반(1) 또는 지중의 안정화를 위하여 암반(1) 또는 지중에 형성된 삽입홀에 그라우팅재와 함께 매설된다.

이때, 상기 앵커볼트(10)는 도 1에 도시된 바와 같이, 앵커볼트(10)가 암반(1) 또는 지중에 형성된 삽입홀에 삽입되고 그라우팅재가 상기 삽입홀에 공급된 다음 너트(21)를 조여 지압판(20)이 암반(1) 또는 지중의 벽면을 압박하도록 함으로써 상기 앵커볼트(10)가 고정된다.

이때, 상기 앵커볼트(10)는 상기 삽입홀에 삽입되는데, 그 직경이 삽입홀의 내경보다 약간 작은 수준이기 때문에 그 사이 공간이 협소하기 때문에 다른 구성요소들의 직경을 알맞게 설계해야 한다.

이때, 상기 앵커볼트(10)는 도 4를 참고하면 90도마다 외측돌기(10a)가 형성되어 와셔(90)를 끼운 다음 반대 방향으로 빠지지 않도록 할 수 있게 된다.

상기 너트(21)는 도 1을 참고하면, 종래기술과 마찬가지로, 상기 앵커볼트(10)의 끝단에 체결되어 암반(1) 또는 지중에 고정시키게 된다.

상기 환형 압전부재(40)는 도 2를 참고하면, 상기 앵커볼트(10) 외면에 링 형태로 이루어져 삽입되고 가해지는 외력에 따라 전압변화를 일으키게 된다. 이러한 압전부재에 대한 종류와 설명은 전술한 바와 같다.

이때, 상기 환형 압전부재(40)에는 90도마다 내측홈(40a)이 형성되어 상기 락볼트(10)의 외측돌기(10a)가 형성된 부분을 통과할 수 있도록 되어 있다.

이때, 상기 환형 압전부재(40)는 락볼트(10) 시공 후, 일정시간이 지난 다음, 외력에 의해 변형이 가해지면 기계적인 형태 변형에 해당하는 전압 변화를 출력하게 되는 것은 전술한 바와 같다. 따라서 이러한 환형 압전부재(40)의 전압 변화를 토대로 시공의 적정성을 평가하거나 시공 후의 내부 응력 변화를 모니터링할 수 있게 된다.

상기 제1전극(41)과 제2전극(42)은 도 2 내지 도 4를 참고하면, 상기 환형 압전부재(40)의 전후방에 밀착되도록 상기 앵커볼트(10)에 삽입 설치된다.

이때, 상기 제1전극(41)은 후압판(30) 쪽에 가까운 곳에 위치하고 그 반대편에는 상기 제2전극(42)이 설치된다.

이때, 상기 제1전극(41) 및 제2전극(42)은 상기 환형 압전부재(40)의 변형에 의한 전압변화를 전선을 통해 외부로 전달하게 된다.

이때, 상기 제1전극(41) 및 제2전극(42)에도 내측홈(41a,42a)이 형성되어 앵커볼트(10)에 삽입될 수 있도록 되어 있다.

상기 전선(50)은 도 1을 참고하면, 상기 제1전극(41) 및 제2전극(42)으로부터 각각 시작하여 상기 삽입홀의 외부까지 연장된다.

이때, 상기 전선(50)은 상기 제1전극(41) 및 제2전극(42)에서의 전기신호를 외부로 전달하는 역할을 수행한다.

상기 수신기(22)는 상기 전선(50)을 통하여 수신되는 전압변화를 수신하게 된다. 이때 상기 수신기(22)에서 수신된 신호는 전술한 바와 같이, 다양한 형태로 외부로 표시될 수 있고 이미 프로그램된 바에 따라 수치적으로 전압변화를 표시하거나 상태 변화를 외부로 표시할 수 있게 된다.

상기 절연수단은 상기 환형 압전부재(40), 제1전극(41), 그리고 제2전극(42)이 락볼트(10)와 절연되도록 상기 앵커볼트(10)를 감싸게 되는 바, 튜브 형태나 절연 페인트를 적용할 수 있을 것이다.

