[논문]모니터링 시스템의 계측자료를 기반으로 한 닐슨아치 교량의 내풍 안정성 평가

이덕근; 임성순

doi:10.11112/jksmi.2013.17.3.056

모니터링 시스템의 계측자료를 기반으로 한 닐슨아치 교량의 내풍 안정성 평가
Estimation of Wind Resistance Capacity of Nielsen Arch Bridge Based on Measured Data From Monitoring System 원문보기

한국구조물진단유지관리공학회 논문집 = Journal of the Korea Institute for Structural Maintenance and Inspection, v.17 no.3, 2013년, pp.56 - 64

이덕근 (서울시립대학교 토목공학과) , 임성순 (서울시립대학교 토목공학과)

초록
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200m 이하의 아치 교량에서 동적 내풍 안정성은 일반적으로 일본의 Wind Resistant Design Manual for Highway Bridges에 따라 검토된다. 또한 내풍 안정성 검토는 모드 형상에 관계없이 1차 연직 진동수를 적용한다. 일본의 매뉴얼에 따라 설계된 경간장 183m의 닐슨 아치 교량에서 예상치 못한 와류 진동이 발생하였으며 이는 태풍시 교량의 모니터링 시스템에 의해 계측되었다. 본 논문에서는 태풍 발생시에 계측된 풍속, 풍향, 진동 변위와 가속도를 기반으로 닐슨 아치교량의 와류진동 특성을 분석하였다. 분석 결과 1차 연직 진동 모드가 역대칭 형상이고 2차 연직 진동 모드가 대칭 형상인 닐슨 아치교의 경우 와류 진동이 2차 연직 모드에서 지배적이다. 따라서 본 논문에서는 2차 연직 진동 모드가 대칭 형상인 닐슨 아치교의 내풍 안정성 평가시에는 1차 보다 2차 연직 진동 모드가 중요한 설계 요소임을 제시하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

The wind resistant capacity of bridges with a span of less than 200m is typically evaluated by Wind Resistant Design Manual for Highway Bridges in Japan. Also, the first vertical frequency plays an important role in the evaluation of their aerodynamic performance. An unexpected vortex-induced vibration of Nielsen arch bridge with span of 183m designed by this manual has been measured by monitoring system during typhoon. The amplitude of vibrations was about 2 times than the allowable vibration displacement. This paper presents the feature of vortex-induced vibration of this Nielsen arch bridge based on measured wind velocity, wind direction, and responses at midspan of main girder. From the result of FFT, the $1^{st}$ mode shape of the bridge is antisymmetric and the $2^{nd}$ is symmetric. Also, the dominant vibration of the bridge is the $2^{nd}$ vertical mode. According to these results, the $2^{nd}$ vertical vibration mode of this Nielsen arch bridge is prior to the first for the estimation of wind resistance capacity.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

교량의 거동에 영향을 미치는 바람의 대표적인 특성은 고도별 풍속, 풍향, 난류강도, 조도지수, 거스트 계수 등이 있다. 본 논문에서는 2012년 8월과 9월 사이에 발생한 14호 태풍 덴빈, 15호 볼라벤, 16호 산바가 대상교량에 영향을 주었을 때 계측된 풍향과 풍속, 풍속에 따른 난류강도를 분석 하였다.
본 논문에서는 모니터링 시스템으로부터 계측된 풍하중에 의한 연직 진동 현상과 설계시 적용한 내풍 안정성 검토식을 분석하여 닐슨 아치교의 내풍 안정성 검토시 반드시 고려해야 할 진동 모드를 제시하였다.
교량의 동적 특성은 구조물의 강성, 질량, 감쇠비에 의해 결정된다. 본 논문에서는 모니터링 시스템으로부터 획득한 가속도 계측자료와 교량 구조물 설계시 국내에서 일반적으로 사용하고 있는 Midas Civil 2012를 이용한 고유치 해석 결과를 바탕으로 모드 분석을 하였으며 이를 동적 특성치로 나타내었다.

제안 방법

태풍시 경간장 183m의 닐슨아치 교량에서 발생한 와류 진동 응답을 평가하였다. 본 논문에서는 태풍 발생시 모니터링 시스템으로부터 계측된 데이터를 기반으로 풍향, 풍속, 난류 특성, 2차 연직 진동 모드에서 발생하는 변위 진동폭과 가속도 진동폭을 분석하여 다음과 같은 결론을 얻었다.
사장교나 현수교와 같이 케이블 부재로 지지되는 교량은 경간장이 길어질수록 유연한 구조가 되어 풍하중에 의한 진동이 구조물 전체의 안정성을 지배하게 된다. 사장교, 현수교와 같은 장대교량은 설계시부터 풍동 모형 실험, CFD해석, 버페팅 해석 등을 통하여 내풍 안정성을 평가한다.
센서가 설치된 각 구조부재의 관리기준치는 설계 하중에 대한 응력 및 사용성 기준에 대한 값을 참고하여 설정하였다. 실시간 데이터는 미리 설정해놓은 관리기준치를 초과하는 경우에만 저장하도록 구성되어 있다.
태풍시 경간장 183m의 닐슨아치 교량에서 발생한 와류 진동 응답을 평가하였다. 본 논문에서는 태풍 발생시 모니터링 시스템으로부터 계측된 데이터를 기반으로 풍향, 풍속, 난류 특성, 2차 연직 진동 모드에서 발생하는 변위 진동폭과 가속도 진동폭을 분석하여 다음과 같은 결론을 얻었다.

