강구조물 도막 상태 평가의 중요성 및 현황
최근 시설물 증가, 노후화 등에 따라 유지관리 주체의 재정부담이 증가할 전망이나 복지 수요 증가, 정부 긴축기조 등에 따라 투자 여력이 감소하고 있다. 이러한 경제적 여건으로 기후변화·지진 등 자연재해로 인한 피해를 철저히 예방하고, 기술 발전·고령화 등 사회구조적 변화에도 적극적인 대응이 필요하다. 또한 4차 산업혁명 기술을 활용한 첨단기술·장비의 개발이 활발히 진행되면서 드론·로봇·AI 등 첨단기술 활용 시 시설물 안전진단의 효율성 및 정확성을 제고할뿐만 아니라 관련 경제적 파급 효과도 기대할 수 있다.
국내 도로교량은 2021년 말 기준으로 총37,078 개소이고 그 중 강교량은 5,752개소로 약 15.5%를 점유하고 있다. 강교량이 본격적으로 건설되기 시작한 것은 1990년 중반부터로 이후 2017년까지 매년 100개소 이상의 강교량이 신설되었다. 강교량의 호황기라 할 수 있는 2000년대에는 10년간 무려 2,850개소가 늘어나기도 했다. 국내의 강교량은 2025년부터 20년 차에서 30년 차로 넘어가는 교량의 수가 급격히 증가하는데 이들 교량이 모두 1990년대 중반에 시공되었던 구조물이기 때문이다.
강재는 내구성이 좋고 콘크리트에 비해 유지관리가 쉬워 각종 구조물에 널리 활용되고 있다. 이런 강재에도 결점이 있는데 그것이 바로 부식이다. 부식은 강재에서 주로 발생하는 열화 현상의 하나로 구조물의 내하력이나 내구성을 저하시키는 하나의 원인이 되고 있으며, 시간이 경과 할수록 구조물의 성능에 악영향을 미칠 수 있다. 강구조물의 부식을 방지하기 위한 여러 방법 중 대표적인 것이 도장이고 도장을 통해 구조물 표면에 밀착 형성된 피막이 도막이다.
도장은 현재 가장 많이 사용하는 부식방지법으로 부식방지 비용의 2/3가 도장 비용이다. 이처럼 도장이 가장 많이 이용되는 이유는 현장 시공이 가능하고 비용이 적게 들며 시공 시 많은 장비가 필요 없기 때문이다. 그러나 도막의 수명이 강재의 수명보다 짧기 때문에 일정 기간마다 재도장을 해주어야 한다. 강구조물에서 도막의 열화 및 두께 등 도막의 상태평가는 내구성과 직결되므로 “시설물의 안전 및 유지관리 실시 세부지침(국토교통부, 2022)”에서도 안전 성능과 내구성능에 도막의 열화와 두께가 평가 항목으로 지정되어 있다. 2019년 1월에는 강구조물의 도막 상태평가 관련 규정이 신설 및 세분화되면서 도막의 상태평가가 더욱 중요해지고 있다.
구조물이 시공된 현장에 검사자가 직접 방문하여 접촉식 장비로 도막을 검사하는 전통적 방식의 기존 기술은 여러 기술적, 효과적, 산업적 측면의 문제를 노출하고 있다. 인력을 투입하여 직접 검사하기 때문에 검사 시간이 길고 비용이 많이 들며, 장비에 따라서 검사자의 숙련도에 따라 정확도가 크게 변하는 경우도 있다. 인력을 투입하는 방식은 접근성과 안전성 문제도 노출하는데, 인력이 접근하기 어려운 구조물이 있는가 하면 접근하더라도 높은 지점에서 작업해야 하기 때문에 안전사고 위험성도 배제할 수 없다. 따라서 기술집약적이며 고부가가치를 창출할 수 있는 기술로의 전환이 필요한 시점이다.
