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초록
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교량의 설계에 있어서 정확한 하중의 산정은 교량의 안전성 확보에 가장 핵심적인 사항이며 향후 유지 관리 측면에서도 매우 중요하다. 일반적으로 교량에서 차량에 의한 하중효과는 주로 활하중(충격하중 포함) 및 피로하중으로 나타나는데 이들 하중의 정형화를 위해서는 실제 교량 상을 주행하는 중 차량의 중량 및 통행특성을 정확히 파악하는 것이 중요하다. 이를 위해서 주행 중인 차량을 정지시키지 않고 중량을 계측할 수 있는 시스템(Bridge Weigh-In-Motion, BWIM)의 개발이 선행되어야 한다. 본 연구에서는 다양한 기능을 갖는 BWIM시스템을 개발하고 이를 고속도로 교량에 적용하여 차량정보를 수집한 후 교량 설계를 위한 활하중 및 피로하중의 정형화를 수행하였다. 본 연구의 목적은 주행 중인 차량의 중량을 산정하는 BWIM시스템을 개발하여 시험 교량에 설치 한 후 교량거동의 계측을 통하여 최종적으로 고속도로 교통량 특성을 반영하는 활하중의 정형화 및 합리적인 피로하중산정 방안을 도출하는데 있다.

Abstract AI-Helper 아이콘AI-Helper

In design of bridges, estimation of actions and loadings is very important for the safety and maintenance of bridges. In general, effect of traffic loading on the bridge can be modeled as live load (including impact load) and fatigue load. For estimation of traffic loading, it is important to get re...

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

  • 본 논문에서는 고속도로 교량의 차량 활하중 및 피로하중모형을 개발하기 위해 본 연구진이 자체 개발한 BWIM 시스템을 사용하여 서해안고속도로상의 도곡교에 설치하여 수집된 차량 자료를 통하여 활하중 및 피로하중 모형을 제안하는 방법에 대해 논하였다. 축적된 데이터의 양이 많지 않았던 관계로 보다 신뢰성 있는 모형이 되기에는 다소 부족한 점이 있으나 본 논문을 통해 활하중 및 피로하중에 대한 모형개발의 가능성을 보여 주고자 하였으며 다음과 같은 결론을 얻었다.
  • 그림 1은 단일차량 및 연행차량 효과를 고려한 하중정형화 순서도이다. 본 연구에서는 활하중 모형개발을 위하여 BWIM시스템을 시험 적용한 서해안선 도곡교에서 측정한 중차량 통행데이터를 이용하여 활하중 모형개발에 대해 논하고자 한다.
  • 지간 중앙부외에 지간 중앙부에서 10 m 떨어진 지점의 상부플랜지에도 차선별로 2개씩 총 4개의 변형률 센서를 설치하여 향후 축 감지 센서가 없는 FAD(Free Axle Detector) BWIM 시스템도 고려해 보고자 설치하였다. 이는 인공지능의 패턴인식기법을 이용하여 차량의 속도, 축수, 축간거리, 축 중량, 총중량 등을 구하기 위한 새로운 시스템으로 교량의 변형률이 교량을 통과하는 차량의 축에 대하여 민감하게 변화하는 교량에 대해 적용 가능한데 그 가능성을 확인하기 위하여 설치하였다. 다음으로 축 중 센서로는 전기 저항식 변형률게이지를 각 거더 별로 2개씩 총 6개를 설치하였다.
  • 신규교량의 총 수명 또는 기존교량의 잔존 수명동안의 안전성을 평가하기 위해서는 통과차량의 총 중량 분포 및 통행량 등에 대한 정확한 예측이 필요하며, 차종별 축 중량 및 축간 거리 뿐만 아니라 통행 차량 사이의 간격도 이를 평가하는데 중요한 인자라고 볼 수 있다. 이들 자료로부터 피로 검토를 위한 이상화된 확률 통계적인 피로하중모형을 개발하게 되는데 본 연구에서는 서해안선 도곡교에서 설치된 BWIM시스템에서 측정한 중 차량 자료를 통계확률적으로 분석하여 실제 통행 차량에 의해 교량에 발생하는 피로손상을 모사할 수 있는 피로하중모형을 개발하는 과정을 논하고자 한다.
  • 이에 본 연구진은 센서 교체 시 교통 흐름을 방해하지 않는 큰 장점이 있는 BWIM시스템을 독자 개발한 후 이를 고속도로 상 일부교량(서해안선 도곡교)에 시범 적용한 후 일정기간동안 차량 하중 정보를 수집한 후 축적된 데이터의 통계확률적인 분석을 통하여 제한적이긴 하지만 고속도로 교량의 설계 차량 활하중 및 피로하중의 통계확률적인 모형을 개발하고자 하였다.
  • 본 논문에서는 고속도로 교량의 차량 활하중 및 피로하중모형을 개발하기 위해 본 연구진이 자체 개발한 BWIM 시스템을 사용하여 서해안고속도로상의 도곡교에 설치하여 수집된 차량 자료를 통하여 활하중 및 피로하중 모형을 제안하는 방법에 대해 논하였다. 축적된 데이터의 양이 많지 않았던 관계로 보다 신뢰성 있는 모형이 되기에는 다소 부족한 점이 있으나 본 논문을 통해 활하중 및 피로하중에 대한 모형개발의 가능성을 보여 주고자 하였으며 다음과 같은 결론을 얻었다.

