확률론적 방법에 의한 교량계측시스템의 관리기준치 설정에 관한 연구 Study for Determination of Management Thresholds of Bridge Structural Health Monitoring System based on Probabilistic Method원문보기
최근 건설되는 특수교량에는 상시적인 유지관리 체계로서 계측시스템이 활발히 도입되고 있는 상황이다. 일반적으로 계측시스템을 이용한 교량 유지관리 시에는 관리기준치를 설정하여 교량의 상태를 평가하게 되지만, 관리기준치 설정 기준과 방법이 없어 설계허용값에 근거하여 단순하게 설정되고 있는 실정이다. 기존의 방법으로 설정된 관리기준치를 적용할 경우 관리기준치 범위 내에서 발생된 이벤트, 이상거동 및 점진적으로 발생하는 손상 등과 같은 교량의 상태변화를 파악하기에는 한계가 있다. 따라서, 본 연구에서는 기존의 절대치 관리에 있어 관리기준치 설정의 문제점을 고찰하여 실무에 효과적으로 적용가능한 개선된 관리기준치 설정 및 운영방법을 도출하였다. 개선된 관리기준치 설정을 위해 검벨분포를 사용한 확률론적 접근방법을 도입하여 재현빈도 50년, 100년의 기댓값에 대한 교량의 주의, 경고치를 산정하였다. 본 연구에서의 관리기준치는 설계허용치 범위 내에서 발생하는 이상거동을 감지할 수 있도록 계측데이터와 계측데이터의 구간변화량에 대한 관리기준치를 각각 설정되었으며, 제안된 방법으로 산정된 관리기준치는 실측 데이터에 대입하여 비정상적인 데이터의 발생여부를 적절하게 파악할 수 있다는 것을 확인하였다.
최근 건설되는 특수교량에는 상시적인 유지관리 체계로서 계측시스템이 활발히 도입되고 있는 상황이다. 일반적으로 계측시스템을 이용한 교량 유지관리 시에는 관리기준치를 설정하여 교량의 상태를 평가하게 되지만, 관리기준치 설정 기준과 방법이 없어 설계허용값에 근거하여 단순하게 설정되고 있는 실정이다. 기존의 방법으로 설정된 관리기준치를 적용할 경우 관리기준치 범위 내에서 발생된 이벤트, 이상거동 및 점진적으로 발생하는 손상 등과 같은 교량의 상태변화를 파악하기에는 한계가 있다. 따라서, 본 연구에서는 기존의 절대치 관리에 있어 관리기준치 설정의 문제점을 고찰하여 실무에 효과적으로 적용가능한 개선된 관리기준치 설정 및 운영방법을 도출하였다. 개선된 관리기준치 설정을 위해 검벨분포를 사용한 확률론적 접근방법을 도입하여 재현빈도 50년, 100년의 기댓값에 대한 교량의 주의, 경고치를 산정하였다. 본 연구에서의 관리기준치는 설계허용치 범위 내에서 발생하는 이상거동을 감지할 수 있도록 계측데이터와 계측데이터의 구간변화량에 대한 관리기준치를 각각 설정되었으며, 제안된 방법으로 산정된 관리기준치는 실측 데이터에 대입하여 비정상적인 데이터의 발생여부를 적절하게 파악할 수 있다는 것을 확인하였다.
Recently, structural health monitoring system(SHMS) has been appled cable bridges as the effective maintenance tool and the management threshold is considered to assess the status of the bridge in SHMS. The threshold is generally determined by the allowable limit based on design specification becaus...
