1. 서 론

2016년 경주 및 2017년 포항을 비롯한 최근 한반도를 강타한 지진의 발 생은 사회기반 시설물의 손상으로 인해 국민의 생명과 재산에 큰 피해가 발 생할 수 있다는 경각심을 심어주었으며, 국가 차원의 지진재해 대책이 필수 적이라는 점을 확인시켜 주었다. 4차 산업혁명으로 대표되는 센서 및 네트 워크 기술의 발전과 다양한 산업의 융합을 발판으로 지진 계측 시스템을 활 용한 지진대비 전략의 효용성이 주목받고 있다. 미국, 일본 등 강진 국가를 중심으로 IT 융합 기술을 활용해 지진 발생 시 영향을 신속히 분석하고 분석 결과를 통해 피해 저감 대책을 수립할 수 있는 지진가속도 계측 시스템 설치 및 통합망 구축에 많은 투자와 기술개발이 이루어지고 있다[1, 2]. 계측기를 활용한 지진재해 대응 기술은 계측기에서 수집하는 데이터를 국가적 차원에 서 통합하여 관리함으로써 보다 빠른 지진 감지 및 대응 프로세스의 가동을 가능하게 한다. 우리나라에서는 ^『지진·화산재해대책법_』(법률 제 17391호) 제 6조 및 제 7조, 같은 법 시행령(대통령령 제31713호) 제 5조, 같은 법 시행 규칙 제 2조, 제 3조를 근거로 지진재해로 인한 피해를 저감하기 위한 연구 와 기술개발이 이루어지고 있으며, 주요 공공시설물에 대한 지진가속도계 측기 설치가 이루어지고 있다. 이를 위해 지진가속도계측기 설치 및 운영기 준[소방방재청고시 제 2010-30호][3]이 2010년 9월에 제정되었다. 이러한 계측 시스템은 시설물별로 수집되는 지진가속도 계측자료를 신속히 처리하 여 지반과 시설물에 대한 신뢰도 높은 분석지표를 도출할 수 있는 알고리즘 을 기본 요소로 한다.

진동기반의 계측자료는 지진의 특성 및 지진이 시설물에 미치는 영향성 을 포함하고 있으며, 이를 분석하는 연구가 필요하다. 즉, 지속적으로 진동 기반의 계측자료를 분석하여 지진 발생 시, 신속하게 지진을 감지하고 지진 으로 인한 시설물의 거동 분석을 통해 안전성을 판단할 수 있는 연구가 필요 하다. 또한 수행한 연구 결과를 지진과 같은 긴급 상황에서 효율적으로 활용 할 수 있는 프로그램의 구축을 통해 시설물 관리자가 상황을 신속하게 판단 하고 적절한 후속 조치를 연결할 수 있도록 해야 한다.

본 연구에서는 특수교량에 구축된 지진가속도계측시스템으로부터 수 집된 가속도 계측자료를 활용하여 구조체의 안전성을 평가할 수 있는 기술 을 개발하였다. 예제 교량으로부터 계측된 실제 지진 기록을 이용하여 센서 의 계측자료를 신속히 처리하고 특수교량의 안전성에 대한 신뢰도 높은 분 석지표를 도출할 수 있는 알고리즘의 적용성을 검토하였다.

2. 특수교 구조 거동 모니터링 현황

국토교통부에서는 케이블을 활용해 교량의 상판을 지지하는 방식의 교 량인 사장교와 현수교 등 케이블 지지 교량을 특수교로 지정하고 2008년부 터 특수교 통합유지관리체계를 수립하여 운영하고 있다[4]. 이 체계를 기반 으로 하여 국토안전관리원은 특수교 유지관리센터를 설립하고, 국도상 특 수교량의 구조적 거동 계측을 수행하고 계측자료를 관리하기 위한 “특수교 통합관리계측시스템”을 운영하고 있다.

