KR20120037553A - 유에스엔을 이용한 강연선 모니터링 시스템 - Google Patents

유에스엔을 이용한 강연선 모니터링 시스템 Download PDF

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KR20120037553A
KR20120037553A KR1020100099077A KR20100099077A KR20120037553A KR 20120037553 A KR20120037553 A KR 20120037553A KR 1020100099077 A KR1020100099077 A KR 1020100099077A KR 20100099077 A KR20100099077 A KR 20100099077A KR 20120037553 A KR20120037553 A KR 20120037553A
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최준성
김홍재
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Abstract

본 발명은 유에스엔(Ubiquitous Sensor Network, USN)을 이용하여 흙막이, 각종 구조물의 보강, 비탈면(급경사지) 등의 붕괴 방지 및 안정화 등으로 사용되는 영구 및 가설 앵커에 대한 응력을 강연선에 전기 저항식 스트레인 게이지를 부착해 가설 구조물 및 지반의 변위, 변형률에 대한 긴장력을 측정하기 위한 유에스엔을 이용한 강연선 모니터링 시스템에 관한 것으로 흙막이, 각종 구조물의 보강 비탈면 등 대상 구조물에 설치하는 인장형 앵커의 강연선 센터 킹 케이블에 전기 저항식 스트레인 게이지를 부착하고 강연선 끝단에 USN 센서 노드를 부착하여 강연선을 장착하여 그라운드 앵커로 적용되어 질때 사면, 교량, 흙막이, 보강용 앵커 등 다양한 형태의 구조물에 적용되어 적용분야에서 긴장력을 측정하고 USN 기반으로 사람이 즉시로 판단하기 어려운 변화를 실시간으로 감지하여 감지 즉시 경보를 발생하는 유에스엔을 이용한 강연선 모니터링 시스템을 제공한다.

Description

유에스엔을 이용한 강연선 모니터링 시스템{System for monitoring wire strand using USN}
본 발명은 유에스엔(Ubiquitous Sensor Network, USN)을 이용하여 흙막이, 각종 구조물의 보강, 비탈면(급경사지) 등의 붕괴 방지 및 안정화 등으로 사용되는 영구 및 가설 앵커에 대한 응력을 강연선에 전기 저항식 스트레인 게이지를 부착해 구조물 및 지반의 변위, 변형률에 대한 긴장력을 측정하기 위한 유에스엔을 이용한 강연선 모니터링 시스템에 관한 것으로 보다 상세하게는 흙막이, 각종 구조물의 보강, 비탈면 등 대상 구조물에 설치하는 인장형 앵커의 강연선 킹 케이블에 전기 저항식 스트레인 게이지를 부착하고 강연선 끝단에 USN 센서 노드를 설치하여 그라운드 앵커로 적용되어 질때 사면, 교량, 흙막이, 보강용 앵커 등 다양한 형태의 구조물에 적용하여 긴장력을 측정하고 분석함으로써, 사람이 즉시로 판단하기 어려운 변화를 실시간으로 감지하여 이상 신호 발생 시 경보를 발생하는 유에스엔을 이용한 강연선 모니터링 시스템에 관한 것이다.
일반적으로 강연선을 이용한 앵커는 다양한 분야에 이용되고 있다. 예를 들어 건축현장 터파기 시공시 흙막이 공사, 도로신설 및 증설공사를 위해 절취한 사면의 보강 및 안정, 석축 및 옹벽의 보강 및 안정, 지하수위 이하 구조물에 대한 부력방지, 터널 갱구부의 보강 및 안정, 지진으로부터 같은 탐상 구조물의 안정, 현수교 등 교량의 기초 안정시키기 등을 위해 널리 사용되고 있다. 특히 그라운드 앵커는 PC 강연선 등 고강도의 인장재를 구조물과 지반 내부 양쪽에 고정하고 선행하중(Pre-Stress)을 부여하여, 구조물을 지반에서 발생하는 과도한 응력, 변형, 변위 등으로부터 안정시키는 장치로 국내외 많은 건설, 토목 현장에서 구조물을 안정시키기 위하여 널리 사용되고 있다.
그 중 흙막이 공사에 쓰이는 공법은 흙막이 벽에 구멍을 뚫어 철근이나 PC 강연선을 집어넣은 다음, 모르타르를 그라우팅(Grouting)하여 채우고 뒷면에 앵커를 만들어 흙막이 벽을 잡아매는 공법으로 타이백앵커공법(Tie-Back Anchor Method)이라고도 한다. 버팀대 대신 흙막이벽을 어스드릴(Earth Drill)로 구멍 뚫은 뒤 그 속에 철근이나 PC 강연선 등의 인장재를 넣고, 그 주위를 모르타르로 그라우팅하여 굳힌 다음 외부에서 PC 강연선이나 철근 등에 인장력을 가해 정착시키는 흙막이 공법이다.
