KR20210039809A - 4 자유도 교량 변위 실시간 모니터링 시스템 및 그것의 시공 방법 - Google Patents

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KR20210039809A
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Abstract

교량 상판의 비틀림과 같은 변위의 정도를 4 자유도로 산출하도록 이루어지는 4 자유도 교량 변위 실시간 모니터링 장치, 그것을 포함하는 시스템 그리고 그것의 시공 방법을 개시한다. 교량 변위 실시간 모니터링 장치는 상호 이격되어 배치되는 교량의 제1 상판과 제2 상파의 움직임을 4 자유도로 실시간 모니터링 할 수 있다. 이에 따라, 솟음이나 분발력과 같은 교량 특유의 움직임을 실시간으로 모니터링 할 수 있다. IoT(사물인터넷) 기술을 적용하여 사용자는 언제 어디서든 교량의 움직임을 감시할 수 있으며, 지진 등의 비상상황에서 교량의 안전성을 바로 확인할 수 있다. IoT에 의하여 수집된 빅데이터는 향후 관리자의 교량 관리에 활용될 수 있다. 태양광과 같은 그린 에너지를 사용하기 때문에, 에너지 절감의 효과도 있다.

Description

4 자유도 교량 변위 실시간 모니터링 시스템 및 그것의 시공 방법{4 DEGREE OF FREEDOM BRIDGE DISPLACEMENT REAL-TIME MONITORING SYSTEM AND CONSTRUCTION METHOD THEREOF}
본 발명은 교량 상판의 비틀림과 같은 변위의 정도를 4 자유도로 산출하도록 이루어지는 4 자유도 교량 변위 실시간 모니터링 장치, 그것을 포함하는 시스템 그리고 그것을 시공하는 시공 방법에 관한 것이다.
교량은, 다수 개의 교각을 세우고, 교각과 교각 사이에 거더(girder)와 철근 콘크리트 슬래브 또는 박스형 거더(box girder) 등으로 형성된 교량 상판을 얹힌 후, 상기 교량 상판의 상부에 아스팔트를 도포시켜, 노선상의 하천, 계곡, 강 등과 같은 장애물에 가로질러 놓은 토목 구조물이다.
복수 개의 교량 상판은 교각을 따라 연달아 배치되기 때문에, 각각의 교량 상판 간에는 일정 간격의 틈새가 형성된다. 따라서 각각의 교량 상판의 거동은 독립적으로 발생한다.
구체적으로, 각각의 교량 상판에는, 계절에 따라 발생하는 온도변화에 의해 일정량 그 길이가 늘어나고, 줄어드는 현상이 발생할 수 있고, 교량을 통과하는 차량 하중에 따라 발생하는 불균등한 하중 분배에 의해 도로 진행 방향을 기준으로 좌측 또는 우측으로 기울어짐이 발생하고, 이에 따라 연달아 배치되는 교량 상판들 간의 비틀림이 발생할 수 있다.
참고로, 각각의 교량 상판의 단부에 조인트부를 설치하여 교량 상판들이 서로 맞물리게 연결될 수 있으나, 이는 교량 상판들이 일체로 거동하는 구조 시스템을 의미하지 않는다.
특히, 교량 상판 간에 비틀림이 심하게 발생하는 경우, 상기 비틀림에 따른 교량 구조 시스템에 불균형이 초래되어 교량 붕괴 등과 같은 안전 사고가 발생할 수 있다. 따라서 이를 모니터링하고 이상 징후를 초기에 발견하는 것이 매우 중요하다.
아울러, 비틀림에 의해 전단력이 교량 상판들 사이에 설치된 조인트부에 발생하여 상기 조인트부가 변형 또는 손상될 수 있다는 문제가 있다. 따라서, 교량의 손상을 방지하기 위해 교량 상판들간의 비틀림이 어느 정도 발생하였는지를 측정하는 것이 매우 중요하다.
특허문헌인 대한민국 등록특허공보 제10-1886309호(2018.08.09.)에서 교량 상판들의 하부에 설치되어 교량 상판들 간의 비틀림을 계측하는 교량 변위 계측 시스템이 제시된 바 있다. 상기 특허문헌에 개시된 교량 변위 계측 시스템은, 교량 상판의 하부에 설치되는 복수의 지지프레임들과, 상기 복수의 지지프레임들 사이에 배치되며 상기 지지프레임의 변위를 측정하는 복수의 변위 측정 센서들을 구비하여, 상기 복수의 지지프레임들 간에 발생하는 상대적 변위를 측정함으로써 교량 상판들 간에 발생하는 비틀림을 용이하게 측정할 수 있다는 장점을 갖는다.
하지만, 종래의 상기 교량 변위 계측 시스템은, 교량 상판의 3축 변위의 대한 측정은 가능하지만, 3축이 아닌 또 다른 축으로 발생하는 교량 상판의 변위에 대한 측정은 불가능하다. 따라서, 교량 상판에서 3축 이상으로 발생하는 변위의 측정이 가능한 교량 변위 계측 시스템의 개발이 고려될 수 있다.
본 발명의 목적은, 교량 상판에서 발생하는 4축 변위 대한 측정이 가능하도록 이루어지는 교량 변위 계측 시스템을 제공하는 데에 있다.
