KR20230066782A - 그라운드 앵커 인장력 결정용 앵커 플레이트 광섬유 센서 패치, 그 제조 방법 및 패치를 이용하여 온도 영향을 배제한 그라운드 앵커의 인장력을 결정하는 방법 - Google Patents

그라운드 앵커 인장력 결정용 앵커 플레이트 광섬유 센서 패치, 그 제조 방법 및 패치를 이용하여 온도 영향을 배제한 그라운드 앵커의 인장력을 결정하는 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 앵커 플레이트에 발생하는 변형률에 따른 그라운드 앵커 인장력 결정용 패치, 패치 제조 방법 및 상기 패치를 통해 앵커 플레이트의 온도를 배제한 그라운드 앵커 인장력을 결정하는 방법에 관한 것이다.
본 발명의 다양한 실시 예에 따른 그라운드 앵커 인장력 결정용 앵커 플레이트 광섬유 센서 패치에 있어서, 동일한 중심축을 가지는 직경이 다른 다수개의 원 형상으로 감긴 광섬유 센서 및 광섬유 센서가 그라운드 앵커를 둘러싸고 앵커 플레이트 상에 설치되도록 내주연과 외주연을 가지는 원형 링 형상으로 형성되는 패치층으로 형성될 수 있다.

Description

그라운드 앵커 인장력 결정용 앵커 플레이트 광섬유 센서 패치, 그 제조 방법 및 패치를 이용하여 온도 영향을 배제한 그라운드 앵커의 인장력을 결정하는 방법 {Anchor plate attached fiber optic sensor patch for determining ground anchor force, method for manufacturing the same and method for ground anchor force using the same with the rejection of a temperature effect}
본 발명은 그라운드 앵커의 인장력을 결정하기 위해 앵커 플레이트에 부착하는 광섬유 센서 패치, 그 제조 방법 및 패치를 이용하여 온도 영향을 배제한 그라운드 앵커 인장력 결정하는 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는, BOCDA센서를 패치 형태로 제조하고 이를 앵커 플레이트에 부착하여 앵커 플레이트에 발생하는 변형률에 따른 그라운드 앵커 인장력 결정하기 위한 센서 패치, 그 제조 방법과 패치를 통해 앵커 플레이트의 온도 영향을 배제한 그라운드 앵커 인장력 결정 방법에 관한 것이다.
그라운드 앵커란 구조물 또는 지반의 과도한 변위 및 붕괴를 방지하기 위한 목적으로 PS강재 등을 인장재(Tendon)로 사용하고 지반에 시멘트풀을 주입하여 정착시킴으로써 인장력(긴장력, Prestress)을 전달시키는 지반구조물을 말한다. 이는 각종 구조물의 보강, 흙막이, 비탈면의 붕괴방지 및 안정화, 수압을 받는 지하구조물의 부상방지, 송전탑의 전도방지 등 여러 가지 목적으로 사용되는 영구 및 가설앵커에 적용된다.
그라운드 앵커는 앵커 바디, 앵커 헤드 및 앵커 헤드 관련 부품으로 등으로 구성된다. 특히 앵커 헤드는 앵커의 인장력을 앵커 구조물의 압축 하중으로 변경하는데, 앵커 헤드와 앵커 구조물 사이에 앵커 플레이트(anchor plate, bearing plate)가 배치된다. 즉, 앵커 플레이트가 압축 하중을 분산시켜 고정된 구조물에 응력이 집중되는 것을 방지한다.
그라운드 앵커를 설치한 이후 인장재의 인장력은 세트량, 인장재의 릴렉세이션, 주입재와 지반의 크리프 등의 요인으로 시간에 따라 어느 정도로 감소하다가 일정한 값에 수렴된다. 이 같은 경우는 앵커 인장재를 재긴장을 해주어야 한다. 또한 로드셀을 교환하거나 설계앵커력 이상의 하중이 작용하는 경우에도 재긴장이 필요한 경우이다. 재긴장이 필요한 경우에는 인장재의 여유장을 남기고 절단하거나, 재긴장을 할 수 있는 정착구를 사용하여야 한다.
그라운드 앵커의 인장재를 재긴장하지 않아 허용앵커력을 초과하는 경우, 구조물이나 지반은 외부 환경 및 기상조건에 영향을 받아 변형되거나 심지어는 파손이 될 우려가 있다. 이러한 구조물 또는 지반의 파손 시 발생하는 재해를 예방하기 위해서 그라운드 앵커의 설치 상태를 실시간으로 모니터링 하는 것이 필요하다.
이러한 앵커 인장력에 대한 지속적인 계측과 점검 및 유지관리를 위해, 종래에는 리프트오프 시험(lift-off loads test) 또는 앵커설치 시 정착부에 하중계(로드셀)을 설치하여 앵커의 잔존 인장력을 특정하였다.
그러나 리프트오프 시험은 하중재하 장치 및 계측시스템을 앵커의 설치장소에 반입하여 시험을 수행할 뿐만 아니라, 그라운드 앵커가 수십 개 이상 설치된 곳에 장치의 설치 및 해체를 반복함에 따른 시간 및 비용 등의 문제가 발생한다. 그리고 앵커의 인장력을 실시간으로 모니터링하지 못하는 단점이 있었다.
도 9를 참조하면, 인장재에 인장력이 가해지면 앵커 헤드가 앵커 플레이트를 누르게 되고, 앵커 플레이트는 고정된 구조물에 압축 하중을 전달한다. 이러한 압축 하중 전달 과정에서 앵커 플레이트에 하중이 일정하게 전달되지 않아 굽힘 현상이 발생한다.
일본 공개특허 제2006-162511호에서는, 긴장선재의 긴장력을 누르는 앵커 플레이트에 변형률 센서를 장착해, 일그러짐 센서가 검출하는 앵커 플레이트의 굽힘 변형량에서 긴장선재의 긴장 상태를 검출하는 것을 특징으로 하는 그랜드 앵커 긴장력 검지 시스템이다.
