교량은 사회간접시설물의 핵심이 되는 도로의 주요 시설물이므로 공용기간 동안 안정성과 사용성이 확보될 수 있도록 건설되며, 교량의 안전성 확보를 위하여 현재 상태에서 건전성을 평가하는 것은 유지관리 업무에서 중요한 과제이다. 일반적으로 교량의 내하력 평가를 위해 차량재하시험을 통하여 횡분배율을 측정함으로써 교량의 중첩거동 및 대칭거동을 확인할 수 있다. 그러나 공용중인 교량의 횡분배율을 측정하기 위하여 정적재하시험을 수행하고 있으며 교통통제의 어려움이 있다. 따라서 본 연구에서는 동적재하시험 및 상시진동시험에서 측정된 교량의 변위응답 데이터를 경험적 모드분해기법을 이용하여 정적 성분의 변위를 추출하였다. 추출된 정적 성분의 변위를 이용하여 횡분배율을 추정하였으며, 정적재하시험에서 측정된 횡분배율과 비교하였다.
교량은 사회간접시설물의 핵심이 되는 도로의 주요 시설물이므로 공용기간 동안 안정성과 사용성이 확보될 수 있도록 건설되며, 교량의 안전성 확보를 위하여 현재 상태에서 건전성을 평가하는 것은 유지관리 업무에서 중요한 과제이다. 일반적으로 교량의 내하력 평가를 위해 차량재하시험을 통하여 횡분배율을 측정함으로써 교량의 중첩거동 및 대칭거동을 확인할 수 있다. 그러나 공용중인 교량의 횡분배율을 측정하기 위하여 정적재하시험을 수행하고 있으며 교통통제의 어려움이 있다. 따라서 본 연구에서는 동적재하시험 및 상시진동시험에서 측정된 교량의 변위응답 데이터를 경험적 모드분해기법을 이용하여 정적 성분의 변위를 추출하였다. 추출된 정적 성분의 변위를 이용하여 횡분배율을 추정하였으며, 정적재하시험에서 측정된 횡분배율과 비교하였다.
Since the bridge is the main facility of the road that is the core of the civil infrastructure, the bridge is constructed to ensure stability and serviceability during the traffic use. In order to secure the safety of bridges, evaluating the integrity of bridges at present is an important task in th...
Since the bridge is the main facility of the road that is the core of the civil infrastructure, the bridge is constructed to ensure stability and serviceability during the traffic use. In order to secure the safety of bridges, evaluating the integrity of bridges at present is an important task in the maintenance work of bridges. In general, to evaluate the load carrying capacity of bridges, it is possible to confirm the superimposed behavior and symmetric behavior of bridges by estimating the lateral load distribution factor of the bridges through vehicle loading tests. However, in order to measure the lateral load distribution factor of a commonly used bridge, a static loading test is performed. There is a difficulty in traffic control. Therefore, in this study, the static displacement component of the bridge measured in the dynamic loading test and the ambient vibration test was extracted by using empirical mode decomposition technique. The lateral load distribution was estimated using the extracted static displacement component and compared with the lateral load distribution factor measured in the static loading test.
Since the bridge is the main facility of the road that is the core of the civil infrastructure, the bridge is constructed to ensure stability and serviceability during the traffic use. In order to secure the safety of bridges, evaluating the integrity of bridges at present is an important task in the maintenance work of bridges. In general, to evaluate the load carrying capacity of bridges, it is possible to confirm the superimposed behavior and symmetric behavior of bridges by estimating the lateral load distribution factor of the bridges through vehicle loading tests. However, in order to measure the lateral load distribution factor of a commonly used bridge, a static loading test is performed. There is a difficulty in traffic control. Therefore, in this study, the static displacement component of the bridge measured in the dynamic loading test and the ambient vibration test was extracted by using empirical mode decomposition technique. The lateral load distribution was estimated using the extracted static displacement component and compared with the lateral load distribution factor measured in the static loading test.
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문제 정의
교량의 횡분배율을 측정하기 위하여 정적재하시험을 수행하고 있으며 공용중인 교량에서는 차량을 통재하는 것이 불가능하거나 통재가 가능하다고 하더라도 교통흐름에 방해를 초래하게 된다. 따라서 본 연구에서는 차량을 통재하지 않고 횡분배율 측정 방법을 제안하였다.
