KR20200079036A - 매립형 원위치 전단파 측정 장치 - Google Patents

매립형 원위치 전단파 측정 장치 Download PDF

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Abstract

일 실시예에 따른 골재를 포함하는 기층에서 원위치 응력 및 탄성계수를 평가하기 위한 매립형 원위치 전단파 측정 장치는 기층 내에서 수평 방향으로 배치된 길이 방향의 프레임; 상기 프레임의 양 단부들에 각각 설치된 한 쌍의 트랜스듀서들; 및 상기 프레임의 양 단부들에 각각 설치되고 기층에 작용하는 하중에 견디도록 상기 한 쌍의 트랜스듀서들을 각각 보호하는 한 쌍의 프로텍터들을 포함할 수 있다.

Description

매립형 원위치 전단파 측정 장치{EMBEDDED APPARATUS FOR MEASURING IN-SITU SHEAR WAVE}
이하, 실시예들은 매립형 원위치 전단파 측정 장치에 관한 것이다.
도로의 기층 및 보조 기층(aggregate base/subbase layer)의 강성은 도로 하부 구조의 내구성 및 안정성을 및 평가(evaluation)하고, 포장체(pavement)를 설계함에 있어서 고려해야 할 중요한 특성 중 하나이다. 미국 도로교통협회(American Association of State Highway and Transportion Officials; AASHTO)는 CBR값 또는 R값과 같은 지반의 강도가 아닌, 재료의 역학적 특성이자 기층 재료의 강성 중 하나인 회복 탄성계수(resilient modulus)(MR)를 적용한 설계법을 추천하고 있다. 이러한 기층의 강성을 평가하기 위한 장치가 개발되고 있다.
공개특허공보 제10-2008-0064491호 (2008.07.09. 공개)
일 실시예에 따른 목적은 연약 지반이 아닌 골재(aggregate)를 포함하는 기층에서 다짐 작용(compaction)에도 손상되지 않고 전단파를 측정하여 원위치 응력(stress) 및 탄성계수(modulus)를 평가하는 매립형 원위치 전단파 측정 장치를 제공하는 것이다.
일 실시예에 따른 골재를 포함하는 기층에서 원위치 응력 및 탄성계수를 평가하기 위한 매립형 원위치 전단파 측정 장치는 기층 내에서 수평 방향으로 배치된 길이 방향의 프레임; 상기 프레임의 양 단부들에 각각 설치된 한 쌍의 트랜스듀서들; 및 상기 프레임의 양 단부들에 각각 설치되고 기층에 작용하는 하중에 견디도록 상기 한 쌍의 트랜스듀서들을 각각 보호하는 한 쌍의 프로텍터들을 포함할 수 있다.
상기 한 쌍의 프로텍터들은 각각 상기 한 쌍의 트랜스듀서들의 각각을 기준으로 상부에 배치되는 상부 바 및 상기 한 쌍의 트랜스듀서들의 각각을 기준으로 하부에 배치되는 하부 바를 포함할 수 있다.
상기 한 쌍의 프로텍터들은 각각 상기 상부 바 및 상기 하부 바와 함께 상기 한 쌍의 트랜스듀서들을 둘러싸며 상기 한 쌍의 트랜스듀서들을 상기 프레임의 양 단부들에 고정시키는 베이스를 포함할 수 있다.
상기 프레임의 양 단부들 및 상기 한 쌍의 프로텍터들 사이에 각각 설치되고 상기 한 쌍의 트랜스듀서들 및 상기 프레임 사이의 전단파의 전달을 차단하는 한 쌍의 블로커들을 더 포함할 수 있다.
상기 프레임의 길이는 상기 한 쌍의 트랜스듀서들 사이에서 전파되는 전단파의 파장에 기초하여 결정될 수 있다.
상기 매립형 원위치 전단파 측정 장치는 상기 한 쌍의 트랜스듀서들에 각각 연결되고 상기 한 쌍의 트랜스듀서들 사이에 이동하는 전단파의 파장을 제어하는 컨트롤러를 더 포함하고, 상기 컨트롤러는 기층 내 골재의 크기에 기초하여 전단파의 파장을 결정할 수 있다.
