1. 서 론
2. 영종대교 현수교
3. 영종대교 구조건전도 모니터링 시스템
3.1 개요
3.2 영종대교 구조건전도 모니터링시스템
4. 주요 구조거동 분석
4.1 행어장력
4.2 주탑 및 보강형 형상변화
4.3 보강형 동특성
4.4 주케이블 밴드볼트 축력변화
5. 결 론
1. 서 론
교량의 건설과 유지관리는 국가 인프라의 필수 요소로서 국가의 경제발전과 기술수준을 나타내는 지표이기도 하다. 2000년 이후 영종대교, 서해대교 및 광안대교 등을 시작으로 현재는 많은 케이블교량이 국내 기술로 설계되고 공용 중에 있다. 해상의 대형 케이블 교량은 사용수명이 증가함에 따라 태풍, 지진, 극심한 온도변화 및 제설재 영향 등 열악한 사용조건으로 인하여 교량의 내구성과 안전성이 점차 저하된다(Deng et al. 2023). 미국이나 국내 교량의 평가는 육안점검 기반의 안전점검으로 시행하지만, 육안점검만으로는 모든 구조적 이상을 적기에 발견하기 어렵고 현수교의 케이블밴드 볼트 축력과 같이 시간과 온도에 따라 점진적으로 저하되어 구조 건전성에 심각한 영향을 미치는 경우도 확인하기 어렵다(Bae et al. 2017; Bae 2023). 따라서 교량의 현재 구조 건전성을 실시간으로 확인하고, 잠재적 위험을 평가·저감하여 교량의 사용수명을 연장시키기 위하여 대형 케이블교량에는 교량건전도모니터링시스템(Bridge Health Monitoring System, BHMS)이 설치되어 있다. 유지관리체계의 한 축으로서 BHMS는 정기적인 안전점검에 기반한 time-based 유지관리체계에서 상시 모니터링이 가능한 permanent-based 유지관리체계로의 패러다임 전환을 가능하게 한다(Rizzo 2021). 케이블교량은 설계단계부터 SHMS이 계획되어 시공 중 관리와 공용 중 설계인자 및 구조성능 확인, 하중특성 및 손상확인 등 구조 안전 측면과 교량 이용자의 안전관리를 위한 재난대응 측면에서 중요한 역할을 담당하고 있다(Bae 2006). BHMS에 적용된 계측신기술, IoT기술 및 분석기술을 통해 교량 주요 구조부위의 변형, 처짐 및 축력 등을 실시간으로 모니터링하고 데이터기반 구조물 안전 및 교량 건전성 평가를 수행한다. Rizzo는 20년간 미국에서 개발된 SHMS와 사례를 분석하였으며 분석결과, 현장 계측데이터의 분석과 해석시 보정된 해석모델의 유효성을 확인하였고, 콘크리트 구조의 경우 크리프와 건조수축과 같은 시간의존적 거동은 구조응답과 센서데이터에 직접적인 영향을 미치며, 온도변화는 교량의 정·동적 분석에 부정적인 영향을 미치므로 데이터 분석시 온도보정 기법 적용이 필수적이며, 무선센서 기반 모니터링의 활용이 증가하고 있으나 유선기반 시스템을 대체하기에는 여전히 기술적 한계가 존재하고, 교량은 각각의 형식과 설계가 다르므로 동일한 SHMS 패러다임을 적용하기 어렵다. SHMS을 효과적으로 사용하기 위해서는 다양한 대역폭에서 발생하는 대규모 센서 데이터의 실시간 처리, 동기화, 품질검증 및 데이터 관리와 함께 구조물의 상태·성능·건전성에 대한 정확한 해석이 필수적이다(Aktan 2024; Deng et al. 2023). 또한 국내의 경우 케이블교량 관리주체에서 매년 주관하는 기술세미나를 통해 실제 교량 현장에 적용된 최신 계측기술과 분석결과를 공유하고 있고, 이와 같은 계측관리 경험 축적에 따라 국내 특수교 계측시스템 설치 및 운영요령이 발간되었다(Hong 2015).
