Zezelj Bridge, Novi Sad.

HBM 측정 기술을 이용한 교량 모니터링

472개 센서를 이용하여 장기간 교량 모니터링

다뉴브 강 위에 있던 Žeželj 대교는 세르비아 노비사드(Novi Sad)의 철도 및 도로 교통을 담당하는 아치형 교량이었습니다. 이 교량은 1961년에 유명한 토목 기사인 Branko Žeželj가 건설한 것입니다.

당시만해도 독특했던 프리스트레스 콘크리트 기법으로 건설되며 많은 사람들이 교량 내구성에 의구심을 가졌습니다. 사람들을 안심시키기 위해 Branko는 교량 밑에서 보트를 저으며 부하 시험을 진행했습니다. 

그러나 1999년 나토(NATO) 공습으로 이 교량은 12번의 폭격을 받았고, 결국 여러 번의 직접 타격을 받아 1999년 4월 23일에 파괴되었습니다. 이 교량은 나토의 “Operation Noble Anvil” 작전 당시 노비사드에 끝까지 남아 있었습니다.

 

사람, 국가, 경제를 이어주는 새로운 교량

Žeželj 대교를 다시 건설 중이며 2017년 말에 완공될 예정입니다. 그 디자인은 기존 교량과 비슷하지만 소재는 스틸 아치가 사용될 것입니다. 길이는 474m가 되고, 국경을 통과하는 두 개의 철도 선로와 자동차 도로, 자전거 도로, 보행자 도로가 지나게 됩니다.

이 교량은 발칸 국가와 EU의 중요한 운송 라인이기 때문에 유럽연합이 이 프로젝트의 자금을 지원하고 있습니다.

 

 


Mechanical structure of a bridge
새로운 교량의 기계적 구조(TRC 그래픽)

효율적인 모니터링 개념을 요하는 첨단 디자인

철도 및 도로 교량은 다양한 유형과 강도의 부하를 받고 교량의 일상적인 구조 안전성이 중요하기 때문에 가장 복잡한 모니터링 시스템이 필요합니다. 

노비사드 기술과학 대학의 토목공학 및 측지학과(FTN)는 TRC PRO(기술 연구 센터)와 함께 새로운 철도 및 도로 교량의 안전한 건설에 HBM의 측정 기술을 사용하고 있습니다.

관찰, 데이터 수집, 전송, 교량 이용 시 장시간 측정으로 수집되는 데이터의 분석 등이 포함되는 일련의 활동을 통해 구조 안전 모니터링 을 실시합니다. 교량의 구조 건전성을 모니터링하는 목적은 교량 구조의 거동을 추적하기 위한 데이터베이스를 구축하여 교량의 안전성과 성능(내하력, 강성, 사용성, 내구성) 열화를 방지하는 것입니다.

 

 


PMX Data Acquisition System
PMX Data Acquisition System

신뢰할 수 있는 센서 기술

측정에 사용되는 기본 계기는 스트레인 게이지로, 교량 구조물에 직접 부착하거나 힘 센서(force sensor)의 감지 요소로 사용됩니다. 스트레인 게이지 기반 센서는 장기적인 안정성이 뛰어나다는 장점이 있습니다. 이점은 새로운 교량의 전체 수명 기간 동안 작동해야 하고 재보정을 위해 모니터링을 중단할 수 없기에 이 프로젝트에서 특히 중요합니다.

그리고 이 용도로 사용되는 HBM의 LY41시리즈 스트레인 게이지 는 온도 보상 성능이 뛰어납니다. 이 교량이 다양한 기상과 온도 조건에 노출된다는 점에서 이 성능이 반드시 필요합니다.

데이터 수집을 위해 HBM의 PMX 시스템 이 사용되고 있습니다. 

설치 후 손상 및 전자파 간섭(EMI)을 방지하기 위해 측정 지점을 덮습니다.

 

 

교량의 임계 구간

이 프로젝트는 교량의 임계 구간을 상시 관찰하기 위한 분산형 다채널 구성을 이루고 있습니다.

