[논문]도로포장 구조체의 물성 추정을 위한 FWD의 설계 및 제작

황성호; 손웅희; 최경락

문제 정의

본 논문에서는 트레일러 타입의 특장 샤시 시스템을 기반으로 하는 FWD 시제품 개발에 대해 기술하였다. 유압식 하중재하장치와 측정장치가 탑재된 트레일러 샤시시스템의 H/W를 설계, 제작하였다.
선행된 시제품의 성능평가의 튜닝 실험결과를 바탕으로 현장 적용성을 검증하기 위한 현장시험을 수행하였다.
순수 국내 기 술로 FWD를 국산화하고자 Dynatest의 FWD를 모델로 연구를 수행하였으며, 본 논문에서는 수행된 연구결과를 토대로 시스템 설계/제작 및 실험 결과에 대해 기술하였다. 시제작된 FWQ를 실제 아스팔트 노면에서 하중 충격 실험을 수행하고 그 결과를 분석하였으며, 향후 보다 안정적인 실 험이 가능하도록 FWD 차체 구조물에 대한 개선과 데이터 처리 분석 S/W 보완에 대한 연구가 계속 수행돌 것이다.
ㅅ 험현장은 한국도로공사의 협조로 영동고속도 로구간의 덕평폐도에서 실시하였다. 이러한 현장시 험을 통하여 시제품의 성능평 가는 물론 성 능실험에서 미처 발견하지 못한 보완사항과 시제품의 상용화를 위한 현실성을 타진하는 계기를 마련하는 것도 시험의 부가 목적이라 할 수 있다. 현장시험에서는 Fig.
개발된 시제품의 성능검증과 신뢰성 확보를 위해 상용 외국장비 인 Dynatest의 FWD와 현장시 험을 통하여 결과를 비교하였다. 이미 하중계 신호의 반복 정밀도는 튜닝실험을 통하여 0.5% 이내로 우수한 안정성을 지닌 것을 입증한바 현장의 동일조건에서 의 비교시험을 통하여 그 타당성을 검증하기 위한 것이다. 비교시 험은 Fig.