본 발명을 따르는 교량 변위 계측 시스템은, 일 방향을 따라 연속 배치되는 제1 교량상판과 제2 교량상판; 상기 제1 및 제2 교량상판의 마주하는 각각의 일 단부가 얹혀지는 제1 교각; 및 상기 제2 교량상판이 얹혀지는 제2 교각을 포함하고, 상기 제1 교량상판과 상기 제2 교량상판은 각각 서로 마주하는 제1 면과 제2 면을 구비하는 교량에서, 상기 제1 및 제2 교량상판의 상대적 변위 또는 상기 제1 및 제2 교량상판 각각의 변위를 측정하는 교량 변위 계측 시스템에 있어서, 상기 교량 변위 계측 시스템은, 각각의 일 면이 상기 제1 및 제2 면과 평행하게 형성되며, 상기 제1 및 제2 교량상판 하부에 각각 고정 설치되거나, 상기 제1 및 제2 교량상판 중 어느 하나의 하부에 각각 고정 설치되는 제1 지지프레임과 제2 지지프레임; 각각 변위를 측정하도록 구성되고, 상기 제1 지지프레임과 상기 제2 지지프레임 사이에 배치되어 상기 제1 및 제2 지지프레임을 연결하는 제1 변위 측정 센서, 제2 변위 측정 센서, 제3 변위 측정 센서, 제4 변위 측정 센서; 및 상기 제1 내지 제4 변위 측정 센서로부터 측정되는 상기 제1 및 제2 지지프레임 간의 변위값 또는 상기 제1 및 제2 지지프레임 각각의 변위값을 이용하여 상기 제1 및 제2 교량상판의 상대적 변위 또는 상기 제1 및 제2 교량상판 각각의 변위를 산출하도록 이루어지는 연산부를 포함하고, 상기 제1 변위 측정 센서는, 상기 제1 면과 평행한 상기 제1 지지프레임의 일 면상의 제1 지점과, 상기 제2 면과 평행한 상기 제2 지지프레*의 일 면상의 제2 지점에 연결되며, 상기 제2 변위 측정 센서는, 상기 제1 면과 평행한 상기 제1 지지프레임의 일 면상의 제3 지점과, 상기 제2 면과 평행한 상기 제2 지지프레임의 일 면상의 제4 지점에 연결되고, 상기 제3 변위 측정 센서는, 상기 제1 면과 평행한 상기 제1 지지프레임의 일 면상의 제5 지점과, 상기 제2 면과 평행한 상기 제2 지지프레임의 일 면상의 제6 지점에 연결되며, 상기 제4 변위 측정 센서는, 상기 제1 면과 평행한 상기 제1 지지프레임의 일 면상의 제7 지점과, 상기 제2 면과 평행한 상기 제2 지지프레임의 일 면상의 제8 지점에 연결되고, 상기 제1 지점, 상기 제3 지점, 상기 제5 지점은, 각각 상기 제1 지지프레임의 일 면상에서 제1 삼각형의 꼭지점을 형성하며, 상기 제1 및 제3 지점, 상기 제1 및 제5 지점, 상기 제3 및 제5 지점을 각각 연결하여 만들어지는 상기 제1 삼각형의 제1 변, 제2 변, 제3 변을 형성하도록 이루어지고, 상기 제2 지점, 상기 제4 지점, 상기 제6 지점은, 각각 상기 제2 지지프레임의 일 면상에서 제2 삼각형의 꼭지점을 형성하며, 상기 제2 및 제4 지점, 상기 제2 및 제6 지점, 상기 제4 및 제6 지점을 각각 연결하여 만들어지는 상기 제2 삼각형의 제4 변, 제5 변, 제6 변을 형성하도록 이루어지고, 상기 제7 지점은 상기 제3 변의 중심에 형성되며, 상기 제8 지점은 상기 제6 변의 중심과 상기 제2 지점을 연결한 수직선상에서, 상기 제2 지점과 인접하는 위치에 형성된다.
상기 제1 삼각형은, 상기 제1 변과 상기 제2 변의 길이가 동일한 이등변 삼각형으로 이루어지고, 상기 제2 삼각형은, 상기 제4 변과 상기 제5 변의 길이가 동일한 이등변 삼각형으로 이루어질 수 있다.
상기 제1 삼각형은 상기 제2 삼각형보다 큰 크기를 갖도록 이루어지며, 상기 제1 및 제2 삼각형은 서로 닮은 도형을 만족하도록 형성될 수 있다.
상기 제1 및 제4 변과, 상기 제2 및 제5 변과, 상기 제3 및 제6 변은 각각 서로 평행을 이루어도록 배치될 수 있다.
상기 교량 변위 계측 시스템은, 상기 제1 및 제2 지지프레임과 상기 제1 내지 제4 변위 측정 센서를 각각 회전 가능하게 연결시키도록 이루어지는 힌지연결부를 더 포함할 수 있다.
상술한 해결수단을 통해 얻게 되는 본 발명의 효과는 다음과 같다.
제1 교량상판과 제2 교량상판 하부에 고정 설치되는 제1 지지프레임 및 제2 지지프레임과, 제1 및 제2 지지프레임에 대한 서로 다른 변위의 측정이 가능하도록 제1 및 제2 지지프레임 사이에 연결 배치되는 제1 내지 제4 변위 측정 센서를 포함하여, 제1 및 제2 지지프레임의 변위값을 4자유도로 측정 가능하다. 결과적으로, 하나의 교량 변위 계측 시스템을 이용하여 제1 및 제2 교량상판의 상대적 변위 또는 제1 및 제2 교량상판 각각의 변위를 용이하게 계측할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 교량 변위 계측 장치 설치된 교량을 보인 개념도이다.
도 2는 도 1에 도시된 교량 변위 계측 장치의 사시도이다.
도 3은 도 1에 도시된 교량 변위 계측 장치의 정면도이다.
