KR102435020B1 - 구조물 처짐 계측 장치 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 구조물의 처짐을 계측할 수 있고, 특히 구조물에 균열이 발생하더라도 검증용 처짐계와 동일한 측정값을 정량적으로 산출할 수 있는 구조물 처짐 계측 장치에 관한 것이다.
본 발명에 따른 구조물 처짐 계측 장치는, 일 방향으로 장축 길이를 갖는 봉, 막대 또는 스트립 형상으로 이루어지고, 상기 구조물의 처짐에 의해 외력이 인가될 시 인장 또는 압축이 유발되도록 구성되는 작용부재와; 상기 작용부재에 장착되어, 상기 작용부재에 상기 인장 또는 압축이 유발될 시 이에 따른 변형률을 측정하는 변형률 센서와; 상기 작용부재의 일단부에 고정되고, 외주면에 나사산이 형성되어 있는 고정구와; 상기 구조물에 정착되는 정착구, 및 상기 정착구와 일체로 형성되고 상기 고정구가 통과할 수 있는 통과공이 형성된 지지체를 포함하는 지그; 및 상기 고정구의 상기 나사산 중 상기 통과공을 통과한 나사산 부위(이하, '통과부위'라 함)에 나사체결되어 상기 고정구를 상기 지지체에 고정시키는 체결너트를 포함한다.
본 발명에 따른 구조물 처짐 계측 장치는, 일 방향으로 장축 길이를 갖는 봉, 막대 또는 스트립 형상으로 이루어지고, 상기 구조물의 처짐에 의해 외력이 인가될 시 인장 또는 압축이 유발되도록 구성되는 작용부재와; 상기 작용부재에 장착되어, 상기 작용부재에 상기 인장 또는 압축이 유발될 시 이에 따른 변형률을 측정하는 변형률 센서와; 상기 작용부재의 일단부에 고정되고, 외주면에 나사산이 형성되어 있는 고정구와; 상기 구조물에 정착되는 정착구, 및 상기 정착구와 일체로 형성되고 상기 고정구가 통과할 수 있는 통과공이 형성된 지지체를 포함하는 지그; 및 상기 고정구의 상기 나사산 중 상기 통과공을 통과한 나사산 부위(이하, '통과부위'라 함)에 나사체결되어 상기 고정구를 상기 지지체에 고정시키는 체결너트를 포함한다.
Description
본 발명은 구조물 처짐 계측 장치에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 구조물의 처짐 발생시 이를 검출할 수 있고, 더 나아가 이러한 처짐에 따른 변형률을 이용하여 처짐의 정도를 정량적으로 산출할 수 있는 구조물 처짐 계측 장치에 관한 것이다.
건설 구조물 상태 평가에 있어서, 외력에 의한 구조물의 변위 내지 변형은 가장 중요한 측정 항목 중 하나에 해당한다. 건설 구조물 중 특히 교량의 경우 그 처짐 변형에 대한 감시 및 측정이 중요한데, 종래 교량 처짐 측정 장치는 접촉식 변위계를 이용하여 교량의 처짐을 측정하는 것이 일반적이었다.
이러한 교량상판의 처짐을 측정하기 위하여 접촉식 변위계 등을 이용하여 수직 처짐을 측정하는 것이 가장 일반적이 방식이었다.
종래 교량 처짐 측정을 위한 접촉식 변위계는 조립식 작업대를 지상에 설치하고, 그 조립식 작업대 상단에 변위계를 설치하여, 해당 변위계가 교량 상부 구조물(예컨대, 거더 등)에 접촉된 상태에서 교량의 처짐 발생시 변위계에 가해지는 외력을 통해 해당 교량의 처짐을 측정하도록 구성된다.
그런데, 이러한 종래 접촉식 변위계는 교하 공간이 일반도로, 하천 또는 바다인 경우에는 고정점 설치가 불가능하기 때문에, 접촉식 변위계를 이용하여 교량의 처짐을 측정하는 것이 불가능한 단점이 있었다.
또한, 상기의 방식에 의할 경우 교량 하부가 강이나 바다이거나 교통량이 많은 등의 현장여건으로 인하여 접근이 어려울 경우에는 해당 교량에 변위계를 설치하는데 많은 어려움이 있었고, 이러한 현장여건에서 주기적으로 처짐 측정장치를 설치하고 제거하는데 많은 시간과 노력이 소요되어 비효율적이었다.
이러한 단점을 극복하기 위하여, 카메라와 이미지 프로세싱 기법을 적용한 교량의 처짐 측정 기술이 개발되어 유럽에서 상용화되어 있고 최근 국내에도 도입되고 있다.
그러나, 이와 같이 이미지 프로세싱 기법을 적용한 교량의 처짐 측정 기술은 원거리 측정을 위하여 고가의 망원렌즈 등이 요구되며, 원거리에서 망원렌즈를 사용하기 때문에 바람 등에 의해 기준점이 미세하게 떨리는 경우 오차가 발생하는 단점이 있었다. 또한, 교량의 안전진단은 주로 차량 통행이 적은 야간에 이루어지는 바, 시야 확보를 위하여 별도의 조명을 설치하여야 하는 번거로움이 있었다.
또 다른 방식으로 콘크리트 교량 표면에 변형률계를 직접 부착하고, 변형률을 측정하여 교량의 처짐을 추정하는 연구가 다수 수행되었다.