제안 방법

FWD를 이용한 시험 결과의 측정과 시험의 자동화를 위하여 PC를 이용한 데이터 측정 및 시험 장비 를 구성하였다. 장비는 크게 FWD에 사용되는 각종 신호를 적절하게 처리하는 증폭기를 포함한 신호 처리부와 이러한 신호를 PC에서 입출력할 수 있게 해주는 데이터 측정 보드 그리고 FWD 운영 프로그램이 실행되는 컴퓨터로 이루어진다.
개발된 시 제품이 현재 한국도로공사에서 운영하고 있는 Dynatest를 현장 대체할 수 있는 정도의 수준을 갖추도록 하기 위하여 유압재하장치 의 단계 별 낙하 높이의 튜닝작업을 실시했다. FWD는 유압재 하장치의 낙하높이 설정을 정확히 해야만 한다.
도로면 측정을 위해서는 차량에 장착되어 이동이 용이하여야 한다. 따라서, 하중재하장치가 장착된 샤시시스템은실제 도로의 이동 접근성과 현장성을 위해서 트레일러 방식으로 설계 제작하였다. FWD 시스템을 견인하고 운용할 차량은 엔진의 낮은 회전수 영역에서도 높은 토크와 출력이 가능한 디 젤 엔진 타입의 4X4 차량으로서, 이것을 고려해 트레 일러를 설계하였다.
이와 같이 낙하 높이는 하중 값에 직접적으로 영향을 주는 것으로 여러 차례 튜닝 실험을 수행하여 정확한 4단계의 낙하 높이를 설정 했다. 또한 로드셀 하중값과 속도계 값에 대한 데이터 수집 및 처리 과정의 정확성 검증을 위해 기존장비와의 비교 시험 을수행하였다.
자동 시험에서는 미리 정해진 프로세스 즉, 각 단에서의 반복 회수를 입력하여 일련의 시험 과정을 한번에 수행하게 된다. 또한 현재의 시스템 동작 상태를 파악할 수 있도록 솔레노이드 밸브나 근접 스위치 센서의 작동 여부를 그래픽으로 표시하였다.
6은 시험이 완료된 후의 결과를 바로 확인할 수 있도록 한 그래픽 출력 화면이다 사용자의 편의 성을 위해 하중 신호 및 속도 신호에 대한 최대값을 문자 형태로 표시 하도록 하였다. 또한, 적분 알고리즘을 사용하여 속도 신호를 처짐량으로 변환하여 그래프로 나타내 도록 하였다.
본 논문에서 목표로 하는 1차 부하 범위는 100kN으로서, 낙하되는 물체의 무게는 350kg으로 설계하였다. FWD용 유압 시스템은 중량부 및 센서부를 노면에 닿도록 상승 또는 하강시키며, catch 메커니즘에 의해 함께 올려진 중량을 일정높이에서 낙하시 키는 기능을 수행하여야 한다.
FWD 시 제품은 현장 사용을 위한 시스템 구축에 주안점을 두고 개발하였으며, 트레일러 이동에 따른 안전을 고려하여 신호등과 경광등을 설치하였다. 브레이크 및 좌우측 방향신호, 그리고 비상등 신호를 구동차량과 일체화 배선작업을 통하여 커넥터로 전기신호를 받아 동시에 가동되도록 제작 하였다.
본 논문에서는 트레일러 타입의 특장 샤시 시스템을 기반으로 하는 FWD 시제품 개발에 대해 기술하였다. 유압식 하중재하장치와 측정장치가 탑재된 트레일러 샤시시스템의 H/W를 설계, 제작하였다. 또한, 측정 데이터의 수집 및 처리를 위한 S/W를 개발하였으며 사용자 편이성을 고려한 전 후처리기법을 도입하여 패키지화한 S/W 개발로 시제품의 활용 도를 높였다.
FWD를 이용하여 포장 구조체의 물성을 추정하기 위해서는 하중재하장치, 하중측정장치 처짐 측정 장치가 필수적이다. 이러한 구성 요소들을 하나의 샤시시스템 위에 설치하고 측정의 현장성을 살리기 위해서 시제품 개발은 트레일러 방식의 특장시스템 으로 설계, 제작하였다.
그것은 설정된 각 단의 높이에 따라 도로포장 구조체에 자동으로 부가하는 하중 값이 결정되기 때문이다. 이와 같이 낙하 높이는 하중 값에 직접적으로 영향을 주는 것으로 여러 차례 튜닝 실험을 수행하여 정확한 4단계의 낙하 높이를 설정 했다. 또한 로드셀 하중값과 속도계 값에 대한 데이터 수집 및 처리 과정의 정확성 검증을 위해 기존장비와의 비교 시험 을수행하였다.
이러한 현장시 험을 통하여 시제품의 성능평 가는 물론 성 능실험에서 미처 발견하지 못한 보완사항과 시제품의 상용화를 위한 현실성을 타진하는 계기를 마련하는 것도 시험의 부가 목적이라 할 수 있다. 현장시험에서는 Fig. 8과 같이 본 연구를 통하여 개발된 FWD 시제품과 한국도로공사의 운용하고 있는 기존의 Dynatest FWD를 동시에 같은 장소에 현장 실험함으 로서 성능의 비교검증을 하였다.

