본 연구에서는 PC교량의 외부텐던의 장력을 평가하기 위하여 신속하고 경제적으로 적용할 수 있는 텐던의 진동을 이용한 고유진동수 측정 방법의 적용성을 검토하였다. 길이별로 다양한 여러 종류의 외부텐던 덕트 표면에 가속도 센서를 부착하고 고유진동수를 측정하였다. 센서의 방향과 위치변경 등 여러 종류의 다양한 진동시험을 실시한 결과 고유진동수의 차이는 1% 이내로서 충분한 정확성을 확보하고 있음을 보였다. 측정된 고유진동수로부터 장력을 추정하기 위해서는 현의공식, 다중모드법, 저차 모드의 실용적 공식을 활용한 방법 (Zui et al., 1996), 양단고정 경계조건에 의한 휨강성을 고려한 현의공식 (Sag$\ddot{u}\grave{e}$s et al., 2006) 등의 장력 추정법을 적용하였고 그 결과값을 비교하였다. 휨강성을 반영하지 못한 현의 공식이나, 다중모드법은 길이가 짧은 텐던에 대해 장력을 과대평가하는 결과가 도출되어 텐던의 장력평가에 적절하지 않음을 알 수 있었다. 텐던의 장력 추정에 적절한 방법은 양단고정 경계조건과 휨강성을 고려한 단단한 현의 공식에 의한 방법임을 알 수 있었으며, 이 방법을 실제 공용중인 PC 교량의 외부텐던에 적용한 결과 방향전환블록에 의한 마찰력으로 긴장단과 고정단에 텐던의 장력 차이가 발생한다는 것을 알 수 있었다.
본 연구에서는 PC교량의 외부텐던의 장력을 평가하기 위하여 신속하고 경제적으로 적용할 수 있는 텐던의 진동을 이용한 고유진동수 측정 방법의 적용성을 검토하였다. 길이별로 다양한 여러 종류의 외부텐던 덕트 표면에 가속도 센서를 부착하고 고유진동수를 측정하였다. 센서의 방향과 위치변경 등 여러 종류의 다양한 진동시험을 실시한 결과 고유진동수의 차이는 1% 이내로서 충분한 정확성을 확보하고 있음을 보였다. 측정된 고유진동수로부터 장력을 추정하기 위해서는 현의공식, 다중모드법, 저차 모드의 실용적 공식을 활용한 방법 (Zui et al., 1996), 양단고정 경계조건에 의한 휨강성을 고려한 현의공식 (Sag$\ddot{u}\grave{e}$s et al., 2006) 등의 장력 추정법을 적용하였고 그 결과값을 비교하였다. 휨강성을 반영하지 못한 현의 공식이나, 다중모드법은 길이가 짧은 텐던에 대해 장력을 과대평가하는 결과가 도출되어 텐던의 장력평가에 적절하지 않음을 알 수 있었다. 텐던의 장력 추정에 적절한 방법은 양단고정 경계조건과 휨강성을 고려한 단단한 현의 공식에 의한 방법임을 알 수 있었으며, 이 방법을 실제 공용중인 PC 교량의 외부텐던에 적용한 결과 방향전환블록에 의한 마찰력으로 긴장단과 고정단에 텐던의 장력 차이가 발생한다는 것을 알 수 있었다.
In this study, vibrational tendon tension measurement methods are applied to estimate tension of external tendons used in segmental post-tensioned bridges. The acceleration of various length type of tendons is measured and natural frequencies are obtained using FFT (Fast Fourier Transform). The obta...
In this study, vibrational tendon tension measurement methods are applied to estimate tension of external tendons used in segmental post-tensioned bridges. The acceleration of various length type of tendons is measured and natural frequencies are obtained using FFT (Fast Fourier Transform). The obtained natural frequencies are within 1% error regardless of sensor direction and location. On the basis of natural frequency of tendon, estimation of the tendon tension is performed by using many types of solutions such as string theory equation, multi mode estimation, practical formula estimation and stiff string with clamped-clamped boundary conditions. The results are compared with each other and have shown that the flexural stiffness is not negligible in tendons of this type causing the vibration mode to be inharmonically related. The results have shown that the method using stiff string equation with clamped-clamped boundary conditions is more accurate than the other methods. Application example of in-service bridges has shown that force distribution effects from friction at deviation blocks can be effectively detected.
