교량구조물의 안전성 평가에 있어서 처짐형상을 측정하는 것은 매우 중요한 요소이다. 그러나 교량의 처짐을 측정하는 작업은 일반적으로 용이하지 않으며, 경우에 따라서 측정점이 제한되거나 많은 비용이 소요된다. 따라서 최근에 광섬유 변형률센서를 이용한 교량의 처짐형상을 간접적으로 추정하는 연구가 진행되고 있으나 단순지지 형식의 교량에 주로 적용되고 있다. 본 연구에서는 현수교의 고전적인 처짐이론을 적용하여 측정된 변형률로부터 처짐형상을 추정하는 기법을 제시하였으며, 이에 대한 검증을 위하여 남해대교를 대상으로 현장 재하시험을 수행하였다. 남해대교 보강형 내부에 부착한 FBG 변형률센서를 이용하여 변형률을 계측하였으며, 제안한 추정기법을 적용하여 얻어진 처짐형상을 정밀측량데이터 및 구조해석결과와 비교분석하였다. 결과적으로 본 연구에서 제안한 현수교 처짐형상 추정기법의 적용가능성을 검증하였으며, FBG 변형률센서의 현장 적용성을 확인하였다.
교량구조물의 안전성 평가에 있어서 처짐형상을 측정하는 것은 매우 중요한 요소이다. 그러나 교량의 처짐을 측정하는 작업은 일반적으로 용이하지 않으며, 경우에 따라서 측정점이 제한되거나 많은 비용이 소요된다. 따라서 최근에 광섬유 변형률센서를 이용한 교량의 처짐형상을 간접적으로 추정하는 연구가 진행되고 있으나 단순지지 형식의 교량에 주로 적용되고 있다. 본 연구에서는 현수교의 고전적인 처짐이론을 적용하여 측정된 변형률로부터 처짐형상을 추정하는 기법을 제시하였으며, 이에 대한 검증을 위하여 남해대교를 대상으로 현장 재하시험을 수행하였다. 남해대교 보강형 내부에 부착한 FBG 변형률센서를 이용하여 변형률을 계측하였으며, 제안한 추정기법을 적용하여 얻어진 처짐형상을 정밀측량데이터 및 구조해석결과와 비교분석하였다. 결과적으로 본 연구에서 제안한 현수교 처짐형상 추정기법의 적용가능성을 검증하였으며, FBG 변형률센서의 현장 적용성을 확인하였다.
For most structural evaluation of bridge integrity, it is very important to measure the geometric profile, which is a major factor representing the global behavior of civil structures, especially bridges. In the past, because of the lack of appropriate methods to measure the deflection profile of br...
For most structural evaluation of bridge integrity, it is very important to measure the geometric profile, which is a major factor representing the global behavior of civil structures, especially bridges. In the past, because of the lack of appropriate methods to measure the deflection profile of bridges on site, the measurement of deflection has been restricted to just a few discrete points along the bridge, and the measuring points have been limited to the locations installed with displacement transducers. Thus, some methods for predicting the static deflection by using fiber optic strain sensors has been applied to simply supported bridges. In this study, a method of estimating the static deflection profile by using strains measured from suspension bridges was proposed. Based on the classical deflection theory of suspension bridges, an equation of deflection profile was derived and applied to obtain the actual deflection profile on Namhae suspension bridge. Field load tests were carried out to measure strains from FBG strain sensors attached inside the stiffening girder of the bridge. The predicted deflection profiles were compared with both precise surveying data and numerical analysis results. Thus, it is found that the equation of predicting the deflection profiles proposed in this study could be applicable to suspension bridges and the FBG strain sensors could be reliable on acquiring the strain data from bridges on site.
For most structural evaluation of bridge integrity, it is very important to measure the geometric profile, which is a major factor representing the global behavior of civil structures, especially bridges. In the past, because of the lack of appropriate methods to measure the deflection profile of bridges on site, the measurement of deflection has been restricted to just a few discrete points along the bridge, and the measuring points have been limited to the locations installed with displacement transducers. Thus, some methods for predicting the static deflection by using fiber optic strain sensors has been applied to simply supported bridges. In this study, a method of estimating the static deflection profile by using strains measured from suspension bridges was proposed. Based on the classical deflection theory of suspension bridges, an equation of deflection profile was derived and applied to obtain the actual deflection profile on Namhae suspension bridge. Field load tests were carried out to measure strains from FBG strain sensors attached inside the stiffening girder of the bridge. The predicted deflection profiles were compared with both precise surveying data and numerical analysis results. Thus, it is found that the equation of predicting the deflection profiles proposed in this study could be applicable to suspension bridges and the FBG strain sensors could be reliable on acquiring the strain data from bridges on site.
