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문제 정의
- 앵커나 교량 등 다양한 토목 분야에서 활용되고 있는 7연 강연선에 광섬유 브래그 격자 센서를 내장시켜 개발한 광섬유 센서 내장형 텐던을 이용하여 실제 절취사면에 시공된 그라운드 앵커의 긴장력 변화를 계절변화에 따라 모니터링할 수 있도록 경제적이고 현실적인 온도보상 방법에 관한 연구를 수행하였다. 연구 결과들을 정리하면 다음과 같다.
- 이에 본 연구에서는 광섬유 센서 내장형 텐던을 그라운드 앵커의 장기모니터링에 적용할 수 있도록 광섬유 센서 내장형 텐던의 온도반응계수와 기상청의 지중온도 측정결과를 이용하여 광섬유 센서 내장형 텐던으로 실제 현장에 설치된 앵커에 대한 장기간의 모니터링 결과를 온도 보상하는 경제적인 방안에 대해 기술하였다. 먼저 실내 실험을 통해 광섬유 센서 내장형 텐던의 온도반응 계수(β′)를 결정하였다.
제안 방법
- (1) 실내실험을 통해 광섬유 센서 내장형 텐던의 온도 반응계수 β′=2.0×10-5/℃를 결정하고 얻어진 온도반응계수를 바탕으로 실제 현장에 설치된 광섬유 센서 내장형 텐던을 이용하여 연구 대상지역(여수)의 지중온도 변화(ΔT)를 측정하였다.
- (b)와 같이 제작된 콘크리트 모형암반에 텐던 시편을 설치하여 콘크리트 경화 시 발열 온도변화(ΔT)와 반사파장 변화량(ΔλB/λB)관계를 검토하였다.
- 1. 인장형 앵커에서 계절별 장력모니터링은 Figure 12와 같이 기존의 V/W타입 로드 셀과 광섬유 센서 내장형 텐던을 이용하여 수행하였고 압축형 하중분산 앵커에서는 광섬유 센서 내장형 텐던을 이용하여 각각의 내하체에 도입된 긴장력의 계절별 변화를 측정하였다. 광섬유 센서 내장형 텐던을 이용한 그라운드 앵커 긴장력의 계절별 모니터링 결과는 Figure 13 및 Figure 14와 같다.
- 5m 길이의 압축형 앵커를 제작하여 파쇄가 심한 연암내지 풍화암의 실제 절취사면에 각각 시공하고 앵커 두부에서 초기 긴장력을 도입한 후 계절별 장력모니터링을 1년 이상 수행하였다. 1년 이상 측정된 긴장력에 대해 온도보상을 실시하고 앵커의 두부에 설치된 V/W 로드셀의 긴장력 측정결과와 비교하였다.
- 24kN이다. V/W타입의 로드 셀은 실내에서 보정한 초기 읽음값을 기준으로 긴장력을 측정하였고 광섬유 센서 내장형 텐던은 현장에서 앵커를 정착한 시점의 초기 반사파장 읽음값을 기준으로 긴장력을 측정하였다. TA-1에서 계절별 장력모니터링을 수행하는 동안 같은 시기에 여수지역에서 측정된 기상청 자료에 의하면 대기온도 변화(ΔT)는 -2.
- 결정된 온도반응계수(β′)를 이용하여 현장에 설치된 광섬유 센서 내장형 텐던의 깊이 방향으로 배치된 광섬유 센서 위치에서 지중온도를 추정하고 기상청에서 지중온도계로 측정한 지중온도 변화(기상청: www.kma.go.kr)와 비교하여 온도반응계수(β′)의 적용성을 검증하였다.
- 먼저 실내 실험을 통해 광섬유 센서 내장형 텐던의 온도반응 계수(β′)를 결정하였다.
- 실내실험에서 결정한 광섬유 센서 내장 텐던의 온도 반응계수(β′)를 검증하기 위해 실제 현장에 광섬유 센서 내장형 텐던을 설치하고 다양한 깊이에서 광섬유 센서의 반사파장 변화량으로부터 지중온도 변화(ΔT)를 측정하였다.
- 이 때 광섬유 센서 내장형 텐던을 이용하여 지중에서 깊이에 따른 온도변화(ΔT)를 측정하기 위해 Figure 5와 같이 자유장 및 정착장부에 FBG센서를 배치하고 Figure 6과 같이 지중에 매설한 후 재하하지 않는 상태(Δε=0, ΔT≠0)로 시간경과에 따라 반사파장의 변화량을 측정하였다.
