[논문]제방 안전관리를 위한 Flex센서와 FBG센서의 적용성 검토

이인제; 이은태; 강정훈; 김동민; 장기태

doi:10.3741/jkwra.2008.41.11.1135

문제 정의

본 연구는 Flex센서와 광섬유 센서중 FBG센서의 변이 계측에 대한 실험을 통해 두 센서의 특징을 파악하고, 하천제방의 안전관리를 위해 보다 적합한 센서의 결정이 가능하도록 하였다. 센서를 하천제방에 적용시 요구되는 여러 특성을 검토한 결과 현 시점에서 변이 계측과 관련하여 계측치의 일관성, 미소변이 계측 등 Flex센서의 단점을 보완할 수 있는 FBG센서의 여러 특징을 확인할 수 있었으며, 하천제방에 적용이 용이할 것으로 판단되었다.
본 연구에서는 Flex센서와 광섬유 센서중 FBG센서 두 가지를 검토하였으며, 센서별 특징은 다음과 같다.
특히 구조물 주변 제방붕괴는 수문 등의 제방 횡단 구조물의 주변에서 이질재료의 구조물과 제방의 접촉부 간의 부등침하로 인한 공동(空洞)이 형성되어 홍수시에 누수가 발생하고 이 때문에 제방이 붕괴되는 사례도 적지 않다. 본 연구에서는 이와 같이 하천제방 구조물 주변의 파괴양상에 관심을 가지고 세굴에 의한 공동발생 및 변이의 정도를 계측하여 제방 붕괴의 사전징후 파악 방법으로 활용하고자 하였다. Table 1에 구조물 주변 제방붕괴 사례를 구분하여 나타내었고, Fig.
2와 같은 형태의 센서 설치를 계획하였다. 적용대상으로는 하천횡단 구조물(배수문)이 설치된 제체 특히, 연약지반상의 배수구조물에 적합할 것이며, 계측인자로는 공동 발생을 야기하는 침하 혹은 변이, 공동으로의 유수 침입(흐름) 인지를 목적으로 하였다. 추가적으로 센서에 의한 이상 징후 감지 후 누수로 인한 piping 현상의 사전징후인 제외지 측의 나팔관형 소용돌이, 제외지측의 토사유출, boiling 현상 등의 사전징후를 지능형 CCTV로 감시함으로서 2단계의 감시활동이 가능하도록 계획하였다.

