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초록
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대표적인 장대교량 형식인 사장교는 공용 중에 케이블 손상이 발생하는 경우 전체 구조계의 손상을 유발할 수 있으므로 신속한 유지관리가 필요하다. 손상발생 이후 대응시간을 가능한 단축하기 위해서 손상신호로부터 직접 이상거동을 판단할 수 있는 알고리즘에 대한 많은 연구가 진행되고 있다. 이상거동 감지 알고리즘의 정확도를 향상시키기 위해서는 구조물의 다양한 손상에 대한 충분한 양의 계측결과가 필요하다. 그러나 공용중인 교량에 손상을 주어 이상거동을 계측할 수 없으므로 수치적인 방법으로 이상거동을 모사하는 것이 효율적인 대안이 될 수 있다. 사장교 케이블의 손상을 모사하는 지금까지의 연구는 케이블의 강성변화를 단순한 장력변화로만 모사하여 해석하는 방법이 주를 이루었다. 이러한 해석방법은 설계목적의 정밀도는 확보할 수 있지만 케이블의 손상에 의한 구조물의 정확한 응답을 재현하지 못한다. 본 연구는 사장교의 손상을 모사하기 위해 강성 및 질량의 변화를 고려하는 직접적분법 Gradual Bilinear Method (GBM)을 제안하고 해석프로그램을 개발하였다. 개발된 해석방법을 단순모델을 이용하여 검증하고 실제 사장교모델을 이용하여 손상시각 및 손상지연시간에 따른 응답의 변화를 관찰하였다. 수행된 연구결과는 향후 건축/대형구조물의 안전관리를 위한 고정밀도 이상거동 감지알고리즘을 개발하고 검증하는데 활용될 수 있다.

Abstract AI-Helper 아이콘AI-Helper

Cable-stayed bridge, which is one of the representative long-spanned bridge, needs prompt maintenances when a stay cable is damaged because it may cause structural failure of the entire bridge. Many researches are being conducted to develop abnormal behavior detection algorithms for the purpose of s...

주제어

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

문제 정의

  • 본 연구는 건축/대형구조물의 이상거동 감지 알고리즘을 개발하기 위한 기초연구로 사장교의 케이블 손상에 의한 이상거동 응답을 정밀하게 해석할 수 있는 Gradual Bilinear Method (GBM)를 개발하였다. 주경간이 280m인 2면 사장교에서 케이블의 손상비와 손상시간 및 시각에 따른 정적 및 동적응답을 산정하고 분석하였으며, 다음과 같은 결론을 도출하였다.
  • 등가 장력을 이용한 해석방법은 설계를 위한 구조물의 최대응답을 비교적 높은 정확도로 산정할 수는 있으나 케이블의 손상에 의한 구조물의 고유치의 변화를 고려할 수 없다. 본 연구는 고정밀도 실시간 이상거동 감지 알고리즘을 개발하기 위한 사전연구로써 장대 사장교의 케이블의 강성이 부분적인 열화 혹은 손상에 의해 저하되는 경우의 동적응답을 모사할 수 있는 Gradual Bilinear Method (GBM)을 제안하였다. 제안된 방법을 단순모델을 이용하여 검증하고 실제 사장교모델을 이용하여 이상거동을 분석하였다.
  • 실제 구조물의 손상거동을 모사하기 이전에 단순한 구조물을 설정하고 손상응답을 분석하여 알고리즘의 유효성을 검증하고자 하였다. 구조물이 정지 상태 및 상시진동이 있는 상태에서 케이블에 순간적인 파단이 발생한 경우의 응답을 산정하였다.

가설 설정

  • 04kN의 초기장력을 도입하였다. 구조감쇠비는 0.3%로 가정하고 Rayleigh damping을 적용하였다.
  • 파단된 케이블의 장력에 대응하는 등가하중변화로 케이블의 파단을 모사하는 NTL과 구조물의 강성행렬을 직접 수정하여 응답을 산정하는 GBM에 의한 결과를 비교하였다. 초기평형상태를 이루는 구조물의 케이블은 t = 2sec에서 급작스러운 파단을 일으킨다고 가정하였다. NTL에서 적용한 파단 등가장력은 85.
  • 생성된 80초 길이의 시간이력하중을 구조물에 재하하여 80초 동안 동적해석을 수행하였다. 케이블의 파단은 40초에 발생하는 것으로 가정하였다. 산정된 단순구조물의 동적응답을 Fig.
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질의응답

핵심어 질문 논문에서 추출한 답변
Negative Tension Loading 방법의 문제점은? , 2011; Kim et al., 2012)하는 Negative Tension Loading 방법은 케이블의 강성변화를 반영하지 못하기 때문에 정확한 손상응답을 평가할 수 없다. 본 연구에서 제안한 GBM은 직접적분법을 이용한 시간이력해석 도중에 부재의 강성 및 질량 변화를 특성매트릭스에 직접 대입하는 방법으로 부재의 손상을 모사하였다.
본 연구에서 제안한 방법인 GBM의 장점은? 본 연구에서 제안한 GBM은 직접적분법을 이용한 시간이력해석 도중에 부재의 강성 및 질량 변화를 특성매트릭스에 직접 대입하는 방법으로 부재의 손상을 모사하였다. 케이블 손상에 의한 구조물의 강성변화를 시간이력해석에서 고려할 수 있으므로 NTL에 비하여 신뢰도가 높다.
공용 중에 사장교의 케이블 손상이 발생하는 경우 어떤 문제가 생기는가? 대표적인 장대교량 형식인 사장교는 공용 중에 케이블 손상이 발생하는 경우 전체 구조계의 손상을 유발할 수 있으므로 신속한 유지관리가 필요하다. 손상발생 이후 대응시간을 가능한 단축하기 위해서 손상신호로부터 직접 이상거동을 판단할 수 있는 알고리즘에 대한 많은 연구가 진행되고 있다.
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참고문헌 (4)

  1. Degrauwe, D., De Roeck, G., and Lombaert, G. (2009), Uncertainty quantification in the damage assessment of a cable-stayed bridge by means of fuzzy numbers, Computers & Structures, 87(17-18), 1077-1084. 

  2. Ernst, H. (1965), The modulus of elasticity of cable taking into account of catenary action, Der bauingenieur, 40(2), 52-55. 

  3. Kim, Y. H., Go, H. G., Kim, J. C., and Shin, S. (2012), Effects of Cable Rupture on Dynamic Responses of a Concrete Cable-stayed Bridge, Journal of the Korea Institute for Structural Maintenance and Inspection, 16(3), 84-91 (in Korean, with English abstract). 

  4. Mozos, C. M., and Aparicio, A. C. (2011), Numerical and experimental study on the interaction cable structure during the failure of a stay in a cable stayed bridge, Engineering Structures, 33(8), 2330-2341. 

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