노후교량의 진동 사용성 평가를 위한 IoT 계측시스템 적용

Application of IoT Measurement System and Reliability Analysis for Vibration Usability Assessment of Aging Bridges

Abstract

This study used an IoT measurement system to evaluate the vibration usability of 20 aging bridges by analyzing acquired vibration acceleration data and referencing the Reiher-Meister curve as a usability criterion. Following the initial analysis, a model was developed to calculate exceedance probabilities for each vibration usability grade, leading to several conclusions. Through the use of long-term measurement data and the Reiher-Meister curve, the usability analysis for aging bridges indicated a range of usability grades from A to F, demonstrating a straightforward method for assessing vibration usability. A probability distribution model was created to establish exceedance probabilities for each vibration grade by bridge, revealing dominant vibration characteristics specific to each bridge's structural properties. In conclusion, the study suggests that in maintaining aging bridges, those with higher exceedance probabilities in the upper grades should be prioritized for repair and reinforcement. This research highlights the value of combining long-term data with probabilistic models to support informed decision-making in bridge maintenance and management.

1. 서론

도로, 상하수도, 교량과 같은 사회기반시설(SOC)은 국민의 일상과 안전에 밀접하게 연결된 필수 인프라다. 이러한 시설들이 적절히 유지⋅관리되지 않을 경우 1994년 성수대교 붕괴나 1995년 삼풍백화점 붕괴 같은 참사로 이어질 수 있으며, 이는 국민에게 큰 충격과 상실감을 안겨준다. 따라서 SOC 시설물의 안전 확보와 체계적인 유지관리는 국민의 생명과 재산을 지키기 위한 국가적 필수 과제다.

특히 교량은 하부 구조가 상부 구조를 지지하는 형태이기 때문에, 교통 하중, 풍하중, 온도 변화로 인한 열하중 등 다양한 하중 조건에 다른 구조물보다 더 취약하여 노후화 속도가 빠르다. 1980∼90년대 경제 성장기에 준공된 교량들이 많아 현재 상당수가 노후 상태에 있다. 예를 들어, 2023년 붕괴된 분당 정자교는 1993년 준공된 이후 30년간 사용되었으며, 2021년 점검에서 C등급을 받았음에도 적절한 보수가 이루어지지 않아 결국 사고로 이어졌다. 이러한 교량 붕괴 사고는 해외에서도 발생한다. 2022년 피츠버그의 펀 할로다리 붕괴와 2018년 이탈리아 제노바 모란디 교량 붕괴는 유지관리 부족으로 인한 대표적 사례로, 구조물의 안전관리가 얼마나 중요한지를 보여준다[1].

이에 따라 한국을 비롯한 여러 국가들은 노후 인프라의 유지⋅관리를 강화하는 정책을 시행 중이다. 미국은 “CALTRAN Plan 2050”을 통해 기존 시설을 보전하며 재해와 기후변화에 대비하고 있으며, 일본은 “인프라 장수명화 기본계획”을 통해 시설물의 생애주기비용(LCC)을 절감하면서 효율적인 관리 방안을 추진하고 있다. 호주 역시 “Australian Infrastructure Plan”을 통해 예방적 유지관리에 집중하며, 인프라 효율을 높이기 위해 막대한 예산을 투입하고 있다[2].

한국도 이러한 흐름에 발맞춰 2023년 “제5차 시설물의 안전 및 유지관리 기본계획(2023∼2027)”을 발표하며, 노후화된 인프라의 체계적 관리를 강화하고 있다. 특히 정부는 “한국판 뉴딜” 사업의 일환으로 2025년까지 14.8조 원을 투입해 IoT 기반의 교량 모니터링 시스템을 구축하는 계획을 수립했다. 노후 교량 1,966개소를 대상으로 계측센서를 설치해 실시간으로 상태를 감시하며, 향후 최대 8,075개소까지 확대할 예정이다. 이를 통해 사고 예방과 함께 신속한 보수⋅보강이 가능해질 것으로 기대된다[3].