- Chang 등(2003)은 락볼트 보강사면의 거동을 측정하기 위해 락볼트 표면에 FBG센서를 부착하여 변형률을 측정하였다. 이때 FBG센서의 계측값에 포함된 지중온도의 영향을 보정하기 위해 같은 위치에 설치된 FBG센서의 변형률 값에서 V/W 변형률계의 변형률 값을 빼준 값이 온도에 의한 영향으로 보고 실내실험에서 나온 보정치로 환산하여 온도보상을 수행하였다. 최근 Kim 등(2011)은 그라운드 앵커의 단기 현장인발실험 중 광섬유 센서 내장형 텐던에서 측정된 긴장력과 앵커두부에 설치된 로드 셀에서 측정된 긴장력을 비교하였다.
- kr)와 비교하여 온도반응계수(β′)의 적용성을 검증하였다. 한편 광섬유 센서 내장형 텐던으로 구성된 11.2m 길이의 인장형 앵커 및 10.5m 길이의 압축형 앵커를 제작하여 파쇄가 심한 연암내지 풍화암의 실제 절취사면에 각각 시공하고 앵커 두부에서 초기 긴장력을 도입한 후 계절별 장력모니터링을 1년 이상 수행하였다. 1년 이상 측정된 긴장력에 대해 온도보상을 실시하고 앵커의 두부에 설치된 V/W 로드셀의 긴장력 측정결과와 비교하였다.
대상 데이터
- 그라운드 앵커의 계절별 장력모니터링을 위해 Figure 11과 같이 전남대학교 해안항만 실험센타 배후 절취사면에 변형률 측정이 가능한 인장형 앵커 2개 및 압축형 하중분산 앵커 2개를 각각 시공하였다. 그라운드 앵커로 보강된 사면의 지반조건은 파쇄가 심한 연암내지 풍화암으로 구성되어 있으며 앵커길이, 설계조건 및 사면 지반조건은 Table 2에 정리되어 있다.
- 그 후 실내실험에서 결정한 온도반응 계수 β′를 식 (4)에 대입하여 브래그 반사파장의 변화량 (ΔλB /λB) 관계식으로부터 지중온도 변화(ΔT)를 산정할수 있다. 비교검증 자료로 기상청이 연구 대상현장 지역 (여수)에 설치하여 운영하고 있는 지중온도계 측정결과를 이용하였다.
- 0×10-5/℃를 결정하고 얻어진 온도반응계수를 바탕으로 실제 현장에 설치된 광섬유 센서 내장형 텐던을 이용하여 연구 대상지역(여수)의 지중온도 변화(ΔT)를 측정하였다. 온도반응계수를 이용한 지중온도 측정의 타당성을 검증하기 위하여 기상청에서 지중온도계로 여수지역에서 측정한 지중온도 변화(기상청:www.kma.go.kr) 데이터를 비교 검증 자료로 이용하였다. 광섬유 센서 내장형 텐던과 기상청 자료의 비교결과 FBG1(GL-3.
성능/효과
- (2) 인장형 앵커의 자유장에 설치된 광섬유 센서를 이용하여 1년 이상 반사파장의 변화를 모니터링하고 얻어진 측정결과에 대해 온도반응계수(β′)와 그라운드 앵커가 설치된 지역의 기상청 지중온도 측정결과를 이용하여 온도보상을 실시한 결과, 온도보상 후 광섬유 센서 내장형 텐던의 긴장력 값은 계절별로 나타난 지중온도 변화와 무관하게 기존 로드셀과 유사한 경향을 나타내며 합리적인 결과를 도출하여 효과적인 온도보상이 가능함을 확인하였다.
- (3) 또한 압축형 앵커의 내하체 주변에 설치된 광섬유 센서로부터 얻어진 반사파장에 대한 모니터링을 실시하고 긴장력으로 환산하여 온도보상에 대한 영향을 검토한 결과, G.L-7.0m 이상의 심도를 갖는 내하체에서는 지중온도 변화가 미미하여 온도보상의 필요성이 없으며 GL-5.0m 깊이의 내하체 주변에서도 지중 온도보상 전후의 긴장력 차이가 크지 않아 압축형 앵커의 경우 긴장력 관리에 광섬유 센서를 적용할 경우 온도보상은 큰 영향이 없는 것으로 나타났다.
- Figure 13(a) TA-1에서 초기 긴장력 도입 시(2010년 9월 17일) 광섬유 센서 내장형 텐던 및 V/W 로드 셀을 이용하여 측정한 그라운드 앵커의 긴장력 값은 각각 215.96kN 및 201.24kN이다. V/W타입의 로드 셀은 실내에서 보정한 초기 읽음값을 기준으로 긴장력을 측정하였고 광섬유 센서 내장형 텐던은 현장에서 앵커를 정착한 시점의 초기 반사파장 읽음값을 기준으로 긴장력을 측정하였다.