In this study, vibrational tendon tension measurement methods are applied to estimate tension of external tendons used in segmental post-tensioned bridges. The acceleration of various length type of tendons is measured and natural frequencies are obtained using FFT (Fast Fourier Transform). The obtained natural frequencies are within 1% error regardless of sensor direction and location. On the basis of natural frequency of tendon, estimation of the tendon tension is performed by using many types of solutions such as string theory equation, multi mode estimation, practical formula estimation and stiff string with clamped-clamped boundary conditions. The results are compared with each other and have shown that the flexural stiffness is not negligible in tendons of this type causing the vibration mode to be inharmonically related. The results have shown that the method using stiff string equation with clamped-clamped boundary conditions is more accurate than the other methods. Application example of in-service bridges has shown that force distribution effects from friction at deviation blocks can be effectively detected.
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문제 정의
따라서, 본 논문에서는 신속하고 경제적이며 안전진단 현장에서의 적용성이 뛰어난 가속도 센서를 이용한 장력추정법의 적용 가능성을 확인하고 기존의 연구에서 적용된 다양한 장력 추정방법을 현장에 적용하고 분석하여 장력 추정방법 중 현장에 적용 가능한 유용한 방법을 비교 평가하고자 한다. 이 때 기존의 PC 텐선 장력 추정 연구 중 일부 (Jang et al.
본 논문에서는 가속도 센서 부착시험에 신뢰성을 확인하기 위하여 실제 공용중인 교량의 외부텐던에 가속도 센서를 부착하고 부착방향, 부착 위치 등 다양한 변수에 따라 진동을 분석하였다.
가설 설정
PC 텐던은 내부가 그라우팅되어 있고 외부는 PE관으로 둘러싸여 있다. 가속도 센서는 PE관 외부에 부착되므로 PC강선과 그라우팅 및 PE관이 일체화 거동을 한다고 가정하였다. 시공 중에 충분히 세밀한 그라우팅을 실시하였고 각 재료간의 계면이 분리되지 않았다면 PE관, 그라우팅 및 강선이 일체화 거동을 한다고 볼 수 있으며 이를 확인하기 위하여 다양한 부착조건에 대한 실험을 실시하여 일정한 고유진동수가 얻어지는지 여부에 대한 분석을 수행하였다.
제안 방법
또한 텐던의 휨강성은 Fig. 2와 같이 강선의 배치가 일정치 않으므로 텐던의 진동 방향에 따라 고유진동수가 달라질 수 있으므로 타격방향과 센서의 부착방향에 대한 분석을 수행하였다.
본 연구에서는 PC교량의 외부텐던에 가속도센서를 부착하여 고유진동수를 획득하여 다양한 조건에 대한 분석을 실시하였고 이에 따라 다음과 같은 결론을 얻었다.
가속도 센서는 PE관 외부에 부착되므로 PC강선과 그라우팅 및 PE관이 일체화 거동을 한다고 가정하였다. 시공 중에 충분히 세밀한 그라우팅을 실시하였고 각 재료간의 계면이 분리되지 않았다면 PE관, 그라우팅 및 강선이 일체화 거동을 한다고 볼 수 있으며 이를 확인하기 위하여 다양한 부착조건에 대한 실험을 실시하여 일정한 고유진동수가 얻어지는지 여부에 대한 분석을 수행하였다.
앞선 2장의 텐던의 장력 추정 방법을 이용하여 가속도 센서 부착시험을 통해 분석된 고유진동수를 활용하여 텐던의 장력 측정을 비교하였다. 각 방법에 따른 장력추정 결과는 Table 4와 같다.
케이블 또는 텐던과 같은 현의 거동을 하는 부재는 케이블의 휨강성과 처짐 (Sag), 케이블 양쪽 끝단의 경계조건에 따라 거동 특성이 달라진다. 이러한 조건의 변화에 따라 케이블 및 텐던의 장력을 구하는 이론적인 방법을 분석하였다.
PC텐던은 강연선이 설치된 PE덕트 내부가 그라우트로 채워져 있고 횡단면상 강선의 배열이 일정치 않아 횡단면에 대한 휨강성이 일정하지 않은 특징이 있다. 이에 따라 센서 부착방향, 가진 시 타격 방향 등 다양한 조건에 대한 진동수 분석을 수행하여 결과의 일관성 여부를 검토하였다. 다양한 조건에 따른 분석결과는 Table 3과 같다.
텐던의 가속도 이력을 얻기 위하여 가속도 센서를 텐던의 피복에 부착하고 센서로부터 어느 정도 거리가 떨어지고 실험의 일관성 확보를 위하여 텐던의 3/4L 지점에 햄머로 가격하여 인위적인 진동을 발생시켜 시간이력 곡선을 획득하였다. 가속도 데이터는 고차의 진동모드를 확인하기 위하여 500Hz의 샘플링으로 시험을 실시하였다.
