시 공 관 리 대 한 토 목 학 회 논 문 집
제32권 제2D호·2012년 3월 pp. 159~166
콘크리트 거푸집 가설구조물 공사 안전관리를 위한 USN 기반의 실시간 모니터링 시스템
USN-based Real-Time Monitoring System for a Temporary Structure of Concrete Formwork
문성우*·양병수**
Moon, Sung-Woo·Yang, Byong Soo
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Abstract
During concrete placement, the formwork structure supports the weight of concrete mass. The complexity of the operation can cause concentrated workloads, which in turn brings about a collapse of the temporary structure. As a countermeasure, the operation needs to be constantly monitored to maintain safety and prevent accidents. This paper presents a USN (Ubiquitous Sensor Network)-based safety monitoring system for formwork construction. The system takes advantage of ubiquitous tech- nology in monitoring the behavior of the formwork structure such as deflection, load weight, and tilting. The collected data are sent to the host computer wirelessly for real time monitoring. The data can be then compared with the allowed limits on guide- lines. The comparison can indicate whether the concrete placement operation is executed in a safe condition.
Keywords : USN, temporary structure, safety management, real-time monitoring
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요 지
건설시공현장에서 콘크리트 타설시 거푸집과 동바리 등의 가설 구조물만으로 유동상태의 콘크리트 자중 및 각종 시공하중 을 지지한다. 그러나 타설 중 복잡한 동선과 타설 충격, 지반 침하 등으로 가설구조물에 하중집중이 발생할 수 있으며, 집 중하중으로 인하여 발생하는 가설구조물의 불안정은 안전사고의 원인이 된다. 따라서 기존의 건설시공 안전관리방법으로 건 설시공 안전관리를 하는데 한계가 있으며, 시공 중 콘크리트 타설 및 양생과정에서 가설구조물의 안전성을 높이기 위해서 콘크리트 타설 프로세스를 지속적으로 모니터링할 필요가 있다. 본 연구에서는 건설시공 안전관리를 위한 USN(Ubiquitous Sensor Network) 기반의 실시간 모니터링 시스템을 제시한다. USN 기반의 실시간 모니터링 시스템은 콘크리트 타설시 거 푸집 처짐, 동바리의 하중변화 등을 실시간으로 측정하며, 무선으로 데이터를 전송하여 시공현장 상황을 실시간으로 모니터 링한다. 가시설 구조물 모형에 대한 실험에서 측정된 데이터를 허용기준치와 비교한 결과 하중초과 및 거푸집의 이상변형 발생 시 경고초치를 통해 작업자의 작업 중단 및 즉각적인 대피, 신속한 사후 대처 등을 알림으로써 시공현장에서 발생 가 능한 사고를 미연에 방지할 수 있다는 것을 보여줬다.
핵심용어 : USN, 가시설공사, 안전관리, 실시간 모니터링
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1. 서 론
1.1 연구의 필요성
건설현장에서 구조물은 설계 시 복잡한 구조계산 이후에 시공하기 때문에 구조물의 기능성 및 안전성을 확보하는 것 은 매우 중요하며, 정확하고 정밀한 설계와 시공성 및 안전 성 확보를 위해서는 지속적인 유지관리 및 모니터링 체계가 요구된다. 철근콘크리트를 사용하는 구조물의 경우 콘크리트 의 타설 시 거푸집, 동바리 등의 가설 구조물을 설치하면서 공사를 시작하며 유동상태의 콘크리트 자중 및 충격하중을
가설 구조물로만 지지해야 한다.
가설 구조물의 시공안전을 위해서는 시공과정에서 구조물 의 변화를 상시 모니터링해야 한다. USN(Ubiquitous Sensor Network)은 원격 모니터링을 위한 기술로 적합한 기능을 제 공한다. USN이 가지고 있는 무선 센서 네트워킹 환경은 사 람의 접근이 어려운 취약지구나 위험지역에 설치된 수백 개 의 센서 노드를 이용하여 현재 상황의 모니터링을 가능하게 함으로써 감시효과를 높일 수 있다. USN 환경에서는 필요 한 곳에 태그를 부착하여 사물의 온도, 압력, 오염, 균열 등 환경정보와 각종 정보를 수집하여 활용할 수 있다. 따라서
*정회원·부산대학교 사회환경시스템공학부 부교수·공학박사 (E-mail : [email protected])
**교신저자·부산대학교 토목공학과·공학박사 (E-mail : [email protected])
USN이 제공하는 네트워킹을 통하여 가설 구조물의 시공안 전을 높이고, 과학적으로 콘크리트를 타설해야 한다.
