1. 서 론
1.1 연구의 배경
1.2 연구의 목적 및 범위
1.3 선행연구 고찰
2. 본 론
2.1 구조물의 안전 계측관리
2.2 흙막이벽 변위량 계측 방식
2.3 계측기기 용어의 정의(KOSHA, 2014)
2.4 스마트 계측
2.5 스마트 노출 경사계를 이용한 모니터링 시스템 구성
2.6 스마트 노출경사계를 띠장에 설치할 때 Data 신뢰성 검토
2.7 경사계 상시 계측 방법 비교
2.8 현장 실증
2.9 연구 기술의 확장성
3. 결 론
1. 서 론
1.1 연구의 배경
최근 4차 산업혁명기술은 전 산업분야에서 다양하게 적용되어 혁신적인 변화를 가져오고 있으며 정보기술(Information Technology: IT)의 활용으로 Web 데이터베이스, 무선네트워크 무선 단말기의 활용이 일상화되었다.
구조물 등의 안전관리에서도 적용이 확대되면서 터파기공사 시 흙막이벽 배면에 스마트 지중경사계와 IT 기술을 접목시켜 변위량의 변위값으로 안전관리 모니터링을 실시하고 있다. 급경사지 산사태나 낙석 등 위험관리 및 건물의 이상징후 관리는 경사계를 이용하여 기울기 값으로 안전관리를 실시하고 있다. 하지만 지중경사계는 지중에만 설치해야 하고 경사계는 각도(°)만을 기준으로 계측하는 특수성 때문에 적용 범위가 한계성을 벗어나지 못하고 있다.
본 연구는 기울기와 변위량만을 기준으로 계측하는 범위를 벗어나 각종 건축물과 교량, 옹벽 등의 인공적인 토목 구조물 및 자연적인 급경사지, 낙석 등의 이상 징후를 상시적으로 계측 할 수 있는 “스마트 노출 경사계를 이용한 구조물 상시 계측 모니터링 시스템”에 관한 실증 연구이다.
1.2 연구의 목적 및 범위
본 연구의 목적은 건축물 또는 인공적인 토목 구조물의 안전관리, 자연적인 급경사지 또는 낙석 등의 안전관리를 상시적으로 할 수 있는 상시 계측 모니터링 시스템을 구축하는데 있다. 터파기공사 시 흙막이 구조물의 변위량을 계측할 수 있는 지중 경사계와 급경사지, 낙석, 건물 등의 기울기를 측정하는 경사계를 통합하여 계측할 수 있도록 Fig. 1과 같이 “스마트 노출 경사계를 이용한 구조물 상시 계측 모니터링 시스템” 구축에 대한 연구이다.
연구 범위는 스마트 노출 경사계를 새로 개발하고, 스마트 노출 경사계에서 측정된 Data를 분석, 평가하고 관리할 수 있는 서버를 구축하는 것이다. 이 시스템은 Fig. 1과 같이 Data를 수집하는 센서 부분, 정보를 처리하고 시스템을 관리하는 서버 시스템 부분, 이용자가 정보를 확인할 수 있는 모니터링 부분으로 구분할 수 있다. 좀 더 구체적으로 설명하면 센서 부분은 가속도 센서로 X-Y축 4방향의 기울기 측정하며 거리 센서 모듈은 센서와 측정지점 간의 거리를 측정한다. 이 이외에도 측정 일자, 측정시간, 온도 등의 Data를 무선 통신으로 서버 시스템에 전송한다. 또한 통신은 양방향 통신으로 구성하여 서버 시스템에서 평가된 결과를 수신하여 이상 유무에 따라 LED 발광 및 Buzzer 울림으로 이용자에게 전달한다. 서버 시스템 부분은 이용자(고객) 관리, 센서 관리, Data 분석 및 평가, Data 저장 기능을 담당하는 부분이다. Data는 전용 Data base에 저장된다. 모니터링 부분은 분석 평가된 결과를 이용자가 컴퓨터나 스마트폰을 이용하여 모니터링하고 보고서를 출력할 수 있는 부분이다. 연구절차는 선행 연구 고찰과 노출경사계의 기능 정의 및 PCB Design, 서버 시스템 구축 계획과 실내 실험 순서로 Fig. 2와 같이 진행된다.
