KR101184382B1 - 지진계측 장치 및 이 장치의 설치방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 본 발명은 수평 또는 사면 조건을 포함하는 자유장 조건의 모든 지표면에서 안정적이고 합리적인 설치 및 운용이 가능하며, 현장의 지진계측 결과를 정확하게 측정할 수 있도록 하는 지진계측 장치 및 이 장치의 설치방법에 관한 것으로 진동 신호를 감지하는 센서; 및 상부면이 수평면으로 형성되고 상기 센서가 상부면에 정착되며, 굴착된 원지반에 안착되어 상부면이 지표면에 위치하거나 상부면의 센서 위치가 지표면과 교차되도록 설치되는 기반; 을 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

지진계측 장치 및 이 장치의 설치방법{EARTHQUAKE MONITORING DEVICE AND ITS CONSTRUCTION METHOD}

본 발명은 지진계측 장치 및 이 장치의 설치방법에 관한 것으로, 수평 또는 사면 조건을 포함하는 자유장 조건의 모든 지표면에서 안정적이고 합리적인 설치 및 운용이 가능하며, 현장의 지진계측 결과를 정확하게 측정할 수 있도록 하는 지진계측 장치 및 이 장치의 설치방법에 관한 것이다.

최근 전세계적으로 대형 지진으로 인한 대규모 피해(earthquake-induced catastrophic hazards)가 빈번하게 속출함에 따라 지진에 대한 사회적 관심이 지대해 지고 있는 가운데, 지진의 조기경보(early warning) 및 신속대응(rapid response)을 위한 목적으로 주요 부지(site)와 시설물(facilities)에 대한 지진계측(earthquake monitoring)이 여러 관점의 적용과 자료 확보를 위해 급속도로 확대되고 있다.

이러한 지진계측은 지진에 따른 대상 위치에서의 속도(velocity)나 가속도(acceleration)를 주요 계측 대상으로 한다. 속도계(seismometer)를 이용한 지진계측의 경우 지진의 정량적 현상 규명을 주목적으로 하는 경우가 대부분이고 지진관측(seismic observation)으로 구분되어 표현되기도 한다. 속도계는 대부분 굉장히 잡음이 적은 위치를 운영 대상으로 고려해야 하므로 깊은 심도의 암반이나 인적이 드문 산속 및 터널에 설치하여 운영한다. 속도계와는 달리 가속도계(accelerometer)는 상대적으로 저가이고 실제 인류가 생활하는 환경 하에서의 지진계측을 목적으로 적용되는데, 이러한 배경으로 최근 주요 시설물들이나 그 주변 부지들에 광범위하게 설치되고 있다.

근래에 개발 적용되고 있는 지진계측 장치(earthquake monitoring instrument)는 크게 지진과 같은 진동 신호(shaking and shocking signals)를 감지하는 센서(sensor)와 이 신호를 기록 저장하는 기록계(recorder 또는 digitizer)로 구분해 볼 수 있으며, 최근에는 유무선 통신기술과 연계하여 자료를 전송하는 장치가 부수적으로 연계되거나 기록계 내에 전송 기능을 포함하여 구성하기도 한다. 외부의 진동 신호를 처음으로 감지하게 되는 센서 안에는 직교 좌표축(rectangular coordinate)과 같은 3 개 성분(3 components)의 진동 측정 장치가 탑재되어 있는데, 이를 각각 종(축)성분(longitudinal component), 횡(축)성분(transverse component) 그리고 연직(축)성분(vertical component)이라고 하며, 대개 센서 설치 시에 이 성분들을 각각 남북 방향, 동서 방향 그리고 중력에 대한 연직 방향으로 맞추게 된다. 센서는 그 외형이 평면도 상에서 원형인 것이 전통적으로 일반적이며, 사각형에 가까운 모양이나 여러 변형된 형태로 제작되기도 한다.

지진계측은 지진경보대응(earthquake alert and response)을 위한 자료 제공은 물론이고 자료 축적 및 데이터베이스 확보를 통해 내진설계(earthquake-resistant design)를 위한 토대원(fundamental resources)으로도 유용하게 이용되므로, 신뢰성 높은 설치 운용이 전제되어야만 그 활용 분야들의 신뢰도 역시 확보될 수 있다. 뿐만 아니라 속도계는 물론이고 가속도계 역시 시설 분야의 다른 계측 장치들과는 달리 매우 고가고 한 번의 설치로 장기간 운용되어야 하므로, 올바른 설치를 통한 합리적 자료 확보를 통해 경제적 효용성을 확보할 수 있다.

