KR20090123347A - 센서 유니트를 가진 복합강연선 및 이의 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명에 따른 센서 유니트를 가진 복합 강연선은 중앙에 위치되는 튜브들과, 상기 튜브들의 주위에 상호 꼬여 튜브와 결합되는 단위 강연선들과, 상기 튜브들 중공에 길이 방향을 설치되는 신호전달부재와, 상기 튜브를 분할하고 이들의 사이에 설치되며 신호전달부재와 연결되는 센서 유니트를 구비한다.

이 센서 유니트를 가진 복합 강연선 및 이의 제조방법은 강연선에 센서유니트의 설치가 용이하고, 강연선의 왜곡을 검출할 수 있는 센서 선정의 자유도를 높일 수 있으며, 공사 현장에서의 시공성을 향상시킬 수 있다.

광섬유, 센서, 강연선, 교량,

Description

센서 유니트를 가진 복합강연선 및 이의 제조방법{wire strand having sensor unit and production method of thereof}

본 발명은 복합 강연선 및 이의 제조방법에 관한 것으로, 교량, 콘크리트 구 조물에 이용되는 복합 강연선의 변형을 검출할 수 있는 센서 유니트를 가진 복합 강연선 및 이의 제조방법에 관한 것이다.

일반적으로 중요한 사회기반 시설물 중의 하나인 교량, 빌딩, 댐 등의 구조물은 지진, 태풍, 홍수 등 예상하지 못한 환경변화로 인하여 구조적인 손상을 받을 수 있으며, 이로부터 잔존수명이 현저히 저하되거나 붕괴될 위험을 가질 수 있다. 이러한 점을 고려하여 최근에는 구조물의 손상과 열화 정도, 또는 구조적인 문제 판단 시 필요한 기초 자료를 습득하기 위하여 구조물의 변형을 측정하기 위한 계측시스템이 도입되고 있다.

이러한 구조물의 변형 또는 인장응력 등을 측정하기 위한 센서는 측정값의 신뢰성, 시공성, 내구성 등을 감안하여 광감도 센서, 간섭형 광섬유센서 및 광섬유 브래그 격자 센서(Fiber optic Bragg Grating sensor)등과 같은 광섬유 센서가 주로 이용된다.

광센서가 적용된 일예로서, 와이어 케이블 및 장력측정 시스템 및 장력측정방법이 일본 공개특허 제 2006-250647호에 개시되어 있다.

개시된 와이어 케이블(wire cable)은 복수의 소선이 꼬아 형성된 것으로, 이의 축방향의 왜곡을 검출하는 왜곡검출수단을 구비한다. 이 왜곡검출수단은 광파이버 센서로 이루어진다. 상기 광 파이버 센서는 상기 와이어 케이블(cable)의 신축에 따라 변형되는데, 이 광화이버 센서의 변형에 의해, 입사된 빛의 주파수변화, 또는 빛의 반사, 굴절 또는 간섭을 검지하는 기술적 구성을 가진다.

상기와 같은 종래의 와이어 케이블은 광파이버 센서가 길이 방향으로 연속하여 설치된 구성을 가지고 있으므로 제조가 어렵다. 그리고 와이어에 설치된 광케이블의 연결단자를 제조하기 위해서는 광섬유 스플라이스 작업이 필요한데, 이러한 작업은 구조물의 건축현장에서 수행하기 어렵다. 와이어 케이블에 광파이버 센서를 삽입하는 과정에서 외부의 자극에 의해 광섬유 뿐만 아니라 센싱부위까지 손상되는 문제점이 있으며, 와이어 내부에서 광섬유 센서가 손상되거나 단락되는 경우 유지보수가 어렵다.

이러한 점을 감안하여 본 발명인은 광섬유 복합 강연선과 그 광섬유 복합 강연선의 제조방법 및 변형율 측정방법을 출원하여 대한 민국 특허등록 제0756056호로 등록 받은 바 있다.