상기 한 쌍의 트랜스듀서들의 길이는 기층 내 골재의 크기에 기초하여 결정될 수 있다.
상기 한 쌍의 트랜스듀서들은 압전 물질을 갖는 한 쌍의 시트들 및 상기 한 쌍의 시트들 사이에 개재되며 금속 물질을 갖는 심(shim)을 포함할 수 있다.
일 실시예에 따른 매립형 원위치 전단파 측정 장치는 골재를 포함하는 기층에서 다짐 작용에도 손상되지 않고 전단파를 측정하여 원위치 응력 및 탄성계수를 평가할 수 있다.
일 실시예에 따른 매립형 원위치 전단파 측정 장치는 기층의 함수량(moisture content) 변화에 따른 기층의 탄성계수 변화를 평가할 수 있다.
일 실시예에 따른 매립형 원위치 전단파 측정 장치는 교통 수단의 방해 및 지연 없이 하중에 따른 기층의 탄성계수 특성을 모니터링 할 수 있다.
일 실시예에 따른 매립형 원위치 전단파 측정 장치의 효과는 이상에서 언급된 것들에 한정되지 않으며, 언급되지 아니한 다른 효과들은 아래의 기재로부터 통상의 기술자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
도 1은 일 실시예에 따른 매립형 원위치 전단파 측정 장치를 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 2는 도 1의 A부분을 확대한 매립형 원위치 전단파 측정 장치의 일부 사시도이다.
도 3은 일 실시예에 따른 매립형 원위치 전단파 측정 장치의 일부의 측면도이다.
도 4는 일 실시예에 따른 트랜스듀서의 평면도이다.
이하, 실시예들을 예시적인 도면을 통해 상세하게 설명한다. 각 도면의 구성요소들에 참조부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성요소들에 대해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호를 가지도록 하고 있음에 유의해야 한다. 또한, 실시예를 설명함에 있어, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 실시예에 대한 이해를 방해한다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략한다.
또한, 실시예의 구성 요소를 설명하는 데 있어서, 제 1, 제 2, A, B, (a), (b) 등의 용어를 사용할 수 있다. 이러한 용어는 그 구성 요소를 다른 구성 요소와 구별하기 위한 것일 뿐, 그 용어에 의해 해당 구성 요소의 본질이나 차례 또는 순서 등이 한정되지 않는다. 어떤 구성 요소가 다른 구성요소에 "연결", "결합" 또는 "접속"된다고 기재된 경우, 그 구성 요소는 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되거나 접속될 수 있지만, 각 구성 요소 사이에 또 다른 구성 요소가 "연결", "결합" 또는 "접속"될 수도 있다고 이해되어야 할 것이다.
어느 하나의 실시예에 포함된 구성요소와, 공통적인 기능을 포함하는 구성요소는, 다른 실시예에서 동일한 명칭을 사용하여 설명하기로 한다. 반대되는 기재가 없는 이상, 어느 하나의 실시예에 기재한 설명은 다른 실시예에도 적용될 수 있으며, 중복되는 범위에서 구체적인 설명은 생략하기로 한다.
도 1 내지 도 4를 참조하면, 일 실시예에 따른 매립형 원위치 전단파 측정 장치(10)는 골재(aggregate)를 포함하는 기층(BL)에 작용하는 하중(L)에 따른 기층(BL)의 탄성계수 특성을 측정할 수 있다. 여기서, 하중(L)는 기층(BL)의 다짐 작용(compaction)에 따라 발생할 수 있다. 지반을 일반적으로 구성하는 지면(또는 아스팔트 층), 골재를 포함하는 기층(BL) 및 토양층(soil layer)(SL)을 관입하여 각각의 층의 동적 강성을 평가하는 관입 시험기(penetrometer)와 달리, 매립형 원위치 전단파 측정 장치(10)는 기층(BL) 내에 배치되어 기층(BL) 내 원위치(in-situ) 응력(stress) 및 탄성계수(modulus)를 평가(estimate)하도록 구성된다.
매립형 원위치 전단파 측정 장치(10)는 프레임(110), 한 쌍의 트랜스듀서들(121, 122), 한 쌍의 프로텍터(130)들, 한 쌍의 블로커(141)들 및 컨트롤러(150)를 포함할 수 있다.
