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자동지중경사계(In-Place Inclinometer) 장기 Aging 테스트 - 전편

(주)다스 2020-02-01 12:07:39 조회수:3147 124.51.177.175

자동지중경사계(In-Place Inclinometer) 장기 Aging 테스트 - 전편

 
㈜다스

수동형경사계와 자동지중경사계(In-Place Inclinometer)의 비교

1. 개요

 토목 현장에 변위가 발생 했을 때 그 변위가 왜 발생 했는지, 얼마나 발생해야 위험한 것인지 명확히 결정하기가 쉽지 않은게 현실이다. 특히, 땅속의 변위는 육안으로 확인 할 수도 없고 실제 변위를 검증 할 수도 없어 센서의 측정값이 몇mm 라도 발생하면 감독관은 왜 발생했는가? 라고 계측 담당자에게 원인 분석을 요구 한다. 명확한 이유가 있는 변위라면 )예를 들어 터파기한 벽면이 볼록하게 보인다거나, 주변 지표면이 크렉이 크게 발생하여 육안으로 식별이 가능한 경우) 센서의 측정값의 방향과 비교하여 제시하면 대부분 이해하거나 원인 분석을 수용한다.

 하지만 육안으로 나타나지 않은 경우 (예를 들어 수mm 변위 발생하고 육안으로 식별 시 변화도 없고, 공사 진행도 없을 경우) 감독관은 공사도 하지 않는데 왜 변위가 발생하느냐? 라고 따지고 센서에 문제가 있다라고 한다. 또는 센서의 측정 변화값이 공사현장 방향으로의 변화를 + 라고 할 경우, 센서 측정값의 변화가 - 방향으로 나타났다면 센서가 문제가 있다라고 한다. 물론 센서가 문제가 있어서 그렇게 측정될 수 있다. 하지만 정말 센서의 문제로 그렇게 측정이 되었을까? 대부분의 계측현장에서 관리기준 (예를 들어 터널의 내공변위는 1차관리 기준이 ±3mm 이고, 옹벽의 변위는 1차관리를 1/1000으로 하는 등)을 설정하여 계측을 한다.

 지중경사계의 경우에도 관리기준이 있다. 서울지하철 9호선 시공계측관리 표준시방서 P33~34(지하철건설본부)에는 1차관리기준이 1/700 * Hmm, 2차 관리기준이 1/500 * Hmm, 3차 관리기준이 1/300*Hmm로 되어 있다. 깊이가 20M의 지중경사계라면 1차관리 기준이 1/700 * 2000 = 28.57mm 가 된다. 이런 경우 어떤 현장은 1차 관리기준을 넘지만 않으면 아무도 신경 안쓰는 현장이 있는가 반면에 어떤 현장은 1mm만 변해도 왜 변했는지 원인 분석을 하라고 한다. 두 경우 모두 문제가 있다는 것을 직관적으로 알 수 있다. 우리는 새로 개발된 지중경사계를 장기 테스트하여 평상시의 변위를 산정하고, 기존의 제품의 문제와 새 제품의 성능에 대해 알아 보고자 한다.

2. 장기 측정 관점에서 기존 제품의 성능 분석

 기존 현장 중에 수동형경사계와 자동지중경사계를 나란히 설치하여 계측한 현장이 있었다. 이 현장의 경우 자동계측센서의 결과 값을 수동형경사계와 비교하여 신뢰서을 확보하기 위함이였다.

▲ 그림1. 지중경사계와 수동 경사계 설치 도면

  위 도면과 같이 현장은 4면의 중간에 수동형경사계 측정 홀과 자동경사계 측정 홀이 나란히 배치되어 있다. 이 네 곳의 모든 데이터를 보는 것은 양이 너무 많으므로 대표적인 수동#4와 자동#12 데이터를 비교하여 측정 데이터를 확인해 보자.

2.1 자동 지중경사계 데이터와 수동형 경사계 데이터

▲ 그림2. 수동#4와 자동 #12홀의 측정 데이터이다. 수동형경사계는 초기값 설정일이 17년4월 28일이고 자동은 8월31일로 조금 차이가 있다.

  위 그림을 보면 수동형 경사계와 자동지중경사계의 그래프 형상이 다른 것을 볼 수 있다. 물론 초기값 설정일이 서로 상이해서 차이가 날 수는 있지만 그래도 뭔가 많이 다르다는 것을 직관적으로 느낄 수 있다. 우리는 이를 분석하기 위해 수동형경사계를 다시 검교정테스트를 실시해서 이상없음을 확인 하였고, 자동경사계는 각각의 센서 데이터를 분석하기로 하였다.

