모바일 적외선 스캐닝 - 기존 교량 검사 방법에 대한 정확한 하이테크 대안 방법

열화상 카메라 FLIR A6700SC를 이용한 적외선 교량 스캔 시스템을 활용하면 차선을 폐쇄해야 할 필요가 없고 1.6km 길이의 교량 현장에서 데이터를 수집하는 것도 단 몇 분이면 충분합니다.

토목 엔지니어들에게 현재 큰 골칫거리가 있습니다. 미국 전역 수 만 개의 교랑이 설계된지 50년이 넘었기 때문입니다. 연방고속도로국(FHWA)에 따라 미국 전역에 있는 611,845 개의 교랑 중 1/4은 구조적으로 결합이 있거나 기능 면에서 더 이상 사용할 수 없는 상태입니다. 이 교랑는 상당한 정비, 수리 또는 교체가 필요하며 향후 12년 동안 매년 205억 달러의 비용이 소요될 것으로 추정됩니다.

콘크리트 교랑 데크에서 구조적 결함을 확인하기 위해 현재 사용되는 기존 방법은 시간이 많이 소요되고 부정확하며 검사자와 운전자 모두에게 안전하지 않습니다. 이 방법은 조사자의 주관적 평가에 의존합니다. 조사자들은 조사 동안 교통을 차단하거나 통제하기 위해 교랑 차로를 폐쇄해야 합니다. 그러나 분석 소프트웨어와 모바일 적외선 카메라를 결합한 새로운 하이테크 방식은 보다 안전하고 객관적인 솔루션을 제공합니다.

교랑 층간 박리

콘크리트 교랑이 손상되는 두 가지 주요인은 층간 박리와 균열입니다. 층간 박리는 콘크리트가 층으로 분리되거나 기면에서 상단 코팅이 분리되는 현상입니다. 내장된 철근은 시간이 지남에 따라 부식되어 층을 통과해 수평으로 또는 손상된 면적 위에서 파손된 덩어리 안으로 콘크리트가 분리되는 팽창을 일으킵니다.

콘크리트 층간 박리는 어쿠스틱 체인 드래그 검사(acoustic chain drag inspection)라고 불리는 일반적으로 비파괴 검사(NDT) 형태와 관련이 있습니다. 검사자는 교랑 데크를 따라 무거운 체인을 끌면서 층간 박리된 영역에서 들리는 구분되는 울림 소리를 듣습니다. 이후 조사자는 이 데이터를 이용해 교랑 데크의 층간 박리 맵을 만들 수 있습니다.

체인 드래그 방법에는 단점이 있습니다. 이러한 유형의 검사는 조사 중 도로를 차단해야 하지만 검사자는 폐쇄하지 않은 차로를 따라 종종 작업하기도 합니다. 차 소음으로 인해 층간 박리된 콘크리트를 지날 때에 체인 소리를 구분하지 못하기도 합니다. 또한 체인 드래그 방법은 전적으로 검사자의 지식과 경험에 의존하기 때문에 주관적이며 잠재적으로 오류가 발생할 수 있습니다. 사실상, 데크 층간 박리 조사에 대한 연방고속도로국(FHWA) 연구는 체인 드래그 방식이 지속적으로 정확한 결과를 제공하지 않는다고 결론내렸습니다.

어쿠스틱 체인 드래그 검사에 대한 하이테크 대안은 트럭에 장착된 적외선 카메라를 사용해 콘크리트 데크 표면에서 층간 박리된 영역을 찾아냅니다. NEXCO-West USA는 냉각식 FLIR 적외선 카메라를 NEXCO-West의 전용 소프트웨어로 생성된 맵에 통합시킨 비파괴 검사 (NDT) 기술을 개발했습니다. 회사 엔지니어들은 센트럴플로리다 대학교와 협력해 미국 전역 주 고속도로 기관이 사용할 수 있는 객관적이고 효율적인 교랑 검사 절차를 개발하고 있습니다.


교랑 데크의 적외선 조사에 따른 실화상, 원시 및 처리된 층간 박리 이미지
출처:"콘크리트 교랑 데크 스캐닝을 위한 적외선 카메라 비교: - 2권 헤이마켓 브리지에서의 현장 검사", 2017년 12월, NEXCO-West USA 사

안전하고 효율적인 모바일 방법

NEXCO-West의 사장 겸 CEO인 마사토 마츠모토는 "교랑 층간 박리 시험에 대한 NEXCO-West의 접근 방법은 차량 맨 위에 설치된 적외선 카메라를 이용하는 모바일 방식입니다."라며 “우리의 접근 방법은 도로 폐쇄나 속도 제한 감소 등이 요구되지 않기 때문에 검사자의 안전을 보장하는 동시에 교통 흐름을 유지시킬 수 있습니다."라고 전했습니다.