1.2 연구목적
본 연구는 구조물에서 계측된 데이터를 실시간으로 데이터 베이스에 저장하여 분석하고, 기존의 구조물 계측데이터와 통합적으로 관리하여 효과적인 시공현장 관리방안을 제시하 는 것을 목적으로 한다. USN 기반의 실시간 모니터링을 통 한 시공관리 데이터는 시공 단계에서 구조물의 안전성을 확 보하도록 지원하며, 시공관리 데이터를 통합하여 가설 구조 물의 원격 모니터링이 가능하도록 돕는다. USN을 활용한 모니터링 시스템은 안정적이고 정밀하게 구조물의 변위 데 이터를 계측할 수 있도록 한다. 계측된 데이터를 데이터베이 스에 저장하여 구조물의 안전진단과 데이터 값의 신뢰성을 극대화시킬 수 있으며, 이로부터 구조물의 내구성 향상과 수 명 연장을 도모할 것이다.
1.3 연구의 범위 및 방법
건설시공 안전관리를 위한 USN 기반의 실시간 모니터링 시스템은 시공현장에서 발생되는 가설구조물의 다양한 데이 터를 신속히 측정할 수 있고, 센서에 계측된 데이터 값은 무선으로 전송되어 데이터베이스에 저장됨으로써 시공현장의 실시간 모니터링이 가능하다. 구조물의 변형에 대한 데이터 를 무선으로 전송하기 때문에 구조물의 다양한 계측지점에 서 계측이 가능하며, 이에 따라서 외부환경에 큰 영향을 받 지 않는다. 본 연구는 건설시공 안전관리를 위한 USN 기반 의 실시간 모니터링 시스템을 구축하기 위해서 첫째, 가설구 조물의 거동을 실시간으로 모니터링하기 위한 USN 기반의 무선 데이터 수신 네트워크 체계를 구축하고, 둘째, 구축된 센서 네트워크를 기반으로 데이터의 전송과 수신을 자유롭 게 할 수 있는 사용자 환경을 구성했다. 셋째, 구축된 USN 모니터링 시스템을 적용하기 위한 테스트 베드를 제작하여 구조물의 변형이 예상되는 지점에 센서를 설치했다. 넷째, 테 스트 베드에 하중을 재하하여 구조물의 변형을 유도하고, 설 치된 센서를 통해 구조물 변형에 대한 계측데이터를 수집하 여 데이터베이스로 데이터를 전송했다. 마지막으로, 데이터 베이스에 저장된 계측 데이터를 구조물의 허용기준치와 비 교하여 가설구조물의 안정성을 검토했다.
2. 국내외 관련연구
미국은 RFID/USN 관련 신기술을 산ㆍ학ㆍ연이 함께 다 양한 산업분야별로 활발하게 연구를 진행하고 있다. 미국과 학재단 (National Science Foundation)에서는 민간이 실시하 지 않는 분야를 중심으로, 센서 분야의 첨단적인 개발을 학 제적인 분야로 파악하고 있으며, 「새로운 센서용 컨셉ㆍ디 자인 개발(concepts and designs for new sensors)」, 「센서 네트워크(networked sensor systems in a distributed environment)」등을 대표적인 테마로 연구를 추진하고 있다 (National Science Foundation, 2007). Steven Glaser(2007) 외는 MEMS(Micro Electro Mechanical System)를 이용하 여 진동에 대한 구조물의 응답을 계측하고 Wireless Sensor
Network와 센서를 이용하여 지진발생 시 구조물의 흔들리는 정도와 부분별 강도와 이로 인하여 생성되는 정보들을 센서 에서 컴퓨터로 전송하고 수집된 데이터를 계측자료로 활용 했다.
국내 유비쿼터스 기술은 국가적으로 신성장 동력원으로 선 정되어서 빠른 속도로 증가하고 있다. 정부는 2009년 유비 쿼터스 기술을 17대 신성장 동력산업으로 지정하여 U-서비 스를 통해서 국가 경쟁력을 강화하고, 유비쿼터스기술 관련 산업을 더욱 활성화 시키고 있다(한국정보화진흥원, 2009).
