교각 세굴 측정의 혁신: 레이저와 카메라를 이용한 비접촉식 수중 형상 분석 기술

이 기술 요약은 Davide Poggi와 Natalia O. Kudryavtseva가 2019년 [Water]에 발표한 논문 “Non-Intrusive Underwater Measurement of Local Scour Around a Bridge Pier”을 기반으로 하며, STI C&D의 기술 전문가에 의해 분석 및 요약되었습니다.

Keywords

• Primary Keyword: 교각 세굴 측정
• Secondary Keywords: 비접촉식 측정, 수중 측정, CFD 검증, 하상 변동, 유체-구조 상호작용

Executive Summary

• The Challenge: 교량 붕괴의 주원인인 교각 주변의 세굴 현상을 정확하게 측정하는 기존 방식은 접촉식으로 인한 유동 교란, 높은 비용, 시공간적 해상도 부족 등의 한계가 있었습니다.
• The Method: 저비용의 라인 레이저와 상용 카메라를 결합하여 교각 주변에서 시간에 따라 변화하는 세굴 구멍의 전체 형상을 빠르고 정확하게 측정하는 비접촉식 기법을 개발했습니다.
• The Key Breakthrough: 개발된 측정 기법은 세굴 발생의 초기 단계부터 완전히 발달된 단계까지 전체 과정을 높은 정밀도로 포착했으며, 측정된 데이터는 기존에 널리 사용되는 두 가지 주요 세굴 깊이 예측 공식과 매우 잘 일치함을 확인했습니다.
• The Bottom Line: 이 새로운 기술은 실험실 규모에서 세굴 및 하상 변동에 대한 물리적 모델 테스트의 정확성과 효율성을 크게 향상시키며, CFD 시뮬레이션 결과 검증을 위한 고품질 데이터를 저렴한 비용으로 확보할 수 있는 길을 열었습니다.

The Challenge: Why This Research Matters for CFD Professionals

교량의 안전성을 위협하는 가장 큰 요인 중 하나는 교각 주변에서 발생하는 국소 세굴(Local Scour)입니다. 물의 흐름이 교각에 부딪히면서 발생하는 와류가 강바닥을 침식시켜 교각의 지지력을 약화시키고, 이는 결국 교량 붕괴라는 심각한 사고로 이어질 수 있습니다. 따라서 세굴이 시간에 따라 어떻게 발달하고 그 형상이 어떻게 변하는지를 정확히 측정하고 예측하는 것은 교량 설계 및 유지보수에서 매우 중요합니다.

하지만 기존의 측정 방식들은 여러 가지 문제점을 안고 있었습니다. 포인트 게이지를 이용한 직접 측정은 계측기가 유동을 교란시켜 측정의 정확도를 떨어뜨릴 수 있으며, 초음파 센서 배열을 이용하는 방식은 비용이 매우 많이 들고 설치가 복잡합니다. 또한, 이러한 방식들은 세굴 현상의 초기 단계처럼 빠르게 변화하는 형상을 연속적으로, 그리고 높은 공간 해상도로 측정하는 데 한계가 있었습니다. CFD 전문가들에게는 시뮬레이션 모델의 정확성을 검증할 수 있는 신뢰도 높은 시공간적 데이터가 절실히 필요했지만, 기존 기술로는 이를 충족시키기 어려웠습니다.

The Approach: Unpacking the Methodology

본 연구에서는 이러한 한계를 극복하기 위해 간단하고 저렴하며 비접촉적인 새로운 측정 시스템을 제안했습니다. 실험은 폭 0.5m, 깊이 0.6m, 길이 12m의 유리로 된 직사각형 수로에서 수행되었습니다. 수로 중앙에는 균일한 석영 모래(d50 = 1.25mm)로 하상을 만들고, 직경 32mm의 투명한 플렉시글라스 원통을 교각 모델로 설치했습니다.