스캔은 일반적으로 큰 온도 변화가 관찰될 수 있는 주간이나 일몰 후 몇 시간 내에 이뤄집니다. 예를 들어, 오후에 가열된 콘크리트는 일몰 후 냉각되기 시작해 측정 가능한 온도 변화를 만듭니다. 대부분의 데크는 균일하게 가열 또는 냉각되지만 층간 박리는 전도 통로를 차단합니다. 손상된 콘크리트의 온도는 주간 동안 보다 빠르게 상승하며 야간에 빠르게 떨어집니다. 이러한 온도 변화는 적외선 카메라로 쉽게 탐지할 수 있습니다.

정상 및 손상된 콘크리트의 온도차 예시
출처:"콘크리트 교랑 데크 스캐닝을 위한 적외선 카메라 비교:
- 2권 헤이마켓 브리지에서의 현장 검사", 2017년 12월, NEXCO-West USA 사

검사는 시간 당 약 80km로 교랑를 주행하면서 트럭에 장착된 적외선 카메라로 진행됩니다. 마츠모토는 적외선 카메라로 1.6km 길이 교랑에 있는 한 차로의 전체 스캔을 기록하는 데 불과 몇 분 소요된다고 말합니다.

NEXCO-West 스캐닝 시스템에서 사용된 카메라는 FLIR A6701sc 중파장 적외선 (MWIR) 과학용 카메라입니다. 마츠모토는 "우리는 A6700 시리즈 카메라를 사용합니다. 이 카메라는 고속으로 주행하면서 고해상도 열화상를 촬영할 수 있기 때문입니다."라고 설명합니다. 이 카메라의 냉각식 안티몬화인듐 감지기는 0.48 μs의 빠른 노출 시간을 제공하기 때문에 팀은 모션 블러 현상 없이 640 x 512 화소 열화상을 기록할 수 있습니다. 마츠모토와 팀은 일반적으로 카메라를 10 Hz 프레임 속도로 설정해 고속도로 속도에서 2미터 마다 선명한 열화상를 기록할 수 있다고 말합니다. 이 카메라는 NEXCO-West의 적외선 브릿지 평가 시스템(IrBAS) 소프트웨어를 실행하는 차량 내부의 노트북에 연결되기 때문에 팀은 실시간으로 분석 결과를 보고 잠재적인 층간 박리 영역을 확인할 수 있습니다.


NEXCO-West의 IrBAS 소프트웨어를 통해 실시간 스트리밍된 적외선 화상을 보여주는 노트북


교랑 데크 결함 지도를 만들기 위해 사용되는 열화상

데이터 처리

팀은 교랑 위 각각의 차로에 대한 데이터를 수집한 후 이 데이터를 처리하기 시작합니다. 마츠모토는 "대부분의 데이터 분석과 보고서 작성 절차는 IrBAS 소프트웨어로 자동화되기 때문에 결함 지도를 준비하는 비용과 시간을 상당히 줄일 수 있습니다. 이 소프트웨어는 결함 지도를 이용해 층간 박리된 데크 영역의 비율을 계산한 후 미국주도로및교통행정관협회(AASHTO) 기준에 따라 상태를 분류합니다.

3가지 손상 범주가 있습니다:

  1. 표시: 층간 박리는 콘크리트 표면의 4cm 내에 존재
  2. 주의: 층간 박리는 콘크리트 표면의 2 cm 내에 존재
  3. 임계: 층간 박리가 콘크리트 표면에 도달

속도 표시가 만족스러운 수준으로 간주되는 데크 영역, 반면 주의 영역은 근접 모니터링 필요 임계 등급 영역은 즉각적인 조치 필요

더 나은 결정, 더 안전한 교랑


IrBAS 소프트웨어에 의한 손상 분류
출처:"콘크리트 교랑 데크 스캐닝을 위한 적외선 카메라 비교:
- 2권 헤이마켓 브리지에서의 현장 검사", 2017년 12월, NEXCO-West USA 사

체인 드래그 방법의 주관성과 잠재적 부정확성은 기존 형태의 교랑 데크 검사의 재검사를 보증합니다. 적외선 스캐닝은 보다 객관적인 결과를 제공하며 모바일 시스템을 통해 안전 위험, 교통 지연, 배기가스 증가를 포함해 교통 도로 폐쇄에 따른 불이익을 방지할 수 있습니다.

NEXCO-West의 종합적이며 객관적인 데이터 수집 방법이 제공하는 또다른 이점은 주 고속도로 기관이 장기적인 교랑 성능을 모니터링 할 수 있다는 점입니다. 마츠모토는 "NEXCO-West의 적외선 맵핑이 교랑 관리를 위한 데이터 중심의 의사결정을 지원하며 궁극적으로 교랑 소유주는 고가의 비용이 요구되는 수리를 방지할 수 있습니다. 결함 지도를 이전의 기록에 중첩시켜 엔지니어들은 교랑의 상태와 성능 저하 속도를 결정할 수 있습니다. 이를 통해 성능 저하 진행을 예상하고 재건 작업을 위한 계획을 수립할 수 있습니다.

데이크 결함 지도(오른쪽)를 생성하기 위해 사용되는 교랑 열화상 스캔(왼쪽)과 IrBAS 처리 이미지