KR20110109217A - 케이블의 장력 측정 방법, 이를 실행하는 프로그램이 기록된 기록매체, 및 그 프로그램이 설치된 분석 장치 - Google Patents

Abstract

케이블의 장력 측정 방법, 이를 실행하는 프로그램이 기록된 기록매체, 및 그 프로그램이 설치된 분석 장치가 개시된다. 본 발명은, 분석 장치가 케이블에 대해 비부착식 레이저 계측기를 통해 얻어진 케이블의 진동 신호에 대해 고속 푸리에 변환 해석을 실행하고, 고속 푸리에 변환 해석을 통해 얻어진 각 차수(n)별 고유 진동수(f_n)에 기초하여 케이블의 장력을 산정하는 과정을 통해 구현된다. 본 발명에 따르면, 별도의 작업공간을 설치하지 않은 상태에서도 실시간으로 높은 정밀도로 케이블의 장력을 측정할 수 있게 된다.

Description

케이블의 장력 측정 방법, 이를 실행하는 프로그램이 기록된 기록매체, 및 그 프로그램이 설치된 분석 장치{Method for Measuring Tension of Cable, Media that Program Executing the Method is Recorded, Analyzing Device that the Program is Installed}

본 발명은 케이블의 장력 측정 방법, 이를 실행하는 프로그램이 기록된 기록매체, 및 그 프로그램이 설치된 분석 장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 별도의 작업공간을 설치하지 않은 상태에서도 실시간으로 높은 정밀도로 케이블의 장력을 측정할 수 있는 케이블의 장력 측정 방법, 이를 실행하는 프로그램이 기록된 기록매체, 및 그 프로그램이 설치된 분석 장치에 관한 것이다.

토목건설분야 기술발전에 따라 국내에서 신설되는 교량의 설계에 있어서 사장교의 채택이 증대되고 있다. 사장교에서 주요 구조부재인 케이블은 상부구조의 하중을 주탑과 케이블 정착구로 전달하는 역할을 하고 있으며, 전체 구조계의 안전성에 미치는 영향이 매우 크기 때문에 지속적인 장력의 측정 및 평가가 필수적이고, 이는 가설시의 안전사고 방지뿐만 아니라 준공 후 교량의 유지관리 측면에서도 매우 중요하다.

종래 기술에 따른 케이블의 장력을 측정하는 방법에는 장력측정장비를 이용하는 직접 계측 방법이 있으며, 구체적으로는 로드셀을 이용하는 방법과 유압잭을 이용하는 방법이 있다.

로드셀을 이용하는 방법은 인장 정착구 혹은 고정 정착구의 지압판에 로드셀을 부착하여 장력을 계측하는 방법으로서, 다른 방법들에 비하여 정확한 장력측정이 가능하다는 장점이 있으나 비용이 고가라는 문제가 있다. 또한, 로드셀의 수명은 구조물의 수명에 비해 아주 짧기 때문에 오동작시 유지보수가 곤란하다는 문제가 있다.

한편, 유압잭을 이용하는 방법은 케이블 단부에 설치한 유압잭의 압력을 측정하여 케이블에 도입된 장력을 계측하는 방법으로서, 사장교 케이블의 경우 강연선 1본의 장력을 계측하여 케이블 1본의 장력을 추정하기 때문에 로드셀을 이용하는 방법보다는 저렴하지만 정확도가 떨어진다는 문제가 있다. 또한, 유압잭 설치를 위한 작업공간이 확보되어야 하는 단점이 있다.

따라서, 본 발명의 목적은, 별도의 작업공간을 설치하지 않은 상태에서도 실시간으로 높은 정밀도로 케이블의 장력을 측정할 수 있는 케이블의 장력 측정 방법, 이를 실행하는 프로그램이 기록된 기록매체, 및 그 프로그램이 설치된 분석 장치를 제공함에 있다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 케이블의 장력 측정 방법은, 케이블의 장력 측정 방법에 있어서, (a) 분석 장치가, 상기 케이블에 대해 비부착식 레이저 계측기를 통해 얻어진 상기 케이블의 진동 신호에 대해 고속 푸리에 변환 해석을 실행하는 단계; 및 (b) 상기 분석 장치가, 상기 고속 푸리에 변환 해석을 통해 얻어진 각 차수(n)별 고유 진동수(f_n)에 기초하여 상기 케이블의 장력을 산정하는 단계를 포함한다.

