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과제기본정보

PSC 구조물 내부 텐던 손상검출을 위한 음향방출 기반 안전 진단 및 실시간 모니터링 기술 개발2년차

사업개요
사업개요에 대한 사업명, 분류코드(기술분류), 과제명, 주관연구기관, 총괄연구 책임자(성명, 소속, 전화번호), 총 연구기간, 당해연도 연구기간 정보제공
사업명 국토교통기술촉진연구사업 과제번호 20CTAP-C152254-02
국가과학표준분류 1순위 건설 교통 | 시설물 안전 유지관리 기술 | 시설물점검 진단기술 적용분야 전문,과학 및 기술서비스업
2순위 전기 전자 | 계측기기 | 안전감시 진단 계측제어기 실용화대상여부 실용화
3순위 기계 | 재난안전장비 | 위험감지 모니터링 장비 과제유형 개발
과제명 PSC 구조물 내부 텐던 손상검출을 위한 음향방출 기반 안전 진단 및 실시간 모니터링 기술 개발
주관연구기관 (주)렉터슨
총괄연구 책임자 성명 김동현
소속 (주)렉터슨 직위 연구소장/이사
기관 대표번호 - FAX -
총 연구기간 2019-04-19 ~ 2021-12-31
당해연도 연구기간 2020-01-01 ~ 2020-12-31

(단위:원)