그럼에도 불구하고, 수많은 지진계측 위치들(earthquake monitoring locations)에서 그릇된 설치 운영이 진행되고 있으며, 이로 인한 경제적 손실은 물론이고 오류가 내재된 지진계측 자료의 무분별한 사용에 따른 심각성은 매우 지대하다. 잘못 구현되거나 운영되고 있는 지진계측 장치의 경우 일부 관리 환경이 열악한 상황을 제외하고는 대부분 센서에서 나타나게 된다. 기록계의 경우 대개 기후변화와 같은 외부 환경에 직접 노출되기 보다는 안정적 실내 환경 하에 설치 운영되고 이미 기성화된 형태의 제작된 장치를 적용하므로, 그릇된 설치나 운영이 드물다. 반면, 센서의 경우 계측 관심 부지나 시설물에 직접 설치하는 과정에서 여러 형태의 보조적 수단이나 대상 위치의 일부 가공이 필요하게 되는데, 이 상황에서 고도의 전문가 지식이 필요한 상황임에도 불구하고 비전문가들에 의한 센서 설치 과정에서의 치명적 오류들이 빈번하게 발생해 오고 있다. 이러한 심각한 오류들을 배제하고 신뢰성이 확보된 지진계측 자료를 확보 제공하여 효율적 지진경보대응과 내진설계 합리화를 도모하기 위한 지진계측 센서 설치 운영 관련 체계화 기술이 절실히 요구된다. 뿐만 아니라 상당 수의 지진계측 센서들이 자연 환경에 직접 노출되므로 친환경적 조성도 고려되어야 한다.

지진계측 센서는 대개 지표면이나 시설물 내외부의 요소나 부재의 표면과 같이 자연상태의 대기(공기)와 접하는 위치에 기반 조성(base work) 및 수준 조정(level adjustment)을 통해 연직성(verticality)을 확보하고 방위(azimuth)를 고려하여 설치하게 되다. 예외적으로 고가의 비용이 소요되는 시추공(borehole)을 조성한 지진계측의 경우 센서는 대기와 접하는 자유장(free-field)이 존재하지 않으며, 그 설치나 운영은 지진학(seismology)이나 지진공학(earthquake engineering) 전문가들이 계획, 설치 및 운영 과정에서 전반적으로 관여해 오고 있으므로 그릇된 자료를 획득할 정도의 오류가 발생하는 상황은 매우 드물다.

반면, 자유장에 설치되는 센서에 기반한 지진계측은 상대적으로 저비용이면서도 보편적이다. 이런 이유로 그 설치 수량도 최근 전세계적으로 급속도로 많아짐에 따라 지진학이나 지진공학 전문가들이 배제된 체 비전문가들에 의해 단순 설치되는 사례들이 빈번해 지고 있으며, 그에 따른 설치 운영 오류들을 흔히 찾아볼 수 있다.

자유장 지진계측에서 빈번하게 목격되는 심각한 오류 중에 대표적 상황은 실제 고려하고자 하는 계측 대상 위치를 대상으로 계측을 수행하지 않고 상당히 다른 지진 응답(seismic response)을 보이는 다른 위치나 조건(different location or condition)의 계측을 수행하는 것이다.

도 1에 묘사된 대표적 오류 사례들에 대한 모식도와 같이, 지진학이나 지진공학 분야의 주요 활용 자료로서 원지반(original ground) 자유장 조건의 지표면(ground surface)에 대한 지진계측 자료를 원함에도 불구하고, 굴착(excavation)이나 추가적 콘크리트 돋움(additional concrete support)을 통해 전혀 다른 위치 및 조건의 자료를 계측하여 마치 지표면에서의 계측 자료인 것처럼 사용하고 있다. 도 1에서 계측된 자료들을 내진설계(earthquake-resistant design)나 내진성능평가(earthquake-resistant performance evaluation)에 이용하게 되면 심각한 과소 및 과대 설계나 평가가 이어진다. 뿐만 아니라 도 1에 일부 묘사된 바와 같이, 지진계측 센서에 대한 체계적 보호 장치나 기반(methodical protective device or base)이 고려되거나 적용되지 않고 있다. 이는 지진계측 센서의 잦은 고장과 활용 수명 단축은 물론이고 외부적인 요인과의 조합에 의한 계측자료의 오류로도 이어질 수 있다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로, 그 목적은 수평 또는 사면 조건을 포함하는 자유장 조건의 모든 지표면에서 안정적이고 합리적인 설치 및 운용이 가능하며, 현장의 지진계측 결과를 정확하게 측정할 수 있도록 하는 지진계측 장치 및 이 장치의 설치방법을 제공하는 것이다.

본 발명의 일측면에 따르면, 진동 신호를 감지하는 센서; 및 상부면이 수평면으로 형성되고 상기 센서가 상부면에 정착되며, 굴착된 원지반에 안착되어 상부면이 지표면에 위치하거나 상부면의 센서 위치가 지표면과 교차되도록 설치되는 기반; 을 포함하는 것을 특징으로 하는 지진계측 장치를 제공한다.

바람직하게는, 상기 기반의 하부에 상부가 삽입 정착되어 기반의 하부에서 중력방향으로 돌출되는 기초 바; 를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.

