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철도교, 체계적이고 효율적으로 유지 관리한다 철도교, 체계적이고 효율적으로 유지 관리한다 ▲ 서동우 KICT 구조연구본부 연구위원 신속 교체 및 급속 시공이 가능한 철도 하로교 기술 국내 철도교는 대체로 건설된 지 오래돼 다양한 문제점이 나타나고 있다. 노후화로 안전성에 대한 우려가 제기되는 것뿐만 아니라, 유지보수에도 상당한 경제적·인적 자원이 필요하다. 철도 교량의 노후화로 인한 불의의 사고를 예방하고, 인명과 재산 피해를 최소화하기 위한 기술이 개발됐다. 신속 교체 및 급속 시공이 가능한 철도 하로교 기술이 바로 그것이다. 철도 하로교는 무엇이며, 철도에서 어떤 역할을 하는 구조물인가요? 철도가 지나는 교량인 철도교에는 상로교(上路橋)·하로교(下路橋)·중로교(中路橋)가 있습니다. 이중 하로교는 주행로의 궤도를 지지하는 바닥판을 교량 거더의 하부에 배치한 구조로, 거더 아래에 공간 여유가 없는 경우 주로 활용됩니다. 최근 연구 중인 기술은 하로교에 적용할 수 있습니다. 기술을 개발하게 된 배경은 무엇인가요. 2020년 12월 기준으로 국내 철도시설 현황을 보면 교량은 총 3,514개소, 터널은 842개소, 역사는 696개소입니다. 이 수치에서 알 수 있듯이, 교량은 역사와 터널과 비교해 4배 이상 많아요. 그런데 이런 교량은 대체로 일제강점기나 산업성장기 때 건설된 철도시설로, 노후화가 매우 심각한 상황이에요. 게다가 최근 기상이변과 잦은 지진 발생으로 노후화된 철도 시설의 성능이 더욱 저하되고 있어요. 이는 열차의 안전 운행뿐만 아니라 이용자의 안전까지 위협하는 문제이죠. 국민의 생명과 안전을 확보하기 위해서라도, 하로교의 체계적인 관리와 유지를 위한 기술이 필요했습니다. 또한 사고나 재난이 발생해 하로교에 문제가 생겼을 때 신속하게 시설물을 유지보수 할 수 있는 기술이 부족했습니다. 사고가 발생하면 철도교 이용을 제한하는 시간이 길어집니다. 게다가 철도교 특성상 우회로를 확보하는 일이 불가능해요. 따라서 유지 보수나 개량을 위해 신속한 기술이 필요로 했죠. ‘신속 교체 및 급속 시공이 가능한 철도 하로교 기술(이하 하로교 기술)’을 더욱 자세하게 설명해주세요. 기존에는 이런 기술이 없었나요? 일반적으로 철도 하로교를 건설할 때 ‘강합성(SRC)’ 구조와 ‘프리스트레싱(PSC)’ 구조 두 가지 공법을 사용합니다. 강합성 구조는 강재 주거더와 가로보를 철근이 관통하여 일체로 타설하는 공법으로, 상대적으로 구조의 높이가 낮고 무거운 하중을 잘 견딜 수 있어요. 하지만 강철을 가공하는 데 비용이 많이 들고, 현장에서 철근을 가공하고 조립하며 콘크리트를 부어야 하기 때문에 시간이 많이 걸려요. 무거운 구조물을 사용해야 하므로 긴 다리에는 적용하기 어려워요. PSC는 종방향 거더와 횡방향 바닥판에 긴장력을 주는 방식입니다. 이는 콘크리트의 강도와 품질에 크게 영향을 받고, 현장에서 철근 조립과 콘크리트 타설 작업이 필요해요. 또 형고가 높아 다리의 개방감을 떨어뜨리고 SRC와 마찬가지로 40m 이상의 긴 경간을 만들기에는 어렵습니다. 프리캐스트 모듈러 하로교 기술은 빠르게 시공하기 위해 PC(Precast Concrete) 슬래브를 이용한 방법입니다. 이 방법은 현장에서 콘크리트를 부어 굳히는 시간이 필요 없고 계절에 따라 작업이 제한되지 않는다는 장점이 있습니다. 현재 기술은 어느 단계까지 와 있나요? 하로교 바닥판 위치에 따라 적용할 수 있는 다양한 형식의 구조를 개발하는 중에 있습니다. T형, 역T형, 초저형고 PSC 구조, 굴절형 강합성 바닥판 등이 있습니다. 강재 주거더를 사용해 횡방향으로 긴장을 주는 방식은 트럼펫이나 나선철근이 필요 없고, 일반 포스트텐션의 정착구처럼 힘이 집중되지 않습니다. 이런 구조는 국내외에서 아직 사례가 없습니다. 본 기술의 시장 전망은 어떤가요? 30년 이상 된 철도 교량과 터널의 노후화가 37% 이상으로 급속히 진행되고 있어, 철도 시설 개선을 위해 체계적인 기술과 경제적인 방법을 개발하는 필요성이 높아지고 있습니다. 2020년부터 2024년까지의 국가재정 운용계획에 따르면, 철도 및 도시철도에 대한 사회경제적 투자 계획은 2021년부터 도로에 비해 상당히 높아지고 있습니다. 특히, 교통 및 물류 분야에서는 철도 및 도시철도에 대한 투자 비중이 가장 크게 늘어나고 있습니다. 2022년에는 철도시설 및 안전설비의 확충 및 개량을 위해 약 2조 690억 원의 예산이 책정되어 있으며, 이는 분야별·연차별 예산 중에서 가장 큰 비중을 차지하고 있습니다. 즉, 선로 연장과 시설 노후화에 따른 유지보수와 개량 시장의 비중이 계속해서 증가하고 있으며 이에 대한 투자 예산이 증가하고 있기 때문에 시장 전망은 밝다고 할 수 있습니다. 본 기술을 실제로 적용했을 때의 효과에는 무엇이 있나요? 철도 하로교의 주요 문제 중 하나는 현장 작업량이 많다는 것인데, 프리캐스트 모듈러 철도 하로교를 사용하면 작업 시간이 약 83% 줄어든다는 것을 확인했습니다. 만약 이 연구 개발이 성공한다면, 공동연구기관인 코벡㈜에서 제작 및 시공 중인 철도 하로교의 공사비를 27m 및 40m 간격으로 사전 검토한 결과, 20% 이상 절감할 수 있을 것으로 기대됩니다. 공동연구기관과 중·장경간 철도 하로교의 공사비를 줄일 수 있는 방법을 검토한 결과, 강재 사용량이 공사비 증가에 가장 큰 영향을 미친다는 사실을 확인했습니다. 사전 검토 자료에 따르면, 현재 코벡㈜의 공사비는 다른 개량 업체에 비해 27m 간격에서는 약 33.5% 높고, 40m 간격에서는 약 38.4% 높다는 것으로 나타났습니다. 하로교 기술이 실제로 적용되면, 시간 단축뿐만 아니라 비용 절감이라는 다양한 효과가 발생할 것으로 예측되는데요. 그렇다면 앞으로의 연구 목표에는 무엇이 있을까요. 현재는 철도뿐만 아니라 소하천의 홍수 위험이 높아진 경우에 대비하여 강합성 라멘(저형고 교량 형식) 도로교의 교체를 목표로 새로운 기술을 개발하고 있습니다. 더불어 이 프로젝트는 중로교 형식에도 적용할 수 있도록 급속 시공 및 교체가 가능한 교량을 개발하는 것 또한 목표로 하고 있습니다. 무엇보다 철도교통이 정시·안전 운행할 수 있도록 하는 것은 국민 대다수의 편익에 절대적인 영향을 주는데요. 재해 발생 시 신속한 대응과 복구가 가능한 기술을 적용하여 불의의 사고를 예방하고 인명 및 재산 피해를 최소화하는 데 도움이 될 수 있기를 바랍니다. 구조연구본부 게시일2024-10-24 조회수 279
콘크리트의 나노미터(nano meter) 세계를 들여다보는 기술 콘크리트의 나노미터(nano meter) 세계를 들여다보는 기술 ▲ 이남곤 KICT 구조연구본부 수석연구원 들어가며 콘크리트는 물, 시멘트, 모래, 자갈로 구성된 지구상에서 많이 사용하는 인공재료 중 하나이다. 전 세계적으로 콘크리트 연간 생산량은 약 300억 톤이며, 우리나라에서는 연간 약 3억 톤이 생산되고 있다(York, I. N. et. al., 2021)(한국레미콘 공업협회). 우리가 살고 있는 아파트를 포함해 대부분의 건축물은 콘크리트로 지어져 있기 때문에 우리 생활과도 매우 밀접한 재료라고 할 수 있다. 그러나 일반인들에게 콘크리트라는 재료는 주로 부정적인 인식으로 자리 잡고 있다. 예를 들어 콘크리트의 주원료인 포틀랜드 시멘트는 생산과정 중에 다량의 이산화탄소를 배출해 지구온난화의 원인 중 하나로 알려져 있으며, 건설 산업에서 콘크리트 관련 부실시공으로 인해 구조물 사고 및 인명피해가 발생하기도 하는 등 콘크리트에 대한 대중적인 인식은 좋다고 할 수 없다. 콘크리트는 최소 4가지 이상의 재료가 혼입되어 제조된다. 물과 반응하여 굳어지는 특성, 그리고 콘크리트의 강도를 발현하는 물질의 복잡성과 낮은 결정성으로 인해 콘크리트의 성능을 예측하고, 제어하기가 매우 까다롭고 어렵다. 콘크리트에 대한 연구는 더 강하고, 더 오래가고, 더 환경친화적인 콘크리트를 만들기 위해 많은 연구자가 수십년간 노력해 오고 있다. 콘크리트의 대표적인 물성인 압축강도, 탄성 계수, 인장강도, 수축, 크리프, 응결, 유동성, 수화열 등에 대한 연구는 주로 매크로(macro, › 1mm) 또는 마이크로(micro, ‹ 1μm) 크기 수준에서 이루어지며, 마이크로 수준까지 연구 만으로도 충분히 위에서 언급한 물성에 대한 메커니즘 규명 및 성능 향상 연구가 가능했다. 또한, 분석 장비의 발달과 함께 마이크로 수준에서 콘크리트의 재료 및 미세구조 분석이 가능해 지면서 관련 분야 연구가 활발하게 이루어졌다. 그러나 마이크로 수준의 연구만으로는 여전히 밝혀지지 않은 콘크리트 정보가 존재하며, 풀어야 할 콘크리트의 재료적 문제가 있다. 콘크리트 공극 구조 분석 최근에는 고급 분석 장비 발달과 함께, 콘크리트에서도 마이크로미터 이하 수준에서 분석 연구가 가능해지고 있다. 콘크리트에는 다양한 크기의 공극이 존재하며, 이 공극들이 콘크리트의 물성과 매우 밀접한 관련이 있다. 예를 들어, 0.1mm 수준의 공극은 콘크리트의 동결융해저항성능, 염해저항성 과 관련이 높고, 0.1~1μm 수준의 공극은 압축강도, 탄성계수, 50nm 이하 수준의 나노 크기 공극은 수축, 크리프 등 과 연관성이 높다고 알려져 있다. 