간척지나 해안지역과 같은 연약지반에 건축 및 토목공사를 위해서는 지반의 강도를 높이기 위한 연약지반개량공사가 필수적이다. 연약지반 개량 공법은 여러 가지가 있으나 우리나라를 비롯해 세계적으로 연직배수공법을 주로 사용하고 있다. 연직배수공법은 연약한 점성토 지반 내에 인공적으로 연직 배수재를 다수 설치하여 배수거리를 단축시킴으로써 압밀을 촉진시키고, 그에 따른 강도증가 효과를 얻을 수 있는 공법이다. 연직배수재로는 경제성과 시공성이 우수한 PBD가 널리 사용되고 있다. PBD 시공품질은 시공 깊이, 압력, 수직도 등에 영향을 받게 된다. 본 논문에서는 PBD 시공시 배수재의 시공 심도, 압력, 수직도를 자동측정하여 작업자가 실시간으로 모니터링 할 수 있고 시공결과를 자동 저장하는 시스템을 개발하였다. 개발된 시스템은 시공 불량 요인이 발생시 자동 경고하여 불량률을 줄일 수 있고, 장비의 이상 발생시 자동 제어시스템을 가동하여 작업의 안전성을 확보하도록 하였다.
간척지나 해안지역과 같은 연약지반에 건축 및 토목공사를 위해서는 지반의 강도를 높이기 위한 연약지반개량공사가 필수적이다. 연약지반 개량 공법은 여러 가지가 있으나 우리나라를 비롯해 세계적으로 연직배수공법을 주로 사용하고 있다. 연직배수공법은 연약한 점성토 지반 내에 인공적으로 연직 배수재를 다수 설치하여 배수거리를 단축시킴으로써 압밀을 촉진시키고, 그에 따른 강도증가 효과를 얻을 수 있는 공법이다. 연직배수재로는 경제성과 시공성이 우수한 PBD가 널리 사용되고 있다. PBD 시공품질은 시공 깊이, 압력, 수직도 등에 영향을 받게 된다. 본 논문에서는 PBD 시공시 배수재의 시공 심도, 압력, 수직도를 자동측정하여 작업자가 실시간으로 모니터링 할 수 있고 시공결과를 자동 저장하는 시스템을 개발하였다. 개발된 시스템은 시공 불량 요인이 발생시 자동 경고하여 불량률을 줄일 수 있고, 장비의 이상 발생시 자동 제어시스템을 가동하여 작업의 안전성을 확보하도록 하였다.
Soft ground improvement is essential to enhance strength of ground for construction in reclaimed land or shore. There are many method of soft ground improvement, and vertical drain method was widely used in many countries including korea. As vertical drain method is to plant many Prefabricated Verti...
Soft ground improvement is essential to enhance strength of ground for construction in reclaimed land or shore. There are many method of soft ground improvement, and vertical drain method was widely used in many countries including korea. As vertical drain method is to plant many Prefabricated Vertical Drains in soft ground, it promotes consolidation and enhances strength. The PBD(Plastci Board Drain) that is excellent economy and workability was widely used in many countries as Prefabricated Vertical Drains. Construction quality of PBD is affected installation depth, pressure, perpendicularity. This paper describes the system developed that can automatically measure installation depth, pressure and perpendicularity for PBD. This system can reduce fraction defective of construction by auto faulty alarm and keeps the safety of operator by auto control system.
Soft ground improvement is essential to enhance strength of ground for construction in reclaimed land or shore. There are many method of soft ground improvement, and vertical drain method was widely used in many countries including korea. As vertical drain method is to plant many Prefabricated Vertical Drains in soft ground, it promotes consolidation and enhances strength. The PBD(Plastci Board Drain) that is excellent economy and workability was widely used in many countries as Prefabricated Vertical Drains. Construction quality of PBD is affected installation depth, pressure, perpendicularity. This paper describes the system developed that can automatically measure installation depth, pressure and perpendicularity for PBD. This system can reduce fraction defective of construction by auto faulty alarm and keeps the safety of operator by auto control system.
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문제 정의
본 연구는 이러한 요구를 실현할 수 있는 실시간 PBD 시공품질 자동측정시스템 개발을 목표로 하였다.
제안 방법
DAQ시스템과 모니터 및 프린터 장치들은 상용화된 인터페이스 방식으로 연결되었으며 센서와 신호변화장치는 탈착이 용이하고 외부 환경에 견딜 수 있는 방식의 커넥터와 배선도를 설계하여 제작하였다.
PBD 시공품질 자동측정시스템 설계를 위해 가장 먼저 시공시 압력, 각도, 깊이를 측정하기 위한 센서를 선정하였다.
PBD시공 작업시 자재 시공심도 및 따라오름량과 리더의 기울기, 관입 유압을 측정할 수 있는 센서들의 신호를 입력받아 ±0.1m이내의 심도측정오차, ±0.2°이내의 각도 측정오차, ±20Kg/㎠이내의 압력측정오차로 시공상황을 실시간으로 모니터링할 수 있고, 장비의 이상시 경고 및 자동 제어 기능과 시공데이터 전산화 기능을 갖춘 자동측정장비 개발을 완료하였으며 다음과 같은 결론을 얻었다.