지식경제부는 IT 미래의 청사진으로 유비쿼터스 컴퓨팅 기 술을 기반으로 국가의 모든 자원을 지능화 및 네트워크화 하고, 이를 바탕으로 국가사회 시스템 혁신과 국가경제 발전 을 추구하는 “u-Korea”를 제시했다. 정보통신부(2004)는 USN분야를 3대 인프라의 하나로 고려하고 있으며, 향후 유 비쿼터스 사회의 핵심기술로 보고 있다.
인치훈(2009) 외는 직접적인 거동 확인 및 실시간 모니터 링이 가능한 USN 무선경사계를 흙막이 계측에 적용하여 실 제 흙막이 안전 계측에 있어서 USN 무선경사계 센서의 적용 가능성을 확인했다. 김균태(2009)는 기존 건설공사 현 장에서의 위험유형을 도출하고 기존의 안전관리 업무를 분 석하여 USN기술을 적용한 건축공사현장 안전관리 모니터 링 시스템의 구성과 모니터링 시스템의 흐름을 제시했다. 주 현태(2007) 외는 RFID(Radio Frequency IDentification)과 USN을 적용하여 건축물 전반에 대한 관리 프로세스를 제안 했고, 류정필(2007) 외는 RFID 와 USN의 연동 시스템을 활용한 건설자원의 실시간 모니터링 시스템을 구축했다. 구 조분야에서는 SHM(Structure Health Monitoring) 기술에 대한 연구가 다양하게 진행중이며, 송병훈(2008) 외는 저전 력, 고출력의 기능을 가진 SHM용 USN인 DuraNode2를 개발하여 교량구조물에서 적용가능한 모니터링시스템을 제안 했다.
국외에서도 USN을 활용한 연구가 활발히 진행되고 있다.
Lynch(2001) 외는 SHM을 활용하여 무선환경에서 활용하는 MEMS를 개발했다. Arms(2004) 외는 교량 구조물 태양건 전지와 함께 USN 기술을 적용하여 모니터링을 실시했다.
Sazonov(2004) 외는 USN 환경에서 에너지 절약형 센서노 드를 활용하여 SHM 기능의 적용성을 높였다.
3. USN 기반의 실시간 모니터링 환경
3.1 시스템 개요본 연구에서는 USN 기반의 실시간 모니터링 시스템의 구 축을 위해서 센서와 계측기, 무선전송 모듈을 적용했다(그림 1). 센서 및 계측기로는 하중에 의한 가설물의 변위를 측정 하기 위한 초음파 센서와 응력 변화를 측정하기 위한 스트 레인 게이지를 사용했다. 그리고 가설물에 재하된 하중의 크 기를 측정하기 위해서 스트레인 게이지로 풀브리지(Full Bridge)를 구성한 하중 센서를 사용하고, 기울기 센서를 통 해서 동바리의 처짐각 및 기울기를 측정했다. 센서 모듈은 각각의 수집된 데이터들이 전송이 가능하도록 하고, 무선 전 송 모듈은 초음파 센서 모듈(5개), 스트레인 게이지 모듈(5 개), 하중 센서 모듈(2개), 기울기 센서 모듈(2개), 싱크 노
드 모듈 (Gateway) 1개를 사용했다.
각 센서는 구조물의 하중재하 시뮬레이션을 통해서 구조 물 형태의 변이가 가장 심한 곳을 선별하여 설치했다. 초음 파 센서는 거푸집의 하단에 5개소를 설치하여 거푸집과 기 준면(실험에서는 지면에 해당)과의 거리측정으로 처짐량을 구했다. 스트레인 게이지는 초음파 센서와 동일한 위치의 거푸집 밑단에 설치하여 거푸집의 변형률을 구하고, 하중 센서는 동바리와 거푸집의 사이에 각각 2개소를 설치하여 거푸집 상부에 재하된 하중을 측정했다. 기울기 센서는 동 바리에 2개소 설치하여 동바리의 기울어진 정도를 측정했다 . 테스트 베드의 좌측 기둥에는 경광등 및 LED 디스플레
이 장치를 설치하여 구조물의 변형에 의한 위험 상황 발생 시 신속한 대응이 가능하도록 경보음 발생과 LED 경고 메 시지를 보여줬다.
