교량 엔지니어링에 상태 모니터링을 적용하시겠습니까?

교량 건설에서 중국의 업적

중국은 4대 고대 문명의 일원으로서 매우 길고 화려한 문화를 가지고 있습니다. 교량 공학 분야에서 주(周)나라와 진(秦) 왕조 시대에는 기본적으로 세 가지 유형의 교량이 있었습니다. 한 왕조 시대에는 가대 건설이 주요 초점이었습니다. 두 송대에는 기술이 점점 성숙해지고 비약을 이루었으며, 원, 명, 청대에는 규모가 더욱 발전하여 중반에 들어서면서 기술이 뒤처지기 시작했습니다. 그리고 청나라 말기. 같은 시기 세계수준에 비하면 우리나라는 오랜 기간 동안 수많은 종류의 교량을 건설하였고 수많은 우수한 작품이 오늘날까지 전승되고 있습니다.

서기 605년에서 616년 사이에 건설된 자오저우 대교는 중국 최초의 현존하는 가장 완벽한 개방형 석조 아치교일 뿐만 아니라 세계 교량 건설에 지대한 영향을 미칩니다. 전 세계 미래 세대의. 자오현 샤오허(Xiaohe) 강을 가로지르는 이 다리는 양쪽 끝에 큰 아치가 겹쳐져 있고 물을 전환하는 데 사용되는 작은 아치가 나란히 있는 28개의 돌 아치로 이루어져 있습니다. 그 건축 구조는 독특합니다. 고대부터 이 다리는 1991년에 "국제 토목 공학 역사 기념물"로 선정되었습니다. 미국 토목공학회. "세상에 이렇게 긴 다리는 없다"고 알려진 안평교는 800여년 전 남송 왕조에 건설되었으며 길이가 2,000m가 넘습니다. 국가일 뿐만 아니라 세계에서 가장 긴 석조 다리이기도 합니다. 또한 중국 3대 고대 다리 중 첫 번째인 마르코 폴로 다리, 세계 역사상 뗏목 기초와 종자 굴 사용을 개척한 낙양 다리(완안 다리라고도 함)가 있습니다. 교량 건설, 경간 103m의 광지교(Guangji Bridge)는 중국 및 세계 최초의 전환 가능한 석교입니다.

당시 전당강대교, 우한장강대교, 난징장강대교는 우리나라가 현대교량강국을 향해 전진하라는 클라리온을 울렸다. 불완전한 통계에 따르면 2009년 말까지 우리나라의 고속도로, 철도, 도로-철도 교량의 총 수는 양쯔강과 황허에만 ​​250개 이상을 포함해 60만 개가 넘었습니다. 그 중 장강과 그 지류인 투오퉈강, 퉁텐강, 진샤강에는 약 130개가 있고, 황하에는 120개 이상이 있습니다. 완성된 사장교, 현수교, 아치교, 빔교 중 24개 교량이 유사교량 경간 기준으로 세계 10위 안에 들어 60%를 차지한다. 그중에는 사장교 6개, Sutong Yangtze River Bridge(주 경간 1088m 강철 상자) 및 Hong Kong Stonecutters Bridge(주 경간 1018m 분리 강철 상자)가 각각 1위와 2위를 차지했습니다. 현수교 4개, Zhoushan West Houmen 교량(주경간 1018m) 경간 1650m 분할 강철 상자, 세계 최초) 및 Runyang Yangtze River Bridge(주 경간 1490m 강철 상자)가 각각 2위와 4위를 차지했으며, 충칭 Chaotianmen Yangtze River Bridge(주 경간 552m 연속 강철 트러스 타이)가 8개 있습니다. 아치), 상하이 루푸 대교(주 경간 550m, 강철 상자 바구니 타이 아치)가 각각 6개 거더 교량으로 1위, 충칭 시반포 장강 대교(주 경간 330m 철근-콘크리트 하이브리드 강체 프레임)가 연속 1위를 차지했습니다. 해상 교량 중 닝보 항저우만 대교는 총 길이가 36km로 세계에서 가장 길다. 동중국해 대교는 총 길이가 32.5km이다. 54.68km, 상하이 장강 터널 및 교량 프로젝트 - 남 터널, 북 교, 터널 길이 8.9km, 교량 길이 10.3km로 지금까지 세계 최대 규모의 터널-교량 결합 프로젝트입니다.

