Original Article

Journal of Korean Society of Disaster and Security. 31 December 2024. 1-11
https://doi.org/10.21729/ksds.2024.17.4.1

ABSTRACT


MAIN

  • 1. 서 론

  • 2. 본 론

  •   2.1 디지털 센싱 기반 모니터링 시스템 개발

  •   2.2 실시간 회전각 데이터 기반의 처짐계산 알고리즘

  •   2.3 디지털 센싱 기반 모니터링 시스템의 국내 실증

  •   2.4 디지털 센싱 기반 모니터링 시스템의 해외 실증

  • 3. 결 론

1. 서 론

최근 우리나라에서 노후 교량이 급격하게 증가하고 있는 가운데, 상대적으로 안전관리에 취약한 중 ‧ 소규모의 노후 교량에 대한 상시 모니터링의 필요성이 늘어나고 있다(Sun et al., 2023; Park et al., 2020). 우리나라는 ‘지진재해대책법’, ‘케이블교량 방재시설 설치 및 관리 요령’, ‘특수교 계측시스템 설치 및 운영 요령’ 등 케이블 교량과 같은 특수교의 경우에는 계측시스템(Structual Helath Monitoring System, SHMS) 설치가 일반화되고 있고 다양한 설치방법 및 운영방안 들이 제시되고 있다. 국도상의 케이블교량은 국토안전관리원이 국토교통부로부터 유지관리를 위탁받아 수행하고 있으며, 지자체에서도 전문업체와 함께 교량 계측시스템 관리 및 운영을 수행하고 있어 비교적 유지관리가 적절히 수행되고 있다고 평가되고 있다. 이러한 계측시스템은 GPS, 가속도계, 변위계, 경사계, 온도계 등의 다양한 센서를 활용하여 교량의 처짐, 변위 등에 대해 안전관리 및 유지관리 효율성 향상 등을 위해 상시 계측을 수행하고 있다(Jo et al., 2008; Choi et al., 2010; Kim and Nam, 2020; Song et al., 2022). 다양한 센서들을 활용하여 많은 연구가 진행되고 있다. 경사계를 활용한 교량의 처짐 분석(Hou et al., 2005), 디지털 이미지를 활용한 교량의 거동분석(Yoneyama and Ueda, 2012), GPS를 이용한 실시간 거동 모니터링(Choi et al., 2010), 도로하중에 대한 응답변화를 활용한 교량의 처짐 모니터링(Tang et al., 2024) 등 국내 ‧ 외에서 많은 연구자들이 활발하게 연구를 진행하고 있다. 그러나, 상대적으로 중 ‧ 소규모의 교량에 대해서는 계측시스템 설치가 일반적이지 않으며, 정기적으로 수행되는 점검 및 진단에 의존하여 유지관리가 수행되고 있다. 이러한 이유로 중 ‧ 소규모의 노후교량, 3종 시설물 등은 유지관리 사각지대에 속해 있다. 최근 발생한 분당 정자동의 장자교의 붕괴 사고 등과 같이 많은 노후 교량이 갑작스러운 재난 예 ‧ 경보에 취약한 상황에 놓여있다고 할 수 있다. 센서 기반의 교량 계측시스템은 교량의 안전과 관련된 다양한 지표를 상시적으로 모니터링하여 교량의 거동 변화를 지속적으로 관찰함으로써 유지관리 관점에서 많은 장점이 있지만, 특수교와 같이 많은 센서를 설치하는 것은 경제적인 측면에서 비효율적이기 때문에 효과적으로 구조 거동 및 안전성을 감시할 수 있는 새로운 방식의 모니터링 시스템이 요구되고 있다. 이러한 배경으로 2021년 국토교통부에서는 노후교량, 3종 시설물, 안전등급 C등급 이하의 교량에 대해서 IoT센서 기반의 계측시스템을 구축하는 사업을 추진하고 있으며, 이 사업에서는 가속도계 기반과 변위 기반으로 설치 유형에 대해 교량별로 4~5개의 가속도계, 변위계, 경사계, 온도계 등의 IoT 센서를 설치하여 교량의 강성 변화, 교대 부등침하 및 협착 등에 대해 통합 관리할 수 있는 상시 모니터링을 전국적으로 구축하고 있다. 하지만 IoT 센서의 통신, 시간동기화 및 상시전원 공급 등의 문제로 인하여, 동적 거동이 안전성 평가에 매우 중요한 교량에 대해 IoT 센서의 활용과 데이터 획득에는 한계가 존재한다.

