[논문]장경간 사장교에 적용된 일부타정식 케이블 시스템의 지진하중과 풍하중 안전성 향상 효과 분석

원정훈; 이형도

doi:10.14346/jkosos.2016.31.4.97

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This study investigates effects of partially earth anchored cable system on the structural safety for a long-span cable-stayed bridge under dynamic loads such as seismic and wind load. For a three span cable-stayed bridge with a main span length of 810 m, two models are analyzed and compared; one is...

This study investigates effects of partially earth anchored cable system on the structural safety for a long-span cable-stayed bridge under dynamic loads such as seismic and wind load. For a three span cable-stayed bridge with a main span length of 810 m, two models are analyzed and compared; one is a bridge model with a self anchored cable system, the other is a bridge model with a partially earth anchored cable system. By performing multi-mode spectrum analysis for a prescribed seismic load and multi-mode buffeting analysis for a fluctuating wind component, the structural response of two models are compared. From results, the partially earth anchored cable system reduce the maximum pylon moment by 66% since earth anchored cables affect the natural frequencies of girder vertical modes and pylon longitudinal modes. In addition, the girder axial forces are decreased, specially the decrement of the axial force is large in seismic load, while girder moment is slightly increased. Thus, the partially earth anchored cable system is effective system not only on reduction of girder axial forces but also improvement of structural safety of a cable-stayed bridge under dynamic loads such as seismic and wind loads.

주제어

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문제 정의

경제성 측면에서, 현수교와 경쟁하는 장경간 사장교는 중앙경간장 600-1000 m이나, 이에 대한 일부타정식 사장교의 적용성에 대한 연구는 거의 없다. 본 연구는 장경간 사장교에 관심을 두고 있으며, 특히 장경간 사장교의 안전성을 지배하는 하중인 지진하중과 풍하중에 대한 일부타정식 케이블 시스템의 효과에 관심을 두고 있다. 따라서 본 연구에서는 중앙경간 810 m의 사장교를 개념설계 수준으로 설계한 후 일부타정식 케이블 시스템을 갖는 경우와 일반적인 자정식 케이블 시스템을 갖는 경우를 모형화하여 지진하중과 풍하중에 대한 일부타정식 케이블 시스템의 동적 안전성 향상 효과를 분석하였다.
본 연구에서는 장경간 사장교의 지진하중과 풍하중 안전성을 향상시킬 수 있는 일부타정식 케이블 시스템의 효과를 분석하였다. 중앙경간 810 m의 3경간 사장교를 대상으로 지진하중에 대한 다중모드 스펙트럼 해석과 풍하중에 대한 다중모드 버펫팅 해석을 수행하여 자정식과 일부타정식 모형의 거동을 비교한 결과 다음과 같은 결론을 얻었다.

가설 설정

3) Mode shape of only this frequency is combined mode of a vertical and a longitudinal direction.
자정식 모형의 경우, 모든 케이블들은 거더에 정착되나 일부타정식 모형의 경우 측경간 외측 케이블들의 일부가 거더 외부에 정착되어야 한다. 본 연구에서는 별도의 앵커블럭 설치 없이 타정 케이블들이 교대에 정착되는 것으로 가정하였다.

