[논문]S형 보도사장교의 케이블이 횡방향 거동에 미치는 영향 연구

지선근; 임성순

doi:10.5762/kais.2019.20.5.577

S형 보도사장교의 케이블이 횡방향 거동에 미치는 영향 연구
Study on the effect of cable on the lateral behavior of S-shaped Pedestrian-CSB 원문보기

한국산학기술학회논문지 = Journal of the Korea Academia-Industrial cooperation Society, v.20 no.5, 2019년, pp.577 - 584

지선근 (서울시립대학교 토목공학과) , 임성순 (서울시립대학교 토목공학과)

초록
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최근 국내 사장교는 경관적인 요소를 위하여 비정형적인 형태가 시도되고 있다. 새로운 기하구조가 적용된 사장교는 그 특성을 명확히 분석하여 구조안전성을 확보할 필요가 있다. 본 연구 대상 교량은 S자형 곡선 보도사장교로 S자형 평면곡선과 역삼각형트러스 횡단면을 가진 보강거더, 곡선반경 내측에 1면으로 배치된 경사 주탑과 modified Fan 타입 주케이블, 수직 백스테이케이블이 적용되었다. 곡선사장교는 직선사장교와 같이 종방향의 거동에만 초점을 두고 장력을 조정할 경우 횡방향으로 과다한 변위와 모멘트가 발생 할 수 있다. 본 연구는 주케이블이 교량의 횡방향 거동에 미치는 영향을 분석하기 위해서, 장력에 의한 주탑의 횡방향 변위 방향에 따라 케이블을 2개 그룹으로 나누었다. 지간중앙부 케이블 그룹을 GR1, 주탑지점부 케이블 그룹을 GR2라 할 때 GR1과 GR2의 조합비율이 보강거더, 받침, 주탑 그리고 수직앵커케이블에 미치는 영향을 분석하였다. 연구대상 교량에 적용된 장력비율을 1.0GR1+1.0GR2라 하였을 때, 1.2GR1+0.8GR2의 조합에서 주탑지점부 보강거더의 좌측과 우측 상현재 응력이 최소가 되었고, 좌우 부재의 편차도 최소가 되었다. 또한, 받침의 수평력, 주탑의 횡방향 변위와 모멘트, 수직백스테이케이블의 장력도 감소하였다. 본 연구는 유사한 기하구조를 가진 사장교의 장력 결정시 기초 자료로 활용될 것으로 기대된다.

Abstract ▼ AI-Helper

Recently, CSB(Cable-Stayed Bridge) have been attempted to be atypical forms for landscape elements in Korea. CSB with new geometry need to analyze their characteristics clearly to ensure structural safety. This study's bridge is the S-shaped curved pedestrian CSB that has a girder with S-shape plane curve and reverse triangular truss cross section, inclined independent pylon, modified Fan type main cable and vertical backstay cable. Curved CSB can have excessive lateral displacement and moment when the tension is adjusted, focusing only on longitudinal behavior, such as a straight CSB. In order to analyze the effect of the cable on the lateral behavior of bridges, the cable is divided into two groups according to the lateral displacement direction of the pylon due to tension. The influence of the combination ratio of GR1 and GR2 on the girder, bearing, pylon, and vertical anchor cable was analyzed. When the tension applied to the bridge is 1.0GR1 plus 1.0GR2, In the combination of 1.2GR1 plus 0.8GR2, the stress on the left and right upper member of the truss girder and the deviation of the both were minimized. In addition, the horizontal force of the bearing, the lateral displacement and moment of the pylon, and the tension of the vertical backstay cable also decreased. This study is expected to be used as basic data for determination of tension of CSB with similar geometry.

