KR20040077214A

KR20040077214A - 광섬유센서를 구비한 교좌장치 및 이를 이용한지지하중측정방법

Info

Publication number: KR20040077214A
Application number: KR1020030012681A
Authority: KR
Inventors: 조영철
Original assignee: 동일고무벨트주식회사; 조영철
Priority date: 2003-02-28
Filing date: 2003-02-28
Publication date: 2004-09-04

Abstract

개시된 내용은 내부에 광섬유센서를 장치하여 상판과 교각 사이에 설치된 교좌장치에 작용하는 하중을 간편하게 측정할 수 있게 함으로써 각 교좌장치의 상태를 언제나 손쉽게 점검하여 적절한 시기에 보수유지가 이뤄지게 하고 교량의 안전성을 확보할 수 있게 하는 광섬유센서를 구비한 교좌장치 및 이를 이용한 지지하중측정방법에 관한 것이다. 이러한 본 발명은 상부판과 하부판 및 그 사이에 개재된 탄성체를 구비하고, 교량의 교각상에 설치되어 상판의 하중을 지지하고 상기 교각과 상판 상호간에 작용하는 힘을 완충하는 교좌장치에 있어서, 내부에 장착되어 상기 탄성체의 수직변위량을 검출하는 광섬유센서를 구비하고 신호선을 외부로 인출하여 접속포트를 설치함에 의해 계기본체와 연결하여 수직변위량을 얻고, 기구축된 변위량에 따른 하중값으로부터 상기 수직변위량에 따른 하중값을 측정하는 것을 특징으로 한다.

Description

광섬유센서를 구비한 교좌장치 및 이를 이용한 지지하중측정방법{STRUCTURAL BEARING HAVING A FIBER-OPTIC SENSOR AND METHOD FOR MEASURING THE SUPPORTING LOAD IN USE OF THE SAME}

본 발명은 교량구조물에서 교각상에 상판을 안정되게 지지하는 교좌장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 내부에 광섬유센서를 장치하여 상판과 교각 사이에 설치된 교좌장치에 작용하는 하중을 간편하게 측정하고 이를 이용하여 각각의 교좌장치에 작용되는 하중이 균등히 분배되도록 함으로써 교량의 안전성을 확보할 수 있게 하는 광섬유센서를 구비한 교좌장치 및 이를 이용한 지지하중측정방법에 관한 것이다.

일반적으로, 교량은 일정간격으로 수직설치되는 교각들과, 이 교각들에 수평으로 얹혀지는 상판으로 구성되며, 이 상판과 교각 사이에 교좌장치가 설치되어 철근과 콘크리트로 이뤄진 상판의 변형을 완화하여 전달하게 된다. 즉, 교좌장치는 교량의 슬라브 구조체인 상판이 이를 지지하는 교각상에 적절히 얹혀져서 지지되도록 하기 위해 설치되는 장치로, 교량의 규격이나 지지하중에 따라 여러가지 형태와 기능을 갖는다.

교량구조물은 건축구조물과는 달리 폭에 비하여 길이가 길어 계절의 온도변화 및 일교차에 의한 교량상판의 온도신축이 심하다. 특히, 우리나라와 같이 뚜렷한 사계절을 갖고 있어 온도변화폭이 큰 경우에는 교량상판의 온도신축을 수용할 수 없으면 온도응력에 의해 교량구조물에 심각한 악영향을 미칠 수 있다. 따라서, 교량상판과 교각 사이의 접촉부위에 온도변화에 따른 수평변위를 수용하여 온도응력이 작용하지 않도록 교각상부에 완충구조의 받침대를 설치하게 된다. 즉, 교량을 구축하는 경우 받침대는 교량상부구조물의 변형 및 하중을 무리없이 교각, 교대 등의 교량하부구조물에 전달하고, 하부구조물의 변형에 따른 영향이 가능한 한 상부구조물에 미치지 않도록 하여야 한다.

이러한 역할을 하는 받침대로는 핀받침대, 롤러받침대, 고무받침대 등이 보편적으로 알려져 있다. 나아가, 지진력등의 강한 충격에 대해 효율적으로 완충하기 위하여 여러종류의 면진받침대가 사용되고 있다. 일반적인 교좌장치의 일예가 도 1a 및 도 1b에 도시되어 있다.

