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ISSN : 2093-5145(Print)
ISSN : 2288-0232(Online)
Journal of the Korean Society for Advanced Composite Structures Vol.7 No.3 pp.41-46
DOI : https://doi.org/10.11004/kosacs.2016.7.3.041

Experimental Study on Electro-Magnetic Sensor-Based Tension Force Measurement Model for 1,860MPa and 2,200MPa High-Strength Strand

Weon-Tae Park1, Kyoung-Sik Chun2, Su-Yong Song3
1Professor, Department of Civil & Environmental Engineering, Kongju National University, Chungnam, Korea
2Senior Researcher, R&D Center, POSCO Engineering & Construction, Incheon, Korea
3Manager, Infrastructure Technology Group, Infra Division, POSCO Engineering & Construction, Incheon, Korea
Corresponding author: Chun, Kyoung-Sik Senior Researcher, Infra Research Group, R&D Center, POSCO Engineering & Construction, Incheon, Korea. +82-32-748-3138, +82-32-748-4033, chunkspe@poscoenc.com
August 29, 2016 September 19, 2016 September 21, 2016

Abstract

Measuring the exact cable tension force is important to cable supported bridge under construction and on service. This study was planned to propose EM(electro-magnetic) sensor-based method for measuring the tension force of MS(multi-strand) cable in cable-stayed and extradosed bridge. The tension force in each strand is the same due to MS cable construction using Iso-tensioning system. Therefore, In this prosed method, EM sensor was installed directly at a strand and the measurement model was established for estimating the tension force of strand via EM sensor by experiments. The measurement model was derived from the relation of tension force and magnetic permeability. Also, the magnetic permeability is shown to be different according to the magnetization characteristic of 1860MPa and 2200MPa high-strength strand. The difference is increased as tension force increases. Additional experiment was conducted to verify the measurement model. As a result, the distribution of strand tension calculated upon the EM sensor is similar to those of tension measured by load cell. This proposed approach can be an effective tool for monitoring and measuring the cable force of MS cable.


EM센서를 이용한 1860MPa 및 2200MPa 고강도 강연선 도입장력 측정모델에 관한 실험

박 원태1, 천 경식2, 송 수용3
1공주대학교 건설환경공학부 교수
2포스코건설 R&D센터 책임연구원
3포스코건설 인프라사업본부 과장

초록


    1.서 론

    사장교에서 케이블은 하중을 지지하는 주요 부재로, 시공 중, 그리고 공용상태에서 케이블 장력을 지속적 으로 정확하게 예측 또는 계측하여 관리하는 것은 매 우 중요하다.

    케이블의 장력을 추정 또는 측정하는 기법으로는, 로드셀 및 유압잭을 이용하여 케이블의 장력을 측정 하는 직접법과 케이블의 형상조건과 동적특성을 활용 하여 장력을 추정하는 진동법이 있다. 이중 가장 널리 활용되는 진동법은 케이블 외부에 가속도계를 부착한 뒤, 케이블에서 획득한 가속도 신호로부터 케이블의 고유진동수, 모드형상과 같은 동적특성을 획득하고, 케이블의 형상조건을 활용하여 케이블의 장력을 추정 한다. Noh and Lee(2012)는 케이블 장력을 추정하기 위한 다양한 수학적 모델의 특성방정식을 해석적 방 법(Analytical Method)으로 비교, 분석하였다. 그러나, 다수의 강연선(7-Wire Strand)으로 구성된 MS(Multi-Strand) 케이블은 케이블 보호관(HDPE 덕트관) 내부에 강연 선들이 개별적으로 배치되어 있어 보호관과 일체거동 을 하지 않기 때문에, 보호관 외측에 부착한 가속도계 에 의한 케이블 진동측정시 보호관으로 인한 노이즈 및 측정오차가 발생하여, 결과적으로 진동법에 의한 MS 케이블 장력추정은 한계가 있다.

