KR102324506B1 - 어스앵커 장력 측정 시스템 및 이를 이용한 장력 측정 방법 - Google Patents

어스앵커 장력 측정 시스템 및 이를 이용한 장력 측정 방법 Download PDF

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대구대학교 산학협력단
경남대학교 산학협력단
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Abstract

본 발명은 어스앵커 장력 측정 시스템 및 이를 이용한 장력 측정 방법에 관한 것으로서, 지반 내에 설치된 어스앵커에 형성되며 상기 어스앵커 내부의 강연선을 자화시키는 자화부와, 상기 자화부에 의해 상기 강연선을 따라 흐르는 자류에 의해 유도기전력이 발생되도록 형성되는 제1감지부와, 상기 자화부에 의해 상기 강연선을 따라 흐르는 자류에 의해 유도기전력이 발생되도록 형성되는 제2감지부와, 상기 제1감지부와 상기 제2감지부에서 발생하는 유도기전력을 계측하여 상기 어스앵커의 장력을 측정하는 측정부를 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

어스앵커 장력 측정 시스템 및 이를 이용한 장력 측정 방법{A system and method for measuring tensile force on earth anchor}
본 발명은 어스앵커 장력 측정 시스템 및 이를 이용한 장력 측정 방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 지반 내에 설치되는 어스앵커에 발생하는 장력을 측정하여 지지능력을 판단하기 위한 어스앵커 장력 측정 시스템 및 이를 이용한 장력 측정 방법에 관한 것이다.
일반적으로 어스앵커는 도 1과 같이 지반을 천공하고 강연선이나 철근형태의 부재를 삽입한 후 그라우팅하여 지중에 정착시켜 토류벽을 지지하거나 옹벽이나 사면의 안정을 도모하는 등 다양하게 이용되고 있다.
이때 어스앵커는 지중에 설치된 후 설계 앵커하중을 고려하여 일정한 하중으로 긴장시킨 후 정착부에 그라우팅 작업을 함으로써 어스앵커를 정착을 시켜 사용하게 된다.
어스앵커의 긴장력은 긴장시 정착장치의 슬립(slip)에서 발생하는 응력손실, 어스앵커 몸통부와 쉬스(sheath)관 사이의 마찰에 의한 손실, 그라우팅부 슬립에 의한 손실 등 즉시손실과, 강연선의 릴렉세이션 및 그라우팅 정착부의 크리프와 건조수축 등에 의한 시간적 손실로 인하여 어스앵커 길이 방향으로 긴장력이 감소하여 처음에 가해진 긴장력과는 차이가 발생하고 때로는 어스앵커의 지지능력이 크게 줄어들어 안정성에 영향을 미칠 수도 있다.
이와 같은 문제점을 해소하기 위해서는 긴장력의 손실정도를 정기적으로 검토하여 필요 시 적절한 대책을 강구하여야 한다.
하지만, 어스앵커의 긴장력 및 시간에 따른 긴장력의 변화를 측정하고 파악하는 것은 용이하지 않아 여러 가지 어려움이 있어 왔다.
이러한 문제점을 개선하기 위한 한국특허 등록번호 제10-1175622호는 지중 매입형 장력측정장치가 부착된 지중앵커에 관한 것으로서, 도 5와 같이, 한 지점에서 강연선(10)의 둘레를 감싸는 1차코일(110) 및 2차코일(120)로 이루어지며, 그중 1차코일(110)에는 전류를 공급하여 강연선(10)을 자화시키기 위한 전원부(130)가 연결되고, 2차코일부(120)에는 강연선(10)의 자성세기 변화를 측정하기 위한 계측부(140)가 연결되어 있다.
즉, 상기와 같은 종래기술은 EM센서(Electromagnetic Sensor)의 원리를 적용한 것으로, EM센서는 솔레노이드 내부에 위치한 자성체에 응력이 도입되면, 상대투자율
Figure 112020057556778-pat00001
이 변한다는 사실에 근거를 두고 있다. 즉, 한 지점에서 자성체를 자화시켜서 포화상태의 상대투자율을 측정하여 응력을 추정한다.
상대투자율 계측을 위해서는 강한 자기장을 걸어주어야 하는데, 이를 위해서 매우 큰 에너지를 필요로 하는 문제점이 있어 왔다.
이에 본 발명은 한 지점에서의 상대투자율이 아닌 두 개 지점 사이의 자속투과율을 측정하여 응력을 산정한다는 차이점이 있다. 자속투과율은 작은 에너지만으로도 측정이 가능하다는 장점이 있다.
종래기술과 본 발명의 차이점에 대해 "본 발명을 실시하기 위한 구체적인 내용"에 자세히 설명되어 있다.
한국특허 등록번호 제10-1175622호
상기와 같은 종래의 문제점을 개선 및 해결하기 위한 본 발명의 목적은 어스앵커의 특정 위치에서 작은 에너지로 장력을 측정할 수 있는 어스앵커 장력 측정 시스템 및 이를 이용한 장력 측정 방법을 제공하는 것이다.
또한 본 발명의 다른 목적은 어스앵커의 장력을 파악하여 어스앵커의 지반구조물의 안정성을 증가시키기 위한 어스앵커 장력 측정 시스템 및 이를 이용한 장력 측정 방법을 제공하는 것이다.
또한 본 발명의 다른 목적은 각각의 어스앵커에서 발생되는 장력 측정값을 실시간으로 확인 가능하여, 장력의 변화에 의한 사고를 미연에 방지할 수 있는 어스앵커 장력 측정 시스템 및 이를 이용한 장력 측정 방법을 제공하는 것이다.