그러나 상기와 같은 종래의 인장력 결정 장치는 정확한 인장력을 결정하기 어렵고, 기존에 설치된 그라운드 앵커의 인장력을 측정하기 위해 별도의 교체 작업이 필요한 단점이 있다.
또한, 그라운드 앵커는 일반적으로 실외에 설치되므로 강재로 형성된 앵커 플레이트는 직사광선에 노출되는 등 온도변화가 잦다. 이러한 온도변화는 앵커 플레이트의 열변형과 감지 광섬유 센서의 굴절률의 변화를 가져와 센싱 신호를 표류시키기 쉬운 단점이 있다.
일본 공개특허 제2006-162511호 (2006.06.22)
본 발명은 상기 문제를 해결하기 위해 앵커 플레이트에 광섬유 센서, 특히 BOCDA센서 (Brillouin Optical Correlation Domain Analysis)를 패치 형태로 제작 및 부착하여 앵커 플레이트에 발생하는 변형률에 따른 그라운드 앵커 인장력 결정용 패치, 그 제조 방법 및 패치를 통해 앵커 플레이트의 온도를 배제한 그라운드 앵커 인장력 결정 방법에 관한 것이다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 다양한 실시 예에 따른 그라운드 앵커 인장력 결정용 앵커 플레이트 광섬유 센서 패치에 있어서, 동일한 중심축을 가지는 직경이 다른 다수개의 원 형상으로 감긴 광섬유 센서 및 광섬유 센서가 그라운드 앵커를 둘러싸고 앵커 플레이트 상에 설치되도록 내주연과 외주연을 가지는 원형 링 형상으로 형성되는 패치층을 포함할 수 있다.
다양한 실시 예에서, 광섬유 센서는 BOCDA 센서일 수 있다.
다양한 실시 예에서, 패치층은 에폭시로 이루어질 수 있다.
다양한 실시 예에서, 광섬유 센서는 동일한 중심축을 가지는 직경이 서로 다른 2개의 원일 수 있다.
다양한 실시 예에서, 동일한 중심축을 가지는 직경이 다른 다수개의 원 형상으로 감긴 광섬유 센서 중 내주연은 패치층의 내주연의 반경보다 1cm 이상의 반경을 가질 수 있다.
다양한 실시 예에서, 동일한 중심축을 가지는 직경이 다른 다수개의 원 형상으로 감긴 광섬유 센서 중 외주연은 상기 패치층의 외주연의 반경보다 1cm 이하의 반경을 가질 수 있다.
다양한 실시 예에서, 패치층의 탄성계수는 광섬유 센서의 탄성계수의 10% 이상 100%이하의 값을 가질 수 있다.
다양한 실시 예에서, 패치층의 두께는 0.4mm 이상 0.5mm 이하로 제조될 수 있다.
본 발명의 다양한 실시 예에 따른 그라운드 앵커 인장력 결정용 앵커 플레이트 광섬유 센서 패치 제조 방법에 있어서, 광섬유 센서를 동일한 중심축을 가지는 직경이 서로 다른 다수개의 원 형상으로 감아 필름에 부착하는 단계, 필름 부분 중 필름에 부착된 광섬유 센서의 내주연과 외주연 사이의 원형 링 부분을 제외한 부분에 마스킹 플레이트를 부착하는 단계, 필름 부분 중 필름에 부착된 광섬유 센서의 내주연과 외주연 사이의 원형 링 부분에 에폭시를 도포한 후 경화하는 단계, 마스킹 플레이트와 필름을 제거하는 단계로 제조될 수 있다.
다양한 실시 예에서, 광섬유 센서는 BOCDA 센서일 수 있다.
다양한 실시 예에서, 필름은 점착 필름일 수 있다.
다양한 실시 예에서, 광섬유 센서는 동일한 중심축을 가지는 직경이 서로 다른 2개의 원일 수 있다.
다양한 실시 예에서, 마스킹 플레이트를 부착하는 단계에서 광섬유 센서의 내주연은 에폭시 내주연의 반경보다 1cm 이상의 반경을 가질 수 있다.
다양한 실시 예에서, 마스킹 플레이트를 부착하는 단계에서 광섬유 센서의 외주연은 에폭시 외주연의 반경보다 1cm 이하의 반경을 가질 수 있다.
본 발명의 다양한 실시 예에 따른 그라운드 앵커 인장력 결정 방법에 있어서, 동일한 중심축을 가지는 직경이 다른 다수개의 원 형상으로 감긴 광섬유 센서 및 광섬유 센서가 그라운드 앵커를 둘러싸고 앵커 플레이트 상에 설치되도록 내주연과 외주연을 가지는 원형 링 형상으로 형성되는 패치층을 포함하는 그라운드 앵커 인장력 결정용 앵커 플레이트 광섬유 센서 패치를 그라운드 앵커의 앵커 플레이트 상면에 부착하는 단계, 그라운드 앵커의 인장력 크기에 따라 광섬유 센서 직경에 따른 변형률을 각각 측정하는 단계, 측정된 직경에 따른 변형률로 평균값을 각각 도출하는 단계, 도출된 평균값의 차이값을 구하는 단계 및 차이값과 그라운드 앵커의 인장력 크기의 선형성을 판단하는 단계를 포함할 수 있다.
다양한 실시 예에서, 광섬유 센서는 BOCDA 센서일 수 있다.
다양한 실시 예에서, 패치층은 에폭시로 이루어질 수 있다.
다양한 실시 예에서, 광섬유 센서는 동일한 중심축을 가지는 직경이 서로 다른 2개의 원일 수 있다.
