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문제 정의
- 이를 효과적으로 사용하기 위해서는 일정한 규칙을 정하고 그에 따라 최대값 등 방대한 분량의 아날로그 데이터에서 필요한 정보를 정리해야 한다. 여기서는 시험도로에서 얻어진 아스팔트 및 콘크리트포장에 매설된 변형률계의 계측 결과를 정리하는 방법론을 제시하였다. 또한 계측 결과에 포함된 노이즈에 대한 필터링이 필요할 경우 적용할 수 있는 차단 주파수를 제시하였다.
- 시험 도로에 적용된 계측기의 종류는 아스팔트 6종, 콘크 리트 11종으로 다양하다. 여기서는 이들 중에서도 콘크리트와 아스팔트 변형률계의 계측 결과를 위주로 논하고자 한다. 다양한 계측 결과들을 먼저 비교하여 이중에서 유효한 계측 결과를 파악하는 작업을 먼저 수행하였고, 신뢰도를 높이기 위해 필터링 주파수 수준을 결정하였다.
- 콘크리트포장 구간에는 슬래브와 린콘크리트,BB3, Bond breaker 층 등에 총 4가지 유형의 변형률계가 매설되어 있지만, 여기서 분석하는 범위는 줄눈 콘크리트 포장 단면에 매설된 콘크리트 및 아스팔트 변형률계로 국한하고자 한다. 시험도로의 총 636 개의 콘크리트 변형률계 중 7.
제안 방법
- 그림에서 가장 왼쪽부분은 첫 파형이 트럭의 전륜이 지날 때 나타나는 파형이고 이어서 중륜과 후륜에 대한 파형이 나타난다. 10㎐ 이상 주파수 영역을 차단하기 위해 차단 주파수를 10㎐로 설정하고 감쇄비는 60dB(차단된 주파수가 감쇄되는 비율로 60dB이 가장 적정함)로 결정하였다. 원본 데이터에 비해 최대변화값이 0.
- 이는 보는 바와 같이 6회에 걸쳐 실험한 결과이다. 감쇄비는 동일하게 60dB로 결정하고 차단 주파수를 20~80㎐로 변화시키며 필터링 이후의 변화를 관찰하였다. 차단 주파수가 20㎐일 경우 101번 변형률 값(그림7의 상단 그래프)은 원본 데이터에 비해 최대 변형률값(절대값)이 10.
- 계측 결과 분석을 통하여 시험도로 포장단면에 계측기 설치 이후에 발생한 변형률계의 생존 여부 변화 및 계측기의 신뢰도를 분석하였다. 이를 위하여 2차례에 걸친 초기계측 및 정기계측 결과에서 얻어진 변형률계 계측 결과 값을 분석하였다.
- 또한 추후에 다루어질 필터링을 수행할 경우에는 수행 후의 값을 적용하는 것을 원칙으로 한다. 계측 결과의 체계화는 다음과 같이 이루어지며, 체계화 후 최종 파일 저장 형태는 활용도가 높은 엑셀 파일로 하였다.
- 자동 및 상시계측의 경우에는 계측 관리 프로그램 및 자체 데이터베이스가 있어 한국도로공사 시험도로 운영센터에서 자체적으로 데이터의 유효성 판단과 검증을 이미 완료한 상황이다. 그러므로, 수동 계측에 초점을 맞춰서 계측 결과를 정리하고 유효성을 검증한다. 수동계측의 경우에 도 하중을 어떤 방법으로 재하하느냐에 따라서 구분 이 가능하다.
- 여기서는 이들 중에서도 콘크리트와 아스팔트 변형률계의 계측 결과를 위주로 논하고자 한다. 다양한 계측 결과들을 먼저 비교하여 이중에서 유효한 계측 결과를 파악하는 작업을 먼저 수행하였고, 신뢰도를 높이기 위해 필터링 주파수 수준을 결정하였다. 또한 문제가 있는 계측기를 선별하여 각 계측기의 상태를 점검하였다.