이러한 다양한 크기의 콘크리트 공극을 알아보기 위해서 기존에 여러 분석 장비가 존재 한다(그림 1). 현재까지 가장 많이 사용되는 공극 분석 장비는 수은압입법(Mercury Intrusion Porosimetry)이다. 정량적이고 손쉽게 측정이 가능한 장점이 있으나, 일반적으로 10㎚ 크기 이상의 공극만 알아낼 수 있는 단점이 있다. 또한, 콘크리트의 정확한 공극 구조를 관찰하기 위해서는 내부에 존재하는 물을 제거(건조)하는 과정이 필요한데, 이 건조 과정에서 내부 공극 구조가 손상되는 문제도 있다. 이 외에도, 질소흡착(Nitrogen Adsorption), 투과전자 현미경(Transmission Electron Microscopy: TEM), 주 사전자현미경(Scanning Electron Microscopy: SEM), Micro X-ray CT 등의 분석법이 있다. 더 작은 크기의 공극까지 알아볼 수 있는 분석 장비 중에서 최근에 활발하게 연구되고 있는 장비가 바로 H NMR(proton NMR 또는 Hydrogen-1 NMR)이다. 표 1 콘크리트 내부 공극 크기에 따른 분류(Monterio, P., 2006) 콘크리트 내부 공극 크기에 따른 분류(Monterio, P., 2006) 분류 모세관 공극(수) 겔 공극(수) 층간 공극(수) size 50nm이상 10~50nm 2.5~10nm 0.5~2.5nm 설명 50㎚보다 큰 공극은 보통 macro pore라 하며, 강도와 투수성에 영향 이 공간에 존재하는 물을 free water 라고 함 50㎚보다 작은 공극은 micro pore라 함 건조수축 및 크리프에 영향 C-S-H와 같은 수화물 표면에 물리적으로 결합된 물 상대습도 30% 이하의 강한 건조조건에서 증발되고 수축 발생 매우 작은 크기 공극이므로 강도와 투수성에는 영향이 적음 건조수축 및 크리프에 영향 C-S-H 구조의 공극 안에 결합된 물로서 존재 이 공간에 존재하는 물은 수소 결합에 의해 강하게 C-S-H 층에 결합되어 있음 상대습도 11% 이하의 강한 건조조건에서 증발되고 수축 발생 1 H NMR(Nuclear Magnetic Resonance) 분석 기술 개념 NMR이란 원자핵의 스핀 성질과 자기모멘트를 이용한 분광법이며, 자기장 내에서 원자핵의 자기모멘트에 특정한 외부의 에너지가 작용하여 그 에너지를 흡수하고 다른 에너지 준위로 전이하는 현상을 말한다. 1H NMR은 물 분자 속 양성자(proton)의 T2이완시간(spin- spin relaxation time)을 측정하여 콘크리트 내부의 물 분자가 존재하는 공간(공극)의 크기를 알아내는 방법이다. 콘크리트 내부에 존재하는 물은 건조과정 후에 그 공간이 공극이 되므로, 1H NMR과 같은 분석 방법을 사용하면 콘크리트의 공극 크기를 정량화할 수 있게 된다. 쉽게 말해 물을 사용하여 콘크리트 내부의 공극 구조를 관찰하는 분석법이다. 이 분석법은 콘크리트 내부 나노미터 크기의 작은 공극을 알아 볼 수 있으며, 별도의 건조과정이 필요없고 콘크리트가 굳기 전부터 굳은 후까지 실시간으로 측정이 가능하다. 이 방법을 통해 알아낼 수 있는 정보는 표 1과 같으며, 콘크리트 속에 존재하는 공극을 크기별로 알아낼 수 있다(그림 2). 예를 들어, Interlayer pore(층간 공극, 2.5nm 이하), gel pore(겔 공극, 2.5~10nm), capillary pore(모세관 공극, 10nm 이상)이다. 또한 각각의 공극 부피를 정량적으로 알아내는 것도 가능하다. 나노미터 수준에서 콘크리트 공극 구조 분석 1H NMR 분석법을 사용하여 콘크리트의 공극을 분석한 결과를 그림 3과 그림 4에 나타냈다. 해당 시편은 물/시멘트 비 0.4로 제조된 시멘트 페이스트로서 H NMR 분석을 수행한 결과이다. 1H NMR 신호를 통해서 계산된 피크에 대응하는 T2이완시간을 알 수 있고, T2이완시간은 물 분자가 존재하는 공극의 크기를 알 수 있게 된다. 일반적으로 T2 이완시간이 100μs(micro second)일 때 나타나는 피크는 ‘Interlayer water’를 의미하고, 300~500μs에서는 ‘Gel water’, 600~1000μs에서는 ‘Interhydrate water’(보통 Capillary water에 속함), 1000μs 이상은 ‘Capillary water’를 의미한다. 그림 3에 나타난 상대적 신호 강도를 정량화하여 계산한 결과는 그림 4와 같다. 그림 4는 시멘트 페이스트가 점차 수화함에 따라서 내부 공극수의 크기가 어떻게 변화하는지를 시간 영역으로 나타내고 있다. 초기부터 약 5시간까지는 시멘트 페이스트가 굳기 전 상태이므로 Capillary water만 측정된다. 수화가 시작되고 4~5시간부터 Interhydrate water가 발생하기 시작하고, 7시간부터 Gel water가 측정된다. 그리고 10시간 후부터는 Interlayer water도 확인된다. 기술 활용 방안 콘크리트가 굳기 전부터 내부의 공극 크기가 어떻게 변화하는 가에 대한 정보를 실시간으로 얻을 수 있는 것은 매우 의미 있는 연구이다. 이 기술은 콘크리트의 주요 물성인 자기수축, 건조수축, 크리프, 압축강도를 예측하는 데 활용될 수 있다. 장기 내구성 측면에서도 이 정보를 활용하여 콘크리트의 공극 구조 를 시뮬레이션 함으로써 동결융해, 염해저항성 등을 예측하고 판단하는 데 활용할 수 있는 가치 있는 정보라고 할 수 있다. 즉, 콘크리트에서도 나노 크기의 미시 세계 정보를 사용하여 거시 거동을 예측하는 연구가 가능하다. 향후, 이 분석기술은 더 안전하고 튼튼한 신규 콘크리트 구조물을 건설하기 위한 재료 설계에 활용될 수 있으며, 또한 기존 구조물의 내구도를 판단하는 근거로 활용될 수 있기를 기대해 본다. ――――――――――――――――― 참고자료 • 한국레미콘공업협회(http://www.krmcia.or.kr) • Anovitz L M Cole D. R. (2015). Characterization and analysis of porosity and pore structures. Reviews in Mineralogy and geochemistry 80(1), 61-164.) • Jennings H M Kumar A., & Sant, G. (2015). Quantitative discrimination of the nano-pore-structure of cement paste during drying: New insights from water sorption isotherms Cement and Concrete Research, 76, 27-36 • Monteiro, P. (2006). Concrete: microstructure, properties, and materials. McGraw-Hill Publishing. • York, I. N., & Europe, I. (2021). Concrete needs to lose its colossa carbon footprint. Nature, 597(7878), 593-594. 구조연구본부 게시일2024-08-28 조회수 326
산업시설물 PSA(Probabilistic Safety Analysis)의 필요성 산업시설물 PSA(Probabilistic Safety Analysis)의 필요성 ▲ 이세혁 KICT 구조연구본부 수석연구원 들어가며 산업시설이란 기업의 생산 활동을 위해 필요한 사회 기반 시설로 과거에는 공업단지로 불렸으나 근래에는 산업시설로 바뀌어 불리고 있다. 우리나라는 1962년 대규모 부지를 요하는 중화학공업 등으로 구성된 울산공업단지를 시초로, 1990년대 이후 소수 전문 인력을 갖춘 첨단·정보산업의 발달로 전국적으로 산업단지가 조성되었다. 다양한 산업시설물 중 중화학공업과 같이 큰 규모를 갖춘 대표적인 곳은 울산과 여수가 있다. 울산미포국가산업단지, 온산공업산업단지에는 아시아 최대 규모의 정유·화학산업단지가 구성되어 있다. 울산산업단지와 나란히 큰 규모를 자랑하는 여수국가산업단지는 석유화학단지 단일 규모로는 세계 1위 규모이며, 산업단지로서도 동양 최대 규모이다. 두 산업단지는 1970년대에 개발이 시작되었고, 최근에는 40년이 넘는 노후 설비 문제가 부각되고 있다. 실제로 200여 건의 크고 작은 폭발 및 화재 사고와 이로 인한 사망사고가 발생하였으며, 여수산업단지의 2021년 산재 신고는 최소 72건으로 파악되고 있다. 산업시설에서 발생하는 재난·재해 사고는 대부분 폭발과 화재이지만, 대규모 두 산업단지 인근인 2016년과 2017년에 발생한 경주·포항지역 지진으로 인해 경각심과 더불어, 특정 업체에서는 자발적으로 시설물 내진 성능 평가를 수행하고 있다. 하지만 이는 일부 움직임이다. 지진 위험도에 관한 많은 연구가 수행되어 온 원자력 발전소와 달리, 산업시설은 지진에 관한 연구가 상대적으로 부족한 실정이다. 지진은 매우 큰 파급력을 가진 자연재해이며, 특히 산업시설에 지진으로 피해가 발생하면 폭발과 화재로 이어지는 연쇄 재해(Na-Tech, Natural Hazard Triggering Technological Disaster) 발생 가능성이 있다. 이는 큰 사회적 재난을 초래할 수 있다. 실제로 1999년 터키에서 발생한 지진으로 산업 시설물에서 탱크 화재가 발생하였으며, 2011년 일본에서도 지진으로 인한 석유화학 탱크 폭발이 발생한 사례가 있다. 