상기와 같은 구성에 의하여 본 발명에 따른 그라운드 앵커의 인장력을 결정하기 위한 앵커 플레이트 광섬유 센서 패치 및 그 제조 방법은, 앵커 플레이트의 변형률만을 통해 그라운드 앵커의 인장력을 결정할 수 있다.
또한, 본 발명은 별도의 리프트오프 시험 하중재하 장치 없이도 간편하게 그라운드 앵커의 인장력을 결정할 수 있으므로 측정 시간을 단축할 수 있고, 측정 장비 및 측정 인력에 따른 비용을 절감할 수 있는 이점이 있다.
또한, 본 발명은 기존에 설치된 앵커 플레이트에서도 별도의 부품을 교체하지 않고 인장력을 결정할 수 있는 장점이 있다.
또한, 본 발명은 기존의 앵커 플레이트의 변형률 측정 시 야외의 온도에 따른 앵커 플레이트의 열변형 또는 광섬유의 굴절률 변화에 의한 신호 표류를 해소할 수 있는 장점이 있다.
본 발명에서 얻을 수 있는 효과는 이상에서 언급한 효과들로 제한되지 않으며, 언급하지 않은 또 다른 효과들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 그라운드 앵커의 인장력을 결정하기 위한 앵커 플레이트 광섬유 센서 패치의 사시도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시 예에 따른 그라운드 앵커의 인장력을 결정하기 위한 앵커 플레이트 광섬유 센서 패치를 앵커 플레이트에 부착한 사시도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시 예에 따른 그라운드 앵커의 인장력을 결정하기 위한 앵커 플레이트 광섬유 센서 패치 제조 방법의 순서도이다.
도 4는 일 실시 예에 따른 그라운드 앵커의 인장력을 결정하기 위한 앵커 플레이트 광섬유 센서 패치 및 그 제조 방법에서 패치의 제조 과정을 설명하는 도면이다.
도 5는 일 실시 예에 따른 온도 영향을 배제한 그라운드 앵커의 인장력을 결정하기 위한 앵커 플레이트 광섬유 센서 패치를 이용하여 그라운드 앵커의 인장력을 결정하는 방법의 순서도이다.
도 6은 일 실시 예에 따른 온도 영향을 배제한 그라운드 앵커의 인장력을 결정하는 방법에 있어, 앵커 플레이트가 24℃일 때 BOCDA 센서를 동일한 중심축을 가지는 직경이 서로 다른 2개의 원을 형성한 경우 그라운드 앵커의 인장력 크기에 따른 BOCDA 센서의 길이당 변형률을 측정한 표이다.
도 7은 일 실시 예에 따른 온도 영향을 배제한 그라운드 앵커의 인장력을 결정하는 방법에 있어, 앵커 플레이트가 14.5℃일 때 BOCDA 센서를 동일한 중심축을 가지는 직경이 서로 다른 2개의 원을 형성한 경우 그라운드 앵커의 인장력 크기에 따른 BOCDA 센서의 길이당 변형률을 측정한 표이다.
도 8은 일 실시 예에 따른 온도 영향을 배제한 그라운드 앵커의 인장력을 결정하는 방법에 있어, 앵커 플레이트가 14.5℃와 24℃일 때 그라운드 앵커 인장력의 크기에 따른 평균값의 차이값과의 선형성을 비교한 표이다.
도 9는 일반적인 그라운드 앵커의 설치 구조 및 인장재의 인장력에 의한 앵커 플레이트에 가해지는 힘을 도시한 도면이다.
본 명세서에서 사용되는 용어에 대해 간략히 설명하고, 본 발명에 대해 구체적으로 설명하기로 한다.
본 발명에서 사용되는 용어는 본 발명에서의 기능을 고려하면서 가능한 현재 널리 사용되는 일반적인 용어들을 선택하였으나, 이는 당 분야에 종사하는 기술자의 의도 또는 판례, 새로운 기술의 출현 등에 따라 달라질 수 있다. 또한, 특정한 경우는 출원인이 임의로 선정한 용어도 있으며, 이 경우 해당되는 발명의 설명 부분에서 상세히 그 의미를 기재할 것이다. 따라서 본 발명에서 사용되는 용어는 단순한 용어의 명칭이 아닌, 그 용어가 가지는 의미와 본 발명의 전반에 걸친 내용을 토대로 정의되어야 한다.
명세서 전체에서 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있음을 의미한다.
아래에서는 첨부한 도면을 참조하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 본 발명의 실시 예를 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시 예에 한정되지 않는다. 그리고 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다.
이하, 본 발명의 다양한 실시 예들이 첨부된 도면을 참조하여 기재된다.
도 1을 참조하면, 다양한 실시 예에서 그라운드 앵커의 인장력을 결정하기 위한 앵커 플레이트 광섬유 센서 패치(1)는, 동일한 중심축을 가지는 직경이 다른 다수개의 원 형상으로 감긴 광섬유 센서(10)와 광섬유 센서(10)가 내주연과 외주연을 가지는 원형 링 형상으로 형성되는 패치층(20)을 포함할 수 있다.
광섬유 센서(10)는 앵커 플레이트(30)의 변형률을 측정하기 위한 것으로, 레일리 산란(Rayleigh scattering)을 이용하는 OFDR(optical frequency domain reflectometry)센서, 브릴루앙 산란(Brillouin scattering)을 이용하는 BOCDA (Brillouin optical correlation domain analysis)센서, BOTDA(Brillouin optical time domain analysis)센서 또는 BOTDR(Brillouin optical time domain reflectometry)센서를 이용할 수 있다.