도 6은 본 발명에 따른 어스앵커 장력 측정 시스템 및 이를 이용한 장력 측정 방법에 따른 어스앵커가 지반에 고정된 상태를 나타낸 상태도이고, 도 7은 본 발명에 따른 어스앵커 장력 측정 시스템 및 이를 이용한 장력 측정 방법에 따른 어스앵커의 구조를 나타낸 단면도이다.
도 6 내지 도 7에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 어스앵커 장력 측정 시스템은 지반(3) 내에 설치된 어스앵커에 형성되며 어스앵커 내부의 강연선(10)을 자화시키는 자화부(200)와, 자화부(200)에 의해 강연선(10)을 따라 흐르는 자류에 의해 유도기전력이 발생되도록 형성되는 제1감지부(300)와, 자화부(200)에 의해 강연선(10)을 따라 흐르는 자류에 의해 유도기전력이 발생되도록 형성되는 제2감지부(400)와, 제1감지부(300)와 제2감지부(400)에서 발생하는 유도기전력을 계측하여 어스앵커의 장력을 측정하는 측정부(500)를 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한 본 발명의 어스앵커 장력 측정 시스템의 상기 자화부(200), 상기 제1감지부(300), 상기 제2감지부(400)는 상기 강연선(10)이 삽입될 수 있도록 중공으로 형성되고, 내주면과 외주면 사이에는 공간이 비어있는 하우징과, 상기 하우징의 내주면과 외주면 사이에 형성되며 도선을 나선형으로 감아 공급된 에너지를 변환시키는 솔레노이드로 이루어지는 것을 특징으로 한다.
또한 자화부(200)와 연결되며 자화부(200)에 교류전원을 공급하여 전자기유도 현상에 의해 강연선(10)이 자화되도록 하는 전원공급부(100)를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한 본 발명의 어스앵커 장력 측정 시스템의 상기 측정부(500)는 서로 이격된 위치의 상기 제1감지부(300) 및 상기 제2감지부(400)에서 발생되는 유도기전력을 통해 자속을 각각 측정한 후 도입응력에 반비례하는 자속의 투과율을 계산하고, 상기 자속의 투과율을 실시간 모니터링 하여 임의 시점에서의 장력측정 뿐만 아니라 시간에 따른 어스앵커 장력의 변화를 실시간 파악할 수 있는 것을 특징으로 한다.
또한 본 발명의 어스앵커 장력 측정 시스템의 상기 자화부(200), 상기 제1감지부(300), 상기 제2감지부(400)는 방수 및 방진 처리되어 지반 내에 존재하는 습기 또는 그라우팅 약제가 내부로 유입되지 않도록 방지되도록 형성되는 것을 특징으로 한다.
또한 본 발명의 어스앵커 장력 측정 시스템의 상기 자화부(200), 상기 제1감지부(300), 상기 제2감지부(400)는 설치된 위치가 변화되지 않도록 상기 강연선(10)의 외면을 가압하는 가압수단을 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한 본 발명의 어스앵커 장력 측정 시스템의 상기 자화부(200), 상기 제1감지부(300), 상기 제2감지부(400)는 서로 이격되어 있으며, 상기 자화부(200)의 하단에 제1감지부(300), 제2감지부(400)가 순차적으로 배치되는 것을 특징으로 한다.
또한 본 발명의 어스앵커 장력 측정 시스템의 상기 자화부(200), 상기 제1감지부(300), 상기 제2감지부(400)는 서로 이격되어 있으며, 상기 자화부(200)를 기준으로 상단에는 상기 제1감지부(300)가 배치되고, 상기 자화부(200)를 기준으로 하단에는 제2감지부(400)가 배치되는 것을 특징으로 한다.
도 8은 본 발명에 따른 어스앵커 장력 측정방법을 나타낸 순서도이다.
도 8에 도시된 바와 같이, 상기 과제를 해결하기 위한 본 발명의 어스앵커 장력 측정방법은 자화부(200), 제1감지부(300), 제2감지부(400)로 구성된 장력 측정 시스템이 형성된 어스앵커를 지반 내에 설치하는 설치단계(S10), 상기 자화부(200)에 교류전원을 공급하여 전자기유도현상에 의해 어스앵커의 강연선(10)을 자화시키고 자속이 발생되어 자류가 흐르도록 하는 자화단계(S20), 상기 어스앵커의 서로 다른 지점에 위치된 상기 제1감지부(300) 및 상기 제2감지부(400)가 상기 강연선(10)을 따라 흐르는 자류에 의해 유도기전력이 발생되도록 하여 외부에 형성된 측정부(500)가 이를 감지하는 감지단계(S30), 상기 측정부(500)가 상기 제1감지부(300) 및 제2감지부(400)에 발생된 자속을 측정하고 도입응력에 반비례하는 자속의 투과율을 이용하여 상기 어스앵커의 장력변화를 모니터링하는 측정단계(S40)를 포함하는 것을 특징으로 한다.
상술한 바와 같이, 본 발명에 따른 어스앵커 장력 측정 시스템 및 이를 이용한 장력 측정 방법에 의하면, 한 지점에서의 상대투자율이 아닌 두 개 지점 사이의 자속투과율을 측정하여 응력을 산정함으로써 종래의 기술이 이용하는 상대투자율은 측정에 큰 에너지가 필요한 반면, 본 발명에서 이용하는 자속투과율은 작은 에너지만으로도 측정이 가능하다는 효과가 있다.
또한 본 발명에 따른 어스앵커 장력 측정 시스템 및 이를 이용한 장력 측정 방법에 의하면, 어스앵커의 장력을 파악하여 지반구조물의 안정성을 증가시킬 수 있는 효과가 있다.
또한 본 발명에 따른 어스앵커 장력 측정 시스템 및 이를 이용한 장력 측정 방법에 의하면, 각각의 어스앵커에서 발생되는 장력 측정값을 실시간으로 확인 가능하여, 장력의 변화에 의한 사고를 미연에 방지할 수 있는 효과가 있다.
