KR20030077231A - 교량의 안전진단 방법 및 장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 교량의 안전진단 방법 및 장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 상기 교량의 안전 진단을 위한 작업이 보다 간편하면서도 효과적으로 이루어질 수 있도록 함과 동시에 유지 및 보수가 용이하여 경제성을 확보할 수 있도록 한 교량의 안전진단 방법 및 장치에 관한 것으로서, 이는 교량의 양측 하부 탄성받침에 피에조 힘센서를 설치하여 상기 피에조 힘센서에 의해 탄성받침에 작용하는 수직 힘에 대한 크기가 전기적인 신호로써 측정되게 하는 제1 단계와; 상기 제1 단계에 의해 측정된 각 탄성받침에 대한 힘 측정값을 이용하여 힘 크기별 각각의 주파수 및 진폭을 구하는 제2 단계와; 상기 제2 단계에 의해 얻어진 각각의 주파수 및 진폭으로 교량 고유 특성의 진동상태가 표시되는 모드가 형성되게 하는 제3 단계와; 상기 제3 단계에 의해 형성된 교량 고유 특성의 진동 거동상태의 모드를 분석하는 제4 단계로 이루어지고, 다수의 쐐기(330)가 구비된 상.하부판(310)(320) 사이에 탄성의 지지체(340)가 개재되고, 상기 지지체(340)는 고무(341)와 고무(341) 사이에 보강용 강판(342)이 층상으로 구비된 탄성받침(300)이 구비됨에 있어서, 상기 탄성받침(300)의 지지체(340) 상면에 장착홈(2)이 형성되어 상기 장착홈(2)에 피에조 힘센서(1)가 삽입 수용되고, 상기 피에조 힘센서(1)의 상면에 에폭시 수지층(4)이 형성되며, 상기 에폭시 수지층(4)의 상부에 지지체(340)에 상응하는 면적을 갖는 압착판(4)이 구비됨으로써 기존에 교량 전장에 걸쳐 스트레인 게이지 또는 광섬유 등을 부착시켜 그 변형된 값으로 교량의 안전진단이 이루어지도록 하는 방법보다 작업의 간편성 및 효율성을 한층 증대시킬 수 있을 뿐만 아니라 경제성 및 교량의 안전진단 간소화와 비용절감 효과를 갖는 이점이 있다.

Description

교량의 안전진단 방법 및 장치{Bridge safety diagnosis method and device}
본 발명은 교량의 안전진단 방법 및 장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 상기 교량의 안전 진단을 위한 작업이 보다 간편하면서도 효과적으로 이루어질 수 있도록 함과 동시에 유지 및 보수가 용이하여 경제성을 확보할 수 있도록 한 교량의 안전진단 방법 및 장치에 관한 것이다.
일반적으로 교량은 도 4에 도시된 바와같이 다수의 교량상판(100)의 연결에 의해서 구성되고, 상기 교량상판(100)의 하부는 교각(200)에 의해서 지지되도록 구성되어 있으며, 상기 교각(200)과 교량상판(100) 사이에는 교량상판(100)에 작용하는 힘에 대한 유연성 부여를 위해 교량받침이 구비되는 것으로서, 여기서 상기 교량받침은 탄성받침(Elastomeric Bearing)(300)이다.
상기 탄성받침(300)은 교량상판(100)에 작용하는 수직하중에 대하여 유연성으로 교량상판(100)의 고유주기를 길게 하는 것에 의해 교량상판(100)을 부드럽게 하는 면진설계용 교량받침으로서, 이는 도 5에 도시된 바와같이 일측면 상에 다수의 쐐기(330)가 구비된 상.하부판(310)(320) 사이에 탄성의 지지체(340)가 개재된 것으로서, 상기 지지체(340)는 고무(341)와 고무(341) 사이에 보강용 강판(342)이 층상으로 구비된 구조로 형성되어 있다.