2021년 현재 전국에 분포되어있는 34개소의 특수교량을 관리하기 위하 여 본사 특수교운영팀과 목포, 여수, 군산에 지역사무소를 운영하고 있으며, 각 지역사무소는 지리적으로 근접한 특수교량을 담당하고 있다[5]. 해상교 량은 익산지방국토관리청에서 관할하고 있다. 각각의 특수교량에서 운영 중인 계측시스템은 “특수교 통합관리계측시스템”과 연결되어 진동계측자 료를 실시간으로 전송하고 있다. 특히 진동계측자료를 재난상황 발생 시 교 통 통제 지원, 긴급점검 등 재난 대응 시스템의 기반자료로 활용하고 있다. Fig. 1은 특수교 통합관리계측시스템이 구축된 대상 특수교량의 분포를 지 도상에 도식화한 것이며, 대상 교량의 현황 및 정보는 Table 1과 같다.

특수교 유지관리센터에서는 진동계측시스템을 활용하여 계측자료 기 반 재난대응 관리기준을 수립하고 신속한 대응을 실시하고 있다. 지진 등 재 난이 발생한 경우 진동계측자료를 기반으로 재난 등급을 구분하고 “특수교 유지관리센터 재난대응매뉴얼”에 따른 대응 조치를 수행한다. Table 2는 재난 발생 시 재난등급 구분 및 그에 따른 대응 조치 사항을 정리한 것이다.

3. 진동계측자료 기반 안전성평가 시스템

3.1 가속도센서의 설치

특수교량은 긴 지간과 케이블 지지구조로 인하여 구조적 거동이 복잡하 므로 체계적인 유지관리의 중요성이 높다[7]. 구조 안전성의 모니터링을 위 해 구조물에 설치된 여러 센서로부터 데이터를 수집하고 있으며, 수집된 데 이터를 활용하여 구조물의 건전성 및 안전성을 판단하고 있다. 교량의 구조 적 안전성을 판단할 경우 교량의 전역적 시스템과 국부적 부재에 대한 상태 평가를 위한 계측센서의 위치는 매우 중요하다[8-9]. 교량 구조물에 설치 하는 지진가속도계측기의 위치와 소요 개수는 구조해석을 수행하여 구조 체의 동적 거동을 분석하기에 적절하도록 결정하는 것이 바람직하다. 동적 해석을 수행하지 않는 교량의 경우에는 ^『지진가속도계측기 설치 및 운영 기준_』(행정안전부고시 제2020- 26호, 발령·시행 2020.6.4.)[10]을 참고하 여 지진가속도계측기를 설치할 수 있으며, 교량의 형식에 따라 계측기의 소 요 개수에 차이가 있다(Table 3). ^『지진가속도계측기 설치 및 운영기준_』에 서는 지진가속도계측기를 자유장, 교량 기초부, 교량 구조물에 모두 설치하 도록 명시하고 있다. 본 연구에서 예제 구조물로 사용된 교량은 주탑이 2개 이하인 사장교이며 주탑의 형태는 H형이다. 이를 Table 3의 지진가속도계 측기 위치와 채널을 반영하여 그림으로 나타내면 Fig. 2와 같다. Fig. 2의 계측기 위치 번호 ①~⑤는 각각 Table 3에서 Cable-stayed Bridges(# towers 2)의 경우에 표기된 지진가속도계측기의 위치와 채널에 대한 설명 과 대응된다.

지진가속도계측센서의 설치위치는 구조물의 특성을 고려한 계측 목적에 따라 결정되며, 계측 목적 달성을 위해서 일정 수준의 성능을 만족하는 계측 센서를 설치할 필요가 있다. 이를 반영하여 ^『지진∙ 화산재해대책법 시행규 칙_』(행정안전부령 제183호, 2021)[11]에서는 지진가속도계측센서의 성능 과 규격을 지정하여 표준 규격 이상의 감지기를 설치하도록 하고 있다.

3.2 안전성평가지표

본 절에서는 ^『지진가속도계측기 설치 및 운영기준_』을 준수하여 사장교 에 설치되는 지진가속도계측기로부터 도출 가능한 다양한 구조 분석지표 들을 제시하였다. Fig. 3은 사장교에서 계측되는 가속도 데이터를 변위 및 진동수로 변환하고 안전성 평가지표를 도출하는 과정을 요약하여 나타낸 개념도이다. 빨간색으로 연결된 평가지표는 시간이력 자료를 기반으로 도 출된 최대 응답이며, 초록색으로 연결된 평가지표는 푸리에 변환(Fourier transform) 및 전달함수(Transfer function)를 이용한 진동수 분석으로 도 출된다. 다음의 3.2.1절 ~ 3.2.3절에 설명된 평가 지표 산정 방법은 Fig. 3에 나타난 자료를 변수로 하여 정의되었다.