  • 실험 응력 분석 (내구성 테스트): 중간 경간 영역 4개, 지지 영역 8개, 압출(launching) 영역 2개
  • 행거(hanger) 힘 측정: 행거 12개
  • 수직 변위: 중간 경간 영역 12개, 지지 영역 8개
  • 종방향 변위: 지지 영역 4개
  • 경사: 중간 경간 영역 12개, 지지 영역 9개
  • 가속, 주파수 및 감쇠 매개변수: 중간 경간 영역 12개, 지지 영역 9개
  • 교량 구조물의 온도 측정: 중간 경간 영역 12개, 지지 영역 9개
Installed strain gauge on a bridge
온도 보상이 적용된 스트레인 게이지가 교량 구조물에 직접 부착된 모습(TRC 사진)
Protected strain gauge
보호 커버가 있는 스트레인 게이지 측정 지점(TRC 사진)
PMX Data Acquisition System on the bridge
새로운 교량의 PMX 측정 및 제어 시스템 위치
Bridge structure with PMX
PMX 모니터링 시스템의 위치 및 교량 구조
Construction and monitoring detail
건설 및 지지 영역의 세부 모니터링

472개 센서 설치

설치된 센서와 변환기는 총 472입니다.

 

  • 14개 구간에 HBM의 스트레인 게이지 (LY41-series) 328개 설치 
  • 힘 센서 80개(행거의 힘 모니터링)
  • 이동식 지지 구간 4개에 변위 변환기 12개(수평 변위용)
  • 3축 가속도계가 내장된 2축 경사계 32개(가속 후 2축 경사 및 수직 변위 측정용)
  • 중앙 교각 영역의 구간 1개와 구조 구간 20개에 있는 온도 센서

측정 지점에서 직접 조정 가능

측정, 데이터 수집 및 제어 시스템은 신속하고 확실한 측정, 간편한 설치, 실시간 계산, 진단 정보, 소프트웨어 추가 설치 필요 없음, 효율적 가격 책정 등 여러 요구사항을 충족해야 합니다.  PMX 측정 및 제어 시스템으로 이 모두를 충족할 수 있습니다.

방진 및 EMI 차단 기능도 있는 PMX 데이터 수집 유닛을 캐비닛 안에 장착했습니다. 이 유닛은 비용 효과가 우수하며, 전원 공급장치도 내장되어 있습니다.

첫 단계에서 모든 신호를 19.2kHz로 샘플링하여 넓은 측정 대역폭과 측정 신호의 평가를 보장합니다. PMX 시스템의 모든 조정은 표준 이더넷 인터페이스와 내장 PMX 웹서버를 통해 처리됩니다.

이 솔루션의 큰 장점: 설치 지점에서 직접 또는 제어실의 이더넷 네트워크를 통해 또는 WiFi를 사용할 수 있는 경우 원격으로 조정할 수 있습니다. 각 엔지니어가 실시간으로 테스트 상태와 적용을 볼 수 있습니다. 조작자 제어 기능이 통합되어 있어 무단 조작이 방지됩니다.

 

 

PMX mounted in a cabinet
교량 구조물의 캐비닛에 장착된 PMX 모니터링 시스템(TRC 사진)
Screenshot of the PMX webserver
측정 신호, 계산된 신호 및 I/O 신호가 있는 PMX 웹서버 개요(HBM)

데이터 저장 개념

여러 작업이 필요합니다. 장기적인 모니터링을 위해 PMX 시스템의 모든 데이터를 교량의 이더넷 네트워크를 통해 평가 및 제어용 데이터 서버로 전송합니다. 백업 장치로서 각 PMX마다 내부 데이터 로거가 있어 내장 메모리에 타임 스탬프와 함께 데이터를 저장합니다. 따라서 이더넷 네트워크 장애가 발생해도 측정 데이터가 소실되지 않습니다. 네트워크가 다시 연결되면 각 PMX 스테이션에서 데이터 서버로 데이터를 전송할 수 있습니다.

