[논문]FBG 센서를 이용한 잔교식 안벽 구조물의 안전성 평가에 대한 연구

이흥수

doi:10.11112/jksmi.2019.23.2.44

FBG 센서를 이용한 잔교식 안벽 구조물의 안전성 평가에 대한 연구
A Study on the Safety Evaluation of the Landing Pier Structure Using FBG Sensor 원문보기

한국구조물진단유지관리공학회 논문집 = Journal of the Korea Institute for Structural Maintenance and Inspection, v.23 no.2, 2019년, pp.44 - 50

이흥수 ((주)다음기술단 연구소)

초록
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잔교식 안벽의 수중부는 접근이 쉽지 않아서 손상확인이 어려운 곳인데, 최근들어 태풍과 지진이 빈번하게 발생하고 있어 잔교식 안벽 수중부 구조물의 손상 누적으로 인한 붕괴가 우려되는 상황이다. 잔교식 안벽의 붕괴를 방지하고 체계적으로 유지관리하기 위한 방안으로 FBG 센서를 이용한 적용 방법과 안전성 평가 방법을 연구하였다. 잔교식 안벽에 파일로 사용되는 원형 강관에 대한 FBG 센서의 적용 방안을 확인하기 위해 실내실험을 실시하고, 센서를 용접하여 부착하는 방법으로 적용해야 하는 것을 확인하였다. 잔교식 안벽에 대한 구조해석을 수행하여 FBG 센서를 부착하기 위한 최적의 부착위치를 확인하였다. 고정하중에 대한 응력을 구조해석을 하여 계산하고, FBG 센서를 통해 얻은 데이터를 이용하여 활하중에 대한 응력을 계산한 다음에 두 응력을 더해서 파일에 작용하고 있는 응력을 계산하였다. 계산한 응력을 허용응력과 비교하여 파일의 안전성 평가를 수행하였다. 본 연구는 잔교식 안벽의 안전성을 실시간으로 평가하는 방안을 찾기 위한 기초 연구로 수행되었다.

Abstract ▼ AI-Helper

The underwater structures of landing pier are not easy to access and it is difficult to check the damage. Lately, typhoons and earthquakes have occurred frequently, which may cause damage to underwater structures of landing pier. In this study, to prevent collapse of underwater structures and to maintain systematically, the application method of FBG sensors and safety evaluation methods were studied. In order to confirm the application of the FBG sensor to the circular steel pipe used as a pile on the landing pier, we conducted laboratory tests and confirmed that the FBG sensor should be applied by welding. As a result of structural analysis of the landing pier structure, the optimal position of FBG sensor confirmed. The stresses on the dead load were calculated by structural analysis, the stresses on the live load were calculated by using the data obtained from the FBG sensor, and then the stress acting on the pile was calculated by adding the two stresses. The calculated stress was compared with the allowable stress to evaluate the safety of the pile. This study was carried out as a basic study to find a way to evaluate the safety of the landing pier in real time.

주제어

표/그림 (8)

그림 Fig. 1 Fiber Optic Bragg Grating Strain Sensor
그림 Fig. 2 Test Setup
표 Table 1 The Detail of Specimens
그림 Fig. 4 Modeling of Landing Pier
그림 Fig. 3 Experimental Results
그림 Fig. 5 Member Forces and Displacement
표 Table 2 Safety Factor by Structure Analysis
표 Table 3 Strain Rate Threshold according to Safety Grade

AI 본문요약
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문제 정의

항만시설물에 태풍, 충격, 지진 등이 작용하여 시설물에 손상이 발생하면 시민의 안전을 확보하기 위해서는 즉각 적이고 적절한 보수보강이 필요하게 된다. 따라서, 본 연구에서는 잔교식 안벽에 설치된 센서를 이용하여 시설물의 상태를 정량적으로 상시 파악하여 즉각적인 보수보강을 수행할 수 있는 방법에 대한 기초 연구를 수행하고자 한다.
본 연구에서는 수중 환경에 적합한 FBG 센서를 용접으로 부착하는 방법의 적절성을 확인하고, 수중부 파일의 안전성 평가를 위해 FBG 센서를 이용하여 실시간 안전성을 평가하는 방안을 검토하였다. 잔교식 안벽에 대해 구조해석을 실시한 결과, 파력 등 파일에 작용하는 하중에 의한 최대변형은 해측 방향 파일 중간부분에서, 선박충격 등 상부구조에 작용하는 하중에 따른 최대변형은 파일상단에서 주로 발생하고 있다.
잔교식 안벽에서는 안전점검 및 정밀안전진단 세부지침에 따라 파일의 안전성을 검토하여 안전성평가가 수행되므로, 파일에 발생되는 변형률을 이용하여 실시간으로 구조물에 발생하는 응력을 산정하고 파일의 허용응력과 비교하여 구조물의 안전성을 평가하고자 한다.