제안 방법

변이의 대, 중, 소를 고려하여 총 3개의 센서를 각각 모재에 부착하였으며, 구리선을 이용하여 3지점에 위치한 각 Flex센서의 한쪽 끝을 연결하였고, FBG센서는 3개의 센서를 하나의 광섬유로 연결하였다. Flex센서의 중앙에 해당하는 평행지점에 FBG센서를 부착하여(같은 선상) 변위에 대한 두 센서의 반응을 파악하고자 하였으며, 변이의 크기는 센서1, 센서2, 센서3의 순으로 나타나도록 하였다.(센서의 번호는 실험선반 쪽부터 센서3, 센서2, 센서1로 명명함.
구조물 주변 제방붕괴 현상을 효과적으로 관리하기 위한 센서 결정을 위해 여러 가지 센서 유형을 검토하였으며, 현장(Test Bed)에 적용할 최적의 센서결정을 목적으로 Flex센서와 광섬유 센서중 FBG센서에 대한 성능 실험을 실시하였다. 실험은 실내실험으로 진행하였고, 실험당시 측정대기 온도는 28℃였으며, 다음과 같은 순서에 의해 실시하였다.
변위는 5 mm씩 최대변위 125 mm까지 재하(loading)와 제하(unloading)를 총 4회 반복하여 측정하였으며, 변위발생시 획득되는 데이타의 물성치는 Flex센서는 저항(Ω)을, FBG센서는 파장λ(㎚)을 측정하여, 모재의 변이에 대응시켜 관찰하였다.
변이의 대, 중, 소를 고려하여 총 3개의 센서를 각각 모재에 부착하였으며, 구리선을 이용하여 3지점에 위치한 각 Flex센서의 한쪽 끝을 연결하였고, FBG센서는 3개의 센서를 하나의 광섬유로 연결하였다. Flex센서의 중앙에 해당하는 평행지점에 FBG센서를 부착하여(같은 선상) 변위에 대한 두 센서의 반응을 파악하고자 하였으며, 변이의 크기는 센서1, 센서2, 센서3의 순으로 나타나도록 하였다.
본 연구에서는 총 4회에 걸쳐 반복실험을 실시하였으며, Fig. 7에 각 단계별 실험 결과를 나타내었으며, 각 단계의 실험마다 유사한 경향을 확인할 수 있었다. 실험결과를 통해 확인할 수 있는 사항을 종합하면 다음과 같다.
셋째, 본 연구에서 제작된 실험센서는 변이의 크기가 센서1, 센서2, 센서3의 순으로 나타나도록 하여 그 때의 변이에 대한 전기저항 및 파장변화를 측정하였다. 4회에 걸친 반복실험결과 FBG센서는 의도된대로 센서1에서 최대값, 센서2에서 중간값, 센서3번에서 최소의 변이에 해당하는 파장변화값을 얻을 수 있었다.
실험 방법은 Fig. 5와 같이 센서가 부착된 판에 인위적인 힘을 가한(loading) 후 제거(unloading)하는 방식으로 변형을 유발시켰으며, 이때의 변위를 Fig. 4와 같은 장비를 이용하여 측정하였다. 변위는 5 mm씩 최대변위 125 mm까지 재하(loading)와 제하(unloading)를 총 4회 반복하여 측정하였으며, 변위발생시 획득되는 데이타의 물성치는 Flex센서는 저항(Ω)을, FBG센서는 파장λ(㎚)을 측정하여, 모재의 변이에 대응시켜 관찰하였다.
구조물 주변 제방붕괴 현상을 효과적으로 관리하기 위한 센서 결정을 위해 여러 가지 센서 유형을 검토하였으며, 현장(Test Bed)에 적용할 최적의 센서결정을 목적으로 Flex센서와 광섬유 센서중 FBG센서에 대한 성능 실험을 실시하였다. 실험은 실내실험으로 진행하였고, 실험당시 측정대기 온도는 28℃였으며, 다음과 같은 순서에 의해 실시하였다.
이상의 실험을 통해 Flex센서와 FBG센서의 성능을 비교하였다. 실험 결과 Flex센서는 일정한 변위 발생에 따른 계측치의 이관성에서 FBG센서에 뒤지는 특성을 나타내었으며, 재하(loading)와 제하(unloading)의 경우 일정 변위에서의 계측값이 일정치 않아 초기변위를 기준으로 일정한 변위가 발생하였을 경우 일관성 있는 데이터의 값을 획득하기 어려운 단점을 가지고 있음을 확인할 수 있었다.
전절에서 언급한 제방 횡단구조물과 제체와의 접속부 공동발생으로 인한 Piping 현상으로 발생하는 제방 붕괴 현상의 안전관리를 위해 Fig. 2와 같은 형태의 센서 설치를 계획하였다. 적용대상으로는 하천횡단 구조물(배수문)이 설치된 제체 특히, 연약지반상의 배수구조물에 적합할 것이며, 계측인자로는 공동 발생을 야기하는 침하 혹은 변이, 공동으로의 유수 침입(흐름) 인지를 목적으로 하였다.
적용대상으로는 하천횡단 구조물(배수문)이 설치된 제체 특히, 연약지반상의 배수구조물에 적합할 것이며, 계측인자로는 공동 발생을 야기하는 침하 혹은 변이, 공동으로의 유수 침입(흐름) 인지를 목적으로 하였다. 추가적으로 센서에 의한 이상 징후 감지 후 누수로 인한 piping 현상의 사전징후인 제외지 측의 나팔관형 소용돌이, 제외지측의 토사유출, boiling 현상 등의 사전징후를 지능형 CCTV로 감시함으로서 2단계의 감시활동이 가능하도록 계획하였다. 구체적 센서설치 구상은 다음과 같다.

대상 데이터

굽힘실험(loading and unloading)을 위해 모래를 선택하였고, 재질이 카본인 판(두께 : 1.2 mm, 폭 : 51 mm)에 Flex센서와 FBG센서를 같은 선상에 각 3개씩 Fig. 4와 같은 형태로 부착하였다.

