1. 일본의 주택, 건축의 현상

최근의 일본의 주택 건축 분야에서는 새롭게 건물을 신축하는 생산 시스템으로부터 이미 건축되어 있는 주택을 어떻게 활용해 나갈 지에 대한 기존 재고 건축의 대응이 중요한 과제가 되고 있다. 현재, 일본에는 추계로 5,700만호의 재고 주택이 있으며, 연간 신축 건수는 100만호 전후이지만, 인구 감소라고 하는 사회 문제를 감안하면 향후에는 신축 건수가 비약적으로 성장하기 어려울 전망이다. 따라서 보다 요구되고 있는 것은 양질의 주택을 미래 세대에 계승하는 것으로, 아직 충분히 이용할 수 있는 기존 주택은 제대로 손질해 장수명화를 도모하며, 신규 주택은 우량한 재고로 유지하는 것이 필요하다. 이의 일환으로, 일본 국토교통성은 2009년 6월 4일부터 “장기 우량 주택의 보급 촉진에 관한 법률(장기 우량 주택법)”을 시행해, 적어도 3세대는 양호한 상태를 유지할 수 있는 주택을 건축하는 것을 목표로, 이러한 주택의 건축？유지 보전을 하고자 하는 건축주 등을 중심으로 다양한 지원을 전개하고 있다.

2. 구조물 건전성 모니터링이란

“장기 우량 주택법”에서는 장기 우량 주택의 보급을 위해, 건축 단계에서 구조물의 열화 대책이나 주택의 내진성, 유지 관리, 에너지 절약성의 평가를 실시하고, 이를 갖춘 주택의 건축？유지 보전 계획을 책정한다. 한층 더 유지 보전 단계에서는 정기 점검과 필요한 보수？교환 등을 적절히 실시해, 이를 기록(주택 이력 정보)으로 작성하고 보존하는 것을 요구하고 있다. 주택 이력 정보는 주택이 건축된 당초의 도면이나 시방서, 연수 경과별 진단, 점검 등의 결과를 기록하며, 향후, 중고 주택으로서 매매 시, 대상 주택을 평가하는 판단 재료로서의 활용이 기대되고 있다. 특히, 유지 관리의 기록에서는 주택이 현재 어떠한 상황에 있는지, 구조물로서 어떠한 특징을 가지고 있는지 객관적으로 신뢰할 수 있는 정보가 필요하다.

종래, 유지 관리에서 행해진 점검？진단은 지식과 경험을 가진 기술자가 주택의 벽을 해머로 타진해 소리의 변화를 확인하거나 균열 등의 손상 유무를 육안으로 확인하는 등 진단기술자의 지각에 근거해 판단하는 방법이 기본이었다. 최근에는 지금까지와 같은 육안 등에 의한 방법뿐만 아니라, 센서를 응용한 구조물 건전성 모니터링(SHM, Structural Health Monitoring)이 주목을 받고 있다. 이 기술은 손상 여부 등의 주택 현황을 수치 데이터로 증명하는 것이 가능할 뿐만 아니라, 예를 들면, 지진 시에 주택이 어떻게 흔들렸는지, 또 그 거동을 정량적？실시간으로 계측하는 것이 가능하다. 진단 기술자의 육안에 의한 판단과 이를 증명하는 기술적인 데이터를 조합하여 주택의 현황을 보다 정밀하게 진단할 수 있게 되어, 건축주 등에게 주택의 안전？안심을 높이는 정보가 제공되게 된다.

구조물 건전성 모니터링은 구조물의 강진동(대규모 지진이나 강풍에 의해 생기는 진동)이나 미소진동(일상적인 바람이나 중소 지진, 또는 교통 등에 의해서 생기는 상시의 미동)을 가속도 센서 등으로 파악해 계측？기록된 데이터로부터 구조물의 진동 특성을 추정하고, 구조물의 손상？열화의 유무나 부위, 정도 등을 파악하는 기술이다. 종래의 수법이 기둥이나 대들보, 외벽이라고 하는 부위에 나타나는 현상(변형이나 균열의 폭？길이, 중성화의 깊이)을 진단？파악해 구조물 전체로의 영향을 추정하는데 반해, 구조물 전체의 거동(진동 특성의 변화)으로부터 부위나 부분의 손상 등을 추정하는 수법으로서 진단의 효율화, 고도화가 기대되고 있다. 센싱 기술이나 신호 처리 기술 등의 요소 기술의 연구 성과에서는 지반면에 1개, 구조물의 1층에 1개, 구조물의 최상층에 1개, 총 3개의 가속도 센서를 설치하는 것만으로 구조물 전체의 거동을 파악해, 진동 특성 등을 추정할 수 있다. 같은 구조물에서, 시간을 두고 계측된 파형 데이터가 얻어지면, 예를 들면 그 사이에 발생한 대규모 지진이나 강풍에 의한 강진동에 의해 구조물의 진동 특성에 변화가 생겼는지를 알 수 있다. 또, 고도의 해석 수법을 이용하면, 한정된 센서의 계측 데이터로부터 부재(部材, Member of frame work)에서 발생한 구조물의 이상을 추정하는 것도 가능할 것으로 보인다.

