KR20170018570A - 무선 가속도계를 이용한 교량 케이블 진동 측정장치 - Google Patents

무선 가속도계를 이용한 교량 케이블 진동 측정장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 무선 가속도계를 이용한 교량 케이블 진동 측정장치에 관한 것으로서, 특히 교량 케이블의 임의의 위치에 고정 설치되는 브라켓과; 상기 브라켓의 외측에 2축 직각방향으로 설치되는 무선 가속도계와; 각각의 상기 무선 가속도계와 무선 통신을 수행하는 무선 통신부; 및 상기 무선 통신부를 통해 상기 무선 가속도계로부터 전송되는 가속도 신호를 동기화시키고, 동기화된 가속도 신호를 이용하여 상기 교량 케이블의 장력, 진동모드 감쇠비, 진동 변위를 산출하는 연산부를 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기와 같은 본 발명에 따르면 무선 타입의 가속도계를 사용함으로써 신호선과 전원선이 측정 대상 케이블 진동에 대한 영향을 미치는 것을 미연에 방지하고, 케이블의 장력과, 감쇠비 및 변위를 모두 측정할 수 있어 관리자에게 편의를 제공할 수 있으며, 측정을 신속하게 수행할 수 있고, 케이블 단면의 2축 방향에 대해 동기화된 가속도 신호를 측정함으로써 단면의 회전과 같은 실제 움직임을 확인할 수 있다.

Description

무선 가속도계를 이용한 교량 케이블 진동 측정장치{APPARATUS FOR MEASURING BRIDGE CABLE VIBRATION USING WIRELESS ACCELEROMETER}
본 발명은 무선 가속도계를 이용한 교량 케이블 진동 측정장치에 관한 것으로서, 상세하게는 무선 타입의 가속도계를 사용함으로써 신호선과 전원선에 의해 측정 대상 케이블 진동에 대한 영향을 미치는 것을 미연에 방지하고, 케이블의 장력과, 감쇠비 및 변위를 모두 측정하도록 하는 무선 가속도계를 이용한 교량 케이블 진동 측정장치에 관한 것이다.
사장교, 현수교 등의 케이블을 이용한 장대교량에서는 케이블의 장력이 교량 구조 전체에 중요한 요인일 뿐 아니라 교량 구조계의 변화에 의하여 가장 민감하게 변화한다. 그러므로 케이블의 장력은 교량의 건전도 파악에 중요한 지표로 활용될 수 있으며, 설치되어 있는 교량의 케이블에 현재 도입되어 있는 장력을 시공시의 장력과 비교하면 기하적인 형상의 변화, 온도에 의한 장력의 변화, 케이블의 손상 유무 등을 검사할 수 있다.
또한, 케이블 교량에서는 하중이나 온도에 의하여 케이블의 장력에 변화가 발생하므로 차량 하중이나 측정 시간 등에 의한 변화 요인들도 고려하여야 한다. 그러므로 케이블 교량의 유지 관리를 위해서는 케이블의 측정을 통해 대상 교량의 건전도를 평가할 필요가 있다. 그리고, 이러한 자료로부터 사장교 전체의 응력 분포도 추정할 수 있다. 또한 케이블 교량의 시공 단계별 장력의 변화도 시공 상태를 나타내는 중요한 자료가 된다.
종래에 이용되어온 케이블의 장력 측정방법으로는 로드셀이나 스트레인 게이지를 이용한 정적인 측정방법과 고유진동수를 이용한 동적인 측정방법이 있다. 그러나, 정적인 측정방법은 유지관리 시에는 유용하게 사용할 수 없다는 단점이 있다.
한편, 종래의 동적 측정 방법 중 저차모드의 고유진동수를 이용하는 방법은, 측정 위치가 비교적 접근하기 힘든 케이블 중앙 부분이며, 장력 환산 작업은 비교적 간단하나 단일 진동수를 이용하여 측정치를 장력으로 직접 환산을 하므로 오차가 발생하기 쉽다. 또한 저차모드의 고유진동수를 이용한 종래의 동적 측정 방법에서는 저차의 진동수를 얻기 위해 저주파 가진이 필요하거나 주형의 저차 모드 성분에 의한 노이즈가 발생할 수 있다는 단점이 있다.