프레임(110)은 기층(BL) 내에서 수평 방향으로 배치될 수 있다. 프레임(110)은 제1지지부(112) 및 제2지지부(114)를 포함할 수 있다. 제1지지부(112)는 기층(BL) 내에서 수평 방향으로 연장하고 서로 이격되어 배치된 한 쌍의 길이 방향의 바(bar)들을 포함할 수 있다. 제2지지부(114)는 트랜스듀서(121) 및 프로텍터(130)를 지지하도록 구성된다. 제2지지부(114)는 제1지지부(112)의 양 단부들에 설치되고 기층(BL) 내에서 수직 방향으로 연장할 수 있다.
제1지지부(112)는 기층(BL) 내 탄성계수 특성을 측정하기에 임의의 적합한 길이를 가질 수 있다. 제1지지부(112)의 길이(H)는 제1지지부(112)의 양 단부들에 각각 설치되는 한 쌍의 트랜스듀서들(121, 122) 사이에서 전달되는 전단파(shear wave)(W)의 파장에 기초하여 결정될 수 있다. 일 예로, 제1지지부(112)의 길이(H)는 근거리장 효과(near-field effect)를 최소화하기 위해 전단파(W)의 파장보다 약 4배 이상일 수 있다. 또한, 제1지지부(112)의 길이(H)는 기층(BL)에 하중(L)를 인가하는 주체(e.g. 타이어)의 폭보다 클 수 있다. 한편, 제1지지부(112)의 길이(H)는 어느 하나의 트랜스듀서(121)로부터 발생한 전단파(W)가 기층(BL)을 통과하면서 설정 강도(intensity) 이상을 가지면서 다른 하나의 트랜스듀서(122)로 전달되도록 전단파(W)의 에너지의 크기를 고려하여 설정 길이 이하로 결정될 수 있다.
도시되지 않은 실시예에서, 제1지지부(112)는 길이 조절이 가능하도록 구성될 수 있다. 일 예로, 제1지지부(112)의 한 쌍의 길이 방향의 바들은 각각 복수 개의 분리 가능한 섹션(section)들을 가질 수 있으며, 이러한 섹션들은 볼트 및 너트와 같은 체결 부재를 통해 서로 체결될 수 있다. 이 예에서, 분리 가능한 섹션들의 개수에 따라 제1지지부(112)의 길이(H)가 결정될 수 있다. 또 다른 예로, 제1지지부(112)의 한 쌍의 길이 방향의 바들에 각각 구비된 섹션들은 서로 텔레스코프 방식(telescopic manner)으로 동작될 수 있다.
한 쌍의 트랜스듀서들(121, 122)은 전단파(W)를 발생시켜 제2트랜스듀서(122)를 향해 발생된 전단파(W)를 송신하도록 구성된 제1트랜스듀서(121) 및 제1트랜스듀서(121)로부터 송신된 전단파(W)를 수신하도록 구성된 제2트랜스듀서(122)를 포함할 수 있다. 제1트랜스듀서(121) 및 제2트랜스듀서(122)는 프레임(110)의 양 단부들에 각각 설치될 수 있다.
제1트랜스듀서(121) 및 제2트랜스듀서(122)는 전단파(W)를 송수신하기에 적합한 형상을 가질 수 있다. 제1트랜스듀서(121) 및 제2트랜스듀서(122)는 제2프레임(114)에 각각의 단부가 고정되고 제2프레임(114)으로부터 연장하는 형상을 가질 수 있다. 일 예로, 제1트랜스듀서(121) 및 제2트랜스듀서(122)는 플레이트 형상을 가질 수 있다.
