[국내논문]모형 현수선을 이용한 현수교 PPWS 형상관리를 위한 새그민감도의 실험적 검증 Experimental Verification of Sag Sensitivities using Catenary Model for PPWS Configuration Control in a Suspension Bridge원문보기
현수교 주케이블은 다수의 PPWS로 구성되며 설계조건과의 차이를 고려하여 이들의 시공위치에 정확히 가설하는 작업이 필요하다. 이를 위하여 다수의 PPWS 중 수개의 PPWS는 절대 새그측량을 수행하며 이를 기준으로 나머지 PPWS를 몇 개의 그룹으로 나누어 상대 새그를 측량하여 목표로 하는 시공위치에 가설하기 위한 PPWS 길이 조정작업을 수행한다. 현장여건을 반영한 시공은 새그변화요인에 대하여 새그민감도를 산정하고 이에 해당하는 PPWS 길이 조정량을 계산하여 새그를 조정하는 순서로 진행된다. 본 연구에서는 PPWS 양단 지지점의 변위에 따른 새그민감도의 미분관계식을 도출하였다. 그리고, 일련의 연구수행으로 제안된 새그민감도 산정식의 현장 실증에 선행하여 모형 현수선 시스템을 구축하고 이에 대한 검증실험을 수행하였으며 실험결과로부터 도출된 새그민감도 산정식의 타당성을 확인하였다.
현수교 주케이블은 다수의 PPWS로 구성되며 설계조건과의 차이를 고려하여 이들의 시공위치에 정확히 가설하는 작업이 필요하다. 이를 위하여 다수의 PPWS 중 수개의 PPWS는 절대 새그측량을 수행하며 이를 기준으로 나머지 PPWS를 몇 개의 그룹으로 나누어 상대 새그를 측량하여 목표로 하는 시공위치에 가설하기 위한 PPWS 길이 조정작업을 수행한다. 현장여건을 반영한 시공은 새그변화요인에 대하여 새그민감도를 산정하고 이에 해당하는 PPWS 길이 조정량을 계산하여 새그를 조정하는 순서로 진행된다. 본 연구에서는 PPWS 양단 지지점의 변위에 따른 새그민감도의 미분관계식을 도출하였다. 그리고, 일련의 연구수행으로 제안된 새그민감도 산정식의 현장 실증에 선행하여 모형 현수선 시스템을 구축하고 이에 대한 검증실험을 수행하였으며 실험결과로부터 도출된 새그민감도 산정식의 타당성을 확인하였다.
PPWS, a large number of which a main cable of a suspension bridge consists of, must be precisely erected at a target location under construction considering the differences among design conditions. The absolute sag is measured for several PPWSs, which are reference strands and the relative sag is su...
PPWS, a large number of which a main cable of a suspension bridge consists of, must be precisely erected at a target location under construction considering the differences among design conditions. The absolute sag is measured for several PPWSs, which are reference strands and the relative sag is surveyed from them to other PPWSs, which are divided into several groups. And the adjustment of PPWS length is performed to erect it at target configuration. When PPWS is being under erection in a real bridge site, the procedures are as follows; evaluate sag sensitivities according to sag variation factors, calculate an adjustment length of PPWS corresponding to them and adjust a sag of PPWS by controlling the calculated amount of PPWS length. In this study, the differential-related equations of sag sensitivity were proposed for support movement of PPWS. Before site demonstration study of a series of them, we established a catenary model system and accomplished verification tests of them. From test results, the validation of them was done.
PPWS, a large number of which a main cable of a suspension bridge consists of, must be precisely erected at a target location under construction considering the differences among design conditions. The absolute sag is measured for several PPWSs, which are reference strands and the relative sag is surveyed from them to other PPWSs, which are divided into several groups. And the adjustment of PPWS length is performed to erect it at target configuration. When PPWS is being under erection in a real bridge site, the procedures are as follows; evaluate sag sensitivities according to sag variation factors, calculate an adjustment length of PPWS corresponding to them and adjust a sag of PPWS by controlling the calculated amount of PPWS length. In this study, the differential-related equations of sag sensitivity were proposed for support movement of PPWS. Before site demonstration study of a series of them, we established a catenary model system and accomplished verification tests of them. From test results, the validation of them was done.