이에 비하여 고차모드의 고유진동수를 이용하는 종래의 측정방법은 상대적으로 접근이 용이한 부분인 케이블의 단부 근처에서 센서를 설치할 수 있고, 비교적 저가의 일반 가속도계를 사용할 수 있다는 장점이 있는 것으로 알려져 있다.
고유 진동수를 이용한 장력 산정 방법에서는 유효길이에 따라 장력이 바뀔 수 있다. 사장교 케이블인 경우에는 쉽게 유효길이를 산정할 수 있지만 현수교의 행어 케이블 경우에는 행어 클램프로 케이블 상단이 고정되어 있으므로 정확한 유효길이를 산정하기 힘들다. 이러한 경우에 유효길이를 정확하게 산정하는 것이 장력 측정 정밀도를 높이는 중요 인자가 된다.
종래의 장력 측정방법에서는 케이블의 양단이 힌지로 구성되어 있다는 가정하에 동력학적 이론을 적용하여 케이블의 장력을 결정하게 되는데, 이 경우 측정된 장력과 실제 장력간에 상당한 오차가 발생하게 된다.
특히, 완공된 교량에서의 장력측정은 현실적으로 고유진동수를 이용한 방법만이 적용 가능한 경우가 대부분인데, 만일 케이블의 양단을 힌지로 구성한 것을 전제로한 종래기술을 이용하여 장력을 측정하는 경우 그 측정된 장력의 신뢰성은 극히 저하된다.
이러한 문제점을 해결하기 위하여 국내등록특허 10-0373517호인 케이블의 동적 특성을 이용한 교량 케이블의 장력 측정장치가 개시되어 있다.
상기 케이블의 동적 특성을 이용한 교량 케이블의 장력 측정장치는 교량 케이블의 시간에 기초한 진동가속도를 측정하는 가속도계; 상기 가속도계에 의하여 측정된 케이블의 진동가속도 신호를 증폭하는 증폭기; 상기 증폭된 진동가속도 신호를 소정 주파수로 차단하는 저역 통과 필터; 상기 저역 통과 필터에 의하여 필터링된 신호를 아날로그/디지털 변환기에 의하여 디지털 신호로 변환하는 아날로그/디지털 변환기; 디지털 신호로 변환되어 있는 시간에 기초한 진동가속도 신호를 진동수에 기초한 진동가속도 신호로 변환하는 패스트 퓨리어 변환부; 상기 패스트 퓨리어 변환부에 의하여 변환된 진동수에 기초한 진동가속도 신호의 스펙트럼으로부터 케이블의 고유진동수를 결정하는 고유진동수 결정부; 및 상기 고유진동수 결정단계에 의하여 결정된 고유진동수와 케이블의 유효길이에 기초하여 케이블의 장력을 결정하는 장력 결정부로 구성된다.
그러나, 이러한 종래의 케이블의 동적 특성을 이용한 교량 케이블의 장력 측정장치는 가속도계가 유선으로 이루어지기 때문에 신호선, 전원선이 늘어지는 것이 측정 대상 케이블 진동에 대한 영향을 미치고, 장력만을 측정할 수 있을 뿐 케이블의 감쇠비와 변위 측정이 불가능한 문제점이 있다.
최근에는 영상계측, 레이저계측 등의 방법으로 케이블의 진폭을 측정하는 방법이 시도되고 있다.
그러나, 도 1과 같이 케이블이 진동하는 경우 1차원 축방향으로 진동하는 것이 아니라 실제로는 타원 또는 원 형태로 회전하며 진동하기 때문에 영상계측, 레이저계측 등의 방법으로 외부에서 진폭을 측정하는 경우 진폭은 측정방향에서 관측하는 진동의 투영길이로 간주되어 실제 발생하는 진폭에 비해 항상 작은 값으로 측정되는 데, 도 1의 '측정방향3' 방향으로 측정한 경우는 최대변위를 측정할 수 있으나, 실제 진동하는 케이블에서 측정 전에 진동의 주 방향을 알 수 없으며, 측정위치는 관측기를 설치할 수 있는 주변 여건에 의해 결정되고, 또한 케이블 측정을 위해 카메라나 레이저 측정기가 교량 상판에 설치되어야 하는데 교량 상판이 자체적인 진동을 가지고 있으므로 이렇게 측정된 변위는 상대적으로 큰 오차를 포함하고 있는 문제점이 있다.
