PSC 교량의 현재 상태를 중심으로 진행되고 있는 유지관리에서 벗어나 미래를 예측, 대비함으로써 유지관리비용 절감과 보다 안정적인 인프라 유지관리에 크게 기여할 수 있는 시스템이 선보여 이목을 집중시키고 있다.
이 시스템은 PSC 교량의 안전도와 건전도를 실시간으로 파악할 수 있는 기술로, PSC 구조물의 유지관리 최소화와 장수명화 달성 실현을 위한 마중물 기술로 평가받고 있다.
구조물 이상 상태 외부충격 신호 ‘높은 감지율’ ‘낮은 오차 범위’ 자랑
‘중앙 관제실서 무선 데이터 수집·제어’ 서울시 시범 적용 효용성 검토
PSC 박스 거더에 설치되는 외부 텐던의 경우 기존의 비파괴검사를 이용한 결함 탐지가 가능한 반면, 내부 텐던은 현존하는 검사방법으로는 실제 상태를 파악하기 매우 어려운 것으로 파악되고 있다.
부식 등 여러 손상으로 인해 텐던의 긴장력이 감소될 경우 구조물의 성능이 크게 저하되고, 방치될 경우 자칫 전면적인 붕괴사고로 이어질 가능성이 높은 것으로 알려져 있다.
이 같은 현안 해결을 위해 그동안 내부 텐던 파단과 손상 검출을 위해 다양한 비파괴 검사 방법을 활용한 연구가 진행됐지만, 기술적 한계 등으로 인해 정작 현장에서는 활용되지 못하고 있는 실정이다.
따라서 구조물의 붕괴를 미연에 방지하고, 구조물의 건전성과 유지관리 효율성을 크게 향상시킬 수 있는 텐던의 손상(긴장력 감소) 감시기술 개발에 대한 필요성이 증가하고 있다.
또한, 텐던의 부식 최소화를 위한 그라우트 품질 및 공극 최소화 방안에 대한 연구도 요청되고 있고, 시공 중은 물론 사용 중에도 PSC 교량의 긴장력을 효과적으로 측정할 수 있는 방안 마련도 필수적으로 요구되고 있다.
이에 한국건설기술연구원은 (주)에이티지와 함께 PSC 교량 내부 텐던의 장기적인 안전성과 내구성 확보를 위한 모니터링 기술 개발 연구와 함께 검증 문제 해결을 위한 음향방출과 진동 측정기술을 활용한 단독 무선 모니터링 시스템 개발 연구를 진행하고 있다.
연구내용
이 연구는 무선 동기화기법 기반의 음향방출 측정 시스템 시작품 제작과 현장 실증을 통한 기술 고도화, 실측 데이터베이스 확보 등을 목표로 진행되고 있다.
‘무선 동기화 기법 기반 음향방출 측정 시스템 시작품 개발’ 분야에서는 측정 시스템의 상세 설계 연구와 함께 무선 동기화 기반 음향방출 측정 시스템 시작품 제작 연구를 진행하고 있다.
세부적으로는 신호처리 하드웨어·소프트웨어 설계와 시작품 제작, 센서 신호 측정과 서버, DB 모듈과의 연계를 위한 최적의 하드웨어 설계안, 다채널 분산 계측 시간 동기화를 통한 현장 특화 계측, DB 연계와 실시간 감시 네트워크 운용을 위한 소프트웨어 개발 등의 연구를 수행하고 있다.
‘실증 데이터 기반 내부 텐던 건전성 평가 DB 구축’ 분야에서는 실 구조물 적용을 통한 시스템 검증실험과 함께 기술 홍보와 사업화를 추진하고 있다.
이를 위해 개발 시스템 적용 대상의 현장 조건과 감시 범위와 감시 대상 등의 요구 조건 파악 연구를 비롯해 실 구조물에서의 데이터 수집·관리를 위한 체계 구축, 이를 통한 대응 시나리오, 실시간 상태분석, 시각화와 같은 데이터 활용 방안을 정립해 나가고 있다.
또한, 시장 경쟁성 확보를 위한 개발 시스템의 실 구조물 현장 검증을 통한 신뢰성 확보 방안 도출에도 나서고 있다.
특히, 시제품 단계에서 신호측정 및 연계 시스템에서 발생할 수 있는 결함이나 오측, 결측 등 신호 이상에 대한 신뢰성 검증 방안 도출 연구와 함께 데이터 수집 방법과 분석 알고리즘 등 세부 모델 고도화 연구도 추진하고 있다.
현재 건설연에서는 내부 텐던 교량과 유사한 구조물에 적용하기 위한 시스템 세부 성능안을 마련하는 한편, 건설연이 보유하고 있는 실험시설과 관련 기자재, 실험인력 등을 지원하며 개발기술의 성능 검증과 대외적 평가지표를 도출해 나가고 있다.
한편, 이 같은 연구를 통해 최근 신호 측정과 저장 장치, 신호 분석·평가 방법을 포함한 무선 동기화 기반의 음향방출 모니터링 시스템을 선보였다.
이 시스템은 PSC 거더교와 같은 복합 구조물에서 발생하는 음향방출 신호를 측정, 음향방출 신호의 특성 인자를 통해 손상 발생 징후를 조기에 탐지해 사고를 미연에 예방할 수 있다.