도 4는 도 1에 도시된 교량 변위 계측 장치의 평면도이다.
도 5는 도 1에 도시된 교량 변위 계측 장치의 좌측면도이다.
도 6은 도 1에 도시된 교량 변위 계측 장치의 우측면도이다.
도 7a는 도 2에 도시된 제1 지지프레임과 제2 지지프레임을 개념적으로 도시한 도면이다.
도 7b는 일 실시 예에 따른 제1 지지프레임과 제2 지지프레임을 개념적으로 도시한 도면이다.
도 8a 및 도 8b는 도 1에 도시된 교량 변위 계측 장치이 제1 및 제2 교량상판에서 신축 발생 시 동작하는 상태와, 제1 내지 제4 변위 측정 센서에서 측정되는 변위량의 변화를 보인 개념도들이다.
도 9a 및 도 9b는 도 1에 도시된 교량 변위 계측 장치이 제1 및 제2 교량상판에서 부등침하 발생 시 동작하는 상태와, 제1 내지 제4 변위 측정 센서에서 측정되는 변위량의 변화를 보인 개념도들이다.
도 10a 및 도 10b는 도 1에 도시된 교량 변위 계측 장치이 제2 교량상판의 중앙선의 엇갈림 발생 시 동작하는 상태와, 제1 내지 제4 변위 측정 센서에서 측정되는 변위량의 변화를 보인 개념도들이다.
도 11a 및 도 11b는 도 1에 도시된 교량 변위 계측 장치이 제1 및 제2 교량상판에서 기울기차 발생 시 동작하는 상태와, 제1 내지 제4 변위 측정 센서에서 측정되는 변위량의 변화를 보인 개념도들이다.
도 12는 상술한 교량 변위 계측 장치를 시공하는 방법을 설명하기 위한 흐름도이다.
이하, 본 발명에 관련된 교량 변위 계측 장치에 대하여 도면을 참조하여 보다 상세하게 설명한다.
본 명세서에서는 서로 다른 실시예라도 동일·유사한 구성에 대해서는 동일·유사한 참조번호를 부여하고, 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다.
또한, 본 명세서에 개시된 실시 예를 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 명세서에 개시된 실시 예의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다.
또한 첨부된 도면은 본 명세서에 개시된 실시 예를 쉽게 이해할 수 있도록 하기 위한 것일 뿐, 첨부된 도면에 의해 본 명세서에 개시된 기술적 사상이 제한되지 않으며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
제1, 제2 등과 같이 서수를 포함하는 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되지는 않는다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다.
단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다.
본 출원에서, "포함한다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 교량 변위 계측 장치(100)이 설치된 교량(10)을 보인 개념도이고, 도 2는 도 1에 도시된 교량 변위 계측 장치(100)의 사시도이며, 도 3은 도 1에 도시된 교량 변위 계측 장치(100)의 정면도이고, 도 4는 도 1에 도시된 교량 변위 계측 장치(100)의 평면도이며, 도 5는 도 1에 도시된 교량 변위 계측 장치(100)의 좌측면도이고, 도 6은 도 1에 도시된 교량 변위 계측 장치(100)의 우측면도이며, 도 7a는 도 2에 도시된 제1 지지프레임(110)과 제2 지지프레임(120)을 개념적으로 도시한 도면이다.
도 1 내지 도 7b를 참조하면, 교량(10)은 제1 교량상판(11) 및 제2 교량상판(12)과, 제1 교각(13)과 제2 교각(14) 및 교좌(15)를 포함한다.
제1 교량상판(11)과 제2 교량상판(12)은 도 1에 도시된 바와 같이 일 방향을 따라 연속 배치된다. 제1 및 제2 교량상판(11,12)은 철근 콘크리트 구조물 또는 강재로 제작될 수 있다. 그리고 제1 및 제2 교량상판(11,12)의 상면에는 아스팔트 층이 구비되어 사람 또는 차량이 통행할 수 있도록 이루어질 수 있다. 또한, 도 8a를 참조하면, 제1 교량상판(11)과 제2 교량상판(12) 사이에는 일정 간격의 틈새가 형성되고, 제1 교량상판(11)과 제2 교량상판(12)은 각각 서로 마주하는 제1 면(11a)과 제2 면(12a)을 구비한다.
제1 교각(13)은 제1 및 제2 교량상판(11,12)의 마주하는 각각의 일 단부가 얹혀지도록 형성되어, 제1 및 제2 교량상판(11,12)을 지지하도록 이루어진다.
제2 교각(14)은 상기 제2 교량상판(12)이 얹혀지도록 형성되고, 상부에 위치하는 제2 교량상판(12)을 지지하도록 이루어진다.
교량 변위 계측 장치(100)은 제1 및 제2 교량상판(11,12) 하부에 설치되어, 제1 및 제2 교량상판(11,12)의 상대적 변위 또는 상기 제1 및 제2 교량상판(11,12) 각각의 변위를 측정하도록 이루어진다. 교량 변위 계측 장치(100)은 도 1의 좌측에 배치된 형태와 같이, 제1 및 제2 교량상판(11,12)의 길이 방향으로 설치되거나, 도 1의 우측에 배치된 형태와 같이 제1 및 제2 교량상판(11,12)의 폭 방향으로 설치될 수 있다.
한편, 교량(10)은 제1 및 제2 교량상판(11,12)에 가해지는 충격을 흡수하거나 제1 및 제2 교각(13,14)으로 전달하여 완충 기능을 수행하는 교좌(15)를 구비할 수 있다. 상기 교좌(15)는 제1 및 제2 교량상판(11,12)의 변위량이 제1 및 제2 교각(13,14)이나 교대(미도시)에 직접적으로 전달되지 않도록 하는 역할을 수행한다.
