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문제 정의
- 긴장력 계측에 가장 일반적으로 사용되는 중공로드셀과 함께, 정확한 하중의 계측을 위하여 가력판에 고정밀 압축 로드셀을 3개씩 결합한 조합로드셀을 함께 설치하여 실제 긴장 조건에서 중공로드셀의 정밀도를 검증하였다. 또한, 압력식 로드셀을 설치하여 이를 활용한 긴장력의 정확한 측정 가능성을 확인하였다. 중공로드셀, 조합로드셀과 압력식로드셀은 모두 스트레인게이지 기반의 로드셀들로서 NI사의 측정장비를 사용하여 측정하였다.
- 본 연구에서는 이를 위하여 PSC 거더의 시공단계부터 센서를 설치하여 생애주기 긴장력 관리가 가능한 PSC 거더를 제안하기 위한 기초 연구로서, 현재의 기술 수준으로 사용 가능한 센서들을 활용하여 텐던의 긴장력을 측정하는 실험 연구를 수행하였다.
- 본 연구의 평가결과는 교량의 시공단계에서부터 사용 중에도 프리스트레스를 측정·검증할 수 있는 거더 시스템개발을 위한 기본 자료로 활용하고자 한다.
- 이 연구에서는 PSC 거더의 제작 단계에서부터 설치하여 생애주기의 긴장력 검증 및 모니터링에 활용할 수 있는 계측 방법의 도출을 위하여, 여러 종류의 로드셀 및 EM센서의 긴장력 측정 정확성을 비교하는 실험 연구를 수행하였다. 센서가 설치된 소형 거더를 제작하여 긴장력을 도입하였고, 센서들로부터 측정된 결과를 기준 하중과 비교하였다.
- 이 장에서는 프리스트레스트 콘크리트 구조에서 긴장력을 추정하기 위하여 사용되는 기법들에 대한 기술현황을 소개하고자 한다.
제안 방법
- 실험은 2단계로 나누어 수행되었다. 1단계는 각기 특성이 다른 센서들을 동일한 기준으로 교정하는 실험이며, 2단계 본 실험에서는 소형 프리스트레스 거더에 센서들을 설치하여 직접 긴장력을 도입하는 실험을 수행하였다.
- MTS 재료 시험기 교정실험을 통하여 동일한 기준으로 센서들을 일관적이고 정확한 값을 나타내도록 교정하였다. 교정된 센서들을 사용하여 PSC 거더와 동일한 시공조건을 재현하여 프리스트레싱 텐던의 긴장력을 계측하는데 있어서 여러 종류의 로드셀들과 EM센서의 계측 정확성 및 적용성을 평가하였다.
- 4와 같이 재료시험기에 1개의 강연선을 설치하여 하중 재하를 하여 교정하였다. 각각 0, 40, 80, 120, 160kN의 인장력을 도입한 후, EM센서를 MTS 재료시험기의 측정하중을 기준으로 교정하였다.
- 강연선을 1가닥, 4가닥 및 7가닥 사용한 경우에 대하여 긴장력을 도입하면서 센서들에 대한 계측을 실시하였다. 긴장재의 배치는 직선인 경우를 기본으로 중앙부에 편심을 도입한 경우도 고려되었다.
- MTS 재료 시험기 교정실험을 통하여 동일한 기준으로 센서들을 일관적이고 정확한 값을 나타내도록 교정하였다. 교정된 센서들을 사용하여 PSC 거더와 동일한 시공조건을 재현하여 프리스트레싱 텐던의 긴장력을 계측하는데 있어서 여러 종류의 로드셀들과 EM센서의 계측 정확성 및 적용성을 평가하였다.
- 따라서, 실험에 사용 되는 모든 센서들을 동일한 시험기에서 교정하였다. 교정에 사용된 장비는 MTS에서 제조된 피로-재료시험기이며, 시험기에 내장된 로드셀을 기준으로 센서들을 교정하였다.
