Behavior Character Analysis of Super Long Suspension Bridge using GNSS

GNSS를 활용한 초장대 현수교의 거동 특성 분석

Abstract

Recently, the span length of long-span bridges is getting longer. As a result, it has been suggested that a new concept called 'super long-span bridge'. In case of super long span bridges, the structure is being complicated and the importance of structural stability is being emphasized. However, until recently, the most commonly used sensors (dual axis clinometer, anemometer, strain gauge, etc.) have got limit about the bridge monitoring. Consequently, we researched the application of a Global Navigation Satellite System (GNSS) to improve the limit of the existing sensors. In this study, the dual axis clinometer, the anemometer and the strain gauge together with the GNSS were used to analyze the behavior of a super-long suspension bridge. Also, we propose the detailed method of bridge monitoring using the GNSS. This study consisted of three steps. First step calculated the absolute coordinates of the towers and the longitudinal axis direction of the study bridge using the GNSS. In second step, through the analysis of the long-term behavior in shortly after construction, we calculated the permanent displacement and evaluated the stability of main towers. Third step analyzed the behavior of bridge by the wind direction and was numerically indicated. Consequently, the bridge measurement using the GNSS appeared that the acquired data is able to easy processing according to the analysis purpose. If we will use together the existing measurement sensors with the GNSS on the maintenance of the super long-span bridge, we figure each error of measurement data and improve the monitoring system through calibration. As a result, we acquire the accurate displacement of bridge and figure the behavior of bridge. Consequently, we identified that it is able to construct the effective monitoring system.

최근 장대교량의 경간장이 길어지면서 주탑간 거리(span)가 기존의 한계를 넘는 교량에 대해 초장대교량이라는 개념이 새롭게 제시되었다. 또한 장대교량의 구조가 복잡해지고, 안전성이 중요해지면서 시공 중 계측의 필요성이 더욱 커졌다. 하지만 장대교량에 기존 계측센서를 지속적으로 적용하는 데는 한계가 있다. 이에 기존 계측센서들의 한계를 보완하고자 위성항법시스템(GNSS: Global Navigation Satellite System)을 활용하기 위한 연구가 진행되고 있다. 본 연구는 최종적으로 2축경사계, 변형률계, 풍향풍속계와 GNSS를 혼용하여 초장대현수교의 거동 특성을 파악하고, 세부 모니터링 방법을 제시하고자 하였다. 이를 위해 GNSS를 이용하여 주탑의 절대좌표와 교축진행방향을 산출하였고, 장기거동을 분석하여 시공 직후 주탑의 영구 변위와 안정화 여부를 평가하였다. 또한 풍향이 대상교량의 거동에 미치는 영향을 수치적으로 나타냈으며, 이를 통해 대상교량의 거동특성을 분석하였다. 본 연구 결과, GNSS를 활용한 교량 계측은 분석 목적에 따라 데이터 처리가 용이한 것으로 나타났다. 또한, 초장대교량의 유지관리에 있어 기존의 계측센서와 GNSS을 활용한다면 각 계측 데이터의 오차 파악 및 보정을 통한 모니터링 시스템의 개선과 정확한 변위관측, 그리고 거동특성을 함께 파악하는 효과적인 모니터링 시스템을 구축 할 수 있다는 점을 확인할 수 있었다.

1. 서론

대한민국의 남해는 리아스식 해안으로 11,542 km의 긴 해안선을 가지고 있다(Joo, 2012). 이러한 지리적 특성으로 인해 국내 장대교량에 대한 수요는 높아지고 있으며, 교량의 총 연장길이가 1 km 이상인 교량은 총 11개가 건설되었다(Ministry of Land, 2013). 최근 장대교량의 경간장이 길어지면서 주탑간 거리(span)가 기존의 한계를 넘는 교량에 대해 초장대교량이라는 개념이 새롭게 제시되었으며, 대표적으로 총 연장길이 1,480 m의 인천대교와 2,260 m의 이순신대교가 있다(Jo et al., 2010).

