국가경제력 향상과 함께 바다와 섬에 대한 관심이 높아지면서 육지와 섬, 섬과 섬을 연결하는 해상 장대교량이 많이 건설되고 있다. 장대교량은 현수교, 사장교, 아치교, 트러스교 등으로 대변할 수 있는데 그 중에서도 사장교는 주탑(Pylon)과 케이블(Cable), 보강형(Stiffened Girder)이 조화를 이루면서 외관이 아름다워 매력적인 교량형식의 하나로 최근 많이 계획되고 있다. 장력측정은 케이블에 설치한 가속도 센서로부터 케이블의 고유진동수 변화를 이용하는 간접법인 진동법을 적용하였다. 본 연구에서는 댐퍼 설치 케이블의 유효길이 산정식을 제안하였는데 이는 케이블의 유효길이 변화를 실측치와 해석값을 비교하여 분석한 것으로 기존의 유효길이 산정방법인 댐퍼와 정착단간의 순간격에 의한 것은 최종 케이블 장력값 추정에 있어서 신뢰도가 떨어짐을 확인할 수 있었다. 그러므로 향후 유지관리 단계에서는 본 연구에서 제안한 케이블의 유효길이 산정식을 활용하여 장력을 정확하게 파악하는 것이 케이블의 재긴장 및 교체시기 결정 등에도 합리적인 의사결정 자료로 사용될 수 있을 것이다.
국가경제력 향상과 함께 바다와 섬에 대한 관심이 높아지면서 육지와 섬, 섬과 섬을 연결하는 해상 장대교량이 많이 건설되고 있다. 장대교량은 현수교, 사장교, 아치교, 트러스교 등으로 대변할 수 있는데 그 중에서도 사장교는 주탑(Pylon)과 케이블(Cable), 보강형(Stiffened Girder)이 조화를 이루면서 외관이 아름다워 매력적인 교량형식의 하나로 최근 많이 계획되고 있다. 장력측정은 케이블에 설치한 가속도 센서로부터 케이블의 고유진동수 변화를 이용하는 간접법인 진동법을 적용하였다. 본 연구에서는 댐퍼 설치 케이블의 유효길이 산정식을 제안하였는데 이는 케이블의 유효길이 변화를 실측치와 해석값을 비교하여 분석한 것으로 기존의 유효길이 산정방법인 댐퍼와 정착단간의 순간격에 의한 것은 최종 케이블 장력값 추정에 있어서 신뢰도가 떨어짐을 확인할 수 있었다. 그러므로 향후 유지관리 단계에서는 본 연구에서 제안한 케이블의 유효길이 산정식을 활용하여 장력을 정확하게 파악하는 것이 케이블의 재긴장 및 교체시기 결정 등에도 합리적인 의사결정 자료로 사용될 수 있을 것이다.
Recently, many ocean bridges that connect land to island or island to island have been constructed along with the improvement of the nation's economy. Long-span bridges can be categorized as suspension bridge, cable-stayed bridge, arch bridge and truss bridge. In this study, correction with respect ...
Recently, many ocean bridges that connect land to island or island to island have been constructed along with the improvement of the nation's economy. Long-span bridges can be categorized as suspension bridge, cable-stayed bridge, arch bridge and truss bridge. In this study, correction with respect to construction error can be presented on site through the monitoring of the cable tension change of real structure for four major construction stages so that construction accuracy, including the management of profiles, can be improved. A vibration method, the so-called indirect method that uses the cable's natural frequency changes from the acceleration sensor installed on the cable, is applied in measuring cable tension. In this study, the estimation formula for the effective length of cable with damper is presented by comparing and analyzing between actual measurement and analysis result for the change of the cable's effective length. By the way, it is known that the reliability of estimating cable tension by applying the former method that uses the net distance from damper to anchorage is low. Therefore, for future reference of the maintenance stage, the presented formula for estimating the effective length of cable can be used as a reference for the rational decision-making, such as the re-tensioning and replacement of cable.
