The CEDEX 테스트 트렉 - 포장 가속 시험

스페인의 CEDEX 교통연구센터는 HBM의 데이터 수집(DAQ) 장치와 MGCplus DAQ 시스템을 이용한 포장 가속 시험을 수행했습니다. 트랙 주변에 배치된 240개 이상의 채널로 부터 받은 데이터를 수집, 및 모니터링 하여 성공인 측정을 마쳤습니다.

포장가속 시험이란?

포장가속시험이란 '단기간에 장기운영 부하조건의 효과를 시뮬레이션할 목적으로 통제된 조건 하에서 포장 구조에 휠 부하를 가하는 것'으로 정의할 수 있습니다.

이 같은 본격적인 시설은 유럽에만 12곳이 있고, 미국도 그와 비슷하게 운영 중이며, 기타 멕시코, 브라질, 남아프리카공화국, 호주, 뉴질랜드, 중국, 일본에서도 시설이 운영되고 있습니다. 요즘은 전 세계적으로 포장가속시험이 도로연구의 기본 축을 이룬다고 할 수 있습니다. 시험시설에는 원형시험장과 선형시험장, 두 종류가 있습니다.

(Figure 1 Figure 2 참고)

CEDEX 개요

스페인어 약어 CEDEX로 더 잘 알려진 토목사업 연구실험 센터(Civil Works Study and Experimentation Centre)는 첨단 아이디어와 기술을 토목, 건설, 환경 분야에 응용하는 공공단체입니다. CEDEX는 약관 규정에 따라 기술 지원을 위해 시설과 실험실을 제공합니다. 또한 CEDEX는 실험연구를 통해 얻은 지식을 전파하는 정책의 일환으로 기술이전 분야에서도 중요한 역할을 수행합니다.

The Test Track

CEDEX 시험트랙은 두 개의 75m 직선 구간이 반경 25m의 곡선 구간 2개와 각각 연결된 형태로, 트랙 안쪽에 설치된 레일 빔이 자동측정차량의 가이드 역할을 합니다. Figure 3

시험대상인 6개의 포장 섹션을 트랙의 직선 구간에 설치하였으므로, 이 시설은 두 번째 직선 구간 내에서 관점별 시험 항목을 설정할 수 있었습니다. 부하시험 휠의 총 이동 거리는 사이클당 304m였습니다. 곡선 구간은 표면 재료, 표면 처리, 도료, 표면 마모와 같은 기타 연구에서는 응용되었으나 시험에는 사용하지 않았습니다.

포장 섹션의 테스트는 직선 구간에서 실시했으므로 그 결과는 다른 선형 시험트랙에서 얻은 결과값과 비교할 수 있습니다. CEDEX에서는 20~25m짜리 포장 섹션 6개를 동시에 시험할 수 있습니다.

여기서 곡선 시험용 포장 섹션은 트랙의 지형에 맞게 설치하고 직선 시험용 포장 섹션은 철근 콘크리트로 만든 2개의 U자형 수밀 시험굴(test pit) 내부에 시공했습니다. 폭 8m, 깊이 2.6m의 콘크리트 시험굴에는 재래식 기계를 사용하여 일반적인 도로건설 공사를 시행할 수 있을 뿐 아니라 최저 높이 1.25m짜리 도로 경사면을 세울 수 있습니다. 콘크리트 시험굴을 사용하는 목적은 포장면의 성능을 주변 지반의 성능과 격리시킴으로써 매 시험 때마다 포장면에 대해 지지력의 균질성을 확보하여 타 시험 결과와 비교하려는 것입니다. 또한 다양한 지하수 조건으로 노상층을 물에 잠기도록 할 수 있습니다.

시험차량은 중형트럭에 해당되는 1개 차축을 통해 중력으로 하중을 가합니다. 하중은 5.5톤에서 7.5톤 사이에 고정이 가능한데, 이 시험에서는 스페인 법규상 단일 축에 허용되는 최대 하중(13톤)에 해당하는 6.5톤으로 정했습니다. 현수장치는 공압식입니다. 테스트 휠은 두 개의 트윈 휠 또는 팽창압 8.5Kg/cm2에서 한 개의 싱글 풍선형 휠로 구성됩니다. 견인 테스트 휠과 마찬가지로 현수장치도 도로교통에 사용되는 기존 장치입니다. 순환속도는 40Km/h, 최대 허용 속도는 60Km/h입니다. 그림 4

테스트 휠은 유압 액추에이터(actuator)를 이용, 서로 다른 7개의 노면상에 횡방향으로 위치하여 1.0~1.3m의 궤적을 만들어 냅니다. 노면상의 위치를 자동으로 제어하는 시스템을 통해 실제 교통상황에 따른 통계적 도로 분포를 생성할 수 있습니다.

테스트 시설은 시험트랙의 기하학적 중심에 위치한 중앙통제센터에서 완벽하게 제어합니다. 용도에 맞게 특별히 제어프로그램도 개발되었습니다. 이런 방식으로 프로그래밍이 끝나면 그 후 전체 시설은 완전히 무인시스템으로 가동됩니다. 시험주기는 연간 1x106 사이클 이상입니다.

