염해로 인한 내구성 저하, 도로 결빙에 따른 안전사고 위험 등 해상교량이 안고 있는 난제를 해결할 수 있는 솔루션이 조만간 선보일 예정으로 귀추가 주목된다.
특히, 해상교량의 노후화에 따른 유지관리 효율을 극대화하는 한편, 탄소중립 등 국가 정책까지 해결할 수 있는 실용화 중심의 현장 맞춤형 핵심 기술들이 개발되고 있어 더욱 주목받고 있다.
해상교량 ‘장수명화’ 위한 미래형 유지관리 체계 실현 ‘목표’
철근 부식 등 결빙 발생률 30% 절감 선제적 대응형 기술 등
그린 에너지 생산기술·고기능성 확보 ‘테스트베드 실증’ 추진
현재 국내에는 섬과 섬을 연결하는 연도교, 섬과 육지를 연결하는 연육교, 육지와 육지를 연결하는 일반 해상교량 등 약 140개 이상의 해상교량이 건설, 운영되고 있다.
하지만, 해상교량의 경우 염해에 의한 내구성 저하, 도로 결빙으로 인한 안전사고 위험 등 복합적인 문제와 함께 안전 및 유지관리를 위한 각종 센서와 경관 조명 설치 확대로 등으로 인해 전기 사용량이 급격히 증가하고 있는 것으로 알려져 있다.
또한, 해상교량의 노후화에 따른 유지관리 비용 증가와 탄소중립 실현 등 국가 정책 목표에 대응하기 위한 실용화 중심의 핵심 기반기술 확보가 요구되고 있다.
이 같은 현안 해결을 위한 국토교통부와 국토교통과학기술진흥원의 지원 아래 지난 2024년부터 한국건설기술연구원을 중심으로 ‘그린 해상교량 기술 개발’ 연구가 진행되고 있다.
이 연구는 ‘해상교량 장수명화를 위한 미래형 유지관리 체계 실현’을 목표로, ‘해상교량 저탄소화를 위한 그린에너지 생산기술 개발’, ‘그린에너지를 활용한 해상교량 고기능성 확보 기술 개발’, ‘그린 해상교량 통합관리 시스템 개발 및 테스트베드 실증’ 등 크게 3분야의 핵심연구로 구성됐다.
현재 연구진은 풍력·조류 등 환경조건과 AI 최적화 기반의 그린에너지 생산 및 에너지 자급률 100% 달성을 비롯해 철근 부식과 결빙 발생률을 30% 저감시키기 위한 AI를 활용한 상태 예측 기반의 선제적 대응형 기술 개발을 추진하고 있다.
또한, 해상교량의 탄소 배출량 50% 저감을 위한 해상교량의 탄소량 평가기준 마련과 모니터링 기술 개발, 전력피크 부하 10% 저감을 위한 AI를 활용한 그린에너지 변동성 예측 기반의 ESS 기술 개발, 그린 해상교량 운영·관리 비용 20% 절감이 가능한 IoT·DT·AI 기반 통합관리 시스템 구축에도 나서고 있다.
특히, 실증과 중장기 운영이 가능한 테스트베드 구축도 추진하며 개발 기술의 실용화 발판 마련에 집중하고 있다.
연구 내용
‘해상교량 저탄소화를 위한 그린에너지 생산 기술 개발’ 연구에서는 그린에너지 생산 및 에너지 자급률 100% 달성을 목표로, 해상교량의 저탄소화를 위한 풍력·조력에너지 기술 개발에 나서고 있다.
풍력에너지 분야에서는 설비 이용률 11% 이상의 성능을 갖는 70kg/kW급 풍력발전설비 개발 연구와 함께 해상교량 수직 모션 기술을 개발하고 있다.
현재 연구진은 풍력발전설비를 대상으로 성능 검증 방법론을 구축하고, 예비 해석 연구를 수행하는 한편, 교량 수직모션 저감률 측정을 위한 풍동실험 실험장비를 구축하고 있다.
조류 에너지 분야에서는 정격용량 20kW급의 발전설비의 현장 실증과 이용률 0.1 이상 달성을 목표로 조류발전 활용 기술 개발을 추진하고 있다.
