KR102512742B1 - 보강된 단부의 강도 모니터링이 가능한 합성보 - Google Patents

Abstract

본 발명은 단부가 기둥 구조물의 보연결부 또는 철골보와 결합되는 합성보에 있어서, 상기 합성보의 하판을 형성하는 하부 합성보 부재와; 상기 합성보의 측판을 형성하도록 상기 하부 합성보 부재의 상면에 상호 이격되어 배치되는 한 쌍의 상부 합성보 부재와; 상기 하부 합성보 부재와 상부 합성보 부재를 체결하는 체결부재와; 인접한 기둥 구조물과 대향되는 상기 합성보의 전면부 및 상기 보연결부와 대향되는 상기 합성보의 후면부를 각각 차폐하며, 상기 합성보 내부에 수화반응물질이 타설되어지도록 하는 제1거푸집철판 및 제2거푸집철판과; 상기 합성보 내부에 수화반응물질과 함께 타설되어 상기 수화반응물질의 경화에 따른 수화반응물질 구조체에 매립되어 상기 수화반응물질 구조체에 교류전기신호를 전달하고 상기 수화반응물질 구조체에 의해 변화된 공진주파수 및 임피던스를 전달받는 센서장치; 및 상기 센서장치와 연결되어 상기 수화반응물질 구조체의 강도를 측정하는 강도측정장치;를 포함하는 것을 특징으로 하는 보강된 단부의 강도 모니터링이 가능한 합성보를 개시한다.

Description

보강된 단부의 강도 모니터링이 가능한 합성보{Composite beam that can monitor the strength of the reinforced end}

본 발명은 단부가 기둥 구조물의 보연결부 또는 철골보와 결합되는 합성보에 있어서, 상기 합성보의 하판을 형성하는 하부 합성보 부재와; 상기 합성보의 측판을 형성하도록 상기 하부 합성보 부재의 상면에 상호 이격되어 배치되는 한 쌍의 상부 합성보 부재와; 상기 하부 합성보 부재와 상부 합성보 부재를 체결하는 체결부재와; 인접한 기둥 구조물과 대향되는 상기 합성보의 전면부 및 상기 보연결부와 대향되는 상기 합성보의 후면부를 각각 차폐하며, 상기 합성보 내부에 수화반응물질이 타설되어지도록 하는 제1거푸집철판 및 제2거푸집철판과; 상기 합성보 내부에 수화반응물질과 함께 타설되어 상기 수화반응물질의 경화에 따른 수화반응물질 구조체에 매립되어 상기 수화반응물질 구조체에 교류전기신호를 전달하고 상기 수화반응물질 구조체에 의해 변화된 공진주파수 및 임피던스를 전달받는 센서장치; 및 상기 센서장치와 연결되어 상기 수화반응물질 구조체의 강도를 측정하는 강도측정장치;를 포함하는 것을 특징으로 하는 보강된 단부의 강도 모니터링이 가능한 합성보에 관한 것이다.

구조체에 사용되는 재료는 구성요소로서의 적절한 형상, 치수, 접합법 등을 가지며 그 결과 구조체 전체로서도 각 재료의 특성이 반영된다.

재료에 따라 구조체를 분류해 보면 목조, 벽돌조, 철골조, 철근콘크리트조, 철골철근콘크리트조 등으로 나눌 수 있다. 실제의 건축물에서는 두 가지 이상의 구조방식이나 재료가 함께 사용되는 경우가 많은데, 동일한 부재에 두 가지 이상의 재료가 함께 사용되는 경우 합성구조(Composite structure), 건축물의 부위별로 다른 재료가 사용되는 경우를 혼합구조(Mixed structure)라 부른다.

철골조, 철근콘크리트조 및 철골철근콘크리트조 등에서 뼈대구조는 기둥과 보를 접합하여 구성하게 되는데, 특히 기둥과 보를 강접할 경우 하중에 의해 보에 발생하는 휨모멘트는 양단에서 최대로 되고 중앙에서는 양단에서 발생하는 휨모멘트의 50~60%가 된다.

기존에는 보를 설계할 때 보의 양단에서 발생하는 최대 휨모멘트를 적용함으로써 비효율적인 단면형태를 이루었다. 일 예로써 최대 휨모멘트로 설계한 보의 경우 중앙에서 재료의 낭비가 발생하게 되었고, 이러한 문제점을 해결하기 위해 보의 길이방향의 전체적인 형태를 바꾸는 방법, 길이방향 내부의 단면을 바꾸는 방법, 보의 중앙부와 양단부를 서로 이질적인 재료를 사용하여 각 재료의 특성을 최대로 활용하는 방법 등이 사용되었다.

효율적인 단면형태로 재료의 낭비를 막기 위한 방법의 하나로 보의 중앙부에는 형강보를 사용하고 양단부는 철근콘크리트조로 하여 강성을 높인 합성구조가 제안되었는데, 이 방법의 경우 각 재료의 특성을 최대한 활용할 수 있는 장점은 있으나, 기둥과의 접합부 처리, 철근의 배근, 형강보의 양단부에 철근콘크리트조를 형성하기 위한 가설 및 거푸집 공사 등으로 시공성에 문제가 있었다.

한편, 현재 국내외에서 사용되고 있는 합성보 생산은 거의 냉간 성형에 의존을 하고 있다. 이러한 방식은 주사용 자재인 철판을 감은 코일을 성형기에 넣어 제품을 생산하는 방식으로서, 자재의 손실(loss)을 최소화하고 빠른 생산을 하기 위하여 널리 사용되고 있다.

그러나 이러한 방식은 제품을 규격화한 사이즈의 제품이 아닌 비규격 사이즈 자재를 사용하게 되어, 재고 확보로 인해 원가가 상승되고, 기계의 과도한 투자로 인한 생산비 및 금융비용의 상승으로 이어지게 되었다. 또한, 대부분의 제품이 위와 같은 이유로 대형업체가 독점 생산권을 가지고 있는 형태가 대부분이어서, 경쟁이 없는 상태에서의 이윤적용으로 인해 제품의 가격이 상대적으로 높은 것이 현실이다. 뿐만 아니라, 종래의 단일 성형기에서 나오는 제품은 그 생산의 한계가 있기에 여러 현장이 동시에 발주가 들어가는 경우, 사실상 납기준수가 매우 곤란한 것이 현실이며 발주자가 생산자의 눈치를 보고 있는 것이 현실이다.

또한, 전술한 대로 종래의 합성보는 냉간 성형 제품을 용접에 의해 사용하고 있는데, 냉간 성형시 판재의 뒤틀림 현상이 일어날 수 있고, 용접을 사용할 경우 다양한 제품을 생산하기 곤란한 문제점이 있다. 아울러, 박판의 특성상 메인 부재를 용접으로 제작할 경우 용접열에 의한 열변형이 필연적으로 생길 수 밖에 없는 문제점이 있다.

대한민국 등록특허공보 제10-1404515호(3조각 하이브리드 빔 및 그 제작방법)

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 발명된 것으로, 기둥 구조물의 보연결부 또는 철골보와 결합되는 단부가 철골과 철근콘크리트를 합성한 보강구조로 이루어져 강도가 우수하며, 제조단가를 절감할 수 있고, 철골구조 대비 강재자재량 절감이 가능하며, 내부에 매립되는 수화반응물질 구조체의 강도 모니터링이 가능한 합성보를 제공하는데 그 목적이 있다.