일본 공개 특허 제 2007-1142218호에는 콘크리트(concrete) 구조물 등의 각종 구조물건의 미소한 변형을 검출하는 광케이블이 개시되어 있으며, 등록 실용신안 제 0350221호에는 장력 측정용 광섬유 센서가 개시되어 있다.

본 발명은 상술한 바와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로, 단위 센서유니트를 불연속 적으로 강연선을 따라 설치함으로써 제조가 용이하고, 효율적인 변형율의 측정이 가능하며, 강연선의 제조 및 센서 유니트 설치에 따른 생산성의 향상을 도모할 수 있는 센서 유니트를 가진 복합 강연선을 제공함에 그 목적이 있다.

본 발명의 다른 목적은 센서의 선정에 따른 제약을 줄일 수 있으며, 광섬유 센서의 현장 시공성을 향상시킬 수 있는 센서유니트를 가진 복합강연선 및 이의 제조방법을 제공함에 있다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 센서 유니트를 가지는 복합 강연선은 중앙에 위치되는 튜브들과, 상기 튜브들의 주위에 상호 꼬여 튜브와 결합되는 단위 강연선들과, 상기 튜브들 중공에 길이 방향을 설치되는 신호전달부재와,

상기 튜브를 분할하고 이들의 사이에 설치되며 신호전달부재와 연결되는 센서 유니트를 구비하여 된 것을 그 특징으로 한다.

본 발명에 있어서, 상기 튜브는 킹 케이블을 이루는 단위 강연선에 길이 방향으로 중공이 형성되어 이루어질 수 있다.

상기 센서 유니트는 상기 튜브와 연통되는 중공가 형성된 센서하우징과, 상기 센서 하우징의 중공에 설치되며 튜브에 설치되는 신호전달부재와 연결되는 광섬유 센서를 구비한다. 상기 광섬유 센서는 광섬유 브레그 격자센서가 이용될 수 있다. 상기 센서하우징의 외주면에는 상기 단위 강연선과의 밀착력을 높여 변형력이 원활하게 이루어지도록 단위 강연선의 궤적을 따라 복수의 그루부가 형성될 수 있다.

대안으로 상기 센서 유니트는 상기 튜브들을 연결하는 센서하우징과, 상기 센서하우징에 설치되며 튜브의 중공에 설치되는 신호전달부재와 연결되는 스트레인 게이지를 구비한다.

대안으로 상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 센서 유니트를 가지는 복합강연선은 중앙에 위치되는 신호전달부재와, 신호전달부재의 주위에 길이 방향으로 꼬여 신호전달부재를 감싸는 단위 강연선들과,

상기 단위 강연선들에 의해 감싸여지도록 지지되는 센서하우징과, 상기 센서 하우징에 설치되며 상기 신호전달부재에 의해 연결되어 단위 강연선들의 축방향의 변형을 검출하는 센서를 가진 센서유니트를 구비하여 된 것을 그 특징으로 한다.

상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 센서 유니트를 가진 복합 강연선 제조방법은

중공를 가지는 튜브에 신호전달부재를 삽입하는 튜브 제조 단계와,

상기 튜브의 주위에 단위 강연선들을 길이 방향으로 꼬아 강연선을 제조하는 강연선 제조단계와,

상기 센서하우징의 중공에 광섬유센서를 설치하여 센서 유니트를 제조하는 센서 유니트 제조단계와,

상기 강연선 제조단계에 의해 제조된 강연선에 센서 유니트를 장착하기 위한 위치를 선정하고, 단위 강연선들의 꼬임 방향의 역방향으로 외력을 가하여 상기 튜브를 노출시키는 튜브 노출단계와,

상기 노출된 튜브와 신호절달부재를 절단하고, 상기 광섬유센서와 상기 신호전달부재를 연결하는 제 1연결단계와,

상기 절단된 튜브들과 상기 센서하우징의 양단부를 연결하는 제 2연결단계를 포함하여 된 것을 그 특징으로 한다.