3.2.1 자유장 계측자료 기반 평가지표

(1) 최대지반가속도

최대지반가속도는 자유장 가속도계측기의 남북 가속도 성분(GNA_T) 과 동서 가속도 성분(GEA_T) 절대값의 최대값을 각각 산정하고 이 중에 큰 값으로 하거나, 수평 양방향 성분들을 합성한 가속도 절대값의 최대값으 로 정한다. 한 방향 수평성분 중 최대값이나 양방향 합성성분 중 최대값 중 에서 교량의 설계기준이나 구조적 특성을 고려하여 적절한 지표로 선택하 여 사용할 수 있다.

자유장 계측기록을 교량 구조물의 계측기록과 연동하여 활용하기 위해 서는 자유장 가속도계의 남북(N-S)과 동서(E-W) 방향 수평 성분을 교량의 종방향(교축방향, Longitudinal direction)과 횡방향(교축 직각방향, Translational direction)으로 변환하여 사용한다.

(2) 유효최대가속도

유효최대가속도는 가속도 응답스펙트럼에서 진동주기가 0.1초 ~ 0.5초 사이의 데이터를 평균하고 정상화계수(normalizing factor) 2.5로 나누어 서 구할 수 있는 값이다. 유효최대가속도는 최대지반가속도보다 작은 경우 가 많다.

(3) 자유장 고유진동수

지반의 고유진동수는 H/V 스펙트럼비 방법[12]으로 도출하는 데, 이는 방법이 쉽고 단일 관측소 자료만으로 자유장의 진동수를 도출할 수 있다는 장점을 가지고 있다. 지반 고유진동수가 구조체의 고유진동수와 비슷하면 공진으로 인한 구조체 응답의 증폭 가능성이 높다는 점을 고려하여 지반고 유진동수와 구조체 고유진동수의 비율을 안전성 평가지표로 활용하기도 한다. 지반 고유진동수 도출 방법과 안전성 평가지표 활용에 대한 자세한 내 용은 “지진가속도 계측신호 분석 프로그램 개발[13]”에서 확인할 수 있다.

3.2.2 주탑 계측자료 기반 평가지표

(1) 주탑 하부 종변위 최대값

주탑 하부 종변위는 Fig. 2에 표시된 주탑의 계측 위치를 참고하여, 주탑 의 상판 위치 ②의 X 방향 변위에서 주탑의 기초부 ①의 X 방향 변위를 뺀 상대변위로 정의되며 아래의 식 (1)과 같이 구할 수 있다. 주탑 하부 종변위 최대값은 식 (1)의 시간이력에 대한 절대값의 최대값으로 산정된다.

여기서,

(2) 주탑 하부 횡변위 최대값

주탑 하부 횡변위는 Fig. 2에 표시된 주탑의 계측 위치를 참고하여, 주탑 의 상판 위치 ②의 Y 방향 변위에서 주탑의 기초부 ①의 Y 방향 변위를 뺀 상대변위로 정의되며 아래의 식 (2)와 같이 구할 수 있다. 주탑 하부 횡변위 최대값은 식 (2)의 시간이력에 대한 절대값의 최대값으로 산정된다.

여기서,

(3) 주탑 하부 비틀림각 최대값

주탑 하부 비틀림각은 Fig. 2에 표시된 주탑의 계측 위치를 참고하여, 주 탑 상판 위치 ②의 두 센서에서 각각 도출되는 X 방향 변위 간의 차이를 센 서 사이의 거리인 상판 양단 간의 길이 s_d로 나눈 값으로 정의되며 아래의 식 (3)과 같이 구할 수 있다. 주탑 하부 비틀림각 최대값은 식 (3)의 시간이 력에 대한 절대값의 최대값으로 산정된다.

여기서,

(4) 주탑 상부 종변위 최대값

주탑 상부 종변위는 Fig. 2에 표시된 주탑의 계측 위치를 참고하여, 주탑 의 꼭대기 ③의 X 방향 변위에서 주탑의 상판 위치 ②의 X 방향 변위를 뺀 상대변위로 정의되며 아래의 식 (4)와 같이 구할 수 있다. 주탑 상부 종변위 최대값은 식 (4)의 시간이력에 대한 절대값의 최대값으로 산정된다.