가설 설정

  • 연행차량의 앞, 뒤차가 동일차종의 같은 확률의 중량을 갖는 것으로 가정한다.
  • 이러한 자료를 통해 교량에 발생하는 피로손상은 Miner의 법칙을 이용하여 유도한 식4(a)를 상수 값인 #으로 나누어 정규화한 식4(b)를 손상평가에 사용하였다. 각각의 트럭은 하나의 응력주기를 발생시킨다고 가정한다.
  • 교량의 사용기간을 AASHTO에서와 같이 75년으로 가정하고 이 기간 동안 발생가능한 차종별 최대중량을 확률지를 이용하여 구하였다. 차종별로 최대중량을 추정하기 위하여 대표차종인 차종 50, 60, 70 자료의 상위 10%만을 정규 확률지에 도시하였다.
  • 표에서 진하게 표시된 부분은 연행차량의 모멘트 산정 시 이용되는 차종별 최대 중량 값이다. 이와 같이 결정된 차종별 최대중량을 선행차량의 최대 총중량으로 가정하고, 후행차량은 선행차량과 동일한 중량 값을 갖는 차량으로 가정하였다. 두 차량에 의해 발생하는 모멘트와 현재 사용중인 활하중에 의한 모멘트비를 각 지간별로 나타내면 그림 9와 같다.
  • 표에서 진하게 표시된 값은 각 교량의 연행차량 중 완전무관인 경우에 대한 사용기간 동안의 모멘트 산정시 이용되는 차종별 최대중량 값이다. 이와 같이 결정된 차종별 최대중량을 선행차량의 최대 총중량으로 가정하고, 후행차량은 차종의 추세선을 이용하여 산정한 평균중량 중에서 가장 큰 값을 갖는 차량으로 가정한다. 두 차량에 의해 발생하는 모멘트와 현재 사용 중인 활하중에 의한 모멘트비를 각 지간별로 나타내면 그림 8과 같다.
  • 차량별 발생하는 피로손상 평가 시 차량 1대 통과 시 응력발생 횟수는 1회로 가정하였다. 손상은 각 차종별로 나누어 통과차량 각각의 도곡교에 대한 누적 손상을 평가하였다.
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질의응답