국내등록특허 10-0373517호
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로, 무선 타입의 가속도계를 사용함으로써 신호선과 전원선이 측정 대상 케이블 진동에 대한 영향을 미치는 것을 미연에 방지하고, 케이블의 장력과, 감쇠비 및 변위를 모두 측정하도록 하는 무선 가속도계를 이용한 교량 케이블 진동 측정장치를 제공하는데 그 목적이 있다.
또한, 본 발명은 케이블 단면에 가속도계를 직각 방향으로 설치하여 2축 방향에 대해 동기화된 신호를 측정함으로써 단면의 회전과 같은 실제 움직임을 확인할 수 있도록 하는 무선 가속도계를 이용한 교량 케이블 진동 측정장치를 제공하는데 다른 목적이 있다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 특징은,
교량 케이블의 임의의 위치에 고정 설치되는 브라켓과; 상기 브라켓의 외측에 2축 직각으로 설치되는 무선 가속도계와; 각각의 상기 무선 가속도계와 무선 통신을 수행하는 무선 통신부; 및 상기 무선 통신부를 통해 상기 무선 가속도계로부터 전송되는 가속도 신호를 동기화시키고, 동기화된 가속도 신호를 이용하여 상기 교량 케이블의 장력, 진동모드 감쇠비, 진동 변위를 산출하는 연산부를 포함하는 것을 특징으로 한다.
여기에서, 상기 브라켓은 밴드 타입으로 길이 조정이 가능하다.
여기에서 또한, 상기 무선 가속도계와 무선 통신부는 블루투스, WiFi와 같은 무선 통신을 수행한다.
여기에서 또, 상기 연산부는 측정된 가속도 신호의 FFT(Fast Fourier Transformation) 분석을 통해 다중모드 방법으로 상기 교량 케이블의 장력을 산출하고, 상기 FFT 분석결과에서 원하는 모드에 대해 하프 파워 밴드폭(half power bandwidth) 방법으로 진동모드 감쇠비를 산출하며, 측정된 가속도 신호에 대해 경계조건문제로 정의하여 FIR-필터(finite impulse response filter)를 이용하여 케이블 변위를 산출한다.
여기에서 또, 상기 연산부는 케이블 변위를 산출시 상기 교량 케이블의 단면에 직각 방향으로 설치된 상기 무선 가속도계에서 각각 측정된 양방향 변위의 벡터합을 통해 실제 발생 변위를 산출한다.
상기와 같이 구성되는 본 발명인 무선 가속도계를 이용한 교량 케이블 진동 측정장치에 따르면, 무선 타입의 가속도계를 사용함으로써 신호선과 전원선에 의해 측정 대상 케이블 진동에 대한 영향을 미치는 것을 미연에 방지하고, 케이블의 장력과, 감쇠비 및 변위를 모두 측정할 수 있어 관리자에게 편의를 제공할 수 있으며, 측정을 신속하게 수행할 수 있다.
또한, 본 발명에 따르면 케이블 단면에 대해 직각 2축 방향에 대해 동기화된 가속도 신호를 측정함으로써 단면의 회전과 같은 실제 움직임을 확인할 수 있다.
도 1은 케이블 진동을 설명하기 위한 설명도이다.
도 2는 본 발명에 따른 무선 가속도계를 이용한 교량 케이블 진동 측정장치의 구성을 나타낸 블록도이다.
도 3은 본 발명에 따른 무선 가속도계를 이용한 교량 케이블 진동 측정장치중 브라켓과 무선 가속도계가 케이블에 설치된 모습을 나타낸 사시도이다.