특히 광섬유 센서(10)는 BOCDA 센서로 형성될 수 있다. 광이 물질 중에 생긴 음파와 상호 작용하여 입사광의 주파수와 다른 주파수로 산란하는 현상을 브릴루앙 산란이라고 하는데, 광섬유에 변형이 인가되면 음파가 변화되어 브릴루앙 산란 주파수가 변화된다. 이와 같은 원리로 감지 광섬유에 작용하는 변형률은 감지 광섬유의 길이를 따라 측정된 모든 위치의 브릴루앙 주파수 값의 차인 브릴루앙 주파수 변이를 취득하는 분포 측정 센서인 BOCDA 센서를 이용하여 측정할 수 있다.
광섬유 센서(10)는 동일한 축을 중심으로 하나의 원을 형성한 뒤, 연속적으로 직경이 다른 원을 형성할 수 있다. 여기서 동일한 축은, 앵커 플레이트(30) 중앙에 천공되어 있는 원의 중심을 기준으로 형성된다. 즉, 상기 축을 중심으로 앵커 플레이트(30) 중앙에 천공되어 있는 원의 반경보다 큰 반경으로 광섬유 센서(10)가 형성된다.
직경이 서로 다른 원의 개수는 특정 실시 예에 따라 제한되어 있지 않는다. 원형으로 배치된 광섬유 센서(10)의 각 지점에서 앵커 플레이트(30)의 변형률이 측정되므로 형성된 원의 수가 많을수록 더 많은 변형률의 데이터가 수집될 수 있다. 다만 경제적 효율성 및 그라운드 앵커의 인장력 결정 시 필요한 데이터의 정도를 판단하였을 때, 광섬유 센서(10)는 직경이 서로 다른 2개의 원으로 형성되는 것이 적절하다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 패치층(20)은 다수개의 원 형상으로 감긴 광섬유 센서(10)의 형태를 고정하고, 앵커 플레이트(30)상에 쉽게 설치될 수 있도록 패치 형상의 바디를 형성한다. 패치층(20)의 재료는 일반적으로 액체 상태에서 고체 상태로 경화되면서 광섬유 센서(10)를 고정할 수 있어야 하고, 앵커 플레이트(30)상에서 그라운드 앵커의 인장재의 인장력에 의한 앵커 플레이트(30)로 전달되는 변형률 측정 시 광섬유 센서(10)의 굴절률에 변화를 가져오지 않아야 한다. 그리고 재료의 경화 후 외력 및 자연풍화 등에도 적절히 견딜 수 있어야 한다. 패치층(20)은 내후성 및 내부식성이 우수하고 탄력성(flexibility)이 있는 에폭시(Epoxy)로 이루어지는 것이 적절하다. 에폭시의 종류, 성분 등은 특정한 실시 예에 제한되지 않는다.
또한, 패치층(20)의 탄성계수는 광섬유 센서(10)의 탄성계수의 10% 이상 100% 이하의 값을 가질 수 있다. 특히 에폭시의 경우, 광섬유 센서(10)에 비해 경화된 에폭시의 탄성계수가 큰 경우, 앵커 플레이트(30)에 부착된 광섬유 센서(10)가 그라운드 앵커의 인장력에 따른 앵커 플레이트(30)의 변형의 정도를 감지하지 못하여 변형률을 정확하게 측정하기 어렵다. 그리고 경화된 에폭시의 탄성계수가 지나치게 낮은 경우, 에폭시 내부의 광섬유 센서(10)를 외력으로부터 보호하기 어려우므로 광섬유 대비 10% 이상의 탄성계수를 가지는 것이 적절하다.
또한, 패치층(20)의 두께는 0.4mm 이상 0.5mm 이하로 제조될 수 있다. 이는 앵커 플레이트(30)의 변형률을 정확하게 측정함과 동시에, 광섬유 센서(10)를 외력으로부터 보호하기 위함이다.
또한, 동일한 중심축을 가지는 직경이 다른 다수개의 원 형상으로 감긴 광섬유 센서(10) 중 내주연은 패치층(20)의 내주연의 반경보다 1cm 이상의 반경을 가질 수 있다. 광섬유는 유리섬유로 제작되므로 외력에 의한 보호가 필요하다. 특히 그라운드 앵커가 설치 및 해체 되는 곳은 중장비의 이동이 빈번하거나 외부로 쉽게 노출되어 있는 공간으로 예상치 못한 충돌이나 자연환경에 의한 풍화 등이 발생할 수 있다. 그러므로 앵커 플레이트(30) 위에 부착된 광섬유 센서(10)를 보호하기 위해 패치층(20)과 소정의 간격을 두어 광섬유 센서(10)를 내부에 위치할 수 있다.
또한, 마찬가지로 동일한 중심축을 가지는 직경이 다른 다수개의 원 형상으로 감긴 광섬유 센서(10) 중 외주연은 패치층(20)의 외주연의 반경보다 1cm 이하의 반경을 가질 수 있다. 즉, 원형 링 형상으로 제조된 패치층(20)의 외주연과 내주연에서 1cm 내부로 광섬유 센서(10)가 위치할 수 있도록 제조할 수 있다.
여기서 원형 링 형상으로 형성되는 패치층(20)의 내주연은 앵커 플레이트(30) 상부에 설치되어 장착되는 앵커 헤드(40)의 반경보다 큰 것이 일반적이다. 그리고 패치층(20)의 외주연은 앵커 플레이트(30) 상부면에 내접하는 원의 반경보다 작은 것이 일반적이다. 이는 그라운드 앵커 설치 시, 앵커 플레이트(30) 중앙 홀에 인장재(Tendon)가 통과하고 인장재에 긴장력을 가해 앵커 플레이트(30) 상부에 앵커 헤드(40)를 설치되므로, 광섬유 센서 패치(1)가 앵커 플레이트(30) 상면에 부착되어 변형률을 측정하기 위해서는 앵커 헤드(40)가 설치된 부분을 제외한 앵커 플레이트(30) 상부의 공간에 위치해야 하기 때문이다.