Recently, many ocean bridges that connect land to island or island to island have been constructed along with the improvement of the nation's economy. Long-span bridges can be categorized as suspension bridge, cable-stayed bridge, arch bridge and truss bridge. In this study, correction with respect to construction error can be presented on site through the monitoring of the cable tension change of real structure for four major construction stages so that construction accuracy, including the management of profiles, can be improved. A vibration method, the so-called indirect method that uses the cable's natural frequency changes from the acceleration sensor installed on the cable, is applied in measuring cable tension. In this study, the estimation formula for the effective length of cable with damper is presented by comparing and analyzing between actual measurement and analysis result for the change of the cable's effective length. By the way, it is known that the reliability of estimating cable tension by applying the former method that uses the net distance from damper to anchorage is low. Therefore, for future reference of the maintenance stage, the presented formula for estimating the effective length of cable can be used as a reference for the rational decision-making, such as the re-tensioning and replacement of cable.
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문제 정의
본 연구에서는 케이블 댐퍼의 설치 전·후 발생하는 사장교 케이블의 유효길이 변화 효과를 실험적인 값과 이론적인 값을 정 량화하여 비교함으로써 댐퍼가 설치되어 공용중인 사장 케이블의 장력 측정시 효과적인 케이블 유효길이 산정방식을 제시하고자 한다.
가설 설정
본 연구에서는 댐퍼설치 전의 장력을 진동법으로 산정하고, 댐퍼에 의한 동적 장력을 무시하는 조건으로 댐퍼 설치 전과 후에는 장력의 변화가 없다고 가정하였다. 따라서, 댐퍼에 의해 변화된 고유진동수를 진동방정식에 적용하고 식(4)에 댐퍼 설치 전의 장력값을 대입하여 댐퍼 설치 후의 유효길이를 재산정 할 수가 있다.
특성을 이용하여 평가할 수 있다. 케이블의 휨 강성(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
댐퍼 설치 후의 유효길이 산정에 있어 기존의 사용되어온 방법은 댐퍼 설치 전의 유효길이를 그대로 도입하거나 단지 댐퍼로 인해 실제 줄어든 케이블의 길이를 적용하였다. 이러한 기존 방법들에 대한 문제점은 실제 장력의 변화가 거의 없음에도 불구하고 단지 케이블 댐퍼로 인해 변화되어진 고유진동수를 진동방정식에 적용시킴으로서 댐퍼 설치 전의 장력과 댐퍼 설치 후의 장력의 차이를 만들어 내게 된다.
추가적으로 진행되는 부가작업에 따른 장력의 변화는 크게 나타나지 않는다. 댐피 설치 전의 유효 길이는 케이블의 전체 길이에서 정착구 길이와 베어랑 플레이트(bearing plate)값 및 심 플레이트(shim plate) 값을제외한 길이로 하여 장력측정에 이용하였다.
본 연구에서 사용한 가속도계는 표 2에 나타낸 바와 같이 민감도가 좋고 장기적인 유지관리모니터링 시스템이 가능한 센서를 사용하였다.
부분에 설치하는 것이 바람직하다. 본 연구에서는 단부에서 최대한 떨어진 곳에 가속도계를 설치하여 진동신호를 획득하였다.
본 연구에서는 사장교의 케이블 장력을 진동법을 이용한 간접법으로 측정하였으며 , 시공공정별 케이블의 장력변화와 케이블 댐퍼 설치 전 후의 케이블 유효길이 변화를 검토하였다. 본연구에서 얻어진 결론은 다음과 같다.
본 연구에서의 측정대상으로 선정한 케이블 구간은 그림 3에 나타낸 바와 같이 진도측 방향의 JC1 ~JC15 두 쌍과 해남 측 방향 HC1-HC15 두 쌍으로 총 60개의 케이블에 대하여 장력측정을 실시하였다. JC와 HC는 지명의 이니셜로 구분하였고 측경간에서 교량 중앙 방향 순으로 번호를 부여하였다.
대상 데이터
구조형식은 그림 2에 나타낸 바와 같이 3경간 비대칭 사장교로서 중앙경간 344m. 측경간 70m의 종 484m로 구성되어있다.
