KR20080038565A - 현수 시스템의 케이블 장력 측정을 위한 표준 실험 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 측정결과에 대한 재현성과 신뢰성을 확보할 수 있고, 케이블 장력 측정기법의 표준화를 확보할 수 있으며, 산업현장에서 활용도를 높일 수 있는 현수 시스템의 케이블 장력 측정을 위한 표준 실험 장치에 관한 것이다.

본 발명은 케이블의 장력변화에 따른 강재케이블의 투자율이 변화된다는 특성을 이용한 자기적 특성변화를 측정하여 이들의 관계로부터 케이블의 장력을 예측하는 기법을 채택하여 케이블의 실제 장력을 측정할 수 있는 장치를 구현함으로써, 실내에서도 케이블의 장력측정이 가능하여 외부 환경에 의한 영향이나 제한없이 항상 측정이 가능하고, 따라서 산업현장에서 활용도가 높은 표준 실험 장치를 제공한다.

현수 시스템, 케이블 장력, 표준 실험 장치

Description

현수 시스템의 케이블 장력 측정을 위한 표준 실험 장치{The standard test system for the cable tension measurement of suspension system}

도 1a 및 1b는 본 발명의 일 구현예에 따른 표준 실험 장치를 나타내는 사시도

도 2는 본 발명의 일 구현예에 따른 표준 실험 장치에서 케이블 연결상태를 나타내는 사시도

도 3은 본 발명의 일 구현예에 따른 표준 실험 장치의 사용상태를 나타내는 정면도

도 4는 본 발명의 일 구현예에 따른 표준 실험 장치를 사용하여 케이블 장력을 측정한 결과를 나타내는 그래프

<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>

10 : 본체 11 : 하중 수감부

12 : 하중 구동부 13 : 바

14 : 지지 플레이트 15 : 연결 플레이트

16 : 헤드 17 : 유압 실린더

18 : 케이블

본 발명은 현수 시스템의 케이블 장력 측정을 위한 표준 실험 장치에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 측정결과에 대한 재현성과 신뢰성을 확보할 수 있고, 케이블 장력 측정기법의 표준화를 확보할 수 있으며, 산업현장에서 활용도를 높일 수 있는 현수 시스템의 케이블 장력 측정을 위한 표준 실험 장치에 관한 것이다.

일반적으로 교량에서 케이블은 구조물의 안전성에 중요한 역할을 하며 많은 영향을 주기 때문에 구조물의 안전을 위해 신뢰성있는 장력 측정기술이 요구되며, 케이블의 장력을 정확히 측정할 수 있는 측정기법과 측정방법을 개발할 필요가 있다.

케이블 구조물의 건설시 여러 가지 오차유발에 의하여 케이블의 장력변화가 발생하고 이는 구조물의 형상에 영향을 주게 된다.

구조물에서 원하는 케이블 장력과 구조물의 설계형상을 얻기 위해서는 설치된 케이블의 장력을 정확히 측정해야 하며, 또한 케이블 구조물이 완공된 후에도 교량의 유지관리를 위하여 케이블의 장력이 측정되고 있다.

따라서, 케이블의 장력 측정은 구조물 시공 중뿐만 아니라 완공 후에도 교량 전체적인 관리차원에서 중요하다.

현수 시스템에서 케이블의 선택은 케이블의 장력, 길이 및 단면적을 기본적으로 결정하여야 하며, 이러한 사항들이 결정되었을 때 적절한 장력 측정방법이 결 정되고 실제적인 장력 측정이 이루어진다.

케이블의 장력 측정 방법은 고유진동수를 측정하여 장력을 구하는 진동법, 로드셀을 이용하여 장력을 측정하는 방법, 유압잭을 사용하여 측정하는 방법 등이 있으나, 측정결과에 대한 재현성과 신뢰성이 부족하여 이에 대한 많은 연구가 진행되고 있다.

보통 형교에 사용되는 내부 긴장재를 총칭하여 텐던이라 하고, 현수교나 사장교의 외부 긴장재를 총칭하여 케이블이라 한다.

텐던이나 케이블 모두 긴장되는 단위체로 그 구성은 다발의 와이어, 강봉, 강연선으로 이루어지며 이들 중 가장 보편적으로 사용되는 것은 7연선이다.

이밖에도 2연선, 3연선, 19연선 등이 있으며 7연선 케이블의 단면은 12.7mm, 15.2mm, 15.7mm 등이 있다.

