특집 : 구조물 안전 진단 1. 머리말
2007년에 발생한 미국 미네소타 미니애폴리스 I-35W 교량의 붕괴사고는 미국판 성수대교 사고 로 불리우며 많은 사람들에게 충격을 주었다. 개 발도상국에서나 발생할 것 같은 어처구니 없는 사고가 다름 아닌 미국에서 발생하여 충격의 강 도가 더 셌던 것으로 기억된다. 하지만, 산업화가 일찍 진행된 나라일수록 많은 수의 교량이 설계 수명에 다다라서 계속 사용하기 위해서는 보수/
보강이 필요한 실정이라는 점을 감안한다면, 그 리 크게 놀랄 일은 아닌 것으로 생각된다. 참고 로, 미연방도로국(FHWA)의 2006년 리포트에 따 르면, 미국의 60만여 개의 교량 중에 약 15만 개 이상의 교량이 구조적 결함 및 노후화 문제로 인 해 보수/보강 등의 조치가 필요하며 이를 위해서 는 수십억 달러 이상의 비용이 소요될 것으로 추 정된다고 한다. 우리나라는 미국에 비해 훨씬 늦 게 산업화가 진행되어서 아직까지는 이와 같은 문제가 심각하게 다가오고 있지는 않지만, 우리 에게도 유사한 상황이 머지 않은 장래에 닥칠 것 이기 때문에 이에 대한 적절하고 효과적인 대비 책을 마련해야 한다.
구 조 물 건 전 도 모 니 터 링 (structural health monitoring, 이하 SHM) 기술을 이용한다면 구조물 의 상태를 미리 파악하고 손상의 위치를 조기발
견함으로써 대형사고를 미연에 방지할 수 있으 며, 보수/보강에 소요되는 시간과 비용도 절감할 수도 있다. 1990년대 이후에 국내∙외적으로 교량 의 SHM 기술에 대한 연구가 많이 수행되었으며, 이를 통해 다양한 SHM 방법론 및 시스템이 제안 되었다. 이 중 몇몇은 서해대교, 광안대교, 홍콩 TsingMa Bridge, 미국 Bill Emerson Memorial Bridge 와 같은 실제 교량에도 적용된 바 있다. 하지만, 이 상의 SHM 기술이 널리 활용되는 데는 여러가지 장애물이 있는데, 그 중에서 가장 큰 것이 시스템 을 구축하는 데 과다한 비용이 소요된다는 점이 다. 예를 들면, 홍콩 TsingMa Bridge의 경우 350개 의 센서를 갖는 SHM 시스템 구축 비용이 8백만 달러를 초과하였으며, 미국 Bill Emerson Memorial Bridge의 경우에는 84개의 가속도 채널로 이루어 진 SHM 시스템을 구축하는 데 있어서, 각 채널 당 15,000 달러 이상의 비용이 소요된 것으로 보고되 었다. 또 다른 커다란 단점 중의 하나는 많은 수의 센서로부터 얻어지는 엄청난 양의 데이터를 적절 하게 관리할 수 없다는 점이다. 보다 많은 교량에 SHM 시스템을 도입하기 위해서는 기존 기술의 이러한 문제점들을 해결해야만 한다.
기존 SHM 시스템의 한계는 유선센서(wired sensors)와 중앙집중형 프로세싱을 기반으로 하기 때문이다. 이를 극복하기 위해서는 스마트 무선센 서(smart wireless sensors) 기술을 활용해야만 한다.