또한, 지하 굴착공사를 하는 경우에 굴착을 원하는 지역에 일정 간격으로 세로빔을 박은 후 각각의 세로빔들 사이에 흙막이 패널을 삽입하여 굴착된 공간에 작용하는 토압에 저항하도록 하였으나 기초가 깊거나 공사환경의 필요에 의해 급경사로 굴착을 하는 경우에는 흙막이 패널에 작용하는 토압이 크게 증가하게 되고, 그 증가한 토압에 저항하도록 세로빔 사이에 가로빔을 연결하거나 지중에 삽입되는 인장재와 세로빔에 고정되는 정착장치를 상호 연결하는 구성에 의해 토압에 저항하도록하는 앵커 구조물을 사용하였다.
상기에서 사용되는 앵커 구조물은 지반에 천공된 앵커공에 삽입되는 인장재와 상기 앵커공에 채움되는 그라우트재와 상기 인장재를 상기 그라우트재 내에 정착시키기 위한 정착제와, 상기 인장재에 가해진 인장력을 지반에 전달하기 위한 지지체를 포함하여 이루어진다. 이때 인장재로 가장 많이 쓰이는 것이 강연선이며, 상기 강연선은 지반 또는 구조물 내에 긴장력을 인가하여 지반 또는 구조물이 외력에 대해 저항할 수 있는 저항력을 발생시키는 역할을 하므로 지반 또는 구조물의 구조적 안정성에 결정적인 영향을 미치는 것으로 상기 강연선의 응력 상태의 계측은 매우 중요한 인자이나 인장력을 가하는 경우에 강연선에 가해지는 인장력에 대한 측정이 매우 어렵고, 실제 시공현장에서는 인장기로 인장이 가능한 최대한으로 당겨서 정착을 해 놓은 상태여서 공사 중 인장력이 변화되는 등의 이상 징후에 대해서는 측정이 매우 어려운 문제점이 있었다.
이에 따라 강연선의 긴장력을 측정하기 위해 현재 가장 많이 사용하는 방법은 강연선 단부에 로드셀을 설치하는 방법과 광 센서를 설치하는 방법이며, 상기 로드셀을 통해 긴장력을 측정하는 방법은 장기적인 모니터링에 적합하지 않고 단부만 계측이 가능한 문제점이 발생하였으며, 또한, 광 센서를 강연선의 킹 케이블에 관통홈을 형성해 상기 관통홈에 광 센서를 삽입하여 상기 광 센서를 통해 강연선의 긴장력을 측정하는 방법은 상기 킹 케이블을 내부에 관통홈을 형성해야하므로 상기 강연선 자체가 하중 및 압력 등에 견디는 강도가 약해질 수 있고 광 센서를 삽입하기 위한 관통홈을 형성하기 위해 많은 제조비용이 들어가며 광 센서의 데이터를 취득하기 위한 광 장비가 고가여서 설치 비용이 많은 문제점이 발생하였다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로 흙막이, 각종 구조물의 보강, 비탈면(급경사지) 등의 붕괴 방지 및 안정화 등으로 사용되는 영구 및 가설 앵커에 대한 응력을 강연선에 전기 저항식 스트레인 게이지를 부착해 구조물 및 지반의 변위, 변형률에 대한 긴장력을 측정하고 측정한 데이터를 USN 통신을 통해 무선으로 데이터를 전송하여 분석 비교하고, 원격지 관리자에 전달하여 관리자가 원격지에서 모니터링을 통해 붕괴 및 안정성을 점검하고 사람이 판단하기 어려운 변화를 실시간으로 감지하여 이상이 발생할 경우 바로 경보를 발생하는 유에스엔을 이용한 강연선 모니터링 시스템을 제공하는데 그 목적이 있다.
또한, 본 발명은 강연선을 형성하는 킹 케이블에 부착된 스트레인 게이지와 상기 스트레인 게이지와 연결되는 연결 케이블이 지반에서 발생하는 압력 및 외부 충격에 의한 손상을 방지하기 위해 스트레인 게이지의 부착 위치와 연결 케이블의 위치에 홈을 형성하여 상기 스트레인 게이지와 연결 케이블을 홈에 삽입하고 삽입된 홈에 에폭시를 도포하여 킹 케이블과 결합되는 보조 케이블로부터 스트레인 게이지와 연결 케이블을 보호하고 수분에 의해 스트레인 게이지가 파손되지 않도록 방수를 할 수 있는 유에스엔을 이용한 강연선 모니터링 시스템을 제공하는데 또 다른 목적이 있다.
또한, 본 발명은 흙막이, 각종 구조물의 보강, 비탈면(급경사지) 등에 설치된 앵커의 강연선 긴장력을 측정하기 위해 7연선 강연선 내부의 킹 케이블에 스트레인 게이지를 부착하여 7연선 강연선으로 완전 조립된 상태로 설치하여 USN 기반의 USN 센서 노드를 통해 데이터를 관리자에 전송하여 설치가 간편하고 경제적이며 편리한 유에스엔을 이용한 강연선 모니터링 시스템을 제공하는데 또 다른 목적이 있다.