도 4는 본 발명에 따른 무선 가속도계를 이용한 교량 케이블 진동 측정장치를 이용하여 케이블 변위 산출을 설명하기 위한 설명도이다.
이하, 본 발명에 따른 무선 가속도계를 이용한 교량 케이블 진동 측정장치의 구성을 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명하면 다음과 같다.
하기에서 본 발명을 설명함에 있어, 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략할 것이다. 그리고 후술되는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 관례 등에 따라 달라질 수 있다. 그러므로 그 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다.
도 2는 본 발명에 따른 무선 가속도계를 이용한 교량 케이블 진동 측정장치의 구성을 나타낸 블록도이고, 도 3은 본 발명에 따른 무선 가속도계를 이용한 교량 케이블 진동 측정장치중 브라켓과 무선 가속도계가 케이블에 설치된 모습을 나타낸 사시도이며, 도 4는 본 발명에 따른 무선 가속도계를 이용한 교량 케이블 진동 측정장치를 이용하여 케이블 변위 산출을 설명하기 위한 설명도이다.
도 2 내지 도 4를 참조하면, 본 발명에 따른 무선 가속도계를 이용한 교량 케이블 진동 측정장치(1)는, 브라켓(10)과, 무선 가속도계(20)와, 무선 통신부(30) 및 연산부(40)로 이루어진다.
먼저, 브라켓(10)은 교량 케이블(C)의 임의의 위치에 고정 설치되도록 밴드 타입으로 길이 조정이 가능하다.
그리고, 무선 가속도계(20)는 브라켓(10)의 외측에 1축 가속도계 2개가 상호 직각으로 설치되거나 또는 2축 가속도계 1개가 고정 설치된다. 이때, 무선 가속도계(20)는 배터리(미도시)가 구비되고, 블루투스, WiFi와 같은 무선 통신을 수행한다.
또한, 무선 통신부(30)는 각각의 무선 가속도계(20)와 블루투스, WiFi와 같은 무선 통신을 수행한다. 이때, 무선 통신부(30)는 각각의 무선 가속도계(20)와 서로 다른 채널을 통해 통신을 수행할 수 있고, 통상의 증폭기와 노이즈 필터 등이 구비되고, 필요에 따라 A/D 컨버터를 구비할 수도 있다.
또, 연산부(40)는 무선 통신부(30)를 통해 각각의 무선 가속도계(20)로부터 전송되는 가속도 신호를 동기화시키고, 동기화된 가속도 신호를 이용하여 통상의 산출 방식인 측정된 가속도 신호의 FFT(Fast Fourier Transformation) 분석을 통해 다중모드 방법으로 교량 케이블의 장력을 산출하고, 통상의 산출 방식인 FFT 분석결과에서 원하는 모드에 대해 하프 파워 밴드폭(half power bandwidth) 방법으로 진동모드 감쇠비를 산출하며, 통상의 산출 방식인 측정된 가속도 신호에 대해 경계조건문제로 정의하여 FIR-필터(finite impulse response filter)를 이용하여 케이블 변위를 산출한다. 이때, 연산부(40)는 가속도 신호를 초기 경계조건문제로 풀 경우 초기조건을 알 수 없고, 가속도 측정 잡음으로 인해 심각한 드리프트(drift)가 발생하는 데, 변위복원을 초기 경계조건문제가 아닌 양 끝에 경계조건을 갖는 경계조건문제로 정의하여 초기조건과 가속도 측정 잡음으로 인한 드리프트를 해소한다.
그리고, 연산부(40)는 도 4에 도시된 바와 같이 케이블 변위를 산출시 교량 케이블(C)의 단면에 직각 방향으로 설치된 무선 가속도계(20)에서 각각 측정된 양방향 변위의 벡터합을 통해 실제 발생 변위를 산출하므로 평면상으로 움직이는 실제 변위를 알 수 있는데, 무선 가속도계(20)가 직각으로 설치되기만 하면 교량 케이블(C) 단면에 대해 무선 가속도계(20)의 각도가 어떻게 놓이더라도 벡터합은 동일하므로 같은 변위 측정이 가능하다.