- 긴장력 계측에 가장 일반적으로 사용되는 중공로드셀과 함께, 정확한 하중의 계측을 위하여 가력판에 고정밀 압축 로드셀을 3개씩 결합한 조합로드셀을 함께 설치하여 실제 긴장 조건에서 중공로드셀의 정밀도를 검증하였다. 또한, 압력식 로드셀을 설치하여 이를 활용한 긴장력의 정확한 측정 가능성을 확인하였다.
- 긴장력 도입과정에서 고정밀 압축 로드셀을 3개 장착한 조합로드셀에서 얻어지는 하중, 중공로드셀 하중, 그리고 압력식로드셀에서 측정된 하중을 비교·분석 하였다.
- 긴장력을 직접 측정하기 위하여 다양한 종류의 로드셀을 활용하였다. 첫 번째는 Fig.
- EM센서의 측정은 강연선을 자화시키면서 그 변화를 측정해야 하며, 실험에 사용된 장비는 실시간으로 하중을 측정하지 못한다. 따라서, 긴장력을 도입하면서 각각의 긴장력 단계에서 가력을 일시적으로 멈추고, EM센서를 이용하여 시편의 투자율을 3회씩 계측하였고 측정된 값은 로드셀 기준값과 비교하였다. Fig.
- 그에 반하여, EM센서는 코일이 주요 부품인 작은 부피의 단순한 구조로써 합리적인 가격으로 제작할 수 있다. 따라서, 비접촉방식으로 응력을 추정할 수 있는 Electro Magnetic(EM) 센서를 설치하여 하중계측을 실험하였다(Kim et al., 2015).
- 앞서 서술한 중공로드셀의 오차 특성때문에 중공로드셀의 측정값을 긴장력 측정의 기준 하중으로 설정하기는 어려운 현실이다. 따라서, 정확한 하중측정을 위하여 Fig. 1(c)와 같이 압축로드셀 3개를 조합하여 편심에 의한 영향을 배제한 조합로드셀을 제작하였고, 이를 하중의 기준(정확한 긴장력 측정값)으로 설정하였다.
- 로드셀의 종류별 특성을 분석하기 위하여 조합로드셀에 작용하는 하중의 편심 특성을 분석하였다. 조합로드셀을 구성하는 3개 로드셀의 표준편차를 3개 로드셀 측정치의 평균으로 나누어서(CoV=σ/m) 편심 크기의 간접적인 척도로 고려하였다.
- 이 연구에서는 PSC 거더의 제작 단계에서부터 설치하여 생애주기의 긴장력 검증 및 모니터링에 활용할 수 있는 계측 방법의 도출을 위하여, 여러 종류의 로드셀 및 EM센서의 긴장력 측정 정확성을 비교하는 실험 연구를 수행하였다. 센서가 설치된 소형 거더를 제작하여 긴장력을 도입하였고, 센서들로부터 측정된 결과를 기준 하중과 비교하였다. 본 연구 결과 도출된 결론을 요약하면 다음과 같다.
- 여러 종류의 계측 센서들을 활용하여 텐던의 긴장력을 측정하기 위하여 소형 거더 시험체를 제작하였다. 소형 거더는 마찰 손실에 의한 긴장력의 영향을 배제하기 위하여 2본의 I형 강재 형강을 결합하여 내부가 비어있는 형태로 만들었다. 양 끝단에는 프리스트레스 도입을 위한 재하판을 설치하였다.
- PSC 거더의 제작단계에서 설치하여 사용할 수 있는 센서들을 대상으로 긴장력 측정실험을 수행하였다. 실험 결과를 분석하여 각 센서들의 긴장력 측정에 대한 적용성과 정확성을 평가하였다. 본 연구의 평가결과는 교량의 시공단계에서부터 사용 중에도 프리스트레스를 측정·검증할 수 있는 거더 시스템개발을 위한 기본 자료로 활용하고자 한다.