제안 방법

FBG 센서를 항만시설물 잔교식 안벽에 적용하기 위해 일반적으로 사용되는 전기저항식 센서와 비교실험을 수행하였다. 본 연구에서 사용하는 FBG 센서의 성능을 검증하기 위해 잔교식 안벽의 파일로 사용되는 형태인 원형 강관에 FBG 센서와 전기저항식 센서를 부착하여 외력에 의한 변화량을 각각 계측하여 비교·검토하였다.
2는 시험체 가력 모습이다. 가력장치는 1000kN의 엑츄에이터를 사용하였으며, 원형강관 시험체의 가력부와 지점부에는 새들을 두어 국부적인 변형을 방지하고 정확한 가력이 가능하도록 하였다.
파일에 작용하는 응력은 고정하중에 의한 응력과 활하중에 의한 응력으로 구분되는데, 고정하중에 의한 응력은 구조해석을 통해 산정하고 활하중에 의한 응력은 FBG 센서에서 획득된 변형률을 응력으로 환산하여 계산하였다. 고정하중에 의한 응력과 활하중에 의한 응력을 더하여 파일의 발생응력이 산정되며, 이를 허용응력과 비교하여 파일의 안전성을 평가하게 된다.
원형강관과 H 빔은 SS400 강재를 사용하였으며, SS400 강재의 항복변형률은 1150με 정도이다. 그래프에는 전기저항식 센서 및 FBG 센서의 계측값과 함께 하중에 따라 계산된 변형률을같이 표시하여 비교할 수 있도록 하였다.
본 연구에서 사용하는 FBG 센서의 성능을 검증하기 위해 잔교식 안벽의 파일로 사용되는 형태인 원형 강관에 FBG 센서와 전기저항식 센서를 부착하여 외력에 의한 변화량을 각각 계측하여 비교·검토하였다.
안전성 평가 등급에 따라 임계치 값을 설정하고, FBG 변형률 센서의 데이터를 분석하여 실시간으로 수중부 파일의 안전성을 평가하는 방법을 연구하였다. 이로써 실시간으로 관리자의 PC나 스마트폰을 통해 확인할 수 있으며, 각 부재의 임계치에 도달했을 때 즉각적인 대응과 사고 예방이 가능할 것으로 기대된다.
하지만 탁도와 환경의 영향으로 인해 수중 구조물의 손상 파악이 어려우며, 태풍, 충격, 지진 등에 의해 손상이 발생해도 즉각적이고 정량적으로 파악하기가 어려운 상황이다. 이를 해결하기 위해 잔교식 안벽 수중부에 FBG 센서를 부착하여 시설물의 거동을 실시간으로 계측하여 안전성을 평가하는 방법에 대한 기초 연구를 수행하였다.
본 연구에서 사용하는 FBG 센서의 성능을 검증하기 위해 잔교식 안벽의 파일로 사용되는 형태인 원형 강관에 FBG 센서와 전기저항식 센서를 부착하여 외력에 의한 변화량을 각각 계측하여 비교·검토하였다. 전기저항식 센서는 접착제를 이용하여 부착하고, FBG 센서는 원형강관에 대한 적절한 부착방법을 확인하기 위해 2가지의 부착 방법을 사용하였다. 하나는 원형강관에 연결하기 위해 수중작업임을 감안하여 시공성을 향상시키기 위해서 현장용접이 없는 띠장을 이용하여 설치하는 방법과 용접을 하는 방법을 비교하였으며, H빔에 FBG 센서의 적용성을 확인 하기 위해 용접으로 부착하여 실험을 수행하였다.
파일에 작용하는 응력은 고정하중에 의한 응력과 활하중에 의한 응력으로 구분되는데, 고정하중에 의한 응력은 구조해석을 통해 산정하고 활하중에 의한 응력은 FBG 센서에서 획득된 변형률을 응력으로 환산하여 계산하였다. 고정하중에 의한 응력과 활하중에 의한 응력을 더하여 파일의 발생응력이 산정되며, 이를 허용응력과 비교하여 파일의 안전성을 평가하게 된다.
전기저항식 센서는 접착제를 이용하여 부착하고, FBG 센서는 원형강관에 대한 적절한 부착방법을 확인하기 위해 2가지의 부착 방법을 사용하였다. 하나는 원형강관에 연결하기 위해 수중작업임을 감안하여 시공성을 향상시키기 위해서 현장용접이 없는 띠장을 이용하여 설치하는 방법과 용접을 하는 방법을 비교하였으며, H빔에 FBG 센서의 적용성을 확인 하기 위해 용접으로 부착하여 실험을 수행하였다.
항만시설물 잔교식 안벽의 거동을 실시간으로 확인하기 위해 FBG 센서를 설치할 때, 센서가 구조물의 거동을 올바르게 나타낼 수 있도록 부재력 또는 변형이 최대가 되는 부분에 센서를 부착하기 위해서 구조물의 거동을 해석적으로 분석한다. 구조해석은 구조물 해석시에 많이 사용되고 있는 유한요소해석 프로그램인 Midas Civil을 이용하여 해석한다.