본 발명은 흙막이, 각종 구조물의 보강, 비탈면(급경사지)의 붕괴방지 및 안정화 등으로 사용되는 영구 및 가설 앵커에 대한 응력을 측정하기 위해 앵커로 사용되는 강연선에 전기 저항식 스트레인 게이지를 부착하여 구조물 및 지반의 변위, 변형률에 대한 긴장력을 계측하여 지반의 상태를 모니터링하기 위한 유에스엔을 이용한 강연선 모니터링 시스템에 있어서,
시공 중 또는 운용 중인 흙막이, 구조물의 보강, 비탈면의 지반에서 발생하는 긴장력을 측정하기 위해 킹 케이블 표면에 전기 저항식 스트레인 게이지를 부착하여 상기 흙막이, 구조물의 보강, 비탈면에 설치하는 다수의 강연선;
상기 다수의 강연선을 인장재로 이용하여 흙막이, 구조물의 보강, 비탈면의 지반 거동 및 변형을 방지하기 위한 앵커;
상기 앵커에 설치되는 강연선에 부착된 전기 저항식 스트레인 게이지를 통해 계측한 데이터를 연결 케이블에 의해 수신하여 USN 통신 모듈을 통해 데이터를 무선으로 전송하는 다수의 USN 센서 노드;
상기 다수의 USN 센서 노드에서 무선으로 전송하는 데이터를 USN 통신 모듈을 통해 전송받아 상기 USN 센서 노드의 데이터를 취합하여 상기 취합한 데이터를 USN 통신 모듈을 통해 전송하고 상기 다수의 USN 센서 노드를 제어하는 베이스 노드;
상기 베이스 노드에서 전송한 데이터를 USN 통신 모듈을 통해 무선으로 전송받아 계측 데이터를 분석 비교하고 분석 비교한 결과를 원격지에 전송하는 데이터 분석부;
상기 데이터 분석부를 통해 분석 비교한 데이터를 전송받아 흙막이, 구조물의 보강, 비탈면의 지반 응력을 분석하고 상기 분석한 데이터를 통해 흙막이, 구조물의 보강, 비탈면 지반을 평가하는 원격지 서버부; 로 이루어지는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 강연선은 중앙에 위치하는 킹 케이블과, 상기 킹 케이블의 외주면에 부착하여 상기 흙막이, 구조물의 보강, 비탈면 지반의 응력을 계측하도록 강연선의 긴장력을 측정하는 전기 저항식 스트레인 게이지와, 상기 전기 저항식 스트레인 게이지에서 계측한 신호를 무선 데이터 로거에 전송하기 위한 연결 케이블과, 상기 킹 케이블의 주위를 둘러싸며 서로 꼬인 여섯 가닥의 보조 케이블로 이루어지는 것을 특징으로 한다.
상기 강연선의 스트레인 게이지는 킹 케이블의 표면 일측과 타일측에 부착하여 상기 흙막이, 구조물의 보강, 비탈면 지반의 토압에 의한 강연선 긴장력의 방향성을 측정할 수 있는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 킹 케이블은 부착된 스트레인 게이지와 연결되는 연결 케이블이 지반에서 발생하는 압력 및 외부 충격에 의한 손상을 방지하기 위해 스트레인 게이지의 부착 위치와 연결 케이블의 위치에 홈을 형성하여 상기 스트레인 게이지와 연결 케이블을 홈에 삽입하고 삽입된 홈에 에폭시를 도포하는 것을 특징으로 한다.
상기 킹 케이블에 부착된 스트레인 게이지는 광섬유 브래그 격자 센서를 사용하여 강연선의 긴장력을 측정할 수 있는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 USN 센서 노드는 스트레인 게이지를 통해 계측한 아날로그 데이터를 증폭하고 신호처리하는 신호처리부와, 상기 신호처리부를 통해 처리된 아날로그 데이터를 디지털 신호로 변환하는 A/D 변환부와, 상기 A/D 변환부를 통해 변환된 디지털 신호를 USN 통신을 통해 베이스 노드에 무선으로 전송하는 USN 통신 모듈과, 상기 USN 센서 노드에 배터리를 이용한 저전력 전원을 공급하는 전원 공급부로 이루어지는 것을 특징으로 한다.
상기 베이스 노드는 다수의 USN 센서 노드에서 전송한 데이터를 전송받고 전송받은 데이터를 무선으로 전송하는 USN 통신 모듈과, 상기 USN 통신 모듈을 통해 전송받은 데이터를 제어하는 베이스 노드 제어부와, 상기 베이스 노드에 배터리를 이용한 저전력 전원을 공급하는 전원 공급부로 이루어지는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 베이스 노드는 USN 센서 노드와 데이터 분석부의 설치 거리를 통해 먼 거리일 경우 상기 베이스 노드의 개수를 늘려 거리 및 장애물에 대한 통신 장애를 해결할 수 있는 것을 특징으로 한다.
