KR102579278B1 - 숏크리트 강도측정시스템 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 지보재로서 터널 굴착면에 타설되는 숏크리트의 강도를 측정하기 위한 시스템에 있어서, 상기 터널 굴착면에 숏크리트 조성물과 함께 타설되어 상기 숏크리트 조성물의 경화에 따른 숏크리트층 내부에 매립되어 상기 숏크리트층에 교류전기 신호를 전달하고 상기 숏크리트층에 의해 변화된 공진주파수 및 임피던스를 전달받는 센서부와; 상기 센서부와 연결되어 상기 숏크리트층의 강도를 측정하는 강도측정부와; 상기 강도측정부의 측정결과를 공사현장 내부 및 외부의 작업자에게 전달하는 정보전달부;를 포함하며, 상기 숏크리트층의 강도를 높은 신뢰성을 바탕으로 실시간으로 상시 모니터링하여 이상 거동을 감지할 수 있으며, 이상 거동 감지시에는 신속한 조치가 이루어질 수 있도록 하여 낙반, 탈락, 붕괴와 같은 안전사고로부터 작업자를 보호할 수 있도록 한 것을 특징으로 하는 숏크리트 강도측정시스템에 관한 것이다.
Description
본 발명은 지보재로서 터널 굴착면에 타설되는 숏크리트의 강도를 측정하기 위한 시스템에 있어서, 상기 터널 굴착면에 숏크리트 조성물과 함께 타설되어 상기 숏크리트 조성물의 경화에 따른 숏크리트층 내부에 매립되어 상기 숏크리트층에 교류전기 신호를 전달하고 상기 숏크리트층에 의해 변화된 공진주파수 및 임피던스를 전달받는 센서부와; 상기 센서부와 연결되어 상기 숏크리트층의 강도를 측정하는 강도측정부와; 상기 강도측정부의 측정결과를 공사현장 내부 및 외부의 작업자에게 전달하는 정보전달부;를 포함하며, 상기 숏크리트층의 강도를 높은 신뢰성을 바탕으로 실시간으로 상시 모니터링하여 이상 거동을 감지할 수 있으며, 이상 거동 감지시에는 신속한 조치가 이루어질 수 있도록 하여 낙반, 탈락, 붕괴와 같은 안전사고로부터 작업자를 보호할 수 있도록 한 것을 특징으로 하는 숏크리트 강도측정시스템에 관한 것이다.
터널을 시공하면서 굴착면의 지보재로서 숏크리트 라이닝을 시공하게 된다.
이러한 터널공사에서의 숏크리트 작업은 도 1의 도시와 같이, 압축공기를 이용해 터널 굴착면에 몰탈을 뿜어 붙여 굴착면을 평활하게 하는 공정으로서, 타설된 숏크리트는 터널 굴착면의 표층부와 협동해서 응력 집중에 의한 암반의 이완을 방지하고 암반 표면의 풍화를 억제하여 터널 굴착면의 안정을 도모하는 역할을 한다.
숏크리트 공사는 암반면에 직각 방향으로 몰탈을 뿜어서 붙이는 작업을 2-3회 반복하여 이루어지며, 각 회차에 따른 숏크리트의 시공은 자연 양생 기간을 고려하여 일정한 시차를 두고 이루어지는 것이 보통이다. 양생기간 부족으로 굳지 않은 경우 큰 면적이 떨어지는 붕락이 발생하게 된다.
이러한 숏크리트 공사는 타설면의 각도에 구애받지 않고 시공할 수 있고, 신속한 콘크리트층을 형성하여 지보효과 발생이 타설과 동시에 이루어지며, 콘크리트 층의 두께를 자유롭게 형성할 수 있다는 점에서 매우 효과적인 지보의 형성방법이다.
한편, 터널의 시공 과정에서 발생하는 사고 중에서 지보재 파괴에 의한 사고는 약 34%를 차지하고 있다. 이러한 이유로 터널에 있어서 터널의 붕괴 위험도를 체계적으로 관리할 필요성이 요구되었고, 이러한 요구에 따라 숏크리트 라이닝을 타설하기 전에 미리 응력센서 또는 토압계를 터널 굴착 지반면에 설치해둔 상태에서 숏크리트를 뿜어 라이닝을 형성함으로써 상기 응력센서 또는 토압계를 통해 숏크리트 라이닝에 가해지는 응력을 측정하는 방법이 개시되었다.
그런데, 이러한 종래의 방법은 숏크리트를 분사할 때 발생하는 숏크리트의 분사 압력으로 인하여 숏크리트 라이닝 시공 과정에서 응력센서, 토압계 등이 파손되거나 원하는 측정 위치에서 벗어나게 되는 등의 문제점이 발생하게 되었으며, 이에 따라 실제로 숏크리트 라이닝 시공 후에 정상적인 계측 동작을 하지 못하는 경우가 매우 빈번하게 발생하였다.
또한, 터널 굴착 지반면은 불규칙한 거친면으로 이루어져 있기 때문에 토압계 등을 설치하더라도 터널 굴착 지반면와 토압계가 밀착되지 못하여 그 측정값에 대한 신뢰도가 극히 낮다는 한계 또한 존재하였다.
뿐만 아니라, 이미 숏크리트 라이닝을 시공한 상태에서는, 지반면에 설치된 응력센서, 토압계 등이 오작동을 하더라도 이를 다시 설치하거나 수리할 수 없기 때문에, 오작동되는 응력센서 등이 설치된 지점에서는 숏크리트 라이닝에 작용하는 응력을 측정할 수 없게 되고, 이는 결국 터널의 붕괴 위험도에 대한 관리의 부실로 이어지게 되는 심각한 문제를 초래하게 된다.
