KR20070018211A - 토목 구조물 및 지중 변위 측정장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 도로, 터널, 교량, 댐, 연약지반, 매립지 등의 토목 현장에서 경사센서나 길이센서를 이용하여 토목 구조물의 기울기, 지중 경사(地中 傾斜) 및 지반 침하(地盤 沈下) 등의 변위량을 측정하여, 토목 구조물 및 지반 거동 상태를 감시할 수 있는 다수의 측정센서를 이용한 토목 구조물 및 지중 변위 측정장치에 관한 것이다.

본 발명은 각각 측정센서를 내장하고 피측정물의 기울기 변위를 검출한 후 검출된 기울기 신호를 디지털 신호로 변환(A/D)하여 측정 시스템 본체로 시리얼 통신 방식으로 전송하기 위한 다수의 단위 변위 측정기와, 인접한 단위 변위 측정기를 상호 절곡 가능하게 연결하기 위한 다수의 연결 관절부와, 상기 측정센서가 병렬로 접속되며 다수의 단위 변위 측정기와 다수의 연결 관절부의 내부를 통하여 측정 시스템 본체에 연결되어 있는 측정 케이블로 구성되는 것을 특징으로 한다.

토목 계측기, 경사 센서, 경사계관, 자동 측정 장치, 지중 수평 변위

Description

토목 구조물 및 지중 변위 측정장치{Apparatus for Measuring Displacement of Engineering Structure and Underground Displacement}

도 1은 종래의 지중 수평 변위 측정장치의 지중 매설 설치도,

도 2는 종래의 터널 내공 변위 측정장치의 설치 단면도,

도 3은 본 발명에 따른 다수의 측정센서를 이용한 토목 구조물 및 지중 변위 측정장치를 보여주는 단면도,

도 4는 본 발명에 따른 다수의 단위 변위 측정기를 상호 연결하기 위한 연결 관절부의 단면도,

도 5는 본 발명에 따른 변위 측정장치를 지중 수평 변위 측정장치로 이용하여 지중에 매설된 상태를 보여주는 설치 단면도,

도 6은 본 발명에 따른 변위 측정장치를 터널 내공 변위 측정장치로 이용하여 터널 천정에 설치된 상태를 보여주는 설치 단면도이다.

( 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명)

10 ; 지중 10a; 측벽

16 ; 수평 변위 20 ; 터널 내벽

30 ; 측정 케이블 31a,31b ; 측정센서

32a,32b ; 원통형 케이싱 33a,33b ; 연결 관절부

34a,34b ; 신호 변환부 41 ; 지지축

41a,43a ; 관통구멍 41b ; 반구형 확장부

42 ; 구동부 42a ; 내주부

43 ; 축고정부 44,45 ; 고정나사

50 ; 변위 측정장치 50a-50d ; 단위 변위 측정기

55a-55e ; 앵커 60 ; 측정 시스템 본체

본 발명은 토목 구조물 및 지중 변위 측정장치에 관한 것으로, 특히 도로, 터널, 교량, 댐, 연약지반, 매립지 등의 토목 현장에서 경사센서나 길이센서를 이용하여 토목 구조물의 기울기, 지중 경사(地中 傾斜) 및 지반 침하(地盤 沈下) 등의 변위량을 측정하여, 토목 구조물 및 지반 거동 상태를 감시할 수 있는 다수의 측정센서를 이용한 토목 구조물 및 지중 변위 측정장치에 관한 것이다.

도로, 터널, 교량, 댐 등의 토목 구조물의 변위나, 경사면 절개지, 지하철 공사 현장, 고층건물 신축용 지하 기초 공사 시에 측벽 등의 지중 수평 변위 또는 간척 매립지, 연약지반 등의 지반 침하 변위는 구조물의 설계기준 또는 공사현장의 적용 공법에 따라 구조물 또는 측벽의 변위량을 검출하여 거동을 감시할 필요가 있다.

일반적으로 경사센서를 이용한 토목 계측용 측정장치는 다수 있지만, 토목 공사 현장의 적용 용도에 따라 측정기의 외관 구조가 다르고, 일정한 길이의 경사센서를 볼트로 연결 조립하여, 경사계관 속에 넣어 지중(地中)에 매설하거나, 토목 구조물에 부착하는 구조로 되어 있다. 토목분야에서는 경사센서의 기울기 변위량을 길이단위(mm)로 변환하여, 구조물의 기운 정도(Tilt), 혹은 지반의 침하량(Settlement)을 알아내어, 토목 현장의 안정도 판정 데이터로 활용하고 있다.

토목 현장에서 종래의 대표적인 토목 구조물의 변위 측정장치에 대한 설치예를 설명하면 다음과 같다.

도 1은 종래의 지중 수평 변위 측정장치(Inclinometer System)를 지중에 매설한 설치 단면도를 도시하고 있다.

도 1에 도시된 바와 같이, 종래에는 지중의 기울기를 측정하기 위하여 단일의 경사계관(11)을 먼저 땅(10) 속에 매설하고, 경사계관(11) 속으로 다수의 경사센서(12a,12b)에 부착된 다수의 센서롤러(13a,13b)를 이용하여 경사계관(11) 속으로 밀어 넣으면서, 다수의 경사센서(12a,12b)를 다수의 센서 연결 볼트(14a,14b)로 연결하여 다수의 경사센서(12a,12b)를 설치하였다. 상기 경사계관(11)은 3m 정도의 단위 파이프를 상호 연결한 것으로 실질적으로는 단일의 관을 이룬다.