측정 시스템의 핵심은 다음과 같습니다. 1. 라인 레이저 조사: 수로 상부에 설치된 청록색 라인 레이저(488nm)가 수직의 얇은 레이저 시트(laser sheet)를 생성합니다. 이 레이저 시트는 교각의 중심을 방사형으로 통과하며 모래 바닥에 선명한 녹색 선을 만듭니다. 2. 이미지 캡처: 수로 측면에 설치된 상용 디지털카메라(Canon EOS 400D)가 일정 시간 간격으로 레이저 선이 비추는 하상의 단면 형상을 촬영합니다. 3. 이미지 보정 및 변환: 촬영된 이미지는 렌즈 왜곡과 물-유리-공기를 통과하며 발생하는 빛의 굴절 효과를 보정하는 과정을 거칩니다. 이를 위해 체커보드 패턴이 새겨진 보정판을 사용하여 픽셀(pixel) 단위를 실제 거리(cm) 단위로 변환하는 정밀한 보정 작업을 수행했습니다.

이 방식을 통해 유동에 전혀 영향을 주지 않으면서 시간에 따른 세굴 구멍의 2차원 단면 형상 변화를 연속적으로 정밀하게 기록할 수 있었습니다.

The Breakthrough: Key Findings & Data

개발된 측정 기법의 유효성을 검증하기 위해 유속을 변경하며 총 4번의 실험을 수행했으며, 그 결과는 매우 성공적이었습니다.

Finding 1: 시간에 따른 세굴 형상의 정밀한 포착

본 기법은 세굴이 시작되는 순간부터 시간이 지남에 따라 세굴 구멍이 깊어지고 넓어지는 전 과정을 성공적으로 포착했습니다. 아래 그림(Figure 5)에서 볼 수 있듯이, 유량이 90 m³/h에서 120 m³/h로 증가함에 따라 세굴의 최대 깊이와 범위가 확연하게 증가하는 것을 정량적으로 확인할 수 있었습니다. 이는 교각 주변의 복잡한 하상 변동을 시각적이고 직관적으로 분석할 수 있게 해줍니다.

Finding 2: 기존 예측 공식과의 높은 일치도 검증

측정된 데이터의 신뢰도를 평가하기 위해, 시간에 따른 최대 세굴 깊이를 기존에 널리 사용되는 두 가지 경험적 예측 공식(Oliveto and Hager 모델, Melville and Chiew 모델)과 비교했습니다. 그 결과(Figure 6), 세굴 초기 단계에서는 Melville and Chiew의 공식이, 세굴이 충분히 발달한 후기 단계(t > 10h)에서는 Oliveto and Hager의 공식이 실험 데이터를 매우 잘 예측하는 것으로 나타났습니다. 이 결과는 제안된 측정 기법이 매우 정확하고 신뢰할 수 있음을 입증하는 동시에, 복잡한 세굴 현상의 각 단계에 더 적합한 예측 모델이 존재할 수 있음을 시사합니다.

Practical Implications for R&D and Operations

• For Hydraulic/Civil Engineers: 이 기술은 실험실 규모의 교각 세굴 모형 실험에서 저비용으로 정확한 데이터를 확보할 수 있게 해줍니다. 이를 통해 다양한 조건에서의 세굴 위험도를 더 효과적으로 평가하고, 더 안전한 교량 설계 및 보강 공법 개발에 기여할 수 있습니다.
• For CFD Analysts: 이 기법으로 생성된 고해상도의 시공간적 데이터는 세굴 현상을 모사하는 CFD 시뮬레이션의 검증(validation)에 이상적입니다. 물리적 실험 결과와 수치 해석 결과를 직접 비교함으로써 모델의 정확도를 높이고 예측 신뢰성을 확보할 수 있습니다.
• For R&D Managers: 저렴한 비용으로 시스템을 구축할 수 있어, 제한된 예산 내에서 더 광범위하고 빈번한 실험 캠페인을 수행할 수 있습니다. 이는 침식 및 유사 이송과 관련된 연구 개발을 가속화하는 데 큰 도움이 됩니다.