대상 데이터

원형강관과 H 빔은 SS400 강재를 사용하였으며, SS400 강재의 항복변형률은 1150με 정도이다.
원형강관에 대한 시험체는 띠장을 사용한 것 2개와 용접한 것 1개를 제작하였고, H빔에 대한 것은 1개를 제작하였다. 시험체 종류와 상세 내용은 Table 1과 같다.

이론/모형

항만시설물 잔교식 안벽의 거동을 실시간으로 확인하기 위해 FBG 센서를 설치할 때, 센서가 구조물의 거동을 올바르게 나타낼 수 있도록 부재력 또는 변형이 최대가 되는 부분에 센서를 부착하기 위해서 구조물의 거동을 해석적으로 분석한다. 구조해석은 구조물 해석시에 많이 사용되고 있는 유한요소해석 프로그램인 Midas Civil을 이용하여 해석한다. 해석을위한 모델링은 Fig.

성능/효과

원형강관에 용접으로 FBG 센서를 부착시킨 (c)는 전기저항식 센서와 FBG 센서의 발생값이 계산값과 동일하게 발생하고 있어 원형강관에 FBG 센서를 용접으로 부착시키는 것이 적절함을 알 수 있다. H빔에 용접으로 FBG 센서를 부착시킨 (d)는 전기저항식 센서와 FBG 센서의 발생값이 계산값과 동일하게 발생하고 있으며, 끝에서 다르게 나타나지만 이것은 항복 이후 파괴에 따른 거동으로 H빔에도 FBG 센서를 용접으로 부착하는 것이 적절한 것으로 나타났다.
구조해석 결과를 분석해보면, 자중과 상재하중 등 고정하중은 육지쪽에 있는 파일 상단에 최대부재력을 발생시키고, 파력과 선박충격 등 사용중에 발생하는 하중과 지진을 포함한 하중 조합에 의한 최대부재력은 바닷가쪽 파일 상단에서 가장 큰 부재력이 발생하고 있다. 파력 등 파일에 작용하는 하중에 의한 최대변형은 바닷가 방향 파일 중간부분에서, 선박충격 등 상부 구조에 작용하는 하중에 따른 최대변형은 파일상단에서 아래방향으로 파일길이의 30% 정도 되는 부분에서 발생하고 있다.
잔교식 안벽에 대해 구조해석을 실시한 결과, 파력 등 파일에 작용하는 하중에 의한 최대변형은 해측 방향 파일 중간부분에서, 선박충격 등 상부구조에 작용하는 하중에 따른 최대변형은 파일상단에서 주로 발생하고 있다. 발생 부재력과 변형 거동을 보았을 때, 변형률 센서는 파일 상단, 파일상단에서 파일 길이의 30%되는 부분과 파일 중간부분에 부착하는 것이 적합한 것으로 검토되었다.
파력 등 파일에 작용하는 하중에 의한 최대변형은 바닷가 방향 파일 중간부분에서, 선박충격 등 상부 구조에 작용하는 하중에 따른 최대변형은 파일상단에서 아래방향으로 파일길이의 30% 정도 되는 부분에서 발생하고 있다.발생된 부재력과 변형 거동을 보았을 때, 변형률 센서는 파일 상단, 파일상단에서 길이의 30% 정도 아래부분, 파일 중간부분 중에서 부착하는 것이 적합한 것으로 검토되었다.