따라서, 본 연구에서는 이러한 기존 제약사항을 개선하기 위해 아날로그-디지털 변환기(A/D converter)가 내장된 디지털 센서와 신호케이블의 직렬 체인연결 기술을 활용한 구성방식을 적용한 새로운 시스템을 개발하여 현장 설치를 매우 간소화할 수 있는 모니터링 시스템을 고안하였다. 제안된 시스템은 교량 현장단에서는 유선으로 데이터를 취득 및 분석한 후, 원격지의 관리자에게 전송하는 방식으로 운영이 가능하며 교량의 동적 처짐, 동특성 등 다양한 정보를 수집 및 분석할 수 있다. 특히 실시간 동적 변위는 교량의 거동 및 안전성 평가에 있어 가장 중요한 지표 중에 하나로서, 현행 ‘시설물의 안전 및 유지관리에 관한 특별법’에 의한 내하 성능을 계산하기 위해서 취득해야 하는 가장 중요한 계측 항목이라 할 수 있다. 본 연구에서는 이러한 실시간 동적변위 측정을 위하여 교량 경간에 일정 간격으로 경사계를 일렬로 설치하여 변위 회전각을 측정한 후 처짐으로 환산하는 기법을 적용하였으며, 이를 통해 센서가 설치되어 있는 특정 위치에서의 처짐 뿐 아니라 교량 경간 전체의 처짐 형상을 실시간으로 계산할 수 있는 알고리즘을 도입하였다.

2. 본 론

2.1 디지털 센싱 기반 모니터링 시스템 개발

기존의 교량 모니터링 시스템의 계측방식에는 아날로그 계측 센서를 주로 사용하고 있지만, 아날로그 방식에는 여러 단점이 있으며, 아날로그 방식의 계측 센서를 사용함에 있어 가장 큰 단점은 모든 개별 계측 센서로부터 데이터를 취득하게 되는 데이터 수집장치까지 개별적으로 1:1로 신호케이블을 배선해야 한다는 점이다. 또한 아날로그 신호의 특성상 배선된 케이블 특성, 길이, 상태에 영향을 많이 받으며, 외부 환경에 의한 신호에 노이즈가 유입되기 쉽기 때문에 취득되는 데이터 품질을 저하 시킬 수 있다. 특히 아날로그 센서는 부착점의 물리적 변화에 반응하는 전기적 변화량만을 취득할 수 있어 센서 내 신호처리가 불가능하고 센서의 상태정보 등과 같은 추가적인 정보를 파악할 수 없는 기능적 한계가 존재한다.

따라서, 본 연구에서는 케이블 배선 문제와 전송데이터의 제약 문제를 해결하여 위해, 디지털 센서를 사용하고 버스(bus) 통신방식을 적용하여 다수의 센서를 직렬 연결하는 방식으로 교량 현장 계측장비를 구성하는 방안을 제시하였다. 여기서 신호 케이블 배선을 최소화하면서 유연성을 높이기 위해 센서 간을 직렬로 연결하기 위하여 데이지 체인(daisy chain) 방식이 적용되었다. Fig. 1에는 전형적인 아날로그 센서를 이용한 계측시스템 구성도와 디지털 센서를 직렬 연결하여 교량 현장에 구축되는 계측시스템의 구성도를 비교하여 나타내었다. 아날로그 기반 계측시스템과는 달리 본 연구에서 제안한 디지털 기반의 시스템에서는 Fig. 1(a)에서와 같이 하나의 케이블 라인으로 직렬 연결된 다수의 디지털 센서는 통신 중계 모듈(communication module)에서 취합되어 제어기(controller)로 전송되며, 이때 각각의 센서에서 취득한 데이터의 시간동기화는 별도의 GPS 기반의 시간동기화 모듈을 통해 이루어지도록 하였다. 여기서, 제어기는 QR코드를 통해 웹브라우저 기반의 시스템 설정을 위한 전용 애플리케이션을 통해 제어하게 되며, 시스템 토폴로지 설정, 수집속도 설정, 채널별 초기값 설정 및 데이터 저장주기 등을 설정하게 된다. 또한 제어기는 TCP/IP 통신을 통해 PC 기반의 장비가 추가 연결이 가능하며, 산업용 PC와 연결할 경우 엣지컴퓨팅을 통해 현장에서 데이터 수신율 확인, 센서 구동 상태 확인, 데이터 통계처리 및 확인, 동특성 분석 등의 다양한 추가적 기능이 가능하다.