또한, 응력센서, 토압계 등은 그 가격이 고가이기 때문에 설치 개소가 제한될 수밖에 없으며, 이러한 이유에서 실제로는 터널의 특정 위치에서의 터널 단면 즉, 터널의 특정 대표 단면에 대해서만 응력센서 등을 설치할 뿐이며, 그 외의 단면 즉, 일상적인 계측 단면에서는 터널 단면의 변위를 계측하여 터널의 붕괴 위험을 평가하고 있는 실정이다. 그런데, 터널 단면의 변위 즉, 터널의 천단 침하량, 터널 내공의 측면 변위량 등의 변위를 계측하여 이를 터널붕괴 위험도 평가에 사용하는 것은 한계가 있다. 왜냐하면 터널의 천단 침하량, 터널 내공의 측면 변위량 등의 변위 측정값은 변위 기준치와의 비교대상에 불과할 뿐이며 실질적으로 터널의 안전도과 직접적인 관계가 없기 때문이다.
터널의 안전도 즉, 터널의 붕괴 위험도는 숏크리트 라이닝에 작용하는 응력이 숏크리트 라이닝이 가지는 강성에 비하여 어느 정도인지를 파악해야만 평가할 수 있는 것이므로, 결국 터널의 붕괴 위험도를 정확하게 평가할 수 있으려면 숏크리트 라이닝에 작용하는 응력값이 얼마인지를 정량적으로 측정하는 것이 필요하다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 발명된 것으로, 터널 굴착면에 타설된 숏크리트 라이닝에 작용하는 응력값을 높은 신뢰성을 바탕으로 실시간으로 측정함으로써, 낙반, 탈락, 붕괴 등 각종 안전사고로부터 작업자를 보호할 수 있는 숏크리트의 강도측정시스템을 제공하는데 그 목적이 있다.
상기와 같은 목적을 위하여 본 발명은 지보재로서 터널 굴착면에 타설되는 숏크리트의 강도를 측정하기 위한 시스템에 있어서, 상기 터널 굴착면에 숏크리트 조성물과 함께 타설되어 상기 숏크리트 조성물의 경화에 따른 숏크리트층 내부에 매립되어 상기 숏크리트층에 교류전기 신호를 전달하고 상기 숏크리트층에 의해 변화된 공진주파수 및 임피던스를 전달받는 센서부와; 상기 센서부와 연결되어 상기 숏크리트층의 강도를 측정하는 강도측정부와; 상기 강도측정부의 측정결과를 공사현장 내부 및 외부의 작업자에게 전달하는 정보전달부;를 포함하여, 상기 숏크리트층의 강도를 실시간으로 상시 모니터링하여 이상 거동을 감지할 수 있으며, 이상 거동 감지시에는 조치가 이루어질 수 있도록 하여 낙반, 탈락, 및 붕괴를 포함한 안전사고로부터 작업자를 보호할 수 있도록 하며, 상기 센서부는, 상기 숏크리트층에 파손되지 않게 매립되는 센서 하우징과, 상기 센서 하우징 내부에 설치되어 교류전기신호를 전달받아 상기 숏크리트층에 전달하고 상기 숏크리트층에 의해 변화된 공진주파수 및 임피던스를 전달받는 압전센서와, 상기 압전센서가 부착되어 상기 공진주파수 및 임피던스가 상기 숏크리트층에 전달되도록 하는 전달부재를 포함하고, 상기 강도측정부는, 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 포함하며, 상기 센서부 또는 강도측정부의 외면에 설치되어 주변 온도를 검출하는 온도센서와; 상기 강도데이터를 전송하도록 상기 센서부 또는 강도측정부에 구비되는 유무선 통신 모듈부와; 상기 강도데이터를 표시하는 디스플레이부; 및 상기 센서부 또는 강도측정부에 구비되며, 상기 압전센서의 위치 정보를 전송하는 GPS 모듈부;를 더 포함하고, 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 온도 센서에 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 포함하며, 상기 숏크리트 조성물은, 제철소의 선철 제조시 발생되는 고로슬래그 미분말 55~65 중량%와, 열병합발전소 및 화력발전소의 연료소각시 발생되고 이산화규소(SiO2)와 산화알루미늄(Al2O3) 및 산화제이철(Fe2O3)을 합한 함량이 70중량% 이상인 플라이애쉬 10~20 중량%와, 조강시멘트 10~20중량%와, 페녹시에탄올과 이소프로필아민이 합성된 중합체 2~5중량%를 혼합하여 조성되는 혼합물 100중량부에 대하여 돌로마이트분말 1~5중량부를 첨가하여 조성되되, 급결에 의한 작업성 저하 또는 조기강도의 발현이 지체되는 것을 방지할 수 있도록 물시멘트비(W/C)가 중량비로 50~70%로 배합되어 타설되는 것을 특징으로 한다.
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상기와 같이 이루어지는 본 발명은 터널 굴착면에 타설된 숏크리트 라이닝에 작용하는 응력값을 높은 신뢰도를 바탕으로 실시간으로 측정할 수 있으며, 이를 통해 낙반이나 탈락, 붕괴 등 각종 안전사고로부터 작업자를 보호할 수 있다.
도 1a) 및 1b)는 종래의 일반적인 숏크리트 시공과정을 도시한 개략적인 예시도.
도 2는 본 발명에 따른 숏크리트 강도측정시스템의 구성도.
도 3 및 4는 본 발명의 실시예에 따른 센서부의 예시도.
도 5는 도 4의 일부 부품을 절개한 모습을 도시한 분리사시도.
도 6는 도 4에서 전선이 포함된 모습을 도시한 투영사시도.
도 7은 본 발명의 실시예에 따른 강도측정부의 제어모듈부의 구성을 도시한 블럭도.
도 8은 본 발명의 실시예에 따라 숏크리트층의 강도를 모니터링하는 과정을 순차적으로 나타낸 흐름도.
도 2는 본 발명에 따른 숏크리트 강도측정시스템의 구성도.
도 3 및 4는 본 발명의 실시예에 따른 센서부의 예시도.
도 5는 도 4의 일부 부품을 절개한 모습을 도시한 분리사시도.
도 6는 도 4에서 전선이 포함된 모습을 도시한 투영사시도.