이들 중 12.7mm는 주로 소규모 형교에 많이 사용되며, 15.2mm와 15.7mm는 형교뿐만 아니라 비부착 상태로 사장교 등에 많이 사용되는 강연선이다.

그리고, 이 케이블들의 극한강도 범위는 대체적으로 1,770~1.860MPa를 갖는다.

PC 강선 및 PC 강연선의 특성은 KS D 7002-2002에 자세히 서술되어 있다.

와이어 로프의 구성은 통상 중심(Core)과 이를 둘러싼 수개의 스트랜드(Strand)로 크게 구분하여 설명할 수 있다.

스트랜드의 수는 구성에 따라 달라질 수 있지만 일반적으로 3~8개로 이루어지며, 스트랜드를 구성하는 강선(Wire)의 수는 로프의 종류에 따라 다양하게 배열 되어지며 와이어 로프의 특성은 KS D 3514-2002에 자세하게 서술되어 있다.

위에서 언급한 바와 같이, 케이블의 장력 측정 방법은 크게 동적인 방법과 정적인 방법으로 나누어질 수 있으며, 동적측정기법은 케이블의 고유진동수를 측정하여 장력을 구하는 진동법이 있다.

정적인 방법은 로드셀을 이용하여 장력을 측정하는 방법과 유압잭을 사용하여 측정하는 방법으로 구별된다.

동적인 방법인 진동법은 케이블의 상시진동 신호를 케이블에 부착된 가속도계로 수집하여 이로부터 케이블의 고유진동수를 계측한 후 적절한 이론식을 이용하여 케이블 장력을 산정하는 방법이다.

케이블의 휨강성, sag, 경사각 등의 영향을 고려하여 장력을 구하는 것으로 간편하고 케이블의 종류에 상관없이 장력을 측정할 수 있다는 장점을 가지고 있으며, 현재 케이블의 장력 측정을 위해 가장 널리 사용되고 있는 방법이다.

그러나, 짧은 케이블과 같이 휨강성의 영향이 큰 경우나 지점조건이 복잡할 때 진동법에 의한 장력 산정 방법은 계측된 신호의 제한성, 분석의 어려움, 그리고 수치 모델링의 한계성 등으로 인해 결과에 대해 신뢰도가 상당히 떨어지며 때로는 측정이 불가능한 경우도 많고 결과물의 검증 기준도 모호하다.

로드셀을 이용하는 방법은 로드셀을 인장정착구 혹은 고정정착구의 지압판에 부착하여 영구적으로 사용하며 장력의 도입과 변화를 정확히 확인할 수 있는 장점이 있으며, 유압잭에 의한 방법은 케이블 단부에 설치한 유압잭에 걸리는 압력을 측정하여 케이블에 도입된 장력을 측정하는 방법이다.

이러한 정적인 측정 방법은 케이블의 처짐 정도를 측정하여 장력을 산출하는 방식이다.

그러나, 이 두 기법은 계측시 오차가 많고 처짐의 측정이 난해하여 잘 사용되지 않는다.

본 발명에서는 이러한 문제점을 보완하기 위해 새로운 장력측정기법을 제시하고 있으며, 본 발명의 시스템은 케이블의 장력변화에 따라 강재케이블의 투자율이 변화된다는 특성을 이용한 자기적 특성변화를 측정하여 이들의 관계로부터 케이블의 장력을 예측하는 기법이다.

이를 위하여, 본 발명에서는 현수 시스템에서 케이블의 실제 장력을 측정할 수 있는 장치를 제공한다.

따라서, 본 발명은 실내에서도 케이블의 장력측정이 가능하여 외부 환경에 의한 영향이나 제한없이 항상 측정이 가능한 장점이 있으며, 이에 따라 산업현장에서 활용도가 높은 표준 실험 장치를 제공하는데 그 목적이 있다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명은 본체의 한쪽에 설치되어 케이블의 일측을 걸 수 있으며 로드셀을 이용하여 하중을 측정하는 하중 수감부와, 상기 하중 수감부와 마주보는 위치의 본체 다른 한쪽에 설치되어 케이블의 다른 일측을 걸 수 있으며 유압방식으로 케이블에 장력을 부여하는 하중 구동부와, 케이블에 전류를 입력하여 케이블 장력변화에 따라 출력되는 전압값을 측정하는 자기 특성변화 측정부와, 상기 하중 구동부의 통제 및 상기 하중 수감부의 하중을 읽는 동시에 자기 특성변화 측정부의 투자율을 읽는 컨트롤러를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 본체는 소정의 내부 공간을 조성하면서 길이방향으로 나란하게 배치되는 적어도 4개의 바와, 상기 각 바의 양단부를 지지하면서 하중 수감부 및 하중 구동부의 구성요소 설치를 위한 자리를 제공하는 각각의 지지 플레이트로 구성되는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 본체는 바 중간을 연결해주는 연결 플레이트를 이용한 조립형 구조로 이루어진 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 하중 수감부와 하중 구동부는 케이블의 한쪽을 착탈가능한 형태로 걸 수 있는 헤드를 포함하는 것을 특징으로 한다.

