[논문]교량구조물의 진동영향평가를 위한 동하중 이상화모델링 기법 연구

박연수; 홍혜진; 공강주; 김정주

교량구조물의 진동영향평가를 위한 동하중 이상화모델링 기법 연구
A Study of Load Modeling Method for Vibration Estimation of Bridge Structures 원문보기

한국방재학회논문집 = Journal of the Korean Society of Hazard Mitigation, v.6 no.2, 2006년, pp.9 - 15

박연수 (전남대학교 공과대학 토목공학과) , 홍혜진 (전남대학교 대학원 토목공학과) , 공강주 (전남대학교 대학원 토목공학과) , 김정주 (전남대학교 대학원 토목공학과)

초록
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토목구조물은 주로 안전성을 위주로 설계되어 왔으나 최근 들어 토목기술에 대한 환경친화적 측면이 중시되어지는 가운데 구조물의 사용성과 안정성의 비중이 커져가고 있다. 또한 기술의 발달로 재료의 고강도화가 이루어져 구조부재 자체의 크기나 단면적이 줄어들었는데 이는 교량구조물의 과도한 처짐과 진동을 동시에 야기했다. 따라서 본 연구에서는 교량 구조물의 통과주체가 되는 차량동하중과 인체보행하중이 교량에 미치는 처짐과 진동에 대한 영향을 적용 가능한 가장 이상화 된 모델링을 찾아내어 진동영향평가 할 수 있도록 하기 위한 연구를 수행하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

Structures of Civil Engineering have been designed with a safety as their main purpose. However recently, the greenness side of the technology of civil engineering regarded as most Important and also utility values and stability of the structures. Also developments in the technology make materials to be higher strength and they shortened scales and stiffness of the structural members. This means that it brings an immoderate deflection and vibration of bridge structures simultaneously. Accordingly, this study ai ed to find and estimate the most idealized structure models on the effects of the deflection and vibration of bridges from the traffic lane load and human vibration - the main pass of bridge structures.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구의 목적은 교량 구조물의 진동치 추정을 통한 이상화 모델링 기법을 제시하고자 하는 것으로 아래와 같이 현장 실험을 통하여 교량 구조물의 동적 응답 해석치를 해석 결과의 검증을 위해 구조해석 모델링과 비교 . 분석하였다.
할 수 있다. 이 중에서도 본 연구에서는 진동영향평가를 위한 시간 이력해석법 중 이상화 모델링에 대해 알아보고자 한다(박선준, 2000).

제안 방법

인체하중이 유발시킬수 있는 진동에 대해 실험을 실시하였으며, 조건 변이에 따라 활 하중의 일관성 있는 평가 방법을 도출할 수 있도록 하였다. 또한 해석 결과의 검증을 위해 객관적인 값으로만 평가하기 어려운 인체 하중의 경우 쾌감~ 불쾌감 곡선을 이용하여 해석 값과 실제값의 결과를 비교하였고, 교량의 동적 응답 해석치를 선정된 실험대상 교량의 재하시험을 통한 측정결과와 비교분석하여적용 가능한 가장 이상화 된 모델링을 찾아내는 연구를 수행하였다.
본 논문에서는 수직 방향의 처짐을 중심적으로 고려하여 실험 및 연구를 하였으므로 CH₃의 육교 정중앙 부를 주로 비교. 분석하였다.
선정한 대상 구조물은 모델링을 통하여 그림 12와 같이 상시미동을 포함하는 경우와상시 미동을을 포함하지 않는 경우로 가정하여 앞에서 제시한 이상화 파형을 적용하였으며, 이에 따른 결과 값을 가지고 비교 . 분석하였다.
역시 마찬가지로 차량 진동 관계를 알아보기 위하여 유한요소 구조해석 범용 프로그램인 Midas를 이용하여 ISpan의 길이가 15m이고 교 폭이 5.9m인 대상 교량을 모델링 하였으며, 앞에서 보인 반사 인파, 하버사인파, 삼각파하중과 지속시간의 관계를 입력하였다.
인체 진동 관계를 알아보기 위하여 유한요소 구조해석 범용 프로그램인 Midas를 이용하여 그림 13의 육교를 그림 14와 같이 ISpan의 길이가 37.55m이고 절점을 75개로 등분하여 모델링 하였으며, 앞에서 보인 반사인파, 하버사인파, 삼각파하중과 지속시간의 관계를 입력하였다.
인체 진동 평가에서는 양방향에서 교행하며 걷기, 뛰기, 중앙에서 무작위 뛰기 등 여러 가지 방법으로 실험을 하였는데 그중에서 대표적으로 피실험자수는 총 5명(대한민국 성인 남성 평균 몸무게 : 68kg/l인) 인무작위 뛰기를 한 경우에 대하여 그림 1~그림 3과 같이 이상화모델을 제시하였다(김태호 등, 2003).
따라서 본 연구에서는 차량. 인체하중이 유발시킬수 있는 진동에 대해 실험을 실시하였으며, 조건 변이에 따라 활 하중의 일관성 있는 평가 방법을 도출할 수 있도록 하였다. 또한 해석 결과의 검증을 위해 객관적인 값으로만 평가하기 어려운 인체 하중의 경우 쾌감~ 불쾌감 곡선을 이용하여 해석 값과 실제값의 결과를 비교하였고, 교량의 동적 응답 해석치를 선정된 실험대상 교량의 재하시험을 통한 측정결과와 비교분석하여적용 가능한 가장 이상화 된 모델링을 찾아내는 연구를 수행하였다.
차량 진동 평가에서는 20km/hr, 60km/hr, 80km/ hr 3가지 경우를 실험하였는데 여기서는 대표적으로 60km/hr에 대하여 그림 4~그림 6과 같이 이상화 파형 모델링을 제시하였다. 본 실험에 사용한 재하차량은 총중량이 19.