자동화 계측 시스템은 교량 관리의 핵심 기술로 자리 잡고 있다. 주요 부재에 부착된 센서가 구조물의 데이터를 실시간으로 수집⋅분석해 손상 여부를 조기에 감지하는 것이다. 이를 통해 안전성과 사용성을 유지하고 유지보수 비용을 최적화할 수 있다. 그러나 현재 국내의 유지관리 지침은 육안조사와 비파괴시험에 의존하는 한계가 있다. 이는 기존 점검을 거친 교량에서도 사고가 발생하는 원인 중 하나로 지적되며, 보다 정교한 관리 기준 마련이 필요한 상황이다[4].

본 연구는 공용년수 15년 이상의 20개의 노후 교량을 대상으로 IoT(Internet of Things) 센서를 활용해 습득한 데이터를 바탕으로 진동 사용성을 평가하였으며, 획득된 진동 가속도 데이터를 바탕으로 Reiher-Meister 곡선을 사용성 평가 기준으로 삼았습니다. 초기 분석 이후, 각 진동 사용성 등급에 대한 초과 확률을 산정하기 위해 모델을 개발하여 여러 결론을 도출하였습니다.

2. 계측대상 교량

본 연구에 사용된 교량은 공용년수 15년 이상의 교량으로, 공용 년수 30년 이하의 비노후 교량도 분석에 포함하여 다양성을 확보하였다. 다양한 진동모드와 외부하중에 대한 민감도를 확보하기 위해 최대경경간장이 30m 이상인 교량이 선정되었다. 교량의 상부구조 형식으로는 한국에서 주로 사용되는 PSCI (Prestressed Concrete I-Girder) 형식과 Steel Box 형식을 대상으로 하였으며, 각각 10개의 교량을 선정하였다. 각 교량의 명명은 교량의 상부구조 형식 뒤에 번호를 매겨 상세 제원과 함께 Table 1에 정리하였다.

Table 1. Bridges under monitoring

3. IOT 진동 가속도 계측시스템

3.1 개요

IOT를 활용한 계측시스템은 전원공급, 통신케이블 포설을 필수로 하는 기존의 계측시스템과 다르게 센서에서 계측된 데이터를 클라우드 서버를 통해 기지국에 전달하며 이를 통해 통신거리 증가, 저비용, 확장성 증가 등의 장점이 있어 최근들어 적용이 확대되고 있는 기술이다.

3.2 진동가속도계 사양

본 연구에 사용된 진동가속도계는 국내 I사의 IOT 센서로 가속도와 경사를 동시에 측정할 수 있다는 특징이 있으며, 계측 범위 ±2g, 측정정밀도 0.00001g, 측정주기 100Hz, 작동온도범위 –30∼80℃를 가지며 외형은 Fig. 1과 같다.

Fig. 1 Vibration Accelerometer

또한, 진동가속도계의 정확도를 검증하기 위해 Fig. 2와 같은 가진 모사 모형에 IOT 진동가속도계와 유선 진동가속도계와 동일한 조건에 노출시켜 값을 비교하였다. 비교를 위해 임의로 조건을 가진 횟수 60회, 상시 진동 10회/일로 설정 하였고, 데이터를 수집 및 비교하였으며 모형의 고유 진동수 값이 소수점 첫 번째 자리까지 일치하는 것을 확인하였다.

Fig. 2 Seismic Simulation Model

3.3 계측방법

가속도계는 슬래브 형식의 경우 경간 중앙부 하단 양쪽에 설치하였으며, 거더 형식에서는 경간 중앙부 하단의 외측 양쪽 거더의 내측면에 설치하도록 하였습니다. 기존에 결정된 설치 위치 외에 유지 관리상 필요할 경우 상면에 설치할 수 있으며, 이 경우 겨울철 제설제의 영향을 방지하기 위해 2중 보호함체를 적용하여 설치하였다. 교량의 진동가속도에 가장 큰 영향을 주는 인자는 교통하중이며 교통특성의 변화는 요일 및 시간에 따라 발생하므로 모든 요일 및 시간을 반영할 수 있게 계측은 총 7일 동안 매 1시간 간격으로 10분씩 측정하여 평균값을 취한 10분 평균 가속도 값을 분석에 사용하였다.