3. 구조물 건전성 모니터링 연구 사례

가. <연구 사례1> 실 규모 구조물에서의 실험을 통한 유효성 검증

효고현 미키시에 있는 방재과학기술연구소의 “실 규모 3차원 진동 파괴 실험 시설(E-defense)”은 고베 대지진으로 발생한 구조물 피해의 교훈을 근거로 건설된 시설로, 대지진으로부터의 안전？안심을 제공하는 구조물의 설계를 목표로 실 규모 구조물의 파괴 실험을 실시하는 세계 최대급의 실험 시설이다(2005년 완성). 실제의 지진과 같은 복잡한 3차원의 진동을 낼 수 있는 15m×20m의 진동대를 갖추고 있고, 가진(加振)실험 시, 진동대 위에 구조물 시험체를 올려놓고 지진동을 재현한다. 시험체에 설치된 여러 센서의 계측 데이터나, 비디오 화상 등으로부터 실물 크기의 구조물이 파괴되어 가는 과정을 조사하는 실험 연구를 실시하여 구조물의 내진 성능 향상과 관련한 귀중한 연구 성과를 내고 있다.

2010년의 가진(加振) 실험에서는 국토기술정책종합연구소이 가상적인 진단？정보 제공 서비스의 제공자 입장에서 일반적으로도 이용 가능한 구조물 건전성 모니터링 시스템을 장착해, 기술 시스템으로서 실용성을 검증하였다. 이 실험에서는, 방재과학기술연구소의 계측 장치, 데이터 처리 시스템과 독립된 센서？네트워크를 구축해, 원격지에서 신호 처리와 해석？진단을 실시해, 결과를 실험 시설 내에서 수신하는 시스템의 실증을 실시하였다.

스마트 센서는 몇 개의 3차원의 방향에서 가속도 변화가 50gal(gal은 가속도 단위로, 1gal=1cm/sec2)을 넘었을 때에 계측을 개시해, 계측 결과는 즉시 데이터 관리？해석 서버에 전송되어 실시간으로 해석？평가를 하는 구조로 되어 있다. 실제의 지진에 비유하면, 주택(RC조 맨션 등)에 설치된 스마트 센서가 지진의 초기 미동을 파악하고 기동해, 자동적으로 가속도 데이터의 기록？송신을 실시해, 진단？정보 제공 서비스 사업자가 관리하는 장치 시스템으로 데이터 처리와 해석이 이루어져 진단？평가 결과가 실시간으로 소유자？거주자에게 전달된다. 이 실험으로, 데이터 취득으로부터 역(逆)해석, 진단 결과의 제공, 이력 관리에 이르는 일련의 기술 시스템이 충분히 실용 단계에 있는 것으로 나타났다.

나. <연구 사례2> 구조물의 안전？안심을 위한 주택 이력 정보의 활용

앞서 기술한 대로, 주택, 건축에 대한 양적인 수요는 이미 피크를 넘고 있어, 신축하기만 하면 고정자산으로서의 가치를 계속 유지하기는 어려워지고 있다. 기존의 건물을 포함해, 유효하게 이용할 수 있는 주택, 건축일지가 최근의 가치 평가의 관심이 되고 있다. 특히 내진 성능이 갖추어진 오피스 빌딩이 내진 성능이 분명하지 않은 오피스 빌딩보다 입주율이 높다고 하는 현상에서 볼 수 있듯이, 주택？건축을 안심하고 계속 이용할 수 있을 지는 가치 평가의 중심 항목이 되고 있다. 구조물의 내진 성능을 결정하는 것은 적절한 구조 설계와 확실한 시공이다. 철근 콘크리트의 구조물은 시간 경과와 함께 균열이 발생해, 방치하면 철근의 부식, 콘크리트의 박리(剝離)가 생겨 구조 내력의 저하로 연결된다.

재료？부재의 경년 열화에 수반하는 구조 내력의 저하는 일반적으로는 완만하여, 일상적인 점검？진단, 보수？개수 등의 적절한 유지 관리에 의해 그 저하 속도를 억제하는 것이 가능하다. 이러한 변화에 대해, 소유자？관리자가 어떠한 대응을 해 왔는지에 알 수 있으면, 중고 주택 매매 시 구입자가 보다 안전？안심할 수 있다. 게다가 대규모 지진에 의한 강진동으로 구조물이 피해？손상을 받았는지, 또 그 피해는 어느 정도인지, 지진 전후의 내진 성능의 변화 등에 관해, 눈에 보이는 변형이나 손상뿐만 아니라 건물의 거동에 대한 정보를 얻을 수 있으면 한층 더 안심할 수 있다.