상기 데이터 분석부는 베이스 노드에서 전송한 계측 데이터를 수신받는 USN 통신 모듈과, 상기 USN 통신 모듈을 통해 전송받은 계측 데이터를 저장하는 데이터 저장부와, 상기 계측한 데이터를 알고리즘을 통해 변형률로 변환하여 흙막이, 구조물의 보강, 비탈면 지반의 변형을 분석하는 분석 알고리즘과, 상기 분석 알고리즘을 통해 분석한 데이터를 관리 기준치와 비교하여 상기 관리 기준치에 따라 이상 유무를 판단하고 이상이 발생하였을 경우 원격지 서버부에 알람 경보를 발생하는 데이터 비교부와, 상기 데이터 비교부에서 비교한 데이터를 원격지 서버에 전송하는 무선 통신 모듈로 이루어지는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 원격지 서버부는 데이터 분석부에서 분석 비교한 계측 데이터를 무선 통신 모듈을 통해 전송받아 설정한 기준치 이상의 변형이 발생할 경우 관리자에게 경보하여 흙막이, 구조물의 보강, 비탈면 지반의 붕괴를 방지하는 것을 특징으로 한다.
본 발명은 흙막이, 각종 구조물의 보강, 비탈면(급경사지) 등의 붕괴 방지 및 안정화 등으로 사용되는 영구 및 가설 앵커에 대한 응력을 강연선에 전기 저항식 스트레인 게이지를 부착해 구조물 및 지반의 변위, 변형률에 대한 긴장력을 측정하고 측정한 데이터를 USN 통신을 통해 무선으로 데이터를 전송하여 분석 비교하고, 관리자에 전달함으로써 관리자가 원격지에서 모니터링을 통해 붕괴 및 안정성을 점검하고 사람이 판단하기 어려운 변화를 실시간으로 감지하여 이상이 발생할 경우 바로 경보를 발생하는 효과가 있다.
또한, 본 발명은 흙막이, 각종 구조물의 보강, 비탈면(급경사지) 등의 설치된 앵커의 강연선 긴장력을 측정하기 위해 7연선 강연선의 중앙 킹 케이블에 스트레인 게이지와 연결 케이블을 부착하는 위치에 홈을 형성하여 상기 스트레인 게이지와 연결 케이블을 삽입하고 삽입한 홈에 에폭시를 이용해 도포함으로써 상기 킹 케이블의 외주면을 둘러싸는 보조 케이블이 킹 케이블과 결합되는 과정에서 스트레인 게이지와 연결 케이블에 압력을 가하지 않아 파손을 방지할 수 있고, 에폭시 도포로 인해 수분의 침투에 의한 방수 효과 및 내구성을 높일 수 있는 효과가 있다.
도1은 본 발명에 따른 유에스엔을 이용한 강연선 모니터링 시스템의 개략도.
도2는 본 발명에 따른 유에스엔을 이용한 강연선 모니터링 시스템의 강연선 사시도.
도3은 본 발명에 따른 유에스엔을 이용한 강연선 모니터링 시스템의 강연선의 스트레인 게이지 설치 도면.
도4는 본 발명에 따른 유에스엔을 이용한 강연선 모니터링 시스템의 구성도.
도5는 본 발명에 따른 유에스엔을 이용한 강연선 모니터링 시스템의 USN 센서 노드와 베이스 노드 구성도.
도6은 본 발명에 따른 유에스엔을 이용한 강연선 모니터링 시스템의 강연선의 실시예를 나타낸 도면.
본 발명은 유에스엔(Ubiquitous Sensor Network, USN)를 이용하여 흙막이, 각종 구조물의 보강, 비탈면(급경사지) 등의 붕괴 방지 및 안정화 등으로 사용되는 영구 및 가설 앵커(200)에 대한 응력을 강연선(100)에 전기 저항식 스트레인 게이지(130)를 부착해 구조물 및 지반의 변위, 변형률에 대한 긴장력을 측정하기 위한 유에스엔을 이용한 강연선 모니터링 시스템에 관한 것으로 이하, 본 발명을 구체적으로 설명하기 위해 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.
도1은 본 발명에 따른 유에스엔을 이용한 강연선 모니터링 시스템의 개략도 이고, 도2는 본 발명에 따른 유에스엔을 이용한 강연선 모니터링 시스템의 강연선 사시도이며, 도3은 본 발명에 따른 유에스엔을 이용한 강연선 모니터링 시스템의 강연선의 스트레인 게이지 설치 도면이고, 도4는 본 발명에 따른 유에스엔을 이용한 강연선 모니터링 시스템의 구성도이며, 도5는 본 발명에 따른 유에스엔을 이용한 강연선 모니터링 시스템의 USN 센서 노드와 베이스 노드 구성도이다.