* E-mail : hjung@kaist.ac.kr / (042) 350-3626
스마트 무선센서 네트워크를
이용한 사장교 건전도 모니터링 :
한-미-일 국제공동연구
정 형 조*
(한국과학기술원 건설 및 환경공학과)
특집 특집
구조물안전진단
특집 : 구조물 안전 진단
스마트 무선센서란 무선통신을 기반으로 하면서 연산능력을 내장하고 있는 센서를 의미한다. 실제 로 구조물의 손상은 국부적인 현상이므로, 효율적 으로 손상을 찾아내기 위해서는 센서가 손상부 근 처에 위치해야만 한다. 즉, 교량과 같은 대형 구조 물의 건전도 모니터링을 위해서는 가능한 한 많은 센서로 구성된 네트워크를 구성해야 우수한 성능 을 기대할 수 있는데, 앞에서 언급한 바와 같이 기 존 SHM 시스템으로는 거의 불가능한 반면에, 스 마트 무선센서를 이용한다면 손쉽게 네트워크를 구성할 수 있다. 단순하게 생각하면 교량의 건전 도 모니터링을 위해서 스마트 무선센서를 몇 백 개 사서 교량에 설치하기만 하면 모든 문제가 해 결될 것 같지만 실제로는 그렇게 간단하지만은 않 다. 스마트 무선센서 네트워크를 이용한 교량의 SHM 시스템 구축을 위해서는 아직 해결해야 할 많은 문제들이 산적해 있으며, 이에 대한 연구가 2000년대 초반부터 활발하게 진행되고 있다.
스마트 무선센서 네트워크에 대한 초기 연구에 서는 무선센서를 사용했음에도 불구하고 데이터 를 중앙에서 모아서 처리를 하는 형태(즉, 중앙집 중형 프로세싱)로 연구가 진행되어 무선통신량 의 과다로 인한 여러 가지 문제들이 야기되었으 나, 최근에는 스마트 무선센서에 내장된 연산기 능을 활용한 분산형 연산 기능을 도입함으로써 많은 문제를 해결하였다. 또한, 계측 및 시간 동기 화 문제, 통신의 신뢰성 문제와 같은 장애물들이 제거되는 등 상당한 기술적 진보가 이루어졌다.
하지만, 이러한 연구 성과들이 대부분 실험실에 서나 소형 구조물을 대상으로 검증되었을 뿐, 실 제 교량에 적용하여 오랜 기간 동안 개발된 기술 의 성능을 검증하려는 노력은 아직까지 매우 미 미한 실정이다.
이상의 배경을 통해, 실제 교량(보다 구체적으 로 대표적인 장대교량의 하나인 사장교)에 적용 할 수 있는 수준의 스마트 무선센서 네트워크 기 반 교량 건전도 모니터링 시스템을 개발하고 이 를 공용중인 교량에 설치하여 오랜 기간동안 시 스템의 성능을 검증하는 연구 과제를 발굴하였
고, 이를 보다 효과적으로 수행하기 위하여 한 국∙미국∙일본의 3개국이 함께 참여하는 국제 공동연구 형태로 추진체계를 설정하여 연구를 시작하였다. 이 글에서는 한-미-일 국제공동연구 에 대한 소개와 연구 진행현황 및 결과를 간략하 게 정리하고자 한다.
2. 한-미-일 국제공동연구 개요
2008년 9월에 시작된 이 국제공동연구는 아시 아-태평양 지역 스마트 구조기술에 대한 연구센 터들의 모임인 ANCRiSST(Asia-Pacific Network of Centers for Research in Smart Structures Technology) 의 협력활동의 일환으로 시작되었다. 구체적인 참여 연구진으로는 한국에서는 KAIST, 서울대학 교, 세종대학교, 현대건설이며, 미국에서는 일리 노이 주립대학교(UIUC), 그리고 일본에서는 동 경대학이다. 참여 연구진 대다수가 ANCRiSST의 주요 멤버이고 기존부터 교류가 활발했었기 때 문에, 공통의 좋은 연구주제가 발굴되자마자 바 로 국제공동연구팀을 구성할 수 있었다. 연구가 시작된 지 얼마 되지 않아서, 한국연구재단의 글 로벌연구네트워크 사업을 통해 2009년부터 2011 년까지 3년 동안 재정적인 지원을 받게 되었다.
이러한 지원을 통해 의미 있는 연구 성과를 얻을 수 있었다.
그림 1 국제공동연구 참여연구진
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이 국제공동연구의 주요 목적은 스마트 무선센 서 네트워크를 이용한 사장교 건전도 모니터링 시스템을 개발하고 이를 실제 공용중인 교량에 설치하여 오랜 기간 동안 시스템의 성능을 현장 에서 검증하는 것이다. 또한, 이를 통해 관련 분 야의 국제공동연구를 위한 테스트베드를 구축 하고자 한다. 주요한 연구내용을 정리해보면 다 음과 같다. (1) 사장교의 동적 거동을 정확하게 파악하기 위해 필요한 다양한 센서 보드 개발, (2) 센서 네트워크 상에서 분산 연산 환경을 활용 하는 내장형 SHM 알고리즘 개발, (3) 국제공동연 구를 위한 테스트베드 구축, (4) 실제 교량에의 활용을 통한 스마트 무선센서 기반 SHM 시스템 의 장기적 성능 평가.