또한, 카메라 등으로부터 상대적인 변위를 측정하는 것이 아니라 교량 케이블(C)에서 직접 가속도를 측정하므로 상판이나 다른 구조물의 진동에 의한 간섭을 받지 않게 된다.
이하, 본 발명에 따른 무선 가속도계를 이용한 교량 케이블 진동 측정장치의 동작을 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명하면 다음과 같다.
먼저, 브라켓(10)에 무선 가속도계(20)를 직각으로 고정 설치한 후 브라켓(10)을 측정 대상인 교량 케이블(C)에 고정 설치한다. 이때, 무선 가속도계(20)의 전원을 켠다.
그리고, 무선 통신부(30)에서 무선 가속도계(20)를 페어링 시킨다.
그런 다음, 무선 가속도계(20)에서 가속도 신호를 측정하여 송신하면, 무선 통신부(30)에서 이를 수신한 후 시스템에 필요하도록 변환시킨 다음 연산부(40)로 전달한다.
그러면, 연산부(40)는 무선 통신부(30)를 통해 각각의 무선 가속도계(20)로부터 전송되는 가속도 신호를 동기화시키고, 동기화된 가속도 신호를 이용하여 교량 케이블(C)의 장력, 진동모드 감쇠비 및 케이블 변위를 산출한다.
본 발명은 다양하게 변형될 수 있고 여러 가지 형태를 취할 수 있으며 상기 발명의 상세한 설명에서는 그에 따른 특별한 실시 예에 대해서만 기술하였다. 하지만 본 발명은 상세한 설명에서 언급되는 특별한 형태로 한정되는 것이 아닌 것으로 이해되어야 하며, 오히려 첨부된 청구범위에 의해 정의되는 본 발명의 정신과 범위 내에 있는 모든 변형물과 균등물 및 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
10: 브라켓 20: 무선 가속도계
30: 무선 통신부 40: 연산부
C : 교량 케이블

Claims (5)

  1. 교량 케이블의 임의의 위치에 고정 설치되는 브라켓과;
    상기 브라켓의 외측에 2축 직각으로 설치되는 무선 가속도계와;
    각각의 상기 무선 가속도계와 무선 통신을 수행하는 무선 통신부; 및
    상기 무선 통신부를 통해 상기 무선 가속도계로부터 전송되는 가속도 신호를 동기화시키고, 동기화된 가속도 신호를 이용하여 상기 교량 케이블의 장력, 진동모드 감쇠비, 진동 변위를 산출하는 연산부를 포함하는 것을 특징으로 하는 무선 가속도계를 이용한 교량 케이블 진동 측정장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 브라켓은,
    밴드 타입으로 길이 조정이 가능한 것을 특징으로 하는 무선 가속도계를 이용한 교량 케이블 진동 측정장치.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 무선 가속도계와 무선 통신부는,
    블루투스, WiFi와 같은 무선 통신을 수행하는 것을 특징으로 하는 무선 가속도계를 이용한 교량 케이블 진동 측정장치.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 연산부는,
    측정된 가속도 신호의 FFT(Fast Fourier Transformation) 분석을 통해 다중모드 방법으로 상기 교량 케이블의 장력을 산출하고, 상기 FFT 분석결과에서 원하는 모드에 대해 하프 파워 밴드폭(half power bandwidth) 방법으로 진동모드 감쇠비를 산출하며, 측정된 가속도 신호에 대해 경계조건문제로 정의하여 FIR-필터(finite impulse response filter)를 이용하여 케이블 변위를 산출하는 것을 특징으로 하는 무선 가속도계를 이용한 교량 케이블 진동 측정장치.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 연산부는,
    케이블 변위를 산출시 상기 교량 케이블의 단면에 직각 방향으로 설치된 상기 무선 가속도계에서 각각 측정된 양방향 변위의 벡터합을 통해 실제 발생 변위를 산출하는 것을 특징으로 하는 무선 가속도계를 이용한 교량 케이블 진동 측정장치.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR100373517B1 (ko) 1999-04-28 2003-02-25 장승필 케이블의 동적 특성을 이용한 교량 케이블의 장력 측정장치

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