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문제 정의
본 연구에서는 Jeong et al., 2012a에 제안된 새그민감도 산정식에 추가하여 PPWS의 경간장변화 및 주탑의 높이변화에 대한 새그민감도 미분관계식을 도출하여 제안하였다. 새그민감도 산정식에 대한 검증을 위하여 현수교 PPWS 가설중 PPWS의 현수선 형상을 모사하는 모형 현수선 시스템을 구축하였다.
가설 설정
기본적으로 각 경간의 응력장은 불변이며 경간장차와 주탑의 높이차가 발생하면 새그의 기준이 되는 현이 이동함으로 새그값(f)보다는 새그점의 연직좌표(yf)에 대한 민감도를 계산해야 한다. 이로부터 Fig. 1과 Jeong et al., 2012a의 기호 정의를 참조하여 케이블 형상을 현수선으로 가정하고 새그민감도 미분관계식을 유도하면 다음과 같다.
제안 방법
(2) 본 연구 및 Jeong et al., 2012a에 제안된 현수선 방정식으로부터 도출 미분관계식에 의한 새그민감도 산정식에 대하여 모형 현수선 검증실험을 통해서 이론 산정식의 타당성을 확인하였다. 간단한 이론 산정식으로부터 새그조정을 위하여 현장여건을 반영한 PPWS 길이 조정량을 산정할 수 있다.
새그민감도 산정식에 대한 검증을 위하여 현수교 PPWS 가설중 PPWS의 현수선 형상을 모사하는 모형 현수선 시스템을 구축하였다. 그리고, 실험변수로 새그민감도 변화요인들을 조합하여 검증실험을 수행하였다. 이로부터 다음과 같은 결론을 얻을 수 있었다.
이를 위하여 수직부재의 상하부에 이동 로울러를 부착하고 모형 현수선의 양단을 지지하여 경간장이나 높이차를 변경할 수 있도록 제작하였다. 그리고, 이 수직부재를 지지하는 지지프레임을 제작하였으며 모형 현수선의 양단 지지점에 로드셀을 설치하여 양단부 장력의 수직성분을 측정할 수 있게 하였다. 또한, 지지프레임의 수직, 수평부재에 테이프줄자를 부착하여 이동거리를 직접 측정할 수 있게 하였다.
그리고, 이 수직부재를 지지하는 지지프레임을 제작하였으며 모형 현수선의 양단 지지점에 로드셀을 설치하여 양단부 장력의 수직성분을 측정할 수 있게 하였다. 또한, 지지프레임의 수직, 수평부재에 테이프줄자를 부착하여 이동거리를 직접 측정할 수 있게 하였다. 다음 Fig.
실험모형의 형상변화 영향요인 중 실험여건상 수미터 길이의 실험모형의 온도에 의한 길이변화량은 무시할만큼 작음으로 온도요인은 고려하지 않았다. 로울러체인을 이용하여 양단 지지점의 이동에 의해 모형 현수선의 경간장이나 높이차를 조절할 수 있도록 시스템을 구축하였다. 이를 위하여 수직부재의 상하부에 이동 로울러를 부착하고 모형 현수선의 양단을 지지하여 경간장이나 높이차를 변경할 수 있도록 제작하였다.
모형 현수선의 형상측량은 Fig. 4와 같이 총 31개소의 측점에 2 cm × 2 cm 크기의 시트프리즘을 부착하고 이로부터 측정거리 14 m에 광파기를 설치하여 수행하였다.
본 절에서는 기존 Jeong et al., 2012a의 새그민감도 산정법 연구의 후속 연구로서 탑정부 수평 및 수직변위 변화(경간장 및 높이차)에 대한 새그민감도 미분관계식을 도출하였다. 기본적으로 각 경간의 응력장은 불변이며 경간장차와 주탑의 높이차가 발생하면 새그의 기준이 되는 현이 이동함으로 새그값(f)보다는 새그점의 연직좌표(yf)에 대한 민감도를 계산해야 한다.