Recently, structural health monitoring system(SHMS) has been appled cable bridges as the effective maintenance tool and the management threshold is considered to assess the status of the bridge in SHMS. The threshold is generally determined by the allowable limit based on design specification because there is no method and standard for threshold calculation. In case of the conventional thresholds, it is difficult to recognize the event, abnormal behavior and gradual damage within the threshold. Therefore, this study reviewed the problem of previous methods and proposed the advanced methodologies based on probabilistic approach for threshold calculation which can be applied to practice work. Gumbel distribution is adopted in order to calculate the threshold for caution and warning states considering the expectations for return periods of 50 and 100 years. The thresholds were individually determined for measurement data and data variation to detect the various abnormal behaviors within allowable range. Finally, it has confirmed that the thresholds by the proposed method is detectable the abnormal behavior of real-time measuring data from SHMS.
Recently, structural health monitoring system(SHMS) has been appled cable bridges as the effective maintenance tool and the management threshold is considered to assess the status of the bridge in SHMS. The threshold is generally determined by the allowable limit based on design specification because there is no method and standard for threshold calculation. In case of the conventional thresholds, it is difficult to recognize the event, abnormal behavior and gradual damage within the threshold. Therefore, this study reviewed the problem of previous methods and proposed the advanced methodologies based on probabilistic approach for threshold calculation which can be applied to practice work. Gumbel distribution is adopted in order to calculate the threshold for caution and warning states considering the expectations for return periods of 50 and 100 years. The thresholds were individually determined for measurement data and data variation to detect the various abnormal behaviors within allowable range. Finally, it has confirmed that the thresholds by the proposed method is detectable the abnormal behavior of real-time measuring data from SHMS.
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문제 정의
따라서, 본 연구에서는 Table 2와 같이 초기 관리기준치 설정에 있어서 기존의 설정방법을 보완한 수정된 관리기준치 설정방법을 제안하였다. Table 2에서 가속도의 경우에는 차량하중에 대한 진동기준이 없기 때문에 차량운행으로 발생된 기존 계측데이터를 바탕으로 관리기준치를 산정하며, 경고치를 기존 데이터의 2배로 설정하였다.
그러나, 실제 교량의 유지관리 시에는 사용재료 및 구조부재의 저항능력과 관련된 안전성 뿐 아니라 안정성(stability)과 이상거동(abnormal behavior) 등을 복합적으로 고려하여 상태를 평가해야 하며, 기존의 절대치 관리방법에서 설계기준에서 제시된 허용치를 기반으로 설정된 관리기준치는 기준치 범위 내에서 발생된 교량의 이벤트, 이상거동 및 점진적으로 발생하는 손상 등과 같은 상태변화를 능동적으로 파악하기에는 한계가 있다. 따라서, 본 연구에서는 기존의 절대치 관리에 있어 관리기준치 설정의 문제점을 고찰하여 실무에 효과적으로 적용가능한 개선된 관리기준치 설정 및 운영방법을 도출 하는 것을 목적으로 한다. 이를 위해 확률론적 접근방법을 도입하였으며 계측데이터의 크기와 함께 구간변화율에 대한 관리기준치를 추가로 설정하여 교량의 상태를 평가하고 유지관리 계측시스템을 운영하는 방법을 제안하였다.
일반적으로 교량에 구축되는 계측시스템은 구축시점에 따라 시공 중 계측시스템과 공용 중 계측시스템으로 구분할 수 있다. 시공 중에 구축되는 시공 중 계측시스템은 시공단계에 따른 구조물의 응답을 연속적으로 측정하여 시공과정에서 발생할 수 있는 안전사고를 예방하고, 설계에 준하여 시공이 적절하게 이루어지는가에 대한 참고자료를 제공하는 목적으로 구축된다. 이러한 시공 중 계측시스템은 시공 완료 후 목적에 따라 철거되기도 하고 공용 중 계측시스템으로 이관되기도 한다.
제안 방법
1) 설계기준에서 제시된 허용치를 기반으로 설정된 관리기준치는 기준치 범위 내에서 발생된 교량의 이벤트, 이상거동 및 점진적으로 발생하는 손상 등과 같은 상태변화를 능동적으로 파악하기에는 한계가 있으므로, 본 연구에서는 기존의 절대치 관리에 있어 관리기준치 설정의 문제점을 고찰하여 실무에 효과적으로 적용가능한 개선된 관리기준치 설정 및 운영방법으로 확률론적 접근방법에 의한 관리기준치 산정방법을 제안하였다.