도 1a 및 도 1b는 일반적인 교좌장치가 교량에 설치된 상태를 보여주는 측면도 및 평면도를 각각 나타내고 있다. 교좌장치(10)는 도 1a에 도시한 바와 같이 교량(20)의 길이방향을 따라 교각(22)과 상판(24)사이에 다수가 설치되는 동시에 교량(20)의 폭방향으로도 거더(26)상에 도 1b에서 보는 바와 같이 다수가 설치되는데, 각각의 교좌장치(10)에는 동일한 하중이 작용할 수도 있고 그렇지 않을 수도 있다. 동일한 하중이 작용하는 교좌장치(10)는 안전상에 문제가 없으나, 불균등한 하중이 작용하는 교좌장치(10)는 파손이 신속하게 진행되는 등의 결함이 발생하게 된다. 특히, 유지보수시 각 교좌장치(10)의 높이를 정확히 맞출 수가 없으므로 하중을 균등분포시키기가 어려워 작은 압축변위량에도 작용하중에는 상당히 큰 차이를 보이게 된다. 따라서, 교좌장치(10)는 설치시에는 물론 설치후에도 지속적으로 그 변위량을 파악하여 균등한 하중이 걸릴 수 있도록 보상해 주어야 한다. 이를 보상해주지 않으면 교량(20)의 안전에 큰 악영향을 끼치게 된다. 그러므로, 교량(20)에 설치된 교좌장치(10)는 수시로 하중에 의한 그 수직변위를 검출하여, 작용하중이 허용치이상이 되면 이를 보상해주지 않으면 안된다. 이를 위해 기존에는 교좌장치의 수직변위를 자 등의 도구를 사용하여 눈으로 측정하였다.

이와 같이 기존에는 교각위의 높고 협소한 공간에서 자등의 초보적인 측정도구를 사용하여 변위를 측정하여 변위에 따른 하중값을 일일히 산출해야 했기 때문에 측정치가 정확하지 않고 번거로울 뿐더러 높고 접근이 용이하지 않은 교좌장치에 접근하지 않으면 안되어 측정작업이 위험하고 불편하였다. 특히, 하나의 교량에는 수많은 교좌장치가 설치되어 있어 위와 같은 초보적인 수단으로 그들 모두를 점검하는 데에는 많은 시간이 소요되는 단점이 있었다.

따라서, 본 발명의 목적은 상술한 제결점들을 해소하기 위해서 안출한 것으로서, 내부에 광섬유센서를 장치하여 상판과 교각 사이에 설치된 교좌장치에 작용하는 하중을 간편하게 측정할 수 있게 함으로써 각 교좌장치의 상태를 언제나 손쉽게 점검하여 보수유지성을 향상하고 교량의 안전성을 확보할 수 있게 하는 광섬유센서를 구비한 교좌장치를 제공하는 데 있다.

본 발명의 다른 목적은 교좌장치내에 장치된 광섬유센서를 이용하여 교좌장치의 변위량을 측정하고 이에 근거하여 작용하중을 산정함으로써 교좌장치들에 작용하는 하중이 균등하게 되도록 보상제어할 수 있는 광섬유센서를 이용한 교좌장치의 지지하중측정방법을 제공하는 데 있다.

본 발명의 실시예에 관한 상세한 설명은 첨부하는 도면들을 참조하여 이루어질 것이며, 도면에서 대응되는 부분을 지정하는 번호는 같다.

도 1a 및 도 1b는 일반적인 교좌장치가 교량에 설치된 상태를 보여주는 측면도 및 평면도이고,

도 2는 본 발명에 따른 광섬유센서를 구비한 디스크(Disc)형 교좌장치를 보여주는 단면도이고,

도 3a는 도 2에 도시된 광섬유센서의 구성을 상세하게 보여주는 구성도이고,

도 3b는 도 3a에 도시된 광섬유센서에 계기본체를 연결하여 하중을 측정하는 방법을 보여주는 설명도이고,

도 4a 및 도 4b는 본 발명에 따른 교좌장치에서 광섬유센서의 출력신호 및 출력전압을 나타낸 도표들이고,

도 5는 본 발명에 따른 광섬유센서를 구비한 포트(Pot)형 교좌장치를 보여주는 단면도이고,

도 6은 본 발명에 따른 광섬유센서를 구비한 디알비(DRB)형 교좌장치를 보여주는 단면도이다.

** 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 **

100~100b : 교좌장치 110~110b : 하부판

120~120b : 상부판 130~130b : 탄성체

200~200b : 광섬유센서 202 : 모세유리관

204 : 단일모드광섬유 206 : 금속도금광섬유

210~210b : 신호선 220~220b : 접속포트

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 광섬유센서를 구비한 교좌장치는 상부판과 하부판 및 그 사이에 개재된 탄성체를 구비하고, 교량의 교각상에 설치되어 상판의 하중을 지지하고 상기 교각과 상판 상호간에 작용하는 힘을 완충하는 교좌장치에 있어서, 내부에 장착되어 상기 탄성체의 수직변위량을 검출하는 광섬유센서를 구비하고 신호선을 외부로 인출하여 접속포트를 설치함에 의해 계기본체와 연결하여 수직변위량을 얻고, 상기 계기본체는 기구축된 변위량에 따른 하중값으로부터 상기 입력된 수직변위량에 따른 하중값을 산출하여 외부로 표시하는 것을 특징으로 한다.