바람직하게는, 상기 기초 바의 하부에 결합되는 소켓; 및 상기 소켓에 상부가 결합되어 기초 바의 하부에서 중력방향으로 돌출되는 연장 바; 를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.

바람직하게는, 상기 소켓의 측면에 결합되며 횡방향으로 소켓들을 연결하는 가이드 바; 를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.

바람직하게는, 상기 기반의 상부에 설치되며 내부에 상기 센서를 수용하는 함체; 를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.

바람직하게는, 상기 기반의 두께는 센서 두께의 1 배 내지 2 배이며, 센서의 경계에서 기반 경계까지의 거리가 센서 직경의 1 배 내지 1.5 배인 것을 특징으로 한다.

바람직하게는, 상기 기반은 콘크리트, 철근콘크리트, 흙-시멘트, 목재, 고무, 플라스틱, 암반 중 어느 하나의 재료로 구성되는 것을 특징으로 한다.

바람직하게는, 상기 기반의 바닥면은 거친면으로 조면화시키는 것을 특징으로 한다.

바람직하게는, 상기 기반의 상부면 중앙부에는 앵커를 통한 센서의 정착을 위해 홈 형태의 센서앵커 정착부가 형성되는 것을 특징으로 한다.

바람직하게는, 상기 기초바는 철재 또는 알루미늄 재료로 구성되는 것을 특징으로 한다.

바람직하게는, 상기 기초바의 길이는 기반 두께와 대응되는 것을 특징으로 한다.

바람직하게는, 상기 함체의 상단은 회전식 개폐가 가능한 뚜껑으로 형성되고, 측면에는 케이블 연결을 위한 연성관이 형성되는 것을 특징으로 한다.

한편 본 발명의 다른 측면에 따르면, 원지반을 굴착하는 굴착 단계; 굴착된 지반에 기반을 안착하고 기반의 상부면을 지표면에 위치시키거나 상부면의 센서 위치를 지표면과 교차되도록 설치하는 기반 설치 단계; 굴착된 지반을 되메움하는 되메움 단계; 상기 기반의 상부면 센서 위치에 진동 신호를 감지하는 센서를 정착시키는 센서 설치 단계; 를 포함하는 것을 특징으로 하는 지진계측 장치의 설치방법을 제공한다.

바람직하게는, 상기 기반의 하부에는 중력방향으로 돌출되는 기초 바가 정착되며, 상기 기반 설치 단계에서는 상기 기초 바를 굴착된 지반에 압입식으로 관입하거나 지반에 구멍을 천공해 기초 바를 끼워넣고 충진재료로 충진함으로써 기반을 설치하는 것을 특징으로 한다.

바람직하게는, 상기 기반의 하부에는 중력방향으로 돌출되는 기초 바가 정착되고, 상기 기반 설치 단계에서는 상기 연장 바를 굴착된 지반에 압입식으로 관입하거나 지반에 구멍을 천공해 연장 바를 끼워넣고 충진재료로 충진해 연직으로 위치시키고, 상기 연장 바의 상부에 소켓을 결합하고, 소켓의 측면에 소켓들을 연결하는 가이드 바를 결합해 연결하며, 상기 소켓의 상부에 기초 바의 하부를 결합함으로써 기반을 설치하는 것을 특징으로 한다.

바람직하게는, 상기 센서 설치 단계의 전 또는 후에 상기 기반의 상부에 센서를 수용할 수 있는 함체를 설치하는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따르면, 수평 또는 사면 조건을 포함하는 자유장 조건의 모든 지표면에서 안정적이고 합리적인 설치 및 운용이 가능하며, 현장의 지진계측 결과를 정확하게 측정할 수 있게 되는 효과가 있다.

특히 기존의 지진계측 센서의 설치 운영 오류들을 배제하고 신뢰성이 확보된 지진계측 자료를 확보 제공하여 효율적 지진경보대응과 내진설계 합리화를 도모할 수 있게 되는 효과도 있다.

또한 지진계측 센서들이 자연 환경에 직접 노출되는 특성상 친환경적인 외관을 가질 수 있으며, 경제적인 구성이 가능하고, 특히 이렇게 조성된 현장 환경에서는 지진계측 센서만의 교체를 통해 수십 년 이상의 동일 위치 계측 자료 확보 및 활용이 가능한며 이러한 장기간의 동일 조건에 대한 연속 자료는 지진공학 전문가들에게 매우 유용한 고급 자료로 제공될 수 있다.

