[논문]마찰댐퍼에 의한 사장 케이블의 진동저감 효과

김형구; 임성순

doi:10.11112/jksmi.2013.17.2.054

마찰댐퍼에 의한 사장 케이블의 진동저감 효과
Vibration Reduction Effects of Stay Cable Due to Friction Damper 원문보기

한국구조물진단유지관리공학회 논문집 = Journal of the Korea Institute for Structural Maintenance and Inspection, v.17 no.2, 2013년, pp.54 - 61

김형구 (서울시립대학교 토목공학과) , 임성순 (서울시립대학교 토목공학과)

초록
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사장교 케이블은 초기 큰 인장력으로 축강성이 매우 크지만, 횡방향 휨강성은 약하다. 풍하중이나 교통하중은 케이블을 심각하게 진동시켜 사장교의 사용성에 부정적 영향을 끼친다. 그러므로 장대교량에 감쇠장치를 설치하는 진동 저감 계획이 절실히 요구된다. 마찰댐퍼는 교통하중이나 풍하중과 같은 동적하중이 작용하는 케이블 진동에서 진폭과 지속시간을 대폭 감소시킬 수 있는 효과적인 장치임을 알 수 있다. 케이블 진동은 댐퍼제작방법과 설치위치 및 형상에 따라 효율이 달라질 수 있다. 그럼에도 불구하고 본 실험연구의 마찰댐퍼 설치전 후 제진성능효과 분석결과는 향후 사장케이블의 진동을 저감시키는 기본 자료로 활용할 수 있다.

Abstract ▼ AI-Helper

Stay cable has a strong axial rigidity due to large initial tension and, on the other hand, it has a weak laterally flexural rigidity. Wind loads or traffic loads cause the cables to vibrate significantly and affect the mechanical properties and the performance of cables of cable-stayed bridge (CSB). Therefore, the development of vibration reduction design is an urgent task to control the vibration vulnerable long-span bridges. As Friction damper (FD) shows to reduce the amplitude and duration time of vibration of cable of CSB from measured date in field test, friction damper can be considered that it is effective device significantly to reduce the amplitude and duration time in vibration of cable of CSB under traffic load, wind load and so on. Vibration characteristics of cable can change according to manufacturing method and type of established form. Nevertheless, analysis method in this study can present the design of friction damper for vibration reduction of cable of cable-stayed bridge from now on.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

마찰댐퍼는 연구사례가 많지 않고, 성능검증 데이터가 부족하여 감쇠성능에 대한 검증이 요구된다. 따라서 본 연구는 마찰댐퍼를 가진 시장 케이블의 진동감쇠효과를 실험적 방법으로 분석하고자 한다. 현장실험에서 계측한 자료로부터 마찰댐퍼의 설치 전⋅후의 진동이력을 분석하였고, 설계기준에서 요구하는 요구감쇠비와 마찰댐퍼의 설치에 의하여 발생된 부가감쇠비를 측정하여 댐퍼성능 검증에 초점을 맞추었다.
본 연구는 댐퍼 설치 전⋅후의 사장 케이블을 대상으로 현장실험을 실시하여 댐퍼의 적용성, 타당성을 확인하였다.
본 연구는 인력가진을 통한 케이블의 현장실험의 결과를 분석하여 댐퍼의 감쇠계수를 결정하고, 요구감쇠비에 대한 감쇠성능을 결정하는 것을 목적으로 한다.
본 연구는 현장실험을 통해 마찰댐퍼의 진동저감효과 분석을 연구목적으로 하였다. 설계기준에서 제시한 요구감쇠비에 대하여 측정 부가감쇠비를 댐퍼성능이라고 정의하였다.
실험목적은 특정진폭 이상의 비감쇠 진동을 갖지 않도록 충분히 빠른 시간 내에 반응하는가를 확인하는 것이다. 현장 실험결과, 댐퍼가 설치되지 않은 케이블 거동과 측정된 고유감쇠비는 서로 일치함을 알 수 있다.