한편, 본 연구에서와 같이 실측데이터에 확률론적 방법을 도입하여 관리기준치를 설정하게 되면, 그동안 안전하고 정상적인 상태에서의 누적된 실측데이터를 기반으로 발생할 수있는 최대, 최소치를 산정하여 이를 관리기준치로 설정하기 때문에 교량의 평상시 거동에 근거한 이상거동을 파악할 수 있다. 또한, 계측데이터의 절대크기 뿐 아니라 특정 계측기간 동안 발생된 데이터의 구간변화량은 이상거동을 파악할 수 있는 중요한 지표로 활용될 수 있기 때문에 본 연구에서는 계측데이터의 절대크기 뿐 아니라 구간변화량 자체를 변수로 한 확률분석을 추가로 실시하여 이에 대한 관리기준치를 별도로 적용하는 다중 관리기준치 설정방법을 적용하였다.
결국, 관리기준치는 초기단계에서는 설계기준에 입각하여 설정될 수 밖에 없는 상황이며, 이후 차량통행과 같은 활하중에 의한 응답, 즉 계측데이터가 누적된 이후에는 합리적이고 공학적인 방법에 의해 이를 재설정하는 것이 반드시 필요하다. 본 연구에서는 관리기준치 설정에 있어 매개변수들의 불확실성을 최대한 배제하고 실측데이터를 이용하여 교량의 실제 거동에 기초한 합리적인 관리기준치를 산정할 수 있도록 재현빈도에 기초한 확률론적인 방법을 도입하였으며, 이러한 확률론적 방법은 계측데이터에 직접 적용되어 데이터의 재현 기간 내에 발생될 수 있는 계측데이터 범위와 함께 계측데이터의 구간변화량에 대한 기준치를 산정하여 관리하는 방법론을 제시하였다. Fig.
본 연구에서는 실제 국내의 공용 중인 ○○교량에 구축된 교량 유지관리 계측시스템을 통해 약 20여개월간의 실측 데이터를 취득하여 2차 관리기준치 산정을 위한 검벨분포를 이용한 재현빈도 분석을 수행하였다. Fig.
본 연구에서는 재현빈도 분석에 식 (5)와 같이 극치값과 평균값과의 차이로 표현되는 데이터 변화량에 대하여 검벨분포를 이용한 재현빈도 N년에 따른 최대 변화량을 분석한 후, 식 (6)과 같이 계측데이터의 극치 평균값에 재현기간에 따른 변화량을 반영한 수정된 관리기준치 산정식을 유도하였다.
본 연구에서는 제안한 확률론적 접근방법을 통해 산정된 관리기준치의 적용성을 검토하기 위하여 □□교량의 실측 데이터에 확률분석을 통해 산정된 관리기준치를 적용하여 교량의 상태평가를 수행하였다. 산정된 관리기준치의 적용성을 명확히 검토하기 위해서는 공용 중의 관리기준치 범위 내에서 발생한 이상거동과 관련된 데이터가 필요하지만, 실제 교량에서 이상거동이 발생한 사례는 많지 않기 때문에 본 연구에서는 □□교량에서 시공 중에 포장시공으로 인하여 계측결과와 경향이 크게 변화된 사례를 활용한 것이다.
본 연구에서는 제안한 확률론적 접근방법을 통해 산정된 관리기준치의 적용성을 검토하기 위하여 □□교량의 실측 데이터에 확률분석을 통해 산정된 관리기준치를 적용하여 교량의 상태평가를 수행하였다. 산정된 관리기준치의 적용성을 명확히 검토하기 위해서는 공용 중의 관리기준치 범위 내에서 발생한 이상거동과 관련된 데이터가 필요하지만, 실제 교량에서 이상거동이 발생한 사례는 많지 않기 때문에 본 연구에서는 □□교량에서 시공 중에 포장시공으로 인하여 계측결과와 경향이 크게 변화된 사례를 활용한 것이다. 실측된 데이터에 초기 관리기준치, 확률론적 관리기준치 및 구간변화율 관리기준치를 함께 도시한 결과는 Fig.