후속연구

센서를 항만시설물 유지관리에 활용하는데 있어 센서 계측값의 임계치를 설정하고 임계치 초과여부를 확인하여 시설물 거동의 이상유무를 판단하고 있는데, 이것은 단순히 시설물에 설치된 센서에 의해 계측된 값을 보여주는 정도이다. 관리자는 발생된 값을 확인하여 시설물이 문제가 있다는 것은 알 수 있지만, 시설물의 상태가 어떤 상태이고 어떤 조치를 취해야 하는지는 발생값을 가공하여 시설물의 안전성을 별도로 확인하는 과정이 추가되어야 한다. 항만시설물에 태풍, 충격, 지진 등이 작용하여 시설물에 손상이 발생하면 시민의 안전을 확보하기 위해서는 즉각 적이고 적절한 보수보강이 필요하게 된다.
안전성 평가 등급에 따라 임계치 값을 설정하고, FBG 변형률 센서의 데이터를 분석하여 실시간으로 수중부 파일의 안전성을 평가하는 방법을 연구하였다. 이로써 실시간으로 관리자의 PC나 스마트폰을 통해 확인할 수 있으며, 각 부재의 임계치에 도달했을 때 즉각적인 대응과 사고 예방이 가능할 것으로 기대된다.
항만 시설물 수중부의 상태를 상시점검이 가능하게 된다면 항만 시설물의 갑작스런 파괴에 따른 인명 손실과 경제적 손해를 예방할 수 있게 된다. 이를 해결하기 위해 항만시설물에 센서를 부착 또는 매립하여 상시로 시설물의 상태를 점검할 수 있다면, 시설물을 육안으로 조사하지 않고도 시설물에 발생되는 변위와 변형 등을 알 수 있게 됨에 따라 육안 조사 시 보다 즉각적이며 상시적으로 시설물의 상태를 파악할 수 있으며, 육안에 의한 상태점검보다 정량적인 결과 도출이 가능하여 항만시설물의 효율적인 점검이 가능해지게 된다. 센서를 이용한 유지관리 기술은 항만시설물에 대한 안전성 평가 플렛폼 기반에서 상시점검을 통해 상시 유지관리가 가능하게 되는 통합적인 시설관리가 되므로 관련 산업을 보호하고 복구에 따른 경제적 손해를 선제적으로 제거하게 되는 장점을 갖게 될 것이다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	잠수부를 활용한 재래식 방식의 항만시설물 수중부 점검의 문제점은 무엇인가?	따라서, 항만시설물 수중부에 대한 상시적이고 정량적이며 즉각적인 점검 방법이 필요하다.지금까지 대부분의 국내 수중점검은 잠수부를 활용한 재래식 방식으로 이루어지고 있는데, 잠수병 때문에 작업시간이 극히 제한되어 정밀한 점검이 어렵고, 해상조건이 열악할 경우 작업의 효율성이 떨어지는 문제가 발생하고 있다. 잠수부 작업시에 일반적으로 수심 20m에서 8시간 근무시간 중 2시간 밖에는 잠수작업을 할 수 없어 나머지 6시간 이상은 잠수병 예방을 위해 휴식을 취해야하기 때문에, 수중작업의 효율성이 상당히 떨어지는 실정이다.
	FBG 센서의 특징은 무엇인가?	광섬유격자 소자(FBG)는 브래그의 법칙에 근거하여 저마늄이 첨가된 광섬유 코어 부분이 자외선에노출되면, 굴절률이 증가하게 되는 현상을 이용하여 광섬유격자를 개발하여 광통신이나 광섬유센서로 뛰어난 성능을나타내는 새로운 소자로 개발되었다. FBG 센서는 전기식 센서에 비해 부식에 대한 저항성이 뛰어나고, 전자기장에 의한 간섭을 받지 않으며, 케이블 하나에 여러 개의 센서 연결이 가능한 특징이 있다(L. Murawski, 2012).
	광섬유의 구조는 어떻게 구성되어 있는가?	FBG(Fiber optic Bragg Grating) 센서는 광섬유 센서의일종으로 광섬유 내에서 빛의 전파 원리는 굴절률이 높은물질에서 낮은 물질로 빛이 진행될 때, 그 경계면에서 일정한 각도 내의 빛이 모두 반사되는 전반사의 원리에 있으며, 광섬유 코어(Core)로 입사된?빛은 굴절률이 높은 코어층과굴절률이 낮은 클래딩(Cladding)층의 경계면에서 반사되어광섬유 코어부분을 따라 전파되게 된다. 이러한 광섬유의 주성분은 실리카(Silica) 유리로 이루어져 있으며, 그 구조는굴절률이 높아지도록 저마늄(Ge)을 첨가한 광섬유 중심 (core)부분과 그 중심을 보호하는 클래딩(cladding) 부분으로 구성되어 있다. 광섬유격자 소자(FBG)는 브래그의 법칙에 근거하여 저마늄이 첨가된 광섬유 코어 부분이 자외선에노출되면, 굴절률이 증가하게 되는 현상을 이용하여 광섬유격자를 개발하여 광통신이나 광섬유센서로 뛰어난 성능을나타내는 새로운 소자로 개발되었다.

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표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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