    이에 최근, 강재의 응력변화로 인하여 유발되는 자 기장 변화를 탐지하는 EM(Electro-Magnetic)센서의 연 구 및 활용이 증가하고 있다(Cho et al, 2011). EM센 서는 철과 같은 강자성체(Ferromagnetic)에 가해지는 외력에 의하여 발생하는 자화이력(Magnetic Loop)의 변화를 통하여 내부 응력을 확인하는 방법으로써, 기 존 진동법과는 달리 케이블의 경계조건, 새그(Sag), 길 이의 영향을 받지 않는다. EM센서를 이용한 케이블 장력계측에 관한 연구동향을 살펴보면, Jeong et al.(2010, 2011)은 사장교의 PWS 사재케이블과 현수 교의 PPWS 주케이블을 대상으로 장력측정 실험을 수 행하였으며, Cho et al.(2011)은 시공 중인 사장교의 MS 사재케이블에 대해 3가지 방법 즉, 리프트-오프 (Lift-Off) 테스트, 가속도계에 의한 진동법 그리고 EM센서법으로 케이블 장력을 계측하여 비교, 분석하 였다(Fig. 1 참조). 이때, EM센서는 케이블 보호관 외 측에 현장제작형으로 코일을 감아 설치하는 형태로써, 케이블을 이루는 강연선의 개수에 따라 케이블의 자 화특성이 달라지는 점을 고려해볼 때, 다른 케이블에 그대로 적용할 수 없다.

    그렇다면, 케이블의 전체가 아닌 케이블을 이루는 강연선을 대상으로, Fig. 2에 나타낸 “EM Sensor (This Study)”와 같이 강연선에 직접 EM센서를 매입 하여 설치하여 강연선에 작용하는 장력을 계측할 수 있다면, 전체 케이블의 장력을 추정할 수 있지 않을 까? 한 개의 강연선으로 케이블의 장력추정이 가능한 이유인 즉슨, MS 케이블은 시공특성상 케이블을 이루 는 여러 개의 강연선을 개별로 긴장하여 가설하므로, 각각의 강연선에 장력이 균등하게 도입되도록, Master 강연선(첫 번째 강연선)에 로드셀을 부착하여 도입된 장력의 변화를 모니터링하며, 그 이후의 강연선은 Master 강연선의 현재장력과 동일하도록 순차적으로 인장작업을 수행한다. 즉, 최종적으로 MS 케이블內 강연선은 모두 동일한 장력을 가지게 된다. 이로써, MS 케이블內 강연선에 도입된 최종장력을 정확히 측 정할 수 있다면, 케이블 전체의 장력추정이 가능하다 는 결론에 도달한다.

    따라서, 본 연구에서는 소형으로 제작한 EM센서를 사용하여 MS 케이블에 사용되는 1,860MPa 및 2,200MPa 고강도 강연선을 대상으로 보정실험 (Calibration)을 통해 EM센서 측정모델을 구축하고, 그 적용성을 확인하고자 한다.

    2.EM 센서

    EM센서의 주 구성요소는 첫 번째 코일(Primary Coil) 과 두 번째 코일(Secondary Coil)이며, 첫 번째 코일은 강연선과 같은 강자성(Ferromagnetic) 재료(Sample)를 자화시켜 자기장을 형성하고, 이 자기장에 의해 유도 된 전압(Vout)을 두 번째 코일을 통해 측정한다(Jeong et al., 2010; IIS, 2010). 측정한 전압으로부터 투자율 (μ, Magnetic Permeability, 透磁率)을 식 (1)을 통해 구한다(Wang et al., 2001). Fig. 3.

    μ σ , T = 1 + A sensor A steel V out σ , T V emp 1
    (1)

    여기서, Asensor 는 EM센서내 두 번째 코일의 단면 적, Asteel은 측정재료의 단면적, σ는 인장응력 또는 장력, T 는 온도를, Vout는 측정재료에 인장응력(σ)이 도입된 상태에서의 EM센서 출력전압을, Vemp는 EM 센서에 측정재료가 없는 상태에서의 출력전압을 의미 한다.

    인장응력이 도입되지 않은 상태(σ=0)에서의 투자 율(μ(0,T))을 기준으로 인장응력이 도입된 상태에서 의 투자율(μ(σ,T))과의 상대적인 차이로 구한 상대투 자율(Relative Magnetic Permeability, Δμ)과 인장응력 또는 강연선 도입장력과의 관계식(이하 측정모델)은 다음 식(2)와 같다.

    F = C 3 Δ μ 3 + C 2 Δ μ 2 + C 1 Δ μ + C 0
    (2)
    Δ μ = μ ˆ σ , T μ ˆ 0 , T μ σ , T μ 0 , T
    (3)
    μ ˆ σ , T = μ σ , T + α T 20 ° C
    (4)

    여기서, 계수 C1, C2, C3, C0는 EM센서 보정실험 (Calibration)을 통해 유도되는 측정재료에 대한 고유 치이며, α는 온도보정계수로써, 강연선에 대해서는 일 반적으로 0.012를 적용한다. 단, 보정실험이 짧은 시 간안에 이루어져 온도변화가 거의 없으므로 상대투자 율(Δμ)은 식(3)에서 보듯이 온도에 대한 보정은 포함 하지 않는다. 식(3)에 식(1)을 대입하여 정리하면, 최 종적인 상대투자율은 식(5)와 같다.