- 실험은 2단계로 나누어 수행되었다. 1단계는 각기 특성이 다른 센서들을 동일한 기준으로 교정하는 실험이며, 2단계 본 실험에서는 소형 프리스트레스 거더에 센서들을 설치하여 직접 긴장력을 도입하는 실험을 수행하였다.
- 2(a)에 보인것 같이, 압력식로드셀을 개발하여 적용하였다. 압력식로드셀은 스트로크가 작은 폐쇄식 유압잭에 압력센서를 설치하여 외부 하중에 의하여 발생하는 압력의 변화 측정하여 이를 하중으로 환산하는 원리를 응용하였다. 유압방식을 사용하여 정수압(hydrostatic pressure)을 측정하면 편심에 의한 하중 불균형에 대한 영향을 배재하고 하중을 측정할 수 있을 것으로 예상하였다.
- 압력식로드셀의 크기는 단부에서 설치가 용이하도록, 최대한 납작하게 설계하였다. 설치된 압력센서의 정격출력은 1mV/V이고, 비직진성, 반복성 및 비가역성은 0.
- 여러 종류의 계측 센서들을 활용하여 텐던의 긴장력을 측정하기 위하여 소형 거더 시험체를 제작하였다. 소형 거더는 마찰 손실에 의한 긴장력의 영향을 배제하기 위하여 2본의 I형 강재 형강을 결합하여 내부가 비어있는 형태로 만들었다.
- 압력식로드셀은 스트로크가 작은 폐쇄식 유압잭에 압력센서를 설치하여 외부 하중에 의하여 발생하는 압력의 변화 측정하여 이를 하중으로 환산하는 원리를 응용하였다. 유압방식을 사용하여 정수압(hydrostatic pressure)을 측정하면 편심에 의한 하중 불균형에 대한 영향을 배재하고 하중을 측정할 수 있을 것으로 예상하였다.
- 따라서, 중공로드셀을 사용하여 긴장력을 측정할 경우 편심에 대한 특별한 주의가 필요하며, 측정된 값의 선형성은 보장이 되지만, 측정값의 정확성은 매번 조금씩 변화할 수 있다는 사실에 주의해야 할 것이다. 이 연구에서는 동일한 설정으로 실험하였음에도 불구하고 측정 경향은 매 실험마다 조금씩 변화하였다.
- 조합로드셀을 구성하는 3개 로드셀의 표준편차를 3개 로드셀 측정치의 평균으로 나누어서(CoV=σ/m) 편심 크기의 간접적인 척도로 고려하였다.
- 또한, 압력식 로드셀을 설치하여 이를 활용한 긴장력의 정확한 측정 가능성을 확인하였다. 중공로드셀, 조합로드셀과 압력식로드셀은 모두 스트레인게이지 기반의 로드셀들로서 NI사의 측정장비를 사용하여 측정하였다. 하중 가력과정에서 실시간으로 긴 장력을 측정하여 모니터링하였다.
- 중공로드셀, 조합로드셀과 압력식로드셀은 모두 스트레인게이지 기반의 로드셀들로서 NI사의 측정장비를 사용하여 측정하였다. 하중 가력과정에서 실시간으로 긴 장력을 측정하여 모니터링하였다.
- 한편, EM센서 역시 MTS 재료시험기 실험을 통하여 하중의 계측에 필요한 투자율을 측정하였다. Fig.
- 한편, 편심의 영향을 배제한 하중측정을 위하여 Fig. 2(a)에 보인것 같이, 압력식로드셀을 개발하여 적용하였다. 압력식로드셀은 스트로크가 작은 폐쇄식 유압잭에 압력센서를 설치하여 외부 하중에 의하여 발생하는 압력의 변화 측정하여 이를 하중으로 환산하는 원리를 응용하였다.
대상 데이터
- PSC 거더의 제작단계에서 설치하여 사용할 수 있는 센서들을 대상으로 긴장력 측정실험을 수행하였다. 실험 결과를 분석하여 각 센서들의 긴장력 측정에 대한 적용성과 정확성을 평가하였다.