- TA-1의 경우와 같이 기상청 지중온도 자료와 온도 반응계수에 의해 지중온도 변화(ΔT)의 영향을 보상한 광섬유 센서 내장형 텐던 긴장력 값은 초기 긴장력 도입 이후 지중온도 변화에 반응하지 않고 로드 셀과 유사하게 일관성 있는 경향을 나타내 본 연구에서 결정한 온도 반응계수와 광섬유 센서 내장형 텐던의 온도보상 방법이 효과적임을 알 수 있다.
- 계절별 장력모니터링을 수행하는 동안 기상청 자료에 의한 대기 온도 변화(ΔT)는 -2.2∼27.7℃ 범위에서 발생하였으며 내하체 1이 위치한 GL-5.1m에서 측정된 지중온도 변화 (ΔT)는 약 1년 6개월 동안 14.2∼18.7℃ 범위로 발생하여 내하체 2의 위치(GL-9.1m)와 달리 지중온도 변화(ΔT)에 대한 영향을 고려하여야 할 것으로 판단되었다.
- 광섬유 센서 내장형 텐던과 기상청 자료의 비교결과 FBG1(GL-3.5m)에서 측정된 지중온도 변화는 0.0∼2.7℃범위로 나타났고 기상청 지중온도계 측정결과(GL-3.0m)는 0.0∼2.5℃ 범위로 나타나 거의 일치하는 결과를 얻어 광섬유 센서 내장형 텐던의 온도보상계수는 타당함을 알 수 있다.
- Figure 14(b)에 CA-2의 긴장력 모니터링 결과를 나타냈다. 광섬유 센서 내장형 텐던을 이용하여 측정된 초기 긴장력(2010년 2월 19일)은 내하체 1(GL-5.1m)과 내하체 2(GL-9.1m)에서 각각 68.21kN 및 72.35kN이며 약 1년 4개월 후인 2011년 6월 27일에 측정된 긴장력 값은 내하체 1과 내하체 2에서 각각 65.47kN 및 60.32kN로 약 9.3%와 16.6%의 긴장력 손실이 나타났다. 계절별 장력모니터링을 수행하는 동안 기상청 자료에 의한 대기 온도 변화(ΔT)는 -2.
- 광섬유 센서 내장형 텐던의 자유장(GL-3.5m)에 위치한 광섬유 센서(FBG1)는 대기온도 변화(-1.2∼4.5℃)에 따라 3.0℃ 정도 범위의 지중온도 변화가 나타났으나 정착장(GL-7.0m이하)에 설치된 광섬유 센서들(FBG2, 3, 4, 5)은 1.0℃이내 범위의 지중온도 변화가 있는 것으로 측정되었다.
- 0m)에는 지중온도 변화가 크게 발생하며 광섬유 센서가 지중온도 변화에 함께 반응하므로 이에 대한 보상을 실시하여 긴장력의 변화만을 측정하여야 함을 알 수 있다. 광섬유 센서를 이용한 앵커의 긴장력 측정 시 지중 온도 보상을 위해서는 동일한 구조를 가진 온도보상용 센서를 추가로 설치하는 것이 가장 바람직하나 본 연구에서 얻어진 결과와 같이 기상청의 지중온도 측정 결과가 있는 지역에서는 제안된 광섬유 센서 내장형 텐던의 온도반응계수를 이용하여 효과적이며 경제적으로 온도보상이 가능할 것으로 판단된다.
- 최근 Kim 등(2011)은 그라운드 앵커의 단기 현장인발실험 중 광섬유 센서 내장형 텐던에서 측정된 긴장력과 앵커두부에 설치된 로드 셀에서 측정된 긴장력을 비교하였다. 실험결과 FBG 센서를 이용한 그라운드 앵커의 단기 장력 측정에는 온도보상에 대한 특별한 고려 없이도 로드 셀과 같은 정도의 측정값을 얻을 수 있음을 보였다. 이러한 연구들을 통해 광섬유 센서가 로드 셀과 유사한 정확도를 가지면서도 보다 내구성 있는 센서로서 활용이 가능할 것으로 예상되나 장기간 동안의 측정을 위해서는 광섬유 센서에 포함되는 온도효과를 효과적으로 제거하기 위한 연구가 반드시 필요하다.
- 87kN이었다. 약 1년 6개월간의 측정결과 2011년 7월 25일 측정된 긴장력 값은 내하체 1과 내하체 2에서 각각 109.87kN 및 108.73kN로 약 4.2%, 7.0%의 긴장력 손실이 발생하여 인장형 앵커에 비해 약간 작은 긴장력 손실이 발생하는 것으로 나타났다. 또한 그림에 나타낸 바와 같이 계절별 장력모니터링을 수행하는 동안 기상청에서 측정된 대기온도 변화(ΔT)는 –2.