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문제 정의
따라서 본 논문에서는 FBG변형률센서를 사용하여 변형률을 측정하고, 현수교의 처짐이론에 근거한 처짐-변형률 관계를 이용하여 실교량의 정적 처짐을 간접적으로 측정하는 방법을 제시하고자 한다.
본 논문에서는 단순보의 이론적인 검증을 바탕으로 현수교 적용을 위하여 현수교의 해석법에 대해 고찰하고, 실제로 현수교에 적용할 이론에 대해서 처짐-변형률 관계를 정리하였다. 따라서 교량을 연속체로 간주하는 고전적인 현수교의 해석법으로부터 처짐이론(장승필, 1994)을 가정할 수 있으며, 이러한 가정을 바탕으로 현수교의 평형방정식 및 케이블의 적합 조건식 등을 유도할 수 있다.
제안 방법
FBG 변형률센서를 이용한 변형률 데이터로부터 현수교의 처짐형상을 추정하는 기법을 제안하였으며, 남해대교의 현장 재하시험을 통해 이를 검증하였다. 이 연구에서 도출한 결론은 다음과 같이 요약하였다.
계측된 변형률을 회귀분석하여 얻어진 적절한 변형률함수로부터 남해대교에 처짐 추정기법을 적용하여 처짐형상을 추정하고자 한다. 즉 구조해석으로 구한 변형률의 형상을 기준으로 이것에 대비하여 현장 계측 변형률의 형태를 근접하게 나타내는 변형률함수를 구하였다.
이 해석은 가정치 추출뿐만 아니라 남해대교의 처짐 및 변형률 거동에 대한 예측을 위한 것이며 FBG 변형률센서의 설치 위치를 결정하기 위한 의미가 있다고 판단된다. 계획된 현장 재하시험 시 수행할 각각의 하중 재하상태를 선정하였고, 이 상태에 대해서 정밀 구조 해석을 수행하였다. 표 3은 결정된 하중 재하상태를 보이고 있으며 이 때의 L은 중앙경간의 지간길이를 나타낸다.
남해대교를 심야에 전면 교통통제한 후 정적 재하시험을 수행하였다. 중앙경간 보강형 상판 위에서 시험 종료 시까지 대기 온도를 측정한 결과는 14℃로 일정하였으며 온도 변화에 의한 영향은 무시할 수 있는 것으로 판단된다.
남해대교의 형상 측량을 위해 사용된 측량장비는 광학식 무인 자동측량시스템으로서, 일반 측량기에서 발생할 수 있는 측량자의 오차를 배제할 수 있기 때문에 다측점 및 반복 측량에 적합하다. 남해대교에 설치한 측량 타겟은 그림 5와 같이 중앙부로 갈수록 촘촘히 설치하여 중앙부근의 처짐 형상을 정확히 측정하도록 하였다. 그림 6은 남해대교에 사용된 형상 측량장비의 모습이며, 표 5는 사용된 측량장비의 성능을 나타내고 있다.
남해대교의 주요 제원과 단면상수를 토대로 작성된 구조해석 모델을 이용하여 처짐 추정의 가정치를 얻기 위한 정밀 구조해석을 수행하였다. 이 해석은 가정치 추출뿐만 아니라 남해대교의 처짐 및 변형률 거동에 대한 예측을 위한 것이며 FBG 변형률센서의 설치 위치를 결정하기 위한 의미가 있다고 판단된다.
그림 5와 같이 FBG 변형률센서는 선정된 하중경우(Load Case)를 고려하여 중앙경간의 8등분점 마다 하동에서 남해방향으로 L/8~6L/8까지 6곳의 하부플랜지에 부착하였으며, 3L/8과 5L/8에는 상부플랜지에도 부착하였다. 다이어프램의 간섭을 피하기 위해 남해 방향으로 2 m만큼 이동하여 설치 하였고, 이때 인장 및 압축 변형률을 동시에 측정할 수 있도록 센서부를 포함한 일정 거리를 접착제를 사용하여 밀착시켰다.