측정 파라미터

휠이 도로 위를 이동하면 포장 구조의 어느 지점이든 응력과 변형률이 발생합니다. 이 응력과 변형률에 영향을 미치는 요인으로는 부하의 종류, 강도와 방향, 포장 구조, 노상층의 종류, 온도, 깊이 등이 있습니다.

포장면에 계기를 설치하면 하중이 가해질 때 도로 포장 각 부분에 나타나는 응력과 변형률, 특히 결정적으로 중요하다고 판단되는 응력 및 스트레인(strain)을 측정할 수 있습니다.

각 포장층별로 복합변형 변수를 비롯한 임계점이 다르므로, 센서의 종류 및 배치방법을 결정할 때는 이러한 점을 충분히 고려해야 합니다.

역청재료층 최하부의 수평인장변형률은 가용성 도로포장에서 가장 중요한 응답변수로 여겨집니다. 따라서 아스팔트 혼성층에 계기를 설치할 때는 역청재료층 바닥의 수평변형률 측정에 중점을 두어야 합니다.

과립층 및 과립상 토양은 대개 수직변형률 누적으로 인해 결함이 발생합니다. 따라서 토양에 계기를 설치할 때는 특히 수직응력 및 변형률 측정에 초점을 맞춰야 합니다.

휠 통과에 따른 과도응답을 측정하기 위해 포장 도로 편향도 센서도 설치됩니다. 이들 센서는 아스팔트층 상단에 설치하며, 시험굴 하단에 고정시킵니다.

끝으로, 온도, 습도, 지하수면, 속도, 횡방향 위치 등의 환경변수 및 하중 관련 변수로부터 데이터를 수집하기 위해 센서를 차례로 설치합니다. Figure 5

테스트 시설의 제어체계 개요

테스트 중단을 최소화한 연속가동 모드에서 시험수명주기에 도달하기 위해 시설의 설계 단계에서는 자동화 공정에 주안점을 두었습니다. 또한 테스트 시설, 특히 시험차량과 제어장치는 스페인 시험트랙을 위해 특별히 설계, 제작 및 시운전을 거친 시제품이며, 순전히 유럽 기술로 개발된 점도 중요한 대목입니다. Figure 6

CEDEX 시험트랙의 제어장치는 두 가지 기본 부품, 즉 PLC 시스템과 데이터 수집 장치로 구성되었습니다. 두 장치는 서로 연결되어 있으며 이더넷 네트워크(ethernet network)를 통해 연결된 하나의 시스템(제어 컴퓨터)으로 관리합니다. 첫 번째 부품(PLC 시스템)은 속도, 횡방향 위치, 스페어 타이어 공기압과 같은 파라미터 및 전기 소모량, 위치 탐지기 등 차량 유지정비와 시설 안전에 필요한 변수 제어를 통해 차량 관리를 담당합니다. 그 외 시스템(데이터 수집 장치)은 포장면 계기 측정 프로세스를 담당합니다.

PLC 시스템은 컨트롤센터에 위치한 PLC 마스터(Master) 1대와 차량 내부에 위치한 PLC 슬레이브(Slave) 2대로 구성됩니다. PLC 마스터는 무선 이더넷 네트워크를 통해 차량의 PLC 슬레이브와 접속합니다.

성능이 입증된 HBM의 데이터 수집(DAQ) 장치, MGCplus DAQ 시스템은 트랙 주변에 전략적으로 배치된 240개 이상의 스트레인 게이지(strain gauge), LVDT 및 Pt100 채널에서 보내온 데이터를 가용한 상태로 바꾸고 모니터링하여 측정했습니다. 토목 모니터링을 비롯한 전 세계 구조시험 프로그램에서 다양하게 사용되는 HBM의 DAQ 시스템은 전기배선의 부담과 비용을 대폭 절감하는 동시에 고품질 측정 데이터를 제공하도록 설계되었습니다.

시험트랙 내부에는 계기 설치 통로가 시공되어 있습니다. 통로는 일직선으로 다음 테스트 섹션까지 연결되며, 통로 내에는 MGCplus 기기를 부착할 키스톤 잭(keystone jack)을 비롯하여 전원 장치 및 데이터 수집 장치가 설치되어 있습니다. 따라서 출력 신호의 왜곡을 방지하고 아날로그 신호를 디지털 신호로 변환하기 위해 센서와 컨디셔닝 장치 사이의 거리를 최소한으로 할 수 있도록 설계되었습니다. Figure 7

계기 관리 작업

센서의 데이터 수집을 위한 전자동 시스템은 CEDEX가 설계 및 개발한 것으로, 모든 측정 테스트에서 최대 240개 센서로부터 실시간으로 데이터를 측정하여 데이터베이스에 보관합니다.

관리 작업은 세 가지 프로세스로 나뉩니다:

센서 관리 프로세스
측정 프로세스.
데이터 저장 및 분석.

