PSC 구조물 비파괴평가기술(PSC 청진기) 개발
▲ 박광연 KICT 구조연구본부 수석연구원
PSC 구조물의 노후화와 외부 PS텐던 비파괴검사의 필요성
국내외를 막론하고 문명화(Civilization)가 진행된 국가는 토목공학(Civil engineering) 기술의 정수가 담겨 있는 각종 교량이 다수 건설되어 물류와 승객이 강과 골짜기를 빠르게 건너갈 수 있게 한다. 대한민국 역시 문명화 된 국가답게 많은 교량이 건설되어 한강을 쉽게 건너 강북지역과 강남지역을 하나의 도시로 묶고, 산골짜기를 극복해 산간 지역의 접근성을 크게 키웠으며, 섬과 육지를 연결해 섬을 육지화하는 등 많은 역할을 하고 있다. 이러한 교량의 38%는 Pre-Stressed Concrete(PSC) 구조를 사용해 지어진 것으로 조사되고 있는데 대한민국의 경제가 급격하게 성장한 80~90년대부터 많은 수의 교량이 지어졌음을 고려하면 30년 이상된 노후 PSC 구조의 안전진단 기술 개발이 시급하다는 것을 알 수 있다. PSC 구조는 이름에서 알 수 있듯 Pre-Stressingtendon(PS텐던)이 가장 중요한 역할을 하고 있는데 PS텐던은 크게 외부 PS텐던과 내부 PS텐던 두 가지로 분류할 수 있다. 이중 외부 PS텐던은 2016년 서울시 내부순환로 정릉천교의 외부 PS텐던 부식사고로 인한 막대한 경제적, 사회적 손실 사례가 발생해 안전진단의 필요성에 대한 경각심을 전 국민에게 일깨워 주었다(그림1).
외부 PS텐던 비파괴검사기술의 현 주소
한국건설기술연구원에서는 정릉천고가교 사례를 계기로 외부PS텐던의 건전성을 평가할 수 있는 기술을 조사하기 위해 국내외 비파괴검사 기술을 대상으로 KICT Blind Test(2016)를 실시했다. 외부 PS텐던의 건전성은 단면손상, 응력, 공극 등 3가지 지표를 활용해 확인할 수 있는데 응력은 국내외를 막론하고 관련 기술을 가지고 있는 곳이 없었고 공극은 한 프랑스 기업(Advitam)만 응모해 73% 정도의 탐지율을 보여 주었다. 세 개 지표 중 단면손상이 가장 중요하고 직접적인 지표라 할 수 있는데 관련된 비파괴기술에 지원한 10여 개 국내외기업 중 일본의 Tokyo-Rope와 러시아의 Instron 두 개 기업만이 유효한 결과를 보여주었고 국내 기업은 유효한 결과를 내지 못함을 확인했다. 유효한 결과를 보여 준 두개의 기업의 기술 역시 비용, 사용성, 장비의 크기 및 무게 등을 개선하지 못하면 현장 적용에 무리가 있을 것이란 결론에 도달했다.
PSC 구조물 비파괴평가기술(PSC 청진기) 개발
이러한 이유로 한국건설기술연구원은 외부 PS텐던을 비파괴검사하여 단면손상과 응력 상태, 공극 유무를 검사할 수 있는 원천기술을 개발하는 과제를 진행하게 되었다. 단면손상과 응력은 금속으로 만들어진 외부 PS텐던의 자기특성을 이용하며 공극 유무는 레이더 기술을 응용해 검사하는 방법을 사용했다. 이 글에서는 PS텐던의 건전성을 평가하는 데 가장 중요한 지표인 단면손상을 비파괴검사하는 기술을 간단히 소개하고자 한다.
개발된 비파괴검사 센서의 기본 개념
그림 2는 개발된 전자기센서가 외부 PS텐던에 설치된 개념도를 보여준다. 외부 PS텐던(그림 2의 적갈색 부분)은 실제로 덕트와 그라우트로 포장되어 있지만 덕트와 그라우트의 자기적 성질은 공기(혹은 진공)와 거의 같기 때문에 없는 것으로 가정할 수 있다. 전자기센서는 크게 1차 코일(그림 2의 노란색 부분), 2차 코일(그림 2의 주황색 부분), 고정틀(그림 2의 보라색 부분) 3개 부분으로 이루어져 있다. 고정틀은 자기장에 반응하지 않는 플라스틱으로 만들어져 있다. 1차 코일은 일종의 전자석으로 전기를 흘려 센서 내부에 자기장을 형성시키며, 발생된 자기장의 크기는 센서 내부를 관통하는 금속성분인 외부 PS텐던의 단면적에 대한 함수이다. 2차 코일은 외부 PS텐던을 수회 감싸도록 감겨있는데 1차 코일에 가해지는 전류에 변화를 주어 센서 내부의 자기장에 변화를 주면 2차 코일에 자기장 변화량에 비례하는 유도전류가 발생한다. 이러한 원리를 이용해 1차 코일에 일정한 진폭의 sine파 형상을 갖는 교류전기를 흘리면 2차 코일에는 외부 PS텐던의 단면적 크기와 양의 상관관계를 갖는 진폭을 가진 교류전기가 유도된다. 따라서 유도된 교류전기의 진폭을 분석하면 외부 PS텐던의 단면적을 추정할 수 있다. 외부 PS텐던이 파단되거나 녹슨경우(산화철은 자기장에 반응하지 않는다) 금속성분을 가진 부분의 단면적이 감소하므로, 단면감소로부터 부식과 파단을 추정하는 것이 가능하다.