이하, 상기 교량 변위 계측 장치(100)의 구성에 대하여 설명한다.
교량 변위 계측 장치(100)은, 제1 지지프레임(110), 제2 지지프레임(120), 제1 변위 측정 센서(130), 제2 변위 측정 센서(140), 제3 변위 측정 센서(150), 제4 변위 측정 센서(160) 및 연산부(미도시)를 포함한다.
제1 지지프레임(110)과 제2 지지프레임(10)은 각각의 일 면이 제1 교량상판(11)과 제2 교량상판(12)의 상기 제1 면(11a)과 제2 면(12a)과 평행하게 형성되고, 제1 및 제2 교량상판(11,12)의 하부에 각각 고정 설치된다. 또한, 제1 지지프레임(110)과 제2 지지프레임(10)은 제1 및 제2 교량상판(11,12) 중 어느 하나의 하부에 각각 고정 설치될 수도 있다. 도 1을 참조하면, 좌측에 위치하는 교량 변위 계측 장치(100)의 경우, 제1 지지프레임(110)과 제2 지지프레임(10)이 제1 및 제2 교량상판(11,12)의 하부에 각각 고정 설치된 형태를 보이고 있으며, 우측에 위치하는 좌측에 위치하는 교량 변위 계측 장치(100)은 제1 및 제2 교량상판(11,12) 중 어느 하나에 해당하는 제2 교량상판(12)의 하부에 제1 지지프레임(110)과 제2 지지프레임(10)이 각각 고정 설치된 형태를 보이고 있다.
제1 지지프레임(110)과 제2 지지프레임(120)은 제1 교량상판(11) 및 제2 교량상판(12)의 상부에서 하부 방향으로 세워진 형태로 마주보게 배치될 수 있다. 또한, 제1 지지프레임(110)과 제2 지지프레임(120)의 사이에는 후술할 제1 내지 제4 변위 측정 센서(110,120,130,140)가 결합되고, 제1 지지프레임(110)과 제2 지지프레임(120)의 상부는 제1 교량상판(11) 및 제2 교량상판(12)의 하부에 맞닿아 결합될 수 있다. 도 7a를 참조하면, 제1 지지프레임(110)과 제2 지지프레임(120)의 각각의 일 측에는, 제1 지지프레임(110)과 제2 지지프레임(120)을 제1 교량상판(11) 및 제2 교량상판(12)에 결합시키도록 이루어지는 제1 연결부재(17a)와 제2 연결부재(17b)가 형성될 수 있다.
제1 지지프레임(110)과 제2 지지프레임(120)은 플레이트로 형성될 수 있고, 교량 변위 계측 장치(100)의 일측과 타측을 형성할 수 있다. 또한, 도 2에 도시된 바와 같이, 제1 지지프레임(110)과 제2 지지프레임(120) 사이에는 일정 공간이 형성된다. 지지부(110)는 열과 같은 외부 환경에 변형이 잘 되지 않는 재질로 구성될 수 있다. 예를 들어 제1 및 제2 지지프레임(110,120)은 고강도 강재 또는 콘크리트 등을 사용하여 제작될 수 있다. 제1 및 제2 지지프레임(110,120)은 제1 및 제2 교량상판(11,12)에 결합될 수 있게 독립적으로 제작될 수도 있고, 제1 및 제2 교량상판(11,12)과 함께 일체로 제작될 수 있다. 본 도면에서는, 제1 및 제2 지지프레임(110,120)은 제1 및 제2 교량상판(11,12)과 따로 제작되어 제1 및 제2 교량상판(11,12)의 하부에 설치된 것을 보이고 있다. 본 발명은 이에 한정되지 않으며, 제1 지지프레임(110)과 제2 지지프레임(120)은 다양한 형태로 제작될 수 있다.
교량 변위 계측 장치(100)의 상기 구조에 따르면, 제1 지지프레임(110)과 제2 지지프레임(120)은, 제1 교량상판(11) 또는 제2 교량상판(12)의 거동을 제1 지지프레임(110) 및 제2지지프레임(120)에 반영할 수 있다. 즉, 제1 지지프레임(110)과 제2 지지프레임(120)의 변위값을 사용하여 제1 지지프레임(110)과 제2 지지프레임(120)가 설치된 제1 및 제2 교량상판(11,12)의 변위, 비틀림 등의 변위 정보를 획득할 수 있다는 이점이 있다.
제1 변위 측정 센서(130), 제2 변위 측정 센서(140), 제3 변위 측정 센서(150), 제4 변위 측정 센서(160)는, 각각 변위를 측정하도록 구성되며, 상기 제1 지지프레임(110)과 제2 지지프레임(120) 사이에 배치되어 상기 제1 및 제2 지지프레임(110,120)을 연결하도록 이루어진다. 제1 내지 제4 변위 측정 센서(130,140,150,160)는, 제1 지지프레임(110) 및 제2 지지프레임(120)상에 연결된 지점 간의 직선 변위를 측정할 수 있도록 구성된다. 구체적으로 제1 내지 제4 변위 측정 센서(130,140,150,160)는 검출 센서 종류에 따라 포텐쇼미터(potentionmeter), LVDT(Linear Variable Differential Transformer) 및 정전용량형 등으로 구성될 수 있다. 본 발명은 이에 한정되지 않으며, 필요에 따라 변위 측정 센서는 회전 변위를 검출하도록 구성될 수 있음은 물론이다.