국제공동연구를 위한 테스트베드로는 전라남 도 서남단에 위치한 제2진도대교를 선정하였다.
제2진도대교는 해남과 진도를 잇는 사장교이다.
강상자형 거더를 갖는 3경간 연속교(70 m+344 m +70 m)이며, 총경간장은 484 m이다. 제2진도대교 의 관리주체인 익산지방국토관리청과 현대건설 의 협조로 사장교 SHM 시스템을 구축하였다.
이 국제공동연구가 교량의 건전도 모니터링 분 야에서 갖는 의미를 다음과 같이 찾아볼 수 있겠 다. 먼저, 스마트 무선센서 네트워크 기반 교량 SHM 시스템을 사장교에 적용하는 첫 사례이며, 또한 교량에 설치된 총 70개의 센서 노드 수와 4개 월 이상의 성능 평가 기간도 현재까지는 가장 많 은 갯수이고 가장 오랜 기간인 것으로 사료된다.
3. 연구진행 현황 및 결과
3.1 하드웨어 및 소프트웨어 개발
스마트 무선센서 네트워크 기반의 SHM 시스 템을 테스트베드인 제2진도대교에 설치하기 전 에 기존에 개발되었던 하드웨어와 소프트웨어 를 적절히 수정∙개량하였다. 이 연구에서 사용 하고 있는 스마트 무선센서의 플랫폼은 Intel에서 개발한 Imote2이다(그림 3 참조).
교량의 동적 응답을 측정하기 위해서 그림 4와 같은 SHM-A 센서 보드를 사용하였다. 이 센서 보드는 미국 UIUC 팀에서 토목공학과와 전산학 과 연구자들의 학제간 연구를 통해 개발된 것으 로써 3방향 MEMS 가속도계가 내장되어 있으며 또한 온도, 습도, 조도를 계측할 수 있는 센서도 포함되어 있다.
SHM-A 센서 보드는 교량의 덱이나 주탑 또는 케이블에 설치되어서, 차량이나 바람 등에 의한 구조물의 상시 진동을 계측한다.
제2진도대교가 바람이 강하게 부는 지역에 위
그림 2 진도대교 전경 그림 4 SHM-A 센서 보드
그림 3 Imote2 스마트 센서 플랫폼(배터리와 안테나 포함)
특집 : 구조물 안전 진단
치하는 점과 사장교가 바람에 민감하다는 점 때 문에, 바람과 이에 상응하는 교량의 동적거동을 모니터링하는 것은 이 연구의 중요한 목적 중 하 나이다. 이를 위해, 교량 중앙부에 3차원 초음파 풍향풍속계를 설치하여 풍향과 풍속을 계측하 기 위해 SHM-W 센서 보드를 개발하였다.
제2진도대교에 개발된 시스템을 설치한 후에, 연속적이고 자율적으로 SHM 서비스를 받기 위 해서 마련한 네트워크 운용 전략을 간략하게 정 리하면 다음과 같다. 먼저, 대부분의 센서 노드는 전력을 절약하기 위해 대부분의 시간을 sleep 모 드 상태로 있다가 아주 짧은 시간만 잠깐 깨어나 서 신호여부를 확인하고 나서 다시 sleep 모드로 전환한다. 만약, 중차량이 교량을 지나가는 탓에 소수의 보초(sentry) 노드에서 계측된 가속도가 미리 정해진 기준치를 넘어서는 경우에는 경고 신호를 base station에 보내게 되고, 그러면 base station은 모든 센서들을 깨워서 계측을 시작하게 된다. 계측이 다 끝난 후에는 다시 대부분의 센서 노드들은 sleep 모드로 전환한다. 이러한 시스템 운용 전략을 통해 최소한의 전력 소비를 가지고 연속적이고 자동화된 교량 건전도 모니터링이 가능하게 된다.