4. 동적특성 분석

4.1 고유진동수 분석

측정된 가속도 데이터는 Python 3.8을 사용하여 고속 푸리에 변환(Fast Fourier Transform, FFT)을 적용하여 고유진동수를 산출하였으며 그 결과를 Table 2에 나타냈다. 또한, Fig. 3에 교량의 상부구조 형식 및 최대 경간장에 따른 고유진동수 변화를 나타냈다.

Table 2. Natural Frequency Result

Fig. 3 Natural Frequency According to Maximum Span Length

최대 경간장이 길어질수록 고유진동수가 낮아지는 경향을 보였다. 이와 같은 고유진동수 감소는 구조물의 강성(stiffness)과 질량(mass)의 관계에 의한 것으로 일반적으로 고유진동수는 구조물의 강성과 질량의 비율에 의해 결정되며, 고유진동수는 다음과 같은 식 (1)에 의해 설명될 수 있다[5, 6, 7].

\(\begin{align}f_{n}=\frac{1}{2 \pi} \sqrt{\frac{k}{m}}\end{align}\)       식 (1)

여기서 f_n은 고유진동수, k는 구조물의 강성, m은 질량을 의미한다.

경간장이 길어지면 교량의 구조는 더 유연해지기 때문에 강성이 감소하게 된다. 이는 교량이 외부하중에 대해 더 쉽게 변형될 수 있음을 의미한다. 경간이 길수록 교량의 구조적 요소들이 길어지거나 얇아지는 경향이 있으며, 이는 전체적인 강성을 약화시킨다. 동시에 경간이 길어지면 상부구조의 질량도 증가하게 되므로 고유진동수의 감소를 야기한다[8].

교량의 형식에 따라서도 고유진동수의 차이를 나타냈다. PSCI 형식의 교량의 경우 평균 4.7Hz, Steel Box형식의 교량의 경우 평균 2.0Hz의 고유진동수를 나타냈다. 동일한 경간장을 가질 때 더 낮은 고유진동수를 가질 것으로 예상되는 형식은 PSCI로 콘크리트가 사용되어 질량이 크고 강성이 낮기 때문이다. 하지만 본 연구에서는 Steel Box 형식의 교량이 항상 낮은 고유진동수를 나타내는데 이는 1.5배∼2.5배 이상 차이나는 최대 경간장에 의한 것으로 경간장 증가에 의한 질량증가 및 강성하락이 재료적 차이보다 지배적으로 작용하여 나타난 결과이다[9].

4.2 Reiher&Meister curve rating

Reiher&Meister 곡선은 1931년에 H. Reiher와 F.J. Meister가 개발한 것으로, 피실험자에게 5∼70Hz 범위의 수직 및 수평 진동을 가했을 때 느끼는 불쾌감 정도를 6단계로 나누어 매우 불쾌함(A)부터 영향 없음(F)까지 구분한 것이다. 이 곡선을 도식화한 그래프를 Fig. 4에 제시하였다. 허용곡선 그래프를 활용한 분석 방법은 교량의 통행량이 가장 많은 특정 일자의 24시간 동안 동적 변위와 고유 진동수를 분석하여 그래프에 대입함으로써, 진동의 사용성을 비교적 간단하게 평가할 수 있어 현재까지도 널리 사용되고 있다.

Fig. 4 Reiher&Meister curve

4.3 교량별 진동 사용성 분석

Reiher&Meister 곡선을 활용하여 진동사용성을 분석하기 위해 7일 동안 측정된 매시간당 10분 가속도 평균값 168개가 해당하는 동적최대변위를 식 (2)를 통해 도출하여 Reiher&Meister curve에 플롯하였으며 이를 Table 3에 나타냈다. 또한, 최대치는 음영으로 강조하였다.