교량의 길이가 길어짐에 따라 장대교량의 구조가 복잡해지고, 안전성이 중요해졌으며, 이에 따라 시공 중 계측의 필요성이 더욱 중요해졌다(Lee et al., 2011). 장대교량 중에서도 케이블에 의해 교량 상판이 지지되는 사장교와 현수교의 경우 설계 이후 시공단계에서 지속적으로 부재의 변위가 발생하며, 이는 교량전체에 큰 영향을 줄 수 있기 때문에 각 시공단계 별로 케이블의 기하형상을 계측하여 설계 형상을 유지하도록 관리할 필요가 있다(Mun et al., 2012). 특히, 여러 케이블이 응력을 분배하는 사장교와 달리 주케이블에 모든 응력이 집중되는 현수교는 주케이블이 설치된 이후에는 처짐에 대한 대응이 어려워 시공 중 지속적인 모니터링이 매우 중요하다(Sun et al., 2014).

교량 구조물에 대한 시공 능력이 발달하고, 시공 규모가 커짐에 따라 실시간 관측, 구조적 거동 특성, 구조물 상태, 그리고 이를 유발하는 영향 인자에 대한 모니터링 시스템의 필요성 또한 커져가고 있다. 하지만 장대교량에 기존 계측센서를 지속적으로 적용하는 데는 한계가 있다(Doebling et al., 1996; Ko and Ni, 2005; Choi et al., 2009). 레이저 관측기와 토털스테이션은 기상조건에 따라 제한적인 계측과 장대교량의 장기적인 상대변위만을 계측할 수 있다는 단점이 존재하며, 교량의 전반적 거동특성을 분석하기에는 부적합하다(Ko and Ni, 2005). 한편 교량 내부에 가속도계, 응력계, 침하계, 변위계 등의 다수의 계측장비를 설치하여 순간적인 미세변위를 정밀하게 관측할 수 있으나, 이 경우에는 복잡한 분석과정이 필요하고, 내부 센서가 훼손되었을 때 유지관리가 어렵다는 단점이 있다(Choi et al., 2009).

이에 본 연구는 기존 모니터링 센서들인 2축경사계, 변형률계, 풍향풍속계와 새롭게 모니터링 기술로 제시되고 있는 GNSS를 혼용하여 초장대현수교의 거동 특성을 파악하고, 세부모니터링 방법을 제시하고자 한다. GNSS는 기상조건에 상관없이 구조물의 거동을 지속적으로 모니터링 할 수 있다는 장점을 가지고 있다(Knecht and Manetti, 2001; Shengxiang and Wentan, 2006). 반면, GNSS를 이용한 모니터링은 정밀 관측이 어렵고 상판하부와 같은 폐색에서는 관측이 불가능하다는 단점도 가지고 있다(Ko and Ni, 2005; Watson et al., 2007).

본 연구에서는 GNSS의 초장대현수교에 대한 적용 가능성을 제시하기 위하여, GNSS를 이용하여 주탑의 절대좌표와 교축진행방향을 산출하였고, 장기거동을 분석하여 시공 직후 주탑의 영구 변위와 안정화 여부를 평가하였다. 또한 풍향이 대상교량의 거동에 미치는 영향을 수치적으로 나타냈으며, 이를 통해 시공 전후 대상교량의 장·단기 거동특성을 분석하였다.

2. 자료취득

1) 적용대상 교량 및 관측센서 제원

본 연구는 여수국가산업단지 진입도로 중 광양과 여수를 연결하는 초장대현수교를 대상으로 실시하였다. 대상교량의 주탑은 해발 270 m에 달하며, 총 연장길이는 2,260 m, 폭은 25.7 m 그리고 주경간장은 1,545 m이다.

관측센서는 GNSS와 2축경사계, 풍향풍속계를 이용하였다. 즉, 변위 계측과 거동특성 파악은 GNSS와 2축 경사계를 활용하였고, 풍하중에 대한 데이터 취득은 풍향풍속계를 이용하였다. 또한 교량에 작용하는 내력을 파악하기 위해 변형률계를 활용하였다. 본 연구에서 사용된 계측장비의 제원은 Table 1과 같다.

Table 1. Basic specification of sensors used for experiment

2) 관측센서 설치 및 자료취득

본 연구에서는 2개의 주탑을 관측하기 위해 Fig. 1과 같이 GNSS 수신기 4대, 풍향풍속계 총 1개, 2축경사계를 각 주탑에 각각 3개씩 총 6개 설치하고, 각 시점과 종점 앵커리지 Rod에 변형률계를 12개씩 총 24개 설치하였다.

