KR200239172Y1 - 계측용 교좌장치 - Google Patents

Abstract

본 고안은 로드셀을 사용하여 교량 상판에 작용되는 하중이나 변위량 등을 상시 계측할 수 있는 교좌장치를 제공한다. 본 고안은 앵커볼트에 의하여 교각에 고정되는 하부판과, 하부판의 요부내에 삽입되어 원형으로 된 고무판과, 고무판 상부에 강재로 된 중간판과, 중간판의 상부에 삽입고정되는 불소수지판 및 앵커볼트에 의하여 교량 상판에 고정되고 그 하부에는 스텐레스판이 부착된 상부판으로 이루어지는 교좌장치에 상시 계측이 가능하도록 로드셀과 연결통로를 포함하도록 한다. 로드셀은 고무판의 하면의 일부분과 접촉되어 고무판에 가해지는 부분하중을 측정할 수 있도록 하부판에 삽입고정된다. 연결통로는 로드셀에서 발생한 신호를 외부로 연결할 수 있도록 형성된다.

Description

계측용 교좌장치{MEASURABLE BRIDGE BEARING}

본 고안은 교좌장치에 관한 것으로, 좀 더 구체적으로는 교량의 상판을 지지하는 교각의 상부에 설치되어 상판의 하중과 변형을 받아주는 교좌장치에 교량 상판에 작용되는 하중이나 변위량 등을 측정할 수 있는 장치을 설치하여 상시 계측이 가능한 계측용 교좌장치에 관한 것이다.

일반적으로 교량 등의 구조물은 준공 후 5년이 경과하면 구조물 안전진단을 실시하여 교량 구조물의 안전성 평가를 한 후 문제점이 없을 경우 관할 감독청으로 관리업무를 이관하게 된다. 이를 위하여 교량 구조물의 안전성을 평가해야 하고, 준공 후 일정기간이 지난 교량에 대해서도 대형사고를 미리 예방하는 차원에서 교량관리가 요구되어 정기적 또는 수시로 교량의 안전성 평가가 필요하다. 이를 위하여 종래에는 교량 구조물의 안전성을 확인하기 위하여 별도의 계측장비를 교량의 상판 중간지점에 설치하고 시험차량을 운행하여 교량에 작용하는 하중과 각종 변위를 측정하고 그 데이타를 분석하여 교량의 상태를 측정하였다.

그러나 이와 같은 종래 방법은 계측하는 시점에서의 구조물 특성만을 알 수있을 뿐 구조물의 지속적인 변화사항을 점검할 수 없으므로 측정하는 시점의 자료만으로 구조물의 내구수명을 판단하기가 어려운 문제점이 있다. 또한, 측정을 위한 별도의 계측장치를 설치하여야 하고 시험차량을 운행함으로서 차량 통행제한 등으로 인력과 많은 비용이 들며, 계측하고 분석하는데 많은 시간이 소요되는 문제점이 있다.

한편으로, 교좌장치에 대한 정밀 안전진단은 육안검사 또는 부착형 스트레인 게이지(strain gauge)를 활용한 변동응력을 측정하는 방법으로 수행하고 있으나, 이러한 방법은 국부적인 작용응력은 측정이 가능하나 교량 상판의 변형 및 교량의 침하 등 결정적인 요소를 판단할 수 없는 문제점이 있다.

본 고안은 이와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로, 그 목적은 구조물의 지속적인 변화사항을 점검할 수 있고, 교량의 계측에 들어가는 비용과 인력 그리고 시간을 줄일 수 있는 새로운 형태의 교좌장치를 제공하는데 있다.

도 1은 본 고안에 따른 계측용 교좌장치를 설명하기 위한 단면도;

도 2는 본 고안에 따른 130톤용 교좌장치를 이용하여 교좌장치에 가해지는 하중과 교좌장치에서 측정된 하중 사이의 관계를 보여주는 그래프;

도 3은 본 고안에 따른 600톤용 교좌장치를 이용하여 교좌장치에 가해지는 하중과 교좌장치에서 측정된 하중 사이의 관계를 보여주는 그래프;

도 4는 본고안에 따른 계측용 교좌장치를 이용하여 구성되는 교량 계측 시스템의 일례를 보인 도면이다.