2) 일정기간동안 누적된 실측 데이터가 없는 초기에 설정된 관리기준치는 운영 중에 실측 데이터를 기반으로 재설정되어야 하는 것이 타당하다. 실측 데이터의 확률분석시 대표적인 극치분포인 검벨분포을 이용하였으며, 재현빈도 50년, 100년의 기댓값을 사용하여 100년 내구연한 교량의 주의, 경고치를 산정하였으며, 설계허용치 범위 내에서 발생하는 이상거동을 감지할 수 있도록 계측데이터와 계측 데이터의 구간변화율에 대한 관리기준치를 각각 설정하였다.
그러나, 절대치 관리 방법에서는 관리기준치를 초과하지 않는 모든 데이터를 정상 및 안전한 상태로 간주하기 때문에 관리기준치 범위 내에서 발생하는 이상거동 및 점진적으로 발생하는 강성저하 등은 파악하기 어려운 단점이 존재한다. 이러한 이상거동은 계측 데이터의 경향분석을 통해서만 파악이 가능하며 본 연구에서는 실무에서 절대치 관리방법으로 이상거동을 파악할 수 있도록 계측데이터에서 구간변화율을 추가적인 데이터로 생성한 후 이에 대한 확률론적 분석을 수행하여 산정된 재현기간별 기댓값을 기준으로 추가적인 관리기준치를 설정하였다. 임의의 데이터에서 구간변화율은 식 (7)과 같고, 이를 통해 i기간 동안의 최대 구간변화율 #는 식 (8)과 같이 표현될 수 있다(Suh and Park, 2013).
따라서, 본 연구에서는 기존의 절대치 관리에 있어 관리기준치 설정의 문제점을 고찰하여 실무에 효과적으로 적용가능한 개선된 관리기준치 설정 및 운영방법을 도출 하는 것을 목적으로 한다. 이를 위해 확률론적 접근방법을 도입하였으며 계측데이터의 크기와 함께 구간변화율에 대한 관리기준치를 추가로 설정하여 교량의 상태를 평가하고 유지관리 계측시스템을 운영하는 방법을 제안하였다.
2의 데이터를 이용하여 극치변화량를 산정하고 이에 대한 검벨분포를 이용한 재현기간에 대한 기댓값을 분석한 결과는 Table 3과 같다. 일반적으로 교량은 내구연한 100년에 대해 설계되므로 본 연구에서는 재현기간은 각각 50년, 100년, 200년을 고려하였으며, 산정된 관리기준치의 비교를 위해 초기관리기준치와 확률분석에 의한 관리기준치를 같이 정리하였다. 한편, 본 연구에서는 재현주기 100년의 기댓값을 적용하여 경고값을 계산하였으며, 이는 50년 동안 100년 재현빈도의 값을 초과할 확률이 약 40%정도라는 것을 의미한다.
처짐의 경우에는 공용 중 교량의 처짐을 유발시키는 가장 큰 요인인 온도와 활하중에 대한 최대 처짐값을 해석적으로 산정하여 이를 경고치로 적용하였으며, 주의치의 경우 풍동실험 혹은 해석을 통해 풍속 45~50 m/s 수준에서의 버페팅진동 변위를 주의치로 설정하였다. 주탑, 보강거더 및 교각 등의 변위와 경사도는 활하중, 온도하중 및 풍하중에 대한 최대응답을 해석을 통해 설정하도록 하였다.