상기 다른 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 광섬유센서를 이용한 교좌장치의 지지하중측정방법은 교량의 교각상에 설치되어 상판의 하중을 지지하고 상기 교각과 상판 상호간에 작용하는 힘을 완충하는 교좌장치의 작용하중을 측정하여 보상하는 방법에 있어서, 상기 교좌장치에 장착된 제 1항에 따른 광섬유센서의 외부접속포트에 계기본체를 연결하고 상기 교좌장치의 변위량을 검출하는 단계; 상기 계기본체는 상기 검출된 교좌장치의 변위량을 구축되어 있는 변위량에 따른 하중치와 비교하여 상기 교좌장치의 작용하중을 산출하여 외부로 표시하는 단계를 포함한다. 이에 더하여, 상기 작용하중이 허용치이상이면 상기 교좌장치를 보상하는 단계를 포함한다.

이하에서는 첨부한 도면들을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 관하여 상세히 설명하기로 한다.

도 2는 본 발명에 따른 광섬유센서를 구비한 디스크(Disc)형 교좌장치를 보여주는 단면도이다.

도 2에 도시한 교좌장치(100)는 디스크형으로 고정단에 적용되는 것으로, 교각(22)상에 장착된다. 받침대(100)는 하부판(110)과 상부판(120) 사이에 탄성체(130)를 개재하여 구성된다. 탄성체(130)와 하부판(110)은 그 중심에 수직중심공(132)을 천공하고, 그와 대응되는 상부판(120)에 전단핀(122)을 마련하여 수직중심공(132)에 삽입하여 결합된다. 이때, 상부판(120)에 고정된 전단핀(122)은그 하단부가 수직중심공(132)의 하부에서 일정간격 이격되어 상부판(120)에 교량상판(24)의 하중이 전달될 때 수직중심공(132)에서 하강하면서 상부판(120)의 하중이 탄성체(130)에 작용하여 탄성체(130)가 압축되면서 수직하중을 완화하게 된다. 따라서, 탄성체(130)는 시설되는 교량의 하중 및 변위를 고려하여 적합한 두께로 제작된다.

본 발명에서는 전단핀(122)의 저면과 그와 대응되는 하부판(110)으로 이뤄진 수직중심공(132)의 하부공간내에 광섬유센서(200)를 장치하여 그 신호선(210)을 교좌장치(100)의 외부로 인출하여 접근이 용이한 교량부위에 접속포트(220)를 마련하고 있다. 따라서, 사용자는 접속포트(220)에 계기본체를 연결하여 광섬유센서(200)를 통해 교좌장치(100)의 하중에 따른 변위를 쉽게 측정할 수 있다. 좀더 상세히 부연설명하면, 하중에 따라 상부판(120)이 탄성체(130)를 압축하면서 전단핀(122)이 하강하여 수직중심공(132)의 밑바닥과 근접되므로 광섬유센서(200)는 길이방향으로 수축되면서 이를 검출하여 탄성체(130)의 변위량을 측정하게 된다.

일반적으로 광섬유를 이용한 센서는 그 크기가 작아서 측정 대상물의 표면에 부착하거나 구조물의 내부에 매설하기 용이하며, 또한 광섬유의 재질은 석영이므로 내부식성이 우수하고 전자기파의 영향을 받지 않는다. 또한, 처리속도가 빨라 계측의 안정성이 높으며, 광섬유의 직경이 1mm이하이므로 측정범위와 정도에 따라 적은 공간에서도 여러개의 센서를 사용할 수 있는 장점이 있다.

이와 같은 광섬유센서로는 간섭형, 파장형 및 광강도형 광섬유센서 등이 있는데, 간섭형 광섬유센서는 파장형 광섬유센서에 비해 간단하고 저렴하게 시스템을 구현할 수 있으며, 또한 광강도형 광섬유센서에 비해 민감도가 우수하다는 장점을 가지고 있다. 특히, 간섭형 광섬유센서는 민감도와 분해능이 우수하여 산업용 기계 구조물과 교량, 빌딩 등과 같은 건설 구조물에 대한 손상이나 노후화에 따른 피로손상을 감지하는 센서로 사용이 유망시되고 있다.