- 다음으로 정리된 시험도로 계측 결과를 토대로 변형률계의 신뢰도를 판단하였다. 이를 통하여 잡음이 많거나 파형이 이상한 변형률계들을 선별하였다.
- 여기서는 시험도로에서 얻어진 아스팔트 및 콘크리트포장에 매설된 변형률계의 계측 결과를 정리하는 방법론을 제시하였다. 또한 계측 결과에 포함된 노이즈에 대한 필터링이 필요할 경우 적용할 수 있는 차단 주파수를 제시하였다.
- 다양한 계측 결과들을 먼저 비교하여 이중에서 유효한 계측 결과를 파악하는 작업을 먼저 수행하였고, 신뢰도를 높이기 위해 필터링 주파수 수준을 결정하였다. 또한 문제가 있는 계측기를 선별하여 각 계측기의 상태를 점검하였다.
- 변형률계 계측 결과를 전반적으로 검토한 뒤에 변형률계의 신뢰도를 판단하고 오류가 있는 계측기들을 구분하기 위하여 표2와 같이 신호 없음, 신호 이상, 극성 바뀜, 단자 바뀜, 노이즈 많음, 관리프로그램 오류의 6가지로 판정 기준을 구분하였다.
- 이를 위해서는 기본적으로 정적하중재하시험, 동적하중재하시험 , FWD재하시험 등 하중별로 자료를 분류하며, 포장 형식에 따라 콘크리트포장과 아스팔 트포장으로 구분하여 정리한다. 각 변형률 계측 결과의 최대값은 각 계측기 설치 위치에서 깊이 순서에 따라 저장하고 하중재하 위치와 시험 수행 당시의 온도, 시험 시간 등의 부수적인 데이터도 포함된다.
- 다음으로 정리된 시험도로 계측 결과를 토대로 변형률계의 신뢰도를 판단하였다. 이를 통하여 잡음이 많거나 파형이 이상한 변형률계들을 선별하였다. 그러나, 망실된 변형률계나, 신호가 전혀 잡히지 않는 변형률계들을 제외한 나머지는 계측 횟수가 거듭되면서 상황이 변하는 경우도 있었다.
- 그러나 계측과정에서 원더링(변형률 위치와 타이어 재하 위치가 이격되는 현상), 컬링(콘크리 트 슬래브가 상하부 온도차에 따라 휘어지는 현상), 각 층간의 접착 여부 등에 따라 인장이나 압축 변형률이 예상과 다르게 나타날 수 있다. 이와 같은 현상으로 계측기가 이상이 없음에도 불구하고 신호이상 으로 분류되는 것을 방지하기 위해 인접 변형률계와 상호비교를 통해 실제 계측기상에서 발생하는 이상 유무를 확인하였다.
-
그림 9. 80㎐ 필터링 이후
이와 같이 각 시험 항목별로 축척된 계측결과를 토대로 차단 주파수를 5~10㎐ 단위로 변화시켜 가장 이상적인 차단 주파수를 찾아내고 이를 계측 결과 정리과정에서 적용했다
. 시험 항목에 따라 차단 주파수 를 5~150㎐까지 설정하였고, 표 1은 각 계측 항목별로 적용할 수 있는 차단 주파수이다.
대상 데이터
- 따라서 정리된 결과들의 상호 비교를 통해 동일한 조건에서 다른 반응을 보인 계측 결과들을 구분하여 통계적인 신뢰도를 높이는 작업이 필요하다. 시험 도로에 적용된 계측기의 종류는 아스팔트 6종, 콘크 리트 11종으로 다양하다. 여기서는 이들 중에서도 콘크리트와 아스팔트 변형률계의 계측 결과를 위주로 논하고자 한다.