Fig. 1. Loacation of installed sensors.

GNSS 수신기는 각 주탑에 한 대씩 설치되었으며, 초고층 주탑 상부에 설치되어 주변에 장애물이 없다는 점을 고려하여 차폐각(Mask angle)은 0°로 설정하여 1분간격으로 데이터를 취득하도록 설정되었다. 또한, 우리는 교량의 지리적 위치를 고려하여 교량 건설현장 내에GPS 기준국을 Fig. 2와 같이 별도로 설치하였다.

Fig. 2. GNSS base station.

풍향풍속계는 1개 설치하여 초당 100회씩 10분간 풍향 및 풍속 데이터를 취득하고, 10분 간격으로 평균 풍향풍속과 순간 최대 풍향풍속을 기록하였다. 2축경사계는 30분 간격으로 데이터를 취득하였으며, 취득된 경사각을 변위량으로 환산하였다. 마지막으로 변형률계는 정적변형률계로 30분 간격으로 부재의 변형률을 측정하여 변형률 데이터를 앵커리지부 Rod 응력으로 환산해 데이터를 기록하였다.

3. 자료처리

1) 기준점 및 기준축 산출

(1) GNSS 데이터 기준점 산출

본 연구에서는 각 센서와 연구대상 교량에 대한 기준점과 기준축을 계산하였다. 먼저 GNSS 데이터를 활용한 기준점 산출은 이용한 각 주탑의 거동특성을 분석하기 위해 기준좌표를 추정하였다. 기준좌표 산출식인 관측방정식(observation equation)은 Eq. 1과 같다.

\(\overline{x}={\sum_{i=1}^{24} ({x_i \over v_i})\over\sum_{i=1}^{24} ({1 \over v_i})}\)        (1)

데이터 처리기간은 주공정 및 차량통행이 없는 임시 준공(2012년 5월 12일)전으로 총 24일간의 데이터(x_i~24)를 사용하였다.

현재 장대교량은 점점 주경간이 길어지고 상판의 폭이 좁아지면서 바람에 의한 거동이 더욱 크게 나타나고 있다(Wang et al., 2014). 따라서 기준좌표의 오차량은 풍속의 크기(v_i )에 비례한다는 점을 감안하여 풍속의 반비례 값을 각 GNSS 관측값에 대한 경중률로 사용하였다. 여기에서 풍속 데이터는 주탑에 설치된 풍향풍속계를 활용하여 취득하였다.

Table 2는 계산된 GNSS 데이터 기준좌표이다.

Table 2. Reference coordinates for behavior analysis of bridge

Table 2에 대한 수치적 결과 값을 통해 우리는 해당 교량의 주탑은 해발 272 m, 주탑폭은 평균 27 m, 그리고 주경간장은 1,549 m임을 알 수 있었다. 이러한 계산 값은 실제 해당 교량과 해발높이는 동일하였으며, 폭 1.3 m, 주경간장 4 m에 대한 차이가 있지만 이는 GNSS 수신기 설치 위치와 실제 제원실측 지점에 대한 차이로 발 생된 오차로 판단된다.

(2) 2축경사계 기준점 산출

2축경사계는 교량 시공 중 주탑 내부에 설치되기 때문에 주탑의 안정화 기간 동안 발생된 영구 처짐에 의해 수평 및 수직 방향으로 정오차가 발생된다. 여기에서 정오차량은 주탑이 거동하지 않아도 발생하는 오차량으로 2축경사계의 기준과 같다. 2축경사계를 통한 변위 계측원리는 흙막이 및 물막이 공사에서의 원리와 동일하며 환산식은 Eq. 2와 같다(Gorska and Wyjadlowski, 2012).

\(\delta = L_1\times tan\Theta_1 + L_2\times tan\Theta_2 + L_3\times tan\Theta_3 + C\)        (2)

여기서, δ는 변위, L_n은 각 2축경사계 사이 거리, θ_n은 2축경사계에서 취득된 관측각, C는 보정상수이다. Eq. 2를 이용해 취득된 데이터들은 GNSS 시스템과 동일한 방법인 관측방정식 Eq. 1을 적용하여 2축경사계의 기준축을 계산할 수 있다. Table 3은 계산된 2축경사계의 기 준변위이다.