도 1은 종래 지진계측 센서 설치 운영의 오류를 설명하기 위한 도면.
도 2는 본 발명에 따른 지진계측 장치에서 얕은 기초 설치를 위한 기반 및 기초 바를 설명하는 도면.
도 3은 본 발명에 따른 지진계측 장치에서 깊은 기초 설치를 위한 기반 및 기초 바를 설명하는 도면.
도 4는 본 발명에 따른 지진계측 장치를 설명하기 위한 투과도.
도 5는 본 발명에 따른 지진계측 장치 및 그 설치방법을 설명하기 위한 도면.
도 6은 본 발명에 따른 지진계측 장치의 사면 설치예를 설명하기 위한 도면.

이하 본 발명에 따른 지진계측 장치 및 이 장치의 설치방법에 대한 실시 예를 첨부한 도면을 참고하여 더 상세히 설명한다.

본 발명에서는 우선 지진계측 대상 위치를 거의 수평한 조건(level ground condition)이나 사면 조건(sloped ground condition)을 포함한 자유장 지표면으로 하며, 개념적으로는 건축물이나 지상 및 지하 구조물 내부 공간에서의 표면도 고려한다. 지진계측 센서의 위치는 여러 현장 조건이 가공되기 전에 기하학적으로(geometrically) 정확히 설정되어야 하며, 센서를 안정적이고 신뢰성 높게 운영하기 위한 목적으로 구현되는 여러 현장 요소들이나 장치들(elements or devices in field)의 적용 이후에도 기하학적 기존 위치에 놓여야 한다.

도면에 도시되는 센서의 위치는 현장의 여러 인위적 적용이 이루어 지기 이전에 이미 원지반 자유장 지표면(free-field surface of original ground)이었던 곳으로서, 여기에서는 이 대상 위치에서의 원만한 지진계측을 위한 여러 복합적 의미의 기술을 제시하고자 한다.

자유장 지진계측 센서의 이상적인 설치는 가공되지 않은 원지반 대상 위치에서의 적용이지만, 여러 자연적인 환경 변화 등에 의해 그 이상적인 조건이 원치 않게 침해를 받게 된다. 그러므로, 현실적인 개념의 지진계측 센서의 올바른 설치 운용을 위해서는 센서와 직접 접촉하게 되는 바로 아래 부분이 센서의 수명보다 훨씬 긴 시간 동안 풍화(weathering), 침식(erosion) 등과 같은 외적 요인에 의한 변화(alteration)나 변형(deformation)이 최소화되어야 하는데, 이런 환경 조성을 통해 동일 위치에서의 안정적이고 지속적인 지진계측 자료의 합리적 운영이 가능하다. 이렇게 조성된 현장 환경에서는 지진계측 센서 만의 교체를 통해 수십 년 이상의 동일 위치 계측 자료 확보 및 활용이 가능한데, 이러한 장기간의 동일 조건에 대한 연속 자료는 지진공학 전문가들에게 매우 유용한 고급 자료로 제공될 수 있다.

이하 도 1 내지 도 4를 참조하여 본 발명에 따른 지진계측 장치 및 이 장치의 설치방법에 대하여 상세히 설명한다.

먼저 본 발명에 따른 지진계측 장치는 진동 신호를 감지하는 센서(10), 상기 센서(10)가 상부에 정착되며 굴착된 원지반에 설치되는 기반(20), 상기 기반(20)의 상부에 설치되며 내부에 상기 센서(10)를 수용하는 함체(30), 상기 기반(20)의 하부에 상부가 삽입 정착되어 기반(20)의 하부에서 중력방향으로 돌출되는 기초 바(40), 상기 기초 바(40)의 하부에 결합되는 소켓(50), 상기 소켓(50)에 상부가 결합되어 기초 바(40)의 하부에서 중력방향으로 돌출되는 연장 바(60) 및 상기 소켓(50)의 측면에 결합되며 횡방향으로 소켓(50)들을 연결하는 가이드 바(70)를 포함하여 구성될 수 있다.

본 발명에 따른 지진계측 장치는 기본적으로 기반(20)과 그 상부에 정착된 센서(10)만으로 구성될 수 있지만, 지반 조건에 따라 해당 기반(20)의 하부에 기초 바(40)가 삽입 정착되는 형태로 구성되거나, 여기에 더하여 소켓(50)을 통해 연장 바(60)와 가이드 바(70)를 추가적으로 연결하는 형태로 구성될 수 있다. 이러한 다양한 실시예에 대하여는 후술하기로 한다.

먼저 상기 기반(20)은 상부면이 수평면으로 형성되고 상기 센서가 상부면에 정착되며, 굴착된 원지반에 매장되어 상부면이 지표면에 위치하게 설치되거나(수평하거나 완만한 경사의 현장 지반 조건) 상부면의 센서 위치가 지표면과 교차되도록 설치(사면과 같은 경사진 지반 조건)될 수 있다.