구조형식은 그림 2에 나타낸 바와 같이 3경간 비대칭 사장교로서 중앙경간 344m. 측경간 70m의 종 484m로 구성되어있다.
이론/모형
기존 교량과의 근접에 따른 케이블 직경규모의 조화. 고강도 적용추세의 반영, 정착구의 피로강도확보 및 공장제작에 따른 품질 및 공사관리의 효율성 등 종합적인 측면에서 유리한 NPWS(New Parallel Wire Strand) 방식의 케이블을 적용하였다.
성능/효과
(1) 시공단계에서 진동법을 이용하여 단계별 장력 측정과 댐퍼 설치 전의 최종장력을 측정하여 해석값과 비교 분석하였으며, 장기적인 장력변화를 측정하는 방법으로 진동법이 적용 가능함을 확인하였다.
표 4에 나타내었다. 그 결과 최초 케이블 장력 도입후 90tonf 가량의 데릭크레인 무게로 인하여 장력변화가 발생함을 알 수 있다.
유효길이를 산정한 결과. 댐퍼 설치 후 케이블의 유효 길이는 3~7% 범위내에서 감소하는 것으로 나타났으며, 평균 김소율은 약 3.4% 정도로 나다났다.
데릭크레인 이동 후의 공정인 보강형 인양에 따른 장력증가는 데릭크레인이 위치하는 7번 케이블의 경우 실측값이 116.7tonf에서 145.0tonf으로 24.3%의 장력증가가 나타났으며, 해석값은 97.8tonf에서 136.8tonf으로 약 39.9% 증가하였다. 또한 측경간의 6번 케이블의 경우는 109.
5%로 증가하였다. 추가 케이블긴장 이외의 시공단계에 있어 데릭크레인 이동에 따른 장력변화는 데릭크레인이 이동해 위치하는 7번 케이블이 측경간의 6번 케이블의 장력변화보다 약 24.4% 더 크게 장력 변화가 일어났으며, 해석값 또한 동일함을 확인할 수 있었다.
표 10의 결과로부터 댐퍼 설치에 의하여 변화된 케이블 유효 길이를 고려하지 않는다면 케이블 장력산정시 6-17 tonf 범위에서 과다하게 산정될 수 있으며, 장력의 평균오차는 약 7.3% 정도 과다산정 될 수 있음을 알 수 있다.
표 8 및 그림 6의 결과로부터 댐퍼 설치 후 케이블의 유효 길이는 3-7% 범위내에서 감소하는 것으로 나타났으며, 평균 감소율은 약 3.4% 정도로 나타났다. 또한, 케이블 길이가 비교적 짧고 고유진동수의 변화가 가장 컸던 JC7.
후속연구
복잡하다. 따라서 댐퍼의 설치 이후에도 진동법을 적용하여 케이블의 장력을 추정하기 위해서는 댐퍼 설치 전 후 케이블 유효길이 변화 효과에 대한 연구가 필요하다.
참고문헌 (9)
？강경구(2005), 신뢰성에 기초한 사장교 케이블장력관리를 위한 관리한계치 설정에 관한 연구, 한양대학교 박사학위 논문.
김상효, 이상호, 최수일, 여동훈(1997), 진동법을 이용한 케이블의 장력측정기법과 계측환경의 영향분석, 연세대학교 산업 기술연구소 논문집, 제2권 제29집, pp.143-150.
박연수, 전동호, 전양배, 강경구(2005), 진동법을 이용한 사장교 시공단계별 케이블 장력 관리, 한국구조물진단학회논문집, 제 9권, 제 4호, pp.127-134.
안상섭(2002), 사장교 케이블의 진동 검토 및 대책, 대한토목학회논문집, 제 22권, 제3-A호, pp.663-678.
Hiroshi Zui, Tohru Shinke & Yoshio Namita(1996), Practical Formulas for Estimation of Cable Tension by Vibration Method, Journal of Structure Eng., ASCE, Vol. 122, No.6. pp.651-656.
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