제안 방법

고유치해석을 위해 자중을 질량으로 변환하여 적용하였으며, 정확한 자중을 반영하기 위해 단면적과 단위 중량의 곱에 할증계수를 적용하였다. 강재의 단위 중량은 77.
대상 교량을 자정식 케이블 시스템을 갖는 자정식 모형과 일부타정식 케이블 시스템을 갖는 일부타정식 모형으로 각각 모형화할 때 차이점은 경계조건과 측경 간 외측에 타정되는 케이블이다. Fig.
본 연구는 장경간 사장교에 관심을 두고 있으며, 특히 장경간 사장교의 안전성을 지배하는 하중인 지진하중과 풍하중에 대한 일부타정식 케이블 시스템의 효과에 관심을 두고 있다. 따라서 본 연구에서는 중앙경간 810 m의 사장교를 개념설계 수준으로 설계한 후 일부타정식 케이블 시스템을 갖는 경우와 일반적인 자정식 케이블 시스템을 갖는 경우를 모형화하여 지진하중과 풍하중에 대한 일부타정식 케이블 시스템의 동적 안전성 향상 효과를 분석하였다.
그러므로 타정되는 케이블 수의 결정은 자중, 2차 사하중 등을 고려한 시공단계 해석 결과와 활하중 등의 결과를 조합한 결과의 주탑부 거더에서 발생한 최대 압축력과 중앙경간 가운데에서 발생하는 최대 인장력을 비교하여 결정하여야 한다. 본 연구에서는 사전에 시공단계 해석과 활하중 해석 등을 통해 대상교량의 최적 타정케이블 수는 1면을 기준으로 볼 때, 좌측 측경간 최 외측에 6개, 우측 측경간 최 외측에 6개로 결정하였다.
본 연구에서는 장경간 사장교의 지진하중과 풍하중 안전성을 향상시킬 수 있는 일부타정식 케이블 시스템의 효과를 분석하였다. 중앙경간 810 m의 3경간 사장교를 대상으로 지진하중에 대한 다중모드 스펙트럼 해석과 풍하중에 대한 다중모드 버펫팅 해석을 수행하여 자정식과 일부타정식 모형의 거동을 비교한 결과 다음과 같은 결론을 얻었다.

대상 데이터

단면 물성치와 재료 물성치는 Table 1과 Table 2와 같다. 강 거더는 SM 520재료이며, 콘크리트는 압축강도 50 MPa, 케이블의 강도는 1770 MPa이다.
일부타정식 케이블 시스템의 장경간 사장교 적용효과를 분석하기 위해 중앙경간 810 m의 3경간 사장교를 개념설계 하였다. 대상교량은 Fig. 2와 같이 폭 22.9 m의 강상판 거더와 높이 218 m의 콘크리트 주탑으로 구성되어 있으며, 케이블은 MS 케이블을 가정하며, 배치형태는 2면 배치로 각 면에는 주탑 좌우로 각각 25개의 케이블이 위치하고 있다.
. 동적 풍하중은 지진하중과 달리 저차모드의 응답이 중요하므로 본 연구에서는 50개의 진동모드가 버펫팅 해석에 적용되었다.
일부타정식 케이블 시스템의 장경간 사장교 적용효과를 분석하기 위해 중앙경간 810 m의 3경간 사장교를 개념설계 하였다. 대상교량은 Fig.

데이터처리

대상 교량의 해석은 사장교의 비선형성과 시공단계 해석의 구현이 가능한 RM 프로그램을 이용하였다. Fig.

이론/모형

동적 풍하중의 영향은 장경간 교량의 풍하중 거동 분석에 효율적으로 적용되는 다중모드 버펫팅 해석 방법을 통해 분석하였다^10,11). 동적 풍하중은 지진하중과 달리 저차모드의 응답이 중요하므로 본 연구에서는 50개의 진동모드가 버펫팅 해석에 적용되었다.
스펙트럴 밀도함수는 Kaimal spectrum이 적용되었으며, 관련된 변수들과 주탑, 거더, 케이블의 공기동역항적 계수(항력계수, 양력계수, 모멘트계수)는 참고문헌의 값을 적용하였다⁸⁾.
지진하중은 다중모드 스펙트럼 해석 방법을 적용하였으며, 탄성지진응답계수는 도로교설계기준에 따라 다음 식과 같이 적용하였다⁹⁾.