본 발명에 따른 센서 유니트를 가진 복합 강연선 및 이의 제조방법은 강연선에 센서 유니트의 설치가 용이하고, 강연선의 왜곡을 검출할 수 있는 센서 선정의 자유도를 높일 수 있으며, 공사 현장에서의 시공성을 향상시킬 수 있다.

그리고 본 발명에 따른 센서 유니트를 가진 복합 강연선은 센서의 손상을 줄일 수 있으며, 강연선의 변형률 측정에 따른 신뢰성을 높일 수 있다.

본 발명에 따른 복합강연선은 교량, 빌딩, 댐 등과 같은 건축구조물에 이용될 수 있는 것으로, 그 일 실시예를 도 1 내지 도 4에 나타내 보였다.

도면을 참조하면, 도 1, 2에 도시된 바와 같이 교량(100)에 설치되는 복합 강연선(10) 또는 콘크리트 구조물(200) 등에 설치되는 것으로, 도 3에 도시된 바와 같이 중공에 신호전달부재(21)가 설치된 튜브(20)와, 상기 튜브(20)의 주면을 둘러싸며 길이 방향으로 상호 꼬여 튜브(20)를 감싸는 여섯 가닥의 단위 강연선(30)들과, 상기 튜브(20)를 분할하고 이들의 사이에 설치되는 센서유니트(40)를 구비한다.

상술한 바와 같이 구성된 복합 강연선을 구성요소별로 보다 상세하게 설명하면 다음과 같다.

상기 킹케이블을 이루는 튜브(20)는 복합 강연선의 코어를 이루는 것으로 길이 방향으로 중공(22)이 형성되고, 이 중공(22)에 신호전달부재(21)가 설치된다. 이 신호전달부재(21)는 광케이블로 이루어질 수 있으나 이에 한정되지는 않는다. 상기 신호전달부재(21)는 상기 복합강연선(10)의 상대적으로 길지 않은 경우 금속 와이어가 이용될 수 있다. 상기 튜브(20)는 금속재로 이루어지거나 상기 단위 강연선(30)과 동일한 재질로 이루어질 수 있으며, 단위 강연선에 길이 방향으로 중공이 형성되어 이루어질 수 있다. 상기 튜브(20)는 상기 실시예에 의해 한정되지 않고, 신호전달부재(21)를 외력으로부터 보호 할 수 있는 구조이면 어느 것이나 가능하다.

상기 복합 강연선(10)의 킹케이블을 이루는 튜브(20)는 피복이 이루어진 신호 전달부재로 이루어질 수 있다.

상기 센서 유니트(40)는 상기 튜브(20)를 분할하고 이들의 설치되는 것으로, 분할된 튜브(20)들의 단부와 양단부가 각각 결합되는 튜브를 연결하는 센서하우징(41)과, 상기 센서하우징(41)의 중공에 설치되며 분할된 신호전달부재(21)와 연결되는 센서(50)를 구비한다.

상기 튜브(20)와 결합되는 센서하우징(41)의 양측 단부는 상기 센서하우징(41)의 외경보다 상대적으로 작고 상기 튜브(20)의 내경과 실질적으로 동일한 외경을 가지는 결합부(42)를 형성하여 상기 튜브(20)에 삽입함으로써 신축결합 된다. 상기 센서하우징(41)과 튜브(20)의 신축결합은 센서하우징(41)이 튜브(20)에 대해 소정범위 내에서 이송 가능하도록 하여 단위 강연선(30)들의 변형이 센서하우징에 전달시 간섭이 발생되지 않도록 하기 위함이다.

그리고 상기 센서 하우징(41)의 외주면에는 상기 단위 강연선(30)의 변형력 의 전달이 원활하게 이루어질 수 있도록 단위 강연선(30)의 접촉 궤적을 따라 복수의 그루브(43)가 형성될 수 있다. 이때에 상기 그루브(43)는 도 4에 도시된 바와 같이 단위 강연선들의 외주면과 접촉면적을 넓힐 수 있도록 단위 강연선(30)의 외주면과 동일한 곡면을 갖도록 함이 바람직하다. 상기 센서하우징(41)은 도 5에 도시된 바와 같이 그 외주면이 원형으로 이루어질 수 있다.