현장 환경 조성을 위해서는 우선 센서와 접하는 원지반을 일부 굴착하고 도면에 도시된 기반(base)(20)과 같은 추가적인 대체 재료나 구조물을 설치해야 하는데, 본 발명에서는 기반의 경우 현장에서 콘크리트 타설을 통해 설치하지 않고 유사한 조건의 센서 및 현장 상황을 미리 반영하여 제작함으로써 현장에서 비전문가들이 손쉽게 적용할 수 있는 사전 제작 기반(pre-casted base)을 사용한다. 기반(20)은 센서(10)의 무게, 원지반 조건, 운반 용이성, 최소 강성 등을 고려하여 지진계측 센서(10)의 두께(높이)의 1 배에서 2 배 정도로의 제작이 바람직하며, 평면도 상에서의 원형 모양 센서를 고려해 볼 때, 센서(10)의 경계에서 가장 가까운 기반(20) 경계까지의 거리가 센서(10) 직경의 1 배에서 1.5 배 정도가 측면 공간 여유를 반영한 센서 함체(30) 내에서의 유지보수나 제작 경제성을 모두 감안하여 적합하다. 원형 센서가 아닌 사각형 센서 등의 경우는 등가 원형(equivalent circular shape)으로 환산하여 지름을 고려해 볼 수 있다. 기반(20)의 평면 형상은 도면에 도시한 정사각형 형상 외에도 원형이나 정팔각형과 같은 다양한 정방형 형상도 가능하다.

기반(20)은 원지반 상태 조건에 따라서 다른 재료가 적용되어야 하는데, 그 이유는 원지반과 너무 큰 차이를 보이는 강성(stiffness)이나 연성(softness) 재료의 기반(20)이 조성될 경우 원지반 상태의 지진계측 자료와 상당한 차이를 보이는 자료를 얻게 될 수 있기 때문이다. 따라서 원지반이 암반인 경우 콘크리트(concrete) 또는 철근콘크리트(reinforced concrete)가 기반(20)으로 사전 제작되어 적용될 수 있으며, 원지반이 토사인 경우 사용성이나 대상 현장 여건을 감안하여 흙-시멘트(soil-cement), 목재(timber), 고무(rubber), 플라스틱(plastic) 등이 사전 제작을 위한 재료로 고려된다. 그렇다고 할지라도 원지반이 암반으로서 매우 신선하여 센서(10)를 위해 소요되어야 하는 평면 상의 영역 내에 절리(joints)나 균열(factures)이 발달하지 않은 경우에는 사전 제작 형태의 기반(20) 대신 현장에서 원지반을 직접 기반(20)으로 적용하기 위한 평탄화(leveling)를 수행할 수 있다. 이때에 평탄화를 위한 암반 굴착은 최소화하고 기반 바닥 조성을 목적으로 하는 시멘트풀(cement paste)이나 다른 접착물질의 사용은 가급적 피해야 하는데, 시간 경과에 따라 원지반과 추가 재료와의 분리가 발생할 수 있기 때문이다.

기반(20)의 상부면은 매끄럽게 수평 상태로 제작되어야 하지만, 바닥면은 굴착 후 되메움(뒤채움) 재료(backfill materials)와의 일체화 또는 마찰력(friction) 증대를 위해 조도(roughness)가 높게 거친 면으로 제작하여 조면화한다.

원지반이 경질의 암반이 아니고 풍화가 심한 암반이나 토사의 경우 기반(20)은 시간 경과 및 외적 요인에 대비한 성능 확보나 그로 인한 지반 지지력(bearing capacity) 보강, 원지반과의 거동 일체성 확보 등을 위해 하부에 중력 방향으로 돌출 형상의 추가적 말뚝 기초 바(40)(pile foundation)를 제작 시 기반 내에 일부 삽입 정착시켜서 반영해야 한다.

상기 기초 바(40)는 비표면적을 확보하여 원지반 및 뒤채움재(backfill materials)와의 상호 마찰력을 증대시키기 위하여 이형 철근(deformed bar)이 사용될 수 있으며, 연약한 토사 지반에 대해서는 상대적으로 고가이기는 하지만 철제 대신 알루미늄을 적용할 수도 있다. 기본적으로 사전 제작되는 기반(20)에는 경질 조건 이외의 암반을 대상으로 하는 기반 두께 정도 길이(센서 두께의 1 배에서 2 배)의 돌출된 기초 바(40)가 함께 구성되는데, 이 정도의 형상은 사전 제작과 운반에 용이한 정도이고 이 길이의 기초 바(40)에 대해 얕은 기초(shallow pile foundation)로 분류하게 된다.

파쇄가 발달한 암반(fractured rocks)이나 풍화암(weathered rock)에 대해서는 도 2에 도시된 바와 같이 얕은 기초 설치를 위한 굴착면에 대해 원지반 굴착을 수행하고 사전 제작된 기초 바(40) 포함 기반(base with shallow piles)을 콘크리트 재료나 흙-시멘트 재료로 되메움하면서 굴착 전 상태의 원지반 표고(elevation) 조건으로 기반(20)의 상부면(top surface of the base)을 맞춘다. 다만, 기초 바(40)의 설치를 위한 굴착면보다 기반 하부의 기초 바(40)의 돌출 철근 하단이 더 깊으므로 가능한 경우 철근 거치 위치에서 기초 바(40)의 철근들을 압입(push-in)식으로 관입(penetrating)하거나 관입이 어려운 경우 사전 천공(drilling) 후 천공된 구멍에 시멘트풀(cement paste)을 채운 뒤 기반(20)을 조성한다.