그러나, 콘크리트 구조물 표면에 균열이 발생되면, 이 표면에 부착된 변형률계의 응답은 급격한 증가 또는 감소 현상이 발생되어 비선형적인 거동특성을 나타내기 때문에 처짐 추정에 있어 오차가 커지는 단점이 있었다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 본 발명의 목적은 구조물의 처짐을 계측하기 위한 장치를 변형률 센서를 기반으로 구축함으로써, 구조물 설치 공간이 하천이나 바다와 같은 특수한 경우라도 특별한 제약 없이 설치 및 변형 감시가 가능하고, 특히 변형률 센서를 이용하더라도 종래의 문제점(즉, 구조물 표면에 균열 발생시 변형률계의 응답이 급격하게 증가 또는 감소)을 원천적으로 방지할 수 있어 구조물 처짐에 따른 선형적인 거동특성을 보장할 수 있고, 이에 따른 처짐의 정도를 정량적으로 산출할 수 있는 구조물 처짐 계측 장치를 제공하는 것이다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 구조물 처짐 계측 장치는, 일 방향으로 장축 길이를 갖는 봉, 막대 또는 스트립 형상으로 이루어지고, 상기 구조물의 처짐에 의해 외력이 인가될 시 인장 또는 압축 변형이 유발되도록 구성되는 작용부재와; 상기 작용부재에 장착되어, 상기 작용부재에 상기 인장 또는 압축 변형의 발생 시 이에 따른 변형률을 측정하는 변형률 센서와; 상기 작용부재의 일단부에 고정되고, 외주면에 나사산이 형성되어 있는 고정구와; 상기 구조물에 정착되는 정착구, 및 상기 정착구와 일체로 형성되고 상기 고정구가 통과할 수 있는 통과공이 형성된 지지체를 포함하는 지그; 및 상기 고정구의 상기 나사산 중 상기 통과공을 통과한 나사산 부위(이하, '통과부위'라 함)에 나사체결되어 상기 고정구를 상기 지지체에 고정시키는 체결너트를 포함한다.
그리고, 상기 작용부재의 타단부가 상기 구조물 상에 고정된 상태에서, 상기 체결너트가 상기 통과부위에 나사체결될 시 상기 지지체에 밀착되도록 구성된다.
그리고, 상기 체결너트가 상기 지지체에 밀착된 상태에서 상기 체결너트의 조임력에 의해 상기 고정구를 매개로 상기 작용부재에 외력이 가해지도록 구성된다.
그리고, 상기 외력에 의해 상기 변형률 센서에 프리 스트레인(pre-strain)이 인가되도록 구성된다.
본 발명에 따른 구조물 처짐 계측 장치에 의하면, 종래의 경우 구조물 표면에 변형률계를 직접적으로 부착함에 따라 국부적인 응력을 측정하기 때문에 균열이 발생되면 비선형적인 응답이 측정되는 반면, 본 발명에 따른 구조물 처짐 계측 장치는 변형률 센서가 구조물 표면에 직접 부착되지 않고, 구조물로부터 소정 간격을 두고 이격 배치되는 상태로 설치되기 때문에 구조물에 균열이 발생된다 하더라도 전체 길이에 비하여 매우 폭이 작으며, 롱게이지의 평균적인 변형률이 작용부재에 반영되기 때문에, 검증용 처짐계와 동일한 측정값을 정량적으로 산출할 수 있는 장점이 있다.
도 1은 본 발명에 따른 구조물 처짐 계측 장치의 분해 사시도.
도 2는 본 발명의 제1 실시예에 따른 구조물 처짐 계측 장치의 길이방향 단면도.
도 3은 도 2의 'D2' 방향 단면도.
도 4는 본 발명의 제2 실시예에 따른 구조물 처짐 계측 장치의 길이방향 단면도.
도 5는 도 4의 'D3' 방향 단면도.
도 6은 본 발명에 따른 구조물 처짐 계측 장치가 구조물에 설치되는 구조를 도시한 설치 단면도.
도 7은 본 발명에 따른 구조물 처짐 계측 장치의 작용부재가 구조물의 처짐 발생에 따라 인장이 유발되는 모습을 도시한 도면.
도 8은 본 발명의 구조물 처짐 계측 장치가 설치되는 구조물로서 단순보 형태로 이루어진 구조물을 도시한 개략도.
도 9는 도 8의 구조물이 처짐이 발생된 모습을 일차함수 그래프 형태로 나타낸 도면.
도 10은 도 9의 구조물의 처짐 발생에 따라 해당 구조물의 각 지점별로 측정된 변형률 값을 나타낸 도면.
도 2는 본 발명의 제1 실시예에 따른 구조물 처짐 계측 장치의 길이방향 단면도.
도 3은 도 2의 'D2' 방향 단면도.
도 4는 본 발명의 제2 실시예에 따른 구조물 처짐 계측 장치의 길이방향 단면도.
도 5는 도 4의 'D3' 방향 단면도.
도 6은 본 발명에 따른 구조물 처짐 계측 장치가 구조물에 설치되는 구조를 도시한 설치 단면도.
도 7은 본 발명에 따른 구조물 처짐 계측 장치의 작용부재가 구조물의 처짐 발생에 따라 인장이 유발되는 모습을 도시한 도면.
도 8은 본 발명의 구조물 처짐 계측 장치가 설치되는 구조물로서 단순보 형태로 이루어진 구조물을 도시한 개략도.
도 9는 도 8의 구조물이 처짐이 발생된 모습을 일차함수 그래프 형태로 나타낸 도면.
도 10은 도 9의 구조물의 처짐 발생에 따라 해당 구조물의 각 지점별로 측정된 변형률 값을 나타낸 도면.