여기서,

(5) 주탑 상부 횡변위 최대값

주탑 상부 횡변위는 Fig. 2에 표시된 주탑의 계측 위치를 참고하여, 주탑 의 상판 위치 ②의 Y 방향 변위에서 주탑의 기초부 ①의 Y 방향 변위를 뺀 상대변위로 정의되며 아래의 식 (5)와 같이 구할 수 있다. 주탑 상부 횡변위 최대값은 식 (5)의 시간이력에 대한 절대값의 최대값으로 산정된다.

여기서,

(6) 주탑 상부 비틀림각 최대값

주탑 상부 비틀림각은 Fig. 2에 표시된 주탑의 계측 위치를 참고하여, 주 탑 꼭대기 ③의 두 센서에서 각각 도출되는 X 방향 변위 간의 차이를 센서 사이의 거리인 주탑의 두 첨부 간의 길이 s_t로 나눈 값으로 정의되며 아래의 식 (6)과 같이 구할 수 있다. 주탑 상부 비틀림각 최대값은 식 (6)의 시간이 력에 대한 절대값의 최대값으로 산정된다.

여기서,

3.2.3 상판 계측자료 기반 평가지표

지진 발생으로 인하여 특수교량의 주경간이 손상을 입는 경우는 매우 드 물지만, 주경간 중앙부 상판의 거동은 지진 발생 시 시설물의 사용성을 파악 할 수 있는 대표적인 지표로 활용될 수 있다.

(1) 주경간 상판 수직 변위

주경간 상판 수직 변위는 Fig. 2에 표시된 주경간 중앙부 상판의 계측 위 치를 참고하여, 주경간 중앙의 상판 ④에서 두 개의 수직 방향 변위의 평균 값으로 정의되며 아래의 식 (7)와 같이 구할 수 있다. 주경간 상판 수직 변위 최대값은 식 (7)의 시간이력에 대한 절대값의 최대값으로 산정된다.

여기서,

(2) 주경간 상판 횡변위

주경간 상판 횡변위는 Fig. 2에 표시된 주경간 중앙부 상판의 계측 위치 를 참고하여, 주경간 중앙의 상판 ④에서 Y 방향 변위로 정의되며 아래의 식 (8)와 같이 구할 수 있다. 주경간 상판 횡변위 최대값은 식 (8)의 시간이력에 대한 절대값의 최대값으로 산정된다.

여기서,

(3) 주경간 중앙부 상판 비틀림각

주경간 중앙부 상판 비틀림각은 Fig. 2에 표시된 주경간 중앙부 상판의 계측 위치를 참고하여, 주경간 중앙부 상판 양단의 두 센서④에서 각각 도 출되는 Z 방향 변위 간의 차이를 센서 사이의 거리인 주경간 중앙부 상판 양 단 간의 길이 s_dc로 나눈 값으로 정의되며 아래의 식 (9)와 같이 구할 수 있 다. 주경간 중앙부 상판 비틀림각 최대값은 식 (9)의 시간이력에 대한 절대 값의 최대값으로 산정된다.

여기서,

3.2.4 케이블 계측자료 기반 평가지표

강진의 발생을 비롯한 예상치 못한 재난이 발생하면 케이블의 손상 및 구조적 안전성을 검토해야 하며, 이를 위한 평가지표로 아래와 같이 케이블 의 장력 및 휨강성을 이용할 수 있다. 케이블의 장력 및 휨강성은 다음과 같 은 절차로 예측한다.

여기서

3.2.5 진동수 변화율 기반 평가지표

시간영역에서 측정된 주탑의 상부와 주경간 중앙부 상판의 계측데이터 를 주파수 영역으로 변환한 후, 식 (11)을 이용하여 주파수 영역으로 변환된 주탑 기초부의 계측데이터와의 비를 계산하여 각각 위치에서의 주파수 스 펙트럼을 작성한다. 계산된 주파수 스펙트럼을 3점 가중 평균 필터를 이용 하여 구하고자 하는 위치와 기초부의 스펙트럼비를 평활화하면 주탑 또는 상판에서의 고유진동수를 전달함수에서 피크 점의 위치로 확인할 수 있다. 이벤트 발생 전·후의 진동수 변화를 관찰함으로써 구조체의 손상 유무를 예 측할 수 있으므로, 주탑과 상판의 진동수 변화율을 안전성 평가지표로 사용 할 수 있다.