제안 방법

고유감쇠비 측정을 위하여 댐퍼 설치 전에 인력가진하여 가속도를 측정하였다. Table 4는 실험대상 케이블 CLL8에 대하여 측정한 고유진동수와 감쇠비를 나타낸다.
고유진동수는 FFT방법을 이용하여 산정하였으며, 고유감쇠비는 IIR 필터를 통하여 산정하였다. 그 후 마찰댐퍼를 설치한 후 케이블의 총 감쇠비가 요구감쇠비 이상으로 발휘되는 것을 확인하여 마찰댐퍼의 성능을 검증하였다.
사장 케이블에 부착되는 가속도계의 위치와 부착방법은 실험 중 탈락되지 않도록 견고하게 부착하였다. 또한 케이블의 손상을 방지하기 위해 케이블 위에 테이핑을 한 후 접착제로 부착하였고, 마찰댐퍼가 설치되어있는 곳은 자석을 이용하여 부착하였다.
성능평가방법은 댐퍼 설치 전⋅후 인력가진을 통한 인위적인 케이블의 진동을 발생시킨 후 진동저감에 따른 감쇠비를 측정하여 수행하였다.
성능평가방법은 댐퍼 설치 전⋅후 인력가진을 통한 인위적인 케이블의 진동을 발생시킨 후 진동저감에 따른 감쇠비를 측정하여 수행하였다. 요구감쇠비와 댐퍼설치에 따라 발생되는 진동저감 효과를, 현장실험을 통하여 얻어진 감쇠비와 상호 비교함으로서 마찰댐퍼의 성능을 검증하고 감쇠효과를 분석하였다. 본 연구는 댐퍼 설치 전⋅후의 사장 케이블을 대상으로 현장실험을 실시하여 댐퍼의 적용성, 타당성을 확인하였다.
5와 같이 3개의 사장 케이블을 선택하였다. 주탑 PY1을 기준으로 주탑 좌측 케이블 CLL1부터 외측으로 CLL15, 우측 첫 케이블 CLR1부터 교량 중앙쪽으로 케이블 CLR15로 구분하였다. 측경간 케이블 CLL08는 164.
측정 감쇠비 표현에서 1,2,3번째 측정은 각각 적색, 청석, 녹색으로 구분하였다. Fig.
7~9에서 수평축은 케이블 진동의 진폭을 나타내고, 수직축은 감쇠비를 나타낸다. 측정 시도는 3회 이상 실시하였고, 적절한 계측결과를 나타내는 진폭-감쇠비 분포를 대표값으로 선택하였다.
케이블의 3^rd Mode까지 파악하기 위해서 가속도계의 위치는 케이블 길이의 40% 지점과 20% 지점에 각각 설치하였고, 부착높이는 Table 1과 같다. 가장 높은 위치의 센서 P1은 H1, 중간지점의 센서 P2는 H2로 Fig.
케이블의 가진은 해당 위치에서 의사주기하중을 만들어 도입하였고 의사주기하중을 도입하기 위하여 Fig. 4와 같이 케이블 길이의 40%지점에서 1^st, 3^rd Mode, 2^nd Mode는 20%지점에서 각각 가진을 실시하였다. 의사주기하중은 케이블에 연결된 로프를 인력에 의해 도입하였다.
3에 HL로 나타내었다. 케이블의 가진주기는 FFT를 통한 고유진동수를 확인하여 고유진동주기에 맞추었다.
현장실험에서 계측한 자료로부터 마찰댐퍼의 설치 전⋅후의 진동이력을 분석하였고, 설계기준에서 요구하는 요구감쇠비와 마찰댐퍼의 설치에 의하여 발생된 부가감쇠비를 측정하여 댐퍼성능 검증에 초점을 맞추었다.
이는 한계진폭 이하에서 댐퍼가 작동하여야 한다는 의미이다. 현장실험은 먼저 케이블 댐퍼의 감쇠계수를 산정하고 케이블의 감쇠비가 요구감쇠비 이상 발휘되는지를 확인하는 2단계로 구성되어 있다.
현장실험은 시공완료 후 공용 전 단계에서 먼저 케이블의 진동을 측정하였다. 고유진동수는 FFT방법을 이용하여 산정하였으며, 고유감쇠비는 IIR 필터를 통하여 산정하였다.

대상 데이터

M대교는 목포시 죽교동과 서해안고속도로를 연결하는 해상교량이다. M대교는 주경간장 500m, 총연장 900m인 2주탑 3경간 사장교이다. 케이블은 MS타입이고, 길이는 83~257m로 구성되어 있다.
실험대상 케이블은 Fig. 5와 같이 3개의 사장 케이블을 선택하였다. 주탑 PY1을 기준으로 주탑 좌측 케이블 CLL1부터 외측으로 CLL15, 우측 첫 케이블 CLR1부터 교량 중앙쪽으로 케이블 CLR15로 구분하였다.
주탑 PY1을 기준으로 주탑 좌측 케이블 CLL1부터 외측으로 CLL15, 우측 첫 케이블 CLR1부터 교량 중앙쪽으로 케이블 CLR15로 구분하였다. 측경간 케이블 CLL08는 164.7m의 중간길이 케이블이며 중앙경간의 댐퍼가 설치되는 최단케이블 CLR01은 82.6m, 그리고 케이블 CLR15은 256.8m의 최장케이블을 실험대상 케이블로 선택하였다.
케이블은 효과적인 가진 시스템이 개발되지 않았으므로 인력가진을 이용하였다. 가진위치는 1^st Mode 부터 3^rd Mode까지 가진할 수 있는 높이로 결정하였으며, Table 1과 Fig.