본 명세서에서 사용하는 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 "갖다" 등의 용어는 명세서 상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
또한, 본 명세서에서, "~ 상에 또는 ~ 상부에" 라 함은 대상 부분의 위 또는 아래에 위치함을 의미하는 것인데, 이는 반드시 중력 방향을 기준으로 상측에 위치하는 것을 의미하는 것은 아니다. 즉, 본 명세서에서 지칭하는 "~ 상에 또는 ~ 상부에"라 함은 대상 부분의 위 또는 아래에 위치하는 경우뿐만 아니라 대상 부분의 앞 또는 뒤에 위치하는 경우도 포함한다.
또한, 영역, 판 등의 부분이 다른 부분 "상에 또는 상부에" 있다고 할 때, 이는 다른 부분 "바로 상에 또는 상부에" 접촉하여 있거나 간격을 두고 있는 경우뿐만 아니라 그 중간에 또 다른 부분이 있는 경우도 포함한다.
또한, 본 명세서에서, 일 구성요소가 다른 구성요소와 "연결된다" 거나 "접속된다" 등으로 언급된 때에는, 상기 일 구성요소가 상기 다른 구성요소와 직접 연결되거나 또는 직접 접속될 수도 있지만, 특별히 반대되는 기재가 존재하지 않는 이상, 중간에 또 다른 구성요소를 매개하여 연결되거나 또는 접속될 수도 있다고 이해되어야 할 것이다.
또한, 본 명세서에서, 제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다.
이하에서는, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예, 장점 및 특징에 대하여 상세히 설명하도록 한다.
도 1은 본 발명에 따른 구조물 처짐 계측 장치의 분해 사시도이다. 도 1을 참조하면, 본 발명에 따른 구조물 처짐 계측 장치는 구조물에 설치되어 해당 구조물의 처짐의 정도를 측정하는 장치로서, 작용부재(20), 변형률 센서(15), 고정구(30), 지그(40), 체결너트(50), 및 연산처리장치(미도시)를 포함한다.
작용부재(20)는 일 방향으로 장축길이를 갖는 봉, 막대 또는 스트립 형상으로 이루어지고, 구조물의 처짐에 의해 외력이 인가될 시 해당 외력에 의해 인장 또는 압축이 유발되도록 구성되는 부재이다.
작용부재(20)가 설치되는 구조물은 대표적으로 교량일 수 있고, 작용부재(20)는 이의 장축 길이가 상기 구조물의 장축 길이 방향을 향하도록 설치된다.
구체적으로, 작용부재(20)는 양단부가 구조물 상에 고정되게 설치되어 있어, 구조물의 처짐 발생시 이때 구조물의 처짐 거동에 따른 외력이 작용부재(20)에 인장력 또는 압축력으로 작용하여 인장 또는 압축 변형이 유발되게 된다.
따라서, 작용부재(20)는 내식성 및 내열성이 우수하여 반영구적인 사용이 가능하며, 특히 탄성력과 뛰어난 유연성을 갖고 있어 구조물의 처짐 발생시 이에 연동하여 인장 또는 압축변형이 유발될 수 있는 소재로 이루어져야 한다.
일 실시예에 따르면, 작용부재(20)는 FRP와 같은 강화 플라스틱 소재로 형성할 수 있다. 참고로, FRP(Fiber Reinforced Plastic) 소재는 유리섬, 탄소섬유, 아라미드섬유, 케블라 등의 방향족 나일론섬유와 불포화 폴리에스터·에폭시수지 등의 열경화성 수지를 결합한 섬유 강화 플라스틱을 의미한다.
변형률 센서(15)는 작용부재(20)에 장착되어, 구조물의 처짐에 따라 해당 작용부재(20)에 인장 또는 압축이 발생될 시 이에 따른 변형률을 측정하는 장치이다.
도 2는 본 발명의 제1 실시예에 따른 구조물 처짐 계측 장치의 길이방향 단면도이고, 도 3은 도 2의 'D2' 방향 단면도이다.
제1 실시예에 따르면, 변형률 센서(15)는 광섬유(10)에 형성되는 광섬유 브래그 격자 센서(FBG: Fiber Bragg Gratings)를 포함하고, 작용부재(20)의 인장 또는 압축변형에 의해 유발되는 브래그 격자의 간격 변화에 의해 변형률을 측정하도록 구성된다.
광섬유(10)는 유리코어 및 이를 둘러싸는 유리 클래딩(Cladding)으로 이루어지고, 유리 클래딩을 감싸며 마감하는 피복 레이어를 더 포함할 수 있다.
광섬유 브래그 격자 센서(FBG;15)는 작용부재(20)의 인장 또는 압축 발생시, 이에 따라 가해지는 인장력 또는 압축력에 의해 격자 간격의 변화가 유발될 수 있도록 구성된다. 광섬유 브래그 격자 센서(15)는 브래그 격자 간격의 변화 유발에 따라 반사되는 광의 파장이 달라지는 성질을 이용하여 반사광의 파장 변화량을 분석함으로써 해당 작용부재(20)의 변형률을 측정할 수 있고, 이를 기반으로 해당 구조물의 처짐을 실시간으로 모니터링하고, 그 처짐의 정도를 계측할 수 있게 된다.
참고로, 도 2 실시예의 경우, 변형률 센서(15)는 광섬유(10)에 형성되는 브래그 격자 센서(FBG)로 구성하였고, 이러한 광섬유(10)와 브래그 격자 센서(15)는 FRP 재질로 이루어진 작용부재(20)의 인발 성형시 작용부재(20) 내부에 일체로 포함된 구조를 갖도록 구성하였다. 따라서, 도 2 실시예의 경우, 도 2과 같이 작용부재(20)가 광섬유(10)와 브래그 격자 센서(15)를 둘러싸고 있는 단면 구조를 이루게 된다.