성능/효과

지진 하중에 대한 거더 휨모멘트를 보면(Fig. 6(a)), 자정식 모형은 주탑 P1 에서 교축방향 고정이므로 휨모멘트가 집중되나, 일부 타정식 모형은 교축방향 가동단이므로 주탑부에 집중되는 모멘트가 발생하지 않음을 알 수 있다. 주탑 P1부를 제외하고는 발생되는 휨모멘트의 크기가 유사하나, 최댓값은 일부타정식 모형에서 약간 증가됨을 알 수 있다.
1) 일부타정식 케이블 시스템은 타정 케이블들의 주탑 응답 제어로 주탑의 교축방향과 거더 연직방향 고유진동수를 크게 변화시켰으며, 자정식 모형과 비교하여 풍하중 응답을 57%, 지진하중에 의한 영향을 70% 감소시키는 것으로 나타났다. 특히, 하중조합 결과 최대 휨모멘트가 66% 감소하므로 일부타정 케이블 시스템은 장경간 사장교의 동하중 안전성을 크게 향상시키는 구조라고 판단된다.
2) 거더에 발생하는 휨모멘트는 일부타정식 케이블 시스템 적용으로 일부 구간에서 약간 증가될 수는 있으나, 거더 축력은 일부타정식 모형에서 전 구간 감소하며, 특히 지진하중에 의한 영향이 크게 감소되는 것으로 나타났다. 또한, 측경간 타정 케이블들은 주탑 등의 구조물 안전성을 향상시키기 위해 장력이 증가하고 있는 것으로 분석되었다.
2) 거더에 발생하는 휨모멘트는 일부타정식 케이블 시스템 적용으로 일부 구간에서 약간 증가될 수는 있으나, 거더 축력은 일부타정식 모형에서 전 구간 감소하며, 특히 지진하중에 의한 영향이 크게 감소되는 것으로 나타났다. 또한, 측경간 타정 케이블들은 주탑 등의 구조물 안전성을 향상시키기 위해 장력이 증가하고 있는 것으로 분석되었다. 그러므로 일부타정식 케이블 시스템의 적용은 고유 효과인 거더 압축력 감소와 함께 사장교의 동적 안전성도 향상시킬 수 있는 방법으로 판단된다.
표로부터 일부타정식 케이블 시스템은 자정식 케이블 시스템보다 풍하중에 의한 영향을 57% 감소시키며, 특히 지진하중에 의한 영향은 70% 감소시키는 것을 알 수 있다. 또한, 하중 조합 결과를 보면, 주탑의 최대 휨모멘트는 풍하중에 의한 조합 결과에서 57%, 지진하중 조합 결과에서 66% 감소되는 것으로 나타났다. 따라서 일부타정 케이블 시스템은 장경간 사장교의 지진하중과 풍하중 안전성을 크게 향상시키는 구조라고 판단된다.
Table에는 하중조합에 의한 결과를 비교하기 위해 사하중(D)에 의해 발생하는 주탑 교축방향 모멘트 결과도 같이 나타내었다. 표로부터 일부타정식 케이블 시스템은 자정식 케이블 시스템보다 풍하중에 의한 영향을 57% 감소시키며, 특히 지진하중에 의한 영향은 70% 감소시키는 것을 알 수 있다. 또한, 하중 조합 결과를 보면, 주탑의 최대 휨모멘트는 풍하중에 의한 조합 결과에서 57%, 지진하중 조합 결과에서 66% 감소되는 것으로 나타났다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	일부타정식 케이블 시스템은 무엇인가?	일부타정식 케이블 시스템은 사장교가 갖고 있는 단점 중의 하나인 경간장 증가와 함께 커지는 거더의 압축력을 감소시켜 사장교의 경간장을 증가시키기 위해 Gimsing에 의해 제안된 시스템이다1). 일부타정식 케이블 시스템은 측경간 외측 케이블 중 일부를 거더가 아닌 외부에 정착하고, 받침부를 종방향 가동단으로 함으로써 주탑부 근처의 거더 최대 압축력을 감소시키고 동시에 중앙경간 중앙부에 인장력을 도입하는 시스템이다. 일부타정식 케이블 시스템을 채택함으로 경간장 1000 m 이상의 장대 장경강 사장교의 경제적인 건설이 가능하나, 별도의 앵커블럭 설치와 중앙 경간부 가설을 위한 특별한 가설방법이 필요한 단점이 있다2).
	일부타정식 케이블 시스템의 단점은 무엇인가?	일부타정식 케이블 시스템은 측경간 외측 케이블 중 일부를 거더가 아닌 외부에 정착하고, 받침부를 종방향 가동단으로 함으로써 주탑부 근처의 거더 최대 압축력을 감소시키고 동시에 중앙경간 중앙부에 인장력을 도입하는 시스템이다. 일부타정식 케이블 시스템을 채택함으로 경간장 1000 m 이상의 장대 장경강 사장교의 경제적인 건설이 가능하나, 별도의 앵커블럭 설치와 중앙 경간부 가설을 위한 특별한 가설방법이 필요한 단점이 있다2).
	경간장 1000 m 이상을 대상으로 한 대부분의 일부타정식 케이블 시스템 적용 관련 연구와는 달리 won은 어떤 가능성을 보였는가?	실질적으로 일부타정식 케이블 시스템을 적용하기 위한 연구가 Gimsing의 제안 이후 다양하게 진행되어 왔지만, 대부분의 연구는 주로 경간장 1000 m 이상을 대상으로 하였다3-6). 반면, Won 등7)은 중소지간의 사장교에도 일부타정식 케이블 시스템이 적용가능하며, 특별한 시공방법 없이 사장교 시공에 가장 널리 적용되는 FCM(Free cantilever method) 방법으로 적용 가능함을 해석적으로 보였다. 또한, Won 등8)은 일부타정 케이블 시스템은 풍하중과 같은 동하중의 응답 감소에 효과가 크다고 주장하였다.