한편, 도 6에 도시된 바와 같이 상기 센서 하우징(41)의 중공(44)에 형성된 센서(50)는 광섬유센서 즉, 광섬유 브레그 격자센서가 이용될 수 있다. 이 광섬유 브레그 격자 센서는 광섬유에 소정의 간격으로 격자 감지부가 형성되어 이루어진다. 상기 광섬유 브레그 격자센서(51)가 설치된 중공(44)에는 그라우팅 재인 에폭시(52)가 채워져 센서하우징(41)에 대해 광섬유 브레그 격자센서를 고정하여 센서하우징의 변형량이 광섬유 브레그 센서에 그대로 전달될 수 있도록 함이 바람직하다.

상기 중공에 설치되는 광섬유 브레그 격자센서는 광원에 의해 광을 광섬유에 조사시킬 경우 브래그 조건에 맞는 파장 성분은 격자 감지부(51a)에서 반사되고 나머지 파장 성분은 그대로 통과하는 성질을 이용한 것으로, 반사되는 광 및 통과한 광을 광검출기(도시되지 않음)에서 측정하여 각종 물리량의 변화를 측정할 수 있다. 격자 감지부(51a)에서 반사되는 광의 파장인 브래그 파장은 유효 굴절률과 격자 간격의 함수인데, 광섬유 격자 감지부(51a)의 간격이 온도나 하중 등의 외부 물리량에 의해 변경될 경우 격자 감지부(51a)에서 반사되는 광의 파장인 브래그 파장 역시 변하게 되므로, 브래그 파장의 변화를 정밀하게 측정하여 광섬유 격자 감 지부(51a)에 가해진 미지의 물리량 (온도, 변형률)을 계산할 수 있다.

도 7 및 도 8에는 발명에 따른 센서 유니트의 다른 실시예를 나타내 보였다.

도면을 참조하면 센서 유니트(60)는 상기 센서하우징(61)의 일측면에 센서 장착부가 형성되고, 이 센서장착부(62)에 스트레인게이지(65)가 설치된다. 상기 스트레인게이지(65)는 센서 하우징에 형성된 중공에 설치되는 케이블을 통하여 상기 튜브의 신호전달부재(21)와 연결될 수 있다.

상기 센서하우징의 형상은 상술한 실시예들에 의해 한정되지 않고 센서에 따라 다양한 형태로 변형가능하다. 예컨대, 플레이트 바, 형강 등으로 이루어질 수 있다.

상술한 바와 같이 구성된 센서 유니트를 가진 복합 강연선의 제조방법을 설명하면 다음과 같다.

먼저, 센서 유니트를 가진 복합 강연선을 제조하기 위해서는 중공(22)을 가지는 튜브(20)에 신호전달부재(21)를 삽입하는 튜브 제조 단계와, 상기 튜브(20)의 주위에 단위 강연선(30)들을 길이 방향으로 꼬아 강연선을 제조하는 강연선 제조단계를 수행한다.

상기 튜브제조단계에 있어서, 상기 튜브(20)의 제조는 인발 또는 압출성형 하여 제조할 수 있다. 제조된 튜브(20)의 중공(22)에 신호전달부재(21)를 삽입한다. 상기 신호전달부재(21)는 광섬유로 이루어질 수 있는데, 튜브(20)의 중공(22)에 광섬유 삽입은 상기 중공에 고압의 공기를 공급하여 광섬유를 부상시키면서 공 급함으로써 이루어질 수 있다.

상기와 같이 튜브(20)의 제조가 완료되면 상기 튜브(20)의 주위에 단위 강연선(30)들을 서로 꼬이도록 설치함으로서 복합강연선(10)의 제조를 완성한다. 여기에서 상기 킹 케이블 역할을 하는 튜브(20)와 단위 강연선(30)들의 결합력(밀착력)을 높이기 위하여 열처리하는 단계를 수행할 수 있다. 상기와 같이 열처리 하는 과정에서 신호전달부재(21)가 손상될 수 있는데, 상기 신호전달부재(21)를 광섬유를 사용하는 경우, 열처리 시 광섬유가 손상될 수 있으므로 상기 복합강연선을 제조한 후 상기 튜브(20)에 신호전달부재(21)를 삽입할 수도 있다.