이론/모형

현장실험은 시공완료 후 공용 전 단계에서 먼저 케이블의 진동을 측정하였다. 고유진동수는 FFT방법을 이용하여 산정하였으며, 고유감쇠비는 IIR 필터를 통하여 산정하였다. 그 후 마찰댐퍼를 설치한 후 케이블의 총 감쇠비가 요구감쇠비 이상으로 발휘되는 것을 확인하여 마찰댐퍼의 성능을 검증하였다.

성능/효과

마찰댐퍼 실험결과는 전체 실험대상 사장 케이블 중 가장 작은 값을 대표값으로 정리하였다. M대교 측정 부가감쇠비의 최소값이 0.62%, 요구감쇠비 0.5%로 1.24배의 감쇠성능을 발휘하며, 진동을 충분히 제어함을 알 수 있다. 따라서 마찰댐퍼를 설치하면 사장 케이블의 진동저감에 효과가 있으며, 마찰댐퍼는 진동저감 방안에 효과적인 대안이라는 것을 알 수 있다.
24배의 감쇠성능을 발휘하며, 진동을 충분히 제어함을 알 수 있다. 따라서 마찰댐퍼를 설치하면 사장 케이블의 진동저감에 효과가 있으며, 마찰댐퍼는 진동저감 방안에 효과적인 대안이라는 것을 알 수 있다.
임계진폭 이상으로 진폭이 증가하면 감쇠비는 서서히 감소한다. 또한 측정된 한계진폭 값은 설계값보다 더 작으며 이는 마찰댐퍼가 특정 진폭이하에서 더 보수적임을 알 수 있다.
Table 10은 댐퍼설치 전⋅후의 실험대상 케이블에 대한 실험결과이다. 마찰댐퍼가 설치된 케이블 CLL08, CLR01, CLR15에서 측정된 부가감쇠비는 각각 1.59%, 1.32%, 0.91%로 요구감쇠비 0.5%의 1.24~2.76배를 나타내므로 감쇠성능을 충분히 발휘함을 알 수 있다.

후속연구

향후, 다수의 사장 케이블의 진동실험 데이터 및 공용중인 교량의 계측데이터를 추계학적으로 분석하면, 마찰댐퍼의 명확한 진동저감효과를 분석할 수 있다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	케이블 진동은 어떠한 영향을 끼치는가?	케이블 부재가 매우 유연하여 기하학적인 비선형 거동 특성이 나타나 케이블의 유해진동에 따른 문제점이 제기 되고 있다. 케이블 교량은 동적하중에 의한 진동이 지배적이며, 케이블 진동은 구조물의 안정성에 부정적 영향을 끼치므로 진동저감 대책이 필요하다.
	케이블 교량에서 어떠한 진동이 지배적인가?	케이블 부재가 매우 유연하여 기하학적인 비선형 거동 특성이 나타나 케이블의 유해진동에 따른 문제점이 제기 되고 있다. 케이블 교량은 동적하중에 의한 진동이 지배적이며, 케이블 진동은 구조물의 안정성에 부정적 영향을 끼치므로 진동저감 대책이 필요하다.
	마찰댐퍼의 압축력의 크기는 어덯게 조절할 수 있는가?	외부 지지대에 고정된 마찰패드는 지지대로부터 연결되는 반원형의 판스프링으로 압축력이 도입된다. 압축력의 크기는 댐퍼 설계단계에서 미리 계산된 양을 도입하며, 마찰패드를 돌려 나사 움직임에 의한 길이를 조절할 수 있다. 일반적으로 사용되는 마찰패드의 마찰계수는 0.

참고문헌 (7)

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Cremona, C., Courbe, "universelle pour le dimension nnement d'amortisseurs en pied de haubans", Revue Francaise de Genie Civil, vol. 1, No. 1, 1997, pp.137-159.

상세보기
Heo, K. H, et al., "Real-time Vibration Control of Bridges by MR damper and Lyapunov Control Algorithm", Journal of KSMI, vol. 14, No. 4, 2010, pp.55-61. (in Korean)
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Kovacs, I., Strommen, E. & Hjorth-Hanse, E., "Damping Devices Against Cable Oscillations on Sunningesund Bridge", Third International Symposium on Cable Dynamics, 1999, pp.145-150.
KSCE, Design Guide for Cable Steel-Bridge, 2006. (in Korean)

저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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