도1 내지 도5에 도시된 바와 같이 본 발명은 흙막이, 각종 구조물의 보강, 비탈면(급경사지) 등의 붕괴방지 및 안정화 등으로 사용되는 영구 및 가설 앵커(200)에 대한 응력을 측정하기 위해 앵커(200)의 인장재로 사용되는 강연선(100)에 전기 저항식 스트레인 게이지(130)를 부착하여 구조물 및 지반의 변위, 변형률에 대한 긴장력을 계측하여 지반의 상태를 모니터링하기 위한 것으로 시공 중 또는 운용 중인 흙막이, 구조물의 보강, 비탈면의 지반에서 발생하는 변위, 변형률에 대한 긴장력을 측정하기 위해 킹 케이블(110) 표면에 전기 저항식 스트레인 게이지(130)를 삽입하는 다수의 강연선(100)과, 상기 다수의 강연선(100)을 인장재로 이용하여 흙막이, 구조물의 보강, 비탈면의 지반 거동 및 변형을 방지하기 위한 앵커(200)와, 상기 강연선(100)에 삽입된 전기 저항식 스트레인 게이지(130)를 통해 계측한 데이터를 수신하여 USN 통신 모듈(330)을 통해 측정 데이터를 무선으로 전송하는 다수의 USN 센서 노드(300)와, 상기 다수의 USN 센서 노드(300)에서 무선으로 전송하는 데이터를 USN 통신 모듈(410)을 통해 전송받아 상기 USN 센서 노드(300)의 데이터를 취합하여 상기 취합한 데이터를 USN 통신 모듈(410)을 통해 전송하고 상기 다수의 USN 센서 노드(300)를 제어하는 베이스 노드(400)와, 상기 베이스 노드(400)에 전송된 계측 데이터를 USN 통신 모듈(510)을 통해 전송받아 계측 데이터를 분석하고 관리 기준치와 비교하여 상기 강연선(100) 긴장력의 상태를 평가하여 분석 비교한 데이터를 원격지에 무선으로 전송하는 데이터 분석부(500)와, 상기 데이터 분석부(500)를 통해 분석한 데이터를 무선 전송받아 흙막이, 구조물의 보강, 비탈면의 지반의 응력, 변위, 변형률에 따른 지반의 상태를 통해 이상 신호가 발생할 경우 관리자에게 경보를 발생하는 원격지 서버부(600)로 구성된다.
상기 전기 저항식 스트레인 게이지(130)는 어느 물체 또는 구조체가 인장 또는 압축을 받을 때 원래의 길이에 대하여 늘어나거나 줄어든 길이를 비율로 측정하는 것으로 구조체가 변형을 일으킬 때에 부착된 스트레인 게이지(130)의 전기적 저항이 변하여 이로부터 변형률을 측정하는 것이다.
상기와 같은 전기 저항식 스트레인 게이지(130)를 부착하는 강연선(100)은 일반적으로 크게 중앙에 위치한 킹 케이블(110)과 상기 킹 케이블(110)의 외주면을 감싸도록 서로 꼬인 여섯 가닥의 보조 케이블(120)로 이루어져 7연선이라 한다. 본 발명은 상기 강연선(100)에 전기 저항식 스트레인 게이지(130)를 부착하여 상기 강연선(100)의 긴장력을 측정하는 것으로 상기 강연선(100)은 전기 저항식 스트레인 게이지(130)를 통해 긴장력을 측정하기 위해 중앙에 위치하는 킹 케이블(110)과 상기 킹 케이블(110)의 외주면에 부착하여 상기 흙막이, 구조물의 보강, 비탈면의 지반에 대한 응력, 변위, 변형률을 계측하는 전기 저항식 스트레인 게이지(130)와, 상기 전기 저항식 스트레인 게이지(130)에서 계측한 데이터를 USN 센서 노드(200)에 전송하는 연결 케이블(140)과, 상기 연결 케이블(140)과 전기 저항식 스트레인 게이지(130)가 부착된 킹 케이블(110)의 주위를 둘러싸며 서로 꼬인 여섯 가닥의 보조 케이블(120)로 이루어지며, 이때 상기 킹 케이블(110)은 부착된 스트레인 게이지(130)와 연결되는 연결 케이블(140)을 보호하기 위해 상기 연결 케이블(140)과 스트레인 게이지(130)가 부착되는 부분에 홈(111)을 형성하여 연결 케이블(140) 및 스트레인 게이지(130)를 홈(111)에 삽입함으로써 지반에서 발생하는 압력 및 외부 충격에 의해 연결 케이블(140) 및 스트레인 게이지(130)가 파손되거나 손상되는 것을 방지할 수 있으며, 상기 홈(111)은 연결 케이블(140)과 스트레인 게이지(130)를 삽입한 후 에폭시(112)로 도포하여 상기 연결 케이블(140) 및 스트레인 게이지(130)의 보호는 물론 방수 및 내구성을 높일 수 있고, 이를 통해 데이터의 손실을 방지해 정확한 데이터를 측정할 수 있다.
또한, 상기 스트레인 게이지(130)는 강연선(100)의 킹 케이블(110)에 일측과 타일측에 부착하여 상기 흙막이, 구조물의 보강, 비탈면 지반의 토압에 의한 강연선(100) 긴장력의 방향성을 측정할 수 있으며, 상기 강연선(100)에 부착되는 스트레인 게이지(130)의 부착 개수는 필요에 따라 추가할 수 있다.