처짐의 경우에는 공용 중 교량의 처짐을 유발시키는 가장 큰 요인인 온도와 활하중에 대한 최대 처짐값을 해석적으로 산정하여 이를 경고치로 적용하였으며, 주의치의 경우 풍동실험 혹은 해석을 통해 풍속 45~50 m/s 수준에서의 버페팅진동 변위를 주의치로 설정하였다. 주탑, 보강거더 및 교각 등의 변위와 경사도는 활하중, 온도하중 및 풍하중에 대한 최대응답을 해석을 통해 설정하도록 하였다.
성능/효과
31 MPa로 산정할 수 있으며, 이 관리기준치를 데이터에 적용할 경우 급격한 데이터 변화가 발생된 구간에서 이상거동이 발생한 것을 감지 가능하며, 특히 Fig. 4(b)의 구간 변화율을 적용한 경우에도 급격한 데이터 변화가 발생된 시점에서 비정상적인 거동이라는 것을 명확하게 파악할 수 있다는 것을 확인할 수 있다. 이와 같은 이상거동 판정은 교량 뿐 아니라 운영 중인 교량 유지관리 계측시스템의 이상여부를 파악하여 적절한 점검 및 보수 시점을 결정하는데 중요한 참고자료로 활용될 수 있다.
2) 일정기간동안 누적된 실측 데이터가 없는 초기에 설정된 관리기준치는 운영 중에 실측 데이터를 기반으로 재설정되어야 하는 것이 타당하다. 실측 데이터의 확률분석시 대표적인 극치분포인 검벨분포을 이용하였으며, 재현빈도 50년, 100년의 기댓값을 사용하여 100년 내구연한 교량의 주의, 경고치를 산정하였으며, 설계허용치 범위 내에서 발생하는 이상거동을 감지할 수 있도록 계측데이터와 계측 데이터의 구간변화율에 대한 관리기준치를 각각 설정하였다.
3) 제안된 방법으로 산정된 관리기준치의 적용성을 검증하기 위하여 설계허용치 범위 내에서 급격한 데이터 변화가 발생된 실측 데이터를 확보하여 본 연구에서 산정한 관리 기준치에 적용한 결과 통상적인 상태와 비교하여 비정상적인 데이터가 발생한 것을 절대치 관리로도 파악할 수 없다는 것을 확인하였으므로, 본 연구에서 제안된 방법은 교량과 유지관리 계측시스템의 비정상적인 이상거동을 능동적이고 신속하게 감지할 수 있어 실무에 효과적으로 적용가능할 것으로 판단된다.
또한 Table 3에서와 같이 기존의 설계 허용값에 근거한 초기 관리기준치에서는 온도범위와 최소장력값에 대해서는 관리기준치를 제시 하기 어려운 점도 존재하는 반면, 확률론적 접근방법을 도입한 경우에는 실측 데이터를 기반으로 온도의 변화폭, 케이블의 장력변동폭 등을 포함한 모든 항목에 대해서 계측된 데이터의 분포경향을 바탕으로 재현기간에 따른 기댓값을 산정하기 때문에 모든 계측항목에 대한 관리기준치를 설정가능하다. 특히 가속도의 경우에는 경험적으로 설정되었던 기준치를 공학적인 근거에 의해 설정이 가능하며, 변형률의 경우에는 허용응력값으로 단순하게 설정된 보수적인 값에서 실제 응력변동의 경향을 반영한 관리기준으로 수정 적용할 수 있는 것을 확인할 수 있다.
일반적으로 교량은 내구연한 100년에 대해 설계되므로 본 연구에서는 재현기간은 각각 50년, 100년, 200년을 고려하였으며, 산정된 관리기준치의 비교를 위해 초기관리기준치와 확률분석에 의한 관리기준치를 같이 정리하였다. 한편, 본 연구에서는 재현주기 100년의 기댓값을 적용하여 경고값을 계산하였으며, 이는 50년 동안 100년 재현빈도의 값을 초과할 확률이 약 40%정도라는 것을 의미한다.