상기와 같은 목적을 위하여 본 발명은 단부가 기둥 구조물의 보연결부 또는 철골보와 결합되는 합성보에 있어서, 상기 합성보의 하판을 형성하는 하부 합성보 부재와; 상기 합성보의 측판을 형성하도록 상기 하부 합성보 부재의 상면에 상호 이격되어 배치되는 한 쌍의 상부 합성보 부재와; 상기 하부 합성보 부재와 상부 합성보 부재를 체결하는 체결부재와; 인접한 기둥 구조물과 대향되는 상기 합성보의 전면부 및 상기 보연결부와 대향되는 상기 합성보의 후면부를 각각 차폐하며, 상기 합성보 내부에 수화반응물질이 타설되어지도록 하는 제1거푸집철판 및 제2거푸집철판과; 상기 합성보 내부에 수화반응물질과 함께 타설되어 상기 수화반응물질의 경화에 따른 수화반응물질 구조체에 매립되어 상기 수화반응물질 구조체에 교류전기신호를 전달하고 상기 수화반응물질 구조체에 의해 변화된 공진주파수 및 임피던스를 전달받는 센서장치; 및 상기 센서장치와 연결되어 상기 수화반응물질 구조체의 강도를 측정하는 강도측정장치;를 포함하되, 상기 센서장치는, 상기 수화반응물질 구조체에 파손되지 않게 매립되는 센서 하우징과, 상기 센서 하우징 내부에 설치되어 교류전기신호를 전달받아 상기 수화반응물질 구조체에 전달하고 상기 수화반응물질 구조체에 의해 변화된 공진주파수 및 임피던스를 전달받는 압전센서와, 상기 압전센서가 부착되어 상기 공진주파수 및 임피던스가 상기 수화반응물질 구조체에 전달되도록 하는 전달부재를 포함하며, 상기 강도측정장치는, 소정 주파수 대역의 주파수를 갖는 특정 파형의 교류전기신호를 발생시키는 교류전기신호 발생부와, 상기 교류전기신호 발생부에서 소정 주파수 대역의 주파수를 갖는 특정 파형의 교류전기신호가 발생되도록 제어하고, 발생된 교류전기신호를 상기 압전센서에 인가하며, 상기 압전센서로 인가된 교류전기신호에 기반하여 상기 압전센서에 가해진 물리적인 압력의 변화를 측정하여 강도데이터를 산출하는 제어모듈부 및 상기 제어모듈부에 필요 전력을 공급하는 전원부를 포함하는 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명에서 상기 제1거푸집철판은 상기 합성보의 전면부에 용접결합되는 평판형의 용접결합부 및 상기 용접결합부의 외주면 중앙부로부터 외측으로 돌출형성되되 하나 또는 그 이상의 제1볼트공이 관통형성되는 볼트결합부를 포함하며, 상기 제2거푸집철판은 상기 합성보의 후면부에 용접결합되도록 평판형의 형태로 이루어지고, 상기 철골보의 양측 단부에는 상기 제1볼트공과 대응되는 제2볼트공이 형성되어 상기 제1거푸집철판과 철골보가 볼트 및 너트로 체결되도록 한 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명에서 상기 하부 합성보 부재는 일측에 제1볼트홀이 관통형성되는 평판형의 수평부 및 상기 수평부의 일측 단부로부터 수직으로 상향절곡형성되며 일측에 제2볼트홀이 관통형성되는 수직부가 일체로 이루어지고, 상기 상부 합성보 부재는 소정 높이를 갖는 웨브 플레이트와, 상기 웨브 플레이트의 상단 및 하단으로부터 수평방향으로 연장되는 상부 플랜지 및 하부 플랜지로 이루어지는 H빔으로 이루어지되, 상기 하부 플랜지의 일측에는 상기 제1볼트홀과 대응되는 제3볼트홀이 형성되며, 상기 체결부재는 볼트 및 너트이고, 상기 하부 합성보 부재는 한 쌍으로 마련되되, 각 수직부가 상호 밀착된 상태로 각 수직부의 제2볼트홀을 관통하도록 볼트를 삽입한 후 너트로 고정되어 나란하게 배치되는 한 쌍의 수평부에 의해 하판의 폭방향 길이가 연장되면서 합성보의 폭을 확보할 수 있고, 상기 제1볼트홀과 제3볼트홀이 대응되도록 상기 수평부 위에 하부 플랜지가 안착된 후 상기 제1볼트홀과 제3볼트홀을 관통하도록 볼트를 삽입하고 너트로 고정되면 시공하중에 의해 상기 상부 합성보 부재가 벌어지는 것을 방지할 수 있도록 한 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명은 철골 설치 및 콘크리트 타설 시 하중으로 인한 휨에 대한 힘을 보강시킬 수 있도록 상기 수평부의 타측 단부로부터 수직으로 하향절곡형성되는 소정길이의 보강편을 포함하는 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명에서 상기 볼트는 규정 토크에 도달하면 볼트 몸체로부터 분리되는 핀 테일부를 포함하는 토크쉐어 볼트인 것을 특징으로 한다.

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또한, 본 발명은 상기 센서장치 또는 강도측정장치의 외면에 설치되어 주변 온도를 검출하는 온도센서와; 상기 강도데이터를 전송하도록 상기 센서장치 또는 강도측정장치에 구비되는 유무선 통신 모듈부와; 상기 강도데이터를 표시하는 디스플레이부; 및 상기 센서장치 또는 강도측정장치에 구비되며, 상기 압전센서의 위치 정보를 전송하는 GPS 모듈부;를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명에서 상기 제어모듈부는, 상기 교류전기신호 발생부에서 발생되는 교류전기신호를 제어하여 상기 압전센서로 인가되도록 하는 교류전기신호 제어부와, 상기 압전센서로 가해지는 교류전기신호의 주파수에 따른 상기 압전센서의 공진주파수와 임피던스의 변화를 검출하는 주파수-임피던스 검출부와, 상기 주파수-임피던스 검출부에서 검출된 상기 압전센서의 공진주파수와 임피던스의 변화에 기반하여 상기 압전센서에 가해진 물리적인 압력의 변화를 측정하는 압력변화 측정부와, 상기 주파수-임피던스 검출부에서 압전센서의 공진주파수와 임피던스를 검출할 때, 상기 온도센서에 의해 검출된 온도에 기반하여 검출된 공진주파수값 및 임피던스 값 중에서 적어도 하나를 보정하여 측정 오차를 최소화하는 주파수-임피던스 보정부와, 상기 압전센서의 공진주파수와 임피던스의 변화에 따른 전기신호의 크기를 증폭시키는 신호 증폭부와, 상기 신호 증폭부로부터 출력되는 전기신호 중 상기 교류전기신호 발생부에서 발생한 교류전기신호는 제거하고, 상기 압전센서의 공진주파수와 임피던스 변화에 따른 전기신호만을 통과시키는 저역 필터부와, 상기 저역 필터부를 통해 필터링되어 출력되는 상기 압전센서의 공진주파수와 임피던스 변화에 따른 아날로그 전기신호를 디지털 신호로 변환시켜 출력하는 아날로그-디지털 컨버터부와, 상기 압전센서의 공진주파수와 임피던스 변화의 디지털 신호에 기반하여 상기 압전센서에 가해진 물리적인 압력의 변화인 압력변화 데이터를 측정하고, 상기 압력변화 데이터를 기초로 강도데이터를 계산하고 산출하는 강도산출부를 포함하는 것을 특징으로 한다.

상기와 같이 이루어지는 본 발명은 단부가 철골과 철근콘크리트를 합성한 보강구조로 이루어져 강도가 우수하며, 하부 합성보 부재와 상부 합성부 부재가 체결부재를 통해 조립 가능하여 제조단가를 낮출 수 있다. 특히, 본 발명은 상기 합성보 내부에 수화반응물질과 함께 타설되는 센서장치 및 강도측정장치를 통해 수화반응물질의 경화에 따른 수화반응물질 구조체의 강도를 높은 신뢰성을 바탕으로 지속적으로 모니터링하여 균열이나 휨 등의 결함이 발생한 직후 관리자가 하자를 인지할 수 있도록 하여 하자보수를 문제 발생전 미리 대응하도록 함으로써 유지, 보수의 신뢰성을 확보할 수 있고, 건축물의 내구성, 수명을 연장시킬 수 있는 현저한 효과가 있다.

또한, 본 발명은 보강된 단부에서 강한 모멘트를 받쳐주고 중앙부에서는 상대적으로 약한 모멘트를 만족하는 부재를 선택하여 구조체 형성이 가능하여, 불필요하게 남는 모멘트에서 큰 부재를 사용할 필요가 없고, 구조계산에 기준하여 작은 부재를 사용함으로 보 중앙부에서 경량화가 가능하다. 따라서, 기둥 구조물과 기둥 구조물을 연결하는 철골보를 경량화할 수 있는 장점이 있다.

또한, 규격화된 H빔을 합성보의 측판을 형성하는 부재로 사용하는 본 발명은 기존 구조에서 가지고 있는 높이 대비 부재의 높이가 낮아지게 되어 층고를 낮출 수 있는 효과가 있고, 이와 같이 층고 높이가 낮아지면 전체적인 건물 높이가 낮아지면서 원가절감의 효과를 제공하게 된다.

또한, 본 발명은 상기 수직부를 통해 콘크리트 타설시 콘크리트와 하부 합성보 부재 및 상부 합성보 부재의 합성률을 확보할 수 있다. 이러한 수직부는 기존의 스터드 볼트와 동일한 작용을 하는 것으로, 본 발명은 스터드 볼트를 생략할 수 있으므로 스터드 볼트의 시공을 위한 인력과 시간, 그리고 스터드 볼트의 구매비용을 절감할 수 있는 효과를 기대할 수 있다.

또한, 본 발명은 상기 합성보의 측판을 형성하는 상부 합성보 부재로서 규격화된 H형 빔을 사용함으로써 생산기간을 줄일 수 있고, 자재의 선구매에 대한 부담을 낮출 수 있다.