현시점에서는, 구조물 건전성 모니터링에 의해 기록된 구조물의 특성 변화 등의 정보를 건물의 가치 평가에 반영시키는 수법은 일반적이지는 않다. 그러나 게이오대학의 미타(三田)연구실이 민간기업 15개 사와 제휴해, 구조물에 센서를 고정시켜 진동 등의 물리량을 측정？해석함으로써, 손상의 정도를 평가하는 연구를 하고 있다. 얻어진 정보를 건물 관리 등의 업무에서 어떻게 활용할지는 검토 단계에 있지만, 지진 시의 응급 위험도 판정을 대체？보완해, 사업 계속의 신속한 판단에 이용하는 것이나, 해석 결과를 바탕으로 구조물의 건전성을 판정해 구조 안전성에 대해 지진 보험 등으로의 리스크 평가에 활용하는 것 등에 대한 비즈니스 모델도 연구되고 있다.

4. 구조물 건전성 모니터링을 사업화 전개하는데 있어서의 과제와 대응

- 새로운 서비스를 고안해 구조물 건전성 모니터링과 조합하는 것이 중요 -

에너지 공급 및 방재 거점, 의료기관 등의 중요 시설에서는 어떠한 상황에서도 운영을 계속해 실시하는 것이 요구된다. 따라서 지진 등의 피해를 입었을 때, 즉각 구조물의 안전성을 파악하는 것이 중요하다. 언제 발생할지 모르는 지진에 대해 계속적으로 구조물의 진동 데이터를 파악하는 것은 사업상의 필요한 비용이라고 볼 수 있다. 그렇지만, 주택이나 오피스 빌딩, 음식점, 체육관 등에서는 지진에 대응하기 위해 계속적으로 진동 데이터를 파악하는 것은 비용적인 측면을 고려하면 서비스로서의 기능이 어렵다. 따라서 비즈니스 전개 시에는 일상적으로 데이터 계측을 계속하는 것과 아울러 별도의 서비스를 조합해 병용하는 방안이 필요하다.

예를 들면, 게이오 대학의 미타(三田)연구실에서는 진동을 모니터링 하는 센서 기술을 응용하여, 발소리로 개인을 식별하는 시스템을 연구하고 있다. 지진의 흔들림뿐만 아니라, 일상적인 바닥의 진동을 계속적으로 측정함으로써, 시설의 보안 대책으로의 응용도 기대되고 있다. 이는 진동을 측정하는 센서에 한정한 일이 아니다. 구조물 건전성 모니터링에서 사용하는 센서는 가속도 센서나 변형 센서, 위치 센서 등 다방면에 거쳐있다. 이러한 센서를 응용해 새로운 서비스를 창출해, 구조물 건전성 모니터링과 조합하면 합리적인 서비스의 제공이 촉진될 수 있다. 지진을 위해서만 계속적으로 진동 데이터를 추출할 필요는 없다.

구조물 건전성 모니터링의 건축물로의 적용에 관해서는, 기초？응용 연구에서 실용화？사업화의 기술개발 단계에 있으며, 일부에서는 시스템 운용이나 서비스 제공의 사례도 볼 수 있다. 한편, 기술 이용의 목적, 계측에 이용하는 센서의 종류나 수량, 추정의 정확성, 진단 결과의 표시 방법 등은 다양하고, 건물 소유자 측에서는 이용 방법이 반드시 명확하지 않은 상황에 있다고 할 수 있다. 이러한 인식으로부터, 국토기술정책종합연구소에서는 관계 주체간의 기술 이용의 효과 등에 관한 공통 이해와 시스템 운용 시 유의점의 인식 공유를 목적으로 “다세대 이용 주택의 유지 관리？유통을 지원하는 구조물 건전성 모니터링 기술의 이용 가이드라인”을 작성？제안하였다. 작성에서는 상기에서 소개한 실 규모 건물의 가진(加振) 실험을 통한 해석 수법의 유효성, 센싱 기술의 실용성, 기술 시스템을 실제 적용했을 때의 과제 등을 근거로 내용을 검토하였다. 향후, 새로운 진단, 정보 제공 서비스가 제공되게 될 때, 건물의 소유자, 관리자, 이용자, 서비스의 제공자 등에게 참고가 되어 기술 이용의 보급으로 이어지기를 기대한다.

▣ 원문제목 : 構造物の安全？安心を向上するヘルスモニタリングの役割

▣ 원문의 주요목차********************************************************************

1. 일본의 주택, 건축의 현상

2. 구조물 건전성 모니터링 연구 사례

3. 구조물 건전성 모니터링을 비즈니스 전개하는데 있어서의 과제와 대응

4. 향후 전망