교량 모니터링 계측센서 종류 특징 총 정리

1) 처짐계

교량 구조거동 분석에 가장 큰 영향을 미치는 부분은 주 경간의 처짐 거동이다.. 처짐의 평가는 구조물의 안전도와 사용성 평가를 위한 직접적인 척도로 인식된다. 처짐계의 설치는주로 교량 거더의 최대 정모멘트가 발생하는 위치를 기준으로 하며 처짐계의 레이져 발신자는 처짐계 최대 계측 거리를 고려하여 고정단(자유단)에 위치시킨다. 교량 거더의 처짐은 수직 처짐 및 횡방향 처짐의 두 방향 계측이 가능하다. 추가로, 기존 처짐계의 날씨에 대한 계측 한계(안개( 등)를 해결할 수 있는 방법으로 영종대교 및 인천대교 등에서 운영 중인 Global Positioning System(GPS)을 활용한 교량 형상 변위의 실시간 계측도 최신 계측 방법으로 각광받고 있다.

재하시험의 경우, 공용 중인 처짐계 계측 상태를 점검하고자 측량법 등의 사용도 가능하 나 타점의 계측 숙련도에 따라 계측오차가 발생할 수 있다. 이에 대한 해결책 중 하나는 휴대용 레이저 처짐계를 사용하는 방법이다. [그림 6-3]은 휴대용 처짐계로서 계측 성능은 최대 측정범위 4m, 최대 측정거리 400m이다.

2) 가속도계

구조물의 공용 중에는 상시 미세진동 또는 유감 진동 등이 지속적으로 발생한다. 이러한 진동가속도는 가속도계를 사용하여 계측될 수 있다. 진동가속도 값의 단위는 gal(cm/s)이 사용되며 중력가속도 1g는 980gal980 gal로 정의된다. 모든 구조물은 고유 특성을 반영하는 고유 진동수를 보유하고 있다. 고유 진동수는 가속도계를 사용하여 시계열 데이터를 계측한 후 연속 시계열 데이터 신호처리에 범용적으로 사용되고 있는 FFT(Fast Fourier Transformation) 변환 기법을 통해 고유 진동수가 쉽게 추출될 수 있다. 고유 진동수의 단위는 Hz이며 일반적으로고유 진동수가 크면 진동주기가 짧다는 의미로 공학적으로는 진동방향의 거동에 대한 강성이크다는 의미로 해석된다. 예를 들어, PSC 단면을 갖는 구조물은 일반적으로 1차 고유진동수가 1Hz 전후 이상으로 크며, 케이블 지지 교량의 경우, 단면의 슬림화, 장경간화 등으로 인해 0.4~0.5Hz0.4~0.5Hz 내외의 비교적 낮은 고유 진동수를 갖는다. 고유 진동수의 추출은 계측된 가속도 파형이 구조물의 고유 치를 안정적으로 추출할 수 있는지의 여부에 의존되게 된다.

3) 케이블 장력계

케이블지지 교량에서 가장 중요한 부재인 케이블의 장력 계측은 로드셀에 의한 직접법과 가속도 계측에 의한 간접법의 두 가지 방법이 있다. 로드셀의 경우, 케이블 장력의 직접 계측이 가능하다는 장점이 있으나 가격이 고가이고, 설치 후 유지관리가 불가능한 단점이 있기 때문에 초기 장력 계측을 제외하고는 장기 계측 모니터링에 적용하기에는 많은 제약이 따른다.. 따라서 케이블 장력의 장기 유지관리를 위해서는 케이블 가속도 계측에 의한 케이블 장력을 근사적으로 추출할 수 있는 간접법이 실무에서 주로 활용되고 있다. 케이블 가속도 계측은 범용적인 가속도계로 계측이 가능하며, 가속도에서 추출된 고유 진동수를 사용하여 실무에서 일반적으로 사용 중인 케이블 장력 변환 공식에 의해 간단히 계산될 수 있다.

4) 풍향풍속계

바람의 계측은 교량구조물의 관제에 있어 중요한 요소 중 하나이다. 특히,특히, 태풍 발생 시 기상청에서 제공되는 풍향 풍속데이터보다는 교량상에 직접 발생하는 풍향풍속의 계측은 교량 사용성에 대한 판단을 함에 있어 직접적인 기준이 된다. 풍향풍속의 계측은 현재 프로펠러 형식과 초음파 형식의 두 가지 계측기 종류를 사용하고 있다. 풍향풍속계의 설치는 거더 상부나 케이블 교량의 경우, 보강거더 및 주탑 상단에 주로 설치된다. 최대 계측 풍속은 60~65 m/s범위이지만 그 민감도 측면에서 초음파식 풍향풍속계가 월등한 성능을 나타낸다. 단, 토목구조물에 대하여는 풍향풍속 계측 데이터의 활용도에 맞추어 적합한 성능의 풍향풍속계를 설치 및 운용함이 바람직하다.

5) 변형률계, 온도계, 신축변위계

이 외의 센서로는 변형률계, 온도계, 신축 변위계 등이 있다. 변형률계는 콘크리트 구조물의 경우, 부재 내부 또는 외부 등에 설치가 가능하며 강구조물의 경우 외부 부착 방식을 사용한다. 변형률계 형식은 진동현 및 앵커형이 있으며 진동현의 경우, 긴장하여 설치된 현이 수축 및 신장에 따른 진동 특성치의 변화를 계측하여 변형률로 환산하는 방식이다. 장기 계측에 의한 변형률 계측 값은 외부 활하중 등에 의한 변화량보다 온도 변화에 의한 변화가 상대적으로 더 많은 계측 데이터를 포함하는 게 일반적인 경향이기에 변형률계 설치 시 온도계와 함께 설치하여 온도에 의한 영향과 활하중에 의한 영향을 분리한 후 구조 상태를 평가함이 바람직하다. 온도계는 값이 저렴하고 계측 값에 대한 신뢰도가 큰 편에 속하는 센서로서 구조계 전체에 대한 온도 지배적인 구조거동을 손쉽게 평가할 수 있다. 특히, 최근 기상이변으로 인해 과거의 온도 분포 경향이 급변할 가능성이 크기에 구조물의 장기 계측 시 전반적인 온도 변화에 대한 응력, 변형률, 등의 역학적 특성에 대한 지속적인 관리가 중요해지고 있다. 신축 변위계는 교량 양단 지점부 신축이음장치 아래 거더부에 설치되며, 신축이음계에 고정된 강선이 인접 교대와 연결되며 이 강선이 온도 변화에 의한 거더의 수축 및 신장 거동을 계측하게 된다.