3.2 적용센서
건설시공 안전관리를 위한 USN 기반의 실시간 모니터링 시스템은 초음파 센서(Sonar Sensor), 스트레인 게이지 (Strain Gauge), 하중 센서(Load Cell), 기울기 센서(Incli- nometer)로 구성되어 있으며, 별모양 형태(Star 토폴로지)로 구성하여 각각의 센서 노드에서 기초지점(Base Node)으로 직접 전송된다(표 1).
그림 1. USN 기반의 시공관리 모니터링 시스템 개요
표 1. USN 기반의 실시간 모니터링시스템 적용 센서
구 분 내 용
초음파 센서
- 초음파 센서는 대표적인 레인지 파인더용 센서로써 기본적으로 송신부와 수신부가 같 이 존재하는 형태이며, 압전 소자를 사용한 송파기의 진동자로부터 발진된 초음파의 에코가 수파기에 도달할 때까지의 소요시간으로 거리를 측정한다.
- 본 연구에서는 초음파 센서를 송수신 분리형(대향형)으로 개조하여 적용하고, 송파기 (Transmitter)에서 초음파를 발생시킴과 동시에 트리거펄스(Trigger pulse)가 무선 (radio frequency)으로 수파기(Receiver)와 동조하고, 수파기에서 초음파를 검출하기까 지 음파수신 횟수를 계산하여 거리를 측정한다.
스트레인게이지
- 스트레인 게이지는 압력 센서, 부하 셀, 토크 센서, 위치 센서 등과 같은 다양한 종류의 센서에서 요구되는 필수적인 센싱 요소이다.
- 스트레인 게이지의 데이터 측정원리는 스트레인 게이지의 길이와 저항과의 관계를 응 용한다. 저항 소자는 길이에 대한 변화율(변형률, ε)이 저항의 변화율에 비례하는 특성 을 가지므로 본 연구에서는 스트레인 게이지의 이러한 특성을 이용했다.
- 변형률과 저항 변화율의 비를 게이지 팩터(Gauge Factor; GF)라고 하며 스트레인 게이 지 제작사에서 제공되는 값(GF=2.1)을 사용한다.
하중센서
- 하중 센서는 힘(Force)이나 하중(Load)등의 물리량을 전기 신호로 변환시켜 힘이나 하 중을 측정한다.
- 하중 센서는 구조적으로 안정적인 변형을 발생시키는 탄성 변형체에 하중으로 발생한 물리적 변형을 수감부(sensing element)에서 스트레인 게이지를 이용하여 전기저항의 변화로 변환시키고 휘스톤 브릿지(Wheatstone Bridge)를 이용하여 전기 신호(voltage) 로 검출하는 원리로 작동한다.
기울기 센서
- 본 실험에서 사용한 기울기 센서는 전기용량 방식으로 중력에 의한 기울기 측정방식이 다.
- 기울기 센서 내부에는 전도성 유체가 세 전극 사이에 채워져 있다. 기울기 센서는 센서 가 기울어짐에 따라 전도성 유체의 부피가 각 전극 간 마다 달라지는 것을 원리로 하여 전극 간 전도율의 차이를 전기신호로 출력하여 기울기를 측정한다.
3.3 시스템 구성
건설시공 안전관리를 위한 USN 기반의 실시간 모니터링 시스템은 크게 세부분으로 구성된다. 시스템의 구성요소는 첫째, 테스트 베드에서 직비(Zigbee) 통신을 이용하여 변위 를 계측하여 계측값을 전송하는 센서네트워크 부분, 둘째, 센 서들이 수집한 계측값을 전송받아 데이터베이스 서버로 전 송하는 베이스노드, 그리고 셋째, 입력된 계측값을 저장하고 데이터값을 출력하여 모니터에 디스플레이하는 사용자 인터 페이스 부분이다(그림 2).
USN 모니터링 시스템은 각 센서의 현재 데이터와 5개의 계측값으로 연속적인 평균을 산출한 이동평균값을 실시간으 로 확인하고, 허용응력과 비교하여 조치를 취할 수 있다. 그 리고 센서로 계측된 데이터는 최대허용응력을 세단계로 구 분하여 비교할 수 있도록 하고, 각각의 위험단계에 따라 사 이렌, 경광등, LED을 적용하여 위험한 상황에 신속하게 대 처할 수 있도록 지원한다.