재하시험 진행순서는 표 7과 같이 우선 무재하 상태에서의 초기치를 측정하고 각각의 하중경우별로 시험을 수행하였으며, 각 하중경우 사이에 무재하 상태를 두어 남해대교가 복원되었는지를 확인하도록 하였다. 변형률 측정 및 측량 등의 계측 작업은 무재하와 하중 재하 상태에서 수행하였다.
현장 재하 시험에서 얻을 가장 중요한 데이터는 남해대교 보강형에서 발생하는 변형률이다. 변형률 측정을 위해 FBG 변형률센서를 사용하였으며 추정한 처짐 곡선과의 비교를 위해 초정밀 자동 광학식 측량기를 사용하여 교량 상의 몇 점에 대해 처짐을 측정하였다.
중앙경간 보강형 상판 위에서 시험 종료 시까지 대기 온도를 측정한 결과는 14℃로 일정하였으며 온도 변화에 의한 영향은 무시할 수 있는 것으로 판단된다. 재하시험 진행순서는 표 7과 같이 우선 무재하 상태에서의 초기치를 측정하고 각각의 하중경우별로 시험을 수행하였으며, 각 하중경우 사이에 무재하 상태를 두어 남해대교가 복원되었는지를 확인하도록 하였다. 변형률 측정 및 측량 등의 계측 작업은 무재하와 하중 재하 상태에서 수행하였다.
계측된 변형률을 회귀분석하여 얻어진 적절한 변형률함수로부터 남해대교에 처짐 추정기법을 적용하여 처짐형상을 추정하고자 한다. 즉 구조해석으로 구한 변형률의 형상을 기준으로 이것에 대비하여 현장 계측 변형률의 형태를 근접하게 나타내는 변형률함수를 구하였다. 그림 10(a)-(c)는 이와 같은 방법으로 얻은 변형률함수를 나타내고 있다.
추정된 처짐값과의 직접적인 비교를 위해 정밀 자동 측량을 수행하였다. 아래의 그림 9는 남해대교의 측량 결과를 보이고 있다.
현수교의 처짐 추정 기법을 실험적으로 검증하기 위하여 남해대교에 대해 현장 재하 시험을 수행하였다. 현장 재하 시험에서 얻을 가장 중요한 데이터는 남해대교 보강형에서 발생하는 변형률이다.
대상 데이터
대상교량으로 선정한 그림 2의 남해대교는 1973년에 완공되었으며, 강상판 유선형 보강형을 갖는 3경간 2힌지 타정식 현수교로서 동서측에 각 49개의 행어케이블과 2개의 주탑 및 평행 주케이블로 이루어져 있다. 도로교설계기준의 DB18에 해당하는 AASHTO의 HS20-44하중으로 설계된 총 연장 660 m(128+404+128)인 2등급 교량이다(김남식, 2000).
대상교량으로 선정한 그림 2의 남해대교는 1973년에 완공되었으며, 강상판 유선형 보강형을 갖는 3경간 2힌지 타정식 현수교로서 동서측에 각 49개의 행어케이블과 2개의 주탑 및 평행 주케이블로 이루어져 있다. 도로교설계기준의 DB18에 해당하는 AASHTO의 HS20-44하중으로 설계된 총 연장 660 m(128+404+128)인 2등급 교량이다(김남식, 2000). 표 1과 표 2는 남해대교의 주요 제원을 나타내고 있다.
성능/효과
1. FBG 변형률센서를 통해 취득한 변형률 데이터는 신뢰할 만한 결과를 나타내어 현장 적용성을 확인할 수 있었으며, 다중측정기능의 장점을 최대한 활용할 수 있는 근거를 마련하였다.
2. 측정된 변형률 데이터로부터 추정한 처짐형상은 해석 및 측량으로부터 얻은 처짐과 대체로 유사한 거동을 나타내었으며, 형상측량 데이터를 기준으로 추정된 처짐형상의 평균오차는 11% 미만으로 양호한 결과를 얻을 수 있었다.