상기 연산부는, 제1 내지 제4 변위 측정 센서(110,120,130,140)로부터 측정되는 제1 지지프레임(110) 및 제2 지지프레임(120) 간의 변위값을 이용하거나, 또는 상기 제1 및 제2 지지프레임(110,120) 각각의 변위값을 이용하여 제1 및 제2 교량상판(11,12)의 상대적 변위를 산출하거나, 또는 상기 제1 및 제2 교량상판(11,12) 각각의 변위를 산출하도록 이루어진다.
제1 변위 측정 센서(130)는, 제1 교량상판(11)의 상기 제1 면(11a)과 평행한 제1 지지프레임(110)의 일 면상의 제1 지점(P1)과, 상기 제2 교량상판(12)의 상기 제2 면(12a)과 평행한 상기 제2 지지프레임(120)의 일 면상의 제2 지점(P2)에 연결된다.
제2 변위 측정 센서(140)는, 제1 교량상판(11)의 상기 제1 면(11a)과 평행한 제1 지지프레임(110)의 일 면상의 제3 지점(P3)과, 상기 제2 교량상판(12)의 상기 제2 면(12a)과 평행한 상기 제2 지지프레임(120)의 일 면상의 제4 지점(P4)에 연결된다.
제3 변위 측정 센서(150)는, 제1 교량상판(11)의 상기 제1 면(11a)과 평행한 제1 지지프레임(110)의 일 면상의 제5 지점(P5)과, 상기 제2 교량상판(12)의 상기 제2 면(12a)과 평행한 상기 제2 지지프레임(120)의 일 면상의 제6 지점(P6)에 연결된다.
제4 변위 측정 센서(160)는, 제1 교량상판(11)의 상기 제1 면(11a)과 평행한 제1 지지프레임(110)의 일 면상의 제1 지점(P7)과, 상기 제2 교량상판(12)의 상기 제2 면(12a)과 평행한 상기 제2 지지프레임(120)의 일 면상의 제8 지점(P8)에 연결된다.
도 7a를 참조하면, 상기 제1 지점(P1), 상기 제3 지점(P3), 상기 제5 지점(P5)은, 각각 제1 지지프레임(110)의 일 면상에서 제1 삼각형(T1)의 꼭지점을 형성하며, 상기 제1 및 제3 지점(P1,P3), 상기 제1 및 제5 지점(P1,P5), 상기 제3 및 제5 지점(P3,P5)을 각각 연결하여 만들어지는 상기 제1 삼각형(T1)의 제1 변(L1), 제2 변(L2), 제3 변(L3)을 형성하도록 이루어진다.
또한, 상기 제2 지점(P2), 상기 제4 지점(P4), 상기 제6 지점(P6)은, 각각 상기 제2 지지프레임(120)의 일 면상에서 제2 삼각형(T2)의 꼭지점을 형성하며, 상기 제2 및 제4 지점(P2,P4), 상기 제2 및 제6 지점(P2,P6), 상기 제4 및 제6 지점(P4,P6)을 각각 연결하여 만들어지는 상기 제2 삼각형(T2)의 제4 변(L4), 제5 변(L5), 제6 변(L6)을 형성하도록 이루어진다.
여기서, 상기 제7 지점(P7)은 상기 제3 변(L3)의 중심에 형성되며, 상기 제8 지점(L8)은 상기 제6 변(L6)의 중심과 상기 제2 지점(P2)을 연결한 수직선(V)상에서, 상기 제2 지점(P2)과 인접하는 위치에 형성된다.
도 7a처럼 장치가 구성되는 경우, 제1 상판에 대하여 제2 상판(또는, 제2 상판에 대하여 제1 상판)의 솟음을 감지할 수 있다. 보다 구체적으로, 제1 상판 또는 제2 상판의 θy축에 대한 회전을 측정할 수 있다.
한편, 도 7b처럼 장치가 구성될 수 있다. 구체적으로, 상기 제7 지점(P7)은 상기 제3 변(L3)의 중심에 형성되며, 상기 제8 지점(L8)은 상기 제6 변(L6)의 중심에 형성될 수 있다. 이경우, 제1 상판에 대하여 제2 상판(또는, 제2 상판에 대하여 제1 상판)의 비틀림을 감지할 수 있다. 보다 구체적으로, 제1 상판 또는 제2 상판의 θx축에 대한 회전을 측정할 수 있다.
4 자유도 측정이 가능하므로, 측정하고자 하는 특징에 따라 교량 변위 계측 장치의 제4 변위 측정 센서(160)는 서로 다른 방식으로 제1 지지프레임(110)과 제2 지지프레임(120)에 연결될 수 있다. 다시 말해, 제2 지지프레임(120)에 제4 변위 측정 센서(160)가 연결되는 위치가 달라질 수 있으며, 이에 따라 측정되는 변위가 달라진다.
한편, 상기 제1 삼각형(T1)은, 상기 제1 변(L1)과 상기 제2 변(L2)의 길이가 동일한 이등변 삼각형으로 이루어지고, 상기 제2 삼각형(T2)은, 상기 제4 변(L4)과 상기 제5 변(L5)의 길이가 동일한 이등변 삼각형으로 이루어질 수 있다.
또한, 상기 제1 삼각형(T1)은 상기 제2 삼각형(T2)보다 큰 크기를 갖도록 이루어지며, 상기 제1 및 제2 삼각형(T1,T2)은 서로 닮은 도형을 만족하도록 형성될 수 있다. 상기 닮은 도형은, 한 도형을 확대하거나 축소하여 다른 한 도형과 합동이 되게 할 수 있는 도형을 의미한다.
