1. 서 론
2. 케이블지지 교량의 안전점검 사각지대
2.1 사장교 & 현수교 안전점검 사각지대
3. 드론을 활용한 케이블지지교량 주탑 외부 안전점검
3.1 드론을 활용한 케이블지지 교량 안전점검 사각지대 해소 방안
3.2 드론 촬영 영상 정밀도 비교
4. 결 론
1. 서 론
케이블로 상부구조가 지지되는 특수교량의 경우 주요 부재인 케이블 소선과 케이블 정착장치 등은 보호장치 내 위치하는 경우가 대부분이라 외관조사만으로 케이블과 부속장치의 상태를 확인하기 어려운 경우가 많다. 또한 특수한 장비와 인력이 없이는 접근이 어려운 사각지대가 특수교량에는 다수 존재하고 있어 안전점검에 많은 애로사항이 발생하고 있는 것이 현실이다(KICT, 2019). 현수교와 사장교 같은 특수교량에 대한 안전관련 법체계는 “시설물의 안전 및 유지관리에 관한 특별법(이하 시특법)”에서 규정하고 있다(MGL, 2021a). 시특법은 공중의 이용편의와 안전을 도모하기 위하여 특별히 관리할 필요가 있거나 구조상 안전 및 유지관리에 고도의 기술이 필요한 대규모 시설물을 제1종시설물로 정하고, 이에 도로 교량 중 상부 구조형식이 현수교와 사장교인 교량을 제1종시설물로 포함하고 있다(MGL, 2021b). 그리고 제1종시설물 중 교량의 경우 Table 1과 같이 안전점검을 실시하여야 한다.
Table 1.
Bridge safety inspection and precision safety diagnosis cycle by the law (KICT, 2017)
우리나라는 법령에 근거하여 이행되는 일련의 후속조치에 대하여 그 절차와 방법 등 필요한 세부사항을 행정규칙으로 정하고 있다. 시특법에 근거하여 시행되는 제1종시설물에 대한 안전점검의 실시 방법과 절차 등 필요한 사항을 “시설물의 안전 및 유지관리 실시 등에 관한 지침(MOLIT, 2022)”에 명시하고 있다.
제1종시설물에 해당하는 시설물 종류별 각각의 안전점검 및 정밀안전진단 세부적인 방법과 절차는 “안전점검 및 정밀안전진단 세부지침(MOLIT, 2017)”을 통해 제시하고 있다. 다만 Table 2에 나타낸 바와 같이 세부지침(교량편)에서도 케이블 시설에 대한 점검 및 진단 대상 부재 종류와 평가 방법만을 제시하고 있을 뿐 부재 상태확인을 위한 세부절차와 방법은 제시되어 있지 않다.
Table 2.
Bridge safety inspection and precision safety diagnosis scopes by the law (MOLIT, 2017)
특수교량에서 케이블은 안전에 미치는 영향이 매우 큰 중요한 부재로써 대부분 보호관 내 위치하여 육안으로는 부식 및 손상 여부 확인이 어려운 경우가 많으며, 케이블 정착구 및 진동댐퍼 등은 개방작업 없이 내부 상태를 확인할 수 없어 안전점검 및 정밀안전단시 상태평가를 수행하기 어려운 것이 현실이다.
모든 점검의 가장 기본적인 방법은 육안에 의해 대상 부재의 품질 상태와 손상여부를 확인하는 방법이다. 기본적으로 근접육안 조사를 원칙으로 하며, 최근에는 보조수단인 망원경, 내시경 등의 장비를 동원하기도 한다. 또한, 특수교 케이블의 경우, 육안조사는 케이블 부재만을 조사하는 것이 아니라 케이블 시스템을 구성하는 모든 요소를 포함하는 점검으로 보호관, 정착구, 행어밴드(Hanger band) 및 새들(Saddle)도 조사항목에 포함된다.
육안점검은 모든 점검방식 중 가장 광범위하게 사용되는 방식으로 손상에 대한 상세점검 이전에 초기점검 방식으로 수행된다. 육안점검은 일정한 주기를 갖고 조사를 수행하여야 하며, 구조물의 상태평가에 큰 비중을 차지한다.