한편, 교량의 안전진단 방법은 스트레인 게이지를 교량에 직접 부착하는 방법과, 광센서를 이용하여 진단하는 방법 등이 제안된 바 있는 것으로서, 상기 스트레인 게이지를 교량에 직접 부착하는 방법 및 광센서를 이용하여 진단하는 방법은 사람이 직접 교량의 전장에 걸쳐 스트레인 게이지 또는 광센서를 직접 부착시켜야 되는 바, 이의 작업이 번거롭고 불편할 뿐만 아니라 시간이 많이 소요되고 인원 투입에 따른 경제성 및 효율성 저하를 초래하게 되는 것이며, 또한 부착이 용이하지 않고 유지 및 보수가 어려운 문제점이 있었다.
이에 본 발명은 상기한 바와같은 종래의 제반 문제점을 해소하기 위해서 창안된 것으로, 그 목적은 교량의 안전 진단을 위한 작업이 보다 간편하면서도 효과적으로 이루어질 수 있도록 함과 동시에 유지 및 보수가 용이하여 경제성을 확보할 수 있도록 하는데 있다.
이러한 본 발명의 목적을 달성하기 위하여 교량의 양측 하부 탄성받침에 피에조 힘센서를 설치하여 상기 피에조 힘센서에 의해 탄성받침에 작용하는 수직 힘에 대한 크기가 전기적인 신호로써 측정되게 하는 제1 단계와; 상기 제1 단계에 의해 측정된 각 탄성받침에 대한 힘 측정값을 이용하여 힘 크기별 각각의 주파수 및 진폭을 구하는 제2 단계와; 상기 제2 단계에 의해 얻어진 각각의 주파수 및 진폭으로 교량 고유 특성의 진동상태가 표시되는 모드를 형성하는 제3 단계와; 상기 제3 단계에 의해 형성된 교량 고유 특성의 진동 및 거동상태의 모드를 분석하는 제4 단계로 이루어진 것을 특징으로 한 교량의 안전진단 방법이 제공된다.
또한, 다수의 쐐기가 구비된 상.하부판 사이에 탄성의 지지체가 개재되고, 상기 지지체는 고무와 고무 사이에 보강용 강판이 층상으로 구비된 탄성받침이 구비됨에 있어서, 상기 탄성받침의 지지체 상면에 장착홈이 형성되어 상기 장착홈에 피에조 힘센서가 삽입 수용되고, 상기 피에조 힘센서의 상면에 에폭시 수지층이 형성되며, 상기 에폭시 수지층의 상부에 지지체에 상응하는 면적을 갖는 압착판이 구비된 것을 특징으로 한 교량의 안전진단 장치가 제공된다.
도 1은 본 발명에 의한 교량의 진동상태 분석과정을 보인 블록도.
도 2는 본 발명에 의한 교량의 진동상태 분석장치를 보인 분리사시도.
도 3은 도 2의 결합상태를 보인 부분 확대단면도.
도 4는 일반적인 교량의 구성을 보인 정면도.
도 5는 도 4의 탄성받침 구조를 보인 분리사시도.
도 6은 본 발명에 의한 교량의 진동 모드 상태를 보인 예시도.
*도면의주요부분에대한부호의설명
1:피에조 힘센서 2:장착홈
3:에폭시 수지층 4:압착판
이하 첨부된 도면을 참조로 하여 본 발명에 의한 교량의 진동상태 분석방법을 상세히 설명한다.
도 1은 본 발명에 의한 교량의 안전진단 과정을 순차적으로 도시한 블록도로서, 이에 도시된 바와같이 본 발명은 교량의 양측 수직방향으로 작용하는 힘의 크기를 측정하는 제1 단계와, 상기 제1 단계를 통해 측정된 힘의 크기로 각각의 주파수 및 진폭을 구하는 제2 단계와, 상기 제2 단계에 의해 얻어진 힘 크기별 각각의 주파수 및 진폭으로 교량 고유 특성의 진동 및 거동상태의 모드를 형성하는 제3 단계와, 상기 제3 단계에 의해 형성되어진 교량의 진동상태 모드를 통해 상기 교량의 진동 및 거동상태를 분석하는 제4 단계로 이루어지게 되는 것으로, 이를 단계별로 보다 구체적으로 설명하면 후술한 바와같다.
