KR20110136998A - 경사계와 강선의 직진도를 활용하는 건축구조부재의 휨변형량 상시측정기술 - Google Patents

경사계와 강선의 직진도를 활용하는 건축구조부재의 휨변형량 상시측정기술 Download PDF

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Abstract

정부에서는 대형 지하실 흙막이 공사에 계측관리를 의무화 하였으며 터널이나 교량등 공공구조물에서도 상시계측을 하고 있다. 그러나 대부분 외국에서 도입한 각종 값비싼 계측기를 부적합한 위치에 부적합한 방법으로 부착 관리하고 있어서 안전진단 효과가 미미한 실정에 있다. 교량, 터널, 댐 등 토목구조물은 도 3과 같이 지점의 이동 또는 구조물의 회전, 전도 여부를 측정하는 것이 주된 계측이라고 할 수 있으나 이를 건축구조물과 지하실 흙막이 공사에 적용하기에는 부적합하다.
댐이나 교량의 피어는 도 3과 같이 강성이 커서 그 자체의 휨변형이 미미하므로 하나의 경사계를 어느 위치에 부착해도 회전 여부를 측정하기에 충분하다. 그러나 건축구조물 기둥은 도 4와 같이 대부분 강성이 약하여 변형곡선이 직선과는 멀기 때문에 아래층과 윗층 사이 기둥의 어느 부위에 경사계를 부착해도 층간변위를 대표하는 자료가 될 수 없다. 도 5에서도 트러스에 휨변형곡선을 따라 여러 개의 경사계를 연이어서 부착한다고 해도 중앙 최대처짐량을 계산하는 것이 어렵다. 그러나 만약 도 4의 1층, 2층 사이를 직선으로 연결하고, 도 5의 트러스 고정단과 중앙점을 직선(강선)으로 연결하여 직선이 두 점 사이에서 기울어지는 각도를 측정하면, 기둥과 트러스가 휨변형으로 야기되는 층간변위 및 중앙 최대처짐량은 3각법으로 쉽게 계산할 수 있다. 또한 강선의 길이가 길어서 자중으로 구부러지는 곡률은 두 지점 간에 변위가 생긴다고 해도 곡률에는 영향을 주지 않으므로 상기 각도 에는 차이가 없게 된다.