Table 3. Reference value of dual-axis inclinometer

Table 3에서 각 2축경사계의 초기값에 대한 오차는 2 축경사계를 설치하는 과정에서 수평이 서로 달라 발생되는 오차로 판단된다. 2축경사계는 앵커볼트를 설치하고 앵커볼트에 지그를 고정하여 센서를 부착하였다. 그리고 센서를 보호하기 위한 보호커버를 부착하였다.

(3) 주탑거동의 기준축 산출

GNSS에서 취득한 데이터를 교축방향 및 교축직각 방향을 기준으로 초장대현수교의 상대변위 및 거동 특성을 분석하기 위한 기준좌표는 GNSS 데이터를 활용하였으며, Table 4와 같다.

Table 4. Reference axis of bridge

Table 4에서 PYW-PYE의 계산오차 3.99″와 PY2-PY1의 계산오차 3′ 41.71″는 GNSS 수신기 설치 위치가 교량 주탑의 정중앙에 설치되지 않아 발생된 것으로 판단되었다. 본 데이터를 통해 대상교량의 교량진행방향은 경선(Longitude)과 거의 일치한 것으로 나타났다.

2) 계측 데이터 처리

주탑에서 발생된 영구 변위량 및 안정화 평가를 위해 2012년 4월 10일부터 2012년 6월 30일까지의 데이터를 처리하였다. 또한 교량의 풍속 및 풍향에 대한 거동특성을 파악하기 위해 데이터 처리기간 중 최대풍속이 발생한 시점(2012년 4월 26일)을 기준으로 전·후 기간 동안의 데이터를 처리하였다.

영구 변위 분석을 위한 데이터 처리간격은 24시간 단위로 하였으며, 풍속에 따른 장대교량 주탑의 거동 특성 파악을 위한 데이터 처리간격은 2축경사계 및 변형률계의 자료 취득시간을 고려하여 30분 단위로 처리하였다. 교량 주탑의 영구 변위 산출은 계측 시작시점과 종료시점에 산출된 주탑의 고정변위를 서로 차분하여 시공 중 발생한 영구 변위량을 산출하였다.

2축경사계를 활용한 영구 변위 분석을 위한 데이터처리 간격과 주탑의 안정화 평가, 풍속에 따른 장대교량 주탑의 변위 특성을 파악하기 위한 데이터 처리 간격은 GNSS와 동일하게 처리하였다. 2축경사계를 이용한 영구 변위는 Eq. 2에서 경사각(θ_n)이 0일 때 보정상수 (C)는 해당 날짜에 누적된 영구 변위량이 되며, 순간 변위는 Eq. 2에서 해당 날짜에 영구 변위량(C)을 차분하면 시간별 발생한 순간 변위를 산출할 수 있다. 따라서 2축경사계에 대한 영구 변위 및 순간 변위는 각각 Eq. 3와 Eq. 4로 나타낼 수 있다.

\(\delta_{permanent} = C_1-C_n\)          (3)

\(\delta_{moment} = L_1\times tan\Theta_1 + L_2\times tan\Theta_2 + L_3\times tan\Theta_3\)         (4)

풍향풍속계에서 취득된 데이터 처리는 풍속에 의한 주탑의 변위 특성을 단순화하고, 직접적인 영향을 평가 및 해석하기 위해 풍속을 교축과 교축직각 방향으로 환산하여 연구에 적용하였으며, 주탑의 안정화 평가는 영구 변위의 변화 이력을 추세선으로 도식화하여 분석하 였다.

4. 데이터 분석

본연구에서는초장대현수교의시공직후거동과풍향 풍속에 따른 거동을 분석하기 위해, 교량의 거동특성을 장기적 거동과 순간적 거동으로 분류하여 분석하였다.

1) 장기거동 분석

(1) 영구 변위 산출

Fig. 3와 Table 5은 영구 변위 분석결과이다. 변위가 발생하였을 때 GNSS와 2축경사계의 계측 양상은 유사하였으나, 영구 변위량은 다른 거동을 보였다. 관측된 영구 변위량은 Table 5와 같다.

Fig. 3. Long-term GNSS and clinometer displacement of bridge.