도 1은 종래의 어스앵커가 지반에 삽입되어 고정된 모습을 나타낸 예시도.
도 2는 전자기학 기초를 설명하기 위한 전류 및 자기장 그림.
도 3은 전자기학 기초를 설명하기 위한 전류 및 자속밀도 그림.
도 4는 전자기학 기초를 설명하기 위한 자기 히스테리시스 루프 그림.
도 5는 종래기술인 EM센서의 원리를 나타낸 그림.
도 6은 본 발명에 따른 어스앵커 장력 측정 시스템 및 이를 이용한 장력 측정 방법에 따른 어스앵커가 지반에 고정된 상태를 나타낸 상태도.
도 7은 본 발명에 따른 어스앵커 장력 측정 시스템 및 이를 이용한 장력 측정 방법에 따른 어스앵커의 구조를 나타낸 단면도.
도 8은 본 발명에 따른 어스앵커 장력 측정방법을 나타낸 순서도.
본 발명의 구체적 특징 및 이점들은 이하에서 첨부도면을 참조하여 상세히 설명한다. 이에 앞서 본 발명에 관련된 기능 및 그 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 구체적인 설명을 생략하기로 한다.
본 발명은 어스앵커 장력 측정 시스템 및 이를 이용한 장력 측정 방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 지반 내에 설치되는 어스앵커에 발생하는 장력을 측정하여 지지능력을 판단하기 위한 어스앵커 장력 측정 시스템 및 이를 이용한 장력 측정 방법에 관한 것이다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시 예를 첨부한 도면을 참고로 상세하게 설명하기로 한다.
또한 세부적으로 자속 투과율을 얻기 위한 전자기학 기초 내용과 함께 종래기술인 EM센서와의 원리와 본발명의 측정원리의 차이점을 기재하였다.
전자기학의 기초
도 2와 같이 코일을 N회 감아서 길이 L(m)인 솔레노이드를 만들고, 코일에 전류 I(A)를 흐르게 하면 솔레노이드 내부에 발생되는 자기장의 세기(Magnetic field) H (A/m)는 다음 수학식 1과 같다.
Figure 112020057556778-pat00002
그러므로 전류가 흐르는 자기장 세기는 코일의 단위 길이당 감은 횟수가 많을수록 증가한다. 솔레노이드 내부가 진공상태일 경우의 솔레노이드 내부의 자속밀도(Magnetic Flux Density) B(T=Wb/m2)는 다음 수학식 2와 같다.
Figure 112020057556778-pat00003
여기서,
Figure 112020057556778-pat00004
=4πx10-7H/m는 진공상태에서의 투과율(Magnetic Permeability of Vacuum)이며, 투과율의 단위는 H/m이며 H는 인덕턴스의 단위로 헨리라고 한다.
도 3과 같이 솔레노이드 내부에 자성체가 존재하면 자기유도(Magnetic Induction)가 발생하고, 자성체는 자화된다. 여기서, 자성체는 강연선을 말한다. 자기유도된 자성체의 자속밀도(Magnetic Flux Fensity) B(T=Wb/m2)는 다음 수학식 3과 같다.
Figure 112020057556778-pat00005
여기서,
Figure 112020057556778-pat00006
는 전체 투자율 (H/m)이며,
Figure 112020057556778-pat00007
은 상대 투자율로서 무차원 단위이다.
상대투자율은 물질 내에서 진공상태 대비 자화가 어느 정도 발생하였는지 측정하는 것이다. 자성체인 철, 강철, 니켈, 코발트 등은 자화가 잘 일어나며, 자성체의 상대투자율은 수백에서 수천 사이이다. 자성체의 상대투자율은 비선형으로 일정하지는 않지만 특정 조건에서 자기장의 세기에 비례한다. 이 때 자기장의 세기 H 와 자속밀도 B 사이의 관계는 수학식 5와 같고 전체 투자율 μ는 자기장의 세기 H 에 대한 함수(
Figure 112020057556778-pat00008
)이다.
Figure 112020057556778-pat00009
도 4는 자성체의 특징을 보여주는 자기이력 곡선(Magnetic Hysteresis Curve)이다. 자성체 재료가 자화되지 않은 상태는 B 와 H 가 0인 원점을 뜻한다. 점선으로 표시되어 초기 자화곡선(Initial Magnetic Curve)은 자성체에 자기장의 세기 H 가 증가함에 따라서 자속밀도 B 가 비선형적으로 증가함을 보여준다. 어느 시점에서는 자기장의 세기 H 를 증가시켜도 자속밀도 B 가 더 이상 증가되지 않는 포화점 (Hm 및 Bm)이 존재한다. 포화된 자성체는 자기장의 세기를 줄여도 초기 자화곡선을 따라서 감소되지 않고, 도 4에 보이는 히스테리시스 루프(Hysteresis Loop)를 따라서 거동하게 된다.
EM센서 원리
EM센서는 솔레노이드 내부에 위치한 자성체에 응력이 도입되면, 상대투자율
Figure 112020057556778-pat00010
이 변한다는 사실에 근거를 두고 있다. 즉, 자성체를 자화시켜서 포화상태의 상대투자율을 측정하여 응력을 추정한다. 이때, 자성체의 상대투자율은 응력 변화 뿐 만아니라 온도변화에 따라서도 변한다.
도 5와 같이 1, 2차 솔레노이드(solenoid)로 구성된다. 1차 솔레노이드에 펄스 전압을 걸어주면 자기장(EM flux)이 형성되고, 2차코일은 감지코일로서 전자기 유도원리(패러데이의 법칙)에 의해 코일에 유도된 전압이 측정된다.
