건축/환경에너지

Nikkei Construction_2024.8 (p36-38)

초고속 유지 관리 사이클에 도전
하루 교량 1개 분의 바닥판 열화를 예측

공용 중의 도로 교량 바닥판을 대상으로 하루에 실질적으로 교량 1개 분의 열화를 예측하는 등, 기존의 유지 관리 개념을 뒤집는 기술이 시행(試行)되고 있다. 5년에 한 번의 정기 점검을 기다리지 않아도 정밀도 높게 보수 계획을 세울 수 있는 미래가 가까워지고 있다.

마에다건설공업(前田建設工業) 등이 출자하고 있는 아이치도로컨세션(ARC, 아이치 현)이 운영하는 유료 도로 ‘사나게(猿投) 그린로드’에서 교량 바닥판의 열화 예측과 현상 파악의 정밀화를 중심으로 유지 관리 사이클을 고속화하는 기술이 시행되고 있다. 2023년에 개시된 내각부의 ‘전략적 이노베이션 창조 프로그램(SIP)’의 제3기에서는 산∙관∙학이 협업해 신기술 구현을 통한 예방 보전형 유지 관리로의 전환에 도전하고 있다.

SIP의 제3기에서는 유지 관리 사이클의 고속화를 위해 바닥판의 열화 예측에 관한 해석 프로세스의 자동화를 추진하고 있다. 시행 대상은 총 길이 13.1km에 이르는 35개 교량이다.

열화 예측에 사용하는 것은 도쿄대학 콘크리트연구실이 중심이 되어 개발해온 시뮬레이션 기술 ‘DuCOM-COM3’. 멀티 스케일 해석이라고 불리며, 콘크리트의 경화 등 미시적인 현상부터 변형 등 구조물 전체의 거시적인 변화까지 해석. 환경이나 하중과 같은 경계 조건 하에 시간축 상에서 내피로성 등을 평가할 수 있다.

-- 지금까지는 교량 1개 해석에 반년 소요 --
열화 예측까지의 흐름은 다음과 같다. 우선은 도면으로부터 치수값 등의 파라미터를 추출한다. 이어서, 파라메트릭 모델(Parametric Model, 파라미터를 입력하는 것만으로 손쉽게 형상을 변경할 수 있는 3차원 모델)을 생성. 그 다음, FEM(유한 요소법) 해석용 메쉬 분할이나 차량의 하중과 같은 조건 설정, 해석용 데이터 작성을 거쳐 해석한다. 이 가운데 3차원 모델화에서 해석용 데이터 작성까지의 작업과 해석 결과의 가시화 작업을 자동화했다.

DuCOM-COM3를 사용한 현장 실증에 본격적으로 착수한 것은 2023년 말. 올 5월에는 자동화 처리 효과로 1주일에 교량 1개 분의 바닥판 열화 예측 결과를 산출할 수 있게 되었다.

또한 마에다건설공업 ICI종합센터의 슈퍼컴퓨터를 활용해 방대한 양의 데이터를 계산하고, 그 결과를 가시화할 때까지의 작업 속도를 가속화했다. 슈퍼컴퓨터를 사용하면 1주일에 교량 8개 분의 산출이 가능해진다. 1일 환산으로 교량 1개 분의 산출 능력이다.

노선 전체 교량의 바닥판 열화를 지금까지 없었던 속도로 예측할 수 있게 되기 때문에 5년에 한 번씩 실시되는 정기 점검 결과를 기다리지 않아도 적절한 보수의 우선 순위를 감안한 계획 작성이 가능해진다. 기존의 열화 예측 시뮬레이션은 많은 과정에서 인력 작업이 수반되어 교량 1개 당 반년 정도가 걸렸다. 중요 구조물에 대한 적용이 한계이기 때문에 교량군의 보수 우선 순위를 판정하는데 사용하는 것은 비현실적이었다.

-- 바닥판 내부의 체수(滯水) 상황을 계측 --
예방 보전형으로의 전환에는 유지 관리 사이클의 속도 향상 뿐만이 아니라, 정밀도도 필요하다. 바닥판 내부의 열화 상황을 정확하게 파악하지 못하면 예측의 정밀화는 어렵다. 사나게 그린로드에서는 특히 콘크리트가 골재와 모르타르로 분리되어 토사처럼 되는 토사화 상황을 정확하게 파악할 수 없다는 점이 문제시되고 있었다.