주제어

표/그림 (18)

그림 Fig. 1. Outline Of Bridge Plans (a)Plan View (b)Cross Section of Girder on Pier1 (c)Vertical View (d)Cross Section of Girder on Pier2
그림 Fig. 2. Torsion Direction of Girder without Cable
그림 Fig. 3. Deformed Shape of Truss Girder witn Case1 (a)Truss Girder on Pier1 (b)Truss Girder on Pylon1
그림 Fig. 4. Transverse Arrangement of Cable
그림 Fig. 5. Analysis Modeling
그림 Fig. 6. Cable Group (a)Cable Group1 (b)Cable Group2 (c)Pylon1 deformed shape by cable group1 (d)Pylon1 deformed shape by cable group2
표 Table 1. Direction of Torsion Deformation
그림 Fig. 7. Girder Moment due to Tension of Cable Group1 (a)My (b)Mz (c)Mx
그림 Fig. 8. Girder Moment due to Tension of Cable Group2 (a)My (b)Mz (c)Mx
그림 Fig. 9. Pattern Diagram
표 Table 2. Stress of Girder due to Combination GR1&GR2
그림 Fig. 10. Transver Moment Diagram of Pylon1
표 Table 3. Horizontal Force of Bearing due to Combination GR1&GR2
표 Table 4. Displacement of Pylon due to Combination GR1&GR2
표 Table 5. Tension of vertical BackStay Cable due to Combination GR1 and GR2
그림 Fig. 11. Mode Shape (a)mode2 (b)mode5
표 Table 6. Equivalent elastic modulus
표 Table 7. Frequency of Eigenvalue Analysis

AI 본문요약
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문제 정의

곡선사장교는 직선사장교와 같이 종방향 거동에만 초점을 두고 장력을 조정할 경우 횡방향으로 과다한 변위와 모멘트가 발생 할 수 있다. 본 연구 목적은 S자형 곡선사장교에서 주케이블이 횡방향 거동에 미치는 영향을 분석하여 케이블 장력을 산정하는데 있다. 이에 케이블을 2개 그룹으로 나누고, 두 그룹의 조합 비율에 따른 보강거더의 응력, 받침 수평력, 주탑의 횡방향 변위와 모멘트, 수직 백스테이케이블의 장력에 미치는 영향을 분석하기로 한다.
본 연구는 S자형 역대칭 보도사장교의 주케이블이 교량의 교축직각방향인 횡방향 거동에 미치는 영향을 분석하였다. 사장재 케이블 장력에 의한 주탑의 변위 방향을 기준으로 사장재 케이블을 2그룹으로 나누었다.

제안 방법

케이블 GR1과 GR2의 장력이 교량의 횡방향 거동에 서로 반대방향의 영향을 준다. GR1과 GR2의 증감에 따라 지점부 보강형, 받침, 주탑 변위와 모멘트, 수직앵커케이블의 거동을 분석하였다.
사재케이블은 구조효율보다 곡선 형상의 조형미를 위해 3차원으로 배치되었다. S자형 보강형의 편측에 배치된 주탑의 횡방향 안정성 확보를 위해서 주탑의 배면에 수직 백스테이케이블을 배치하였다. 받침은 각 지점부마다 1개씩 배치되었으며, 횡방향 비틀림 변형을 억제하기 위해서 LinkShoe가 2개씩 배치되었다.
고유치해석결과의 각 모드별 6개방향(Dx, Dy, Dz, Rx, Ry, Rz)의 질량참여율 분석을 통해 비틀림 모드를 선정하였으며, mode2와 mode5에서 비틀림 형상이 발생하였다. mode2와 mode5의 주파수는 조합1.
보강형과 주탑은 3차원 보요소로 모델링하였으며, 사장 케이블과 수직 백스테이케이블은 등가탄성계수를 적용한 트러스 요소로 모델링하였다. 받침은 탄성스프링요소를 적용하였으며, 해석프로그램은 MIDAS를 적용하였다. 하중은 구조물의 자중, 목재, 난간, 조명 등의 2차고정하중과 케이블 장력을 고려하였다.
보강형과 주탑은 3차원 보요소로 모델링하였으며, 사장 케이블과 수직 백스테이케이블은 등가탄성계수를 적용한 트러스 요소로 모델링하였다. 받침은 탄성스프링요소를 적용하였으며, 해석프로그램은 MIDAS를 적용하였다.
본 연구는 S자형 역대칭 보도사장교의 주케이블이 교량의 교축직각방향인 횡방향 거동에 미치는 영향을 분석하였다. 사장재 케이블 장력에 의한 주탑의 변위 방향을 기준으로 사장재 케이블을 2그룹으로 나누었다. 지간 중앙부에 위치한 케이블을 GR1이라하고, 주탑 지점부에 위치한 케이블을 GR2라고 하였다.
본 연구 목적은 S자형 곡선사장교에서 주케이블이 횡방향 거동에 미치는 영향을 분석하여 케이블 장력을 산정하는데 있다. 이에 케이블을 2개 그룹으로 나누고, 두 그룹의 조합 비율에 따른 보강거더의 응력, 받침 수평력, 주탑의 횡방향 변위와 모멘트, 수직 백스테이케이블의 장력에 미치는 영향을 분석하기로 한다. 이는 향후 유사한 곡선교량의 케이블 장력을 산정 할 경우와 유지관리를 위해서 케이블 장력을 조정 할 경우 참고자료가 될 것이다.
케이블 그룹1(GR1)과 그룹2(GR2)의 장력 변화와 보강형 응력의 상관관계를 분석하기 위해서 Table 2과 같이 GR1과 GR2를 조합하였다. 연구대상 교량에 적용한 장력인 1.