이 글에서는 원전 분야의 지진에 대한 확률론적 안정성 평가(PSA, Probabilistic Safety Analysis) 방법을 소개하고, 산업시설물 지진 PSA 기법 개발 현황 및 추후 지진 유발 폭발 및 화재와 같은 연쇄 재해 PSA 평가를 위한 향후 연구 방향성을 간단히 소개하고자 한다. PSA(Probabilistic Safety Analysis) PSA는 미국 EPRI(Electric Power Research Institute)를 중심으로 개발되었으며, 원자력 분야에서는 설계초과지진에 대한 원전 안정성 입증을 위해 필수적으로 수행된다. 원전의 Seismic PSA(SPSA)는 크게 Level 1, 2, 3으로 나누어져 있다. Level 2와 3은 원전 부지 밖의 평가를 수행하는 것이며, Level 1은 노심 파괴 확률 산정이라는 명확한 목적이 있다. 원전의 노심이 파괴될 경우 방사선 유출이라는 심각한 사고를 초래하기 때문에, 이를 대비하기 위해 많은 노력이 이루어지고 있다. 노심파괴 확률을 평가하는 SPSA를 수행하기 위해서는 원전이 위치한 부지에 대한 지진 재해도를 산정하고, 원전 부지 내 모든 시설 및 설비들에 대한 지진 취약도를 필요로 한다. 원전 시스템을 표현하기 위해서는 ETA(Event Tree Analysis, 사건수목 해석)와 FTA(Fault Tree Analysis, 고장수목 해석)가 사용된다. FTA는 하위 시스템의 모든 설비들의 관계도를 표현하며, ETA는 지진 유발의 하위 시스템 파괴확률을 이용하여 지진 사고 경위 시나리오를 표현한다. 최종적으로, 시스템에 대한 분석과 지진 재해도의 합성곱(Convolution)을 통해 노심의 연 파괴 빈도 확률이 산정되게 되며, 이를 이용하여 원전의 안전성 평가가 이루어진다(그림 1). 산업시설물 PSA 적용 가능성 검토 원전과 달리 산업시설은 그 종류가 다양하며, 가장 큰 차이점은 핵심 설비의 부재이다. 원전의 경우 노심의 안전이라는 최우선 목표가 있지만, 산업시설의 경우 공정에 따라 특성도 다를 뿐만 아니라 핵심 설비 개념이 존재하지 않는다. 즉, 공정 과정의 여러 설비가 동일하게 중요하며, 이러한 이유로 원전 PSA를 바로 적용할 수 없다. 또한, 국가시설인 원전과 달리 산업시설은 민간에서 운영되는 경우가 많으며 내부 사건·사고 또한 폐쇄적인 특성으로 알려져 있지 않기 때문에 사건 수목과 같은 사고 경위 분석이 필요한 경우 적용이 쉽지 않다. 산업시설물을 위한 PSA 기술 개발 산업시설 시스템 리스크 평가를 위해서는 정점 사건의 파괴확률 산정을 목표로 한다. 그 관계를 표현하는 고장수목이 적용하기 쉽고, 정점 사건으로는 다양한 산업시설의 일반적 적용성을 위해 특정 설비의 파괴가 아닌 운영과 관련된 사건(예: 운영 정지)이 적합하다. 정의된 정점 사건에 대한 고장수목 구축을 위해서는 공정 파악이 필수적이며, 이때 PFD(Process Flow Diagram), P&ID(Piping and Instrumentation Diagram) 등을 참고하여 단위·부공정의 기초 설비와 전체 공정의 관계를 파악할 수 있다. 구축된 고장수목은 기초사건에 입력된 설비들의 지진 취약도 정보를 기반으로 파괴확률을 산정할 수 있다. 그러나, 중간 사건에 해당하는 하위시스템의 파괴확률을 산정하거나 특정 하위시스템이 파괴되었을 때의 정점 사건 확률 혹은 관련 기초 설비들의 파괴확률 등을 역으로 산정하기에는 용이하지 않다. 이러한 유연한 의사결정을 수행하기 위해 구축된 고장수목을 베이지안 네트워크(Bayesian Network, BN)로 변환하여 사용한다(Zwirglmaier, 2016). 확률론적 시각 도구인 BN은 2000년대에 들어서 널리 사용되기 시작한 의사결정 방법론으로서, 확률변수 간의 관계를 CPT(Conditional Probability Table)로 정량화하고 이를 통해 모든 변수의 확률을 산정한다. 또한, 특정 변수에 대응하는 사건 정보가 주어졌을 때 주어진 정보에 기반한 다른 변수들의 확률이 재산정되어 그변화를 시각적으로 파악할 수 있는 장점이 있다(그림 2). 그림 3은 설명한 일련의 과정을 나타낸다. 산업시설물 PSA의 미래 방향 앞선 방법론은 대상 산업시설의 공정 프로세스 기반 고장수목 연계 BN 구축 과정을 소개하였다. 이 기법은 운영 정지 시 하위시스템 혹은 설비들의 원인 순위 결정이 가능하며, 이를 통해, 지진 재해 대응안 수립 혹은 보수·보강 우선순위를 결정할 수 있다. 이러한 방법론은 베이지안 네트워크 특성상 기존 원전 PSA보다 유연하며, 향후 지진 유발폭발·화재와 같은 연쇄 재해와 쉽게 연계될 가능성이 있다. 하지만, 원전 설비들의 지진 취약도가 구축되어 온 것과 달리, 다양한 산업시설과 그에 해당하는 많은 설비들의 지진 취약도는 구축되어있지 않은 실정이다. 많은 설비들의 지진 취약도 구축 및 맵핑 기술 개발과 더불어 연쇄 재해연구가 지속된다면 복합 재난재해에 대한 산업시설물의 안전한 미래를 확보할 수 있을 것이다 구조연구본부 게시일2023-09-26 조회수 542
구조물 모니터링 내 Dataset Shift에 대한 이해 구조물 모니터링 내 Dataset Shift에 대한 이해 ▲ 진승섭 KICT 구조연구본부 수석연구원 들어가며 사회 기반 시설물은 국민의 편의를 도모하고 편익을 증진하는 공공 시설물로 우리나라 경제 발전을 견인하는 기반을 제공한다. 우리나라는 1970년대 급격한 경제성장과 함께 사회 기반 시설물이 집중적으로 건설되었으며, 향후 해당 시설물들의 노후화는 중요한 문제이다. 게다가 인구 노령화로 인한 관리인력 부족 등 사회 변화가 복합적으로 영향을 미칠 것으로 예상된다. 이러한 흐름 속에서 제한된 유지관리 예산을 토대로 사회 기반 시설물의 노후화 문제를 효과적으로 해결할 수 있는 많은 방법이 연구되고 있다. 건설뿐만 아니라 기계, 제조 등 다양한 분야에서도 대상 시스템의 결함, 손상 및 성능저하 등 유사한 문제가 발생하여 이를 해결하기 위한 연구 개발이 지속적으로 이루어지고 있다. 다양한 학제에서 공통적으로 지향하는 유지관리 패러다임은 ‘선제적 관리체계’로의 전환(shift)이다. 유지관리 패러다임은 그림 1과 같이 세 가지 접근법으로 구분할 수 있다. 가장 원시적인 패러다임은 사후 유지관리(reactive maintenance)로 문제가 발생할 경우 이를 사후에 처리하는 접근법이다. 문제가 발생하고 이를 인지하여 조치하기 때문에 사후조치 비용(repair cost)이 과도하게 발생할 수 있고, 직·간접적인 사회적 혼잡 비용도 유발한다. 이와 반대로 주기적인 점검과 유지보수를 수행하는 예방적 유지관리(preventive maintenance)가 있다. 사후 유지관리와 달리 구조물 시공 및 철거 전(생애주기)까지 과도한 점검 비용과 유지관리 비용(prevention cost)이 발생할 수 있다. 선제적 유지관리(proactive maintenance)는 구조물의 상태(성능)를 기반으로 유지관리 계획과 보수·보강 시점을 예측하고 필요할 경우 조치를 수행하는 방식이다. 이러한 접근법을 통해 유지관리 비용과 사후 조치 비용을 합친 총비용(total cost)이 가장 최적화되는 균형점을 지향하는 방법이다. 선제적 유지관리에서는 다양한 유지관리 의사결정(점검 계획 및 보수·보강)에 필요한 데이터를 상시계측 시스템을 통해 획득한다(구조물 모니터링). 인천대교와 같은 중요도가 높은 사회 기반 시설물에는 상시 계측 시스템이 구축·운영되고 있으며, 이를 통해 구조물 응답과 주변 환경인자(온도, 풍속 등)를 연속적 혹은 주기적으로 계측한다. 따라서 기존의 인력 점검체계에서와 달리 방대한 양의 데이터가 지속해서 생성되기 때문에 이를 처리하여 최종 사용자(관리주체)의 의사결정에 필요한 정보를 신속히 제공하는 ‘자율 모니터링 시스템(autonomous monitoring system)’이 요구된다. 자율 모니터링 시스템의 핵심 조건 중 하나는 사용자의 개입을 최소화하며 양질의 학습 데이터로부터 자율적으로 신뢰성 높은 분석을 수행하고 그 결과를 제공하는 것이다. 지속적으로 구조물 모니터링을 수행함에 있어, 공용 중에 발생하는 외부 변동(운영·환경조건 변화)으로 인한 응답 패턴의 변동성인 Dataset shift가 발생할 수 있다. 이러한 현상을 효과적으로 고려하는 것이 신뢰성 높은 자율 모니터링 시스템을 구현하는 데 매우 중요하다. 이 글에서는 구조물 건전성 모니터링 기술의 개념을 간략히 소개하고, 이를 토대로 실제 구조물에서 발생한 dataset shift의 사례와 이를 해결하기 위한 방법 중 하나인 온라인 학습 방법을 간단히 소개하고자 한다. 구조물의 내/외적 특수성(uniqueness)과 구조물 모니터링의 역할 건설 분야의 사회 기반 시설물은 기계 시스템 등과 달리 내/외적 고유한 특수성을 가진다. 동일한 구조 형식으로 설계할지라도 구조재료, 시공 방법·조건 등에 따라 발현되는 강성 및 거동 특성이 달라진다. 공용 중 노출되는 외력(차량 하중 등)과 노출 환경(온도, 습도 및 염분 등) 등 외부 환경이 공간(위치)과 시간(계절)에 따라 상이하다. 즉, 구조물마다 서로 다른 고유의 강성, 거동, 열화, 손상 특성을 가지기 때문에 구조물 상태의 단순 예측이 어려운 구조체이다. 