본 논문에서는 영종대교 현수교에 설치된 구조건전도 모니터링시스템 및 영종대교 현수교의 소개, 주요 구조모니터링 항목인 행어장력, 형상 및 신축변화, 보강형 동특성 및 케이블밴드볼트 축력 등 장기간 시간 이력 거동 및 통계분석을 수행하였고, 또한 온도 및 시간의 두 영향 인자를 고려한 밴드볼트 축력저하 예측식을 도출하였으며, 동특성분석을 통한 영종대교 현수교의 건전도지수 및 평가방법을 제시하였다.
2. 영종대교 현수교
영종대교는 인천국제공항을 연결하는 교량으로서 총 연장은 4,420 m이며 자정식 현수교(550 m), 트러스교(2,250 m) 및 강합성교(1,620 m)로 구성되어 있다. 이중 현수교는 3차원 케이블 형상을 갖는 복층의 도로와 철도의 자정식 현수교로서 폭이 35 m인 보강형 트러스에 주케이블의 정착부가 설치되어 있으며 보강형은 항상 큰 압축력을 받고 있다. 주탑은 다이아몬드형으로 설계되었으며 높이는 107 m이고 사용재료는 강재이다. 새그비(sag ratio, f/L)는 l/5로서 자정식으로 인한 보강형에 압축력을 줄이기 위하여 일반 현수교(l/10)보다 크게 설계되었으며, 3차원의 케이블 형상으로 인해 측면상 새그량은 60 m이고, 평면상 새그량은 13.57 m를 갖는다(Fig. 1).
Table 1.
Features of the Yeongjong suspension bridge
주케이블은 총 14 strands(strand=480 wires, ∅5.1 mm)이며 주케이블 단면은 일반부에서 467 mm이고 밴드부에서 462 mm이다. 사하중 상태의 케이블 장력은 6436.9~6690.9 ton이다. 행어로프의 종류는 Center Fit Rope Core(CFRC)이며 지름은 84 mm이고 한 격점에는 4개 행어 로프로 구성되어 있다. 사하중상태의 격점당 행어장력은 324 ton(81ton/1개 행어로프) 이다. 무도장인 보강형 박스 내부와 주케이블 소선의 부식을 방지하기 위하여 제습시스템(dehumidification system)이 설치되어 있다.
영종대교는 2000년 12월에 도로 부분이 준공되었고, 공용 중 2004년에 철도사하중이 설치되어 단위중량이 3.4 % 증가하였다(Bae 2004). 공항철도(arex)가 운행하기 전(2007) 국내 최초로 도로하중(덤프12대) 및 철도하중(복선철도)에 의한 대규모 재하시험을 실시하여 설계 및 공용내하력을 평가하였으며, 또한 20량의 KTX가 2014년부터 4년 간 운행되었다.
3. 영종대교 구조건전도 모니터링 시스템
3.1 개요
영종대교 구조건건도 모니터링 시스템 개발은 다음 Fig. 3과 같이 크게 1) Planning and Design, 2) Installation and Calibration, 그리고 Test Operation and Main Operation 단계로 시행되었다. Planning and Design 단계에서는 교량의 구조거동 정보 수집, 관리기준 및 미래 손상감지 시스템을 위한 기초자료 구축 등의 시나리오를 작성하여 구체화하고, Installation and Calibration 단계에서는 시공 중 센서 설치, 준공 후 모니터링시스템 운영을 위한 다양한 정·동적 실험, 구조물 초기 상태 측정을 통한 기본자료수집 등을 수행한다. 이와같은 기본자료는 초기 기준값으로 사용되며 교량의 이상거동을 분석하기 위하여 사용되는 수치해석모델을 보정하는데 중요한 자료가 된다.