도 3과 도 4는 다양한 실시 예에서 그라운드 앵커의 인장력 결정용 앵커 플레이트 광섬유 센서 패치 제조 방법(S1)은, 광섬유 센서를 동일한 중심축을 가지는 직경이 서로 다른 다수개의 원 형상으로 감아 필름에 부착하는 단계(S10), 필름 부분 중 필름에 부착된 광섬유 센서의 내주연과 외주연 사이의 원형 링 부분을 제외한 부분에 마스킹 플레이트를 부착하는 단계(S20), 필름 부분 중 필름에 부착된 광섬유 센서의 내주연과 외주연 사이의 원형 링 부분에 에폭시를 도포한 후 경화하는 단계(S30) 및 마스킹 플레이트와 필름을 제거하는 단계(S40)로 제조될 수 있다.
광섬유 센서를 동일한 중심축을 가지는 직경이 서로 다른 다수개의 원 형상으로 감아 필름에 부착하는 단계(S10)는, 광섬유 센서(10)를 앵커 플레이트(30) 상에서 변형률을 측정하려는 부분에 고정하기 위해 필름 위에 배치할 수 있다.
여기서 필름은 광섬유 센서(10)를 원형으로 고정할 수 있는 점착성이 있는 점착 필름이 바람직하다. 필름의 종류 또는 재질 등은 특정한 실시 예에 따라 제한되지 않는다.
또한, 직경이 서로 다른 원의 개수는 특정 실시 예에 따라 제한되어 있지 않는다. 다만, 경제성 및 온도의 영향을 배제한 그라운드 앵커의 인장력 결정 시 필요한 데이터의 정도를 판단하였을 때, 광섬유 센서(10)는 직경이 서로 다른 2개의 원으로 형성될 수 있다.
광섬유 센서(10)는 앵커 플레이트(30)의 변형률을 측정하기 위한 것으로, 앞에서 언급 하였듯이 OFDR(optical frequency domain reflectometry)센서, BOCDA(Brillouin optical correlation domain analysis)센서, BOTDA(Brillouin optical time domain analysis)센서 또는 BOTDR(Brillouin optical time domain reflectometry)센서를 이용할 수 있다.
필름 부분 중 필름에 부착된 광섬유 센서의 내주연과 외주연 사이의 원형 링 부분을 제외한 부분에 마스킹 플레이트를 부착하는 단계(S20)는, 필름에 감겨져 부착된 광섬유 센서(10) 부분을 제외한 곳에 마스킹 플레이트를 배치하여 경화되지 않은 에폭시를 도포할 수 있도록 틀을 형성하는 단계에 해당한다. 마스킹 플레이트가 마스킹 테이프일 경우, 경화된 에폭시의 두께보다 두꺼운 재질이어야 한다. 마스킹 플레이트의 크기는, 경화된 에폭시가 광섬유 센서(10)의 외주연과 내주연을 포함한 원형 링을 형성하도록 부착할 정도로 제작할 수 있다.
또한, 마찬가지로 마스킹 플레이트를 부착하는 단계에서 광섬유 센서(10)의 내주연은 에폭시 내주연의 반경보다 1cm 이상의 반경을 갖도록 제조할 수 있다. 또한, 마스킹 플레이트를 부착하는 단계에서 광섬유 센서(10)의 외주연은 에폭시 외주연의 반경보다 1cm 이하의 반경을 갖도록 제조할 수 있다. 광섬유 센서 패치(1) 설치 전후로 발생할 수 있는 예상치 못한 외력으로부터 유리섬유로 제작된 광섬유를 보호하기 위해서는 경화된 에폭시와 광섬유 사이에 소정의 공간을 두어 보호하는 것임은 앞에서 이미 언급하였다.
여기서 에폭시의 내주연은 앵커 플레이트(30) 상부에 설치되어 장착되는 앵커 헤드(40)의 반경보다 큰 것이 일반적이고, 에폭시의 외주연은 앵커 플레이트(30) 상부면에 내접하는 원의 반경보다 작은 것이 일반적인 것 역시 앞에서 이미 언급하였다.
필름 부분 중 필름에 부착된 광섬유 센서의 내주연과 외주연 사이의 원형 링 부분에 에폭시를 도포한 후 경화하는 단계(S30)는, 마스킹 플레이트가 형성된 틀 사이에 액체의 에폭시를 도포하여 광섬유 센서(10)가 링 모양으로 연결되어 형성된 부분을 경화하여 패치 모양을 형성하는 단계이다.
마스킹 플레이트와 필름을 제거하는 단계(S40)는, 에폭시가 경화한 경우 광섬유 센서(10)의 형태가 고정되므로, 마스킹 플레이트 및 필름을 제거한 광섬유 센서 패치(1)를 앵커 플레이트(30) 상면에 배치하여 원하는 위치의 변형률를 측정할 수 있다. 이는 기존에 설치된 그라운드 앵커에서 별도로 부품을 변경하지 않고 설치가 가능한 장점이 있다.
도 5는 다양한 실시 예에서 온도 영향을 배제한 그라운드 앵커의 인장력을 결정하기 위한 방법(S100)은, 동일한 중심축을 가지는 직경이 다른 다수개의 원 형상으로 감긴 광섬유 센서 및 광섬유 센서의 내주연과 외주연을 가지는 원형 링 형상으로 형성되는 패치층을 포함하는 그라운드 앵커의 인장력 결정용 앵커 플레이트 광섬유 센서 패치를 그라운드 앵커의 앵커 플레이트 상면에 부착하는 단계(S1000), 그라운드 앵커의 인장력 크기에 따라 광섬유 센서 직경에 따른 변형률을 각각 측정하는 단계(S2000), 측정된 직경에 따른 변형률로 평균값을 각각 도출하는 단계(S3000), 도출된 평균값의 차이값을 구하는 단계(S4000), 및 차이값과 그라운드 앵커의 인장력 크기의 선형성을 판단하는 단계(S5000)를 포함할 수 있다.