일반적인 육안점검은 점검 가능한 부위에 대하여 카메라, 점검망치, 줄자 등 휴대할 수 있는 장비를 활용하여 조사한다. 필요에 따라 근접 및 상세육안조사의 목적으로 특수차량(고소차, 다굴절차 등)을 활용하거나, 망원경 등의 특수 장비를 활용하여 접근이 불가능한 케이블의 상·하부 정착구 및 주탑 연결부 등에 대하여 조사를 수행한다. 암벽클라이밍 장비를 활용하여 케이블 상부에서 하부로 이동하면서 케이블 부재의 외관상태를 조사하는 방법도 있다.
2. 케이블지지 교량의 안전점검 사각지대
2.1 사장교 & 현수교 안전점검 사각지대
케이블로 지지되는 사장교나 현수교와 같은 특수교량의 경우 구조적 특징으로 인하여 인력의 접근이 어렵거나 내부 상황을 확인하기 어려운 안전점검 사각지대가 존재한다. 조사된 안전점검 사각지대를 사장교와 현수교로 구분하여 Table 3으로 정리하였다. 엑스트라도즈드교나 닐센아치교의 경우도 사장교의 해당사항을 참조하면 된다.
Table 3.
Safety inspection blind spot in cable-supported bridge
사장교의 주케이블은 대부분 폴리에틸렌(Poly Ethylene, PE) 재질의 보호관 내 위치하여, 외부에서 주케이블의 상태를 확인하기 어렵다. 케이블 정착구는 앵커플레이트에 긴장된 강연선을 고정시키는 역할을 한다. 일반적으로 정착장치와 케이블을 보호하기 위하여 케이블 정착구는 보호캡으로 씌우고 내부를 특수재료로 충진하여 부식되지 않도록 한다. 따라서 보호캡과 내부 충진재를 제거하지 않고서는 정착구 케이블 상태를 확인하기 어렵다. 또한 정착판 뒤편은 보호캡과 충진재를 제거해도 노출되지 않으므로, 전문기술자가 내시경 등 특별한 장비를 활용해야만 내부 상태를 확인할 수 있어 일반적인 안전점검 시 케이블의 상태를 확인하기 어렵다.
사장교 케이블 진동을 억제하는 케이블 진동댐퍼는 내부 구성품을 보호하기 위해 보호 커버 내에 위치하여 진동댐퍼 상태를 확인하기 위해서 진동댐퍼 보호 커버를 제거하여야 하며, 진동댐퍼의 구성도 복잡하여 관련 전문가와 별도의 장비가 필요하다.
사장교 지점부 부반력과 변위를 제어하기 위해 설치하는 링크슈(Link Shoe)와 타이다운 케이블(Tie-Down Cable)은 대부분 구조가 복잡하고 공간이 협소한 지점부에 설치되어 점검자의 접근이 어려운 경우가 많으며, 또한 타이다운 케이블의 경우 케이블 보호를 위해 PE관내 위치하는 경우가 많아 일상적인 점검을 통해서는 케이블 상태를 확인하기 어려운 경우가 많다. 바람에 의한 보강거더의 횡방향 변위를 제어하기 위해 설치되는 윈드슈(Wind Shoe)는 대부분 보강거더와 주탑과 같은 지지구조물 틈에 설치되어 공간이 매우 협소하여 점검자의 접근이 어려운 경우가 대부분이다.