영종대교는 준공 전에 내풍안전성 검토를 위한 대규모 강제진동시험(forced vibration test)을 수행하여 대수감쇠율 및 동특성을 확인하였다. 아래 Table 2는 시험결과와 해석모델 보정결과이며 이 자료는 영종대교 동특성 평가를 위한 기본자료로 활용되고 있다. Test Operation and Main Operation 단계에서는 모니터링 시스템의 초기 안정화, 점검자 교육 및 이상 센서 교체 그리고 모니터링 S/W 업그레이드 등이 수행되었다.
Table 2.
Comparison of natural frequencies
3.2 영종대교 구조건전도 모니터링시스템
영종대교 구조건건도 모니터링 시스템은 위의 각 단계별로 검토하여 구축되었고, 최초 구축(2000년) 이후 노후화 및 계측신기술을 반영하여 두 차례(2008년, 2018년) 재구축되었다. 재구축시에는 기존 센서 최적화, PZT 등 최신 센서 및 계측신기술이 적용되었고, 안전관리 및 재난관리 시스템을 함께 구축하여 운영하고 있다. 영종대교 현수교에 설치된 센서는 Fig. 4와 같으며, 주요 센서는 다음과 같다. RTK GNSS는 국내 최초(2008)로 영종대교에 적용되어 연간 형상변화를 모니터링하고 재하시험시 보강형 처짐과 주탑의 변위 계측에 활용하고 있다. 현재 RTK GNSS의 수직 정밀도는 5.8 mm 정도 이다. GNSS센서와 가속도센서 융합기술이 적용되었으며 실시간 수직처짐 오차(RMS)는 1.74 mm로 안정적이고 높은 정확도를 가진 것으로 분석되었다. 사용된 센서는 보강형 중앙부 양측 상부 GNSS센서(NTS23,STS23)와 같은 위치의 보강형 내부 가속도센서이다. 기존의 변형율 센서이외 철도 및 중차량의 영향을 받는 응력집중부의 손상을 탐지하기 위하여 국내 최초로 PZT(Lead Zircornate Titanate) 센서가 적용되었으며(Lim et al. 2016; Yang et al. 2019), 주케이블의 장력은 기존 변형율센서에서 와전류(Eddy current)기반 센서를 적용하여 전체 하중변화(사하중, 활하중)를 모니터링하고 있다. 또한 2개 케이블 밴드(NTS29(22개 볼트), STS31(26개 볼트))의 볼트에 온도보상된 변형율 센서를 부착하여 실시간으로 축력을 모니터링하고 있다. 계측된 시간이력 데이터를 기반으로 구조 부재의 성능저하, 손상 유무를 분석하고, 매년 구조건전도 평가를 수행하고 있다(Bae 2023).
4. 주요 구조거동 분석
4.1 행어장력
72도로 경사진 영종대교의 행어로프(Fig. 5)는 상판에 작용하는 하중을 주케이블로 전달하는 역할을 하기 때문에 유지관리시 장력관리는 매우 중요하다. 행어장력 상시모니터링을 위하여 총 78개 격점(격점당 4개 행어 로프, 총 312개 행어) 중에서 주탑부 및 응답이 좋은 24개 행어(공항방향(북측, NTS) 12개소, 서울방향(남측, STS) 12개소)가 선정되었으며 설계장력은 81 ton이다. 철도사하중 설치로 연 평균장력이 0.7톤 증가하였으며 이후 연간 전체 행어평균 장력은 81.27~81.75톤으로 설계 수준을 유지하고 있다(Fig. 6(a)). 연간 평균 장력의 변동폭 역시 0.48 ton으로 크지 않은 것으로 분석되었다.