    Δ μ A sensor A steel Δ V out V emp
    (5)

    Fig. 4는 3.1에 제시한 고강도 강연선의 장력에 관 한 EM센서 측정모델을 수립하기 위해 사용한 EM센 서 및 계측기로써, EM센서를 Intelligent Instrument System사의 계측기(PowerStress)에 유선으로 연결하여 사용한다. 강연선의 외경 Φ15.7를 고려하여 제작한 EM센서는 외경 Φ30, 내경 Φ17, 길이 110mm로 Asensor 는 283mm2이고, Vemp는 79V이다.

    3.보정실험

    3.1.고강도 강연선

    본 연구의 실험대상은 사장교 및 E/D교의 MS(Multi-Strand) 타입의 사재케이블에 적용하는 인장 강도 1,860MPa 및 2,200MPa 고강도 강연선(7-Wire Strand)으로써, 포스코/고려제강에서 생산한 제품이며 그 제원은 Table 1에 나타내었다.

    Table에서 보듯이, 동일한 외경과 단면적이지만 인 장강도에서 약 20%의 차이를 나타내고 있으며, 이는 선재(Wire Rod)의 탄소, 규소 등의 주요성분 함량과 제조공정(신선, 도금, 연선 및 고주파열처리)에 따른 다. 참고적으로, 2,200MPa은 사장교 사재케이블 최고 인장강도로써, 광양 태인2교(ExtraDosed)에 최초로 적 용되었다(Kim et al., 2015; Ko et al. 2014).

    3.2.실험구성/방법

    강연선에 대한 EM센서 측정모델 수립을 위한 보정실 험은 Fig. 5 또는 Fig. 7과 같이 지지프레임 양단에 설치된 앵커헤드 사이에 강연선 및 EM센서를 삽입하 고, 강연선의 한쪽은 왯지(Wedge)로 고정, 반대편은 유압잭으로 강연선에 장력을 도입하였다. 이때, 유압 잭에 의한 강연선 도입장력은 유압잭 앞에 설치한 전 기저항식 로드셀(LoadCell)로 측정하며 수동으로 제어 하였다.

    도입장력은 5tonf 단위로 20tonf까지 순차적으로 제 어하였으며, 각 도입장력별로 EM센서를 각각 3회씩 측정하였다. 이때, 유압펌프는 압력유지장치를 통해 유 압손실에 의한 도입장력 감소(변동)폭을 최소화하였으 며, 아울러, 실험도중 고정단에서의 왯지슬립이 발생하 지 않도록(그로 인해 도입장력 손실이 발생하지 않도 록), 실험전 유압잭으로 인장강도의 60%까지 긴장하여 완전왯징이 이루어지도록 함으로써, 장력손실 영향인 자를 사전에 제거하였다. 또한, 유압잭/유압펌프의 도 입장력을 측정하는 로드셀과 Indicator를 공인시험기관 에 의뢰하여 교정받음으로써 실험 정확도를 높혔다.

    3.3.실험결과

    강연선의 도입장력 증가에 따른 EM센서 측정값(출력 전압, Vout) 변화를 Table 23에 나타내었다. 3회씩 측정한 EM센서 출력전압은 0.3%이하 수준의 편차를 보이며 장력별로 일관된 값을 나타내었으며, 2개의 EM센서간 출력전압이 실제 도입장력이 0.1~0.2tonf 차이가 있음을 감안하더라도 매우 유사함으로 센서 자체의 제작오차 및 그로 인한 영향은 미비함을 알 수 있다. 결과적으로, EM센서 자체의 노이즈 및 측정 오차는 신뢰할 수 있는 수준으로 매우 낮다고 할 수 있다.

    Table 2는 1,860MPa 강연선에 대해, Table 3은 2,200MPa 강연선에 대한 EM센서 출력전압을 나타낸 것으로, 강연선의 외형적 제원(직경, 단면적)이 동일하 더라도(Table 1 참조) 1,860MPa 강연선과 2,200MPa 강연선의 EM센서 출력전압이 상이하였으며, 도입장력 이 클수록 그 상대적인 차이 또한 증가하였다(Fig 8. 참조). 이는 강연선의 재료적 특성(성분, 재질)에 따라 전자기적 특성이 달라지는 것으로써, EM센서 측정값 은 측정재료의 특성을 반영한 고유치로 볼 수 있다.

