KR20060042611A - 콘크리트 말뚝의 축변형률을 측정하기 위한 광섬유격자센서 어레이 - Google Patents
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Abstract
1. 청구범위에 기재된 발명이 속한 기술분야
본 발명은 콘크리트 말뚝의 축변형률을 측정하기 위한 광섬유 격자센서 어레이에 관한 것이다.
2. 발명이 해결하려고 하는 기술적 과제
본 발명은 콘크리트 말뚝 내부에 광섬유 브래그 격자센서를 견고하고 용이하게 설치할 수 있도록 함으로써, 콘크리트 말뚝 시공시 축변형률 측정장치 설치작업에 소요되는 시간 및 노력을 현저하게 절감할 수 있을 뿐만 아니라, 그 측정 결과에 대한 신뢰성 또한 향상시킬 수 있는 광섬유 격자센서 어레이를 제공하는 것을 목적으로 한다.
3. 발명의 해결방법의 요지
콘크리트 구조물의 축변형률을 측정하기 위한 광섬유 격자센서 어레이에 있어서, 길이방향의 홈이 파인 강선과; 상기 강선의 홈 내부에 삽지되며, 한가닥의 광섬유에 일정 간격으로 격자 감지부가 새겨진 광섬유 브래그 격자 센서; 및 상기 광섬유 브래그 격자 센서가 삽지된 상태에서 상기 강선의 홈 내부에 충진되는 코팅제로 구성되는 것을 특징으로 한다.
4. 발명의 중요한 용도
현장타설 또는 기성 콘크리트 말뚝 등 콘크리트 구조물의 깊이에 따른 축변형률을 계측하는데 이용된다.
현장타설 콘크리트 말뚝, 기성 콘크리트 말뚝, 다중점 광섬유 격자센서, 축변형률, 하중-전이 기구
Description
도 1은 본 발명에 따른 광섬유 격자센서 어레이를 도시한 사시도이다.
도 2는 본 발명에 따른 광섬유 격자센서 어레이를 운반이 쉽도록 릴선 형태로 감아놓은 모식도이다.
도 3은 본 발명에 따른 광섬유 격자센서 어레이를 콘크리트 말뚝에 설치한 상태를 도시한 종단면도이다.
도 4는 본 발명에 따른 광섬유 격자센서 어레이를 콘크리트 말뚝에 설치한 상태를 도시한 횡단면도이다.
* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명
1 : 강선 2 : 광섬유 브래그 격자센서
3 : 격자 감지부 4 : 코팅제
10 : 광섬유 격자센서 어레이 20 : 휴대용 릴
30 : 말뚝보강용 주철근 40 : 말뚝보강용 띠철근
50 : 콘크리트
60 : 광원과 검출기를 포함한 신호처리기
본 발명은 여러 지점의 축방향 변형률과 축방향 하중전이를 계측하기 위한 다중점(multi-point) 광섬유 그래그 격자센서(Fiber Bragg Grating, FBG)를 현장타설 또는 기성 콘크리트 구조물 내부에 정밀하고 용이하게 설치할 수 있도록 하는 광섬유 격자센서 어레이에 관한 것이다.
종래 말뚝기초의 깊이별 변형률 측정을 통한 하중전이 계측에는 전기저항식(electric resistance type) 변형률계 또는 진동현식(vibrating wire type)변형률계 등의 스트레인 게이지를 사용하는 변형측정장치가 일반적으로 사용되어 왔다.
이같은 변형측정장치는 통상적으로 콘크리트 말뚝 타설전에 철근망에 부착 고정하여 설치하게 되는데, 상기 변형측정장치를 철근망에 부착하기 위해서는 철근망의 주철근을 평탄하게 갈아내는 작업, 갈아낸 부분의 부식 방지를 위한 표면처리작업, 용접기를 이용한 부착작업, 계측기 보호를 위한 보호덮개 부착 및 방수처리작업, 선처리 작업 등의 일련의 절차가 현장에서 숙련된 기술자에 의해 이루어지게 되어, 설치 작업이 어렵고 설치에 장시간이 소요되는 문제점이 있었다.
특히 현장타설 콘크리트 말뚝에 상기 변형측정장치를 설치할 경우에는, 상기와 같은 복잡한 설치작업들을 철근망 조립작업이 완료된 이후에 현장에서 별도로 추가적으로 진행하게 되어, 공기 등의 문제로 인해 실제 현장 말뚝에 적용하기에는 어려움이 있었다.