- 실험에는 하중의 직·간접 측정이 가능한 4종류의 센서들이 사용되었다.
- 실험은 강연선 1개, 4개, 7개인 경우에 대하여 각각 수행되었으며, Fig. 8은 1개의 강연선에 대한 대표적인 하중 실험 결과이며, 인장기의 변위를 기준으로 인장단 또는 고정단 위치의 로드셀의 측정값을 그래프로 나타낸 것이다. 결과에 따르면, 세 종류의 로드셀은 직선 추세선을 산정할 경우 각각 결정계수(R-square) 0.
이론/모형
- 11에 나타내었다. 투자율을 활용한 긴장력 추정 알고리즘으로는 인공신경망을 이용한 방법을 사용하였다. 개발된 알고리즘은 1가닥, 4가닥, 7가닥의 강연선에 대하여 5%이내의 오차율로 긴장력을 정확하게 추정할 수 있음을 확인하였다(Kim et al.
성능/효과
- (1) 긴장력의 도입 과정에서는 충분한 주의를 기울이더라도 어느 정도의 편심하중이 작용하는 것은 피할 수 없었다. 이러한 편심은 로드셀을 이용한 하중 측정의 오차를 유발하였다.
- (2) 중공로드셀은 인장기의 편심에 의하여 측정값의 오차가 영향을 받았다. 편심과 오차의 크기는 특별한 경향을 보이지는 않았으나, 대부분의 경우 측정값이 기준 값보다 크게 나타났다.
- (3) 압력식로드셀은 편심의 크기가 증가할수록 하중이 기준값과 비교하여 상대적으로 작게 측정되는 경향을 나타내었다. 이는 피스톤의 회전 변형으로 피스톤벽과 마찰력이 발생하기 때문으로 추정된다.
- (4) EM센서는 로드셀에 비해서는 정확도가 다소 떨어지지만, PSC 긴장력 측정에 적용할 수 있는 5% 이내의 정확도를 얻을 수 있는 것으로 확인 되었다. EM 센서는 대량 생산될 경우 낮은 비용으로 제작·설치할 수 있으며, 또한 비접촉방법으로 동작하기 때문에 거더의 어느 위치에나 설치가 가능하다.
- 투자율을 활용한 긴장력 추정 알고리즘으로는 인공신경망을 이용한 방법을 사용하였다. 개발된 알고리즘은 1가닥, 4가닥, 7가닥의 강연선에 대하여 5%이내의 오차율로 긴장력을 정확하게 추정할 수 있음을 확인하였다(Kim et al., 2015).
- 8은 1개의 강연선에 대한 대표적인 하중 실험 결과이며, 인장기의 변위를 기준으로 인장단 또는 고정단 위치의 로드셀의 측정값을 그래프로 나타낸 것이다. 결과에 따르면, 세 종류의 로드셀은 직선 추세선을 산정할 경우 각각 결정계수(R-square) 0.997 이상의 높은 선형성을 보였다. 그러나, 그 기울기(정확도)는 기준 하중 측정값(Pref)에 비하여 다른 값을 나타내었다.
- 고정단쪽(dead end) 로드셀들은 긴장력의 도입과 함께 일률적으로 하중이 고르게 작용하였지만, 인장단쪽(live end) 로드셀들의 값은 하중 도입시기와 그 기울기에 있어서 상대적인 차이를 보였다.
- 따라서, 로드셀 교정 실험은 MTS 재료 시험기에서 편심을 최소화한 조건에서 수행하였다. 교정을 마친 로드셀들은 기준하중에 대하여 1% 이내의 정확한 측정값을 보이는 것을 확인하였다.
- 99 이상으로 우수하게 나타났다. 그러나 측정된 하중 값(Pcenter)은 대부분 기준 하중보다 크게 측정되는 경향을 보였으나, 그 비율은 매 긴장력 도입 실험마다 조금씩 변화를 보였다. 기준 하중 대비 중공로드셀 측정값의 비율을 편심 크기와 비교하여 Fig.