    Table 23의 각 장력별 출력전압 평균값(Vout)을 도입장력 0에 대한 출력전압 평균값을 기준으로, 식 (5)를 통해 상대투자율(Δμ)을 산정하고, x축을 상대 투자율, y축을 도입장력으로 Fig. 9에 그래프로 나타 내었다. 1,860MPa 및 2,200MPa 강연선에 대한 EM 센서 측정모델은 3차식 회귀분석, 또는 엑셀의 추세선 기능을 통해 그래프로부터 도출하며 식(6), (7)과 같 다. 식에 나타난 각 계수를 EM센서 계측기 (PowerStress)에 입력함으로써, EM센서로부터 강연선 의 출력전압을 계측함과 동시에 하중으로 변환한 값 을 육안으로 즉시 확인할 수 있다. 물론, x에 EM센 서에 의한 상대투자율(Δμ)을 대입하면 강연선에 작 용하는 실제장력을 산정할 수 있다.

    For 1,860MPa Strand

    y=0.3073x3-1.4051x2+8.4628x+0.0222
    (6)

    For 2,200MPa Strand

    y=0.5133x3-2.2234x2+11.189x+0.0019
    (7)

    그렇다면, 도출한 측정모델(식(6), (7))에 기반한 측 정장력은 실제장력과 어느 정도의 오차율을 가질까? 이를 확인하고자 측정모델(식(6), (7))을 토대로 1860MPa 및 2200MPa 강연선의 도입장력을 EM센서 로 계측하고, 로드셀로부터 확인된 실제장력과 비교하 여 Fig. 10, Table 4에 나타내었다. EM센서에 의한 계 측장력은 로드셀을 기준으로 1% 이내의 차이를 보이 며 높은 측정 정확도를 나타내었다. 단, 보정실험 및 이를 통해 수립한 측정모델의 검증을 위한 샘플실험 은 모두 Lab.에서 이루어졌기 때문에 현장검증이 필 요하다.

    향후, 실제 사장교의 사재케이블 가설시 EM센서를 강연선에 매입하여 온도 변화 등의 환경적 요인을 고 려한 측정모델을 재차 검증하고, MS케이블의 장력추 정을 위한 매입형 EM센서의 적용가능성을 확인코자 한다.

    4.결 론

    본 연구에서는 사장교 및 ED교의 MS(Multi-Strand) 사재케이블의 장력측정 및 모니터링을 위해 강연선에 직접 EM센서의 적용을 제안하고, 그 적용성을 확인하 고자 1,860MPa 및 2,200MPa 강연선을 대상으로, 전기 저항식 로드셀과 EM센서간 측정값을 비교, 분석하였 다. 아울러, 실험결과를 토대로 EM센서에 의한 강연 선의 도입장력 측정모델을 수립하였다.

    그 결과, 일반 고강도 강연선(1,860MPa)과 초고강도 강연선(2,200MPa)의 EM센서 출력전압의 차이는 분명 했다. 즉, 동일 장력에서 출력전압은 일반 고강도 강 연선보다 초고강도 강연선이 더 작게 발생했으며, 그 차이는 도입장력이 커질수록 선형적으로 증가하였다. 수립된 측정모델에 기반한 EM센서를 통한 강연선의 도입장력 계측결과를 로드셀과 비교하여 검증하였다.

    본 연구결과를 토대로, EM센서를 이용한 MS케이 블 장력측정 시스템을 발전시킨다면 시공중인 사장교, ED교의 사재케이블 장력의 건전성과 안전도 평가가 가능하고, 이로써 보다 정교한 시공관리가 가능하리라 판단한다. 또한, 시공중 매입한 EM센서를 그대로 유 지관리 주체로 이관한다면 공용중에도 케이블의 장력 모니터링를 통한 장력 손실과 장기변화를 계측할 수 있으리라 기대한다.

    Figure

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    Accelerometer and EM Sensor (Cho et al., 2011)

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    Conceptual Diagram

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    Picture of EM Sensors (IIS, 2010)

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    EM Sensor and Measuring Instrument

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    Experimental Concept for Measuring the Tension Force and EM Sensor of Strand

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    Installation of EM Sensor, Anchor Head and LoadCell

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    Whole View of Experiment

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    Tension Force and EM Sensor Voltage

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    Relative Magnetic Permeability and Tension Force

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    10 Strand’s Tension Force Measured by EM Sensor and LoadCell

    Table

    Specification of High-Strength Strand

    1,860MPa High-Strength Strand (T=31°C)

    2,200MPa High-Strength Strand (T=31°C)

    Tension Force by EM Sensor and LoadCell

    Reference

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