이외에도, 상기 변형측정장치는 기본적으로 전기적 신호에 의해 변형률을 측정하게 되는 것으로, 측정값이 전자기장 또는 물 등의 주위 환경에 영향을 크게 받게 되어 측정결과의 신뢰성이 떨어지는 문제점이 있었다.
이러한 문제점을 극복하기 위해 최근에는 광섬유를 이용한 센서 및 계측기술을 구조물의 변형률 측정에 응용하기 위한 연구가 활발히 진행되고 있다.
광섬유 센서는 광섬유를 이용하는 센서를 구성하는 방법에 따라 여러 종류가 있는데, 광섬유의 파단으로 인한 빛의 전달 유무를 이용하는 방법과 빛의 편광을 이용하는 방법 및 간섭을 이용하는 방법으로 구성된 센서 등이 있다. 이 중 일반적으로 구조물의 변형측정에 많이 사용되었던 빛의 간섭을 이용한 광섬유 센서는 변형율에 기인한 경로차에 의한 간섭신호로부터 변형율을 측정하게 되는데, 이와 같은 간섭형 광섬유 센서들은 동시에 여러 지점을 측정하는 Multi-plexing의 적용에 효율적이지 않고 센서로부터의 출력신호 처리 과정에도 많은 문제점을 내포하고 있었다.
상기와 같은 문제점으로 최근에 새롭게 개발된 광섬유 브래그 격자 센서(Fiber Bragg Grating Sensor, FBG sensor)는 광대역 광원으로 구성되어 광섬유 한 라인 상에 여러 개의 격자 감지부를 배열하여 통신상에 이용되던 파장분할 다중화(Wavelength-division multiplexing, WDM)기법을 사용함으로써, 실제 구조물의 변형 상태를 배열된 여러 개의 격자 센서로 측정할 수 있게 되어 동시에 다점 측정 기술을 쉽게 구현할 수 있도록 한 것이다.
상기 광섬유 브래그 격자 센서는 브래그 조건을 만족하는 파장만을 반사하고 그 외의 파장은 그대로 투과시키며, 격자 감지부의 주변 온도가 바뀌거나 격자 감지부에 인장이 가해지면 광섬유의 굴절률이나 길이가 변화되므로 반사되는 빛의 파장이 변화되는 특징을 가지는 것으로, 상기 격자 감지부에서 반사되는 빛의 파장을 지속적으로 측정함으로써 온도나 인장, 또는 압력, 구부림 등을 감지할 수 있게 된다.
상기와 같은 원리로 구조물의 변형율을 측정하게 되는 광섬유 브래그 격자 센서는 변형의 절대량 측정이 가능하고, 출력신호가 빛의 파장에만 관계하므로 광강도의 변화에 무관하여 시스템 구성이 용이하며, 출력 신호가 변형에 대하여 선형적이며 센서가 광섬유 자체의 강도를 거의 유지하므로 강도 특성이 우수하다는 장점이 있다.
한편, 상기 광섬유 브래그 격자 센서를 현장타설 콘크리트 말뚝 등과 같이 콘크리트 내부에 설치할 경우에는, 콘크리트를 타설하는 과정에서 상기 광섬유 브래그 격자 센서 등이 훼손되거나 위치 변경되는 것을 방지하기 위해 별도의 광섬유 격자 어레이를 사전에 미리 제작한 후 이를 소정 위치에 설치하게 된다.
이에 따라 종래 말뚝의 깊이별 변형률 및 하중전이 측정을 하기 위한 연구의 일환으로 진행된 바 있는 오정호 등의 연구(한국지반공학회 논문집 제 16권 제 4 호; 2000; 사단법인 한국지반공학회; 오정호, 이원제, 이상배, 이우진; 광섬유 격자소자에 의한 말뚝의 하중전이 측정; pp.201, 208)에서는 상기 광섬유 격자센서 어레이로 직경 1.5cm의 나사형 철근을 사용하고 있다.