이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 표준 실험 장치를 상세히 설명하면 다음과 같다.

도 1a 및 1b는 본 발명의 일 구현예에 따른 표준 실험 장치를 나타내는 사시도이다.

도 1a 및 1b에 도시한 바와 같이, 상기 표준 실험 장치는 크게 장치의 프레임을 구성하는 본체(10), 케이블에 가해지는 하중을 감지할 수 있는 하중 수감부(11), 케이블에 하중을 가할 수 있는 하중 구동부(12), 케이블로부터 투자율의 변화를 측정할 수 있는 자기 특성변화 측정부와, 각 구성 요소들의 제어를 위한 컨트롤러 등을 포함한다.

상기 본체(10)는 2개의 수직형 지지 플레이트(14)가 양편에서 일정간격을 두고 서로 마주보는 형태로 배치되고, 이렇게 배치되는 2개의 지지 플레이트(14) 사이에 적어도 4개의 바(13)가 사각형의 단면구도를 이루면서 나란하게 설치되는 구조물로 이루어져 있다.

상기 지지 플레이트(14)는 하중 수감부(11) 및 하중 구동부(12)의 각 구성부품들이 설치되는 부분이며, 상기 각 바(13)는 케이블에 대한 하중 인가시 구조물의 구조적 강성을 발휘하는 부분이다.

특히, 상기 본체(10)는 두부분의 조립형 형태를 가질 수 있는데, 이를 위하여 2개의 연결 플레이트(15)가 구비되고, 바(13)의 길이 중간에서 연결 플레이트(15) 간의 체결에 의한 조립식 구조로 본체가 일체식으로 구성될 수 있다.

상기 본체(10)의 지지는 지지 플레이트(14) 및/또는 연결 플레이트(15)를 실험실 바닥이나 베이스 등에 체결 고정하는 구조를 통해 구현할 수 있다.

상기 하중 수감부(11)는 로드셀을 이용하여 하중을 측정하는 부분으로서, 한쪽의 지지 플레이트(14)에 그 중심을 관통하는 구조로 설치된다.

예를 들면, 지지 플레이트(14)의 중심부에 축부재가 관통 설치되고, 이때의 축부재상에 로드셀이 연결 설치되므로서, 축부재를 통해 전해지는 하중을 로드셀이 측정한 후 이때의 측정값을 후술하는 컨트롤러에 제공할 수 있다.

또한, 상기 축부재의 한쪽 끝, 즉 지지 플레이트(14)의 안쪽으로 위치되는 선단부에는 대략 'ㄷ'자 형상의 헤드(16)가 장착되어 있으며, 이때의 헤드(16)를 이용하여 핀으로 체결하는 방식으로 케이블의 한쪽 끝을 걸 수 있다.

상기 하중 구동부(12)는 유압방식으로 케이블에 하중을 제공하는 부분이다.

이를 위하여, 다른 한쪽의 지지 플레이트(14)상에는 그 로드가 플레이트 중심을 관통하면서 안쪽까지 연장되는 구조로 유압 실린더(17)가 설치되고, 이때의 유압 실린더(17)에는 유압펌프 등을 포함하는 유압발생수단이 연결 설치된다.

이에 따라, 유압 실린더(17)에 유압이 제공되면 실린더 로드가 후진하면서 케이블(18)을 당겨줄 수 있다.

이때의 유압 실린더와 유압펌프 등 간의 유압공급은 공지의 배관구조를 통해 구현할 수 있다.