또한, 조류발전의 발전량 향상 및 와류 생성을 통한 세굴 깊이 30% 저감이 가능한 흐름 유동형 세굴방지 구조물과 함께 조류발전 효율 최적화 모델의 세굴 예측 정확도 80%를 확보할 수 있는 조류+세굴 통합 수치해석 모델도 개발하고 있다.
현재 테스트베드인 칠산대교에 적용할 블레이드의 최적화를 위한 수치 해석 연구와 함께 교량 교각 주변의 세굴 예측을 위한 3차원 시뮬레이션 기술 개발, 조류 발전기 설치 시 칠산대교 교각 파일의 구조안전성 검토와 해양 환경 계측 승인 및 계측기 설치 등의 연구를 수행하고 있다.
‘그린에너지를 활용한 해상교량 고기능성 확보 기술 개발’ 연구는 도로결빙 방지 기술 개발 연구와 부식방지 기술 개발 연구를 중심으로 진행되고 있다.
도로결빙 방지 기술 개발 부문에서는 도로 결빙 발생률 30% 저감을 목표로, 85% 이상의 정확도를 갖는 교량 결빙구간 예측 기술과 실시간 검출을 통한 조기 대응 기술 개발이 이뤄지고 있다.
또한, IoT 기반 800W/㎡ 이하의 고효율 친환경·고기능 해상교량 복합발열 시스템과 복합발열 시스템 바닥판 구조 최적화, 하루 10m 이상의 속도를 갖는 급속 시공 교체 기술들을 개발하고 있다.
현재 연구진은 도로결빙 예측 기법 개발과 함께 시스템 하드웨어 설계, 고효율 복합발열 시스템 개발에 집중하고 있다.
철근 부식 발생률 30% 저감을 목표로 진행 중인 부식방지 기술 개발 부문에서는 모니터링용 플러그인 철근부식전극 개발 및 AI를 활용한 철근 상태와 부식 예측 평가 시스템 개발 연구를 진행하고 있다.
이와 함께 방식시스템 설치·운영을 위한 최적의 방식 범위 산정, 탄소섬유 기반 하이브리드형 애노드를 활용한 콘크리트 상태 기반의 철근방식시스템과 철근 부식 모니터링 및 방식 제어를 위한 통합 시스템 구축에도 나서고 있다.
데이터 융합 기반 해상교량 열화 점검·평가·예측 기술 개발 연구도 병행하고 있다.
연구진은 현재 철근 부식 모니터링-전기방식시스템 개발을 위해 하이브리드형 전극 설치 방법을 제안하고, 전기 방식 실구조물 규모의 실험을 추진하고 있다.
‘그린 해상교량 통합관리 시스템 개발 및 테스트베드 실증’ 연구에서는 10%의 전력피크 부하를 목표로, 그린에너지 전력 관리 연구를 수행하고 있다.
이 연구에서는 해상교량 복합 그린에너지 ESS 기반의 에너지저장 및 수배전 플랫폼 기술과 AI를 활용한 그린 해상교량 수요변화 예측 기반 ESS 충·방전 스케줄링 알고리즘을 개발하고 있다.
해상교량 통합관리 및 모니터링 기술 개발 부문에서는 운영·관리 비용을 20% 절감할 수 있는 IoT 계측데이터 기반 그린에너지 생산설비 및 해상교량의 건전성 평가 기술을 비롯해 통합 시스템 범용화를 위한 기존 정보 연계, IoT 모니터링 및 AI 분석 기술 개발 연구를 진행하고 있다.
또한, 정확도 90% 이상 시스템의 이상탐지 및 자동대응 기술을 제공하는 DT 기반 통합 모니터링 기술 연구와 해상교량 탄소 배출량 50% 저감을 목표로 그린 해상교량 온실가스배출량 이행 평가 및 경제성 검토 연구도 병행하고 있다.
테스트베드 구축 및 활성화 부문에서는 그린 해상교량 효율성을 고려한 테스트베드 확보 및 중장기 운영·확산 전략 수립, 저탄소화를 위한 발전설비 설치에 따른 교량의 구조안전성 확보, 통합 관리시스템 기반 테스트베드 구축 및 성능 검증 등의 연구를 진행하고 있다.