Paper Details

Non-Intrusive Underwater Measurement of Local Scour Around a Bridge Pier

1. Overview:

• Title: Non-Intrusive Underwater Measurement of Local Scour Around a Bridge Pier
• Author: Davide Poggi, Natalia O. Kudryavtseva
• Year of publication: 2019
• Journal/academic society of publication: WATER
• Keywords: bridge pier scour; new experimental technique

2. Abstract:

교각 주변의 세굴 구멍의 시간적, 공간적 변화를 모니터링하기 위한 비접촉식 저비용 기법이 제시됩니다. 이 기법의 적용을 위한 설정은 간단하고, 저비용이며, 비접촉식입니다. 라인 레이저 소스와 상용 카메라를 결합하여 교각 전후의 전체 세굴 구멍을 빠르고 정확하게 측정합니다. 맑은 물 조건에서 교각 주변의 세굴 구멍을 측정하는 짧은 캠페인이 제어 테스트를 제공하고 새로운 방법을 적용하는 방법을 보여주기 위해 제시됩니다. 마지막으로, 제안된 기법의 효과를 보여주기 위해 맑은 물 조건에서 최대 세굴 깊이의 시간적 변화에 대해 가장 많이 사용되는 두 가지 방정식과 결과를 비교합니다.

3. Introduction:

교각 및 하천 제방에서의 세굴은 교량 붕괴의 주요 원인 중 하나로, 도로망과 철도 인프라에 큰 손실을 초래합니다. 본 연구의 목적인 국소 세굴은 수류에 의해 교각 바닥에서 형성되는 와류로 인해 발생합니다. 이 과정은 시간에 따라 변하며, 지난 50년간의 연구 노력에도 불구하고 세굴 깊이의 시간적 변화는 수리 공학자들과 연구자들에게 여전히 중요한 관심사입니다. 실험적 관점에서 주요 문제는 이 현상이 하상의 형태학적 특성에 대한 철저한 공간적 조사와 지속적인 모니터링을 요구한다는 것입니다.

4. Summary of the study:

Background of the research topic:

교각 세굴은 교량의 안전성을 위협하는 핵심 문제이며, 이의 시간적, 공간적 변화를 정확하게 측정하는 것은 매우 중요합니다.

Status of previous research:

기존의 세굴 깊이 측정 방법은 포인트 게이지나 측정 테이프와 같은 접촉식 도구를 사용하거나, 고정된 초음파 센서 배열 또는 이동식 트롤리에 부착된 센서를 사용하는 방식이 주를 이뤘습니다. 이러한 방법들은 유동 교란, 높은 비용, 측정의 비동시성, 얕은 수심에서의 한계 등 여러 단점을 가지고 있었습니다. 일부 비접촉식 방법(레이저, 초음파, 사진측량)이 시도되었으나, 여전히 적용 범위가 좁거나 비용이 많이 드는 문제가 있었습니다.

Purpose of the study:

본 연구의 목적은 균일한 퇴적물과 정상적인 맑은 물 흐름 조건에서 원통형 교각 주변 세굴 구멍의 2차원 시간적 변화를 연속적으로 획득할 수 있는, 사용하기 쉽고 저렴하며 비접촉적인 새로운 방법을 제시하는 것입니다.

Core study:

라인 레이저 소스와 카메라를 사용하여 교각을 통과하는 수직 레이저 시트를 만들고, 이것이 하상에 만드는 궤적을 촬영하여 세굴 구멍의 단면 형상 변화를 측정하는 기술을 개발했습니다. 이 기술의 잠재력을 보여주기 위해 유속을 변화시키며 4번의 실험을 수행하고, 그 결과를 기존의 최대 세굴 깊이 예측 공식과 비교하여 기술의 정확성과 유효성을 검증했습니다.

5. Research Methodology

Research Design:

실험은 0.5%의 경사를 가진 유리 벽면의 직사각형 수로에서 수행되었습니다. 수로 중앙에 석영 모래로 된 시험 구간을 조성하고, 투명한 플렉시글라스 원통형 교각을 설치했습니다. 유량과 수위는 정밀하게 제어되었습니다.

Data Collection and Analysis Methods:

• 데이터 수집: 수로 상부에 설치된 라인 레이저가 하상에 수직 단면을 비추고, 측면에 설치된 디지털카메라가 이 단면의 변화를 일정 시간 간격으로 촬영하여 이미지 시퀀스를 획득했습니다.
• 데이터 분석: 촬영된 이미지에서 레이저 궤적을 식별하기 위해 MATLAB 코드를 개발했습니다. Brown 렌즈 왜곡 모델을 사용하여 이미지 왜곡을 보정하고, 체커보드 패턴이 있는 보정판을 이용하여 픽셀 좌표를 실제 거리 좌표로 변환했습니다.

