계측데이터의 적극적 활용으로 공용 구조물 전체의 변형 형상 파악
구조물 상태 파악을 위한 형상추정 알고리즘 개발
구조물의 상태는 외력에 따른 응답으로 짐작할 수 있다. 구조물의 응답은 진동, 처짐, 변형률 등 다양한 형태로 관측될 수 있는데, 급격한 환경 변화가 수반되지 않는 응답의 변화는 이상 상태로 간주할 수 있다. 그러나 계측은 일반적으로 매우 제한된 측점에서만 이루어진다. 사실상 구조물의 상태는 임의의 점에서 임의의 시점에 원하는 물리량을 자유롭게 파악할 때 정확히 평가될 수 있다.
구조물을 연속체로 간주하고 미분방정식을 풀어 구조물의 응답을 계산해 내는 경우 구조공학자는 주어진 하중에 대하여 임의의 점에서 모든 물리량을 계산해 낼 수 있다. 그러나 풀이 가능한 미분방정식은 매우 제한된 조건에서만 가능하므로 일반적인 상황에서 이러한 방법으로 구조 해석이 가능한 경우는 거의 없다. 따라서 수치적으로 해를 찾는 방법이 채택되며, 가장 널리 쓰이는 것은 유한요소해석이다. 유한요소해석은 구조물을 유한개의 요소로 구성하게 되는데, 일정 수준 이상인 경우 정해에 상당히 근접한 결과를 얻을 수 있다. 그러나 구조물 모니터링을 위한 계측기는 유한요소해석에 비해서 매우 적은 수가 설치되므로 이로부터 얻어지는 데이터로는 구조물의 상태를 파악하기 어렵다. 이에 따라 현재의 계측은 주로 과도한 응답(처짐, 가속도 등) 발생 시 이에 신속하게 대처하기 위한 지속적 관측에 초점을 두고 있다. 우리나라의 경우 연육교 및 연도교 등 대규모 교량에 주로 적용되었으며, 서울시에서는 한강교량 온라인 안전감시 시스템을 운영 중이다. 여기에는 GNSS뿐 아니라 가속도계, 경사계, 변형률계, 지진계 등이 포함되며, 이상값이 관측될 시 관리자에게 즉각적인 알림이 전송된다.
이러한 모니터링 체계는 계측값에 대한 기준치 설정이 필수적이다. 주로 재료가 선형범위 내에서 거동하도록 설계되는 교량의 경우에는 허용응력값을 기준으로 허용 변형률을 기준값으로 사용할 수 있다. 그러나 변위나 처짐각, 가속도계 등은 일반적인 허용값을 정할 수 없기 때문에 별도의 해석이나 전문가의 판단이 필요하다. 더욱이, 계측값을 별도의 정제 과정 없이 그대로 사용하는 경우, 결측이나 이상계측, 노이즈 등 다양한 기계적 문제에 민감할 수 있어 사용성이 제한될 수 있다.
본 연구에서는 제한적 측점에서 구조물의 응답을 계측하고 이를 통하여 대상 구조물 전체의 변위를 추정할 수 있는 알고리즘을 개발하고 이를 실구조물에 적용하여 검증하였다. 전술한 바와 같이 구조물의 형상을 추정하는 것은 하중에 대한 모든점의 변위를 도출하는 작업과 같다. 다시 말해, 추정된 변위를 활용하여 구조해석을 실시하면 손쉽게 구조물의 내력 상태를 계산해 낼 수 있게 된다.
형상추정에 대한 연구는 1900년대부터 시작되었다. 그러나 주로 제한적인 조건에서 검증이 이루어지거나, 2차원상에서 검토되었기 때문에 실교량에 적용하는 데 무리가 따랐다. 또한, 주로 단일 물리량을 계측하는 방안이 주를 이루었으므로 계측물리량 및 계측기가 지닌 단점을 보완하기 어려웠고, 많은 계측점을 요구하거나 정확도가 떨어지는 단점이 있었다. 이와 더불어 각 계측에 있어 알고리즘의 효율성을 극대화 할 수 있는 최적배치 방안을 제시하고 있지 않아 사용성 측면에서 불리하였다.
본 연구에서는 이러한 문제점을 해결하고자 변위뿐 아니라 변형률과 처짐각 모두를 활용하는 알고리즘을 개발하였으며, 센서 최적 배치 방안을 제시함으로써 경제적 측면을 확보하였다. 또한 수직처짐 뿐 아니라 면외방향 변위나 비틀림까지 추정하여 보다 정밀한 결과를 도출할 수 있다.
구조물 응답 무선 계측 시스템 구축
현재까지 구조물의 유지관리는 주로 손상 점검에 치중되어 왔다. 안전 점검 및 정밀안전 진단에서 발견된 크고 작은 손상들은 구조물에 영향을 끼치지 않도록 보수, 보강되었으며 종류와 정도를 기준으로 안전등급이 결정되었다. 이러한 일련의 과정은 객관적인 업무 처리를 위하여 누구나 같은 현상에 대하여 동일한 판단을 내릴 수 있도록 매뉴얼로 정리되어 있다.
