-요약

교량은 운송기반시설의 중요한 요소이다. 미연방 고속도로국(FHWA2007)에 따르면 미국에는 약 60만개의 교량이 있다. 매일 40억대의 차량이 이 교량을 이용하고 있다. 규칙적인 검사와 관리가 구조적 건전성과 사용자 안전을 보장하기 위해 교량관리 프로그램에 필수적인 요소이다. 강도 있는 교량검사와 관리가 전국에 걸쳐 수행될지라도 결과는 언제나 좋지가 않다. 60만개 교량의 결과 보고에 따르면 12%가 구조적으로 결함이 있는 것으로 판단되었고, 또 다른 13%가 기능적으로 사용불가인 것으로 판정되었다. 국가교량 25%가 당장 주의 또는 보수를 요구하고 있으며 안전성에 위협을 나타내고 있다. 이것은 문제점이 초기상태로 유지될 수 있고 경제적 척도가 교량 철거나 돈이 드는 개수를 피할 수 있도록 효과적이며 지속적인 모니터링 시스템이 필요함을 제시하고 있다. 그러므로 지속적인 모니터링과 실시간 자료 수집을 할 수 있는 교량 건전도 모니터링 기술과 시스템이 필요하다. 감지를 가진 교량 건전도 모니터링 시스템이 개발되었고 새로 건설된 미시건주의 카리바주 Parkview 교에 배치되었다. 이 시스템은 P.C 콘크리트 기술을 사용한 급속 교량건설기술을 채용하였다. 오늘날 건전도 모니터링 시스템(SHM)으로 알려진 이런 감지망은 구조물이 내적으로 어떻게 거동하는지를 결정하기 위한 모델을 개발하는데 유용할 수 있다. 감지기는 전략적인 위치에 설치되며 통신선을 경유하여 원거리 컴퓨터 작업실로 연결 되었다. 연속하는 교량상태 자료는 실시간으로 수집되고 연구용컴퓨터 작업실에서 완성되며 구조적 수행성과 건전성을 평가하기 위해 분석된다. 이 계속되는 정보는 파괴가 발생하기 전에 초기 경고표시를 제공함으로써 사용자들에게 교량 안전성을 크게 증가 시킬 수 있다. 더하여 급속교량건설 기술을 채택하는 것에 관련하여 시간과 비용을 절감하는 평가에 대한 방법론이 개발되고 연구프로젝트에 사용되었다. 비교연구가 Parkview 교량에서 RBC기술을 평가하는 것이 수행되었다. RBC기술은 교량건설 공기를 단축하는 것으로 알려졌고 또한 필요 이상의 여행시간 단축을 실현하였다. 이 여행시간 단축은 RBC기술의 상대적으로 높은 초기 비용을 정당화하기에 충분히 중요한 의미기 있는 것이다.

-감사의 글

이 프로젝트는 미시건 운송국이 후원하였다. 미시건 운송국(MDOT) 건설기술 후원자인 Mr. Steve Kahl의 지원에 크게 감사드린다. 또한 MDOT남서지역 본부의 Mr. Jim Woods, Ms. Janine Cooper, Ms. Zhizhen Liu, Mr. Peter Pfeiffer, Ms. Bobbi Welke로부터 후원이 크게 도움이 되었고 감사드린다. 이 글에 수록된 어떤 의견, 결과물, 결론 또는 추천사항은 저자의 것으로 MDOT 또는 서부 미시건 대학의 견해를 반드시 반영하는 것은 아니다.

-주의사항

이 보고서의 내용은 여기에 표현된 자료의 정확성과 사실성에 대한 책임질 수 있는 저자의 견해를 반영하고 있다. 그 내용은 미시건 운송국이나 서부 미시건 대학의 공식적 견해나 정책을 반드시 반영하는 것은 아니다. 이 보고서는 표준, 기준 또는 규정을 구성하는 것은 아니다. 이 보고서에서 나타날 수 있는 상호 또는 제조자의 성명은 단지 그것들이 보고서의 목적에 필수적으로 고려되어야 하기 때문에 인용되고 있다. 미국정부와 미시건주는 제조자와 제품을 추천하는 것이 아니다.