상기 스트레인 게이지(130)를 통해 계측한 데이터를 연결 케이블(140)을 의해 전송받은 USN 센서 노드(300)는 계측한 아날로그 데이터를 증폭하고 신호처리하는 신호처리부(310)와, 상기 신호처리부(310)를 통해 처리된 아날로그 데이터를 디지털 신호로 변환하는 A/D 변환부(320)와, 상기 A/D 변환부(320)를 통해 변환된 디지털 신호를 USN 통신을 통해 베이스 노드(400)에 무선으로 전송하는 USN 통신 모듈(330)과, 상기 USN 센서 노드(300)에 배터리를 이용한 저전력 전원을 공급하는 전원 공급부(340)로 구성된다.
상기 USN 센서 노드(300)는 강연선(100)의 스트레인 게이지(130)를 통해 계측한 데이터를 베이스 노드(400)에 전송하며 상기 베이스 노드(400)는 다수의 USN 센서 노드(300)에서 계측한 측정 데이터를 취합하여 상기 취합한 데이터를 데이터 분석부(500)에 전송하는 것으로 상기 다수의 USN 센서 노드(300)에서 전송한 데이터를 전송받고, 상기 전송받은 데이터를 무선으로 전송하는 USN 통신 모듈(410)과, 상기 USN 통신 모듈(410)을 통해 전송받은 데이터를 제어하는 베이스 노드 제어부(420)와, 상기 베이스 노드(400)에 배터리를 이용한 저전력 전원을 공급하는 전원 공급부(430)로 구성된다. 이때 베이스 노드(400)는 USN 센서 노드(300)와 데이터 분석부(500)의 설치 거리를 통해 먼 거리일 경우 상기 베이스 노드(400)의 개수를 늘려 거리 및 장애물에 대한 통신 장애를 해결할 수 있으며, 상기 베이스 노드(400)의 개수는 필요 시 늘이거나 줄일 수 있다.
상기 베이스 노드(400)에서 취합한 데이터는 USN 통신을 통해 데이터 분석부(500)에 전송되며 상기 데이터 분석부(500)는 데이터를 수신받는 USN 통신 모듈(510)과, 상기 USN 통신 모듈(510)을 통해 전송받은 계측 데이터를 저장하는 데이터 저장부(520)와, 상기 계측한 데이터를 알고리즘을 통해 변형률로 변환하여 흙막이, 구조물의 보강, 비탈면 등의 지반의 변형을 분석하는 분석 알고리즘(530)과, 상기 분석 알고리즘(530)을 통해 분석한 데이터를 관리 기준치와 비교하여 상기 관리 기준치에 따라 이상 유무를 판단하고 이상이 발생하였을 경우 원격지 서버부(600)에 알람 경보를 발생하는 데이터 비교부(540)와, 상기 데이터 비교부(540)를 통해 비교한 데이터를 원격지 서버부(600)에 전송하는 무선 통신 모듈(550)로 이루어지며 상기 무선 통신 모듈(550)은 CDMA, 무선 랜, 인터넷 망 등 원거리 무선 통신 망을 통해 전송하며 그 방식에 대해선 한정하지 않는다.
상기 데이터 분석부(500)를 통해 분석한 데이터를 전송받은 원격지 서버부(600)는 분석한 데이터를 통해 관리자가 흙막이, 구조물의 보강, 비탈면 등의 지반 상태를 모니터링 할 수 있으며, 설정한 관리 기준치 이상의 변형이 발생할 경우 경보를 통해 관리자가 상기 변형에 대한 즉각적인 대처를 할 수 있고 상기 흙막이, 구조물의 보강, 비탈면 등 지반의 붕괴를 방지할 수 있으며, 상기 흙막이, 구조물의 보강, 비탈면을 안정화할 수 있다.
도6은 본 발명에 따른 유에스엔을 이용한 강연선 모니터링 시스템의 강연선의 실시예를 나타낸 도면으로, 상기 도6을 참조하면 상기 강연선(100)의 긴장력을 측정하기 위해 전기 저항식 스트레인 게이지(130) 대신 광섬유 브래그 격자 센서(150)를 사용할 수 있으며, 상기 광섬유 브래그 격자 센서(150)는 킹 케이블(110)에 형성되어 연결 케이블(140)과 스트레인 게이지(130)를 삽입하는 홈(111)에 광섬유를 삽입하고 상기 광섬유에 여러개의 격자 감지부를 생성하여 광원에 의해 광을 광섬유에 조사시킬 경우 브래그 조건에 맞는 파장 성분이 격자 감지부에서 반사되고 나머지 파장 성분은 그대로 통과하는 성질을 이용하는 것으로, 상기 반사되는 광 및 그대로 통과한 광을 광 검출기에서 측정하여 상기 광섬유 격자 감지부의 간격이 강연선(100)에 가해지는 외부 물리량에 의해 변경될 경우 격자 감지부에서 반사되는 광의 파장인 브래그 파장의 변화를 측정하여 데이터 분석부(500)에서 강연선의 긴장력을 측정할 수 있다. 또한, 상기 연결 케이블(140) 및 스트레인 게이지(130)가 삽입되는 홈(111)에 광섬유 브래그 격자 센서(150)를 삽입하면 상기 홈(111)에 에폭시(112)를 도포하여 광섬유 브래그 격자 센서(150)를 외부의 충격 또는 물리량에 대해서 보호하고 방수 및 내구성을 높일 수 있다.