 

 

Building a condition monitoring network

PMX 모니터링 시스템은 교량 전체에 배치되어 있으며, 그 길이가 약 500미터에 달합니다. 귀중한 측정 결과를 얻기 위해서는 각 PMX 시스템과 각 측정 채널의 샘플 레이트를 동기화해야 합니다. 따라서 각 PMX 시스템마다 동기화 옵션이 있습니다

PMX Smart 기능으로 강력한 실시간 계산

두 번째 단계에서는 필요한 관련 정보를 실시간으로 계산해야 합니다. PMX의 Smart 기능을 사용하여 계산할 수 있습니다. 고급 소프트웨어 지식이 없는 조작자도 간편하게 사용할 수 있습니다. Smart 기능에는 포켓 계산기, 논리 기능 같은 여러 산술 기능이 있으며 PID 컨트롤러 같은 컨트롤러 기능의 평가도 처리합니다.

 

 

PMX 모니터링 시스템으로 실시간 진단

상세한 심층 진단이 PMX 로그 파일에 저장됩니다. 이 파일은 PMX의 내장 메모리에 저장됩니다. 장치 및 측정의 모든 향후 오류는 물론 조작자의 매개변수화 변경사항도 저장됩니다. 따라서 전체 테스트 및 측정 과정을 100% 담을 수 있습니다.

데이터 수집 및 평가

엔지니어 팀은 사용이 간편하고, 견고하며, 강력한 DAQ 및 평가 소프트웨어를 요구사항에 지정했습니다. TRC PRO의 Hotimir Licen은 “HBM의 PMX로 수집되는 데이터를 처리할 하위 시스템(데이터 수집, 전송 및 처리용 다목적 컴퓨터 시스템)은 HBM catman의 사용이 편한 맞춤 개발식 HBM 데이터 표현용 소프트웨어를 사용합니다”라고 말합니다.

catman은 데이터 저장 및 시각적 표시를 완벽하게 구현할 수 있습니다. 모니터링 작업마다 다양한 그래픽 사용자 패널과 데이터 로거를 설정할 수 있습니다. 그리고 이벤트 모니터링 시스템에 휴대전화로의 푸시 알림이나 이메일 전송 기능을 결합할 수 있어 모니터링 작업의 피드백을 바로 제공하며 교량 컨트롤러가 반응하고 정확한 교통 신호를 설정하여 교량의 교통을 조절하며 교량의 응력을 낮출 수 있습니다.

 

 

Data logging with PMX
Data logging with PMX

 “PMX 웹서버를 사용하여 매개변수화, 설정 및 제어를 매우 편리하게 실시할 수 있었습니다. 추가 소프트웨어가 필요 없었으며, PC, 태블릿 또는 스마트폰에서 표준 웹브라우저를 사용할 수 있었습니다. 그리고 전체 교량에서 실시간으로 계속 사용할 수 있습니다.”

Hotimir Licen from TRC PRO

제한된 예산으로도 우수한 성과 도출

구조 건전성 모니터링 예산이 제한적이었기 때문에 가성비가 탁월한 PMX 플랫폼을 솔루션으로 선택했습니다. TRC PRO의 Hotimir Licen이 알려준 PMX 플랫폼의 장점은 다음과 같습니다.

  • 뛰어난 정확도와 높은 해상도
  • 정적 이벤트와 동적 이벤트를 모두 측정할 수 있음
  • 스트레인 게이지와 유도 브리지 센서에 사용할 수 있는 범용 시스템
  • 하프 브리지(half bridge) 구성에서 각 채널의 하드웨어 온도 보상으로 응력 분석
  • 이더넷 인터페이스를 사용하는 분산 시스템
  • NTP 시간 동기화를 통해 모든 채널을 동시에 측정
  • PMX 시스템의 로컬 USB 디스크에 있는 데이터 저장장치의 독립 작동 및 HBM catman 소프트웨어가 설치된 PC에서 원격 접속