연간 개별 행어의 거동은 다소 다른 양상을 보이고 있으며 주탑부 양측의 행어 장력은 다른 위치에 비해 상대적으로 낮은 수준을 보이고 있다(Fig. 6(b)). 개별 행어 장력은 겨울에 상대적으로 높고 여름에 낮은 특성을 보이고 있으며(Fig. 6(c)), 이러한 안정적인 거동범위는 주케이블 밴드 슬립(slip)에 의한 경계조건 변화 외에는 큰 영향을 받지 않는다. 주케이블 밴드 슬립은 시간이 지남에 따라 밴드볼트 축력이 저하되어 안전율 이하로 떨어질 때 발생하므로 장력변화 범위를 확인하는 것이 필요하다. 또한 월평균 온도-평균장력은 좋은 상관성을 보이고 있다. 개별 행어 장력 분석결과를 근거로 설계 최대하중에 의한 구조안전 관리기준(159톤)을 1차 관리기준으로 적용하고 있고, 개별 행어장력 연간거동 분석을 통해 정상거동을 벗어난 이상거동 판단기준을 2차 관리기준으로 정의하였다. 연간 10분 행어장력 이력과 시간이력 장력에 대하여 Grubbs 검증을 통해 최대 및 최소값이 통계적으로 유의미한지 확인하였고, 연간 시간이력 장력값을 적용하는 것이 적합한 것으로 분석되었다. 따라서 각 격점 별 행어장력의 이상거동 관리기준(2차) 값은 연간 시간이력 데이터를 분석하여 수립하였다(Fig. 6(d)).
4.2 주탑 및 보강형 형상변화
영종대교 형상관리를 위하여 RTK-GNSS 12대가 설치되어 있으며, 이중 2대는 본사 및 북인천 영업소 옥상에 설치하여 기준점(reference)으로 사용하고 있고, 10대는 보강형 및 주탑에 설치되어 있다. 샘플링은 10 Hz이며 실시간으로 3성분(x,y,z) 변위를 계측하고 있다. 공항철도 통과시 실시간 수직처짐은 약 34 mm이며, 연간 온도-정착부 신축관계, 수평거동(정착부, 주탑부) 및 동계와 하계시 형상을 분석한 결과는 Fig. 7과 같다. 정착부의 교축방향 연간 변동량은 각각 187.6 mm(E2)와 188.1 mm(W2)이며, 주탑정부는 각각 116 mm(E1)와 127 mm(W1)으로 분석되었다.
또한 교량 신축이음거동을 모니터링하기 위하여 신축이음센서는 현수교-접속트러스교(LVDT1)와 현수교 정착부 하부(LVDT2)에 설치되었다(Fig. 7(d)). 온도에 따른 교량 신축거동은 0.94~0.96 으로 높은 상관성을 가지고 있어 신축장치 보수전후의 거동 변화분석을 통해 건전성을 확인 할 수 있다. 연간 최대 신축변동량은 LVDT1에서 258.5 mm(W2)와 250.5 mm(E2)이며, 현수교 하부 LVDT2은 148.0 mm(W2)와 146.5 mm(E2)로 분석되었다. 현수교 보강형 높이(12 m)로 인한 상하부의 신축변위량비(GNSS/LVDT2)는 1.3으로 분석되었다(Table 3).
또한 각 신축장과 연간신축구배로부터 구한 영종대교 현수교의 열팽창계수(α)는 1.10×10-5 ~1.17×10-5로서 강구조물의 이론적 열팽창계수(α=1.2×10-5)보다 다소 작은 것으로 분석되었다. 이때 온도는 보강형 box 내부의 상부와 하부에 설치한 온도데이터의 평균값을 적용하였다.
Table 3.