년도별 정부출연금, 기업부담금, 계 정보제공
년도 정부출연금 기업부담금 계
현금 현물 소계
2차년도 155,000,000 7,750,000 43,917,000 51,667,000 206,667,000
과제기본정보의 연구개발개요, 최종목표, 연구내용 및 범위 정보제공
연구개발개요 ○ 국내에서 1960년대 PSC 구조물(교량) 도입이후 현재 전체 교량 중 38%가 PSC 교량으로 건설됨. 특히 1970년대 ‘압축건설’로 30년 이상된 노후 PSC 구조물이 급증하고 있는 실정임.
○ 전체 시설물 중에서 31년 이상된 시설물은 2020년 이후 빠르게 증가할 것으로 전망됨(한국시설안전공단, 2017).
○ 2016년 서울시 내부순환도로 상 정릉천 고가교의 외부 텐던(External Tendon)이 부식으로 파단되는 사고가 발생하였으며, 이 사고로 종암로 일대 내부순환도로 1달간 폐쇄, 극심한 정체, 시민 불안감/불편/막대한 경제적 손실 발생.
○ 정릉천 고가교와 같은 PSC 박스 거더교(PSC Box Girder Bridge)는 텐던(Tendon)에 의해 지탱되고 있으며, PSC 구조물의 핵심요소는 구조물에 압축력을 제공하는 텐던으로서 구조물의 사용수명 동안 내구성 확보가 필수임.
○ 텐던이 부식 등의 손상에 의해 긴장력이 감소되면 구조물의 성능이 크게 저하되고, 그대로 방치될 경우 전면적인 붕괴사고로 이어질 가능성이 높음.
○ 따라서 텐던의 손상(긴장력 감소)을 감시하는 효율적인 기술이 개발되면 구조물의 붕괴를 사전에 예방할 수 있고, 구조물의 건전성 및 유지관리 효율성을 크게 향상시킬 수 있음.
○ 텐던의 부식을 최소화하기 위한 방안으로 그라우트 품질 및 공극 최소화 방안에 대해서 연구가 필요하고, 시공 중뿐 아니라 사용 중에도 PSC 교량의 긴장력을 효과적으로 측정할 수 있는 방안이 마련되어야 하고, 이를 이용하여 PSC 교량의 안전도 및 건전도를 실시간으로 파악할 수 있는 기술이 마련되어야 함.
○ 이를 통해 PSC 구조물의 유지관리 최소화 및 장수명화를 달성할 수 있음.
○ PSC 박스 거더는 크게 외부 텐던(External Tendon)과 내부 텐던(Internal Tendon)으로 나뉘며 외부텐던의 경우 기존의 비파괴검사를 이용한 결함 탐지가 가능하나 내부 텐던의 경우 현존하는 검사 방법으로 실제 현장 대응이 어려운 실정임.
○ 국내에서 PSC 시설물의 내부 텐던 파단 및 손상 검출을 위한 다양한 비파괴 검사 방법(EM센서, 초음파, GPR 등)을 활용한 연구 과제가 수행되었으나 기술적 한계 등으로 인하여 현장에서 활용되지 못하는 상황임.
○ 하지만 비파괴 검사 방법 중 음향방출(AE, Acoustic Emission) 기술을 이용한 유사 구조물에 대한 적용사례 및 실적을 기반으로 국내 도입이 시도되고 있음.
○ 현재 AE 기법 적용 인프라시설물 진단 분야 원천기술은 국외 기업에서 보유하고 있으며 중·장기적 유지관리 관점에서 볼 때 장비(H/W) 및 분석기술(S/W)의 국산화가 필요한 실정임.
최종목표 PSC 구조물의 안전성 평가를 위한 음향방출 기반 내부 텐던 검사 및 진단 기술 개발
○ 음향방출 기반 PSC 거더교 내부 텐던 검사 및 진단 기술 개발
○ 음향방출 기반 PSC 거더교 내부 텐던 검사 장비 개발
○ 음향방출 기반 PSC 거더교 내부 텐던 실시간 모니터링 시스템 구축
<1차년도>
- 주관연구기관((주)렉터슨) : 음향방출 기반 PSC 거더교 내부 텐던 검사 장비 설계
<2차년도>
- 주관연구기관((주)렉터슨) : 음향방출 기반 PSC 거더교 내부 텐던 검사 시스템 개발
- 공동연구기관(한국건설기술연구원) : 음향방출 활용 검사 장비 성능 검증
<3차년도>
- 주관연구기관((주)렉터슨) : 테스트베드 구축 및 현장 실험
- 공동연구기관(한국건설기술연구원) : 개발 기술의 현장 적용성 평가 및 보완
연구내용 및 범위 <1차년도>
○ PSC 거더교 내부 텐던 실험 환경 구축
- 실내에서 실험이 가능한 소형 PSC 실험체를 제작 및 불량 사례 재현.
- 음향방출 모니터링이 가능하도록 센서와 계측장비를 구성.
○ PSC 실험체에서 탄성파 신호를 유도하기 위한 외부 신호 가진 장비 구축.
○ PSC 거더교 내부 텐던 진단을 위한 음향방출기술 정립 및 검사 장비 설계
- 실험 결과 비교 분석을 통한 탄성파 신호를 유도 방안 수립
- 음향방출기반 내부 텐던 검사 방안 정립 및 진단 알고리즘 개발
- PSC 거더교 내부 텐던 검사 장비 설계
<2차년도>
- 주관연구기관((주)렉터슨) :
○ 음향방출 기반 PSC 거더교 내부 텐던 검사 장비 개발
- 음향방출기반 내부 텐던 진단 알고리즘 적용
- PSC 거더교 내부 텐던 검사 장비 개발
- PSC 거더교 내부 텐던 검사 장비에 대한 자체 검사 수행
○ 음향방출 기반 PSC 거더교 내부 텐던 상시 모니터링 시스템 설계 및 구축
- 노후 교량 또는 이상의심 교량에 대한 집중관리를 위한 음향방출 기반 모니터링 시스템 구축
- 상시 모니터링을 위한 센서 설치 위치 선정 및 설치 방안 수립
- 상시 모니터링을 위한 현장 전원 수급 대책 및 데이터 관리 방안 수립
○ PSC 거더교 불량 사례에 대한 음향방출진단 DB 구축
- PSC 거더교 불량 사례별 신호 수집을 위한 데이터베이스 설계 및 구현
- PSC 거더교 불량 사례별 음향방출신호 특징 추출 및 분석
- 음향방출신호 특징에 따른 이상상태 정의 및 PSC 거더교 불량사례와의 비교검증