상기와 같은 구성으로 이루어진 본 발명은 흙막이, 각종 구조물의 보강, 비탈면(급경사지)의 붕괴방지 및 안정화 등으로 사용되는 영구 및 가설 앵커(200)에 대한 응력을 측정하기 위해 앵커(200)의 인장재로 사용되는 강연선(100)에 전기 저항식 스트레인 게이지(130)를 부착하여 상기 전기 저항식 스트레인 게이지(130)로부터 강연선(100)의 긴장력을 측정하여 USN 센서 노드(300)를 통해 USN 통신으로 무선으로 베이스 노드(400)에 전송하고 상기 베이스 노드(400)는 다수의 USN 센서 노드(300)에서 전송한 데이터를 취합하여 데이터 분석부(500)에 전송하며, 상기 데이터를 전송받은 데이터 분석부(500)는 데이터 분석 알고리즘(530)을 통해 측정 데이터로부터 영구 및 가설 앵커(200)가 설치된 지반의 응력, 변위, 변형률을 분석하고 데이터 비교부(540)에서 관리 기준치와 비교하여 원격지 서버부(600)에 비교한 결과를 전송하여 관리자가 영구 및 가설 앵커(200)가 설치된 지반의 응력, 변위, 변형률을 모니터링할 수 있으며, 이상 신호 발생 시 경보를 해줌으로써 상기 흙막이, 각종 구조물의 보강, 비탈면(급경사지) 등의 붕괴를 방지하고 안정화를 수행할 수 있다.
또한, 본 발명의 스트레인 게이지(130)가 부착된 강연선(100)은 상기 강연선(100)을 인장재로 사용하는 앵커(200)가 설치되는 모든 건설 및 토목현장에 사용할 수 있다.
상술한 바와 같이 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 설명하였지만, 본 발명은 상기한 실시예에 한정되지 않고, 이하의 특허청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든 다양한 변경 실시가 가능한 범위까지 본 발명의 기술적 정신이 있다고 할 것이다.
** 도면의 주요 부분에 대한 부호 **
100 : 강연선 110 : 킹 케이블
111 : 홈 112 : 에폭시
120 : 보조 케이블 130 : 스트레인 게이지
140 : 연결 케이블 150 : 광섬유 브래그 격자 센서
200 : 앵커 300 : USN 센서 노드
310 : 신호처리부 320 : A/D 변환부
330, 410, 510 : USN 통신 모듈 340, 430 : 전원 공급부
400 : 베이스 노드 420 : 베이스 노드 제어부
500 : 데이터 분석부 520 : 데이터 저장부
530 : 분석 알고리즘 540 : 데이터 비교부
550 : 무선 통신 모듈 600 : 원격지 서버부

Claims (10)

  1. 흙막이, 각종 구조물의 보강, 비탈면(급경사지)의 붕괴방지 및 안정화 등으로 사용되는 영구 및 가설 앵커에 대한 응력을 측정하기 위해 앵커로 사용되는 강연선에 전기 저항식 스트레인 게이지를 부착하여 구조물 및 지반의 변위, 변형률에 대한 긴장력을 계측하여 지반의 상태를 모니터링하기 위한 유에스엔을 이용한 강연선 모니터링 시스템에 있어서,
    시공 중 또는 운용 중인 흙막이, 구조물의 보강, 비탈면의 지반에서 발생하는 긴장력을 측정하기 위해 킹 케이블 표면에 전기 저항식 스트레인 게이지를 부착하여 상기 흙막이, 구조물의 보강, 비탈면에 설치하는 다수의 강연선;
    상기 다수의 강연선을 인장재로 이용하여 흙막이, 구조물의 보강, 비탈면의 지반 거동 및 변형을 방지하기 위한 앵커;
    상기 앵커에 설치되는 강연선에 부착된 전기 저항식 스트레인 게이지를 통해 계측한 데이터를 연결 케이블에 의해 수신하여 USN 통신 모듈을 통해 데이터를 무선으로 전송하는 다수의 USN 센서 노드;
    상기 다수의 USN 센서 노드에서 무선으로 전송하는 데이터를 USN 통신 모듈을 통해 전송받아 상기 USN 센서 노드의 데이터를 취합하여 상기 취합한 데이터를 USN 통신 모듈을 통해 전송하고 상기 다수의 USN 센서 노드를 제어하는 베이스 노드;
    상기 베이스 노드에서 전송한 데이터를 USN 통신 모듈을 통해 무선으로 전송받아 계측 데이터를 분석 비교하고 분석 비교한 결과를 원격지에 전송하는 데이터 분석부;
    상기 데이터 분석부를 통해 분석 비교한 데이터를 전송받아 흙막이, 구조물의 보강, 비탈면의 지반 응력을 분석하고 상기 분석한 데이터를 통해 흙막이, 구조물의 보강, 비탈면 지반을 평가하는 원격지 서버부; 로 이루어지는 것을 특징으로 하는 유에스엔을 이용한 강연선 모니터링 시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 강연선은
    중앙에 위치하는 킹 케이블;
    상기 킹 케이블의 외주면에 부착하여 상기 흙막이, 구조물의 보강, 비탈면 지반의 응력을 계측하도록 강연선의 긴장력을 측정하는 전기 저항식 스트레인 게이지;
    상기 전기 저항식 스트레인 게이지에서 계측한 신호를 무선 데이터 로거에 전송하기 위한 연결 케이블;
    상기 킹 케이블의 주위를 둘러싸며 서로 꼬인 여섯 가닥의 보조 케이블; 로 이루어지는 것을 특징으로 하는 유에스엔을 이용한 강연선 모니터링 시스템.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 강연선의 스트레인 게이지는 킹 케이블의 표면 일측과 타일측에 부착하여 상기 흙막이, 구조물의 보강, 비탈면 지반의 토압에 의한 강연선 긴장력의 방향성을 측정할 수 있는 것을 특징으로 하는 유에스엔을 이용한 강연선 모니터링 시스템.