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내구수명 확보 유지관리 효율 향상 목표
풍력 시공비 절감·조류발전 시스템 개발
한국건설기술연구원 박기태 구조연구본부장은 “이번 연구사업은 해상교량의 내구수명 확보와 유지관리 효율 향상을 목표로 능동형 부식·결빙 제어 시스템과 유지관리에 필요한 전력을 공급하기 위한 시공비 절감형 풍력 및 조류발전 시스템을 개발, 실증하는 연구”라고 소개했다.
이어 “현재 도로 결빙과 염분에 의한 피해 최소화를 위한 능동형 방식 및 결빙 제어 기술과 함께 해상교량을 활용한 풍력 및 조류발전 기술 개발에 집중하고 있다”고 설명했다.
특히, 연구진은 AI 기술을 적극 활용해 현장 적용성이 높은 실증 중심의 연구를 수행하며 성과물에 대한 기대치를 끌어 올리고 있다.
이번 연구를 통해 선보이는 기술들은 해상교량의 선제적 유지관리 체계를 실현하는 마중물 기술로 평가받고 있다.
실제로 능동형 방식 제어 기술과 AI·IoT 기반 결빙 예측 및 대응 기술을 적용할 경우 약 20%의 해상교량 유지관리 비용 절감이 가능할 것으로 기대를 모으고 있다.
박 본부장은 “방식 제어 분야에서는 반영구적 방식 시스템을 활용해 교량 구조물의 수명을 30% 이상 연장할 수 있는 모델을 제시하고, 최소 1회 이상의 보수·보강 주기를 생략함으로써 생애주기 비용 절감에 크게 기여할 것”이라고 예상했다.
이어 “결빙 제어 분야에서는 AI 예측 모델과 IoT 기반 제어 기술을 융합한 지능형 사전 대응 시스템을 구현해 겨울철 블랙아이스로 인한 안전사고 예방과 제설제 사용 저감에 따른 구조물 열화 감소 효과를 거둘 수 있을 것으로 기대된다”고 말했다.
에너지 분야에서도 교량 자체를 발전설비의 지지 구조물로 활용함으로써 기존 독립형 발전설비 대비 50% 이상의 시공비 절감이 가능할 것으로 전망된다.
박 본부장은 “특히, 이번 연구에서는 부식 및 결빙 제어 시스템과 에너지 생산 시스템의 효율적 통합 운영을 위한 AI 에이전트 기반 통합 관리 시스템도 구축할 계획”이라고 말했다.
이어 “이 시스템은 부식 및 결빙 제어 시스템의 에너지 소비를 최소화하는 한편, 염해 위험도 평가 및 노면 결빙 예측 정확도를 85~90% 수준까지 향상시킬 수 있다”고 밝혔다.
인천·칠산대교에 테스트베드 조만간 ‘실증’ 돌입
한편, 연구진은 핵심기술 개발 이후 인천대교와 전라남도 소재 칠산대교를 대상으로 테스트베드를 구축하고, 올해 하반기부터 본격적인 실증 연구에 돌입할 예정이다.
박 본부장은 “테스트베드 구축 과정에서 시설물 관리주체의 요구사항을 면밀히 파악하고, 실제 현장 적용 과정에서 발생할 수 있는 문제점을 사전에 해결하며 기술의 실용성과 현장 적용성을 확보해 나갈 계획”이라고 강조했다.
끝으로 박 본부장은 “부식 및 결빙 제어 시스템은 도로 안전 분야의 블랙아이스 대응 및 상시 모니터링은 물론 신설 또는 성능개선 대상 교량 바닥판의 복합 발열 시스템에 적용 가능하다”며, “또한, 도로 및 해양·항만 시설물의 철근 부식 모니터링과 보수·보강 분야에도 활용할 수 있을 것”이라고 전망했다.
이어 “에너지 분야의 경우 보도육교와 도로교량의 조명 및 가로등 전력 공급과 함께 산업단지 및 해양단지의 필요 전력 생산·활용, 교량을 비롯한 등대, 해상 플랫폼 등 다양한 해상 구조물 분야에도 적용 가능하다”고 덧붙였다.