현장 작업에 최적화된 센서의 개발
그림 2를 보면 알 수 있듯, 이러한 원리를 이용한 센서는 외부 PS텐던을 감싸는 폐쇠회로 형태를 갖추어야 한다. 앞에서 소개한 일본의 Tokyo-Rope와 러시아의 Instron도 위에서 언급한 개념과 기본적인 아이디어는 공유한다(물론 세부 내용을 뜯어보면 꽤나 다르다). 하지만 일본과 러시아의 기술은 외부 PS텐던을 감싸는 폐쇠회로를 만들기 위해 그림 3과 같이 현장에서 권선작업 혹은 그에 준하는 작업을 해야 하며 이는 상당한 시간을 소요하기 때문에 작업성이 떨어진다. 또한, 센서의 상태가 설치할 때마다 바뀌기 때문에 센서의 신뢰도가 떨어지며 센서 부품을 모두 따로 들고 이동해야 하므로때문에 비좁은 교량 내부 통로에서 작업하기에 불리하다. 반면 한국건설기술연구원에서 개발한 전자기센서는 그림 4와 같이 2개로 분리되어 있어 조금만 숙달되면 1~2분 이내에 설치가 가능하다. 또한, 주요 접합부를 신뢰도 높은 기성커넥터로 구성해 아무리 반복 설치해도 센서의 신뢰도가 감소하지 않게 했다. 무게도 총 5kg, 한쪽 당 2.5kg 수준으로 사람이 들고 다니기에 무리가 없는 무게이다. 이 센서를 그림5와 같이 설치하고 외부 PS텐던을 따라 적당한 속도로 스캔하면 해당 구간을 비파괴검사 해 단면적의 변화를 확인할 수있다.
신호처리 및 인공지능을 이용한 의사결정 기술
그림 6은 개발된 비파괴장비를 테스트하기 위해 만든 시편에 적용한 결과이다. 그림 상단에 손상을 모사한 단면적과 손상구간이 도식화되어 있다. 그림 5와 같은 과정으로 측정한 결과는 그림 6의 초록색 선과 같이 나타나는데 진폭 변화가 미미해 육안으로 구분하기 어렵다. 마그네틱 센서로부터 측정한 결과를 이용한 외부 PS텐던의 건전성 평가를 돕기 위해 측정한 신호에 진폭 복조 등 몇 단계의 신호처리를 거치면 그림 6의 빨간색 선과 같은 결과를 얻을 수 있다. 빨간색 선에서는 PS텐던의 손상에 따른 변화가 확연히 구분되는 것을 볼 수 있다. 하지만 이러한 변화가 손상에 의한 변화인지 혹은 잡음인지를 구분하기 위해서는 많은 경험이 필요하다. 또한 손상이 어느 정도 진행되었는지에 대한 정보를 얻기에는 많은 어려움이 따른다. 이를 해결하기 위해 얕은 신경망을 이용해 그림 6의 파란색 점과 같이 손상 위치를 특정하고 손상 단면적의 비율과 손상 길이까지 예측하는 알고리즘을 개발했다. 또한 그림 7과 같은 다수의 시편을 제작해 인공지능을 학습하는 데 사용했다.
맺음말
한국건설기술연구원에서는 2016년 정릉천고가교와 같은 상황이 다시 반복되는 것을 막기 위해 PSC 구조물의 주요 요소인 외부 PS텐던을 비파괴검사하는 기술을 개발했다. 전자기학을 응용해 금속성분으로 이루어진 단면적을 비파괴검사하는 원리를 이용하고 있으며 외부 PS텐던의 파단과 부식을 사전에 감지해 PSC 구조물을 보수보강할 수 있게 하는 기술이다. 단순히 센서를 개발하는 것 뿐 아니라 센서의 사용성을 개선하고 측정된 신호에 신호처리 과정과 인공지능을 적용해 의사결정을 돕는 기술도 함께 개발했다. 센서의 사용성은 현재 수요기업과의 긴밀한 의사소통을 통해 계속해서 개선 해나가고 있으며, 의사결정을 돕는 신호처리와 인공지능 역시 알고리즘을 개선하고 학습데이터를 추가해 정확도를 높여나 가고 있다. 또한 같은 원리로 케이블 교량의 케이블을 비파괴 검사하는 기술 역시 개발하고 있다. 여기서 소개한 기술이 완성되어 교량 유지보수 시장에 진출한다면 교량의 선제적 보수를 통해 막대한 경제적 손실을 막고, 많은 국민이 불편함을 겪음으로 인해 발생하는 사회적 손실 역시 막는 데 일조할 수 있을 것이다.