토사화의 영향이 바닥판 하부에 나타나 이상을 알아차릴 무렵에는 내부의 열화가 상당히 진행되고 있는 경우가 많다. 5년에 한 번 있는 정기 점검에서 내부의 변상이 간과되는 일도 적지 않다.

ARC 공사관리그룹의 야마모토(山本) 그룹장은 “지금까지 바닥판의 유지 관리는 결과적으로 사후 보전형이 되고 있었다. 간이 보수를 반복하고 나서 본격적으로 보수하는 교량이 많아, 공사비가 증가하고 있었다”라고 말한다.

그래서 SIP 제3기에서는 고정밀도의 계측 데이터 취득을 통한 현상 파악도 추진되고 있다. 도쿄대학 생산기술연구소의 미즈타니(水谷) 조교수 등이 개발한 차량탑재형 지중(地中) 레이더 등을 사용한 조사이다. 바닥판 열화를 앞당기는 내부 체수 상황을 최대 시속 80km의 계측 차량으로 주행하며 파악할 수 있다. 2023년 11월에 사나게 그린로드에서 첫 시험 주행이 실시되었다.

이러한 조사 방법은 교량 별로 자세한 열화 상황을 반영할 수 있게 되기 때문에 예측의 정밀도를 보다 향상시킬 수 있다. 지금까지는 포장을 뜯어내지 않으면 바닥판 내부의 열화 상황을 확인하기 어려웠다.

실증에서는 장거리 주행을 통해 수집된 대량의 계측 데이터를 자동 분석하는 새로운 프로그램 개발도 진행되고 있다. 또한 조사 결과를 DuCOM-COM3의 해석 데이터에 자동 반영하는 방법도 검토할 예정이다.

계측은 열화 상황을 파악하는 것 외에도 장점이 있다. 마에다건설공업 ICI테크놀로지센터의 요네다(米田) 토목구조그룹장은 “열화 예측 후의 계측을 통해 예측 결과의 정밀도를 확인할 수 있게 된다”라고 말한다.

-- 예방 보전형의 장점을 증명 --
사실은 SIP의 제3기가 시작되기 전, 마에다건설공업과 도쿄대학 콘크리트연구실의 공동 연구에서 사나게 그린로드의 전체 교량을 대상으로 하는 간이 열화 예측을 실시한 실적이 있다. 이번 시범 도입은 이러한 연구 성과를 기반으로 함으로써 바닥판 열화 예측의 고속화로 이어지고 있다.

마에다건설공업과 도쿄대학 콘크리트연구실의 공동 연구에서 대상으로 한 열화는 바닥판의 토사화이다. 간단한 파라미터를 이용해 DuCOM-COM3로 해석하고, 그 결과를 바탕으로 단순한 통계 모델을 작성했다. 이 통계 모델을 이용해 바닥판의 두께나 콘크리트 강도 등의 조건 별로 열화를 예측. 40%의 교량에서 바닥판의 누락 리스크가 높은 한편, 30%에서는 약 30년간 누락 우려가 없다는 것을 알아냈다.

이러한 결과를 바탕으로 사후 보전이나 예방 보전 등 복수의 시나리오를 평가하여 유지관리 코스트를 추산한 결과, 예방 보전 코스트의 우위성을 확인할 수 있었다. 예방 보전은 초기에 방수 가공에 따른 공사비가 들지만, 사후 보전과 비교해 토사화 관련 보수 비용을 30년간 약 6억 엔 줄일 수 있는 추산 결과가 나왔다.

ARC는 아이치 유료 도로의 운영권을 기간 한정으로 취득하고 있는 민간 기업이다. 인프라의 안전은 물론, 코스트 절감도 중요한 경영 목표가 된다. 정말로 필요한 곳을 엄선해 보수를 진행하지 않으면 안 된다.

요네다 그룹장은 “민간의 엄격한 시점에서 예방 보전형의 유지 관리 사이클이 확립되면, 공공 사업자가 관리하는 교량으로도 수평 전개하기 쉽다”라고 강조한다.

 -- 끝 --

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