(제1 단계)
이는 교량에 작용하는 힘의 크기를 측정하는 단계로서, 이를 위해 본 발명은 압력에 의해 전기적인 변화를 일으키는 피에조 힘센서가 사용되고, 상기 피에조 힘센서가 탄성받침에 부착되는 것에 의해 교량의 양측 수직방향으로 작용하는 하중에 대한 힘의 크기를 측정할 수 있게 되는 것이다.
통상적으로 교량은 도 4에 도시된 바와같이 다수의 교량상판(100)의 연결에 의해서 구성되고, 상기 교량상판(100)의 하부는 교각(200)에 의해서 지지되도록 구성되어 있으며, 상기 교각(200)과 교량상판(100) 사이에는 교량상판(100)에 작용하는 힘에 대한 유연성 부여를 위해 탄성받침(300)이 구비된다.
그리고 상기 탄성받침(300)은 교량상판(100)에 작용하는 수직하중에 대하여 유연성으로 교량상판(100)의 고유주기를 길게 하는 것에 의해 교량상판(100)을 부드럽게 하는 면진설계용 교량받침으로서, 이는 도 5에 도시된 바와같이 일측면 상에 다수의 쐐기(330)가 구비된 상.하부판(310)(320) 사이에 탄성의 지지체(340)가 개재된 것으로서, 상기 지지체(340)는 고무(341)와 고무(341) 사이에 보강용 강판(342)이 층상으로 구비된 구조로 형성되어 있다.
이러한 탄성받침에 있어, 본 발명은 도 2에 도시된 바와같이 압력을 가하면 전기적인 신호 변화를 일으키는 박판 형태의 피에조 힘센서(1)가 구비되고, 지지체(340)의 상면에는 상기 피에조 힘센서(1)가 수용 장착되는 장착홈(2)이 형성되며, 상기 장착홈(2)이 형성된 지지체(340)의 상면에는 피에조 힘센서(1)의 이탈 방지를 위해 고무 재질의 압착판(4)이 구비된다.
이와같이 구성된 탄성받침(300)은 도 3에 도시된 바와같이 지지체(340)의 상면에 형성된 장착홈(2)에 피에조 힘센서(1)가 삽입 수용되어 에폭시 수지층(4)로 마감 처리되는 것이며, 그 위에 고무재질의 압착판(4)을 부착시킨 후, 상기 지지체(340)를 쐐기(330)가 형성된 상.하부판(310)(320) 사이에 개재시키는 것에 의해 일련의 장치 제작을 완료하게 되는 것이다.
상기한 바와같이 제작된 탄성받침(300)은 전술한 바와같이 교량상판(100)과 교각(200) 사이에 설치되는 것이며, 상기 탄성받침(300)에 수직하중이 가해지면 그 힘에 의해 탄성받침(300)에 부착된 피에조 힘센서(1)가 전압을 발생함으로써 이 전기적인 신호로 교량의 양측 탄성받침(300)에 작용되는 수직하중에 대한 힘의 크기를 측정할 수 있게 되는 것이다.
(제2 단계)
이는 제1 단계를 통해서 측정된 교량 양측의 수직하중에 대한 힘의 크기를이용하여 힘 크기별 각각의 주파수 및 진폭을 구하는 단계로서, 파워스펙트럼을 통해 구해지는데, 이때 모드분석은 하기한 바와같은 수식에 의해서 얻어진다 .
모드 분석(Mode Analysis)
{ C}_{4} = { C}_{2 }
,
E= 탄성계수
I= 관성 능률 범위
L= 빔의 길이
k= 스프링 상수
m= 단위길이당 질량
f= 고유주파수
β= 특성 방정식의 해법
(특성 방정식의 해법) =
F(0)=AEI { beta }^{3 } (-1+ { C}_{ 3} )
(제3 단계)
이는 상기 제2 단계를 통해 구해진 힘 크기별 각각의 주파수 및 진폭으로 교량의 고유특성 모드를 형성하는 단계로서, 이는 도 6에 도시된 바와같은 모드 형태를 보이게 된다.