- 시험도로에는 수동계측이 필요한 단면이 콘크리트 포장이 22개소, 아스팔트포장이 33개소 등 총 55개 소 지점이며, 해당하는 계측기의 총 수량은 1, 507개 에 달한다. 모든 계측은 동일 지점에서 동일 항목이 3회 이상 측정되므로 초기계측 또는 정기계측 1회에서 양산되는 계측 결과의 양은 방대하다.
데이터처리
- 계측 결과 분석을 통하여 시험도로 포장단면에 계측기 설치 이후에 발생한 변형률계의 생존 여부 변화 및 계측기의 신뢰도를 분석하였다. 이를 위하여 2차례에 걸친 초기계측 및 정기계측 결과에서 얻어진 변형률계 계측 결과 값을 분석하였다. 한 가지 특이한 사실은 노이즈가 많이 발생하는 변형률계들은 계측 시기에 따라서 노이즈 발생 정도가 달라 계측 결과의 신뢰도를 명확히 판단할 수 없는 경우도 있어 지속적인 관찰이 필요한 점이다.
성능/효과
- 계측 결과는 48개 채널 중 0번부터 4번까지 5채널에서 읽어 들여진 계측 결과를 동시에 나타낸 것이다. 각 채널별 계측 결과를 보면 세 번째, 네 번째 계측 결과는 노이즈가 크게 발생한 것으로 판단된다. 이와 같이 각 계측값별로 다른 신뢰성을 가지고 있어 이에 따른 체계적 분류가 필요하다.
- 계측 검토 결과 콘크리트 및 아스팔트포장에 매설된 전체 변형률계 중 97%이상이 현재 생존하고 있음을 확인하였고, 계측기의 극성, 단자 위치, 계측관리 프로그램 설정 오류 등 계측 오차를 유발하는 경우들을 모두 확인하였다. 이외에도, 일부 변형률계에서 간혹 노이즈가 심하게 발생하는 현상들을 확인할 수 있었다.
- 55%가 이상이 있는 것으로 나타났다. 계측 신호가 없는 변형률계는 총 5개로 이미 설치 과정 중에서 파손 또는 회수된 7개를 포함하여 현재까지 총 12개의 변형률계가 손실된 것으로 판단할 수 있다. 이들은 대부분 슬래브에 매설된 계측기들로서 계측기 설치 과정에서 보호박스가 슬립폼 패이버의 몰드에 의하여 파손되고 변형률계의 위치가 이동하여 복구가 불가능한 상황에서 회수된 변형률계들이다.
- 노이즈를 줄이는 방안으로 이를 프로그램상에서 자동으로 구분하고 유효한 계측 결과만을 추출할 수 있도록 분석 모듈을 개발하는 것도 한 방안이 될 수 있겠지만, 이는 각 실험 특성에 따라 데이터의 유형이나 오차 대역이상이 하기 때문에 실제와 동떨어진 계측 결과를 추출할 수 있는 가능성을 배제할 수 없다. 따라서 보다 신뢰성 있는 계측 결과를 얻기 위해 시험도로의 정보를 숙지하고 있는 숙련된 인력이 직접 프로그램을 사용하며 계측 결과의 신뢰도를 판단하며 프로그램의 다양한 기능을 이용하여 계측 결과의 최대값을 추출하는 방식이 합리적이다.
- 본 검토 결과를 토대로 판단해보면 아스팔트 포장의 경우에 중간층과 기층 상부에 변형률계를 매설하기 보다는 표층과 기층 하부 쪽에 더 치중하여 변형률계를 매설하는 것이 더 양호한 계측 결과를 도출할 수 있었을 것이라 판단된다. 향후에 품질관리 센터나 장기공용성 관측구간 등 아스팔트포장에 변형률계를 매설할 경우에는 이를 반영하는 것이 바람직하다.