- 온도반응실험 결과 추정된 광섬유 센서 내장형 텐던의 지중온도 변화에 대한 온도반응계수(β′)는 Moerman 등(2005)이 대기 중의 로드 셀 금속표면에 부착한 FBG 센서에 적용한 온도반응계수( β* )보다 약간 큰 값을 나타내는 것으로 나타났다.
- 그러나 그림에 나타난 바와 같이 온도보상 전후의 긴장력 차이가 크지 않은 것으로 나타났다. 이와 같은 결과로부터 광섬유 센서를 이용한 앵커의 긴장력 측정 시 압축형 앵커와 같이 센서가 상대적으로 깊은 심도(GL-5.0m～7.0m 이상)에 위치한 경우에는 지중온도 변화가 크게 발생하지 않거나 발생하더라도 온도보상의 효과가 크지 않으나, 인장형 앵커의 경우와 같이 광섬유 센서가 앵커의 자유장부에 설치되어 상대적으로 지표면에 가까운 경우(GL-2.0m～GL-3.0m)에는 지중온도 변화가 크게 발생하며 광섬유 센서가 지중온도 변화에 함께 반응하므로 이에 대한 보상을 실시하여 긴장력의 변화만을 측정하여야 함을 알 수 있다. 광섬유 센서를 이용한 앵커의 긴장력 측정 시 지중 온도 보상을 위해서는 동일한 구조를 가진 온도보상용 센서를 추가로 설치하는 것이 가장 바람직하나 본 연구에서 얻어진 결과와 같이 기상청의 지중온도 측정 결과가 있는 지역에서는 제안된 광섬유 센서 내장형 텐던의 온도반응계수를 이용하여 효과적이며 경제적으로 온도보상이 가능할 것으로 판단된다.
- 지중온도 측정결과가 동일한 깊이와 동일장소가 아님에도 불구하고 그림에 나타난 바와 같이 거의 일치하는 결과를 나타내 실내 온도보상 실험에서 결정한 텐던 내장 광섬유 센서의 온도반응계수(β′)는 그라운드 앵커의 장기모니터링 시 지중온도 변화 측정에 적용 가능함을 검증하였다.
후속연구
- (4) 광섬유 센서의 온도보상을 위해서는 동일한 구조를 갖는 추가의 센서를 매립하는 것이 가장 효과적일 수 있으나 본 연구에서 제안된 방법은 온도보상을 위한 추가의 광섬유 센서나 특수한 센서의 제작이 필요치 않으므로 매우 실용적이면서도 경제적으로 적용할 수 있는 것으로 나타나 향후 광섬유 센서 내장형 텐던을 이용한 장기적인 그라운드 앵커 장력관리에 효과적으로 적용할 수 있을 것으로 판단된다.
- 그러나 이러한 센서단위의 온도보상 방법은 매우 정교하기는 하지만 제작이 어렵고 하나의 FBG센서만으로는 온도와 하중으로 인한 변형률을 분리할 수 없어 필요한 센서와 계측기의 수가 증가하여 경제적이지 못한 단점을 안고 있다. 본 연구의 대상인 그라운드 앵커는 지중에 설치되는 지반 보강용 구조물로 설치 깊이에 따라 대기온도의 영향이 매우 적은 편이므로 경제적이면 서도 합리적인 온도보상 기법의 개발이 매우 필요하다.
- 실험결과 FBG 센서를 이용한 그라운드 앵커의 단기 장력 측정에는 온도보상에 대한 특별한 고려 없이도 로드 셀과 같은 정도의 측정값을 얻을 수 있음을 보였다. 이러한 연구들을 통해 광섬유 센서가 로드 셀과 유사한 정확도를 가지면서도 보다 내구성 있는 센서로서 활용이 가능할 것으로 예상되나 장기간 동안의 측정을 위해서는 광섬유 센서에 포함되는 온도효과를 효과적으로 제거하기 위한 연구가 반드시 필요하다. James 등(1996)은 서로 다른 굵기를 갖는 광섬유 내에 삽입된 광섬유 격자를 이용하여 광섬유의 온도와 변형률 반응을 분리하였으며 Jung 등 (1999)은 에르븀첨가 광섬유 증폭기(EDFA: Erbium-Doped Fiber Amplifer)를 이용하여 단일 FBG센서로부터 변형률과 온도변화를 동시에 측정하는 기술을 제안하였다.
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