이러한 간섭형 광섬유센서에는 마크-젠더(Mach-Zehnder) 간섭계, 마이켈슨(Michelson) 간섭계, 패브리-페롯(Fabry-Perot) 간섭계 등을 이용한 광섬유센서가 있다. 마크-젠더 간섭계나 마이켈슨 간섭계를 이용한 광섬유센서는 기준 광섬유를 사용하기 때문에 외란의 영향을 민감하게 받을 수 있으나, 패브리-페롯 광섬유센서는 1개의 광섬유로만 광을 전달하기 때문에 게이지의 길이를 제외한 광섬유 도선에서 일어나는 외란의 영향을 배제시킬 수 있다는 장점을 지니고 있다.

이러한 패브리-페롯 광섬유센서는 간섭이 일어나는 매질이 광섬유의 내부 혹은 외부에 있는지에 따라 내부 및 외부 패브리-페롯 간섭계 센서로 구분되는데, 외부 패브리-페롯 간섭계(Extrinsic Fabry-Perot Interferometric, EFPI) 센서는 내부 패브리-페롯(Intrinsic Fabry-Perot Inteferometric, IFPI) 센서에 비해 제작이 쉽고 기계적 특성이 우수하다는 장점을 가지고 있다. 이러한 우수한 특성을 갖는 외부 패브리-페롯 간섭계를 적용한 광섬유센서에 대한 구체적인 예가 도 3a 및 도 3b에 도시되어 있다.

도 3a는 도 2에 도시된 광섬유센서의 구성을 상세하게 보여주는 구성도이고, 도 3b는 도 3a에 도시된 광섬유센서에 계기본체를 연결하여 하중을 측정하는 방법을 보여주는 설명도이다.

광섬유센서(200)는 도 3a에 도시한 바와 같이 모세유리관(210)의 일측으로 삽입되어 에폭시 접착재를 통해 모세유리관(202)에 고정되는 단일모드광섬유(204)와, 모세유리관(202)에 삽입된 단일모드광섬유(204)의 단부와 간극길이(d)만큼 이격되게 모세유리관(202)의 타측에 삽입되어 에폭시 접착재를 통해 고정되는 금속도금광섬유(206)를 구비하고 있다. 이러한 구성의 광섬유센서(200)는 모세유리관(202)의 하단은 교좌장치(100)의 하부판(110)에 고정되고, 상단은 교좌장치(100)의 전단핀(122)에 고정되어 전단핀(122)이 수직하강하면 그 길이방향으로 압축변형이 일어나게 된다. 이를 위해 모세유리관(202)은 신축이 가능하고 수축팽창에 따라 복원이 가능하게 제작되어 있다.

단일모드광섬유(204)와 마주보는 금속도금광섬유(206)의 단부(206a)는 레이저 다이오드와 같은 광원(230)으로부터 출사되어 단일모드광섬유(204)를 통과하여 공기간극(d)을 진행하는 광이 되돌아가게 도금되어 있으며, 이렇게 단일모드광섬유(204)를 통해 되돌아가는 광신호는 광검출기(240)에 의해 검출된다.

한편, 모세유리관(202)에 삽입되는 단일모드광섬유(204)와 금속도금광섬유 (206)의 절단면은 광의 진행방향과 수직이 되도록 가공되며, 광원(230)으로부터 입사되는 광의 일부분은 모세유리관(202)에 삽입된 단일모드광섬유(204)의 단부에서 반사되어 단일모드광섬유(204)의 내부로 되돌아가고, 공기간극(d)을 통과한 일부의 광은 금속도금광섬유(206)에서 전반사된다. 이때, 금속도금광섬유(206)에 의해 전반사된 광은 단일모드광섬유(204)의 내부로 다시 입사되어 광경로를 따라 광검출기(240)로 전송된다.

위와 같은 두 광로의 경로차(2d)에 의해 간섭 프린지(Fringe)가 발생하는데, 이러한 현상은 1982년 발간된 논문지 "Applied Optics"의 제21권 제8호에서 Claus, R.O.와 Sandahl, C.R.이 발표한 논문 "Interference effect in optical fiber connection"에 상세하게 기술되어 있다.

한편, 광이 공기간극(d)을 통과하는 동안에 광손실로 인해 출력신호의 크기가 변하는데, Marcuse, D.는 1997년 "The Bell System Techinical Journal"에서 발표한 논문 "Loss analysis of single-mode fiber splices"을 통해 광손실 해석을 기술하며 이러한 원리를 센서로 이용할 수 있는 가능성을 제시하였다.