이 같은 성능은 스마트 감시기술 구현을 위한 네트워크 구축 방법과 데이터 수집 기반 기술을 비롯해 실제 현장에서 존재하는 잡음 저감과 최적의 주파수 대역 자동 선정 기술, 통계적 분석과 빅데이터 기반의 신호 분석을 통한 구조물 상태 판정 알고리즘 기술 등을 통해 발현된다.
이 시스템은 기 구축 빅데이터를 기반으로 구조물 이상 상태와 외부 충격 신호를 높은 감지율과 낮은 오차 범위로 실시간으로 평가할 수 있다.
특히, 확장성이 보장된 모듈형 시스템으로 개발된 만큼 중앙 관제실을 통해 무선으로 데이터 수집·제어도 가능하다.
교량 및 대형 구조물에서 발생 가능한 운영 및 환경 노이즈에 강건한 신호 처리 알고리즘을 탑재, 구조물의 미세한 변화에 의한 신호 수집이 가능하고, 알고리즘 변형과 시스템 최적화를 통해 다양한 분야의 구조물에 유연하게 적용할 수 있다.
또한, 무선 기반 신호 동기화 시스템을 적용하고 있어 대형 교량 구조물에도 설치를 원활하게 수행할 수 있다.
연구진은 이번에 선보인 무선 동기화 기반의 음향방출 모니터링 시스템과 평가 기법을 PSC 구조물의 안전점검과 유지관리에 적용해 나갈 방침이다.
현재 서울시설공단에서는 서울시 소재 PSC 교량에 이 시스템을 시범 적용, AE 기법의 실질적인 효용성을 검토하고 있는 것으로 알려져 있다.
인 / 터 / 뷰
무선 기반 시스템 ‘고안’ 성능 검증까지 마쳐
한국건설기술연구원 서동우 연구위원은 “지난 1960년대 국내에 첫 PSC 구조물이 도입된 이후 현재 전체 교량 중 38%가 PSC 교량으로 건설될 정도로 비중이 높아졌다”며, “하지만, 1970년에 이른바 압축건설이 이뤄지면서 30년이 경과된 노후 PSC 구조물들이 급증하며 안전관리에 대한 필요성이 부각되고 있다”고 밝혔다.
이어 “특히, 지난 2016년에 발생한 서울시 내부순환도로 정릉천 고가교 외부 텐던 부식 파단 사고로 인해 노후 구조물들의 유지관리 필요성이 크게 대두됐다”며, “실제로 이 사고로 인해 종암로 일대 내부순환도로가 한달간 폐쇄되면서 극심한 정체는 물론 시민 불안감과 불편, 막대한 경제적 손실이 발생한 바 있다”고 말했다.
서울시 내부순환도로와 동일한 PSC 박스거더교 형식을 적용한 부산시 동서고가도로도 철거가 논의되고 있을 정도로 심각하게 노후화가 진행 중이지만, 서부산의 대표적인 길목이자 부산항 컨테이너 수송에 중요한 역할을 담당하고 있어 대체 도로가 없는 현재로서는 유지관리와 보수가 현안으로 남아 있다.
서 박사는 “PSC 교량의 외부 텐던은 외부에 노출돼 있어 다양한 방법으로 검사가 가능한 반면, 콘크리트에 매립돼 있는 내부 텐던의 경우 기존 검사를 통한 안전관리에는 한계점이 뚜렷하다”고 밝혔다.
이어 “이에 이 연구에서는 내부 텐던의 파단과 같은 손상을 모니터링하기 위해 음향방출 센서를 적용한 복합 진동 기반의 음향방출 모니터링 시스템을 개발하고, 실 교량을 대상으로 현장 성능 검증을 수행했다”고 설명했다.
특히, 연구진은 PSC 교량 내부 텐던 파단 모니터링 시스템의 효율성 극대화를 위해 설치가 간편한 무선 기반으로 시스템을 고안하고, 성능 검증까지 마쳤다.
현장 설치 작업 ‘최소화’ 기존 제품 비 비용 50% 이상 줄여
서 박사는 “센서와 데이터 로거 사이에 1:1 케이블 매칭이 필요한 기존 시스템의 경우 대형 구조물을 모니터링하기 위해 많은 배선 작업이 이뤄지는 반면, 이 시스템은 무선 기반으로 이 같은 단점을 해결할 수 있다”고 설명했다.
이어 “센서 간 무선 네트워크 시스템을 고안해 교량 현장 설치 작업을 최소화하고, 기존 경쟁 제품 대비 50% 이상 비용 절감을 통해 확대 적용 가능성을 확보했다”고 강조했다.
연구진은 PSC 시설물 텐던 파단 모니터링과 안전관리를 위해 기술 수요기업인 ㈜에이티지에 관련 기술 이전과 사업화 지원을 추진하며 기술 실용화와 실제 현장 적용에 적극 나설 계획이다.
서 박사는 “이 기술은 PSC 구조물 내부 텐던 상태 평가를 위한 적용 가능한 기술이 부재한 상황 속에서 개발된 특화기술”이라며 “모니터링 범위 확장이 자유롭고 텐던의 파단 여부를 신속하게 평가해 관리자에게 실시간으로 정보 제공이 가능한 만큼 PSC 구조물은 물론 노후 인프라 유지관리 전반에 활용 가능할 것”이라고 전망했다.
이어 “특히, 경제적이고 과학적인 방법을 통한 교량의 유지관리가 가능해 한정된 유지관리 예산의 효율적인 집행이 가능하다”고 밝혔다.