구조물 모니터링을 통해 측정된 데이터는 공용 중에 발생하는 문제를 파악하고 해결할 수 있는 기초자료로 활용할 수 있다. 대표적인 예시로, 실시간 구조물 모니터링 중 이상 상태(손상)가 감지되면 그 결과를 관리자에게 신속하게 통보해줌으로써 시기적절한 의사결정(이용 제한 후 정밀 점검)을 할 수 있게 하며, 나아가 시간 이력 DB 구축과 이를 토대로 성능 예측 모형 개발에 활용될 수 있다. 진동 응답 기반 구조물 건전성 모니터링 구조물 건전성 모니터링(SHM; Structural Health Monitoring)은 ‘구조물에 설치한 다양한 센서로부터 구조물의 응답 및 외부 환경인자(온도, 습도 등)를 측정하여 구조물의 상태(건전성)를 실시간으로 진단하고 그 결과를 관리 주체에게 제공하는 기술’이다. SHM은 크게 공용 중인 구조물의 ①하중에 따른 응답의 입/출력 관계를 통해 상태를 평가하는 방법, ②응답만을 계측하여 상태를 평가하는 응답 기반 방법으로 구분할 수 있다(진승섭, 2017a). 입/출력 관계를 활용하는 평가 방법은 알려진 하중을 재하하기 때문에 구조물의 통제(blocking)가 수반된다(실무 적용의 어려움 존재). 반면 응답 기반(output-only) 평가 방법은 그림 2와 같이 별도의 구조물 통제 없이 상시 진동 응답(ambient vibration from acceleration)만을 계측하고, 이를 모달 해석(modal identification)을 통해 고유진동수(natural frequency)와 모드형상(mode-shape)과 같은 동특성(modal properties)을 추정하는 방법이다(진승섭, 2017b). 동특성은 구조물 고유의 물리적 특성으로, 구조 시스템(질량, 강성 및 경계조건 등)에 의해 결정된다. 구조물의 전역적인 거동 변화를 유발하는 심각한 손상 혹은 성능저하는 구조 시스템의 변화(강성 저하 혹은 경계조건 변화)를 유발하고, 이는 동특성의 변화로 연결된다. 진동 응답 기반 구조물 건전성 모니터링 기술은 실무에서 활용이 용이하다는 측면(사용통제 없이 상시 진동 응답 활용)에서 다양한 연구가 진행되고 있다. 진동 응답 기반 구조물 건전성 모니터링을 통해 ‘실시간 이상 상태 감지’, ‘역 해석을 통한 수치모델 개선’, ‘기계학습 혹은 시계열 모델링을 통한 예측모형 구축’ 등 유지관리에 활용할 수 있는 기초자료를 구성할 수 있다. 구조물 모니터링 내 Dataset shift 현상 동특성과 같은 구조물의 응답은 시간에 따른 외부 환경(온도, 파랑 등)의 변화에 의해 동특성의 특징이 달라질 수 있다(Peeters et al. 2001: Moser et al. 2011). 일례로 단순히 동특성의 변화만으로 이상 탐지를 수행할 경우 오보(false alarm)가 발생할 가능성이 높다. 이에 공용 중에 발생하는 다양한 외부 환경 변화로 인한 변동성을 고려하여 상태를 평가하는 것이 신뢰성 확보 측면에서 매우 중요하다(Deraemaeker et al. 2008). 그림 3은 3경간 프리스트레스트 콘크리트 교량(Z-24)에서 철거 전까지 1년간 측정한 고유진동수(저차 모드 4개)와 아스팔트 포장부의 온도 이력이다(Peeters et al. 2001). 철거 전까지 다양한 손상(교각 침하, 텐던 제거 등)을 점진적으로 유발하면서 손상에 따른 응답(고유진동수) 변화를 분석한 장기 계측 데이터이다. 교각의 침하 시스템(settlement system) 설치로 인해 불가피한 교각 부재의 단면손실이 1998년 8월 9일에 발생하였다. 하지만 손상에 의한 고유진동수 변화량(강성 저하로 인한 고유진동수 감소)은 온도에 의한 변화량(온도 영향으로 인한 고유진동수 증가)에 가려져 고유진동수의 저하 유/무를 쉽게 확인할 수 없음을 알 수 있다. 그림 4는 최초 손상이 발생하기 전(1997년 11월 11일~1998년 8월 8일)까지 Z-24 교량의 아스팔트 온도와 고유진동수 간의 패턴을 보여준다. 그림 4(a)에서 보듯이 아스팔트 온도에 따라 총 3가지 선형 패턴이 발생함을 알 수 있다. 그림 4(b)는 온도 변화(마커의 색상)에 따른 1차와 2차 고유진동수의 패턴 변화가 그림 4(a)에서 확인한 패턴에 따라 발생하는 것을 보여준다. 이는 계절별 온도 발생 범위에 따라 총 3가지 고유진동수(응답) 패턴이 생성되는 것을 의미한다. 즉 구조물의 내/외적 특수성에 따라 시간-종속적인 다양한 패턴(time-dependent pattern)이 발생할 수 있음을 의미한다. 기계학습 분야에서는 이러한 패턴 변화 현상을 Dataset shift라고 정의한다(Quinonero-Candela, J. et al., 2008). Dataset shift 해결을 위한 온라인 학습방법 앞서 살펴본 시간 종속적인 패턴 변화인 Dataset shift는 사전에 확인이 어려우며 장기 데이터 구축과 분석을 통해 파악할 수 있다(Peeters et al. 2001). 그동안 다양한 기법들을 이상상태 탐지 등의 유지관리 서비스를 위한 연구에 많이 적용되었으나, 앞서 언급한 Dataset shift에 대한 연구는 상대적으로 많이 수행되지 않았다(Jin et al., 2015). Dataset shift는 외부 변동(온도)에 의한 응답(고유진동수) 패턴이 시간(계절)에 따라 변화하면서 발생하는 문제이다. 이에 대한 근본적인 해결 방법은 변화하는 패턴을 가장 잘 모사할 수 있는 학습 데이터들을 선택적으로 추출(sampling)하고, 추출된 학습데이터를 활용하여 이상상태 탐지 등 유지관리에 필요한 평가모델을 생성하는 것이다(그림 5). 즉 지금까지 측정된 학습 데이터 전부를 사용하기보다 새로 측정된 데이터와 유사한 학습데이터만을 선별하여 현재 패턴을 가장 잘 모사하도록 학습모델(그림 5의 Model)을 적응적(adaptive)으로 생성하는 것이다. 이는 그림 6과 같이 복잡한 비선형적인 관계를 가지는 학습데이터 분포를 국부적인 선형 형태 영역으로 분할하여 표현하는 것과 동일하다. 즉 전체 영역에서 보면 비선형성을 가지는 곡선(그림 6의 왼쪽)이 작은 영역으로 세분화하면 선형인 직선의 결합(그림 6의 가운데)으로 표현할 수 있는 개념과 유사하다. 새로 측정된 데이터가 속하는 선형 구간의 학습데이터들을 선택적으로 추출하고, 이를 이용하여 학습모델을 생성한다(그림 6의 오른쪽). 이러한 선형 분할 과정은 학습 데이터 간 선형관계를 유지해주는 부수적인 효과가 있다. 이에 따라 복잡한 학습모델(비선형 모델)이 아닌 간단한 학습모델(선형 모델)을 사용하여 학습의 일반화 성능을 향상시킬 수 있다. 또한 전체 학습데이터가 아닌 일부 데이터만을 사용하기 때문에 연산 복잡도 역시 크게 감소시킬 수 있어 실시간 연산 및 낮은 컴퓨팅 자원을 가지는 연산장치에도 쉽게 적용이 가능하다. Dataset shift가 발생하는 Z-24 교량의 실시간 이상상태 탐지에 상기 학습 방식을 적용하였으며, 그 결과 다양한 초기조건에서 적은 오보(false alarm) 및 정확한 손상 발생 시점을 포착하였다(Jin et al., 2018: 진승섭 등, 2022). 향후 구조물 모니터링에 관한 연구 제언 구조물 모니터링 시스템의 핵심은 오보(잘못된 분석)를 최소화하여 분석 결과(상태 평가/예측)에 대한 신뢰도를 확보하는 것이다. 이로써 안정적인 모니터링과 의사결정이 지속될 수 있게 하는 것이다. 지속적인 구조물 모니터링을 수행함에 있어 공용 중 발생할 수 있는 Dataset shift는 신뢰성 확보의 가장 큰 걸림돌로 작용할 수 있다. 이러한 Dataset shift는 구조물의 내/외적 특수성으로 인해 사전에 파악하는 것은 매우 어렵다. 이 글에서 간략히 소개한 온라인 학습 방법은 이러한 문제를 해결할 수 있는 여러 방법 중 하나이다. 따라서 실제 현장에서 발생할 수 있는 다양한 Dataset shift에 적용 가능한 다른 대안들을 적용하고 서로 비교하는 과정을 통해 강건한 방법론을 개발하는 것이 중요하다. 개발된 방법론은 단순히 건설 분야의 모니터링 기술 개선을 넘어 다양한 학제에 적용 가능할 것이며, 나아가 미래 유지관리 분야의 혁신을 이끌어갈 수 있는 핵심기술 중 하나로 자리매김할 수 있을 것이라 생각된다. 구조연구본부 게시일2023-03-27 조회수 829