-주요 내용

교량은 운송기반시설의 중요한 요소이다. 오늘날 증가하는 여행수요와 미국의 노후교량과 함께 점점 더 많은 개수, 보수, 검사, 건설과정이 안전한 사용을 유지하는데 요구되고 있다. 미연방 고속도로국(FHWA2007)에 따르면 미국에는 약60만개의 교량이 있다. 매일 40억대의 차량이 이 교량을 이용하고 있다.(Phares2005) 규칙적인 검사와 관리가 구조적 건전성과 사용자 안전을 보장하기 위해 교량관리 프로그램에 필수적인 요소이다. 이것이 엄청난 수의 기존교량에 기인하는 과제이다. 교량조건을 평가하기 위해, 몇 자지 접근이 실제 공통적으로 사용되고 있다. 육안검사는 교량조건 평가와 균열, 쪼개짐, 침출, 변형과 진동, 사고손상, 바닥판 표면손상의 부호를 기록하는데 긴 역사를 가지고 있다. 그러나 콘크리트 교량의 구조적 결함의 한도는 육안검사(Phares2005)로 통상 신뢰할 수 없다. 코어 샘플은 작은 코어가 천공되어 콘크리트 샘플이 얻어지고 시험실에서 시험되어 충분한 접근성을 제공한다. 샘플이 콘크리트의 작은 선택 부분으로부터 취하여졌기 때문에 콘크리트구조에 걸쳐서 전체거동 정보결핍에 기인하는 유효하지 않은 결론에 도달할 수 있다. 전단시험은 교량이 변화하는 하중에 노출되고 그 응답이 측정되고 분석되는 (NCHRP1998) 또 다른 교량조건 평가 기술이다. 전단시험은 비용과 교통 혼잡에 관계되는 많은 제한에 직면하고 있다. 보다 중요한 것으로 전단시험은 잔여교량 공용수명(Howell2006)을 결정하는 열쇠인 교량성능을 지속적으로 모니터링 하는 능력이 부족하다. 강도있는 교량검사와 관리가 전국에 걸쳐 수행될지라도 결과가 좋지는 않다. 60만개 교량의 12%가 구조적으로 결함이 있고 또 다른 13%가 기능적으로 사용불가 판정을 받았다.(FHWA2008a, BTS2007a, FHWA2007) 또한 국가교량의 25%가 당장 주의 또는 보수를 요구하고 있으며 문제점이 초기상태로 유지될 수 있고 경제적 척도가 교량철거나 돈이 드는 개수(Casas2003)를 피할 수 있게 하는 효과적이고 지속적인 모니터링 시스템을 필요로 하는 안전위협을 나타낼 수 있다. 그러므로 지속적인 모니터링과 실시간 자료수집을 할 수 있는 교량 건전도 모니터링 시스템과 기술을 필요로 하고 있다. 감지기를 가진 교량건전도 모니터링 시스템이 개발되었고 새로 건설된 새로 건설된 미시건주의 카리바주 Parkview 교에 배치되었다. 이 시스템은 P.C 콘크리트 기술을 사용한 급속 교량건설기술을 채용하였다. 오늘날 건전도 모니터링 시스템(SHM)으로 알려진 이런 감지망은 구조물이 내적으로 어떻게 거동하는지를 결정하기 위한 모델을 개발하는데 유용할 수 있다. 연구에서 감지기는 Parkview 교량 바닥판의 장단기 정적상태 분석을 가능케 하는 전략적인 위치에 설치되었다. 이 시스템은 주어진 시간 증가분에 걸쳐서 변형과 온도를 모니터하는 진동 전 변형 게이지(감지기)와 현장자료 획득 시스템으로 멀리서 접근할 수 있게 구성되었다. 이 시스템은 수명이 다되어 가는 교량조건의 믿을만한 평가를 제공하기 위하여 다른 재하조건에서 정적수행 자료를 제공하고 수집하기 위하여 콘크리트 교량바닥판에 충분히 묻힌 감지망에 의존하고 있다. 건전도 모니터링 장치의 설치와 설계는 2008년 12월에 완성 되었다. 지속되는 교량조건 자료는 실시간으로 수집되고 있고 연구 컴퓨터실에 도착되어 구조물의 성능과 건전성을 평가하도록 분석 되고 있다. 이 연구는 Parkview 교량 바닥판에 대해 악화 예측 모델과 계측 수행을 일으키는 과정을 시작하는 자료의 년간 가치 있는 자료 분석 시스템의 설계에 집중하였다. 설계 및 설치로부터 자료수집 가지 모든 상황은 잘 진행되었다. 교량은 서부 미시건 대학 연구팀에게 10분 간격으로 가치가 있는 자료를 계속 제공하고 있다. 이 계속되는 정보는 파괴가 발생하기 전에 초기 경고표시를 제공함으로써 사용자에 대한 교량 안전을 크게 증가할 수 있다. 더구나 급속교량 건설(RBC)기술을 채용과 관련한 시간과 비용에 있어서 절감을 평가하는 방법이 개발되었고 이 연구프로젝트에 사용 되었다. 비교 연구가 Parkview 교에서 RBC기술의 성과를 평가하기 위해 수행되었다. 이 연구에서 모든 건설 행위에 대한 수행은 기록이 되고 생산성이 계산 되었으며 공사 CPM관리가 개발 되었다. 편리한 접근을 위한 성과 자료는 비교 연구를 위한 기준을 수립하기 위하여 Parkview 교에 시간적, 공간적으로 가까이 있는 Lovers Lane교 프로젝트로부터 얻어졌다. 단계별 소용별 비교가 건설 공기 단축에 기인하여 달성되는 여행 사용자의 비용절감을 평가함으로써 그 같은 단축을 보장하고 시간 단축을 위한 자료를 획득하기 위하여 수행 되었다. RBC기술은 과외의 여행시간 단축을 상당히 실현하고 공량건설공기를 단축하는데 기초하고 있다. 이 여행시간 단축은 RBC기술의 상대적으로 높은 초기 비용의 정당성을 보장하기에 충분히 의미가 있다. 높은 품질과 낮은 유지관리 비용 같은 RBC의 다른 장점을 같이 생각하면 이 기술은 전통적인 방법에 보다 효과적이고 경제적인 선택을 제공한다. 보다 많은 평가 연구가 RBC기술의 장점을 실현하고 수행되는게 필요할 것이다.