변형률 센서(15)는 하나의 광섬유(10)에 복수 개로 구비될 수 있으며, 상기 경우 변형률 센서(15)는 작용부재(20)의 장축 길이 방향을 따라 다수 개의 지점에 설치된다. 이와 같이 변형률 센서(15)가 복수 개로 구비되면 측정 정밀도 및 신뢰도를 향상시킬 수 있는 장점이 있다.
도 4는 본 발명의 제2 실시예에 따른 구조물 처짐 계측 장치의 길이방향 단면도이고, 도 5는 도 4의 'D3' 방향 단면도이다.
제2 실시예에 따르면, 변형률 센서는 전기식 변형률 센서(16)로 구성될 수 있고, 전기식 변형률 센서(16)는 스트레인 게이지(Strain gauge)를 포함할 수 있으며, 작용부재(20)에 복수 개가 설치될 수 있다.
전기식 변형률 센서(16)는 작용부재(20)가 인장 또는 압축 변형을 일으킬 때, 그 변형의 정도에 비례하여 이에 부착된 스트레인 게이지의 전기적 저항이 변하게 되고, 이로부터 작용부재(20)의 변형률을 측정할 수 있게 된다.
참고로, 도 4 실시예의 경우, 변형률 센서는 전기 저항식 스트레인 게이지(16)로 구성하였고, 4개의 전기 저항식 스트레인 게이지(16)는 작용부재(20)의 제1 지점의 외주면에 그 둘레를 따라 이격 배치되는 구조로 설치되고, 또 다른 4개의 전기 저항식 스트레인 게이지는 작용부재(20)의 제2 지점의 외주면에 그 둘레를 따라 이격 배치되는 구조로 설치하였다.
고정구(30)는 작용부재(20)의 적어도 일단부에 고정되게 설치되어 구조물의 처짐 발생시 상기 처짐에 따른 외력을 작용부재(20)에 인장력 형태로 전달하는 역할을 하는 부재이다.
고정구(30)는 금속 등의 강재로 이루어질 수 있고, 그 외주면에 나사산(31)이 형성되어 있다.
참고로, 도 1 실시예의 경우, 고정구(30)는 작용부재(20)의 일단부와 타단부에 각각 하나씩 설치되게 구성하였으나, 작용부재(20)의 타단부는 고정구(30)와 다른 형태 내지 구조를 갖는 부재(예컨대, 나사산이 없는 지그 등)로 구조물 상에 고정될 수도 있다. 그러나, 이와 같은 경우라도 작용부재(20)의 적어도 일단부는 나사산이 형성된 본 발명의 고정구(30)에 의해 구조물 상에 고정되어야 한다.
지그(40)는 구조물 상에 정착되어 고정구(30)를 지지하는 부재로서, 구조물에 정착되는 정착구(45), 및 상기 정착구(45)와 일체로 형성되고 고정구(30)가 통과할 수 있는 통과공(41)이 형성된 지지체(47)를 포함한다.
일 실시예에 따르면, 정착구(45)는 복수 개의 체결공(43)이 관통 형성되어 있는 금속 재질의 제1 판체를 포함할 수 있다. 상기 경우, 정착구(45)의 체결공(43)을 통과하여 구조물에 매립 또는 고정되는 체결수단(예컨대, 앵커볼트, 고장력볼트 등)을 통해 정착구(45)를 구조물 상에 고착시킬 수 있다.
일 실시예에 따르면, 지지체(47)는 정착구(45)의 제1 판체의 일측 변에서 하측 방향으로 연장된 구조 즉, 절곡 구조로 이루어진 금속 재질의 제2 판체로 구성될 수 있다. 상기 경우, 지지체(47)의 제2 판체의 중심부에는 고정구(30)가 통과할 수 있는 통과공(41)이 관통 형성되어 있다.
지그(40)는 정착구(45)의 제1 판체와 지지체(47)의 제2 판체를 연결하는 브레이싱(49)이 더 형성될 수 있다. 상기 경우, 구조물의 치짐에 따른 하중전달이 더 원활히 이루어질 수 있고, 이에 따라 작용부재(20)는 구조물의 처짐 발생시 보다 민감하게 일체화 거동하도록 유도할 수 있는 장점이 있다.
한편, 도 1 실시예와 같이, 고정구(30)가 작용부재(20)의 양측 단부에 각각 설치될 경우, 지그(40) 역시 한 쌍의 고정구(30)에 대응하는 위치에 각각 구비되는 한 쌍의 지그(40)로 구성될 수 있다.
도 6은 본 발명에 따른 구조물 처짐 계측 장치가 구조물에 설치되는 구조를 도시한 설치 단면도이다.
도 1 및 도 6을 참조하면, 체결너트(50)는 고정구(30)를 지그(40)에 정착시키기 위한 구성으로서, 고정구(30)에 형성된 나사산(예컨대, 암나사산(31))에 대응하는 나사산(예컨대, 수나사산)이 내주면에 형성되어 있다.
구체적으로, 체결너트(50)는 고정구(30)의 나사산(31)의 전체 부위 중 지그(40)의 통과공(41)을 통과하여 외측으로 돌출된 나사산 부위(이하, '통과부위'라 함)에 나사체결됨으로써 고정구(30)를 지그(40)에 정착시키도록 구성된다.
이러한 체결너트(50)는 고정구(30)의 통과부위에 나사체결될 시 지그(40)의 지지체(47)에 밀착되도록 구성된다.
즉, 작용부재(20)의 타단부에 설치된 고정구(30), 지그(40) 및 체결너트(50)를 통해 작용부재(20)의 타단부를 구조물(1)로부터 소정 간격을 두고 그 아래에 고정시킨다. 그리고, 작용부재(20)의 일단부에 설치된 고정구(30)를 지지체(47)의 통과공(41)을 통해 외측으로 돌출시킨 후, 고정구(30)의 통과부위에 체결너트(50)를 나사체결 진행시키면 체결너트(50)는 나사체결되며 지지체(47) 측으로 이동하게 되고, 종국에는 지지체(47)의 일면에 밀착됨으로써 더 이상의 나사체결 이동이 저지되게 된다.