또한, 본 발명은 하부 합성보 부재의 일측 단부로부터 수직으로 하향 절곡형성되는 보강부가 구비되어 철골 설치 및 콘크리트 타설 시 하중으로 인한 휨에 대한 힘을 보강시킬 수 있는 것으로 우수한 구조적 성능을 제공한다.

또한, 본 발명에서 체결수단으로 이용하는 토크쉐어 볼트는 규정 토크로 정확하게 체결하게 되면 볼트 몸체로부터 핀 테일부가 분리되도록 구성되는 것으로, 상기 토크쉐어 볼트를 통해 부재와 부재를 체결해 나갈 때 각 토크쉐어 볼트마다 핀 테일부가 볼트 몸체로부터 분리되는지 여부를 체크하여 하부 합성보 부재와 하부 합성보 부재 또는 하부 합성보 부재와 상부 합성보 부재가 규정 토크로 정확하게 체결되었는지 여부를 판단할 수 있고, 이를 통해 합성보 내부로 콘크리트 타설시 부재와 부재의 결합부 또는 볼트홀을 통해 콘크리트가 새어 나가는 것을 방지할 수 있다.

도 1 내지 3은 본 발명의 실시예에 따른 보강된 단부의 강도 모니터링이 가능한 합성보를 구성하는 하부 합성보 부재의 예시도.
도 4 및 5는 본 발명의 실시예에 따른 보강된 단부의 강도 모니터링이 가능한 합성보를 구성하는 상부 합성보 부재의 예시도.
도 6a) 내지 6f)는 본 발명의 실시예에 따른 보강된 단부의 강도 모니터링이 가능한 합성보의 조립과정을 설명하기 위한 개략적인 예시도.
도 7은 종래 방식에 의한 조립식 합성보의 단면도.
도 8은 본 발명의 실시예에 따라 수화반응물질 구조체에 매립되는 센서장치및 강도측정장치의 블록도.
도 9는 본 발명의 실시예에 따른 센서장치의 예시도.
도 10은 도 9의 일부 부품을 절개한 모습을 도시한 분리사시도.
도 11은 도 9에서 전선이 포함된 모습을 도시한 투영사시도.
도 12은 도 9의 설치상태를 도시한 개략적인 예시도.
도 13은 본 발명의 실시예에 따른 강도측정장치의 제어모듈부의 구성을 도시한 블럭도.
도 14는 본 발명의 실시예에 따른 수화반응물질 구조체의 강도 모니터링 방법을 순차적으로 나타낸 흐름도.

이하, 첨부된 도면을 참조하면서 본 발명에 따른 보강된 단부의 강도 모니터링이 가능한 합성보에 대하여 더욱 자세하게 설명한다. 첨부 도면을 참조하여 설명함에 있어, 동일하거나 대응하는 구성 요소는 동일한 도면번호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다.

본 발명은 기둥 구조물의 보연결부 또는 철골보와 결합되는 단부가 철골과 철근콘크리트를 합성한 보강구조로 이루어져 강도가 우수하며, 하부 합성보 부재와 상부 합성부 부재가 체결부재를 통해 조립 가능하여 제조단가를 낮출 수 있고, 특히 상기 합성보 내부에 수화반응물질과 함께 타설되는 센서장치 및 강도측정장치를 통해 수화반응물질의 경화에 따른 수화반응물질 구조체의 강도를 신뢰성 있게 측정하고 지속적인 모니터링을 제공할 수 있는 합성보를 개시한다.

도 1 내지 3은 본 발명의 실시예에 따른 보강된 단부의 강도 모니터링이 가능한 합성보를 구성하는 하부 합성보 부재의 예시도이고, 도 4 및 5는 본 발명의 실시예에 따른 보강된 단부의 강도 모니터링이 가능한 합성보를 구성하는 상부 합성보 부재의 예시도이며, 도 6a) 내지 6f)는 본 발명의 실시예에 따라 합성보가 조립되는 과정을 설명하기 위한 개략적인 예시도이고, 도 8은 본 발명의 실시예에 따라 수화반응물질 구조체에 매립되는 센서장치 및 강도측정장치의 블록도이며, 도 9는 본 발명의 실시예에 따른 센서장치의 예시도로서, 본 발명에 따른 합성보(100)는 하부 합성보 부재(10)와, 상부 합성보 부재(20) 및 상기 하부 합성보 부재와 상부 합성보 부재를 체결하는 체결부재(30)와, 인접한 기둥 구조물과 대향되는 상기 합성보의 전면부 및 상기 보연결부와 대향되는 상기 합성보의 후면부를 각각 차폐하는 제1거푸집철판(40) 및 제2거푸집철판(50)과, 상기 합성보 내에 타설되는 수화반응물질의 경화에 따른 수화반응물질 구조체의 강도 모니터링을 위한 센서장치(60) 및 강도측정장치(70)를 포함한다.

먼저, 도 1 내지 3을 참조하여 본 발명의 실시예에 따른 하부 합성보 부재(10)에 대하여 설명한다.

상기 하부 합성보 부재(10)는 본 발명에 따른 합성보의 하판을 형성하는 부재로서, 평판형의 수평부(11) 및 수평부의 일측 단부로부터 수직으로 상향절곡형성되는 수직부(12)가 일체로 이루어지는 형태로서, 수직단면이 대략 "

"자 형상으로 이루어진다.

여기에서, 상기 수평부(11)의 일측에는 수평부를 수직 방향으로 관통하는 제1볼트홀(111)이 형성되고, 상기 수직부(12)의 일측에는 수직부를 수평 방향으로 관통하는 제2볼트홀(121)이 형성된다.

또한, 본 발명에 따른 상기 하부 합성보 부재(10)는 도 6과 같이 한 쌍으로 마련되되, 각 수직부가 상호 밀착된 상태로 각 수직부의 제2볼트홀(121)을 관통하도록 볼트를 삽입한 후 너트로 고정될 수 있으며, 이와 같이 한 쌍의 하부 합성보 부재가 볼트로 체결되면 나란하게 배치되는 한 쌍의 수평부에 의해 하판의 폭방향 길이가 연장되면서 합성보의 폭을 확보할 수 있다. 도면에는 도시하지 않았으나, 상기 하부 합성보 부재(10)는 수평부(11)를 다양한 길이로 규격화하여, 현장상황에 따라 적절한 길이의 수평부(11)를 갖는 하부 합성보 부재(10) 한 쌍을 결합함으로써 합성보의 폭을 가변시킬 수 있다. 상기 볼트 및 너트는 건축용 고장력 볼트, 너트를 사용하는 것이 좋다.

한편, 본 발명에서 상기 수직부(12)는 한 쌍의 하부 합성보 부재(10)의 체결을 위한 부재인 동시에 합성보 내부로 콘크리트와 같은 수화반응물질 타설시 하부 합성보 부재(10)와, 상부 합성보 부재(20) 및 수화반응물질의 상호분리를 방지하여 한 몸이 되게 하는 전단 연결재인 시어 커넥터(Shear connetcor) 역할을 한다. 이러한 수직부(12)는 종래의 스터드볼트에 대응하는 것으로, 본 발명은 이러한 수직부(12)를 통해 스터드볼트를 생략하면서도 스터드볼트와 동일하게 수화반응물질 타설시 수화반응물질과 하부 합성보 부재(10) 및 상부 합성보 부재(20)의 합성률을 향상시켜주는 효과를 제공할 수 있으며, 스터드볼트의 시공 및 구매에 따른 인력, 시간, 비용 등을 절감할 수 있는 현저한 효과가 있다.

다음으로, 본 발명에서 상기 하부 합성보 부재(10)는 도 3과 같이 상기 수평부의 타측 단부로부터 수직으로 하향 절곡형성되는 소정길이의 보강부(13)를 포함할 수 있다. 상기 보강부(13)는 철골 설치 및 수화반응물질 타설시 합성보가 자중에 의하여 휘어지거나 쳐지는 현상 또는 지진 등에 의하여 발생할 수 있는 수직 방향의 전단력에 대항하여 합성보 구조의 건전성을 유지시켜주는 역할을 한다.

한편, 본 발명에서 상기 하부 합성보 부재(10)는 소정 두께를 갖는 평판형 철판의 양측 단부를 각각 상측 및 하측으로 수직으로 절곡하여 수직부(12) 및 보강부(13)를 형성할 수 있다. 예를 들어, 상기 하부 합성보 부재(10)는 소정 면적을 갖는 6t 두께의 철판을 준비하여, 상기 철판의 일측 단부를 수직으로 상향 절곡하여 수직부(12)를 형성하고 타측 단부를 수직으로 하향 절곡하여 보강부(13)를 형성할 수 있다. 여기에서, 상기 수평부(10)는 수직부(12) 및 보강부(13)가 충분한 길이(높이)를 갖도록 적절한 폭과 길이로 형성되는 것이 좋다. 또한, 상기 수직부(12)는 한 쌍의 하부 합성보 부재(10)를 볼트(31)와 너트(32)로 체결할 수 있도록 적어도 60mm 이상의 길이로 형성되는 것이 바람직하며, 상기 보강부(13)는 수직 방향의 전단력에 대한 힘을 보강시킬 수 있도록 적어도 20mm 이상의 길이를 갖는 것이 바람직하다.