그리고, 도 6, 도 7a 및 도 7b를 참조하면, 상기 제1 및 제4 변(L1,L4)과, 상기 제2 및 제5 변(L2,L5)과, 상기 제3 및 제6 변(L3,L6)은 각각 서로 평행을 이루어도록 배치될 수 있다.
한편, 교량 변위 계측 장치(100)은, 상기 제1 및 제2 지지프레임(110,120)과 상기 제1 내지 제4 변위 측정 센서(130,140,150,160)를 각각 회전 가능하게 연결시키도록 이루어지는 힌지연결부(170)를 더 포함할 수 있다.
한편, 교량 변위 계측 장치(100)은 유선 및/또는 무선으로 통신을 수행할 수 있는 통신부(181) 및 메모리(미도시) 중 적어도 하나를 더 포함할 수 있다. 상기 연산부는 상기 상대적 비틀림을 정기적 또는 비정기적으로 측정할 수 있으며, 측정된 데이터를 상기 메모리에 저장할 수 있다. 나아가, 측정된 데이터를 기설정된 단말기 또는 서버로 전송할 수 있다.
또한, 교량 변위 계측 장치(100)은, 태양광을 이용하여 전력을 생산하도록 이루어지고, 만들어진 전력을 교량 변위 계측 장치(100)의 동작에 사용하는 태양광 모듈(183)을 더 포함할 수 있다.
이하, 상기 연산부에서 이루어지는 제1 및 제2 교량상판(11,12) 간 상대 변위의 4자유도 측정 연산알고리즘에 대하여 설명한다.
제1 교량상판(11)의 주요 포인트 예를 들어, 상기 제1 지점(P1), 제3 지점(P3), 제5 지점(P5), 제7 지점(P7)의 초기 위치를 아래의 수식과 같이 정의하고,
Figure pat00001
제2 교량상판(12)의 주요 포인트 예를 들어, 상기 제2 지점(P2), 제4 지점(P4), 제6 지점(P6), 제8 지점(P8)의 초기 위치를 아래의 수식과 같이 정의하면,
Figure pat00002
X축, Y축, Z축에 대한 미소한 회전 및 직선운동에 대해서 오일러 회전 및 병진 변환 합성행렬을
Figure pat00003
로 둘 수 있다. 따라서, 교량(10)에 거동이 발생하면 제2 교량상판(12)의 주요 포인트
Figure pat00004
는
Figure pat00005
로 표현되고,
제1 내지 제4 변위 측정 센서(110,120,130,140)의 초기 길이는 다음과 같이 표현된다.
Figure pat00006
한편, 제1 내지 제4 변위 측정 센서(110,120,130,140)의 거동 후 길이는 다음과 같이 표현된다.
Figure pat00007
따라서, 변위량은 다음과 같이 표현된다. 여기서
Figure pat00008
는 제1 및 제2 교량상판(11,12) 간 상대적 변위량 4개항이다. 또한,
Figure pat00009
는 제1 및 제2 교량상판(11,12) 간 x축 방향 변위량,
Figure pat00010
는 제1 및 제2 교량상판(11,12) 간 y축 방향 변위량,
Figure pat00011
는 제1 및 제2 교량상판(11,12) 간 z축 방향 변위량,
Figure pat00012
는 제1 및 제2 교량상판(11,12) 간 y축 방향 회전량이다.
Figure pat00013
특히, 여기서
Figure pat00014
은
Figure pat00015
에 대해서 근사적으로 선형적이다.
Figure pat00016
따라서,
Figure pat00017
로 표현할 수 있다. Z는 기계구조에 의해 결정되는 고유한 행렬값이 되고, 특수한 경우 역행렬
Figure pat00018
이 존재한다. 그러므로,
Figure pat00019
이고,
Figure pat00020
이 특정된다.
결론적으로, 위의 알고리즘을 통하여 제1 내지 제4 변위 측정 센서(110,120,130,140)의 변위량 간 연산을 통하여 제1 및 제2 교량상판(11,12) 또는 제1 및 제2 교량상판(11,12) 중 어느 하나에 대한 변위량
Figure pat00021
를 산출할 수 있다.
도 8a 및 도 8b는 도 1에 도시된 교량 변위 계측 장치(100)이 제1 및 제2 교량상판(11,12)에서 신축 발생 시 동작하는 상태와, 제1 내지 제4 변위 측정 센서(130,140,150,160)에서 측정되는 변위량의 변화를 보인 개념도들이고, 도 9a 및 도 9b는 도 1에 도시된 교량 변위 계측 장치(100)이 제1 및 제2 교량상판(11,12)에서 부등침하 발생 시 동작하는 상태와, 제1 내지 제4 변위 측정 센서(130,140,150,160)에서 측정되는 변위량의 변화를 보인 개념도들이며, 도 10a 및 도 10b는 도 1에 도시된 교량 변위 계측 장치(100)이 제2 교량상판(12)의 중앙선(12b)의 엇갈림 발생 시 동작하는 상태와, 제1 내지 제4 변위 측정 센서(130,140,150,160)에서 측정되는 변위량의 변화를 보인 개념도들이고, 도 11a 및 도 11b는 도 1에 도시된 교량 변위 계측 장치(100)이 제1 및 제2 교량상판(11,12)에서 기울기차 발생 시 동작하는 상태와, 제1 내지 제4 변위 측정 센서(130,140,150,160)에서 측정되는 변위량의 변화를 보인 개념도들이다.