이에 따라 종래의 지중 수평 변위 측정장치는 각각의 경사 센서(12a,12b)에 의해 지중 수평 변위(16)를 감지한 후, 센서 외부에 노출되어 있는 다수의 측정 케이블(15a,15b)을 통하여 측정 데이터를 수집하여 지중 수평 변위를 판단한다.

또한, 상기 도 1의 경사계관(11)을 지중(10)에 수평방향으로 설치하면 지반의 가라앉는 정도를 측정하는 지반 침하량 측정 시스템이 된다.

그러나 상기한 종래의 지중 수평 변위 측정장치 또는 지반 침하량 측정 시스템은 구조가 복잡하고, 설치하기가 매우 어렵다. 즉, 지중(10)의 경사와 침하를 측정하기 위해서는 단일의 경사계관(11)을 사용하여야 하고, 경사계관이 기우는 정도를 경사계관 안쪽의 홈에 닿은 센서롤러(13)를 통하여 전달된 경사계관의 변위를 센서(12)가 감지하는 간접 계측 방법이므로 실변화와는 상당히 큰 오차가 있다.

예를들어, 댐과 같은 구조물은 약 70~100m 길이, 매립지 등의 지반 침하 감시의 경우는 이 보다 더 긴 길이의 측정범위를 요하므로 단일의 경사계관(11)을 매설하고 그 내부에 다수의 센서 연결 볼트(14a,14b)에 의해 상호 연결된 다수의 경사센서(12a,12b)를 다수의 센서롤러(13a,13b)를 이용하여 경사계관(11) 속으로 밀어 넣는 설치작업은 많은 시간이 소요된다.

또한, 다수의 경사센서(12a,12b)들이 경사계관(11) 내부에 내장되어 있으므로 구조물의 일부분에서 국지적으로 발생된 미세한 수평방향 변위를 각각의 센서마다 독립적으로 감지하기 어렵고, 구조물에 어느 정도 큰 변위가 발생되어 경사계관(11)이 기울게 되면 경사계관 안쪽의 홈에 닿은 센서롤러(13)를 통하여 경사센서(12a,12b)에 전달된 경사계관의 변위를 비로소 감지할 수 있게 되므로 구조물의 실변화에 민감하게 반응하지 못하는 문제가 있다. 즉, 봄철 해동기 또는 폭설, 폭우나 장마로 인하여 구조물이나 토목공사 현장의 측벽 및 측벽 상부에 설치된 건축물의 안전에 영향을 미치는 미세한 거동변화가 발생하는 것을 초기에 빠르게 포착하지 못하여 적절한 대처시기를 놓치게 된다.

또한, 종래의 지중 수평 변위 측정장치는 다수의 경사센서(12a,12b) 마다 연 결된 다수의 측정 케이블(15a,15b)이 다수의 경사센서(12a,12b) 외부로 노출된 구조이므로, 경사계관(11)과 센서롤러(13) 사이에 끼어서, 설치 가능한 센서 숫자에 제한이 있고 설치되는 센서가 늘어남에 따라 설치가 매우 어려워진다.

한편, 도 2는 종래의 터널 내공 변위 측정 시스템(Basset Conversion System)을 보여주는 설치 단면도이다.

도 2에 도시한 바와 같이 종래의 터널 내공 변위 측정 시스템은 터널 내벽(20)에 고정장치(21)를 앵커볼트를 사용하여 고정시키고, 두 개의 경사센서(22a,23a)를 부착시킨 짧은 암(25)과 긴 암(24)을 고정장치(21)에 고정핀으로 연결시켜 설치하고, 또 다른 다수의 한쌍의 경사센서(22b,23b;22c,23c)를 같은 방법으로 체인 형태로 터널 내벽(20)에 설치한다.

이와 같이 설치된 각각의 센서의 변화를 다수의 경사센서(22a-22c,23a-23c)마다 연결된 다수의 측정 케이블(26a-26f)을 통하여 자동 계측기로 수집한 후, 이를 신호처리하여 계측하게 되며, 이 변위량은 센서의 길이가 일정하므로 기울어진 길이 단위(mm)로 환산하여 기울어진 정도를 알 수 가 있다. 또한 계속적인 계측으로 변화되는 터널 구조의 변위된 단면을 그릴 수 가 있다.

그러나, 상기한 종래의 터널 내공 변위 측정 시스템은 터널 내공 변위를 측정할 때 각각의 센서를 고정장치(21)로 조합해야 하고, 각각의 센서(22a-22c,23a-23c)에서 나오는 다수의 측정 케이블(26a-26f)을 자동 계측기까지 연결하는 방식으로 되어 있어서, 설치가 용이하지 않고 설치 비용이 높은 단점을 내포하고 있다.