보강트러스는 내부가 비어있는 중공단면이나 단면이 크기가 작고 점검창이 없어 점검자가 내부 상황을 확인할 수 없는 구조이다. 따라서 내부 손상으로 인한 특이 현상이 외부로 나타날 때까지 내부 상태를 확인할 수 없다. 충격전달장치(Lock-Up Device, LUD or Shock Transmission Unit, STU)라고도 하는 스토퍼(Stoper)는 평소에는 가동단처럼 온도나 건조수축, 크리프 등에 의한 종방향 변형은 수용하다가 지진과 같은 과도한 수평하중이 작용하는 경우 종방향 변위를 제어하여 고정단 역할을 수행하는 장치로, 고정단 교각이 감당하는 과도한 수평하중을 가동단 교각으로 분산시킨다. 따라서 지진과 같은 과도한 수평 충격하중이 발생하는 경우 사장교의 구조계에 크게 영향을 미치는 중요한 장치이다. 그러나 지진하중과 같은 외력이 발생되기 전까지는 현장에서 그 성능을 확인할 방법이 없다. 그리고 스토퍼를 메이커로 보내 성능검사를 하고자 하여도 스토퍼 구조는 유압댐퍼와 유사하지만 사장교와 같은 장지간 교량에 사용되는 스토퍼는 대용량으로 크기가 크고 중량이 무거워 탈부착 시 고난이도 작업이 필요하다.
주탑 외부 표면을 확인하기 위해 Fig. 1과 같이 대부분 주탑 상부에 설치된 곤도라(Gondola)를 이용하여 표면 상태를 확인한다. 하지만 보강거더 하부 내측과 같은 곤도라 작업으로는 접근이 불가능한 사각지대가 발생한다. 그리고 곤도라 탑승자의 안전을 위해 풍속 15 m/s 이상인 환경에서는 곤도라 작업을 중지하도록 하고 있다. 바람이 많이 부는 해상교량의 경우 년 중 곤도라를 운용할 수 있는 일수가 많지 않아 주탑 외부 표면 점검이 어려운 것이 현실이다. 콘크리트 기초와 강주탑을 연결할 때 사용되는 앵커볼트(Anchor bolt)는 콘크리트 기초부 내에 매설되어 있어 앵커볼트의 내부 상태를 육안으로는 확인할 수 없다.
현수교 구성에서 가장 중요한 부재인 주케이블 소선은 래핑와이어(Rapping wire)로 감겨 있고, 래핑와이어 또한 도장처리 되어있어 일반적인 점검방법으로는 주케이블 내부 소선상태를 확인할 수 없다. 주요지점에 투명 점검창을 설치하여 주케이블 상태를 볼 수 있게 설치하였으나, 최외각 소선의 상태만 확인할 수 있다.
그리고 현수교 주케이블에 설치되는 행어케이블밴드는 주케이블 래핑와이어 시공 전 설치되어 내부 소선은 행어케이블밴드로 보호되기 때문에 행어케이블밴드를 개방하지 않고서는 내부 주케이블 소선의 상태를 확인할 수 없다. 현수교 주케이블 주탑부 지지장치인 탑정새들과 앵커리지 정착을 위한 소선 펼침장치인 스프레이새들은 새들 내부가 주케이블 소선으로 가득 채워져 있어 내부 소선 상태를 확인하기 어렵다.
현수교 행어케이블밴드 내 주케이블 소선은 랩핑와이어 없이 행어케이블밴드에 의해서만 보호된다. 따라서 행어케이블밴드볼트의 축력 유지는 행어케이블밴드 내 주케이블 소선 보호에 큰 영향을 준다. 행어케이블밴드볼트의 축력확인은 전문장비와 전문가가 필요하여 일반적인 안전점검에서는 생략하는 경우가 많다.
앵커리지 벽체는 현수교 구조시스템의 주요부재는 아니지만, 앵커리지 내부 주케이블 소선과 정착장치를 외부환경으로부터 보호하는 역할로 정기적인 균열 및 파손에 대한 확인이 필요하다. 하지만 앵커리지 벽체 내·외부에는 별도의 점검로나 점검장치가 없는 경우가 대부분으로 로프엑세스(Rope Access, 점검자가 산악용 로프를 이용해 접근하는 방법) 등 전문기술과 장비 없이는 안전점검이 어렵다.
Fig. 1.
Gondola works for pylon inspection in cable-stayed bridge (Source: http://www.etnews.com/20151207000375)
3. 드론을 활용한 케이블지지교량 주탑 외부 안전점검
3.1 드론을 활용한 케이블지지 교량 안전점검 사각지대 해소 방안
드론을 활용하여 해상특수교량 점검사각지대인 케이블 PE관 표면, 보강형과 주탑 외부를 안전점검을 수행하였다. Fig. 2는 부재별 점검 사진들이다. 대상교량은 해상에 위치하고 있어 풍속이 강하며, 케이블과 주탑의 영향으로 예상하지 못한 난류가 순간적으로 발생하여 기체를 부재 가까이 접근시키는데 어려움이 있다. 본 연구에서는 예상치 못한 충돌을 예방하고자 기체를 부재에서 약 5 m 이상 이격시켜 안전점검을 수행하였다.