한편, 상기 앵커볼트(10) 외면에 설치되어 상기 환형 압전부재(40)가 상기 제1전극(41) 및 제2전극(42)에 밀착될 수 있도록 탄성력을 제공하는 탄성수단을 더 포함할 수 있고, 탄성수단으로는 스프링 와셔(80)를 적용할 수 있다. 즉 본 발명에 의한 모니터링 장치는 후압판(30), 스프링 와셔(80)를 더 포함할 수 있다.

상기 후압판(30)은 도 1 내지 도 5를 참고하면, 상기 앵커볼트(10)의 상기 너트(21) 반대편에 고정된다.

이때, 상기 후압판(30)은 상기 앵커볼트(10)에 용접에 의해 고정될 수 있다.

이때, 상기 후압판(30)은 상기 앵커볼트(10) 축방향에 대하여 테이퍼(31)지게 형성될 수 있다.

이때, 상기 후압판(30)은 앵커볼트(10) 시공 시, 연이어 설치되어 있는 다른 부품들을 보호하게 된다.

이때, 상기 후압판(30)에는 상기 앵커볼트(10)와 동일한 방향으로 나사가 형성될 수도 있다.

상기 스프링 와셔(80)는, 도 2 내지 도 5를 참고하면, 상기 후압판(30)과 상기 외측돌기(10a) 사이에 상기 제1전극(41), 환형 압전부재(40), 그리고 제2전극(42) 순서대로 밀착되도록 전후면에 엽전형 와셔(70,90)가 위치하고 그 사이에 설치된다.

이때, 상기 엽전형 와셔(70,90)에는 하나 이상의 내측홈(70a,90a)이 형성되고, 상기 앵커볼트(10)에는 상기 내측홈(70a,90a)을 통과할 수 있는 외측돌기(10a)가 형성되어 상기 엽전형 와셔(90)가 상기 외측돌기(10a)를 통과한 다음 회전하면 상기 외측돌기(10a)가 상기 엽전형 와셔(90) 몸체에 걸림으로써 상기 엽전형 와셔(90)의 너트(22) 쪽으로의 이동이 제한된다.

이때, 상기 엽전형 와셔(70)와 상기 제2전극(42) 사이에 절연판(60)이 설치되어 있다. 상기 절연판(60)에 의해 제2전극(42)과 상기 스프링 와셔(80) 쪽의 부품들과의 절연이 이루어진다.

이때, 상기 스프링 와셔(80)와 양쪽의 엽전형 와셔(70,90)는 상기 환형 압전부재(40)와 제1,2전극(41,42)이 강하게 서로 밀착되도록 하는 탄성력을 제공하는 어셈블리를 구성하게 된다.

결국, 마지막의 엽전형 와셔(90)가 조립되면 스프링 와셔(80)가 압축되면서 탄성력을 상기 환형 압전부재(40) 쪽으로 제공하게 된다. 물론 조립은 마지막 엽전형 와셔(90)를 내측홈(90a)과 외측돌기(10a)가 맞추어진 상태에서 삽입한 다음 약간 회전시키면 외측돌기(10a)와 내측홈(90a)이 서로 어긋나면서 엽전형 와셔(90)의 몸체에 외측돌기(10a)가 걸리게 되어 빠지지 않게 된다.

본 발명에 의한 모니터링 장치는, 도 3을 참고하면, 상기 환형 압전부재(40)와 그 주위 부품을 그라우팅재로부터 보호하기 위하여 감싸도록 설치되는 보호수단(100)을 더 포함할 수 있다.

이때, 상기 보호수단(100)은 테이프 형태로 이루어져 상기 환형 압전부재(40)와 그 주위 부품을 감싸도록 감겨 설치되고, 일단부는 상기 후압판(30)에 형성된 환형의 홈(32)에 삽입되어 일차적으로 고정된 다음 나머지를 감싸도록 설치될 수 있다.

상기 보호수단(100)은 튜브 형태나 천 형태의 다양한 재질을 사용하여 씌우거나 감아 보호할 수 있도록 하는 것은 전술한 바와 같다.