도 7은 본 발명의 실시예에 따른 강도측정부의 제어모듈부의 구성을 도시한 블럭도.
도 8은 본 발명의 실시예에 따라 숏크리트층의 강도를 모니터링하는 과정을 순차적으로 나타낸 흐름도.
이하, 첨부된 도면을 참조하면서 본 발명에 따른 숏크리트 강도측정시스템에 대하여 더욱 상세하게 설명하도록 한다.
본 발명은 터널 굴착면에 타설된 숏크리트 라이닝에 작용하는 응력값을 높은 신뢰성을 바탕으로 실시간으로 측정함으로써, 낙반, 탈락, 붕괴 등 각종 안전사고로부터 작업자를 보호할 수 있는 숏크리트의 강도측정시스템을 개시한다.
도 2는 본 발명에 따른 숏크리트 강도측정시스템의 구성도이고, 도 3 내지 6은 본 발명에 따른 센서부의 예시도이며, 도 7은 본 발명에 따른 강도측정부의 예시도이고, 도 8은 본 발명의 실시예에 따라 숏크리트층의 강도를 모니터링하는 과정을 순차적으로 나타낸 흐름도로서, 본 발명은 크게 센서부(100)와; 강도측정부(200)와; 정보전달부(300);를 포함한다.
먼저, 본 발명에 따른 센서부(100)는 상기 숏크리트층(10)에 매립되어 상기 숏크리트층(10)에 교류전기신호를 전달하고 숏크리트층(10)에 의해 변화된 공진주파수 및 임피던스를 전달받는다.
이를 위해, 상기 센서부(100)는 센서 하우징(110), 압전센서(120) 및 전달부재(139)를 포함할 수 있다.
상기 센서 하우징(110)은 센서부 및/또는 강도측정부가 숏크리트층(10) 내부에 파손되지 않게 매립되도록 하는 구성일 수 있다. 이를 위해, 상기 센서 하우징(110)은 숏크리트 조성물과 함께 타설시 작용하는 충격과 상측에서 쌓이는 숏크리트 조성물의 무게를 견딜수 있도록 소정의 강도를 가지며, 매립 후에는 하측으로 가라앉지 않도록 적절한 무게를 갖는 것이 좋다.
또한, 상기 센서 하우징(110)은 숏크리트 조성물이 양생하는 동안 발생하는 열에 변형되지 않고 숏크리트 조성물과 반응하지 않는 재질로 구성되는 것이 바람직하다.
상기 압전센서(120)는 센서 하우징(110) 내부에 설치되어 교류전기신호를 전달받아 숏크리트층(10)에 전달하고, 숏크리트층(10)에 의해 변화된 공진주파수 및 임피던스를 전달받을 수 있다. 압전센서(120)는 전달부재(130)에 다수개로 부착될 수 있으며, 2개로 형성될 경우 양 끝단에 형성될 수 있다.
또한, 상기 압전센서(120)는 교류전기신호을 인가받는 압전센서와 변화된 공진주파수 및 임피던스를 전달받는 압전센서로 나뉘어 설치될 수 있다. 그러나 이에 한정하지 않고 한 압전센서(120)에서 교류전기신호를 인가받거나 변화된 공진주파수 및 임피던스를 전달받을 수 있다.
한편, 상기 교류전기신호는 주기파로 구성되며, 주기파는 사인파(Sine wave), 사각파(Square wave), 삼각파(Triangle wave) 및 톱니파(Sawtooh wave) 중 하나이상을 포함할 수 있다.
상기 전달부재(130)는 압전센서(120)가 부착되어 공진주파수 및 임피던스가 상기 숏크리트층(10)에 전달되도록 할 수 있다. 상기 전달부재(130)는 압전센서(120)로부터 교류전기신호를 전달받아 센서 하우징(110)에 전달하고 되돌아온 변화된 공진주파수 및 임피던스를 센서 하우징(110)으로부터 전달받아 압전센서(120)에 전달할 수 있는 재질로 형성되는 것이 바람직하다.
다음으로, 상기 강도측정부(200)는 상기 센서부(100)에 내장되거나 또는 유,무선으로 연결되어 숏크리트층(10)의 강도를 측정하기 위한 장치로서, 교류전기신호 발생부(210), 제어모듈부(220) 및 전원부(230)를 포함할 수 있다.
먼저, 상기 교류전기신호 발생부(210)는 소정 주파수 대역의 주파수를 갖는 특정 파형의 교류전기신호를 발생시킬 수 있다. 구체적으로, 교류전기신호 발생부(210)는 사인파, 사각파, 삼각파 및 톱니파 중 하나이상을 포함하는 주기파로 구성된 교류전기신호를 발생시킬 수 있다.
상기 제어모듈부(220)는 상기 교류전기신호 발생부(210)에서 소정 주파수 대역의 주파수를 갖는 특정 파형의 교류전기신호가 발생되도록 제어하고, 발생된 교류전기신호를 압전센서(120)에 인가하며, 압전센서(120)로 인가된 교류전기신호에 기반하여 압전센서(120)에 가해진 물리적인 압력의 변화를 측정하여 강도데이터를 산출할 수 있다.
상기 전원부(230)는 제어모듈부(220)에 필요 전력을 공급할 수 있다. 상기 전원부(230)는 교체형 배터리 또는 충전형 배터리로 구성될 수 있다.
또한, 상기 강도측정부(200)는 상기 센서부(100)의 압전센서(120)에 전기적으로 접속되는 접속 포트 또는 접속 케이블로 구성되는 접속부(240)를 구비할 수 있다.
상기 강도측정부(200)는 센서부(100)의 센서 하우징(110)의 내부에 수용되어 압전센서(120)와 근접하게 연결되는 것이 바람직하나, 이에 한정하지는 않는다. 구체적으로 강도측정부(200)는 상기와 같은 구성을 수용하여 이들을 보호하는 별도의 장치 하우징이 구비될 수 있다. 여기에서, 상기 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(110)은 상부 센서 하우징(1101) 및 하부 센서 하우징(1102)을 포함할 수 있다.