선행 연구 고찰을 통해 본 연구의 기술의 유사성 여부와 기술 차별성을 확인하고 이를 통해 노출 경사계의 요구되는 기능 정의를 명확하게 정의할 수 있으며, 기능이 정의된 스마트 노출 경사계는 PCB를 Design 할 수 있다. 서버 시스템은 시스템 운영자의 기능과 현장에서 요구되는 모니터링 기능을 구분하여 구축하며, 이때 생성되는 Data를 저장할 수 있도록 한다. 이론적 검토와 현장 실증을 통해 서버 시스템에서 Data를 분석하고 평가할 수 있는 기준을 제시하며 서버 시스템의 신뢰도를 확인할 수 있다.
1.3 선행연구 고찰
건설에서 IT를 접목한 선행 연구는 건설 현장 변위 모니터링 및 분석과 관련된 IoT, 빅데이터, 인공지능 및 클라우드 컴퓨팅 기술을 다루고 있다. 건설공사 IT 선행 연구를 살펴보면 현장 변위 모니터링에서 Qiang et al.(2007)은 건설기계 모니터링을 Heo et al.(2004) 무선 계측을 통한 건전도 모니터링을 Park et al.(2010) 라이다를 활용한 사면 모니터링 시스템을 제시하였다. 이 시스템들은 실시간 모니터링을 통해 기반시설물의 상태를 정확하게 파악하고, 분석 및 예측을 통해 관리 효율을 향상시키는 것을 목표로 한다. Kim et al.(2017) 통합관리시스템 구축과 Kim et al.(2005) 데이터 전송을 통한 실시간 검증시스템을 Cheon et al.(2014) 가속도계를 이용한 교량의 상시 통합관리를 실시한다. Yoo and Choi(2017) 플랫폼 기반의 건설 프로젝트 통합 시스템에 대한 연구를 진행하였다. 건설현장 변위 모니터링에 관한 선행연구는 Ok(2012) 현장 상황 및 공사진척 현황을 실시간으로 모니터링하는 현장관리체계 구축을 Heo et al.(2016) 효율적인 건전도 모니터링을 위하여 Multi I/O 기반의 무선 계측 시스템 연구가 있다. 대형구조물의 측정관리에 필요한 센서 네트워크 기술을 이용한 향상된 모니터링 시스템 Jeon et al.(2022) 증강현실 및 BIM 기술을 활용하여 철도현장 안전 점검에 특화된 프레임워크를 구축 Jonas et al.(2010) 무선센서 네트워크를 활용한 현장관리를 진행했다. 선행 연구들은 이 분야의 연구 기반을 구축하는 인사이트를 제공한다.
2. 본 론
2.1 구조물의 안전 계측관리
계측관리는 계측 장비를 이용하여 지하 터파기공사, 터널공사, 경사면, 연약지반, 교량, 항만, 댐, 낙석 등 구조물의 변화를 측정, 관리하는 것이다.
2.2 흙막이벽 변위량 계측 방식
터파기공사 시 발생할 수 있는 지반의 영향분석 및 인접 구조물의 안전성 등을 관리하기 위하여 흙막이벽 및 주변에 계측기기를 설치하여 안전성 여부를 확인한다. 특히 자동 경사계는 흙막이벽의 안전성을 직접적으로 평가할 수 있는 변위량을 산출할 수 있도록 흙막이벽 변위각도와 센서의 Data를 수집한다. Fig. 3 좌측은 흙막이벽 배면 1.0 m 거리 땅속에 설치하는 자동 지중 경사계이고 Fig. 3 우측은 터파기가 진행되면서 순차적으로 설치하는 띠장에 노출 설치하는 스마트 노출 경사계이다.