상기 조건에 부합하는 실험모형으로서 Fig. 2의 체인을 참고하여 주위에서 흔히 볼 수 있는 자전거 로울러체인을 선택하였다. 이것은 소규모 실내실험을 위한 매우 이상적인 실험모형으로서 형상측량이나 양단 지지점에서의 장력측정으로 현수선 형상여부를 판단할 수 있다.
, 2012a에 제안된 새그민감도 산정식에 추가하여 PPWS의 경간장변화 및 주탑의 높이변화에 대한 새그민감도 미분관계식을 도출하여 제안하였다. 새그민감도 산정식에 대한 검증을 위하여 현수교 PPWS 가설중 PPWS의 현수선 형상을 모사하는 모형 현수선 시스템을 구축하였다. 그리고, 실험변수로 새그민감도 변화요인들을 조합하여 검증실험을 수행하였다.
로울러체인을 이용하여 양단 지지점의 이동에 의해 모형 현수선의 경간장이나 높이차를 조절할 수 있도록 시스템을 구축하였다. 이를 위하여 수직부재의 상하부에 이동 로울러를 부착하고 모형 현수선의 양단을 지지하여 경간장이나 높이차를 변경할 수 있도록 제작하였다. 그리고, 이 수직부재를 지지하는 지지프레임을 제작하였으며 모형 현수선의 양단 지지점에 로드셀을 설치하여 양단부 장력의 수직성분을 측정할 수 있게 하였다.
, 2012a를 살펴보면 현장여건을 고려한 이론적인 새그민감도 산정법을 도출하였으며 실현수교를 대상으로 수치적으로 새그민감도를 산정하였다. 향후 이에 대한 검증을 위하여 실제 현수교 시공현장에 적용하여 타당성을 검증할 필요가 있으며, 이보다 선행하여 본 연구에서는 실제 현수교 케이블을 모사하는 모형 현수선 시스템을 구축하고 새그민감도 산정법에 대한 매개변수 실험을 수행하였다.
데이터처리
로울러체인으로 구현되는 형상의 현수선 여부를 시트프리즘 부착 위치의 형상 측량값과 가정된 현수선 및 포물선 방정식으로터의 계산값을 비교분석하여 검증하였다. Figs.
성능/효과
(1) 본 연구에서 도입한 모형 현수선인 로울러체인으로 PPWS의 자유매달림 상태인 현수선 형상을 모사할 수 있음을 확인하였다.
(3) 현수교의 중앙경간은 이론 산정식을 적용하여 새그변화요인에 의한 PPWS 길이 조정량을 매우 정확하게 산정할 수 있음을 확인하였다.
(4) 현수교의 측경간은 중앙경간에 비해서 새그변화요인의 동일 변화량에 대하여 수십배 이상으로 매우 민감하게 새그가 변화함을 확인하였고, 이에 대한 해결방안은 형상변화후 PPWS 형상에 대한 새그민감도를 적용하면 PPWS 길이 조정량을 정확하게 산정할 수 있음을 알 수 있었으며 이는 현수교 시공현장 실증을 통하여 재확인해 볼 필요가 있다고 판단된다.
0 mm의 측량오차가 발생할 수 있다. 본 연구에서는 광파기와 측점인 시트프리즘간의 측정거리가 14 m로 최대 측정오차는 0.028 mm이어서 무시할만큼 작으므로 실험결과에 대한 광파기의 기계오차의 영향은 없다고 할 수 있다. 따라서, 이를 고려하면 실험결과는 대부분이 10%미만의 오차로 상당히 신뢰할만 하다.