본 발명은 상기 하부 합성보 부재(10)를 제조할 때 용접작업이 배제되므로 생산시간을 단축시킬 수 있고, 제조 단가를 낮출 수 있다. 또한, 하부 합성보 부재 제조시 철판의 손실을 최소화할 수 있으므로 경제적 이익을 얻을 수 있다.

다음으로, 도 4 및 5를 참조하여 본 발명에 따른 상부 합성보 부재(20)를 설명한다.

상기 상부 합성보 부재(20)는 상기 하부 합성보 부재의 상면에 길이방향을 따라 배치되어 합성보의 측판을 형성하는 부재로서, 한 쌍으로 마련되며 상기 수평부의 상면에 상호 이격되어 배치된다.

도 4를 참조하면, 상기 상부 합성보 부재(20)는 상기 하부 합성보 부재 상에 수직으로 배치되며 합성보의 측판의 높이를 확보할 수 있도록 소정 길이를 갖는 웨브 플레이트(21)와, 상기 웨브 플레이트의 상단 및 하단으로부터 각각 수평방향으로 연장되는 상부 플랜지(22) 및 하부 플랜지(23)로 이루어지는 H빔으로 이루어진다.

여기에서, 상기 하부 플랜지는 웨브 플레이트를 기준으로 일측에 상기 제1볼트홀(111)과 대응되는 직경의 제3볼트홀(231)이 수직으로 관통형성된다.

상기 하부 합성보 부재(10)와 상부 합성보 부재(20)는 상기 제1볼트홀(111)과 제3볼트홀(231)이 상호 연통되도록 수평부(11) 위에 하부 플랜지(23)가 안착된 상태에서 볼트 및 너트로 체결되는데, 상기 합성보 내부에 수화반응물질을 타설하기 위한 공간을 확보할 수 있도록 상기 제3볼트홀(231)이 형성된 단부측이 수평부(11) 상에 안착되는 것이 바람직하다.

한편, 일반적으로 합성보는 등분포하중을 받는 단순보와 마찬가지로 중앙부 하단에서 인장력이 최대가 되고 상부에는 압축력이 작용한다. 특히 하부 플랜지는 인장력을 많이 받으므로 종래에는 별도의 보강 플레이트를 부가하여 하부 플랜지를 보강하거나, 두꺼운 강재로 하부플랜지를 형성하였다.

도 7의 (a) 내지 (d)는 종래 방식에 의한 조립식 합성보의 단면도이다.

먼저, (a)는 합성보 하부의 인장력 향상을 위해 하부 플레이트를 웨브를 이루는 강재보다 더 두꺼운 강재를 사용하여 형성한 것으로, 이러한 합성보 구성에 의하면 필요한 인장력은 확보할 수 있으나, 용접부 증가로 인하여 제조 단가가 상승하는 단점을 가진다.

다음으로, (b)는 판형 강재를 절곡하여 상부 플랜지, 웨브 및 하부 플랜지로 이루어지는 웨브 플레이트를 형성하고 이를 서로 용접하여 합성보를 구성하였는데, 이러한 구성은 절곡 가공에 의해 웨브 플레이트를 형성하고 결합을 위해 용접이 필요한 부분도 하부 플랜지가 상접하는 부분에 불과하므로 제조 단가를 낮출 수는 있으나 전단 성능에 비해 휨 성능이 떨어지므로 응력이 큰부재에는 적용할 수 없다.

다음으로, (c)는 (a)의 변형으로서 합성보 하부의 인장력 향상을 위해 하부 플레이트를 웨브를 이루는 강재보다 더 두꺼운 강재를 사용하여 형성한 것이다. 이러한 합성보 구조에 의하면 필요한 인장력은 확보할 수 있으나, 여전히 용접부위가 많으므로 제조 단가가 상승하는 단점을 가진다.

(d)는 (a) 내지 (c)의 단점을 보완하기 위한 합성보 구조로서, 하부 플레이트를 이루는 부분만을 별도의 강재로 형성하여 필요한 인장력을 얻을 수 있다. 또한 하부 플레이트와 웨브간의 결합은 볼트를 이용하도록 하여, 용접에 의한 제조 단가 상승을 방지할 수 있게 하는 구조이다. 그러나, 이러한 구조에서도 하부 플레이트를 웨브 플레이트와는 별도로 가공해야 하며, 하부 플레이트를 웨브 플레이트와 동일한 두께의 강재로 형성하는 경우에는 여전히 전단 성능에 비해 휨 성능이 낮으므로 보강 철근을 용접해야하는 단점이 있다. 따라서 제조 단가를 낮추는 데는 한계를 가진다.

이에 반하여, 본 발명은 상부 합성보 부재(20)로서 규격화된 H빔, 예를 들어 250x125x6x9(mm)의 규격의 H빔을 사용하는데, 현장상황에 따라 적절한 길이의 상부 합성보 부재를 선택할 수 있고, 상부 플랜지(22)와 하부 플랜지(23)가 웨브 플레이트(21)에 비해 상대적으로 두껍게 형성되는 H빔을 선택하는 경우 강제의 불필요한 사용을 배제하여 경제성을 확보할 수 있다. 특히, H빔은 시중에서 신속용이하게 구매, 조달 가능하므로 원자재의 생산기간을 대폭 줄일 수 있는 효과가 있다.

다음으로, 본 발명은 도 6(d) 내지 6(f)와 같이 인접한 기둥 구조물(1)과 대향되는 상기 합성보(100)의 전면부를 차폐하는 제1거푸집철판(40)과, 상기 보연결부와 대향되는 상기 합성보의 후면부를 차폐하는 제2거푸집철판(50)을 포함한다.

상기 제1거푸집철판(40)은 상기 합성보의 전면부에 용접결합되는 평판형의 용접결합부(41) 및 상기 용접결합부의 외주면 중앙부로부터 외측으로 돌출형성되는 볼트결합부(42)를 포함하며, 상기 볼트결합부(42)는 대향하는 한 쌍의 기둥 구조물을 연결하는 철골보(80)와 볼트체결된다.

여기에서, 상기 볼트결합부와 철골보의 상호 볼트 체결이 가능하도록, 상기 볼트결합부(42)는 하나 또는 그 이상의 제1볼트공(421)이 관통형성되고, 상기 철골보(80)의 양측 단부에는 상기 제1볼트공과 대응되는 직경의 제2볼트공(81)이 관통형성된다.

상기 제2거푸집철판(50)은 상기 합성보의 후면부에 용접결합되는 평판으로 이루어진다. 도 6(f)에서 기둥 구조물(1)의 도면부호 100의 합성보가 결합되는 영역은 보연결부로서, 상기 제2거푸집철판(50)이 상기 보연결부 영역에 용접에 의해 결합되면서 본 발명에 따른 합성보(100)를 기둥 구조물(1)과 체결하게 된다.

라멘조 구조에서는 보 구조체의 모멘트에 따라 보 부재 크기를 지정하게 되는데, 보 부재 중 어느 한 곳에서 발생하는 제일 큰 모멘트를 기준으로 부재크기를 지정하는데 주로 보 단부에서 발생한다. 단부에서 발생하는 모멘트를 만족시키면 모멘트가 작게 발생하는 곳에서는 부재를 줄여도 되지만 기존 철골조에서는 전단연결, 부재간의 분리 후 접합으로 인한 비용 및 구조계산의 문제가 있어 큰 모멘트 기준의 보 사이즈가 한 축으로 길게 지나가게 됨으로 모멘트가 작은(약한) 곳에서 작은 사이즈의 보를 사용 할 수 없다.

본 발명에서는 단부에서 큰(강한) 모멘트를 받쳐주고 중앙부에서는 작은(약한) 모멘트를 만족하는 부재를 선택하여 구조체 형성이 가능하기 때문에 불필요하게 남는 모멘트에서 큰 부재를 사용 할 필요가 없고, 구조계산에 기준하여 작은 부재를 사용함으로 보 중앙부에서 경량화가 가능하다.

또한, 단부보강을 위한 구조적인 측면에서 봤을 때 철골자재로만 단부 모멘트를 만족하는 것이 아닌 철골콘크리트 합성구조로 모멘트를 만족시킴으로 강재량을 줄이고 줄인 강재량 만큼 콘크리트로 모멘트를 만족시킬 수 있다. 철은 높은 단위중량(7.85ton/m3)을 가지고 있으면서 인장력은 강하지만 강도는 콘크리트 보다 낮다. 콘크리트는 낮은 단위중량(2.3ton/m3)을 가지면서 인장력은 낮지만 높은 강도를 가지고 있어 두가지 재료를 단부에서 합성하여 인장력을 만족하는 상태에서 콘크리트로 강도를 올려 단부모멘트를 만족 시키니 철골부재의 크기를 단부에서도 줄일 수 있으므로 강재량은 절감된다.