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Fig. 1.

Comparison of digital and analog sensors based monitoring systems

Fig. 2는 디지털 센서의 활용성을 검토하기 위하여 수행된 실내 성능시험 전경이며, Fig. 3Table 1에는 성능시험 결과가 나타나 있다. 성능시험은 기존에 사용되어 오던 아날로그 센서와 디지털 센서를 같은 위치에 설치하여 직접 변위를 측정한 선형 가변 변위 변환기(Linear Variable Displacement Transducer, LVDT)의 데이터를 비교하는 방식으로 수행하였다. 비교한 결과 정적 시험의 경우 3.0% 이하, 동적 시험의 경우 10% 이하의 오차 범위로 측정되어, 디지털 센서를 사용하여 현장에서 교량의 처짐 측정이 충분히 가능하다는 것을 확인하였다.

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Fig. 2.

Indoor test for digital sensor performance

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Fig. 3.

Results of indoor performance test

Table 1.

Comparison of the indoor test results

Item Reference deflection from LVDT
Case1 Case2 Case3
2.54 mm Error (%) 5.22 mm Error (%) 7.99 mm Error (%)
Analog 2.48 3.1 5.06 3.1 7.70 3.6
Digital 2.47 3.0 5.08 2.8 7.80 2.4

한편, 직렬 체인 방식으로 복수의 센서를 연결하는 경우, 통신 중계 모듈과의 연결 단절 혹은 슬래브 센서 망실 및 통신불량 등의 문제로 데이터를 취득하지 못하는 경우가 발생할 수 있다. 이러한 경우, 이상발생 센서와 연결된 후미단 센서들까지 데이터를 취득하지 못하는 경우가 발생할 수 있는 단점이 있다. 이러한 문제를 극복하기 위해 본 연구에서는 Encoder-decoder 모델을 이용하여 센서 위치별 데이터 구조에서 임의로 임의의 위치의 센서 데이터를 누락시켜 결측상황을 구현하고, 결측시 생성 네트워크를 구축하여 학습을 통해 결측발생시 데이터 복원기술을 추가하였다.

2.2 실시간 회전각 데이터 기반의 처짐계산 알고리즘

교량에 있어 처짐은 건전성과 성능을 파악하는데 있어 가장 중요한 요소이지만, 교량의 하부조건 및 제원에 따라 변위측정을 수행하는 경우 많은 제약이 존재한다. 중 ‧ 소규모의 교량에서는 LVDT 변위계를 사용할 수 있지만, 형하공간이 높거나 하부에 하천 및 도로가 있는 경우에는 LVDT 변위계 설치에 많은 어려움이 따른다. GNSS의 경우에는 연직방향 변위 측정에 오차가 크기 때문에 신뢰도가 낮아 변위가 작은 중 ‧ 소경간 교량에는 적용이 어렵다. 또한 레이저 처짐계의 경우에는 송 ‧ 수신기와 반사경의 거리에 제한과 안개 등의 기상조건에 영향을 받는 문제점이 있다.

이러한 처짐측정의 여러 가지 제약조건을 극복하기 위하여 최근 상부구조의 회전각 데이터를 이용하여 구조물의 상태평가에 활용하는 연구(Ferguson et al., 2022; Hester et al., 2020; Huseynov et al., 2020)가 수행되었다. Sekiya et al.(2016)은 MEMS(Micro Electro Mechanical System) 기반의 가속도계를 활용하여 교량의 처짐응답을 산정하는 연구를 수행하였다. Kong et al. (2023)은 교량에 경사계를 설치하여 매우 정확한 처짐을 산정할 수 있다는 실증연구 결과를 발표한 바 있다. 경사계를 사용하여 회전각을 측정하여 처짐을 산정하는 방식에는 다양한 장점이 존재하는데, 대표적으로 경사계를 상부 혹은 보강형 내부에 설치가 가능하다는 점이다. 이러한 장점은 교량의 하부조건에 영향을 받지 않고 모든 조건에 대하여 해당 기술을 적용할 수 있으며, 특히 회전각 취득을 위해 경간에 분포하여 경사계를 설치함으로써, 센서 설치 위치에서만 처짐을 확인할 수 있는 기존의 방법과는 달리 교량 전체 경간에 대한 처짐 형상을 계산할 수 있다는 장점이 있다.