2.3 계측기기 용어의 정의(KOSHA, 2014)
2.3.1 지중경사계
지중 경사계(Inclino meter)라 함은 지반 변위의 위치, 방향, 크기 및 속도를 계측하여 이완 영역 및 흙막이 구조물의 안전성을 계측하는 기구를 말한다.
2.3.2 건물경사계
건물 경사계(Tilt meter)라 함은 인접한 구조물에 설치하여 구조물의 경사 및 변형 상태를 측정하는 기구를 말한다.
2.4 스마트 계측
2.4.1 계측관리 기술 변화
이제까지 대부분의 계측관리는 주기적으로 정해진 일자에 관리자가 직접 현장에서 자료를 수집하고 별도의 장소에서 자료를 분석하고 평가하는 방법으로 진행되고 있다. 이러한 방법은 현장의 유동적인 변위 상황과 분석 시간과의 차이에서 발생하는 계측 공백을 피할 수 없어 흙막이벽에 이상이 발생해도 즉시 대처할 수 없는 문제점이 상존한다. 이러한 문제점을 해결하고 안전을 확보하기 위한 방법으로 Fig. 4와 같이 스마트 계측으로 빠르게 발전하고 있다.
2.4.2 상시 계측용 경사계의 현장 적용성 연구
지중 경사계는 흙막이벽 배면 약 1.0 m 지점에 하부 지층까지 설치하여 터파기 공사 중 흙막이벽의 수평 변위를 계측하기 위한 것이다. 지중 경사계는 흙막이벽의 수평 변위를 측정하기 위한 방법으로 이용되어 왔으며, 최근에는 자동 지중 경사계로 발전하여 상시 계측 정보를 전달해주고 있으나 계측기기 성능, 실용성, 비용, 유지관리 측면에서 Table 1과 같이 연구가 필요한 실정이다.
Table 1.
Smart underground inclinometer characteristics
2.5 스마트 노출 경사계를 이용한 모니터링 시스템 구성
2.5.1 스마트 노출 경사계 요구 성능
계측기기는 ｢급경사지 재해예방에 관한 법률｣ 제26조부터 제29조 및 같은 법 시행령 제14조, 같은 법 시행규칙 제12조부터 제15조에 의한 “계측기기 성능검사 기준에 관한 규정” [행정안전부고시 제2021-64호,2021.9.30.]을 충족해야 한다. Table 2는 본 연구 결과로 얻고자 하는 스마트 노출 경사계 달성 목표 성능이다.
Table 2.
Regulations on measuring instrument performance test standards
2.5.2 Sensor hardware design
스마트 노출 경사계의 주요 하드웨어는 ① X-Y축의 변위 각도를 측정할 수 있는 가속도 센서 모듈 ② 측정 거리가 20.0 M인 거리 센서 모듈 ③ 측정된 Data를 관리 시스템에 송신하고 서버와 양방향으로 통신할 수 있는 WiFi 통신 모듈 ④ 센서 펌웨어 작업을 위한 MCU 모듈로 구성된다. 그리고 ⑤스마트 노출 경사계가 설치된 후 안전성 평가 결과를 근로자들과 공유할 수 있는 LED와 부저 ⑥ OA Control port ⑦ 충전용 밧데리 및 충전장치 ⑧ 전원 스위치로 구성된다. Fig. 5는 상기 요구 조건과 기능을 Design한 스마트 노출 경사계의 PCB 회로도이다.
2.5.3 통신 체계
스마트 노출 경사계에 적용하는 통신은 현장 센서는 서버 시스템에 Data를 전달하고 서버 시스템의 분석 결과를 다시 받을 수 있어야 한다. 현장에 설치되는 센서는 LTE router와 직접 통신할 수 있도록 유선 또는 WiFi를 적용한다. Fig. 6은 전달되는 내용이 현장과 서버, 서버와 이용자의 통신방식을 나타낸다.