Research Topics and Scope:

본 연구는 맑은 물 조건(clear-water conditions)에서 원통형 단일 교각 주변의 국소 세굴 현상에 초점을 맞췄습니다. 2차원 단면 형상의 시간적 변화를 측정하는 새로운 비접촉식 기법을 개발하고, 그 성능을 검증하는 것을 주요 범위로 합니다.

6. Key Results:

Key Results:

• 라인 레이저와 상용 카메라를 이용한 새로운 비접촉식 측정 시스템은 시간에 따른 세굴 구멍의 2차원 단면 형상을 성공적으로 포착했습니다.
• 유량이 증가함에 따라 세굴 구멍의 깊이와 범위가 증가하는 것을 정량적으로 확인했습니다.
• 측정된 최대 세굴 깊이 데이터는 기존의 저명한 예측 공식들과 비교했을 때 높은 일치도를 보였습니다. 특히, Melville and Chiew(2002) 공식은 세굴 초기 단계를, Oliveto and Hager(2002) 공식은 세굴이 충분히 발달한 후기 단계를 잘 설명했습니다.
• 이는 제안된 측정 기법이 높은 정확도와 신뢰성을 가짐을 입증합니다.

Figure List:

• Figure 1. Schematic of the water circuit and test section. The laser sheet is highlighted in green.
• Figure 2. Schematic representation of the new technology.
• Figure 3. The profiles acquired by the camera during four moments in the experiment.
• Figure 4. The bottom profiles as originally detected in the photos (distorted and in pixel), left, and after calibration, right.
• Figure 5. The profiles of the bottom for some time instants.
• Figure 6. Time evolution of the maximum scour depth measured (dots) versus the estimation from Oliveto and Hager [16] (solid line) and Melville and Chiew [2] (dash-dot line).
• Figure 7. Time evolution of maximum scour depth measurements versus the predictors in the coordinates suggested by Oliveto and Hager [16].

7. Conclusion:

진화하는 세굴 구멍의 2차원 형상을 측정하기 위한 새로운 기술이 제시되었습니다. 이 기술은 라인 레이저 소스와 상용 카메라를 사용하여 실험 중 하상 변화를 획득합니다. 방법은 각 단계별로 설명되며, 실험 설계 및 데이터 후처리 측면에서 기술 사용에 대한 확장된 가이드라인이 논문에 제공됩니다. 직관적인 방법론과 매우 저렴한 설정은 이 실험 방법을 세굴뿐만 아니라 하상이 시간과 공간에서 진화하는 광범위한 실험에 적용할 수 있게 합니다. 방법의 이해를 돕고 그 능력에 대한 예비 증명을 제공하기 위해, 교각 주변의 세굴 구멍의 시간적 변화에 대한 짧은 실험 측정 캠페인을 수행하는 데 사용되었습니다. 결과는 맑은 물 조건에서 최대 세굴 깊이의 변화에 대해 가장 많이 사용되는 두 가지 방정식과 비교되었습니다.

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Expert Q&A: Your Top Questions Answered

Q1: 이미지 왜곡을 보정하기 위해 구체적으로 어떤 방법을 사용했나요?

A1: 본 연구에서는 렌즈 시스템에서 발생하는 왜곡을 보정하기 위해 고전적인 Brown 렌즈 왜곡 모델을 사용했습니다. 실험 시작 시, 물속에 5mm x 5mm 크기의 체커보드 패턴이 레이저로 각인된 보정판을 설치하고 여러 장의 사진을 촬영합니다. 이 이미지들을 분석하여 렌즈 왜곡 계수를 계산하고, 이를 통해 후속 측정 이미지에서 발생하는 왜곡을 수학적으로 보정하여 정확한 실제 형상을 복원합니다.

Q2: 이 2차원 측정 기법을 3차원으로 확장할 수 있나요?

A2: 네, 논문에서는 이 기법이 더 많은 레이저 시트를 사용하여 3차원 측정으로 쉽게 확장될 수 있다고 명시적으로 언급하고 있습니다. 예를 들어, 여러 개의 라인 레이저를 배열하거나 단일 레이저를 스캔하는 방식을 통해 교각 주변의 전체 3차원 하상 지형 변화를 시간에 따라 재구성할 수 있습니다. 이는 CFD 시뮬레이션 검증에 더욱 강력한 데이터를 제공할 것입니다.