3.2 실 교량에의 적용
스마트 무선센서 네트워크 기반 SHM 시스템에
필요한 하드웨어와 소프트웨어의 개발 및 이에 대한 실험실 수준의 검증이 끝난 후에, 실 교량 적 용을 위한 준비에 들어갔다. 먼저, 2009년 6월 5일 부터 7일까지 3일 동안 한국ㆍ미국ㆍ일본의 참여 연구진이 KAIST에 모여 실내 시험을 수행한 후 에, 6월 8일부터 12일까지 일주일 동안 사장교가 위치해 있는 해남에서 현장 시험을 수행하였다.
스마트 무선센서 네트워크의 크기와 통신 거리 등을 고려해서 네트워크의 형태를 결정하였다.
외부 안테나를 갖는 Imote2의 통신 거리는 200 m 이내이고, 총 설치할 센서의 수가 70개인 점을 감 안하여, 전체 네트워크를 2개의 부-네트워크 (즉, 진도 측과 해남 측)로 나누었다. 진도 측 부-네트 워크는 총 33개의 센서 노드로 구성되어 있으며, 각각 덱에 22개, 주탑에 3개, 케이블에 8개가 설 치되었다. 반면에, 해남 측 부-네트워크는 총 37 개의 센서 노드로 구성되어 있으며, 덱에 26개, 주탑에 3개, 케이블에 8개가 설치되었다. 각 부- 네트워크는 제1진도대교의 주탑 하부 측에 놓여 있는 base station에 의해 제어된다. 구체적인 센 서 노드의 배치도는 그림 5에 나타나 있다.
스마트 무선센서가 현장의 가혹한 외부 환경에 도 오랫동안 견디며 기능을 다할 수 있도록 하기 위해 방수가 되는 PVC 박스를 사용하였으며, 그 안에 센서 노드, 안테나, 배터리를 최적으로 배치 하고 조립하였다(그림 6 참조).
그림 5 센서 노드 배치도
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또한, 센서 노드를 교량 하단 부에 부착하기 위 해서 그림 7(a)와 같이 자석을 이용하였으며, 케이 블에 설치하기 위해서는 그림 7(b)와 같이 2개의 U-bar와 알루미늄 판을 사용하였다. 이 경우에는 노드가 직접적으로 햇빛을 받기 때문에, 노드를 보호하기 위해 스테인레스 강 덮개를 씌웠다.
무선 SHM 시스템을 오랜 기간 운용하기 위해 서는 무선센서의 배터리 문제의 해결이 필수적 이다. 이 연구에서는 이에 대한 해결책을 강구하 기 위한 예비단계로 소수의 센서 노드에 대하여 태양광 패널과 충전용 전지를 사용하여 에너지 수확 시스템을 구성하였다 (그림 8 참조).
3.3 데이터 분석
2009년 6월 중순에 스마트 무선센서 네트워크 기반 사장교 SHM 시스템이 제2진도대교에 설치 된 후 4개월 이상 동안 커다란 이상 없이 정상적 으로 센서 노드로부터 교량의 가속도 응답을 얻
을 수 있었다. 그림 9는 그 예이다.
고유진동수와 모드 형상과 같은 구조물의 동특 성은 교량의 건전도를 모니터링하는 데 매우 중 요한 역할을 한다. 바람과 차량 하중에 의해 가진 되는 교량의 상시 진동을 분석하기 위해서는 입 력 하중을 알 수 없기 때문에 센서로부터 얻어진 출력값만을 고려하는 모드 추정 기법을 사용해 야 한 다 . 이 연 구 에 서 는 frequency domain decomposition(FDD) 방법과 stochastic subspace identification(SSI) 방법을 사용하여 교량의 동특 성을 추정하였다.