또한, 상기 하중 구동부(12)의 경우에도 케이블을 걸 수 있는 수단을 포함하며, 위의 하중 수감부(11)와 마찬가지로 지지 플레이트(14)의 안쪽으로 위치되는 로드의 끝에 대략 'ㄷ'자 형상의 헤드(16)가 장착되고, 이때의 헤드(16)를 이용하여 핀으로 체결하는 방식으로 케이블의 한쪽 끝을 걸 수 있다.

상기 자기 특성변화 측정부는 케이블의 장력변화에 따른 장력측정센서의 유기전압의 변화를 측정하는 부분이다.

예를 들면, 상기 자기 특성변화 측정부는 케이블에 설치하여 장력을 감지하는 공지의 장력측정센서와, 상기 장력측정센서에 적절한 자계를 가하기 위한 자계제어장치와, 장력에 따라 장력측정센서의 2차 코일에 유기되는 자속을 측정하는 자속측정장치로 구성된다.

여기에 사용된 장력측정센서는 보빈에 2종류의 코일을 감은 형태로 이루어질 수 있는데, 1차 코일은 케이블에 자계를 가하기 위해 큰 전류를 흘리기 위하여 굵은 코일로 감겨질 수 있고, 2차 코일은 케이블에 걸린 장력에 따라 유기된 전압을 감지하기 위하여 가느다란 코일로 감겨질 수 있다.

이의 기본 동작원리는 케이블에 설치된 장력측정센서의 1차 코일에 전류를 가하여 케이블에 자속을 발생시키게 되는데, 발생되는 자속의 크기는 1차 코일에 흐르는 전류의 크기에 비례하고, 또한 장력에 따라 강재 케이블의 투자율이 변화되어 케이블에 흐르는 자속이 변하게 된다.

이로 인해, 2차 코일에 유기되는 전압이 다르게 됨으로 2차 코일에 유기된 전압을 측정함으로 케이블에 걸린 장력을 환산하는 기본 원리를 이용한 것이다.

상기 컨트롤러는 유압 실린더를 통제하거나, 하중 수감부의 하중을 읽거나 자기 특성변화 측정부를 제어하거나 하는 등의 일을 관장한다.

즉, 상기 컨트롤러는 유압 실린더를 구동시켜 케이블에 하중을 가하는 일, 하중 수감부의 로드셀로부터 얻어지는 측정값을 읽는 일, 자기 특성변화 측정부를 제어하여 전류를 인가하고 출력되는 전압값을 읽는 일 등을 수행한다.

여기서, 컨트롤러의 제어와 관련하여 센서를 통한 전류 인가 및 전압값 측정 방법, 로드셀을 통한 하중 읽는 방법, 유압 실린더를 통한 하중 인가 방법 등은 당해 기술분야에서 통상적으로 알려져 있는 방법이라면 특별히 제한되지 않고 채택될 수 있다.

도 2는 본 발명의 일 구현예에 따른 표준 실험 장치에서 케이블의 연결 상태 를 나타내는 사시도이다.

도 2에 도시한 바와 같이, 여기서는 케이블(18)의 양단부를 고리 형태로 만들고, 이때의 고리 부위를 양쪽 각 헤드에 핀으로 걸어서 연결하는 형태를 보여준다.

즉, 장력 실험을 위해 케이블을 장치에 연결 설치하기 위한 형태를 보여준다.

도 3은 본 발명의 일 구현예에 따른 표준 실험 장치의 사용상태를 나타내는 정면도이다.

도 3에 도시한 바와 같이, 본체(10)를 수평상태로 설치한 다음 서로 마주보고 있는 하중 수감부(11)의 헤드(16)와 하중 구동부(12)의 헤드(16) 사이에 케이블(18)의 양단을 이용하여 연결하고, 자기 특성변화 측정부의 센서를 케이블 일측에 설치하면 케이블 장력 측정을 위한 실험준비가 완료된다.

컨트롤러의 제어에 의해 자기 특성변화 측정부를 통한 전류가 케이블측에 인가되고, 이와 동시에 하중 구동부의 유압 실린더가 작동하면 케이블에 하중이 걸리게 되며, 따라서 이때 나타나는 하중값을 하중 수감부의 로드셀로부터 얻고 또 케이블 장력변화에 따라 출력되는 전압값을 측정하는 방식으로 케이블 장력을 측정할 수 있다.

이하, 본 발명의 표준 실험 장치에 대한 바람직한 구현예를 설명한다.

본 발명의 표준 실험 장치는 표준 케이블 장력 시험기로서, 크게 하중 수감부, 제어를 위한 컨트롤러(컨트롤박스), 하중 구동부(유압 실린더+유압장치)로 구 성되어 있다.