후속연구
4) 한편, 본 연구의 방법론으로 산정된 결과의 신뢰도를 높이기 위해서는 데이터의 샘플수가 많이 축적될 수 록 유리하기 때문에 추후 더 많은 계측데이터가 축적될 수 록 보다 신뢰성 있는 관리기준치가 설정될 수 있을 것으로 기대된다. 또한, 교량의 성능은 시간이 경과함에 따라 변화하기 때문에 관리기준치도 연단위로 축적된 데이터를 바탕으로 주기적으로 재설정하여 현재의 교량 상태를 반영하는 것이 바람직하며, 특히 교량이 노후화를 고려할 때 실측 데이터를 바탕으로 합리적인 관리기준치를 설정하는 것은 의미있는 접근이라 할 수 있다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
교량에 구축되는 계측시스템은 어떻게 구분할 수 있는가?
일반적으로 교량에 구축되는 계측시스템은 구축시점에 따라 시공 중 계측시스템과 공용 중 계측시스템으로 구분할 수 있다. 시공 중에 구축되는 시공 중 계측시스템은 시공단계에 따른 구조물의 응답을 연속적으로 측정하여 시공과정에서 발생할 수 있는 안전사고를 예방하고, 설계에 준하여 시공이 적절하게 이루어지는가에 대한 참고자료를 제공하는 목적으로 구축된다.
계측시스템을 이용한 교량 유지관리 시 교량의 상태를 판단하는 일반적인 방법은?
최근 건설되는 특수교량에는 상시적인 유지관리 체계로서 계측시스템이 활발히 도입되고 있는 상황이다. 일반적으로 계측시스템을 이용한 교량 유지관리 시에는 관리기준치를 설정하여 교량의 상태를 평가하게 되지만, 관리기준치 설정 기준과 방법이 없어 설계허용값에 근거하여 단순하게 설정되고 있는 실정이다. 기존의 방법으로 설정된 관리기준치를 적용할 경우 관리기준치 범위 내에서 발생된 이벤트, 이상거동 및 점진적으로 발생하는 손상 등과 같은 교량의 상태변화를 파악하기에는 한계가 있다.
국내에서 교량에 구축된 계측센서의 관리기준치를 어떻게 설정하는가?
한편, 국내의 각종 시방서 및 설계기준에서는 교량에 구축된 계측센서의 관리기준치를 산정하는 기준과 방법에 대해 제시하고 있지 않다. 따라서 현재까지는 계측시스템의 관리 기준치를 교량의 설계 및 해석자료를 바탕으로 계측센서가 설치된 부재의 허용치에 기초한 주의치 및 경고치가 설정되는 것이 일반적이다. 이와 같은 방식으로 개별 센서별로 설정된 가 관리기준치는 안전성(safety)을 포함한 교량의 상태를 파악하기 위한 기준으로 활용되며, 획득된 계측데이터가 관리기준치로 설정된 특정값을 초과하는가를 검토하는 절대치 관리방법으로 교량 유지관리 계측시스템이 운영된다.
참고문헌 (6)
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Kong, B. S. (2008), Analysis of New Health Monitoring System for Long Span Bridge over the Sea, Journal of Ocean Engineering and Technology, 22(5), 142-147.
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Suh, D. H. and Park, C. B. (2013), A Novel Method of Basic Probability Assignment Calculation with Signal Variation Rate, Journal of the Korea Institute of Electronic Communication Sciences, 8(3), 465-470.
Svoboda, V., Petrasek, P. (2005), Bridge Structure State Monitoring, Conditioning Monitoring and Diagnostic Engineering Management, Cranfield, 18, 579-588.
Wang, Q., Huang, F. and Gao, Y. (2007), Threshold Value Classification of Bridge Health Monitoring, Proceedings of International Conference on Health Monitoring of Structure Material and Environment, Southeast University Press, 1, 337-341.
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