2차코일에 유도된 전압
Figure 112020057556778-pat00011
은 솔레노이드 내부 자성체에 도입된 응력(
Figure 112020057556778-pat00012
)과 온도(T)의 함수(
Figure 112020057556778-pat00013
)이고, 자성체의 상대투자율(
Figure 112020057556778-pat00014
)은 다음 수학식 5로 추정한다.
Figure 112020057556778-pat00015
여기서,
Figure 112020057556778-pat00016
는 솔레노이드 내부에 자성체가 없을 때의 2차 감지코일에서 계측된 전압이다.
Figure 112020057556778-pat00017
는 2차감지코일의 단면적,
Figure 112020057556778-pat00018
는 자성체의 단면적을 나타낸다. 이때,
Figure 112020057556778-pat00019
이 응력과 온도의 함수이므로 상대투자율은 응력(
Figure 112020057556778-pat00020
)과 온도(T)의 함수가
Figure 112020057556778-pat00021
된다.
이와 같이 EM센서는 솔레노이드 내부에 위치한 자성체를 자화시키고, 자성체의 상대투자율을 계측하여 자성체에 도입된 응력을 산정한다. 이때, 자성체의 직경이 큰 경우에는 포화상태의 자속밀도를 얻기 위하여 매우 큰 에너지의 공급이 불가피하다.
반면, 본 특허에서 제시하는 방법은 도 7과 같이 감지부가 2개의 코일(1차감지코일, 2차감지코일)로 구성되어 있다.
자성체 내에서 자속(Magnetic Flux)
Figure 112020057556778-pat00022
(Wb)은 자속밀도 B를 자속이 지나는 균일 단면적
Figure 112020057556778-pat00023
(m2)에 대하여 적분한 것과 같다.
Figure 112020057556778-pat00024
자속(
Figure 112020057556778-pat00025
)은 자속밀도(B)와 직접적으로 관련이 있고, 자속밀도는 수학식 4로부터 상대투자율과 관련이 있다. 상대투자율은 응력과 온도의 함수이므로, 자속밀도도 응력과 온도의 함수가 됨을 유추할 수 있다. 그러므로 자속밀도를 계측하여 자성체에 인가된 응력을 산정할 수 있다.
자성체에 흐르는 자속에 의하여 발생되는 솔레노이드의 유도기전력 V 는 자속의 시간 변화율에 음수로 비례하며 코일의 감은 횟수 N 에 비례하게 된다. 이를 페러데이의 법칙(Faraday's Law)이라 하고, 다음 수학식 7과 같다.
Figure 112020057556778-pat00026
제1감지부(300)가 위치한 곳에서의 유도된 계측전압을
Figure 112020057556778-pat00027
이라 하면, 자속
Figure 112020057556778-pat00028
은 다음 수치 적분에 의해서 간단히 추정된다.
Figure 112020057556778-pat00029
제2감지부(400)가 위치한 곳에서의 유도된 계측전압을
Figure 112020057556778-pat00030
이라 하면, 자속
Figure 112020057556778-pat00031
은 다음 수치 적분에 의해서 간단히 추정된다.
Figure 112020057556778-pat00032
두 지점간 자속의 투과율 p (Permeability of Magnetic Flux)은 다음 식과 정의 한다.
Figure 112020057556778-pat00033
본 발명은 수학식 10의 자속투과율을 계측하여, 자성체에 도입된 응력을 산정한다. 즉 EM센서는 한 개 지점에서의 상대투자율을 계측하여 응력 (장력=응력x자성체 단면적)을 산정하는 반면, 본 발명은 두 개 지점사이의 자속투과율을 계측하여 응력을 산정한다. 이 때 응력산정은 온도, 자속투과율 및 발생응력과의 관계실험 결과를 이용한다.
상대투자율 계측을 위해서는 강한 자기장을 걸어주어야, 솔레노이드 내부의 자성체가 포화상태의 자화가 된다. 강한 자기장을 만들기 위해서는 경우에 따라서는 매우 큰 에너지를 필요로 한다. 반면, 본 발명에서 사용하는 자속투과율을 얻기 위해서는 적은 에너지만으로도 계측이 가능한데, 이는 자속투과율이 상대적인 값이기 때문이다. 반면, 상대투자율은 절대 값에 속한다.
도 6은 본 발명에 따른 어스앵커 장력 측정 시스템 및 이를 이용한 장력 측정 방법에 따른 어스앵커가 지반에 고정된 상태를 나타낸 상태도이고, 도 7은 본 발명에 따른 어스앵커 장력 측정 시스템 및 이를 이용한 장력 측정 방법에 따른 어스앵커의 구조를 나타낸 단면도이다.
도 6 내지 도 7에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 어스앵커 장력 측정 시스템은 지반(3) 내에 설치된 어스앵커에 형성되며 어스앵커 내부의 강연선(10)을 자화시키는 자화부(200)와, 자화부(200)에 의해 강연선(10)을 따라 흐르는 자류에 의해 유도기전력이 발생되도록 형성되는 제1감지부(300)와, 자화부(200)에 의해 강연선(10)을 따라 흐르는 자류에 의해 유도기전력이 발생되도록 형성되는 제2감지부(400)와, 제1감지부(300)와 제2감지부(400)에서 발생하는 유도기전력을 계측하여 어스앵커의 장력을 측정하는 측정부(500)를 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한 자화부(200)와 연결되며 자화부(200)에 교류전원을 공급하여 전자기유도 현상에 의해 강연선(10)이 자화되도록 하는 전원공급부(100)를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
어스앵커는 크게 강연선(10) 및 강연선(10)의 외면을 감싸는 쉬스관(20)으로 이루어져 있는데, 벽체(1) 및 지반(3)에 형성된 천공홀을 통해 어스앵커가 지반(3) 내부로 삽입되고 어스앵커의 끝단은 그라우팅(4) 처리되어 지반(3)과 함께 굳어 벽체(1)가 지반(3)에 의해 무너지는 것을 방지하게 된다.