뿐만 아니라, 본 발명에 따른 합성보(100)를 적용한 구조체는 기존구조에서 가지고 있는 크기(높이)보다 부재의 크기(높이)가 줄어 기존구조 대비 1개층에서 대략 10cm 가량을 줄일 수 있으며, 10층 높이 구조물의 경우 대략 1m가 줄일 수 있다. 예를 들어 철골조에서 H 500x200x10x16 규격의 기성품 철골부재를 H 350x175x7x11 규격의 철골부재를 사용한 합성구조로 변경하면 1개층에서 15cm를 줄일 수 있고 10개층에서 1.5m를 줄일 수 있다. 건축설계에서 필요한 층고는 건축법에 의거한 층고를 가진다 약 3m의 사용가능 층고를 가지고 있지만 이는 SLAB와 보를 제외한 각 층에서 사용 할 수 있는 층고높이 이다. 따라서 SLAB와 보에서 높이를 줄이게 되면 전체적인 건물 높이를 줄일 수 있고 이는 원가절감에도 영향을 미친다.

한편, 본 발명에 따른 합성보(100)는 개구된 상부로 수화반응물질이 타설되는데, 여기에서, 만약 합성보의 하판을 이루기 위하여 체결부재(볼트 및 너트)로 체결되는 한 쌍의 하부 합성보 부재(10), 그리고 합성보의 측판을 형성하기 위하여 하부 합성보 부재(10)의 양측에 체결부재로 체결되는 한 쌍의 상부 합성보 부재(20)가 규정 토크로 정확하게 체결되지 못하면 그 사이에 간극이 형성되어 수화반응물질이 새어 나오게 되는 문제점이 발생될 수 있다. 예를 들어, 일반적인 볼트 및 너트의 경우 충분한 토크로 정확하게 체결되었는지 여부가 작업자의 감각에 의해 결정될 수 밖에 없다. 그런데, 작업자의 감각은 여러가지 요인에 의해 변화될 수 밖에 없기 때문에 볼트를 규정 토크로 정확하게 체결되었는지 판단하는 것이 어려울 수 밖에 없다. 볼트 체결 불량이 문제가 되지 않는다면 상관없겠지만, 수화반응물질의 누설 발생시 합성보의 성능에 영향을 주는 문제를 야기할 수 있다.

상기와 같은 문제점을 미연에 방지하기 위하여 본 발명은 토크쉐어 볼트를 체결부재의 볼트(31)로 사용한다.

토크쉐어 볼트라 함은 규정 토크로 정확하게 체결하게 되면 볼트 몸체로부터 핀 테일부가 분리되도록 구성되는 것으로, 합성보의 하판 또는 측판을 형성할 때 상기 토크쉐어 볼트를 사용하여 각 토크쉐어 볼트의 핀 테일부가 볼트 몸체로부터 분리되는지 여부를 체크하여 두 부재가 규정 토크로 정확하게 체결되었는지 여부를 판단할 수 있으며, 이를 통해 수화반응물질 타설시 합성보 외측으로 유실되는 것을 방지할 수 있다.

다음으로, 본 발명은 상기 합성보 내부에 타설된 수화반응물질의 경화에 따른 수화반응물질 구조체(M)의 강도를 실시간으로 모니터링 할 수 있다.

도 8를 참조하면, 본 발명은 상기 합성보(100) 내부에 수화반응물질과 함께 타설되는 센서장치(60) 및 상기 센서장치와 연결되며 상기 합성보(100) 내부의 수화반응물질 구조체의 강도를 측정하는 강도측정장치(70)를 포함할 수 있다.

상기 센서장치(60)는 수화반응물질 구조체(M)에 매립되어 수화반응물질 구조체(M)에 교류전기신호를 전달하고 수화반응물질 구조체(M)에 의해 변화된 공진주파수 및 임피던스를 전달받을 수 있다.

도 9 내지 11을 참조하면, 상기 센서장치(60)는 센서 하우징(61), 압전센서(62) 및 전달부재(63)를 포함할 수 있다.

상기 센서 하우징(61)은 센서장치 및/또는 강도측정장치가 수화반응물질 구조체(M)에 파손되지 않게 매립되도록 하는 구성일 수 있다. 이를 위해, 상기 센서 하우징(61)은 수화반응물질과 함께 타설시 충격과 상측에서 쌓이는 수화반응물질의 무게를 견딜수 있도록 소정의 강도를 가지며, 매립 후에는 하측으로 가라앉지 않도록 적절한 무게를 갖는 것이 좋다. 또한, 상기 센서 하우징(61)은 수화반응물질이 양생하는 동안 발생하는 열에 변형되지 않고 수화반응물질과 반응하지 않는 재질로 구성될 수 있다.

상기 압전센서(62)는 센서 하우징(61) 내부에 설치되어 교류전기신호를 전달받아 수화반응물질 구조체(M)에 전달하고, 수화반응물질 구조체(M)에 의해 변화된 공진주파수 및 임피던스를 전달받을 수 있다. 압전센서(62)는 전달부재(63)에 다수개로 부착될 수 있으며, 2개로 형성될 경우 양 끝단에 형성될 수 있다. 또한, 압전센서(62)는 교류전기신호을 인가받는 압전센서와 변화된 공진주파수 및 임피던스를 전달받는 압전센서로 나뉘어 설치될 수 있다. 그러나 이에 한정하지 않고 한 압전센서(62)에서 교류전기신호를 인가받거나 변화된 공진주파수 및 임피던스를 전달받을 수 있다.

여기서, 교류전기신호는 주기파로 구성되며, 주기파는 사인파(Sine wave), 사각파(Square wave), 삼각파(Triangle wave) 및 톱니파(Sawtooh wave) 중 하나이상을 포함할 수 있다.

전달부재(63)는 압전센서(62)가 부착되어 공진주파수 및 임피던스가 수화반응물질 구조체(M)에 전달되도록 할 수 있다. 전달부재(63)는 압전센서(62)로부터 교류전기신호를 전달받아 센서 하우징(61)에 전달하고 되돌아온 변화된 공진주파수 및 임피던스를 센서 하우징(61)으로부터 전달받아 압전센서(62)에 전달할 수 있는 재질로 형성되는 것이 바람직하다.

한편, 강도측정장치(70)는 센서장치(60)에 내장 또는 유,무선으로 연결되어 수화반응물질 구조체(M)의 강도를 측정할 수 있다. 이를 위해 도 9와 같이, 강도측정장치(70)는 교류전기신호 발생부(71), 제어모듈부(72) 및 전원부(73)를 포함할 수 있다.

먼저, 교류전기신호 발생부(71)는 소정 주파수 대역의 주파수를 갖는 특정 파형의 교류전기신호를 발생시킬 수 있다. 구체적으로, 교류전기신호 발생부(71)는 사인파, 사각파, 삼각파 및 톱니파 중 하나이상을 포함하는 주기파로 구성된 교류전기신호를 발생시킬 수 있다.

제어모듈부(72)는 교류전기신호 발생부(71)에서 소정 주파수 대역의 주파수를 갖는 특정 파형의 교류전기신호가 발생되도록 제어하고, 발생된 교류전기신호를 압전센서(62)에 인가하며, 압전센서(62)로 인가된 교류전기신호에 기반하여 압전센서(62)에 가해진 물리적인 압력의 변화를 측정하여 강도데이터를 산출할 수 있다.

전원부(73)는 제어모듈부(72)에 필요 전력을 공급할 수 있다. 전원부(73)는 교체형 배터리 또는 충전형 배터리로 구성될 수 있다. 전원부(73)는 일반적으로 표준양생한 재령 28일 강도를 기준으로 수행되는 수화반응물질의 품질관리를 고려하여, 28일을 상회하는 기간 동안 제어모듈부(72)에 전력을 공급하는 것이 바람직하나, 이에 한정하지는 않는다.

또한, 강도측정장치(70)는 센서장치(60)의 압전센서(62)에 전기적으로 접속되는 접속 포트 또는 접속 케이블로 구성되는 접속부를 구비할 수 있다.

강도측정장치(70)는 센서장치(60)의 센서 하우징(61)의 내부에 수용되어 압전센서(62)와 근접하게 연결되는 것이 바람직하나, 이에 한정하지는 않는다. 구체적으로 강도측정장치(70)는 상기와 같은 구성을 수용하여 이들을 보호하는 별도의 장치 하우징이 구비될 수 있다.