가장 빈번히 사용하는 “시공시작”과 “시공완료” 명령은 터치스크린 모니터를 사용하여 손으로 메인화면의 시공측정값 표시창을 클릭해도 실행되도록 하였다.
각도 센서는 굴삭기에 부착되는 PBD 타설 장비에 부착하여 시공시 장비의 각도를 측정하기 위한 센서로써 실외 환경에서 눈, 비, 바람, 먼지 등을 견딜 수 있는 센서를 선정하였다. 또한 타설장비의 앞뒤 및 좌우 각도를 동시에 측정 할 수 있도록 2축용으로 하였다.
압력 및 각도 센서의 신호선 배선이 길어 전압 출력 방식은 신호의 출력이 감소할 수 있어 전류출력 방식을 채택하였다. 센서의 전류신호를 전압신호로 변환해 주고 입력 및 출력 신호선 커넥터블럭 역할을 해주는 신호변환기판을 설계하였다. 신호들을 입력받아 컴퓨터에서 인식할 수 있는 디지털로 변환해 주는 DAQ보드는 3개의 아날로그 입력(압력센서, X축 각도센서, Y축 각도세서)과 2개의 카운터 입력(심도, 따라오름 로터리 엔코더), 4개의 디지털 출력(심도 상한경고, 심도하한 경고, 압력 경고, 불량경고) 기능을 가지고 있는 보드를 선정하였다.
시공깊이를 측정하기 위해 케이싱을 이송하는 와이어를 감고 푸는 드럼 회전량으로 시공 심도를 측정하기 위한 엔코더와 자재의 이송을 따라 움직이는 롤러의 회전량으로 자재의 따라오름량을 측정하기 위한 엔코더를 선정하였다. 심도와 따라오름 측정 허용 오차가 1㎝인 점을 감안하여 1회전당 200펄스를 발생하는 엔코더로 하였다.
센서의 전류신호를 전압신호로 변환해 주고 입력 및 출력 신호선 커넥터블럭 역할을 해주는 신호변환기판을 설계하였다. 신호들을 입력받아 컴퓨터에서 인식할 수 있는 디지털로 변환해 주는 DAQ보드는 3개의 아날로그 입력(압력센서, X축 각도센서, Y축 각도세서)과 2개의 카운터 입력(심도, 따라오름 로터리 엔코더), 4개의 디지털 출력(심도 상한경고, 심도하한 경고, 압력 경고, 불량경고) 기능을 가지고 있는 보드를 선정하였다.
결과 출력 프린터는 한 홀 한 홀 시공 할 때마다 즉시 한 줄씩 출력하여야 하기 때문에 연속용지를 사용할 수 있고 한 줄씩 출력하고 대기할 수 있는 기능이 있는 도트 프린터를 사용하였다. 심도, 따라오름, 각도, 압력값은 또한 실시간 연속 데이터로 임시저장 후 일정 시간마다 그래프로 출력할 수 있도록 그래프 출력용 프린터를 별로도 연결하여 사용할 수 있도록 하였다.
시공깊이를 측정하기 위해 케이싱을 이송하는 와이어를 감고 푸는 드럼 회전량으로 시공 심도를 측정하기 위한 엔코더와 자재의 이송을 따라 움직이는 롤러의 회전량으로 자재의 따라오름량을 측정하기 위한 엔코더를 선정하였다. 심도와 따라오름 측정 허용 오차가 1㎝인 점을 감안하여 1회전당 200펄스를 발생하는 엔코더로 하였다.
압력 및 각도 센서의 신호선 배선이 길어 전압 출력 방식은 신호의 출력이 감소할 수 있어 전류출력 방식을 채택하였다. 센서의 전류신호를 전압신호로 변환해 주고 입력 및 출력 신호선 커넥터블럭 역할을 해주는 신호변환기판을 설계하였다.
엔코더 와 압력센서, 각도센서의 값을 교정하기 위해 교정 기능을 두어 오프셋값과 게인값을 조정할 수 있도록 하였다. 환경설정 메뉴에서는 그림 7과 같이 측정과 관련된 옵션 값과 출력과 관련된 옵션값을 설정하고 운전자 암호와 교정을 위한 암호를 설정할 수 있는 기능을 두었다.
자동측정 프로그램은 첫째 PBD 시공시 자재 시공심도 및 따라오름량과 관입각, 관입압을 작업자가 PC 모니터를 통해 실시간으로 모니터링할 수 있고, 둘째 시공결과값을 출력하고 전산화하며, 셋째 시공값들이 시방값을 초과하거나 미달시 작업자에게 경고음으로 알리고 장비를 상황에 맞게 자동제어할 수 있는 기능을 갖도록 설계 제작되었다.
프로그램의 모든 메뉴와 작업관련 명령은 조작을 빠르게 하기 위하여 단축키들을 사용할 수 있도록 하였다. 가장 빈번히 사용하는 “시공시작”과 “시공완료” 명령은 터치스크린 모니터를 사용하여 손으로 메인화면의 시공측정값 표시창을 클릭해도 실행되도록 하였다.
