복잡한 복원 과정에서 교량의 구조와 상태 모니터링

1922년에 설계되어 1926년에 개통된 에르실리오 루즈(Hercílio Luz) 다리는 산타카타리나주 플로리아노폴리스섬과 브라질 대륙을 잇는 최초 다리입니다. 해양 영역에 설치되어 90년이 넘는 시간 동안 해수의 부식 작용, 구조물의 자연적인 마모, 설계 당시보다 현저히 증가한 차량 수와 전반적인 하중 증가 등 잘 드러나지 않는 가혹한 환경의 영향을 받았습니다.

이에 따라 90년 후에도 다리의 원래 구조를 유지하기 위한 영구적인 예방 유지보수 계획이 수립되었습니다. 그러나 구조물이 더 이상 견딜 수 없는 위험한 상태에 이르게 되자 결국 1991년에 다리를 폐쇄할 수 밖에 없었습니다. 교통을 차단하는 것 외에도 영구 하중을 감소시키기 위해서 경간 중심부의 아스팔트 바닥이 400톤 정도 제거되었습니다.

문제점

에르실리오 루즈 다리는 개통될 때부터 다음과 같은 갖가지 문제점에 직면했습니다. 해수의 부식 작용, 구조물의 자연적 마모를 비롯하여 1926년 설계 당시보다 현저히 증가한 차량 수와 전반적인 하중 증가 등입니다. 영구적인 예방 보수 작업을 실시한 덕에 90년에 가까운 시간이 흐른 뒤에도 이 다리는 원래의 구조를 유지할 수 있었습니다. 이제는 형상은 물론 연결부의 세세한 부분까지 원래의 구조를 유지하면서 보수 · 보강 공사를 실시해야 합니다.

해결책

3년동안 에르실리오 루즈 다리의 완전한 보수 · 보강 공사는 다음 사항이 진행되었습니다 : 메인탑 지지용 베어링 교체, 기초 구조물 보강 및 복구, 금속 구조물 보수 · 보강, 아이바, 새들, 메인 케이블 교체, 화물 운반 작업, 차량, 보행자, 오토바이 등의 통행을 위한 새로운 데크 설치. 작업은 건설사 Teixeira Duarte가 해당 공사를 수주하여 진행하게 되었습니다. Teixeira Duarte는 공사를 수행하기 위하여, 구조물의 주요 지점들에서 발생하는 변형(스트레인)을 모니터링하기 위해  광섬유 브래그 격자(FBG) 기술이 적용된 센서 및 옵티컬 인터로게이터, 경사 및 온도, 바람, 해류 등 여러 가지 신호를 측정하기 위한 전기 센서를 포함한 각종 HBM 제품들을 적용하기로 하였습니다. 여기에 센서 설치, 모니터링용 소프트웨어 스크립트 생성, 데이터 기록 및 알람 생성, 고장에 대비한 원격 지원 등을 위한 엔지니어링 서비스도 제공되었습니다.

결과

사업에서 가장 중요한 작업이 바로 다리의 경간 중심부에서 보조 구조물로 하중을 이동하는 것이었는데, 이를 성공적으로 수행할 수 있었습니다. 또한 보강 공사가 완료된 후에도 구조물을 지속해서  모니터링이 가능합니다.

시스템 구조

다리 구조물의 계측을 위해 광섬유 브래그 격자(FBG) 기술이 적용된 광센서와 각종 물리량을 측정하는 일반적인 전기 센서를 모두 사용하는 하이브리드 구조를 채택하였습니다. 이 글로벌 모니터링 시스템은 변형, 온도, 풍속, 해류를 측정합니다. HBM의 FiberSensing 인터로게이터 3곳에서 총 284개의 광센서를 획득하였습니다. 광센서로부터 수신된 신호를 전송하기 위해 설치된 옵티컬 네트워크를 이용하여, HBM에서 생산된 PMX의 통신을 결합함으로써 800미터에 이르는 교량에 배선된 두 개의 24선 멀티파이버 케이블 내부에 있는 전기 센서의 값을 측정하였습니다.

원활한 센서 연결을 위하여 주어진 센서에 각각의 광섬유를 개별적으로 연결하기 위하여 멀티파이버 케이블을 적용하였습니다. 교량의 모든 연결부를 보호하기 위하여 전용 박스를 이용하였습니다.