- 특히 극성이 바뀌는 경우의 계측값을 그대로 활용할 경우 큰 혼선을 일으킬 수 있기 때문이다. 본 결과는 이후 시험도로 계측 과정에 반영되어 문제가 발생된 대부분의 계측기의 신뢰도는 회복되었고 신뢰성 향상에 크게 기여하였다. 여기서 제시하는 과정은 시험도로뿐만 아니라 포장에 매설된 계측기를 활용하는 경우에 모두 통용될 수 있는 방법론이다.
- DaqView 프로그램은 후리어 변환(Fourier transform)을 이용하여 노이즈가 발생하는 특정 대역의 주파수를 감쇄시켜 노이즈를 걸러주는 필터 기능을 가지고 있다. 이를 이용하면 계측 결과에 포함 된 노이즈를 제거하여 변형률계 계측 결과에서 노이즈에 의하여 발생하는 오차를 감소시킬 수 있다. 노 이즈의 발생 원인은 시험도로 주변에서 형성되는 전기장 및 자기장과 계측기 및 데이터로거 사이에서 흐르는 전류의 불안정 등 다양하게 추정된다.
- 이들은 대부분 슬래브에 매설된 계측기들로서 계측기 설치 과정에서 보호박스가 슬립폼 패이버의 몰드에 의하여 파손되고 변형률계의 위치가 이동하여 복구가 불가능한 상황에서 회수된 변형률계들이다. 이를 제외한 나머지 항목은 복구 가능한 항목으로 이들을 제외한 실질적인 계측기의 생존율은 98.11%로 나타났다.
- 그러나 2개의 변형률계는 설치 후 원인 불명의 이유로 파손되었다. 총 374개의 계측기 중 설치 과정 및 그 이후에 파손개수가 2개라는 것은 99% 이상의 생존율로서 설치 과정이 상당히 우수했음을 반증하는 것이다. 또한 2002년도 시험도로 보고서에 의하면 A2-1 단면의 변형률계(ASG 304)가설치 후 파손된 것으로 기재되어 있으나, 계측 결과로 미루어 판단한 결과 생존한 것으로 간주할 수 있었다.
- 극성 바뀜의 경우는 변형률계에서 얻어진 계측 결과의 파형이 압축/인장이 바뀐 형태로 나타난 경우로서 인접 계측기의 파형과 비교함으로서 판정이 가능하다. 컬링이나 원더링에 의해 압축/인장이 반대로 발생할 수 있지만 명백하게 압축 또는 인장 변형률이 검출되어야 하는 상황에서 계측 결과가 반복적으로 반대로 나왔을 경우 극성이 바뀐 것으로 판단하였다. 이런 경우에는 계측기 함체의 단자대에서 배선의 극성을 변경시켜줌으로서 오류를 수정할 수 있다.
후속연구
- 여기서 제시하는 과정은 시험도로뿐만 아니라 포장에 매설된 계측기를 활용하는 경우에 모두 통용될 수 있는 방법론이다. 따라서 이와 같은 과정을 거친다면 기존에 검증 없이 적용된 계측 값의 불확실성을 상당부분 제거할 수 있을 것으로 판단된다. 이를 통해 얻어진 계측 결과는 구조해석 분석과 연계하여 지속적으로 연구되고 있으며, 연구 결과는 빠른 시일 내에 후속 연구로 제시될 예정이다.
- 그리고 전체적인 계측기 상황으로 볼 때 아스팔트 변형률계의 경우 중간층과 기층 상부 보다는 표층과 기층하부에 변형률계의 매설 숫자를 늘리는 것이 변형률 관측에 더 유리하다. 시험 도로의 경우에 표층에 매설된 변형률계의 조기 파손 우려로 표층 매설 물량을 최소화하였지만, 준공 후 약 2년이 지난 시점에서도 기대 이상의 생존율을 보이고 있는바, 향후 포장분야 계측기 설치에서 이와 같은 사실이 반영되길 희망한다.
- 이와 같이 각 계측값별로 다른 신뢰성을 가지고 있어 이에 따른 체계적 분류가 필요하다. 여기서 제시된 시험도로 계측 결과 분류 기준은 향후에 한국형 포장설계법 개발 연구진 및 기타 시험도로의 계측 결과를 필요로 하는 연구진에게 보급될 예정이다.