위와 같은 구조의 광섬유센서(200)를 이용하여 구조물의 변형률을 측정하기 위해서는 모세유리관(202) 부분을 기계 및 산업 구조물 등과 같은 측정 대상물의 표면에 부착하거나 건설 구조물의 내부에 매설하여야 한다. 본 발명에서는 광섬유센서(200)를 교좌장치(100)에 장치하고 그 신호선(210)을 외부로 인출하여 접속포트(220)를 접근이 용이한 교량부분에 마련하므로, 하중측정시에 도 3b에서 도시한 바와 같은 계기본체(M)를 접속포트(220)에 접속하여 하중측정이 가능하다. 하중측정은 마이크로프로세서(250)가 펄스트리거(Pulse trigger;252)를 통해 펄스발생기(254)에서 펄스를 발생시켜 광원(230)인 레이저다이오드(LD)에서 펄스에 해당하는 광을 내보내고, 이 펄스의 광은 커플러(Coupler;232) 및 접속포트(220)를 통해 광섬유센서(200)에 도달하여 위와 같은 원리에 의해 광섬유센서(200)에 반사되고, 이렇게 돌어온 광들을 커플러(232)를 통해 광검출기(240)에서 검출하고 A/D변환기(242)를 통해 전압신호를 디지털신호를 변환하여 마이크로프로세서(250)에서 분석처리하여 표시장치(260)를 통해 사용자가 인식할 수 있도록 보여주게 된다.

이와 같은 하중측정은 광섬유센서(200)를 장착한 상태에서 외부하중 등에 의해 측정 대상물인 교좌장치(100)의 탄성체(130)가 변형되면 모세유리관(202)의 길이방향으로 변형이 발생하고 간극길이(d)도 변하게 되는 원리에 따른 것이다. 이러한 간극길이(d)의 변화는 광원 파장의 1/2 파장을 갖는 정현파 형태의 출력 광신호 간섭 프린지의 최고점과 최저점의 중간값을 기준으로 간섭 프린지 신호가 교차하는 결과를 가져오는데, 이러한 교차회수를 확인하면 광원 파장의 1/4의 분해능으로 측정이 가능하다.

즉, 간섭 프린지 신호가 중간값과 교차하지 않으면 프린지 갯수를 변화시키지 않고, 간섭 프린지 신호가 중간값과 교차하면 간섭 프린지 최고점과 최저점의 중간값 곡선에 해당하는 신호수준이 증감되는지 판단하여 신호수준이 증가하면 프린지 갯수를 1 감소시키고, 신호수준이 감소하면 프린지 갯수를 1 증가시키는 방식으로 간섭 프린지 신호가 교차하는 횟수를 확인한다.

위와 같은 원리로 프린지 신호를 이용하여 변위량을 얻고, 이렇게 측정된 변위량을 기구축된 하중값과 변위량과의 상관관계를 이용하여 실제 교좌장치에 작용하는 하중을 산출하게 된다. 이러한 변위량에 따른 하중값 데이터는 기존에 확보된 것을 이용하며, 이 데이터는 계기본체(M)에 저장되어 광섬유센서(200)로부터 측정된 변위량이 계기본체(M)에 입력되면 마이크로프로세서(250)는 데이터베이스를 이용하여 입력된 변위량에 따른 하중을 실시간으로 연산처리하여 표시장치(260)를 통해 숫자로 표시하여 사용자가 즉시 쉽게 확인할 수 있게 한다.

도 4a 및 도 4b는 본 발명에 따른 교좌장치에서 광섬유센서의 출력신호 및 출력전압을 나타낸 것으로, 그래프에서 알 수 있는 바와 같이 측정 대상물의 변형에 따라 간극길이(d)의 변화율에 비례하는 파장을 갖는 간섭 프린지가 발생하는데, 이때 측정 대상물이 인장 방향으로 변형되면 공기간극(d)의 길이가 길어지고 광손실이 커지면서 광신호의 크기는 선형적으로 감소한다.

반면, 측정 대상물이 압축 방향으로 변형되면 공기간극(d)의 길이는 짧아지고 광손실이 작아지면서 광신호의 크기는 감소한다. 이러한 광신호의 변화경향과 함께 간섭 프린지를 이용하면 측정 대상물의 변형 방향(인장 또는 압축)과 변형 크기를 측정할 수 있다. 이러한 변형크기(변위량)와 작용하중에 대한 상관관계가 표 1에 나타나 있다.