계측된 변위응답은 교량의 정적 및 동적인 성분 모두 포함되어 계측되므로 교량의 횡분배율 측정을 위해 필요한 정적인 성분은 경험적 모드분해기법을 이용하여 추출하였다. 본 연구에서는 경험적 모드분해기법을 이용하여 교량의 횡분배율을 측정할 수 있는 방법의 타당성을 검증하기 위하여 동적재하시험 및 상시진동시험을 수행하였으며, 정적재하시험을 통하여 측정한 횡분배율과 비교하였다.
본 연구에서는 동적재하시험을 이용하여 횡분배율 측정알고리즘을 검증하기 위하여 정적재하시험과 동적재하시험을 수행하여 두 시험의 결과를 비교하였다. 차량재하시험의 각 Load Case는 Table 2와 같으며, Load Case1, 5 및 9는 정적재하시험이며 나머지 Load Case는 동적재하시험이다.
노후화된 교량의 수가 늘어남에 따라 유지관리가 필요한 교량이 증가하고 있으며, 교량의 건전성을 확인하기 위하여 횡분배율을 측정하는 것은 중요하다. 본 연구에서는 차량의 통행 상태에서 횡분배율 측정하는 방법의 검증을 위하여 정적재하시험, 동적재하시험 및 상시진동시험을 수행하였다.
제안 방법
4와 같이 설치하였으며, 4개의 거더 L/2지점 중심에 설치하였다. LVDT(Linear Variable Differential Transformer)는 데이터 취득속도 100 Hz로 계측하였다.
정적재하시험 및 동적재하시험의 차량재하 위치는 1번 차선, 2번 차선 및 1, 2번 차선에 차량을 재하 하였다. 그리고 동적재하시험은 차량이 Fig. 6(b)와 같은 위치에 차량을 통과하도록 주행하였으며 차량의 주행속도는 10 km/h, 60 km/h, 100 km/h로 주행하였다. Fig.
차량 재하시험에서 측정된 횡분배율의 오차를 줄이기 위하여 각 Load Case에 대하여 3회의 시험을 수행하였으며, 대표값은 3회의 시험에 대한 평균을 사용하였다. 동적재하시험으로부터 LVDT를 이용하여 계측한 Load Case7의 변위응답은 Fig. 8과 같으며 EMD를 이용하여 정적성분의 변위를 추출하였다.
동적재하시험 및 상시진동시험을 통하여 계측된 변위응답은 교량의 정적 및 동적인 성분이 포함된 변위응답이 계측되며, 동적인 변위응답은 교량의 고유진동수, 차량의 고유진동수, 교량과 차량의 상호작용에 의한 변위응답이다. 따라서 측정된 변위응답에 동적인 성분을 제거한다면 교량의 정적 성분에 대한 변위응답의 추출이 가능하므로 본 논문에서는 EMD(Empirical Mode Decomposition)를 이용하여 정적 성분의 변위응답을 추출하였다.
상시진동시험에서 차량의 주행차선과 차량의 종류를 파악하기 위하여 도로변에 카메라를 설치하였다. 또한 Fig. 11에서와 같이 카메라와 LVDT를 이용하여 동시에 계측함으로써 차량종류와 주행차로에 따른 계측응답을 분석하였다. 상시진동시험은 3시간동안 수행하였으며, Table 5는 상시주행차량에서 통과차량의 차종을 나타내었다.
13은 상시진동시험에서 일정구간에서 계측된 변위응답을 나타내었다. 상시진동시험에서 승용차와 같은 작은 차량이 교량을 통과할 경우 0.2 mm미만의 처짐이 발생하여 수직변위가 크게 발생하는 중차량으로부터 교량의 횡분배율을 추정하였다. 또한 두 대 이상의 차량이 비슷한 시간에 교량을 주행하는 경우 횡분배율 측정에 오차가 발생할 것으로 판단되어 분석대상에서 제외하였다.