실시간 회전각 데이터를 이용하여 처짐을 계산하는 알고리즘은 Fig. 4와 같다. 교량 상부구조물의 회전각 측정을 위해 p개의 경사계를 통해 획득한 회전각 시간이력 데이터에서 위치별 회전각을 추출한 후, 오일러-베르누이 보 이론(Euler-Bernoulli beam theory)에 의해 회전각 곡선을 적분하여 t=ti일 때 교량의 처짐 곡선을 계산하게 된다. 여기서 xi는 교축방향에 따라 i번째 경사계가 설치된 위치이며 차량하중이 x=xi를 통과하는 순간을 ti라고 하면 θitit=ti일 때 i번째 경사계가 설치된 위치의 구조물 회전각을 의미하고, yitit=ti일 때 i번째 경사계가 설치된 위치의 처짐이다. 회전각 곡선을 형상함수 혹은 다항식으로 정의하는 경우 적용 조건에 따라 형상함수와 다항식을 재구성하여야 하고, 다항식이 고차로 표현될수록 곡선 형상의 왜곡이 발생할 수 있기 때문에, 본 연구에서는 기존 연구를 참고하여 경사계와 경사계 사이의 회전각을 3차 스플라인 곡선으로 보간하여 교량형식과 경사계 개수에 관계없이 안정적인 처짐계산이 가능하도록 하였다(Sanli et al., 2000).

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Fig. 4.

Procedure of deflection calculation using rotation angles

실시간 회전각 데이터 기반의 처짐계산 알고리즘 검증을 위하여 4@45 m 개구재형 강박스 거더 형식인 ○○교에서 재하시험을 실시하였다. 재하시험에는 총 17개의 경사계가 세 번째와 네 번째 경간 전체에 등간격으로 설치하였고, 처짐 비교를 위해 4개의 LVDT을 추가로 설치하였다. 재하차량으로는 약 35톤을 적재한 4축 덤프트럭 2대를 사용하였으며, 재하시험 전경은 Fig. 5와 같고, 대표적인 하중 재하조건에 대한 LVDT와 경사계의 처짐비교 그래프는 Fig. 6에 나타내었고, 동적 하중 및 정적 하중에 대한 재하시험 결과는 각각 Table 2Table 3에 정리하였다.

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Fig. 5.

Truck loading test for the verification of deflection calculation algorithm

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Fig. 6.

Results of truck loading test

Table 2.

Test results for dynamic truck loading

Category S4Q1 S4Q2 S4Q3
v = 5 km/h v = 30 km/h v = 5 km/h v = 30 km/h v = 5 km/h v = 30 km/h
This study LVDT This study LVDT This study LVDT This study LVDT This study LVDT This study LVDT
Displacement (mm) -2.354 -2.463 -2.689 -2.872 -2.992 -3.057 -3.082 -3.201 -2.599 -2.629 -2.798 -2.911
Difference (mm) -0.109 -0.183 -0.065 -0.119 -0.030 -0.113
Difference (%) 4.4 6.4 2.1 3.7 1.1 3.9
Table 3.

Test results of static truck loading at midpoint of S4 span

Category ① G1S4Q1 ② G1S4Q2 ③ G1S4Q3
In this study LVDT In this study LVDT In this study LVDT
Displacement (mm) -3.863 -4.044 -4.568 -4.774 -2.606 -2.667
Difference (mm) -0.181 - -0.206 - -0.061 -
Difference (%) 4.5 - 4.3 - 2.3 -

Table 2Table 3에서 알 수 있듯이 LVDT와 비교하여 오차가 최대 약 4%의 수준으로 측정되어 매우 정확한 처짐 측정이 가능하다는 것을 확인할 수 있었으며, 이러한 실시간 회전각 데이터 기반의 처짐계산 알고리즘을 디지털 센서 기반의 모니터링 시스템에 탑재하여 노후교량 안전관리 기술로의 적용성 검토를 위한 국내 ‧ 외 실증을 실시하였다.