그림 9는 해남 측 부-네트워크에서 얻어진 데이 터를 이용해서 FDD방법과 SSI 방법을 통해 추정 된 고유진동수의 결과를 함께 나타낸 것이다. 그 림에서 알 수 있듯이 전체적으로 매우 유사한 결 과를 주고 있다. 또한, 이전부터 설치되어 있는 유 선 모니터링 시스템과 비교해도 거의 비슷한 결 과를 주고 있음을 확인하였다(예를 들면, 첫번째
그림 6 교량에 설치하는 센서 노드
그림 7 센서 노드를 교량에 부착하는 방법 그림 9 교량 덱 중앙 경간에서의 가속도 응답 (a) 덱에 설치하는 경우 (b) 케이블에 설치하는 경우
그림 8 태양 에너지를 이용한 에너지 수확 시스템 (a) 태양광 패널 (b) 충전용 전지 (c) 적용 예
특집 : 구조물 안전 진단
수직방향 모드의 고유진동수는 각각 0.435 Hz (FDD), 0.449 Hz(SSI), 0.440 Hz(유선 모니터링 시 스템)와 같았다. 지면 관계상 포함시키지 않았으 나, 모드 형상에 대한 결과에서도 마찬가지로 일 관성 있는 성능을 보여주고 있었다.
교량 전체에 대한 모드형상을 얻어내기 위하여 양쪽의 부-네트워크에서 공동으로 사용할 수 있 도록 교량의 중앙부에 설치되어 있는 네 개의 중 복된 기준 노드를 활용 하였다. 전체 교량의 모드 형상은 그림 11과 같다. 상세한 도면을 통해 구성 된 유한요소 모델을 이용한 해석 결과와 추정된 결과를 비교하였을 때 모드 형상이 일치함을 확인 할 있었다. 이상과 같은 데이터 분석을 통해, 제안 된 스마트 무선센서 네트워크를 이용한 SHM 시 스템은 실제 사장교의 건전도를 모니터링하기에 충분한 성능을 보유하고 있는 것으로 판단된다.
4. 맺음말
지금까지 스마트 무선센서 네트워크를 이용한 사장교 건전도 모니터링을 주제로 하는 한-미-일 국제공동연구에 대하여 살펴보았다. 이를 간략 히 요약하자면, 2008년 9월에 시작된 이 연구에 서는 제2진도대교를 테스트베드로 해서 총 70개 의 스마트 무선센서 노드를 설치하였고, 지난 4 개월 동안 정상적으로 SHM 시스템을 운용하면 서 교량의 가속도 데이터를 획득하고 이를 기반 으로 모드 해석 등을 수행할 수 있었다.
앞으로 남은 2년의 연구기간 동안에 추가적으 로 수행하고자 하는 연구 내용 중 몇 가지만 살펴 보면 다음과 같다. 먼저, 현재 1기가 설치되어 있 는 초음파풍속계를 4기까지 추가적으로 설치하 여 이를 통해 풍환경 모델 및 교량의 공기역학적 성능을 평가하고자 한다. 또한, 무선센서의 가장 큰 문제점 중의 하나인 전원 공급 문제를 근본적 으로 해결하기 위해 태양광뿐만 아니라 소형 풍 력 발전을 병행하여 활용하는 방안에 대해서도 연구를 진행하고 있다. 소프트웨어 측면에서는, multi-hop 센서 통신을 현장에서 구현하는 것과 새로운 방식의 분산형 SHM 알고리즘을 개발하 여 실제 교량에 적용하여 검증하는 것 등을 계획 하고 있다.
위와 같은 연구가 성공적으로 수행된다면, 스 마트 무선센서 네트워크 기반 SHM 시스템의 여 러 가지 난제들이 해결되는 것 뿐만 아니라 몇 가 지 유용한 기능들이 추가되는 효과를 얻게 될 것 이다. 결과적으로, 이 연구를 통해 개발된 시스템 은 사장교는 물론이고 대형 사회기반시설물의 건전도 모니터링을 위해 활용될 수 있는 매우 경 제적이고 신뢰성 있는 방안으로 인정받게 될 것 이며, 더불어 현재 수행중인 한-미-일 국제공동 연구도 가장 성공적인 국제 협력 사례 중 하나로 기록될 수 있으리라 기대해 본다.
후기
이 글은 한국연구재단 글로벌연구네트워크 사 업의 지원에 의해 작성되었습니다. 이에 깊은 감 사를 드립니다.
그림 11 전체 교량에 대한 모드 형상 비교 그림 10 추정된 고유진동수의 비교