새그민감도 산정 이론식 적용시, 새그변화요인의 동일 변화량에 대해 측경간은 중앙경간에 비해 새그가 수십배 이상으로 상당히 민감하게 변화함을 알 수 있으며 이로부터 실제 현수교 시공현장 적용시 측경간은 새그조정에 미세조정이 필요하여 조정시간이 더 많이 소요될 가능성이 있을 것으로 판단된다. 그리고, 이에 대한 해결방안으로는 변화후 형상에 대한 새그민감도를 적용해야 새그 변화량을 정확히 예측 가능함을 알 수 있다.
모형 현수선의 길이변화, 경간장 및 양단 높이차에 대한 측경간과 중앙경간의 새그민감도 변화에 대한 비가 다음 Table 15에 나타나 있다. 이를 살펴보면, 측경간은 동일한 경간장 변화에 대하여 중앙경간에 비해 평균 15배 정도 새그가 민감하게 변화하였으며 동일한 양단 높이 변화에 대하여는 평균 63배 정도 새그가 민감하게 변화하였다. 또한, 동일한 길이변화에 대하여 평균 89배 정도 새그가 민감하게 변화함을 알 수 있다.
후속연구
실 현장에서는 PPWS의 형상측량시 지구곡률, 대기굴절 등을 고려하여 계산된 형상측량값을 적용해야 하며 이에 대한 연구도 완료단계에 있다. 그리고, 이러한 일련의 연구수행에 의한 새그민감도 산정 이론과 현장 측량기술의 통합적용을 통하여 기술의 실효성을 확인할 필요가 있다.
향후에는 본 연구 및 Jeong et al., 2012a의 새그민감도 산정법은 현대건설이 시공중인 울산대교 현장 실증에 적용될 것이다. 실 현장에서는 PPWS의 형상측량시 지구곡률, 대기굴절 등을 고려하여 계산된 형상측량값을 적용해야 하며 이에 대한 연구도 완료단계에 있다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
스트랜드들을 각 목표 위치에 시공하기 위하여 무엇을 하는가?
따라서, 주케이블을 구성하는 강선다발 묶음인 스트랜드들의 각각의 목표 위치에 시공하기 위하여 제어와 관리가 필수적이다. 이를 위해서 중앙 및 측경간은 새그측량에 의한 새그조절로 시공위치를 직접 조정하고 정착경간은 장력을 직접 측정함으로써 전체 현수교 주케이블의 형상을 관리하게 된다. 중앙 및 측경간의 케이블은 자유매달림 상태의 현수선 형상이며 정착경간은 거의 직선 형상이다.
주케이블의 형상이란?
현수교 시공시 주케이블의 형상은 완성시 교량 목표형상에 영향을 미치는 가장 중요한 인자로서 시공관리의 핵심이다. 따라서, 주케이블을 구성하는 강선다발 묶음인 스트랜드들의 각각의 목표 위치에 시공하기 위하여 제어와 관리가 필수적이다.
현수교 주케이블에는 어떠한 작업이 필요한가?
현수교 주케이블은 다수의 PPWS로 구성되며 설계조건과의 차이를 고려하여 이들의 시공위치에 정확히 가설하는 작업이 필요하다. 이를 위하여 다수의 PPWS 중 수개의 PPWS는 절대 새그측량을 수행하며 이를 기준으로 나머지 PPWS를 몇 개의 그룹으로 나누어 상대 새그를 측량하여 목표로 하는 시공위치에 가설하기 위한 PPWS 길이 조정작업을 수행한다.
참고문헌 (6)
Jeong, W., Seo, J. W. and Lee, S. H. (2012b). "Verification test of sag sensitivity using catenary model for configuration control under PPWS erection in a suspension bridge." Proc. of 2012 Annual Conference & Civil Expo, KSCE, pp. 1419-1422 (in Korean).
Jeong, W., Seo, J. W. and Lee, S. H. (2013). "Estimation of sag variation by support movement of catenary cable." Proc. of COSEIK, COSEIK, pp. 381-382 (in Korean).
Jeong, W., Seo, J. W. and Lee, W. P. (2012a). "Development of sag and tension sensitivity estimation method for configuration control under PPWS erection in a suspension bridge." J. of Civil Eng., KSCE, Vol. 32, No. 5A, pp. 255-266 (in Korean).
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