Table 5. Long-term displacement

Fig. 3와 Table 5에서 GNSS와 2축경사계 사이에서 나타난 결과값의 차이는 2축경사계의 기준축이 교량의 기준축과 서로 불일치하면서 교축방향으로 발생된 변위의 영향을 받아 발생하는 것으로 판단된다. GNSS는 관측 데이터 사이에 오차가 서로 독립성을 유지하지만 2축경사계는 다양한 정오차에 의해 관측 데이터 사이에 오차가 전파된다(Gorska et al., 2012). 따라서 두 관측값 간의 차이는 2축경사계의 정오차로 Bias-shift와 센서위치 오차로 판단된다. 여기서 Bias-shift는 Eq. 2에서 보정상수(C) 값에 존재하며, 센서 위치 오차는 Eq. 2에서 센서 간의 거리(L_n) 값에 의해 발생된다.

(2) 주탑 안정화 평가

주탑의 안정성 평가는 관측된 주탑의 변화 이력을 3차 다항식으로 도식화하여 분석하였으며, 그 결과는 Fig. 3에 일점쇄선과 같다. Fig. 3에 나타난 결과처럼 2축 경사계와 GNSS 시스템 모두 2012년 5월 12일을 기점으로 추세선의 기울기가 0에 가까운 안정화 추세를 보였다.

따라서 대상교량의 주공정인 보강거더 가설완료 시점(2012년 2월)으로부터 교량의 주탑이 안정화되는 시기인 임시준공 전(2012년 5월)까지 약 4개월 동안 주탑의 영구 변위가 발생하였으며, 교축방향으로 발생한 영구 변위량은 GNSS 약 160 mm, 2축경사계 약 240 mm으 로 나타났다.

2) 순간거동 분석

순간거동 분석은 주탑의 순간 변위를 산출하였으며, 산출 결과를 이용하여 풍하중에 의한 주탑의 거동 특성을 파악하였다. 또한, 순간 변위에 대한 각 센서간 상관 관계를 분석하였다.

(1) 순간 변위 분석

순간 변위는 풍향풍속계 데이터 중 풍하중이 가장 강한 2012년 4월 26일을 기준으로 분석하였으며, 그 결과는 Table 6, Fig. 4와 같다.

Table 6. Short-term displacement

Fig. 4. Short-term displacement of bridge.

Table 6에서 최대변위의 방향과 주탑이 평균적으로 거동하는 방향은 두 계측기 모두 동일한 것으로 나타났지만, 변위량은 2축경사계와 GNSS 모두 수치적으로 차이를 보였다. 이는 GNSS는 주탑 최상단에 설치되어 있지만, 2축경사계는 주탑 상단가로보에 설치되어 있어 두 계측 기간의 설치된 위치에 대한 높이 차이(18 m)로 인해 발생된 오차로 판단된다.

Fig. 4에서 GNSS와 2축경사계는 매우 유사한 계측 양상을 보였고, 풍향이 교축방향인 풍속과 교축방향으로 발생한 변위는 약간의 시간차를 두고 유사한 변화 양상을 보였다. 그리고 GNSS와 변형률계는 최대치가 되는 시점과 변화 양상이 서로 달랐다.

결과적으로 계측기들은 서로 수치적·시간적 차이가 존재했고, 초장대현수교 주탑의 변위는 주로 교축방향 에 따라 발생하며, 교축직각방향으로는 변위가 상대적으로 작은 것을 확인할 수 있었다.

(2) 풍하중에 의한 주탑 거동 특성 분석

초장대현수교는 2개의 주탑(PY1, PY2)이 주케이블에 의해 서로 연결되어 있기 때문에, 각 주탑사이의 상관관계를 분석하여 풍하중에 의한 교량 전체의 거동 특성을 파악하였다. 각 주탑 사이의 상관관계는 Table 7과 같이 분석되었으며, 풍향풍속과 변위 사이의 상관관계는 Table 8과 같았다.