동일한 중심축을 가지는 직경이 다른 다수개의 원 형상으로 감긴 광섬유 센서 및 광섬유 센서의 내주연과 외주연을 가지는 원형 링 형상으로 형성되는 패치층을 포함하는 그라운드 앵커의 인장력 결정용 앵커 플레이트 광섬유 센서 패치를 그라운드 앵커의 앵커 플레이트 상면에 부착하는 단계(S1000)는, 앵커 플레이트(30) 상면의 위치에 따른 변형률을 측정하기 위해 광섬유 센서 패치(1)를 앵커 플레이트(30) 상면에 부착하는 것이다. 여기서 패치층(20)의 재료는 앞에서 설명하였듯, 광섬유 센서(10)를 고정할 수 있어야 하고, 광섬유 센서(10)의 굴절률에 변화를 가져오지 않아야 하며, 재료의 경화 후 외력 및 자연풍화 등에도 적절히 견딜 수 있어야 한다. 이는 에폭시(Epoxy)로 이루어지는 것이 적절하다.
광섬유 센서 패치(1)는 경화되지 않은 에폭시를 앵커 플레이트(30)에 추가적으로 도포하여 광섬유 센서 패치(1)를 부착할 수 있다. 여기서 에폭시의 재질은 광섬유 센서 패치(1)의 에폭시와 동일한 종류를 사용할 수 있다.
그라운드 앵커의 인장력 크기에 따라 광섬유 센서 직경에 따른 변형률을 각각 측정하는 단계(S2000)는, 인장력의 크기를 달리하여 앵커 플레이트(30)에 부착된 광섬유 센서(10)를 통해 길이에 따라 변형률을 측정하는 것이다. 도 6을 참조하면, 앵커 플레이트(30)가 24℃일 때 그라운드 앵커의 인장력 크기에 따른 BOCDA 센서의 길이당 변형률을 측정한 표이다. 광섬유 센서(10)가 1개의 원을 형성하는 경우 2번의 변형률 피크가 발생하는데, 이는 앵커 헤드(40)로부터 앵커 플레이트(30) 상면의 변까지의 길이와 모서리까지의 길이가 차이가 있음에 따라 발생하는 것이다.
또한 도 6을 참조하면, 도표에서 측정된 변형률은 BOCDA 센서를 동일한 중심축을 가지는 직경이 서로 다른 2개의 원을 형성하여 측정한 값으로, 내주연(130mm)의 BOCDA 센서에서 측정된 감지 광섬유의 측정 지점 400cm 근처의 변형률(우측 적색 점선)과 외주연(167mm)의 BOCDA 센서에서 측정된 감지 광섬유의 측정 지점 200cm 근처의 변형률(좌측 적색 점선)을 나타낸다. 이는 일정한 패턴을 나타내는 것과 동시에 그라운드 앵커의 인장력의 크기가 클수록 변형률의 정도도 커짐을 나타낸다.
측정된 직경에 따른 변형률로 평균값을 각각 도출하는 단계(S3000)는, 일정한 인장력의 크기에서 앵커 플레이트(30)에 부착된 광섬유 센서(10)의 반경에 따른 변형률의 평균값을 도출하는 것이다. 이는 광섬유 센서(10)가 1개의 원을 형성할 때 2번의 변형률 피크가 발생하는 등, 하나의 원을 형성하더라도 변형률이 변하므로 원의 반경에 따른 변형률의 값을 도출하기 위해 해당 값의 평균을 구한다.
아래의 표 1은 앵커 플레이트(30)가 24℃일 때 인장력의 크기에 따른 내주연(130mm)의 BOCDA 센서에서 측정된 400cm 근처의 변형률의 평균값(
Figure pat00001
)과 외주연(167mm)의 BOCDA 센서에서 측정된 200cm 근처의 변형률의 평균값(
Figure pat00002
)을 나타낸 표이다.
[표 1]
Figure pat00003
도출된 평균값의 차이값을 구하는 단계(S4000)는, 인장력의 크기에 따라 도출된 변형률 평균값을 광섬유 센서(10)의 직경에 따른 차이값을 구하는 것이다. 이는 변형률 크기의 상대적인 값을 도출하여 인장력의 크기와의 관계를 비교하는 것을 용이하게 하기 위함이다. 상기 표 1의 Strain difference 값은 앵커 플레이트(30)가 24℃일 때 인장력의 크기에 따른 내주연(130mm)의 BOCDA 센서에서 측정된 400cm 근처의 변형률의 평균값과 외주연(167mm)의 BOCDA 센서에서 측정된 200cm 근처의 변형률의 평균값의 차이값을 나타낸다.
차이값과 그라운드 앵커의 인장력 크기의 선형성을 판단하는 단계(S5000)는, 변형률의 차이값과 그라운드 앵커의 인장력의 크기의 선형성을 비교하여, 변형률의 차이값을 측정하는 것만으로도 그라운드 앵커의 인장력의 크기를 상대적으로 결정할 수 있도록 모듈화할 수 있다. 이러한 방법은 다수개의 그라운드 앵커가 설치된 현장에서 개개의 인장력을 측정하기 위한 장비의 설치 및 해체 작업 없이도 광섬유 패치만을 앵커 플레이트(30)에 부착하여 변형률을 측정하는 작업만으로도 그라운드 앵커의 인장력을 결정할 수 있는 장점이 있다.
또한, 본 발명에 따른 그라운드 앵커의 인장력을 결정하기 위한 방법은 온도 변화와 무관하게 그라운드 앵커의 인장력을 결정할 수 있다.
그라운드 앵커는 일반적으로 실외에 설치되므로, 강재로 형성된 앵커 플레이트(30)는 직사광선에 노출되는 등 온도변화가 잦다. 이러한 온도변화는 앵커 플레이트(30)의 열변형과 감지 광섬유 센서(10)의 굴절률의 변화를 가져와 센싱 신호를 표류시키기 쉽다.