원활한 센서 연결을 위하여 주어진 센서에 각각의 광섬유를 개별적으로 연결하기 위하여 멀티파이버 케이블을 적용하였습니다. 다리의 모든 연결부를 보호하기 위하여 전용 박스를 이용하였습니다.

이보다 기술적으로 더 복잡한 작업이 하중 이동이며, 이 절차는 순차적 교차를 위해 아이바에 작용하는 응력을 완화하는 단계를 포함합니다. 이 절차에는 스트레인 센서가 구비된 원래 금속 구조물 및 임시 구조물 상의 몇몇 지점을 계측하고, 경사계, 기후 센서 등 총 312개 전기 센서를 적용하는 작업이 포함됩니다. HBM에서는 스트레인 측정을 위한 옵티컬 기술, 컨트롤 센터로 데이터로 데이터 전송, 기타 측정을 위한 전기 센서, 공사 일정에 따른 적시 설치 방법 등 최적화된 결과를 위해 여러 가지 기술을 병용함으로써, 최고의 공급과 설치 서비스를 제공하였습니다. -- Teixeira Duarte의 프로젝트 엔지니어 Richardo Martins.

데이터 수집 시스템

데이터 수집 장비는 모두 통제실과 연결되어 있습니다. 광섬유와 전기 플랫폼 모두 이더넷을 통해 통신하고, 이와 유사한 여타 네트워크와 마찬가지로 옵티컬 이더넷 스위치를 이용하여 연결됩니다.

글로벌 시스템의 경우, 두 대의 컴퓨터가 사용되었습니다. 그중 한 대는 연속적인 데이터를 365일 내내 모니터링 및 기록하기 위한 용도, 다른 한 대는 이미 기록된 데이터를 처리하는 용도에 쓰였습니다. 데이터 수집, 기록 및 분석에는 catman 소프트웨어가 이용되었습니다. 현장 작업자는 물론 필요할 때마다 원격으로 접속해야 하는 HBM과 같은 원격 엔지니어를 위하여, 보고서 및 알람을 정기적으로 생성하는 업무 등 각종 업무를 자동화하는 데 사용할 여러 가지 스크립트를 생성하였습니다.

교량 복원 중 스트레인 측정의 중요성

에르실리오 루즈 다리 보수보강 공사 중 일부 작업은 특히 중요하게 다루어졌습니다. 예를 들어 공사 시작과 끝에 실시되는 하중 이동 작업이 있습니다. 하중 이동 시 교량의 데크를 일으킴으로써 아이바에 의해 지탱되고 있는 하중을 보다 낮은 하부의 임시 구조물로 이동시키기 위해 유압 잭을 작동시킵니다. 본 공사를 위해 구축된 이 임시 구조물은 네 개의 “지지탑” 또는 “TA”라고 지칭합니다. 이 정도 규모를 가지고 이 정도로 심한 손상을 입은 구조물의 경우, 상기한 대로 하중을 이동할 경우 교량 또는 임시 구조물에 결함을 일으킬 수 있습니다. 이때 계측 작업을 기본적으로 실시해야 합니다. 전체 공정의 안전성을 최대한 보장할 목적으로, 주어진 하중이 구조물에 의해 균일하게 이동되고 있는지 여부를 평가하기 위해 임시 구조물의 스트레인 신호들을 측정하였고, 해당 하중이 예상했던 대로 완화되고 있는지 평가하기 위해 교량의 구조물의 신호들을 측정하였습니다.

하중 이동은 단계별로 수행되었고, 각 단계 후에는 공사를 담당하는 엔지니어들이 실시한 시뮬레이션 수치와 실제 결과를 비교하여, 구조물의 거동이 예상 범위를 벗어나지 않도록 하였습니다.

틸트(기울기) 측정은 임시 구조물의 탑과 교량의 탑에서 실시되었습니다.

또한 바람과 조류에 의해 생성되는 하중도 중요한 지점입니다. 해안 지역에서 섬과 대륙을 잇는 협소한 영역에 위치한 교량이기 때문에 풍속이 높아지면 복구 작업이 어려워집니다. 따라서 다리에 설치된 모든 스트레인 및 온도 센서 측정은 물론 해류와 풍속 측정도 실시하였습니다.