Annual expansion joint displacements (2023)
4.3 보강형 동특성
일반적으로 공용 중에 교량의 동특성은 크게 변화하지 않으나 영종대교의 경우 공용 중 공항철도를 위한 철도사하중이 설치(단위중량 3.4 % 증가)되었고 그로 인해 휨1차 고유진동수는 1.8 % 저하되었다(Fig. 8(a)). 그 이후 교량의 고유진동수는 연간 일정하게 유지하고 있는 것으로 분석되었다. 주케이블 고유진동수(0.791 Hz)와 휨2차 고유진동수(0.818 Hz)는 유사한 값을 가지고 있다. 또한 휨1차 고유진동수의 연간 10분이력과 시간이력에 대하여 Grubbs 검증을 통해 연간 시간이력을 사용하여 현수교의 정상거동범위와 기준값(최소값)을 구하였다. 이 기준값에 대한 연간 최소 휨1차 고유진동수의 비(ratio)를 자정식 현수교의 구조건전도 지수(Structural Health Index, HI, 2021)로 정의하고 건전도 지수에 따른 평가기준을 수립하여 평가함으로써 보다 정량적이고 체계적인 건전도 평가를 수행할 수 있도록 하였다(Fig. 8(b)). 2021년 이후 현재까지 지속적으로 업데이트를 하고 있으며 건전도평가 결과 A등급의 건전한 상태인 것으로 평가되었다. 향후 영종대교 건전도 평가기준을 지속 검토하여 관리할 예정이다.
4.4 주케이블 밴드볼트 축력변화
현수교에서 공용 기간 동안 가장 변화가 심한 부재는 주케이블 밴드볼트의 축력으로서 준공 시 도입된 볼트 축력은 시간이 지남에 따라 여러 가지 원인으로 인해 축력 저하가 발생하므로 매뉴얼에 따른 주기적인 볼트 축력 측정과 관리기준에 따른 재긴장이 세심하게 시행되어야 한다. 영종대교 현수교는 준공 이후 4회(2004, 2008, 2015, 2023) 전체 78개 밴드의 1,676개 볼트를 설계 축력(81 ton) 수준으로 재긴장하였다.
특히 2015년에 최초로 2개 밴드(NTS29(22개 볼트), STS31(26개 볼트))에 온도보상된 변형율센서를 부착하여 볼트 축력을 상시모니터링하고 있다(Fig. 9). 본 논문에서는 시간에 따른 볼트 축력의 저하 특성 및 영향인자를 분석하여 시간과 온도에 따른 볼트 축력 평가식을 도출하였으며, 그 식을 사용하여 축력 재도입 시기 등 관리에 활용하고 있다.
케이블 밴드 볼트 축력 감소는 고장력 볼트 릴렉세이션, 주케이블 단면감소, 하중변동에 의한 케이블 재배치, 아연도금의 크리프 변형 등 다양한 요인에 의해 발생하는 것으로 알려져 있다(Park et al. 2018). 일반적으로 고장력 볼트의 릴렉세이션은 대체로 2~5 % 정도로 알려져 있어 실제 2004년 영종대교에서 발생한 30 %이상의 축력감소 원인에 대한 검토가 필요하다. 한편 시간 경과와 함께 발생하는 축력감소의 주요 원인으로는 주케이블 소선의 아연도금층에 대한 크리프변형이 지적되고 있다(Moriyama et al. 2008). 아연도금층은 케이블장력과 밴드의 압축력에 의해 변형되면서 주케이블 전체 직경이 감소된다. 또한 아연은 강재 소선에 비해 탄성계수가 50 % 수준이며, 재료특성상 아연은 15~50 °C에서 재결정이 되는 특성을 가지고 있어 상온에서 보다 변형이 쉽게 발생하고 이는 밴드 단면부의 직경감소를 유발하게 된다. 본 논문에서는 실제 연간 시간이력데이터를 통해 시간 및 온도에 따른 밴드볼트 축력 저하특성을 분석하여 확인하였고(Fig. 10(a)), 아래와 같이 시간에 따른 밴드볼트 축력 평가식 (1)과 시간과 온도를 고려한 밴드볼트 축력 평가식 (2)을 도출하였으며, 모니터링데이터와 비교한 결과 잘 일치하는 것으로 분석되었다(Fig. 10(b)). 영종대교의 케이블 소선의 아연도금 두께는 7.79 mm이며, 밴드부의 직경(462 mm)이 0.5 mm 정도만 줄어들어도 재긴장 기준인 30 % 이상의 볼트 축력 감소를 발생시키므로 상온에서의 아연도금층의 재결정은 지속적으로 영향을 미치는 요인임을 확인하였다.