Description

경사계와 강선의 직진도를 활용하는 건축구조부재의 휨변형량 상시측정기술{Real Time Lateral Deformation Measuring Method of Building Structural Members using Inclinometer and Straight Line of fine Steel Wires}
구조물의 변형, 변위 계측은 흙막이 공사에서 가장 많이 적용하고 있는 데 그 이유는 안전성 확보를 위하여 법적으로 의무화 하고 있기 때문이다. 때로는 터널이나 교량 등 공공구조물과 대형 건축구조물에서도 상시계측을 하고 있다. 그러나 아직도 계측관리 기법을 정식으로 가르치는 교육기관이 없으므로 공사 현장에서는 대부분 외국에서 도입한 각종 값비싼 계측기를 부적합한 위치에 부적절한 방법으로 부착 관리하는 것이 일반화되어 있어서 안전진단 자료로서의 활용도가 미미하다.
교량, 터널, 댐 등 토목구조물은 대부분 건축구조물에 비하여 구조 부재의 단면이 상대적으로 크므로 도 3과 같이 지점의 이동 또는 구조물의 회전, 전도 여부를 측정하는 것이 주된 계측이라고 할 수 있다. 그러나 건축구조물과 지하실 흙막이 공사에서 정밀 측정하여야 하는 항목의 대부분은 인장, 압축부재의 축방향변형(줄어듬 또는 늘어남)과 휨부재의 최대 휨변형량이다. 다른 말로 설명하면 기둥 이나 흙막이 버팀대의 축소량 및 보나 트러스, 캔틸레버 등의 최대 휨변형량(처짐량)과 기둥의 층간변위이다.
도 4와 같은 건축구조물의 기둥은 1층과 2층 사이의 어느 위치에 경사계를 부착해도 층간변위를 측정하는 자료로 부적합하다. 이는 건축구조물의 기둥이 댐이나 피어와는 달라 상대적으로 세장하므로 도 4a와 같이 1층 바닥에서 2층 바닥까지의 변형각이 부위별로 다르게 변하기 때문이다. 도 5에서도 트러스가 휨변형을 일으키는 양상은 포물선에 가깝지만 경제적으로 설계하기 위하여 트러스의 각 부재를 각각 달리하면 트러스 전체가 변형하는 모양이 부정형일수밖에 없다. 그러므로 부정형 변형곡선에 따라 여러 개의 경사계를 연이어서 부착한다고 해도 중앙 최대처짐량을 정확히 알아내는 자료로는 부적합하다.
본 발명은 위 항목들 중에서 보나 캔틸레버 등의 최대변형량과 기둥의 층간변위를 측정하는 기술에 관한 것이다.
건축물의 기둥이나 보는 강성이 큰 토목구조물과 달리 작용하는 하중의 크기에 따라 부재 자체가 휨변형을 일으키므로 기둥의 층간변위나 보의 중앙 최대처짐을 정량적으로 찾아내는 방법이 마땅하지 않다.
휨 변형을 일으키는 기둥이나 캔틸레버는 양단의 횡방향 상대변위가 설계규정상 구조안전 확인의 척도가 되므로 양단을 직선으로 연결하여 그 직선의 변위각과 양단의 거리를 측정하면 3각법으로 횡방향 상대변위를 계산할 수 있다. 또한 보 나 트러스 등 횡부재는 지점과 중앙점의 사이를 직선으로 연결하여 그 사이 거리와 변형각도를 측정하면 최대처짐량을 계산할 수 있다. 그러므로 양단간의 거리가 멀어도 직선을 유지할 수 있는 간단한 방법을 마련하는 것이 기술적 과제이다.
기둥이나 캔틸레버의 층간변위를 측정할 때 양단과의 사이에 강선을 연결하고 턴버클로 걸어서 팽팽하게 당기면 강선이 직진도를 유지하게 되므로 이를 이용하여 양단간의 상대변위각을 측정하면 횡변위량을 계산할 수 있다. 강선은 인장강도가 일반 강재에 비하여 4∼5배로 큼에도 불구하고 탄성계수는 2.05×105(N/mm2)으로 동일하여 탄성범위 내에서 늘어나는 길이의 범위가 크다. 따라서 항복강도 내에서 팽팽하게 당기면 직선도를 유지하게 하는 재료로 적합하다. 예를 들어 길이가 10m이고 직경이 1.5mm 강선을 항복점 강도까지 2.5kN으로 잡아당겼을 때 탄성변형특성을 지닌 채 늘어나는 길이는 대략 70mm로 광범위하므로 현장에서 별 어려움 없이 안심하고 "팽팽하게" 당겨줄 수 있는 장점이 있다.
강선 끝에 턴버클을 연결하고 양단을 팽팽하게 긴장하면 지점간의 직진도를 확보할 수 있으므로, 그 사이에 경사계를 부착할 경우 비례식으로 지점간의 총 변위량을 구할 수 있다. 그러나 본 방법은 바람이 많이 불어 기다란 강선의 흔들림이 생기면 측정치의 신뢰도가 떨어지므로 옥외에 노출된 장스팬의 교량 등에 사용하기에는 부적합하다.
본 발명의 내용은 보 또는 트러스의 처짐량과 기둥의 층간변위를 경사계를 이용하여 측정하고 이를 컴퓨터 모니터로 확인하여 자동 저장하는 방법에 관한 것이다. 수평부재와 수직부재의 각 측정방법 및 구성요소는 다음과 같다.