도 4 및 5를 참조하면, 상기 상부 센서 하우징(1101)은 원판 형태의 머리부(1101-1) 및 기둥 형태의 몸통부(1101-2)로 구성되되, 몸통부(1101-2)의 외면에 상기 전달부재(130)가 나선형으로 감싸도록 연결될 수 있다.
상기 하부 센서 하우징(1102)은 상부 센서 하우징(1101)이 삽입되도록 상측이 개방된 원통 형태로 형성될 수 있으며, 내주면에 결합홈(1102-1)이 형성될 수 있다. 여기에서, 상기 결합홈(1102-1)은 상부 센서 하우징(1101)의 회전에 의해 전달부재(130)가 삽입되어 결합되도록 하는 나선형으로 형성될 수 있다. 또한, 상기 전달부재(130)는 바형태로 형성되되, 상기 상부 센서 하우징(1101)의 몸통부(1101-2)의 외주면을 따라 나선형으로 형성될 수 있다. 상기 전달부재(130)는 상하면에 압전센서(120)가 부착될 수 있는 적절한 너비로 형성되는 것이 바람직하다. 또한, 상기 전달부재(130)는 하부 센서 하우징(1102)의 결합홈(1102-1)에 끼워질 수 있는 강도로 형성될 수 있다.
또한, 상기 센서부(100)는 교류전기신호를 무선으로 받는 것이 바람직하나, 도 6과 같이 전선(E)이 상부 센서 하우징(1101)을 상하방향으로 관통하여 설치되어 유선으로 교류전기신호를 인가 받을 수 있다. 이때, 전선(E)은 상부 센서 하우징(1101)의 몸통부(1101-2)에 수용되어 압전센서(120)로 연결될 수 있다.
또한, 도 3과 같이 상기 센서부(120)는 상기 숏크리트층(10)에 완전히 매립된 상태로 설치될 수 있고, 또는 상부 센서 하우징(1101)이 노출된 상태로 숏크리트층(10)에 설치될 수도 있다. 여기에서, 상기 센서부(100)의 상부가 노출되어 설치되면 신호가 불안정하거나 이상이 발견된 센서부(100)의 상부 센서 하우징(1101)을 하부 센서 하우징(1102)으로부터 분리하여 상태를 확인하거나, 수리 후 재설치될 수 있다. 또한, 상기 센서부(100)는 상기 숏크리트층에 숏크리트 조성물을 복수개로 투입될 수 있다.
또한, 도면에는 도시하지 않았으나 본 발명은 온도센서, 유무선 통신 모듈부, 디스플레이부 및 GPS 모듈부를 더 포함할 수 있다.
온도센서는 상기 센서부(100) 또는 강도측정부(200)의 외면에 설치되어 주변 온도를 검출할 수 있다. 일반적으로, 압전센서(120)는 온도에 따라 공진주파수와 임피던스가 미세하게 변화는 성질이 있는데, 숏크리트 조성물의 양생과정에서 발생하는 열이나, 양생이 완료된 이후에 외부기온 변화에 따른 숏크리트층의 온도의 변화는 숏크리트층의 압력과 무관하게 압전센서(120)의 공진주파수와 임피던스가 변화를 발생시키게 된다. 이와 같은 숏크리트층의 온도의 변화에 의해 발생되는 압전센서(120)의 공진주파수와 임피던스의 변화는 숏크리트층의 압력의 변화로 잘못 인식되거나, 숏크리트층의 압력측정에 있어서 측정 오차를 발생시킬 수 있는 문제가 있다. 이에, 온도센서는 압전센서(120)가 최대한 근접한 거리에 위치하여, 압전센서(120)의 공진주파수와 임피던스를 측정할 때 압전센서(120) 주변의 온도를 측정하도록 하는 것이 바람직하나, 이에 한정하지는 않는다.
유무선 통신 모듈부는 강도데이터를 외부의 상위 처리장치로 전송하도록 센서부(100) 또는 강도측정부(200)에 구비될 수 있다. 유무선 통신 모듈부는 압전센서(120)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 센서부(100) 또는 강도측정부(200)에 구비되며, 압전센서(120)의 위치 정보를 외부의 상위 처리장치로 전송할 수 있다.
다음으로, 도 7과 같이 본 발명에 따른 상기 제어모듈부(220)는 교류전기신호제어부(221), 주파수-임피던스 검출부(222), 압력변화 측정부(223), 주파수-임피던스 보정부(224), 신호 증폭부(225), 저역 필터부(226), 아날로그-디지털 컨버터부(227) 및 강도 산출부(228)를 포함할 수 있다.
상기 교류전기신호제어부(221)는 교류전기신호 발생부(210)에서 발생되는 교류전기신호를 제어하여 압전센서(120)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 교류전기신호제어부(221)는 압전센서의 주파수 특성에 따라 교류전기신호의 주파수와 발생시간을 제어할 수 있다. 예를 들면, 교류전기신호제어부(221)는 교류전기신호 발생부(210)에서 5KHz에서 100KHz의 사인파가 1초 동안 발생되도록 제어할 수 있다.
상기 주파수-임피던스 검출부(222)는 압전센서(120)로 가해지는 교류전기신호의 주파수에 따른 압전센서(120)의 공진주파수와 임피던스의 변화를 검출할 수 있다.
상기 압력변화 측정부(223)는 주파수-임피던스 검출부(222)에서 검출된 압전센서(120)의 공진주파수와 임피던스의 변화에 기반하여 압전센서에 가해진 물리적인 압력의 변화를 측정할 수 있다.
상기 주파수-임피던스 보정부(224)는 주파수-임피던스 검출부(222)에서 압전센서(120)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.
상기 주파수-임피던스 보정부(224)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 숏크리트층의 온도의 변화가 숏크리트층의 압력과 무관하게 압전센서의 공진주파수와 임피던스의 변화를 발생시키는 것에 기반하는 것이다.
