[논문]건축구조물에 대한 구조건전성 모니터링의 적용

김지영

문제 정의

현재로서 이러한 완벽한 SHM 시스템이 구축된 사례는 아직 찾아볼 수는 없지만 관련된 센서기술 및 손상탐지기술의 발전에 따라 가까운 장래에는 가능할 것으로 생각된다. 다음은 (주)대우건설에서 시공중 혹은 완공후 구조물의 구조모니터링 및 이를 활용한 건전성감시에 대한 최근 사례로서 이를 통해 SHM의 활용분야와 효과에 대해 살펴보고자 한다.
이상과 같이 시공중 혹은 완공후 구조물의 구조모니터링 및 이를 활용한 건전성감시에 대한 최근 사례를 살펴보았다. 최근 국내외 건축 및 토목분야에서 구조물의 사용성과 안전성에 대한 문제가 대두되면서 계측유지관리에 대한 필요성이 증대되고 있다.

제안 방법

시공되고 있다. 즉" 그림 7과 같이 지상에서 조립된 인공섬 부유체 아래에 원통형의 에어백(고무튜브)을 설치하고 윈치를 이용해 지상에서 강변까지 굴려서 이동한 뒤 강변 경사로에서 로프를 풀어 배처럼 진수하였다. 따라서 지상 이동 및 진수 시 발생할 수 있는 충격하중에 대하여 상부 돔 구조물과 부유체의 구조안전성을 사전에 해석하고 검토하였으며 실제 이동 중에는 실시간 계측 및 손상평가를 통해 구조안전성을 모니터 링하였다.
따라서 횡력저항시스템의 주요 구조부재인 아웃리거 트러스에 광섬유 센서를 설치하여 국부적인 변형을 감시함으로써 전체적인 구조안정성에 대한 모니터링이 이루어지도록 하였다. 계측된 데이터는 현장 내 설치된 임시 서버에 저장되도록 하였으며, 계측결과는 아웃리거 댐퍼가 포함된 구조해석모델의 해석결과와 비교하여 시공 중 댐퍼의 성능 및 효과를 검증하였다.
따라서 지상 이동 및 진수 시 발생할 수 있는 충격하중에 대하여 상부 돔 구조물과 부유체의 구조안전성을 사전에 해석하고 검토하였으며 실제 이동 중에는 실시간 계측 및 손상평가를 통해 구조안전성을 모니터 링하였다. 구조모니터링 시스템은 그림 8과 같이 변형률계를 부유체 상판과 주요 기둥에 부착하여 이동 중 변형에 의해 부가적으로 발생되는 응력을 계측할 수 있도록 하였으며, 상부 돔 구조물 및 부유체 상판에는 가속도계를 설치하여 충격에 의해 발생되는진동을 직접 측정할 수 있도록 하였다. 또한 부유체 상판에 경사계를 부착하여 부유체가 에어벡에 의해 균등하게 지지되어 사전에 설계된 경사도로 이동 및 진수되는지 모니터링하였다.
무선으로 계측된 데이터는 계측 데이터수집용 컴퓨터에 저장되고 사전에 구축된 구조물 건 전도평가 시스템에 입력되어 관리자가 실시간으로 구조 안전성을 평가할 수 있도록 하였다. 구조물 건전도 평가시스템은 충격하중에 대한 상부 돔 구조물의 응답을 동적 구조해석을 통해 시뮬레이션하고 구조물에서 발생하는 진동 및 변형과 이에 대응하는 손상 정도를 학습데이터로 구성한 뒤 이를 인공지능에 학습시켜 구현되었다.
또한 부유체 상판에 경사계를 부착하여 부유체가 에어벡에 의해 균등하게 지지되어 사전에 설계된 경사도로 이동 및 진수되는지 모니터링하였다. 그리고 전체 구조물의 이동경로를 추적하기 위하여 GPS를 설치하였다.
도입하고 있다. 그림 6과 같이 4개층에 가속도계를 설치하여 구조물의 동적특성 및 진동응답을 측정함으로써 전체 구조물의 구조안전성을 감시하도록 하였다.
즉" 그림 7과 같이 지상에서 조립된 인공섬 부유체 아래에 원통형의 에어백(고무튜브)을 설치하고 윈치를 이용해 지상에서 강변까지 굴려서 이동한 뒤 강변 경사로에서 로프를 풀어 배처럼 진수하였다. 따라서 지상 이동 및 진수 시 발생할 수 있는 충격하중에 대하여 상부 돔 구조물과 부유체의 구조안전성을 사전에 해석하고 검토하였으며 실제 이동 중에는 실시간 계측 및 손상평가를 통해 구조안전성을 모니터 링하였다. 구조모니터링 시스템은 그림 8과 같이 변형률계를 부유체 상판과 주요 기둥에 부착하여 이동 중 변형에 의해 부가적으로 발생되는 응력을 계측할 수 있도록 하였으며, 상부 돔 구조물 및 부유체 상판에는 가속도계를 설치하여 충격에 의해 발생되는진동을 직접 측정할 수 있도록 하였다.
송도 NEATT의 경우 횡력 저항시스템으로 아웃리거 시스템을 적용하고 있으므로 풍하중 및 지진하중이 아웃리거에 집중되어 지지된다. 따라서 횡력저항시스템의 주요 구조부재인 아웃리거 트러스에 광섬유 센서를 설치하여 국부적인 변형을 감시함으로써 전체적인 구조안정성에 대한 모니터링이 이루어지도록 하였다. 계측된 데이터는 현장 내 설치된 임시 서버에 저장되도록 하였으며, 계측결과는 아웃리거 댐퍼가 포함된 구조해석모델의 해석결과와 비교하여 시공 중 댐퍼의 성능 및 효과를 검증하였다.
따른 구조물의 손상도를 평가하였다. 또한 구조해석을 통해 풍진동 및 막케이블 장력을 가장 효과적으로 계측할 수 있는 위치를 선정하여 계측시스템을 설계하였다.
구조모니터링 시스템은 그림 8과 같이 변형률계를 부유체 상판과 주요 기둥에 부착하여 이동 중 변형에 의해 부가적으로 발생되는 응력을 계측할 수 있도록 하였으며, 상부 돔 구조물 및 부유체 상판에는 가속도계를 설치하여 충격에 의해 발생되는진동을 직접 측정할 수 있도록 하였다. 또한 부유체 상판에 경사계를 부착하여 부유체가 에어벡에 의해 균등하게 지지되어 사전에 설계된 경사도로 이동 및 진수되는지 모니터링하였다. 그리고 전체 구조물의 이동경로를 추적하기 위하여 GPS를 설치하였다.
있도록 하였다. 무선으로 계측된 데이터는 계측 데이터수집용 컴퓨터에 저장되고 사전에 구축된 구조물 건 전도평가 시스템에 입력되어 관리자가 실시간으로 구조 안전성을 평가할 수 있도록 하였다. 구조물 건전도 평가시스템은 충격하중에 대한 상부 돔 구조물의 응답을 동적 구조해석을 통해 시뮬레이션하고 구조물에서 발생하는 진동 및 변형과 이에 대응하는 손상 정도를 학습데이터로 구성한 뒤 이를 인공지능에 학습시켜 구현되었다.
제주월드컵경기장은 스팬 200m 의장 스팬 구조물로서 과거 2002년도 월드컵 이후 최악의 대형태풍으로 인해 지붕막이 손상되는 사고를 경험하였다. 손상 발생 후 지붕의 형상을 바람에 유리하도록 개선하여 재시공하였으며, 동일한 손상의 방지를 위해 SHM 시스템을 도입하여 지붕구조물에 대한 상시 모니 터 링을 실시하고 있다.
이와 같은 서귀포경기장의 계측 시스템 및 상황별 대응 체계의 구축을 위해 풍동실험의 결과를 이용하여 풍하중에 대한 구조물의 동적해석을 실시하고 풍진동 및 풍하중 레벨에 따른 구조물의 손상도를 평가하였다. 또한 구조해석을 통해 풍진동 및 막케이블 장력을 가장 효과적으로 계측할 수 있는 위치를 선정하여 계측시스템을 설계하였다.
활용되었다. 즉, 그림 2(b)와 같이 아웃리거 댐퍼의 거동을 계측할 수 있는 변위계와 압력계를 설치하여 상시로 계측하였으며, 풍하중에 대한 진동제어효과를 검증하기 위해 건물의 여러부분에서 가속도데이터를 측정하였다. 송도 NEATT의 경우 횡력 저항시스템으로 아웃리거 시스템을 적용하고 있으므로 풍하중 및 지진하중이 아웃리거에 집중되어 지지된다.