8. 결론

건전도 모니터링 시스템이 설계되고 미시건주, 카라마주의 Parkview 교에 배치되었다. 감지장치 건전도 모니터링 시스템은 바닥판 조건을 결정하고 온도 같은 환경요인과 교통하중으로부터 영향을 평가하며 패널연결과 한계응력단면에 기준응력한계를 비교함으로써 바닥판 열화도를 평가하고, 필요할 때 유지관리 및 보수를 초기화하고 잔여공용수명을 예측하기 위한 교량 바닥판의 지속적인 모니터링을 제공할 수 있을 것으로 기대된다. 운영자료 측정 1년 후에도 온도와 응력 사이에 관계와 교량 성능에 관하여 의미 있는 관측이 얻어질 수 있다. 기록된 응력이 하중재하와 온도 변화로부터 조합영향에 기인하여 폭넓게 변화함을 알았다. 그러나 온도는 이 연구에서 정적 감지기에 의해 측정되는 응력변화에 있어서 통제가 되는 계수이다. 온도에서 변화는 계절별로 변하는 교량거동을 야기하고 있다. Parkview 교량 건설과 충분히 깊은 바닥판의 구조적 거동의 연속 장기 모니터링은 급속교량 바닥판 교체기술의 수행성을 평가하는데 MDOT를 도울 것이다. 이런 프로젝트의 일면이 다음 결과와 결론을 가져왔다.