또한, 이 측정 시스템은 다수의 측정 케이블을 포함하여 시스템을 구성하는 구성소자들이 터널 내벽의 외부에 노출되는 구조로 설치되어야 하기 때문에 터널의 미관을 해치고, 터널 내벽의 주기적인 청소 등에 장애요소로서 작용하는 문제가 있다. 따라서, 이 측정 시스템은 터널 내벽에 대한 쇼크리트 타설 등의 공사 시공 전에는 사용이 어렵고 터널 공사가 완료된 이후에 사용하는 영구 계측에만 이용 가능하였다.

더욱이, 이 측정 시스템은 노출된 상태에서만 변위 측정이 가능하고 터널 내벽에 매입하는 공법으로 설치하는 것이 불가능하여 상기 문제점에 대한 다른 해결방안을 제시하지 못하고 있다.

한편, 한국 공개특허번호 2000-60556호에는 상기한 터널 내공 변위 측정 시스템의 꺽임 관절의 유격으로 인한 측정오차 발생 문제를 해결하고자 꺽임 관절이 없는 하나의 긴 암만을 사용하여 각도 변화와 길이 변화를 검출하는 2차원 터널 내공측정 센서기구장치가 제안되어 있다.

상기 공개특허번호 2000-60556호의 터널 내공 측정장치는 실린더가 흔들릴 경우 각 센서에 영향을 미쳐서 계측오차가 많이 발생하고, 내부 측정센서를 따로 분리하여 검교정을 할 수 없어 계속 오차를 교정할 수 없는 문제가 있다.

이 공개특허번호 2000-60556호 또한 다수의 측정 케이블을 포함하여 시스템을 구성하는 구성소자들이 터널 내벽의 외부에 노출되는 구조로 설치되어야 하기 때문에 터널의 미관을 해치고, 터널 내벽에 대한 쇼크리트 타설 등의 공사 시공 전에는 사용이 어려운 문제점이 있고 터널 공사가 완료된 이후에 사용하는 영구 계측에만 이용 가능하였다.

또한, 실용신안등록 제28387호에는 본 발명자에 의해 공개특허번호 2000-60556호에서 내부 측정센서를 따로 분리하여 검교정을 할 수 없어 계속 오차를 교정할 수 없는 문제를 고려하여 센서를 착탈식으로 결합/분리가 가능한 구조의 변위량 자동측정 장치를 제안한바 있다.

그러나 이러한 변위량 자동측정 장치도 상기와 유사하게 각 센서와 연결된 측정 케이블과 구성요소들이 외부로 노출되어 있어 터널 공사가 완료된 이후에 사용하는 영구 계측에만 이용 가능하고, 터널 내벽에 대한 쇼크리트 타설 등의 공사 시공 전에는 사용이 어려운 문제점이 있었다.

본 발명은 상기한 바와 같은 종래의 측정 장치의 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로, 그 목적은 각각 측정센서를 포함하는 다수의 단위 변위 측정기를 절곡이 가능한 연결 관절부를 이용하여 상호 연결함과 동시에 각 센서를 단일의 측정 케이블에 병렬 연결하거나, 각 측정센서에 연결된 다수의 측정 케이블을 연결 관절부와 케이싱 안에 내장함으로써 측정 케이블이 외부로 노출되지 않고 각각의 단위 변위 측정기마다 절곡이 가능한 토목 구조물 및 지중 변위 측정장치를 제공하는 데 있다.

본 발명의 다른 목적은 측정 케이블이 외부로 노출되지 않고 각각의 단위 변위 측정기마다 절곡이 가능하여 측정센서의 각종 토목 구조물, 지하토목 공사현장의 측벽, 지반 침하지역 등의 어떤 설치 장소나, 측정센서의 노출/매설 여부 등에 구애되지 않고 간편하게 설치할 수 있는 토목 구조물 및 지중 변위 측정장치를 제 공하는 데 있다.

본 발명의 또 다른 목적은 각각의 단위 변위 측정기마다 절곡이 가능하여 다수의 측정센서가 피측정물과 같이 거동하며, 각각의 단위 변위 측정기마다 피측정물의 국부적인 미세한 변위를 직접 감지방식으로 계측함으로써 계측 오차를 줄이고 측정의 신뢰성을 높일 수 있는 토목 구조물 및 지중 변위 측정장치를 제공하는 데 있다.

본 발명의 다른 각각의 단위 변위 측정기마다 국부적인 미세한 변위를 직접 감지방식으로 계측함으로써 피측정물의 미세한 변위를 초기단계에서 빠른 시간내에 포착하여 능동적인 대처가 가능한 토목 구조물 및 지중 변위 측정장치를 제공하는 데 있다.

본 발명의 또 다른 목적은 종래와 같은 경사계관, 센서 롤러, 센서 연결용 고정 장치 등이 필요 없고, 구조가 매우 간단하며 모듈 형태의 다수의 단위 변위 측정기를 조합하여 시공함에 따라 설치 및 보수 유지가 간편한 토목 구조물 및 지중 변위 측정장치를 제공하는 데 있다.

본 발명의 다른 목적은 토목 구조물의 기울기 변위, 터널의 내공 변위, 지하토목 공사현장의 측벽의 지중 수평 변위, 지반 침하지역의 지반 침하 변위 등 어떤 피측정물의 변위도 측정 가능한 토목 구조물 및 지중 변위 측정장치를 제공하는 데 있다.