풍화암 정도의 지반 조건보다 단단하지 못한 토사에 대해서는 안정적인 계측 환경 확보 목적의 대상 지반 변형 최소화나 지지력 확보를 위해서 말뚝 기초의 길이가 더 길어져야 한다. 그러나 본 발명에서는 기반(20) 관련 장치 요소들의 제작 용이성뿐만 아니라 이동성 또한 주요 목적으로 하므로 말뚝 기초가 길어진 깊은 기초(deep pile foundation)로서 연장 바(60)를 사전 제작 과정에서 기반(20) 내에 삽입 적용하지 않고 기존 기초 바(40) 포함 기반(20)에 추가적으로 소켓(socket)(50)을 도입하여 다양한 길이의 깊은 기초용 철근(금속 바; metal bar)인 연장 바(60)와 얕은 기초용 철근인 기초 바(40)의 하단을 연결하게 된다.

여기에서 기초 바(40) 하단과 연장 바(60) 상단은 각각 테이퍼드(tapered) 형상의 돌출형 나사 볼트(screw bolt)로 제작하고 소켓(50)은 두 기초 끝단들을 원만하게 수납할 수 있도록 상부와 하부를 모두 테이퍼드 나사 너트(tapered screw nut)로 제작한다.

그러나 이 소켓(50)의 상부와 하부 사이의 중앙 부분은 여유를 두어 도 4의 평면 배치 형상과 같이 측면에 90°로 직교하거나 45°로 보간 위치하는 나사 너트 수납부를 제작하고 도 3 및 도 4에 도시된 바와 같이 끝단이 나사 볼트로 제작된 횡방향 가이드 바(70)(horizontal guide metal bars)를 연결할 수 있도록 한다.

상기 횡방향 가이드 바(70)는 기초 바(40)와는 다리 기초 철근이 길어짐에 따라 연직성 불량을 방지하거나 말뚝 기초의 구조적 한계(structural limitation)인 횡방향 저항력(lateral resistance)에 대해 소정의 보강을 위함이다.

연장 바(60) 포함 기반(base with deep piles)의 온전한 설치 적용을 위해서는 먼저 도 3 및 도 5에 도시된 바와 같이 깊은 기초 설치를 위한 굴착면까지 원지반을 굴착하고, 말뚝 기초가 놓일 평면상의 위치에 연장 바(60)(철근)를 압입식으로 관입하거나 필요 시 사전에 천공하고 흙-시멘트 재료로 충진하면서 소정의 심도까지 철근을 연직으로 위치시킨다.

이 과정에서 단일 기반(20)에 대해서도 여러 위치가 필요한 연장 바(60)용 철근들의 길이는 모두 동일할 필요는 없으며, 상대적으로 단단한 토사 위치에서는 짧은 길이로 적용하는 방안이 효율적일 수 있다.

위치된 깊은 기초용 연장 바(60)의 상단에 소켓(50)을 설치하고, 이 소켓(50) 측면에 횡방향 가이드 바(70)를 연결하여 기반(20) 아래 원지반에 대한 기본 틀을 완성한다. 원지반 내에 위치된 깊은 기초 틀 위에 기초 바(40) 포함 기반(20)을 위치시키고 소켓(50)으로 체결하면서 기반(20)을 설치하게 되는데, 굴착 지반에 대한 되메움(backfill)은 흙-시멘트 재료나 양질의 사질토(sandy soil)를 잘 다짐하면서 조심스럽게 수행한다.

이러한 연장 바(60) 포함 기반(20)을 사전 제작하여 현장에서 설치하거나 현장에서 바로 제작 설치하려면 도 5의 일반적 개념의 굴착면까지 굴착하고 설치해야 정상적인 기반 조성이 가능할 수 있으므로, 이 기술의 적용을 통해 탁월한 경제성을 담보할 수 있다.

센서(10)가 놓이는 기반(20) 위에 조성되는 함체(30)(housing 또는 container)는 기상 조건, 동식물 공격 등과 같은 외부 환경 요인들로부터 센서(10)를 보호하기 위한 역할을 수행하여 센서(10) 주변이 원만한 정상 상태를 유지할 수 있도록 한다.