상기 신호 증폭부(225)는 압전센서(120)의 공진주파수와 임피던스의 변화에 따른 전기신호의 크기를 증폭시킬 수 있다.
상기 저역 필터부(226)는 저역 필터(Low pass filter)를 통해 신호 증폭부(225)로부터 출력되는 전기신호 중 교류전기신호 발생부(210)에서 발생한 교류전기신호는 제거하고, 압전센서(120)의 공진주파수와 임피던스 변화에 따른 전기신호만을 통과시킬 수 있다.
상기 아날로그-디지털 컨버터부(227)는 저역 필터부(226)를 통해 필터링되어 출력되는 압전센서(120)의 공진주파수와 임피던스 변화에 따른 아날로그 전기신호를 디지털 신호로 변환시켜 출력할 수 있다.
상기 강도 산출부(228)는 압전센서(120)의 공진주파수와 임피던스 변화의 디지털 신호에 기반하여 압전센서(120)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 센서부(100)와 강도측정부(200)를 통한 숏크리트층(10)의 강도 모니터링 방법을 도 8을 참조하여 설명하면 다음과 같다.
상기 숏크리트층(10)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(120)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 강도측정부(200)에 구비되는 교류전기신호 발생부(210)에 의해 교류전기신호를 발생하는 단계이다.
상기 교류전기신호 인가 단계(S20)는 발생된 교류전기신호를 제어하여 일정 시간 동안 압전센서(120)로 인가하는 단계로서, 강도측정부(200)에 구비되는 제어모듈부(220)를 통해 교류전기신호 발생부(210)에서 압전센서(120)의 주파수 특성에 따라 설정된 교류전기신호를 발생시키고 인가하는 단계이다.
상기 주파수-임피던스 수신 단계(S30)는 압전센서(120)에 인가된 교류전기신호를 전달부재(130) 및 센서 하우징(110)을 통해 숏크리트층(10)에 전달하고 숏크리트층(10)에 의해 변화된 공진주파수 및 임피던스를 전달받는 단계이다.
상기 주파수-임피던스 검출 단계(S40)는 압전센서(120)로 가해지는 교류전기신호의 주파수에 따른 압전센서(120)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(120)의 공진주파수와 임피던스의 변화에 기반하여 압전센서(120)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(228)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.
다음으로, 본 발명에 따른 상기 센서 하우징(110)은 내부에 장착된 구성품들의 파손을 방지하면서 숏크리트 조성물과 함께 타설되어 숏크리트층 내부에 매립될 수 있도록 탄성유기재료에 의해 외주면이 코팅처리될 수 있다.
여기에서, 상기 탄성유기재료는 폴리디메틸실록세인(Polydimethylsiloxane) 25~80중량% 및 실리콘고무 20~75중량%로 이루어지며, 더욱 바람직하게는 폴리디메틸실록세인 75중량% 및 실리콘고무 25중량%로 이루어지는 것이 좋다.
상기 폴리디메틸실록세인(Polydimethylsiloxane)은 분자량이 16238이며, 녹는점 및 끓는점이 각각 -40~50℃ 및 205℃인 투명한 물질로서, 표면에너지가 낮고 다양한 액체와 증기에 대한 침투성이 있는 탄성 중합체(elastomer)이다.
또한, 상기 폴리디메틸실록세인은 단차피복성(step coverage)이 우수하여 케이싱의 외주면에 안정적으로 점착할 수 있으며, 표면 자유 에너지(interfacial free energy)가 낮은 특징이 있다. 또한, 탄성계수가 약 1~10MPa 수준으로 매우 낮아 유연하고 접착성이 있으며 표면에너지가 약 25mN/m에 불과하다는 장점이 있으나, 종횡비(high-aspect-ratio) 구조물을 제작하는데 어려움이 있으며, 이러한 단점을 보완하기 위해 실리콘고무를 첨가한다.
상기 실리콘고무는 고중합도 곧은사슬 모양의 디올가노폴리실록산에 미분 실리카 등을 보강제로 혼화하여 가교시킨 고무 탄성체. 내후성, 전기적 특성이 우수하여 -50~200℃에서 사용할 수 있으며, 250℃에서 3일간 방치하여도 강도나 신장률의 변화를 10% 이내로 유지할 수 있고, -45℃에서도 고무탄성을 잃지 않는다. 따라서 항공기의 창문을 봉하는 데나 발수성(撥水性:물을 튀기는 성질)을 필요로 하는 곳, 또는 발열하는 곳에 특수재료로 사용되며, 고무롤러의 속 부분, 패킹 재료, 전기 절연재료 등으로 널리 쓰인다.
본 발명은 이러한 특징을 갖는 폴리디메틸실록세인와 실리콘고무로부터 조성되는 탄성유기재료를 센서 하우징(110)의 외주면에 도포하여 코팅처리함으로써 센서 하우징(110) 내부의 구성품들의 파손을 방지하면서 숏크리트 조성물과 함께 탓헐되도록 할 수 있다.
한편, 숏크리트 작업은 숏크리트 조성물을 고압의 공기로 뿜어 타설하므로 공기가 혼입될 수 밖에 없어 내부에 공극이 발생하기 쉽고, 이는 곧 강도 저하로 이어지게 된다. 일반 콘크리트의 경우 타설 후 공기의 혼입에 의한 공극을 제거하기 위하여 진동다짐 작업이 별도로 이루어지나, 굴착면에 타설된 숏크리트 조성물에 진동다짐이 가해지면 큰 면적이 떨어지는 붕락이 발생될 수 있다.
상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 본 발명은 고로슬래그 미분말과, 플라이애쉬와, 조강시멘트와, 페녹시에탄올과 이소프로필아민이 합성된 중합체를 혼합하여 조성된 숏크리트 조성물을 사용할 수 있다.
상기 고로슬래그 미분말은 제철공장 선철 제조 시 발생되는 산업부산물로 철광석의 불순물이 섞인 암질산화알미늄(Al2O3)과 화합된 고온에서 용융된 부유물질이다.