자화부(200)는 지반(3) 내부에 형성된 어스앵커에 형성되며 외부에 형성된 전원공급부(100)로부터 전원이 공급되면 내부에 형성된 솔레노이드(40)에서 전자기유도 현상이 발생되면서 어스앵커 내부의 강연선(10)이 자화되면서 자속이 발생하고 강연선(10)을 따라 자류가 흐르게 된다.
또한 자화부(200), 제1감지부(300), 제2감지부(400)는 서로 이격되어 있으며, 자화부(200)의 하단에 제1감지부(300), 제2감지부(400)가 순차적으로 배치되는 것을 특징으로 한다.
또한 자화부(200), 제1감지부(300), 제2감지부(400)는 서로 이격되어 있으며, 자화부(200)를 기준으로 상단에는 제1감지부(300)가 배치되고, 자화부(200)를 기준으로 하단에는 제2감지부(400)가 배치되는 것을 특징으로 한다.
장력 측정 시스템(S)에 형성된 자화부(200), 제1감지부(300), 제2감지부(400)는 서로 근거리에 이격되어 형성되어 있는데, 자화부(200), 제1감지부(300), 제2감지부(400) 순으로 순차적으로 배치되거나, 제1감지부(300), 자화부(200), 제2감지부(400) 순으로 배치될 수 있다.
본 발명의 설명에서는 자화부(200), 제1감지부(300), 제2감지부(400) 순으로 배치된 상태를 예를 들어 설명하기로 하며, 제1감지부(300) 및 제2감지부(400)의 순서는 바뀌어도 동일한 효과를 낼 수 있다.
자화부(200)에 의해 강연선(10)이 자화되어 자류가 어스앵커의 제1감지부(300)에서 제2감지부(400) 방향으로 흐르게 되면 제1감지부(300)와 제2감지부(400)에 형성된 솔레노이드(40)가 페러데이 법칙에 의하여 유도기전력이 발생되게 되고, 측정부(500)가 이를 이용하여 제1감지부(300)와 제2감지부(400)를 통과하는 자속의 투과율을 측정할 수 있게 된다.
또한 자화부(200), 제1감지부(300), 제2감지부(400)는 강연선(10)이 삽입될 수 있도록 중공으로 형성되고, 내주면과 외주면 사이에는 공간이 비어있는 하우징(30)과, 하우징(30)의 내주면과 외주면 사이에 형성되며 도선을 나선형으로 감아 공급된 에너지를 변환시키는 솔레노이드(40)로 이루어지는 것을 특징으로 한다.
자화부(200)가 강연선(10)에 전자기유도현상을 발생시키거나 또는 제1감지부(300), 제2감지부(400)가 강연선(10)에 흐르는 자속에 의해 유도기전력이 발생될 수 있도록 하기 위해 원통형으로 권취된 솔레노이드(40)가 형성되어 있다.
솔레노이드(40)는 강선을 촘촘하게 N회 감아서 형성된 것으로 외부 환경으로부터 노출되지 않도록 하우징(30) 내부에 밀폐된 상태로 형성되게 된다.
이때 하우징(30)은 중공관으로 형성되어 있어 중심축에는 강연선(10)이 삽입될 수 있도록 형성되고, 외주면과 내부면 사이에는 빈 공간이 형성되어 있어 솔레노이드(40)가 안착될 수 있게 된다.
하우징(30)에는 다수 개의 구멍이 형성되어 있어, 구멍을 통해 전원공급부(100) 또는 측정부(500)에 형성된 케이블이 하우징(30) 내부로 유입되어 전원공급부(100)가 솔레노이드(40)에 전원을 공급하거나 측정부(500)가 솔레노이드(40)에 자류가 통과되면서 발생되는 유도기전력을 측정할 수 있게 된다.
또한 자화부(200), 제1감지부(300), 제2감지부(400)는 방수 및 방진 처리되어 지반(3) 내에 존재하는 습기 또는 그라우팅(4) 약제가 내부로 유입되지 않도록 방지되도록 형성되는 것을 특징으로 한다.
자화부(200), 제1감지부(300), 제2감지부(400)를 포함하는 장력 측정 시스템(S)은 지반(3)을 천공한 후 지반(3) 내부에 설치되게 되는데, 지반(3) 내부에 잔존하는 습기가 하우징(30) 내부로 유입되게 되면 솔레노이드(40)가 부식될 수 있게 되며, 외부 환경적인 요소에 의한 자류의 변화가 발생될 수 있게 된다.
이러한 문제점을 해결하기 위해 자화부(200), 제1감지부(300), 제2감지부(400)을 포함하는 장력 계측 시스템(S)에 형성된 하우징(30)은 외부로부터 수분이나 이물질이 유입되지 않도록 방수 및 방진 처리되는 것이 바람직하며, 특히 전원공급부(100) 또는 측정부(500)의 케이블이 삽입되는 구멍에는 케이블이 삽입된 후 실리콘을 이용하여 틈새를 막는 것이 바람직하다.
또한 자화부(200), 제1감지부(300), 제2감지부(400)로 구성되는 장력 측정 시스템(S)은 설치된 위치가 변화되지 않도록 강연선(10)의 외면을 가압하는 가압수단을 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
자화부(200), 제1감지부(300), 제2감지부(400)로 구성되는 장력 측정 시스템(S)은 어스앵커의 설정된 위치에 고정된 상태로 유지되어야 측정부(500)에서 일정한 자류를 측정하여 장력 변화를 확인할 수 있기 때문에 하우징(30)에는 가압수단이 형성되어 강연선(10)의 외면에 고정된 상태로 유지될 수 있게 된다.