2.3 디지털 센싱 기반 모니터링 시스템의 국내 실증

본 연구에서는 현장 적용이 매우 효율적이며, 중 ‧ 소규모 노후교량의 안전관리에 최적화된 모니터링 시스템을 개발하는 것이 연구목표이다. 이를 위해 앞서 설명한 것과 같이 디지털 센서와 회전각 기반으로 교량의 처짐과 동특성을 측정할 수 있는 시스템을 개발하였다. 디지털 센서는 이탈리아의 Nplus사의 경사계와 가속도계를 사용하였으며, 실시간 데이터 송수신 및 처리, 처짐 계산을 위한 별도의 전용 소프트웨어를 개발하여 디지털 센싱 시스템과 연동하였다. 디지털 센서의 사양은 Table 4와 같고, 적용된 디지털 센서와 개발된 DAQ(Data Acquisition) 소프트웨어는 Fig. 7과 같다.

Table 4.

Specification of digital sensors

Item Measurable axis Technical specifications
Inclinometer 2 Resolution
Measuring range
Resolution
24 bit
±15°
0.001°
Accuracy
Precision
Temperature stability
±0.0025°
0.001°
< 0.002°/°C
Accelerometer 3 Resolution
Sampling frequency
Measuring range
24 bit
≤ 1,000 Hz
±2~±10 G
Bandwidh
Total non-linearity
Anti-aliasing filter
0 ~ 1,000 Hz
< 0.1% FS
available

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Fig. 7.

Digital sensors and custom-developed DAQ software

국내 실증 실험은 한국건설기술연구원의 구조실험동에서 실시하였으며, Fig. 8에 나타난 것과 같이 받침간 거리가 4.5 m인 포스트텐션 콘크리트 보를 사용하여 국내 실증 실험을 수행하였다. 시험체는 4점 휨시험 방식으로 항복점 이후까지 가력하였으며, 1/2지점과 1/4지점에 LVDT를 설치하였다. LVDT로 측정한 처짐 자료와 본 연구에서 개발한 디지털 센싱 시스템을 통해 측정된 자료와 비교한 결과는 Table 5에 정리되어 있다. Table 5에 나타난 것과 같이 LVDT로 측정한 데이터의 경우 1/2지점에서의 최대 변위가 14.8 mm로 측정되었으며, 디지털 센서로 측정한 데이터의 경우 14.2 mm로 측정되어 오차는 4.3% 수준이다. 추가적으로, 가장 많은 처짐이 발생한 중앙 경간에는 시험체 가력 조건 때문에 센서를 설치하지 못했음에도 불구하고 3차 스플라인 곡선을 이용하여 임의의 위치에서의 처짐까지 매우 정확하게 계산할 수 있다는 것을 확인할 수 있다.

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Fig. 8.

Scene of domestic demonstration

Table 5.

Comparison of the domestic demonstration results

Item Reference deflection from LVDT
1/2 (2.25 m from support) 3/4 (3.35 m from support)
Displ.(mm) Error (%) Displ.(mm) Error (%)
LVDT 14.79 - 10.98 -
Digital 14.21 4.3% 10.87 1.1%

2.4 디지털 센싱 기반 모니터링 시스템의 해외 실증

베트남은 국내 상황과 유사하게 노후교량에 대한 유지관리가 사회적 문제로 대두되고 있으며, 특히 2024년에 베트남 북부 퐁차우(Phong Chau) 교량이 붕괴된 사건으로 교량의 유지관리에 관심과 중요성이 더욱 강조되고 있다. 이러한 측면에서 본 연구에서 개발된 디지털 센서 기반의 노후교량 안전관리를 위한 모니터링 시스템은 베트남에 효과적으로 적용이 가능하다고 판단되며, 이를 위해 베트남 하노이에 위치한 교통통신대학교(UTC, University of Transportation and Communications)과 공동으로 베트남 현지에서의 기술 실증을 실시하였다.

베트남에서의 실 교량 현장실증은 UTC 대학교 실험실에서 Fig. 9와 같이 간단하게 성능실험을 통해 개발 기술의 정확도를 확인한 후, UTC 대학교 인근에 위치한 옌호아 교량(Yen Hoa Bridge)에서 현장 실증을 실시하였다.