상기 고로슬래그 미분말은 분말도 3,000~10,000cm2/g의 분포를 나타낸다. 통상적으로 4,000cm2/g, 8,000cm2/g,10,000cm2/g의 3종류로 분쇄 분급하여 사용하는데, 고분말도의 분말이 반응성이 더 좋으나, 분말도가 클수록 에너지 소비가 기하급수적으로 많아져 고가로 된다.
이러한 고로슬래그 미분말의 양은 전체 조성물 중량에 대하여 55~65중량%인 것이 바람직하다. 만약, 상기 고로슬래그 미분말의 함량이 55중량% 미만인 경우에는 숏크리트 조성물의 강도 발현이 저하되는 문제가 있고, 65중량%를 초과하면 초기 반응 및 응결 시간이 지연되는 등 초기 강도 확보에 어려움이 있으며, 경제성이 떨어지게 되므로 바람직하지 않다.
다음으로, 상기 플라이애쉬는 열병합 발전소 및 화력 발전소에서 연료소각시 발생되는 부산물인 플라이애쉬로서, 이산화규소(SiO2)와 산화알루미늄(Al2O3)과, 산화제이철(Fe2O3)을 합한 함량이 70중량% 이상이다.
상기 플라이애쉬의 양은 전체 조성물 중량에 대하여 10~20 중량%인 것이 바람직한데, 이는 상기 함량이 10 중량% 미만인 경우에는 탈황부산물과 함께 초기 수화반응을 유도할 수 없다는 문제가 있고, 상기 함량이 20 중량%를 초과하면 팽창효과가 크고 단위수량이 증대된다는 문제가 발생한다.
다음으로, 상기 조강시멘트는 볼밀링에 의해 평균 분말도 5,000~5,500 ㎠/g으로 가공되고, 입경 10㎛ 이하의 고미분말이 5~10wt% 함유된 것을 적용할 수 있다. 버티컬 밀링의 경우 시멘트 입자를 평균 분말도 5,000~5,500㎠/g이 되도록 분쇄하더라도 분말의 입형은 세장비가 대체적으로 높게 나타나며, 그러한 입형은 수화반응 및 유동성에 불리하게 작용한다. 따라서, 상기 조강시멘트는 볼밀링 방식으로 가공된 것을 사용하는 것이 바람직하다. 또한, 볼밀링 시 버티컬 밀링에 비해 분말의 입도 분포가 넓게 나타나 평균 분말도가 동일한 수준이더라도 입경 10㎛ 이하의 고미분말 수득율을 높일 수 있다. 이에 따라 본 발명에서는 상기 입경 10㎛ 이하의 고미분말이 상기 조강시멘트의 5~10중량% 함유되도록 하여, 상기 고미분말이 조강성 발현을 위한 씨드(seed) 역할을 수행토록 할 수 있다.
다음으로, 하기의 화학식 1의 페녹시에탄올(phenoxyethanol)은 무색의 점성 액체로서, 1가 알코올로 분류되며, 고분자 구조 내에 분쇄능의 향상효과를 위해 첨가된다.
화학식 1
하기의 화학식 2의 이소프로필아민은 암모니아 냄새가 나는 투명한 무색 액체로서, 약염기이며 밀도는 722kg/㎥이고 분자량은 5911026g/㏖이다.
상기 이소프로필아민은 고로슬래그 유리질 피막의 형성 자체를 억제하며, 반응속도를 늦추고, 기형성된 피막에 결합하여 워터채널을 형성하는 작용을 통해 압축강도를 향상시키며, 치밀화된 조직을 형성하여 내구성을 향상시키는 효과를 제공한다.
화학식 2
상기 이소프로필아민은 공기 중에 폭발 위험이 있으므로, 상기 중합체는 상기 페녹시에탄올과 이소프로필아민이 9~99:01~1의 몰비로 30℃에서 산촉매를 통해 합성되는 것이 바람직하다.
또한, 상기의 중합체의 양은 전체 조성물 중량에 대하여 2~5중량%인 것이 바람직하다. 만약, 상기 함량이 2중량% 미만인 경우 함량 미달로 인해 분쇄능 향상효과, 압축강도 향상효과를 기대할 수 없으며, 응결지연에 따른 시공성 저하의 문제점이 발생될 수 있다. 또한, 5중량%를 초과하게 되면 초기균열 발생, 장기강도 저하 등의 문제점이 발생될 수 있으므로 바람직하지 않다.
또한, 본 발명의 바람직한 실시예에 따라 상기 숏크리트 조성물은 고로슬래그 미분말과, 플라이애쉬와, 조강시멘트와, 페녹시에탄올과 이소프로필아민이 합성된 중합체를 혼합하여 조성된 혼합물 100중량부에 대하여 돌로마이트분말 1~5중량부가 더 첨가될 수 있다. 돌로마이트(Dolomite)라 함은 백운석 또는 고회석이라고도 불리우며, CaMg(CO3)2의 화학성분으로 구성된다. 자연계에서는 석회암과 더불어 가장 많은 양의 탄산염암을 이룬다. 상기 돌로마이트의 결정형은 삼방정계에 해당하며, 탄산석회(CaCO3)와 탄산마그네슘(MgCO3)이 1:1로 복탄산염을 이룬다. 본 발명에서 상기 돌로마이트분말은 1차로 10 내지 100mm의 크기로 분쇄한 후, 1000 내지 1500℃의 온도에서 1 내지 2시간동안 가열 소성하여 미세 기공에 흡착된 오염물질을 제거한 다음, 500 내지 1000㎛의 크기로 분쇄한 분말을 사용하는 것이 바람직하다. 상기 돌로마이트 분말은 그 함량이 1중량부 미만이면 함량 미달로 인하여 강도 보강의 효과를 기대하기 어려우며, 5중량부를 초과하면 경도가 지나치게 상승하여 시공이 어려워지는 문제점이 있다.