- 앞서 로드셀의 특성을 설명하였듯이, PSC 긴장력 측정에 주로 사용되는 중공로드셀은 로드셀의 제원상 계측 오차가 여타 로드셀에 비하여 높으며, 특히 로드셀의 구조적 특성상 편심의 영향을 크게 받는 단점이 있다. 따라서, 로드셀 교정 실험은 MTS 재료 시험기에서 편심을 최소화한 조건에서 수행하였다. 교정을 마친 로드셀들은 기준하중에 대하여 1% 이내의 정확한 측정값을 보이는 것을 확인하였다.
- 압력식로드셀의 크기는 단부에서 설치가 용이하도록, 최대한 납작하게 설계하였다. 설치된 압력센서의 정격출력은 1mV/V이고, 비직진성, 반복성 및 비가역성은 0.3% R.O.로써 중공로드셀보다 정확한 하중측정이 가능할 것으로 평가할 수 있다.
- 15% 이내인 것으로 평가할 수 있으며, 역학적으로 긴장력 측정값을 가장 정확하게 측정할 수 있다고 판단되어 계측 값의 기준 하중(Pref)으로 설정하였다. 실험과정에서 긴장력 도입에 사용되는 유압펌프의 압력과 비교하여서도 일관적인 측정 결과를 보였다.
- 압력식로드셀의 거동 특성을 신장량-하중 그래프를 통하여 확인하여 보면, 역시 선형성은 결정계수(R-square) 0.99 이상으로 우수하게 나타났다. 그러나 압력식로드셀의 측정값 (Ppressure)은 기준 값에 비하여 항상 낮게 측정되는 경향을 보였다.
- 중공로드셀의 거동 특성을 신장량-하중 그래프를 통하여 확인하여 보면, 선형성은 결정계수(R-square) 0.99 이상으로 우수하게 나타났다. 그러나 측정된 하중 값(Pcenter)은 대부분 기준 하중보다 크게 측정되는 경향을 보였으나, 그 비율은 매 긴장력 도입 실험마다 조금씩 변화를 보였다.
- 따라서, 편심 하중이 작용할 경우 유격의 범위 내에서 유압 피스톤이 회전하고, 이에 따라 피스톤과 피스톤 외벽의 마찰력에 의한 마찰손실이 발생하는 것으로 판단된다. 특히, 이 연구에서 실험용으로 제작한 압력식로드셀은 피스톤의 축 방향 길이가 짧기 때문에(높이가 낮음) 더욱 편심에 취약하게 거동하는 것으로 사료되며, 이에 따라 피스톤의 길이가 짧아 회전변형이 발생할 가능성이 있는 압력식로드셀은 긴장력의 측정에 적합하지 않은 것으로 판단된다.
후속연구
- 이러한 교량의 긴장력 및 안전성 확인 방법은 수많은 사람들이 사용하는 중요한 사회간접시설물의 안정성과 신뢰성을 담보하기 위한 방법으로는 부족하다. 따라서, 앞으로는 긴장력 도입시 신장량에 의한 간접관리가 아닌 직접적인 측정을 통한 긴장력 관리가 가능하고, 공용중장기손실이 반영된 긴장력 확인을 통하여 보강시기에 대한 선제적 선택과 적합한 보강 긴장력의 결정이 가능한 거더의 개발이 필요할 것이다.
- 따라서, 중공로드셀을 사용하여 긴장력을 측정할 경우 편심에 대한 특별한 주의가 필요하며, 측정된 값의 선형성은 보장이 되지만, 측정값의 정확성은 매번 조금씩 변화할 수 있다는 사실에 주의해야 할 것이다. 이 연구에서는 동일한 설정으로 실험하였음에도 불구하고 측정 경향은 매 실험마다 조금씩 변화하였다.
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