현재까지 모니터링 시스템을 통한 구조물의 이상거동 판정은 구조해석을 통해 미리 설정한 관리한계치와 구조물로부터 얻은 계측 값을 비교함으로써 행해지고 있다. 따라서 계측 값이 관리한계치를 상회한다면 이는 구조물이 이상거동을 하고 있다는 것으로 해석하고 교량통행의 통제 또는 보수 등을 실시하도록 하고 있다.

국내에서 수행된 관리한계치에 대한 연구로는 전문가 설문조사를 통한 흙막이 구조물 공사에 있어서 관리한계치에 대한 신뢰도 분석이 수행⁽¹⁾된 바 있으며 장대교량에 대해서는 신뢰성에 기초한 사장교 케이블의 장력관리를 위한 관리한계치 설정에 관한 연구가 수행⁽²⁾된 바 있다. 그러나 닐센 아치교 같은 특수교량에 대한 케이블 관리한계치 설정방안에 대한 연구는 거의 없는 실정이다.

일반적으로 닐센 아치교에 사용되는 행어는 사장교에 사용되는 stay cable과 같다. Stay cable의 구성은 사장재(고인장력 저항), 튜브, 정착장치, 채움재(부식방지) 등으로 이루어진다. Stay cable은 행어 배치에 따라 케이블의 장력 변동이 상이하므로 상황에 따른 케이블 장력관리의 필요성이 매우 높다.

장력추정 방법은 현재 실무에서 일반적으로 간접법을 주로 채택하고 있으며 이 논문 역시 간접법을 통한 장력추정에 대한 이론과 방법을 검토하였다.

장력추정 간접법은 크게 케이블 변형률을 이용하는 방법과 케이블의 진동을 이용하는 방법이 있다. 이중 케이블 진동 시 케이블 가속도를 통해 고유진동수의 변화를 매개로하는 케이블 진동모드에 따라 측정된 고유진동수를 적용하여 케이블 장력을 추정한다⁽³⁾.

해당 방법에서는 가속도센서를 이용하여 데이터를 수집하며 안정된 데이터를 확보하기 위해 일반적으로 20분간의 데이터를 확보한다. 그 후 불필요한 주파수 필터링과 같은 처리작업을 수행한다. 그리고 파워스펙트럼을 통한 해당 케이블 고유진동수를 확보하고 푸리에 변환을 이용하여 장력을 추정하였으며, 케이블 장력은 현 이론식을 이용한 현에 작용하는 장력 방정식의 해를 구할 수 있다. 이 경우 케이블 휨 강성을 고려한 경우와 무시한 경우로 나누어진다.

식 (1)은⁽⁴⁾ 케이블 휨 강성을 무시한 경우의 방정식이다.

y : 진폭
w : 단위길이당 케이블 무게
g : 중력가속도
x : 길이방향의 좌표
t : 시간

식 (1)을 양단고정 경계조건으로 해석하면 식 (2)와⁽⁵⁾ 같은 장력을 구하는 식을 도출할 수 있으며, 이는 단순한 현의 진동으로부터 구할 수 있다.

f_n : n차 고유진동수
ℓ : 케이블의 길이

닐센아치교 케이블 장력관리를 위한 관리한계치 설정에 대해 기존의 방법에 대해 문제점을 분석하고 실제 닐센 아치교 대상 교량의 특성에 맞는 새로운 관리한계치 설정 방법을 제시하였다. 기존의 관리한계치는 설정방법에 대한 문제점은 다음과 같음을 보였다.

(1) 기존의 관리한계치 설정방법의 경우 최종도입장력을 기준치로 하여 기준이 되는 값보다 상회(%)하는 값을 기준으로 하여 관리한계치를 설정하였다.

그러나 이러한 주의치나 경고치 설정은 단지 경험적인 방법으로 유지관리자가 임의로 설정하는 경우가 대부분으로 각 계측 항목에 대하여 같은 편차량을 적용하여 관리한계치를 설정하는 것은 각 계측 항목의 특성을 무시한 것으로 불합리하다.

(2) 닐센 아치교의 모든 케이블에 대해 관리한계치 설정을 위해 동일한 할증률을 적용한 결과 어떤 케이블에 대해서는 관리한계치가 허용장력을 초과할 수 있어 관리한계치의 의미가 상실된다.

(3) 교량 구조물은 필연적으로 시간의 경과와 함께 열화가 진행 되며 이는 일반적으로 점진적 진행의 성격을 보이나 상황에 따라 급작스러운 열화의 진행을 보이기도 한다. 교량 구조물의 열화는 처짐을 발생시키고 이는 변형률의 증가를 야기한다. 즉, 관리한계치 설정 역시 교량의 거동에 대응하여 지속적으로 변화하여 설정되어야 한다.

(4) 실제 계측된 장력 값의 확률분포를 이용하여 각 케이블에 대해 기존에 설정된 관리한계치에 대한 신뢰성 지수를 산출한 결과 모든 케이블에 동일한 할증율을 사용하였으나 각 케이블은 각기 상이한 신뢰성 지수를 나타냈다. 따라서 기존의 관리한계치 설정방법에 의해 케이블 장력을 관리하는 경우 동일한 할증율을 적용한다고 할지라도 각 케이블에 대한 안전도를 알 수 없으며 각 케이블 마다 각기 상이한 안전도로 관리되는 결과를 초래하였다.

향후 U-네트워크 모니터링 시스템을 발전시키기 위하여 UFID(unique feature identifier) 기술 적용, GIS 3D 기술 도입, 지자체 및 관련기관의 유기적인 협조등 기존 시설물 관리 체계에 적용된 기술들과의 연계방안이 시급하고 그에 따른 연구 투자가 있어야 할 것이다. 그리고 기존의 유지관리 시스템의 정보관리체계 분석 및 유비쿼터스 기술 적용을 통하여 단순한 모니터링 수치정보의 습득이 아닌 자동화 되고 실시간으로 정보를 관리하여 유지관리 정보 켄텐츠의 유비쿼터스 기술기반에 적용을 도모하여야 할 것이다.