바람직하게는, 상기 (b) 단계는, n²을 X축의 값으로 하고, (f_n/n)²을 Y축의 값으로 하는 1차 회귀 방정식의 Y축 절편값을 산출하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.

또한, 고유 진동수의 차수인 상기 n은 2 이상의 자연수인 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 (b) 단계는, 상기 Y축 절편값에 상기 케이블의 단위중량, 및 상기 케이블의 유효길이의 제곱값을 곱하고, 중력 가속도로 나눈 값의 4배의 값을 상기 케이블의 장력값으로 산출하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.

한편, 본 발명에 따른 기록 매체는, 상기 케이블의 장력 측정 방법을 실행하는 프로그램이 기록된 것을 특징으로 한다.

한편, 본 발명에 따른 분석 장치는, 상기 케이블의 장력 측정 방법을 실행하는 프로그램이 설치된 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따르면, 별도의 작업공간을 설치하지 않은 상태에서도 실시간으로 높은 정밀도로 케이블의 장력을 측정할 수 있게 된다.

도 1은 본 발명에 따른 케이블의 장력 측정 시스템의 구조를 나타내는 도면,
도 2는 본 발명에 따른 케이블의 장력 측정 방법의 실행 과정을 설명하는 절차 흐름도, 및
도 3은 본 발명에서의 1차 회귀 방정식의 그래프를 나타낸 도면이다.

이하에서는 도면을 참조하여 본 발명을 보다 상세하게 설명한다. 도면들 중 동일한 구성요소들은 가능한 한 어느 곳에서든지 동일한 부호들로 나타내고 있음에 유의해야 한다. 또한 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있는 공지 기능 및 구성에 대한 상세한 설명은 생략한다.

도 1은 본 발명에 따른 케이블의 장력 측정 시스템의 구조를 나타내는 도면이다. 도 1을 참조하면, 본 발명에 따른 케이블의 장력 측정 시스템은 레이저 계측기(50), 및 분석 장치(100)를 포함한다. 레이저 계측기(50)는 비부착식으로 사장교의 케이블(150)에 레이저를 조사하고, 케이블(150)로부터 반사되는 레이저를 통해 대상 케이블(150)의 진동 신호를 획득한다.

레이저 계측기(50)가 획득한 케이블(150)의 진동 신호값은 분석 장치(100)로 전송되며, 분석 장치(100)는 케이블(150)의 진동 신호값에 대해 고속 푸리에 변환 (fast fourier transform:FFT) 해석을 실행하며, 이에 의해 획득된 각 차수(n)별 고유 진동수(f_n)에 기초하여 케이블(150)의 장력을 산정한다.

본 발명을 실시함에 있어서, 분석 장치(100)에는 레이저 계측기(50)로부터의 진동 신호값에 대해 FFT 해석을 실행하고, 이에 의해 획득된 각 차수별 고유 진동수에 기초하여 케이블(150)의 장력을 산정하는 일련의 과정을 실행하는 프로그램이 설치되어 있는 것이 바람직할 것이다.

도 2는 본 발명에 따른 케이블의 장력 측정 방법의 실행 과정을 설명하는 절차 흐름도이다. 도 1 및 도 2를 참조하여, 본 발명에 따른 케이블의 장력 측정 방법의 실행 과정을 설명하면, 먼저, 비부착식 레이저 계측기(50)는 대상 케이블(150)을 소정의 시간 동안 계측함으로써, 대상 케이블(150)의 진동 신호값을 획득한다(S210).

레이저 계측기(50)기 획득한 진동 신호값은 분석 장치(100)로 전송되며, 분석 장치(100)는 대상 케이블(150)의 진동 신호값에 대해 FFT 해석을 실행한다(S220).

한편, 분석 장치(100)는 전술한 FFT 해석을 통해 각 차수(n)별 고유 진동수(f_n)를 획득하고 이를 저장한다(S230).

분석 장치(100)는 이와 같이 저장된 각 차수(n)별 고유 진동수(f_n)에 기초하여 후술하는 과정을 통해 케이블(150)의 장력을 산출한다.