성능/효과

셋째, 본 연구에서 제작된 실험센서는 변이의 크기가 센서1, 센서2, 센서3의 순으로 나타나도록 하여 그 때의 변이에 대한 전기저항 및 파장변화를 측정하였다. 4회에 걸친 반복실험결과 FBG센서는 의도된대로 센서1에서 최대값, 센서2에서 중간값, 센서3번에서 최소의 변이에 해당하는 파장변화값을 얻을 수 있었다. 그러나 Flex센서의 경우 1회차 시험을 제외한 2, 3, 4회 실험에서 중간값에 해당하는 센서2의 값이 센서1(제일 큰 변위)의 측정값보다 비슷하거나 오히려 큰 값을 나타내는 역전 현상을 나타내었다.
넷째, 변위량이 상대적으로 작은 센서3의 경우 Flex 센서의 경우 전회차의 실험에서 반응정도가 FBG센서에 비해 작고 경향 또한 일정하지 않음을 확인할 수 있었다.
또한 Flex센서의 경우 각각의 센서마다 일정 변형에 대한 감도 즉, data의 변화 정도가 다르다는 것을 알 수 있었으며, 반복실험에서 각 센서별 반응 정도가 상대적으로 일관성이 떨어짐을 확인할 수 있었다. FBG센서의 계측치와 비교하여 볼 때 Flex센서의 값이 상대적으로 크게 표현되어 Flex센서는 향후에 추가적인 보완을 하여 보다 정확한 센서로 사용가능 하리라 판단되었다.
본 연구는 Flex센서와 광섬유 센서중 FBG센서의 변이 계측에 대한 실험을 통해 두 센서의 특징을 파악하고, 하천제방의 안전관리를 위해 보다 적합한 센서의 결정이 가능하도록 하였다. 센서를 하천제방에 적용시 요구되는 여러 특성을 검토한 결과 현 시점에서 변이 계측과 관련하여 계측치의 일관성, 미소변이 계측 등 Flex센서의 단점을 보완할 수 있는 FBG센서의 여러 특징을 확인할 수 있었으며, 하천제방에 적용이 용이할 것으로 판단되었다.
이상의 실험을 통해 Flex센서와 FBG센서의 성능을 비교하였다. 실험 결과 Flex센서는 일정한 변위 발생에 따른 계측치의 이관성에서 FBG센서에 뒤지는 특성을 나타내었으며, 재하(loading)와 제하(unloading)의 경우 일정 변위에서의 계측값이 일정치 않아 초기변위를 기준으로 일정한 변위가 발생하였을 경우 일관성 있는 데이터의 값을 획득하기 어려운 단점을 가지고 있음을 확인할 수 있었다.
추가적으로 변위량이 미미한 경우 FBG센서가 Flex센서보다 반응을 감지하는데 상대적으로 장점을 가지고 있음을 실험을 통해 알 수 있었다. 이러한 실험결과로 FBG센서의 상대적 우수성을 확인하였으며, 현장 설치시 유지관리, 내구성 등의 면에서 FBG센서의 우수성이 지속적으로 발표되고 있는 점 등을 고려할 때 FBG센서의 장점을 확인할 수 있었다. 이러한 실험의 결과는 현재 진행중인 “국가주요시설물 안전관리 네트워크 시범 구축 및 운영시스템개발” 사업중 하천제방 분야에 유용한 자료로 활용될 수 있을 것이며, 사업이 성공적으로 완료될 경우 국가주요시설물 안전관리에 큰 몫을 할 수 있을 것으로 기대된다.
첫째, Fig. 7의 각 회의 실험결과 그래프에서 볼 수 있듯이 센서1과 센서2, 센서2와 센서3의 사이의 변동폭이 FBG센서의 경우 일정한 반면 Flex센서의 경우 일정치 않음을 확인할 수 있어, 일정한 변위 발생에 따른 계측 Data의 이관성에서 FBG센서가 Flex센서보다 상대적으로 우수함을 각 단계마다 확인할 수 있었다.
FBG센서의 계측치와 비교하여 볼 때 Flex센서의 값이 상대적으로 크게 표현되어 Flex센서는 향후에 추가적인 보완을 하여 보다 정확한 센서로 사용가능 하리라 판단되었다. 추가적으로 변위량이 미미한 경우 FBG센서가 Flex센서보다 반응을 감지하는데 상대적으로 장점을 가지고 있음을 실험을 통해 알 수 있었다. 이러한 실험결과로 FBG센서의 상대적 우수성을 확인하였으며, 현장 설치시 유지관리, 내구성 등의 면에서 FBG센서의 우수성이 지속적으로 발표되고 있는 점 등을 고려할 때 FBG센서의 장점을 확인할 수 있었다.