이때 가압수단은 하우징(30)의 일측과 타측에 형성되며 회전 방향에 따라 다수 개의 돌기가 중심축을 향해 돌출되어 강연선(10)의 외면을 가압하게 되며, 가압된 상태에서는 돌기가 강연선(10) 외면에 박혀져 하우징(30)의 위치를 고정시킬 수 있게 된다.
가압수단은 하우징(30) 내부에 강연선(10)이 삽입될 때는 돌기가 가압수단 내부로 삽입되게 되며, 가압수단을 회전시키면 돌기가 돌출되어 고정된 상태로 유지됨으로써 하우징(30)을 강연선(10)에 고정시킬 수 있게 된다.
이를 통해 어스앵커의 설정된 위치에 하우징(30)이 위치되면 가압수단을 이용하여 하우징(30)의 위치를 고정시킬 수 있게 되며, 외력이나 진동에 의해 위치가 이동되는 것을 방지하기 위해 실리콘이나 접착제를 이용하여 강연선(10)과 하우징(30) 사이의 틈새를 메워 주는 것이 바람직하다.
이러한 구성을 이용하여 어스앵커에 발생되는 장력은 아래와 같이 측정할 수 있게 된다.
먼저 지중에 천공을 한 후 어스앵커의 장력측정을 위한 장치가 설치된 강연선(10) 또는 철근을 삽입한 후 끝단을 그라우팅(4)처리하고 일정시간 경과 후 앵커의 설계하중을 고려하여 긴장력을 도입하게 된다.
전원공급장치는 케이블을 통해 자화부(200)와 연결되어 있으며, 전원공급장치에서 교류전원을 자화부(200)에 공급하게 되면 자화부(200)에 형성된 솔레노이드(40)에서 전자기유도 현상이 발생하게 되므로 강연선(10)이 자화되고 강연선(10) 내에 자속이 발생하여 자류가 흐르게 된다.
자화부(200)에 의해 발생된 자류는 강연선(10)의 일단에서 타단 방면으로 흐르게 되며, 이때 제1감지부(300)와 제2감지부(400)를 순차적으로 통과하게 되며, 제1감지부(300)와 제2감지부(400)를 통과할 때 페러데이 법칙에 의하여 제1감지부(300)에 유도기전력이 발생되게 된다.
제1감지부(300)와 제2감지부(400)는 측정부(500)와 케이블로 연결되어 있기 때문에 측정부(500)는 어스앵커의 서로 다른 위치에 형성된 제1감지부(300)와 제2감지부(400)에서 발생한 유도기전력을 각각 감지할 수 있게 된다.
측정부(500)는 제1감지부(300)와 제2감지부(400)에서 감지된 전압 시간 이력을 시간에 대하여 1회 적분함으로써 제1감지부(300)에 흐르는 자속 Φ1과, 제2감지부(400)에 흐르는 자속 Φ2를 얻을 수 있게 된다.
측정부(500)는 제1감지부(300)에 흐르는 자속과 제2감지부(400)에 흐르는 자속을 이용하여 자속의 투과율을 얻을 수 있다.
제1감지부(300)와 제2감지부(400) 사이의 자속투과율이 계측되면, 자성체에 도입된 응력을 산정할 수 있게 되며, 이때 측정부(500) 또는 외부 단말기에 저장된 데이터베이스를 이용하여 자속투과율에 대응되는 장력을 산출할 수 있게 된다.
이때 데이터베이스에는 온도, 자속투과율 및 장력과의 관계에 따른 실험데이터가 저장되어 있으며, 강연선(10)에 사용된 재질, 꼬임각도, 개수 등에 따른 재료적 특성에 따른 온도, 장력, 자속투과율의 관계 데이터를 통해 장력을 산출할 수 있게 된다.
즉, 강연선(10)의 재료적 특성 및 온도를 측정부(500) 또는 외부 단말기에 입력한 후 자속투과율이 계측되면, 데이터베이스에서 강연선(10)의 재료적 특성, 온도, 자속투과율에 대한 장력이 출력되게 되며, 이를 통해 어스앵커의 강연선(10)의 현재 장력을 측정할 수 있게 된다.
또한 어스앵커의 자속의 투과율을 모니터링 함으로써 임의 시점에서의 장력측정 뿐만 아니라 시간에 따른 어스앵커 장력의 변화를 계측할 수 있게 된다.
즉, 측정부(500)는 서로 이격된 위치의 제1감지부(300) 및 제2감지부(400)에서 발생되는 유도기전력을 통해 자속을 각각 측정한 후 도입응력에 반비례하는 자속의 투과율을 계산하고, 자속의 투과율을 실시간 모니터링 하여 임의 시점에서의 장력측정 뿐만 아니라 시간에 따른 어스앵커 장력의 변화를 실시간 파악할 수 있게 된다.
도 8은 본 발명에 따른 어스앵커 장력 측정방법을 나타낸 순서도이다.
도 8에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 어스앵커 장력 측정방법은 자화부(200), 제1감지부(300), 제2감지부(400)로 구성된 장력 측정 시스템(S)이 형성된 어스앵커를 지반(3)내에 설치하는 설치단계(S10), 자화부(200)에 교류전원을 공급하여 전자기유도현상에 의해 어스앵커의 강연선(10)을 자화시키고 자속이 발생되어 자류가 흐르도록 하는 자화단계(S20), 어스앵커의 서로 다른 지점에 위치된 제1감지부(300) 및 제2감지부(400)가 강연선(10)을 따라 흐르는 자류에 의해 유도기전력이 발생되도록 하여 외부에 형성된 측정부(500)가 이를 감지하는 감지단계(S30), 측정부(500)가 제1감지부(300) 및 제2감지부(400)에 발생된 자속을 측정하고 도입응력에 반비례하는 자속의 투과율을 이용하여 임의시점에서의 장력측정 뿐만 아니라 시간에 따른 어스앵커 장력변화를 모니터링하는 측정단계(S40)를 포함하는 것을 특징으로 한다.
