교량 모니터링을 위한 스마트 무선 계측 시스템 개발 document_id A220517030220

현재 운용 중에 있는 상시 모니터링 시스템의 높은 초기 설치비용과 유지관리비용은 중소 규모 교량들에게 모니터링 시스템의 보급을 어렵게 만드는 가장 큰 요소이다. 이러한 이유로 저비용 모니터링시스템에 대한 필요성이 전 세계적으로 요구되었고, 그 해결 방안으로 무선 데이터 통신, 저가, 저전력, 지능화가 가능한 스마트 센서 장치에 대한 연구가 활발히 수행되고 있다. 유선에 기반을 둔 모니터링시스템의 높은 비용을 낮추기 위한 방안으로 유선을 무선으로 대체하자는 주장이 Straser et. al에 의하여 처음으로 제안된 이후, Lynch et. al이 지속적인 연구를 통해 WiMMS를 개발하여 무선으로 데이터 획득하여 구조물의 동특성을 분석하는 실험을 성공적으로 수행하였다. Maser et. al은 교량의 상태와 성능을 원격 감시하기 위한 무선 전역적 교량 평가 및 감시 시스템을 제안하였으며, Mitchell et. al은 스마트 구조물의 상시 감시를 위한 무선 데이터 획득 시스템을 연구 발표하였다. Agre et. al은 센서 장치와 양방향 통신 또는 P2P 통신을 지원하는 AWAIRS라는 무선 센서 장치 시제품을 발표하였다. Kurata et. al은 MICA mote를 개선하여 2층 모형구조물을 이용한 자유 진동 실험과 모니터링 실험을 실시하여 진폭이 작은 진동에서는 구조물의 응답 검출에는 MICA의 성능이 문제가 되지만, 구조물이 붕괴가 될 정도의 위험 상황에서는 충분히 구조물의 손상 징후를 파악할 수 있는 응답을 획득할 수 있다는 결과를 발표하였다. 본 논문에서는 MEMS센서와 블루투스 무선 통신 모듈을 이용하여 교량 모니터링을 위한 무선 계측 시스템 개발에 대한 연구를 수행하였다. 이를 위하여 먼저, MEMS센서의 가속도 측정 범위 및 주파수 응답 범위 성능을 검증하기 위한 실험을 수행하였고, 교량 계측에 적합성 여부를 판단하였다. 다음으로는 개발된 무선 가속도 센서 시스템을 공용중인 교량에 설치한 후, 교통하중에 의한 진동데이터를 획득하여 교량의 동특성을 실시간 분석하였다. 이때 분석결과는 대상교량의 FE 해석결과와 비교를 통하여 무선 가속도 센서 시스템의 성능을 평가하였다. 이상의 실험적 연구를 통해 다음과 같은 결론을 얻었다. 실험 결과, 개발된 스마트 무선 센서 시스템은 고성능의 압전형 가속도 센서에 비하여 동적 범위와 측정 주파수 범위 성능은 낮으나, 30Hz 미만의 저주파수 대역 측정에는 적용이 가능할 것으로 판단된다. 또한, 개발된 스마트 무선 센서 시스템의 최대 통신 거리 측정 결과, 약 280m 범위까지 신뢰성 있은 통신 거리의 확보가 가능함을 확인하였다. 종국적으로, MEMS센서와 블루투스 무선 통신 모듈을 이용하여 개발한 무선 가속도 센서는 교량과 같은 저주파수 진동특성을 갖는 건설구조물의 계측에 효과적으로 사용할 수 있을 것으로 판단된다.