콘크리트 박스거더 교량의 하중 시험 및 구조 건강 모니터링 데이터셋

초록

본 논문은 1972년 건설된 콘크리트 박스거더 교량에 설치된 100여 개 센서를 활용한 장기 구조건강모니터링(SHM) 시스템과 정적·동적 하중 시험 데이터를 공개한다. 정적 시험은 대형 모래백과 트럭을 이용해 장·단기 하중을 가했으며, 동적 시험은 다양한 속도로 이동하는 트럭을 통해 교량의 진동 응답을 측정하였다. 데이터는 Zenodo에 공개돼 모델 검증·이상 탐지 알고리즘 개발 등에 활용 가능하다.

상세 분석

이 연구는 기존에 제한적으로 제공되던 전규모 교량 하중 시험 데이터를 보완하기 위해, 실험 설계, 센서 배치, 데이터 수집 및 관리 전 과정을 상세히 기술하고 있다. 교량은 50 m 길이·10 m 폭의 단일 차체 박스거더이며, 프리스트레스트 콘크리트와 개방형 프레임 구조를 갖는다. 1972년 건설 이후 1978·2010·2011년에 보수·보강이 이루어졌으며, 현재는 경미한 균열·확장 조인트 변위만 관찰된다.

SHM 시스템은 36개의 3축 가속도계(200 Hz), 56개의 스트레인 게이지(200 Hz), 8개의 인클리노미터(100 Hz), 4개의 변위 트랜스듀서(100 Hz), 2개의 기상관측소(10 Hz) 등 총 106개의 센서를 포함한다. 각 센서는 전역 좌표계에 대한 위치가 명시되어 있어 유한요소 모델과 직접 비교가 가능하도록 설계되었다. 특히 가속도계는 강철 트랙에 마그네틱 고정되어 필요에 따라 재배치가 가능해 동적 시험에서 다양한 측정 포인트를 확보할 수 있다.

정적 시험은 두 가지 시나리오로 진행되었다. 첫 번째는 교량 중앙·측면에 680 kg, 1 420 kg, 2 160 kg의 모래백을 단계적으로 배치해 10일간 유지함으로써 작은 질량 변화에 대한 센서 민감도를 평가하였다. 두 번째는 21.25 t(적재)·12.34 t(공차) 트럭을 6 × 6 cm·25 mm 두께의 하중 분포 플레이트 위에 주차시켜 설계 하중 상황을 재현하였다. 각 주차 위치는 레이저 센서로 정확히 기록되었으며, 최소 10분 이상 엔진을 정지시켜 정적 응답을 확보하였다.

동적 시험은 크롤 속도(5 km/h), 20 km/h, 40 km/h, 50 km/h 네 가지 속도로 적재·공차 트럭을 교량 전·후로 주행시켜 수행되었다. 크롤 속도는 10회, 나머지 속도는 5회씩 반복했으며, 가속도와 스트레인 데이터를 동시에 수집하였다. 레이저 센서는 트럭의 진입·이탈 시점을 정확히 파악해 영향선(influence line) 추정에 활용되었다. 이러한 다중 속도·다중 하중 조합은 비선형 동적 거동 및 신호대잡음비(SNR) 변화를 분석하는 데 유용하다.

데이터는 Zenodo에 CSV·MAT 형식으로 제공되며, 파일 구조와 메타데이터는 논문 부록에 상세히 기술되어 있다. 데이터는 정적 변위·응력, 동적 가속도·주파수 스펙트럼, 환경 변수(온도·습도·풍향·일사량) 등을 포함한다. 연구팀은 향후 장기 SHM 데이터와 결합해 피로·손상 진단, 모델 기반 예측, 머신러닝 기반 이상 탐지 연구를 진행할 계획이다.

본 연구의 주요 기여는(1) 실제 운용 중인 교량에 대한 고해상도·다중 물리량 데이터셋 공개, (2) 정적·동적 하중 시험을 통한 센서 민감도 및 시스템 재현성 검증, (3) 데이터 기반 구조해석·건전성 평가 모델의 검증 기반 제공이다. 데이터 공개는 학계·산업계가 교량 SHM 및 하중 시험 연구를 가속화하고, 데이터 기반 의사결정 체계를 구축하는 데 중요한 자산이 될 것으로 기대된다.