대상 데이터
품질 데이터는 시공시간, 홀코드, 설계 시공깊이(m), 케이싱 타설깊이(시공(m)), 따라오름(인출(m)), PBD시공깊이(실입(m)), 경사각 X(°), Y(°), 시공 최대 압력(bar), 시공 결과 판정 값들로 되어 있다.
이론/모형
프로그램은 Window XP에서 구동할 수 있도록 하였다. 프로그램 개발 툴은 볼랜드사의 Delphi 7.0을 사용하였으며 DAQ보드와 연동하기 위하여 DAQ보드 제조사(National Instrument)에서 제공하는 드라이버와 DLL함수들을 이용하였다.
성능/효과
1. 작업상황의 실시간 데이터와 시공결과 데이터를 전산화하고 실시간 출력으로 품질관리 및 공사 감리에 신뢰성을 줄 수 있다.
2. 측정된 데이터를 분석하여 이상시 작업자에게 알리고 장비를 자동제어하여 불량률을 최소화하고 작업의 안정성을 보장할 수 있다.
3. 측정기 설정과 조작에 의한 작업시간 지연을 최소화하여 생산성을 향상 시켰다.
4. 모든 시공홀에 대한 품질 평가 데이터를 전산화하므로 이를 이용하여 품질개선과 생산성 증대를 이루었다.
개발된 PBD 시공품질 자동측정시스템은 PBD 시공장비 운전자가 시공과 동시에 시공 상황을 모니터링하면서 시공결과를 저장 및 출력할 수 있었다. 또한 각도, 압력 등의 위험 신호 및 따라오름, 심도 불량을 즉각 감지하여 경고함으로써 작업의 안정성을 확보할 수 있었고, 시공 불량률을 줄일 수 있었다.
개발된 PBD 시공품질 자동측정시스템은 PBD 시공장비 운전자가 시공과 동시에 시공 상황을 모니터링하면서 시공결과를 저장 및 출력할 수 있었다. 또한 각도, 압력 등의 위험 신호 및 따라오름, 심도 불량을 즉각 감지하여 경고함으로써 작업의 안정성을 확보할 수 있었고, 시공 불량률을 줄일 수 있었다. 시공 불량발생시에는 즉각 재시공할 수 있어 시공품질의 우수성을 보장할 수 있었다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
PBD 공법은 어떤 방법인가?
PBD 공법은 하모니커 또는 벌집형의 플라스틱 코어재를 필터용 천으로 감싸서 만든 플라스틱 드레인 보드(plastic drainboard)를 지중에 타입하여 타입된 드레인 보드 주변의 간극수를 보드를 통하여 지표면으로 신속하게 배출시키는 공법이다[2]. 그림 1은 이러한 PBD공법의 개략도 이다.
PBD시공 작업 시 시공상황을 실시간으로 모니터링 할 수 있고 자동 제어 기능과 시공데이터 전산화 기능을 갖춘 자동측정장비 개발에 대한 연구 결과는?
1. 작업상황의 실시간 데이터와 시공결과 데이터를 전산화하고 실시간 출력으로 품질관리 및 공사 감리에 신뢰성을 줄 수 있다.
2. 측정된 데이터를 분석하여 이상시 작업자에게 알리고 장비를 자동제어하여 불량률을 최소화하고 작업의 안정성을 보장할 수 있다.
3. 측정기 설정과 조작에 의한 작업시간 지연을 최소화하여 생산성을 향상 시켰다.
4. 모든 시공홀에 대한 품질 평가 데이터를 전산화하므로 이를 이용하여 품질개선과 생산성 증대를 이루었다.
연약지반을 개량하는 대표적인 공법으로 어떤 방법들이 존재하는가?
고함수비의 연약지반을 개량하여 도로, 철도, 공항, 항만, 단지 조성등 각종 구조물의 기초로 활용하기 위해서는 지중에 함유되어 있는 간극수를 조기에 지상으로 배출시켜서 간극수의 배출로 인한 지표면의 침하를 조기에 완료시키고, 지지력을 증대시키는 연약지반 개량공사가 필요하다. 연약지반을 개량하는 대표적인 공법으로 샌드 드레인(sand drain)과 샌드 콤팩션 파일(sand compaction pile) 조성, 그라벨 드레인(gravel drain)과 그라벨 콤펙션(gravel compaction) 공법, 팩드레인(pack drain) 공법, 플라스틱 보드 드레인(plastic board drain: PBD) 공법 등이 활용되고 있으나 모래나 자갈 등의 천연재료의 고갈 등으로 인하여 현재는 플라스틱 보드 드레인(PBD) 공법이 가장 일반적으로 쓰이고 있다.
참고문헌 (6)
김민호, 신예호, 김태영 "연약지반 개량을 위한 PBD시공품질 자동측정시스템 개발", Proc. of the KAIS Spring Conference, pp. 11159-1162, 2010.5.28.
오성훈, "무진동 PBD(플라스틱 보드 드레인) 시공장비 구조 최적 설계", 한국산학기술학회, 제8권, 5호, pp. 1300-1305, 10월, 2007.
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