3. 실교량의 유지관리 관점에서 처짐형상 추정기법은 처짐거동의 변화이력 획득에 효용성이 있다고 판단되며, 현수교의 상시모니터링을 위한 실질적인 활용을 기대할 수 있다.
국내에서도 1990년대 후반부터 연구가 진행되어 오고 있는데 FBG 변형률센서(Fiber Bragggrating strain sensor)를 교량 모형에 부착하여 실내 검증 실험을 통해 변형률을 측정하고 보의 변형률-처짐의 관계를 이용하여 처짐을 추정하였다(박흥석 등, 2001; Kim 등, 2004). 상기의 연구결과를 살펴보면 측정의 오차가 최대 10%이하로 실제의 처짐을 상당히 정확히 구현하고 있으며 간접적인 추정 방법의 실효성을 나타내고 있다. 최근에는 공용중인 판형 철도교에 대해 현장검증실험이 수행되었으며(정원석 등, 2005), 동적 처짐 응답의 정확성을 제고하기 위한 처짐 추정 기법으로서 모드분해기법이 제안된 바 있다(장성진 등, 2007).
후속연구
따라서 처짐 추정에 의한 오차는 해석프로그램과 같이 반복계산에 의한 처짐의 최적화 알고리즘이 처짐 추정기법에는 포함되어 있지 않기 때문이며 또 한가지 이유는 실제의 구조물이 갖는 구조적인 기능을 해석프로그램이 충분히 반영하지 못하고 있는데 이 구조해석에 의한 가정치를 사용하였기 때문이라고 추정된다. 그러나 현재 상태를 처짐형상 추정을 위한 초기값의 획득 과정이라고 가정한다면 활하중에 의한 장력의 변화는 미소할 것이며 변형률의 변화가 직접적으로 처짐형상의 변화에 기여하기 때문에 향후의 처짐 변동량은 실제의 변동을 충분히 반영할 수 있을 것으로 판단된다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
초정밀 자동 광학식 측량기의 단점은?
한편 비접촉식 방식인 광학식 변위계는 주로 근거리 측정에 적합한 용도이며, 측량을 이용할 경우는 측량자의 능력에 좌우되고 측정의 일관성을 유지하기가 곤란하다. 근래에 와서 초정밀 자동 광학식 측량기를 사용하여 장대 교량의 좌표와 처짐을 측정한 경우가 있으나 장비 가격이 매우 고가이기 때문에 경제적인 부담이 될 수 밖에 없다. 따라서 이와 같은 현실적인 문제를 극복할 수 있는 방안으로 교량의 주형(또는 보강형)에 발생하는 변형률을 측정하여 처짐을 추정하는 등의 간접적인 방법의 개발이 요구되는 실정이다.
교량 구조물의 건전성 평가에 있어서 가장 중요한 자료는 처짐이나 진동수 등과 같이 전체적인 거동을 나타내는 인자의 이력인 이유는?
교량 구조물의 건전성 평가에 있어서 가장 중요한 자료는 처짐이나 진동수 등과 같이 전체적인 거동을 나타내는 인자의 이력이다. 처짐 변화의 확보는 교량의 구조적인 성능 저하 및 노후도를 판단할 수 있는 근거를 제공하기 때문이다(김남식 등, 1998). 그러나 처짐의 측정이 중요함에도 불구하고, 적절한 측정 수단과 측정 방법의 부재로 말미암아 현실적으로 현장에서 교량의 처짐을 측정하는 방법이 용이치 않은 게 사실이다.
비접촉식 방식인 광학식 변위계는 어떤 용도인가?
실내 실험의 경우라면 접촉식 변위계(다이얼 게이지, LVDT 등)를 사용하여 손쉽고 정확하게 변위를 측정할 수 있지만 현장 실험에서는 대부분의 경우 이러한 변위계를 설치하기가 매우 곤란하다. 한편 비접촉식 방식인 광학식 변위계는 주로 근거리 측정에 적합한 용도이며, 측량을 이용할 경우는 측량자의 능력에 좌우되고 측정의 일관성을 유지하기가 곤란하다. 근래에 와서 초정밀 자동 광학식 측량기를 사용하여 장대 교량의 좌표와 처짐을 측정한 경우가 있으나 장비 가격이 매우 고가이기 때문에 경제적인 부담이 될 수 밖에 없다.
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