· 교량건전도 모니터링 기기의 선정과 건설에 대한 기준개발 (부록B참조) 감지기의 선정은 감지시스템 비용, 이용할 수 있는 감지 기술의 기준비교 등 기존 SHM 경우연구의 분석에 기초하고 있다. 2, 4장에서 논의 되었다.

· 급속 교량 바닥판 교체기술을 평가함에 있어 교량건설 공기를 상당히 단축할 수 있고 사용자 여행 시간에 대한 상당한 단축을 가져왔다. 여행시간 단축은 RBC기술의 상대적으로 높은 초기비용을 정당화할 수 있는 만큼 의미가 있다.

· 높은 품질과 저렴한 유지관리 비용 같은 RBC의 다른 장점을 같이 생각하자면 이 기술은 전통적인 방법에 더 많이 효과적이고 경제적인 변화를 제공한다. 우리가 RBC 기술이 주 전체에 수행되어야 할 것을 강력히 믿을 때 이 보고서에 나타난 것과 같은 더 많은 평가 연구가 RBC 기술의 장점을 구현하고 필요할 것이다. 이 연구에서 감지망 설계와 건설에서 몇 가지 지식을 습득하였다. 그 첫째가 공식적인 품질관리 과정을 필요로 하는 것에 기초한 감지기 설치에 관계되는 것이다. 감지기가 잘 시공되는 것을 보장하기 위하여 사용되는 방법이 지만 더 좋게 개선이 될 수 있다. 예로서 ZIP타이로 결속된 거푸집 간격재가 경우에 따라서 콘크리트 타설 전에 흐트러진다면, 특히 작업자가 철근에 접해 있거나 감지기를 보호하는 ZIP타이 위에 서 있다면 감지기가 떨어져 나갈 수 있다. 이 문제를 개선하기 위하여 작업자가 콘크리트를 타설할 때 철근망 위에 서있는 것을 예방해야 한다. 두 번째가 또 다른 위협을 나타내는 감지기선 연결에 관계가 있다. 감지기와 선의 큰 부피 때문에 신중한 검측이 이루어질 필요가 있다. 프로젝트의 순수성이 알고 있는 위치와 설치상태로부터 적정한 감지기 독취에 의존하고 있다. 라벨링과 이음과정이 라벨링 감지기에 오류를 피하기 위해 세심하게 검측되어야 할 것이다. 세 번째가 자료접속자를 저장하는 케비넷의 위치에 관계가 있다. 고가의 장비에 원치 않는 접촉을 예방하기 위해 케비넷이 교각의 상단(16피트 높이)에 설치될 때, 이것은 특히 안정적 특징을 요구하는 게 필요할 때, 특히 교각이 고속도로 실제 교통에 매우 가까이 있을 때 유지관리에 대한 접근성 위험을 부과 한다. 보다 좋은 접근은 쉽게 접근하도록 지반면에 보호된 케비넷을 제공하는 것이다. TRKAWLRL가 자료를 전송하기 위해 전화선을 경유해 아나로그 부호를 사용하기 때문에 전기잡음 간섭이 신호를 상당히 저하시킬 수 있다. 감지기에 의해 기록되는 변형율 자료는 부호 간섭으로 야기되는 범위 외의 값을 보여줄 수 있다. 긴 케이블 길이는 아나로그 신호를 약화시킬 뿐 아니라 저하시킨다는 것을 알았다. 진동선 변형율 게이지의 커다란 체적을 사용할 때 지속하는 모니터링에 대해 10분 간격의 최소시간을 사용하는 것이 추천되고 있다. 보다 짧은 증가간격을 사용하는 것은 여러 엄청난 독취량을 야기하는 것으로 알려져 있다. 더구나 자료수집의 빈도와 배열의 수에 의존할 때 자료접속의 역량한계가 또한 결정됨에 틀림없다. 사전 역량평가는 실제 역량이 한계에 보다 접근할 때인 2주인 것으로 결정되었다. 이것은 2주 동안 손실되고 추가 작성되는 자료를 야기하였다. 우리는 이 기간에 교량이 여전히 새롭고 문제가 있을 것으로 생각되지 않음을 깨달았다. 그러나 시간의 흐름에 따라서 상대적으로 장기간을 포함하는 자료는 수집될 것이고, 교량악화 모델에 조합될 때, 교량성능을 예측하는데 도움이 될 수 있으며 시간적으로 예방적 유지관리로 불린다. 우리는 모니터링 자료의 3년간 가치는 교량조건의 장래 예측을 위해 사용될 수 있고 교량 바닥판 악화 예측모델의 근거가 될 수 있는 거동범주를 만드는 충분한 기준한계 정보를 제공할 것임을 믿고 있다.