대상 데이터

1에는 표시하지 않았다. 또한 본 논문에서는 거더의 풍응답을 분석한 것이므로 거더에 설치된 가속도계와 처짐계, 풍속계의 실시간 데이터만을 분석에 이용하였다.
모니터링 시스템에 포함된 계측센서는 처짐계, 가속도계, 온도계, 변형률계, 풍속계, 신축변위계, 경사계를 포함하여 총 99개이다. 교량 현장의 로거로부터 수집된 데이터는 현장 서버까지 광통신으로 전송되며 현장서버에서 통합관리계측 시스템까지는 상용 인터넷 망을 통해 통합 DB서버에 전송 된다.

이론/모형

본 논문의 대상교량은 200m 이상이 되는 장대교량은 아니지만 닐슨 아치교 특성상 전체 강성이 일반 아치교에 비해 작기 때문에 설계시 내풍 안정성 검토가 수행되었다. 전체 교량에 대한 내풍 안정성 검토는 일본의 Wind Resistant Design Manual for Highway Bridges에 의하여 수행되었으며, 강플레이트 거더교, 강상자형교에 대한 동적 내풍 설계의 필요성 판정 기준은 Table 2와 같다. Table 2에서 경간장 L =183m, 교폭 B=12m , 형고 d=2.

성능/효과

(1) 태풍시 교량 현장에서 계측된 난류강도는 20m/s 이상의 풍속에서 0.112로 내풍 설계 지침 등에서 제시되는 값보다 작으며 와류 진동이 발생할 가능성이 높은 것으로 판단된다.
(2) 태풍시 와류 진동에 의한 변위 진폭은 10분 평균 풍속 26m/s에서 최대 94.5mm, RMS 평균 진폭은 40.3mm 이며 이는 대상교량의 내풍 설계시 검토된 와류 진동에 대한 최대 허용 진폭 49.6mm의 약 2배의 진폭을 나타내고 있다. 설계시 적용한 Wind Resistant Design Manual for Highway Bridges의 허용 와류 진동폭 검토식은 2차 연직 모드에서 와류진동이 발생할 경우 실제 와류 진동 응답을 다소 저평가하고 있는 것으로 판단된다.
099Hz가 탁월하게 나타나고 있다. 1개의 진동 모드로 진동하게 되는 경우 식 (10)을 적용하여 최대 가속도로부터 최대 연직 진폭을 추정할 수 있으며, 추정 결과 93.7mm로 변위 계측값과 거의 일치하는 결과를 나타내고 있어 한 개의 모드로 진동하고 있음을 알 수 있다.
대상교량에서 발생한 진동은 비교적 높은 풍속인 20m/s~30m/s 에서 발생하여 버페팅에 의한 진동과 와류 진동 성분이 함께 발생한 것으로 판단된다. 또한 20m/s 이상의 풍속 발생시 교량 현장에서 계측된 난류강도가 설계지침에서 제시하는 난류강도 보다 작은 값을 나타내고 있어 버페팅에 의한 진동보다는 와류진동 응답이 크게 발생할 가능성이 높은 것으로 사료된다.
설계시 1차 연직 진동 모드에 대한 갤로핑 발현 풍속 V_cg=77.4m/s, 갤로핑 조사풍속 V_rg=63.96m/s로 검토되어 연직 발산 진동에 대해서는 풍동실험을 통한 확인 및 검증이 불필요한 것으로 검토되었다.
시계열 데이터를 푸리에 변환한 결과 0.809Hz, 1.135Hz, 3.274Hz, 4.114Hz가 탁월하게 나타났다. 교량에 설치된 가속도계는 중앙경간 1/2지점에 설치되어 있기 때문에 모드 형상이 역대칭인 연직 진동수는 계측에 의해 거의 나타나지 않았다.
5mm, 연직 가속도 진폭은 447gal이다. 진동 발생시 가속도의 시계열 계측값을 푸리에 변환하여 고유 진동수를 추출하였으며, 태풍에 의한 진동 발생시에는 2차 연직 진동수에 해당하는 진동수인 1.099Hz가 탁월하게 나타나고 있다. 1개의 진동 모드로 진동하게 되는 경우 식 (10)을 적용하여 최대 가속도로부터 최대 연직 진폭을 추정할 수 있으며, 추정 결과 93.
6에 나타내었다. 풍속은 교축직각방향 성분의 10분간 평균 풍속이며, 풍속이 증가함에 따라 난류강도는 점차 감소하며 평균 풍속 15m/s 이상에서 평균 난류강도는 0.125이며 최소 난류강도는 0.086이다.

