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문제 정의
- 본 논문은 사장 케이블의 계측기반모델을 제시하고 계측기반모델의 타당성 확인을 연구목적으로 한다. 이를 위하여 장기 계측자료를 분석하고 계측기반모델을 설정하며 계측기 반모델에 대한 구조해석결과와 계측자료를 비교하였다.
- 실제 계측자료와 차이를 보이는 설계모델을 개선하기 위하여, 2012년 상시계측자료를 바탕으로 해석모델을 개선하였다. 이때, 모델개선은 민감도분석으로 모델개선 변수를 결정하였다.
제안 방법
- 계측기반모델은 5가지 변수값을 사용하여 계측결과와 유사한 응답을 나타내도록 설계모델을 수정하였다. 5가지 변수는 보강거더와 주탑 강성, 케이블 강성, 주탑내 가로보 강성, 받침 경계조건을 사용하였다. 특히 민감도해석을 통하여 모델개선을 위한 설계변수로 선정하였다.
- 계측값 오류 필터링을 위하여 정규분포곡선 95%를 신뢰 구간으로 설정하여 분석하였다. 활하중과 온도하중, 풍하중의 계측값을 필터링하여 변동하중 영향을 고려하면 경고값인 케이블 허용파단장력 미만으로 안정성을 확보하고 있는 것으로 나타났다.
- 계측기반모델은 5가지 변수값을 사용하여 계측결과와 유사한 응답을 나타내도록 설계모델을 수정하였다. 5가지 변수는 보강거더와 주탑 강성, 케이블 강성, 주탑내 가로보 강성, 받침 경계조건을 사용하였다.
- 계측장력의 안정성 평가는 2012년 자료를 활용하고, 기존 관리기준 설정방법에 따라 안정성을 평가하였다. 안정성 평가는 계측기가 강남⋅강북측에 대칭 배치되어 있으므로 강남측 배치 케이블에 대하여 시행하였다.
- 계측장력의 영향인자는 설계장력 산정시 고려된 고정하중과 활하중, 온도하중, 풍하중을 분석하였다. 고정하중은 자중과 포장 등 2차 하중으로 크리프와 건조수축의 영향을 포함한다.
- 고정하중은 자중과 포장 등 2차 하중으로 크리프와 건조수축의 영향을 포함한다. 고정하중에 의한 장력은 통과 교통량이 유발하는 장력의 영향을 제거한 후 새벽 시간대 계측장력 평균값을 사용했다. 계측자료로 활용하고 있는 4년 동안의 평균장력은 장력에 영향을 끼치는 온도와 바람 등의 증감과 계절적 변화에 따른 증감 등이 가감되어 제거된다.
- 이러한 시공이력과 유지관리 이력을 반영한 계측기 반모델은 계측자료를 반영하여 고유진동수 및 고유모드를 일치시키는 이상화 과정이 필요하다. 동적 특성이 일치할 때까지 물성치를 보정하는 반복법을 이용하여 계측기반모델을 구성하였다.
- 주탑 가로보의 거동을 개선모델에 반영하기 위하여 경계 조건을 탄성연결로 조정한 변수를 검토하였다. 방향별 민감 도가 너무 크게 나와 설계모델의 경계조건인 강체연결을 적용하였다. 양단 교각 사용받침에 따른 경계조건은 계측된 받침의 거동특성을 반영할 수 있도록 절점스프링으로 경계조건을 개선한 변수를 적용하였다.
- 본 논문은 교량의 상시계측 데이터를 반영한 계측기반 모델 구조해석을 수행하여 교량 공용상태의 사장 케이블장력 평가를 수행하였다. 연구내용에 따른 결론을 요약하면 다음과 같다.
- 설계장력과 계측장력의 영향인자를 비교⋅분석하였다.
- 안정성 평가는 계측기가 강남⋅강북측에 대칭 배치되어 있으므로 강남측 배치 케이블에 대하여 시행하였다.