Q3: 측정 결과가 두 개의 다른 예측 공식과 각각 다른 단계에서 일치하는 이유는 무엇인가요?

A3: 이는 세굴 현상의 복잡성을 보여주는 흥미로운 결과입니다. 논문에 따르면, Melville and Chiew의 공식은 세굴이 최종적으로 평형 상태에 도달한다고 가정하는 반면, Oliveto and Hager의 공식은 평형 없이 지속적인 대수적(logarithmic) 성장을 예측합니다. 실험 결과, 세굴 초기에는 평형을 향해 빠르게 발달하는 경향이 나타나 Melville and Chiew 공식과 잘 맞았고, 시간이 지나면서 성장이 둔화되지만 멈추지 않는 대수적 성장 패턴이 나타나 Oliveto and Hager 공식과 더 잘 일치했습니다. 이는 단일 공식만으로는 전체 세굴 과정을 완벽하게 설명하기 어려울 수 있음을 시사합니다.

Q4: 이 기술은 물이 탁한 실제 강과 같은 환경에서도 적용할 수 있나요?

A4: 논문 자체는 맑은 물(clear-water) 조건에서의 실험을 다루고 있습니다. 이 기술은 레이저 빛이 바닥에 도달하고 카메라가 그 궤적을 선명하게 촬영해야 하므로, 부유물이 많아 물이 매우 탁한(high turbidity) 환경에서는 레이저 빛이 산란되거나 흡수되어 적용이 어려울 수 있습니다. 이는 이 기술의 주요 한계점 중 하나이며, 현장 적용을 위해서는 수질 조건을 고려해야 합니다.

Q5: 수면의 잔물결이 레이저 시트의 수직성에 영향을 미치지 않도록 어떻게 방지했나요?

A5: 좋은 질문입니다. 교각과 난류로 인해 발생하는 수면의 잔물결은 레이저 빛을 굴절시켜 측정 오차를 유발할 수 있습니다. 이를 방지하기 위해, 본 연구에서는 수면 높이에 맞춰 폭 1cm, 길이 60cm의 투명한 플렉시글라스 판을 수평으로 설치했습니다. 이 판이 잔물결을 억제하여 레이저 시트가 왜곡 없이 수직으로 하상에 도달하도록 보장하는 역할을 했습니다.

Conclusion: Paving the Way for Higher Quality and Productivity

교량 안전의 핵심 과제인 교각 세굴 측정의 어려움은 오랫동안 공학자들의 고민이었습니다. 본 연구에서 제시된 라인 레이저와 상용 카메라를 이용한 비접촉식 측정 기법은 이러한 문제를 해결할 수 있는 혁신적이고 경제적인 대안을 제공합니다. 이 기술은 유동을 방해하지 않으면서 세굴 현상의 전 과정을 높은 시공간 해상도로 포착할 수 있으며, 그 정확성은 기존의 권위 있는 예측 모델과의 비교를 통해 성공적으로 입증되었습니다.

특히 CFD 해석 전문가들에게 이 기술은 시뮬레이션 모델의 신뢰도를 획기적으로 높일 수 있는 고품질 검증 데이터를 제공한다는 점에서 매우 중요합니다. 더 정확한 예측 모델은 더 안전한 사회 기반 시설 설계로 이어질 것입니다.

STI C&D는 최신 산업 연구 결과를 적용하여 고객이 더 높은 생산성과 품질을 달성할 수 있도록 돕는 데 전념하고 있습니다. 이 백서에서 논의된 과제가 귀사의 운영 목표와 일치한다면, 저희 엔지니어링 팀에 연락하여 이러한 원칙을 귀사의 구성 요소에 어떻게 구현할 수 있는지 알아보십시오.

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• This content is a summary and analysis based on the paper “Non-Intrusive Underwater Measurement of Local Scour Around a Bridge Pier” by “Davide Poggi and Natalia O. Kudryavtseva”.
• Source: https://doi.org/10.3390/w11102063

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