온도 변화는 스트레인 게이지 저항을 직접 변화시키므로 계측 오차의 주요 원인이 된다. 다음 방법으로 보상한다.
겉보기 변형률 (Apparent Strain, 열 효과):
\[ \varepsilon_{apparent} = \left(\alpha_g - \frac{\alpha_s}{GF}\right)\Delta T \]
\( \alpha_g \): 게이지 저항 온도 계수, \( \alpha_s \): 피착재 열팽창 계수
보상 방법 1 — 더미 게이지 (Dummy Gauge):
하중이 작용하지 않는 동일 재질 시편에 동일 게이지를 부착.
Half/Full Bridge의 인접 암에 배치 → 온도 효과 자동 상쇄.
보상 방법 2 — 자기 보상형 게이지 (Self-Temperature-Compensated):
피착재의 열팽창 계수에 맞춰 제조된 게이지 사용.
3.3 장기 계측의 신호 드리프트 관리
드리프트 원인: 접착제 크리프(Creep), 습기 침투, 절연 저항 저하, 온도 순환에 의한 이력.
대책: 에폭시 접착제(크리프 최소), 다중 방수 처리, 정기 제로점 확인, 고저항(≥1 GΩ) 절연 유지.
교량 주형(Girder) 하부에 LVDT를 설치하여 처짐을 계측하는 방법은 크게 두 가지이다.
방법 1 — 와이어 LVDT (Wire-Extensometer)
- 불변강(Invar) 와이어를 측정 포인트에 연결, 반대쪽 끝에 LVDT를 고정
- 와이어 장력 유지용 스프링 또는 추 사용
- 장점: 긴 거리(최대 수십 m) 적용 가능
- 단점: 와이어 처짐(catenary) 보정 필요
방법 2 — 직접 접촉 LVDT
- LVDT 하우징을 고정 기준점(교각 상부, 지지점 등)에 부착
- 코어 로드 끝단을 주형에 직접 접촉
- 장점: 정확도 높음
- 단점: 측정 범위 내 변위만 측정 가능
4.3 기준점(Reference Point) 설정의 중요성
변위 계측은 반드시 절대적 기준점이 필요하다. 교각 기초, 하천 바닥의 앵커, 또는 별도의 인바 로드 파이프 등을 기준으로 한다. 기준점 자체가 침하·이동하면 계측 결과에 오차가 포함되므로, 기준점의 안정성을 주기적으로 검증해야 한다.
분리 방법 1 — 이중 FBG법:
- 변형 받는 FBG + 변형 없는(자유) FBG를 같은 위치에 나란히 설치
- 자유 FBG: \( \Delta\lambda_2 = K_T \cdot \Delta T \)
- 변형 계측값: \( \varepsilon = (\Delta\lambda_1 - \Delta\lambda_2) / K_\varepsilon \)
분리 방법 2 — 별도 온도 센서 보정:
RTD 또는 열전대로 온도 독립 측정 후 온도 항 계산하여 보정
5.3 교량 콘크리트 바닥판 FBG 매립
FBG 광섬유를 콘크리트 타설 전 철근에 묶거나 전용 매립 패키지에 넣어 설치한다.
설치 주의사항: 광섬유 곡률 반경 ≥ 30 mm 이상 유지. 타설 시 진동다짐기(바이브레이터)가 직접 접촉하지 않도록 보호. 광커넥터 부위 방수 처리.
GPS, GLONASS, Galileo 등 위성 신호를 이용한 3차원 절대 위치 측정. RTK(Real-Time Kinematic) 기법으로 수 mm 수준의 정밀도 달성 가능.
장점: 절대 위치 제공, 기준점 불필요, 넓은 교량·사장교의 3D 변위 동시 측정.
단점: 위성 신호 차단(교각 하부, 터널 내 사용 불가), 샘플링 주파수 제한(일반 10~100 Hz), 고층 건물 다중경로(Multipath) 오차.