4. 테스트 베드의 시스템 적용 실험
USN기반의 실시간 모니터링 시스템 적용 실험은 다섯 단 계로 진행했다. 첫째, USN 기반의 실시간 모니터링 시스템 을 적용하기 위한 테스트 베드를 제작했다. 둘째, 콘크리트 타설에 의한 슬라브의 하중을 구조해석을 통해 사전 시뮬레 이션한 후 하중을 가장 많이 받는 위험지역을 선별하고, 선 별된 위치에 센서를 설치했다. 셋째, 슬라브 상단에 하중을 재하하고 구조물의 변형을 설치된 센서를 통해 데이터를 계 측하여 실시간으로 저장했다. 넷째, 저장된 계측 데이터를 사
전 구조해석 프로그램 시뮬레이션 결과 및 시방서 기준에 따른 허용응력 한계치와 비교분석하여 디스플레이 화면에서 실시간으로 결과를 분석했다. 다섯째, 계측데이터의 분석결 과와 허용응력 한계치의 위험정도에 따라 경보음 및 경광등, LED 화면을 통해서 위험을 알리고 안전사고에 대비한 선 조치활동을 준비했다.
4.1 테스트 베드 모형 제작
테스트 베드를 구성하기 위해 태고합판을 사용하여 거푸집 형태를 단순화한 모형을 제작했다. 모형 거푸집은 콘크리트 측압은 무시하고 상판에 재하 되는 수직하중만을 고려하여 만들었다. 거푸집 상판은 길이 3,000mm, 너비 300mm, 두 께 12mm의 합판으로 제작했고, 멍에와 장선은 단면 치수 80×50mm의 각재를 이용했다. 동바리는 거푸집 하단에 2개 를 설치했다. 슬래브 양 끝단은 H 빔 형강(100x100, t=
8mm)를 사용하여 볼트로 슬래브와 연결했다).
테스트 베드는 실제 거푸집 축조에 쓰이는 태고합판과 미송 각재를 사용하고, 동바리는 V2 규격을 사용했다. 그 리고 동바리의 설치와 해체를 용이하게 하도록 제작하여 하중에 쉽게 변형을 일으킬 수 있도록 제작했다. 테스트 베드 제작에 사용된 자재의 단면제원 및 물성치는 표 2와 같다.
4.2 구조해석을 통한 테스트 베드 처짐 시뮬레이션 테스트 베드에서 구조물의 변위가 가장 많은 지점을 선정 하여 센서를 설치하기 위해 사전 구조해석을 통해 시뮬레이 션했다(그림 3). 테스트 베드 모델링에 20kg의 하중을 거푸
그림 2. USN 기반의 실시간 모니터링 시스템 사용자 인터페이스 화면 표 2. 자재의 단면제원 및 물성치
구 분 단면제원 탄성계수 허용휨응력(fb) 용 도
태고합판 t=12mm 70,000kg/cm2 240kg/cm2 거푸집
미송각재 80mm×50mm 70,000kg/cm2 105kg/cm2 멍에, 장선
주1) 합판 : KS F 3110(콘크리트 거푸집용 합판) 규정의 내수1급에 적합한 것으로 한다.
주2) 각재 : 함수율이 24% 이하인 것으로 한다
집 상단에 재하하여 구조물의 변위를 사전검토 했다. 그리고 초음파 센서, 스트레인 게이지, 하중 센서, 기울기 센서를 설치하기 위한 지점은 센서의 설치지점은 구조해석 시뮬레 이션 결과를 바탕으로 동바리가 지지하고 있는 2지점과, 동 바리와 동바리의 사이 1지점, 그리고 양 끝단과 동바리의 중간지점 각각 1지점씩 구조물의 변위가 가장 많은 지점 5 곳을 선정하여 설치했다. 그리고 사전 구조해석 시뮬레이션 결과값과 실제 하중을 재하하여 USN을 통해서 계측한 결과 값을 비교하기 위해 실제 테스트 베드 실험과 동일한 조건 으로 각 지점의 처짐량을 산출했다.
4.3 허용치 설정 기준
본 실험에서 각 측정값에 대한 허용치는 다음과 같은 기 준으로 설정했다. 초음파 센서로 측정한 거푸집 하면 처짐의 허용 처짐량은 “토목공사 표준일반시방서”의 거푸집 설계기 준에 따라 동바리를 제거하기 전에 측정한 슬래브 아랫면, 천정, 보의 아랫면에 대하여 기둥사이(bay) 또는 6m 길이 당 허용치인 10mm로 했다. 거푸집 합판에 부착되어있는 스 트레인 게이지는 재료 물성치를 바탕으로 허용 변형률을 식 (1)과 같이 산정했다(대한토목학회, 2005).