그러나 상기 나사형 철근을 이용한 광섬유 격자 센서 어레이는 직경 1.5cm의 나사형 철근에 홈을 파고 그 내부에 광섬유 브래그 격자 센서를 부착하여 콘크리트에 매설하게 되는 것으로, 이는 상기 종래의 변형측정장치 설치 작업과 비교해 볼 때 작업에 소요되는 노력 및 시간이 크게 나아진 점이 없었으며, 특히 말뚝의 길이가 길어지는 경우에는 운반 등의 문제로 일정 길이 이하로 제조되는 상기 나사형 철근을 상호 연결설치하여야 하므로 이음부의 용접 또는 겹이음 처리에 대한 문제가 발생하였다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로, 콘크리트 말뚝 내부에 광섬유 브래그 격자센서를 견고하고 용이하게 설치할 수 있도록 함으로써, 현장 콘크리트 말뚝 시공시 축변형률 측정장치 설치작업에 소요되는 시간 및 노력을 현저하게 절감할 수 있을 뿐만 아니라, 그 측정 결과에 대한 신뢰성또한 향상시킬 수 있는 광섬유 격자센서 어레이를 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 광섬유 격자센서 어레이는, 길 이방향의 홈이 파인 강선과; 상기 강선의 홈 내부에 삽지되며, 한가닥의 광섬유에 일정 간격으로 격자 감지부가 새겨진 광섬유 브래그 격자 센서; 및 상기 광섬유 브래그 격자 센서가 삽지된 상태에서 상기 강선의 홈 내부에 충진되는 코팅제로 구성되는 것을 특징으로 한다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명을 상세하게 설명하면 다음과 같다.
도 1은 본 발명에 따른 광섬유 격자센서 어레이를 도시한 사시도이며, 도 2는 본 발명에 따른 광섬유 격자센서 어레이를 운반이 쉽도록 릴선 형태로 감아놓은 모식도이고, 도 3 및 도 4는 본 발명에 따른 광섬유 격자센서 어레이를 콘크리트 말뚝에 설치한 상태를 도시한 종단면도 및 횡단면도이다.
본 발명에 따른 광섬유 격자센서 어레이(10)는 길이방향으로 단면의 중심위치까지 홈이 파인 강선(1)과, 상기 강선(1)의 홈 내부에 삽지되며, 한가닥의 광섬유에 일정 간격으로 격자 감지부(3)가 새겨진 광섬유 브래그 격자 센서(2); 및 상기 광섬유 브래그 격자 센서(2)가 삽지된 상태에서 상기 강선(1)의 홈 내부에 충진되는 코팅제(4)로 구성된다.
상기 강선(1)은 도 2에 도시된 바와 같이 릴(20) 형태로 감아 운반되는 것으로, 콘크리트 구조물에 상기 광섬유 격자센서 어레이(10)를 매설시 원하는 길이만큼씩 잘라서 이용할 수 있게 된다. 이때, 상기 강선(1)의 직경은 릴(20)에 감길 수 있는 정도로, 철근망(도 4의 30, 40)에 고정되었을 때 콘크리트의 타설 및 다짐시에 파괴되는 않는 정도의 굵기로 제작된다.
또한, 상기 강선(1)에 형성된 홈은 단면 중심에 근접하는 깊이로 형성함으로 써, 내부에 삽지되는 상기 광섬유 브래그 격자센서(2)가 강선(1) 중심부에 위치하도록 하여 상기 강선(1)의 휨에 의한 영향을 최소화되도록 한다.
상기 광섬유 브래그 격자 센서(2)는 콘크리트 말뚝의 최대 변형률 측정 개소 만큼 다양한 개수의 파장을 가지는 격자 감지부(3)가 일정한 간격(일반적으로 2 ~ 4m 간격)으로 새겨진 것으로, 상기 격자 감지부(3)의 파장의 수가 곧 한가닥의 상기 광섬유 브래그 격자 센서(2)가 측정할 수 있는 변형률 측점수가 된다. 또한, 상기 일정 수의 격자 감지부(3)는 반복적으로 새겨지며, 상기 강선(1)의 외피에는 상기 격자 감지부(3)가 새겨진 위치마다 그 격자의 파장을 알 수 있도록 식별문자나 숫자, 기호, 색상 등이 표기된다.
상기 코팅제(4)는 에폭시 등의 실리콘계 코팅제로서, 상기 강선(1)과 광섬유 브래그 격자 센서(2)가 일체로 움직일 수 있도록 부착제의 역할을 하게 된다.
결과적으로, 상기와 같은 구성으로 이루어진 본 발명에 따른 광섬유 격자센서 어레이(10)는 상기 강선(1)에 의한 자체 강성으로 내부에 삽지된 광섬유 브래그 격자 센서(2)의 보호 기능을 수행할 수 있게 되며, 상기 광섬유 브래그 격자 센서(2)의 소정간격마다 세겨긴 다수의 격자 감지부(3)는 광섬유 한가닥에 연결되어 동시계측이 가능하기 때문에 현장에서의 설치시간이 거의 소요되지 않아 현장 시공시 공기에 거의 영향을 미치지 않는 장점을 가진다.