표 1. 하중에 따른 탄성체(디스크) 변위량

	175T용	100T용	혜화고가(100T용)
	값	차이	값	차이	값	차이
초기	28	0	20	0	25	0
10T	27.4	0.6	19.7	0.3	24.6	0.4
20T	27.1	0.9	19.4	0.6	24.2	0.8
30T	26.9	1.1	19	1	23.9	1.1
40T	26.7	1.3	18.7	1.3	23.5	1.5
50T	26.5	1.5	18.5	1.5	23.2	1.8
60T	26.3	1.7	18.2	1.8	23	2
70T	26.1	1.9	17.9	2.1	22.7	2.3
80T	25.8	2.2	17.5	2.5	22.4	2.6
90T	25.6	2.4	17.3	2.7	22	3
100T	25.4	2.6	16.9	3.1	21.6	3.4
110T	25.1	2.9	16.6	3.4	21.3	3.7
120T	24.9	3.1	16.3	3.7	21	4
130T	24.6	3.4	16.1	3.9	20.7	4.3
140T	24.4	3.6	15.8	4.2	20.4	4.6
150T	24	4	15.5	4.5	20.2	4.8
160T	23.7	4.3	15.2	4.8	19.9	5.1
170T	23.4	4.6	14.9	5.1	19.4	5.6
180T	23.1	4.9	14.7	5.3	19.1	5.9
190T	22.9	5.1	14.5	5.5	18.7	6.3
200T	22.5	5.5	14.3	5.7	18.5	6.5

위 표 1은 작용하중(Ton)에 따른 탄성체(디스크)의 변위량을 나타낸 것으로, 예를 들어 175톤용 탄성체(130)에 10톤의 하중이 작용하면 초기(28mm기준)보다 2.6mm의 수축변위가 발생했고, 100톤용에서는 10톤의 하중이 작용하면 20mm의 탄성체를 기준으로 했을 때 초기치보다 3.1mm의 수축이 발생했다.

위 표 1과 같은 수축변위량과 하중값과의 상관관계데이터를 룩업테이블 형태로 계기본체에 데이터베이스화하여 저장해 놓으면, 쉽게 변위량에 따른 하중값을 얻을 수 있다. 따라서, 광섬유센서(200)를 통해 탄성체(130)의 수축변위량을 검출하면 그에 작용하는 하중을 산출할 수 있고, 이것을 토대로 교좌장치(100)에 적정두께의 금속판을 삽입시켜 이웃한 교좌장치들에 작용하는 하중이 다른 경우 교좌장치들에 작용하는 하중을 균등하게 조정할 수 있다.

이와 같이, 교좌장치(100)들에 작용하는 하중을 균등하게 제어하지 않으면 교량의 안전상에 큰 장애를 초래하므로, 본 발명에서는 광섬유센서(200)를 교좌장치(100)에 장치하여 탄성체(130)의 변위를 정기적으로 검출하여 하중이 균등하게 작용할 수 있도록 보상해주게 된다.

이를 위해, 본 발명에서는 광섬유센서(200)로 교좌장치(100)의 변위를 검출하고, 기존에 데이터베이스로 구축된 하중과 그에 따른 변위량 및 보상값을 참조하여, 검출된 변위에 따른 작용하중을 산정하여 교좌장치(100)에 다른 금속판을 삽입하는 방법으로 보상값만큼 보상이 이루어지게 하여 작용하중이 균등하게 작용하게 한다. 이에 대한 구체적인 보상방법이 본 출원인이 기출원한 특허출원 제2001-21374호에 개시되어 있다. 이에 따라, 교량에 설치된 교좌장치(100)들에 동일한 하중이 작용하게 되므로 교량의 안전성을 유지할 수 있게 되는 것이다.

이러한 광섬유센서(200)는 앞서 설명한 바와 같이, 그 크기가 작아 교좌장치(100)에 적정 간격으로 다수개 설치가 용이하고, 따라서 그들의 평균값을 산출하여 변위량을 구하면 보다 정확한 측정값을 얻을 수 있다. 광섬유센서(200)는 교량설치시에 사용하여 교좌장치(100)의 여러부분의 값을 검출하여 균등하중이 작용하도록 조정하면서 교좌장치(100)를 교량에 설치할 수 있다. 또 한편으로는,교량설치후에 교좌장치(100)의 상시하중에 따른 변위를 검출하여 교좌장치(100)의 안전도를 점검할 수 있다.

도 5는 본 발명에 따른 하중측정장치를 구비한 포트(Pot)형 교좌장치를 보여주는 단면도이다.

포트형 교좌장치(100a)는 탄성체(130a)와 하부판(110a) 사이가 이격되어 있지 않으므로 앞서 예시한 디스크형과 같이 그 사이에 광섬유센서(200a)의 설치가 곤란하며, 따라서 도시한 바와 같이 탄성체(130a)를 벗어난 외곽에 설치하는 것이 바람직하다. 즉, 상부판(120a)과 하부판(110a)의 외곽쪽에 서로 대면하고 있는 부분에 광섬유센서(200a)를 장치하면 설치가 용이할 뿐만 아니라 하중에 의한 수직변위량에 따라 상부판(120a)과 하부판(110a) 사이가 가까워지므로 그 변위량을 쉽게 검출할 수 있다. 이때, 센서(200a)의 신호선(210a)은 하부판(110a)의 측면으로 인출하여 접근이 용이한 교량부위에 접속포트(220a)를 설치하면 편리하게 측정이 가능하다. 물론, 포트형 교좌장치(100a)도 위의 디스크형에서 설명한 방법으로 탄성체(130a)의 변위량을 검출하여 교좌장치(100a)의 상태를 확인하고, 그에 따라 보상하면 된다.