도 6은 아래와 같은 조건 하에서 형성되는 모드를 보인 것으로서,
E=200 Gpa
L=20 m
단면적=8×1 { m}^{2 }
, { f}_{ 2} =12.9Hz, { f}_{3 } =35.6Hz, { f}_{4 } =69.9Hz, { f}_{ 5} =115.5Hz
(제4 단계)
이는 상기한 바와같은 교량의 고유특성 모드를 통해 교량의 진동 및 거동상태를 분석하는 단계로서, 상기 교량의 고유주파수에 상응하는 진동을 받으면 에너지가 급격히 상승하는 공진상태가 되어 큰 진동이 발생하게 되고, 모니터 상에서의 모드는 급격한 진폭의 변화로 나타나게 됨으로써 교량의 진동 및 거동해석 및 이에따른 교량의 안전진단이 이루어질 수 있게 되는 것이다.
상기 단계는 이론적인 모드 해석을 통해 달성될 수 있고, 실험적인 교량 분석을 통해서도 달성될 수 있다.
한편, 본 발명은 차량이 교량을 통행하는 동안 상기 교량에 작용하는 힘을 피에조 힘센서에 의해 측정되므로 교량의 통행량 진단도 가능하게 되는 것이다.
상술한 바와같이 본 발명은 교량 하부의 탄성받침에 피에조 힘센서를 부착시켜 상기 피에조 힘센서에 의해 전기적인 신호로써 획득되어지는 힘에 대한 측정값으로 진동수 및 진폭을 구한 후 그 진동수 및 진폭으로 교량 고유특성의 모드 또는 진동상태의 분석이 이루어질 수 있도록 함으로써 기존에 교량 전장에 걸쳐 스트레인 게이지 또는 광섬유 등을 부착시켜 그 변형된 값으로 교량의 안전진단이 이루어지도록 하는 방법보다 작업의 간편성 및 효율성을 한층 증대시킬 수 있을 뿐만 아니라 경제성 및 교량의 안전진단 간소화와 비용절감 효과를 갖는 이점이 있다.

Claims (3)

  1. 교량의 양측 하부 탄성받침에 피에조 힘센서를 설치하여 상기 피에조 힘센서에 의해 탄성받침에 작용하는 수직 힘에 대한 크기가 전기적인 신호로써 측정되게 하는 제1 단계와;
    상기 제1 단계에 의해 측정된 각 탄성받침에 대한 힘 측정값을 이용하여 힘 크기별 각각의 주파수 및 진폭을 구하는 제2 단계와;
    상기 제2 단계에 의해 얻어진 각각의 주파수 및 진폭으로 교량 고유 특성의 진동상태가 표시되는 모드가 형성되게 하는 제3 단계와;
    상기 제3 단계에 의해 형성된 교량 고유 특성의 진동 거동상태의 모드를 분석하는 제4 단계로 이루어진 것을 특징으로 한 교량의 안전진단 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 모드 분석은,
    { C}_{4} = { C}_{2 }
    ,
    E= 탄성계수
    I= 관성 능률 범위
    L= 빔의 길이
    k= 스프링 상수
    m= 단위길이당 질량
    f= 고유주파수
    β= 특성 방정식의 해법
    C.E =
    F(0)=AEI { beta }^{3 } (-1+ { C}_{ 3} )
    의 수식에 의해 구할 수 있도록 한 것을 특징으로 한 교량의 안전진단 방법.
  3. 다수의 쐐기(330)가 구비된 상.하부판(310)(320) 사이에 탄성의 지지체(340)가 개재되고, 상기 지지체(340)는 고무(341)와 고무(341) 사이에 보강용 강판(342)이 층상으로 구비된 탄성받침(300)이 구비됨에 있어서,
    상기 탄성받침(300)의 지지체(340) 상면에 장착홈(2)이 형성되어 상기 장착홈(2)에 피에조 힘센서(1)가 삽입 수용되고, 상기 피에조 힘센서(1)의 상면에 에폭시 수지층(4)이 형성되며, 상기 에폭시 수지층(4)의 상부에 지지체(340)에 상응하는 면적을 갖는 압착판(4)이 구비된 것을 특징으로 한 교량의 안전진단 장치.
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