함체(30)의 크기는 센서(10)의 유지보수가 원만하게 이루어질 수 있어야 하지만, 지나치게 크면 운반 설치도 번거로울 뿐만 아니라 자연상태에서 쉽게 두드러 질 수 있으므로, 적당한 공간이 확보될 수 있도록 평면상에서는 기반 영역(area of the base; 센서 경계에서 가장 가까운 기반 경계까지의 거리가 센서 직경의 1 배에서 1.5 배 정도)보다 각 변에서 2 cm에서 3 cm 정도의 여유만 확보한 채로 안 쪽으로 구성하면 된다(도 4 및 도 5 참조). 함체(30) 역시 평면상에서 그 형상은 기반(20)의 형상과 같이 정사각형 형상 외에도 원형, 정팔각형 등과 같은 정방형 형상도 가능하다.

함체(30)의 높이는 센서(10) 높이의 2 배 정도가 원활한 유지보수나 외형적 보편성이 확보될 수 있다. 함체(30)는 기반(20)과 함께 일체형으로 사전 제작하거나 기반(20)에는 기반-함체 결합부로서의 정형화된 홈으로서의 함체 결합홈(21)만 사전 제작하고 현장에서 함체(30)를 끼우고 일체화 및 방수를 위한 밀봉(sealing)을 할 수 있다. 센서(10)의 상태 확인이나 교체와 같은 지속적 유지나 보수를 위해 함체(30)의 상단은 회전식 개폐가 가능한 뚜껑(31)으로 구현하고, 지진계측 센서와 지진기록 장치 및 전원 장치와의 연결 케이블의 통로는 기반 바닥으로부터 함체 높이의 1/3 높이에 밀봉이 가능한 연성관(32)을 삽입하여 반영한 채로 적용한다.

속도계(seismometer)와는 달리 가속도계(accelerometer)는 도면의 제한적 예시와 같이 센서(20) 중앙을 기반(20)이나 원지반에 고정하는 게 일반적인데, 가속도계를 위한 기반(20)에 대해서는 기반 중앙부에 앵커(anchor) 설치를 위한 홈의 형태로 센서앵커 정착부(22)를 미리 조성하여 현장에서의 부수적인 천공에 따른 잠재적 문제 가능성을 예방할 수 있다.

또한, 이 앵커 정착부(22)는 사전에 제작 과정에서 정확한 기반(20) 중심에 조성되므로 기반 중심 위치 확인 기능을 제공할 수 있으므로 속도계를 센서로서 설치하는 기반(20)에서는 위치만 표시하는 중심점으로 표현될 수 있다.

함체(30)의 재료는 경제적 측면과 환경적 측면을 모두 반영해야 하는데, 그 무게는 가벼우면서도 내구성이 확보되어야 한다. 전반적인 고려 사항들에 근거해 볼 때, 단열 재료로 충진되어 있고 표면은 알루미늄으로 쌓여진 적층 구조(laminated composite structure)로 연직 벽면을 도입한다. 다만, 현장 상황이나 추가 여건 고려에 따라 내구성보다는 친환경성을 우선 반영한 목재나 유기질 재료가 이용될 수도 있다.

특히, 함체(30)는 적용 대상 재료나 구조에 관계없이 외벽은 자연 상태의 동물적 외부 공격 요인에 대한 최소한의 대비를 목적으로 수많은 돌기나 가시를 조성하여 구현한다. 에너지 관련 시설 부지에서의 지진계측 함체의 경우 방폭(explosion-proof) 조건을 고려된 함체(30)를 도입하여 적용해야 한다.

수평하거나 완만한 경사의 현장 지반 조건과는 달리 자연 사면, 절토나 성토로 조성된 사면, 댐과 같은 지반 구조물(earth structures) 사면과 같은 경사진 자유장에 대한 지진계측은 중력 방향이 지표면과 직교하는 방향이 아니므로 경사진 자유장에서의 정확한 대상 위치의 지진계측을 위해서는 센서 기반 조성 과정에서 기존 수평 자유장 조건과는 원지반 굴착 및 뒤채움 조성 방법이 다르게 된다. 도 6에서와 같이 굴착된 원지반 사면의 지표면과 센서 바닥(기반 상부면)이 교차되는 지점이 지진계측 대상 위치이므로 수평 자유장 지반과 동일한 기반 및 함체를 적용할 경우 사면 상단의 일부 원지반은 되메움하지 않고 안정화된 사면으로 재조성해야 한다.

반면, 센서 기반(30)의 사면 외부측과 그 연직 하부측은 콘크리트나 흙-시멘트 재료로 기존 원지반 사면 지표면 경계 바깥쪽으로 안정화된 지지(stabilized supporting)를 위한 토대부를 조성해야 한다. 사면에 대해서도 기초 바(40) 또는 연장 바(60)가 포함된 기반(30)과 센서(10), 함체(30)를 설치하기 위한 적용 방법은 수평 자유장 조건과 동일하다. 다만, 굉장히 큰 전석이나 발파 암석으로 구성된 성토체 사면에서의 지진계측의 경우 기반(20)의 평면상의 영역 면적이 계측 위치에 놓인 단일 암석이나 암석보다 작을 경우 기반(20)의 영역 면적을 해당 위치의 단일 암석보다 크게 확대해야 한다.