광섬유센서(200a)는 도시한 바와 같이 교좌장치의 양측 또는 외곽의 사방에 여러개를 설치하여 하중을 측정하고 그 평균값을 얻어 교좌장치의 보상에 이용하면 보다 정확한 보상이 이루어질 수 있다.

디알비형 교좌장치(100b)도 포트형 교좌장치(100a)와 마찬가지로 탄성체(130b)와 하부판(110b) 사이가 이격되어 있지 않으므로 그 사이에 광섬유센서(200b)의 설치가 곤란하다. 따라서, 광섬유센서(200b)는 탄성체(130b)를 벗어난 상부판(120b)과 하부판(110b)의 외곽에 설치된다. 바람직하게는, 도시한 바와 같이 하부판(110b)의 외곽에 돌출된 웨지(Wedge;112b)와 이와 대면하고 있는 상부판(120b)의 외곽쪽에 지지대(124b)를 돌출시켜 광섬유센서(200b)를 설치하는 것이 좋다. 그러면, 하중에 의한 수직변위량에 따라 상부판(120b)과 하부판(110b)의 사이가 가까워지므로 그 변위량을 쉽게 검출할 수 있다. 물론, 디알비형 교좌장치(100b)도 위의 디스크형이나 포트형과 동일한 방법으로 탄성체(130b)의 변위량을 검출하여 교좌장치(100b)의 상태를 확인할 수 있다.

이제, 전술한 도면들을 참조하며 본 발명의 광섬유센서를 이용한 교좌장치의 하중측정보상방법에 대해 상세히 설명하기로 한다.

먼저, 작용하중에 따른 탄성체(130)의 두께변화치(변위량)를 측정하고, 그에 따른 보상치를 산정하여 둔다. 이때, 교좌장치(100)가 부담해야 할 하중을 중심으로 하여 일정범위내의 상한치와 하한치를 정해서 그 범위내에서 소정의 하중단위로 탄성체(130)의 두께변화치를 측정하여 이를 그래프화하거나 아니면 수치화하여 테이블로 만들어 두는 것이 좋다.

그리고나서, 교좌장치(100)에 장착된 광섬유센서(200)의 외부접속포트(220)에 계기본체를 연결하고, 기설명한 방법으로 교좌장치(100)의 변위량을 검출한다. 이렇게 검출된 교좌장치(100)의 변위량을 이미 구축되어 있는 하중에 따른 두께변화치와 비교하여 검출된 변위량에 따른 작용하중을 얻는다. 이 하중이 허용치이상이면 교좌장치(100)의 보상이 필요하며, 보상은 교좌장치(100)상에 설치된 교량상판(20)을 잭(Jack)으로 들어올린 후 보상치에 해당하는 두께의 금속판을 교좌장치(100)에 삽입한 후 교량상판(24)을 내려 원상태로 위치시키면 작업이 끝나게 된다. 그러면, 교좌장치(100)에 작용하는 하중이 균등해지게 되어, 교량의 안정성을 확보할 수 있게 된다.

여기에 개시되는 실시예는 여러가지 실시가능한 예 중에서 당업자의 이해를 돕기 위하여 가장 바람직한 예를 선정하여 제시한 것일 뿐, 본 발명의 기술적 사상이 반드시 이 실시예에 의해서만 한정되거나 제한받는 것은 아니고, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 다양한 변화와 변경이 가능함은 물론, 균등한 다른 실시예가 가능하다.

이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명은 상부구조물(상판)과 하부구조물(교각)의 형태, 크기 및 간격에 상관없이 모든 교량에 적용이 가능하여 범용성이 뛰어나고, 그 구조가 간단하며 크기가 작아 설치가 간편하다. 특히, 본 발명은 교량설치시에 적용하여 교좌장치의 여러부분의 값을 검출하여 균등하중이 작용하게 교좌장치를 교량에 설치할 수 있는 장점이 있다. 또한, 교량설치후에는 교좌장치의 상시하중에 따른 변위를 검출하여 교좌장치의 안전도를 점검할 수 있다. 이에 의해, 교량의 보수유지성을 향상함과 더불어 안전성을 확보할 수 있는 잇점이 있다.