참고문헌 (11)

N. J. Gimsing, "Cable Supported Bridges", Wiley West Sussex, U.K., 1997.
N. J. Gimsing, "Evolution in Span Length of Cable-stayed Bridges" in Challenges in the 21st Century: Proceedings of International Conference on Bridge Engineering, Hong Kong, China, 2006.
J. Muller, "The Bi-stayed Bridge Concept - Overview of Wind Engineering Problems", Proceedings of the 1st International Symposium on Aerodynamics of Large Bridges, pp. 237-245, 1992.
X. Xie, H. Yamaguchi and M. Nagai, "Static Behaviors of Self-anchored and Partially Earth-anchored Long-span Cable-stayed Bridges", Structural Engineering and Mechanics, Vol. 5, No. 6, pp.767-774, 1997.

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B. Sun, R. -C. XIAO and L. -J JIA, "Trial Design of a Proposed Partially Ground-Anchored Cable-Stayed Bridge with a Main Span 1400 m", Bridge Construction, 2009.
J. Zhibin, P. Shiling, W. Xing, L. Hongyan and Q. Shizhong, "Partially Earth-Anchored Cable Bridge: Ultralong-Span System Suitable for Carbon-Fiber-Reinforced Plastic Cables", Journal of Bridge Engineering, Vol. 21, No 6, 2016.

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J.-H. Won, S. -J. Park, J. -H. Yoon and S. -H. Kim, "Structural Effects of Partially Earth-anchored Cable System on Medium-span Cable-stayed Bridges", International Journal of Steel Structures, Vol. 8, pp. 225-236, 2008.

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J.-H. Won, J.-H. Yoon, S.-J. Park and S.-H. Kim, "Effects of Partially Earth-anchored Cable System on Dynamic Wind Response of Cable-stayed Bridges", Wind and Structures, Vol. 11, No. 6, pp. 441-453, 2008.

상세보기
Ministry of Construction and Transportation (MOCT), "Korean Design Code for Highway Bridges (in Korean)", 2010.
E. Simiu and R. H. Scanlan, "Wind Effects on Structures", JohnWiley&Sons, 1996.
N. P. Jones and R. H. Scanlan, "Theory and Full-bridge Modeling of Wind Response of Cable-supported Bridges", Journal of Bridge Engineering, Vol. 6, No. 6, pp. 365-375, 2001.

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