드론을 활용하여 해상특수교량의 점검사각지대를 점검한 결과를 Fig. 3에 나타내었다. 점검결과, 육안점검 위주의 정기안전점검 수준의 안전점검이 가능한 것으로 확인되었다. 촬영 영상의 품질은 케이블 PE관, 보강형과 주탑 외부의 손상여부를 확인할 수 있었다. 다만 단면이 작은 케이블 PE관과 GPS 음영지역인 보강형 하부의 균열까지 확인하기에는 한계가 있었다. 그러나 콘크리트 주탑 외부의 균열은 대부분 확인이 가능한 수준이었다.
특수교 보강형 하부에는 대부분 점검대차가 있어 일상적인 안전점검이 가능하며, 케이블 PE관은 보호재로 균열까지 조사 관리하는 것은 관리측면에서 과한 경향이 있다. 따라서 해상특수교량 점검사각지대 중 드론을 활용해서 가장 효과적으로 해소할 수 있는 부재는 주탑 외부로 판단된다.
Fig. 4와 같이 콘크리트 주탑 드론 안전점검 영상을 후처리하여 콘크리트 주탑 전체 면을 정사영상으로 제작하여 외관조사망도 제작에 활용하였다. 정밀안전진단의 외관조사망도 균열폭 표시 기준인 0.3 mm의 균열을 모두 확인할 수는 없지만 주요 손상과 균열은 확인하고 기록할 수 있었다. 향후 대상교량의 정밀안전진단의 외관조사망도와 비교하여 드론 촬영영상으로 제작된 외관조사망도의 정밀도를 검증할 예정이다.
3.2 드론 촬영 영상 정밀도 비교
시설물과의 이격거리에 따른 드론 영상의 정밀도를 확인하고자 Fig. 5와 같이 0.3 mm의 가상 균열을 드론 카메라로 촬영하여 이격거리에 따른 영상 품질을 비교하여 보았다. 영상을 촬영하는데 사용된 드론의 카메라 스펙을 Table 4에 나타내었다. 영상 품질 비교 결과를 Table 5에 나타내었으며, 7 m 이격거리에서도 3가지 기체 모두 사진을 확대하면 균열의 유무를 확인할 수 있었다. 다만 Fig. 6에 나타낸 바와 같이 카메라 렌즈와 CMOS 크기가 큰 Falcon 8+의 영상이 더 선명하였다. 따라서 점검 부재와 약 5 m 정도의 이격거리에서 드론이 비행하면서 촬영한다면 0.3 mm의 균열도 확인이 가능할 것으로 예상된다.
Table 4.
Pictures according to drone camera and separation distance
4. 결 론
본 연구에서는 드론을 활용하여 해상에 위치한 사장교를 안전점검하고 특수교량 점검사각지대 해소 가능성을 검토하여 다음과 같은 결론을 도출하였다.
(1) 드론을 활용하여 점검자의 접근이 어려운 특수교량의 외부 안전점검이 가능함을 확인하였다. 특히 특수교량의 점검사각지대인 주탑 외부 상태 및 손상 확인을 위한 안전점검은 효과적이었다.
(2) 드론 촬영 영상으로 케이블 PE관과 보강형 외부 상태는 손상 여부를 확인할 수 있었으며, 콘크리트 주탑의 경우 대부분의 균열과 손상을 확인할 수 있었다.
(3) 드론을 시설물로부터 약 5 m 이내로 접근시키면 0.3 mm의 균열도 확인할 수 있을 것으로 예상되었다.
(4) 점검영상을 정사영상으로 후처리하여 외관조사망도 배경으로 활용하면 균열의 위치와 주변상황을 보다 효과적으로 확인할 수 있다.