제1트랜스듀서(121) 및 제2트랜스듀서(122)는 기층(BL) 내 응력 및 탄성계수를 평가하기에 적합한 길이(D)를 각각 가질 수 있다. 제1트랜스듀서(121) 및 제2트랜스듀서(122)의 각각의 길이(D)는 기층(BL) 내 골재의 크기에 기초하여 결정될 수 있다. 일 예로, 송수신할 전단파(W)의 파장이 증가할수록 제1트랜스듀서(121) 및 제2트랜스듀서(122)의 각각의 길이(D)가 증가할 수 있다. 바람직한 예로, 골재의 내부 저역 필터링 효과(internal low-pass filtering effect)를 최소화하기 위해, 전단파(W)의 파장이 골재의 직경의 중간 크기(median size)의 2배보다 크도록 제1트랜스듀서(121) 및 제2트랜스듀서(122)의 각각의 길이(D)가 결정될 수 있다. 만약, 기층(BL)의 골재의 직경의 중간 크기가 약 25mm이면, 제1트랜스듀서(121) 및 제2트랜스듀서(122)의 각각의 길이(D)는 약 30mm일 수 있다.
제1트랜스듀서(121) 및 제2트랜스듀서(122)는 전단파(W)를 발생시키기에 임의의 적합한 구조를 가질 수 있다. 예를 들어, 제1트랜스듀서(121)는 압전 물질(piezoelectric material)을 가지는 한 쌍의 시트들(P1, P2) 및 금속 물질을 가지는 심(shim)(S)을 포함할 수 있다. 심(S)은 한 쌍의 시트들(P1, P2) 사이에 개재될 수 있다. 제1트랜스듀서(121)의 이와 같은 구조에 의하면, 한 쌍의 시트들(P1, P2)에 전력이 인가됨에 따라 한 쌍의 시트들(P1, P2)이 압전 구동 방식으로 벤딩되고, 이에 따라 전단파(W)가 발생할 수 있다. 압전 구동 방식을 사용하여 전단파(W)를 발생시키는 제1트랜스듀서(121) 및 제2트랜스듀서(122)는 초음파를 이용하는 트랜스듀서에 비해 골재와의 커플링(coupling) 관점 및 비용 관점에서 유리할 수 있다. 또한, 한 쌍의 시트들(P1, P2)의 외부 표면에는 전도성 은 도료(conductive silver paint) 등의 도료로 코팅될 수 있으며, 이는 더 나은 전자기 차폐(electromagnetic shield)를 제공할 수 있다.
한 쌍의 프로텍터(130)들은 기층(BL)에 작용하는 하중(L)에 의한 손상을 감소 또는 방지하기 위해 제1트랜스듀서(121) 및 제2트랜스듀서(122)를 보호하도록 구성된다. 한 쌍의 프로텍터(130)들은 프레임(110)의 양 단부들에 각각 설치될 수 있다.
한 쌍의 프로텍터(130)들은 베이스(131), 상부 바(132) 및 하부 바(133)를 각각 포함할 수 있다. 베이스(131), 상부 바(132) 및 하부 바(133)는 제1트랜스듀서(121)를 둘러싸도록 구성될 수 있다. 예를 들어, 베이스(131)는 제1트랜스듀서(121)의 적어도 일부가 베이스(131)에 삽입되도록 제1트랜스듀서(121)의 적어도 일부를 수용하며 제1트랜스듀서(121)의 단부를 제2프레임(114)에 고정시키도록 구성되고, 상부 바(132) 및 하부 바(133)는 베이스(131)로부터 제1트랜스듀서(121)의 양 측을 따라 연장할 수 있다. 여기서, 상부 바(132)는 제1트랜스듀서(121)를 기준으로 기층(BL)의 상부에 배치되고, 하부 바(133)는 제1트랜스듀서(121)를 기준으로 기층(BL)의 하부에 배치될 수 있다. 또한, 상부 바(132) 및 하부 바(133)는 제1트랜스듀서(121)의 양 측으로부터 이격될 수 있다. 상기와 같이, 한 쌍의 프로텍터(130)들의 구성요소들이 제1트랜스듀서(121)에 관하여 설명되었지만, 이에 반드시 제한되지 않으며, 제2트랜스듀서(122)에 동일하게 적용될 수 있음은 자명하다.