교량의 형태에 관계없이 대부분의 기본 자재는 돌, 목재, 콘크리트, 강철 등으로 분류되며 이러한 자재는 내구성 측면에서 다양한 정도의 문제를 갖고 있어 특별한 주의가 필요합니다. . 따라서 우리나라의 교량 건설이 정점에 도달함에 따라 국제 교량 분야의 최신 개발 지침과 함께 중요한 교량의 운영 상태에 대한 실시간 모니터링이 점점 더 중요해지고 있습니다. 국내 발전의 핫스팟이 될 것입니다.

교량 상태 모니터링 시스템 개발 소개

상태 모니터링은 지난 10~20년 사이에 등장한 기술적 방향이지만, 역사를 추적해 보면 구조 모니터링은 고대부터 있었습니다. 중국에서는 일반적으로 고대 탑에 다양한 종을 설치하며, 이러한 종은 구조물이 강하게 흔들릴 때 관광객에게 대피하도록 알리는 조기 경고 기능도 있습니다. 또한 중국의 모니터링 및 감지 기술도 오랜 역사를 가지고 있습니다. 한 왕조의 고대 서적에는 대기 온도와 풍속 및 풍향을 측정한 기록이 포함되어 있습니다. 1969년에 Lifshitz와 Rotem이 작성한 논문은 동적 반응 모니터링을 통해 구조적 건전성을 평가하는 현대 구조 건전성 모니터링의 개념을 자세히 설명한 최초의 논문으로 간주되었습니다. 그 결과 교량 건전성 모니터링이 전 세계적으로 발전했습니다. .

엔지니어링 분야: 1987년 영국은 총 길이 522m의 3경간 연속 강박스 거더 교량인 포일 브리지(Foyle Bridge)에 센서를 배치하여 교량의 진동, 처짐, 변형을 모니터링했습니다. 교량 운영 단계에서 차량 및 풍하중의 영향을 받는 주 대들보에 대한 응답을 기다리는 이 시스템은 설치된 최초의 비교적 완전한 상태 모니터링 시스템 중 하나였습니다. 노르웨이의 Skamsundet 사장교, 덴마크의 Faroe 횡단 사장교, 주 경간이 1624m인 Great Belt East 현수교와 같은 장경간 교량에도 모니터링 시스템이 설치되었습니다. 캐나다의 견고한 프레임 교량 및 일본의 Akashi Kaikyo Bridge 1997년 홍콩의 Tsing Ma Bridge, Kap Shui Mun Bridge 및 Ting Kau Bridge의 3개 교량에 바람 및 구조 모니터링 시스템이 설치되었습니다.

이후 중국 본토의 Donghai Bridge, Humen Bridge, Xupu Bridge, Jiangyin Yangtze River Bridge와 같은 교량에도 다양한 규모의 구조 모니터링 시스템이 구축되었습니다.

학계에서는 1988년 일본 도쿄에서 열린 제9차 지진공학 세계회의(9WCEE)에서 토목공학의 적극적 통제가 처음으로 국제적 규모로 논의됐다. 1994년에는 구조제어에 관한 국제학회(IASC)가 공식적으로 설립되었고, 같은 해에 제1회 구조제어에 관한 세계회의가 개최되었습니다. 상황 전개의 요구에 부응하기 위해 2006년 이후 국제 구조 제어 학회(IASC) 회의는 구조 제어 및 모니터링에 관한 국제 회의(구조 제어 및 모니터링에 관한 세계 회의)로 명칭이 변경되었습니다.

건전성 모니터링 분야의 주요 연구 진행

교량 건전성 모니터링의 개발 이력과 현황을 토대로 볼 때, 주로 다음과 같은 기술적 문제와 연구 진행 상황을 볼 수 있다.