Table 3. Vibration Usability Results​​​​​​​

\(\begin{align}D=\frac{A}{(2 \pi \omega)^{2}}\end{align}\)       식 (2)

여기서, D : 동적최대변위(mm), A : 최대진폭(gal), w : 고유진동수(Hz)

Table 3의 결과에서 대부분의 가속도에 따른 동적최대변위 값은 B∼D 등급 사이에 분포하는 것으로 나타났으며 PSCI 10, Steel Box 1을 제외한 나머지 교량에서 C등급 범위에 가장 많은 값이 분포하는 것으로 분석되었다. Reiher&Meister curve에서 C등급은 진동이 강하게 인지할 수 있는 단계를 의미하며 이 범위에 해당하는 진동은 사람들에게 불편함을 느끼게 할 수 있지만, 즉각적인 구조적 위험을 의미하지는 않는다. 그러나 장기적으로 교량의 사용성에 부정적인 영향을 미칠 수 있으며, 유지관리가 필요한 단계로 인식되고 있다.

4.4 교량별 진동사용성 등급 초과확률

20개소의 교량에서 수집한 진동가속도 데이터를 활용하여 빈도분포의 확률모형을 작성하였으며, 이를 통해 Reiher-Meister 곡선에 제시된 진동사용성 등급기준에 해당하는 초과확률을 도출하여 Fig. 5에 나타냈다.

Fig. 5 Exceedance Probability of Vibration Usability Ratings by Bridge​​​​​​​

그림에서 모든 교량은 불안감과 구조적 문제를 발생시킬 수 있는 진동등급인 A, B 등급에 대한 초과확률은 모든 교량에서 0에 수렴하여 대부분 양호한 사용성을 나타내는 것으로 확인되었지만 Steel Box 1 교량의 경우 진동을 강하게 인지할 수 있는 C등급에 대한 초과확률이 약 59.5%로 가장 높았으며, Steel Box 6, Steel Box 9교량 역시 각각 47.5%, 54.5%로 높은 값을 나타내는 것으로 확인되었다. 또한 PSCI 교량의 경우 강박스 거더교에 비해 비교적 양호한 진동 사용성을 나타내는 것으로 판단된다.

5. 결론

본 연구에서는 각각 10개소의 PSCI 형식 교량과 Steel Box교량을 대상으로 IOT 계측시스템을 적용하고 이를 통해 진동가속도 데이터를 취득 및 이를 활용한 진동사용성 평가 기준인 Reiher&Meister 곡선에 적용하였으며 그 결과를 토대로 신뢰도 분석을 수행하여 진동사용성 등급에 대한 초과확률을 제시하였으며, 다음과 같은 결론을 도출하였다.

PSCI 교량이 Steelbox 교량에 비해 진동 사용성 측면에서 뛰어난 결과를 나타냈으며, 이와 같은 결과는 콘크리트와 강재라는 재료적 차이와, 이로 인해 발생하는 교량의 물리적 형상, 특히 교량의 경간에 의한 차이에서 기인한다고 판단된다.

장기계측데이터를 통해 Reiher-Meister 곡선을 활용할 경우 노후교량을 대상으로 사용성을 분석한 결과, 특정 범위 안에서 A등급부터 F등급까지 다양한 값을 나타내었으며 값이 분포되어 있는 양상을 통해 교량간의 상대적인 진동 사용성을 평가할 수 있음을 확인할 수 있다.

확률분포 모형을 작성하여 진동사용성 등급 초과확률분석을 수행하였으며, 교량별로 각 진동등급에 해당하는 초과확률을 도출한 결과, 교량 특성에 따른 지배적인 진동특성을 정량적으로 확인하였다. 향후 특정 등급에 해당하는 확률을 확인함으로써 노후교량 유지관리 시 높은 등급의 초과확률이 높은 교량일수록 우선적으로 보수⋅보강조치를 실시하여야 할 것으로 판단된다.