특수교량 안전점검 로봇 활용 기술 특수교량 안전점검 로봇 활용 기술 ▲ 서동우 KICT 구조연구본부 수석연구원 들어가며 현재 국내 특수교량(계측시스템이 구축되는 케이블 지지교량을 통칭)으로 건설되는 구조물의 대부분은 사장교 또는 현수교로 건설되는 특수교량은 설계 시 요구되는 사용수명이 100년 이상이므로 구조물의 안정성·내구성·사용성 등이 필수적으로 확보되어야 한다(KSCE, 2006). 특수교량에서 핵심 부재 중 하나인 케이블의 손상은 교량의 안전성 저하 및 사용 수명을 단축시키는 주요 요인으로서 환경적인 요인(기후·하중·지진 등)뿐만 아니라, 화재나 충돌 등과 같은 예측하기 어려운 사고 등이 있다. 공용 중인 교량의 경우 케이블 손상이 발생하여 운용이 중단된다면, 이에 따른 경제적·사회적 손실은 막대하다(Na et al., 2014). 국내에서는 서해대교(사장교) 케이블 화재에 의하여 총 144개의 사장재 중 1개가 완전 파단되고, 2개가 부분적으로 손상되는 사고가 발생한 사례가 있다(Gil et al., 2016). 케이블의 안전 및 유지관리를 위한 다양한 점검기술의 개발 연구가 진행되고 있지만, 장비의 이동성 및 접근성의 한계로 대형 시설물인 특수교, 특히 케이블에 적용하는 데 한계가 있다. 이를 보완하기 위하여 비파괴검사가 가능한 케이블 점검 로봇 개발이 이루어지고 있다(Kim et al., 2014). 케이블에 적용하기 위해서는 점검 로봇에 무선시스템을 적용하고 자중을 최소화하여 현상 사용성을 확보할 필요가 있다. 이 글에서는 기존 점검 로봇의 단점으로 지적되었던 주행 안정성을 보완하고, 케이블 내부 손상여부를 파악하기 위한 전자기 센서를 탑재한 케이블 점검 로봇을 소개하고자 한다. 케이블 점검 로봇 설계 및 제원 케이블 점검 로봇 제작은 200mm 이상의 대구경 케이블 적용성 및 로봇 주행 안정성 확보에 중점을 두었다. 케이블 점검 로봇의 3차원 이미지 및 주요 장치에 대하여 그림 1에 나타내었다. 로봇의 제원은 510mm×610mm×710mm이고, 무게는 12.8kg으로 경량화하였다. 또한, 내구성능을 향상시키기 위하여 로봇의 프레임을 알루미늄으로 제작하였다. 케이블의 외관 촬영을 위해 고해상도 IP카메라(1920×1080 픽셀)를 설치하고 무선 와이파이 공유기로 실시간 케이블 촬영 이미지를 전송할 수 있고, 가속도 센서와 로터리 엔코더를 이용하여 로봇의 이동거리를 계산할 수 있도록 하였다. 등반 시 로봇의 흔들림을 최소화하면서 케이블에서 이동할 수 있도록 3개의 구동부 모터(IG-32GM, DC12)와 우레탄 바퀴를 장착하고, 가변 직경 조절부(140~300mm)를 만들어 바퀴와 케이블 사이의 부착력을 향상시켰다. 로봇의 무선 원격제어는 IEEE 802.11 an/ac 5GHz 2×2 MIMO를 사용하여 통신거리 10km, 최대 867Mbps 데이터 전송속도를 낼 수 있도록 제작하였다. 케이블 강선 손상 검출은 전자기 센서를 적용하여 검출하는 방식으로 그림 2와 같이 케이블의 파단(혹은 손상)이 발생하였을 경우, 손상 부위에서 양극성이 다시 나눠지는 원리를 이용하였다. 케이블 손상 검출을 위해 점검 로봇에 탑재되는 센싱 장치는 그림 3과 같이 케이블 직경에 따라 조절할 수 있는 관경 조절 장치와 케이블 표면을 이동하기 위한 롤러부로 구성된다. 그리고 케이블 손상 검출을 위한 전자기 센서는 롤러부의 중간 내부에 삽입되어 있다. 케이블 점검 로봇 성능 평가 케이블 점검 로봇의 주행 성능 평가를 위한 실내외 실험을 그림 4와 같이 실시하였다. 공용 중 교량의 현장 실험을 위하여 케이블 사고 이력이 있는 사장교 1개를 테스트베드 교량으로 선정하였다. 해당 교량은 단경간 타정식 강합성 사장교로서 경간장 400m, 너비 23.9m의 왕복 4차로로 되어있다. 현장 케이블( 200mm)은 경사각도 27.3도, 실내 실험은 45도에서 수행되었다. 검증 실험결과 등반속도(19cm/s)와 하강속도(20cm/s)로 평가되었으며, 하강 시 발생될 수 있는 미끄러짐에 의한 속도 증가의 경우 로봇이 효과적으로 제어하고 있음을 확인할 수 있다. 그리고 경사각도에 상관없이 주행 속도가 일정한 것을 확인하였다. 추가로 현장 실험에서는 3개의 카메라로 케이블 표면을 실시간 이미지 촬영하였는데, 그림 5와 같이 케이블 육안 점검이 가능한 수준임을 확인하였다. 성능 검증 실험 중 통신 관련 문제는 발생하지 않았다. 케이블 손상 검출 실험은 실내에서 실시하였다. 실내 실험에서 사용된 케이블 실험체는 현재 교량에 사용되고 있는 케이블의 한 종류로 내부 케이블은 1.57mm 강연선 7개로 구성된 1개의 번들(Bundle) 20본으로 구성되어 있다. 케이블 케이스의 경우, 주행 능력 실험에서 사용된 동일한 HDPE(고밀도 폴리에틸렌)관을 사용하였다. 케이블 손상 검출을 위하여 인위적으로 손상유형을 그림 6과 같이 모사하였다. 절단 손상의 경우는 단면 절단 정도에 따라 30%, 50% 그리고 100% 절단(파단)으로 세분화하였고, 이탈 손상은 케이블이 정리된 상태에서 외부로 돌출된 경우를 재현하였다. 단절의 경우 1개의 케이블을 짧게 제작하였다. 실내에서 실시한 실험 결과를 그림 7에 나타내었다. 그래프에서 X축은 시간이며, Y축은 전자기 센서 측정값으로 손상(절단)이 발생한 지점에서는 전자기 센서 측정값의 위상이 180도 변화함을 알 수 있다. 한편 단절에서는 전자기 센서 측정값의 위상이 변화하지 않지만, 자기장의 크기가 커짐을 확인하였다. 실험 결과의 신뢰성 확보를 위해서는 본 연구에서 진행된 것보다 더 다양한 손상 유형 및 반복성을 확보한 추가 실험이 필요하다고 여겨진다. 맺음말 이 글에서는 200mm 이상의 대구경 케이블 측정이 가능한 케이블 점검 로봇 개발에 대한 내용을 소개하였다. 개발된 케이블 점검 로봇은 주행능력, 주행 안정성 및 무선 통신 성능을 향상시켜 현장 적용성을 확대시켰다. 전자기 센서를 이용한 케이블 내부 손상 유무의 검출 가능성이 실내 실험을 통하여 검증되었다. 하지만 추가적인 실험을 통해 케이블 손상 유무 이외에 손상 정도 및 손상 종류를 판단할 수 있는 분석 알고리즘을 개발함으로써 점검 효율성을 보다 향상시킬 필요가 있다고 판단된다. 점검 로봇을 활용한 시설물 유지관리 기술이 지속적으로 발전되어 적용된다면 시설물 안전관리에 크게 기여할 수 있을 것으로 기대한다. 본 케이블 점검 로봇은 국토교통부의 예산 지원으로 개발되었으며 현재 국토안전관리원으로 인계되어 일반국도 특수교 유지관리에 활용되고 있다. 구조연구본부 게시일2022-07-25 조회수 1367
해상특수교량 안전점검 드론 및 AI 활용 기술 해상특수교량 안전점검 드론 및 AI 활용 기술 ▲ 이성진 KICT 구조연구본부 박사후연구원 들어가며 해상특수교량은 「시설물의 안전 및 유지관리에 관한 특별법」의 1종 시설물로서 안전점검 및 유지관리를 위해서는 전문적인 경험과 기술이 필요하다. 해상특수교량은 해상이라는 환경적 제약뿐만 아니라 높은 주탑, 보호재로 덮인 케이블 등 특수한 구조로 육안점검이 어려운 점검사각지대가 존재하며, 특히 주탑 외부 균열, 케이블 외부 손상 등에 대해서는 정밀안전점검(정밀안전진단 포함) 시 점검이 안 되는 경우가 대부분이다. 해상특수교량은 천문학적인 비용으로 건설된 중요 SOC 시설로 역사적인 교량 붕괴사고의 경험에 비추어 볼 때, 사후 보수보강보다 예방적 유지관리가 반드시 필요한 시설이다. 따라서 해상특수교량의 환경적·구조적 제약을 극복하고 주탑 균열, 보강거더, 케이블 외부 손상 및 이상거동을 확인할 수 있는 기술 개발이 시급한 실정이다. 이를 위하여 해상특수교량의 손상 등을 직관적으로 확인할 수 있는 시스템이 필요하며, AI(인공지능) 등을 활용하여 전문가가 상주하지 않아도 손상 등을 자동으로 신속하게 분석할 수 있는 체계를 갖추는 것이 필요하다. 국내외 특수교 유지관리 현황 - 국내 특수교 현황 - 국내 특수교 건설은 1973년 남해대교(현수교) 준공과 함께 시작되었다. 국내 현수교 건설은 2000년대 들어와서 본격화되었으며, 2012년에 준공된 이순신대교가 2019년 기준 국내 최대 경간장(1,545m)을 가지는 현수교이다. 국내 사장교 건설은 1984년 진도대교와 돌산대교의 준공과 함께 시작되었으며, 이후 올림픽대교(1990년), 행주대교(1995년) 등 90년대 몇몇 사장교가 준공되었다. - 국내 특수교 유지관리 현황 - 국내 특수교량 시장은 2015년 이후 점차 감소하고 있으나, 특수교량의 유지관리 시장은 꾸준히 증가하고 있다. 현재 국내에는 100개소 이상의 특수교(케이블교)가 공용 중에 있으며, 그 중 약 70개소에는 유지관리용 계측시스템, 즉 모니터링 시스템이 구축되어 있다. 일반국도 상에 건설된 30개소(’20년 기준) 특수교에 대해서는 국토안전관리원과 카지노 게임 사이트에서 국토교통부의 위임을 받아 유지관리업무를 수행하고 있으며, 국토안전관리원 내 특수교관리센터에서는 특수교에 개별적으로 구축된 통합계측관리시스템을 운영하고 있다. 일반국도 외 구간에 건설된 특수교의 경우 지방자치단체, 한국도로공사, 민간도로사업자 및 전문유지관리업체에서 유지관리 업무를 수행하고 있다. - 국외 특수교 유지관리 현황 - 미국·유럽·일본 등과 같은 선진국에서는 특수교 유지관리 업무를 정부 산하기관 혹은 유지관리를 위해 설립된 전문기관이 직접 수행하고 있다. 선진국을 중심으로 특수교 유지관리 주체들의 기술교류모임인 세계케이블교량운영자협회가 운영되고 있으며, 카지노 게임 사이트도 회원으로 참여하고 있다. 교량 계측·모니터링 기술은 1970년대부터 유럽과 북미의 선진국을 중심으로 자국에 건설된 특수교량에 활발히 적용함으로써 발전해 왔으며, 최근에는 무선계측, 광섬유, AE 및 PZT 등의 최신 계측기술의 접목을 시도하고 있다. - 특수교 일상점검 기술 동향 - 모든 점검의 가장 기본적인 방법은 육안에 의해 직접적으로 품질상태와 손상여부를 확인하는 방법이다(그림 2(a)). 기본적으로 근접육안 조사를 원칙으로 하며, 최근에는 보조수단인 망원경, 내시경 등의 장비를 동원하기도 한다(그림 2(c)). 육안 점검은 모든 점검방식 중 가장 광범위하게 사용되는 방식으로 손상에 대한 상세점검 이전에 초기점검 방식으로 수행된다. 이러한 육안점검은 주기적인 점검을 통하여 조사를 수행하여야 하며, 구조물의 상태변화와 관련된 상태평가에 큰 비중을 차지한다. 