*도면의 주요부분에 대한 부호의 설명*

1 : 하부판 2 : 상부판

2': 스텐레스판 3 : 고무판

3': 황동링 4 : 중간판

5 : 불소수지판 6 : 로드셀

7 : 연결통로 8, 8' : 앵커볼트

9 : X,Y축 변위 측정장치 10 : Z축 변위측정장치

11 : 온도측정장치 12 : 데이타 저장장치

13 : 송수신장치 13': 송신장치

13': 수신장치 14 : 데이타 비교분석장치

15 : 교량유지관리시스템 16 : 경보장치

A : 계측용 교좌장치 B : 상판

C : 교각

상술한 목적을 달성하기 위한 본 고안의 특징에 의하면, 본 고안은 앵커볼트에 의하여 교각에 고정되는 하부판과, 상기 하부판의 요부(凹部)내에 삽입되어 원형으로 된 고무판과, 상기 고무판 상부에 강재로 된 중간판과, 상기 중간판의 상부에 삽입고정되는 불소수지판 및 앵커볼트에 의하여 교량 상판에 고정되고 그 하부에는 스텐레스판이 부착된 상부판으로 이루어지는 교좌장치에 상시 계측이 가능하도록 로드셀과 연결통로를 포함하도록 한다. 로드셀은 상기 고무판의 하면의 일부분과 접촉되어 고무판에 가해지는 부분하중을 측정할 수 있도록 상기 하부판에 삽입고정된다. 연결통로는 상기 로드셀에서 발생한 신호를 외부로 연결할 수 있도록 형성된다.

이와 같은 본 고안에 따른 교좌장치는 X,Y축 변위측정장치, Z축 변위측정장치 그리고 온도측정장치를 더 포함하여 구성될 수 있다. X,Y축 변위측정장치는 상부판과 중간판 외부 중심에 설치되어 상기 중간판의 상대적인 변위량에 따라 발생하는 전위차를 이용하여 교량 상판의 X,Y축 변위를 측정한다. Z축 변위측정장치는 하부판의 상부 모서리 부분에 설치되어 상부판과의 Z축 변위를 측정한다. 온도측정장치는 상기 고무판 하면과 접촉하는 하부판의 소정의 위치에 주위온도의 변화를 측정한다.

이와 같은 본 고안에 따른 교좌장치는 하중 측정이 가능한 소형 로드셀(load cell)을 베어링 내부에 부착하여, 파스칼의 원리를 응용함으로서 고하중의 교량하중 및 변동하중의 측정이 가능할 뿐 아니라, 상부판과 중간판 사이의 X,Y축 변위를 측정하기 위하여 상기 상부판과 중간판의 외측 중심에 X,Y축 변위 측정장치를 설치하여 상부판과 하부판간의 상대적인 변위를 측정하고, Z축 변위를 측정하기 위하여 하부판 상부 모서리 부분에 Z축 변위측정장치를 설치하여 상하 변위량을 측정함으로서 교좌장치에서 발생하는 모든 변위(X,Y,Z축)를 측정할 수 있게 되며, 또한 하부판에는 온도측정장치를 설치하여 온도측정도 가능하게 하였다. 이렇게 하면 베어링의 모든 작동 거동을 동시에 측정이 가능하게 되어 종래의 방법으로는 불가능하였던 교량의 하중 및 변위 이력을 동시에 측정할 수 있어 교량의 거동 및 교각의 침하 등을 확인할 수 있다.

본 고안의 구성에 대하여 도면을 참고로 하여 설명하면 다음과 같다.

도 1은 본 고안의 하나의 교각에 설치되는 계측용 교좌장치를 도시한 것으로, 본 고안은 앵커볼트(8)에 의하여 교각에 고정되는 하부판(1)과, 상기 하부판(1 )의 요부(凹部)내에 삽입되어 원형으로 된 고무판(3)과, 상기 고무판이 상기 고무판이 밖으로 삐져 나오지 않도록 원주 상부면에 삽입된 황동링(3')과, 상기 고무판(3) 상부에 강재로 된 중간판(4)과, 상기 중간판(4)의 상부에 삽입고정되는 불소수지판(P.T.F.E.)(5) 및 앵커볼트(8')에 의하여 교량 상판에 고정되고 그 하부에는 스텐레스판(3')이 부착된 상부판(2)으로 이루어지는 교좌장치에 있어서, 상기 하부판(1)에는 상기 고무판(3)의 하면의 일부분과 접촉되어 고무판(3)에 가해지는 부분하중을 측정할 수 있도록 삽입고정된 로드셀(6)과, 상기 로드셀(6)에서 발생한 신호를 외부로 연결할 수 있는 연결통로(7)를 구비하는 것을 특징으로 한다. 또한, 상부판(2)과 중간판(4)의 외부 중심에 X,Y축 변위측정장치(9)를 설치하여 중간판(4 )의 상대적인 변위량에 따라 발생하는 전위차를 이용하여 교량 상판의 X,Y축 변위를 측정할 수 있게 되고, 하부판(1)의 상부 모서리 부분에 Z축 변위측정장치를 설치하여 교량상판에 작용하는 하중 변화에 대한 상부판과의 변위량에 따른 전위차를 이용하여 Z축 변위도 측정가능하게 된다. 또 교좌장치의 온도를 측정할 수 있는 온도측정장치(11)를 상기 고무판(3) 하면과 접촉하는 하부판(1)의 소정의 위치에 부착 설치하여 교좌장치의 온도도 측정할 수 있게 된다. 상기 온도측정장치( 11)는 온도에 민감한 고무판(3)의 온도를 측정하여 온도변화에 따른 하중 및 변위측정량을 보정할 수 있게 되어 정밀도를 향상시킬 수 있다.

