교량의 기초 상태를 모니터링하는 '스마트 암석 Smart rocks'
An example of a passive smart rock containing a magnet suspended in liquid is in the foreground.
Active smart rocks have embedded electronics.
In the background is a concrete-encased smart rock that is about the size of a basketball and weighs about 50 lbs.
http://news.mst.edu/2014/07/researchers-study-smart-rocks-use-for-detecting-bridge-damage/
news.mst.edu
Smart Rocks and Wireless Communication System for
Real-Time Scour Monitoring and Mitigation of Bridges
구조물 기초가 물표면 아래의 강바닥에 묻혀 있을 경우에 구조적으로 교량이 얼마나 양호한지를 측정하는 것은 어렵다.
미주리 과학기술대학교(Missouri University of Science and Technology) 연구진들이 개발 중인 새로운 스마트 암석(smart rocks)이 엔지니어들이 교량의 기초를 실시간으로 모니터링할 수 있도록 정확하고 쉬우며 비용 효과적인 툴을 제공할 것이다.
미국에서의 교량 붕괴사고의 주요 원인은, 하저 퇴적지를 따라 흘러가는 물의 흐름이 있는 곳에서 교대나 교각 주위에 발생하는 스카우 홀(scour holes)을 생성시키는 부식 프로세스인 스카우(scour)이다.
홍수는 이 스카우 효과를 극대화시키고 교량을 빠른 시간 내에 비안정적으로 만든다. 교량 기초 기반에 위치한 스마트 암석(Smart rocks)은 가장 깊은 지점의 스카우 홀(scour holes)에 감길 수 있도록 디자인되어, 스카우 깊이를 릴레이시키는 현장 에이전트 역할을 한다. "이것은 단순하지만, 매우 유용한 콘셉트이다.
이 암석은 스카우 홀(scour holes)의 확산을 추적하는데, 스카우 홀(scour holes)이 더 깊어짐에 따라 이 암석 또한 더 깊이 가라앉는다. 우리가 이것을 스마트하다고 부르는 이유 중 하나는 이 암석이 구멍의 최대 깊이를 의미하기 때문"이라고 미주리 과학기술대학교(Missouri S&T) 토목건축환경공학과 교수이자 토목공학과 로버트 알베트 석좌교수(Robert W. Abbett Distinguished Chair)인 젠다 첸(Genda Chen) 박사는 말했다.
첸(Chen) 박사는 이 프로젝트에서 전기 및 컴퓨터공학과 데이비드 포메렝크(David Pommerenke) 박사 및 조교수인 로자 쳉(Rosa Zheng) 박사와 협력하고 있다. 이 프로젝트는 미국 교통부의 연구 및 혁신기술협회(RITA, Research and Innovative Technology Administration)와 미주리 교통부가 후원한다.
연구진들은 수동형, 능동형 그리고 준 능동형 스마트 암석 3개에 대한 시험을 진행 중이다. 수동형 스마트 암석(Passive smart rocks)은 원격 자력계(magnetometer)에 의해 판독될 수 있는 임베딩된 자석을 가지고 있다.
능동형 스마트 암석(Active smart rocks)은 압력센서, 자이로스코프, 타이머, 축전지 표시계 그리고 무선통신을 통해 데이터를 전송하는 개별 인식장치를 포함한 임베딩된 전자장치를 가지고 있다.
준 능동형 스마트 암석(Semi-active smart rocks)에는 전자회로에 의해 제어되는 자유회전 자석에 포함되어 있다. "때때로, 엔지니어들은 이러한 종류의 장치가 너무 많은 데이터를 제공하기 때문에 하나도 알 수가 없다고 불평한다. 이번에 개발된 스마트 암석은 엔지니어들에게 필요할 때 아주 중요한 정보만 제공한다"고 첸(Chen) 박사는 말했다.
첸(Chen) 박사에 의하면, 정상적인 동작 중에 이 판독값은 보통 1년에 6개월마다 확보된다. "그러나 스카우(scour)는 홍수 시즌에는 매우 급속하게 발전된다. 만약 엔지니어들이 새롭게 발전되었다고 판단되면, 그들은 그 순간에 연속적인 데이터 프로세싱과 저장과는 상관없이 판독값을 얻을 수 있다." 또한, 이 기술은 매우 비용효과적이라고 그는 말했다.
"당신은 다이버를 그 곳에 잠수시키지 않아도 기초 안정성을 평가하기 위해 데이터를 사용할 수 있다"고 그는 덧붙였다. 엔지니어들은 의례적으로 강물 흐름에 의해 파괴되고 있는 흙을 보호하기 위해 교량 기초 주위에 큰 암석을 위치시키는데, 엔지니어들은 이 기술을 사석(riprap)이라고 부른다.
"아무도 사석(riprap)이 홍수 시즌 동안에 얼마나 효과적인지는 실제 알지 못한다. 진흙탕 물 때문에, 당신은 어떻게 상황이 진행되는지 아는 것이 불가능하다. 그렇지만, 만약 우리가 기초 주위에 자연석과 함께 몇 개의 스마트 암석을 혼합하게 된다면, 스마트 암석의 이동이 사석(riprap) 시스템의 성능을 나타낼 수 있게 될 것이며, 엔지니어들이 스카우(scour)의 문제 발생 여부를 알 수 있게 될 것"이라고 첸(Chen) 박사는 말했다.
스카우(scour) 모니터링의 중요한 관심대상은 이 기술이 홍수가 발생했을 때 얼마나 유지될 수 있느냐이다. "실험실에서는 매우 잘 작동되는 기술은 많지만, 센 물의 흐름 때문에 현장 조건에서는 적용되지 못할 수도 있다"고 첸(Chen) 박사는 말했다. 연구진들은 2012년에 미주리 주의 개스커네이드 횡단교(Gasconade River Bridge)와 루비도우 크리크 횡단교(Roubidoux Creek Bridge)에 적용된 스마트 암석을 통해 좋은 결과를 보고 있다.
이 암석들은 영원히 그 성능이 지속되고 축전지는 데이터가 얼마나 자주 수집되는가에 따라 약 5년~10년간 수명이 유지된다고 첸(Chen) 박사는 말했다. 연구진들은 추가 연구를 위해 주 교통부와 파트너를 맺기를 원한다.
"우리는 스마트 암석이 움직였는지 여부를 보기 위해 홍수 전후의 데이터를 확보할 수 있도록, 교량에 스마트 암석을 많이 적용하기 위해 몇 개의 주 교통부와의 공동작업을 원한다"고 그는 말했다. "미국에서 붕괴된 교량의 약 60%가 수압과 관련된 문제인데, 이 중에서 스카우(scour)가 중요한 역할을 한다"고 첸(Chen) 박사는 말했다.
출처 KISTI 미리안 글로벌동향브리핑(GTB)
황기철 @conpaper
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