[논문]진동법을 이용한 사장교 시공단계별 케이블 장력관리

박연수; 전동호; 전양배; 강경구

진동법을 이용한 사장교 시공단계별 케이블 장력관리
Cable Tension Force Management Using Vibration Method at Cable Stayed Bridge Construction Stages 원문보기

구조물진단학회지 = Journal of the Korea Institute for Structural Maintenance Inspection, v.9 no.4 = no.34, 2005년, pp.127 - 134

박연수 (전남대학교 토목공학과) , 전동호 (전남대학교 토목공학과) , 전양배 (전남대학교 토목공학과) , 강경구 ((주)에이티맥스)

초록
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최근 컴퓨터 기술의 발달로 장대교량의 설계 및 시공이 증가하고 있다. 특히 케이블 요소를 갖는 사장교와 현수교는 장대교량을 대표한다 할 수 있을 것이다. 따라서 본 논문에서는 사장교로 시공중인 제2진도대교에 대하여 시공단계별로 전체케이블에 대한 장력을 측정하여 시공오차 등에 따른 장력보정값을 현장에서 즉시 제시하여 시공정밀도를 향상하고자 하였다. 이에 적용된 장력측정방법은 간접법인 가속도센서를 이용한 진동법을 적용하였다. 직접법에 비해 비교적 간편한 간접인 진동법을 통하여 보다 쉽게 장력을 추정할 수 있었으며, 시공의 정밀도를 향상시키기 위하여 전체 케이블을 4가지 시공단계별로 장력변화량을 모니터링하여 케이블 가설시 시공오차에 대한 장력보정값을 현장에서 제시하였다. 또한, 최종장력값을 설계값과 비교한 결과 간접법을 이용한 장력값과 유사한 것을 알 수 있었다. 그리고 온도 변화에 따른 케이블의 장력변화를 추후 유지관리 계측시 관리한계치 설정에 참고자료로 활용할 수 있도록 장력변화를 파악하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

Design and construction of long-span bridge are recently increasing by development of computer technology. Specially, cable stayed bridge and suspension bridge having cable component are representative of long-span bridge may do. Therefore, this paper a present a methodology for cable tension force monitoring in cable-stayed bridge under construction using acceleration data acquired by the vibration method. To improve accuracy construction, all stay cables are measured, according to 4-step construction stage and change of temperature.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

이들 구조물에서 케이블이 전체 구조계에 미치는 영향은 매우 크며, 적절한 구조해석을 위해서는 케이블의 거동에 대한 연구 및 케이블의 장력 변화에 따른 구조계의 변화를 연구해볼 필요가 있다.⁽¹⁾ 따라서 본 연구에서는 사장교 시공단계에서 적절한 구조해석을 위해 필요한 케이블의 장력을 간접측정 방법인 진동법을 이용하여 케이블 장력을 측정하고, 측정장력을 통해 케이블시공시 발생하는 시공오차에 대한 보정값을 현장에서 즉시 제공하여 시공정밀도를 향상시키고자 하였다.

가설 설정

케이블의 장력은 케이블이 인장됨에 따라 고유진동 수가 변화하는 특성을 이용하여 평가할 수 있다. 케이블의 휨강성(EI)은 실제로 케이블의 길이, 장력 또는 휨에 의하여 변화된다고 판단되나, 장력측정이 주목적이므로 전 길이에 걸쳐 항상 일정하다고 가정한다. 케이블의 진동방정식은 식(1)과 같이 나타낼 수 있다.