대상 데이터
텐던의 가속도 이력을 얻기 위하여 가속도 센서를 텐던의 피복에 부착하고 센서로부터 어느 정도 거리가 떨어지고 실험의 일관성 확보를 위하여 텐던의 3/4L 지점에 햄머로 가격하여 인위적인 진동을 발생시켜 시간이력 곡선을 획득하였다. 가속도 데이터는 고차의 진동모드를 확인하기 위하여 500Hz의 샘플링으로 시험을 실시하였다. T1 텐던의 1/8L, 1/4L, 3/8L, 1/2L 지점에 센서를 부착하고 가진하였을 때 가속도 이력곡선은 Fig.
, 1996)은 장력을 추정하기 위해서는 케이블의 휨강성을 도출하여야 하는데, 휨강성을 크게 가정할수록 장력이 줄어든다. 본 논문에서는 200~300kN/m2을 적용하였다. 휨강성을 최대 300kN/m2으로 가정하였을 경우 T6의 장력은 2121kN으로서 다소 과소평가 된다.
시험을 실시한 PC텐던은 총 7개소로서 격벽으로부터 첫 번째 방향전환블록 (Deviation block)까지의 텐던 길이는 Table 2와 같다. Fig.
조사 대상 텐던은 준공 후 10년 이상 경과한 구조물에 장착된 텐던으로서 장력의 이력 측정이 이루어지고 있지 않고, 정착부는 무수축모르터로 채워져 있어 직접적으로 텐던의 장력을 확인할 수 없는 상태이다. 시공당시의 기록에 따르면 프리스트레스의 손실이 수렴한 시점에서 2600kN~2880kN의 긴장력을 갖는 것으로 추정되었다.
성능/효과
(1)가속도 센서 유효성을 검증하기 위하여 다양한 조건에 대한 시험을 실시하였고 분석결과 일관된 도출이 가능한 것으로 판단되어 PC교량 외부텐던에 가속도센서를 부착하여 장력을 평가하는 방법은 충분한 현장 적용성이 있음을 알 수 있었다.
(2)장력추정 기법 중 현의 방정식 및 다중모드법은 짧은 길이의 텐던에 대하여 장력을 과대평가하는 경향이 있으므로 PC텐던에 적용하기에는 적절하지 않은 것으로 판단된다.
9와 같이 고정단으로 갈수록 프리스트레스 힘이 줄어들게 된다. 본 연구에서 적용한 장력 추정방법은 PC 텐던의 이러한 거동 특성을 양호하게 반영하고 있는 것으로 판단된다.
이상과 같은 분석으로부터 측정된 가속도 신호로부터 FFT분석을 수행한 시험결과가 충분한 일관성이 있음을 확인할 수 있었다. 따라서, 텐던의 PE덕트에 가속도 센서를 부착하여 텐던의 고유진동수를 분석하는 방법은 충분히 신뢰성 있는 방법이 될 수 있다고 판단된다.
현의방정식을 이용한 장력 추정방법은 T1과 같이 텐던의 길이가충분히 긴 경우에는 다른 추정법과 큰 차이가 없으나 텐던이 길이가 짧아질수록 장력을 과대평가하는 결과를 도출하였다. 이는 길이가 짧을수록 경계조건의 영향을 더 많이 받고 휨강성으로 인하여 고유진동수가 증가하나 이를 반영하지 못하기 때문으로 분석된다.
후속연구
(4)장력추정 방법에 따라 도출된 장력은 다소간의 오차를 내포하고 있으나 텐던의 고유진동수는 센서의 위치, 측정 방법 등과 상관없이 비교적 일정한 측정값을 얻을 수 있으므로 장기적인 분석이 이루어진다면 안전진단 시에 활용도가 높을 것으로 기대된다.
, 2006)은 텐던의 불확실한 물성치 중 하나인 휨강성을 고려하지 않더라도 장력을 추정할 수 있는 방법으로 실무 적용에 적절하며, 방향전환블록으로 분리된 단일 긴장 텐던에 대하여 그 적용성을 평가한 결과 다른 방법보다 결과의 신뢰가 높은 것으로 분석되었다. 보다 다양한 조건에 대한 검증은 추후 추가적인 연구와 현장 적용이 필요한 것으로 판단된다.
본 연구에서는 일부 텐던에 대해서 연구를 수행한 결과이므로 추후 연구에서는 보다 많은 실험을 수행하여 PC 텐던 장력 측정의 유효성을 보다 세밀하게 검토하는 것이 필요하다고 판단된다.
부착방향에 따라 휨강성이 일정하지 않아 수평방향의 고유진동수와 수직방향의 고유진동수가 일치하지 않을 수 있는데 본 연구에서는 Table 3과 같이 이에 대한 영향이 크지 않은 것으로 분석되었으나 일부 선행피크 및 후행피크의 신호가 감지된 부분이 있어 이에 대해서는 추가적인 연구가 필요하다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
PC 텐던의 장력을 파악하는 것은 어떤 도구로 활용될까?