- 공동연구기관(한국건설기술연구원) :
○ 음향방출기술 활용 검사 장비 성능 검증
- 음향방출기술 활용 검사 장비 성능 검증을 위한 텐던 손상 실험체 제작
- 음향방출기술 활용 검사 장비를 이용한 블라인드 테스트 수행 및 성능 평가

<3차년도>
- 주관연구기관((주)렉터슨) :
○ 테스트베드 교량 시범 적용를 통한 상시 모니터링 및 진단 수행
- 최소 3개월 이상의 모니터링 수행을 통한 시스템 검증
- 음향방출 모니터링 시스템 개선 사항 및 현장 요구도 수렴
○ 테스트베드 교량 내부 텐던 검사 및 진단 수행
○ PSC 거더교 상태진단 기준 수립
- PSC 거더교 내부 텐던 검사 장비를 이용한 검사 절차 기준 확립
- 음향방출 기반 모니터링 시스템의 현장 도입을 위한 Reference 모델 제안

- 공동연구기관(한국건설기술연구원) :
○ PSC 거더교 내부 텐던 진단 기술 신뢰성 평가
- 음향방출기반 PSC 거더교 내부 텐던 진단 알고리즘 타당성 확인 및 신뢰성 평가
○ 테스트베드 교량 현장 적용성 평가 및 보완
○ PSC 구조물 안전진단 관련 정책 반영 추진
건설기술연구개발사업 주요내용
건설기술연구개발사업 주요내용의 구분, 연구개발목표, 연구개발 내용 및 방법 정보제공
구분 연구개발목표 연구개발 내용 및 방법
2차년도 - 주관연구기관((주)렉터슨) : 음향방출 기반 PSC 거더교 내부 텐던 검사 시스템 개발
- 공동연구기관(한국건설기술연구원) : 음향방출 활용 검사 장비 성능 검증 		- 주관연구기관((주)렉터슨) :
○ PSC 거더교 내부 텐던 실험 환경 구축
- 실내에서 실험이 가능한 소형 PSC 실험체를 제작 및 불량 사례 재현.
- 음향방출 모니터링이 가능하도록 센서와 계측장비를 구성.
○ PSC 실험체에서 탄성파 신호를 유도하기 위한 외부 신호 가진 장비 구축.
○ PSC 거더교 내부 텐던 진단을 위한 음향방출기술 정립 및 검사 장비 설계
- 실험 결과 비교 분석을 통한 탄성파 신호를 유도 방안 수립
- 음향방출기반 내부 텐던 검사 방안 정립 및 진단 알고리즘 개발
- PSC 거더교 내부 텐던 검사 장비 설계