한편, 상기 센서하우징(40)의 중공에 광섬유센서(50)를 설치하여 센서 유니트를 제조하는 센서유니트 제조단계을 수행하게 되는데, 상기 센서 유니트(40)는 상술한 바와 같이 센서하우징의 중공에 광섬유 브레그 격자센서를 설치하여 제조하거나 플레이트바 또는 형강 등으로 제조된 센서하우징에 스트레인 게이지(65)와 이 스트레인게이지의 신호를 상기 신호전달부재(21)로 전달하기 위한 케이블을 설치하여 제조할 수 있다.

상기와 같이 복합 강연선과 센서유니트가 제조된 상태에서 복합강연선에 센서 유니트를 설치한다. 이 센서 유니트의 설치는 공사현장 또는 복합강연선의 제조과정에서 이루어질 수 있다.

이 센서 유니트를 설치하기 위해서는 복합 강연선의 센서 유니트(40)의 장착위치를 선정하고, 이 선정된 부위의 단위 강연선(30)들을 도 9에 도시된 바와 같이 꼬임 방향의 역방향으로 외력을 가하여 단위 강선들에 의해 감싸여진 튜 브(20)를 노출시킨다. 그리고 상기 노출된 튜브(20)와 신호절단부재(21)를 센서하우징(41)의 길이를 감안하여 절단하고, 상기 광섬유센서(50)와 상기 신호전달부재(21)를 연결한다. 이때에 상기 신호전달부재(21)가 광섬유로 이루어진 경우 광섬유 센서와 신호전달부재인 광섬유를 페롤를 가진 커넥터를 이용하여 연결할 수 있다. 상기 신호전달부재(21)와 광섬유 센서(50)의 연결이 완료되면 상기 센서 하우징(41)의 양측에 형성된 결합부(42)를 튜브(20)에 삽입한다. 상기와 같이 센서 유니트(40)의 장착이 완료되면 센서장착부의 단위 강연선을 꼬임방향으로 외력을 가하여 센서하우징에 단위 강연선이 밀착되도록 한다.

이상에서 상술한 본 발명의 센서 유니트를 가진 복합강연선은 도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이 교량에 설치되거나 댐, 빌딩 등과 같은 콘트리트 구조물에 적용하여 변형율을 측정하게 된다. 변형율을 측정하기 위해서는 신호전달부재(21)를 통하여 광섬유 격자 브래그 센서 내에 광을 조사하고, 격자 감지부(51)에서 반사된 광 및 격자 감지부(51)를 통과한 광을 검출하여 분석함으로써 복합강연선(10)의 변형률을 측정하는 것이다. 이러한 변형률 측정은 시공 후 실시를 하고, 일정한 간격으로 계속적으로 실시함으로써 변형률의 변화추이를 관찰할 수 있는데, 응력 변형률 관계를 이용하여, 복합강연선의 응력변화를 관찰하고 그 구조물의 열화에 의한 이상 유무 역시 파악할 수 있다.

본 발명은 도면에 도시된 일 실시예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다.

따라서 본 발명의 진정한 보호 범위는 첨부된 청구범위에 의해서만 정해져야 할 것이다.

본 발명의 센서유니트를 가진 복합 강연선은 각종 교량, 건축 구조물, 산업시설 등에 널리 적용 가능하다.

도 1은 본 발명에 따른 센서 유니트를 가진 복합 강연선이 설치된 교량을 나타내 보인 일부 절제 측면도,

도 2는 콘크리트 구조물에 복합 강연선이 설치되 상태를 나타내 보인 사시도,

도 3은 본 발명에 따른 복합 강연선에 센서 유니트가 설치된 상태를 나타내 보인 분리 사시도,

도 4은 센서유니트를 가진 복합 강연선의 횡 단면도,

도 5는 센서유니트를 가진 복합 강연선의 다른 실시예를 나타내 보인 횡 단면도.