대상 데이터

보강형의 응력 검토 위치는 부재력이 가장 큰 주탑1의 지점부를 선정하였으며, 좌·우측상현재, 좌·우측사재 및 하현재를 선정하여 분석하였다.
본 연구대상 교량은 S자형 곡선 보도사장교로 역대칭 1면 사장교이다. 폭은 4.
본 연구대상 교량은 S자형 평면선형을 갖는 곡선 보도사장교이다. 주탑과 케이블은 보강거더의 곡선반경 내측에 1면으로 배치되었다.
연구대상 교량의 사재케이블 배치는 Fig. 1(c)의 종단면도와 같이 일반적인 사장교의 케이블 배치와 반대의 구조이다. 주탑의 가장 높은 곳에 정착된 케이블이 주탑에서 가장 가까운 위치의 보강형에 정착되고, 주탑의 가장 낮은 곳에 정착된 케이블은 주탑에서 가장 멀리 이격된 보강형에 정착된다.
10은 주탑의 횡방향 변위와 모멘트를 분석한 것이다. 주탑모멘트도는 콘크리트 교각 상단에 정착된 강재 주탑을 대상으로 하였다. 주탑모멘트의 형상은 케이블 그룹 GR1과 GR2의 장력이 주탑에 각각 반대방향으로 작용한 결과다.
5m, 연장은 220m이며, 측경간장은 55m, 주경간장은 110m의 2주탑 사장교이다. 평면선형은 S자형이며, 곡선반경은 145m이다. 보강형은 역삼각형 강관트러스 구조이며, 주탑은 65°의 경사 독립 강관 주탑 형식으로, 원의 중심측에 1면으로 배치하였다.
본 연구대상 교량은 S자형 곡선 보도사장교로 역대칭 1면 사장교이다. 폭은 4.5m, 연장은 220m이며, 측경간장은 55m, 주경간장은 110m의 2주탑 사장교이다. 평면선형은 S자형이며, 곡선반경은 145m이다.

이론/모형

받침은 각 지점부마다 1개씩 배치되었으며, 횡방향 비틀림 변형을 억제하기 위해서 LinkShoe가 2개씩 배치되었다. 가설은 벤트를 설치하고 보강거더와 케이블을 설치 한 후 벤트를 제거하는 FSM(Full Staging Method)공법을 적용하였다.
8은 트러스 보강거더를 하나의 보요소로 단순화하여 해석한 결과이다. 이는 케이블 그룹1,그룹2의 장력과 보강거더 모멘트 형상의 상관관계 분석을 용이하게 하기 위함이며, 이후 사재케이블이 교량에 미치는 영향을 분석한 모델은 Fig. 5의 트러스 모델을 적용하였다. 종방향모멘트 “My”의 경우 주탑 지점부 모멘트는 그룹1과 그룹2 모두 정모멘트가 발생하며, 중앙경간의 경우 방향은 동일하나 형상과 최대 모멘트 발생 위치가 상이하다.