이러한 온도 영향을 배제한 그라운드 앵커의 인장력을 결정하기 위해서 광섬유 센서(10)를 동일한 중심축을 가지는 직경이 서로 다른 2개의 원을 형성하여 측정함으로써 해결할 수 있다.
광섬유 센서(10)를 사용할 때 신호 출력인 브릴루앙 주파수
Figure pat00004
은 수학식 1과 같이 변형률
Figure pat00005
및 온도
Figure pat00006
와 관련있다.
[수학식 1]
Figure pat00007
여기에서,
Figure pat00008
는 온도 변화량이고,
Figure pat00009
은 스트레인 계수이고,
Figure pat00010
는 감지 광섬유의 온도변화에 의한 굴절률에 따른 센서 신호변화계수이고,
Figure pat00011
는 열팽창계수이고,
Figure pat00012
은 변형률에 해당한다.
그러나 두 개의 다른 위치, 즉 동일한 중심축을 가지는 직경이 서로 다른 2의 원에서 변형률을 측정하는 경우 수학식 2와 같이 온도 효과를 배제할 수 있다.
[수학식 2]
Figure pat00013
Figure pat00014
여기에서,
Figure pat00015
는 온도 변화량이고,
Figure pat00016
은 스트레인 계수이고,
Figure pat00017
는 감지 광섬유의 굴절률에 따른 센서 신호변화계수이고,
Figure pat00018
는 열팽창계수이고,
Figure pat00019
는 앵커 헤드에서의 위치(a,b)에 따른 센서 신호이고,
Figure pat00020
는 앵커 헤드에서의 위치(a,b)에 따른 변형률이고,
Figure pat00021
는 인장력과 센서 신호간의 계수이고,
Figure pat00022
는 변형률 차이와 인장력 변화간의 선형 상관 계수에 해당한다.
즉, 수학식 2에 따라 앵커 플레이트(30)의 열변형(온도의 변화)과 무관하게 그라운드 앵커의 인장력과 앵커 플레이트(30)의 변형률만이 고려될 수 있다. 도 7을 참조하면, 앵커 플레이트(30)가 14.5℃일 때 도표에서 측정된 변형률은 BOCDA 센서를 동일한 중심축을 가지는 직경이 서로 다른 2개의 원을 형성하여 측정한 값으로, 내주연(130mm)의 BOCDA 센서에서 측정된 400cm 근처의 변형률(우측 적색 점선)과 외주연(167mm)의 BOCDA 센서에서 측정된 200cm 근처의 변형률(좌측 적색 점선)을 나타낸다. 그리고 아래의 표 2는 앵커 플레이트(30)가 14.5℃일 때 인장력의 크기에 따른 내주연(130mm)의 BOCDA 센서에서 측정된 400cm 근처의 변형률의 평균값(
Figure pat00023
)과 외주연(167mm)의 BOCDA 센서에서 측정된 200cm 근처의 변형률의 평균값(
Figure pat00024
)과 이들 값의 차이값(Strain difference)을 나타낸 표이다.
[표 2]
Figure pat00025
도 8을 참조하면, 상기 표 1과 표 2의 그라운드 앵커 인장력의 크기에 따른 평균값의 차이값과의 선형성을 비교한 표에 해당한다. 즉, 앵커 플레이트(30)의 온도 영향을 배제한 변형률의 차이값과 그라운드 앵커의 인장력의 크기는 대체로 1차식의 우상향 그래프를 형성한다. 이러한 관계를 도출함으로써 광섬유 센서(10)에서 측정되는 변형률 값으로 그라운드 앵커의 인장력을 결정할 수 있다.
앞에서 설명되고, 도면에 도시된 그라운드 앵커의 인장력을 결정하기 위한 앵커 플레이트 광섬유 센서 패치, 그 제조 방법 및 패치를 이용하여 온도 영향을 배제한 그라운드 앵커 인장력 결정하는 방법은, 본 발명을 실시하기 위한 하나의 실시 예에 불과하며, 본 발명의 기술적 사상을 한정하는 것으로 해석해서는 안된다. 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 개량 및 변경된 실시 예는 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 자명한 것인 한 본 발명의 보호범위에 속한다고 할 것이다.
1: 광섬유 센서 패치
10: 광섬유 센서
20: 패치층
30: 앵커 플레이트
40: 앵커 헤드

Claims (18)

  1. 그라운드 앵커 인장력 결정용 앵커 플레이트 광섬유 센서 패치에 있어서,
    동일한 중심축을 가지는 직경이 다른 다수개의 원 형상으로 감긴 광섬유 센서; 및
    상기 광섬유 센서가 상기 그라운드 앵커를 둘러싸고 상기 앵커 플레이트 상에 설치되도록 내주연과 외주연을 가지는 원형 링 형상으로 형성되는 패치층을 포함하는 그라운드 앵커 인장력 결정용 앵커 플레이트 광섬유 센서 패치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 광섬유 센서는 BOCDA 센서인 것을 특징으로 하는 그라운드 앵커 인장력 결정용 앵커 플레이트 광섬유 센서 패치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 패치층은 에폭시로 이루어지는 것을 특징으로 하는 그라운드 앵커 인장력 결정용 앵커 플레이트 광섬유 센서 패치.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 광섬유 센서는 동일한 중심축을 가지는 직경이 서로 다른 2개의 원인 것을 특징으로 하는 그라운드 앵커 인장력 결정용 앵커 플레이트 광섬유 센서 패치.
  5. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 동일한 중심축을 가지는 직경이 다른 다수개의 원 형상으로 감긴 광섬유 센서 중 내주연은 상기 패치층의 내주연의 반경보다 1cm 이상의 반경을 갖는 것을 특징으로 하는 그라운드 앵커 인장력 결정용 앵커 플레이트 광섬유 센서 패치.