한 쌍의 블로커(141)들은 제1트랜스듀서(121)로부터 발생한 전단파(W)가 프레임(110)을 따라 이동하며 제2트랜스듀서(122)로 전달되지 않도록 제1트랜스듀서(121)과 프레임(110) 사이 및 제2트랜스듀서(122)와 프레임(110) 사이의 전단파(W)의 이동을 차단하도록 구성된다. 한 쌍의 블로커(141)들은 고강도를 가지는 물질을 가질 수 있다. 일 예로, 한 쌍의 블로커(141)들은 에폭시, 실리콘, 우레탄 등을 가질 수 있다. 이와 같은 구조는 제1트랜스듀서(121)로부터 발생한 전단파(W)가 제2트랜스듀서(122)를 향해 기층(BL) 내 골재를 통과하도록 전단파(W)를 가이드 할 수 있다.
컨트롤러(150)는 한 쌍의 트랜스듀서들(121, 122)에 각각 연결되고 한 쌍의 트랜스듀서들(121, 122) 사이에 이동하는 전단파(W)의 파장을 제어할 수 있다. 일 예로, 컨트롤러(150)는 기층(BL) 내 골재의 크기에 기초하여 전단파(W)의 파장을 결정할 수 있다. 앞서 설명한 예와 같이, 전단파(W)의 파장은 골재의 직경의 중간 크기의 2배보다 크도록 결정될 수 있다.
이상과 같이 실시예들이 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 해당 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 상기의 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다. 예를 들어, 설명된 기술들이 설명된 방법과 다른 순서로 수행되거나, 및/또는 설명된 시스템, 구조, 장치, 회로 등의 구성요소들이 설명된 방법과 다른 형태로 결합 또는 조합되거나, 다른 구성요소 또는 균등물에 의하여 대치되거나 치환되더라도 적절한 결과가 달성될 수 있다.

Claims (8)

  1. 골재를 포함하는 기층에서 원위치 응력 및 탄성계수를 평가하기 위한 매립형 원위치 전단파 측정 장치에 있어서,
    기층 내에서 수평 방향으로 배치된 길이 방향의 프레임;
    상기 프레임의 양 단부들에 각각 설치된 한 쌍의 트랜스듀서들; 및
    상기 프레임의 양 단부들에 각각 설치되고 기층에 작용하는 하중에 견디도록 상기 한 쌍의 트랜스듀서들을 각각 보호하는 한 쌍의 프로텍터들;
    을 포함하는 매립형 원위치 전단파 측정 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 한 쌍의 프로텍터들은 각각
    상기 한 쌍의 트랜스듀서들의 각각을 기준으로 상부에 배치되는 상부 바; 및
    상기 한 쌍의 트랜스듀서들의 각각을 기준으로 하부에 배치되는 하부 바;
    를 포함하는 매립형 원위치 전단파 측정 장치.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 한 쌍의 프로텍터들은 각각 상기 상부 바 및 상기 하부 바와 함께 상기 한 쌍의 트랜스듀서들을 둘러싸며 상기 한 쌍의 트랜스듀서들을 상기 프레임의 양 단부들에 고정시키는 베이스를 포함하는 매립형 원위치 전단파 측정 장치.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 프레임의 양 단부들 및 상기 한 쌍의 프로텍터들 사이에 각각 설치되고 상기 한 쌍의 트랜스듀서들 및 상기 프레임 사이의 전단파의 전달을 차단하는 한 쌍의 블로커들을 더 포함하는 매립형 원위치 전단파 측정 장치.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 프레임의 길이는 상기 한 쌍의 트랜스듀서들 사이에서 전파되는 전단파의 파장에 기초하여 결정되는 매립형 원위치 전단파 측정 장치.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 한 쌍의 트랜스듀서들에 각각 연결되고 상기 한 쌍의 트랜스듀서들 사이에 이동하는 전단파의 파장을 제어하는 컨트롤러를 더 포함하고,
    상기 컨트롤러는 기층 내 골재의 크기에 기초하여 전단파의 파장을 결정하도록 구성되는 매립형 원위치 전단파 측정 장치.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 한 쌍의 트랜스듀서들의 길이는 기층 내 골재의 크기에 기초하여 결정되는 매립형 원위치 전단파 측정 장치.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 한 쌍의 트랜스듀서들은
    압전 물질을 갖는 한 쌍의 시트들; 및
    상기 한 쌍의 시트들 사이에 개재되며 금속 물질을 갖는 심(shim);
    을 포함하는 매립형 원위치 전단파 측정 장치.
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