- 방향별 민감 도가 너무 크게 나와 설계모델의 경계조건인 강체연결을 적용하였다. 양단 교각 사용받침에 따른 경계조건은 계측된 받침의 거동특성을 반영할 수 있도록 절점스프링으로 경계조건을 개선한 변수를 적용하였다. 해석결과, 요소강성에 교축 방향 SDx=60kN/m, 교축직각 방향 강성 SDy= 48,000kN/m 을 적용한다.
- 실제 계측자료와 차이를 보이는 설계모델을 개선하기 위하여, 2012년 상시계측자료를 바탕으로 해석모델을 개선하였다. 이때, 모델개선은 민감도분석으로 모델개선 변수를 결정하였다. 올림픽대교의 상시계측된 고유진동수와 설계모델의 고유진동수는 Table 2와 같다.
- 본 논문은 사장 케이블의 계측기반모델을 제시하고 계측기반모델의 타당성 확인을 연구목적으로 한다. 이를 위하여 장기 계측자료를 분석하고 계측기반모델을 설정하며 계측기 반모델에 대한 구조해석결과와 계측자료를 비교하였다.
- 주탑 가로보의 거동을 개선모델에 반영하기 위하여 경계 조건을 탄성연결로 조정한 변수를 검토하였다. 방향별 민감 도가 너무 크게 나와 설계모델의 경계조건인 강체연결을 적용하였다.
- 질량중심에 위치한 계측 고유진동수 산정을 위하여 상⋅하류 대칭위치 보강거더에 설치된 TA-1과 TA-2 센서의 계측값을 평균하였다.
- 횡방향 진동은 교축방향과 유사한 경향을 나타내며, 주탑 강성변화가 민감도가 크고 나머지 다른 변수는 민감도가 작다. 케이블 강성은 케이블내 시멘트 충전을 고려하여 개선모델에서 20%의 강성증가를 고려하였다.
- 5가지 변수는 보강거더와 주탑 강성, 케이블 강성, 주탑내 가로보 강성, 받침 경계조건을 사용하였다. 특히 민감도해석을 통하여 모델개선을 위한 설계변수로 선정하였다.
대상 데이터
- 대상교량은 1990년 준공된 올림픽대교이며 On-line 안전감시시스템을 설치한 교량이다. 2004년 이후 안전감시시스템의 계측센서를 추가⋅설치하였고 분석프로그램도 보완하였다.
- 2004년 이후 안전감시시스템의 계측센서를 추가⋅설치하였고 분석프로그램도 보완하였다. 본 연구는 2009년부터 2012년까지 4년간 계측자료를 활용하였다.
성능/효과
- (1) 설계장력은 고정하중과 활하중이 지배적 영향인자로 나타났다. 활하중은 중앙 케이블, 온도하중은 내측 배치 케이블에서 영향 정도가 큰 것으로 해석되었다.
- (2) 케이블 상시 계측장력은 정규분포곡선 95% 신뢰구간에서 경고 관리기준치 미만으로 안정성을 확보하고 있다. 다만, 최외측 및 내측 케이블 등은 연중 일부 기간에서 경고값에 근접하는 계측값이 관측되어 집중적 유지관리가 필요한 케이블로 나타났다.
- (3) 계측장력의 영향인자는 고정하중 84.2~88.1%, 활하중 10.9~14.4%로 위치별 편차비율이 적게 발생하였다. 따라서 공용중 장력분배와 변동하중에 의한 장력 증가가 나타났음을 알 수 있다.
- (4) 상시계측값의 고유진동수 및 고유모드를 기준으로 계측기반모델을 구성하였으며, 중앙 케이블의 장력이 설계장력 보다 크게 해석되었다.
- 계측기반모델 장력의 경우 고정하중의 영향은 최외측 케이블 CLs12는 94.5%로 영향이 큰 것으로 분석되었다. 중앙 케이블인 CLs8의 경우 84.