여기서, 장치 하우징은 내부에 상기한 구성부들이 장착되도록 이루어지고, 이동성과 휴대성을 위하여 손잡이부를 갖고 소형으로 제작될 수 있으며, 내부의 구성부들의 유지보수를 위하여 일부가 개폐되거나, 분할되어 구성될 수 있다.

다음으로, 본 발명에서 상기 센서 하우징(61)은 상부 센서 하우징(611) 및 하부 센서 하우징(612)을 포함할 수 있다.

상부 센서 하우징(611)은 원판 형태의 머리부(6111) 및 기둥 형태의 몸통부(6112)로 구성되되, 몸통부(6112)의 외면에 전달부재(63)가 나선형으로 감싸도록 연결될 수 있다.

하부 센서 하우징(612)은 상부 센서 하우징(611)이 삽입되도록 상측이 개방된 원통 형태로 형성될 수 있다. 하부 센서 하우징(612)은 내주면에 결합홈(6121)이 형성될 수 있다. 결합홈(6121)은 상부 센서 하우징(611)의 회전에 의해 전달부재(63)가 삽입되어 결합되도록 하는 나선형으로 형성될 수 있다.

여기서, 전달부재(63)는 바형태로 형성되되, 상부 센서 하우징(611)의 몸통부(6112)의 외주면을 따라 나선형으로 형성될 수 있다. 전달부재(63)는 상하면에는 압전센서(62)가 부착될 수 있는 너비를 가지도록 형성되는 것이 바람직하다. 또한 전달부재(63)는 하부 센서 하우징(612)의 결합홈(6121)에 끼워질 수 있는 강도로 형성될 수 있다.

또한, 상기 센서장치(60)는 교류전기신호를 무선으로 받는 것이 바람직하나, 도 12와 같이 전선(E)이 상부 센서 하우징(611)을 상하방향으로 관통하여 설치되어 유선으로 교류전기신호를 인가 받을 수 있다. 이때, 전선(E)은 상부 센서 하우징(611)의 몸통부(6112)에 수용되어 압전센서(62)로 연결될 수 있다.

또한, 상기 센서장치(60)는 도 12와 같이 완전히 매립된 상태로 수화반응물질 구조체(M)에 설치될 수 있고, 도면에는 도시하지 않았으나 경우에 따라 상부 센서 하우징(611)이 노출된 상태로 수화반응물질 구조체(M)에 설치될 수도 있다. 여기서, 센서장치(60)의 상부가 노출되어 설치된 경우, 신호가 불안정하거나 이상이 발견된 센서장치(60)는 상부 센서 하우징(611)을 하부 센서 하우징(612)으로부터 분리하여 상태를 확인하거나, 수리 후 재설치될 수 있다. 또한, 상기 센서장치(60)는 상기 합성보 내부에 수화반응물질을 타설할 때 하나 또는 그 이상이 투입될 수 있다.

또한, 도면에는 도시하지 않았으나 본 발명은 온도센서, 유무선 통신 모듈부, 디스플레이부 및 GPS 모듈부를 더 포함할 수 있다.

온도센서는 센서장치(60) 또는 강도측정장치(70)의 외면에 설치되어 주변 온도를 검출할 수 있다. 일반적으로, 압전센서(62)는 온도에 따라 공진주파수와 임피던스가 미세하게 변화는 성질이 있는데, 수화반응물질의 양생과정에서 발생하는 열이나, 양생이 완료된 이후에 외부기온 변화에 따른 수화반응물질의 온도의 변화는 수화반응물질의 압력과 무관하게 압전센서(62)의 공진주파수와 임피던스가 변화를 발생시키게 된다. 이와 같은 수화반응물질의 온도의 변화에 의해 발생되는 압전센서(62)의 공진주파수와 임피던스의 변화는 수화반응물질의 압력의 변화로 잘못 인식되거나, 수화반응물질의 압력측정에 있어서 측정 오차를 발생시킬 수 있는 문제가 있다.

이에, 온도센서는 압전센서(62)가 최대한 근접한 거리에 위치하여, 압전센서(62)의 공진주파수와 임피던스를 측정할 때 압전센서(62) 주변의 온도를 측정하도록 하는 것이 바람직하나, 이에 한정하지는 않는다.

유무선 통신 모듈부는 강도데이터를 외부의 상위 처리장치로 전송하도록 센서장치(60) 또는 강도측정장치(70)에 구비될 수 있다. 유무선 통신 모듈부는 압전센서(62)의 공진주파수와 임피던스 변화의 디지털 신호에 기반하여 압전센서에 가해진 물리적인 압력의 변화를 측정한 압력변화 데이터를 외부의 상위 처리장치로 전송할 수 있다. 이에, 외부의 상위 처리장치는 전송받은 압력변화 데이터를 기초로 강도를 도출할 수 있다.

여기서, 외부의 상위 처리장치는 컴퓨터, 서버, 클라우드 등 다양한 형태로 구비될 수 있으며, 본 발명의 기술분야에서 사용하는 처리장치는 모두 사용 가능하다.

디스플레이부는 강도데이터를 표시하여 사용자가 강도를 육안으로 바로 확인할 수 있도록 할 수 있다. 디스플레이부는 시인성 높은 강도데이터를 전달할 수 있는 장치는 모두 사용 가능하다.

GPS 모듈부는 센서장치(60) 또는 강도측정장치(70)에 구비되며, 압전센서(62)의 위치 정보를 외부의 상위 처리장치로 전송할 수 있다.

도 13을 참조하면, 제어모듈부(72)는 교류전기신호 제어부(721), 주파수-임피던스 검출부(722), 압력변화 측정부(723), 주파수-임피던스 보정부(724), 신호 증폭부(725), 저역 필터부(726), 아날로그-디지털 컨버터부(727) 및 강도 산출부(728)를 포함할 수 있다.

상기 교류전기신호 제어부(721)는 교류전기신호 발생부(71)에서 발생되는 교류전기신호를 제어하여 압전센서(62)로 인가되도록 할 수 있다. 여기서, 교류전기신호는 주기파로 구성되며, 주기파는 사인파(Sine wave), 사각파(Square wave), 삼각파(Triangle wave) 및 톱니파(Sawtooh wave) 중 하나이상을 포함할 수 있다. 가장 바람직하게는 낮은 주파수에서 높은 주파수의 주파수 대역을 갖는 사인파를 사용하는 것이 좋다. 또한, 상기 교류전기신호 제어부(721)는 압전센서의 주파수 특성에 따라 교류전기신호의 주파수와 발생시간을 제어할 수 있다. 예를 들면, 교류전기신호 제어부(721)는 교류전기신호 발생부(71)에서 5KHz에서 100KHz의 사인파가 1초 동안 발생되도록 제어할 수 있다.

상기 주파수-임피던스 검출부(722)는 압전센서(62)로 가해지는 교류전기신호의 주파수에 따른 압전센서(62)의 공진주파수와 임피던스의 변화를 검출할 수 있다.

상기 압력변화 측정부(723)는 주파수-임피던스 검출부(722)에서 검출된 압전센서(62)의 공진주파수와 임피던스의 변화에 기반하여 압전센서에 가해진 물리적인 압력의 변화를 측정할 수 있다.

주파수-임피던스 보정부(724)는 주파수-임피던스 검출부(722)에서 압전센서(62)의 공진주파수와 임피던스를 검출할 때, 온도센서에 의해 검출된 온도에 기반하여 검출된 공진주파수 및 임피던스 값 중에서 적어도 하나를 보정하여 측정 오차를 최소화할 수 있다.

일반적으로 온도에 따른 저항은 증가하는 것으로써, 이것은 일반적인 사항이기에 온도와 저항간의 관계식과 그 설명은 생략하며, 본 발명에 의한 관계식은 다음과 같다.

주파수-임피던스 보정부(724)는 하기의 식 1 및 식 2를 통해 보정된 공진주파수와 보정된 임피던스를 얻을 수 있다.

f = f1 + A * (Tc-Tref) + B (식 1)

z = z1 + C * (Tc-Tref) + D (식 2)

(여기에서, f : 보정된 공진주파수, z : 보정된 임피던스, f1 : 측정된 공진주파수, z1: 측정된 임피던스, A : 압전센서의 온도특성계수 1, C : 압전센서의 온도특성계수 3, B : 압전센서의 온도특성계수 2, D : 압전센서의 온도특성계수 4, Tc: 측정된 현재 온도, Tref: 기준온도, A, B, C, D 및 Tref는 압전센서에 대한 온도특성실험을 통해 얻은 상수값)

여기서, A, B, C, D 및 Tref는 사용하는 압전센서에 따라 상이하며, 해당 압전센서에 대한 온도특성실험을 통해 얻어지는 데이터일 수 있다. 이러한 공진주파수와 임피던스의 보정은 외부기온 변화에 따른 수화반응물질의 온도의 변화가 수화반응물질의 압력과 무관하게 압전센서의 공진주파수와 임피던스의 변화를 발생시키는 것에 기반하는 것이다.