이상과 같이 도면과 명세서에서 최적 실시 예가 개시되었다. 여기서 특정한 용어들이 사용되었으나, 이는 단지 본 발명을 설명하기 위한 목적에서 사용된 것이지 의미 한정이나 특허청구범위에 기재된 본 발명의 범위를 제한하기 위하여 사용된 것은 아니다. 그러므로 본 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시 예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의해 정해져야 할 것이다.

10 : 센서 20 : 기반
21 : 함체 결합홈 22 : 앵커 정착부
30 : 함체 31 : 뚜껑
32 : 케이블 연성관 40 : 기초 바
50 : 소켓 60 : 연장 바
70 : 가이드 바

Claims (16)

1. 진동 신호를 감지하는 센서;
   상부면이 수평면으로 형성되고 상기 센서가 상부면에 정착되며, 굴착된 원지반에 안착되어 상부면이 지표면에 위치하거나 상부면의 센서 위치가 지표면과 교차되도록 설치되는 기반;
   상기 기반의 하부에 상부가 삽입 정착되어 기반의 하부에서 중력방향으로 돌출되는 기초 바;
   상기 기초 바의 하부에 결합되는 소켓; 및
   상기 소켓에 상부가 결합되어 기초 바의 하부에서 중력방향으로 돌출되는 연장 바; 를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 지진계측 장치.
   
2. 삭제
3. 삭제
4. 제 1항에 있어서,
   상기 소켓의 측면에 결합되며 횡방향으로 소켓들을 연결하는 가이드 바; 를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 지진계측 장치.
   
5. 제 1항 또는 제 4항에 있어서,
   상기 기반의 상부에 설치되며 내부에 상기 센서를 수용하는 함체; 를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 지진계측 장치.
   
6. 제 1항에 있어서,
   상기 기반의 두께는 센서 두께의 1 배 내지 2 배이며, 센서의 경계에서 기반 경계까지의 거리가 센서 직경의 1 배 내지 1.5 배인 것을 특징으로 하는 지진계측 장치.
   
7. 제 1항에 있어서,
   상기 기반은 콘크리트, 철근콘크리트, 흙-시멘트, 목재, 고무, 플라스틱, 암반 중 어느 하나의 재료로 구성되는 것을 특징으로 하는 지진계측 장치.
   
8. 제 1항에 있어서,
   상기 기반의 바닥면은 거친면으로 조면화시키는 것을 특징으로 하는 지진계측 장치.
   
9. 제 1항에 있어서,
   상기 기반의 상부면 중앙부에는 앵커를 통한 센서의 정착을 위해 홈 형태의 센서앵커 정착부가 형성되는 것을 특징으로 하는 지진계측 장치.
   
10. 제 1항에 있어서,
    상기 기초바는 철재 또는 알루미늄 재료로 구성되는 것을 특징으로 하는 지진계측 장치.
    
11. 제 1항에 있어서,
    상기 기초바의 길이는 기반 두께와 대응되는 것을 특징으로 하는 지진계측 장치.
    
12. 제 5항에 있어서,
    상기 함체의 상단은 회전식 개폐가 가능한 뚜껑으로 형성되고, 측면에는 케이블 연결을 위한 연성관이 형성되는 것을 특징으로 하는 지진계측 장치.
    
13. 원지반을 굴착하는 굴착 단계;
    굴착된 지반에 기반을 안착하고 기반의 상부면을 지표면에 위치시키거나 상부면의 센서 위치를 지표면과 교차되도록 설치하는 기반 설치 단계;
    굴착된 지반을 되메움하는 되메움 단계; 및
    상기 기반의 상부면 센서 위치에 진동 신호를 감지하는 센서를 정착시키는 센서 설치 단계; 를 포함하며,
    상기 기반의 하부에는 중력방향으로 돌출되는 기초 바가 정착되고,
    상기 기반 설치 단계에서는 연장 바를 굴착된 지반에 압입식으로 관입하거나 지반에 구멍을 천공해 연장 바를 끼워넣고 충진재료로 충진해 연직으로 위치시키고, 상기 연장 바의 상부에 소켓을 결합하고, 소켓의 측면에 소켓들을 연결하는 가이드 바를 결합해 연결하며, 상기 소켓의 상부에 기초 바의 하부를 결합함으로써 기반을 설치하는 것을 특징으로 하는 지진계측 장치의 설치방법.
    
14. 삭제
15. 삭제
16. 제 13항에 있어서,
    상기 센서 설치 단계의 전 또는 후에 상기 기반의 상부에 센서를 수용할 수 있는 함체를 설치하는 것을 특징으로 하는 지진계측 장치의 설치방법.
    

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