여기서,

위에서 정의된 다양한 안전성 평가지표들이 Table 4에 정리되어 있다.

3.3 안전관리기준

진동계측자료를 활용한 현수교 및 사장교에 적용하는 관리기준의 경우, 자유장에서 발생한 최대지진가속도의 크기를 사용하고 있는 경우가 가장 일반적이다. 이러한 관리기준치는 교량의 구조계산서, 구조해석 결과, 장기 계측 데이터 분석 결과 등을 근거로 설정된다. 또한 일부 신설 교량에는 향 후 취득한 데이터와 분석 결과를 바탕으로 관리기준을 설정하기 전까지 타 구조물의 관리기준을 한시적으로 준용하기도 한다. 이러한 계측데이터의 관리기준은 교량의 위치에 따른 지리적 특성과 교량의 복잡한 구조적 특성 에 따라 계측값의 범위가 모두 다르며, 이에 따라 적정 수준의 관리기준 또 한 모두 다르게 적용할 수 있다.

국내 공공시설물의 안전성 평가는 주로 실험 및 내하력 평가를 통해 진 행하고 있으며, 진동계측자료를 활용한 안전성 평가는 일부 주요 시설물에 국한하여 적용하고 있다. 또한 국내 시설물들의 공용 연수는 대개 50년 미 만으로 시설물의 노후화가 진행되고는 있지만, 사용성 문제가 발생한 사례 는 거의 없으므로 계측데이터를 활용하여 구조물의 심각한 결함을 감지한 전례를 찾아보기 힘들다. 이와 같은 상황에서 계측데이터를 활용한 안전성 평가를 수행할 경우, 국내에서 적용하고 있는 계측데이터의 안전관리 기준 은 명확하지 않으며, 이를 명확하게 제시하고 있는 기준도 없는 실정이다. 이러한 현황을 고려하여, 진동계측자료 기반의 안전성 평가 수행은 시설물 을 관리하는 엔지니어가 계측데이터 분석을 통해 얻은 구조물의 다양한 응 답 특성과 외부 요인을 계측데이터 관리기준에 반영하여 그 기준을 확립하 고, 적용할 필요가 있으며, 일부 시설물에서는 이를 적용하고 있다. 이렇게 적용되고 있는 관리기준은 일정 수준의 안전성과 사용성을 확보하기 위해 현장에서 시행착오를 통해 개선되고 있다.

본 연구에서는 시설물의 진동계측데이터를 활용하는 도출할 수 있는 분 석지표들을 안전성 평가지표로 제시하였다. 하지만 제시한 평가지표들에 대하여 명확하고 획일화된 관리기준을 제시할 수 없는 상황이며, 이와 관련 된 내용은 별도의 심도 있는 연구를 통해 제시되어야 할 것으로 판단된다.

지진과 같은 진동에 의한 긴급 상황 발생 시 공공시설물의 구조적 안전 성과 사용성을 신속하고 정확하게 판단할 필요가 있으며, 판단 후 즉각적인 대응 체제에 돌입할 필요가 있다. 이러한 과정에서 긴급하게 구조물의 상태 를 파악하는 것을 긴급 안전성 평가로 정의하며, 긴급 안전성 평가를 통해 이벤트 발생 시점으로부터 이벤트 종료 후 일정 기간까지 평가 결과 공유를 통해 발령된 조치들이 신속하게 구현되도록 해야 한다. 또한 이벤트가 종료 된 이후에도 구조물의 상태를 면밀하게 관찰하면서 구조적 결함 여부를 상 세하게 판단하는 활동이 필요하다. 구조물에서 수집한 진동계측자료를 활 용하여 도출한 평가지표는 구조물의 안전성 및 사용성을 평가하는 상시 안 전성 평가에 사용할 수 있다.