신호 증폭부(725)는 압전센서(62)의 공진주파수와 임피던스의 변화에 따른 전기신호의 크기를 증폭시킬 수 있다.

저역 필터부(726)는 저역 필터(Low pass filter)를 통해 신호 증폭부(725)로부터 출력되는 전기신호 중 교류전기신호 발생부(71)에서 발생한 교류전기신호는 제거하고, 압전센서(62)의 공진주파수와 임피던스 변화에 따른 전기신호만을 통과시킬 수 있다.

아날로그-디지털 컨버터부(727)는 저역 필터부(726)를 통해 필터링되어 출력되는 압전센서(62)의 공진주파수와 임피던스 변화에 따른 아날로그 전기신호를 디지털 신호로 변환시켜 출력할 수 있다.

강도 산출부(728)는 압전센서(62)의 공진주파수와 임피던스 변화의 디지털 신호에 기반하여 압전센서(62)에 가해진 물리적인 압력의 변화인 압력변화 데이터를 측정하고, 압력변화 데이터를 기초로 강도데이터를 계산하고 산출할 수 있다.

여기서, 강도 산출은 하기와 같이 설명할 수 있다.

강도 변화가 없는 상태에서 공진 주파수는 일정한 값을 갖는다. 물질의 강도가 변하게 되면 공진 주파수값의 이동이 생기는데, 이 변동값은 재료(물질)마다 다르게 나타난다. 즉, 절대값을 이용하여 강도를 추출할 수는 없고, 초기에 구조물에서 추출한 샘플을 이용하여 강도시험을 수행하고, 같은 재령(age)에서의 공진 주파수를 해당 강도값과 1:1 대응하여 강도값과 주파수값의 관계식을 근거로, 추후 측정되는 피크 주파수(공진 주파수)의 변화에 따른 강도를 산출하게 된다. 다시 말해서, 기준(reference) 값을 근거로 같은 재료에 대한 강도를 측정할 수 있다. 여기에서, 샘플에 대한 강도시험 방법으로는 만능재료시험기(UTM: Universal Testing Machine)를 이용한 압축강도시험, 마샬시험법, 초음파에 의한 비파괴시험법 등을 활용할 수 있다.

상기와 같은 센서장치(60)와 강도측정장치(70)를 포함하는 본 발명의 바람직한 실시예에 따라 합성보 내부의 수화반응물질 구조체의 강도 모니터링 방법을 도 14를 참조하여 설명한다.

상기 수화반응물질 구조체(M)의 강도 모니터링은 교류전기신호 발생 단계(S10), 교류전기신호 인가 단계(S20), 주파수-임피던스 수신 단계(S30), 주파수-임피던스 검출 단계(S40) 및 압력변화 측정 단계(S50)를 통해 이루어질 수 있다.

상기 교류전기신호 발생 단계(S10)는 소정 주파수 대역의 주파수를 갖는 특정 파형의 교류전기신호를 발생시키는 단계이다. 여기서, 교류전기신호는 주기파로 구성되며, 주기파는 사인파(Sine wave), 사각파(Square wave), 삼각파(Triangle wave) 및 톱니파(Sawtooh wave) 중 하나이상을 포함할 수 있다. 가장 바람직하게는 낮은 주파수에서 높은 주파수의 주파수 대역을 갖는 사인파를 사용하는 것이 좋다.

상기 교류전기신호 발생 단계(S10)는 교류전기신호를 일정시간 이내에 순차적으로 발생시키는 것으로 이루어진다. 구체적으로, 교류전기신호 발생 단계(S10)에서 발생되는 교류전기신호의 주파수와 발생 시간은 연계되는 압전센서(62)의 주파수 특성에 따라 결정되게 된다. 예를 들면, 교류전기신호 발생 단계(S10)는 5KHz에서 100KHz의 사인파를 1초 동안 발생시키는 것으로 이루어진다.

또한, 상기 교류전기신호 발생 단계(S10)는 강도측정장치(70)에 구비되는 교류전기신호 발생부(71)에 의해 교류전기신호를 발생하는 단계이다.

상기 교류전기신호 인가 단계(S20)는 발생된 교류전기신호를 제어하여 일정 시간 동안 압전센서(62)로 인가하는 단계로서, 강도측정장치(70)에 구비되는 제어모듈부(72)를 통해 교류전기신호 발생부(71)에서 압전센서(62)의 주파수 특성에 따라 설정된 교류전기신호를 발생시키고 인가하는 단계이다.

상기 주파수-임피던스 수신 단계(S30)는 압전센서(62)에 인가된 교류전기신호를 전달부재(63) 및 센서 하우징(61)을 통해 수화반응물질 구조체(M)에 전달하고 수화반응물질 구조체(M)에 의해 변화된 공진주파수 및 임피던스를 전달받는 단계이다.

상기 주파수-임피던스 검출 단계(S40)는 압전센서(62)로 가해지는 교류전기신호의 주파수에 따른 압전센서(62)의 공진주파수와 임피던스의 변화로 발생하는 전기신호를 검출하는 단계이다. 상기 주파수-임피던스 검출 단계(S40)는 교류전기신호 인가 단계(S20)에서 가해지는 교류전기신호의 주파수에 의해 압전센서에서 발생하는 공진주파수와 임피던스를 검출하는 단계이다. 여기서, 공진주파수는 고유 공진주파수이고, 임피던스는 공진주파수와 임피던스 값일 수 있다.

상기 압력변화 측정 단계(S50)는 검출된 압전센서(62)의 공진주파수와 임피던스의 변화에 기반하여 압전센서(62)에 가해진 물리적인 압력의 변화에 따른 강도전기신호로 측정하는 단계이다.

또한, 상기 압력변화 측정 단계(S50)은 상기 유무선 통신 모듈부를 통해 외부의 상위 처리장치로 전송하여 상위 처리장치에서 압력변화 데이터에 기초하여 강도데이터를 계산하도록 하거나, 강도 산출부(728)를 통해 압력변화 데이터를 계산한 강도데이터를 유무선 통신 모듈부를 통해 외부의 상위 처리장치로 전송하는 단계일 수 있다. 여기서, 외부의 상위 처리장치는 컴퓨터, 서버, 클라우드 등 다양한 형태로 구비될 수 있으며, 본 발명의 기술분야에서 사용하는 처리장치는 모두 사용 가능하다.

통상적으로 건축물의 준공이 완료되면 강도 모니터링을 통하여 27일 양행 후 콘크리트의 변형을 알 수 있다. 콘크리트의 변형으로 균열 혹은 장기처짐으로 인한 휨을 알 수 있으며 하자보수를 해야 하는 경우를 즉시 알 수 있다.

한편, 현재의 건축물에 대한 유지,보수는 관리자가 건축물에 직접 방문하여 육안으로 균열이나 휨 등의 하자가 발생하였는지를 확인하고, 하자가 확인되면 해당 부분에 대한 대처가 이루어졌다. 그런데, 이러한 종래의 건축물 유지, 보수 방법은 전적으로 관리자의 주관적인 견해에 따라 하자 여부 및 조치가 이루어지기 때문에 신뢰성이 떨어질 수 밖에 없으며, 하자가 발생한 경우라도 관리자에 의해 발견되기 전까지는 어떠한 조치도 이루어지지 않는다는 치명적인 문제점이 있었다.

본 발명에서 상기 합성보 내부에 수화반응물질과 함께 타설되는 센서장치(60) 및 강도측정장치(70)는 구조체의 유지보수를 위한 강도 모니터링을 위한 것으로, 수화반응물질 구조체(M)의 주기적인 강도 모니터링을 통해 균열이나 휨 등의 결함이 발생한 직후 관리자가 하자를 인지할 수 있도록 하여 하자보수를 문제 발생전 미리 대응하도록 함으로써 유지, 보수의 신뢰성을 확보할 수 있고, 건축물의 내구성, 수명을 연장시킬 수 있는 현저한 효과가 있다.

이상에서 설명된 본 발명은 예시적인 것에 불과하며, 본 발명이 속한 기술분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 잘 알 수 있을 것이다. 그러므로 본 발명은 상기의 상세한 설명에서 언급되는 형태로만 한정되는 것은 아님을 잘 이해할 수 있을 것이다. 따라서 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의해 정해져야 할 것이다. 또한, 본 발명은 첨부된 청구범위에 의해 정의되는 본 발명의 정신과 그 범위 내에 있는 모든 변형물과 균등물 및 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.