먼저 도 8a 및 도 8b를 참조하면, 제1 및 제2 교량상판(11,12)에서 신축이 정상적일 경우, 변위량은 일교차 및 연교차에 의해 주기적인 곡선그래프을 형성한다. 이에 반해, 신축에 이상이 발생하는 경우 예를 들어, 신축 이음간격이 작은 경우에는 그래프에서 직선 구간이 나타난다. 이를 통하여 제1 및 제2 교량상판(11,12)의 신축에 대한 위험을 진단할 수 있다.
다음으로, 도 9a 및 도 9b를 참조하면, 제1 및 제2 교량상판(11,12)에서 부등침하(differential settlement)가 정상적일 경우, 변위량은 항상 0을 나타낸다. 이에 반해, 이상이 발생하는 경우 변위량이 관축된다. 변위량이 발생하는 경우, 부등침하가 시작되고, 변위량 그래프를 통해 부등침하의 원인을 파악할 수 있다. 또한, 제1 및 제2 교량상판(11,12)의 침하 속도 등의 계산과, 교좌(15)의 파괴 여부를 파악할 수 있다. 상기 부등침하는, 구조물의 기초지반이 침하함에 따라, 구조물의 여러 부분에서 불균등하게 침하를 일으키는 현상을 의미한다.
다음으로 도 10a 및 도 10b를 참조하면, 교량 변위 계측 장치(100)은 제1 및 제2 교량상판(11,12)의 폭 방향으로 설치될 수 있다. 그리고, 제1 및 제2 교량상판(11,12) 중 어느 하나 예를 들어, 제2 교량상판(12)의 중앙선(12b)이 정상적일 경우 변위량은 항상 O이지만, 이상이 발생하는 경우 변위량이 관측된다. 변위량이 발생하는 경우 제2 교량상판(12)이 뒤틀리기 시작하는 것을 의미하므로, 이를 통하여 즉각적인 대응이 이루어질 수 있다.
마지막으로, 도 11a 및 도 11b를 참조하면, 제1 및 제2 교량상판(11,12)에서 제1 및 제2 교량상판(11,12) 간 기울기차가 정상적일 경우 변위량은 항상 0을 나타낸다. 이를 통하여 교좌(15)의 부분 파괴 및 파괴의 진행 여부를 실시간으로 감시할 수 있다. 또한, 램프교에서는 분발력에 의한 제1 및 제2 교량상판(11,12)의 뒤틀림이 지속적으로 발생하므로 변위량의 지속적인 증가 여부의 확인을 통하여 위험에 대한 모니터링을 수행할 수 있다.
도 12는 상술한 교량 변위 계측 장치를 시공하는 방법을 설명하기 위한 흐름도이다.
제1 지지프레임을 제1 교량 상판에 고정하고(S1310), 제2 지지프레임을 제2 교량 상판에 고정한다(S1330).
상기 교량 변위 계측 장치(100)는 측정하고자 하는 특징에 따라 설치 위치가 달라질 수 있다.
예를 들어, 교량의 솟음(도 7a의 y축에 대한 회전)을 측정하고자 하는 경우, 교량 상판에서 지면과 마주하는 교량 상판의 하면에 상기 교량 변위 계측 장치(100)가 설치될 수 있다. 다시 말해, 상기 제1 삼각형(T1)의 제1 변(L1) 또는 제2 변(L2)이 교량 상판의 하면과 마주할 수 있다. 이에 따라, 삼격형들(T1, T2)의 빗변은 중력방향에 대하여 45도 기울기를 가지는 방향을 향한다.
다른 예를 들어, 교량의 분발력(도 7a의 x축에 대한 회전)을 측정하고자 하는 경우, 교량 상판의 측면에 상기 교량 변위 계측 장치(100)가 설치될 수 있다. 다시 말해, 상기 제1 삼각형(T1)의 제1 변(L1) 또는 제2 변(L2)이 교량 상판의 측면과 마주할 수 있다. 이에 따라, 삼격형들(T1, T2)의 빗변은 중력방향을 향한다.
다음으로, 상기 제1 변위 측정 센서 내지 상기 제4 변위 측정 센서들을 동기화해 좌표축을 설정할 수 있다(S1350).
상기 제1 변위 측정 센서 내지 상기 제4 변위 측정 센서들은 설치되는 교량에 따라 서로 다른 초기 값을 가진다. 이를 동일한 축으로 일치시키기 위하여 상기 제1 변위 측정 센서 내지 상기 제4 변위 측정 센서들을 동기화한다. 동기화에 의하여 복수의 교량 변위 계측 장치들이 동일한 좌표축을 바탕으로 모니터링을 시작할 수 있다.
전술한 내용은 단지 예시적인 것에 불과하며, 설명된 실시예들의 범주 및 기술적 사상을 벗어남이 없이, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 다양한 수정들이 이루어질 수 있다. 전술한 실시예들은 개별적으로 또는 임의의 조합으로 구현될 수 있다.