적용 사례: 현수교·사장교 장경간 처짐(~수십 mm), 교량 위치 이동(Bearing Migration) 장기 모니터링.
6.2 레이저 도플러 진동계 (LDV: Laser Doppler Vibrometer)
레이저 빔을 구조물 표면에 조사하고, 반사광의 도플러 주파수 이동으로 진동 속도/변위를 비접촉 계측한다.
도플러 효과:
\[ v(t) = \frac{\lambda \cdot f_D(t)}{2} \]
\( f_D \): 도플러 주파수 이동, \( \lambda \): 레이저 파장
변위: \( x(t) = \int v(t)\, dt \)
특징: 수 nm ~ 수 mm 변위 측정, 수십 kHz 대역폭, 완전 비접촉.
적용: 교량 처짐 선 측정, 구조물 모드 형상 측정, 비접촉이 필요한 고온·위험 환경.
6.3 전자 레벨(Electronic Level) 및 경사계
구조물의 경사(Tilt) 변화를 계측하여 간접적으로 상대 변위를 추정한다.
경사로부터 처짐 추정 (단순보 근사):
\[ \delta = \frac{\theta \cdot L^2}{8} \quad \text{(등분포 하중 가정)} \]
\( \theta \): 지간 내 최대 경사각 [rad], \( L \): 지간 길이 [m]
6.4 영상 기반 변위 계측 (Vision-Based Measurement)
고속 카메라 또는 드론으로 촬영한 영상에서 디지털 영상 상관법(DIC: Digital Image Correlation)을 적용하여 변위장(Displacement Field)을 계산한다.
DIC 원리: 변형 전후 이미지에서 스펙클 패턴(Speckle Pattern)의 이동을 추적 → 2D/3D 전체 변위장 획득.
장점: 전체 면(Full-Field) 계측, 비접촉, 별도 센서 부착 불필요.
단점: 조명 조건 민감, 고가의 고속 카메라, 실외 바람·진동에 취약.
인프라 적용: 콘크리트 균열 분포·폭 측정, 강재 연결부 응력 집중 부위 전체장 변형 분석.
7. 교량 변형률·처짐 계측 실무
7.1 교량 재하 시험 (Load Test)
준공 후 또는 정기 점검 시 실시하는 재하 시험은 설계값 검증과 현재 구조 상태 평가를 위한 핵심 계측 절차이다.
교량 재하 시험 절차
Step 1 — 계획: 재하 차량(표준 트럭) 선정, 하중 재하 위치·횟수 계획
Step 2 — 센서 배치: 지간 중앙·지점부·1/4 지점 등 주요 단면 선정
Step 3 — 제로 측정: 차량 접근 전 초기 영점 기록
Step 4 — 정적 재하: 하중 재하 후 안정화 → 계측값 기록
Step 5 — 동적 재하: 일정 속도(10, 20, 40, 60 km/h)로 통과하며 동적 계측
Step 6 — 제거·잔류 변형 확인: 하중 제거 후 잔류 변형 기록
Step 7 — 해석 및 평가: 설계값과 비교, 처짐 비(δ_measured/δ_design) 산출
7.2 교량 처짐 평가 기준
교량 유형
허용 처짐 (L/n 형태)
비고
도로교 주형 (활하중)
L / 800
도로교 설계기준(한국)
보도교 주형
L / 1000
진동 기준도 동시 검토
철도교 주형
L / 1000 ~ L / 800
레일 궤도 틀림 연동 검토
캔틸레버 처짐
L / 300
L: 캔틸레버 길이
7.3 계측 단면 선정 원칙
최대 응력 발생 단면: 설계 모멘트 다이어그램에서 최대값 위치. 단순보: 중앙 1/2 지점, 연속보: 중간 지점부·지점 상단.
손상 의심 부위: 교량 점검 보고서에서 균열, 부식, 볼트 손상 등 지적된 위치.
형상 변화 부위: 단면 급변부, 개구부, 스티프너 부근 (응력 집중 발생).