이와 같이 체결너트(50)가 지지체(47)에 밀착되어 나사체결 이동이 저지된 상태에서, 체결너트(50)를 더 조이게 되면, 체결너트(50)의 조임력에 의해 고정구(30)를 매개로 작용부재(20)에 인장력이 가해지도록 구성된다.
그리고, 이와 같이 작용부재(20)에 인장력이 가해짐으로써, 해당 작용부재(20)에 부착된 변형률 센서(15)에 프리 스트레인(pre-strain)이 인가되도록 구성된다.
도 7은 본 발명에 따른 구조물 처짐 계측 장치의 작용부재가 구조물의 처짐 발생에 따라 인장이 유발되는 모습을 도시한 도면이다.
도 7을 참조하면, 연산처리장치는 구조물(1)의 처짐의 정도를 산출하는 구성으로서, 변형률 센서(15)에 의해 측정되는 변형률을 이용하여, 해당 구조물(1)의 처짐에 따른 처짐 형태를 제1 일차함수와 제2 일차함수로 변환하고, 이렇게 변환한 제1,2 일차함수를 기반으로 처짐의 정도를 산출하도록 구성된다.
구조물(1)의 처짐이 발생하면, 이의 실질적인 처짐 형태는 도 7과 같이 완만한 아치형과 같은 곡선 모양을 형성하게 되는데, 본 발명의 연산처리장치는 이러한 아치형의 처짐 곡선을 직선의 일차함수로 단순화시켜 해당 구조물(1)의 처짐을 추정하도록 구성된다.
이에 대하여 도 8 내지 도 9를 참조하여 보다 상세히 설명하면 다음과 같다.
도 8은 본 발명의 구조물 처짐 계측 장치가 설치되는 구조물로서 단순보 형태로 이루어진 구조물을 도시한 개략도이고, 도 9는 도 8의 구조물이 처짐이 발생된 모습을 일차함수 그래프 형태로 나타낸 도면이다.
참고로, 도 9에는 총 7개의 지점(S1 ~ S7)이 표시되어 있는데, 각 지점에는 도 1과 같이 구성된 구조물 처짐 계측 장치가 도 6과 같은 구조로 설치된다. 즉, 지점 'S1'에는 도 1과 같이 구성된 제1 구조물 처짐 계측 장치가 설치되고, 지점 'S2'에도 도 1과 같이 구성된 제2 구조물 처짐 계측 장치가 설치되며, 마찬가지로 지점 'S3' ~ 'S7'에도 도 1과 같이 구성된 구조물 처짐 계측 장치가 각각 설치되어, 해당 지점의 변형률을 각각 측정하게 된다.
본원 발명자는 보의 곡률과 처짐의 관계에 의하여 도출된 공식을 이용하였다. 도출된 공식을 나타내는 식은 다음의 수학식 1과 같다.
(수학식 1에서, κ: 곡률, ρ: 곡률 반경, x: 처짐이 발생되지 않은 기준점에서 해당 처짐 위치까지의 거리, v: 처짐 곡선, M: 모멘트, EI: 휨강성)
또한, 보의 곡률과 그에 관련된 변형률을 고려하면 다음의 수학식 2와 같이 표현될 수 있다.
(수학식 2에서, 
: 종방향 변형률, y: 연단거리)
그리고, 수학식 1과 수학식 2로부터 처짐과 변형률의 상관 관계를 얻을 수 있으며, 이는 다음의 수학식 3과 같다.
본원 발명자는 수학식 3과 같이 표현되는 처짐과 변형률의 관계를 이용하여, 다음의 수학식 4 및 수학식 5를 도출하였고, 이러한 수학식 4 및 수학식 5를 통해 구조물의 처짐의 정도를 추정할 수 있게 되었다.
예컨대, 도 8과 같은 단순보 형태의 구조물(1)을 가정하자. 상기 경우 구조물(1)에 하중(P)이 가해지면 처짐이 발생되고, 이에 따른 변형률을 도 10과 같은 형태로 측정할 수 있게 된다. 즉, 도 8과 같은 구조물의 처짐 발생시, 이에 따른 각 지점(즉, 7개 지점, S1 ~ S7)별 변형률을 측정하여 도 9과 같이 일차함수 그래프 형태로 나타낼 수 있다. 참고로, 도 9에서 점선으로 표시된 부분(즉, 도면부호 '1a')는 처짐이 발생된 구조물을 의미한다.
그리고, 이러한 변형률을 이용하여 일차함수의 기울기를 도출하고, 후술할 경계조건을 이용하여 수학식 4 수학식 5의 상수(C1,C2,C3,C4)를 도출함으로써 각 지점 (S1~S7)별 처짐의 정도를 산출할 수 있다.
수학식 4는 도 8,9와 같은 구조물을 가정할 때, 'x = O ~ L1/2'에 해당하는 구간 즉, 'S1 ~ S4' 구간에서 각 지점(S1,S2,S3,S4)의 처짐의 정도(이하, '제1 처짐값'이라 칭함)를 산출하기 위한 식으로서 다음과 같다. 여기서, 상기 'L1'은 처짐이 발생되지 않은 양단 지점 간의 거리를 지칭한다.