Management sensor process

각 테스트에 대한 계기 설치 계획을 수립하여 센서 배치가 완료되면, 그 다음 단계는 설치된 계기를 제어 컴퓨터의 시스템 데이터베이스에 등록하는 것입니다. 이때 센서, 센서의 위치, 광학 측정 스타트 센서, 관련 날짜, 활동 상태 등을 규정하는 데이터를 빠짐없이 입력합니다.

데이터베이스에 센서 등록이 끝났으면, 다음으로는 MGCplus 모듈을 설정하여 전기적 측정과 물리적 측정의 상관관계를 바탕으로 전체 측정 체인(배선 및 기기)을 비롯한 각 센서의 교정곡선을 구합니다. 이어서 MGCplus의 PC 카드 관리자에서 기록 파라미터(샘플 레이트, 시간, 가동 센서, 트리거)를 입력하고 MPR 파일을 저장합니다. 이때 일반적으로 두 가지 샘플 레이트로 입력합니다. 즉, 하나는 정적 변수 기록용, 다른 하나는 동적 변수 기록용입니다. Figure 8

그 외, 계기 유지관리 업무를 단순화하고 판독값의 실시간 그래픽/수치 모니터링 기능을 사용하는 작업도 있습니다.

측정 프로세스

데이터 수집 장치에는 두 가지 종류의 테스트가 있습니다.

Dynamic tests
Special tests

동적 테스트란 차량이 움직이는 동안 계기에서 보내오는 값을 체계적으로 측정하는 것을 말합니다. 동적 테스트를 수행하려면 1회 테스트당 측정하고자 하는 센서 수를 사전에 최대 240개까지 정의해야 합니다. 이와 함께 도로 포장 온도, 환경 온도, 사이클 수, 횡방향 위치, 차량 속도, 날짜와 시간 등, 곡선 분석에 필요한 모든 변수를 기록한 결과 파일(ASCII)이 생성됩니다.

동적 테스트는 자동으로 실행됩니다. 이는 테스트 일정 수립 시 설정해 둔 다음의 세 가지 이벤트에 의해 활성화될 수 있습니다.

사이클 수: 차량이 사전 설정된 사이클 수에 도달하면 테스트가 시작됩니다.
시간: 측정 시작 날짜와 시간을 미리 지정합니다.
온도: 포장면 온도가 일정 수치(사용자 설정)에 도달하면 테스트가 시작됩니다.

테스트 장치를 작동시키는 이벤트가 발생하면 제어 컴퓨터가 PLC 마스터로 지령을 내려 차량을 테스트에 요구되는 조건(속도 및 횡방향 위치)으로 준비시킵니다. 일단 차량이 예정된 테스트를 위한 정위치에 놓이면, 제어 컴퓨터는 이더넷망에 연결된 각 MGCplus로 일련의 저수준 명령(low level command)을 내립니다. 이 명령에 따라 기록 파라미터가 들어있는 .MPR 파일이 계측기기로 전송되면서 데이터 수집 프로세스를 위해 기기를 작동시킵니다. 각 MGCplus에는 측정 트리거 회로 가동에 사용될 광센서가 하나씩 연결되어 있습니다. 선택한 차량이 광센서를 지나가면, 데이터 수집이 시작되며, 일정 시간이 경과하면 기록 파일에 저장됩니다.

Figure 9

When the vehicles complete one cycle from the beginning of the data collection, the Control Computer connects to the MGCplus devices to transfer the data collection file that has been created from the DAQ to the Control Computer and convert it into ASCII format by means of the Catman control ActiveX. All of that has been programmed inside a Visual Basic script which also realizes a signal processing to change time to distance, cut and resample in order to store the number of samples that are interesting for analysis.

After that the Control Computer has to put all the data together in the results file (ASCII), the data from the PLC System regarding the vehicles (speed, transverse position) and the data from the data acquisition System regarding the sensor measurement process.

Once every piece of data is stored, the test finishes and the PLC System in charge of the steering of the vehicles regains control. This test can be scheduled cyclically depending on the number of cycles, after a determined period of time or when the desired temperature values occur.

The special test refers to other kind of measures that would be carried out with the instrumentation without using the whole Control System, directly with the MGCplus devices.

We would like to highlight the following three types of tests as special tests:

Temperature traces. There are two Siemens ET 200 as part of the PLC System in which have been connected the analog outputs of the MGCplus to have a continuous pavement and environmental temperature registered. These are used to analyze not only the instrumentation but also the damages of the pavement.
Manual Start. These tests can be performed not only with vehicles in motion but also with vehicles stopped. They begin when a trigger is sent. This kind of test is used to study in detail some specific variables when the vehicle is passing by and, unlike the dynamic tests; they are made with a sample frequency up to 3000 samples per second. This test is also used to measure the response of one or various sensors to equipment other than the test vehicles, e.g. FWD devices.
Start by optical sensor. It has the same features as the Manual Start test, but, in this case, the measurement is triggered by one of the optical sensors on the test track.