2.5.4 서버 시스템 개발 환경 및 아키텍처
서버 시스템은 센서로부터 전송된 Data를 평가하고 평가 결과를 모니터링 할 수 있도록 전송하는 기능을 가지며, Data를 저장하고 출력할 수 있도록 지원한다. 서버 시스템은 Fig. 7과 같이 4개의 시스템 영역으로 구분할 수 있다. Presentation Layer View는 Vue3 Framework를 적용하여 Frontend를 개발하고 Business Layer는 개발 도구는 Intellij Ultimate를 개발방법으로 Controller Service Repository 패턴 방식을 적용한다. Persistence Layers는 Data생성/수정/삭제/검색 등 CRUD 연산 수행하는 부분으로 JPA(Java Persistence API) Framework를 적용한다. Database는 Maria DB 10.3.x를 적용한다. Sensor와의 통신은 HTTP통신을 구성하여 양방향 송 ‧ 수신을 하도록 한다.
2.5.5 기울기 각도와 측정 높이에 따른 변위량 계산 방법
스마트 노출경사계의 가속도 센서 모듈은 굴착 방향은 “+, 굴착 배면은 ”-“ 값, 굴착면 좌측은 ”-“, 굴착면 우측은 ”+“ 변위 각도(°)를 계측한다. 거리센서는 센서의 위치에서 하부 굴착 깊이(mm)를 계측한다. 서버에서는 수신된 X-Y축의 변위 각도와 높이를 기초로 삼각함수를 이용하여 변위량을 산출할 수 있다. Fig. 8은 변위량(b)을 산출하는 계산식이다.
2.5.6 변위량 평가 기준
계산된 변위량은 Table 3과 같이 국토교통부(국토안전관리원)에서 배포한 지하안전평가서 표준메뉴얼(2023.07.개정3판)의 관리 기준에 따라 “안전” “주의” “경고” “위험”으로 평가를 할 수 있다.
Table 3.
Based on underground inclinometer during excavation work
2.5.7 평가 결과 공유
평가된 Data는 Table 4의 형식으로 출력되며, 결과값은 Fig. 9와 같이 Text와 Grapic으로 시각적 모니터링이 가능하다.
Table 4.
Example) Text evaluation result output
2.6 스마트 노출경사계를 띠장에 설치할 때 Data 신뢰성 검토
가설 흙막이벽 배면에서 작용하는 토압은 Fig. 10과 같이 1차적으로 가설흙막이벽이 지지하고, 배면 토압은 띠장에 등분포로 전달되고 최종적으로 스트러트 또는 어스앵커로 전달된다. 따라서 띠장에 노출 경사계를 설치하여 흙막이벽의 변위량을 측정해도 측정된 변위량 Data를 신뢰할 수 있다.
2.7 경사계 상시 계측 방법 비교
2.7.1 유지관리 비교
현재 터파기공사에 대한 자동 지중 경사계 상시 계측 방법과 스마트 노출 경사계 상시 계측 방법에 대한 유지관리 비교는 Table 5와 같다.
Table 5.
Maintenance comparison
2.7.2 공기 단축 효과 비교
2.7.3과 같이 굴착 27 M, 12개소 설치를 가정한 자동 지중 경사계 설치 과정은 관정 파기 5일, 케이싱 설치 3일, 그라우팅 1일 등 지중 센서 설치 등 복잡한 과정을 거치며 Fig. 11과 같이 약 12일이 소요되고 있으나 스마트 노출 경사계는 터파기를 진행하면서 띠장에 설치하므로 별도의 설치 기간이 필요하지 않아 자동 지중 경사계에 비해 12일 정도 앞당겨 터파기를 진행할 수 있다.
2.7.3 경제성 비교
가시설 벽체 계측비용 분석에 대한 연구(Lee et al., 2023)는 수도권에 위치한 오피스텔 신축공사를 대상으로 한 연구이다. 현장 조건은 약 3,216.69 m2의 면적에 가시설 벽체는 C.I.P 지지방법은 Strut, 최종 굴착 깊이는 27 m로 가정하였다. 터파기공사 전체 평면도는 Fig. 12와 같다.
