구조물의 변형도 대부분 기초지반의 변화 영향에 기인되고, 구조물 자체의 재료 특성과 지반에 미치는 동적 특성인 지진․기상(바람․기온․천둥․낙뢰․강우)․조류(파랑․조석․해류) 등 지구환경적인 영향에 의해서도 발생되므로 지반변위와 불가분의 관계이지만, 구조체 자체의 직접적인 변형이 주 계측 대상이 되는 항목들을 분리하여 취급코자 한다.
지반에서는 하중이나 압력에 의한 변형이나 변동량이 주 대상이 되어 상대적으로 큰 변환이 발생되지만, 구조물에서는 이의 영향과 함께 구조체 재료 부재 특성에 의한 미량의 변위측정도 대상이 된다. 이의 측정에는 변형계(strain gauge)의 소자․단자 종류를 활용한 센서를 이용한 방식과 차동트랜스형(transducer) 변환방식이 상호 응용된 변환기기와 센서를 이용한 방식 등이 대부분이고, 아주 다양한 종류의 기기가 활용되고 있다.
9.2.6.1 변형계(strain gauge)
strain gauge는 기계․선박․항공기․차량 등과 토목․건축 및 의료분야에 이르기까지 센서의 검출소자로 광범위하게 사용되고 있으며, 특히 토목계측에서는 빌딩․교량․터널․파이프라인 등의 구조물 시공에 수반되는 주열식연속벽(SCW;soil cement mixing wall)․제자리 말뚝공․횡널말뚝의 H-pile과 버팀보(strut)용 H형강․sheet pile 등의 응력․축력 측정에 여러가지 형태로 다양한 개소에서 활용되고 있다.
strain gauge의 형태는 소자의 종류․개수․배치형태와 게이지의 길이․측정대상을 고려한 회로 특성과 결선방법에 의한 측정내용을 파악하여, 이에 적합한 센서를 선택하고 이를 계측 목적에 알맞게 적용하고 설치해야 한다.
설치방식은 지중변위에서의 파이프 변위계와 같이 게이지 단자를 강력 접착제로 PVC 파이프나 판에 고정시키는 접착형을 비롯하여, 주로 철재beam이나 파이프에 나란히 포개어 표면에 부착하고 방수․방습용 커버를 bending하는 점용접형(spot-weldable), 고정 jig 등(surface mounting block)을 용접한 후 여기에 변형계를 bolting․bending으로 고정하는 arc-weldable dummy 설치형, 콘크리트 수화열에 의한 응력 측정용의 flange형과 무응력(no-stress strain)용 등의 일체화된 dummy를 콘크리트 구조체 내에 내장시키는 매설형(embedment) 등이 있으며, 이외에도 온도센서(thermister)의 내장여부 및 열전대 방식 등과 함께 설치대상 구조체의 인장(tensile)․압축(compressive) 응력을 측정하게 되는 것 등도 이들 분류에 포함시키기도 한다.
특히 버팀보 등 H형강 부재에서는 부재 자체의 응력으로 버팀보의 축력하중을 계산하게 되고, load cell과 함께 압축․인장의 휨응력이 동시에 작용하여 응력분포가 일정하지 못하므로, 예측되는 축력 분포에 따라 측정단면에 다수의 게이지 설치가 요망되기도 한다.
strain gauge는 비교적 저렴하고 정밀하므로, 각종의 측정장치에 다수의 소자와 단자가 1․2 ․3 축으로 복합 삽입되어, lead선 배열에 따라 여러 종류로 활용되고 있으며, 철근계(rebar stress meter)․wire strandmeter․rock bolt 축력계 등 각종의 측정장치에 이용되어 그 종류가 아주 다양하다.
9.2.6.2 철근계(rebar stressmeter)
철근계는 변형계의 일종으로 철근 응력 측정용이며, 철근의 규격별로 그 종류가 다양하게 제작되어 있다.
철근계는 벽체의 응력 측정용이며, RC연속지중벽(slurry wall : S/W)의 철근망에서는 콘크리트의 선팽창율이 달라 수화열에 의한 응력이 발생하고, 벽체 시공후에 지반개량이나 pile공사가 시공되면 변위가 생기고 응력이 발생되어 콘크리트에 균열이 생길 수 있으므로, 이에 대한 품질관리를 위해 계측이 필요하게 된다.
철근계는 대부분 온도측정 기능이 내장되어 있어서 열응력 측정이 가능하며, 설치도 가스 압접․sleeve․wiring(결선)방식 등으로 다양하다.
9.2.6.3 온도계(temperature gauge)
구조물의 구조체나 재료 및 부재의 변형은 온도변화에 민감하게 반응하므로 온도계가 수반되며, 이는 금속의 선팽창계수 차이를 이용하여 온도를 측정할 수 있는 고감도의 센서이다.