그러나 손상 중심의 관리는 문제 발생 이후의 대응을 의미한다. 따라서 손상이 발생하지 않거나, 물리적으로 손상의 범위가 확대되지 않거나, 손상이 발견되지 못할 경우 더 이상의 조치를 취하지 않는다. 이러한 단점을 보완하기 위하여 구조물의 상태를 파악할 수 있도록 개발된 형상추정 알고리즘이 개발되었다.
형상추정 알고리즘은 구조물의 응답을 바탕으로 현재 상태를 추정한다. 그러므로 손상을 탐지하는 것 외에 추가적인 계측을 필요로 한다. 본 연구에 제시된 알고리즘은 변위, 변형률, 처짐각을 활용한다. 따라서 각각의 물리량에 대한 계측기가 설치, 운영되어야 한다.
교량은 일직선상으로 길게 뻗은 형태의 구조물로, 거리상 상당히 먼 범위까지의 계측이 필요하다. 교량의 응답을 계측하기 위해서는 전력이 필요하기 때문에 교량 전체 길이에 걸친 전력 공급 문제를 해결할 필요가 있게 된다. 계측기의 수가 적다 하더라도, 교량의 하부와 상부, 상행과 하행 전구간에 설치되는 계측기에 전력을 공급하기 위해서는 길이 방향으로 다수의 전력공사가 필요하게 된다. 이러한 전력공사는 막대한 비용을 요구할 뿐만 아니라 전력설비 자체에 대한 유지관리를 추가적으로 요구할 뿐 아니라 전력 공급으로 인하여 필요한 부분에 대한 계측이 어려워질 수 있다. 이를 해결하기 위해서 배터리를 이용하여 계측기에 전력을 공급하고 계측 데이터 또한 무선으로 전송할 수 있어야 한다.
무선 센서 네트워크는 데이터 전송 방안에서 또다른 문제를 야기한다. 일반적으로 계측값은 현장 컴퓨터에서 수집되고 서버로 전송되는데, 교량의 경우 센서 간 통신거리 이상의 경간장을 갖는 경우가 많아 측정값을 수집하기 어려워질 수 있다. 이러한 경우 센서에서 서버로 직접 데이터를 전송하거나, 게이트웨이를 여러대 설치하거나, 센서 간 데이터 통신을 통하는 방법을 취해야 한다. 그러나 센서별 서버와 직접 통신을 하는 경우, 실시간 모니터링에 있어 통신비가 지속적으로 발생하게 되며, 통신을 위한 전력 소모가 극심하다는 단점이 있다. 게이트웨이를 여러 대 설치하는 방법은 상시전원 공급 문제가 있어 사실상 무선 센서네트워크 구축의 의미가 손실된다. 따라서 센서끼리 데이터 송수신으로 현장 컴퓨터에 계측데이터를 전송하는 방법을 취하는 것이 가장 효율적이라 할 수 있다. 그러나 시중에서 계측 정밀도 및 정확도가 충분히 확보된 무선 센서 및 데이터 로고는 상당수 있음에도 불구하고, 센서 노드 간 통신이 가능한 제품은 찾을 수 없다. 따라서 본 연구에서는 요구 기능을 만족시킬 수 있는 센서 노드를 자체적으로 개발하였다. 개발된 센서 노드는 상용 제품과 거의 동일한 데이터 로깅 성능을 발현하며, 변형률계 3기, 경사계 1기, 온도계 1기를 설치할 수 있다. 뿐만 아니라 저전력 설계로 1시간 1회 측정 기준 3.5V 배터리 4개를 이용하여 최대 2년간 모니터링이 가능하다.
구조물 모니터링과 형상추정 알고리즘
개발된 무선 센서네트워크 시스템과 형상추정알고리즘에 대한 실증을 진행하였다. 대상교량은 3경간 총연장 400m구간이며, 6기의 GNSS와 30여 기의 변형률계 및 경사계를 설치하였다. 해당 구간은 Abaqus 6.13을 이용하여 모델링하고 다양한 하중 조건을 기반으로 약 1600개의 형상함수를 구성하였다. 결과는 GNSS실측데이터와 추정된 형상을 비교하였다. 결과 처짐의 경향과 처짐량을 상당히 근사하게 추정할 수 있었으며, 향후 이를 이용한 상태평가가 가능할 것으로 판단된다.
설치된 센서 및 센서노드는 장기거동 데이터 확보를 위하여 지속적으로 운영되며 이는 서울기술연구원에 구축된 서버에서 언제든지 확인 가능하다. 서버에서는 전송된 계측데이터 확인 뿐 아니라 영점 조절, 배터리 잔량 확인 등 센서노드 자체에 대한 일반적인 제어까지 가능하다. 그러나 이는 개발자를 위한 도구들로, 실제 관리자가 활용하기에는 어려움이 있다.
본 연구에서는 형상함수 도출을 위해 구조해석에 사용된 Abaqus의 3D모델을 활용하여 센서의 위치를 모델 위에 표시하고, 이를 직접 선택하여 계측데이터를 직관적으로 확인할 수 있는 웹기반 관리 시스템을 추가로 제작하였다. 이 시스템에 사용된 모델과 데이터는 다양한 형태로 가공될수 있어 확장성이 풍부하며, 3D모델 또한 각각의 부재를 나누어 선택할수 있어 계측데이터 외 다양한 정보를 추가적으로 연결할 수 있다.