강구조물 도막 자동평가 기술 개발 및 사업화 현황
강구조물에 적용이 가능한 본 건설신기술(NET933호)은 열화상 및 비전 카메라를 융합한 계측 모듈로서 강구조물의 도막 영상 이미지를 획득하고 인공지능 기반의 알고리즘으로 분석하여 도막 및 강구조물의 상태를 실시간 자동으로 평가하는 시스템이다. “융합계측시스템”은 레이저나 할로겐램프와 같은 열원을 이용한 능동형 열화상 계측을 통해 도막 두께를 정량화 및 시각화한다. 또한 이러한 능동형 열화상 영상과 RGB 형태의 비전 영상을 융합하여 (1)도막 열화를 탐지하고, (2)탐지된 열화를 부식, 박리, 체킹, 초킹 등 네 가지로 분류하며, (3)열화의 면적을 정량화, 시각화한다. 이러한 도막 두께 및 열화 평가 결과를 종합해 도막 상태등급을 자동 산출 평가하게 된다.
기존 도막 두께 검사는 접촉식 센서를 이용해서 국부영역 표본검사 방식으로 수행하고 열화 평가는 주관적인 육안검사 위주로 수행되고 있으나, 본 융합계측시스템 신기술은 넓은 검사 면적을 비접촉, 비파괴, 자동 방식으로 검사하고 검사 결과를 정량화 및 시각화한다. 특히, 표면 결함뿐만이 아니라 육안으로 확인이 불가능한 내부 결함도 검출할 수 있으며, 습도막 또한 검사가 가능하다. 한편, 드론 및 로봇에 탑재함으로써 인력이 접근하기 어려운 영역의 도막 상태평가도 가능하다.
‘강구조물 도막 상태평가 융합계측시스템’ 신기술은 교량, 터널 등 토목 구조물부터, 배관, 저장소 등 플랜트 시설물, 선박 외판, 항만 시설물처럼 강재로 이루어진 다양한 구조물에 폭넓게 적용할 수 있다. 융합계측시스템은 실시간으로 계측된 데이터에 기반한 도막 상태평가를 통해 객관적이고, 과학적인 강구조물 상태평가 및 유지관리가 가능하다.
비전 계측과 열화상 계측을 접목한 도막 검사를 통해 기존기술로는 불가능한 전면적 도막 두께 검사 및 내부 결함 검출을 가능하게 함으로써 도장상태평가의 신뢰성 및 효용성을 증대할 수 있다. 또한 재도장 이전 도막 상태 평가를 통한 재도장 시기 및 비용 산출이 가능하고, 도장 이후 검사를 통한 추후 재도장 검수 과정을 간소화 할 수 있다. 그리고 본 신기술은 도장 과정 중에 습도막 두께의 정량화도 가능하다. 로봇 및 드론 등 무인이동장치와의 결합을 통해 접근이 어렵거나 위험한 현장에서의 안전사고 및 재해를 방지함으로써 근로자의 작업 안전성을 향상 시킬 수 있다.
향후 저변 확대 및 개선 방안
도막 열화 및 도막 두께 등 도막 상태평가의 경우는 강구조물의 내구성과 직결되는 항목으로, ‘시설물의 안전 및 유지관리 실시 세부지침-성능평가 편’에서도 강재 내구성능 평가항목의 내부적 요소로 발청 및 도장 열화, 도장 두께 등이 지정되었다. 더불어 구조물 유지관리 필요성에 대한 인식 확대, ‘시설물의 안전 및 유지관리에 관한 특별법(2019.09)’ 내 허용 도막 두께 감소 비율 및 부식 면적 등 도막 상태평가 기준 신설 및 관련 규정 세분화로 향후 도막 상태평가의 국내시장 규모와 관련 기술 수요가 대폭 증가하는 추세이다.
융합계측시스템은 실시간으로 계측된 데이터에 기반한 도막 상태평가를 통해 객관적이고, 과학적인 강구조물 상태평가 및 유지관리가 가능하다. 향후, 현장 적용에서 발견된 문제점이 개선되고 다양한 측정 데이터의 축적을 통해 개발된 신기술이 고도화된다면 국내 다양한 강구조물의 도막 점검 및 유지관리에 큰 도움이 될 것으로 기대한다.