- 그러나, 망실된 변형률계나, 신호가 전혀 잡히지 않는 변형률계들을 제외한 나머지는 계측 횟수가 거듭되면서 상황이 변하는 경우도 있었다. 여기서는 시험도로 운영 초기에 얻어진 계측 결과들을 기초로 판단한 것으로서, 향후 변화 추이를 지켜볼 필요가 있다. 아 스팔트 변형률계의 경우에는 점탄성 거동을 보이는 아스팔트 혼합물의 특성상 계측 신호의 이상 여부를 판단하기가 상대적으로 더 어려웠다.
- 따라서 이와 같은 과정을 거친다면 기존에 검증 없이 적용된 계측 값의 불확실성을 상당부분 제거할 수 있을 것으로 판단된다. 이를 통해 얻어진 계측 결과는 구조해석 분석과 연계하여 지속적으로 연구되고 있으며, 연구 결과는 빠른 시일 내에 후속 연구로 제시될 예정이다.
- 이를 위하여 2차례에 걸친 초기계측 및 정기계측 결과에서 얻어진 변형률계 계측 결과 값을 분석하였다. 한 가지 특이한 사실은 노이즈가 많이 발생하는 변형률계들은 계측 시기에 따라서 노이즈 발생 정도가 달라 계측 결과의 신뢰도를 명확히 판단할 수 없는 경우도 있어 지속적인 관찰이 필요한 점이다. 또한, 계측기 자체는 생존해 있지만, 계측관리 프로그램상의 오류로 인하여 신뢰도가 저하된 것으로 판단된 계측기도 있었다.
- 이밖에 관리프로그램 오류로 구분되는 변형률계가 3개소로 파악되었는데, 이는 설치 과정에서 회수된 변형률계를 고려하지 않아 발생한 것으로 단순 조작만으로 보정이 가능하기 때문에 수록하지 않았다. 향후 계측에서 노이즈가 많이 발생하거나 신호가 이상한 계측기들은 상황에 따라서 추가로 발생할 수 있으므로, 계측기들이 안정화될 2~3년까지는 지속적인 관찰이 필요하다.
- 시험도로는 실제 현장의 기후 및 교통량 조건을 반영하는 고가의 연구시설인 만큼, 여기서 얻어진 실험 결과들은 실제 상황에 가장 부합하는 결과라 할 수 있다. 향후 포장 분야의 연구 개발에 기여할 수 있도록 앞으로 두 번 다시 수행하기 어려운 시험도로와 같은 연구 시설을 최대한 활용하여야 한다. 그러기 위해서는 초기 계측 결과에 대한 유효성을 검증하는 작업은 상당히 중요하다.
- 아 스팔트 변형률계의 경우에는 점탄성 거동을 보이는 아스팔트 혼합물의 특성상 계측 신호의 이상 여부를 판단하기가 상대적으로 더 어려웠다. 향후에 추가적인 계측 결과들을 더하여 계측 신호의 이상 여부를 판단할 필요가 있다. 그리고 전체적인 계측기 상황으로 볼 때 아스팔트 변형률계의 경우 중간층과 기층 상부 보다는 표층과 기층하부에 변형률계의 매설 숫자를 늘리는 것이 변형률 관측에 더 유리하다.
- 본 검토 결과를 토대로 판단해보면 아스팔트 포장의 경우에 중간층과 기층 상부에 변형률계를 매설하기 보다는 표층과 기층 하부 쪽에 더 치중하여 변형률계를 매설하는 것이 더 양호한 계측 결과를 도출할 수 있었을 것이라 판단된다. 향후에 품질관리 센터나 장기공용성 관측구간 등 아스팔트포장에 변형률계를 매설할 경우에는 이를 반영하는 것이 바람직하다.
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