상기한 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 제1특징에 따르면, 본 발명은 토 목 구조물 기울기, 지중 경사 및 지반 침하 등의 변위량을 측정하여, 피측정물의 안전 상태를 감시하는 토목 구조물 및 지중 변위 측정장치에 있어서, 상기 피측정물의 기울기 변위를 검출하기 위한 다수의 측정센서와, 상기 측정센서에 의해 검출된 기울기 신호를 디지털 신호로 변환(A/D)하여 측정 시스템 본체로 시리얼 통신 방식으로 전송하기 위한 다수의 신호 변환부와, 각각 일정한 길이로 이루어지고 상기 측정센서와 신호 변환부가 내장되는 다수의 원통형 케이싱과, 상기 케이싱을 절곡 가능하게 상호 연결하는 다수의 연결 관절부와, 상기 다수의 원통형 케이싱과 연결 관절부 내부를 통하여 측정 시스템 본체에 연결되고 상기 다수의 측정센서가 신호 변환부를 통하여 병렬 연결되는 측정 케이블로 구성되는 것을 특징으로 하는 토목 구조물 및 지중 변위 측정장치를 제공한다.

본 발명의 제2특징에 따르면, 본 발명은 토목 구조물 기울기, 지중 경사 및 지반 침하 등의 변위량을 측정하여, 피측정물의 안전 상태를 감시하는 토목 구조물 및 지중 변위 측정장치에 있어서, 상기 피측정물의 기울기 변위를 검출하기 위한 다수의 측정센서와, 각각 일정한 길이로 이루어지고 상기 측정센서가 내장되는 다수의 원통형 케이싱과, 상기 케이싱을 절곡 가능하게 상호 연결하는 다수의 연결 관절부와, 상기 다수의 측정센서에 각각 연결되며 상기 다수의 원통형 케이싱과 연결 관절부 내부를 통하여 측정 시스템 본체에 연결되는 다수의 측정 케이블로 구성되는 것을 특징으로 하는 토목 구조물 및 지중 변위 측정장치를 제공한다.

본 발명의 제3특징에 따르면, 본 발명은 각각 측정센서를 내장하고 피측정물의 기울기 변위를 검출한 후 검출된 기울기 신호를 디지털 신호로 변환(A/D)하여 측정 시스템 본체로 시리얼 통신 방식으로 전송하기 위한 다수의 단위 변위 측정기와, 인접한 단위 변위 측정기를 상호 절곡 가능하게 연결하기 위한 다수의 연결 관절부와, 상기 측정센서가 병렬로 접속되며 다수의 단위 변위 측정기와 다수의 연결 관절부의 내부를 통하여 측정 시스템 본체에 연결되어 있는 측정 케이블로 구성되는 것을 특징으로 하는 토목 구조물 및 지중 변위 측정장치를 제공한다.

상기 연결 관절부는 하측에 연결되는 원통형 케이싱의 상단에 고정되며, 중앙 내주부에 관통구멍이 뚤려져 있는 축고정부와, 상기 축고정부의 관통구멍에 일단이 나사 결합되고, 중앙부에 하단의 측정 케이블이 통과할 수 있는 관통구멍이 형성되며, 타단이 반구형상으로 확장되어 연장 형성된 지지축과, 일단이 상측에 배치된 원통형 케이싱의 하단에 고정되며, 타단이 반구형 확장부와 축고정부의 선단부 사이에 결합되어 회전 가능하게 지지되는 구동부로 구성될 수 있다.

또한, 상기 측정센서는 경사센서, 길이센서 또는 스트레인게이지가 사용된다.

더욱이, 상기 측정센서는 단일의 경사센서를 채용한 단축센서, 2개의 경사센서를 X 및 Y 방향의 직교방향으로 조합한 이축센서, 3개의 경사센서를 X, Y, Z 방향으로 조합한 삼축센서 중 어느 하나를 사용할 수 있다.

상기 다수의 단위 변위 측정기 각각은 상기 피측정물의 기울기 변위를 검출하기 위한 측정센서와, 상기 측정센서에 의해 검출된 기울기 신호를 디지털 신호로 변환(A/D)하여 측정 시스템 본체로 시리얼 통신 방식으로 전송하기 위한 신호 변환부와, 상기 측정센서와 신호 변환부를 보호하기 위한 원통형 케이싱으로 구성된다.

본 발명에서는 상기 측정장치를 터널의 내공 변위 측정에 이용하는 경우 상기 각 단위 변위 측정기의 일단부를 터널의 내벽에 고정시키거나 또는 터널의 내벽에 매설하여 사용 가능하다.

상기한 바와 같이 본 발명에서는 측정 케이블이 외부로 노출되지 않고 각각의 단위 변위 측정기마다 절곡이 가능하여 측정센서의 각종 토목 구조물, 지하토목 공사현장의 측벽, 지반 침하지역 등의 어떤 설치 장소나, 측정센서의 노출/매설 여부 등에 구애되지 않고 간편하게 설치할 수 있고, 각각의 단위 변위 측정기마다 피측정물의 국부적인 미세한 변위를 직접 감지방식으로 계측함으로써 계측 오차를 줄이고 측정의 신뢰성을 높일 수 있으며, 초기단계에서 빠른 시간내에 포착하여 능동적인 대처가 가능하다.

