광섬유 센서를 활용한 시설물 안전관리 기술의 등장으로 인프라의 안전관리가 더욱 정확하고 신속하게 이뤄질 수 있을 것으로 기대된다.

한국건설기술연구원의 '신경망 센서 개발 및 이를 활용한 콘크리트 시설물의 스마트 모니터링 기술 개발' 사업이 그 주인공이다.

광섬유는 부식의 영향이 없고 장기적인 내구성이 우수해 다양한 물리량을 측정할 수 있는 소재다.

신경망 센서는 광섬유에 광원(빛)을 입사하면 광섬유 길이방향으로 전반사되면서 전송되는 특징을 이용한다.

입사광원은 광섬유 길이방향으로 전반사가 이뤄질 경우 대부분 통과되지만, 극히 일부 광을 후방으로 산란시킨다. 이 같은 산란광을 후방 산란광이라고 부른다.

건설연은 후방 산란광이 광섬유의 위치 및 광섬유가 외부환경으로부터 받은 영향(변형 및 온도 등)의 정보를 포함하고 있으므로, 이를 분석함으로써 변형률 및 온도 등 광섬유 위치별 물리량을 얻을 수 있다고 설명한다.

기존 센서는 콘크리트 시설물 내에 센서 설치가 곤란하고, 비용이 높은 데다 계측 신뢰성도 보장되지 않는다는 문제점이 존재했다.

반면, 광섬유 센서를 이용하면 콘크리트 시설물 내에도 손쉽게 설치할 수 있고, 내구성도 좋은 데다 시설물 내 다수 점에서 실시간 변형률을 측정하기에 계측에 대한 신뢰성도 보장할 수 있다.

또한, 광섬유를 사용한 건설연의 스마트 강연선을 이용하면 국내에 가장 많은 '프리스트레스트 콘크리트(PSC)' 교량을 더 효율적으로 관리할 수 있다.

기존 PSC 교량의 경우 강연선의 현재 긴장력을 파악할 수 없어 교량의 안전성을 정확하게 평가하는 것이 어려웠다.

하지만 스마트 강연선은 광섬유, 탄소섬유를 사용해 강도, 소재 변형성 및 릴랙세이션 특성이 우수하므로 반영구적으로 사용이 가능하다.

릴랙세이션은 소재의 인장 응력이 시간과 더불어 감소하는 현상을 의미한다.

스마트 강연선은 일반 강연선과 형태도 똑같고, 시공 방법도 같아 기존 교량에 어렵지 않게 적용이 가능하다.

스마트 강연선을 적용하면 시공 시 정밀하게 긴장력을 관리할 수 있으며 완공 후에도 구조물의 안전 관리를 효과적으로 수행할 수 있고, 유지관리비용도 더 저렴해진다.

스마트 강연선은 현재 강동역 부근 빌딩, 양노3교, 정릉천교 등에 적용돼 장기 성능을 검증하고 있으며 개선 방향도 도출하고 있다.

건설연은 스마트 강연선의 적용 확대를 위해 스마트 강연선의 대량 제작 방법, 기존 광섬유 망을 활용한 데이터 취득 방법 등을 개선할 계획이다.

뿐만 아니라 광섬유는 콘크리트 신경망 센서에도 적용돼 콘크리트 부재를 스마트하게 관리할 것으로 기대되고 있다.

광섬유를 적용한 직경 3㎜ 이내의 유리섬유강화플라스틱(FRP) 신경망 센서는 기존 센서의 고비용, 저내구성, 신뢰성 미확보 등의 문제를 해결할 수 있을 것으로 기대된다.

FRP 신경망 센서는 유연하게 휘어져 신설 및 기존 콘크리트 부재 내에 자유로운 형태로 설치돼 콘크리트 시설물의 상태를 정밀하게 파악할 수 있다.

신경망을 따라 연속적으로 1~2㎝ 간격의 변형률을 측정해 콘크리트 시설물의 상태를 더 스마트하게 모니터링할 수 있는 것이다.

더욱이 기존의 센서에 비해 아주 저렴한 가격이어서 시공 시의 비용 부담 또한 덜 수 있다.

신기술을 건설분야에 적용, 확산하기 위한 움직임도 활발하다.

건설연과 서울시설공단은 지난해 인프라시설물의 스마트 관리를 위한 업무협약 체결을 바탕으로 공단이 관리하는 서울시 인프라 시설물의 스마트 관리를 위한 시범 사업을 진행하고, 상호 협력함으로써 인프라 관리 분야의 실질적인 경쟁력 확보에 나섰다.

연구진은 올해 △신경망 센서의 현장 적용을 위한 핵심 요소기술 개발 △디지털트윈 기반 성능 평가 기술 개발 등을 추진한다. 이어 4차 연도인 내년에는 △신경망 센서 및 디지털트윈 기반 스마트 모니터링 등에 대한 실용화 기술 개발에 나선다. 2022년(5차 연도)에는 신경망 센서의 현장 적용 기술 개발과 디지털트윈 기반 스마트 모니터링 현장 적용성 검증을 추진할 계획이다.

박광하 기자 다른기사 보기