도 1을 참고하면, 암반(1) 벽면에 삽입홀이 형성된 상태에서 앵커볼트(10)가 시공되어 있다. 앵커볼트(10)는 너트(21)에 의해 지압판(20)으로 압박하면서 고정 설치되어 있고, 삽입홀의 내측에는 그라우팅재가 공급되어 있는 상태이다.

이때, 시공 후, 시간이 흐르면 시공된 상태에 따라 환형 압전부재(40)에 외력이 가해져 변형이 일어나고 이러한 변형은 전기장 변화를 일으켜 그 전압 변화는 전선(50)을 통하여 수신기(22)로 수신된다.

이때, 수신기(22)와 상태를 출력하기 위한 출력부 등은 일체의 어셈블리 형태로 구성하여 지압판(20) 외면에 설치할 수도 있다.

도 2를 참고하면, 앵커볼트(10)를 감싸도록 설치되어 도포된 절연수단은 도면의 번잡함을 피하여 도시되어 있지 않다. 상기 후압판(30)에서 시작하여 제1전극(41), 환형 압전부재(40), 제2전극(42), 절연판(60), 엽전형 와셔(70), 스프링 와셔(80), 그리고 마지막으로 엽전형 와셔(90)가 순서대로 조립되어 있다. 마지막 엽전형 와셔(90)는 앵커볼트(10)의 외측돌기(10a)에 걸려 도 2도 기준으로 왼쪽으로의 이동이 제한된다. 도시되어 있지 않지만 제1전극(41) 및 제2전극(42)에는 전선(50)이 각각 연결되어 삽입홀 외부까지 연장된다.

도 3을 참고하면, 도 2와 같은 상태에서 부품들을 감싸도록 설치되는 보호수단(100)이 도시되어 있다. 시간이 흐르면 녹게 되는 수술용 봉합사를 원료로 하여 제작된 봉합사 천을 상기 후압판(30)의 환형의 홈(32)에 한번 감아 체결한 다음 붕대처럼 전체 부품들을 감싸도록 계속 감아 완료하게 된다. 이렇게 함으로서 시공 시 그라우팅재 등이 스며드는 것을 방지하게 된다.

도 4와 도 5를 참고하면, 구성요소들이 순서대로 조립되는 방식을 보여준다. 상기 후압판(30)은 앵커볼트(10)에 이미 용접에 의해 고정되어 있고, 이와 일정거리 떨어져 외측돌기(10a)가 형성되어 있다. 스프링 와셔(80)를 제외한 각 부품들은 상기 외측돌기(10a)가 형성된 부분을 통과할 수 있도록 내측홈(40a,41a,42a,60a,70a,90a)이 형성되어 있고, 마지막 엽전형 와셔(90)가 통과한 다음 일정각도 회전시키면 조립이 완성된다.

도 6을 참고하면, 변하는 전기 변위장 패턴 분석으로 앵커볼트(10)의 상태 판별의 예를 보여준다.

1단계는 인발시험 단계로 인발시험 시 앵커볼트에 가한 하중과 관계된다. 시간에 따라(하중이 증가) 전기변위장(electric displacement)이 증가한다.

2단계는 평상시로서, 시간에 따라 전기변위장은 포행할 것으로 예측되고 이때의 패턴은 압전기에 작용하는 힘은 앵커볼트의 인장력, 지반의 응력 등이 종합적으로 작용한 결과이다.

3단계는 인위적 변화 시로 주변 진동 환경에 따라 전기 변위장이 변함, 비교적 낮은 주파수 큰 진폭으로 변할 것으로 예측된다.

4단계는 문제 발생 시로 비교적 급한 전기 변위장이 변한다. 또는 2단계, 3단계의 경우에서 모니터링 비교적 규칙적인 패턴에서 벋어나 특이 패턴을 보일 것이다.

한편, 본 발명의 제2실시예에 의한 압전소자를 이용한 앵커 인장력 풀림 표시장치가 도 7에 도시되어 있다. 전술한 제1실시예가 환형의 압전소자를 이용한 것이라면 제2실시예는 밴드형의 압전소자를 이용한 것이라 할 수 있다.