(수학식 4에서, a: 일차함수의 기울기, b: 일차함수의 y절편, x: 처짐이 발생되지 않은 기준점(예컨대, 도 9의 S1)으로부터 처짐측정지점까지의 거리, V1: 제1 처짐값, C1: 제1 상수, C2: 제2 상수)
여기서, 상기 '처짐측정지점'이란 구조물에 있어서 처짐이 발생된 다수의 지점 중 처짐의 정도를 산출하고자 하는 지점을 지칭한다.
그리고, 수학식 4에서, 'a'는 'x = O ~ L1/2' 구간에서 측정된 각 지점(S1,S2,S3,S4)별 변형률값을 이용하여 이를 일차함수(이하, '제1 일차함수'라 함) 형태로 변환하였을 때 해당 일차함수 그래프의 기울기 값이고, 'b'는 상기 제1 일차함수 그래프의 y절편 값이다.
즉, 제1 일차함수에서 x축은 처짐이 발생되지 않은 기준점(x = 0)으로부터 처짐측정지점까지의 거리에 해당하고, y축은 각 지점의 위치(즉, x)에서 측정된 변형률값에 해당한다.
수학식 5는 도 8,9와 같은 구조물을 가정할 때, 'x = L1/2 ~ L1'에 해당하는 구간 즉, 'S4 ~ S7' 구간에서 각 지점(S4,S5,S6,S7)의 처짐의 정도(이하, '제2 처짐값'이라 칭함)를 산출하기 위한 식에 해당한다.
(수학식 5에서, c: 기울기, d: y절편, x: 처짐이 발생되지 않은 기준점(예컨대, 도 9의 S1)으로부터 처짐측정지점까지의 거리, V2: 제2 처짐값, C3: 제3 상수, C4: 제4 상수)
여기서, 상기 '처짐측정지점'이란 구조물에 있어서 처짐이 발생된 다수의 지점 중 처짐의 정도를 산출하고자 하는 지점을 지칭한다.
그리고, 수학식 5에서, 'c'는 'x = L1/2 ~ L1' 구간에서 측정된 각 지점(S4,S5,S6,S7)별 변형률값을 이용하여 이를 일차함수(이하, '제2 일차함수'라 함) 형태로 변환할 때 도출되는 기울기 값이고, 'd'는 상기 제2 일차함수 그래프의 y절편 값이다.
즉, 제2 일차함수에서 x축은 처짐이 발생되지 않은 기준점(x = 0)으로부터 처짐측정지점까지의 거리에 해당하고, y축은 각 지점의 위치(즉, x)에서 측정된 변형률값에 해당한다.
그리고, 수학식 4 및 수학식 5의 제1 상수(C1), 제2 상수(C2), 제3 상수(C3) 및 제4 상수(C4)는 다음의 수학식 6,7 및 경계 조건식 1,2,3 을 함께 이용하여 도출하도록 구성된다. 참고로, 상기 경계 조건식 1,2,3은 집중하중이 작용하는 양단가동단의 경계조건에 해당한다.
(수학식 6에서, a: 수학식 4의 'a'와 동일한 값, b: 수학식 4의 'b'와 동일한 값, C1: 수학식 4의 'C1'과 동일한 값)
(수학식 7에서, c: 수학식 5의 'c'와 동일한 값, d: 수학식 5의 'd'와 동일한 값, C3: 수학식 5의 'C3'와 동일한 값
조건식 1
V1(0) = V2(L1) = 0
(조건식 1에서, V1: 수학식 4의 V1, V2: 수학식 5의 V2, L1: 처짐이 발생되지 않은 양단 지점 간의 거리)
조건식 2
V1(L1/2) = V2(L1/2)
(조건식 2에서, V1: 수학식 4의 V1, V2: 수학식 5의 V2, L1: 처짐이 발생되지 않은 양단 지점 간의 거리)
조건식 3
V1'(L1/2) = V2'(L1/2)
(조건식 3에서, V1': 수학식 6의 V1', V2': 수학식 7의 V2', L1: 처짐이 발생되지 않은 양단 지점 간의 거리)
이하에서는, 도 10의 예시를 참조하여, 수학식 4 및 수학식 5를 이용하여 구조물의 처짐의 정도 즉, 제1 처짐값과 제2 처짐값을 산출하는 과정에 대하여 설명하도록 한다.
도 10은 도 9의 구조물의 처짐 발생에 따라 해당 구조물의 각 지점별로 측정된 변형률 값을 나타낸 도면이다.
도 10과 같은 단순보 형태의 구조물(1)에 하중이 작용하였을 때, 도 10 구조물의 각 지점(S1 내지 S7)별 측정 변형률이 다음과 같다고 가정한다. 그리고, 도 10 예시의 구조물의 'L1'은 '300cm'이고, 'L1/2'는 '150cm'이다.
측정 변형률 "S1 = 0, S2 = 2582, S3 = 5164, S4 = 7746, S5 = 5164, S6 = 2582, S7 = 0"
상기 경우, 측정 변형률을 이용하여, 수학식 4의 'a'값과, 수학식 5의 'c' 및 'd'값을 구할 수 있다. 참고로, 도 10 예시의 경우 수학식 4의 'b'값(y절편)은 '0'으로 설정하였다.
도 10 예시에 따르면, 'x = O ~ L1/2'에 해당하는 구간 즉, 'S1 ~ S4' 구간에서 각 지점(S1,S2,S3,S4)의 처짐의 정도(제1 처짐값)를 산출하기 위한 식(V1)은 수학식 4에 따라 다음과 같이 도출된다.
식(V
1
)
그리고, 또 다른 수학식(V1')은 수학식 6에 따라 다음과 같이 도출된다.
식(V
1
')
그리고, 'x = L1/2 ~ L1'에 해당하는 구간 즉, 'S4 ~ S7' 구간에서 각 지점(S4,S5,S6,S7)의 처짐의 정도(제2 처짐값)를 산출하기 위한 식(V2)은 수학식 5에 따라 다음과 같이 도출된다.
