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힘의 흐름을 따르는 현수교의 초기 구조형태계획
Preliminary Structural Form Planning for Suspension Bridge According to Force Flow 원문보기

대한토목학회논문집 = Journal of the Korean Society of Civil Engineers, v.33 no.4, 2013년, pp.1315 - 1326  

김남희 (서울대학교 교량설계핵심기술연구단) ,  고현무 (서울대학교 건설환경공학부)

초록
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하중에 민감한 케이블을 사용하는 현수교의 기하학적 형상은 하중을 저항할뿐만 아니라 시지각적 실루엣이 된다. 이 연구에서는 정력학적 도해법이 지니는 두 가지 가능성을 이용해서 힘의 흐름을 따르는 현수교의 초기 구조형태계획법을 제시한다. 첫째, 힘다각형을 이용해서 동일한 힘에 대해서 다양한 하중경로를 모색할 수 있다. 둘째, 구조형태와 힘다각형 사이에 존재하는 상반원리를 이용해서 새로 형성된 하중경로에 대응하는 구조형태를 생성할 수 있다. 먼저 현수교의 구조적 및 미학적 측면에 영향을 미치는 주요 구조형태변수를 선정한다. 이러한 변수에 대해서 구조형태와 힘다각형의 상호관계를 분석한다. 이를 토대로 현수교의 초기 구조형태계획에 대한 일련의 설계과정절차들을 개발한다. 이 연구에서 제시하는 구조형태계획법은 유사 형태저항 구조시스템의 설계대안을 생성하는데 수월하게 확장해서 사용할 수 있다. 또한 구조형태와 힘의 흐름과의 상호관계를 설명하는 교육용 도구로도 사용될 수 있을 것으로 기대한다.

Abstract ▼ AI-Helper 아이콘AI-Helper

Geometric form of a suspension bridge that uses load-sensitive cables takes on not only resisting loads but also becoming a visually sensible shillouette. This study has proposed a preliminary structural form planning for a suspension bridge following force flow by adopting the two possibilities of ...

주제어

#현수교   #초기 구조형태계획   #힘다각형   #푸니쿨라 다각형   #상반원리  

AI 본문요약
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* AI 자동 식별 결과로 적합하지 않은 문장이 있을 수 있으니, 이용에 유의하시기 바랍니다.

문제 정의

  • 1에서와 같이 주어진 구조시스템의 구조해석뿐만 아니라, 새로운 힘의 경로를 제시하는 힘다각형을 반영하는 구조형태의 생성에 이르기까지 쌍방향으로 확장하여 사용하고자 하는 것이다. 이 논문에서는 우선적으로 구조형태와 힘다각형의 상호관계를 연계하는 기본적 사항들을 살펴본다. 즉, 구조시스템에 작용하는 힘의 배열과 이러한 힘들만을 도식적으로 표현한 힘다각형과의 상호관계를 분석한다.
  • 현수교와 같이 구조공간에 작용하는 하중에 대하여 형태가 민감하게 반응하는 형태저항구조는 힘의 흐름을 고려해서 초기계획을 수행하는 것이 매우 중요하다. 이 연구에서는 구조형태와 힘다각형 사이에 존재하는 상반원리를 이용하여 현수교에 대한 초기 구조형태계획법을 제시하였다. 이러한 접근법은 정량적이라기 보다는 정성적인 방법이지만, 구조형태와 힘의 흐름을 시각적으로 연계하면서 설계대안을 생성할 수 있는 장점이 있다.
  • 실제 현수교의 경우 구조적 거동과 시공을 고려하여 데크를 등간격으로 배치하게 되는데, 이때 케이블의 푸니쿨라 형상은 수학적으로 포물선형을 띄게 된다. 이 연구에서는 이와 같이 하중변화에 민감한 현수교의 초기형상을 힘의 흐름에 따라서 계획하는 방법에 대해서 제시하고자 한다. 현재까지 현수교의 지속적인 발전에 힘입어서 구조해석 및 설계방법 또한 실제 구조적 거동과 근접하게 예측할 수 있는 비선형 동적해석 및 설계이론들이 많이 개발되고 있다.
  • 예를 들어서, 새그 변화는 전체 교량의 지간분할이나 주탑높이와 밀접한 관계가 있으며, 더 나아가서 앵커리지에 나타나는 수평력의 크기와 밀접한 관계가 있다. 이 절에서는 새그, 하중종류, 주탑 높이와, 경간분할에 대한 변화에 대해서 힘다각형이 어떻게 변화하는 지 살펴본다.