100 : 교량 변위 계측 장치 110 : 제1 지지프레임
120 : 제2 지지프레임 130 : 제1 변위 측정 센서
140 : 제2 변위 측정 센서 150 : 제3 변위 측정 센서
160 : 제4 변위 측정 센서 170 : 힌지연결부
181 : 통신부 183 : 태양광 모듈
T1 : 제1 삼각형 T2 : 제2 삼각형
P1 : 제1 지점 P2 : 제2 지점
P3 : 제3 지점 P4 : 제4 지점
P5 : 제5 지점 P6 : 제6 지점
P7 : 제7 지점 P8 : 제8 지점
L1 : 제1 변 L2 : 제2 변
L3 : 제3 변 L4 : 제4 변
L5 : 제5 변 L6 : 제6 변

Claims (6)

  1. 일 방향을 따라 연속 배치되는 제1 교량상판과 제2 교량상판; 상기 제1 및 제2 교량상판의 마주하는 각각의 일 단부가 얹혀지는 제1 교각; 및 상기 제2 교량상판이 얹혀지는 제2 교각을 포함하고, 상기 제1 교량상판과 상기 제2 교량상판은 각각 서로 마주하는 제1 면과 제2 면을 구비하는 교량에서, 상기 제1 및 제2 교량상판의 상대적 변위 또는 상기 제1 및 제2 교량상판 각각의 변위를 측정하는 교량 변위 계측 장치에 있어서,
    상기 교량 변위 계측 장치는,
    각각의 일 면이 상기 제1 및 제2 면과 평행하게 형성되며, 상기 제1 및 제2 교량상판 하부에 각각 고정 설치되거나, 상기 제1 및 제2 교량상판 중 어느 하나의 하부에 각각 고정 설치되는 제1 지지프레임과 제2 지지프레임;
    각각 변위를 측정하도록 구성되고, 상기 제1 지지프레임과 상기 제2 지지프레* 사이에 배치되어 상기 제1 및 제2 지지프레임을 연결하는 제1 변위 측정 센서, 제2 변위 측정 센서, 제3 변위 측정 센서, 제4 변위 측정 센서; 및
    상기 제1 내지 제4 변위 측정 센서로부터 측정되는 상기 제1 및 제2 지지프레* 간의 변위값 또는 상기 제1 및 제2 지지프레임 각각의 변위값을 이용하여 상기 제1 및 제2 교량상판의 상대적 변위 또는 상기 제1 및 제2 교량상판 각각의 변위를 산출하도록 이루어지는 연산부를 포함하고,
    상기 제1 변위 측정 센서는, 상기 제1 면과 평행한 상기 제1 지지프레임의 일 면상의 제1 지점과, 상기 제2 면과 평행한 상기 제2 지지프레임의 일 면상의 제2 지점에 연결되며,
    상기 제2 변위 측정 센서는, 상기 제1 면과 평행한 상기 제1 지지프레임의 일 면상의 제3 지점과, 상기 제2 면과 평행한 상기 제2 지지프레임의 일 면상의 제4 지점에 연결되고,
    상기 제3 변위 측정 센서는, 상기 제1 면과 평행한 상기 제1 지지프레임의 일 면상의 제5 지점과, 상기 제2 면과 평행한 상기 제2 지지프레임의 일 면상의 제6 지점에 연결되며,
    상기 제4 변위 측정 센서는, 상기 제1 면과 평행한 상기 제1 지지프레임의 일 면상의 제7 지점과, 상기 제2 면과 평행한 상기 제2 지지프레임의 일 면상의 제8 지점에 연결되고,
    상기 제1 지점, 상기 제3 지점, 상기 제5 지점은, 각각 상기 제1 지지프레임의 일 면상에서 제1 삼각형의 꼭지점을 형성하며, 상기 제1 및 제3 지점, 상기 제1 및 제5 지점, 상기 제3 및 제5 지점을 각각 연결하여 만들어지는 상기 제1 삼각형의 제1 변, 제2 변, 제3 변을 형성하도록 이루어지고,
    상기 제2 지점, 상기 제4 지점, 상기 제6 지점은, 각각 상기 제2 지지프레임의 일 면상에서 제2 삼각형의 꼭지점을 형성하며, 상기 제2 및 제4 지점, 상기 제2 및 제6 지점, 상기 제4 및 제6 지점을 각각 연결하여 만들어지는 상기 제2 삼각형의 제4 변, 제5 변, 제6 변을 형성하도록 이루어지고,
    상기 제7 지점은 상기 제3 변의 중심에 형성되며,
    상기 제8 지점은 상기 제6 변의 중심과 상기 제2 지점을 연결한 수직선상에서, 상기 제2 지점과 인접하는 위치에 형성되는 것을 특징으로 하는 교량 변위 계측 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제1 삼각형은, 상기 제1 변과 상기 제2 변의 길이가 동일한 이등변 삼각형으로 이루어지고,
    상기 제2 삼각형은, 상기 제4 변과 상기 제5 변의 길이가 동일한 이등변 삼각형으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 교량 변위 계측 장치.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 제1 삼각형은 상기 제2 삼각형보다 큰 크기를 갖도록 이루어지며, 상기 제1 및 제2 삼각형은 서로 닮은 도형을 만족하도록 형성되는 것을 특징으로 하는 교량 변위 계측 장치.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 제1 및 제4 변과, 상기 제2 및 제5 변과, 상기 제3 및 제6 변은 각각 서로 평행을 이루어도록 배치되는 것을 특징으로 하는 교량 변위 계측 장치.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 제1 및 제2 지지프레임과 상기 제1 내지 제4 변위 측정 센서를 각각 회전 가능하게 연결시키도록 이루어지는 힌지연결부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 교량 변위 계측 장치.
  6. 제1항의 교량 변위 계측 장치를 시공하는 시공 방법으로,
    상기 제1 지지프레임을 상기 제1 교량 상판에 고정하는 단계;
    상기 제2 지지프레임을 제2 교량 상판에 고정하는 단계; 및
    상기 제1 변위 측정 센서 내지 상기 제4 변위 측정 센서들을 동기화해 좌표축을 설정하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 시공 방법.
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