대상 데이터

따라서, 하중재하장치가 장착된 샤시시스템은실제 도로의 이동 접근성과 현장성을 위해서 트레일러 방식으로 설계 제작하였다. FWD 시스템을 견인하고 운용할 차량은 엔진의 낮은 회전수 영역에서도 높은 토크와 출력이 가능한 디 젤 엔진 타입의 4X4 차량으로서, 이것을 고려해 트레 일러를 설계하였다.
ㅅ 험현장은 한국도로공사의 협조로 영동고속도 로구간의 덕평폐도에서 실시하였다. 이러한 현장시 험을 통하여 시제품의 성능평 가는 물론 성 능실험에서 미처 발견하지 못한 보완사항과 시제품의 상용화를 위한 현실성을 타진하는 계기를 마련하는 것도 시험의 부가 목적이라 할 수 있다.
데이터 측정과 PLC를 통한 시험에 필요한 신호는 PC를 기준으로 할 때 1개의 하중 센서와 7개의 속도 센서 신호인 아날로그 입력 신호, PLC에서 PC로 보내는 상태 신호와 FWD에 설치된 센서로부터 나오는 디지털 입력 신호, 그리고PC에서 PLC로 명령을 주기 위한 디지털 출력 신호로 구성된다.
이와 같은 장비로서 I960년대 Dynaflectl)와 Road Rater가 개발되어 사용되고 있다. 충격하중으로 포장 표면의 처짐을 유발하고 이를 측정하는 비파괴시험장비인 FWD는 1963년 Bretonniere에 의해서 제작되었다. 그 후 계속 개선 .
처짐은 재하중심과 그곳으로부터 300mm 간격으로 놓인 7 개의 속도계(geophone)에 의해 측정된 연직 방향 속도를 수치 적분하여 구하게 된다. 측정자료의 획득은 Data Acquisition Board를 내장한 노트북 PC에서 자동적으로 수행되며 자료의 현지 출력, 분석 및 저장이 가능하도록 구성하였다.

데이터처리

개발된 시제품의 성능검증과 신뢰성 확보를 위해 상용 외국장비 인 Dynatest의 FWD와 현장시 험을 통하여 결과를 비교하였다. 이미 하중계 신호의 반복 정밀도는 튜닝실험을 통하여 0.

성능/효과

또한, 측정 데이터의 수집 및 처리를 위한 S/W를 개발하였으며 사용자 편이성을 고려한 전 후처리기법을 도입하여 패키지화한 S/W 개발로 시제품의 활용 도를 높였다. 개발된 시제품의 현장 시험 결과, 하중 재현 반복성이 0.5%이내로 그 안정성이 입증되었으 며 충분히 현장 투입이 가능함을 확인할 수 있었다.
결론적으로 동일장소, 동일조건에서 상용 외국 장비와의 비교시 험으로 시제품의 성능을 검증할 수 있었으며 결과는 매우 우수하며, 안정적인 성능을 보여 주었다.
유압식 하중재하장치와 측정장치가 탑재된 트레일러 샤시시스템의 H/W를 설계, 제작하였다. 또한, 측정 데이터의 수집 및 처리를 위한 S/W를 개발하였으며 사용자 편이성을 고려한 전 후처리기법을 도입하여 패키지화한 S/W 개발로 시제품의 활용 도를 높였다. 개발된 시제품의 현장 시험 결과, 하중 재현 반복성이 0.
7(a)는 단계별 하중에서 제 3단의 높이에서 노면에 가해지는 하중을 로드셀로 측정한 결과를 나타낸다. 모두 5회에 걸쳐 반복 실험을 수행하였으며, 하중은 최대 값이 약 108kN으로서, 약 20msec 동안 노면에 가해지는 것을 알 수 있다. 결과에서 peak 점이 2개가 발생하였는데, 이것은 하중판 구성의 조합형상과 노면과 접지되는 고무판의 탄성 계수와 같은 물리적인 값이 영향을 미치는 것으로 판단되나, 이에 대한 추가적인 분석이 필요한 것으로 사료된다.
결과에서 peak 점이 2개가 발생하였는데, 이것은 하중판 구성의 조합형상과 노면과 접지되는 고무판의 탄성 계수와 같은 물리적인 값이 영향을 미치는 것으로 판단되나, 이에 대한 추가적인 분석이 필요한 것으로 사료된다. 반복 실험 결과, 재하하중은 최대 peak 값의 경우 오차 0.5% 이내로 반복적으로 부가할 수 있음을 알 수 있다. 또한, Fig.
7(a)) 하중 값은 Dynatest 가 3 단계의 범위(27~85kN)의 상한치를 넘어 선 약 100kN, 개발된 시제품은 고정값 108kN 내외 로 하중의 peak 치가 나타났다. 실험 결과로부터 개발된 시제품의 5회 반복시험 결과 재현성 에 따른 반 복정 밀도는 매우 우수하며 1차, 2차 peak 값에 대한 형상 또한 상용 제품인 Dynatest와 유사한 경향을 보여주고 있음을 알 수 있다.