경계 조건 확인 단면: 지점부에서 고정 조건 vs 핀 조건 검증.
8. 콘크리트 구조물 변형률 계측
8.1 콘크리트 특성과 계측의 특수성
크리프(Creep): 일정 하중 하에서 시간에 따라 변형이 증가. 계측 시 크리프와 탄성 변형의 구분 필요.
건조 수축(Drying Shrinkage): 수분 증발에 의한 비하중 변형. 온도 변화와 함께 장기 무하중 변형의 주요 원인.
수화열(Hydration Heat): 타설 초기 온도 상승에 의한 열 변형률 발생.
총 변형률 분리:
\[ \varepsilon_{total} = \varepsilon_{elastic} + \varepsilon_{creep} + \varepsilon_{shrinkage} + \varepsilon_{thermal} \]
장기 계측에서 각 성분을 구분하여 분석해야 구조적 의미 해석 가능.
8.2 콘크리트용 센서 종류
센서 종류
설치 방법
특징 및 적용
매립형 스트레인 게이지
타설 전 철근에 묶어 매립
장기 계측 가능. 접착제 크리프 주의.
진동현식(VW) 게이지
타설 전 철근 고정 또는 타설 후 후설치
장기 안정성 탁월. 댐·교각 기초 표준.
FBG 매립형
GFRP 로드 또는 스틸 튜브 패키지로 매립
EMI 면역. 멀티플렉싱. 장기 우수.
표면 부착 스트레인 게이지
경화 후 표면 전처리·부착
시공 후 설치 용이. 방수 처리 필수.
8.3 PSC 교량 (프리스트레스 콘크리트) 계측
PSC 교량에서는 긴장력(Prestress Force) 손실 모니터링이 핵심이다. 긴장재 주변에 FBG 또는 VW 게이지를 설치하여 장기 긴장력 변화를 추적한다.
프리스트레스력과 콘크리트 변형률 관계:
\[ \varepsilon_c = \frac{P}{A_c E_c} + \frac{P \cdot e \cdot y}{I_c E_c} \]
\( P \): 긴장력, \( e \): 편심거리, \( y \): 단면 위치, \( A_c, I_c \): 콘크리트 단면적·단면 2차 모멘트
9. 강재 구조물 변형률 계측
9.1 강재 구조물 계측의 특수성
피로(Fatigue) 손상: 반복 교통 하중에 의한 고사이클 피로가 강재 교량의 주요 열화 원인. 응력 범위(Stress Range)와 반복 횟수를 지속 계측.
잔류 응력: 제작 시 용접·압연에 의한 잔류 응력이 계측값에 포함. 최초 계측 시 잔류 응력 영점 처리 필요.
좌굴(Buckling): 압축 부재의 좌굴 전 변형률 급증 → 경보 기준 설정 중요.
9.2 피로 계측과 레인플로우 카운팅
피로 수명을 평가하기 위해 응력 이력(Stress History)에서 응력 범위의 반복 횟수를 추출하는 레인플로우(Rainflow) 카운팅을 수행한다.
S-N 곡선 (Wöhler Curve):
\[ \log N = \log C - m \log \Delta\sigma \]
\( N \): 파괴 반복 횟수, \( \Delta\sigma \): 응력 범위, \( C, m \): 재료 상수
마이너 손상 누적 법칙 (Miner's Rule):
\[ D = \sum_{i=1}^{k} \frac{n_i}{N_i} \]
\( n_i \): 실제 반복 횟수, \( N_i \): S-N 곡선에서 해당 응력 범위의 파괴 횟수
D ≥ 1.0 → 피로 파괴 예상
9.3 용접부 응력 집중 계측
핫스팟 응력(Hot-Spot Stress): 용접 토(Weld Toe) 주변 응력 집중을 평가하기 위해 표면 외삽법(Linear/Quadratic Extrapolation)을 이용.
게이지 배치: 용접 토에서 0.4t, 1.0t 거리(t: 판 두께)에 선형 게이지 2~3개 배치 후 외삽.