첫째, 건강 모니터링 시스템의 전반적인 설계입니다. 상태 모니터링 시스템의 전반적인 설계 원칙은 다음과 같습니다. (1) 모니터링 지점의 레이아웃은 교량 구조의 취약성 분석 결과와 유지 관리 요구 사항을 기반으로 합니다. 안전성, 내구성, 사용성 실시간 모니터링과 상시 모니터링을 결합한 방식으로 구조물 모니터링을 시작하고, 최소한의 센서와 최소한의 데이터로 작업을 완료하도록 노력합니다. (3) 구조물 변위 모니터링에 중점을 두고, 힘, 응력 및 모달 해석의 도움을 받습니다. 모니터링 내용에는 주로 하중원, 시스템 특성, 구조적 응답이 포함됩니다. 현재 건강 모니터링 시스템의 설계는 주로 센서 시스템 설계를 결정하기 위한 경험과 프로젝트 자금 제약에 기초하고 있습니다. 동시에 센서 시스템 설계에 대한 결정적인 표준은 없습니다. 건전성 모니터링 시스템을 통해 얻어야 할 사항 데이터가 구조물의 상태 평가에 중요한 역할을 하는 명확한 방법은 없습니다. 둘째, 센서 전송 기술이다. 간섭에 취약하고 전송선이 너무 긴 기존 감지 테스트 기술과 같은 단점은 더 이상 교량 상태 모니터링의 개발 요구 사항을 충족하지 못합니다. 현대 과학 및 기술의 지원으로 최근 몇 년 동안 광학을 포함한 많은 새로운 감지 기술이 개발되었습니다. 광섬유 감지, 무선 감지, GPS 기술 및 인터넷 데이터 통신 기술이 주요 기술 대표자입니다. 최적의 센서 배열 문제도 점점 더 많은 사람들의 관심을 끌고 있습니다. 센서의 유형, 수량 및 배열 위치는 모니터링 효과와 큰 관계가 있습니다. 제한된 센서를 어떻게 합리적으로 배열할 수 있는지는 항상 제한되어 있습니다. 그 효과를 극대화하는 것은 건강 모니터링의 핵심 기술 중 하나이자 향후 발전 방향 중 하나이기도 합니다. 셋째, 데이터 융합 기술이다. 다중 센서 데이터 융합 기술은 강력한 시공간 범위 기능과 다중 소스 불확실성 정보에 대한 포괄적인 처리 기능을 통해 구조 시스템을 효과적으로 모니터링하고 진단할 수 있습니다. 현재 개발 중인 데이터 융합 기술로는 가중평균, 칼만 필터, 베이지안 추정, 통계적 의사결정 이론, 증거 이론, 퍼지 추론, 신경망 등이 있다. 기존 상태 모니터링 시스템은 대부분 데이터 수집 및 단순 데이터 분석 단계에 머무르는 동시에 교량 상태 모니터링 시스템은 이러한 테스트 데이터와 정보를 통합하고 해석하는 데 여전히 많은 문제가 있습니다. , 구조의 실제 상태를 합리적으로 평가하는 데 큰 어려움이 있습니다. 넷째, 시스템 및 피해 식별 이론에 대한 연구이다. 현재 주요 연구 방법으로는 진동 기반의 구조적 손상 식별 방법과 모델 수정 방법이 있습니다. 구조적 상태 평가의 중요한 부분인 구조적 손상 식별은 최근 건강 모니터링 분야의 연구 핫스팟 중 하나였습니다. 구조적 주파수, 변위 모드, 변형 모드, 곡률 모드, 변형 에너지를 기반으로 한 방법이 있었습니다. 강성, 컴플라이언스, 에너지 방법, 주파수 응답 기능 및 일련의 손상 식별 방법. 모델 수정 방법은 주로 운동 방정식, 테스트 결과 및 유한 요소 모델 구성 제약 조건 최적화 문제를 기반으로 구조적 강성, 질량 및 감쇠 분포를 지속적으로 수정하여 응답을 실제 응답에 최대한 가깝게 만듭니다. 구조 모델 수정은 상태 모니터링을 위한 기본 모델을 제공할 수 있으며 테스트 결과의 역전을 기반으로 구조적 손상 식별 및 성능 시뮬레이션을 위한 좋은 기반을 제공합니다. 다섯째, 구조적 건전성 평가이다. 구조상태 평가방법은 구조성능을 반영하기 위해 얻을 수 있는 내부정보를 주로 활용하여 구조물의 시공 및 운영 등 작동상태를 평가하는 방법으로 현재 주로 신뢰도 이론, 분석적 계층구조 과정, 퍼지 이론, 신경망 등이 있다. 전문가 시스템 등 건강 모니터링 시스템의 구조적 상태 평가는 대량의 구조 모니터링 데이터에서 구조적 특성을 반영하는 특징을 추출하여 구조에 대한 실시간 및 정기적 평가를 완료해야 하며, 이는 필연적으로 특징 추출, 데이터 융합 및 구조 데이터의 성능을 수반합니다. -만들기 등이 있지만 현재 이 분야에서는 작업이 덜 이루어졌습니다.