4. 계측 시스템의 시험 적용

개발한 시스템의 계측자료 처리 과정에 대한 사용성 및 지진 거동 분석 결과를 확인하기 위해서, 예제 교량에서 측정된 지진 계측자료를 기반으로 분석을 수행하였다. 예제 교량은 전라남도 여수시 돌산읍에 위치한 거북선 대교이다. 거북선대교는 주탑 높이 90 m, 최대 경간장 240 m인 H형 주탑 사장교로 건설되었다[Fig. 5]. 분석 대상이 된 예제 계측자료는 2016년 7월 4일 울산 해역에서 발생한 규모 5.0의 지진으로 발생한 진동에 의한 이벤트 자료이다. 이 지진의 진앙과 예제 교량 사이의 거리는 229 km이다.

예제 교량에 설치된 지진가속도 계측센서는 총 8개로 한 개의 3축 지진 가속도 계측센서가 주탑의 기초에 설치되었고, 세 개의 2축 지진가속도 계 측 센서가 각각 주탑 꼭대기, 주탑의 상판 높이, 주경간 중앙부 상판에 설치 되었으며 네 개의 1축 지진가속도 계측센서가 각각 주탑 꼭대기, 주탑의 상 판 높이, 주경간 중앙부 상판 주탑과 상판을 연결하는 최외각 케이블에 설치 되었다. Fig. 6은 상술한 지진가속도 계측센서 종류 및 설치 위치를 도식화 하여 나타낸 것이다. 예제 교량과 인접한 자유장에 3축 가속도센서가 추가 로 설치되어 있다.

계측된 최대지반가속도는 1.4 gal로 설계지반가속도(0.153 g)의 0.93% 수준이다. 지진으로 인해 예제 교량에서 계측된 가속도 시간 이력은 ^『지진 가속도계측기 설치 및 운영기준_』에 맞추어 MiniSEED 형식의 Binary 파 일로 수집된다. 이를 안전성 평가에 활용하기 위해서 ASCII(American Standard Code for Information Interchange)형식으로 변환하고 모든 채 널의 시각을 동기화하는 알고리즘을 적용하였다. 두 개 이상의 시간 이력을 상호 분석하여 계측대상의 상대적인 거동을 파악하기 위해서는 계측 샘플 (Sample)의 동시성이 보증되어야 하며, 시간동기화 과정을 통해 계측 및 수집과정에서 발생할 수 있는 시간 이력 사이의 시차를 제거할 수 있다. 자 료 형식 변환 및 시간동기화 과정이 수행된 이후 계측자료에 포함된 잡음 신 호(Noise)를 제거하기 위한 필터링 과정과 기준선 보정이 수행된다.

계측자료 처리 과정이 완료되면 이를 활용한 평가지표의 도출과 상태 평 가 단계로 이어진다. 평가지표 도출을 위한 계측자료 분석 과정 및 내용은 다음과 같다.

5. 결 론

본 연구에서는 ^『지진가속도계측기 설치 및 운영기준_』에 제시된 가속도 계측기 설치위치를 활용하여 사장교의 구조적 안전성을 파악할 수 있는 분 석지표들을 도출하였다. 사장교에서 계측되는 가속도 데이터를 변위 시간 이력 및 진동수로 변환하고 안전성 평가지표를 도출하는 과정을 체계적으 로 정리하였다. 기단의 상부, 주탑, 경간 중앙부 상판 등 여러 위치에 설치된 지진가속도계측기로부터 입수된 계측자료를 조합하여 다양한 분석지표를 정의하였다. 현재까지의 연구를 기반으로는 제시한 평가지표들에 대하여 명확하고 획일화된 관리기준을 제시할 수 없는 상황이며, 이에 대해 향후 심 도 있는 연구가 진행될 필요가 있음을 확인하였다.

자료의 취득 및 처리와 안전성 분석지표의 계산을 효과적으로 수행할 수 있는 알고리즘을 개발하였고, 이를 예제 교량인 거북선대교에 적용하여 개 발된 프로그램의 사용성을 검토하였다. 본 연구의 결과물인 계측자료 처리 및 안전성 평가지표 도출 시스템은 지진과 같은 재난발생 시 사장교에 대한 긴급 안전성평가를 수행하는 데 적절하도록 구성되었다. 또한 특수 교량의 지속적인 공용을 위해서 지진이 종료된 후 계측데이터의 상세한 분석을 통 해 상시 안전성평가에도 활용될 수 있다.