Claims

상부판과 하부판 및 그 사이에 개재된 탄성체를 구비하고, 교량의 교각상에 설치되어 상판의 하중을 지지하고 상기 교각과 상판 상호간에 작용하는 힘을 완충하는 교좌장치에 있어서,

내부에 장착되어 상기 탄성체의 수직변위량을 검출하는 광섬유센서를 구비하고 신호선을 외부로 인출하여 접속포트를 설치함에 의해 계기본체와 연결하여 수직변위량을 얻고, 상기 계기본체는 내부에 변위량에 따른 하중값 데이터를 저장하고 그로부터 상기 입력된 수직변위량에 따른 하중값을 산출하여 외부로 표시하는 것을 특징으로 하는 광섬유센서를 구비한 교좌장치.
제 1항에 있어서, 디스크형 교좌장치에서는 상기 탄성체와 상기 하부판내에 수직중심공이 형성되어 상기 상부판의 전단핀이 삽입되며, 상기 광섬유센서는 상기 전단핀의 하부측 상기 수직중심공내에 설치되어, 상기 상판에 하중작용시 상기 탄성체가 수축하면서 상기 전단핀과 상기 하부판의 거리가 단축되어 수직변위량이 측정되는 것을 특징으로 하는 광섬유센서를 구비한 교좌장치.
제 1항에 있어서, 상기 광섬유센서는 포트형 교좌장치에서는 상기 탄성체를벗어난 외곽의 상기 상부판과 하부판 사이에 설치되며, 상기 상판에 하중작용시 상기 상부판과 상기 하부판과의 거리가 단축되어 수직변위량이 측정되는 것을 특징으로 하는 광섬유센서를 구비한 교좌장치.
제 1항에 있어서, 상기 광섬유센서는 디알비(DRB)형 교좌장치에서는 상기 하부판에 돌출된 웨지와 상기 하부판 사이에 설치되며, 상기 상판에 하중작용시 상기 상부판과 상기 하부판의 웨지와의 거리가 단축되어 수직변위량이 측정되는 것을 특징으로 하는 광섬유센서를 구비한 교좌장치.
제 2항 내지 제 4항 중 어느 한항에 있어서, 상기 광섬유센서는 상기 상부판과 상기 하부판 사이에 수직하게 세워져 양단이 각각 고정되어 설치되어 하중에 따라 길이방향으로 수축팽창하는 모세유리관과, 상기 모세유리관의 일측으로 삽입되어 모세유리관에 고정되는 단일모드광섬유 및, 상기 모세유리관에 삽입된 상기 단일모드광섬유의 단부와 소정간격 이격되게 상기 모세유리관의 타측에 삽입되어 고정되는 금속도금광섬유를 구비하는 것을 특징으로 하는 광섬유센서를 구비한 교좌장치.
제 2항 내지 제 4항 중 어느 한항에 있어서, 상기 광섬유센서의 신호선은 상기 하부판을 통과하여 사용자의 접근이 용이한 교량부분에 상기 접속포트가 위치고정되고, 상기 계기본체는 광원과 커플러를 구비하고 상기 광원에서 발생된 빛을 상기 커플러를 통해 상기 광섬유센서로 공급하여 반사되어 돌아온 빛을 측정하여 변위량을 얻으며 내장된 마이크로프로세서에서 저장된 하중값 데이터로부터 상기 측정된 변위량에 해당하는 하중값을 산출하여 표시장치를 통하여 숫자로 출력하는 것을 특징으로 하는 광섬유센서를 구비한 교좌장치.
교량의 교각상에 설치되어 상판의 하중을 지지하고 상기 교각과 상판 상호간에 작용하는 힘을 완충하는 교좌장치의 작용하중을 측정하여 보상하는 방법에 있어서,

상기 교좌장치에 장착된 제 1항에 따른 광섬유센서의 외부접속포트에 계기본체를 연결하고 상기 교좌장치의 변위량을 검출하는 단계; 및

상기 계기본체는 상기 검출된 교좌장치의 변위량을 구축되어 있는 변위량에 따른 하중치와 비교하여 상기 교좌장치의 작용하중을 산출하여 외부로 표시하는 단계를 포함하는 광섬유센서를 이용한 교좌장치의 지지하중측정방법.
제 7항에 있어서, 상기 작용하중이 허용치이상이면 상기 교좌장치를 보상하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 광섬유센서를 이용한 교좌장치의 지지하중측정방법.
제 8항에 있어서, 상기 보상단계는 상기 교좌장치가 설치된 상기 교량상판을 잭(Jack)으로 들어올린 후, 보상치에 해당하는 두께의 금속판을 상기 교좌장치에 삽입한 후 상기 교량상판을 내려 원상태로 위치시켜 상기 교좌장치에 작용하는 하중을 균등하게 하는 것을 특징으로 하는 광섬유센서를 이용한 교좌장치의 지지하중측정방법.