이류 계측: 최대 힘 추적

몇 톤에 이르는 암설(debris), 진흙 및 물이 이류 동안 가파르게 산비탈을 타고 계곡으로 빠르게 흘려내려 갑니다. 작용된 이 힘을 더 잘 이해하고자, 스위스 연방 연구 기구(WSL)은 HBM의 계측 기술이 담긴 특수 저울을 사용하고 있습니다.


"이류가 산을 타고 빠르게 흘러내리는 것을 본 적이 있다면 천둥 같은 소리와 울부짖는 듯한 소리를 잊지 못할 겁니다", 라고 스위스 연방 연구 기관(WSL)WSL의 과학자인 Yolanda Deubelbeiss 박사가 말합니다.


많은 양의 강수 동안 또는 그 후에 또는 눈이 녹으면서 산에는 이류가 자주 발생합니다. 느슨한 조직의 물질이 물로 인해 포화될 때, 미끄러져 내려가기 시작하고 길을 따라서 더 많은 암설을 쓸어 갑니다. 나무와 바위 또한 이 흐름에 휩쓸려 가며 계곡으로 굴러 떨어지고, 도중에 모든 것을 황폐화시키며 초당 몇 미터로 하구 길이나 도랑 길을 종종 따라가게 됩니다. “이류가 하구 바닥 외부로 새로운 길을 낸다면 특히 위험합니다. 그런 경우에는 이류가 집, 다리 또는 길에 심하게 피해를 줄 수 있습니다”라고 지질학자가 설명합니다.


해저드맵(hazard map)은 어느 지역이 어느 정도 위험에 처해 있는지 얼마만큼의 피해가 잠재적으로 발생할 수 있는지 나타냅니다. 해저드맵은 규정된 시나리오에 기초한 컴퓨터 시뮬레이션 결과에 부분적으로 기초하고 있기도 하지만, 더욱 중요한 사실은 현장 관찰 및 이전 이류의 피해 데이터에 기초하고 있다는 점입니다. 이 지식은 예를 들어 지역 계획에서 중요한 역할을 하거나 방벽 및 댐을 건설하거나 하구 바닥을 넓히는 것으로 이어질 수 있습니다. “컴퓨터 모델은 단지 이류의 흐름 거동에 관한 이론적 결론만을 이끌어 낼 뿐입니다.


이 거대한 힘에 맞서 사람들을 더욱 보호하려면, 이류 내부에서 무슨 일이 일어나는지 더 잘 이해할 필요가 있습니다. 이렇게 하여 시뮬레이션 모델에 대한 우리의 작업에 진전이 생기고 더 현실적으로 자연의 과정을 반영할 수 있을 겁니다”라고 Deubelbeiss 박사가 설명합니다. 예를 들어, 이 지식을 통해 일부 조각들이 주 흐름에서 얼마나 멀리 벗어날 수 있는지 예측하기가 더 쉬워질 수 있습니다.

이류의 중량 계측

이러한 목적을 염두에 두고, 산림, 눈 및 지형에 대한 스위스 연방 연구 기구(WSL)에서는 스위스 알프스 산맥의 Canton of Wallis에서 발생하는 암설 흐름 급류를 관찰하기 위하여 일그라벤(Illgraben)에 2000년도에 이류 관찰국을 설립하였습니다. “스위스 알프스 산맥에서 Illbach 지역이 가장 활발한 급류 지역 가운데 한 곳이고 이류가 매년 몇 차례씩 발생하는 곳이어서 위치는 이상적입니다. 따라서 자연적 작용을 계측할 수 있습니다”라고 Deubelbeiss 박사가 말합니다. 2004년 이후로 비디오 카메라, 초음파 센서 및 레이더 계측 장치가 이류 저울로서 추가되었습니다. “이 저울은 외부에서 그저 이류를 쳐다보는 대신에 그 내부의 물리적 작용을 더 잘 이해하는데 도움이 되고 있습니다”라고 이 전문가가 말을 이었습니다. 연구 기관에 따르면, 이 프로젝트가 세계의 이 분야에서 첫 번째이자 가장 큰 프로젝트라고 합니다.

분리된 힘 계측

진흙 저울의 장착
저울 내에 설치된 로드 셀 및 포스 트랜스듀서

과학자들은 저울에 대한 브리지의 콘크리트 기초를 사용합니다. 평평한 U자 모양이 Illbach의 하구 바닥에 들러붙습니다. 실제 저울은 이 기초에 내장되어 있습니다. 8m 2 크기, 12mm 두께 및 300kg 무게의 강판이 계측 천장에 차례로 얹혀 놓은 HEB360 섹션(2800 kg)으로 구성된 철골을 통해 지지됩니다.


"그렇게 거대하고 역동적인 힘을 계측할 수 있는 저울을 건설하는 것은 간단한 문제가 아닙니다. 이류는 결국 지속적으로 이동 중입니다. 멈추지 않아서 계량만 할 수 있습니다”라고 WSL의 계측 기술 전문가인 Bruno Fritschi가 말합니다. 이류 상의 힘을 나타내기 위해, 저울이 수직 항력을 기록합니다. 이것이 위에서부터 지면에 압력을 가하는 힘입니다. 또한 동시에 수평 전단력을 결정합니다.