하기의 수학식 1은 케이블(150)의 장력을 산출하기 위해 본 발명에서 제안되는 휨강성을 고려한 케이블의 진동 방정식이다.

여기서,

w: 단위 케이블 중량(t/m),

g: 중력가속도(m/sec²),

z: 케이블의 처짐량(m),

EI: 케이블의 휨강성(tm²),

T: 케이블 장력(t),

t:시간(sec),

x: 케이블의 길이방향에 따른 좌표값(m)

상기 수학식 1에서의 진동 방정식은 양단 힌지의 경계조건을 이용하여 하기의 수학식 2에서와 같은 미분 방정식의 일반해를 얻을 수 있다.

여기서,

n: 진동모드의 차수,

f_n: n차 모드의 진동수(Hz),

L_e: 케이블의 유효길이(m)

한편, 상기 수학식 2는 하기의 수학식 3과 같이 표현될 수 있다.

상기 수학식 3은 n²을 X축의 값으로 하고, (f_n/n)²을 Y축의 값으로 하는 1차 회귀 방정식으로 나타낼 수 있으며 이는 도 3에서와 같이 도시된다.

본 발명을 실시함에 있어서, 도 3에서 확인할 수 있는 바와 같이 1차 회귀 방정식을 나타냄에 있어서 n=1인 1차 모드는 제외하는 것이 바람직할 것이다. 즉, n은 2 이상의 자연수를 순차적으로 적용하여 회귀 방정식을 나타내는 것이 바람직하다.

도 3에서의 1차 회귀 방정식의 기울기를 a라 하고, Y축 절편값을 b라고 하면 상기 수학식 3은 하기의 수학식 4와 같이 나타낼 수 있다.

상기 수학식 4로부터 케이블(150)의 장력은 하기의 수학식 5를 통해 산출될 수 있을 것이다.

즉, 분석 장치(100)는 도 3에서의 1차 회귀 방정식의 기울기(a) 및 Y축 절편값(b)을 산출한 후에(S240), Y축 절편값(b)을 이용하여 상기의 수학식 5를 통해 케이블(150)의 장력을 산출하게 된다(S250).

이상에서는 본 발명의 바람직한 실시예 및 응용예에 대하여 도시하고 설명하였지만, 본 발명은 상술한 특정의 실시예 및 응용예에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진자에 의해 다양한 변형실시가 가능한 것은 물론이고, 이러한 변형실시들은 본 발명의 기술적 사상이나 전망으로부터 개별적으로 이해되어져서는 안될 것이다.

50: 레이저 계측기, 100: 분석 장치
150: 케이블

Claims (6)

1. 케이블의 장력 측정 방법에 있어서,
   (a) 분석 장치가, 상기 케이블에 대해 비부착식 레이저 계측기를 통해 얻어진 상기 케이블의 진동 신호에 대해 고속 푸리에 변환 해석을 실행하는 단계; 및
   (b) 상기 분석 장치가, 상기 고속 푸리에 변환 해석을 통해 얻어진 각 차수(n)별 고유 진동수(f_n)에 기초하여 상기 케이블의 장력을 산정하는 단계
   를 포함하는 케이블의 장력 측정 방법.
   
2. 제1항에 있어서,
   상기 (b) 단계는,
   n²을 X축의 값으로 하고, (f_n/n)²을 Y축의 값으로 하는 1차 회귀 방정식의 Y축 절편값을 산출하는 단계를 포함하는 것인 케이블의 장력 측정 방법.
   
3. 제2항에 있어서,
   고유 진동수의 차수인 상기 n은 2 이상의 자연수인 것인 케이블의 장력 측정 방법.
   
4. 제3항에 있어서,
   상기 (b) 단계는,
   상기 Y축 절편값에 상기 케이블의 단위중량, 및 상기 케이블의 유효길이의 제곱값을 곱하고, 중력 가속도로 나눈 값의 4배의 값을 상기 케이블의 장력값으로 산출하는 단계를 더 포함하는 것인 케이블의 장력 측정 방법.
   
5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에서의 상기 케이블의 장력 측정 방법을 실행하는 프로그램이 기록된 기록 매체.
   
6. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에서의 상기 케이블의 장력 측정 방법을 실행하는 프로그램이 설치된 분석 장치.

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