공사 기간은 10개월, 계측기기 12개월을 유지에 소요되는 자동 지중 경사계의 비용은 289,568,400원으로 계산되었다. 이에 비하여 스마트 노출 경사계는 Table 6과 같이 184,800,000원으로 자동 지중 경사계에 비하여 36.18%의 비용이 감소하는 것으로 분석 되었다.
Table 6.
Exposed inclinometer and underground inclinometer cost analysis
2.8 현장 실증
본 연구는 2025년 02월에 완료하여 2025년 3월에 ㈜00건설 강릉00신축공사현장에 적용하여 시스템 작동 상황을 확인하였다. Fig. 13은 현장 흙막이벽 띠장에 스마트 노출 경사계를 설치한 사진이다.
각 단의 띠장에 각각의 스마트 노출 경사계를 설치하였으며, Fig. 14는 해당 현장에 대한 상시 계측 모니터링이 되고 있는 전체 화면이다. 이 화면은 현장에 설치된 전체 현황을 확인할 수 있고, 해당 센서를 클릭하면 현재 시간의 모니터링 내용을 확인할 수 있다. Table 7은 각 센서별로 측정되는 data 상세 자료이다. 제시된 사진의 상세 data를 확인하면 스마트 노출 경사계의 측정 각도는 0.01° 범위로 측정되고 있으며, 2.5.1 스마트 노출 경사계 요구 성능 기준보다 10배 더 정밀하게 측정되고 있음을 확인할 수 있다. Table 8은 2.5.6 변위량 평가 기준에 따라 측정된 data를 분석하여 안전성을 평가한 text 보고서이다. 평가 기준에 따라 “안전”, “주의”, “위험”으로 평가한다. Fig. 15는 각각의 띠장에 순차적으로 설치된 스마트 노출 경사계의 변위량을 그래프로 나타낸 보고서이며, 각 띠장의 변위량을 확인할 수 있다. 흙막이벽 굴착 깊이에 따른 각 띠장별 변위량과 흙막이벽 수직 전체에 대한 변위 방향 및 변위량 값을 확인할 수 있는 보고서이다.
Table 7.
View detailed data by sensor
Table 8.
Monitoring results - text
2.9 연구 기술의 확장성
스마트 노출 경사계를 이용한 모니터링 시스템은 흙막이벽, 건물, 옹벽, 교각 및 교량, 낙석, 급경사지, 터널 등 다양한 구조물의 기울기 각도 및 변위량을 상시 계측 할 수 있다. Fig. 16은 본 연구 결과를 응용하여 적용할 수 있는 다양한 구조물에 대한 예시이다.
3. 결 론
본 연구는 터파기 공사 중 흙막이벽의 안전성 평가를 위해 상시 계측한 변위각과 높이(깊이)의 Data를 기초로 변위량을 구하고, 이 변위량이 흙막이벽의 안전 평가 기준에 어떻게 부합하고 있는지를 보여주는 상시 계측 모니터링 시스템 구축에 관한 것이다. 구조물의 안전관리를 위한 상시 계측 모니터링 시스템은 기존의 수동 계측에 비하여 관리자와 사용자(민원인 등)들이 계측 결과를 쉽고, 빠르게 접근할 수 있도록 상시 접근성을 제공함으로서 계측 관리에 대한 투명성과 신뢰성을 확보할 수 있을 것이다. 그리고 상시 계측 모니터링 결과에 따라 선제적인 안전조치는 중대 사고를 미연에 방지할 수 있다. 또한 센서를 노출로 간단하게 설치하도록 하여 비용 절감, 유지 관리 용이, 공기 단축 효과도 확인할 수 있었다. 시스템의 안정을 위해서는 현장 적용을 확대해가면서 지속적인 연구가 진행되어야 할 것이다.
본 연구 결과는 건축물, 옹벽, 담장, 교량, 터널 등의 구조물 외에도 경사지, 낙석 등에 대한 상시 계측 모니터링 시스템 구축도 가능하므로 지속적인 연구를 통해 구조물의 중대 사고 예방 및 자연재해를 예방하는 기술로 발전해 나아가기를 기대한다.