후속연구

따라서 1차 모드가 역대칭 형상이고 2차 모드가 대칭 형상인 닐슨 아치교의 와류진동에 대한 내풍 안정성 평가시에는 2차 모드에 대한 와류 진동폭 검토가 이루어져야 할 것으로 판단된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	장대교량은 설계시부터 무엇을 통해 내풍 안정성을 평가하는가?	사장교나 현수교와 같이 케이블 부재로 지지되는 교량은 경간장이 길어질수록 유연한 구조가 되어 풍하중에 의한 진동이 구조물 전체의 안정성을 지배하게 된다. 사장교, 현수 교와 같은 장대교량은 설계시부터 풍동 모형 실험, CFD해석, 버페팅 해석 등을 통하여 내풍 안정성을 평가한다.
	Highway Bridge Design Standards를 따르는 200m 이하의 아치교에 대한 동적 풍응답에 대한 연구가 현재까지 미흡한 실정인 이유는 무엇인가?	계측자료를 기반으로 한 기존의 풍응답 분석은 사장교와 현수교의 버페팅에 의한 동적 거동이었으며 Highway Bridge Design Standards를 따르는 200m 이하의 아치교에 대한 동적 풍응답에 대한 연구는 현재까지 미흡한 실정이다. 이는 아치교의 강성이 비교적 커서 풍하중에 의한 동적 거동이 교량 전체의 안정성 및 사용성에 미치는 영향이 사장교나 현수교보다 크지 않기 때문이다.
	교량의 동적 특성은 무엇에 의해 결정되는가?	교량의 동적 특성은 구조물의 강성, 질량, 감쇠비에 의해 결정된다. 본 논문에서는 모니터링 시스템으로부터 획득한 가속도 계측자료와 교량 구조물 설계시 국내에서 일반적으로 사용하고 있는 Midas Civil 2012를 이용한 고유치 해석 결과를 바탕으로 모드 분석을 하였으며 이를 동적 특성치로 나타내었다.

참고문헌 (11)

Japan Road Association, Wind Resistant Design Manual for Highway Bridges, 2008, pp.59-240. (in Japanese)
Jeollanam-do, Structural Re-Design of Bridge between Yeocheon and Hwayang (I), Jeollanam-do, 2002, pp.382-385. (in Korean)
John, H. and G. Macdonald, "Evaluation of buffeting predictions of a cable-stayed bridge from full-scale measurements", Journal of Wind Engineering and Industrial Aerodynamics, vol. 91, No. 12-15, 2003, pp.1465-1483.

상세보기
Kim, S. H., Wind Analysis of Cable-Stayed Bridge Considering Aerodynamic Admittance Function, Ph.D. diss., Univ. of Seoul, Dept. of Civil Eng, 2010. (in Korean)
Kong, M. S., H. Ka, S. H. Son and S. S. Yhim, "Damage Detection in Cable-Stayed Bridges Using Vibration Modes", Journal of KSMI, vol. 10, No. 6, pp.113-123. (in Korean)
KRTA, Highway Bridge Design Standards, 2010, pp.1.1-1.4, 2.1-2.42, and pp.3.1-3.140. (in Korean)
KSCE, Guidelines for cable-steel bridges, 2006, pp.67-82. (in Korean)
Lee, B. K., S. J. Oh and J. S. Suh, "Planar Free Vibration of Catenary Arcs", Journal of KSCE, vol. 10, No. 3, 1990, pp.19-28. (in Korean)
Wang, Hao, L. A. Qun, G. Tong and X. Jing, "Field Measurement on Wind Characteristic and Buffeting Response of the Runyang Suspension Bridge during Typhoon Matsa", Science in China Series E: Technological Sciences, vol. 52, No. 5, 2009, pp.1354-1362.

상세보기
Xu, Y. L. and L. D. Zhu, "Buffeting response of long-span cable-supported bridges under skew winds. Prat 2: case study", Journal of Sound and Vibration, vol. 281, No. 3-5, 2005, pp.675-697.

상세보기
Yhim, S. S., M. S. Kong and Y. S. Yoo, "Dynamic Analysis of Long-span Arch Bridge by Fracturing Hangers", Journal of KSMI, vol. 14. No. 2, pp.113-120. (in Korean)

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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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