[µstrain] (1) 하중 센서는 동바리 V2 규격의 허용하중인 1,500kg으로 결정했다. 동바리의 기울어짐에 대해서는 특별히 규정된 바 가 없지만, 구조해석 결과 및 실험을 통해 축적된 데이터를 바탕으로 기울기에 대한 허용치를 결정할 수 있을 것으로 판단된다. 따라서 본 실험에서 동바리 기울기의 허용치는 임
의로 5o로 결정했다.
4.4 계측데이터와 허용한계치에 따른 조치사항
USN을 통해 계측된 데이터는 총 3단계로 구분되어 구조 물의 위험도에 따라 경광등, 사이렌 및 LED에 신호를 보낸 다. 위험도는 최대 허용한계치의 60%인 경우 “Allowable Limit”, 80%인 경우 “Attention Limit”, 100%인 경우
“Emergency Limit”로 구분했으며 각 단계별 상황에 따라 녹색, 노란색, 빨간색의 경광등 및 “Caution”, “Warning”,
“Danger”의 위험 메세지, 그리고 3가지의 알람 등 다양한 방법으로 위험상황을 알릴 수 있도록 설정했다. 센서로 계측 된 데이터의 허용한계치와 위험상황에 따른 조치사항의 세 부내용은 표 3과 4와 같다.
4.5 계측데이터 획득을 위한 센서 설치
각 센서는 사전 구조해석 및 구조계산 및 콘크리트 타설 시 발생하는 구조물의 붕괴 사고의 사례들을 분석하여 구조 물의 변이가 가장 쉽게 발생되는 위치를 선정하여 설치했다 (그림 4). 첫째, 초음파 센서는 슬라브 중앙 및 하중 재하 위치 하면에 5개조를 부착하여, 슬라브의 처짐을 실시간으로 측정하고 허용 처짐량과 비교했다. 둘째, 스트레인 게이지는 초음파 센서와 동일한 지점에 5개를 부착하여 타설 시 부재 의 휨응력으로 인한 변형률을 측정한다. 셋째, 하중 센서는 동바리와 슬라브 사이에 설치하여 동바리의 지지력을 확인 하고 허용응력과 비교한다. 넷째, 기울기 센서는 각 동바리 에 설치하여 동바리의 기울기를 측정한다. 다섯째, 좌측 H 빔 형강 상단에 LED 및 사이렌을 설치하여 위험상황을 알 리고 즉각적인 대처가 가능하도록 했다.
εa fb ----E 240
70 000,
--- 3 428, ×10–6 3 428,
= = = =
그림 3. 사전 구조해석 시뮬레이션
표 3. 계측데이터의 허용한계치 설정
Type of Sensor Allowable Limit (60% to Max) Attention Limit (80% to Max) Emergency Limit (Max)
Sonar Sensor 6 mm 8 mm 10 mm
Strain Gage 2056.8 µstrain 2742.4 µstrain 3,428 µstrain
Weight Sensor 900 kg 1,200 kg 1,500 kg
Tilt Sensor 3 Degrees 4 Degrees 5 Degrees
표 4. 계측데이터의 허용한계치에 따른 조치사항
Type of Signal Allowable Limit (60% to Max) Attention Limit (80% to Max) Emergency Limit (Max)
Emergency Alarm Alarm 1 Alarm 2 Alarm 3
LED Message Caution Warning Danger
Light Green Yellow Red
5. 하중재하실험
5.1 실험절차하중은 콘크리트 타설 시 발생하는 집중 하중을 반영하여 거푸집 상단에 재하했다(그림 5). 그리고 타설 시의 충격 하 중 및 수평 하중은 배제하고 수직 하중만 받는 것으로 가정 하여 재하 시 충격이나 진동을 최소화할 수 있도록 했다.
하중재하 방법은 모래주머니(20kg)를 거푸집 상단에 1단씩 올려 각 센서에서 계측되는 데이터를 확인한다. 그리고 14개 의 센서 중 1개의 센서라도 작동하지 않는 경우에는 추가 재하를 중단하고, 재하 시의 역순으로 하중을 제거한 후 센 서의 작동상태를 점검했다. 센서의 점검 후 이상유무가 발견 되지 않고 초기상태로 돌아오면 하중재하를 계속 진행했으 며, 재하된 총하중은 420kg(20kg×21개)이다.