  4. 제2항에 있어서,
    상기 킹 케이블은 부착된 스트레인 게이지와 연결되는 연결 케이블이 지반에서 발생하는 압력 및 외부 충격에 의한 손상을 방지하기 위해 스트레인 게이지의 부착 위치와 연결 케이블의 위치에 홈을 형성하여 상기 스트레인 게이지와 연결 케이블을 홈에 삽입하고 삽입된 홈에 에폭시를 도포하는 것을 특징으로 하는 유에스엔을 이용한 강연선 모니터링 시스템.
  5. 제2항 내지 제4항에 있어서,
    상기 킹 케이블에 부착된 스트레인 게이지는 광섬유 브래그 격자 센서를 사용하여 강연선의 긴장력을 측정할 수 있는 것을 특징으로 하는 유에스엔을 이용한 강연선 모니터링 시스템.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 USN 센서 노드는 스트레인 게이지를 통해 계측한 아날로그 데이터를 증폭하고 신호처리하는 신호처리부와, 상기 신호처리부를 통해 처리된 아날로그 데이터를 디지털 신호로 변환하는 A/D 변환부와, 상기 A/D 변환부를 통해 변환된 디지털 신호를 USN 통신을 통해 베이스 노드에 무선으로 전송하는 USN 통신 모듈과, 상기 USN 센서 노드에 배터리를 이용한 저전력 전원을 공급하는 전원 공급부로 이루어지는 것을 특징으로 하는 유에스엔을 이용한 강연선 모니터링 시스템.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 베이스 노드는 다수의 USN 센서 노드에서 전송한 데이터를 전송받고 전송받은 데이터를 무선으로 전송하는 USN 통신 모듈과, 상기 USN 통신 모듈을 통해 전송받은 데이터를 제어하는 베이스 노드 제어부와, 상기 베이스 노드에 배터리를 이용한 저전력 전원을 공급하는 전원 공급부로 이루어지는 것을 특징으로 하는 유에스엔을 이용한 강연선 모니터링 시스템.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 베이스 노드는 USN 센서 노드와 데이터 분석부의 설치 거리를 통해 먼 거리일 경우 상기 베이스 노드의 개수를 늘려 거리 및 장애물에 대한 통신 장애를 해결할 수 있는 것을 특징으로 하는 유에스엔을 이용한 강연선 모니터링 시스템
  9. 제1항에 있어서,
    상기 데이터 분석부는
    베이스 노드에서 전송한 계측 데이터를 수신받는 USN 통신 모듈;
    상기 USN 통신 모듈을 통해 전송받은 계측 데이터를 저장하는 데이터 저장부;
    상기 계측한 데이터를 알고리즘을 통해 변형률로 변환하여 흙막이, 구조물의 보강, 비탈면 지반의 변형을 분석하는 분석 알고리즘;
    상기 분석 알고리즘을 통해 분석한 데이터를 관리 기준치와 비교하여 상기 관리 기준치에 따라 이상 유무를 판단하고 이상이 발생하였을 경우 원격지 서버부에 알람 경보를 발생하는 데이터 비교부;
    상기 데이터 비교부에서 비교한 데이터를 원격지 서버에 전송하는 무선 통신 모듈; 로 이루어지는 것을 특징으로 하는 유에스엔을 이용한 강연선 모니터링 시스템.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 원격지 서버부는 데이터 분석부에서 분석 비교한 계측 데이터를 무선 통신 모듈을 통해 전송받아 설정한 기준치 이상의 변형이 발생할 경우 관리자에게 경보하여 흙막이, 구조물의 보강, 비탈면 지반의 붕괴를 방지하는 것을 특징으로 하는 유에스엔을 이용한 강연선 모니터링 시스템.
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