핵심어 질문 논문에서 추출한 답변
서해안선 서평택-당진구간의 도곡교란 어떤 교량인가? 데이터 측정을 위해 선정한 교량은 중 차량의 통행이 빈번한 서해안선 서평택-당진구간의 도곡교(상행선)이다. 본 교량은 단경간 50 m인 강 박스 거더교로 사각이 15°인 사교이다. BWIM 시스템에서 필요한 센서는 축 감지 센서와 축중 센서이다.
교통량 통계자료는 어떤 측면에서 통계자료로 의미가 있는가? 이들 연구는 주로 교통량 통계자료 및 고정식(또는 이동식) 과적단속 자료에 근거하고 있으며 일부는 외국에서 도입한 BWIM시스템을 적용하여 측정한 자료를 이용하였다. 교통량 통계자료는 차종별 통행횟수 측정에 있어서는 통계자료로서 의미가 있으나 실제 교량 위를 주행중인 차량에 대한 통행특성이 나타나 있지 않는 단점이 있고, 고정식(또는 이동식) 과적단속 자료 또한 톨게이트나 검문소에서 수행하므로 정적인 하중측정으로 인해 정확한 하중 값을 구할 수는 있으나 위치적 한계로 인해 이 역시 실제 교량 위를 주행하는 차량 통행특성은 구할 수 없는 단점이 있다. 이에 주행 중인 차량의 중량을 계측할 수 있는 고속 WIM(Weigh-In-Motion)시스템에 대한 연구가 1990년대에 유럽을 중심으로 이루어졌었다(COST 323 Project, 1993~1996; WAVE Project, 1996~1999 등).
교통량 통계자료의 단점은? 이들 연구는 주로 교통량 통계자료 및 고정식(또는 이동식) 과적단속 자료에 근거하고 있으며 일부는 외국에서 도입한 BWIM시스템을 적용하여 측정한 자료를 이용하였다. 교통량 통계자료는 차종별 통행횟수 측정에 있어서는 통계자료로서 의미가 있으나 실제 교량 위를 주행중인 차량에 대한 통행특성이 나타나 있지 않는 단점이 있고, 고정식(또는 이동식) 과적단속 자료 또한 톨게이트나 검문소에서 수행하므로 정적인 하중측정으로 인해 정확한 하중 값을 구할 수는 있으나 위치적 한계로 인해 이 역시 실제 교량 위를 주행하는 차량 통행특성은 구할 수 없는 단점이 있다. 이에 주행 중인 차량의 중량을 계측할 수 있는 고속 WIM(Weigh-In-Motion)시스템에 대한 연구가 1990년대에 유럽을 중심으로 이루어졌었다(COST 323 Project, 1993~1996; WAVE Project, 1996~1999 등).
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참고문헌 (12)

  1. 김상진, 박문호(1996) 트럭하중 측정을 위한 교량실험, 대한토목 학회 논문집, 대한토목학회, 제 16권 제5호, pp.621-631 

  2. 박민석 등(2001) 고속도로 교량 활하중 정형화에 관한 연구. 연구보고서, 도로연 01-26, 한국도로공사 도로연구소 

  3. 배두병, 황의승(2004) 강교량 설계를 위한 피로하중 모형, 대한토목 학회 논문집, 대한토목학회, 제 24권 제 lA호, pp.225-232 

  4. 배두병, 황의승, 정경섭, 조재병(1999) BWIM 시스템을 이용한 중차량의 통행특성분석, 한국강구조학회 논문집, 한국강구조학회, pp.223-232 

  5. 정철헌(1995) 도로상을 통행하는 트럭의 형상 및 중량특성, 대한 토목학회 논문집, 대한토목학회, 제 15권 제 5호, pp.1159-1168 

  6. AASHTO (1989) Guide Specification For Fatigue Design of Steel Bridge, Washington D.C 

  7. AASHTO (1994) AASHTO LRFD Bridge Design Specification, Washington D.C 

  8. Andrzej, S.N. and Hong, Y.K. (1991) BRIDGE LIVE-LOAD MODELS, ASCE. Vol. 117. No.9 

  9. Andrzej S.N. (1992) Calibration of LRFD Bridge Design Code, NCHRP Project 12-33 Draft 

  10. Miner, M.A. (1945) Cumulative Damage in Fatigue. J. Appl. Mech., ASME. Vol.67, pp.A159 

  11. Moses, F. (1979) Weigh-in-motion system using instrumented bridge, Transportation Engineering Journal, ASCE. Vol.105, TE.3 

  12. William E. Nyman, A. and Fred, M. (1985) CALIBRATION OF BRIDGE FATIGUE DESIGN MODEL, ASCE, Vol. 11:1251-66 

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