설치단계(S10)는 어스앵커에 자화부(200), 제1감지부(300), 제2감지부(400)로 구성된 장력 측정 시스템(S)을 장착한 후 지반(3) 내부에 설치하는 단계로, 외부에 형성된 전원공급부(100)는 케이블을 통해 자화부(200)와 연결되고 외부에 형성된 측정부(500)는 케이블을 통해 제1감지부(300) 및 제2감지부(400)와 연결되게 된다.
어스앵커가 지반(3) 내부에서 삽입되면 정착부를 그라우팅(4) 처리시켜 지반(3) 내부에 고정시키고 설계하중에 맞춰 어스앵커의 강연선(10)을 일정한 하중으로 긴장시키게 된다.
자화단계(S20)는 전원공급부(100)가 솔레노이드(40)가 형성된 자화부(200)에 교류전원을 공급하여 강연선(10)을 자화시키는 단계로, 자화부(200)가 전자기유도현상에 의해 강연선(10)을 자화시키게 되며 자화된 강연선(10)은 자속이 발생되어 자류가 일단에서 타단 방향으로 흐르게 된다.
감지단계(S30)는 자화된 강연선(10)에 흐르는 자류에 의해 제1감지부(300) 및 제2감지부(400)가 유도기전력이 발생되도록 하기 위한 단계로, 제1감지부(300) 및 제2감지부(400)에는 솔레노이드(40)가 형성되어 있어 강연선(10)에 흐르는 자류에 의해 유도기전력이 발생될 수 있게 된다.
이때 자화부(200) 및 제1감지부(300)는 서로 근거리에 이격시키고, 제1감지부 및 제2감지부(400)도 서로 근거리에 이격시켜 제1감지부(300)와 제2감지부(400) 사이의 장력을 측정할 수 있도록 하는 것이 바람직하다.
이때 자화부(200)와 제2감지부(400) 사이의 거리가 작을수록 요구되는 에너지가 적어서 경제적이다. 왜냐하면, 장력 계측을 위해서 본 발명에서 이용하는 물리량은, 두 지점 사이에 자속이 투과하는 상대적 비율이기 때문에 자성체 내부에 흐르는 자속의 절대적 세기에 의존하지 않기 때문이다.
측정단계(S40)는 제1감지부(300) 및 제2감지부(400)와 각각 연결된 측정부(500)가 유도기전력이 발생되면 수학식 1을 이용하여 전압, 시간 이력을 시간에 대해 1회 적분하여 제1감지부(300)에서 발생하는 자속과, 제2감지부(400)에서 발생하는 자속을 각각 측정할 수 있게 된다.
이때 측정부(500)는 제1감지부(300)에서 발생된 자속과, 제2감지부(400)에서 발생된 자속을 상기 수학식 2를 이용하여 자속의 투과율을 결정하게 되며, 자속의 투과율은 도입응력에 반비례하기 때문에 이를 실시간 모니터링 하면 임의 시점에서의 장력측정 뿐만 아니라 시간에 따른 어스앵커 장력의 변화를 계측할 수 있게 된다.
제1감지부(300)와 제2감지부(400) 사이의 자속투과율이 계측되면, 자성체에 도입된 응력을 산정할 수 있게 되며, 이때 측정부(500) 또는 외부 단말기에 저장된 데이터베이스를 이용하여 자속투과율에 대응되는 장력을 산출할 수 있게 된다.
이때 데이터베이스에는 온도, 자속투과율 및 장력과의 관계에 따른 실험데이터가 저장되어 있으며, 강연선(10)에 사용된 재질, 꼬임각도, 개수 등에 따른 재료적 특성에 따른 온도, 장력, 자속투과율의 관계 데이터를 통해 장력을 산출할 수 있게 된다.
즉, 강연선(10)의 재료적 특성 및 온도를 측정부(500) 또는 외부 단말기에 입력한 후 자속투과율이 계측되면, 데이터베이스에서 강연선(10)의 재료적 특성, 온도, 자속투과율에 대한 장력이 출력되게 되며, 이를 통해 어스앵커의 강연선(10)의 현재 장력을 측정할 수 있게 된다.
상술한 바와 같이, 본 발명에 따른 어스앵커의 장력 측정 시스템에 의하면, 어스앵커의 특정 위치에서 작은 에너지로 장력을 측정할 수 있고, 어스앵커의 장력을 파악하여 지반구조물의 안정성을 증가시킬 수 있으며, 각각의 어스앵커에서 발생되는 장력 측정값을 실시간으로 확인 가능하여, 장력의 변화에 의한 사고를 미연에 방지할 수 있는 효과가 있다.
이상과 같이 본 발명은, 바람직한 실시 예를 중심으로 설명하였지만 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명의 특허청구범위에 기재된 기술적 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 또는 변형하여 실시할 수 있다. 따라서 본 발명의 범주는 이러한 많은 변형의 예들을 포함하도록 기술된 청구범위에 의해서 해석되어야 한다.