식(V
2
)
그리고, 또 다른 수학식(V2')은 수학식 7에 따라 다음과 같이 도출된다.
식(V
2
')
그리고, 집중하중이 작용하는 양단가동단의 경계조건을 조건식 1,2,3에 따라 도출하면 다음과 같다.
경계조건 1
V1(0) = V2(300) = 0
경계조건 2
V1(150) = V2(150)
경계조건 3
V1'(150) = V2'(150)
상기와 같이 도출된 식(V1), 식(V1'), 식(V2), 식(V2')에 상기의 경계조건 1,2,3을 적용하여 계산하면, 식(V1), 식(V1'), 식(V2), 식(V2')의 상수 즉, C1, C2, C3, C4를 구할 수 있다.
그리고, 도출된 상수(C1,C2)를 식(V1)에 대입하여 식(V1)을 완성하고, 도출된 상수(C3,C4)를 식(V2)에 대입하여 식(V2)을 완성한다.
그리고, 완성된 식(V1)을 이용하여 'x = O ~ L1/2'에 해당하는 구간의 각 지점 즉, 'S1(x=O), S2(x=50), S3(x=100), S4(x=150)'의 처짐의 정도(V1)를 계산하면, 다음의 표 1과 같이 처짐값(mm)을 산출할 수 있다.
마찬가지로, 완성된 식(V2)을 이용하여 'x = L1/2 ~ L1'에 해당하는 구간의 각 지점 즉, 'S4(x=150), S5(x=200), S6(x=250), S7(x=300)'의 처짐의 정도(V2)를 계산하면, 다음의 표 1과 같이 처짐값(mm)을 산출할 수 있다.
| 위치(지점)(단위:cm) | 처짐값(단위:mm) |
| 0(S1) | 0 |
| 50(S2) | -111.89 |
| 100(S3) | -197.95 |
| 150(S4) | -232.38 |
| 200(S5) | -197.95 |
| 250(S6) | -111.89 |
| 300(S7) | 0 |
참고로, 표 1에서, S1 ~ S4가 'x = O ~ L1/2' 구간의 각 지점별 처짐값(즉, 제1 처짐값)에 해당하고, S4 ~ S7이 'x = L1/2 ~ L1' 구간의 각 지점별 처짐값(즉, 제2 처짐값)에 해당하게 된다.
한편, 전술한 바와 같이 변형률 센서(15)에 의해 측정되는 변형률을 이용하여, 해당 구조물의 처짐값을 산출하는 연산처리장치는 원격지에 구비될 수 있다. 상기 경우, 변형률 센서(15)를 통해 측정되는 변형률 정보는 유무선 통신수단을 통해 연산처리장치로 전송되도록 구성된다. 참고로, 상기 '유무선 통신수단'이란 구조물에 설치되어 변형률 센서(15)와 연결되는 유무선 통신모듈, 연산처리장치 측에 탑재되는 유무선 통신모듈, 그리고 데이터의 송수신을 위한 유무선 통신라인을 포함할 수 있다.
연산처리장치로 전송되는 변형률 정보는 신호 변환부(예컨대, A/D 컨버터)를 통해 적합한 형태로 변환되고, 이렇게 변환된 신호는 연산처리장치에 의해 연산 처리되어 해당 구조물의 처짐의 정도가 산출된다.
더 나아가, 연산처리장치는 도출된 처짐 정보를 관리자의 휴대 단말 또는 개인용 컴퓨터로 전송하도록 구성될 수 있다. 상기 경우, 관리자는 원격지에서도 해당 구조물의 처짐을 실시간 감시 관리할 수 있게 된다.
상기에서 본 발명의 바람직한 실시예가 특정 용어들을 사용하여 설명 및 도시되었지만 그러한 용어는 오로지 본 발명을 명확히 설명하기 위한 것일 뿐이며, 본 발명의 실시예 및 기술된 용어는 다음의 청구범위의 기술적 사상 및 범위로부터 이탈되지 않고서 여러가지 변경 및 변화가 가해질 수 있는 것은 자명한 일이다. 이와 같이 변형된 실시예들은 본 발명의 사상 및 범위로부터 개별적으로 이해되어져서는 안되며, 본 발명의 청구범위 안에 속한다고 해야 할 것이다.