본 발명의 제2실시예에 의한 압전소자를 이용한 앵커 인장력 풀림 표시장치는 도 7을 참고하면, 암반 또는 지중의 안정화를 위하여 암반 또는 지중에 형성된 삽입홀에 그라우팅재와 함께 매설되는 앵커볼트10)와, 상기 앵커볼트(10)의 끝단에 체결되어 암반 또는 지중에 고정시키는 너트와, 상기 앵커볼트(10) 외면에 밴드 형태로 이루어져 앵커볼트의 곡면을 따라 밀착되고 가해지는 외력에 따라 전압변화를 일으키는 밴드형 압전부재(140)와, 상기 밴드형 압전부재(140)의 내외측에 밀착되도록 설치된 제1전극(141)과 제2전극(142)과, 상기 제1전극(141) 및 제2전극(142)으로부터 각각 시작하여 상기 삽입홀의 외부까지 연장된 전선(150)과, 상기 전선(150)을 통하여 수신되는 전압변화를 수신하는 수신기와, 상기 밴드형 압전부재(140), 제1전극(141), 그리고 제2전극(142)이 앵커볼트(10)와 절연되도록 상기 앵커볼트(10)를 감싸는 절연수단(120)을 포함할 수 있다.

이때, 상기 제1전극(141), 제2전극(142), 그리고 밴드형 압전부재(140)에 가해지는 외력의 일부를 흡수할 수 있도록 상기 앵커볼트(10)와의 사이에 게재된 탄성매트(130)를 더 포함할 수 있다.

이때, 상기 제1전극(141), 제2전극(142), 그리고 밴드형 압전부재(140)가 앵커볼트(10) 쪽으로 밀착되도록 묶어 체결하는 체결수단(110)을 더 포함할 수 있다.

이번 실시예에서는 앵커볼트(10)의 곡면을 따라 밴드형으로 압전부재가 설치된 점에서 전술한 실시예와 차이점이 있다.

이때, 제1실시예에서 환형 압전부재(40)에 의해 앵커볼트(10)의 축방향을 따라 발생되는 외력에 의해 변형이 생긴 것을 전기적 신호로 변환하게 되는 것에 대하여, 제2실시예에서는 앵커볼트를 감싸도록 곡면을 따라 압전부재가 설치되기 때문에 앵커볼트 축방향에 대하여 직각 방향으로 발생되는 외력에 의한 변형을 측정할 수 있게 되는 차이점이 있다.

더불어, 밴드형으로 각 구성요소들이 설치되기 때문에 장비 전체 직경이 크게 증가할 염려가 없기 때문에 제작하기가 전술한 실시예보다 용이하다.

물론 압전소자를 이용하는 점에서 동일하기 때문에 그 작동 원리는 동일한 원리를 사용한다.

도 7을 참고하면, 중앙에 앵커볼트(10)를 감싸도록 절연수단(120)이 설치된다. 절연수단으로는 흡수형 봉합사 또는 녹말형 플라스틱 타이 또는 분해성 플라스틱이 사용될 수 있을 것이다.

상기 절연수단 외면에 약 180도 정도 탄성매트(130)인 고탄성 플라스틱이 밀착되어 있고, 이보다 작은 각도로 제1전극(141), 밴드형 압전부재(140), 그리고 제2전극(142) 순서로 적층 및 밀착되어 있다. 물론 그 외부로는 절연수단과 유사한 재질의 체결수단(110)인 천 등으로 감싸도록 하여 묶음으로써 체결하고 그 상태를 유지하도록 한다.

이러한 상태에서 앵커볼트(10)를 시공하고 삽입홀 외부로 전선(150)을 빼내에 수신기에 연결하면 된다.

이상에서 본 발명의 일 실시예에 대하여 설명하였으나, 본 발명의 사상은 본 명세서에 제시되는 실시 예에 제한되지 아니하며, 본 발명의 사상을 이해하는 당업자는 동일한 사상의 범위 내에서, 구성요소의 부가, 변경, 삭제, 추가 등에 의해서 다른 실시 예를 용이하게 제안할 수 있을 것이나, 이 또한 본 발명의 사상범위 내에 든다고 할 것이다.