5.2 테스트 베드 실험결과
센싱을 통해 텍스트 파일로 저장된 계측값들은 실시간 모 니터링 환경을 통해 디스플레이 하여, 구조물의 변위 및 현 재 상황에 대한 모니터링이 가능하다. 본 연구에서는 5개의 계측데이터에서 연속적으로 평균값을 산정하는 이동평균값을 적용했다. 테스트 베드의 변위는 사용자 인터페이스를 통해 서 텍스트 파일에 저장되고, 각 센서는 구조물의 변위에 따 른 계측데이터를 1초에 한번씩 데이터 수집보드로 전송하며
사용자 인터페이스를 통해서 데이터를 확인할 수 있다(표 5).
테스트 베드에 의한 실제 데이터 계측의 결과는 사전 시 뮬레이션에 의한 처짐량보다 약 -0.1cm ~ -0.15cm 정도 낮 게 계측되었으며, 최대 -0.16cm의 오차가 발생되었다. 이는 센서의 계측 초기값을 +0.1cm ~ +1.5cm 정도 재설정하여 사용자 인터페이스에 적용시킴으로써 오차발생 범위를 보정 할 수 있으며, 센서에 미치는 환경적인 영향(소음, 분진 등) 을 최소화하고 센서의 신호발생 주기와 데이터의 노이즈 제 거를 통해서 더욱 정밀한 계측값을 획득할 수 있다.
6. 현장테스트
6.1 센서설치테스트베드의 실험결과를 바탕으로 현장테스트를 실시했다 (그림 6). 현장테스트 장소는 총 4층으로 계획된 층고 3.3m, 건물 바닥면적 139.36㎡ 인 상가형 건물이며, 테스트는 2층 천장 슬라브 콘크리트 타설 시 실시했다. 센서의 설치는 현 장여건을 고려하여 보의 중간지점에 초음파센서 2개, 스트레 인게이지 센서 2개를 설치하고, 초음파 센서의 설치지점의 우측동바리에 각각 기울기 센서를 1개씩 설치했다. 그리고 설치되어 있는 센서로부터 콘크리트 타설 전부터 타설종료 후 양생시간을 포함하여 약 24시간을 모니터링 했다. 센서는 그림 4. 테스트 베드의 센서 설치
그림 5. 하중 재하실험
표 5. 계측 데이터 결과값
센서 계측값
Sonar Sensor 1 -0.13 cm Sonar Sensor 2 -0.13 cm Sonar Sensor 3 -0.11 cm Sonar Sensor 4 -0.13 cm Sonar Sensor 5 -0.18 cm Strain Gage 1 35.58 µstrain Strain Gage 2 25.23 µstrain Strain Gage 3 30.46 µstrain Strain Gage 4 37.29 µstrain Strain Gage 5 28.75 µstrain Weight Sensor 1 137.07 kg Weight Sensor 2 136.29 kg
Inclinometer 1 0.42o Inclinometer 2 0.55o
콘크리트 구조물 내부에 설치하고 센싱되는 데이터는 현장 사무실에서 UI를 통해 실시간으로 모니터링했다. 실시간 모 니터링을 통해 구조물의 이상거동 발생 시 사이렌 및 경광 등을 통해 위험경보를 발생하여 사고를 미연에 방지할 수 있도록 했다.
6.2 현장테스트 결과분석
구조물 내부에 설치된 센서는 현장사무실에 설치된 데이터 수집보드로 데이터를 전송하고 사용자 인터페이스를 통해서 데이터를 저장했다. 센서별로 계측을 시작하기 전에 오프셋 기능을 사용하여 초기값을 재설정 했다. 기울기센서는 0o, 스 트레인게이지 센서값은 0으로 초기화했으며, 초음파센서의 경우 각 지점별 센서간의 거리를 레이저 거리측정기로 측정 하여 이 결과값을 시작값으로 적용(Sonar Sensor1=181.3, Sonar Sensor2=184.5)했다. 현장실험 과정에서 육안으로는 구조물의 이상거동 또는 계측값의 큰변화가 없었으며, 각 센 서에서 계측된 구조물 변위의 최대값, 최소값, 평균값을 표 6과 같이 비교했을 때 구조물의 큰 변형은 일어나지 않았 다. 초음파센서의 데이터로 분석되는 처짐량은 초기값에서 약 0.1mm 이하의 변형이 발생했으며, 스트레인은 약 1 µstrain, 기울기는 0.2o로 구조물의 변형은 발생하지 않았다.