여기서, 는 밴드평균장력, 초기축력, X 는 경과일수, t는 온도, 는 시간에 따른 축력변화율에 대한 온도변화
5. 결 론
본 논문에서는 영종대교 현수교에 설치된 구조건전도 모니터링시스템과 주요 구조모니터링 항목 중에서 행어장력, 형상변화, 보강형 동특성 및 케이블 밴드볼트 축력 등에 대하여 장기간 시간이력 거동 및 통계분석을 수행하였고, 현수교의 주요 관리항목인 케이블밴드볼트 축력 저하 요인을 분석하여 온도-시간에 따른 축력저하 예측식을 도출하였으며, 모니터링결과와 잘 일치하는 것으로 분석되었다. 또한 연간 보강형 동특성 분석을 통해 영종대교 현수교의 건전도지수 및 평가방법을 제시하였으며, 영종대교 현수교는 건전한 상태를 유지하고 있는 것으로 분석되었다. 본 논문의 결과를 요약하면 다음과 같다.
1) 준공(2000년) 후 철도사하중(종형,레일등) 설치로 자중이 3.4 % 증가(2004년)하였고 행어장력이 연평균 0.7톤 증가하였으며, 이후 장기(2017년~2024년) 행어장력 이력은 안정적인 것으로 분석되었다. 24개소 개별 행어장력은 주탑 위치에서 낮은 값을 보유하고 있으며, 개별 행어장력은 주케이블밴드의 slip이 발생할 경우 급격하게 변화되므로 Grubbs 검증을 통해 시간이력데이터를 근거로 이상거동 관리기준(2차)을 수립하여 관리하고 있다.
2) RTK-GNSS와 신축이음센서로부터 획득한 연간 이력데이터를 근거로 현수교의 주탑 및 정착부의 평면거동을 분석하였다. 정착부에서의 연간 최대 신축변동량은 각각 258.5 mm(W2)와 250.5 mm(E2)이며 온도-신축 상관성은 0.94~0.96으로 높은 것으로 분석되었다. 계절 변화에 따른 주탑 및 정착부 형상을 분석하여 연간 교량 거동 변화에 대한 이해의 폭을 넓혔으며, 보강형의 높이(12 m) 영향으로 상부가 하부보다 신축량은 1.3배 크게 발생하고 있는 것으로 분석되었다. 또한 각 신축장과 연간신축구배로부터 영종대교 현수교의 열팽창계수(α)는 1.10×10-5~1.17×10-5이며 설계열팽창계수(α=1.2×10-5)보다 다소 작은 것으로 분석되었다.
3) 연간 보강형 동특성 분석결과, 철도사하중 증가로 인하여 힘1차 고유진동수가 1.8 % 저하되었고, 그 이후 연간 동특성은 변화없이 일정한 것으로 분석되었다. 데이터 검증을 통해 시간이력데이터를 사용하여 휨1차 고유진동수의 정상거동범위를 정의하고 건전도지수(HI)와 평가기준을 수립하여 관리하고 있으며 현재까지 A등급을 유지하고 있는 것으로 분석되었다.
4) 일반적으로 밴드볼트 축력 측정과 재도입 공사(유압도입과 축력측정절차)는 케이블에서 작업하여 데이터의 신뢰도를 확보하기 쉽지 않은 단점이 있으며, 영종대교 현수교 주케이블 밴드 2개소(STS31, NTS29) 볼트에 온도보상된 변형율센서를 설치하여 축력을 모니터링(2015~현재)하고 있다. 시간에 따른 축력 예측식 (1)과 시간-온도에 따른 아연도금 재결정 특성에 의한 계절별 거동 특성도 예측할 수 있는 식 (2)을 도출하였으며 모니터링 결과와 잘 일치하는 것을 확인하였다.