1: 구조물 10: 광섬유
15,16: 변형률 센서 20: 작용부재
30: 고정구 31: 고정구의 나사산
40: 지그 41: 통과공
43: 체결공 45: 정착구
47: 지지체 49: 브레이싱
50: 체결너트
15,16: 변형률 센서 20: 작용부재
30: 고정구 31: 고정구의 나사산
40: 지그 41: 통과공
43: 체결공 45: 정착구
47: 지지체 49: 브레이싱
50: 체결너트
Claims (8)
- 구조물에 설치되어 처짐을 측정하는 장치로서,
일 방향으로 장축 길이를 갖는 봉, 막대 또는 스트립 형상으로 이루어지고, 상기 구조물의 처짐에 의해 외력이 인가될 시 인장 또는 압축이 유발되도록 구성되는 작용부재; 상기 작용부재에 장착되어, 상기 작용부재에 상기 인장 또는 압축이 유발될 시 이에 따른 변형률을 측정하는 변형률 센서; 상기 작용부재의 일단부에 고정되고, 외주면에 나사산이 형성되어 있는 고정구; 상기 구조물에 정착되는 정착구, 및 상기 정착구와 일체로 형성되고 상기 고정구가 통과할 수 있는 통과공이 형성된 지지체를 포함하는 지그; 상기 고정구의 상기 나사산 중 상기 통과공을 통과한 나사산 부위(이하, '통과부위'라 함)에 나사체결되어 상기 고정구를 상기 지지체에 고정시키는 체결너트; 및 상기 구조물의 처짐의 정도를 산출하는 연산처리장치;를 포함하고,
상기 작용부재의 타단부가 상기 구조물 상에 고정된 상태에서, 상기 체결너트가 상기 통과부위에 나사체결될 시 상기 지지체에 밀착되도록 구성되고,
상기 체결너트가 상기 지지체에 밀착된 상태에서 상기 체결너트의 조임력에 의해 상기 고정구를 매개로 상기 작용부재에 외력이 가해지도록 구성되고,
상기 외력에 의해 상기 변형률 센서에 프리 스트레인(pre-strain)이 인가되도록 구성되며,
상기 연산처리장치는,
'x = O ~ L1/2'에 해당하는 구간에서, 상기 변형률 센서에 의해 측정되는 상기 변형률을 이용하여 상기 구조물의 처짐에 따른 처짐 형태를 제1 일차함수로 변환하고,
상기 'x = O ~ L1/2'에 해당하는 구간의 각 지점별 처짐값(V1)을 다음의 수학식 4에 따라 산출하며,
'x = L1/2 ~ L1'에 해당하는 구간에서, 상기 변형률 센서에 의해 측정되는 상기 변형률을 이용하여 상기 구조물의 처짐에 따른 처짐 형태를 제2 일차함수로 변환하고,
상기 'x = L1/2 ~ L1'에 해당하는 구간의 각 지점별 처짐값(V2)을 다음의 수학식 5에 따라 산출하는 것을 특징으로 하는 구조물 처짐 계측 장치.
수학식 4
(수학식 4에서, a: 상기 제1 일차함수의 기울기, b: 상기 일차함수의 y절편, x: 처짐이 발생되지 않은 기준점으로부터 처짐측정지점까지의 거리, C1: 제1 상수, C2: 제2 상수)
수학식 5
(수학식 5에서, c: 상기 제2 일차함수의 기울기, d: 상기 제2 일차함수의 y절편, x: 처짐이 발생되지 않은 기준점으로부터 처짐측정지점까지의 거리, C3: 제3 상수, C4: 제4 상수)
- 삭제
- 제1 항에 있어서,
상기 연산처리장치는 다음의 수학식 6, 수학식 7, 조건식 1, 조건식 2 및 조건식 3을 이용하여, 상기 수학식 4의 제1 상수(C1), 제2 상수(C2) 및 상기 수학식 5의 상기 제3 상수(C3), 제4 상수(C4)를 도출하는 것을 특징으로 하는 구조물 처짐 계측 장치.
수학식 6
(수학식 6에서, a: 수학식 4의 'a'와 동일한 값, b: 수학식 4의 'b'와 동일한 값, C1: 수학식 4의 'C1'과 동일한 값)
수학식 7
(수학식 7에서, c: 수학식 5의 'c'와 동일한 값, d: 수학식 5의 'd'와 동일한 값, C3: 수학식 5의 'C3'와 동일한 값)
조건식 1
V1(0) = V2(L1) = 0
(조건식 1에서, V1: 수학식 4의 V1, V2: 수학식 5의 V2, L1: 처짐이 발생되지 않은 양단 지점 간의 거리)
조건식 2
V1(L1/2) = V2(L1/2)
(조건식 2에서, V1: 수학식 4의 V1, V2: 수학식 5의 V2, L1: 처짐이 발생되지 않은 양단 지점 간의 거리)
조건식 3
V1'(L1/2) = V2'(L1/2)
(조건식 3에서, V1': 수학식 6의 V1', V2': 수학식 7의 V2', L1: 처짐이 발생되지 않은 양단 지점 간의 거리)
- 제1 항에 있어서,
상기 작용부재는 강화 플라스틱 소재(FRP)로 형성되는 것을 특징으로 하는 구조물 처짐 계측 장치.
- 제1 항에 있어서,
상기 일 방향은 상기 구조물의 장축 길이 방향인 것을 특징으로 하는 구조물 처짐 계측 장치.
- 제1 항에 있어서,
상기 정착구는,
복수 개의 체결공이 관통 형성되어 있는 금속 재질의 제1 판체를 포함하고,
상기 지지체는,
상기 제1 판체의 일측 변에서 하측 방향으로 절곡된 구조로 형성되는 금속 재질의 제2 판체를 포함하고,
상기 통과공은,
상기 제2 판체에 관통 형성되며,
상기 제1 판체와 상기 제2 판체를 연결하는 브레이싱을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 구조물 처짐 계측 장치.
- 제1 항에 있어서,
상기 변형률 센서는 광섬유 브래그 격자 센서(FBG) 또는 스트레인 게이지(Strain gauge)를 포함하고,
상기 변형률 센서는 상기 작용부재의 장축 길이 방향을 따라 다수의 지점에 설치되는 것을 특징으로 하는 구조물 처짐 계측 장치.
- 제1 항에 있어서,
상기 구조물 처짐 계측 장치는 상기 구조물에 다수 개로 설치되고,
상기 다수 개의 상기 구조물 처짐 계측 장치는,
상기 'x = O ~ L1/2'에 해당하는 구간의 상기 각 지점과, 상기 'x = L1/2 ~ L1'에 해당하는 구간의 상기 각 지점에 설치되는 것을 특징으로 하는 구조물 처짐 계측 장치.
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| KR101106166B1 (ko) * | 2009-06-25 | 2012-01-20 | (주)카이센 | 터널 라이닝 내공변위 측정 장치 |
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|---|---|---|---|---|
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