  6. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 동일한 중심축을 가지는 직경이 다른 다수개의 원 형상으로 감긴 광섬유 센서 중 외주연은 상기 패치층의 외주연의 반경보다 1cm 이하의 반경을 갖는 것을 특징으로 하는 그라운드 앵커 인장력 결정용 광섬유 센서 패치.
  7. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 패치층의 탄성계수는 상기 광섬유 센서의 탄성계수의 10% 이상 100%이하의 값을 갖는 것을 특징으로 하는 그라운드 앵커 인장력 결정용 앵커 플레이트 광섬유 센서 패치.
  8. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 패치층의 두께는 0.4mm 이상 0.5mm 이하로 제조된 것을 특징으로 하는 그라운드 앵커 인장력 결정용 앵커 플레이트 광섬유 센서 패치.
  9. 그라운드 앵커 인장력 결정용 앵커 플레이트 광섬유 센서 패치 제조 방법에 있어서,
    상기 광섬유 센서를 동일한 중심축을 가지는 직경이 서로 다른 다수개의 원 형상으로 감아 필름에 부착하는 단계;
    상기 필름 부분 중 상기 필름에 부착된 상기 광섬유 센서의 내주연과 외주연 사이의 원형 링 부분을 제외한 부분에 마스킹 플레이트를 부착하는 단계;
    상기 필름 부분 중 상기 필름에 부착된 상기 광섬유 센서의 내주연과 외주연 사이의 원형 링 부분에 에폭시를 도포한 후 경화하는 단계;및
    상기 마스킹 플레이트와 상기 필름을 제거하는 단계;로 제조되는 그라운드 앵커 인장력 결정용 앵커 플레이트 광섬유 센서 패치 제조 방법.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 광섬유 센서는 BOCDA 센서인 것을 특징으로 하는 그라운드 앵커 인장력 결정용 앵커 플레이트 광섬유 센서 패치 제조 방법.
  11. 제9항에 있어서,
    상기 필름은 점착 필름인 것을 특징으로 하는 그라운드 앵커 인장력 결정용 앵커 플레이트 광섬유 센서 패치 제조 방법.
  12. 제9항 내지 제11항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 광섬유 센서는 동일한 중심축을 가지는 직경이 서로 다른 2개의 원인 것을 특징으로 하는 그라운드 앵커 인장력 결정용 앵커 플레이트 광섬유 센서 패치 제조 방법.
  13. 제9항 내지 제11항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 마스킹 플레이트를 부착하는 단계에서 상기 광섬유 센서의 내주연은 상기 에폭시 내주연의 반경보다 1cm 이상의 반경을 갖는 것을 특징으로 하는 그라운드 앵커 인장력 결정용 앵커 플레이트 광섬유 센서 패치 제조 방법.
  14. 제9항 내지 제11항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 마스킹 플레이트를 부착하는 단계에서 상기 광섬유 센서의 외주연은 상기 에폭시 외주연의 반경보다 1cm 이하의 반경을 갖는 것을 특징으로 하는 그라운드 앵커 인장력 결정용 앵커 플레이트 광섬유 센서 패치 제조 방법.
  15. 온도 영향을 배제한 그라운드 앵커 인장력 결정 방법에 있어서,
    동일한 중심축을 가지는 직경이 다른 다수개의 원 형상으로 감긴 광섬유 센서, 및 상기 광섬유 센서가 상기 그라운드 앵커를 둘러싸고 앵커 플레이트 상에 설치되도록 내주연과 외주연을 가지는 원형 링 형상으로 형성되는 패치층을 포함하는 그라운드 앵커 인장력 결정용 앵커 플레이트 광섬유 센서 패치를 그라운드 앵커의 앵커 플레이트 상면에 부착하는 단계;
    상기 그라운드 앵커의 인장력 크기에 따라 상기 광섬유 센서 직경에 따른 변형률을 각각 측정하는 단계;
    상기 측정된 직경에 따른 변형률로 평균값을 각각 도출하는 단계;
    상기 도출된 평균값의 차이값을 구하는 단계;및
    상기 차이값과 상기 그라운드 앵커의 인장력 크기의 선형성을 판단하는 단계;를 포함하는 온도 영향을 배제한 그라운드 앵커 인장력 결정 방법.
  16. 제15항에 있어서,
    상기 광섬유 센서는 BOCDA 센서인 것을 특징으로 하는 온도 영향을 배제한 그라운드 앵커 인장력 결정 방법.
  17. 제15항에 있어서,
    상기 패치층은 에폭시로 이루어지는 것을 특징으로 하는 온도 영향을 배제한 그라운드 앵커 인장력 결정 방법.
  18. 제15항 내지 제17항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 광섬유 센서는 동일한 중심축을 가지는 직경이 서로 다른 2개의 원인 것을 특징으로 하는 온도 영향을 배제한 그라운드 앵커 인장력 결정 방법.
KR1020210152145A 2021-11-08 2021-11-08 그라운드 앵커 인장력 결정용 앵커 플레이트 광섬유 센서 패치, 그 제조 방법 및 패치를 이용하여 온도 영향을 배제한 그라운드 앵커의 인장력을 결정하는 방법 KR102588707B1 (ko)

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* Cited by examiner, † Cited by third party
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JP2006162511A (ja) 2004-12-09 2006-06-22 Akebono Brake Ind Co Ltd グランドアンカー緊張力検知システム
JP2017043949A (ja) * 2015-08-26 2017-03-02 国立大学法人京都大学 定着体の残存緊張力評価装置
JP2019127794A (ja) * 2018-01-26 2019-08-01 株式会社大林組 アンカーテンドンおよびグラウンドアンカーの施工方法

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