또한, 본 발명에서는 구조가 매우 간단하며 모듈 형태의 다수의 단위 변위 측정기를 조합하여 시공함에 따라 설치 및 보수 유지가 간편하고 편리하게 이루어질 수 있고, 어떤 피측정물의 변위 측정에도 적용이 가능하다.

(실시예)

이하에 상기한 본 발명을 바람직한 실시예가 도시된 첨부도면을 참고하여 더욱 상세하게 설명한다.

첨부된 도 3은 본 발명에 따른 다수의 측정센서를 이용한 토목 구조물 및 지중 변위 측정장치를 보여주는 단면도, 도 4는 본 발명에 따른 다수의 단위 변위 측정기를 상호 연결하기 위한 연결 관절부의 단면도이다.

도 3을 참고하면, 본 발명에 따른 다수의 측정센서를 이용한 토목 구조물 및 지중 변위 측정장치(50)는 다수의 단위 변위 측정기(50a-50c)와, 인접한 단위 변위 측정기(50a-50c)를 상호 절곡 가능하게 연결하기 위한 다수의 연결 관절부(33a,33b)와, 단위 변위 측정기(50a-50c)에서 검출한 측정신호를 시리얼 통신 방식으로 측정 시스템 본체(60)로 전송하기 위하여 내부의 2개 라인에 병렬로 연결되어 있는 측정 케이블(30)로 구성되어 있다.

상기 다수의 단위 변위 측정기(50a-50c) 각각은 예를들어, 경사센서 또는 길이센서와 같은 피측정물의 기울기 변위를 검출하기 위한 측정센서(S: 31a,31b)와 상기 측정센서(S: 31a,31b)에 의해 검출된 기울기 신호를 디지털 신호로 변환(A/D)하여 측정 시스템 본체(60)로 시리얼 통신 방식으로 전송하기 위한 신호 변환부(C: 34a,34b)를 포함하고 있다.

상기 측정센서(S: 31a,31b)와 신호 변환부(C: 34a,34b) 각각은 일정한 길이로 이루어진 원통형 케이싱(32a,32b) 내부에 함께 고정되어 있고, 각각의 측정센서(31a,31b)는 내장된 신호 변환부(C: 34a,34b)를 통하여 검출한 측정신호를 시리얼 통신 방식으로 측정 시스템 본체(60)로 전송하기 위하여 그 내부에 2개의 라인을 포함하고 있는 측정 케이블(30)에 병렬로 연결되어 있다.

상기 측정센서(31a,31b)는 현장 계측 용도에 따라서, 단일의 경사센서를 채용한 단축센서(X 방향), 2개의 경사센서를 직교방향으로 조합한 이축센서(X 및 Y 방향), 3개의 경사센서를 X, Y, Z 방향으로 조합한 다축센서(X, Y, Z 방향) 등의 다양한 종류의 센서를 선택할 수가 있으며, 이 경우 한층 성능이 향상된 다양한 토목 계측 분석이 가능하다. 또한, 토목 계측 목적에 따라 경사센서나 길이센서 이외 에, 스트레인게이지 등의 센서의 종류를 달리하면 좀 더 계측 효과를 극대화 할 수 있게 된다. 일반적으로 토목 구조물의 변위 측정에는 주로 길이센서가 많이 사용되고, 지반의 침하 변위를 측정하는 경우에는 경사센서가 많이 사용되고 있다.

또한, 상기 다수의 연결 관절부(33a,33b)는 도 4와 같이 하측에 연결되는 원통형 케이싱(32b)의 상단에 다수의 고정나사(44)에 의해 고정되며, 중앙 내주부에 암나사산이 형성된 관통구멍(43a)이 뚤려져 있는 축고정부(43)와, 상기 축고정부의 관통구멍(43a)에 일단이 나사 결합되도록 외주면에 수나사산이 형성되고, 중앙부에 하단의 측정 케이블(30)이 통과할 수 있는 관통구멍(41a)이 형성되며, 타단이 반구형상으로 확장되어 연장 형성된 지지축(41)과, 일단이 상측에 배치된 원통형 케이싱(32a)의 하단에 고정나사(45)에 의해 고정되며, 내주부(42a)가 상기 지지축(41)의 반구형 확장부(41b) 외경보다 다소 더 큰 내경을 갖고 타단이 반구형 확장부(41b)와 축고정부(43)의 선단부 사이에 결합되어 회전 가능하게 지지되는 구동부(42)로 구성되어 있다.

상기한 도 3에 도시된 실시예 구조는 각각의 측정센서(31a,31b)가 신호 변환부(34a,34b)를 통하여 측정 시스템 본체(60)에 연결된 단일의 측정 케이블(30)에 병렬 연결한 것으로, 다수의 단위 변위 측정기(50a-50c)와 측정 시스템 본체(60) 사이의 선 연결이 매우 간단하게 이루어지며, 설치도 쉽게 이루어질 수 있다.