교량 건전성 모니터링 예시---동해대교

동해대교 프로젝트는 2002년 6월 26일 공식적으로 착공해 35개월 간의 고된 공사 끝에 5월 25일 완공됐다. , 2005. 2일 준공되었으며, 우리나라 최초의 진정한 해상교량입니다. 동해대교는 상하이 난후이구 루차오항에서 출발해 북쪽은 상하이-루 고속도로와 연결되고, 남쪽은 항저우만의 북쪽 해역을 가로질러 저장성 성쓰현 소양산도에 이른다. 그 중 육지 구간은 약 3.7km이며, 조강신제방과 다우귀도 사이의 해상 구간은 약 25.3km, 다우귀도와 소양산도 사이의 항구 교량 연결 구간은 약 3.5km이다.

교량은 비상주차구역을 갖춘 왕복 6차선 고속도로 기준에 따라 설계되었으며, 교량폭은 31.5m, 설계속도는 시속 80㎞로 밀착 배치를 통해 검증됐다. 대형 컨테이너 및 대형 차량은 레벨 12의 태풍과 레벨 7의 지진을 견딜 수 있습니다. 설계 기준 기간은 100년입니다. 동중국해 대교는 상하이 국제 해운 센터 양산 심해 항구 지역의 첫 번째 단계를 위한 중요한 지원 프로젝트로 양산 심해의 육상 컨테이너 수집 및 유통, 물 공급, 전력 공급, 통신 및 기타 요구 사항에 대한 서비스를 제공합니다. 항구 지역. 동중국해 대교의 완공 및 개통은 양산 심해항 개항 및 추가 발전을 위한 견고한 기반을 마련했으며 상하이 국제 해운 센터 건설을 가속화했습니다. 동해대교는 당시 상하이시 정부에 의해 "1호 프로젝트"로 선정되었습니다. 구조 건설이 진행되는 동안 건강 모니터링 시스템 구축도 그 중요성이 분명했습니다. 2006년 10월 동해대교 모니터링 시스템이 성공적으로 구축되어 2007년 공식적으로 사용되었습니다.

동해대교의 모니터링 내용에는 주로 환경 매개변수, 구조적 정적 및 동적 응답, 구조적 내구성이 포함됩니다. 환경 변수에는 주로 풍속, 지진, 파도 및 세굴 등이 포함됩니다. 구조 응답의 주요 모니터링 내용에는 사장교 타워의 변형, 연속 빔의 처짐, 댐퍼 및 확장 조인트의 변형이 포함됩니다. , 메인 빔의 손상, 메인 빔 및 타워의 진동 및 스테이 케이블의 응력. 구조적 내구성 모니터링에는 철골 구조물의 피로와 콘크리트 구조물의 만성 부식이 포함됩니다.

Donghai Bridge에서 사용되는 기본 모니터링 방법에는 FBG 센서를 사용하여 응력과 온도를 측정하는 것, GPS를 사용하여 구조적 변형을 모니터링하는 것, 피로 센서를 사용하여 교량 메인 빔의 피로를 측정하는 것 등이 있습니다. 전체 교량은 주 경간의 169개를 포함하여 478개의 센서를 사용합니다.

데이터 평가 체계는 온라인 평가와 오프라인 평가로 구분된다. 네트워크 모니터링은 자동 모니터링 시스템으로, 구조물의 안전성을 판단할 수 있을 뿐만 아니라 수집된 데이터를 분석할 수도 있습니다. 자동 모니터링 시스템은 관리자에게 경고하고 즉시 오프라인 평가를 시작해야 하는지 여부를 자동으로 결정할 수도 있습니다. 오프라인 평가 시스템은 구조 정적 분석, 모달 분석, 교량 기계적 거동 및 환경 요인의 수정 분석 등과 같은 좀 더 고급 분석을 수행할 수 있습니다. 이 시스템에는 교량 상태에 대한 포괄적인 평가를 제공하기 위해 광범위한 구조 분석과 전문가 판단이 필요합니다.

교량 구조물의 모니터링 데이터에는 정상적인 작동 조건뿐만 아니라 극심한 하중(예: 태풍, 지진, 폭발, 선박 충돌 등)을 받는 교량 구조물의 반응도 포함됩니다. 대량의 모니터링 데이터를 확보한 후에는 보다 심층적인 분석과 정리가 필요하다. 먼저, 데이터 중 어떤 부분이 환경 변화에 따른 구조적 반응에 의한 것인지, 어떤 부분이 구조적 손상에 의한 것인지 등을 구분해야 한다. , 차트 등을 활용합니다. Form은 데이터에 담긴 고유한 법칙과 변화를 표현한 후, 구조의 전반적인 상태를 평가합니다.

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