드론과 AI를 활용한 점검 기술 - 해상특수교량 안전관리 체계 - 해상특수교량에 대한 안전관리 체계를 그림 3과 같이 정립하였다. 드론으로 촬영한 이미지는 영상제작, 손상평가, 데이터 관리에 사용된다. 드론 촬영 이미지를 이용하여 정사영상과 3D 모델을 제작하며, 인공지능(AI) 모델에 입력하여 손상된 부분을 가시화하고 정사영상과 3D 모델링에 손상 위치를 반영하여 갱신하는 데 사용한다. 사용자는 대상교량에 대한 3D 모델과 정사영상을 통해 손상위치를 판별할 수 있으며, 인공지능 모델이 판별한 결과를 사용자가 검토하여 손상여부를 최종 판단한다. - 대상교량 드론 촬영 - 그림 4와 같이 해상특수교량 점검사각지대(주탑부)에 대한 드론 촬영을 진행하였다. 드론을 주탑에서 일정 거리를 유지하고 주탑부 각 면 방향을 따라 오르내리며 반복 촬영하여 다양한 각도의 이미지를 획득하였다. - 손상탐지를 위한 AI 활용 기술 - 해상특수교량 주탑 균열을 탐지하기 위하여 의료분야 x-ray CT 영상의 정밀분석에 사용되는 encoder-decoder 구조의 의미론적 분할(semantic segmentation) 모델인 UNet을 사용하였다(그림 5). 손상탐지 알고리즘의 딥러닝을 위하여 그림 6과 같은 데이터 세트를 이용하였다. 다양한 형태의 균열(9,600여 장)과 비균열(1,400여 장)을 이용하였으며, 균열 픽셀과 비균열 픽셀을 gray scale에서 255와 0으로 레이블링 된 이미지를 이용하였다. 심층 신경망 학습을 위하여 전체 이미지 중 80%인 약 9천 장의 이미지를 사용하였으며, 테스트와 검증을 위해 각각 전체 데이터의 10%인 약 1천 장의 이미지를 사용하였다. - 손상 탐지 결과 - UNet 기반 균열 탐지 모델을 이용하여 해상특수교량 주탑부 촬영 이미지를 입력하여 손상을 탐지한 결과를 그림 7에 나타내었다. 촬영한 이미지의 해상도를 재설정하지 않고 원본 해상도를 이용하여 결과를 도출하였다. 이미지 중앙부에 있는 1600×800 픽셀 해상도의 관심영역을 제한하여 손상부위를 탐지하였다. 실제 드론 촬영으로 획득한 이미지에서 발생한 균열은 미세하고 조도변화가 심하여 육안으로 탐지하기 어려웠지만, 인공지능 모델을 사용하여 미세한 균열이 탐지되는 것을 확인하였다. 향후 지속적으로 학습 데이터 세트를 증가시켜 인공지능 모델의 고도화를 진행할 예정이다. 맺음말 본 연구는 해상특수교량 점검사각지대에 대해 드론을 이용하여 안전점검을 위한 빅데이터를 구축하고, 이를 활용한 인공지능 모델을 이용하여 객관적이고 효율적인 안전점검 평가를 위해 수행되었다. 국내 운용 중인 유지관리 시스템은 관리주체별로 다양한 형태의 시스템을 적용하고 있어 관리기준 등의 신뢰성 검증이 어려운 상황이므로 향후 표준화된 시스템 구축으로 비용 절감 및 관리기준의 신뢰성 증가를 기대할 수 있다. 본 연구를 통해 개발된 점검기술을 바탕으로 사전에 능동적인 시설물 관리가 가능한 스마트 플랫폼으로 활용이 가능할 것으로 판단된다. 구조연구본부 게시일2022-06-20 조회수 1672
PSC 구조물 비파괴평가기술(PSC 청진기) 개발 PSC 구조물 비파괴평가기술(PSC 청진기) 개발 ▲ 박광연 KICT 구조연구본부 수석연구원 PSC 구조물의 노후화와 외부 PS텐던 비파괴검사의 필요성 국내외를 막론하고 문명화(Civilization)가 진행된 국가는 토목공학(Civil engineering) 기술의 정수가 담겨 있는 각종 교량이 다수 건설되어 물류와 승객이 강과 골짜기를 빠르게 건너갈 수 있게 한다. 대한민국 역시 문명화 된 국가답게 많은 교량이 건설되어 한강을 쉽게 건너 강북지역과 강남지역을 하나의 도시로 묶고, 산골짜기를 극복해 산간 지역의 접근성을 크게 키웠으며, 섬과 육지를 연결해 섬을 육지화하는 등 많은 역할을 하고 있다. 이러한 교량의 38%는 Pre-Stressed Concrete(PSC) 구조를 사용해 지어진 것으로 조사되고 있는데 대한민국의 경제가 급격하게 성장한 80~90년대부터 많은 수의 교량이 지어졌음을 고려하면 30년 이상된 노후 PSC 구조의 안전진단 기술 개발이 시급하다는 것을 알 수 있다. PSC 구조는 이름에서 알 수 있듯 Pre-Stressingtendon(PS텐던)이 가장 중요한 역할을 하고 있는데 PS텐던은 크게 외부 PS텐던과 내부 PS텐던 두 가지로 분류할 수 있다. 이중 외부 PS텐던은 2016년 서울시 내부순환로 정릉천교의 외부 PS텐던 부식사고로 인한 막대한 경제적, 사회적 손실 사례가 발생해 안전진단의 필요성에 대한 경각심을 전 국민에게 일깨워 주었다(그림1). 외부 PS텐던 비파괴검사기술의 현 주소 카지노 게임 사이트에서는 정릉천고가교 사례를 계기로 외부PS텐던의 건전성을 평가할 수 있는 기술을 조사하기 위해 국내외 비파괴검사 기술을 대상으로 KICT Blind Test(2016)를 실시했다. 외부 PS텐던의 건전성은 단면손상, 응력, 공극 등 3가지 지표를 활용해 확인할 수 있는데 응력은 국내외를 막론하고 관련 기술을 가지고 있는 곳이 없었고 공극은 한 프랑스 기업(Advitam)만 응모해 73% 정도의 탐지율을 보여 주었다. 세 개 지표 중 단면손상이 가장 중요하고 직접적인 지표라 할 수 있는데 관련된 비파괴기술에 지원한 10여 개 국내외기업 중 일본의 Tokyo-Rope와 러시아의 Instron 두 개 기업만이 유효한 결과를 보여주었고 국내 기업은 유효한 결과를 내지 못함을 확인했다. 유효한 결과를 보여 준 두개의 기업의 기술 역시 비용, 사용성, 장비의 크기 및 무게 등을 개선하지 못하면 현장 적용에 무리가 있을 것이란 결론에 도달했다. PSC 구조물 비파괴평가기술(PSC 청진기) 개발 이러한 이유로 카지노 게임 사이트은 외부 PS텐던을 비파괴검사하여 단면손상과 응력 상태, 공극 유무를 검사할 수 있는 원천기술을 개발하는 과제를 진행하게 되었다. 단면손상과 응력은 금속으로 만들어진 외부 PS텐던의 자기특성을 이용하며 공극 유무는 레이더 기술을 응용해 검사하는 방법을 사용했다. 이 글에서는 PS텐던의 건전성을 평가하는 데 가장 중요한 지표인 단면손상을 비파괴검사하는 기술을 간단히 소개하고자 한다. 개발된 비파괴검사 센서의 기본 개념 그림 2는 개발된 전자기센서가 외부 PS텐던에 설치된 개념도를 보여준다. 외부 PS텐던(그림 2의 적갈색 부분)은 실제로 덕트와 그라우트로 포장되어 있지만 덕트와 그라우트의 자기적 성질은 공기(혹은 진공)와 거의 같기 때문에 없는 것으로 가정할 수 있다. 전자기센서는 크게 1차 코일(그림 2의 노란색 부분), 2차 코일(그림 2의 주황색 부분), 고정틀(그림 2의 보라색 부분) 3개 부분으로 이루어져 있다. 고정틀은 자기장에 반응하지 않는 플라스틱으로 만들어져 있다. 1차 코일은 일종의 전자석으로 전기를 흘려 센서 내부에 자기장을 형성시키며, 발생된 자기장의 크기는 센서 내부를 관통하는 금속성분인 외부 PS텐던의 단면적에 대한 함수이다. 2차 코일은 외부 PS텐던을 수회 감싸도록 감겨있는데 1차 코일에 가해지는 전류에 변화를 주어 센서 내부의 자기장에 변화를 주면 2차 코일에 자기장 변화량에 비례하는 유도전류가 발생한다. 이러한 원리를 이용해 1차 코일에 일정한 진폭의 sine파 형상을 갖는 교류전기를 흘리면 2차 코일에는 외부 PS텐던의 단면적 크기와 양의 상관관계를 갖는 진폭을 가진 교류전기가 유도된다. 따라서 유도된 교류전기의 진폭을 분석하면 외부 PS텐던의 단면적을 추정할 수 있다. 외부 PS텐던이 파단되거나 녹슨경우(산화철은 자기장에 반응하지 않는다) 금속성분을 가진 부분의 단면적이 감소하므로, 단면감소로부터 부식과 파단을 추정하는 것이 가능하다. 현장 작업에 최적화된 센서의 개발 그림 2를 보면 알 수 있듯, 이러한 원리를 이용한 센서는 외부 PS텐던을 감싸는 폐쇠회로 형태를 갖추어야 한다. 앞에서 소개한 일본의 Tokyo-Rope와 러시아의 Instron도 위에서 언급한 개념과 기본적인 아이디어는 공유한다(물론 세부 내용을 뜯어보면 꽤나 다르다). 하지만 일본과 러시아의 기술은 외부 PS텐던을 감싸는 폐쇠회로를 만들기 위해 그림 3과 같이 현장에서 권선작업 혹은 그에 준하는 작업을 해야 하며 이는 상당한 시간을 소요하기 때문에 작업성이 떨어진다. 또한, 센서의 상태가 설치할 때마다 바뀌기 때문에 센서의 신뢰도가 떨어지며 센서 부품을 모두 따로 들고 이동해야 하므로때문에 비좁은 교량 내부 통로에서 작업하기에 불리하다. 반면 카지노 게임 사이트에서 개발한 전자기센서는 그림 4와 같이 2개로 분리되어 있어 조금만 숙달되면 1~2분 이내에 설치가 가능하다. 또한, 주요 접합부를 신뢰도 높은 기성커넥터로 구성해 아무리 반복 설치해도 센서의 신뢰도가 감소하지 않게 했다. 무게도 총 5kg, 한쪽 당 2.5kg 수준으로 사람이 들고 다니기에 무리가 없는 무게이다. 이 센서를 그림5와 같이 설치하고 외부 PS텐던을 따라 적당한 속도로 스캔하면 해당 구간을 비파괴검사 해 단면적의 변화를 확인할 수있다. 신호처리 및 인공지능을 이용한 의사결정 기술 그림 6은 개발된 비파괴장비를 테스트하기 위해 만든 시편에 적용한 결과이다. 그림 상단에 손상을 모사한 단면적과 손상구간이 도식화되어 있다. 그림 5와 같은 과정으로 측정한 결과는 그림 6의 초록색 선과 같이 나타나는데 진폭 변화가 미미해 육안으로 구분하기 어렵다. 