그러나, 본 발명의 변위 측정장치(50)는 도 3에 도시된 바와 같이 각각의 측정센서(31a,31b)로부터 측정된 검출신호를 신호 변환부(C: 34a,34b)를 통하여 시리얼 통신 방식으로 측정 시스템 본체(60)로 전송하는 것 대신에, 다수의 단위 변위 측정기(50a-50c)에 신호 변환부(C: 34a,34b)를 내장하지 않고 각각의 측정센서(31a,31b)에 측정 케이블을 각각 연결하고 다수의 측정 케이블을 연결 관절부(33a,32b)를 통하여 측정 시스템 본체로 모두 연결하는 것도 가능하다.

도 3에 도시된 단일 측정 케이블 연결방식의 변위 측정장치(50)에서는 다수의 측정센서(31a,31b)로부터 측정신호를 측정 시스템 본체(60)로 수집할 때 본 발명자가 제안한 특허 제0291852호의 시리얼통신을 이용한 경사 변위량 자동측정장치 및 그 방법을 이용하며, 이 방법을 이용하면 경사센서수와 측정 거리의 제한 없이 디지털 방식으로 계측할 수 있고, 또한 계측 효율을 더 높일 수 가 있다

상기 특허 제0291852호의 시리얼통신을 이용한 경사 변위량 자동측정장치는 다수의 피측정부위에 설치되어 피측정부 각각의 경사 변위에 대응하는 다수의 경사 변위량을 출력하는 다수의 경사 센서와, 상기 다수의 경사 센서로부터 나온 경사 변위량 신호를 디지탈로 변환하고, 자신의 주소가 호출된 경우 디지탈 변환 데이타를 시리얼 통신 방식으로 전송을 하는 다수의 신호 변환부와, 상기 다수의 신호 변환부로부터 원격지에 설치되어 다수의 신호변환수단에 계측 데이터 전송을 순차 지정하고 변환된 계측 데이타를 시리얼로 전송받아 저장하고 계측 데이터의 송/수신을 제어하는 센서 제어 수단과, 상기 센서 제어 수단에서 계측 데이타를 받아 분석하고 정보화하는 메인 컴퓨터로 구성되어 있다.

상기 경사 변위량 자동측정장치에서 채용한 시리얼 통신 방식은 센서 제어부에서 나오는 두 개의 선으로 간단하게 선로를 구성하며, RS-485통신 방식을 채택하고 있고, 통달 거리도 수 킬로미터에 달한다. RS-485통신 방식은 하나의 라인에 여 러 개의 장치(Device)를 연결해 놓고, 각각의 장치마다 고유의 어드레스(Address)를 부여한 뒤에, 호스트(Host)에서 원하는 장치와 송수신을 할 수 있는 멀티 포인트 모드(Multi_Point Mode)를 지원한다.

따라서, RS-485통신 방식의 시리얼 통신에 의한 경사 변위량 자동 측정은 센서 제어부에서 시리얼 통신 프로토콜 방법으로 각각의 신호 변환부로 경사 센서에 의한 경사 변위량 계측과 A/D 변환 작업을 지시하며, 시리얼 통신선을 항시 감시 대기하고 있는 신호 변환부가 자기 자신 주소를 인지하여 A/D 변환을 하고, 그 변환된 디지탈 데이타를 시리얼 통신 방법으로 센서 제어부로 전달하며, 상기 센서 제어부에 의해 시리얼 통신 방법으로 수집된 데이터를 저장하고, 표시판에 측정 시간과 저장된 상태 등의 정보를 표시하며, 메인 컴퓨터로 수집된 데이터를 전송하면, 전송 받은 메인 컴퓨터에서 데이터를 분석하여 도표하고 정보화한다.

본 발명에 따른 변위 측정장치(50)는 다수의 단위 변위 측정기(50a-50c)에 각각 피측정부 각각의 경사 변위에 대응하는 경사 변위량을 출력하는 측정센서(31a,31b)(예를들어, 경사센서)와 신호 변환부(34a,34b)를 구비하고, 시리얼 통신에 의해 측정된 데이터를 원격지에 설치된 센서 제어 수단과, 메인 컴퓨터로 구성되는 측정 시스템 본체(60)로 전송하게 된다.

이 경우 본 발명에 따른 변위 측정장치(50)는 다수의 단위 변위 측정기(50a-50c)가 다수의 연결 관절부(33a,33b)에 의해 인접한 단위 변위 측정기(50a-50c) 사이에 상호 절곡 가능하게 연결되어 있기 때문에 토목 구조물 뿐 아니라 지중 변위의 측정에도 매우 용이하게 적용될 수 있다.

도 5는 본 발명에 따른 변위 측정장치를 지중 수평 변위 측정장치로 이용하여 토목 공사 현장의 지중에 매설된 상태를 보여주는 설치 단면도이다.

도 5와 같이 본 발명의 변위 측정장치(50)는 신축건물의 지하 기초공사 또는 지하철 공사 현장과 같이 공사 현장의 측벽(10a)이 수평방향으로 기울기 변위가 발생하는 것을 측정하기 위해 측벽(10a) 내측의 지중(10)에 수직으로 설치된다.

본 발명의 지중 수평 변위 측정에서는 종래와 같은 단일의 경사계관을 사용하지 않으므로, 도 5와 같이 땅에 구멍을 뚫고, 토목 현장에 필요한 센서 수만큼의 단위 변위 측정기(50a,50b)를, 연결 관절부(33a,33b)로 연결한 뒤 지중(地中)(10)으로 밀어 넣으면 된다.