가설 설정

  • (3) 극점과 극선으로 인해서 추가된 힘의 경로는 전체적인 힘의 크기에 영향을 미치지 않는다. 따라서 구조공간에 주어진 하중의 크기와 방향은 변하지 않는다.
  • 1. 데크와 수직 행어는 등분포로 배치되어 있다. 따라서 데크자중을 포함한 사하중은 수직 행어를 통해서 주케이블에 등분포하중으로 배열된다.
  • 1. 두 강체에 놓여진 힘의 크기와 방향이 동일한 경우에는 동일한 힘다각형으로 표현된다. 이는 힘다각형을 작성하는데 구조시스템에서 정의된 각 하중의 작용선에 대한 정보가 포함되지 않았기 때문이다.
  • 2. 수직 행어에 작용하는 하중은 현수케이블에 의해서 주탑과 앵커리지로 전달된다.
  • 3. 백스테이케이블은 타정식으로 정착한다.
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질의응답

핵심어 질문 논문에서 추출한 답변
푸니쿨라 형상은 어떠한 형상으로 나타나는 경우를 일컫습니까? 현수(catenary)는 케이블이 균일한 분포하중이나 자중을 받을 때 보여주는 처짐(sag)에 대한 기하학적 형상이다. 이러한 케이블은 매달린 하중의 크기와 배열에 따라서 매우 민감한 구조이며, 특히, 부재내부에 장력만이 발생하게 되는 구조적 형상으로 나타나는 경우를 일컬어서 푸니쿨라 형상(funicular shape)이라 한다. 실제 현수교의 경우 구조적 거동과 시공을 고려하여 데크를 등간격으로 배치하게 되는데, 이때 케이블의 푸니쿨라 형상은 수학적으로 포물선형을 띄게 된다.
현수란 무엇입니까? 현수(catenary)는 케이블이 균일한 분포하중이나 자중을 받을 때 보여주는 처짐(sag)에 대한 기하학적 형상이다. 이러한 케이블은 매달린 하중의 크기와 배열에 따라서 매우 민감한 구조이며, 특히, 부재내부에 장력만이 발생하게 되는 구조적 형상으로 나타나는 경우를 일컬어서 푸니쿨라 형상(funicular shape)이라 한다.
정력학적 도해법이 지닌 최대의 단점은 무엇입니까? 사실상 수치해석법과 유한요소해석법이 더욱 보편화되면서 정력학적 도해법의 사용은 급속하게 냉각되면서 거의 사장되어 버렸다. 이는 도해법이 지닌 최대의 단점으로 힘다각형을 수작업에 의존하면서 소요되는 시간과 노력이 매우 크기 때문이었을 것이다. 그런데 최근에 창의적인 설계에 대한 욕구가 증대하면서 힘의 흐름을 시각화할 수 있는 도해법의 장점이 재조명되고, 콤퓨터 그래픽스가 발전하면서 기존의 도해법이 안고 있는 수작업의 어려움을 해결할 수 있는 방안들이 연구되고 있다(Allen and Zalewski (1998); Kim,N.
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참고문헌 (10)

  1. Kim, N. H. and Koh, H. M. (2008). "Aesthetic bridge design using creative thinking." Journal of KSCE, Vol. 29, No. 3A, Korean Society of Civil Engineers (in Korean). 

  2. Kim, N. H., Koh, H. M. and Hong, S. G. (2011). "Preliminary form design of cable structures using computer graphics." Jornal of COSEIK, Vol. 24, No. 4, Computational Structural Engineering Institute of Korea (in Korean). 

  3. Kim, N. H. and Koh, H. M. (2012). "Structural aesthetic approach for long-span suspension bridges." Proceedings of KSCE, Korean Society of Civil Engineers (in Korean). 

  4. Allen, E. and Zalewski, W. (1998). Shaping structures: Statics, Wiley, John & Sons, Incorporated. 

  5. Block, P. (2009). Thrust network analysis: Exploring Three-Dimensional Equilibrium, PhD Thesis, MIT Cambridge. pp. 72-82. 

  6. Cremona (1890). Graphical statics (English translation), Oxford University Press. 

  7. Engel, H. (2007). Structure systems, Gerd Hatje Publishers. 

  8. Grasshopper (2011). http://grasshopper3d.com. 

  9. Hong, N. H., Koh, H. M., Hong, S. G. and Cho, K. S. (2012). "Structural form enhancement for aesthetic bridge design." Proceedings of IABSE 2012. 

  10. McNeel (2002). Rhinoceros 3.0. 

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