마그네틱 센서로부터 측정한 결과를 이용한 외부 PS텐던의 건전성 평가를 돕기 위해 측정한 신호에 진폭 복조 등 몇 단계의 신호처리를 거치면 그림 6의 빨간색 선과 같은 결과를 얻을 수 있다. 빨간색 선에서는 PS텐던의 손상에 따른 변화가 확연히 구분되는 것을 볼 수 있다. 하지만 이러한 변화가 손상에 의한 변화인지 혹은 잡음인지를 구분하기 위해서는 많은 경험이 필요하다. 또한 손상이 어느 정도 진행되었는지에 대한 정보를 얻기에는 많은 어려움이 따른다. 이를 해결하기 위해 얕은 신경망을 이용해 그림 6의 파란색 점과 같이 손상 위치를 특정하고 손상 단면적의 비율과 손상 길이까지 예측하는 알고리즘을 개발했다. 또한 그림 7과 같은 다수의 시편을 제작해 인공지능을 학습하는 데 사용했다. 맺음말 카지노 게임 사이트에서는 2016년 정릉천고가교와 같은 상황이 다시 반복되는 것을 막기 위해 PSC 구조물의 주요 요소인 외부 PS텐던을 비파괴검사하는 기술을 개발했다. 전자기학을 응용해 금속성분으로 이루어진 단면적을 비파괴검사하는 원리를 이용하고 있으며 외부 PS텐던의 파단과 부식을 사전에 감지해 PSC 구조물을 보수보강할 수 있게 하는 기술이다. 단순히 센서를 개발하는 것 뿐 아니라 센서의 사용성을 개선하고 측정된 신호에 신호처리 과정과 인공지능을 적용해 의사결정을 돕는 기술도 함께 개발했다. 센서의 사용성은 현재 수요기업과의 긴밀한 의사소통을 통해 계속해서 개선 해나가고 있으며, 의사결정을 돕는 신호처리와 인공지능 역시 알고리즘을 개선하고 학습데이터를 추가해 정확도를 높여나 가고 있다. 또한 같은 원리로 케이블 교량의 케이블을 비파괴 검사하는 기술 역시 개발하고 있다. 여기서 소개한 기술이 완성되어 교량 유지보수 시장에 진출한다면 교량의 선제적 보수를 통해 막대한 경제적 손실을 막고, 많은 국민이 불편함을 겪음으로 인해 발생하는 사회적 손실 역시 막는 데 일조할 수 있을 것이다. 구조연구본부 게시일2022-04-28 조회수 1559
탄소 배출은 이제 그만! 콘크리트가 CO2 먹는 시대 열린다! 탄소 배출은 이제 그만! 콘크리트가 CO2먹는 시대 열린다! - CO2나노버블 배합수를 활용한 이산화탄소 저장 콘크리트 제조 기술 개발 - 1 ㎥ 레미콘 생산에 1.0~1.8 kg CO2저장 가능 카지노 게임 사이트이 지구 온난화의 원인 중 하나인 이산화탄소를 콘크리트 안에 저장하는 ‘나노버블을 활용한 CO2먹는 콘크리트’를 국내 최초로 개발했다. 콘크리트는 전 세계에서 가장 많이 사용되는 인공재료로 연간 300억 톤 정도 생산되며, 사회기반시설과 도시화 수요로 인해 사용량이 꾸준히 증가하고 있다. 단일 품목 임에도 불구하고 전체 온실가스의 5%가량을 차지할 정도로 콘크리트 생산(시멘트 포함)과정에서 막대한 양의 이산화탄소가 발생한다. CCUS 기술을 콘크리트에 적용한 ‘CCU for concrete(이하 CCU 콘크리트)’ 기술은 CO2를 콘크리트 생산에 활용하여 기후변화에 영향을 주지 않는 콘크리트를 의미한다. 2021년 Nature Communications 저널에 발표된 논문에 따르면, CCU 콘크리트는 이론적으로 2050년까지 0.1~1.4 Gt(기가 톤)의 CO2를 격리할 것으로 추정된다. CCU 콘크리트는 포집된 CO2와 콘크리트의 반응을 통해 미네랄화(광물탄산화)하여 CO2를 대기 중에 재방출 없이 안정적으로 콘크리트 내부에 저장할 수 있는 유일한 기술로 알려져 있다. 일반적으로 콘크리트는 대기 중의 CO2와 접촉하여 내부의 pH(수소 이온 지수)가 낮아지면서 알칼리성을 잃고 탄산화 반응을 하는 물질이다. 대기 중의 CO2농도는 400ppm으로 매우 낮아 이러한 탄산화 반응이 매우 서서히 진행되지만, 내구성이 약한 콘크리트에 둘러싸인 철근은 부식될 위험이 커질 수 있다. 그러나 CCU 콘크리트 기술은 고농도의 CO2를 의도적으로 콘크리트 내부의 물질과 반응하도록 유도한다. 이러한 화학반응을 통해 CO2를 강도 증진 물질인 탄산염 광물로 전환시켜 콘크리트 내부에 영구적으로 저장한다. 결과적으로 탄산염 광물이 콘크리트 미세조직의 밀도를 높여서 일반 콘크리트보다 강도와 내구성이 향상된 콘크리트를 제조하는 것이 가능하다. 즉, CCU 콘크리트는 단순히 CO2저장소로만 활용하는 것이 아니라 콘크리트 성능 향상 및 시멘트 사용량 감소 등 부가적인 효과를 기대할 수 있어 시장 잠재성이 매우 큰 기술이라고 할 수 있다. 이에 KICT 구조연구본부 연구팀은 콘크리트로 만들어진 건물이 이산화탄소를 효과적으로 흡수하고 저장할 수 있고, 동시에 콘크리트의 압축 강도 및 내구성도 향상할 수 있는 나노버블을 활용한 CO2먹는 콘크리트‘CEC(Carbon Eating Concrete)’를 국내 최초로 개발하였다. 일반적으로 콘크리트는 시멘트가루와 물, 골재를 반죽하여 혼합하는 방식으로 만들어진다. 연구팀은 나노버블을 사용하여 일반 대기압 조건에서도 CO2를 고농도로 저장 할 수 있는 CO2나노버블수를 개발하였다. ‘CO2나노버 블수’란 다량의 나노버블이 존재하는 물에 CO2가 고농도로 용해된 물을 말한다. 개발된 기술은 물(배합수) 대신에 CO2나노버블수를 산업부산물과 함께 콘크리트 생산에 활용하는 제조 기술이다. 첨단 분석 기술(라만 분광법)을 통해 CO2나노버블수 안에 존재하는 CO2가 콘크리트와 화학적으로 반응하는 것을 검증하였다. 개발된 기술은 1 m3의 콘크리트를 생산하면, 1.0~1.8 kg CO2를 콘크리트 내부에 직접적으로 저장할 수 있다. 이는 CO2 직접 주입 기술 분야의 세계 선도 기업인 캐나다 ‘카본큐어(Carbon Cure)’사의 직접주입법에 의한 CO2저장량과 유사한 수준이다. 추가로 연구팀은 CO2반응성이 높은 산업 부산물을 사용하여 시멘트 사용량을 절약할 수 있는 최적의 온습도 조건 및 배합기술을 적용한 ‘CEC’도 개발하였다. 개발 된 CO2양생 기술은 적은 양의 시멘트로도 콘크리트의 물리적 성능을 최대로 발현할 수 있다. 즉, 기존 증기 양 생 기술에 비해 콘크리트 생산에 더 적은 에너지가 소모 되며, CO2양생 기법을 적용하여 기존 대비 동등 이상의 압축 강도를 확보할 수 있다. 또한, 높은 CO2 저장 효율을 갖는 것이 큰 장점이다. 연구팀은 다양한 온도와 압력 조건의 CO2양생 환경을 모사하기 위해서 국내 최대 규모의 콘크리트용 CO2 고온 가압 양생 시스템을 구축하였다. 본 성과는 과학기술정보통신부의 지원으로 카지노 게임 사이트의 주요사업 “친환경 Carbon Eating Concrete(CEC) 제조 및 활용 기술 개발 (2022~2024)” 과제를 통해 개발되었다. 구조연구본부 게시일2024-09-27 조회수 521
확대마디 철근을 이용한 콘크리트 부재의 비접촉식 연결 방법 확대마디 철근을 활용한 콘크리트 부재의 비접촉식 연결 방법 ▲ 김건수 KICT 구조연구본부 수석연구원 들어가며 우리나라는 급격한 고령화 사회를 맞이하고 있다. 이로 인해 산업활동 인구가 급격하게 감소하고 있으며, 건설산업 역시 이러한 영향을 크게 받고 있다. 건설노동자 대부분은 외국인 으로 대체되고 있으며 숙련공의 숫자는 점점 줄어들고 고령 화되고 있다. 이러한 사회적 문제는 국내 건설산업의 경쟁 력을 크게 저하시키는 원인이 되며, 결국 그 피해는 국민에 게 돌아가게 되어 있다. 이를 해결하기 위한 방법으로 탈현 장(Off-Site Construction) 공법이 떠오르고 있다. 탈현장 공법 은 사전 제작된 부재들을 현장으로 운송하고, 현장에서는 최 소한의 조립만으로 시공을 마무리 짓는 공법을 말한다. 현장 작업을 최소화한다는 점에서 보면 현재 우리나라 건설 현장의 문제점을 해결할 수 있는 좋은 방법이다. 교량, 터널, 옹벽과 같은 기반 시설의 탈현장 공법으로는 프 리캐스트 공법이 가장 대표적이며, 카지노 게임 사이트에서 는 대형 구조물에 프리캐스트 공법을 적용하기 위한 많은 노 력을 해오고 있다. 프리캐스트 콘크리트 공법은 여러 조각 으로 나누어 제작된 철근 콘크리트 부재들을 건설 현장으로 운반한 후에, 마치 블록을 조립하듯이 연결하여 하나의 구조 물로 만들어내는 공법이다. 별도의 제작장에서 부재들을 제 작하므로 품질 확보가 용이하고 시간과 비용을 절약할 수 있 는 장점이 있다. 하지만 일반적인 현장타설 공법과는 다르게 각각의 프리캐스트 부재들을 연결시키는 새로운 작업이 요 구된다. 프리캐스트 콘크리트 구조물에서 가장 취약한 부분 이 바로 부재 사이의 연결부이다. 연결부 작업이 불량한 경 우에는 균열 등으로 인한 누수와 같이 사용성에 영향을 미치 는 문제뿐만 아니라, 심할 경우 구조물의 안전성과 안정성에 도 큰 영향을 미칠 수 있다. 프리캐스트 구조물에서 연결부가 미치는 영향을 최소화하 기 위해서는 ①현장에서 작업이 단순해야 하고, ②구조적으 로 충분한 안전성을 확보해야 하며, ③범용적인 설계가 가능 하여 우수한 확장성과 적용성을 가져야 한다. 또한 장기적인 관점에서 이러한 특징들은 현장 시공의 100% 자동화를 가능 하게 하는 중요한 요소들이다. 이 글에서는 프리캐스트 구조 물 연결부의 시공을 개선한 비접촉식 커플러 기술을 소개하 고자 한다. 비접촉식 커플러(Contactless Coupler)란? 비접촉식 커플러는 철근과 콘크리트 사이의 부착력에 의 해 힘을 전달하는 매커니즘을 가지고 있다. 