따라서, 본 발명에서는 지중(10)에 수평 변위(16)가 일어나면 일정한 길이의 변위 측정기(50a,50b)가 연결 관절부(33a,33b)를 기준으로 한마디씩 기울어지므로, 각각의 마디별로 변위 측정기(50a,50b)에 내장된 측정센서(31a,31b)의 변위가 신호 변환기(34a,34b)에 의해 디지털 신호로 변환된 후, 측정 케이블(30)을 통하여 시리얼 통신에 의해, 순차적으로 측정 시스템 본체(60)에 전달되어 지중(10)의 수평 변위를 감지할 수가 있게 된다.

또한, 지반 침하를 측정 할 때에는 도 5에 도시된 변위 측정장치(50)를 지중에 수평 방향으로 눕혀서 설치한다. 즉, 지반과 나란하게 연결 관절부(33a,33b)에 의해 연결된 변위 측정기(50a,50b)를 필요한 길이만큼 설치하면 지반 침하에 따른 변위를 간단하게 측정할 수가 있다.

상기한 바와 같이 본 발명에서는 각각의 측정센서(31a,31b)와 측정 케이블 (30)을 원통형 케이싱(32a,32b)과 연결 관절부(33a,33b) 내부에 내장시킴에 따라 측정 케이블이 외부로 노출되지 않고 각각의 단위 변위 측정기마다 절곡이 가능하다. 그 결과 본 발명에서는 측정센서가 피측정물과 같이 거동하며, 각각의 단위 변위 측정기마다 피측정물의 국부적인 미세한 변위를 직접 감지방식으로 계측함으로써 계측 오차를 줄이고 미세한 변위가 발생되는 초기시점에 빠른 검출이 가능하며 측정의 신뢰성을 높일 수 있다.

도 6은 본 발명에 따른 변위 측정장치를 터널 내공 변위 측정을 위해 터널 천정에 설치된 상태를 보여주는 설치 단면도이다.

본 발명에 따른 변위 측정장치를 터널 내공 변위 측정에 이용하는 경우는 먼저 도 3과 같이 터널 내벽(20)에 소요되는 길이로 다수의 연결 관절부(33a-33c)에 의해 연결된 다수의 변위 측정기(50a-50d)를 미리 조립한다.

그후, 각각의 변위 측정기(50a-50d)의 일단부를 고정용 앵커(55a-55e)로 터널 내벽(20)에 고정시키면 간단히 설치가 완료된다.

상기와 같이 설치가 완료되면 변위 측정기(50a-50d) 내부로부터 나온 측정 케이블(30)을 측정 시스템 본체(도시되지 않음)와 연결하고, 각각의 센서의 변위를 측정하여, 필요한 토목공학단위(통상 mm단위)로 변환하면 토목 구조물의 단면 변화 추이에 기초하여 구조물의 안정도를 판정할 수가 있다.

또한, 본 발명의 변위 측정장치는 측정 케이블이 장치 내부로 내장된 구조를 가지므로 매설 설치가 가능하다. 따라서, 터널 천정의 처짐이나 터널 첨단 변위를 측정하고자 할 때에는 터널 천정에 나란하게 부착시키거나 터널 벽 내부에 매설하 면, 간단히 필요한 계측 데이터를 얻을 수가 있다.

도 6에 도시된 바와 같이 본 발명의 변위 측정장치는 터널 내공 변위 측정에 이용하는 경우 종래와 같은 센서 연결 고정장치 등이 필요 없고 측정 케이블에 대한 별도의 정리가 필요 없어 시공이 매우 간단하게 이루어질 수 있고, 또한 노출형 및 매설형 어떤 형식으로도 사용이 가능하여, 시공 중 계측 및 영구 계측에 용이하게 이용될 수 있다.

상기 실시예 설명에서는 지중 수평 변위 측정과 터널의 내공 변위량 측정을 예로 들어 설명하였으나, 본 발명은 설치 장소의 제약이 없으므로 도로, 연약지반, 교량, 댐 등과 같은 토목 구조물의 변위량을 측정하기 위한 분야에서 다양하게 적용되는 것이 가능하다.

상기한 바와 같이 본 발명에서는 종래와 같은 경사계관, 경사 센서 측정롤러, 센서 연결 고정 장치 등이 필요 없고, 구조가 매우 간단하며 모듈 형태의 다수의 단위 변위 측정기를 조합하여 시공함에 따라 설치 및 보수 유지가 간편하다.

또한, 측정 케이블을 센서 외부로 노출하지 않고 케이싱 안에 내장함으로써, 측정하고자 하는 지반과 구조물의 기울기 변위 측정을 위하여 센서 설치 장소, 센서 매설 여부 등에 구애되지 않고 간편하게 설치할 수가 있고, 측정 센서가 피측정물과 동일하게 거동하며, 직접 감지하여 계측함으로써 계측 오차를 줄이고 측정의 신뢰성을 높일 수가 있다.

더욱이, 설치 장소, 측정 위치, 센서 매설 여부 등의 제약사항이 없이 설치 가능하므로, 다양한 모양의 토목 구조물의 변형량과 지반 침하량를 계측할 수 있는 효과가 있다.