대상 데이터

그림 10과 같이 차량 진동실험을 위한 ISpan의 길이가 15m이고 교 폭이 5.9m인 대상 교량을 선정하였으며, 19.38tonf의 트럭 한대를 재하하여 각각 20, 60, 80km/hr로 주행하는 동안 여러 가지 실험 데이터를 얻을 수 있는 방법을 선택하였다.
따라서 본 연구에서는 차량. 인체하중이 유발시킬수 있는 진동에 대해 실험을 실시하였으며, 조건 변이에 따라 활 하중의 일관성 있는 평가 방법을 도출할 수 있도록 하였다.
모델링을 제시하였다. 본 실험에 사용한 재하차량은 총중량이 19.38tonf 이였다.
아래 그림 8과 같이 인체 진동실험을 위한 대상 교량을 육교로 선정하였으며, 인체 무리의 무작위로 뛰는 동안 여러 가지 실험 데이터를 얻을 수 있는 방법을 선택하였다.

성능/효과

1. 인체 진동 실험대상 교량인 ISpan의 길이가 37.55m인 육교에서 인체보행하중인 무작위 뛰기의 경우를 비교한 결과 실측값과 반사 인파 하중의 경우가 가장 근접한 값을 보였다. 또한 이상화 모델링의 주파수가 실제 값보다 약간 크지만 실측값과 쾌감 ~ 불쾌감 곡선의 분석시 거의 일치하므로 충분히 적용 가능하다고 판단된다.
2. 차량 진동 실험대상 교량인 ISpan의 길이가 15m이고 교폭이 5.9m인 대상교량에서 동적재하시험을 실시한 60km/hr일 경우 실측데이터와 비교한 결과 이상화 모델링의 경우 반사 인파 하중을 적용한 해석 값이 실계측값과 가장 근접한 값을 보였다.
3. 인체 진동과 차량 진동의 경우로 나눠 반사 인파 하중 (half-cycle sine pulse), 하버사인파 하중 (haversine pulse), 삼각파 하중 (symmetrical triangular pulse) 을 각각의 경우에 적용한 결과 반사인파(haversine pulse) 하중이 가장 근접한 값을 보였다.
55m인 육교에서 인체보행하중인 무작위 뛰기의 경우를 비교한 결과 실측값과 반사 인파 하중의 경우가 가장 근접한 값을 보였다. 또한 이상화 모델링의 주파수가 실제 값보다 약간 크지만 실측값과 쾌감 ~ 불쾌감 곡선의 분석시 거의 일치하므로 충분히 적용 가능하다고 판단된다.

후속연구

본 논문에서는 한정된 육교와 교량에 대해 실험 및 구조해석 실시를 하였으므로 좀 더 많은 교량 구조물에 대해 지속적인 실험 및 구조해석을 통하여 향후 이상화 모델링을 이용한 동하 중 해석에 대해 실측데이터가 없이 프로그램 해석만으로도 교량 구조물에 대한 진동영향평가를 할 수 있도록 연구가 필요하다고 생각된다.

참고문헌 (4)

김기철, 이동근 (2001)' 보행하중에 의한 구조물 진동의 효율적인 해석, 한국지진공학회
김태호, 민경원, 이동근 (2003) . 건축구조물 시스템 식별을 통한 무리보행하중 평가, 한국지진공학회
박선준 (2000) . 건설진동을 받는 가스판 구조물의 방진 연구. 박사학위논문, 전남대학교
A. K. Chopra (1995).Dynamics of structures, Prentice Hall

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