- 케이블 위치별로 고정하중과 활하중 등의 분포비율 편차가 비슷하게 분석되었다. 고정하중의 영향은 최외측 케이블에서 가장 큰 값이 계측되고 활하중의 영향은 중앙 케이블에서 큰 값이 나타났다. 주탑인근의 내측배치 케이블은 온도영향이 크게 나타나고 있다.
- 연직진동 민감도는 주탑강성 변화와 보강거더 강성변화가 가장 예민하게 나타낸다. 교축방향 진동의 민감도는 주탑강성의 변화가 가장 예민하게 나타났다. 횡방향 진동은 교축방향과 유사한 경향을 나타내며, 주탑 강성변화가 민감도가 크고 나머지 다른 변수는 민감도가 작다.
- 6%로 영향이 크고 편차도 크다. 그러나 계측장력은 장력의 변동범위가 84.0~88.1%로 약 4% 내외의 변동폭으로 편차가 적게 계측되었다.
- 085Hz 차이는 일면 케이블 사장교의 연직방향과 교축직각방향 진동응답과 비교할 때 장력에 큰영향을 주지 못한다. 따라서 계측기반모델은 공용교량의 동적특성을 잘 반영하고 있는 것으로 나타났다.
- 설계기반 케이블 장력 영향인자의 지배적 하중유형은 고정하중과 활하중, 온도하중, 풍하중의 순서로 나타났다.
- 영향정도는 최대 활하중 재하시 최외측 케이블 CLs12는 고정하중의 영향이 94.5%, 활하중 5.2%, 온도하중과 풍하중이 0.3%, 0.0%로 해석되었다. 경간중앙 배치 케이블 CLs8은 고정하중의 영향이 84.
- 장력 비교분석 결과 케이블 설치위치에 따른 장력값의 분포비율은 계측기반해석 장력은 계측장력 대비 71.0~99.3%의 장력 범주를 나타내었다.
- 케이블은 위치별로 하중인자별 장력의 크기가 상이하게 나타난다. 중앙 케이블은 활하중의 영향정도가 크게 나타났으며, 온도는 내측케이블에서 크게 해석되었다.
- 케이블 안정성은 고정하중과 활하중을 조합한 경우가 가장 크게 나타났다. 최외곽 배치 케이블 CLs12와 CLn12의 안정율이 1.05와 1.03으로 허용장력에 근접하는 결과를 보였다.
- 케이블 위치별 장력의 크기는 계측기반해석 장력이 설계 장력과 비교하여 계측장력에 더 근접하게 나타남으로써 계측기반모델의 적정성을 확인하였다. 내측케이블 CLs5와 CLn5의 경우, 계측장력값이 설계장력 보다 70% 내외로 증가되었다.
- 계측값 오류 필터링을 위하여 정규분포곡선 95%를 신뢰 구간으로 설정하여 분석하였다. 활하중과 온도하중, 풍하중의 계측값을 필터링하여 변동하중 영향을 고려하면 경고값인 케이블 허용파단장력 미만으로 안정성을 확보하고 있는 것으로 나타났다.
- 활하중을 포함한 변동하중은 중앙 배치 케이블에서 계측 장력이 크게 관측되어 피로 등 케이블 유지관리가 중요할 것으로 나타났다.
- 활하중의 변동폭은 최대⋅최소 장력값의 크기가 유사하게 계측되었으며, 남측 방향에 배치된 CLs10 케이블은 최대장력값 768.9kN과 최소장력값 -1000.3kN으로 변동폭이 크게 나타났다.
후속연구
- 따라서 설계시 계측기반모델 결과를 적절하게 반영하여 공용 사장 케이블에서 안정성이 확보되어야 한다. 향후 본 연구 결과에 따른 추세분석을 보편화하여 사장교 설계시에 어떻게 반영하여야 할 것인가 하는 추가적 연구가 계속되어야 할 것이다.
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