중량을 모르는 차량에 대한 횡분배율 측정 가능성을 확인하기 위하여 상시진동시험을 수행하였으며, 센서는 정적 및 동적 재하시험과 동일하게 부착하였다. 상시진동시험에서 차량의 주행차선과 차량의 종류를 파악하기 위하여 도로변에 카메라를 설치하였다. 또한 Fig.
차량재하시험의 각 Load Case는 Table 2와 같으며, Load Case1, 5 및 9는 정적재하시험이며 나머지 Load Case는 동적재하시험이다. 정적재하시험 및 동적재하시험의 차량재하 위치는 1번 차선, 2번 차선 및 1, 2번 차선에 차량을 재하 하였다. 그리고 동적재하시험은 차량이 Fig.
중량을 모르는 차량에 대한 횡분배율 측정 가능성을 확인하기 위하여 상시진동시험을 수행하였으며, 센서는 정적 및 동적 재하시험과 동일하게 부착하였다. 상시진동시험에서 차량의 주행차선과 차량의 종류를 파악하기 위하여 도로변에 카메라를 설치하였다.
차량 재하시험에서 측정된 횡분배율의 오차를 줄이기 위하여 각 Load Case에 대하여 3회의 시험을 수행하였으며, 대표값은 3회의 시험에 대한 평균을 사용하였다. 동적재하시험으로부터 LVDT를 이용하여 계측한 Load Case7의 변위응답은 Fig.
또한 두 대 이상의 차량이 비슷한 시간에 교량을 주행하는 경우 횡분배율 측정에 오차가 발생할 것으로 판단되어 분석대상에서 제외하였다. 한 차선에 차량이 교량을 통과하고 중량이 큰 차량에 대하여 분석을 실시하였으며, 차량의 종류는 4종류의 차량(트럭, 화물차, 덤프트럭, 특장차)으로 분류하여 데이터 분석을 수행하였다. 상시진동시험에서 횡분배율 추정에 사용된 차량 횟수는 Table 6과 같다.
대상 데이터
교량의 재하시험에 사용된 차량은 여주방향에서 충주방향으로 진행시켰으며, 하중용 석재를 실은 15톤 덤프트럭 2대를 사용 하였다. 재하시험에 사용된 트럭의 제원 및 중량은 Table 2와 같으며, 각 차량의 중량은 27.
금당교는 경간 30 m, 교폭이 12.6 m, skew 15°이며 4개의 PSC 거더로 구성되어 있다.
본 연구에서는 동적재하시험을 통한 PSC 거더교의 횡분배율 측정 알고리즘을 검증하기 위하여 Fig. 3의 경기도 여주에 위치한 PSC 거더 교량인 금당교에서 시험을 수행하였다. 금당교는 경간 30 m, 교폭이 12.
교량의 재하시험에 사용된 차량은 여주방향에서 충주방향으로 진행시켰으며, 하중용 석재를 실은 15톤 덤프트럭 2대를 사용 하였다. 재하시험에 사용된 트럭의 제원 및 중량은 Table 2와 같으며, 각 차량의 중량은 27.33 kg, 27.91 kg이다.
이론/모형
횡분배율 측정 방법은 교량을 통과하는 차량에 의한 교량의 수직처짐으로부터 횡분배율을 측정하는 방법이며, 추출한 변위응답에서 정적성분의 변위를 이용하여 횡분배율을 측정하게 된다. 계측된 변위응답은 교량의 정적 및 동적인 성분 모두 포함되어 계측되므로 교량의 횡분배율 측정을 위해 필요한 정적인 성분은 경험적 모드분해기법을 이용하여 추출하였다. 본 연구에서는 경험적 모드분해기법을 이용하여 교량의 횡분배율을 측정할 수 있는 방법의 타당성을 검증하기 위하여 동적재하시험 및 상시진동시험을 수행하였으며, 정적재하시험을 통하여 측정한 횡분배율과 비교하였다.
성능/효과
동적재하시험 및 상시진동시험에서 측정한 횡분배율은 정적재하시험에서 측정된 횡분배율과 오차율이 평균 7% 이내로 신뢰성이 양호한 것으로 나타났다. 상시진동시험에서 화물차에 비해 적은 중량을 가지는 차종에 대해 횡분배율은 다소 차이가 있지만 교량의 내하력 평가를 위해 필요한 횡분배율을 측정하는 측면에서 볼 때 어려움이 없다고 판단된다.