7. 결 론
건설시공 안전관리를 위한 USN 기반의 실시간 모니터링 시스템은 안전율이나 현장 안전관리로도 예측하기 어려운 사 고로부터 작업자의 안전을 도모할 수 있다. 거푸집의 경우 합판이나 각재 등의 제작상 오차와 단면치수 부정확, 재료의 불균질성으로 인해 탄성계수(E)의 값을 확신할 수 없으며, 자재의 재활용으로 발생되는 반복하중은 거푸집 및 동바리 의 강도를 저하시킬 수 있다. 따라서 스트레인 게이지로 계 측한 변형률이 허용치를 넘지 않았다 하더라도 가설 시설물
이 위험한 상태일 수 있다.
본 연구는 가설 시설물에 다양한 종류의 센서로부터 수집 된 데이터를 분석하여 구조물의 위험 수준정도를 예측하고, 경고 메시지 표시와 사이렌 등을 사용하여 위험상황을 알림 으로써 신속히 위기상황에 대처할 수 있으며, 사고를 미연에 방지할 수 있음을 보여준다. 그리고 USN 기반의 실시간 모 니터링 시스템을 통해 콘크리트 타설 시 위험요소를 실시간 으로 모니터링 할 수 있고, 거푸집에 설치된 동바리 시공정 보를 분석하여 데이터베이스화함으로써 공사 시 구조물의 붕 괴 예측 및 부실시공을 미연에 방지할 수 있다. 또한 센서 에서 수집된 데이터를 이용하여 동바리 설계 시 과도한 안 전률 설계로 인해 발생하는 재료비 및 인건비 부담을 저감 시키는 효과도 기대할 수 있다. 본 연구는 시설물의 변위계 측관리 환경을 구성하고, 원거리에서도 USN 데이터를 송수 신 할 수 있는 전송기능을 구현하여 적용했으며, 테스트 베 드는 구조물 변위의 위험정도를 계측하기 위해 실제 현장에 서 사용하는 거푸집보다 큰 변위가 발생되도록 제작했다. 그 리고 위험상황을 설정하고 테스트 베드에 하중을 재하하여 구조물의 변위를 USN을 통해 계측하고 분석했다.
USN을 기준으로 하는 데이터 모니터링은 콘크리트 타설 공사에서 가설 구조물의 안정성을 모니터링하기 위한 대안 으로서의 역할을 한다. 그러나 이와 같은 기능을 실제현장에 적용하기 위해서는 데이터 획득의 신뢰성을 높여야 하며, 내 구성을 향상시켜서 현장조건에서 적용할 수 있어야 한다. 본 논문의 한계점에도 불구하고 현재 USN 기술은 지속적으로 발전되고 있는 사실을 고려할 때 다수의 현장실험과 콘크리 트 경화시 발생되는 스트레인 게이지 노이즈에 대한 실험을 통해서 가설물 구조물 모니터링 기술의 적용성을 높이며, 또 한 가시설 안전관리 시스템의 실효성 검증, 가시설 구조적 특성에 따른 센서 배치 최적화에 대한 지속적인 후속연구가 수행되어야 할 것이다.
그림 6. 현장실험 표 6. 현장실험 계측결과
Sonar Sensor 1 Sonar Sensor 2 Strain Gage 1 Strain Gage 2 Inclinometer 1 Inclinometer 2 최대값 181.271 cm 184.305 cm 4.712 µstrain 2.582 µstrain -0.12o -0.064o 최소값 181.772 cm 184.809 cm 6.220 µstrain 4.280 µstrain 0.330o 0.268o
분산(σ2) 0.00126 0.00103 0.03385 0.03400 0.00252 0.0016
표준편차(σ) 0.03556 0.03219 0.18399 0.18441 0.05024 0.04005
평균값 181.495 cm 184.589 cm 5.473 µstrain 3.474 µstrain 0.102o 0.101o
감사의 글
이 논문은 2011년도 정부(교육과학기술부)의 재원으로 한 국연구재단의 기초연구사업 지원을 받아 수행된 것임(2011- 0002665)
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(접수일: 2012.1.17/심사일: 2012.1.28/심사완료일: 2012.1.28)