주철근의 부착 력에만 의존하는 기존 이음방식인 겹이음 공법과 달리, 비 접촉식 커플러는 주철근의 부착력을 극대화하기 위한 수단 으로 확대마디(Expanded Rib)와 콘크리트 구속효과를 활 용하기 위한 띠철근(Spiral Bar)이 활용된다. 비접촉식 커플 러의 인장저항 매커니즘은 ①프리캐스트 연결부 인장력 발 생, ②인장력으로 인한 주철근(확대마디 철근)의 부착응력 발생, ③부착응력 전달(확대마디 철근→띠철근), ④띠철근 에 결합된 연결 철근의 인장저항 순서로 진행된다. 비접촉 식 커플러 시스템에서 최종적으로 응력을 전달받는 연결 철근들의 총 단면적은 주철근 단면적보다 넓어야 하며, 응 력 전달을 위한 확대마디 및 띠철근 역시 중요한 설계 요 소이다. 비접촉식 커플러 기술 현황 및 방향 이 글에서 소개하는 비접촉식 커플러 기술은 주철근에 커 플러를 직접 끼워 넣는 번거로움을 개선한 기술로, 확대마 디 및 띠철근에 의해 개선된 철근의 부착력만으로 프리캐 스트 콘크리트 부재에 힘을 전달하는 방식이다. 지난 3년간 비접촉식 커플러의 성능을 검증하기 위한 다양한 실험이 수 행되었다. 휨하중 및 인발하중을 받는 프리캐스트 연결부에 대한 실험을 통하여 구조성능을 확인하였다. 또한 8 m 높 이의 옹벽 실험체를 대상으로 하는 실물실험 및 밀폐된 박 스 구조물에 수압을 가하는 수밀성 테스트도 수행하여 현장 적용성을 확인하였다. 비접촉식 커플러의 핵심기술은 국내 특허 등록 및 출원한 상태이며, 해외 진출을 위한 PCT 출 원을 완료한 상태이다. 앞으로도 지속적인 연구개발을 통해 비접촉식 커플러의 ‘최적 설계 기술개발’, ‘연결부 시공 자동 화 기술개발’, ‘비접촉식 커플러의 경량화 및 모듈화 기술개 발’ 등을 수행할 예정이다 ――――――――――――――――― 참고자료 • Kim, K. S., Park, K. T., & Park, C. (2022). Structural behavior of expanded rib steel bars used in reinforced concrete beams. Results in Engineering, 14, 100455. • Kim, K. S., Park, K. T., Jung, K. S., Kim, R. E., Ali, T., & Park, C. (2023). Development of a novel connection method using expanded rib and spiral bars for reinforced concrete beams with cold joints. Engineering Structures, 295, 116863. • Ali, T., Kim, R. E., Kim, K. S., & Park, K. T. (2023). Nonlinear finite element modeling and parametric analysis for the design implication of expanded rib steel bars in RC beams. Developments in the Built Environment, 16, 100242. • 카지노 게임 사이트. 철근부착력 증가장치 및 이를 이용한 프리캐스트 구조물 시공방법, 특허 출원번호 10-2021-0081441, 출원일 2021년 6 월 23일, 등록일 2023년 8월 14일. • 카지노 게임 사이트. 중간부를 나사가공한 확대마디 이형철근 및 그 확 대마디 조립방법, 특허 출원번호 10-2022-0152611, 출원일 2022년 11월 15일. • 카지노 게임 사이트. 비접촉식 커플러 이를 이용하여 제작된 프리캐스 트 구조물 및 그 시공방법, 특허 출원번호 10-2022-0093607, 출원 일 2022년 7월 28일. • 카지노 게임 사이트. 비접촉식 커플러 이를 이용하여 제작된 프리캐스 트 구조물 및 그 시공방법, 특허 출원번호 PCT/KR2023/010116, 국제 출원일 2023년 7월 14일. 구조연구본부 게시일2024-01-29 조회수 623
건설 분야에서의 탄소섬유 강화 복합재료 활용 기술 건설 분야에서의 탄소섬유 강화 복합재료 활용 기술 ▲ 윤진영 KICT 구조연구본부 수석연구원 들어가며 탄소섬유는 철에 비해 무게가 5배 가볍고 강도는 10배 정도 강하다. 또한 탄소섬유는 내충격성, 내열성, 내부식성 등이 뛰어나 항공·우주·방위 산업 등의 고부가가치 복합재료의 핵심소재로 널리 활용되고 있다. 하지만 탄소섬유는 머리카락보다 얇은 5~10 μm 수준의 직경을 가진 수천 개의 실 가닥으로 구성되어 있어, 탄소섬유만으로는 원하는 재료 특성을 얻기 어렵다. 따라서 대부분 경우 탄소섬유와 수지를 이용한 탄소섬유 강화 복합재료(carbon fiber reinforced polymer, CFRP) 형태로 제작되어 활용된다. 일반적으로 CFRP는 접착력과 물성, 내화학성이 뛰어난 에폭시(epoxy)가 사용된다. CFRP는 가볍고, 강도와 탄성이 우수하며, 내부식성이 뛰어나 보수, 보강, 철근 대체, 콘크리트 보강 등 다양한 목적으로 건설 분야에 활용되어 왔다. CFRP는 판, 시트, 격자, 케이블 등 다양한 형태로 제작되어 활용될 수 있다. CFRP 판과 시트는 손상된 콘크리트 구조물 표면을 정리한 후 에폭시 등을 도포하여 부착하는 형태로 구조물 손상 부위 보수 및 인장력 보강 등의 목적으로 활용할 수 있다(그림 1). 카지노 게임 사이트에서 개발한 프리캐스트 TRM 패널은 CFRP를 격자 보강재 형태로 제작한 후 활용하는 기술이다. 얇게 제작한 TRM 패널을 노후 시설물에 부착하여 콘크리트 구조물 보강 목적으로 활용할 수 있다(그림 2). 이외에도 CFRP는 원형봉, 여러 가닥을 꼬은 연선형 등의 케이블로 제작되어 PSC 텐던 목적으로 사용할 수 있다(그림 3). 국내에서는 프리프래그 방식으로 원형봉 형태의 CFRP 제작이 일반적이다(그림 4). 이러한 CFRP 케이블을 PSC 텐던으로 활용할 경우 긴장력 도입이 필요하며, 이를 위한 CFRP 케이블 정착장치 개발이 필요하다. 하지만 CFRP의 취성적인 거동, 복잡한 파괴모드, 섬유방향 외에 열악한 역학적 특성으로 현재 상용화 되어 있는 PS 강재 정착구를 활용할 경우 극히 낮은 하중상태에서 갑작스러운 균열 진전 및 파단이 발생할 수 있다. 이 글에서는 이러한 CFRP 케이블의 재료 특성을 고려하여 PSC 긴장재로 활용하기 위한 연구를 소개하고자 하며, 건설 분야에서의 복합신소재 활용 확대를 유도하고자 한다. CFRP 케이블 정착장치 개발 및 인장 성능 평가 CFRP 케이블을 PSC에 활용하기 위해서는 긴장력 도입을 위한 정착장치 개발이 필수적이다. 따라서 원형봉 형태의 CFRP 케이블에 적합한 정착장치를 개발하기 위해 ACI440.4R의 슬리브 압착 방식을 활용하였다(그림 5). 이때 정착구의 외경, 내경 및 CFRP 케이블의 지름 변화를 분석하기 위해 X-ray CT를 활용하였다(그림 6). X-ray CT는 육안검사가 불가능한 정착구 내 CFRP 케이블을 3차원 이미지로 분석할 수 있는 장점이 있어, CT 결과를 정착구 및 CFRP 케이블 외경 변화와 내부 손상 탐지 목적으로 활용하였다. 압착으로 인한 정착구의 외경 변화는 약 26 mm에서 24 mm 수준이며, 탄소섬유 케이블의 경우 지름이 약 10 mm에서 9.5 mm 수준으로 감소하였다. CT 분석 결과 압착 중 CFRP 케이블에 균열 및 손상이 발생하지 않은 것을 확인하였다. CFRP 케이블과 정착구의 성능을 평가하기 위해 인장 시험을 진행하였다. 그림 7과 같이 양단의 정착구를 지그로 고정하여 인장 시험을 진행하였으며, 인장강도와 탄성계수는 약 3,000 MPa과 180 GPa 수준으로 확인되었다. CFRP 케이블의 낮은 밀도(1.62 g/cm3)를 고려하였을 때 높은 비강도를 확인할 수 있다. 인장 시험 중 CFRP 케이블의 파단은 중심 부위에서 발생하였으며 정착구의 슬립을 발생하지 않았다. 이러한 성능 평가 결과는 KCL(한국건설생활환경시험연구원) 시험성적서를 통해 인증받았으며, 일본 Tokyo rope사의 CFCC 및 Mitsubishi사의 Leadline 제품보다 우수한 성능을 보유하고 있는 것으로 확인되었다. CFRP 케이블을 활용한 PSC 시험체 제작 CFRP 케이블의 최대 인장강도 대비 40% 수준으로 긴장하여 PSC를 제작하였다(그림 9). 이때 매끄러운 표면의 CFRP 케이블에 옥사이드 코팅 표면처리를 진행하여 콘크리트와 CFRP 케이블 간 부착강도를 확보하였다. CFRP 케이블의 긴장력은 정착구에 유압너트를 고정하여 확보하였다. 긴장력 도입 후 50 MPa급 고강도 콘크리트를 타설하여 PSC 시험체를 제작하였다. PSC 시험체의 구조 성능 시험은 카지노 게임 사이트에서 진행하였다(그림 10). 맺음말 첨단 복합재료인 CFRP를 건설분야에 활용함으로써 건설기술의 새로운 도약의 밑거름이 될 수 있다. 하지만 CFRP는 취성적인 특성, 상대적으로 높은 가격, 복잡한 파괴모드 등의 이유로 제한적으로 활용되고 있다. 따라서 본 글에서 소개한 CFRP 케이블 활용 연구 외에도 다양한 연구를 통해 CFRP의 활용 범위를 확대하기 위한 노력이 필요하다. 구조연구본부 게시일2023-08-25 조회수 1245

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