PC 텐던의 장력을 파악하는 것은 시간 경과에 따른 PC 텐던의 거동을 파악할 수 있고 장력 손실을 평가하면서 강연선 일부의 파단 등을 파악할 수 있으므로 PC 텐던의 진단에 매우 유용한 도구로 활용될 수 있다. 대표적인 텐던의 장력 평가 방법으로는 가속도센서를 활용하여 텐던의 진동을 측정하고 고유진동수를 분석하여 장력을 추정하는 방법, EM (elasto-magnetic)센서를 활용하여 평가하는 방법 및 유도초음파를 이용하여 평가하는 방법 등이 있다.
텐던의 장력 평가 방법에서 내부 텐던의 경우 특징은?
내부 텐던의 경우 덕트 외부가 콘크리트로 둘러싸여 있어 간접적인 방법으로도 내부텐던의 상태 파악하기 어려운 측면이 있으며 전체구조계의 가속도 응답으로부터 긴장재의 장력을 평가하는 연구 등이 진행 중이나 현장에 적용하기에는 아직까지 많은 연구가 필요한 상태이다 (Lee et al., 2009).
PSC교량의 한계는?
일반적인 PSC교량은 PC 텐던의 안전성이 핵심적인 사항이나 현재까지는 정밀안전진단 시의 현실적인 적용성의 한계로 인하여 긴장재의 장력 및 부식 여부를 직접적으로 파악하지 못하는 경우가 대부분이었다. 그러나, 교량이 노후화 되면서 PC 텐던의 장력이나 부식여부를 파악하는 것이 중요한 문제로 대두되면서 PC 강선의 상태를 파악할 수 있는 진단기술의 도입이 시급한 실정이다.
참고문헌 (13)
Chang, K. K. (2009), Application of Vibration Method for Estimation of Tension Force of Stay Cables in World-Cup Stadiums, Journal of the Korea Institute for Structural Maintenance and Inspection, 13(6), 156-165 (in Korean).
Changdoga, M., Jarosevic, A. (2008), Health Monitoring of the Prestressing Steel Using the Elasto-Magnetic Method, The 3rd ACF International Conference-ACF/VCA, 910-917.
Cho, S., Shin, S. W., Jung, H. J., Yun, C. B., Wang, M. L. (2013), Comparative Field Study of Cable Tension Measurement for a Cable-Stayed Bridge, Journal of Bridge Engineering, 18(8), 748-757.
Jang, H. T., Noh, M. H., Park, K. S., Park, T. (2009), Evaluation on the Lost Prestressing Force of an External Tendon Using the Combination of FEM and HGA: II. Experimental Verification and Field Application, Journal of the Korea Institute for Structural Maintenance and Inspection, 13(5), 121-132 (in Korean).
Kim, N. S., Jeong, W., Seo, J. W. (2002), Estimation of Tension Forces of Stay Cables, Journal of Spring Conference on the Korean Society for Noise and Vibration Engineering, 121-126 (in Korean).
Lee, J. M., Kim, J. T. (2009), Flexural Vibration Characteristics of Prestressed Concrete Girders due to Changes in Prestress Forces, Journal of the Korea Institute for Structural Maintenance and Inspection, 13(4), 137-147 (in Korean).
Morse, P. M. (1948), Vibration and Sound, McGraw-Hill, NY, 151-169.
Park, H. W., Ahn, B. Y., Lee, S. S., Park, J. H. (2009), A Study on Temperature Properties Analysis for Tension Measurement of Steel Cables Using Magnetic Sensor, Journal of the Korea Institute for Structural Maintenance and Inspection, 13(2), 181-188 (in Korean).
Park, S. B., Hong, S. S., Yoo, S. W. (2007), Development of Evaluation Method of External Tendon Force by Using the Deriving Ultrasonic Pulse, Journal of the Korea Institute for Structural Maintenance and Inspection, 11(6), 181-192 (in Korean).
Park, Y. S., Cheon, D. H., Cheon, Y. B., Kang, K. K. (2005) Cable Tension Force Management Using Vibration Method at Cable Stayed Bridge Construction Stages, Journal of the Korea Institute for Structural Maintenance and Inspection, 9(4), 127-134 (in Korean).
Sagues, A. A., Kranc, S. C., Eason, T. G. (2006), Vibrational Tension Measurement of External Tendons in Segmental Posttensioned Bridges, Journal of Bridge Engineering, 11(5), 582-589.
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