상시진동시험에서 화물차에 비해 적은 중량을 가지는 차종에 대해 횡분배율은 다소 차이가 있지만 교량의 내하력 평가를 위해 필요한 횡분배율을 측정하는 측면에서 볼 때 어려움이 없다고 판단된다. 또한 상시진동시험에서 다양한 차종에 대하여 횡분배율을 측정한 결과 동적재하시험의 차선을 정확히 주행하지 않아 횡분배율의 차이는 있었으나 유사한 결과를 확인 할 수 있었다.
10은 각 Load Case에 대해 정적재하시험을 기준으로 오차분석을 수행한 것으로 오차율이 3% 이내로 신뢰성이 양호한 것으로 판단된다. 또한 작은 변위가 발생한 거더의 시험 데이터를 분석한 결과는 최대 3%이내의 오차가 있지만 교량의 내하력평가를 위해 필요한 횡분배율 측정에는 어려움이 없으며, 동적재하시험을 통하여 횡분배율의 측정이 가능한 것으로 판단된다.
그러나 상시진동시험에서는 주행차량이 동적재하시험과 같이 정확하게 차선을 주행하지 않아서 동적재하시험에서 측정된 횡분배율 보다 오차가 큰 것으로 판단된다. 또한 화물차에 비해 중량이 작은 차량에 대해서는 다소 오차가 크게 나타났으나 정적재하시험 및 상시진동시험에서 측정된 횡분배율은 유사함을 확인 할 수 있었다. 따라서 공용중인 교량에 카메라를 설치하여 차종을 파악하고 변위를 측정한다면, 교통을 통재하지 않고 상시진동시험으로 횡분배율의 측정이 가능한 것으로 판단된다.
후속연구
교통통제 등의 어려움이 있는 교량의 횡분배율 측정이 필요한 경우 본 연구에서 제안하고 있는 방법을 이용할 수 있으며, 이를 이용하면 상시진동시험을 통하여 교통통제없이 경제적으로 횡분배율의 측정이 가능할 것으로 판단된다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
교량의 주형간에 어떠한 연결 구조가 없는 경우의 문제점과 해결방안은?
교량의 주형간에 어떠한 연결 구조가 없는 경우에는 하중이 작용한 주형만이 휨이 발생하게 되나 교량에는 주형 간에 연결하는 교축직각방향의 하중 전달 구조가 설치되어있다. 따라서 하나의 주형에 하중이 작용하더라도 하중의 일부분이 횡방향으로 연결된 하중 전달 구조에 의하여 이웃하는 주형에 하중을 횡분배하게 된다.
교량의 사용 시, 주의해야 할 사항은 무엇인가?
교량의 시공품질이 양호하고 교량을 구성하고 있는 재료의 성질과 외적으로 작용하는 환경이 크게 변하지 않는다면 교량은 설계당시에 설정한 설계수명 및 내구년동안 안전하게 교량의 기능을 수행할 수 있다. 그러나 시간이 경과함에 따라 교통 환경의 변화 및 재료의 열화 등과 같은 여러 원인에 의해서 손상을 받게 되기 때문에 적절한 유지관리를 통하여 수명을 연장하고 안전성과 사용성을 확보(Chang et al., 2003; Wang et al., 2011)하는 것이 필요하다. 따라서 교량의 안전성 확보를 위하여 현재상태에서 교량의 건전성을 평가하는 것은 교량의 유지관리 업무에서 중요한 과제이다.
교량이란?
교량은 사회간접시설물의 핵심이 되는 도로의 주요 시설물로 공용기간 동안 안정성과 사용성이 확보될 수 있도록 건설된다. 교량의 시공품질이 양호하고 교량을 구성하고 있는 재료의 성질과 외적으로 작용하는 환경이 크게 변하지 않는다면 교량은 설계당시에 설정한 설계수명 및 내구년동안 안전하게 교량의 기능을 수행할 수 있다.
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