  * 자동지중경사계 설치 간격 : 2M 간격

  * 센서 설치 개수 : 19개 * 깊이 : 38M

  * 초기치설정 : 2017년 8월 초기치 설정

  * 전체 측정데이터 : 5개월 * 차트 데이터 : 1.5개월 데이터 분석(데이터 양이 많아 최근 데이터를 중심으로 분석)

2.2 자동지중경사계데이터 분석

▲ 그림3. 지하 38~20M 지점의 센서 개별 변화 그래프

  위 그래프는 지하 38m 지점부터 20m까지의 센서의 개별 각도 데이터와 온도데이터 이다. 주황색라인이 온도데이터이고 청색라인이 각도 데이터이다. 하부(위 좌측에서 우측 순)일 수록 온도변화와 각도변화가 적을 것을 알 수 있다. 수치로 보면 38M 지점의 온도 변화는 약 섭씨 1도 정도로 거의 없으며 각도 변화는 0.05degrees로 미미하다. 20m 지점의 경우 온도 변화는 최대 26도에서 최소 23도 정도로 3도 정도의 온도변화를 보이고 있으며, 각도 변화는 -0.08degrees로 나타나고 있다. 각 센서별로 보면 시간이 지날 수록 각도가 증가된 것도 있으며, 감소된 것도 있다.

▲ 그림4. 지하 18~2M 지점의 센서 개별 변화 그래프

  위 그래프는 지하 18~2m의 개별 센서 데이터와 온도데이터 이다. 38m~20m 지점보다는 변화폭이 확연하게 크게 나타나는 것을 볼 수 있다. 지상과 가까워 질 수록 온도변화와 각도 변화가 큰 것을 알 수 있다. 가장 상부인 2m 지점의 센서를 온도변화가 약 섭씨 27도에서 12도 정도까지 변화하여 약 15도 정도의 변화를 나타내고 있다. 38M 지점의 온도변화는 1도 인 것을 감안하면 얼마나 많이 변화했는지 비교할 수 있다. 각도는 -0.6도로 38m지점이 0.05도 인 것에 비해 약 10배 이상 변화가 있다.

 그렇다면 이 변화량은 지반이 변동하여 발생한 변화인가? 아니면 온도가 변해서 변화가 발생한 것인가? 이를 확인하기 위해 공사 현장의 작업이 없는 시기와 수동형 경사계의 변화량과 비교하여 지반이 변동하지 않았을 구간을 산정하여 온도계수를 구한 다음, 온도 보상하여 수동형 경사계와 비교하였다.

▲ 그림5. 수동형 경사계와 자동지중경사계의 온도 보상 후 데이터 비교 그래프

  그림2 에서 온도 보상 미적용된 그래프(두번째)를 보면 수동형 경사계와 형상차이가 많았지만, 온도보상을 한 후 결과를 보면 그림4와 같이 수동형 경사계와 유사한 형상이 나온 것을 알 수 있다. 변화폭은 수동형 경사계는 15mm 정도 발생한 것에 비해 자동지중경사계는 25mm정도 발생하였다. 이런 차이가 나타난 이유는 측정간격 때문이다. 수동형 경사계는 0.5m 간격으로 측정되었고, 자동지중경사계는 2m 간격으로 설치가 되어 정밀도가 많이 떨어진다. 그렇기 때문에 측정간격을 수동형 경사계와 같게 0.5m 간격으로 하는 것이 좋다.

2.3 자동지중경사계 데이터의 오류

  자동지중경사계를 이용한 계측에서 발생되는 오류는 다음과 같다.

  1) 케이싱 그라우팅의 품질

  2) 센서의 온도변화에 대한 민감도

  3) 예상치 못한 지반의 움직임

  4) 지중경사계 설치 품질

  5) 기타

1) 케이싱 그라우팅의 품질

  케이싱 그라우팅은 천공 후 케이싱을 삽입하고 홀과 케이싱 외부사이에 시멘트 몰탈을 삽입하여 굳히는 것이다. 이 때 작업자가 꼼꼼한 그라우팅 순서를 지켜 단단하게 그라우팅이 되도록 해야 하는데 이를 지키지 않을 경우 케이싱이 흔들거려 오차로 나타날 수 있다. 또한 잘 그라우팅을 하였다 하더라도 그라우팅이 굳는 동안에는 케이싱이 안착 안정화 되면서 조금씩 변화로 나타날 수 있다.

 따라서 그라우팅 메뉴얼에 따라 그라우팅을 해야하고, 그라우팅 후에는 일정기간 굳혀서 안정화 된 후에 초기치를 잡아야 한다.