9. 장래를 위한 추천사항

하중재하의 온도변화 때문에 기록된 응력이 상당히 변화한다. 이런 변화는 특히 온도에서 교량 거동이 계절에 따라 변화하는 것을 야기하고 있다. 감지망을 사용하는 교량 바닥판 건전도 모니터링을 보다 강화하기 위하여 다음 사항이 바닥판 거동의 분석을 위한 보다 많은 모델과 도구를 추가할 수 있는 제안되는 장래탐구와 개발목록이다.

· 응력한계; 한번에 많은 양의 자료가 3년 이란 최소 권고기간 동안 진행되고 수집되며 한계선(포락선)은 정규성능 유형과 조건을 결정하도록 개발될 수 있다. 이것은 설계와 거동한계에 비교해서 교량 바닥판의 조건을 주기적으로 평가하기 위한 빠르고 유효한 평가의미를 제공할 수 있다.

· 바닥판 성능과 건전도 조건 예측 모델링; 교량이 신교일 때 시간에 따라 교량 바닥판을 날씨와 교통량이 어떻게 영향을 줄지를 알기 시작하는 것은 아주 빠르다. 바닥판이 48개 PC콘크리트 판넬로 구성되고 장비가 설치된 다음 포스트 텐션된 독특한 설계였다. 더구나 분석은 운행 중인 지역 교통과 날씨조건하에서 시간에 따른 교량 바닥판의 내구성과 성능에 대한 가치 있는 정보를 제공하는 바닥판의 선체에 걸친 건전성에 대하여 수행될 수 있다. 감지망으로부터 실제 변형자료를 사용하는 유한요소 모델링은 교량 바닥판의 건전도에 대한 추가 정보를 반영할 수 있다. 매년 보다 많은 자료가 수집됨에 따라서 이 모델은 알고 있는 거동 변형자료를 사용하는데 있어서 조정되고 검증되며 증명될 수 있다.

· 데이터베이스 설계와 자료수집 논리; 자료가 지속적으로 모니터 되고 저장될 때 많은 깊이 있는 분석이 시간의 또 다른 주기에 걸쳐서 수행될 수 있다. 자료수집과 분석이 수동으로 수행 될 때 데이터베이스 설계는 자료의 효율성과 조직성을 개성할 수 있다. 엄청난 자료를 수동으로 제거하는 것은 가끔 어렵고 시간을 낭비하는 것이다. 유효한 자동화된 시스템의 설계는 자료의 엄청난 양을 분석하고 조직할 때 매우 유익할 수 있다. 자료수집 논리는 보다 많이 진보된 경영분석을 촉진할 데이터베이스에 저장된 자료에 추세를 확인 하는데 또한 도움이 될 수 있다.