성능/효과

0GR2라 하였다. 1.2GR1+0.8GR2의 조합을 적용한 경우, 지점부 보강거더 상현재의 응력이 27%감소하였으며, 좌우측 상현재의 응력 편차도 제일 작았다. 받침의 수평력은 42%, 주탑의 변위는 25%, 주탑 모멘트는 98%로 각각 감소하였다.
둘째, 주탑은 케이블 장력에 의해서 주탑에 횡방향 변위가 발생하지 않는 구조계이다. A형, H형, 역Y형, 다이아몬드형 등과 같이 주탑의 횡방향 변위를 방지하기 위해서 부정정 구조를 채택하고, I형의 독립주탑과 같이 횡방향 지지부재가 없는 캔틸레버 구조는 장력에 의해서 주탑에 횡방향 변위가 발생하지 않도록 주탑의 중립축과 케이블 배치면을 일치시킨다.
632467로 그 차이가 작았다. 따라서 사재케이블 GR1과 GR2의 조합에 따라 수직앵커케이블의 장력이 변화하지만, 앵커케이블의 장력이 교량의 비틀림강성에 미치는 영향은 작은 것을 알 수 있다.
주탑모멘트의 형상은 케이블 그룹 GR1과 GR2의 장력이 주탑에 각각 반대방향으로 작용한 결과다. 받침수평력, 주탑의 횡방향 변위와 모멘트 모두 1.2GR1+0.8GR2의 조합에 최소를 보였다. 받침수평력은 42%, 주탑의 변위는 25%, 최하단의 모멘트는 98% 각각 감소하였다.
8GR2의 조합에 최소를 보였다. 받침수평력은 42%, 주탑의 변위는 25%, 최하단의 모멘트는 98% 각각 감소하였다. 보강형의 횡방향모멘트와 같이 받침의 수평력, 주탑의 변위 및 모멘트 등 횡방향의 거동에는 GR1과 GR2의 증감에 영향을 받음을 알 수 있다.
8GR2의 조합을 적용한 경우, 지점부 보강거더 상현재의 응력이 27%감소하였으며, 좌우측 상현재의 응력 편차도 제일 작았다. 받침의 수평력은 42%, 주탑의 변위는 25%, 주탑 모멘트는 98%로 각각 감소하였다.
본 연구는 일반적인 직선사장교와 달리 역대칭 2중곡선 보강거더를 가진 S자형 곡선사장교에서 경사주탑과 케이블이 곡선중심방향에 편측 1면으로 배치된 경우, 주탑 지점부 사재케이블과 지간중앙부 사재케이블의 장력 조합은 지점부 보강거더의 응력, 받침 수평력, 주탑 변위와 모멘트, 수직앵커케이블 장력 등 교량의 교축직각방향의 거동에 영향을 미치는 것을 확인하였다. 따라서 케이블 장력은 교량의 종방향과 횡방향의 거동을 동시에 고려하여 조정할 경우 최적의 장력값을 산정할 수 있다.
사재케이블과 수직앵커케이블의 상호작용을 분석한 결과, 1.2GR1+0.8GR2의 조합 적용 시 수직앵커케이블의 장력이 26%감소하였다. 수직앵커케이블의 장력 감소가 교축직각방향의 비틀림강성에 미치는 영향을 고유치 해석으로 분석한 결과, 1.
상현재는 1.2GR1+0.8GR2의 조합에서 최솟값을 보였으며, 1.0GR1+1.0GR2 대비 최대 27% 감소하였다. 또한 좌우측 부재 응력의 절댓값의 차이가 8.
8GR2의 조합 적용 시 수직앵커케이블의 장력이 26%감소하였다. 수직앵커케이블의 장력 감소가 교축직각방향의 비틀림강성에 미치는 영향을 고유치 해석으로 분석한 결과, 1.2GR1+0.8GR2 조합의 주파수는 0.632465, 1.0GR1+1.0GR2의 조합은 0.632467로 그 차이가 작았다. 따라서 사재케이블 GR1과 GR2의 조합에 따라 수직앵커케이블의 장력이 변화하지만, 앵커케이블의 장력이 교량의 비틀림강성에 미치는 영향은 작은 것을 알 수 있다.
케이블 그룹1(GR1)과 그룹2(GR2)의 장력 변화와 보강형 응력의 상관관계를 분석하기 위해서 Table 2과 같이 GR1과 GR2를 조합하였다. 연구대상 교량에 적용한 장력인 1.0GR1+1.0GR2을 기준으로 GR1과 GR2를 80%에서 120%까지 증감하여 조합하였다. 보강형의 응력 검토 위치는 부재력이 가장 큰 주탑1의 지점부를 선정하였으며, 좌·우측상현재, 좌·우측사재 및 하현재를 선정하여 분석하였다.