1 : 기둥 구조물 3 : 철골보
10 : 하부 합성보 부재
11 : 수평부 111 : 제1볼트홀
12 : 수직부 121 : 제2볼트홀
13 : 보강부
20 : 상부 합성보 부재
21 : 웨브 플레이트
22 : 상부 플렌지
23 : 하부 플렌지 231 : 제3볼트홀
30 : 체결부재
31 : 볼트 32 : 너트
40 : 제1거푸집철판
41 : 용접결합부
42 : 볼트결합부 421 : 제1볼트공
50 : 제2거푸집철판
60 : 센서장치
70 : 강도측정장치
80 : 철골보 81 : 제2볼트공
100 : 합성보
M : 수화반응물질 구조체

Claims (8)

1. 단부가 기둥 구조물의 보연결부 또는 철골보와 결합되는 합성보에 있어서,
   상기 합성보의 하판을 형성하는 하부 합성보 부재(10)와; 상기 합성보의 측판을 형성하도록 상기 하부 합성보 부재의 상면에 상호 이격되어 배치되는 한 쌍의 상부 합성보 부재(20)와; 상기 하부 합성보 부재와 상부 합성보 부재를 체결하는 체결부재(30)와; 인접한 기둥 구조물과 대향되는 상기 합성보의 전면부 및 상기 보연결부와 대향되는 상기 합성보의 후면부를 각각 차폐하며, 상기 합성보 내부에 수화반응물질이 타설되어지도록 하는 제1거푸집철판(40) 및 제2거푸집철판(50)과; 상기 합성보 내부에 수화반응물질과 함께 타설되어 상기 수화반응물질의 경화에 따른 수화반응물질 구조체에 매립되어 상기 수화반응물질 구조체에 교류전기신호를 전달하고 상기 수화반응물질 구조체에 의해 변화된 공진주파수 및 임피던스를 전달받는 센서장치(60); 및 상기 센서장치와 연결되어 상기 수화반응물질 구조체의 강도를 측정하는 강도측정장치(70);를 포함하되,
   상기 센서장치는,
   상기 수화반응물질 구조체에 파손되지 않게 매립되는 센서 하우징과, 상기 센서 하우징 내부에 설치되어 교류전기신호를 전달받아 상기 수화반응물질 구조체에 전달하고 상기 수화반응물질 구조체에 의해 변화된 공진주파수 및 임피던스를 전달받는 압전센서와, 상기 압전센서가 부착되어 상기 공진주파수 및 임피던스가 상기 수화반응물질 구조체에 전달되도록 하는 전달부재를 포함하며,
   상기 강도측정장치는,
   소정 주파수 대역의 주파수를 갖는 특정 파형의 교류전기신호를 발생시키는 교류전기신호 발생부와, 상기 교류전기신호 발생부에서 소정 주파수 대역의 주파수를 갖는 특정 파형의 교류전기신호가 발생되도록 제어하고, 발생된 교류전기신호를 상기 압전센서에 인가하며, 상기 압전센서로 인가된 교류전기신호에 기반하여 상기 압전센서에 가해진 물리적인 압력의 변화를 측정하여 강도데이터를 산출하는 제어모듈부 및 상기 제어모듈부에 필요 전력을 공급하는 전원부를 포함하는 것을 특징으로 하는 보강된 단부의 강도 모니터링이 가능한 합성보.
   
2. 제1항에 있어서,
   상기 제1거푸집철판은 상기 합성보의 전면부에 용접결합되는 평판형의 용접결합부 및 상기 용접결합부의 외주면 중앙부로부터 외측으로 돌출형성되되 하나 또는 그 이상의 제1볼트공이 관통형성되는 볼트결합부를 포함하며,
   상기 제2거푸집철판은 상기 합성보의 후면부에 용접결합되도록 평판형의 형태로 이루어지고,
   상기 철골보의 양측 단부에는 상기 제1볼트공과 대응되는 제2볼트공이 형성되어 상기 제1거푸집철판과 철골보가 볼트 및 너트로 체결되도록 한 것을 특징으로 하는 보강된 단부의 강도 모니터링이 가능한 합성보.
   
3. 제1항에 있어서,
   상기 하부 합성보 부재는 일측에 제1볼트홀이 관통형성되는 평판형의 수평부 및 상기 수평부의 일측 단부로부터 수직으로 상향절곡형성되며 일측에 제2볼트홀이 관통형성되는 수직부가 일체로 이루어지고,
   상기 상부 합성보 부재는 소정 높이를 갖는 웨브 플레이트와, 상기 웨브 플레이트의 상단 및 하단으로부터 수평방향으로 연장되는 상부 플랜지 및 하부 플랜지로 이루어지는 H빔으로 이루어지되, 상기 하부 플랜지의 일측에는 상기 제1볼트홀과 대응되는 제3볼트홀이 형성되며,
   상기 체결부재는 볼트 및 너트이고,
   상기 하부 합성보 부재는 한 쌍으로 마련되되, 각 수직부가 상호 밀착된 상태로 각 수직부의 제2볼트홀을 관통하도록 볼트를 삽입한 후 너트로 고정되어 나란하게 배치되는 한 쌍의 수평부에 의해 하판의 폭방향 길이가 연장되면서 합성보의 폭을 확보할 수 있고,
   상기 제1볼트홀과 제3볼트홀이 대응되도록 상기 수평부 위에 하부 플랜지가 안착된 후 상기 제1볼트홀과 제3볼트홀을 관통하도록 볼트를 삽입하고 너트로 고정되면 시공하중에 의해 상기 상부 합성보 부재가 벌어지는 것을 방지할 수 있도록 한 것을 특징으로 하는 보강된 단부의 강도 모니터링이 가능한 합성보.
   
4. 제3항에 있어서, 철골 설치 및 콘크리트 타설 시 하중으로 인한 휨에 대한 힘을 보강시킬 수 있도록 상기 수평부의 타측 단부로부터 수직으로 하향절곡형성되는 소정길이의 보강부를 포함하는 것을 특징으로 하는 보강된 단부의 강도 모니터링이 가능한 합성보.
   
5. 제3항에 있어서, 상기 볼트는 규정 토크에 도달하면 볼트 몸체로부터 분리되는 핀 테일부를 포함하는 토크쉐어 볼트인 것을 특징으로 하는 보강된 단부의 강도 모니터링이 가능한 합성보.
   
6. 삭제
7. 제1항에 있어서,
   상기 센서장치 또는 강도측정장치의 외면에 설치되어 주변 온도를 검출하는 온도센서와;
   상기 강도데이터를 전송하도록 상기 센서장치 또는 강도측정장치에 구비되는 유무선 통신 모듈부와;
   상기 강도데이터를 표시하는 디스플레이부; 및
   상기 센서장치 또는 강도측정장치에 구비되며, 상기 압전센서의 위치 정보를 전송하는 GPS 모듈부;
   를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 보강된 단부의 강도 모니터링이 가능한 합성보.
   
8. 제7항에 있어서,
   상기 제어모듈부는,
   상기 교류전기신호 발생부에서 발생되는 교류전기신호를 제어하여 상기 압전센서로 인가되도록 하는 교류전기신호 제어부와,
   상기 압전센서로 가해지는 교류전기신호의 주파수에 따른 상기 압전센서의 공진주파수와 임피던스의 변화를 검출하는 주파수-임피던스 검출부와,
   상기 주파수-임피던스 검출부에서 검출된 상기 압전센서의 공진주파수와 임피던스의 변화에 기반하여 상기 압전센서에 가해진 물리적인 압력의 변화를 측정하는 압력변화 측정부와,
   상기 주파수-임피던스 검출부에서 압전센서의 공진주파수와 임피던스를 검출할 때, 상기 온도센서에 의해 검출된 온도에 기반하여 검출된 공진주파수값 및 임피던스 값 중에서 적어도 하나를 보정하여 측정 오차를 최소화하는 주파수-임피던스 보정부와,
   상기 압전센서의 공진주파수와 임피던스의 변화에 따른 전기신호의 크기를 증폭시키는 신호 증폭부와,
   상기 신호 증폭부로부터 출력되는 전기신호 중 상기 교류전기신호 발생부에서 발생한 교류전기신호는 제거하고, 상기 압전센서의 공진주파수와 임피던스 변화에 따른 전기신호만을 통과시키는 저역 필터부와,
   상기 저역 필터부를 통해 필터링되어 출력되는 상기 압전센서의 공진주파수와 임피던스 변화에 따른 아날로그 전기신호를 디지털 신호로 변환시켜 출력하는 아날로그-디지털 컨버터부와,
   상기 압전센서의 공진주파수와 임피던스 변화의 디지털 신호에 기반하여 상기 압전센서에 가해진 물리적인 압력의 변화인 압력변화 데이터를 측정하고, 상기 압력변화 데이터를 기초로 강도데이터를 계산하고 산출하는 강도산출부를 포함하는 것을 특징으로 하는 보강된 단부의 강도 모니터링이 가능한 합성보.
   

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