한편, 본 발명에서 상기 숏크리트 조성물은 물시멘트비(W/C)가 중량비로 50~70%로 배합되어 타설되는 것이 바람직하다. 상기 숏크리트 조성물은 조기강도를 확보하는 것도 중요하지만, 현장 타설에 있어서 급결은 작업성의 저하로 이어질 수 있고, 압송부하로 인한 펌핑 장비의 파손을 초래할 수 있으므로 숏크리트 조성물의 양은 적절한 조성관계를 갖도록 하는 것이 우선적으로 고려되어야 한다. 만약, 물/시멘트비가 중량비로 50% 미만으로 배합되면 급결과 재료의 혼합이 어려운 단점이 있고, 70% 이상으로 배합되어 주입되면 상대적으로 물의 양이 많아지면서 조기강도의 발현이 지체되는 문제점이 발생된다.
또한, 본 발명은 상기 숏크리트 조성물 100중량부에 대하여 유동화제 0.1~8중량부가 첨가될 수 있다.
여기에서, 상기 유동화제는 물 80~90중량%와, 폴리카르복실레이트 폴리머(polycarboxylate polymer)5~18중량%와, 글루콘산계 지연제 1~5중량%와, 로릴 에테르 황산 나트륨 1~5중량%를 포함할 수 있다.
폴리카르복실레이트 폴리머(polycarboxylate polymer)는 분산제 역할을 하는 것으로, 펌핑 장비에 의해 숏크리트 조성물이 압송될 때 각종 미분말 입자들을 분산시켜 혼합, 투입, 및 압송이 효율적으로 행해지도록 하는 역할을 한다.
이러한 폴리카르복실레이트의 양은 전체 조성물 중량에 대하여 5~18중량%로 포함되는 것이 바람직하다. 만약, 5중량% 미만인 경우 함량 미달로 인해 유동성을 확보할 수 없어 원활한 압송이 이루어지지 못할 수 있으며, 18중량%를 초과하는 경우 유동성이 너무 높아져 숏크리트 조성물로 사용하기에 부적절할 수 있다.
상기 글루콘산계 지연제는 일정 시간 동안 주입성을 확보하기 위한 것으로, 상기 숏크리트 조성물의 경화가 신속하여 펌프 압송시 배관 내부에서 경화되거나 현장 타설시 작업중에 경화되는 것을 방지하기 위하여 첨가된다.
상기 글루콘산계 지연제로는 글루콘산 나트륨을 사용할 수 있으며, 1~5중량%가 혼합된다. 만약, 1중량% 미만인 경우 함량 미달로 인하여 작업성을 유지할 수 없고, 5중량%를 초과하여 혼합되는 경우 강도 저하 및 늦은 경화에 따른 작업성이 저하되는 문제점이 발생하게 된다.
상기 로릴 에테르 황산 나트륨(Sodium Lauryl Ethersulfate)은 입자를 분산시켜 혼합, 투입 및 압송이 효율적으로 행해지도록 하는 분산제이다. 상기 로릴 에테르 황산 나트륨의 양은 전체 조성물 중량에 대하여 1~5중량%로 포함되는데, 만약 1중량% 미만인 경우 함량 미달로 인해 작용효과를 기대할 수 없으며, 5중량%를 초과하는 경우 유동성이 너무 높아져 숏크리트 조성물로 사용하기에 부적절할 수 있다.
상기와 같은 유동화제가 첨가되면 윤활성이 향상되므로 주입시 유동이 원활하게 이루어져 펌프 등의 장비의 압송부하를 최소화할 수 있다. 더욱이, 유동화제의 첨가로 인해 유동성이 확보되므로 물시멘트비(W/C)를 중량비로 50~70%로 하여 숏크리트 조성물의 양을 확보할 수 있으므로 숏크리트층의 강도가 향상되는 효과를 기대할 수 있다.
실시예.
고로슬래그 미분말 60중량%와, 플라이애쉬 20중량%와, 조강시멘트 15중량%와, 중합체 5중량%를 혼합하여 조성된 혼합물 100중량부에 대하여 돌로마이트분말 5중량부를 첨가하여 본 발명의 실시예에 따라 숏크리트 조성물을 조성하였다. 다음으로, 상기 숏크리트 조성물 100중량부에 대하여 유동화제 5중량부를 첨가한 후 혼합하였다. 이때, 상기 유동화제는 물 85중량%와, 폴리카르복실레이트 폴리머(polycarboxylate polymer) 10중량%와, 글루콘산 나트륨 3중량%와, 로릴 에테르 황산 나트륨(Sodium Lauryl Ethersulfate) 2중량%를 포함하는 유동화제를 사용하였다. 이후, 상기 숏크리트 조성물을 물시멘트비(W/C)를 중량비로 60%로 배합한 후 터널 굴착면에 타설하였다.
다음으로, 상기 정보전달부(300)는 상기 강도측정부와 연결되어 강도측정부를 통한 측정결과를 공사현장 내부 및 외부의 작업자에게 전달하여 낙반이나 탈락과 같은 위험상황에 대한 대처가 신속하게 이루어질 수 있도록 한다.
이를 위해, 상기 정보전달부(300)는 후처리부(310)와, 전원부(320)와, 통신부(330)를 포함할 수 있다.
상기 후처리부(310)는 상기 강도측정부(200)를 통한 결과를 시각화하여 사용자가 숏크리트층의 상태를 신속용이하게 파악할 수 있도록 한다.
상기 전원부(3320)는 상기 정보전달부(300)를 구성하는 각 요소 중에서 전원을 필요로 하는 구성에 대한 전원을 공급한다.
상기 통신부(330)는 무선 통신을 통해 상기 후처리부(310)에 의한 분석결과를 시공현장으로부터 소정거리만큼 떨어진 단말기(PC, 스마트폰 등)에 전달한다.
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.