1 : 암반
10 : 앵커볼트 20 : 지압판
21 : 너트 22 : 수신기
30 : 후압판 40 : 환형 압전부재
41 : 제1전극 42 : 제2전극
50, 150 : 전선 60 : 절연판
70, 90 : 엽전형 와셔 80 : 스프링 와셔
100 : 보호수단 110 : 체결수단
120 : 절연수단 130 : 탄성매트
140 : 밴드형 압전부재 141 : 제1전극
142 : 제2전극

Claims (12)

1. 암반 또는 지중의 안정화를 위하여 암반 또는 지중에 형성된 삽입홀에 그라우팅재와 함께 매설되는 앵커볼트;
   상기 앵커볼트의 끝단에 체결되어 암반 또는 지중에 고정시키는 너트;
   상기 앵커볼트 외면에 링 형태로 이루어져 삽입되고 가해지는 외력에 따라 전압변화를 일으키는 환형 압전부재;
   상기 환형 압전부재의 전후방에 밀착되도록 상기 앵커볼트에 삽입된 제1전극과 제2전극;
   상기 제1전극 및 제2전극으로부터 각각 시작하여 상기 삽입홀의 외부까지 연장된 전선;
   상기 전선을 통하여 수신되는 전압변화를 수신하는 수신기; 및
   상기 환형 압전부재, 제1전극, 그리고 제2전극이 앵커볼트와 절연되도록 상기 앵커볼트를 감싸는 절연수단;
   상기 너트 반대편에 고정된 후압판;
   상기 후압판과 상기 너트 사이에 상기 제1전극, 환형 압전부재, 그리고 제2전극 순서대로 밀착되도록 전후면에 엽전형 와셔가 위치하고 그 사이에 설치된 스프링 와셔;
   을 포함하는 압전소자를 이용한 앵커 인장력 풀림 표시장치.
2. 제1항에 있어서,
   상기 앵커볼트 외면에 설치되어 상기 환형 압전부재가 상기 제1전극 및 제2전극에 밀착될 수 있도록 탄성력을 제공하는 탄성수단을 더 포함하는 압전소자를 이용한 앵커 인장력 풀림 표시장치.
3. 삭제
4. 제1항에 있어서,
   상기 엽전형 와셔에는 하나 이상의 내측홈이 형성되고, 상기 앵커볼트에는 상기 내측홈을 통과할 수 있는 외측돌기가 형성되어 상기 엽전형 와셔가 상기 외측돌기를 통과한 다음 회전하면 상기 외측돌기가 상기 엽전형 와셔 몸체에 걸림으로써 상기 엽전형 와셔 너트의 너트 쪽으로의 이동이 제한되는 압전소자를 이용한 앵커 인장력 풀림 표시장치.
5. 제1항에 있어서,
   상기 엽전형 와셔와 상기 제2전극 사이에 설치된 절연판을 더 포함하는 압전소자를 이용한 앵커 인장력 풀림 표시장치.
6. 제1항에 있어서,
   상기 후압판은 상기 앵커볼트에 용접에 의해 고정된 압전소자를 이용한 앵커 인장력 풀림 표시장치.
7. 제1항에 있어서,
   상기 후압판은 상기 앵커볼트 축방향에 대하여 테이퍼지게 형성된 압전소자를 이용한 앵커 인장력 풀림 표시장치.
8. 제1항, 제2항, 제4항 내지 제7항 중의 어느 한 항에 있어서,
   상기 환형 압전부재와 그 주위 부품을 그라우팅재로부터 보호하기 위하여 감싸도록 설치되는 보호수단을 더 포함하는 압전소자를 이용한 앵커 인장력 풀림 표시장치.
9. 제8항에 있어서,
   상기 보호수단은 테이프 형태로 이루어져 상기 환형 압전부재와 그 주위 부품을 감싸도록 감겨 설치되고, 일단부는 상기 후압판에 형성된 환형의 홈에 삽입되어 일차적으로 고정된 다음 나머지를 감싸도록 감기는 압전소자를 이용한 앵커 인장력 풀림 표시장치.
10. 삭제
11. 삭제
12. 삭제

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