이하, 본 발명에 따른 광섬유 격자센서 어레이(10)를 현장타설 콘크리트 말뚝에 설치하여 콘크리트 말뚝의 축변형률을 측정하는 방법에 대한 실시예를 도 3 및 도 4를 참고하여 구체적으로 설명하면 다음과 같다.
우선, 말뚝 보강용 주철근(30) 및 띠철근(40)으로 이루어진 철근망을 선조립한 후, 상기 철근망에 상기 광섬유 격자센서 어레이(10)를 말뚝 길이로 절단하여 고정시킨다.
이후, 말뚝이 시공될 소정 위치에 말뚝 설치공을 굴착하고, 상기 굴착공에 상기 광섬유 격자센서 어레이(10)가 고정된 철근망(30 및 40)을 삽입한 후, 상기 굴착공 내부에 콘크리트(50)를 타설한다. 이에 따라, 콘크리트(50) 양생 후 센서가 부착된 상기 광섬유 격자센서 어레이(10)가 말뚝체와 일체로 거동하게 된다.
콘크리트(50)가 타설완료되면, 상기 광섬유 격자센서 어레이(10)의 끝단을 처리한 후 상기 끝단에 신호처리기(60)를 연결하여 설치하고, 타설된 콘크리트(50)의 양생이 완료되면 말뚝에 재하되는 하중에 따라 각 격자 감지부(3)에서의 파장 변화를 측정하여 말뚝의 축하중 전이를 분석한다. 이때, 상기 신호처리기(60)는 센서의 어느 쪽 끝단에 연결하더라도 모든 데이터를 받을 수 있게 된 것으로, 상기 신호처리기(60)를 양쪽에 모두 연결함으로써 중간에 한 곳이 끊어지더라도 데이터를 모두 받을 수 있게 된다.
한편, 상술한 본 발명은 구체적인 실시 예에 관해 설명하였으나, 본 발명의 범위에 벗어나지 않는 한도 내에서 여러 가지 변형이 가능함은 물론이다. 즉, 본 발명은 전술한 실시예 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니고, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 콘크리트 말뚝 외에 일반적인 콘크리트 구조물 등에도 적용 가능하리라는 것은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어 명백할 것이다.
상술한 바에 따른 본 발명의 제작 및 설치로 인하여 말뚝의 깊이별 변형률 측정 및 하중전이 분석을 숙련된 인력, 비용, 기간의 소요 없이 간단하며 신뢰성있게 수행할 수 있게 되는 효과가 있다.
이를 좀더 구체적으로 설명하면, 본 발명에 따른 광섬유 격자센서 어레이는 광섬유 센서 자체의 특성상 전자기장, 물 등 주위환경의 영향을 받지 않으므로 방수처리 등이 필요없고 신뢰성이 높으며, 강선이 광섬유 센서의 보호 역할을 하여 특별한 센서 보호장치가 필요하지 않은 장점이 있다.
또한, 콘크리트 말뚝 철근망 등에 간단히 고정시키는 것만으로 센서와 말뚝이 일체로 움직이게 되어 철근망 등에 센서를 부착시키는 작업이 필요없으며, 광섬유 자체가 연결선 역할도 하므로 부가적인 선처리 작업이 필요없어 설치가 용이하고 경제적인 효과가 있다.
Claims (2)
- 콘크리트 구조물의 축변형률을 측정하기 위한 광섬유 격자센서 어레이에 있어서,길이방향의 홈이 파인 강선과;상기 강선의 홈 내부에 삽지되며, 한가닥의 광섬유에 일정 간격으로 격자 감지부가 새겨진 광섬유 브래그 격자 센서; 및상기 광섬유 브래그 격자 센서가 삽지된 상태에서 상기 강선의 홈 내부에 충진되는 코팅제로 구성되는 것을 특징으로 하는 광섬유 격자센서 어레이.
- 제1항에 있어서,상기 격자 감지부는 상기 광섬유에 콘크리트 구조물의 최대 변형률 측정 개소수와 동일한 수만큼 서로 다른 파장을 가지도록 반복적으로 새겨지며,상기 강선 외피에는 상기 각 파장을 식별할 수 있는 고유번호 또는 기호/색상을 기록되어 변형률 측정위치의 조정 및 측정된 변형률의 발생위치 파악이 용이하도록 한 광섬유 격자센서 어레이.
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| KR1020040091337A KR20060042611A (ko) | 2004-11-10 | 2004-11-10 | 콘크리트 말뚝의 축변형률을 측정하기 위한 광섬유격자센서 어레이 |
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ID=37148460
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