이상에서는 본 발명을 특정의 바람직한 실시예를 예를 들어 도시하고 설명하였으나, 본 발명은 상기한 실시예에 한정되지 아니하며 본 발명의 정신을 벗어나지 않는 범위내에서 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진자에 의해 다양한 변경과 수정이 가능할 것이다.

Claims (9)

1. 토목 구조물 기울기, 지중 경사 및 지반 침하 등의 변위량을 측정하여, 피측정물의 안전 상태를 감시하는 토목 구조물 및 지중 변위 측정장치에 있어서,

   상기 피측정물의 기울기 변위를 검출하기 위한 다수의 측정센서와,

   상기 측정센서에 의해 검출된 기울기 신호를 디지털 신호로 변환(A/D)하여 측정 시스템 본체로 시리얼 통신 방식으로 전송하기 위한 다수의 신호 변환부와,

   각각 일정한 길이로 이루어지고 상기 측정센서와 신호 변환부가 내장되는 다수의 원통형 케이싱과,

   상기 케이싱을 절곡 가능하게 상호 연결하는 다수의 연결 관절부와,

   상기 다수의 원통형 케이싱과 연결 관절부 내부를 통하여 측정 시스템 본체에 연결되고 상기 다수의 측정센서가 신호 변환부를 통하여 병렬 연결되는 측정 케이블로 구성되는 것을 특징으로 하는 토목 구조물 및 지중 변위 측정장치.
2. 토목 구조물 기울기, 지중 경사 및 지반 침하 등의 변위량을 측정하여, 피측정물의 안전 상태를 감시하는 토목 구조물 및 지중 변위 측정장치에 있어서,

   상기 피측정물의 기울기 변위를 검출하기 위한 다수의 측정센서와,

   각각 일정한 길이로 이루어지고 상기 측정센서가 내장되는 다수의 원통형 케이싱과,

   상기 케이싱을 절곡 가능하게 상호 연결하는 다수의 연결 관절부와,

   상기 다수의 측정센서에 각각 연결되며 상기 다수의 원통형 케이싱과 연결 관절부 내부를 통하여 측정 시스템 본체에 연결되는 다수의 측정 케이블로 구성되는 것을 특징으로 하는 토목 구조물 및 지중 변위 측정장치.
3. 각각 측정센서를 내장하고 피측정물의 기울기 변위를 검출한 후 검출된 기울기 신호를 디지털 신호로 변환(A/D)하여 측정 시스템 본체로 시리얼 통신 방식으로 전송하기 위한 다수의 단위 변위 측정기와,

   인접한 단위 변위 측정기를 상호 절곡 가능하게 연결하기 위한 다수의 연결 관절부와,

   상기 측정센서가 병렬로 접속되며 다수의 단위 변위 측정기와 다수의 연결 관절부의 내부를 통하여 측정 시스템 본체에 연결되어 있는 측정 케이블로 구성되는 것을 특징으로 하는 토목 구조물 및 지중 변위 측정장치.
4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 연결 관절부는

   하측에 연결되는 원통형 케이싱의 상단에 고정되며, 중앙 내주부에 관통구멍이 뚤려져 있는 축고정부와,

   상기 축고정부의 관통구멍에 일단이 나사 결합되고, 중앙부에 하단의 측정 케이블이 통과할 수 있는 관통구멍이 형성되며, 타단이 반구형상으로 확장되어 연장 형성된 지지축과,

   일단이 상측에 배치된 원통형 케이싱의 하단에 고정되며, 타단이 반구형 확 장부와 축고정부의 선단부 사이에 결합되어 회전 가능하게 지지되는 구동부로 구성되는 것을 특징으로 하는 토목 구조물 및 지중 변위 측정장치.
5. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 측정센서는 경사센서, 길이센서 또는 스트레인게이지인 것을 특징으로 하는 토목 구조물 및 지중 변위 측정장치.
6. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 측정센서는 단일의 경사센서를 채용한 단축센서, 2개의 경사센서를 X 및 Y 방향의 직교방향으로 조합한 이축센서, 3개의 경사센서를 X, Y, Z 방향으로 조합한 삼축센서 중 어느 하나인 것을 특징으로 하는 토목 구조물 및 지중 변위 측정장치.
7. 제3항에서, 상기 다수의 단위 변위 측정기 각각은

   상기 피측정물의 기울기 변위를 검출하기 위한 측정센서와,

   상기 측정센서에 의해 검출된 기울기 신호를 디지털 신호로 변환(A/D)하여 측정 시스템 본체로 시리얼 통신 방식으로 전송하기 위한 신호 변환부와,

   상기 측정센서와 신호 변환부를 보호하기 위한 원통형 케이싱으로 구성되는 것을 특징으로 하는 토목 구조물 및 지중 변위 측정장치.
8. 제3항에 있어서, 상기 측정장치를 터널의 내공 변위 측정에 이용하는 경우 상기 각 단위 변위 측정기의 일단부를 터널의 내벽에 고정시키는 것을 특징으로 하는 토목 구조물 및 지중 변위 측정장치.
9. 제3항에 있어서, 상기 측정장치를 터널의 내공 변위 측정에 이용하는 경우 터널의 내벽에 매설되는 것을 특징으로 하는 토목 구조물 및 지중 변위 측정장치.

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