후속연구

모두 5회에 걸쳐 반복 실험을 수행하였으며, 하중은 최대 값이 약 108kN으로서, 약 20msec 동안 노면에 가해지는 것을 알 수 있다. 결과에서 peak 점이 2개가 발생하였는데, 이것은 하중판 구성의 조합형상과 노면과 접지되는 고무판의 탄성 계수와 같은 물리적인 값이 영향을 미치는 것으로 판단되나, 이에 대한 추가적인 분석이 필요한 것으로 사료된다. 반복 실험 결과, 재하하중은 최대 peak 값의 경우 오차 0.
그러나, 아직 센서 신호의 정밀성이나 시스템 신뢰도에 대한 연구가 미흡한 실정이며, 향후 상용화를 위해서는 내구성 및 신뢰도 검증을 통하여 제품의 완성도를 더욱 향상시켜야 할 것이다. 또한, 특장 차량 타입의 개발 또는 대형 모델로의 확장성을 고려하는 등 독자모델 개발을 위한 연구가 필요하다고 사료된다.
이러한 비파괴 시험 중 FWD(Falling Weighit Deflectometer) 시험은 시험과정이 간단하고 실제의 교통하 중을 가장 정확히 묘사할 수 있기 때문에 가장 우수한 장비로 평가받고 있다. 또한 앞으로 많은 고속도로와 국도의 확장으로 인해서 더욱 더 많은 FWD가 필요할 것으로 추정된다.
그러나, 아직 센서 신호의 정밀성이나 시스템 신뢰도에 대한 연구가 미흡한 실정이며, 향후 상용화를 위해서는 내구성 및 신뢰도 검증을 통하여 제품의 완성도를 더욱 향상시켜야 할 것이다. 또한, 특장 차량 타입의 개발 또는 대형 모델로의 확장성을 고려하는 등 독자모델 개발을 위한 연구가 필요하다고 사료된다.
시제작된 FWQ를 실제 아스팔트 노면에서 하중 충격 실험을 수행하고 그 결과를 분석하였으며, 향후 보다 안정적인 실 험이 가능하도록 FWD 차체 구조물에 대한 개선과 데이터 처리 분석 S/W 보완에 대한 연구가 계속 수행돌 것이다. 본 연구에서 개발된 FWD를 활용, 포장도로의 정확한 구조평가에 바탕을 둔 적절한 대처로 도로유지보수비를 절감하고 체계적인 도로유 지/브수/관리 시스템을 구축할 수 있을 것으로 기 대 된다.
순수 국내 기 술로 FWD를 국산화하고자 Dynatest의 FWD를 모델로 연구를 수행하였으며, 본 논문에서는 수행된 연구결과를 토대로 시스템 설계/제작 및 실험 결과에 대해 기술하였다. 시제작된 FWQ를 실제 아스팔트 노면에서 하중 충격 실험을 수행하고 그 결과를 분석하였으며, 향후 보다 안정적인 실 험이 가능하도록 FWD 차체 구조물에 대한 개선과 데이터 처리 분석 S/W 보완에 대한 연구가 계속 수행돌 것이다. 본 연구에서 개발된 FWD를 활용, 포장도로의 정확한 구조평가에 바탕을 둔 적절한 대처로 도로유지보수비를 절감하고 체계적인 도로유 지/브수/관리 시스템을 구축할 수 있을 것으로 기 대 된다.

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