제안 방법

8과 같이 주파수영역으로의 FFT변환을 통해 각 차수별 고유진동수를 추출하였다. 그리고 마지막으로 Fig. 2에 나타낸 바와 같이 장력산출프로그램을 통해 최종적으로 긴장 후 정착이 끝난 케이블에 인입된 장력을 산출하였다.
1에 나타낸 바와 같이 케이블 제작장 길이에서 정착구 길이와 베어링 플레이트값과심 플레이트값을 뺀 NET.길이를 유효길이로 산정하여 장력측정에 이용하였다.
케이블의 장력을 측정하는 절차는 시험과 해석으로 나눌 수 있다. 먼저 시험은 케이블에 가속도계를 부착하여, 고무햄머를 통한 케이블 가진을 실시하고 이때 발생하는 진동신호를 수집한다. 수집된 시간영역 데이터를 다시 고유진동수 영역 전환을 위해 FFT(Fast Fourier Transform) 해석을 통하여 고유진동수를 구하고, 장력추정시 적용된 고유진동수 차수는 1~20차 까지를 적용하였다.
본 연구에서 사용한 가속도계는 Fig. 5 및 Table 1에 나타낸 바와 같이 민감도가 좋고 장기적인 유지관리모니터링 시스템이 가능한 센서를 사용하였다.
가속도계의 측정방향은 케이블의 진동방향으로 배치되어야 하며, 위치는 단부의 소켓 등에 의한 영향을 적게 받을 수 있는 부분에 설치하는 것이 바람직하다. 본 연구에서는 단부에서 최대한 떨어진 곳에 가속도계를 설치하여 진동신호를 획득하였다.
본 연구에서는 시공중인 사장교의 케이블 장력을 진동법을 이용한 간접법으로 측정하였으며, 시공공정별 케이블의 장력변화와 온도차에 의한 케이블의 장력변화를 분석하였다. 본 연구에서 얻어진 결론은 다음과 같다.
먼저 시험은 케이블에 가속도계를 부착하여, 고무햄머를 통한 케이블 가진을 실시하고 이때 발생하는 진동신호를 수집한다. 수집된 시간영역 데이터를 다시 고유진동수 영역 전환을 위해 FFT(Fast Fourier Transform) 해석을 통하여 고유진동수를 구하고, 장력추정시 적용된 고유진동수 차수는 1~20차 까지를 적용하였다. 적용된 고유진동수를 진동법을 이용하여 장력을 산정할 수 있다.
1% 증가한다. 이렇게 실측값의 변화량과 해석값의 변화량차이는 시공오차에 의한 변수를 포함하지 못하여 발생하는 것으로 보이며, 시공단계별로 실측값을 통한 역해석으로 지속적인 구조물 안전도를 평가하였다.
그리고 케이블 또한 온도에 영향을 많이 받으므로, 온도변화에 따른 장력변화를 알아 볼 필요가 있다. 이에 케이블 설치하는 시간때인 새벽과 하루중 온도가 가장 많이 올라가는 오후 2시에서 3시사이에 케이블 장력값을 측정하여 온도 변화에 따른 영향을 알아보았다.
케이블의 시공단계별 장력은 Fig. 7와 같이 시간영역에서의 신호를 측정하여 Fig. 8과 같이 주파수영역으로의 FFT변환을 통해 각 차수별 고유진동수를 추출하였다. 그리고 마지막으로 Fig.

대상 데이터

본 연구에서 측정대상으로 선정한 구간은 Fig. 4에 나타낸 바와 같이 진도측의 JC1~JC15으로 총 15개의 케이블에 대하여 시공단계별 장력측정을 실시하였다.

성능/효과

1) 시공단계에서 진동법을 이용하여 케이블의 장력을 보다 간편하고, 비교적 정확한 장력관리가 가능한 것으로 판단된다.
2) 주요 시공단계별로 케이블의 장력변화를 모니터링 함으로서, 선형관리를 위한 단계별 설계값과 비교 분석이 가능하며, 이를 통하여 시공정밀도를 향상시킬 수 있었다.
데릭크레인 이동 후의 공정인 보강형 인양에 따른 장력증가는 데릭크레인이 위치하는 7번케이블의 경우 실측값이 116.7tonf에서 145.0tonf으로 24.3%의 장력 증가가 나타났으며, 해석값은 97.8tonf에서 136.8tonf 으로 약 39.9% 증가하였다. 또한 측경간의 6번케이블의 경우는 109.
5%로 증가하였다. 추가 케이블긴장 이외의 시공단계에 있어 데릭크레인 이동에 따른 장력변화는 데릭크레인이 이동해 위치하는 7번케이블이 측경간의 6번 케이블의 장력변화보다 약 24.4% 더 크게 장력변화가 일어났으며, 해석값 또한 동일함을 확인할 수 있었다.

후속연구

3) 대기온도의 변화에 따라 최대 14tonf의 장력변화량을 나타내므로, 향후 유지관리 계측시 필요한 관리기준치 설정은 이러한 온도변화에 따른 장력변화량을 고려하여 설정해야 할 것으로 판단된다.
12℃의 차이에 의한 장력의 변화는 단순히 대기 온도차에 의한 케이블의 단독적인 변화가 아닌 주형과 주탑의 온도차에 의한 변화 요인과 케이블 자체의 온도변화에 의한 변화요인과 관계가 있다고 할 수 있을 것이다. 따라서 온도변화에 의한 장력변화에 대하여 좀더 정밀한 방법을 통하여 대기온도변화 뿐아니라 주형과 주탑의 온도변화, 케이블 자체의 온도변화에 의한 장력변화를 관찰하여 케이블의 장력관리에 이용해야 할 것으로 판단된다. 온도변화에 의한 케이블의 장력변화는 0～14tonf으로 나타났으며, 중앙경간의 케이블 보다는 측경간의 JC1～JC4에서 다른 케이블에 비해 비교적 큰 장력변화를 나타냈으나, 온도변화에 의한 장력변화는 그렇게 크지 않은 것으로 나타났다.
중앙부 Key Seg접합후에는 완성계의 거동을 하게 되고, 추가적으로 진행되는 부가작업에 따른 장력의 변화는 크게 나타나지 않는다. 장력 변화가 이루어지는 시기는 추후에 케이블에 추가사하중 및 댐퍼설치에 따른 유효길이의 변화 등으로 미세하게 변화 할 것이다. Key seg 접합후의 실제 장력값과 해석값의 비교를 통해 각 케이블에 걸려 있는 최종도입장력에 대해 두 값사이의 추세를 보면 다음과 같다.

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