온도응력은 토질․흙막이 동바리의 종류․시공상황과 H-beam의 구속여부에 따라 서로 다르게 나타나고, 부재온도는 옥외 일사의 영향을 받기 때문에 부재의 길이․방향․단면 위치에 따라서도 다르게 나타나며, 일별․월별․계절별로도 차이가 많아 기온의 변동과 밀접한 상관관계를 가진다.
대규모 지하공사인 가스 비축기지 저장탱크 공사에서는, 설치형 변형계의 자동화 계측이 종합적인 안정관리상의 수행과정에서 온도계가 필수 계측기종이며, 열전대식 온도계도 선택되어 함께 활용된다.
9.2.6.4 수직경사계(tiltmeter)
벽체의 상대적인 수평변위량을 파악하기 위한 경사계는 지중수평변위 측정의 삽입식․고정식경사계와 같이 가도관을 이용하는 것이며, 철제 4각관을 철근망에 용접하여 벽체가 콘크리트로 타설 설치된 후에, 철제 관내에 가도관을 설치하고, 삽입식 또는 고정식을 필요에 따라 선택하여 RC연속지중벽의 전체 변위상태를 확인하는 방식이다.
단일센서의 거치형 tiltmeter는 철근망에 설치하는 고정식(형)경사계로 철근계와 함께 콘크리트 내에 매설되어 매 벽체마다의 변위를 파악하게 되는 방식이다.
portable tiltmeter는 구조물 표면에 tilt plate만을 접착제나 나사못으로 고정해 놓고 수동계측하는 방식이다.
구조물 tiltmeter는 벽체․교각․pile 등의 수직변위를 계측하기 위해 센서와 signal cable terminal을 상하로 내장시킨 vertical beam sensor형과, 교량 상판처짐 등의 수평변위를 계측하기 위해 수평으로 내장시킨 horizontal beam sensor형의 전기식 변환용이 있고, 교각 기울기 등을 signal point로 세워 설치한 수동의 삽입식과, 센서를 내장한 벽체 고정용의 monopod tiltmeter등 다양한 형태와 방식이 이용된다.
9.2.6.5 균열측정계기(crack gauge & jointmeter)
건설토목 시공과정이나 지진 등 자연재해로, 건축구조물․콘크리트 구조체․도로 등 지반(암반) 표면부에 발생되는 균열과, 구조체 이음부․접속부 틈새의 상대적인 변위․변형 크기와 진행상태를 측정하는 계측방식이다.
전술한 landsliding 지역의 button식 깔판(9.2.2.6 : 지표면 변위)을 비롯하여, 각종 균열계(1․2․3축형)와 상대변위계(jointmeter or extensometer:수직․수평)로 transducer․potentiometer․strain gauge 등 다양한 변환 방식으로, 이동량의 측정 한계(㎜단위)․설치개소와 방법별(지표설치․매설)로, normal×parallel×perpendicular의 3개 jointmeter를 1개조로 한 perimetric jointmeter(3 dimension형)까지의 여러 형태 계기들을 mounting․bracket․flange로 bolting․grouting하여 고정하거나, portable fissure meter(dial gauge 측정형)나 submersible displacement transducer를 ball joint anchoring으로 설치하는 방식 등, 다양한 형태와 종류의 측정기기가 목적에 따라 선정할 수 있도록 제작되어 응용되고 있다.
가장 간단한 방식으로는 고정point(button type)를 표면에 부착하고 버튼 간을 vernier calipers 또는 micrometer로 측정하는 수동식이 흔히 이용된다. 차동트랜스(transducer)형 변환기를 이용한 거치형․내충격형 등도, 삽입형과 함께 벽면용․매설형 등의 종류로 분류되기도 한다.
9.2.6.6 연통(수)관식 침하계(multipoint liquid level system)
건축물이나 지하구조물․터널․철도․도로․교량교각 등의 기존 구조체에 대한 근접시공시의 침하영향을 관측하기 위한 방식으로, 연통(수)관(tube)을 통한 동일 수위(수준) 형성의 원리를 응용하여, 구조체의 침하나 융기(heaving)에 따른 수위변동을 측정하는 것으로, 부동지반의 (자동)기준 (물)탱크로부터 각 측정점의 수준변위를 상대적으로 측정하게 되는 수성(관)식 상대변위 측정시스템이다.
침하계에 수위나 수압측정 센서를 내장하여, 더욱 정밀하고 용이하게 합리적인 계측이 되도록 제작된 수성(관)식과 수(액)압식의 센서식의 상대 변위계가 주로 활용되고 있다.
수압식은 기준점과 각 측정점 간의 수준차가 큰 경우와 인접된 근거리 시설물이라도 전망이 불가능한 기설 교각이나 지하구조체에 근접하여 시공할 경우와, 해저 shield tunneling line상의 해저면 변위 측정을 위하여, 액체침하계(liquid settlement cell : 9.2.1.5)의 댐체 zone간 설치방식을 천해저 지반에 적용하여, 다수의 침하계를 해저면에 설치하고, 측정작업대에 설치된 기준 침하계와의 상대적인 침하변위를 측정하도록 응용한 방식이 주로 활용된다.