▲ 그림6. 해외 업체에 소개된 그라우팅 방법
▲ 그림6. 그라우팅 양생 전후의 케이싱 변위 변화

  위 그래프는 (주)다스 본사에 위치한 50m 테스트 천공 홀에서 측정된 데이터이다. 천공 후 다음날 부터 측정하여 그라우팅 양생 완료 전과 후의 데이터 변화를 확인 할 수 있었다. 그라우팅 양생 전에 변화폭은 약 20mm 정도 나타 났다.

2) 센서의 온도변화에 대한 민감도

  지구상의 모든 물질은 온도에 따라 부피가 변화한다. 센서도 마찬가지이다. 따라서 센서 값을 온도 보상해 주어야 한다. 앞서 언급한 자동경사계의 경우에도 온도보상을 하여 측정데이터 오류를 수정하였다. 하지만, 이 방법은 설치 후 몇달 이상 장기간 측정한 데이터를 이용해야 하므로 현장 적용에 문제가 있다. 따라서, 센서 자체에 온도 보상의 기능이 있어야 하는데 이는 매우 어려운 기술이다. 많은 센서 제조업체가 온도보상을 하였다고 하지만 온도보상의 기술은 어렵기도 하지만, 배열 연산을 해야 하는 IPI와 같은 센서에서는 온도 보상만으로는 한계가 있다. 센서가 50개가 있는 IPI의 경우 온보 변화가 몇도 이내에 있어야 10mm이내의 오차를 가질지 계산해 보자. 센서 간격은 1M이면 센서의 온도변위는 1/100도 이내의 값이 나와야 한다. 분해능은 1/100도를 만드는 것은 쉽지만 온도가 -20~60℃ 에서 1/100degrees 이내로 변화하는 것은 매우 어렵다. 제조단계에서 단순 개별 센서의 온도 보상으로는 해결하기 어렵다.

3) 예상치 못한 지반의 움직임

  아무 공사도 하지 않는 지반일지라도 거동은 일어날 수 있다. 그림6에서 지반 거동이라고 표기한 부분이 있지만, 이 천공 홀은 (주)다스 본사에 위치한 것으로 어떠한 공사도 없는 곳이다. 상식적으로는 거동이 없는 곳이다. 지반 거동이 발생한 시점은 2017년11월15일 14:30분에 발생한 포항 지진 때문으로 밝혀졌다. 변화폭은 50m 최저점을 기준으로 A축이 약 10mm로 나타났다. 포항 지진이라는 이벤트가 있었기 때문에 지반 변화를 받아 들일 수 있지만, 만약 포항 지진이 아니였다면 센서 이상으로 치부하여 엉뚱한 고민을 하고 있었을 지도 모른다. 이처럼 아무런 공사나 인위적인 행위가 없다고 하더라도 지반은 움직일 수 있음을 인지하고 있어야 한다. 지반의 거동의 원인은 알 수 없을 수도 있다. 그렇기 때문에 센서는 더더운 신뢰성이 필요하고, 거동의 원인이 밝혀지지 않을 경우 센서의 이상유무를 파악할 수 있는 방법이 있어야 한다.

4) 지중경사계 설치 품질

  당연한 말이지만 센서 설치 시 품질이 좋지 않다면 오류가 발생 될 수 있다. 센서 조립이나 케이싱의 조립 상태 그리고 케이싱과 센서 바퀴의 안착 상태 등 올바른 설치가 오류를 줄이는 길이다.

5) 기타

  센서를 잘 설치 한다고 하였으나 바퀴와 케이싱 사이에 끼인 모래나 작은 돌과 같은 이 물질이 있다가 빠져나가거나, 주변에 대형 중장비가 이동하면서 진동을 가해 설치 위치가 흔들려서 변화를 하거나 등의 이유로 센서값이 변할 수 있다. 이럴 경우 센서의 Rawdata를 개개별로 분석하여 원인을 유추해 보고, 그래도 원인이 나타나지 않을 경우 꺼내서 확인을 해봐야 할 수도 있다.

 앞서 언급했듯이 지반의 거동은 육안으로 알 수가 없다. 또한 수십미터의 깊이로 설치된 센서에 수mm의 변화를 확인하는 것이 매우 어려운 일이다. 특히 구조물에 비해 거동이 큰 지반의 경우에는 더욱 그렇다. 따라서 수mm의 변위는 아무런 인위적인 행위가 없는 곳이라도 발생 할 수 있음을 염두에 두어야 한다. 3~5mm의 변위가 발생하였는데 이를 분석하여 원인을 발혀 낼려고 한다면 무모한 도전이 될 수도 있다. 이것도 0.5m간격으로 측정했을 때 얘기다. 2m 간격이라면 더 큰 오차변위폭은 두 말할 것 도 없다.

<후편에서 계속...>



 

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