이것이 물질이 앞으로 계속해서 이동하면서 생성한 하중입니다. 흐름 깊이, 흐름 속도 및 공극 수압(pore water pressure) 또한 계측됩니다. “우선 이러한 데이터 포인트를 결합하여 이류 내에서 작용하는 힘을 사실적으로 대략 볼 수 있습니다. 동시에 이 상호작용은 계측 기술에 있어 가장 큰 도전이 되는데, 그 이유는 서로 분리되어서 값을 나타내야 하기 때문입니다”라고 Fritschi가 설명합니다. “이것이 HBM 포스 트랜스듀서를 사용하기로 결정한 이유입니다. HBM의 제품은 정밀한 센서 시스템을 제공할 뿐만 아니라 결과에 영향을 미치는 수평력 없이 수직력을 계측할 수 있게 도와줍니다."

이에 대한 중요한 측면은 강판에서 탄성 베어링을 거쳐 로드셀(load cell C2 유형, 50 미터 톤 )유형 C2, 50미터 톤)으로 힘이 전달된다는 점입니다. 유형 ZEL 탄성 베어링은 강판과 서로 상부에 배치된 고무층으로 구성되어 있으며 가황(vulcanization) 작업을 통해 서로 연결됩니다. 힘을 전달할 때, 탄성 부분은 실질적으로 수평 중량을 없애줍니다. 횡력 영향이 로드 셀에 전달되지 않도록 층이 이동합니다. 두 가지 유형의 U2A 로드셀  또한 조인트 슬리브(joint sleeve)로 포스 션트를 최소화하여 이류(20미터 톤)의 횡력을 흡수합니다

큰 충격을 견디다

과학자들은 연관된 거대한 힘을 나타내는 미터 톤 단위의 결과를 계측합니다. “계측 기술은 정밀한 결과를 돌려주어야 하는 것뿐만 아니라 많이 견딜 수 있어야 합니다"라고 Fritschi가 말을 이었습니다. “이류의 큰 바위가 충격을 주면서 작용하며 빠른 속도로 저울 위를 굴러갑니다. 포스 트랜스듀서는 이 거대한 하중을 견뎌낼 수 있어야 합니다. 실제보다 이류가 무게가 더 나가서 초과하중에 대해서는 보호할 수 없습니다.”


초당 최대 6m로 이동하는 압축 하중의 최대 40미터 톤일 수 있는 일그라벤에서 지금까지 이뤄진 계측내용에 기초합니다. HBM 센서 시스템의 탄성 베어링은 이러한 힘을 흡수합니다. 하지만, 이 힘이 기술에 대해서만 난제가 되는 것이 아닙니다. 극한 환경에서도 신뢰할 수 있게 작용해야 합니다. “이 저울은 진흙과 물에 둘러싸여 있습니다. 겨울에는 춥고 여름에는 덥지요. 시스템은 항상 건조한 상태로 유지되지만 계측 환경은 정말 극한의 상태입니다”라고 Fritschi가 덧붙여 말합니다.

일반적이며 전반적인 첫 번째 보수- 2012

언급할만한 유지보수 없이 8년 동안 작동한 후에, 2012년 4월에 저울을 보수할 필요가 있었습니다. 철재가 구부러졌고 강판은 마찰 및 바위 충격으로 인해 마모되었습니다. “돌파될 가능성을 더 이상 배제할 수 없었습니다. 강판 아래에 힘 계측 셀이 파괴될 수도 있었습니다”라고 Fritschi가 말을 이었습니다.


보수는 포괄적으로 이뤄졌습니다. 우선 해당 팀에서 굴삭기를 위해 Illbach와 잘 닦인 접속 경로를 우회해야 했습니다. 와서 강판 및 철재를 실제로 교체하였습니다. 다른 한 편으로, 과학자들은 계측 기술을 활용하여 계속 진행할 수 있었습니다. 이렇게 하기 위하여, 과학자들은 탄성 베어링과 계측 셀을 새로운 철골 구조물에 장착했습니다.


해당 팀에서 골조에 새로운 강판을 낮춰 놓기 전에, 우선 하중이 전혀 없는 계측 셀을 확인하였습니다. 이렇게 하기 위하여, 해당 팀은 골재와 커버 플레이트의 무게를 개별적으로 각각 쟀으며, 이 데이터를 이 프로젝트의 시작 시에 기록한 계측 값과 비교하였습니다.


"두 개의 계측 셀의 영점이 수 년 사이에 변경된 것은 아닌지 의심했습니다”라고 Fritschi가 과정을 설명하여 말하였습니다. “이 값들은 10톤의 편차를 보였습니다. 하지만 결과에서는 편차가 일정하였다는 사실을 보여주었으며 따라서 그 결과를 매우 쉽게 고려할 수 있었습니다. 이것은 이전의 계측 셀을 계속해서 활용할 수 있다는 사실을 의미합니다”. 교체가 초기에는 가능하지 않았는데, 그 이유는 제 자리에 있는 계측 셀을 조이는 앵커 볼트가 더 이상 풀어질 수 없었기 때문입니다.


반 년 후 여름 이류 시즌이 지난 후에, 과학자들은 연구실에서 테스트하고 편차를 수정하거나 결함이 있다면 셀을 교체하기 위하여 상당한 노력을 들여 계측 셀을 결국 없앴습니다. 계측 셀은 2013년 봄에 저울에 재설치될 것입니다. Fritschi는 다음과 같이 결론을 냅니다. “향후 몇 년 더 여기 일그라벤에서 계속해서 연구를 해나가고자 합니다. 아직은 이류의 물리적 작용을 완전히 이해하지 못했습니다."

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