이론/모형

아웃리거 댐퍼시스템의 성능검증을 위해 구조모니터링시스템이 활용되었다. 즉, 그림 2(b)와 같이 아웃리거 댐퍼의 거동을 계측할 수 있는 변위계와 압력계를 설치하여 상시로 계측하였으며, 풍하중에 대한 진동제어효과를 검증하기 위해 건물의 여러부분에서 가속도데이터를 측정하였다.

성능/효과

최근에 발생한 고층건물의 진동문제에서도 볼 수 있듯이 심각한 구조적인 손상이나 인명피해가 없더라도 구조적인 안전성에 의심이 되는 문제가 발생되면 조사를 통해 원인을 파악하고 대책을 세우기 전까지는 사용이 중지되고 그에 따른 경제적인 피해가 발생한다. 따라서 문제 발생 시 최단 시간 내에 원인분석을 실시하여 사용중지 기간을 최소화함으로써 운영중 손실을 최소화할 수 있는 점만으로 SHM의 효용가치는 충분하다고 생각된다. 또한 엔지니어의 입장에서는 기술의 발전 및 엔지니어링의 가치를 높이기 위해서는 설계된 건물이 완공 후 어떠한 성능과 거동을 보이는지를 확인하고 이해하는 것이 시공중인 구조물에 대해서도 적용된 기술이 의도한 성능을 발휘하는지 중요할 것이며 이러한 측면에서 SHM 시스템이 활용될 수 있다.

후속연구

따라서 진정한 의미의 SHM 시스템에는 상시계측시스템과 함께 이들 데이터로부터 구조물의 손상을 판단하는 손상탐지시스템 및 손상탐지결과에 따른 단계별 대응방안이 마련되어야 한다. 현재로서 이러한 완벽한 SHM 시스템이 구축된 사례는 아직 찾아볼 수는 없지만 관련된 센서기술 및 손상탐지기술의 발전에 따라 가까운 장래에는 가능할 것으로 생각된다. 다음은 (주)대우건설에서 시공중 혹은 완공후 구조물의 구조모니터링 및 이를 활용한 건전성감시에 대한 최근 사례로서 이를 통해 SHM의 활용분야와 효과에 대해 살펴보고자 한다.

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