하중 수감부는 로드셀에 의해 하중을 측정하게 되며 300kN 용량의 로드셀을 사용하였다.

하중 구동부는 유압식 정압방식으로 피스톤 펌프의 최대 압력은 21MPa, 유압 실린더의 스트로크는 400mm로 설정하였다.

컨트롤러에서는 유압 실린더의 통제와 하중 수감부의 하중을 읽는 일을 하도록 하였다.

위와 같은 기본 사양을 갖는 케이블 장력 시험기를 이용하여 기초 실험을 수행하였다.

본 실험을 통해 케이블 장력 측정을 위한 표준 시험편 제작에 필요한 변수들을 확인하고자 하였으며, 오차를 발생시킬 수 있는 문제들을 해결하고자 하였다.

시험편 제작 과정에서 주로 사용되는 7연선 Ø50mm인 것을 만들어 기본 실험을 진행하였으며, 그에 따른 결과값을 측정하였다.

장력 측정 시험은 시험편을 장치에 설치한 후에 케이블에 센서를 연결하여 케이블에 장력을 가하면서 시험을 진행하였으며, 입력전류를 통해 변화된 장력값에 따라 출력되는 전압값을 측정하였다.

즉, 장력변화에 따른 전압변화를 측정하였으며, 실험결과를 아래의 표 1과 도 4에 나타내었다.

시험 1과 3은 0 ton에서 100 ton까지 하중을 가하면서 시험을 하였으며, 시험 2와 4는 100 ton에서 0 ton으로 하중을 변화시키면서 측정을 하였다.

이와 같이 본 발명에서 제공하는 표준 시험 장치의 경우 케이블 장력을 정확히 측정할 수 있고 시험을 손쉽게 수행할 수 있으므로, 장력 측정에 관한 측정결과의 신뢰성과 반복실험과 관련한 재현성을 확보할 수 있고, 외부환경의 영향이 적기때문에 현장 적용 및 실내 시험장치로 활용이 가능하다.

이상에서 설명한 바와 같이 본 발명의 표준 실험 장치는 외부환경에 영향이 적어 현장 적용 및 실내 실험장치로 활용이 가능한 장점이 있으며, 더 나아가 본 발명의 표준 실험 장치를 이용하여 장력을 측정하고 이를 통한 안전진단 및 구조물 설계에 활용할 수 있는 효과가 있다.

Claims (4)

1. 본체(10)의 한쪽에 설치되어 케이블의 일측을 걸 수 있으며 로드셀을 이용하여 하중을 측정하는 하중 수감부(11)와, 상기 하중 수감부(11)와 마주보는 위치의 본체 다른 한쪽에 설치되어 케이블의 다른 일측을 걸 수 있으며 유압방식으로 케이블에 장력을 부여하는 하중 구동부(12)와, 케이블에 전류를 입력하여 케이블 장력변화에 따라 출력되는 전압값을 측정하는 자기 특성변화 측정부와, 상기 하중 구동부(12)의 통제 및 상기 하중 수감부(11)의 하중을 읽는 동시에 자기 특성변화 측정부의 투자율을 읽는 컨트롤러를 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 현수 시스템의 케이블 장력 측정을 위한 표준 실험 장치.
2. 청구항 1에 있어서, 상기 본체(10)는 소정의 내부 공간을 조성하면서 길이방향으로 나란하게 배치되는 적어도 4개의 바(13)와, 상기 각 바(13)의 양단부를 지지하면서 하중 수감부(11) 및 하중 구동부(12)의 구성요소 설치를 위한 자리를 제공하는 각각의 지지 플레이트(14)로 구성되는 것을 특징으로 하는 현수 시스템의 케이블 장력 측정을 위한 표준 실험 장치.
3. 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서, 상기 본체(10)는 바 중간을 연결해주는 연결 플레이트(15)를 이용한 조립형 구조로 이루어진 것을 특징으로 하는 현수 시스템의 케이블 장력 측정을 위한 표준 실험 장치.
4. 청구항 1에 있어서, 상기 하중 수감부(11)와 하중 구동부(12)는 케이블의 한쪽을 착탈가능한 형태로 걸 수 있는 헤드(16)를 포함하는 것을 특징으로 하는 현수 시스템의 케이블 장력 측정을 위한 표준 실험 장치.

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