후속연구

또한 Flex센서의 경우 각각의 센서마다 일정 변형에 대한 감도 즉, data의 변화 정도가 다르다는 것을 알 수 있었으며, 반복실험에서 각 센서별 반응 정도가 상대적으로 일관성이 떨어짐을 확인할 수 있었다. FBG센서의 계측치와 비교하여 볼 때 Flex센서의 값이 상대적으로 크게 표현되어 Flex센서는 향후에 추가적인 보완을 하여 보다 정확한 센서로 사용가능 하리라 판단되었다. 추가적으로 변위량이 미미한 경우 FBG센서가 Flex센서보다 반응을 감지하는데 상대적으로 장점을 가지고 있음을 실험을 통해 알 수 있었다.
그러나 본 실험은 실내 실험에 국한 되어 있으므로 향후 현장의 기후 및 센서가 물과 접촉했을 경우에 대한 영향, 하천 수위나 지하수위 변화에 따라 센서가 계측한 제방내 구조물의 변동 기록 분석 등이 현장(Test Bed) 실험을 통해 고려되어야 할 것이다.
이러한 선형적 관계는 현장의 변이 계측에 있어서 상당한 이점을 갖는 특성이라 할 수 있을 것이다. 그러나 본 실험은 실내 실험인 점, 현장의 기후상태, 센서가 물과 접촉했을 경우 등이 센서에 어떠한 영향을 미치는지에 대한 고려가 없었던 점을 충분히 주지해야 할 것이고, 향후 현장 실험을 통해 고려되어야 할 것이다.
이러한 실험의 결과는 현재 진행중인 “국가주요시설물 안전관리 네트워크 시범 구축 및 운영시스템개발” 사업중 하천제방 분야에 유용한 자료로 활용될 수 있을 것이며, 사업이 성공적으로 완료될 경우 국가주요시설물 안전관리에 큰 몫을 할 수 있을 것으로 기대된다.

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	하천 제방 어떠한 측면에서 안정성의 확보가 가장 우선시 되는가?	하천 제방은 댐, 교량 등과 같이 계획, 설계, 시공, 유지관리 등 모든 측면에서 안전성의 확보가 가장 우선시된다. 아직까지 국내에서는 제방 붕괴로 인한 초대형 수해는 없었지만 홍수시 크고 작은 제방붕괴가 사회문제화 되어 왔다.
	Robot 제작시 촉각 센서로 활용되는 Flex센서는 어떠한 특징을 갖는가?	Flex센서는 휘어짐 정도를 측정하는 센서로서, 평평한 상태에서 약 10K Ohm의 저항값을 나타내며 90도 휘어진 상태에서 15K ∼ 30K의 전기 저항값을 가진다. Flex센서는 단순기하(직각, 원) 운동계가 아닌 유연한 물체의 움직임 감지용으로 사용하며 생물체의 더듬이와 비슷한 역할을 하므로 Robot 제작시 촉각 센서로 활용되고 있다.
	하천제방의 붕괴 요인중 구조물(배수통문) 주변 제방의 붕괴는 전체 요인의 몇 %를 차지하는가?	하천제방의 붕괴 요인중 구조물(배수통문) 주변 제방의 붕괴는 전체 요인의 l0% 이상을 차지하고 있으며, 특히 2002년 홍수시 낙동강에서 발생한 제방 유실 지점은 거의 배수통문 주위에서 발생하였다. 이러한 제방 파괴는 이질 재료인 통문 구조물과 제체 접합부 사이에 공극이나 공동이 형성된 후 홍수시 내부 침식으로 인해 공동이 확대되어 발생하는 파괴구조를 가지고 있다.

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