상기 로드셀 구성에 의하여 본 고안의 작용을 설명하면 교량 상판에 하중이 작용하여 상기 원형으로 된 고무판(3)에 등분포 하중이 작용하면 상기 고무판 중앙 하부에 일정 넓이로 설치된 원형으로 된 로드셀(6)에 부분하중이 가해지고, 상기 로드셀에서 작용하는 부분하중을 측정하여 교좌장치에 작용하는 하중을 측정하는 것이다. 여기에서 고무판(3)의 지름이 D이고, 로드셀의 지름이 d라고 하면, 교좌장치에 하중 P가 작용할 경우 고무판(3)에 작용하는 압축응력 σ는

σ= P / A = 4P / πD²

(여기에서 A는 고무판 단면적이고, a는 로드셀의 단면적이다)

로드셀에 작용하는 하중 p는

p = σ×a = P / A ×a

상기 식에서 p 를 로드셀을 이용하여 하중을 측정하면,

P = A / a ×p

P = [( πD²/ 4 ) / ( πd²/ 4 )] ×p

P = ( D / d )²×p

상기 식에서 고무판(3)의 지름(D)와 로드셀의 지름(d)을 알면 교좌장치에 작용하는 하중 P를 알 수 있다.

여기에서 이론적으로는 교량에 작용하는 큰 하중을 로드셀에 의하여 측정할 수 있다고 상기 식을 통하여 나타나고 있지만 실제로 정확성이 얼마나 있는가에 있었다. 그래서 본 고안인들은 이러한 특성을 시험을 통하여 증명하였다.

도 2는 2톤 용량의 로드셀을 사용하여 허용하중이 130톤인 측정용 교좌장치로 실험한 데이타 그래프이고, 도 3는 2톤 용량의 로드셀을 사용하여 허용하중이 600톤인 측정용 교좌장치로 실험한 결과 데이타 그래프를 도시한 것이다.

도 2는 본 고안인 허용하중이 130톤의 계측용 교좌장치에 실험 중량을 10톤부터 시작하여 계속하여 10톤씩 증가한 것으로 x축은 실제 적용한 하중을 나타내고 그에 따른 로드셀에서 측정한 하중량을 y축에 나타낸 것이다. 여기에서 그래프가 이론치와 거의 동일한 선형으로 나타난 것을 알 수 있었다.

도 3은 본고안인 허용하중이 600톤의 계측용 교좌장치에 실험 중량을 10톤부터 시작하여 계속하여 10톤씩 증가한 것으로 x축은 실제 적용한 하중을 나타내고 그에 따른 로드셀에서 측정한 하중량을 y축에 나타낸 것이다. 여기에서도 그래프가 이론치와 거의 동일한 선형으로 나타난 것을 알 수 있었다.

따라서, 상기 2가지의 실험 결과를 통해 실제 교좌장치에 작용하는 큰 하중을 로드셀에 의하여 측정할 수 있다는 것을 알 수 있다.

상기 각 교좌장치는 로드셀(6)에 의하여 측정된 하중은 전기적 신호로 변환되고, 또한 교좌장치의 모든 변위(X,Y,Z)가 변위측정장치(9,10)를 통하여 전기적 신호로 변환되고, 교좌장치의 온도도 온도측정장치(11)에 의하여 전기적 신호로 변환하게 된다.