도 6는 센서 유니트의 종 단면도,

도 7은 본 발명에 다른 센서 유니트가 장착된 복합 강연선의 다른 실시예를 나타내 보인 분리 사시도,

도 8은 센서유니트의 다른 실시예를 나타내 보인 일부절제 사시도.

도 9는 강연선에 센서 유니트를 설치하는 방법을 나타내 보인 사시도.

Claims (8)

1. 중앙에 위치되는 튜브들과, 상기 튜브들의 주위에 상호 꼬여 튜브와 결합되는 단위 강연선들과, 상기 튜브들 중공에 길이 방향을 설치되는 신호전달부재와,

   상기 튜브를 분할하고 이들의 사이에 설치되며 신호전달부재와 연결되는 센서 유니트를 구비하여 된 것을 특징으로 하는 센서유니트를 가진 복합 강연선.
2. 제 1항에 있어서,

   상기 튜브는 하나의 킹 케이블을 이루는 단위 강연선에 길이 방향으로 중공이 형성되어 이루어진 것을 특징으로 하는 센서 유니트를 가진 복합 강연선.
3. 제 1항에 있어서,

   상기 센서 유니트는

   상기 튜브와 연통되는 중공이 형성된 센서하우징과, 상기 센서하우징의 중공에 설치되며 튜브에 설치되는 신호전달부재와 연결되 광섬유 센서를 구비하여 된 것을 특징으로 하는 센서 유니트를 가진 복합 강연선.
4. 제 1항에 있어서,

   상기 광섬유 센서는 광섬유 브레그 격자센서인 것을 특징으로 하는 센서 유니트를 가진 복합 강연선.
5. 제 1항에 있어서,

   상기 센서하우징의 외주면에는 상기 단위 강연선과의 밀착을 위하여 강연선의 궤적을 따라 복수의 그루부가 형성된 것을 특징으로 하는 센서 유니트를 가진 복합 강연선.
6. 제 1항에 있어서,

   상기 센서 유니트는 상기 튜브들을 연결하는 센서하우징과, 상기 센서하우징에 설치되며 튜브의 중공에 설치되는 신호전달부재와 연결되는 스트레인 게이지를 구비하여 된 것을 특징으로 하는 센서 유니트를 가진 복합 강연선.
7. 중앙에 위치되는 신호전달부재와, 신호전달부재의 주위에 길이 방향으로 꼬여 신호전달부재를 감싸는 단위 강연선들과,

   상기 단위 강연선들에 의해 감싸여지도록 지지되는 센서하우징과, 상기 센서 하우징에 설치되며 상기 신호전달부재에 의해 연결되어 단위 강연선들의 축방향 의 변형을 검출하는 센서를 가진 센서 유니트를 구비하여 된 것을 특징으로 하는 센서유니트를 가진 복합 강연선.
8. 중공를 가지는 튜브에 신호전달부재를 삽입하는 튜브 제조 단계와,

   상기 튜브의 주위에 단위 강연선들을 길이 방향으로 꼬아 강연선을 제조하는 강연선 제조단계와,

   상기 센서하우징의 중공에 광섬유센서를 설치하여 센서 유니트를 제조하는 센서 유니트 제조단계와,

   상기 강연선 제조단계에 의해 제조된 강연선의 센서유니트의 장착위치를 선정하고, 단위 강연선들의 꼬임 방향의 역방향으로 외력을 가하여 상기 튜브를 노출시키는 튜브 노출단계와,

   상기 노출된 튜브와 신호절단부재를 절단하고, 상기 광섬유센서와 상기 신호전달부재를 연결하는 제 1연결단계와,

   상기 절단된 튜브들과 상기 센서하우징의 양단부를 연결하는 제 2연결단계를 포함하여 된 것을 특징으로 하는 센서 유니트를 가진 복합 강연선의 제조방법.

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