1 : 벽체 2 : 대좌
3 : 지반 4 : 그라우팅
10 : 강연선 20 : 쉬스관
30 : 하우징 40 : 솔레노이드
S : 장력 측정 시스템
100 : 전원공급부 200 : 자화부
300 : 제1감지부 400 : 제2감지부
500 : 측정부
S10 : 설치단계 S20 : 자화단계
S30 : 감지단계 S40 : 측정단계

Claims (9)

  1. 지반 내에 설치된 어스앵커에 형성되며 상기 어스앵커 내부의 강연선을 자화시키는 자화부와;
    상기 자화부에 의해 상기 강연선을 따라 흐르는 자류에 의해 유도기전력이 발생되도록 형성되는 제1감지부와;
    상기 자화부에 의해 상기 강연선을 따라 흐르는 자류에 의해 유도기전력이 발생되도록 형성되는 제2감지부와;
    상기 제1감지부와 상기 제2감지부에서 발생하는 유도기전력을 계측하여 상기 어스앵커의 장력을 측정하는 측정부;를 포함하며,
    상기 측정부는 상기 제1감지부와 상기 제2감지부 사이의 자속투과율이 계측되면, 상기 강연선의 재료적 특성, 온도, 장력, 자속투과율에 따른 관계데이터가 저장된 데이터베이스를 이용하여 상기 어스앵커의 장력을 산출할 수 있는 것을 특징으로 하는
    어스앵커 장력 측정 시스템.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 자화부, 상기 제1감지부, 상기 제2감지부는
    상기 강연선이 삽입될 수 있도록 중공으로 형성되고, 내주면과 외주면 사이에는 공간이 비어있는 하우징과;
    상기 하우징의 내주면과 외주면 사이에 형성되며 도선을 나선형으로 감아 공급된 에너지를 변환시키는 솔레노이드;로 이루어지는 것을 특징으로 하는
    어스앵커 장력 측정 시스템.
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 자화부와 연결되며 상기 자화부에 교류전원을 공급하여 전자기유도 현상에 의해 상기 강연선이 자회되도록 하는 전원공급부;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는
    어스앵커 장력 측정 시스템.
  4. 제 1항에 있어서,
    상기 측정부는
    서로 이격된 위치의 상기 제1감지부 및 상기 제2감지부에서 발생되는 유도기전력을 통해 자속을 각각 측정한 후 도입응력의 반비례하는 자속의 투과율을 계산하고,
    상기 자속의 투과율을 실시간 모니터링 하여 임의 시점에서의 장력측정 뿐만 아니라 시간에 따른 어스앵커 장력의 변화를 실시간 파악할 수 있는 것을 특징으로 하는
    어스앵커 장력 측정 시스템.
  5. 제 1항에 있어서,
    상기 자화부, 상기 제1감지부, 상기 제2감지부는
    방수 및 방진 처리되어 지반 내에 존재하는 습기 또는 그라우팅 약제가 내부로 유입되지 않도록 방지되도록 형성되는 것을 특징으로 하는
    어스앵커 장력 측정 시스템.
  6. 제 1항에 있어서,
    상기 자화부, 상기 제1감지부, 상기 제2감지부는
    설치된 위치가 변화되지 않도록 상기 강연선의 외면을 가압하는 가압수단;을 더 포함하는 것을 특징으로 하는
    어스앵커 장력 측정 시스템.
  7. 제 1항에 있어서,
    상기 자화부, 상기 제1감지부, 상기 제2감지부는 서로 이격되어 있으며,
    상기 자화부의 하단에 제1감지부, 제2감지부가 순차적으로 배치되는 것을 특징으로 하는 어스앵커 장력 측정 시스템.
  8. 제 1항에 있어서,
    상기 자화부, 상기 제1감지부, 상기 제2감지부는 서로 이격되어 있으며,
    상기 자화부를 기준으로 상단에는 상기 제1감지부가 배치되고, 상기 자화부를 기준으로 하단에는 제2감지부가 배치되는 것을 특징으로 하는
    어스앵커 장력 측정 시스템.
  9. 자화부, 제1감지부, 제2감지부로 구성된 장력 측정 시스템이 형성된 어스앵커를 지반 내에 설치하는 설치단계(S10);
    상기 자화부에 교류전원을 공급하여 전자기유도현상에 의해 어스앵커의 강연선을 자화시키고 자속이 발생되어 자류가 흐르도록 하는 자화단계(S20);
    상기 어스앵커의 서로 다른 지점에 위치된 상기 제1감지부 및 상기 제2감지부가 상기 강연선을 따라 흐르는 자류에 의해 유도기전력이 발생되도록 하여 외부에 형성된 측정부가 이를 감지하는 감지단계(S30);
    상기 측정부가 상기 제1감지부 및 제2감지부에 발생된 자속을 측정하고 도입응력에 반비례하는 자속의 투과율을 이용하여 상기 어스앵커의 장력변화를 모니터링하는 측정단계(S40);를 포함하며,
    상기 측정단계(S40)에서 상기 측정부는 상기 제1감지부와 상기 제2감지부 사이의 자속투과율이 계측되면, 상기 강연선의 재료적 특성, 온도, 장력, 자속투과율에 따른 관계데이터가 저장된 데이터베이스를 이용하여 상기 어스앵커의 장력을 산출할 수 있는 것을 특징으로 하는
    어스앵커 장력 측정방법.
KR1020200067545A 2020-06-04 2020-06-04 어스앵커 장력 측정 시스템 및 이를 이용한 장력 측정 방법 KR102324506B1 (ko)

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KR102417549B1 (ko) * 2022-02-21 2022-07-06 주식회사 스마트인사이드에이아이 그라운드 앵커 긴장재의 긴장력 계측 센서 구조

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KR20040110740A (ko) * 2003-06-20 2004-12-31 허광희 전자기유도를 이용한 강재 케이블의 장력 및 부식에 대한모니터링 시스템
KR101175622B1 (ko) 2012-03-30 2012-08-21 유문식 지중 매입형 장력측정장치가 부착된 지중앵커

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