옵티컬 스트레인 측정 기술 채택

센서를 많이 설치해야 하는 대형 구조물에 전기 스트레인 게이지를 적용하는 경우, 전기 케이블 개수가 큰 문제가 되었습니다. 계측용 케이블의 가격이 비싸고 부피가 크기 때문입니다. 또한 수백 미터에 이르는 구조물에 이러한 센서를 적용하는 경우, 설치물의 긴 케이블에 전자기 소음이 발생하므로 바람직한 측정값을 얻을 수 없습니다. 이러한 경우, 해당 구조물에 데이터 수집 시스템을 구축해야 하는데, 해당 장비와 데이터 저장 시스템의 연결 문제를 차치하고더라도 장비에 결함이 발생할 우려가 있습니다.

광섬유 센서는 넓은 피로도 허용 범위, 다중화, 전자기 방해에 대한 내성 등 여러 가지 큰 이점을 가지고 있습니다. HBM의 FiberSensing 스트레인 게이지 제품 및 FBG가 적용된 광센서 제품은 각종 까다로운 시험 및 측정에 안성맞춤입니다. HBM에서 생산되는 광센서 제품군은 여기에서 확인해주세요.


HBM은 모니터링 시스템을 설치하면서 매우 우수한 능력을 발휘하여, 설치 기간 동안 불리한 기후 조건을 극복하고 시스템 완료 기일을 준수하였습니다. HBM은 설치 작업 막바지에 이르러 운전 개시 후 처음 몇 개월 동안 직접 기술 지원을 제공하였으며, 이후 체결된 기술 지원 계약서는 화물 운송이 완료될 때까지 유효할 예정입니다. 시스템 유지 보수 작업은 Teixeira Duarte의 파견 기사에 의하여 실시되었고, 해당 기술자는 현장에 영구 체류하는 HBM의 원격지원팀으로부터 교육을 이수하였습니다. Ricardo Martins에 따르면 이러한 협력을 통해 모니터링 시스템을 올바르게 운전할 수 있었다고 합니다.

Teixeira Duarte

1921년부터 영업을 시작한 Teiseira Duarte는 현재 포르투갈의 유수 기업 중 하나입니다.

현재 Teixeira Duarte 그룹은 네 대륙에 걸쳐 18개국에서 10,500여 명의 직원을 두고 있고, 건설, 허가 및 서비스, 부동산, 환대, 유통 및 자동차 등 여섯 가지 사업 부문에서 활약하고 있습니다.

Teixeira Duarte는 대형 사업 기획, 혁신, 시공 및 관리 등의 분야에서 우수한 최종 실적을 내기 위해 사내 부서들이 서로 공조하는 건설 분야의 선구자적 위치와 높은 가치를 가진 회사로서의 이미지를 구축하고 그에 따른 책임을 지고 있습니다.

Teixeira Duarte는 대형 사업 기획, 혁신, 시공 및 관리 등의 분야에서 우수한 최종 실적을 내기 위해 사내 부서들이 서로 공조하는 건설 분야의 선구자적 위치와 높은 가치를 가진 회사로서의 이미지를 구축하고 그에 따른 책임을 지고 있습니다.

교량, 댐, 병원, 도로 및 기타 공공시설을 포함한 대형 기반시설부터 역사적으로 중요한 위대한 건물들까지 아우르는 Teixeira Duarte는 뛰어난 노하우를 겸비하고 우리의 일상에 없어서는 안 되는 존재로 자리하고 있습니다.

HBM FiberSensing

HBM FiberSensing, SA는 시험 및 측정 분야에서 전 세계 최고인 독일의 HBM 그룹에 속한 회사로서, 고도의 모니터링을 필요로하는 적용 분야를 대상으로, 광섬유 브래그(FBG) 네트워크 기술을 이용한 옵티컬 시스템을 개발 및 생산하는 데 주력하고 있습니다.

광섬유 및 광전자 기술, 디지털 전자 및 계측 기기까지 다양한 분야에서 전문성을 갖추고 있으므로, 완전한 모니터링 솔루션을 비롯해 매우 다양한 광센서, 인터로게이터, 소프트웨어 제품이 포함된 제품 포트폴리오를 생산 및 유통하고 있습니다.

HBM FiberSensing은 포르투갈에 소재하여 80개 이상 국가에 지사를 두고 있는 HBM 그룹의 글로벌 네트워크를 통해 전 세계적으로 사업을 영위하고 있습니다.

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