10 : 숏크리트층
100 : 센서부
110 : 센서 하우징
120 : 압전센서
130 : 전달부재
200 : 강도측정부
210 : 교류전기신호 발생부
220 : 제어모듈부
230 : 전원부
300 : 분석부
400 : 정보전달부
100 : 센서부
110 : 센서 하우징
120 : 압전센서
130 : 전달부재
200 : 강도측정부
210 : 교류전기신호 발생부
220 : 제어모듈부
230 : 전원부
300 : 분석부
400 : 정보전달부
Claims (5)
- 지보재로서 터널 굴착면에 타설되는 숏크리트의 강도를 측정하기 위한 시스템에 있어서,
상기 터널 굴착면에 숏크리트 조성물과 함께 타설되어 상기 숏크리트 조성물의 경화에 따른 숏크리트층 내부에 매립되어 상기 숏크리트층에 교류전기 신호를 전달하고 상기 숏크리트층에 의해 변화된 공진주파수 및 임피던스를 전달받는 센서부(100)와; 상기 센서부와 연결되어 상기 숏크리트층의 강도를 측정하는 강도측정부(200)와; 상기 강도측정부의 측정결과를 공사현장 내부 및 외부의 작업자에게 전달하는 정보전달부(300);를 포함하여, 상기 숏크리트층의 강도를 실시간으로 상시 모니터링하여 이상 거동을 감지할 수 있으며, 이상 거동 감지시에는 조치가 이루어질 수 있도록 하여 낙반, 탈락, 및 붕괴를 포함한 안전사고로부터 작업자를 보호할 수 있도록 하며,
상기 센서부(100)는, 상기 숏크리트층에 파손되지 않게 매립되는 센서 하우징(110)과, 상기 센서 하우징 내부에 설치되어 교류전기신호를 전달받아 상기 숏크리트층에 전달하고 상기 숏크리트층에 의해 변화된 공진주파수 및 임피던스를 전달받는 압전센서(120)와, 상기 압전센서가 부착되어 상기 공진주파수 및 임피던스가 상기 숏크리트층에 전달되도록 하는 전달부재(130)를 포함하고,
상기 강도측정부(200)는, 소정 주파수 대역의 주파수를 갖는 특정 파형의 교류전기신호를 발생시키는 교류전기신호 발생부(210)와, 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(220) 및 상기 제어모듈부에 필요 전력을 공급하는 전원부(230)를 포함하며,
상기 센서부 또는 강도측정부의 외면에 설치되어 주변 온도를 검출하는 온도센서와;
상기 강도데이터를 전송하도록 상기 센서부 또는 강도측정부에 구비되는 유무선 통신 모듈부와;
상기 강도데이터를 표시하는 디스플레이부; 및
상기 센서부 또는 강도측정부에 구비되며, 상기 압전센서의 위치 정보를 전송하는 GPS 모듈부;를 더 포함하고,
상기 제어모듈부(220)는, 상기 교류전기신호 발생부에서 발생되는 교류전기신호를 제어하여 상기 압전센서로 인가되도록 하는 교류전기신호 제어부(221)와,
상기 압전센서로 가해지는 교류전기신호의 주파수에 따른 상기 압전센서의 공진주파수와 임피던스의 변화를 검출하는 주파수-임피던스 검출부(222)와,
상기 주파수-임피던스 검출부에서 검출된 상기 압전센서의 공진주파수와 임피던스의 변화에 기반하여 상기 압전센서에 가해진 물리적인 압력의 변화를 측정하는 압력변화 측정부(223)와,
상기 주파수-임피던스 검출부에서 압전센서의 공진주파수와 임피던스를 검출할 때, 상기 온도 센서에 의해 검출된 온도에 기반하여 검출된 공진주파수값 및 임피던스 값 중에서 적어도 하나를 보정하여 측정 오차를 최소화하는 주파수-임피던스 보정부(224)와,
상기 압전센서의 공진주파수와 임피던스의 변화에 따른 전기신호의 크기를 증폭시키는 신호 증폭부(225)와,
상기 신호 증폭부로부터 출력되는 전기신호 중 상기 교류전기신호 발생부에서 발생한 교류전기신호는 제거하고, 상기 압전센서의 공진주파수와 임피던스 변화에 따른 전기신호만을 통과시키는 저역 필터부(226)와,
상기 저역 필터부를 통해 필터링되어 출력되는 상기 압전센서의 공진주파수와 임피던스 변화에 따른 아날로그 전기신호를 디지털 신호로 변환시켜 출력하는 아날로그-디지털 컨버터부(227)와,
상기 압전센서의 공진주파수와 임피던스 변화의 디지털 신호에 기반하여 상기 압전센서에 가해진 물리적인 압력의 변화인 압력변화 데이터를 측정하고, 상기 압력변화 데이터를 기초로 강도데이터를 계산하고 산출하는 강도산출부(228)를 포함하며,
상기 숏크리트 조성물은,
제철소의 선철 제조시 발생되는 고로슬래그 미분말 55~65 중량%와, 열병합발전소 및 화력발전소의 연료소각시 발생되고 이산화규소(SiO2)와 산화알루미늄(Al2O3) 및 산화제이철(Fe2O3)을 합한 함량이 70중량% 이상인 플라이애쉬 10~20 중량%와, 조강시멘트 10~20중량%와, 페녹시에탄올과 이소프로필아민이 합성된 중합체 2~5중량%를 혼합하여 조성되는 혼합물 100중량부에 대하여 돌로마이트분말 1~5중량부를 첨가하여 조성되되,
급결에 의한 작업성 저하 또는 조기강도의 발현이 지체되는 것을 방지할 수 있도록 물시멘트비(W/C)가 중량비로 50~70%로 배합되어 타설되는 것을 특징으로 하는 숏크리트 강도측정시스템.
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Citations (5)
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|---|---|---|---|---|
| JP2002207021A (ja) * | 2001-01-10 | 2002-07-26 | Taisei Corp | コンクリート状態測定センサ、測定システム及び測定方法 |
| KR20100049346A (ko) | 2008-11-03 | 2010-05-12 | (주)성풍건설 | 숏크리트 타설장치 |
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2023
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