도 4는 상기 교좌장치(A)를 교각마다 설치하고 이를 유선 또는 무선으로 연결하여 상기 각 교좌장치(A)에서 측정된 하중(압력), 수평(X,Y) 및 수직(Z)변위,온도변화 데이타의 전기신호를 데이터 저장장치(12)에서 수집하고 저장한 뒤, 송신장치(13'), 전송로(유선 또는 무선) 및 수신장치(13')로 이루어진 송수신장치(13)를 통하여 전체 교량의 상기 측정용 교좌장치의 데이타를 데이타 비교분석장치(14)에 전송하고, 상기 데이타 비교분석장치(14)에서 수신된 데이타를 저장한 뒤 비교분석하고, 비교분석한 결과치를 모니터(15)상에 표시하며 상기 비교분석 결과치가 정상치를 벗어나는 수치에 대하여 경보장치(16)에 의하여 경보음을 발생하게 하는 것을 도시한 것이다. 여기에서 데이타 저장장치(12)와 송신장치(13')는 교량에 설치되는 것으로 이들을 구동할 수 있는 전원은 태양전지와 축전지를 이용하도록 하여 별도의 전원이 필요없게 한다.

이렇게 함으로서 교량의 상판(B)을 지지하는 교각(C)의 상부에 설치되어 상판의 하중과 변형을 받아주는 각 교좌장치(A)에 교량 상판(B)에 작용되는 하중이나 변위량 등을 측정할 수 있는 장치를 설치하여 상시 측정이 가능하고록 하고 상기 각 교좌장치(A)에서 측정된 하중(압력), 변위(X,Y,Z), 온도 등의 데이타를 데이타 저장장치(12)에서 한 곳으로 수집하여 저장한 뒤 송신장치(13')를 통하여 유선 또는 무선으로 교량을 관리하고 있는 교량관리 통제소 등의 데이타 비교분석장치(14)로 송신하고, 수신장치(13')를 통하여 수신된 교량의 교좌장치에 대한 각종 데이타를 데이타 비교분석장치(14)로 데이타를 분석하게 된다. 이때 데이타 비교분석장치 (14)은 초기(교량 준공시) 상태의 데이타를 보관 관리하고 있으며, 상기 수신장치에 수신한 데이타를 상기 데이타 분석장치를 통하여 비교 분석하여 구조물의 변화를 확인하고 이상이 있을 때에는 보수방안을 강구하고 원인을 제거하게되어 효율적으로 교량의 유지관리를 할 수 있게 된다.

본 고안은 교좌장치 내부에 하중 측정이 가능한 로드셀(load cell)을 부착하여 교량에 작용되는 큰 하중 및 변동하중의 측정이 가능할 뿐 아니라 베어링의 작동 거동을 동시에 측정이 가능하므로, 교량의 하중 및 변위 이력을 동시에 측정하여 교량의 거동 및 교각의 침하 등을 확인할 수 있는 잇점이 있다. 또한, 교량 구조물의 변화를 상시 계측가능한 교좌장치을 통하여 구조물의 변화를 수시로 확인할 수 있고, 초기 설치후 별도의 장비나 설치비용이 없이 자료분석이 용이하여 구조물의 내구수명을 예측할 수 있다. 그리고, 계측장치의 유지보수가 교좌장치만을 교체하면 되므로 간편하고 저렴하게 되는 잇점이 있다.

Claims (3)

1. 앵커볼트(8)에 의하여 교각에 고정되는 하부판(1)과, 상기 하부판(1)의 요부(凹部)내에 삽입되어 원형으로 된 고무판(3)과, 상기 고무판(3) 상부에 강재로 된 중간판(4)과, 상기 중간판(4)의 상부에 삽입고정되는 불소수지판(5) 및 앵커볼트(8')에 의하여 교량 상판에 고정되고 그 하부에는 스텐레스판(2')이 부착된 상부판(2)으로 이루어지는 교좌장치에 있어서,

   상기 하부판(1)에는 상기 고무판(3)의 하면의 일부분과 접촉되어 고무판(3)에 가해지는 부분하중을 측정할 수 있도록 삽입고정된 로드셀(6)과, 상기 로드셀( 6)에서 발생한 신호를 외부로 연결할 수 있는 연결통로(7)를 구비하는 것을 특징으로 하는 계측용 교좌장치.
2. 제1항에 있어서, 상기 교좌장치는 상부판(2)과 중간판(4) 외부 중심에 설치되어 상기 중간판(4)의 상대적인 변위량에 따라 발생하는 전위차를 이용하여 교량 상판의 X,Y축 변위를 측정할 수 있는 X,Y축 변위측정장치(9) 및, 하부판(1)의 상부 모서리 부분에 설치되어 상부판과의 Z축 변위도 측정가능하도록 한 Z축 변위측정장치(10)를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 계측용 교좌장치.
3. 제2항에 있어서, 주위온도의 변화를 측정할 수 있는 온도측정장치(11)를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 계측용 교좌장치.