- 공동연구기관(한국건설기술연구원) :
○ 음향방출기술 활용 검사 장비 성능 검증
- 음향방출기술 활용 검사 장비 성능 검증을 위한 텐던 손상 실험체 제작
- 음향방출기술 활용 검사 장비를 이용한 블라인드 테스트 수행 및 성능 평가
연구성과 기술적 기대성과 ○ PSC 구조물 내부 텐던 상태평가 기술 분야에서 세계적으로 공인된 기술이 부재한 상태에서 텐던의 파단 여부를 신속하고 정확하게 판단하여 관리자에게 실시간 정보 제공이 가능한 시스템을 개발하여 PSC 구조물뿐만 아니라 노후 인프라 유지관리 전반에 활용 가능할 것으로 기대됨.
○ 또한, 통일시대를 대비하여 노후 시설물의 안전 상태를 신속히 평가할 수 있는 시스템 개발이 시급한 상황이며 그 활용 가치가 상당할 것으로 예상됨.
○ 시설물 유지관리와 관련하여 다양한 유형의 시설물에 직접적인 점검이 어려워 비파괴 방법을 활용한 점검 기술이 개발되고 있으나 현장에서 활용되고 있는 기술은 극히 제한적인 상황임. 본 연구의 성공적인 결과를 바탕으로 관련 분야의 기술 선도 그룹에 건설연이 한 축을 담당할 수 있을 것으로 기대됨.
사회 경제적 파급효과 가. 사회적 기대효과
○ PSC 구조물 상태평가 기술의 적용으로 구조물 붕괴는 물론 갑작스러운 교량 보수나 교체로 인한 교통 불편 및 간접적 비용 증가 등이 감소하여 국민 삶의 질이 향상될 것으로 기대됨.
○ 현재 상태 중심으로 진행되어 오던 인프라 유지관리기술에 대해 미래를 예측하고 이를 대비함으로써 유지관리비용 절감이 가능하고, 보다 안정적인 인프라 유지관리가 가능하게 되며, 이에 대한 홍보를 통하여 인프라 유지관리 분야 투자와 관련한 사회적 공감대 형성이 가능.
○ 센싱 등의 ICT 기술을 활용하여 공공서비스의 질을 높일 수 있도록 중앙부처, 지자체, 공공기관 및 관련업체 지원이 가능하며 혁신적인 연구를 통한 국민의 삶의 질을 높이고 사회전반의 효율성을 증진시키는 등의 성과를 창출할 수 있음.

나. 경제적 기대효과
○ 제안된 연구가 성공적으로 완료되면 경제적이고 과학적인 방법을 통한 교량의 유지관리가 가능하여 한정된 유지관리 예산의 효율적인 집행 가능.
○ 연간 PSC 교량의 수주액은 약 2조 원 규모임(건설산업조사보고서). 교량 설계수명을 50년으로 가정하면 연간 교량 사용비용은 400억 원이므로 교량 수명을 1년 연장 시 400억 원의 국가 예산 절감 효과가 있음.
○ 국내 대형 SOC 시설물의 노후화가 가속화됨에 따라(2030년 이후 30년 이상 시설물이 전체 시설물의 약 37% 예상) 효율적 유지관리를 통한 국가 예산 절감 효과가 있음.
○ 국내뿐만 아니라 OECD 국가 기준 연간 300조 시장을 형성하고 있는 인프라시설물 유지관리시장 진출을 기대할 수 있음.
활용방안 ○ 구조물 진단, 계측, 유지관리 기업 및 유지관리 주체 등에 기술을 이전하여 PSC 구조물의 안전점검 및 유지관리에 활용할 계획이며, 현재 서울시설공단에서는 음향방출 기법을 적용하여 서울시 소재 PSC 교량 텐던의 손상상태를 평가를 위한 AE 기법 도입을 검토 중에 있음.
○ 텐던의 상태평가에 대한 원천기술의 확보 및 응용기술 개발력을 확보하여 PSC 교량뿐만 아니라 좀 더 구조적 시스템이 복잡한 특수교(현수교, 사장교 등)의 케이블 시스템 및 부속 시설물(정착구, 행어 밴드 등)의 손상 검출 등으로 확대 적용할 계획임.
○ 향후 국내 교량관리 주체/기업의 관련 분야 국내외시장 진출 시 모니터링 시스템(H/W 및 S/W 포함)뿐만 아니라 데이터 기반 의사결정 지원의 노하우를 획득하여 해외 진출을 적극 시도할 계획임.
○ 매년 주요시설물 유지관리에 연간 약 1조원이 소요되고 있는 실정이며, 첨단 모니터링 기술을 이러한 시설물과 접목함으로써 해 유지관리 비용 최적화 달성.
핵심어
핵심어의 구분, 핵심어, 핵심어1~핵심어5 정보제공
핵심어 핵심어1 핵심어2 핵심어3 핵심어4 핵심어5
국문 PSC 구조물 내부텐던 손상검출 음향방출 안전진단
영문 PSC structure Internal tendon Damage detection Acoustic emission Safety diagnosis
최종보고서
최종보고서 파일 다운로드 제공
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