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Fig. 9.

Demonstration of digital sensing system at laboratory

옌호아 교량은 36 m 경간의 콘크리트 거더 교량이며, 기술 실증은 현지 여건상 교통통제가 어려워 별도의 재하차량을 섭외하지 않고 상시 교량을 통과하는 차량하중에 의해 발생하는 처짐을 취득하는 방식으로 수행되었다. 이를 통해 개발된 기술이 실시간으로 교량의 처짐과 고유진동수와 같은 동특성을 효과적으로 모니터링 할 수 있다는 것을 확인하였다. 대상교량인 옌호아 교량 전경과 디지털 센싱 기반 모니터링 설치 전경은 Fig. 10과 같고, 현지에서 취득한 실시간 동적 처짐과 교량의 고유진동수는 Fig. 11과 같다.

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Fig. 10.

Test bridge and installation of digital sensing system

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Fig. 11.

Test bridge and Installation of digital sensing system

해외실증을 실시한 베트남 현지 교량은 중차량의 통행이 극히 드물며, 현지 특성상 오토바이의 통행빈도가 매우 높은 곳으로 측정을 위한 LVDT 등의 설치가 불가하여, LVDT로 측정한 처짐 자료와 본 연구에서 개발한 디지털 센싱 시스템을 통해 측정된 자료와의 비교 분석은 수행하지 못하였다. 하지만, 대상교량에 대해 베트남에서 제공된 교량의 고유주파수와 본 연구에서 개발한 디지털 센싱 시스템을 통해 측정한 고유주파수와 비교한 결과 일치하는 것을 확인하였다.

3. 결 론

본 연구는 아날로그 센서를 이용한 모니터링 기술의 한계를 극복하기 위해서 아날로그-디지털 변환기(A/D converter)가 내장된 디지털 센서와 신호케이블의 직렬 체인 연결 기술을 도입하는 구성 방식을 활용하여, 현장 설치를 매우 간소화할 수 있는 새로운 모니터링 시스템을 개발하였으며, 개발된 모니터링 시스템을 활용하여 국내 ‧ 외 현장 실증을 수행하였다. 이를 통해 도출된 결론은 다음과 같다.

(1) 노후교량의 안전성 모니터링을 위해 실시간 동적처짐과 동특성을 측정할 수 있는 디지털 센싱 시스템을 개발하였다. 개발된 시스템은 다수의 센서를 하나의 케이블로 연결할 수 있도록 데이지 체인방식을 도입하여 현장에서의 설치 효율성을 크게 향상시켰다.

(2) 실시간 동적처짐 측정을 위하여 회전각을 기반으로 처짐을 측정하는 알고리즘을 도입하였으며, 국내 실내 ‧ 외 검증시험을 통해 LVDT와 비교하여 5% 이하의 오차로 처짐을 매우 정확히 측정할 수 있다는 것을 확인하였다. 이를 통해 본 연구에서 적용한 처짐 측정방식이 기존의 처짐 측정방법의 대안으로 사용될 수 있을 것으로 판단된다.

(3) 실시간으로 회전각을 변위로 계산하고, 주파수 분석 등의 동특성을 확인할 수 있는 전용 소프트웨어를 포함한 디지털 센싱 시스템을 개발하여 국내 및 국외 베트남에서 현장 실증을 시행하였으며, 우수한 현장 설치성과 활용성을 확인하였다.

(4) 베트남의 실내 실험결과 92% 이상의 변위산정 정확도를 확인하였으며, 베트남 실 교량에서 실시한 실증에서는 LVDT 등을 설치하지 못하여 측정결과와 직접 비교는 수행하지 못하였으나, 주파수 분석결과 베트남에서 제공된 교량의 고유주파수와 일치하는 것을 확인하였다. 개발된 시스템은 다수의 실내 ‧ 외에서 정확도를 이미 검증하였으므로 현장 적용에 문제가 없다고 판단되며, 향후 노후 교량의 상시 안전성 모니터링을 위해 효과적으로 활용될 수 있을 것으로 기대된다.

Acknowledgements

This study was supported by the Ministry of Science and ICT (MSIT), and granted by the Korea Institute of Civil Engineering and Building Technology (KICT) (Proejct Number: KICT-20240400-001).

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