Table 7. Correlation between observed locations

Table 8. Correlation between directions of displacement and wind

대상교량은 2개의 주탑이 존재하며, 주탑은 H형태로 2개의 기둥에 3개의 보로 연결되어 하나의 주탑을 이루고 있다. 각 주탑 사이의 상관관계를 분석한 결과, 각 주탑은 구조적 영향으로 두 기둥(West, East)이 Table 7과 같이 서로 동일한 거동을 나타내는 강한 양의 상관관계를 보였지만, 2개의 주탑(PY1, PY2)은 서로 상반되는 거동을 나타내는 강한 음의 상관관계를 보였다. 이는 풍하중에 의해 상부구조가 수직운동을 하면서 주케이블에 응력을 가하고, 이를 지지하는 두 주탑은 서로 상반된 거동을 하는 것으로 판단된다. 또한 풍향풍속과 변위 사이의 상관관계를 분석한 결과, 초장대현수교 주탑의 교축방향 거동은 교축방향으로 향하는 풍하중과 강한 상관관계를 가지는 점을 알 수 있었으며, 이외에는 상관관계가 없는 것으로 나타났다.

(3) 센서간 상관관계 분석

마지막으로 대상교량의 거동을 계측한 GNSS, 2축경사계, 풍향풍속계, 변형률계의 계측 데이터간의 상관관계는 Table 9와 같다.

Table 9. Correlation between sensing data

계측센서들 사이의 상관관계를 분석한 결과, GNSS는 2축경사계와 강한 상관관계 보였으며, GNSS와 풍향 풍속계와의 상관관계는 2축경사계와 풍향풍속계의 상관관계와 유사한 수치를 보였다. 하지만 GNSS와 변형률계와의 상관관계에서는 2축경사계와 변형률계의 상관관계보다 높은 상관관계를 보였다. 이는 교축방향으로 작용하는 응력만을 계측하는 변형률계의 특성을 고려했을 때, GNSS는 절대좌표 취득으로 교량의 기준축이 정확하게 계측 데이터에 반영되지만, 설치 환경에 영향을 받는 2축경사계는 센서의 기준축과 교량의 기준축이 서로 불일치하여 나타난 결과로 판단된다.

결과적으로 교량의 거동특성 파악에서는 GNSS 모니터링 시스템이 2축경사계보다 신뢰성이 높은 것으로 나타났다.

5. 결론

본 연구에서는 초장대현수교의 거동 관측을 위하여 2축경사계, 풍향풍속계, 변형률계와 GNSS 모니터링 시스템을 활용하였다. 특히, GNSS를 활용하여 초장대현수교의 주탑의 영구 변화 및 안정성 평가, 풍하중에 의한 교량 주탑 거동을 분석한 결과 다음과 같은 결론을 도출할 수 있었다.

(1) 초장대현수교인 대상교량은 주탑이 시공된 후부터 임시개통 전까지 지속적으로 영구 변위가 발생하였으며, 임시개통 이후부터 주탑이 안정화된 것으로 나타났다

(2) 풍하중에 의한 교량 주탑의 거동 특성을 분석한 결과, 교량의 주탑은 교축방향으로 작용하는 풍하중에 의해 거동함을 알 수 있었다. 또한 바람에 의해 상판구조물이 수직방향으로 거동하는 현상으로 각 주탑은 서로 상반된 변위 특성을 나타냄을 알 수 있었다. 결과적으로 교축방향으로 작용하는 풍하중은 상판에 많은 영향을 미치고, 이로 인해 주탑이 서로 상반되는 거동을하는 것으로 나타났다

3) GNSS 관측을 통해 초장대현수교의 지속적인 관측이 가능하며, 각 데이터 간 독립성을 가지는 특성으로 인해 관측값에 오차가 누적되는 문제를 해결할 수 있 었다.

GNSS를 활용한 교량 계측은 분석 목적에 따라 데이터 처리가 용이한 것으로 나타났다. 또한, 초장대교량의 유지관리에 있어 기존의 계측센서와 GNSS을 활용한다면 각 계측 데이터의 오차 파악 및 보정을 통한 모니터링 시스템의 개선효과와 정확한 변위관측, 그리고 거동 특성을 함께 파악하는 효과적인 모니터링 시스템 구현이 가능할 것으로 기대된다. 또한, 기존 GNSS를 이용한 교량분석 연구들은 시공이 완료되었거나 노후화된 교량에 대하여 관리적 측면에서 모니터링을 하는데 목적을 가지고 수행되었다. 하지만 본 연구는 GNSS를 이용하여 시공단계에서부터 시공측면에서 초장대교량의 영구 변위량과 변위 특성을 파악하고, 각 계측장비의 통합관리 시스템을 구축함에 있어 기초 자료로 활용될 수 있을 것으로 기대된다.