보, 또는 트러스의 휨변형량을 경사계를 이용하여 상시 측정하는 방법은 도 1, 도 5와 같다. 지점에 해당되는 철골보의 웨브(철근콘크리트 보의 경우 복부)에 고정지그(30)를 설치하고, 보 또는 트러스의 중심점인 중앙부의 복부에 이동지그(30)를 고정한다. 그러므로 이동지그 설치위치는 최대 예상처짐점(일반적으로는 보나 트러스는 중앙점, 캔틸레버일 경우는 자유단)이 된다. 고정지그와 이동지그 사이는 강선(20)으로 연결하고, 고정지그에는 경사계(01)를 설치한다. 고정지그에 설치된 경사계는 고정단을 중심으로 이동단이 회전하는 각도 변화 값을 데이터로거(data logger)까지 전선으로 연결한다. 이동지그의 변위량은 고정지그와 이동지그의 거리를 감안하여 비례식으로 계산할 수 있다. 또한 데이터로거의 자료는 컴퓨터(10)로 전송되어 실시간 확인할 수 있게 된다. 그러므로 경사계는 보 또는 트러스의 처짐량을 경사각도로 확인하며, 처짐량은 컴퓨터 모니터를 통해 확인 및 자동 저장된다. 경사계로 상시 출력하는 값은 전위차(volt)이므로 데이터로거를 거쳐 컴퓨터에서 처짐량 또는 층간변위를 표시하게 한다. 또한 처짐량이 안전기준치를 상회하면, 관리자에게 경보음 등으로 통보한다.
기둥의 층간변위를 측정하는 방법은 도 2, 도 4와 같다. 기둥의 층간변위를 경사계를 이용하여 상시 측정하는 방법은 기둥(50) 하부 및 슬래브 상단에 고정지 그(30)를 설치하고, 기둥 상부의 보 하단에 이동지그(40)를 고정한다. 고정지그와 이동지그 사이는 강선(20)으로 연결하고, 고정지그에는 경사계(01)를 고정한다. 고정지그에 설치 된 경사계는 전선(15)으로 데이터로거(05)로 연결되고, 데이터로거의 자료는 컴퓨터(10) 모니터로 전송되어 실시간 확인할 수 있다. 그러므로 경사계는 기둥의 층간변위를 경사각도로 확인하고, 층간변위는 컴퓨터 모니터를 통해 확인 및 자동 저장된다. 또한 층간변위가 안전기준치를 상회하면, 보 또는 트러스와 동일하게 관리자에게 경보음 등으로 통보한다. 기둥은 층고도 높지 않고 강선도 수직으로 설치하여 자중에 의한 처짐을 고려하지 않아도 되므로 보나 트러스보다 더 손쉬운 계측이 가능하다.
보, 트러스 또는 기둥에 붙이는 고정지그의 상세는 그림 6과 같다. 고정지그(30)는 철판 또는 알루미늄 재질의 직사각형 형상에 모서리를 절단 제작하며, 보(60) 또는 트러스(70), 기둥(50) 등의 재축방향(길이방향)으로 설치한다. 고정지그는 부재의 재축방향으로 양단부에 고정단(32)과 강선정착구멍(34)이 있으며, 중앙부에는 경사계 고정용 볼트구멍(36)이 뚫려있다. 그러므로 고정지그 중앙부에 경사계를 설치하고, 경사계 고정용 볼트구멍에 맞춰 볼트로 경사계를 고정한다. 고정단(32)은 지그정착철물에 볼트로 고정하며, 반대편의 강선정착구멍(34)은 강선(20)으로 이동지그(40)에 연결한다. 고정지그와 부재의 연결은 고정지그 하부에 지그정착철물(46)을 설치하고, 고정지그의 고정단과 지그정착철물을 볼트로 연결한다.
이동지그의 상세는 그림 2와 같다. 이동지그(40)는 턴버클(42)과 턴버클 양단부의 볼트구멍으로 구성되어 있다. 턴버클은 이동단 볼트에 직접 부착하는 것이 편리하며, 강선을 턴버클 등으로 당겨 팽팽하게 일직선을 유지하도록 한다(예 ; 직경 1.5mm, 길이 10m의 강선을 70mm 정도 늘리는데 필요한 긴장력은 2.5kN 정도임). 턴버클로 고정지그와 이동지그사이를 연결하는 강선을 팽팽하게 긴장시키며, 장스팬의 트러스나 보의 처짐을 측정할 경우, 강선의 긴장력을 항복점 이내에서 될수록 많이 늘려야 한다. 또한 고정지그 쪽의 볼트구멍은 강선정착구멍(34)으로 강선을 연결하고, 반대편의 볼트구멍은 이동단(44)이 된다. 이동단의 볼트구멍으로 지그고정철물(46)에 연결하고, 지그정착철물은 보(60) 또는 기둥(50)에 고정한다. 고정지그(30)와 이동지그(40) 하부에 부착되는 지그정착철물(46)은 앵글 또는 작은 형강 등을 이용하여 제작한다.
강선은 팽팽하게 당겨줘도 자중에 의해서 약간의 처짐이 생길 수밖에 없다. 그러나 그 값은 측정하고자 하는 지점의 처짐이 발생해도 그 원래의 값을 그대로 유지시켜 주므로 측정치에는 별로 큰 영향을 주지 않는다. 다만 강선에 강한 바람이 불거나 충격을 가하면 지점의 처짐과 관련 없는 값이 기록되므로 외기에 노출된 장스팬의 교량이나 트러스에 사용하기에는 부적합하다. 하지만 바람이 자고 충격이 그치면 원상태로 회복되므로 그런 상태를 인정한다는 조건이라면 사용할 수도 있다.
도 1은 보, 트러스 및 캔틸레버의 휨변형 처짐량 측정방법,
도 2는 기둥의 층간변위량 측정방법,
도 3은 경사계를 이용한 댐이나 피어 등 토목구조물의 계측 방법,
도 4는 건물 기둥 및 보의 변형 도,
도 5는 트러스의 변형도,
도 6은 고정지그의 평면도이다.
＜도면의 부호 설명＞
01 ; 경사계 05 ; 데이터로거
10 ; 컴퓨터 15 ; 전선
20 ; 강선
30 ; 고정지그 32 ; 고정단
34 ; 강선정착구멍 36 ; 경사계 고정용 볼트구멍
40 ; 이동지그 42 ; 턴버클
44 ; 이동단 46 ; 지그정착철물
50 ; 기둥 60 ; 보
70 ; 트러스