후속연구

8GR2 조합 비율은 대상교량에 적용된 장력을 기준으로 한 상대적인 수치이며, 연구 대상교량의 조건으로 한정된다. 사재케이블 장력의 조합비율은 보강 거더의 기하구조와 단면형상, 케이블배치, 주탑 형상, 지점조건 등 다양한 조건 변경에 따라 다른 조합 비율에서 최적값을 보일 것이다.
이에 케이블을 2개 그룹으로 나누고, 두 그룹의 조합 비율에 따른 보강거더의 응력, 받침 수평력, 주탑의 횡방향 변위와 모멘트, 수직 백스테이케이블의 장력에 미치는 영향을 분석하기로 한다. 이는 향후 유사한 곡선교량의 케이블 장력을 산정 할 경우와 유지관리를 위해서 케이블 장력을 조정 할 경우 참고자료가 될 것이다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	곡선사장교는 일반사장교와는 달리 어떤 문제점이 있는가?	첫재, 보강거더의 평면 선형이 직선이다. 곡선 거더의 경우 사장재의 수평분력에 의해 보강거더에 횡방향 모멘트와 변위가 발생한다. 캔틸레버가설공법(FCM)을 주로 적용하는 사장교에서 가설 세그먼트마다 횡변위와 비틀림 변위가 발생하면 시공 중 형상관리가 매우 어렵다. 또한 매우 큰 축력을 받는 보강거더에 발생하는 2차모멘트와 변위는 구조안전성을 저하시킨다[12].
	사장교란 무엇인가?	사장교는 강성과 단면이 작은 보강 거더를 케이블을 이용하여 장경간이 가능하도록 한 형식이다. 케이블은 보강거더의 면내 모멘트와 처짐을 개선하는 역할을 하는 반면 보강거더와 주탑에 매우 큰 축력을 유발한다.
	보도교가 차도교에 비해 과감한 형상이 적용될 수 있는 이유는 무엇인가?	경관 및 조형미를 위해서 기존에 시도되지 않은 다양한 형상의 사장교가 시도되고 있다. 특히, 보도교는 차도교에 비해 선형적인 제약이 작고, 폭, 활하중의 규모가 작아서 좀 더 과감하고 실험적인 형상이 적용되고 있다.

참고문헌 (12)

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J. H. Jung, Analsis of symmetric or non-symmetric cable-stayed bridges, Doctor's thesis, University of Seoul, Seoul, Korea, pp.60-104, 2003.
S. S. Yhim, "Determination of Initial Tension and Reference Length of Cables of Cable-Stayed Bridges", Journal of The Korea Institute for Structural Maintenance and Inspection, Vol.9, No.2, pp. 137-146, Apr. 2005
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G. Y. Kim, D. W. Seo, "Structural Safety Evaluation of Cable Stayed Bridge based on Cable Damage Scenarios", Journal of the Korea Academia-Industrial cooperation Society, Vol.19, No.7, pp. 105-111, Jul. 2018 DOI: http://doi.org/10.5762/KAIS.2018.19.7.105
E. R. Kim, "Seismic Damage Index Proposal and Damage Assessment for Cable-Stayed Bridge", Journal of the Korea Academia-Industrial cooperation Society, Vol.19, No.1, pp. 127-135, Jan. 2018 DOI: http://doi.org/10.5762/KAIS.2018.19.1.127
H. J. Lee, "Study on the Efficient Application of Vision-Based Displacement Measurements for the Cable Tension Estimation of Cable-Stayed Bridges", Journal of the Korea Academia-Industrial cooperation Society, Vol.17, No.9, pp. 709-717, Sept. 2016 DOI: http://doi.org/10.5762/KAIS.2016.17.9.709
S. G. Ji, Lateral Behaviors of U-type Concrete Pylon in Cable Stayed Bridge, Master's thesis, University of Seoul, Seoul, Korea, pp.16-33, 2016
Y. S. Na, Structural Stability of S-type Pedestrian-CSB due to Tension Change of Backstay Cables, Master's thesis, University of Seoul, Seoul, Korea, pp.40-69, 2018.
Niels J. Gimsing, Cable Supported Bridges. p.353-411, A John Wiley & Sons Publication, 2012.

저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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