Claims (4)

  1. 보 또는 트러스의 휨변형량을 경사계를 이용하여 상시 측정함에 있어서 ;
    보(60) 또는 트러스(70)의 지점 복부에 고정지그(30)를 설치하고, 보 또는 트러스의 중심점인 중앙부의 복부에 이동지그(30)를 고정하며 ;
    상기 고정지그와 이동지그 사이는 강선(20)으로 연결하고, 고정지그에는 경사계(01)를 설치하며 ; 및
    고정지그에 설치된 경사계는 전선(15)으로 데이터로거(05)로 연결되고, 데이터로거의 자료는 컴퓨터(10)로 전송되어 실시간 확인되며 ;
    상기 경사계는 보 또는 트러스의 처짐량을 경사각도로 확인하는 것을 특징으로 하는 경사계와 강선의 직진도를 활용하는 건축구조부재의 휨변형량 상시측정기술
  2. 기둥의 층간변위를 경사계를 이용하여 상시 측정함에 있어서 ;
    기둥(50) 하부의 슬래브 상단에 고정지그(30)를 설치하고, 기둥 상부의 보 하단에 이동지그(40)를 고정하며 ;
    상기 고정지그와 이동지그 사이는 강선(20)으로 연결하고, 고정지그에는 경사계(01)를 설치하며 ; 및
    고정지그에 설치된 경사계는 전선(15)으로 데이터로거(05)로 연결되고, 데이터로거의 자료는 컴퓨터(10)로 전송되어 실시간 확인되며 ;
    상기 경사계는 기둥의 층간변위를 경사각도로 확인하는 것을 특징으로 하는 경사계와 강선의 직진도를 활용하는 건축구조부재의 휨변형량 상시측정기술
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서 ;
    고정지그(30)는 보(60) 또는 기둥(50)의 재축방향으로 설치하고, 고정지그의 고정단(32)은 볼트로 고정하고, 고정단의 반대편은 강선(20)으로 이동지그(40)에 연결하는 강선정착구멍(34)으로 구성되며 ; 및
    고정지그 중앙부는 경사계 고정용 볼트구멍(36)이 있고, 여기에 경사계를 볼트로 고정하며 ; 및
    고정지그 하부에 지그정착철물(46)을 설치하고, 고정지그의 고정단과 지그정착철물을 볼트로 연결하고, 지그정착철물과 보 또는 기둥은 볼트로 고정하는 것을 특징으로 하는 경사계와 강선의 직진도를 활용하는 건축구조부재의 휨변형량 상시측정기술
  4. 제1항 또는 제2항에 있어서 ;
    이동지그(40)는 턴버클(42)과 턴버클 양단부의 볼트구멍으로 구성되고 ; 및
    고정지그 쪽의 볼트구멍은 강선정착구멍(34)으로 강선을 연결하고, 반대편의 볼트구멍은 이동단(44)이 되며 ; 및
    이동지그 하부에 지그정착철물(46)을 설치하고, 이동단의 볼트구멍으로 지그고정철물(46)에 연결하며 ;
    상기 지그정착철물은 보(60) 또는 기둥(50)에 고정하는 것을 특징으로 하는 경사계와 강선의 직진도를 활용하는 건축구조부재의 휨변형량 상시측정기술
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